(57)【要約】【課題】簡易な構成でダイナミックレンジを拡大した固体撮像装置を提供する。【解決手段】本発明の固体撮像装置Ａは、行列状に配置された複数の単位画素７を有する画素部１と、前記画素部１の列毎に設けられた列信号線と、参照信号Ｖｒａｍｐが前記列信号線からの画素信号の電圧に達するまでの時間を計数することにより、前記画素信号の電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換部３と、前記ＡＤ変換部３に対して前記計数用のカウンタクロックＣＬＫＡＤを生成するクロック信号生成部Ｃとを備え、前記クロック信号生成部Ｃは、ＡＤ変換の期間中に前記カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を第１の周波数から、第１の周波数と異なる第２の周波数へ切り替える。【選択図】図１
2010154372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配置された複数の画素を有する撮像部と、
前記撮像部の列毎に設けられた列信号線と、
ランプ波形信号が前記列信号線からの画素信号の電圧に達するまでの時間を計数することにより、前記画素信号の電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部に対して前記計数用のクロック信号を生成するクロック信号生成部とを備え、
前記クロック信号生成部は、ＡＤ変換の期間中に前記クロック信号の周波数を第１の周波数から、第１の周波数と異なる第２の周波数へ切り替える
固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２の周波数は、前記第１の周波数より低い
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記クロック信号生成部は、
基準クロック信号を分周することで前記クロック信号を生成する分周器と、
前記ランプ波形信号の開始から第１の期間が経過した時点で、前記分周器の分周比を、前記第１の周波数に対応する第１の分周比から、前記第２の周波数に対応する第２の分周比に切り替える切替部とを有する
請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記クロック信号生成部はさらに、
前記ランプ波形信号の開始から前記クロック信号のクロック数をカウントするカウンタを備え、
前記切替部は、前記カウンタのカウント数が予め定められた値を超えた時点で、前記第１の分周比から前記第２の分周比に切り替える
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記ＡＤ変換の期間は、第１の期間と第２の期間とを含み、
前記クロック信号生成部は、第１の期間において前記第１の周波数のクロック信号を生成し、第２の期間において前記第２の周波数のクロック信号を生成し、
前記第１の期間は前記第２の期間以下である
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記ＡＤ変換部は、
前記クロック信号のクロック数をカウントするカウント部と、
前記ランプ波形信号が前記画素信号の電圧と一致したとき、前記カウント部のカウント値を保持するラッチ部と
を備える請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
デジタルカメラ。
【請求項８】
行列状に配置された複数の画素を有する撮像部と、前記撮像部の列毎に設けられた列信号線と、ランプ波形信号が前記列信号線からの画素信号の電圧に達するまでの時間を計数することにより、前記列信号線の電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換部とを備える固体撮像装置を制御する方法であって、
前記ランプ波形信号の開始からの時間を計数する計数ステップと、
前記ランプ波形信号の開始から予め定められた時間が経過した時点で、前記計数用のクロック信号の周波数を第１の周波数から、第１の周波数よりも低い第２の周波数へ切り替える切り替えステップと
を含むＡＤ変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置に関し、特に光電変換領域部によって得られた画素信号を画素列毎に設けたカラム領域部に順次蓄積し、さらにこのカラム領域部を順次選択することにより、各画素信号を順次出力するようにした、いわゆるカラム方式の固体撮像装置、デジタルカメラ及びＡＤ変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＯＳイメージセンサのダイナミックレンジを拡大する方法については、第１の露光期間において、フォトダイオードで光電変換されて得られた電荷を検出ノードで蓄積し、その後、検出ノードにおいて蓄積された電荷の一部を捨てた後に、第１の露光期間より短い第２の露光期間において、さらにフォトダイオードで得られた電荷を検出ノードに蓄積する撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、画素信号を異なる分解能で複数回ＡＤ（アナログデジタル）変換し、複数のＡＤ変換後の信号を合成してダイナミックレンジを拡大する方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２０００−２３０４４号公報
