JP2015126241A - Ａｄ変換器、ａｄ変換装置、光電変換装置、撮像システム、およびａｄ変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射光量に対するダイナミックレンジが不十分になることと消費電力が大きくなることが懸念される。
【解決手段】 アナログ信号の大きさが閾値を下回る場合には、前記比較器で前記アナログ信号を第１の参照信号と比較することによって、ｐビットのデジタル信号を得、アナログ信号の大きさが閾値を上回る場合には、比較器でアナログ信号を第１の参照信号よりも時間に対する変化率が大きい第２の参照信号と比較することによって、ｐビットよりも少ないｑビットのデジタル信号を得る。
【選択図】 図５

Description

光電変換装置、撮像システム、および光電変換装置の駆動方法に関し、特に、ＡＤ変換器を備えるものに関する。

特許文献１には、アナログ信号を、フルスケールアナログ信号の振幅を２^ｋ倍で除算した閾値と比較する画像センサが記載されている。特許文献１においては、アナログ信号が閾値よりも大きい場合には、ＭＳＢ側のｎビットのデジタルデータを得て、アナログ信号が閾値以下である場合には、ＬＳＢ側のｎビットのデジタルデータを得る。

特開２０１０−０４５７８９号公報

特許文献１に記載された画像センサでは、ＭＳＢ側とＬＳＢ側のデジタルデータはともにｎビットである。しかしながら、高輝度信号の場合には、ＭＳＢ側のデータがｎビットの分解能である必要はないため、高輝度信号の場合にもｎビットのデジタルデータを取得すると消費電力が大きいことが懸念される。

本発明は、上述の問題に鑑みて、ダイナミックレンジを確保しつつ消費電力を低減できる技術を提供することを目的とする。

本発明の一の側面である光電変換装置は、複数の画素を含み、前記複数の画素に基づいてアナログ信号を出力する複数のアナログ信号出力部と、各々が比較部を含み、前記複数のアナログ信号出力部のいずれかに対応して設けられた複数の列信号処理部と、時間に対して第１の変化率で信号レベルが変化する第１の参照信号と、前記第１の変化率よりも高い第２の変化率で信号レベルが変化する第２の参照信号と、を生成する参照信号生成部と、を有し、前記複数の列信号処理部の各々は、前記アナログ信号の大きさが閾値を下回る場合には、前記比較器で前記アナログ信号を前記第１の参照信号と比較することによって、ｐビットのデジタル信号を得、前記アナログ信号の大きさが前記閾値を上回る場合には、前記比較器で前記アナログ信号を前記第２の参照信号と比較することによって、前記ｐビットよりも少ないｑビットのデジタル信号を得ることを特徴とする。

本発明によれば、ダイナミックレンジを確保しつつ消費電力を低減できる。

ＡＤ変換器が比較するアナログ信号と参照信号の関係を示す図である。 光電変換装置の構成例を示す図である。 画素の構成例を示す図である。 動作を説明するためのタイミング図である。 アナログ信号の信号振幅とデジタルデータの関係を示す図である。 ＤＳＰの詳細な構成例を示す図である。 参照信号の時間に対する変化を示す図である。 本実施例に係る参照信号の時間に対する変化を示す図である。 参照信号の時間に対する変化を示す図である。 ランプ信号の時間変化を示す図である。 光電変換装置の構成例を示す図である。 列信号処理部２０の詳細な構成例を示す図である。 撮像システムの動作シーケンスを説明するための図である。 動作の説明をするための図である。 動作の説明をするための図である。 光電変換装置の構成例を示す図である。 増幅回路の構成例を示す図である。 撮像感度、増幅回路の増幅率、およびランプ信号の関係を示す図である。 撮像システムの構成例を示す図である。

以下では、ＡＤ変換装置の適用例として、光電変換装置に適用された場合を説明する。

（実施例１）
図１は、ＡＤ変換器が比較するアナログ信号と参照信号の関係を示す図である。横軸は時間を表し、縦軸は信号レベルを表す。参照信号であるランプ信号はランプＬとランプＨを記載している。ランプ信号Ｈは最大値がＶＨであるので、ランプ信号Ｈを用いることで、信号レベルが０からＶＨのアナログ信号をＡＤ変換することができる。一方、ランプ信号Ｌは、信号レベルの最大値がＶＨよりも低いＶＬであるので、アナログ信号のレベルがＶＬを上回る場合には、ＡＤ変換できない。つまり、ランプＬを用いた場合には、ランプＨを用いる場合と比べて、ＡＤ変換器のダイナミックレンジが狭くなる。アナログ信号が、ＶＬを下回る場合にはランプ信号Ｌを用い、アナログ信号がＶＬを上回る場合にはランプ信号Ｈを用いることで、相対的に低輝度の信号は分解能を高くしつつ、ＡＤ変換器のダイナミックレンジを広くすることができる。

図２は、本実施例に係る光電変換装置の構成例を示す図である。光電変換装置１は、画素アレイ１０、行選択部１５、列信号処理部２０、参照信号生成部３０、カウンタ４０、列選択部５０、ＤＳＰ６０、および出力部７０を含む。

画素アレイ１０は、行列状に配列された複数の画素１１を含む。図２には、２行×２列の画素１１を例示している。本実施例では、画素アレイ１０がアナログ信号出力部となる。

列信号処理部２０は、画素アレイ１０の列に対応して設けられ、比較部２２とメモリ部２４とを含む。比較部２２は、比較器２２１と選択回路２２２とを含む。画素アレイ１０から出力された信号は、対応する比較器２２１の一方の入力端子に入力される。参照信号生成部３０から出力された信号は選択回路２２２を介して比較器２２１の他方の入力端子に入力される。参照信号生成部３０は、閾値となる信号、および時間に対して信号レベルが変化する参照信号を出力する。選択回路２２２は、参照信号生成部３０から出力された信号のいずれかを選択して比較器２２１の他方の入力端子に供給する。

