(57)【要約】【課題】量子化誤差による画質の劣化を抑制し、かつランダムノイズを抑制したデジタルの信号を高速に生成することができる撮像装置を提供することである。【解決手段】撮像装置は、各々が光電変換に基づく信号を出力する複数の画素（１０）と、前記光電変換に基づく信号と、時間に応じて変化する参照信号とを比較することにより、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部（２４，２５）と、前記光電変換に基づく信号に含まれるランダムノイズ量に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御する制御部（３２）とを有する。【選択図】図２
2020014171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が光電変換に基づく信号を出力する複数の画素と、
前記光電変換に基づく信号と、時間に応じて変化する参照信号とを比較することにより、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部と、
前記光電変換に基づく信号に含まれるランダムノイズ量に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御する制御部と
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記光電変換に基づく信号に含まれるランダムノイズ量を予測し、前記予測したランダムノイズ量に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記撮像装置の設定値または条件に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御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。
【請求項４】
前記光電変換に基づく信号をゲイン設定値で増幅する増幅部をさらに有し、
前記制御部は、前記ゲイン設定値に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記撮像装置の温度に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記ゲイン設定値と前記撮像装置の温度に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数の画素は、遮光されている画素と、遮光されていない画素とを有し、
前記制御部は、前記アナログデジタル変換部が前記遮光されている画素の前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換した値に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御し、
前記アナログデジタル変換部は、前記制御部により制御された参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数で、前記遮光されている画素の前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記ランダムノイズ量が多いほど、前記参照信号の傾きの絶対値を大きくし、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を多くすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記アナログデジタル変換部は、
前記光電変換に基づく信号と、時間に応じて変化する参照信号とを比較する比較部と、
前記比較の結果に応じて、カウント値のカウントを行うカウンタ部とを有し、
前記カウンタ部のカウント値は、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換した値を表すことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記カウンタ部は、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数が複数回である場合には、前記複数回の変換に対応するカウント値を累積してカウントすることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記複数の画素は、それぞれ、リセット解除に基づく信号を出力し、
前記アナログデジタル変換部は、前記リセット解除に基づく信号と、前記参照信号とを比較することにより、前記リセット解除に基づく信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
各々が光電変換に基づく信号を出力する複数の画素を有する撮像装置の制御方法であって、
前記光電変換に基づく信号と、時間に応じて変化する参照信号とを比較することにより、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する変換ステップと、
前記光電変換に基づく信号に含まれるランダムノイズ量に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御する制御ステップと