【特許文献２】特開２００８−１２４８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の撮像装置では、検出部を使ってダイナミックレンジを拡大しているため、検出のリークによる暗時ムラやＫＴＣノイズ（リセットノイズ）が発生し、画質の劣化が起こる可能性がある。また、特許文献２記載の固体撮像装置では、合成対象の信号を記憶しておくラインメモリや合成処理を行う回路が必要となり、回路規模が大きくなる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、簡易な構成でダイナミックレンジを拡大した固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、行列状に配置された複数の画素を有する撮像部と、前記撮像部の列毎に設けられた列信号線と、ランプ波形信号が前記列信号線からの画素信号の電圧に達するまでの時間を計数することにより、前記画素信号の電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部に対して前記計数用のクロック信号を生成するクロック信号生成部とを備え、前記クロック信号生成部は、ＡＤ変換の期間中に前記クロック信号の周波数を第１の周波数から、第１の周波数と異なる第２の周波数へ切り替える。
【０００７】
これにより、クロック信号生成部がクロック信号の周波数を切り替えた後、ＡＤ変換部は、第１の周波数よりも低い第２の周波数に基づきＡＤ変換を行うので、ＡＤ変換の分解能を切替の前後で変更できる。その結果、ダイナミックレンジを拡大できる。
【０００８】
また、前記第２の周波数は、前記第１の周波数より低くしてもよい。
【０００９】
これにより、画素信号の電圧が低いときのＡＤ変換の分解能は高くして、画素信号の電圧が高いときの分解能は低くすることができ、低照度側のＳ／Ｎを向上できる。
【００１０】
また、前記クロック信号生成部は、基準クロック信号を分周することで前記クロック信号を生成する分周器と、前記ランプ波形信号の開始から第１の期間が経過した時点で、前記分周器の分周比を、前記第１の周波数に対応する第１の分周比から、前記第２の周波数に対応する第２の分周比に切り替える切替部とを有してもよい。
【００１１】
これにより、クロック信号生成部は、第1の周波数及び第２の周波数のクロック信号を生成するために複数の発振器を持たなくても、基準クロック信号を異なる分周比で分周することで、クロック信号の周波数を第１の周波数から第２の周波数に切り替えられる。
【００１２】
また、前記クロック信号生成部はさらに、前記ランプ波形信号の開始から前記クロック信号のクロック数をカウントするカウンタを備え、前記切替部は、前記カウンタのカウント数が予め定められた値を超えた時点で、前記第１の分周比から前記第２の分周比に切り替えてもよい。
【００１３】
これにより、クロック信号の周波数を切り替えるタイミングを任意に設定できる、また、このタイミングによってダイナミックレンジの拡大分を変更できる。具体的には、クロック信号の周波数を切り替えるタイミングをＡＤ変換の期間中の早いタイミングにする程、より一層ダイナミックレンジを拡大できる。
【００１４】
また、前記ＡＤ変換の期間は、第１の期間と第２の期間とを含み、前記クロック信号生成部は、第１の期間において前記第１の周波数のクロック信号を生成し、第２の期間において前記第２の周波数のクロック信号を生成し、前記第１の期間は前記第２の期間以下であってもよい。
【００１５】
これにより、画素信号の電圧が低いとき、すなわち低照度時の分解能を重点的に高くできる。したがって、低照度側のＳ／Ｎをより一層向上することができる。また、画素信号の電圧が高いときの分解能は低くしておくことで、ＡＤ変換の入力レンジを広くしたままにできる。
【００１６】
また、前記ＡＤ変換部は、前記クロック信号のクロック数をカウントするカウント部と、前記ランプ波形信号が前記画素信号の電圧と一致したとき、前記カウント部のカウント値を保持するラッチ部とを備えてもよい。
【００１７】
また、本発明のデジタルカメラは、上記固体撮像装置を備える。
【００１８】