カウンタ４０は、たとえば不図示のタイミング制御部から供給されるクロック信号をカウントすることでカウント信号を出力する。

メモリ部２４は、フラグメモリ２４１、Ｓメモリ２４２、およびＮメモリ２４３を含む。フラグメモリ２４１は、後述するフラグ信号を保持する。Ｓメモリ２４２およびＮメモリ２４３は、比較器２２１の出力を受けて、すなわち、アナログ信号と参照信号の大小関係が変化することに応じて、カウンタ４０から供給されるカウント信号を保持する。

列選択部５０は、メモリ部２４を選択して、選択されたメモリ部２４に保持された信号が、ＤＳＰ６０に転送されるように構成されている。

ＤＳＰ６０は、フラグ信号に基づいて、信号の補正を行う。また、Ｓメモリ２４２に保持された信号とＮメモリ２４３に保持された信号の差分処理を行っても良い。

出力部７０は、ＤＳＰ６０から出力された信号を出力する。出力部７０は、バッファ機能を備えても良い。

タイミング生成部８０は、光電変換装置１の動作に関する信号を供給する。

図３に、本実施例に係る画素１１の構成例を示す。画素１１はフォトダイオードＰＤ、増幅トランジスタＳＦ、転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＥＳおよび選択トランジスタＳＥＬを含む。転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＥＳ、選択トランジスタＳＥＬは、信号φＴ、φＲ、φＳＥＬによってそれぞれ導通または非導通に切り替えられる。フォトダイオードＰＤのアノードには接地電位が与えられ、カソードは転送トランジスタＴＸを介して浮遊拡散部ＦＤに接続される。増幅トランジスタＳＦのゲートは浮遊拡散部ＦＤに接続されるとともに、リセットトランジスタＲＥＳを介して電源ＳＶＤＤに接続される。増幅トランジスタＳＦの一方の主ノードは電源ＳＶＤＤに接続され、他方の主ノードは選択トランジスタＳＥＬを介して出力ノードＰＩＸＯＵＴに接続される。増幅トランジスタＳＦは、選択トランジスタＳＥＬが導通すると電流源ＩＲとともにソースフォロワ回路を構成する。

図４は、本実施例に係る動作を説明するためのタイミング図である。ある列に着目した時に、比較器２２１の他方の入力端子に入力されるランプ信号ＶＲＡＭＰと、画素１１から出力される信号、すなわち、比較器２２１の一方の入力端子の信号レベルＶａ、ならびに選択回路２２２に比較器２２１から与えられる信号Ｓを示している。

期間Ｔａｄは、アナログ信号をＡＤ変換する期間である。期間Ｔａｄにおいて、まず信号Ｓはローレベル（以下、Ｌレベルと標記する）であるので、選択回路２２２は、参照信号生成部３０から供給される参照信号のうち、時間に対する変化率が相対的に低い参照信号が与えられる状態にある。

画素１１において、増幅トランジスタＳＦのゲートがリセットトランジスタＲＥＳによってリセットされると、画素１１は基準信号を出力する。基準信号には、リセットに伴うノイズ成分が含まれる。画素１１の出力が基準信号に静定した後、期間Ｔｄにおいて、ランプ信号Ｒが比較器２２１に供給される。期間Ｔｄは、基準信号をＡＤ変換する期間である。ランプ信号Ｒの信号レベルが時間に対して第１の変化率で変化を開始するのとともに、カウンタ４０のカウント動作も開始する。そして、期間Ｔｄの開始から時間Ｔｒだけ経過した後にランプ信号Ｒが基準信号を上回ると、比較器２２１の出力が変化し、これを受けてカウンタ４０から出力されたカウント信号がＮメモリ２４３に保持される。

期間Ｔｄの終了後、画素１１のフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が転送トランジスタＴＸを介して増幅トランジスタＳＦのゲートに転送されると、画素１１は有効信号を出力する。有効信号は、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷量に相当する成分が基準信号に重畳された信号である。

期間Ｔｊは、判定期間である。期間Ｔｊにおいて、比較器２２１には閾値としての比較電圧ＶＲＥＦが与えられる。比較器２２１は、期間Ｔｊにおいて、有効信号と比較電圧ＶＲＥＦとを比較する。有効信号が比較電圧ＶＲＥＦを上回る場合には、選択回路２２２にＨレベルの信号を出力させるとともに、フラグメモリ２４１に、有効信号が比較電圧ＶＲＥＦを上回ることを示すフラグ信号を記憶させる。一方、有効信号が比較電圧ＶＲＥＦを下回る場合には、選択回路２２２にＬレベルの信号を出力させるとともに、フラグメモリ２４１に、有効信号が比較電圧ＶＲＥＦを下回ることを示すフラグ信号を記憶させる。

期間Ｔｕは、有効信号をＡＤ変換する期間である。この期間では、選択回路２２２の出力に応じて、比較器２２１に供給される参照信号の傾きが異なる。選択回路２２２の出力がＨレベルである場合、すなわち、有効信号が比較電圧ＶＲＥＦを上回る場合には、相対的に時間に対する変化率の大きいランプ信号Ｈが比較器２２１に供給される。この様子を図４の実線で示している。選択回路２２２の出力がＬレベルである場合、すなわち、有効信号が比較電圧ＶＲＥＦを下回る場合には、相対的に時間に対する変化率の小さいランプ信号Ｌが比較器２２１に供給される。この様子を図４の点線で示している。第２の参照信号であるランプ信号Ｈの信号レベルが時間に対して第２の変化率で変化を開始するのとともに、カウンタ４０のカウント動作も開始する。そして、期間Ｔｕの開始から時間Ｔｓだけ経過した後にランプ信号Ｈが基準信号を上回ると、比較器２２１の出力が変化し、これを受けてカウンタ４０から出力されたカウント信号がＳメモリ２４２に保持される。以下では、ランプ信号Ｌを第１の参照信号、ランプ信号Ｈを第２の参照信号とも呼ぶ。本実施例において、ランプ信号Ｈを用いて有効信号のＡＤ変換を行う場合には、第１の参照信号であるランプ信号Ｌを用いて有効信号のＡＤ変換を行う場合と比較して、カウンタ４０の動作周波数を１／２にする。これにより、アナログ信号が閾値を上回る場合には、閾値を下回る場合よりも少ないビット数のデジタル信号に変換することで、消費電力を低減できる。ランプ信号Ｌを用いた場合には、ｐビットのデジタル信号が得られ、ランプ信号Ｈを用いた場合には、ｐビットよりも少ないｑビットのデジタル信号を得る。