を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置および撮像装置の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ撮像装置において、画素の信号を読み出す際に、同じ信号に対するアナログデジタル（ＡＤ）変換を複数回行い、さらに加算平均することで、信号に含まれるランダムノイズを抑制するＡＤマルチサンプリング手法が存在する。このＡＤマルチサンプリング手法は、複数回ＡＤ変換を行うので、読み出し速度が大幅に低下する課題があった。しかし、最近では、読み出し速度の低下を抑制した手法が登場している。
【０００３】
特許文献１では、参照信号比較型のＡＤ変換処理において、ｎビットのＡＤ変換処理をＷ回（Ｗは２以上の正の整数）繰り返して行う手法が開示されている。特許文献１によると、回数Ｗが多くなるほどビット精度ｎを減らすことにより、１回当たりのＡＤ変換時間を短縮し、読み出し速度の低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９６４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ビット精度ｎを極端に減らした場合、量子化誤差による偽信号が発生する。さらには、その誤差がＷ回積分処理されるため、逆に画質の劣化を招いてしまう課題が存在する。
【０００６】
本発明の目的は、量子化誤差による画質の劣化を抑制し、かつランダムノイズを抑制したデジタルの信号を高速に生成することができる撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の撮像装置は、各々が光電変換に基づく信号を出力する複数の画素と、前記光電変換に基づく信号と、時間に応じて変化する参照信号とを比較することにより、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部と、前記光電変換に基づく信号に含まれるランダムノイズ量に応じて、前記参照信号の傾きと、前記光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する回数を制御する制御部とを有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、量子化誤差による画質の劣化を抑制し、かつランダムノイズを抑制したデジタルの信号を高速に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】画素の構成例を示す図である。
【図２】撮像装置の構成例を示す図である。
【図３】第１の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図４】第２の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【図５】比較器に入力される信号を説明するための図である。
【図６】ノイズ予測部の動作を説明するための図である。
【図７】撮像システムの構成例を示す図である。
【図８】撮像装置の構成例を示す図である。
【図９】１フレームの読み出し動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による画素１０の構成例を示す回路図である。画素１０は、フォトダイオード１１、転送スイッチ１２、フローティングディフュージョン（以下ＦＤという）１３、増幅ＭＯＳトランジスタ１４、行選択スイッチ１５、およびリセットスイッチ１６を有する。
【００１１】
フォトダイオード１１は、光電変換部であり、光学系を通して入射する光を電荷に変換する。転送スイッチ１２は、そのゲート端子に入力される転送パルスＰＴＸに応じて、フォトダイオード１１により変換された電荷をＦＤ１３に転送する。ＦＤ１３は、電荷を蓄積するとともに、蓄積した電荷を電圧に変換する。増幅ＭＯＳトランジスタ１４は、図２の定電流回路２２と合わせてソースフォロアとして機能する。増幅ＭＯＳトランジスタ１４は、そのゲートに接続されるＦＤ１３の電圧を増幅し、その増幅した電圧を出力する。行選択スイッチ１５は、そのゲートに入力される行選択パルスＰＳＥＬによって駆動され、そのドレインが増幅ＭＯＳトランジスタ１４のソースに接続され、そのソースが出力線２１に接続されている。
【００１２】
行選択パルスＰＳＥＬがアクティブレベル（ハイレベル）となった行選択スイッチ１５は、導通状態になり、対応する増幅ＭＯＳトランジスタ１４のソースが出力線２１に接続される。出力線２１は、同一列の複数の画素１０で共有され、図２の定電流回路２２および信号増幅回路２３に接続される。リセットスイッチ１６は、そのドレインが電源線ＶＤＤに接続され、そのゲートに入力されるリセットパルスＰＲＥＳによって駆動され、ＦＤ１３に蓄積されている電荷をリセットする。
【００１３】
まず、リセットスイッチ１６は、リセットパルスＰＲＥＳによって、ＦＤ１３をリセットし、その後、ＦＤ１３のリセットを解除する。その場合、増幅ＭＯＳトランジスタ１４は、ＦＤ１３のリセット解除に基づくＮ信号を出力線２１に対して出力する。
【００１４】
次に、転送スイッチ１２は、転送パルスＰＴＸによって、フォトダイオード１１により変換された電荷をＦＤ１３に転送する。その場合、増幅ＭＯＳトランジスタ１４は、フォトダイオード１１の光電変換に基づくＳ信号を出力線２１に対して出力する。
【００１５】