また、本発明は、固体撮像装置及びデジタルカメラとして実現できるだけでなく、ＡＤ変換方法として実現することもできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、簡易な構成でダイナミックレンジを拡大した固体撮像装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する実施の形態はあくまで一例であり、様々な改変を行うことが可能である。
【００２１】
本発明の固体撮像装置は、行列状に配置された複数の画素を有する撮像部と、前記撮像部の列毎に設けられた列信号線と、ランプ波形信号が前記列信号線からの画素信号の電圧に達するまでの時間を計数することにより、前記列信号の電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部に対して前記計数用のクロック信号を生成するクロック信号生成部とを備え、前記クロック信号生成部は、ＡＤ変換の期間中に前記クロック信号の周波数を第１の周波数から、第１の周波数よりも低い第２の周波数へ切り替える。これにより、画素信号の電圧が低いときのＡＤ変換の分解能は高くして、画素信号の電圧が高いときの分解能は低くすることができ、ダイナミックレンジを拡大できる。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態にかかる固体撮像装置の構成を示すブロック図である。同図に示す固体撮像装置Ａは、カラム型のＭＯＳイメージセンサである。具体的には、固体撮像装置Ａは、センサコア部Ｂと、デジタル信号処理部８と、垂直走査回路９と、タイミングジェネレータ１０と、参照信号生成部１１と、クロック信号生成部Ｃとを備える。
【００２３】
センサコア部Ｂは、入射した光の強さに応じたデジタル値を出力する。具体的には、センサコア部Ｂは、画素部１と、カラムアンプ２と、カラム型アナログデジタルコンバータ（以下、ＡＤ変換部）３とを備える。
【００２４】
画素部１は、マトリクス状に配置された単位画素７を備え、垂直走査回路９から出力される信号に従って、行ごとに、単位画素７での受光量に対応する信号である画素信号を単位画素７の列毎に設けられた列信号線へ出力する。この画素部１は撮像部として機能する。
【００２５】
カラムアンプ２は、各列信号線に対応する画素信号を増幅する。
【００２６】
ＡＤ変換部３は、カラムアンプ２で増幅された各画素信号をデジタル変換することで、各画素信号に応じたデジタル値を出力する。具体的には、ＡＤ変換部３は、画素信号の電圧と参照信号電圧とを比較する電圧比較部４と、電圧比較部４での比較処理と並行してカウント処理を行なうカウント部５と、電圧比較部４での比較処理が完了した時点のカウント値を保持することで画素信号の電圧のデジタル値を取得するラッチ部６とを備える。電圧比較部４は、画素信号の電圧と、参照信号生成部１１から出力される参照信号Ｖｒａｍｐの電圧とを比較し、参照信号Ｖｒａｍｐの電圧が画素信号の電圧に達したタイミングを示す信号を出力する。また、カウント部５は、参照信号Ｖｒａｍｐが発生してから参照信号Ｖｒａｍｐが画素信号の電圧に達するまでの期間を、クロック生成部１２から出力されるカウンタクロックＣＬＫＡＤに基づいてカウントする。ラッチ部６は、電圧比較部４から参照信号Ｖｒａｍｐの電圧が画素信号の電圧に達したタイミング示す信号が出力されたときのカウント部５のカウント値を保持する。つまり、ラッチ部６は、画素信号の電圧に対応するデジタル値を保持し、保持しているデジタル値であるデジタル信号をデジタル信号処理部８へ出力する。
【００２７】
デジタル信号処理部８は、デジタル信号処理部８から出力されたデジタル信号に対してデジタルゲイン演算や各種補正処理などを行い、処理後のデジタル信号を固体撮像装置Ａの外部に出力する。
【００２８】
垂直走査回路９は、画素部１に隣接して配置されており、各単位画素７で発生した電荷の蓄積時間の制御や各単位画素７における画素信号を行単位で列信号線に読み出すための行選択信号を、タイミングジェネレータ１０から出力されるパルス信号に従って、各単位画素７で発生した電荷の蓄積時間の制御や各単位画素７における画素信号を行単位で列信号線に読み出すための行選択信号を、単位画素７の各行ごとに順次出力する。例えば、垂直走査回路９は、シフトレジスタである。
【００２９】
タイミングジェネレータ１０は、各処理部の動作タイミングを制御する回路であり、外部から供給されるマスタクロックＭＣＫに同期して動作する。具体的には、タイミングジェネレータ１０は、垂直走査回路９に対して、行選択信号を出力するタイミングを制御したり、参照信号生成部１１に対して参照信号を生成させるタイミングを制御したり、クロック生成部１２に対してカウンタクロックＣＬＫＡＤの生成タイミングを制御したりする。
【００３０】
参照信号生成部１１は、タイミングジェネレータ１０から入力されるランプ用クロックＣＬＫＤＡＣに連動して動作し、ＡＤ変換用の参照信号Ｖｒａｍｐを生成する回路である。具体的には、参照信号Ｖｒａｍｐはランプ波形である。
【００３１】