図５は、アナログ信号の信号振幅とデジタルデータの関係を示す図である。横軸はアナログ信号の振幅を示している。これは、フォトダイオードに入射する光量に対応する。縦軸は、ＡＤ変換後のデジタル信号の値を示す。ここではＤ１＝２０４７（＝１０^１１−１）がデジタル値のフルスケールであるとする。

図において、アナログ信号がＶＬまでの範囲にある場合には、ランプ信号Ｌを用いてアナログ信号を１０ビット（＝１０^１０＝１０２４段階）のデジタル信号に変換する。一方、アナログ信号がＶＬを超える場合には、ランプ信号Ｈを用いてアナログ信号をデジタル信号に変換する。しかし、先述の通り本実施例ではカウンタ４０の動作周波数を１／２に下げている。加えて、ランプ信号Ｈの時間に対する変化率は、ランプ信号Ｌの時間変化率の２倍であるため、ＶＬ〜ＶＨの範囲のアナログ信号に対するデジタル信号の傾きは、アナログ信号が０〜ＶＬの範囲に対して１／４となる。したがって、ランプ信号Ｈを用いてアナログ信号を変換する際に得られるデジタル信号は、Ｄ８（＝２５５＝（１０２４／４）−１）〜Ｄ４（＝５１１＝（２０４８／４）−１）となる。これは、ランプ信号Ｌを仮に用いてＶＬ〜ＶＨの範囲のアナログ信号をＡＤ変換した場合に得られるデジタル信号の１／４の値に該当する。得られたデジタル信号から画像を形成する際には、Ｄｈの信号に１０２３−２５５＝７６８を加算するので、画像においてはＤｈ’に相当する信号として扱われる。さらに、ＤＩとＤｈ’で特性が示される信号に対して、ガンマ処理を行うことによってＤｏに示すような特性となる。

一方、特許文献１に記載の技術では、相対的に傾斜の大きい参照信号を用いてＡＤ変換する場合も、相対的に傾斜の小さい参照信号を用いてＡＤ変換する場合と同じビット数のデジタル信号を得るとしている。そのため、図５に当てはめると、ＶＬ〜ＶＨの範囲のアナログ信号が、データＤ２（１０２３）からデータＤ１（２０４７）の１０ビットのデータとなる。しかし、この範囲について１０ビットのデータを取得すると、消費電力が大きいことが懸念される。

これに対して、本発明では、低輝度成分は１０ビットで変換し、高輝度成分は圧縮した信号として、低消費電力で取得出来る。低輝度成分は、輝度の変化が人間の目に見えやすいため、画像として重要な領域である。一方、高輝度成分は、低輝度成分と比べると輝度の変化が人間の目に見えにくいため、圧縮しても問題が生じにくい。

以上で説明した通り、本実施例によれば消費電力を低減できる。

ここまで、説明を簡単にするために、アナログ信号が閾値と等しい場合については説明せず、アナログ信号が閾値を上回る場合と下回る場合に分けて説明した。アナログ信号が閾値と等しい場合には、アナログ信号が閾値を上回る場合と下回る場合のどちらかと同じ処理を行えばよい。

図４において、参照信号はランプ信号Ｒ、Ｌ、Ｈの３つを説明した。このうち、ランプ信号Ｒとランプ信号Ｌとは、ともに低振幅のアナログ信号を変換するために用いるものなので、時間変化率を同じにしても良い。両者を共通化することで、参照信号を供給する配線の数を減らせるという利点がある。また、各列の選択回路２２２にランプ信号の時間変化率を変える回路を設け、各選択回路でランプ信号Ｒ、Ｌ、Ｈを生成するようにしても良い。その場合には、参照信号生成部３０から各列の選択回路２２２に接続される配線の数をさらに減らせる。第１の変化率で変化するランプ信号Ｒ、Ｌに対して、ランプ信号Ｈは、第１の変化率よりも高い第２の変化率で変化する。

また、ランプ信号Ｒによって変換される基準信号は、ノイズ成分が主であるため、信号レベルが大きくない。そこで、ランプ信号Ｒが取りうる最大値を、ランプ信号Ｌが取りうる最大値よりも低く設定することができる。これにより、基準信号のＡＤ変換期間Ｔｄの長さを短縮できる。

有効信号の信号レベルを判定する際に用いられる閾値としての比較電圧ＶＲＥＦは、固定電圧を供給しても良いし、ランプ信号の信号レベルが閾値に達したところでランプ信号の時間変化を停止させることによって生成しても良い。比較電圧ＶＲＥＦは、ランプ信号Ｌが取りうる最大値ＶＬと等しくても良いが、比較電圧ＶＲＥＦは、ランプ信号Ｌが取りうる最大値ＶＬよりも低いことが好ましい。なぜなら、各比較器２２１はオフセットを持つので、比較電圧ＶＲＥＦをＶＬよりも十分に高く設定しないと、比較器２２１のオフセットによって、正しく判定できなくなる恐れがあるからである。そのため、各比較器２２１のオフセットばらつきを考慮して、比較電圧ＶＲＥＦをランプ信号Ｌの最大値ＶＬよりも十分に低い信号レベルに設定することが好ましい。

以上では、図５を参照しながら、デジタル信号ＤｈをＤｈ’に変換し、さらにガンマ処理を行うことを説明した。これらの処理はたとえばＤＳＰ６０において実行される。具体的には、フラグメモリ２４１から出力されたフラグ信号が、アナログ信号が閾値を超えると判定されたことを示す場合に、デジタル信号ＤｈをＤｈ’にレベルシフトさせる。

図６に、ＤＳＰ６０のより詳細な構成例を示す。図６は、図２のうち、比較部２２、フラグメモリ２４１、Ｓメモリ２４２、Ｎメモリ２４３、列選択部５０、ＤＳＰ６０、および出力回路７０を抜き出して示した図である。