図２は、本実施形態による撮像装置１の構成例を示す図である。撮像装置１は、ＣＭＳＯ撮像装置であり、２次元行列状に配列された複数の画素１０を有する。複数の出力線２１は、各列の画素１０ごとに設けられる。各列の画素１０は、それぞれ、各列の出力線２１に接続される。複数の出力線２１の各々には、定電流回路２２が接続されている。定電流回路２２は、図１の増幅ＭＯＳトランジスタ１４と合わせてソースフォロワとして機能する。増幅ＭＯＳトランジスタ１４は、ＦＤ１３の電圧に応じた電圧を出力線２１に出力する。複数の画素１０は、行単位で、信号を出力線２１に出力する。
【００１６】
各列の信号増幅回路２３は、それぞれ、増幅部であり、ゲイン設定値Ｇａｉｎを変更することが可能であり、各列の出力線２１の信号に対して、ゲイン設定値Ｇａｉｎで増幅する。なお、ノイズを低減するためには信号増幅回路２３を設けることが望ましいが、必ずしも必要ではない。
【００１７】
参照信号生成部３１は、時間に応じて変化する参照信号Ｖｒａｍｐ（図３）を出力する。参照信号生成部３１は、出力する参照信号Ｖｒａｍｐの傾きを変えることができる。各列の比較器２４は、それぞれ、比較部であり、各列の信号増幅回路２３から出力された信号と、参照信号Ｖｒａｍｐとを比較し、その比較結果信号を出力する。
【００１８】
ノイズ予測部３２は、信号増幅回路２３から比較器２４に入力されるＮ信号またはＳ信号のランダムノイズ量を予測し、予測したランダムノイズ量に応じて、参照信号生成部３１が生成する参照信号Ｖｒａｍｐを制御する。ランダムノイズ量の予測に使用する情報は、撮像装置１の設定値または条件であり、たとえば、信号増幅回路２３のゲイン設定値、温度センサ１０１２（図７）による撮像装置１の温度情報、または外来ノイズ発生源の駆動情報などである。
また、ＦＤ１３の容量値が切り替えられる構成の場合には、その容量の設定値情報も、ランダムノイズ量の予測に使用する情報に該当する。また、ノイズ予測部３２は、ランダムノイズ量を実際に測定し、参照信号生成部３１の参照信号Ｖｒａｍｐの傾きを決定してもよく、その構成や方法は、第２の実施形態で説明する。
【００１９】
カウンタ回路２５は、カウンタ部であり、基準クロック信号ＣＬＫが入力され、ＣＬＫを基にアップカウントまたはダウンカウントを行う。また、各列のカウンタ回路２５は、それぞれ、参照信号Ｖｒａｍｐのレベル変化が開始されると、カウント値のカウントを開始し、各列の比較器２４の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを停止する。これらの動作によってＡＤ変換を行う。
カウンタ回路２５のカウント値は、信号増幅回路２３が出力する信号をアナログからデジタルに変換したデジタル値を表す。比較器２４とカウンタ回路２５は、信号増幅回路２３が出力する信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部である。
【００２０】
まず、画素１０は、信号増幅回路２３を介して、リセット解除に基づくＮ信号を出力する。比較器２４は、信号増幅回路２３が出力するＮ信号と参照信号Ｖｒａｍｐとを比較する。カウンタ回路２５は、Ｎ信号のデジタル値をカウントする。ＣＤＳ回路２６は、Ｎ信号のデジタル値を保持する。
【００２１】
次に、画素１０は、信号増幅回路２３を介して、光電変換に基づくＳ信号を出力する。比較器２４は、信号増幅回路２３が出力するＳ信号と参照信号Ｖｒａｍｐとを比較する。カウンタ回路２５は、Ｓ信号のデジタル値をカウントする。ＣＤＳ回路２６は、Ｓ信号のデジタル値を保持する。各列のＣＤＳ回路２６は、それぞれ、Ｓ信号のデジタル値からＮ信号のデジタル値を減算し、画素信号を水平転送メモリ２７に出力する。
【００２２】
上記の出力線２１、定電流回路２２、信号増幅回路２３、比較器２４、カウンタ回路２５、ＣＤＳ回路２６は、各列にそれぞれ設けられている。水平転送メモリ２７は、各列のＣＤＳ回路２６の画素信号を保持し、順次、撮像装置１の外部へ出力する。
【００２３】
図３は、第１の読み出し動作を示すタイミングチャートである。ここで、「ｎ行目の行選択パルスＰＳＥＬ」を、添字ｎを付して「行選択パルスＰＳＥＬ（ｎ）」と呼ぶ。これは、転送パルスＰＴＸおよびリセットパルスＰＲＥＳについても同様である。
【００２４】
時刻ｔ１では、行選択パルスＰＳＥＬ（ｎ）がハイレベルとなり、ｎ行目の行選択スイッチ１５がオンになり、ｎ行目の画素１０の各々は、対応する出力線２１に接続される。
【００２５】
また、同時刻ｔ１では、リセットパルスＰＲＥＳ（ｎ）がハイレベルとなり、ｎ行目において、リセットスイッチ１６は、ＦＤ１３の電圧をリセットする。その後、リセットパルスＰＲＥＳ（ｎ）がローレベルとなり、ｎ行目において、リセットスイッチ１６は、ＦＤ１３のリセットを解除する。このとき、ｎ行目の画素１０は、リセット解除に基づくＮ信号を出力線２１に対して出力する。Ｎ信号は、静定時間をかけて出力線２１に反映され、信号増幅回路２３を経て比較器２４に入力される。
【００２６】
時刻ｔ２では、参照信号生成部３１は、参照信号Ｖｒａｍｐ１のレベル変化を開始させる。参照信号Ｖｒａｍｐ１は、図１の参照信号Ｖｒａｍｐに対応する。比較器２４は、信号増幅回路２３が出力するＮ信号と参照信号Ｖｒａｍｐ１とを比較し、参照信号Ｖｒａｍｐ１がＮ信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Ｃｏｍｐを出力する。
【００２７】
また、同時刻ｔ２では、基準クロック信号ＣＬＫの生成が開始される。カウンタ回路２５は、基準クロック信号ＣＬＫに同期して、カウント値のカウントを開始する。これにより、Ｎ信号のＡＤ変換が開始される。
