JP2019149728A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スロープ型ＡＤ変換回路を備え、消費電力を低減し、発熱を抑えた撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置において、撮像素子１００は、列出力線１０９に出力される画素信号と基準信号を比較し、比較結果に応じて参照信号を選択し、画素信号が基準信号以上である場合に参照信号が基準信号と一致してからカウントを開始する。基準信号のカウント値はメモリに記憶され、カウンタ手段のカウント値に加算される。また、複数列に共通のメインカウンタを備え、一致タイミングまでのカウント動作を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。

従来からデジタルカメラなどの撮像装置に用いられる固体撮像素子には高画質化と信号読み出しの高速化が求められている。高速化を可能にする固体撮像素子として、並列型ＡＤ変換方式の固体撮像素子が広く知られている。並列型ＡＤ変換方式では列並列でＡＤ変換を行えるため、高速な信号読み出しが可能となる。

並列型ＡＤ変換方式の１つに、スロープ型ＡＤ変換回路がある。スロープ型ＡＤ変換回路は、比較器で画素信号と時間の経過とともに変化する参照信号（ランプ信号）とを比較する。そして、比較開始から画素信号と参照信号の大小関係が逆転するまでの期間をカウンタ回路でカウントし、カウントされた値をデジタル信号として出力する。スロープ型のＡＤ変換回路では、高画質化のために分解能を増やすとＡＤ変換に要する時間が増加するため、高速化と高分解能化の両立が課題である。

このような課題に対し、特許文献１には撮像素子の画素の出力と所定の基準信号との比較結果に応じてランプ信号の時間に対する変化率を変化させる技術が開示されている。低輝度側、つまり画素の出力レベルが所定の基準信号より小さい場合は、大きい場合よりもランプ信号の時間に対する変化率を小さくして信号を読み出すことで、ＡＤ変換時間を維持しながら低輝度側の分解能を向上させている。

特開２０１６−１５７５８号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術では、画素の出力レベルが所定の基準信号より大きい場合には基準信号よりも小さいカウント値を取り得ない。それにもかかわらず、比較開始から基準信号に到達するまでの間でもカウンタ回路によるカウント動作が行われ、消費電力が増加してしまう。

本発明の目的は、撮像素子の画素部からの出力信号の大きさに応じて参照信号の時間に対する変化率を変化させるスロープ型ＡＤ変換回路の消費電力を低減し、発熱を抑制することのできる撮像装置を提供することである。

本発明の撮像装置は、画素信号を基準信号または時間の経過とともに信号レベルが変化する参照信号と比較する比較手段と、前記比較手段により前記画素信号と前記参照信号が一致するまでカウントするカウンタ手段と、前記比較手段により前記画素信号を前記基準信号と比較することにより前記参照信号を選択する選択手段と、前記画素信号が前記基準信号以上である場合に、前記カウンタ手段が所定のタイミングからカウントを開始するように制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子の画素部からの信号の大きさに応じて参照信号の時間に対する変化率を変化させるスロープ型ＡＤ変換回路の消費電力を低減し、発熱を抑制することのできる撮像装置を提供することができる。

実施例１に係る撮像装置の構成図である。 実施例１に係る撮像素子の構成図である。 実施例１に係る画素部の等価回路図である。 複数のランプ信号の説明図である。 実施例１に係るＡＤ変換のタイミングチャートである。 実施例１に係る撮像装置のフローチャートである。 実施例２に係る撮像素子の構成図である。 実施例２に係る撮像装置の構成図である。 実施例２に係る撮像装置のフローチャートである。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本実施例における撮像装置５００の全体構成を示すブロック図である。

システム制御部５１１は、撮像装置５００全体の制御及び、各種演算処理を行う。タイミング信号発生回路５０６は、撮像素子１００に各種駆動タイミング信号を供給する。

撮影レンズ５０２は、被写体の光学像を撮像素子１００に結像させる。撮像素子１００は、受光した被写体像を光電変換し、入射光に応じた画像データを信号処理部５０３へ出力する。

信号処理部５０３は、現像部５０５を備え、撮像素子１００から入力される画像データに現像処理やデータ圧縮処理等の各種信号処理を施す。

ＦＲＯＭ５０８には、撮像装置を動作させるためのファームウェアが記憶されている。また、メモリ部５０７は、画像データを一時的に記憶する。

表示部５０９は、各種情報や撮影画像を表示する。記録部５１０は、着脱可能な記録媒体に画像データを記録する。

次に、図２を参照して、本発明の実施例１による撮像素子１００の構成について説明する。

撮像素子１００は、画素アレイ１０１、垂直走査回路１０２、列処理回路１０３ａ，１０３ｂ、電圧生成部１０４、オフセット制御部１０５、タイミング制御部（以下、ＴＧ）１０６、水平走査回路１０７、差分回路１２２から構成されている。

画素アレイ１０１は、複数の単位画素１０８と複数の列出力線１０９を備える。すなわち、複数の単位画素１０８が行列のマトリクス状に配置され、単位画素１０８で発生した電荷に応じた電圧が列出力線１０９へ出力される。