クロック信号生成部Ｃは、ＡＤ変換部３に対して計数用のクロック信号であるカウンタクロックＣＬＫＡＤを生成する。具体的には、クロック信号生成部Ｃは、クロック生成部１２と、クロック制御部１３とを備える。
【００３２】
クロック生成部１２は、クロック制御部１３から入力される値に基づき、タイミングジェネレータ１０で生成されたクロックＣＬＫＩＮに同期してカウンタクロックＣＬＫＡＤを生成する。また、クロック生成部１２は、クロック制御部１３へリセット信号を出力する。クロック生成部１２の詳細な説明については、クロック制御部１３の説明と併せて後述する。
【００３３】
クロック制御部１３は、クロック生成部１２で生成されたカウンタクロックＣＬＫＡＤをカウントし、当該カウント値をクロック生成部１２に出力する。また、クロック制御部１３へは、外部から第１の周波数設定値ｆAD0、第２の周波数設定値ｆAD1及び周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０が入力される。具体的には、クロック制御部１３は、カウンタＡ１４とカウンタＢ１５とを備える。カウンタＡ１４は、クロックＣＬＫＩＮの立ち上がり及び立ち下がりに同期してカウントを１ずつインクリメントするカウンタである。カウンタＢ１５は、クロック生成部１２で生成されたカウンタクロックＣＬＫＡＤの立ち上がりに同期して、ＡＤ変換部３によるＡＤ変換のフルレンジまでカウントを１ずつインクリメントするカウンタである。クロック制御部１３は、カウンタＡ１４及びカウンタＢ１５のカウント値をクロック生成部１２へ出力する。
【００３４】
次に、クロック生成部１２が、クロック制御部１３から出力されたカウント値に基づいてカウンタクロックＣＬＫＡＤを生成する動作について説明する。
【００３５】
図２は、クロック生成部１２およびクロック制御部１３での動作を示すタイミングチャートである。ここでは、ＡＤ変換部３の出力ビット数が１２ビット（ＬＳＢ）、第１の周波数設定値ｆAD0が１、第２の周波数設定値ｆAD1が３、周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０が１０２３とする。同図においては、クロック制御部１３へ入力されるクロックＣＬＫＩＮと、カウンタＡ１４のカウント値と、クロック生成部１２から出力されるカウンタクロックＣＬＫＡＤと、カウンタＢ１５のカウント値とが示されている。
【００３６】
まず、タイミングジェネレータ１０から出力されたクロックＣＬＫＩＮの立ち上がり及び立ち下がりに同期して、カウンタＡ１４は値を1ずつインクリメントする。クロック生成部１２は、カウンタＡ１４のカウント値が第１の周波数設定値ｆAD0に達したか否かを判定する。カウンタＡ１４のカウント値が第１の周波数設定値ｆAD0に達していない場合、クロック生成部１２はカウンタクロックＣＬＫＡＤを反転せずに出力する。一方、カウンタＡ１４のカウント値が第１の周波数設定値ｆAD0に達した場合、クロック生成部１２は、次のクロックＣＬＫＩＮの立ち上がり又は立ち下がりでカウンタクロックＣＬＫＡＤの出力を反転させ、また、カウンタＡ１４のカウント値をリセットする。
【００３７】
つまり、カウンタＡ１４はカウント値が１になるまで、クロック生成部１２に入力されるＣＬＫＩＮの立ち上がり及び立ち下がりに同期して１ずつカウントを行い、カウント値が１になると０にリセットするという動作を繰り返す。また、クロック生成部１２は、カウンタＡ１４のカウント値が第１の周波数設定値ｆAD0である１に達するたびにカウンタクロックＣＬＫＡＤの出力を反転する。
【００３８】
これにより、カウンタクロックＣＬＫＡＤは、クロックＣＬＫＩＮの２倍の周期を有する信号となる。すなわち、クロック生成部１２は、カウンタＡ１４に保持された第１の周波数設定値ｆAD0の２倍の分周比でクロックＣＬＫＩＮを分周する分周器として機能する。
【００３９】
また、カウンタＢ１５は、カウンタクロックＣＬＫＡＤの立ち上がりに同期してカウントを１ずつインクリメントする。クロック生成部１２は、カウンタＢ１５のカウント値が周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０に達したか否かを判定する。カウンタＢ１５のカウント値が周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０に達していない場合、クロック生成部１２は、カウンタＡ１４のカウント値が第１の周波数設定値ｆAD0に達したか否かに基づいて、カウンタクロックＣＬＫＡＤを生成する。
【００４０】
一方、カウンタＢ１５のカウント値が周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０である１０２３に達した場合、クロック生成部１２は、次のカウンタクロックＣＬＫＡＤの立ち上がり時以降は、カウンタＡ１４のカウント値が、第２の周波数設定値ｆAD1である３に達したか否かに基づいて、カウンタクロックＣＬＫＡＤを生成する。以降は同様に、クロック生成部１２は、カウンタＡ１４のカウント値が第２の周波数設定値ｆAD1である３に達した場合、次のクロックＣＬＫＩＮの立ち上がり及び立ち下がりでカウンタクロックＣＬＫＡＤの出力を反転させ、また、カウンタＡ１４のカウント値をリセットする。