【００２８】
その後、時刻ｔ３では、比較器２４は、参照信号Ｖｒａｍｐ１がＮ信号より小さくなると、比較結果信号Ｃｏｍｐをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路２５は、比較器２４の比較結果信号Ｃｏｍｐが反転すると、カウント値のカウント動作を停止する。これにより、Ｎ信号のＡＤ変換が完了する。カウンタ回路２５のカウント値は、Ｎ信号のデジタル値を表す。
【００２９】
時刻ｔ４では、参照信号生成部３１は、参照信号Ｖｒａｍｐ１が所定の電位になると、参照信号Ｖｒａｍｐ１を初期値にリセットし、基準クロック信号ＣＬＫの生成が停止する。
【００３０】
時刻ｔ５では、転送パルスＰＴＸ（ｎ）がハイレベルとなり、ｎ行目において、転送スイッチ１２は、フォトダイオード１１により変換された電荷をＦＤ１３に転送する。その後、転送パルスＰＴＸ（ｎ）がローレベルとなり、ｎ行目において、転送スイッチ１２は、フォトダイオード１１からＦＤ１３への電荷転送を終了する。ｎ行目の画素１０は、フォトダイオード１１の光電変換に基づくＳ信号を出力線２１に対して出力する。Ｓ信号は、静定時間をかけて出力線２１に反映される。
【００３１】
また、同時刻ｔ５では、信号ＲＳＴがハイレベルとなり、各列のカウンタ回路２５は、各列のＣＤＳ回路２６に対してＮ信号のデジタル値を出力後、カウント値をリセットする。このとき、ＣＤＳ回路２６は、Ｎ信号のデジタル値を保持する。
【００３２】
時刻ｔ６では、参照信号生成部３１は、参照信号Ｖｒａｍｐ１のレベル変化を開始させる。比較器２４は、信号増幅回路２３が出力するＳ信号と参照信号Ｖｒａｍｐ１とを比較し、参照信号Ｖｒａｍｐ１がＳ信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Ｃｏｍｐを出力する。
【００３３】
また、同時刻ｔ６では、基準クロック信号ＣＬＫの生成が開始される。カウンタ回路２５は、基準クロック信号ＣＬＫに同期して、カウント値のカウントを開始する。これにより、Ｓ信号のＡＤ変換が開始される。
【００３４】
その後、時刻ｔ７では、比較器２４は、参照信号Ｖｒａｍｐ１がＳ信号より小さくなると、比較結果信号Ｃｏｍｐをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路２５は、比較器２４の比較結果信号Ｃｏｍｐが反転すると、カウント値のカウント動作を停止する。これにより、Ｓ信号のＡＤ変換が完了する。カウンタ回路２５のカウント値は、Ｓ信号のデジタル値を表す。
【００３５】
時刻ｔ８では、参照信号生成部３１は、参照信号Ｖｒａｍｐ１が所定の電位になると、参照信号Ｖｒａｍｐ１を初期値にリセットし、基準クロック信号ＣＬＫの生成が停止する。
【００３６】
時刻ｔ９では、行選択パルスＰＳＥＬ（ｎ）がローレベルとなり、ｎ行目の行選択スイッチ１５がオフになり、ｎ行目の画素１０の各々は、対応する出力線２１に対して切断される。
【００３７】
また、同時刻ｔ９では、信号ＲＳＴがハイレベルとなり、各列のカウンタ回路２５は、各列のＣＤＳ回路２６に対してＳ信号のデジタル値を出力後、カウント値をリセットする。このとき、ＣＤＳ回路２６は、Ｓ信号のデジタル値から、時刻ｔ５にて保持したＮ信号のデジタル値を減算し、その減算結果を画素信号として水平転送メモリ２７に出力する。水平転送メモリ２７は、各列のＣＤＳ回路２６の画素信号を保持し、順次、撮像装置１の外部へ出力する。これらの動作によって、第１の読み出し動作が行われる。
【００３８】
図４は、第２の読み出し動作を示すタイミングチャートである。時刻ｔ１１では、行選択パルスＰＳＥＬ（ｎ）がハイレベルとなり、ｎ行目の行選択スイッチ１５がオンになり、ｎ行目の画素１０の各々は、対応する出力線２１に接続される。
【００３９】
また、同時刻ｔ１１では、リセットパルスＰＲＥＳ（ｎ）がハイレベルとなり、ｎ行目において、リセットスイッチ１６は、ＦＤ１３の電圧をリセットする。その後、リセットパルスＰＲＥＳ（ｎ）がローレベルとなり、ｎ行目において、リセットスイッチ１６は、ＦＤ１３のリセットを解除する。このとき、ｎ行目の画素１０は、リセット解除に基づくＮ信号を出力線２１に対して出力する。Ｎ信号は、静定時間をかけて出力線２１に反映され、信号増幅回路２３を経て比較器２４に入力される。
【００４０】
時刻ｔ１２では、参照信号生成部３１は、参照信号ＶｒａｍｐＮのレベル変化を開始させる。参照信号ＶｒａｍｐＮは、図１の参照信号Ｖｒａｍｐに対応する。参照信号ＶｒａｍｐＮの傾きは、図３の参照信号Ｖｒａｍｐ１の傾きのＮ倍である。以降の説明では、Ｎ＝２の場合を例に説明する。比較器２４は、信号増幅回路２３が出力するＮ信号と参照信号ＶｒａｍｐＮとを比較し、参照信号ＶｒａｍｐＮがＮ信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Ｃｏｍｐを出力する。
【００４１】
また、同時刻ｔ１２では、基準クロック信号ＣＬＫの生成が開始される。カウンタ回路２５は、基準クロック信号ＣＬＫに同期して、カウント値のカウントを開始する。これにより、Ｎ信号のＡＤ変換が開始される。
【００４２】