列出力線１０９は、それぞれ列処理回路１０３に接続される。なお、図２では、説明を簡略化するために、２行２列の単位画素が配置された図を示しているが、実際にはより多くの単位画素が複数行および複数列にわたって配置される。

次に、図３を参照して、単位画素１０８の各々の構成を説明する。

フォトダイオード（以下、ＰＤ）２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷を発生して蓄積する。転送スイッチ（以下、ＴＸ）２０２は、ＰＤ２０１で発生した電荷をフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）２０３へ転送する。ＦＤ２０３は、ＰＤ２０１から転送された電荷を電圧に変換する。

ＭＯＳトランジスタ２０４は、列出力線１０９に接続された定電流源１２１（図２参照）とともにソースフォロワアンプとして動作し、選択スイッチ２０５をオンすることによりＦＤ２０３で変換された電圧信号を列出力線１０９へ出力する。

選択スイッチ２０５をオンすることで単位画素１０８が選択状態になり、オフすることにより単位画素１０８が非選択状態になる。また、ＴＸ２０２をオンした状態でリセットスイッチ２０６をオンすることにより、ＰＤ２０１とＦＤ２０３がリセットされる。

図２に戻り、垂直走査回路１０２は、画素行を順次選択して行ごとに信号の読み出しやリセットの制御を行うための回路である。垂直走査回路１０２による走査タイミングは、ＴＧ１０６によって制御される。

列処理回路１０３ａ，１０３ｂは、画素アレイ１０１の各列に設けられた回路であって、列出力線１０９上に読み出された画素信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路として動作する。

列処理回路１０３ａ，１０３ｂの各々は、スイッチ１１０、比較器１１２、列カウンタ１１３、信号用メモリ（以下、メモリＳ）１１４、ノイズ用メモリ（以下、メモリＮ）１１５、水平転送スイッチ１１６を備えている。

また、列処理回路１０３ａは、さらにスイッチ１１１を備える。スイッチ１１１は、後述する基準信号ＶＲＥＦをＡＤ変換するために必要であり、列処理回路１０３ａは、少なくとも１列に設けられている。

スイッチ１１１は、比較器１１２の入力Ｖｉｎに入力される信号を基準信号ＶＲＥＦと列出力線１０９に出力される画素信号のいずれかに切り替える。スイッチ１１０は、比較器１１２の入力Ｖｒａｍｐに入力する信号をランプ信号ＲＡＭＰ１，ＲＡＭＰ２と基準信号ＶＲＥＦのいずれかに切り替える。

電圧生成部１０４は、時間の経過とともに電圧が変化するランプ信号ＲＡＭＰ１，ＲＡＭＰ２と、基準信号ＶＲＥＦを生成する。生成されたランプ信号ＲＡＭＰ１，ＲＡＭＰ２はスイッチ１１０を介して比較器１１２に入力され、基準信号ＶＲＥＦはスイッチ１１０またはスイッチ１１１を介して比較器１１２に入力される。

オフセット制御部１０５は、メモリＶＲＥＦ１２０とメインカウンタ１２１で構成される。

比較器１１２は、入力Ｖｉｎに入力された画素信号と入力Ｖｒａｍｐに入力された基準信号ＶＲＥＦまたはランプ信号とを比較し、基準信号ＶＲＥＦまたはランプ信号と画素信号の出力レベルが一致したタイミングで反転信号を出力する。

ここで図４を用いて、本実施例に係るランプ信号ＲＡＭＰ１，ＲＡＭＰ２及び基準信号ＶＲＥＦについて説明する。

図４の横軸は時間、縦軸は信号の電位をそれぞれ示している。図４に示すように、信号電位の時間の経過に対する変化率（傾き）は、ランプ信号ＲＡＭＰ１の方がＲＡＭＰ２よりも小さい。

例えば、ランプ信号ＲＡＭＰ１の傾きがランプ信号ＲＡＭＰ２の傾きの４分の１である場合、最長ＡＤ変換期間及び列カウンタ１１３のクロック周波数が同じであれば、ランプ信号ＲＡＭＰ１の分解能をランプ信号ＲＡＭＰ２よりも２ｂｉｔ増やすことができる。

基準信号ＶＲＥＦは、画素信号をＡＤ変換する際にランプ信号ＲＡＭＰ１またはＲＡＭＰ２のどちらを使用するか判断するための信号である。

すなわち、比較器１１２で画素信号を基準信号ＶＲＥＦと比較し、画素信号の信号レベルが基準信号ＶＲＥＦ未満である場合には、ランプ信号ＲＡＭＰ１を用いてその画素信号のＡＤ変換を行う。また、画素信号の信号レベルが基準信号ＶＲＥＦ以上（基準信号以上）である場合には、ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてその画素信号のＡＤ変換を行う。