【００４１】
これにより、カウンタＢ１５のカウント値が周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０に達してからのカウンタクロックＣＬＫＡＤは、クロックＣＬＫＩＮの６倍の周期を有する信号となる。すなわち、第２の周波数設定値ｆAD1の２倍の分周比で分周された信号となる。
【００４２】
このように、クロック生成部１２は、カウンタＢ１５のカウント値が周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０を超えた時点で、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を切り替える。つまり、クロック生成部１２は、第１の分周比であるｆAD0×２から、第２の分周比であるｆAD1×２の分周比へ切り替える切替部としても機能する。したがって、クロック生成部１２は、異なる周波数のカウンタクロックＣＬＫＡＤを生成するために複数の発振器を持たなくても、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を第１の周波数から第２の周波数に切り替えられる。
【００４３】
なお、クロック生成部１２は、カウンタＢ１５のカウント値が１２ビット全て１となった場合、次のカウンタクロックＣＬＫＡＤの立ち上がりでカウンタＢ１５のカウント値をリセットする。
【００４４】
また、カウンタＡ１４およびカウンタＢ１５はこの例のように、基準とするクロックの立ち上がりまたは立ち下がりに同期してカウントを行っても良いし、基準とするクロックの立ち上がりと立ち下がり両方に同期してカウントを行っても良い。
【００４５】
次に、ＡＤ変換部３に入力される列信号線に対応する画素信号の電圧の検出について説明する。
【００４６】
図３は、ＡＤ変換部３に入力されるカウンタクロックＣＬＫＡＤが一定の周波数の場合における、画素信号の電圧レベルの検出を示すタイミングチャートである。同図においては、電圧比較部４へ入力される画素信号と、電圧比較部へ入力される参照信号Ｖｒａｍｐと、カウント部５に入力されるカウンタクロックＣＬＫＡＤのタイミングとが示されている。
【００４７】
電圧比較部４は、ランプ状に変化する参照信号Ｖｒａｍｐの電圧と画素信号の電圧とを逐次比較する。また、カウント部５ではカウンタクロックＣＬＫＡＤに基づきカウント動作を行う。ラッチ部６は、参照信号Ｖｒａｍｐの電圧と画素信号の電圧とが一致したときにカウント部５でカウントされていたカウント値を保持し、保持しているカウント値をデジタルデータとしてデジタル信号処理部８へ出力する。
【００４８】
このように、ＡＤ変換部３は、参照信号Ｖｒａｍｐの電圧と画素信号の電圧とを比較し、参照信号Ｖｒａｍｐの電圧が画素信号の電圧に達したときのカウント部５のカウント値を画素信号の電圧に対応するデジタルデータとして取り出すことで、ＡＤ変換を行うものである。
【００４９】
次に、ＡＤ変換部３に入力されるカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数がＡＤ変換の期間中に切り替わる場合の、画素信号の電圧の検出について説明する。
【００５０】
図４は、ＡＤ変換部３に入力されるカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が切り替わる場合における、画素信号の電圧レベルの検出を示すタイミングチャートである。同図は、図３と比較して、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が、周波数切替時の前後で異なっている。例えば、周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０が１０２３である場合、カウンタＢ１５のカウント値が１０２３に達した次のカウンタクロックＣＬＫＡＤの立ち上がりから、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が低くなる。
【００５１】
参照信号Ｖｒａｍｐは、時刻に対して一定の割合で電圧が増加する波形であるので、時間変化が短いほど、対応する電圧変化も小さい。また、カウンタＡ１４の最大カウント値が第１の周波数設定値ｆAD0の期間は、カウンタＡ１４の最大カウント値が第２の周波数設定値ｆAD1の期間と比較して、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周期が短い。したがって、カウンタＢ１５のカウント値が周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０を超えるまでの期間の電圧の分解能と、超えてからの電圧の分解能とを比較すると、周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０を超えるまでの分解能の方が超えてからの分解能より高いことがわかる。