その後、時刻ｔ１３では、比較器２４は、参照信号ＶｒａｍｐＮがＮ信号より小さくなると、比較結果信号Ｃｏｍｐをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路２５は、比較器２４の比較結果信号Ｃｏｍｐが反転すると、カウント値のカウント動作を一旦停止する。カウンタ回路２５のカウント値は、Ｎ信号のデジタル値を表す。図３と図４のＮ信号の大きさが同じ場合、参照信号ＶｒａｍｐＮの傾きは参照信号Ｖｒａｍｐ１の傾きのＮ倍であるので、図４のカウンタ回路２５のカウント値は、図３のカウンタ回路２５のカウント値の１／Ｎ（＝１／２）となる。傾きがＮ倍の参照信号ＶｒａｍｐＮを用いることにより、ＡＤ変換時間を１／Ｎに短縮することができる。
【００４３】
時刻ｔ１４では、参照信号生成部３１は、参照信号ＶｒａｍｐＮが所定の電位になると、参照信号ＶｒａｍｐＮを初期値にリセットし、基準クロック信号ＣＬＫの生成が停止する。なお、この時点では、信号ＲＳＴは、ハイレベルとはならず、ローレベルを維持する。各列のカウンタ回路２５は、カウント値をリセットせずに維持する。
【００４４】
時刻ｔ１５では、時刻ｔ１２と同様に、参照信号生成部３１は、参照信号ＶｒａｍｐＮのレベル変化を開始させる。比較器２４は、信号増幅回路２３が出力するＮ信号と参照信号ＶｒａｍｐＮとを比較し、参照信号ＶｒａｍｐＮがＮ信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Ｃｏｍｐを出力する。
【００４５】
また、同時刻ｔ１５では、基準クロック信号ＣＬＫの生成が再開される。カウンタ回路２５は、基準クロック信号ＣＬＫに同期して、カウント値のカウントを再開する。これにより、２回目のＮ信号のＡＤ変換が開始される。
【００４６】
その後、時刻ｔ１６では、比較器２４は、参照信号ＶｒａｍｐＮがＮ信号より小さくなると、比較結果信号Ｃｏｍｐをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路２５は、比較器２４の比較結果信号Ｃｏｍｐが反転すると、カウント値のカウント動作を停止する。カウンタ回路２５のカウント値は、Ｎ信号のデジタル値を表す。
【００４７】
時刻ｔ１７では、参照信号生成部３１は、参照信号ＶｒａｍｐＮが所定の電位になると、参照信号ＶｒａｍｐＮを初期値にリセットし、基準クロック信号ＣＬＫの生成が停止する。
【００４８】
時刻ｔ１２よりｔ１７にかけて、Ｎ信号のＡＤ変換を２回行い、カウンタ回路２５は、２回のＡＤ変換に対応するカウント値を累積してカウントする。１回のＡＤ変換で得られるカウント値は、参照信号Ｖｒａｍｐ１を用いた場合のカウント値の１／２である。カウンタ回路２５は、そのカウントを２回連続して行い、カウント値を累積することで、参照信号Ｖｒａｍｐ１を用いた場合のカウント値と同等のカウント値を得ることができる。なお、Ｎが３以上の場合は、ＡＤ変換がＮ回となるように、時刻ｔ１５〜ｔ１７の動作を繰り返す。
【００４９】
時刻ｔ１８では、転送パルスＰＴＸ（ｎ）がハイレベルとなり、ｎ行目において、転送スイッチ１２は、フォトダイオード１１により変換された電荷をＦＤ１３に転送する。その後、転送パルスＰＴＸ（ｎ）がローレベルとなり、ｎ行目において、転送スイッチ１２は、フォトダイオード１１からＦＤ１３への電荷転送を終了する。ｎ行目の画素１０は、フォトダイオード１１の光電変換に基づくＳ信号を出力線２１に対して出力する。Ｓ信号は、静定時間をかけて出力線２１に反映される。
【００５０】
また、同時刻ｔ１８では、信号ＲＳＴがハイレベルとなり、各列のカウンタ回路２５は、各列のＣＤＳ回路２６に対してＮ信号のデジタル値を出力後、カウント値をリセットする。このとき、ＣＤＳ回路２６は、Ｎ信号のデジタル値を保持する。
【００５１】
時刻ｔ１９では、参照信号生成部３１は、参照信号ＶｒａｍｐＮのレベル変化を開始させる。比較器２４は、信号増幅回路２３が出力するＳ信号と参照信号ＶｒａｍｐＮとを比較し、参照信号ＶｒａｍｐＮがＳ信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Ｃｏｍｐを出力する。
【００５２】
また、同時刻ｔ１９では、基準クロック信号ＣＬＫの生成が開始される。カウンタ回路２５は、基準クロック信号ＣＬＫに同期して、カウント値のカウントを開始する。これにより、Ｓ信号のＡＤ変換が開始される。
【００５３】
その後、時刻ｔ２０では、比較器２４は、参照信号ＶｒａｍｐＮがＳ信号より小さくなると、比較結果信号Ｃｏｍｐをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路２５は、比較器２４の比較結果信号Ｃｏｍｐが反転すると、カウント値のカウント動作を一旦停止する。カウンタ回路２５のカウント値は、Ｓ信号のデジタル値を表す。図３と図４のＳ信号の大きさが同じ場合、参照信号ＶｒａｍｐＮの傾きは参照信号Ｖｒａｍｐ１の傾きのＮ倍であるので、図４のカウンタ回路２５のカウント値は、図３のカウンタ回路２５のカウント値の１／Ｎ（＝１／２）となる。
【００５４】
時刻ｔ２１では、参照信号生成部３１は、参照信号ＶｒａｍｐＮが所定の電位になると、参照信号ＶｒａｍｐＮを初期値にリセットし、基準クロック信号ＣＬＫの生成が停止する。なお、この時点では、信号ＲＳＴは、ハイレベルとはならず、ローレベルを維持する。各列のカウンタ回路２５は、カウント値をリセットせずに維持する。
【００５５】
時刻ｔ２２では、時刻ｔ１９と同様に、参照信号生成部３１は、参照信号ＶｒａｍｐＮのレベル変化を開始させる。比較器２４は、信号増幅回路２３が出力するＳ信号と参照信号ＶｒａｍｐＮとを比較し、参照信号ＶｒａｍｐＮがＳ信号より大きい場合には、ハイレベルの比較結果信号Ｃｏｍｐを出力する。