ＤＳＰ６０はゲイン比・傾き比誤差補正部６２、傾き比誤差検出部６４と、差分処理部６６とを含む。ゲイン比・傾き比誤差補正部６２は、Ｓメモリ２４２から出力される信号が、どのランプ信号を用いてＡＤ変換されたのかを、フラグメモリ２４１から出力されるフラグ信号ＦＧに基づいて識別する。そして、識別した結果により、Ｓメモリから出力された信号を補正する。これにより、ランプ信号Ｌを用いて得られたデジタル信号Ｌ−ＤＡＴＡと、ランプ信号Ｈを用いて得られたデジタル信号Ｈ−ＤＡＴＡとを選択して利用できる状態にする。これは、図５において、信号Ｄｈを信号Ｄｈ’に変換することに対応する。

傾き比検出部６４は、ランプ信号Ｌとランプ信号Ｈとの時間変化率の比、つまり傾き比を検出する。本実施例では、ランプ信号Ｌとランプ信号Ｈとは、時間変化率が２倍に設定されているが、現実には正確に２倍になるとは限らない。そこで、傾き比検出具６４が２つのランプ信号の傾き比、すなわち、時間変化率の比を検出し、この結果に基づいて、ゲイン比・傾き比誤差補正部６２が補正処理を行う。差分処理部６６は、ゲイン比・傾き比誤差補正部６２から出力されたＬ’−ＤＡＴＡまたはＨ’−ＤＡＴＡと、Ｎメモリ２４３から出力されたＮ−ＤＡＴＡとの差分処理を行う。

ランプ信号Ｌとランプ信号Ｈの傾き比を設計値どおりに製造することは困難である。時間変化率の誤差は、ランプ信号Ｌとランプ信号Ｈを使う範囲の境界となる信号レベルＶＬ近辺で信号段差を発生させる。時間変化率の誤差を計測して、後述のＤＳＰで補正しても良いが、ランプ信号ＨによるＡＤ変換は高輝度信号を圧縮するので、画像上は問題とならない場合が多く、補正しなくても良い。

後述の図９実施例におけるランプ信号Ｌとランプ信号Ｌ８場合は信号レベルＶ８近辺で発生する段差は画像信号の重要部分であるので、傾き比誤差は補正した方が画像品質は劣化しない。傾き比誤差の計測については後述する。

（実施例２）
図７は、本実施例に係る参照信号の時間に対する変化を示す図である。

本実施例では、図４の期間Ｔｕにランプ信号Ｈを用いてＡＤ変換する場合に、ランプ信号Ｌを用いてＡＤ変換する場合と同じ動作周波数でカウンタ４０にカウント動作を行わせる。そして、ランプ信号Ｈは、ランプ信号Ｌが最大値ＶＬに達するまでの時間に対して半分の期間Ｔ２（＝Ｔ１／２）で最大値ＶＨに達するようにする。

本実施例によれば、ランプ信号Ｈを用いてＡＤ変換する場合のＡＤ変換期間を短縮できるので、消費電力を低減できる。

（実施例３）
図８（Ａ）は、本実施例に係る参照信号の時間に対する変化を示す図である。以下では、実施例１と異なる部分を中心に説明する。

実施例１においては、ランプ信号Ｌを用いてＡＤ変換することと、ランプ信号Ｈを用いつつ、ランプ信号Ｌを用いる場合よりも低い周波数でカウンタ４０を動作させてＡＤ変換することとを、有効信号の信号レベルに応じて選択的に行うことを説明した。本実施例が実施例１と異なるのは、実施例ではランプ信号Ｌを用いて変換された信号範囲（０〜ＶＬ）の信号に対して、ランプ信号Ｌよりもさらに時間変化率の低いランプ信号Ｌ８を用いて有効信号を変換する点である。

本実施例では、０〜Ｖ８＝ＶＨ／８の範囲の有効信号に対して、ランプ信号Ｌに対して１／４の時間変化率を持つランプ信号Ｌ８を用いてＡＤ変換を行う。このとき、カウンタ４０の動作周波数は、ランプ信号Ｌを用いる場合と同じである。

ランプ信号Ｈの最大値ＶＨに対して、ＶＬはＶＬ＝ＶＨ／２の関係にある。つまり、ｈ＝１として、ＶＬ＝ＶＨ・（１／２^ｈ）となる。一方、Ｖ８は、ｊ＝２として、Ｖ８＝ＶＨ／８＝｛ＶＨ・（１／２^ｈ）｝・（１／２^ｊ）＝ＶＬ・（１／２^ｊ）となる。ここでは、ＡＤ変換器が変換可能なアナログ信号の最大値がＶＨである場合を例にとって説明している。

したがって、カウンタ４０がｐビットのカウント信号を出力すると仮定すると、ランプ信号Ｌ８を用いて有効信号をＡＤ変換した場合には、ｐビットのデジタル信号が得られる。そして、ランプ信号Ｌを用いて有効信号をＡＤ変換した場合も、ｐビットのデジタル信号が得られる。ランプ信号Ｌ８を用いて得られたデジタル信号はＬＳＢ側のｐビット、ランプ信号Ｌを用いて得られたデジタル信号はＭＳＢ側のｐビットとして扱える。したがって、ＭＳＢ側のｐビットのデジタル信号を２^ｊ倍することにより、０〜ＶＬまでの範囲にある有効信号を（ｐ＋ｊ）ビットの分解能でＡＤ変換を行ったことと同義に扱える。つまり、信号レベルが低い信号範囲に対して高い分解能でＡＤ変換できる。

また、ランプ信号Ｈを用いてＡＤ変換する場合には、ｐよりも少ないｑビットのＡＤ変換を行う。

本実施例に係る動作は、図４に示した動作とは、ランプ信号ＶＲＡＭＰと選択回路２２２の出力Ｓが異なる。図８（Ｂ）には、ランプ信号ＶＲＡＭＰのみを示している。

参照信号生成部３０は、判定期間Ｔｊにおいて、第１の比較電圧ＶＲＥＦよりも低い第２の比較電圧ＶＲＥＦ２を出力する。比較器２２１が有効信号と第２の閾値である第２の比較電圧ＶＲＥＦ２とを比較する。有効信号が第２の比較電圧ＶＲＥＦ２を下回ると判定されると、選択回路２２２は、ＡＤ変換期間Ｔｕにおいて、ランプ信号Ｌ８を比較器２２１に供給するように設定される。そして、フラグメモリ２４１には、有効信号が第２の比較電圧ＶＲＥＦ２を下回ることを示す信号が記憶される。