なお、画素信号の信号レベルが基準信号ＶＲＥＦ未満である場合にはランプ信号ＲＡＭＰ１を用いてその画素信号のＡＤ変換を行うため、ランプ信号ＲＡＭＰ１を用いて基準信号ＶＲＥＦと同じレベルの画素信号までＡＤ変換する必要がある。

従って、基準信号ＶＲＥＦは、少なくともランプ信号ＲＡＭＰ１の最大振幅以下である必要がある。図４では、基準信号ＶＲＥＦがランプ信号ＲＡＭＰ１の最大振幅と同等である例を示している。

図２に戻り、列カウンタ１１３は、ＴＧ１０６から供給されるクロックを基にカウント動作を行う。列カウンタ１１３は、比較器１１２が画素信号とランプ信号との比較を開始したタイミング、または後述するメインカウンタ１２１から通知を受けたタイミングからカウント動作を開始する。そして、比較器１１２の出力が反転したときのカウント値をメモリＮ１１４またはメモリＳ１１５に保持する。

メモリＮ１１４には、ＰＤ２０１およびＦＤ２０３をリセットしたときに列出力線１０９に出力される電圧であるＮ信号のカウント値が保持される。また、メモリＳには、ＰＤ２０１で発生した電荷をＦＤ２０３に転送したときに列出力線１０９に出力される電圧であるＳ信号のカウント値が保持される。

図５は、本実施例において撮影時に画素信号をＡＤ変換する際のタイミングチャートである。図５（ａ）は、比較器１１２のスイッチ１１１側の入力電圧Ｖｉｎのタイミングチャートを示す。また図５（ｂ）は、比較器１１２のスイッチ１１０側の入力電圧Ｖｒａｍｐのタイミングチャートを示す。さらに図５（ｃ）は、列カウンタ１１３及びメインカウンタ１２１のカウント動作のタイミングチャートを示す。

また、図６（ａ）は、撮影前にオフセット値を算出するフローチャートである。図５と図６（ａ）を用いて、予め基準信号ＶＲＥＦをランプ信号ＲＡＭＰ２と比較することでオフセット値を算出する方法について説明する。

まず、撮像素子１００は、列処理回路１０３ａが設けられた少なくとも１列において、予め基準信号ＶＲＥＦをランプ信号ＲＡＭＰ２と比較することでＡＤ変換を行い、基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値をオフセット値として算出する。

図５における期間Ｔｖｒｅｆは、基準信号ＶＲＥＦをランプ信号ＲＡＭＰ２と比較することでＡＤ変換する期間であり、画素信号を読み出す前に予め少なくとも１回行われる。ここでは、スイッチ１１０によりランプ信号ＲＡＭＰ２が選択されるとともに、スイッチ１１１により基準信号ＶＲＥＦが選択される（Ｓ７０１）。

電圧生成部１０４は、ランプ信号ＲＡＭＰ２の生成を開始し（Ｓ７０２）、比較器１１２は、基準信号ＶＲＥＦとランプ信号ＲＡＭＰ２との比較を開始する。

列カウンタ１１３は、比較器１１２が基準信号ＶＲＥＦとランプ信号ＲＡＭＰ２との比較を開始したタイミングからカウントを開始する（Ｓ７０３）。

そして、基準信号ＶＲＥＦとランプ信号ＲＡＭＰ２との大小関係が逆転するまでの期間Ｔａの間、カウント動作を行う。比較器１１２の出力が反転したら（Ｓ７０４）、比較器１１２の出力が反転したときの列カウンタ１１３のカウント値をオフセットデータとしてメモリＶＲＥＦ１２０に記憶する（Ｓ７０５）。

このように、本実施例では、予め基準信号ＶＲＥＦをランプ信号ＲＡＭＰ２と比較し、信号レベルが一致するまでのカウント値をオフセットデータとして記憶しておく。

次に、図６（ｂ）は、撮影時のフローチャートである。図５と図６（ｂ）を用いて、撮影を行う際の流れを説明する。

図５における期間Ｔａｄは、画素から読み出されたアナログ画素信号（Ｎ信号及びＳ信号）のＡＤ変換期間である。

撮影が指示されると（Ｓ７１３）、まず各画素からＮ信号を読み出す。Ｎ信号は光成分を含まないため、Ｎ信号のＡＤ変換期間Ｔｄでは、傾きの小さいランプ信号ＲＡＭＰ１を用いてＡＤ変換を行う（Ｓ７１４）。

ランプ信号ＲＡＭＰ１を用いることで、分解能の高いＮ信号のＡＤ変換データを得ることが出来る。スイッチ１１０によりランプ信号ＲＡＭＰ１が選択されるとともに、スイッチ１１１により画素信号（Ｎ信号）が選択される。

比較器１１２は、Ｎ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との比較を開始する。続いて、列カウンタ１１３は、比較器１１２がＮ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との比較を開始したタイミングからＮ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との大小関係が逆転するまでの期間Ｔｒの間、カウント動作を行う。そして、大小関係が逆転し、比較器１１２の出力が反転したときのカウント値をＮ信号データとしてメモリＮ１１５に保持する。