【００５２】
このように、本発明の固体撮像装置Ａは、カウント部５に入力するカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を変更することで画素信号の分解能を異ならせてＡＤ変換することができる。カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が高いほど、変換対象の電圧範囲内の信号を細かくＡＤ変換することができ、分解能を高くしてＡＤ変換を行うことができる。
【００５３】
次に、本発明の固体撮像装置Ａにおけるダイナミックレンジの拡大について説明する。
【００５４】
図５は、ＡＤ変換部３に入力されるカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を変更することよるダイナミックレンジの拡大を示すグラフである。図５（ａ）は、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が単一である場合と、途中で変更した場合の、ＡＤ変換可能な電圧範囲を示すグラフである。図５（ａ）において、単一周波数の場合のカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数は、周波数を切り替えた場合における切り替え前の周波数、すなわち第１の周波数設定値ｆAD0によって決定される周波数と同一である。
【００５５】
図５（ａ）の横軸には、カウンタクロックＣＬＫＡＤが単一周波数の場合、及び、途中で切り替えられた場合の、カウンタクロックＣＬＫＡＤのタイミングと、対応するカウンタＢ１５のカウント値とが示されている。ＡＤＣｆｕｌｌは、カウンタＢ１５が飽和したときのカウント値である。例えば、カウンタＢ１５が１２ｂｉｔのカウンタの場合、ＡＤＣｆｕｌｌは４０９５である。
【００５６】
また、縦軸には、カウント値に対応する参照信号Ｖｒａｍｐの電圧が示されている。ここで、Ｖｒ１は、カウンタクロックＣＬＫＡＤが単一周波数である場合に、カウンタＢ１５のカウント値がＡＤＣｆｕｌｌになったときの電圧である。また、Ｖｒ２は、カウンタクロックＣＬＫＡＤが途中で切り替わる場合に、カウンタＢ１５のカウント値がＡＤＣｆｕｌｌになったときの電圧である。
【００５７】
同図に示すように、カウンタクロックＣＬＫＡＤが単一の周波数である場合の飽和レベル電圧Ｖｒ１と比較して、途中で周波数を低い周波数に切り替えた場合の飽和レベル電圧Ｖｒ２の方が高くなる。これは、周波数を途中で低い周波数に切り替えることにより、切り替え以降のカウント値に要する期間が伸び、その延長期間に対応した参照信号Ｖｒａｍｐ分だけＡＤ変換できる電圧が増加するからである。
【００５８】
図５（ｂ）は、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波を切り替えた場合の、入射光量に対するＡＤ変換後の値を示すグラフである。同図の横軸には、単位画素７に入射する光量である入射光量が示され、縦軸には、カウンタＢ１５のカウント値が示されている。
【００５９】
カウンタクロックＣＬＫＡＤが単一の周波数の場合、ＡＤ変換部３の分解能は常に一定である。これに対しカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を切り替えた場合、ＡＤ変換部３の分解能はカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数の切り替え前後で異なる。
【００６０】
なぜなら、例えば第２の周波数設定値ｆＡＤ１が第１の周波数設定値ｆＡＤ０の２倍を意味する値（例えば、ｆＡＤ０が１、ｆＡＤ１が３）の場合、ｆＡＤ１を基に生成されたカウンタクロックＣＬＫＡＤは、ｆＡＤ０を基に生成されたカウンタクロックＣＬＫＡＤの２倍の周期となる。したがって、カウンタＢ１５のカウント値が周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０を超えて、クロック生成部１２がカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を切り替えた後のＡＤ変換の分解能は、切り替え前の分解能と比較して１／２となる。つまり、切り替え後は、入射光量に対する出力信号のゲインが１／２となる。
【００６１】