【００５６】
また、同時刻ｔ２２では、基準クロック信号ＣＬＫの生成が再開される。カウンタ回路２５は、基準クロック信号ＣＬＫに同期して、カウント値のカウントを再開する。これにより、２回目のＳ信号のＡＤ変換が開始される。
【００５７】
その後、時刻ｔ２３では、比較器２４は、参照信号ＶｒａｍｐＮがＳ信号より小さくなると、比較結果信号Ｃｏｍｐをハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路２５は、比較器２４の比較結果信号Ｃｏｍｐが反転すると、カウント値のカウント動作を停止する。カウンタ回路２５のカウント値は、Ｓ信号のデジタル値を表す。
【００５８】
時刻ｔ２４では、参照信号生成部３１は、参照信号ＶｒａｍｐＮが所定の電位になると、参照信号ＶｒａｍｐＮを初期値にリセットし、基準クロック信号ＣＬＫの生成が停止する。
【００５９】
時刻ｔ１９よりｔ２４にかけて、Ｓ信号のＡＤ変換を２回行い、カウンタ回路２５は、２回のＡＤ変換に対応するカウント値を累積してカウントする。１回のＡＤ変換で得られるカウント値は、参照信号Ｖｒａｍｐ１を用いた場合のカウント値の１／２である。カウンタ回路２５は、そのカウントを２回連続して行い、カウント値を累積することで、参照信号Ｖｒａｍｐ１を用いた場合のカウント値と同等のカウント値を得ることができる。なお、Ｎが３以上の場合は、ＡＤ変換がＮ回となるように、時刻ｔ２２〜ｔ２４の動作を繰り返す。
【００６０】
時刻ｔ２５では、行選択パルスＰＳＥＬ（ｎ）がローレベルとなり、ｎ行目の行選択スイッチ１５がオフになり、ｎ行目の画素１０の各々は、対応する出力線２１に対して切断される。
【００６１】
また、同時刻ｔ２５では、信号ＲＳＴがハイレベルとなり、各列のカウンタ回路２５は、各列のＣＤＳ回路２６に対してＳ信号のデジタル値を出力後、カウント値をリセットする。このとき、ＣＤＳ回路２６は、Ｓ信号のデジタル値から、時刻ｔ１８にて保持したＮ信号のデジタル値を減算し、その減算結果を画素信号として水平転送メモリ２７に出力する。水平転送メモリ２７は、各列のＣＤＳ回路２６の画素信号を保持し、順次、撮像装置１の外部へ出力する。これらの動作によって、第２の読み出し動作が行われる。
【００６２】
第２の読み出し動作は、Ｎ信号のＡＤ変換とＳ信号のＡＤ変換をＮ回ずつ行うことにより、第１の読み出し動作に対して、ランダムノイズの低減効果が高いが、その一方で、発生する量子化誤差も大きくなる。この量子化誤差は、比較器２４に入力されるＮ信号またはＳ信号のランダムノイズ量が大きければ、誤差の生じる方向もランダムとなり、ＡＤ変換を複数回実行し、累積していく過程で期待する値に収束する。
【００６３】
一方で、Ｎ信号またはＳ信号のランダムノイズ量が小さく、量子化誤差の生じる方向が一方に揃ってしまうと、ＡＤ変換を複数回行う過程で誤差が累積され、偽信号として現れる。
【００６４】
よって、最適な画質を得るためには、ランダムノイズ量によって、第１の読み出し動作と第２の読み出し動作を切り替え、または第２の読み出し動作のＮを決定することで、ランダムノイズを低減しつつ、量子化誤差による偽信号を抑制する必要がある。ノイズ予測部３２は、比較器２４に入力されるＮ信号またはＳ信号のランダムノイズ量を予測し、予測したランダムノイズ量に応じて、第１の読み出し動作と第２の読み出し動作を切り替え、または第２の読み出し動作のＮを決定する。すなわち、ノイズ予測部３２は、制御部であり、予測したランダムノイズ量に応じて、Ｎ値に対応する、参照信号Ｖｒａｍｐの傾きと、ＡＤ変換の回数を制御する。
【００６５】
図５は、比較器２４に入力される信号を説明するための図である。比較器２４は、Ｎ信号またはＳ信号と参照信号ＶｒａｍｐＮとを比較する。ここで、参照信号Ｖｒａｍｐ１の基準クロック信号ＣＬＫの１周期当たりの電位変化量をΔＶｃｌｋとすると、参照信号ＶｒａｍｐＮの基準クロック信号ＣＬＫの１周期当たりの電位変化量はＮ×ΔＶｃｌｋとなる。また、比較器２４に入力されるＮ信号またはＳ信号のランダムノイズ量の標準偏差をＶｒｍｓとおき、予測に用いる係数をＫｔｈとおく。このとき、ノイズ予測部３２は、式（１）を満たす自然数Ｎのうちの最大値Ｎｍａｘを決定する。
Ｎ×ΔＶｃｌｋ≦Ｋｔｈ×Ｖｒｍｓ  ・・・（１）
【００６６】
撮像装置１は、Ｎｍａｘが１の場合には、第１の読み出し動作を行い、Ｎｍａｘが２以上である場合には、Ｎ＝Ｎｍａｘの第２の読み出し動作を行う。
【００６７】
また、Ｋｔｈは、比較器２４に入力されるＮ信号またはＳ信号のランダムノイズの確率密度関数によって様々な値をとるが、目安として実効値のガウス雑音である場合、Ｋｔｈを√２とすると、量子化誤差による偽信号は極めて無視できる値となる。
【００６８】
なお、このＫｔｈの決定方法は、ランダムノイズの確率密度関数のみならず、ランダムノイズの低減効果を優先するか、または量子化誤差による偽信号の抑制を優先するかのバランスを考慮して決定すると好適であり、上記方法に限られるものではない。
【００６９】
図６は、ノイズ予測部３２の動作を説明するための図である。ノイズ予測部３２は、様々な条件におけるランダムノイズ量の標準偏差Ｖｒｍｓの値を格納したランダムノイズ予測テーブルを基に最大値Ｎｍａｘを決定する。参照信号生成部３１は、ノイズ予測部３２が決定した最大値Ｎｍａｘに応じて、参照信号ＶｒａｍｐＮの制御を行う。
【００７０】