続いて各画素からＳ信号を読み出し、Ｓ信号の信号レベル判定を行う。図５におけるＳ信号の信号レベル判定期間Ｔｊにおいて、スイッチ１１０により基準信号ＶＲＥＦが選択されるとともに、スイッチ１１１により画素信号（Ｓ信号）が選択される。

比較器１１２は、Ｓ信号を基準信号ＶＲＥＦと比較する。比較結果に応じてランプ信号ＲＡＭＰ１またはＲＡＭＰ２のいずれかが選択される（Ｓ７１５）。

すなわち、Ｓ信号が基準信号ＶＲＥＦ未満である場合は、時間に対する変化率の小さいランプ信号ＲＡＭＰ１が選択される。また、Ｓ信号が基準信号ＶＲＥＦ以上である場合には、時間に対する変化率の大きいランプ信号ＲＡＭＰ２が選択される。このようにＳ信号の大きさに応じてＡＤ変換時に用いるランプ信号が選択される。

また、比較器１１２は、Ｓ信号と基準信号ＶＲＥＦとの比較結果をランプ信号ＲＡＭＰ１またはランプ信号ＲＡＭＰ２どちらを選択したかを示すランプ選択信号として、スイッチ１１０、列カウンタ１１３、オフセット制御部１０５に出力する。

このランプ選択信号により、各画素信号（Ｓ信号）がランプ信号ＲＡＭＰ１とランプ信号ＲＡＭＰ２のどちらを用いてＡＤ変換したのかを識別することができる。例えばランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された場合には、ランプ選択信号としてＳ信号の最上位ｂｉｔに１を付与する。

ここでは、Ｓ信号の信号レベルが基準信号ＶＲＥＦよりも大きいものとして説明する。Ｓ信号の方が基準信号ＶＲＥＦよりも大きい場合、図５におけるＳ信号のＡＤ変換期間Ｔｕでは、傾きの大きいランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＡＤ変換を行う（Ｓ７１６）。

ランプ選択信号に基づいて、スイッチ１１０によりランプ信号ＲＡＭＰ２が選択されるとともに、スイッチ１１１により画素信号（Ｓ信号）が選択される。比較器１１２は、Ｓ信号とランプ信号ＲＡＭＰ２との比較を開始する。

ここで、Ｓ信号のレベル判定の結果、Ｓ信号の信号レベルが基準信号ＶＲＥＦ以上であると判定されてランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＡＤ変換する。その場合、少なくともランプ信号ＲＡＭＰ２が基準信号ＶＲＥＦ相当の電圧になるまで、比較器１１２の出力（ランプ信号ＲＡＭＰ２とＳ信号との大小関係）が反転することはない。

比較器１１２により画素信号とランプ信号ＲＡＭＰ２との比較を開始したタイミングで列カウンタ１１３がカウントを開始しても、少なくともランプ信号ＲＡＭＰ２が基準信号ＶＲＥＦ相当の電圧になるまで列カウンタ１１３に係る電力を無駄に消費してしまう。

そこで、本実施例では、ランプ選択信号に基づいて、Ｓ信号をランプ信号ＲＡＭＰ２と比較する場合、ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＡＤ変換する列の列カウンタ１１３のカウント動作を停止するように制御する。

すなわち、図５における比較器１１２がＳ信号とランプ信号ＲＡＭＰ２との比較を開始したタイミングからランプ信号ＲＡＭＰ２の電位が基準信号ＶＲＥＦと一致するまでの期間Ｔｓにおいて、該当する列カウンタ１１３のカウント動作を停止するように制御する。

ここで、メモリＶＲＥＦ１２０には、予め基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値（基準信号ＶＲＥＦをランプ信号ＲＡＭＰ２と比較し、信号レベルが一致するまでのカウント値）がオフセットデータとして記憶されている。

ランプ選択信号に基づいて、メインカウンタ１２１は、比較器１１２によりランプ信号と画素信号（Ｓ信号）の比較を開始したタイミングでカウントを開始する。すなわち、ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＳ信号のＡＤ変換を行う全列共通のメインカウンタ１２１によるカウント動作を行う。そして、メモリＶＲＥＦ１２０に保持されている基準信号ＶＲＥＦのカウント値（オフセット値）に達したら、列カウンタ１１３へカウント許可信号を出力する。

ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＳ信号のＡＤ変換を行う列、つまりＳ信号が基準信号ＶＲＥＦ以上である列の列カウンタ１１３は、メインカウンタ１２１からのカウント許可信号が入力されたタイミングでカウントを開始するように制御する。

列カウンタ１１３は、メインカウンタ１２１からカウント許可信号を受け取ったタイミング、すなわちランプ信号ＲＡＭＰ２が基準信号ＶＲＥＦと一致したタイミングからカウントを開始する。そして、ランプ信号ＲＡＭＰ２とＳ信号との大小関係が逆転するまでの期間Ｔｔの間、カウント動作を行う。