これにより、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を途中で切り替えてＡＤ変換を行った場合のダイナミックレンジは、一定のカウンタクロックＣＬＫＡＤでＡＤ変換を行った場合と比較して、ＤＲ０からＤＲ１まで拡大することができる。このダイナミックレンジの差分（ＤＲ１−ＤＲ０）は、一定のカウンタクロックＣＬＫＡＤでＡＤ変換を行った場合のＡＤ変換のフルレンジに対応する入射光量と、周波数を切り替えた時点のＡＤ変換の出力信号に対応する入射光量との差分を、切り替え前の分解能と比較した切り替え後の分解能の割合で除した値である。
【００６２】
例えば、カウンタＢ１５が１２ビット（０〜４０９５）のカウンタで、ＡＤＣｎｔ０が１０２３、ｆＡＤ０が１、ｆＡＤ１が３の場合、周波数を切り替えることなく、ｆＡＤ０が１の場合におけるカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数と同一の周波数でＡＤ変換を行った場合と比較して、ダイナミックレンジは７／４倍となる。
【００６３】
このように、周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０の値をカウンタＢ１５のレンジ内の任意の値に設定することで、クロック生成部１２がカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を切り替えるタイミングを任意に変更できる。また、この周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０の値によってダイナミックレンジの拡大分を変更できる。具体的には、周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ０を小さい値にする程、より一層ダイナミックレンジを拡大できる。
【００６４】
以上のように、本発明の固体撮像装置Ａは、ＡＤ変換の分解能をカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数の切り替えの前後で変更できる。したがって、画素信号の電圧が低いときの分解能は高くして、画素信号の電圧が高いときの分解能は低くすることができ、ダイナミックレンジを拡大し、より強い入射光まで扱える。
【００６５】
なお、クロック生成部１２は、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を複数回切り替えてもよい。図６は、ＡＤ変換部３に入力されるカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が複数回切り替えられた場合のダイナミックレンジの拡大を示すグラフである。
【００６６】
例えば、図６（ａ）に示すように第１の周波数設定値ｆＡＤ２、第２の周波数設定値ｆＡＤ３及び第３の周波数設定値ｆＡＤ４と、第１の周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ１及び第２の周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ２のように、複数の周波数設定値と周波数切り替え値を設定する。これにより、図６（ｂ）に示すように分解能は複数回、変化する。
【００６７】
カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を複数回切り替える場合、クロックＣＬＫＩＮの立ち上がり及び立ち下がりに同期してカウントを行うカウンタＡ１４は、カウンタクロックＣＬＫＡＤの立ち上がりに同期してカウントを行うカウンタＢ１５のカウント値が、第１の周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ１に達するまではｆＡＤ２までカウントを繰り返し、クロック生成部１２はｆＡＤ２に対応した周期のカウンタクロックＣＬＫＡＤを生成する。同様にカウンタＢ１５が第２の周波数切り替え値ＡＤＣｎｔ２に達するまでは、カウンタＡ１４は、第２の周波数設定値ｆＡＤ３までカウントを繰り返し、クロック生成部１２はｆＡＤ３に対応した周期のカウンタクロックＣＬＫＡＤを生成するという動作を順次行う。
【００６８】
ここで、ｆＡＤ４＞ｆＡＤ３＞ｆＡＤ２と設定しておけば、図６（ｂ）に示すように低照度側に比べて高照度側のＡＤ変換分解能を一層粗くすることができる。これにより、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を途中で複数回切り替えた場合のダイナミックレンジは、一定のカウンタクロックＣＬＫＡＤでＡＤ変換を行った場合と比較して、ＤＲ２からＤＲ３まで拡大することができる。
【００６９】
また、周波数設定値および周波数切り替え値はさらに複数個設定することができ、順次設定値を大きくしていくことで低照度側に比べて高照度側のＡＤ変換分解能を粗くしていくことができ、より一層ダイナミックレンジの拡大を図れる。
【００７０】