ノイズ予測部３２は、信号増幅回路２３のゲイン設定値Ｇａｉｎと、撮像装置１の温度情報Ｔｅｍｐとを入力し、ランダムノイズ量の標準偏差Ｖｒｍｓを出力するランダムノイズ予測テーブルを有する。ランダムノイズ予測テーブルは、出荷時に書き込まれるものとし、その値は、設計値から予想される値でもよく、実測に基づく値でもよい。
【００７１】
まず、ノイズ予測部３２は、撮影モード・タイミング発生部１００６（図７）から信号増幅回路２３のゲイン設定値Ｇａｉｎを取得し、温度センサ１０１２（図７）から撮像装置１の温度情報Ｔｅｍｐを取得する。次に、ノイズ予測部３２は、ランダムノイズ予測テーブルを参照し、取得したゲイン設定値Ｇａｉｎと温度情報Ｔｅｍｐを基に、ランダムノイズ量の標準偏差Ｖｒｍｓを決定する。次に、ノイズ予測部３２は、ランダムノイズ量の標準偏差Ｖｒｍｓを基に、式（１）を満たす自然数Ｎのうちの最大値Ｎｍａｘを算出する。次に、ノイズ予測部３２は、算出された最大値Ｎｍａｘを基に、参照信号生成部３１に対して、参照信号ＶｒａｍｐＮの傾きと、ＡＤ変換回数Ｎ（＝Ｎｍａｘ）を制御する。
【００７２】
ノイズ予測部３２は、ランダムノイズ量の標準偏差Ｖｒｍｓを予測し、予測したランダムノイズ量の標準偏差Ｖｒｍｓが大きいほど、参照信号ＶｒａｍｐＮの傾きの絶対値を大きくし、ＡＤ変換回数Ｎ（＝Ｎｍａｘ）を多くする。これにより、撮像装置１は、様々なランダムノイズ量に応じて、ランダムノイズ量を抑制しつつ、量子化誤差による偽信号を抑制した良好な画質を得ることが可能となる。
【００７３】
図７は、本実施形態による撮像装置１を有する撮像システム１０００の構成例を示す図である。レンズ部１００１は、被写体の光学像を撮像装置１に結像させる。また、レンズ部１００１は、レンズ駆動装置１００２の制御により、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などを行う。メカニカルシャッタ１００３は、シャッタ駆動装置１００４の制御により、撮像装置１の露光／遮光を制御する。撮像装置１は、上記のように、光電変換により画像信号を生成する。
【００７４】
撮像信号処理回路１００５は、撮像装置１により生成される画像信号に対して、各種の補正やデータ圧縮、広ダイナミックレンジ画像を得るための複数の画像の合成処理等を行う。撮影モード・タイミング発生部１００６は、撮像装置１と撮像信号処理回路１００５に対して、撮影モード指示信号、各種タイミング信号を出力する。
【００７５】
撮影モード・タイミング発生部１００６は、撮像装置１に対して、信号増幅回路２３のゲイン設定値Ｇａｉｎを出力する。撮像装置１内のノイズ予測部３２は、撮影モード・タイミング発生部１００６から信号増幅回路２３のゲイン設定値Ｇａｉｎを取得する。温度センサ１０１２は、撮像装置１の温度Ｔｅｍｐを計測し、計測した温度情報Ｔｅｍｐを撮像装置１に出力する。撮像装置１内のノイズ予測部３２は、温度センサ１０１２から撮像装置１の温度Ｔｅｍｐを取得する。
【００７６】
メモリ部１００７は、画像データを一時的に記憶するためのメモリである。全体制御演算部１００８は、各種演算と撮像システム１０００の全体の制御を行う回路である。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１００９は、記録媒体１０１０に対して、記録または読み出しを行うためのインターフェースである。記録媒体１０１０は、画像データの記録または読み出しを行うための着脱可能な半導体メモリである。表示部１０１１は、各種情報や撮影画像を表示するデバイスである。
【００７７】
次に、撮像システム１０００の動作について説明する。撮像システム１０００は、メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路１００５などの撮像系回路の電源がオンされる。次に、撮像システム１０００は、レリーズボタンが押されると、撮影動作を開始する。
【００７８】
撮影モード・タイミング発生部１００６は、撮像装置１に対して、設定情報を出力し、撮影指示を行う。このとき、ノイズ予測部３２は、撮影モード・タイミング発生部１００６から得た信号増幅回路２３のゲイン設定値Ｇａｉｎと、温度センサ１０１２から得た温度情報Ｔｅｍｐを基に、参照信号ＶｒａｍｐＮの傾きとＡＤ変換回数Ｎ（＝Ｎｍａｘ）を決定する。撮像装置１は、参照信号Ｖｒａｍｐを用いて、デジタルの画像信号を生成する。
【００７９】
撮影動作が終了すると、撮影信号処理回路１００５は、撮像装置１により生成された画像信号に対して画像処理する。全体制御演算部１００８は、その画像処理された画像データをメモリ部１００７に書き込む。そして、全体制御演算部１００８は、メモリ部１００７に書き込まれたデータを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１００９を介して、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１０１０に記録する。なお、撮像システム１０００は、図示しない外部Ｉ／Ｆ部を介して、直接、コンピュータ等に画像データを出力し、画像の加工を行わせてもよい。
【００８０】
以上のように、撮像装置１は、量子化誤差による画質の劣化を抑制し、かつランダムノイズを抑制した高速な信号読み出しが可能である。撮像装置１は、デジタルカメラ、ビデオカメラの他、スマートフォン、タブレット、工業用カメラ、医療用カメラ、車載カメラ等に適用可能である。