続いて、参照信号生成部３０は第１の比較電圧ＶＲＥＦを出力する。比較器２２１が有効信号と第１の比較電圧ＶＲＥＦとを比較した結果、有効信号が第２の比較電圧より大きく、第１の比較電圧ＶＲＥＦを下回ると判定されると、選択回路２２２は、ＡＤ変換期間Ｔｕにおいて、ランプ信号Ｌを比較器２２１に供給するように設定される。そして、フラグメモリ２４１には、有効信号が第１の比較電圧ＶＲＥＦを下回ることを示す信号が記憶される。一方で、有効信号が第１の比較電圧ＶＲＥＦを上回ると判定されると、選択回路２２２は、ＡＤ変換期間Ｔｕにおいて、ランプ信号ＶＨを比較器２２１に供給するように設定される。そして、フラグメモリ２４１には、有効信号が第１の比較電圧ＶＲＥＦを上回ることを示す信号が記憶される。

その後、ＡＤ変換期間ＴｕにおいてＡＤ変換された結果は、Ｓメモリ２４２に記憶され、ＤＳＰによってＮメモリ２４３に記憶された信号との差分処理を施されたり、オフセット補正、ゲイン補正、ガンマ処理などの信号処理が行われたりする。

本実施例において、アナログ信号が第１の閾値であるＶＲＥＦ未満の第２の閾値を下回る場合には、アナログ信号をランプ信号Ｌ８と比較することにより、ｐビットのデジタル信号を得る。ランプ信号Ｌ８は、第１の参照信号であるランプ信号Ｌよりも時間変化率の低い第３の参照信号である。

本実施例において、アナログ信号が第１の閾値であるＶＲＥＦ未満の第２の閾値を下回る場合には、アナログ信号をランプ信号Ｌ８と比較することにより、ｐビットのデジタル信号を得る。ランプ信号Ｌ８は、第１の参照信号であるランプ信号Ｌよりも時間変化率の低い第３の参照信号である。

本実施例においても、第２の比較電圧ＶＲＥＦ２はランプ信号Ｌ２の最大値よりも低く設定されることが好ましい。

本実施例においては、信号レベルＶＬを下回る低輝度信号であるアナログ信号を（ｐ+ｊ）ビットの高ビット化するとともに、信号レベルＶＬを上回る有効信号を、ランプ信号ＶＨを用いてＡＤ変換する場合には、ランプ信号ＶＬを用いてＡＤ変換する場合と比べてカウンタ４０の動作周波数を１／２に設定することにより、ダイナミックレンジを確保しつつ消費電力を低減することができる。

傾き比誤差について、さらに説明する。

図９は、ランプ信号Ｈが理想の傾きに対して誤差を持つ場合のランプ信号の波形を示している。図４のタイミング図にのうち、判定期間Ｔｊを省略している。

図９において、基準信号をＡＤ変換するために利用されるランプ信号Ｌは時間に対する変化率がｋであるとする。このとき、期間Ｔ１が基準信号をＡＤ変換するのに要する時間となる。

一方、有効信号をＡＤ変換するために利用される理想的なランプ信号Ｈ’は、時間変化率がａ・ｋとなる。そして、実際のランプ信号Ｈの変化率は、理想値に対してβの誤差を有しており、時間変化率がａ・β・ｋであるとする。理想的なランプ信号Ｈ’を用いて有効信号をＡＤ変換した場合には、ＡＤ変換に要する時間はＴ２’＋Ｔ３’となるのに対して、実際のランプ信号Ｈを用いて有効信号をＡＤ変換した場合には、ＡＤ変換に要する時間はＴ２＋Ｔ３となる。

ランプ信号Ｌとランプ信号Ｈ’の傾き比はａなので、Ｔ１＝ａ・Ｔ２’である。したがって、有効信号と基準信号との差分処理を行うと、ａ・（Ｔ２’＋Ｔ３’）―Ｔ１＝ａ・Ｔ３’となる。しかし、実際のランプ信号Ｈで得られた有効信号と基準信号との差分処理を行うと、ａ（Ｔ２＋Ｔ３）−Ｔ１＝となり、理想的なランプ信号Ｈ’を用いた場合に対して誤差を持つ。そこで、傾き比誤差βが分かっていれば、（Ｔ２＋Ｔ３）をβで除算するという補正処理を行って｛ａ・（Ｔ２＋Ｔ３）／β｝―Ｔ１＝ａ・Ｔ３’とすることができる。

傾き比誤差βを検出するための方法を説明する。端的に言えば、ランプ信号Ｌとランプ信号Ｈとで、同じレベルの有効信号を比較して得たデジタル信号の比を得ると、ａ・βが得られるので、これを設定した傾き比ａで除算することによって、傾き比誤差βが得られる。

こうして得られた傾き比誤差βを、傾き比誤差検出部６４に保持させておき、信号の補正を行えばよい。製造時に傾き比誤差を検出しても良いし、撮像操作に先立って行うことで、撮像時の温度条件などによる影響を反映させた傾き比誤差を検出しても良い。

（実施例４）
本実施例では、撮像システムにおいて設定される撮影感度と、各撮影感度において用いられるランプ信号の組み合わせについて説明する。

図１０（Ａ）は本実施例に係るランプ信号の時間変化を示す図である。ここでは４通りのランプ信号Ｈ、Ｍ、Ｌ１、およびＬ２を示している。ランプ信号Ｍ、Ｌ１、およびＬ２が取りうる最大値は、ランプ信号Ｈが取りうる最大値をＶＨとして、順にＶＭ＝（ＶＨ／２）、ＶＬ１＝（ＶＨ／４）、ＶＬ２＝（ＶＨ／８）となる。ランプ信号Ｈ、Ｍ、およびＬ１は、時刻Ｔ１に最大値に到達するが、ランプ信号Ｌ２は、時刻Ｔ２＝２・Ｔ１に最大値ＶＬ２に到達する。