ランプ信号ＲＡＭＰ２とＳ信号との大小関係が逆転し、比較器１１２の出力が反転したときのカウント値をＳ信号データとしてメモリＳ１１４に保持する。

このように、ランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された列では、比較器１１２がＳ信号とランプ信号の比較を開始したタイミングでメインカウンタ１２１がカウントを開始する。メインカウンタ１２１は、メモリＶＲＥＦ１２０に保持されたオフセット値とランプ信号が一致したら各列カウンタ１１３にカウント許可信号を出力する。

なお、Ｓ信号のレベル判定の結果、Ｓ信号の信号レベルが基準信号ＶＲＥＦ未満であると判定された場合は、スイッチ１１０により傾きの小さいランプ信号ＲＡＭＰ１が選択される。

そして、ランプ選択信号に基づいて、列カウンタ１１３は、比較器１１２がＳ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との比較を開始したタイミングからＳ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との大小関係が逆転するまでの間、カウント動作を行うように制御する。すなわち、期間Ｔｓと期間Ｔｔを合わせた期間の間、カウント動作を行う。

すなわち、ランプ信号ＲＡＭＰ１を示す列、つまり画素信号（Ｓ信号）が基準信号ＶＲＥＦ未満である列の列カウンタ１１３は、比較器１１２にてランプ信号ＲＡＭＰ１とＳ信号の比較を開始したタイミングでカウントを開始するように制御する。そして、ランプ信号ＲＡＭＰ１とＳ信号の大小関係が逆転し、比較器１１２の出力が反転したときのカウント値をＳ信号データとしてメモリＳ１１４に保持する。

水平走査回路１０７は、水平転送スイッチ１１６をオンすることにより、メモリＮ１１４に保持されたＮ信号のカウント値とメモリＳ１１５に保持されたＳ信号のカウント値をそれぞれ差分回路１２２に転送する。

ここで上述したように、Ｓ信号をＡＤ変換する際にランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された列の列カウンタ１１３は、消費電力を低減するために、次の期間のカウント動作を停止している。

すなわち、Ｓ信号とランプ信号ＲＡＭＰ２と比較を開始したタイミングからランプ信号ＲＡＭＰ２が基準信号ＶＲＥＦに一致するタイミングまでの期間のカウント動作を停止している。

この停止している期間のカウント値を補うために、ランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された列のＳ信号の列カウンタ１１３において、列カウンタ１１３のカウント値にメモリＶＲＥＦ１２０に記憶されているカウント値を加算する。

また、ランプ信号ＲＡＭＰ２の時間に対する変化率はランプ信号ＲＡＭＰ１よりも大きいため、ランプ信号ＲＡＭＰ１の時間に対する変化率相当のカウント値に換算する必要がある。

例えば、ランプ信号ＲＡＭＰ２の時間に対する変化率がランプ信号ＲＡＭＰ１の時間に対する変化率の４倍であった場合、ランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された列のＳ信号のカウント値が４倍になる様に２ｂｉｔシフトする。

その後、差分回路１２２は、ランプ選択信号として付与した最上位ｂｉｔを除いたＳ信号のカウント値からＮ信号のカウント値を減算して各画素の画素信号のＡＤ変換値を取得する。さらに取得した各画素のＡＤ変換値にＳ信号の最上位ｂｉｔをランプ選択信号として再度付与してから出力する（Ｓ７１７）。

なお、Ｓ信号のＡＤ変換時にランプ信号ＲＡＭＰ１またはランプ信号ＲＡＭＰ２のどちらを使用したかを示す１ｂｉｔのランプ選択信号は、各画素のＡＤ変換値とは別に撮像素子から出力するようにしてもよい。

撮像素子１００から出力された各画素の画像データに対し、信号処理部５０３の現像部５０５で現像処理を行う（Ｓ７１９）。

そして、現像されたデータを所定のフォーマットに圧縮し（Ｓ７２０）、記録部５１０において記録媒体に圧縮された画像データを記録する（Ｓ７２１）。

以上のように、ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＳ信号のＡＤ変換を行う場合には、ランプ信号ＲＡＭＰ２が基準信号ＶＲＥＦと一致したタイミングから列カウンタ１１３のカウントを開始するように制御する。そして、カウンタ１１３で消費される電力を大幅に低減させるとともに、発熱を抑制することができる。

（実施例２）
実施例１では、基準信号ＶＲＥＦの信号レベルが全列で同じであり、少なくとも１列でランプ信号ＲＡＭＰ２を用いて基準信号ＶＲＥＦをＡＤ変換する例について説明した。

また、ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いて各画素のＳ信号をＡＤ変換した際に、撮像素子１００の差分回路１２２において基準信号ＶＲＥＦのカウント値をＳ信号の画素信号に加算する例について説明した。

しかしながら、基準信号ＶＲＥＦが各列の比較器１１２に入力される配線長が列毎に異なるため、基準信号ＶＲＥＦは配線インピーダンスなどによって列毎に電位勾配を持つことが考えられる。そこで、実施例２では、列毎に基準信号ＶＲＥＦの信号レベルが異なることを前提として、ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いて基準信号ＶＲＥＦを列毎にＡＤ変換する例について説明する。