【００８１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を、図８と図９を参照しながら説明する。図８は、本発明の第２の実施形態による撮像装置１の構成例を示す図である。撮像装置１は、列読み出し回路２０と、参照信号生成部３１と、ノイズ予測部３２と、垂直走査回路３３と、画素部１００とを有する。
【００８２】
画素部１００は、図２に示すように、２次元行列状に配列された複数の画素１０を有する。画素部１００は、ＶＯＢ領域１０１と、ＨＯＢ領域１０２と、開口領域１０３に分割される。ＶＯＢ領域１０１とＨＯＢ領域１０２は、画素１０が光学的に遮光された遮光領域（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂｌａｃｋ領域：ＯＢ領域）であり、遮光されている複数の画素１０を有する。開口領域１０３は、画素１０がレンズ部１００１（図７）から光を受光する領域であり、遮光されていない複数の画素１０を有する。
【００８３】
垂直走査回路３３は、画素部１００に対して、行選択パルスＰＳＥＬと、リセットパルスＰＲＥＳと、転送パルスＰＴＸとを行単位で供給し、画素１０の行単位の信号出力動作を制御する。また、垂直走査回路３３は、１フレームの読み出し動作において、画素部１００の上部から下部にかけて順番に画素１０の行を選択する。すなわち、１フレームの読み出し動作では、ＶＯＢ領域１０１から読み出しが開始される。
【００８４】
列読み出し回路２０は、図２にて示された、各列に設けられた複数の定電流回路２２と、信号増幅回路２３と、比較器２４と、カウンタ回路２５と、ＣＤＳ回路２６と、水平転送メモリ２７とを有する。列読み出し回路２０は、画素部１００から読み出した画素信号のうち、ＶＯＢ領域１０１の画素信号をノイズ予測部３２に対して出力し、開口領域１０３の画素信号を撮像信号処理回路１００５（図７）に出力する。
【００８５】
ノイズ予測部３２は、ＶＯＢ領域１０１の画素信号からランダムノイズ量を測定し、参照信号生成部３１の参照信号の傾きとＡＤ変換回数Ｎｍａｘを決定する。また、撮像装置１は、ＶＯＢ領域１０１を読み出す際は、Ｎの値をＮ＝１とすることで、ＶＯＢ領域１０１の読み出し時の量子化誤差を抑制することが可能である。
【００８６】
なお、ＶＯＢ領域１０１を読み出す際のＮの値は、ノイズ予測部３２のランダムノイズ量の測定手法、または量子化誤差の測定手法により決められるのが望ましく、上記値に限られるものではない。例えば、ＶＯＢ領域１０１の画素信号の頻度を観測し、量子化誤差が発生するほど頻度が集中する性質を利用して、量子化誤差を簡易的に測定することも可能であり、その場合はＮの値を１より大きな値に設定してもよい。
【００８７】
また、本実施形態では、ノイズ予測部３２は、撮像装置１内にあるとしているが、ＶＯＢ領域１０１の画素信号をモニタできるのであれば、図７に示した撮像信号処理回路１００５内にあってもよい。その場合は、撮像信号処理回路１００５で決定したＮｍａｘの値を撮像装置１に対して出力することで、撮像信号処理回路１００５は、撮像装置１内の参照信号生成部３１を制御する。
【００８８】
図９は、１フレームの読み出し動作を示すフローチャートである。１フレームの読み出しが開始されると、ステップＳ９０１では、ノイズ予測部３２は、参照信号生成部３１に対して、Ｎ＝１を設定する。垂直走査回路３３は、ＶＯＢ領域１０１の画素行を選択して読み出しを行う。ＶＯＢ領域１０１の画素は、Ｎ信号とＳ信号を順に出力する。このとき、参照信号生成部３１は、図３のように、比較器２４に対して、参照信号Ｖｒａｍｐ１を出力する。列読み出し回路２０は、ＶＯＢ領域１０１のＮ信号とＳ信号を順にＡＤ変換し、ＶＯＢ領域１０１の画素信号をノイズ予測部３２に出力する。
【００８９】
ステップＳ９０２では、ノイズ予測部３２は、ＶＯＢ領域１０１の画素信号からランダムノイズ量の標準偏差Ｖｒｍｓを測定し、式（１）を用いて、ＮｍａｘをＮ値として決定し、参照信号生成部３１を制御する。ノイズ予測部３２は、ＮｍａｘをＮ値として、参照信号ＶｒａｍｐＮの傾きと、ＡＤ変換回数を制御する。
【００９０】
ステップＳ９０３では、垂直走査回路３３は、ＨＯＢ領域１０２と開口領域１０３を画素行単位で順に選択して読み出しを行う。このとき、参照信号生成部３１は、比較器２４に対して、制御後の参照信号ＶｒａｍｐＮを出力する。撮像装置１は、参照信号ＶｒａｍｐＮを用いて、制御後のＡＤ変換回数だけ、ＨＯＢ領域１０２と開口領域１０３のＮ信号とＳ信号をＡＤ変換し、ＨＯＢ領域１０２と開口領域１０３の画素信号を生成する。これらの動作により、１フレームの読み出し動作が完了する。
【００９１】
以上のように、ノイズ予測部３２は、開口領域１０３を読み出す直前に、ＶＯＢ領域１０１の画素信号を用いてランダムノイズ量の標準偏差Ｖｒｍｓを実際に測定することにより、より正確にランダムノイズ量を把握し、最適なＮｍａｘを決定することができる。これにより、撮像装置１は、ランダムノイズ量を抑制しつつ、量子化誤差による偽信号を抑制した良好な画質を得ることができる。
【００９２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１：撮像装置、１０：画素、２３：信号増幅回路、２４：比較器、２５：カウンタ回路、２６：ＣＤＳ回路、２７：水平転送メモリ、３１：参照信号生成部、３２：ノイズ予測部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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