図１０（Ｂ）は、撮像システムにおいて設定される撮影感度と、各撮影感度において用いられるランプ信号を示す図である。縦軸は撮影感度としてＩＳＯ感度１００、２００、４００、８００の４通りを示している。横軸は、ランプ信号の種類を示している。『○』がつけられたセルは、ランプ信号が用いられることを示す。具体的には、ＩＳＯ感度１００の設定においては、ランプ信号Ｈのみが用いられ、ＩＳＯ感度２００の設定においてはランプ信号ＨとＭとが用いられる。また、ＩＳＯ感度４００の場合にはランプ信号ＭとＬ１とが用いられ、ＩＳＯ感度８００の場合にはランプ信号ＭとＬ２とが用いられる。

一般に、高輝度の被写体を撮影する場合にＩＳＯ感度を下げるため、ＩＳＯ感度１００の設定では、高輝度の信号もＡＤ変換できるように、ランプ信号Ｈのみを用いる。これに対して、被写体の輝度が低くなるにつれてＩＳＯ感度を高く設定することが一般的であるため、ＩＳＯ感度２００以上では、２種類のランプ信号を用いる。２種類のランプ信号を用いて有効信号をＡＤ変換する場合に、時間変化率の高いランプ信号を用いる場合のカウンタ４０の動作周波数は、時間変化率の低いランプ信号を用いる場合よりも低く設定する。これにより、上述の各実施例と同様に、ダイナミックレンジを拡大しつつ消費電力を低減することができる。

また、ここでは各ＩＳＯ感度に対して２種類のランプ信号を用いることを説明したが、実施例３と同様に、３種類以上のランプ信号を用いても良い。

図１０（Ｃ）は、実施例２と同様に、カウンタ４０の動作周波数は変えずに、ランプ信号の変化期間を短縮することで消費電力の低減を図る場合の、ランプ信号の時間変化を示す図である。

たとえば、ＩＳＯ感度２００の設定では有効信号がＶＭを上回る場合にはランプ信号ＨＨを利用し、ＶＭを下回る場合にはランプ信号Ｍを利用する。また、たとえばＩＳＯ感度４００では有効信号がＶＬ１〜ＶＭの範囲にある場合にはランプ信号ＭＭを利用し、ＶＬ１を下回る場合には、ランプ信号ＶＬ１を利用する。

本実施例においてもダイナミックレンジを拡大しつつ消費電力の低減ができる。加えて、撮影感度の設定に応じて、利用するランプ信号を変えることで、撮影シーンに適したＡＤ変換を実現できる。

（実施例５）
実施例１〜３では、ランプ信号との比較によるランプ比較方式で有効信号のＡＤ変換を行った。本実施例では、逐次比較方式とランプ比較方式の２つを組み合わせた、ハイブリッドＡＤ変換方式のＡＤ変換器を用いる例を説明する。

図１１は、本実施例に係る光電変換装置の構成例である。図２に示した光電変換装置とは、列信号処理部および参照信号生成部の構成が異なる。他の構成は図２に示した構成とすることができるので、ここでは示していない。

本実施例における参照信号生成部３０は、ランプ信号生成部１０４に加えて、基準電圧生成部１０３を備える。

本実施例における列信号処理部２０は、スイッチ・キャパシタ群１０６、比較器１０７、制御回路１０８、カウンタ１０９、およびメモリ１１０を含む。

図１２に、列信号処理部２０の詳細な構成を示す。スイッチ・キャパシタ群１０６は、逐次比較容量部ＳＡと入力容量Ｃｉｎとを含む。画素アレイ１０からの出力は、入力容量Ｃｉｎを介して比較器１０７の非反転入力端子に供給される。

逐次比較容量部ＳＡは、容量値１Ｃ、１Ｃ、２Ｃ、４Ｃの容量素子が並列に接続されており、基準電圧ＶＲＦに対して２進重み付けができる構成となっている。本実施例では、２ビットの逐次比較を実現できる。容量値１Ｃ、２Ｃ、４Ｃの容量素子のそれぞれに直列に接続されたスイッチは、対応する容量素子を基準電圧ＶＲＦと接地電位ＧＮＤとを選択的に接続する。容量値１Ｃの容量素子に対して直列に接続されたスイッチは、対応する容量素子に対して、ランプ信号ＬであるＶＲＭＰＬとランプ信号ＨであるＶＲＭＰＨとを選択的に供給する構成になっている。

比較器１０７は、その入力端子が接地電位ＧＮＤにリセットできる構成になっており、出力端子は、制御回路１０８に接続されている。

カウンタ１０９は、制御回路１０８の制御によって動作する。

図１３（Ａ）は、撮像システムの撮影感度がＩＳＯ１００である場合の動作シーケンスを説明するための図である。逐次比較部ＳＡから比較器１０７に供給される信号を示している。まず、電圧ＶＲＦ／２、ＶＲＦ／４と有効信号とを比較することによって有効信号の上位２ビットについてＡＤ変換を行う。これを以下では第１の処理と呼ぶ。その後、第１の処理で得られたデジタル信号の最下位ビットに相当する下位アナログ信号をランプ信号ＶＲＭＰＨと比較することによって、下位８ビットのＡＤ変換を行う。この場合のＡＤ変換範囲は０〜ＶＲＦである。

一方、図１３（Ｂ）は、撮像システムの撮影感度がＩＳＯ２００である場合の動作シーケンスを説明するための図である。図１３（Ａ）と異なるのは、逐次比較動作において比較する信号基準電圧がＶＲＦ／４、ＶＲＦ／８に対して行われることと、ランプ信号ＶＲＭＰＬが利用されることである。ところが、このような処理を行うと、ＩＳＯ感度２００においてはＡＤ変換範囲がＩＳＯ感度１００の場合の半分になってしまう。

次に、本実施例に係る動作を説明する。

図１４は、ＩＳＯ感度２００において、有効信号がＶＲＦ／２を下回る低輝度信号（Ａ＿ＩＮ＜ＶＲＦ／２）である場合の動作を説明するためのタイミング図である。信号Ｓ０〜Ｓ１がＨレベルであるとき、対応するスイッチは基準電圧ＶＲＦを対応する容量素子に供給し、ローレベルである時に、接地電位ＧＮＤを供給する。