図７は、本実施例における撮像装置５００の全体構成を示すブロック図である。基本的な構成は実施例１で説明した図１と同様であるため、図１と異なる構成についてのみ説明する。

図７において、撮像素子１００は、各列における基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値を出力する。そして、システム制御部５１１は、撮像素子１００から出力された各列における基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値から各列共通のオフセット値を求めてＦＲＯＭ５０８に記憶する。

例えば、各列の基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値の最小値をオフセット値としてＦＲＯＭ５０８に記憶する。また、メモリ部５０７は、ＦＲＯＭ５０８に記憶されているオフセット値を一時的に保持する。

信号処理部５０３は、オフセット加算部５０４と現像部５０５を備える。オフセット加算部５０４は、ランプ選択信号に応じてＦＲＯＭ５０８からメモリ部５０７に展開されたオフセット値をデジタル画像データに加算する。

図８は、実施例２における撮像素子１００のブロック図である。実施例１で説明した図１と異なる点について説明する。実施例２では、列毎にランプ信号ＲＡＭＰ２を用いて基準信号ＶＲＥＦをＡＤ変換するために、全列の列処理回路１０３にスイッチ１１１が設けられている。

また、実施例１では、メモリＶＲＥＦ１２０および差分回路１２２に接続され、Ｓ信号のカウント値にメモリＶＲＥＦ１２０に記憶されている基準信号ＶＲＥＦのカウント値を差分回路１２２で加算する。そして、Ｓ信号をＡＤ変換する際にランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された列において、列カウンタ１１３が停止している期間のカウント値を補うように構成されている。

これに対し、実施例２では、撮像素子１００から出力した後に信号処理部５０３のオフセット加算部５０４においてオフセット値をデジタル画像データに加算するように構成されているため、メモリＶＲＥＦ１２０は差分回路１２２に接続されていない。

次に、図９を用いて撮像装置５００の処理フローを説明する。図９（ａ）は、撮影前にオフセット値を算出するフローチャートである。図９（ａ）を用いて、予め全列において基準信号ＶＲＥＦをランプ信号ＲＡＭＰ２と比較することでＡＤ変換し、撮像素子１００から出力する方法について説明する。

まず、撮像素子１００は、全列において、予め基準信号ＶＲＥＦをランプ信号ＲＡＭＰ２と比較することでＡＤ変換を行う。全列において、スイッチ１１０によりランプ信号ＲＡＭＰ２が選択されるとともに、スイッチ１１１により基準信号ＶＲＥＦが選択される（Ｓ９０１）。

電圧生成部１０４は、ランプ信号ＲＡＭＰ２の生成を開始し（Ｓ９０２）、各列の比較器１１２は、基準信号ＶＲＥＦとランプ信号ＶＲＡＭＰ２との比較を開始する。

各列の列カウンタ１１３は、比較器１１２が基準信号ＶＲＥＦとランプ信号ＲＡＭＰ２との比較を開始したタイミングからカウント動作を開始する（Ｓ９０３）。

そして、基準信号ＶＲＥＦとランプ信号ＲＡＭＰ２との大小関係が逆転するまでの期間、カウント動作を行う。各列の比較器１１２の出力が反転したら（Ｓ９０４）、比較器１１２の出力が反転したときの列カウンタ１１３のカウント値を各列のメモリＳ１１４に保持する（Ｓ９０５）。

水平走査回路１０７は、各列の水平転送スイッチ１１６を順次オンすることにより、各列のメモリＳ１１４に保持された基準信号ＶＲＥＦのカウント値を差分回路１２２に転送する。差分回路１２２では何も行わずに、各列における基準信号ＶＲＥＦのカウント値をＡＤ変換値として撮像素子１００から出力する（Ｓ９０６）。

システム制御部５１１は、撮像素子１００から出力された各列における基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値から各列共通のオフセット値を算出する。例えば、撮像素子１００から出力された各列の基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値の最小値をオフセット値として算出する（Ｓ９０７）。

システム制御部５１１は、算出したオフセット値をＦＲＯＭ５０８に記憶する（Ｓ９０８）。

次に、図９（ｂ）は、撮影時のフローチャートである。図９（ｂ）を用いて、撮影を行う際の流れを説明する。

撮像装置５００が起動すると、まず、ＦＲＯＭ５０８に記憶されたオフセット値をメモリ部５０７に展開する（Ｓ９１１）。

また、システム制御部５１１は、メモリ５０７に展開されたオフセット値を撮像素子１００のメモリＶＲＥＦＦ１２０に設定する（Ｓ９１２）。すなわち、メモリＶＲＥＦ１２０には、各列の基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値の最小値がオフセット値として設定される。

撮影が指示されると（Ｓ９１３）、まず各画素からＮ信号を読み出す。実施例１と同様にランプ信号ＲＡＭＰ１を用いてＮ信号のＡＤ変換を行う（Ｓ７１４）。

スイッチ１１０によりランプ信号ＲＡＭＰ１が選択されるとともに、スイッチ１１１により画素信号（Ｎ信号）が選択される。

比較器１１２は、Ｎ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との比較を開始する。続いて、列カウンタ１１３は、比較器１１２がＮ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との比較を開始したタイミングからＮ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との大小関係が逆転するまでの間、カウント動作を行う。そして、大小関係が逆転し、比較器１１２の出力が反転したときのカウント値をＮ信号データとしてメモリＮ１１５に保持する。

続いて各画素からＳ信号を読み出し、Ｓ信号の信号レベル判定を行う。スイッチ１１０により基準信号ＶＲＥＦが選択されるとともに、スイッチ１１１により画素信号（Ｓ信号）が選択される。

比較器１１２は、Ｓ信号を基準信号ＶＲＥＦと比較する。比較結果に応じてランプ信号ＲＡＭＰ１またはＲＡＭＰ２のいずれかが選択される（Ｓ９１５）。

すなわち、Ｓ信号が基準信号ＶＲＥＦ未満である場合は、ランプ信号ＲＡＭＰ１が選択される。また、Ｓ信号が基準信号ＶＲＥＦ以上である場合には、ランプ信号ＲＡＭＰ２が選択される。

また、比較器１１２は、Ｓ信号と基準信号ＶＲＥＦとの比較結果をランプ信号ＲＡＭＰ１またはランプ信号ＲＡＭＰ２どちらを選択したかを示すランプ選択信号として、スイッチ１１０、列カウンタ１１３、オフセット制御部１０５に出力する。

このランプ選択信号により、各画素信号（Ｓ信号）がランプ信号ＲＡＭＰ１とランプ信号ＲＡＭＰ２のどちらを用いてＡＤ変換したのかを識別することができる。例えばランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された場合には、ランプ選択信号としてＳ信号の最上位ｂｉｔに１を付与する。

ここでは、Ｓ信号の信号レベルが基準信号ＶＲＥＦよりも大きいものとして説明する。Ｓ信号の方が基準信号ＶＲＥＦよりも大きい場合、傾きの大きいランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＳ信号のＡＤ変換を行う（Ｓ９１６）。

スイッチ１１０によりランプ信号ＲＡＭＰ２が選択されるとともに、スイッチ１１１により画素信号（Ｓ信号）が選択される。比較器１１２は、Ｓ信号とランプ信号ＲＡＭＰ２との比較を開始する。

メインカウンタ１２１は、比較器１１２によりランプ信号と画素信号（Ｓ信号）の比較を開始したタイミングでカウントを開始する。すなわち、ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＳ信号のＡＤ変換を行う全列共通のメインカウンタ１２１によるカウント動作を行う。そして、メモリＶＲＥＦ１２０に保持されているカウント値（各列の基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値の最小値であるオフセット値）に達したら、各列の列カウンタ１１３へカウント許可信号を出力する。

ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＳ信号のＡＤ変換を行う各列の列カウンタ１１３は、メインカウンタ１２１からカウント許可信号を受け取ったタイミングから比較器１１２が反転出力するまでの間、カウント動作を行う。ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＳ信号のＡＤ変換を行う列は、Ｓ信号が基準信号ＶＲＥＦ以上である列である。

ランプ信号ＲＡＭＰ２とＳ信号との大小関係が逆転し、比較器１１２の出力が反転したときのカウント値をＳ信号データとしてメモリＳ１１４に保持する。

このように、ランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された列では、比較器１１２がＳ信号とランプ信号の比較を開始したタイミングでメインカウンタ１２１がカウントを開始する。メインカウンタ１２１は、メモリＶＲＥＦ１２０に保持されたオフセット値とランプ信号が一致したら各列カウンタ１１３にカウント許可信号を出力する。

なお、Ｓ信号のレベル判定の結果、Ｓ信号の信号レベルが基準信号ＶＲＥＦ未満であると判定された場合は、スイッチ１１０によりランプ信号ＲＡＭＰ１が選択される。そして、列カウンタ１１３は、比較器１１２がＳ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との比較を開始したタイミングからＳ信号とランプ信号ＲＡＭＰ１との大小関係が逆転するまでの間、カウント動作を行うように制御する。

すなわち、ランプ信号ＲＡＭＰ１を示す列、つまり画素信号（Ｓ信号）が基準信号ＶＲＥＦ未満である列の列カウンタ１１３は、比較器１１２にてランプ信号ＲＡＭＰ１とＳ信号の比較を開始したタイミングでカウントを開始するように制御する。そして、ランプ信号ＲＡＭＰ１とＳ信号の大小関係が逆転し、比較器１１２の出力が反転したときのカウント値をＳ信号データとしてメモリＳ１１４に保持する。