期間Ｔ１〜Ｔ３において、２ビットの逐次比較によって有効信号をＡＤ変換する。期間Ｔ１では、電圧ＶＲＦ／２に対する大小を判定し、その判定結果に応じて、期間Ｔ２、Ｔ３で有効信号と比較する電圧を決定する。図１４ではデジタルコードとして“１０”が得られる。期間Ｔ１における判定結果から、Ａ＿ＩＮ＜ＶＲＦ／２であることが分かっているので、制御回路は、容量値１Ｃの容量素子にはランプ信号ＶＲＭＰＬが供給されるようにスイッチを制御する。これにより、期間Ｔ４では、相対的に時間変化率の低いランプ信号ＶＲＭＰＬを用いて８ビットのＡＤ変換を行う。

図１５は、同じくＩＳＯ感度２００だが、有効信号がＶＲＦ／２を上回る高輝度信号（Ａ＿ＩＮ＞ＶＲＦ／２）である場合の動作を説明するためのタイミング図である。

この場合には、２ビットの逐次比較によるＡＤ変換を行った後、相対的に高い時間変化率のランプ信号ＶＲＭＰＨを用いて７ビットのＡＤ変換を行う。７ビットのＡＤ変換を行う際には、上述の各実施例で説明したように、カウンタ１０９の動作周波数を変更したり、ランプ信号が時間的変化を示す期間を変更したりすることで、ダイナミックレンジを拡大しつつ消費電力の低減が実現できる。加えて、図１３の場合にはＡＤ変換できなかったＶＲＦ／２〜ＶＲＦの範囲の有効信号もＡＤ変換することができる。

（実施例６）
上述の各実施例は、ランプ信号の時間変化率を小さくすることにより、信号に対するゲインを大きくした。しかし、現実には比較器や参照信号生成部に起因するノイズがあるので、ランプ信号の時間変化率が小さい場合には、有効信号かノイズか判別できなくなってしまう恐れがある。

そこで、本実施例では、アナログ信号処理部に増幅器を設けて、ノイズの影響を低減する。

図１６は、本実施例に係る光電変換装置の構成例を示す図である。図２との違いは、画素アレイ１０の各列に増幅回路２１０が設けられた点である。

増幅回路２１０の詳細な構成を図１７に示す。増幅回路２１０は、差動増幅器２１１、入力容量Ｃ０、帰還容量Ｃ１、Ｃ２、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ならびに差動増幅器２１１に電流を供給する電流源Ｉを含む。電流源Ｉは、差動増幅器２１１に供給する電流をＩ１とＩ２とを切り替えることが可能な可変電流源である。ここでは、Ｉ２＝Ｉ１／２であるとする。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、タイミング生成部８０によって制御される。増幅回路２１０の増幅率は、差動増幅器２１１の帰還経路上のアクティブな帰還容量の容量値と入力容量Ｃ０の容量値との比で決定される。増幅回路２１０は、既知の方法によりクランプ回路として動作させることが可能であるので、有効信号から基準信号を低減した信号を増幅することができる。

通常、撮像装置のＩＳＯ感度が変更されると、それに連動して増幅回路の増幅率が切り替えられるが、その場合には、ダイナミックレンジが狭くなってしまう。本実施例では、ＩＳＯ感度による増幅率の変化範囲を小さく設定し、ランプ信号の時間変化率を変えることによって、ダイナミックレンジを拡大する。

図１８（Ａ）は、本実施例におけるＩＳＯ感度、増幅回路の増幅率（アンプゲイン）、およびランプ信号の関係を示す表である。本実施例ではＩＳＯ感度が１００、２００、４００の場合にはアンプゲインを１倍に固定し、一方で、ＡＤ変換に用いるランプ信号の組み合わせを変えている。同様に、ＩＳＯ感度が８００、１６００の場合にはアンプゲインを２倍に固定し、一方で、ＡＤ変換に用いるランプ信号の組み合わせを変えている。ランプ信号の組み合わせについては、図１０と同じ議論になるので、説明を省略する。

光電変換装置への入射光量と、入射光量に対応する信号レベルとの関係を図１８（Ｂ）に示す。ＩＳＯ感度が１００、２００、４００の場合には、アンプゲインがＧ１＝１であるので、０〜Ｌ１までの入射光量に対応することができる。一方で、ＩＳＯ感度が８００、１６００の場合には、アンプゲインがＧ２＝２であるので、０〜Ｌ２（＝Ｌ１／２）までの入射光量に対応する。

そして、ＩＳＯ感度が１００の場合にはランプ信号ＨのみでＡＤ変換を行う。ＩＳＯ感度が２００の場合には、０〜Ｖ２の範囲の信号を、ランプ信号Ｍを用いてＡＤ変換し、Ｖ２〜Ｖ１の範囲の信号を、ランプ信号Ｈを用いてＡＤ変換する。同様に、ＩＳＯ感度が４００の場合には、０〜Ｖ４の範囲の信号を、ランプ信号Ｌを用いてＡＤ変換し、Ｖ４〜Ｖ１の範囲の信号を、ランプ信号Ｈを用いてＡＤ変換する。

本実施例によっても、ダイナミックレンジを拡大しつつ、消費電力の低減できる。

また、撮像システムの動作モードに応じて、増幅回路の消費電流を変更しても良い。具体的には、動画モードでは、増幅回路の駆動能力を下げるために、Ｉ２の電流を差動増幅器に供給し、静止画モードでは、Ｉ１の電流を差動増幅器に供給する。

（実施例７）
図１９は、本実施例の撮像システムの構成例を示す図である。撮像システム８００は、例えば、光学部８１０、撮像素子１００、映像信号処理部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御部８５０、システム制御部８６０、及び再生・表示部８７０を含む。撮像装置８２０は、撮像素子１００及び映像信号処理部８３０を有する。撮像素子１００は、先の実施例で説明した光電変換装置が用いられる。

レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を撮像素子１００の、複数の画素が２次元状に配列された画素部１０に結像させ、被写体の像を形成する。撮像素子１００は、タイミング制御部８５０からの信号に基づくタイミングで、画素部１０に結像された光に応じた信号を出力する。撮像素子１００から出力された信号は、映像信号処理部である映像信号処理部８３０に入力され、映像信号処理部８３０が、プログラム等によって定められた方法に従って信号処理を行う。映像信号処理部８３０での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部８４０に送られる。記録・通信部８４０は、画像を形成するための信号を再生・表示部８７０に送り、再生・表示部８７０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部８４０は、また、映像信号処理部８３０からの信号を受けて、システム制御部８６０と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。

システム制御部８６０は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部８１０、タイミング制御部８５０、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システム制御部８６０は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システム制御部８６０は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム内に供給する。具体的な例としては、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等である。タイミング制御部８５０は、システム制御部８６０による制御に基づいて撮像素子１００及び映像信号処理部８３０の駆動タイミングを制御する。また、タイミング制御部８５０は、撮像素子１００の撮影感度を設定する感度設定部としても機能しうる。

（その他）
上記の各実施例は、本発明を実施する上での例示的なものであって、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲で変更したり、複数の実施例の要素を組み合わせたりできる。

１０ 画素アレイ
１１ 画素
２０ 列信号処理部
２２ 比較部
２２１ 比較器
２４ メモリ部
３０ 参照信号生成部
４０ カウンタ

Claims (15)

1. アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換装置であって、
   前記アナログ信号の大きさが閾値を下回る場合には、前記アナログ信号をｐビットのデジタル信号に変換し、
   前記アナログ信号の大きさが前記閾値を上回る場合には、前記アナログ信号を前記ｐビットよりも少ないｑビットのデジタル信号に変換すること、
   を特徴とするＡＤ変換器。
2. 前記アナログ信号を、信号レベルが変化する参照信号と比較することにより、前記アナログ信号を前記デジタル信号に変換することを特徴とする請求項１に記載のＡＤ変換器。
3. 前記アナログ信号を、第１の変化率で変化する第１の参照信号と比較することにより、前記ｐビットのデジタル信号に変換し、
   前記アナログ信号を、前記第１の参照信号よりも高い第２の変化率で変化する第２の参照信号と比較することにより、前記ｑビットのデジタル信号に変換すること
   を特徴とする請求項２に記載のＡＤ変換器。
4. 前記閾値は、前記第２の参照信号の最大値よりも低い信号レベルであることを特徴とする請求項３に記載のＡＤ変換器。
5. 前記第２の参照信号の時間変化率が、前記第１の参照信号の変化率が２^ｊ倍である場合に、
   前記閾値が、変換可能なアナログ信号の最大値を２^ｊで除算した値であることを特徴とする請求項３に記載のＡＤ変換装置。
6. クロック信号をカウントしてカウント信号を出力するカウンタと、
   アナログ信号と前記参照信号との大小関係が変化することに応じて、前記カウント信号を保持するメモリと、をさらに備え、
   前記クロックは、前記アナログ信号を前記ｐビットのデジタル信号に変換する場合よりも、前記ｑビットのデジタル信号に変換する場合の方が、低い周波数であること
   を特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のＡＤ変換器。
7. 前記第１および第２の参照信号の傾き比誤差を補正する補正部をさらに備えることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載のＡＤ変換器。
8. 前記アナログ信号が前記閾値を下回る第２の閾値を下回る場合に、
   前記アナログ信号を、前記第１の参照信号よりも時間変化率の低い第３の参照信号と比較することにより、前記ｐビットのデジタル信号に変換すること
   を特徴とする請求項３乃至７のいずれかに記載のＡＤ変換器。
9. 第１の処理として、前記アナログ信号を逐次比較方式により第１のデジタル信号に変換し、
   前記第１の処理で得られたデジタル信号の最下位ビットに相当する下位アナログ信号を、信号レベルが変化する参照信号と比較することにより、前記下位アナログ信号を第２のデジタル信号に変換すること
   を特徴とする請求項１に記載のＡＤ変換器。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のＡＤ変換器を複数有し、
    前記複数のＡＤ変換器の各々は、アナログ信号を出力する複数のアナログ信号出力部と、
    それぞれが前記複数のアナログ信号出力部に対応して設けられた列信号処理部と、をさらに有すること
    を特徴とするＡＤ変換装置。
11. 前記複数の列信号処理部に共通に設けられた参照信号生成部をさらに備え、
    前記複数の列信号処理部は、前記アナログ信号を、信号レベルが変化する前記参照信号生成部で生成された参照信号と比較することにより、前記アナログ信号を前記デジタル信号に変換すること
    を特徴とする、請求項１０に記載のＡＤ変換装置。
12. 請求項１０または１１に記載のＡＤ変換装置を備え、
    前記複数のアナログ信号出力部の各々が、入射光に基づいて前記アナログ信号を出力する画素を含むことを特徴とする光電変換装置。
13. 請求項１２に記載の光電変換装置と、
    前記複数の画素に像を形成する光学系と、
    前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する映像信号処理部と、を備えたこと
    を特徴とする撮像システム。
14. 光電変換装置と、
    前記光電変換装置の撮影感度を設定する感度設定部と、を含む撮像システムであって、
    前記光電変換装置は、
    各々が、入射光に基づくアナログ信号を出力する画素を含む、複数のアナログ信号出力部と、
    各々が、前記複数のアナログ信号出力部のいずれかに対応して設けられた複数の列信号処理部と、を有し、
    前記列信号処理部の各々は、
    前記アナログ信号を、第１の変化率で変化する第１の参照信号と比較することにより、ｐビットのデジタル信号に変換し、
    前記アナログ信号を、前記第１の参照信号よりも高い第２の変化率で変化する第２の参照信号と比較することにより、前記ｐビットよりも少ないｑビットのデジタル信号に変換し、
    異なる撮影感度における前記第１および前記第２の変化率の組み合わせが、互いに異なること
    を特徴とする撮像システム。
15. アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換方法であって、
    前記アナログ信号の大きさが閾値を下回る場合には、前記アナログ信号をｐビットのデジタル信号に変換し、
    前記アナログ信号の大きさが前記閾値を上回る場合には、前記アナログ信号を前記ｐビットよりも少ないｑビットのデジタル信号に変換すること、
    を特徴とするＡＤ変換方法。

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