水平走査回路１０７は、水平転送スイッチ１１６をオンすることにより、メモリＮ１１４に保持されたＮ信号のカウント値とメモリＳ１１５に保持されたＳ信号のカウント値をそれぞれ差分回路１２２に転送する。

ここで、ランプ信号ＲＡＭＰ２の時間に対する変化率はランプ信号ＲＡＭＰ１よりも大きいため、ランプ信号ＲＡＭＰ１の時間に対する変化率相当のカウント値に換算する必要がある。

例えば、ランプ信号ＲＡＭＰ２の時間に対する変化率がランプ信号ＲＡＭＰ１の時間に対する変化率の４倍であった場合、ランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された列のＳ信号のカウント値が４倍になる様に２ｂｉｔシフトする。

その後、差分回路１２２は、ランプ選択信号として付与した最上位ｂｉｔを除いたＳ信号のカウント値からＮ信号のカウント値を減算して各画素の画素信号のＡＤ変換値を取得する。さらに取得した各画素のＡＤ変換値にＳ信号の最上位ｂｉｔをランプ選択信号として再度付与して出力する（Ｓ９１７）。

なお、Ｓ信号のＡＤ変換時にランプ信号ＲＡＭＰ１またはランプ信号ＲＡＭＰ２のどちらを使用したかを示す１ｂｉｔのランプ選択信号は、各画素のＡＤ変換値とは別に撮像素子から出力するようにしてもよい。

ここで上述したように、Ｓ信号をＡＤ変換する際にランプ信号ＲＡＭＰ２が選択された列の列カウンタ１１３は、次の期間のカウント動作を停止している。すなわち、消費電力を低減するためにＳ信号とランプ信号ＲＡＭＰ２と比較を開始したタイミングからランプ信号ＲＡＭＰ２が基準信号ＶＲＥＦに一致するタイミングまでの期間のカウント動作を停止する。

そこで、本実施例２では、信号処理部５０３のオフセット加算部５０４において、各画素のＡＤ変換値に付与されたランプ選択信号に応じて、メモリ部５０７に展開されたオフセット補正値を各画素のＡＤ変換値に加算する（Ｓ９１８）。

すなわち、信号処理部５０３のオフセット加算部５０４では、ランプ選択信号がランプ信号ＲＡＭＰ２を使用したことを示す１である場合に、メインカウンタ１２１でカウントしたオフセット値を画素信号に加算する。

なお、ランプ選択信号がランプ信号ＲＡＭＰ１を使用したことを示す０である場合には、オフセット値は加算されない。

オフセット加算部５０４においてオフセット補正値が加算された各画素の画像データに対し、信号処理部５０３の現像部５０５で現像処理を行う（Ｓ９１９）。

そして、現像されたデータを所定のフォーマットに圧縮し（Ｓ９２０）、記録部５１０において記録媒体に圧縮された画像データを記録する（Ｓ９２１）。

以上のように、基準信号ＶＲＥＦが電位勾配を持ち、列毎に信号レベルが異なる場合であっても、ランプ信号ＲＡＭＰ２を用いてＳ信号のＡＤ変換を行う列の列カウンタ１１３に係る電力を大幅に低減させることができる。

なお、本実施例２では、予め基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換値をオフセット値としてＦＲＯＭ５０８に記憶した。これに限定されず、例えば、撮像装置が起動する度に撮影前に全列において基準信号ＶＲＥＦのＡＤ変換を行い、オフセット値を算出してメモリ部５０７に記憶するようにしてもよい。

また、実施例２では、撮像素子１００後段の信号処理部５０３で全列のＶＲＥＦのＡＤ変換値を加算する構成を一例として示したが、撮像素子１００に全列のＶＲＥＦのＡＤ変換値を保持するメモリを追加し、撮像素子１００の差分回路１２２で加算してもよい。

さらに、基準信号ＶＲＥＦをＡＤ変換したカウント値をメモリＳ１１４に保持したが、メモリＮ１１５に保持してもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００ 撮像素子
１０１ 画素アレイ
１１２ 比較器
１１３ 列カウンタ
５０４ オフセット加算部

Claims (6)

1. 画素信号を基準信号または時間の経過とともに信号レベルが変化する参照信号と比較する比較手段と、
   前記比較手段により前記画素信号と前記参照信号が一致するまでカウントするカウンタ手段と、
   前記比較手段により前記画素信号を前記基準信号と比較することにより前記参照信号を選択する選択手段と、
   前記画素信号が前記基準信号以上である場合に、前記カウンタ手段が所定のタイミングからカウントを開始するように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記所定のタイミングは、前記参照信号の信号レベルが前記基準信号の信号レベルと一致するタイミングであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記画素信号が前記基準信号以上である場合に、前記カウンタ手段のカウント値に所定のカウント値を加算することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記所定のカウント値は、前記参照信号と前記基準信号を比較した場合の前記カウンタ手段のカウント値であることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 更に、前記基準信号のカウント値を記憶するメモリを備えることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 更に、複数列に共通のメインカウンタを備え、前記所定のタイミングまでカウント動作を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。

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