一般に、デジタルカメラなどの撮像装置における信号処理では、ガンマ補正やニー補正といった処理を行い、取得した画像信号に対して信号レベルが低中照度の信号を増幅し、高照度の信号を圧縮する処理を行う。このような処理を行う場合、信号レベルが低中照度の信号の分解能を高くすることで後段の信号処理で増幅される領域の信号成分においてＳ／Ｎを改善でき画質を向上することができる。
【００７１】
また、クロック制御部１３は、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が途中で切り替わった場合、切り替え前後の周波数に応じて参照信号Ｖｒａｍｐの期間を変更する。具体的には、クロック生成部１２は、出力しているカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を示す情報をクロック制御部１３へ出力する。クロック制御部１３は、クロック生成部１２から出力されたカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を示す情報を元に、カウンタＢ１５のカウント値が飽和するタイミングまで参照信号Ｖｒａｍｐを出力できるようにする。
【００７２】
また、上記実施の形態の図５では、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が一定である場合の周波数と、第１の周波数設定値ｆＡＤ０に対応するカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数とが同じである場合について、ダイナミックレンジの拡大について説明したが、第１の周波数設定値ｆＡＤ０に対応するカウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数は、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が一定である場合の周波数よりも高い周波数であってもよい。この場合、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が一定の場合の分解能と比較して、低照度側の分解能をより一層高くすることができる。
【００７３】
これにより、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が一定の場合のダイナミックレンジと比較して、ダイナミックレンジを低照度側へ拡大できる。
【００７４】
また、本発明の固体撮像装置Ａにおいて、ＡＤ変換の期間は、第１の期間と第２の期間とを含み、クロック生成部１２は、第１の期間において第１の周波数のカウンタクロックＣＬＫＡＤを生成し、第２の期間において第１の周波数よりも低い第２の周波数のカウンタクロックＣＬＫＡＤを生成し、第１の期間は第２の期間以下としてもよい。
【００７５】
これにより、画素信号の電圧が低いときの分解能を重点的に高くすることで、低照度側の信号成分を増幅することができ、低照度側のＳ／Ｎを向上することができる。また、画素信号の電圧が高いときの分解能は低くしておくことで、ＡＤ変換の入力レンジを広くしたままにできる。
【００７６】
また、本発明の固体撮像装置Ａにおいて、ＡＤ変換部３はカウント部５を備えていたが、ＡＤ変換部３はカウント部５を備えなくてもよい。このとき、ラッチ部６は、電圧比較部４から参照信号Ｖｒａｍｐの電圧が画素信号の電圧に達したタイミング示す信号が出力されたときのカウンタＢ１５のカウント値を保持する。これにより、ＡＤ変換部３の構成が簡素化でき、固体撮像装置のサイズを小さくできる。
【００７７】
また、上記実施の形態においては、クロック生成部１２は、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を、画素信号の低照度側で高く、画素信号の高照度側で低くしていたが、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数はこれに限らなくてよい。例えば、画素信号の高照度側で高く、画素信号の低照度側で低くしてもよい。また、例えば、画素信号の任意の照度範囲において、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を高くしてもよい。
【００７８】
これにより、画素信号の任意の照度範囲において、信号成分をより増幅することができ、Ｓ／Ｎを向上することができる。また、任意の照度範囲外においては、カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数を低くして分解能を低くすることで、ダイナミックレンジを広くしたままにできる。
【００７９】
また、本発明は、固体撮像装置として実現できるだけでなく、固体撮像装置を制御するＡＤ変換方法として実現することもできる。
【００８０】
（デジタルカメラの構成）
また、本発明の固体撮像装置Ａが内蔵された各種電子機器も本発明に含まれるのは言うまでもない。図７は、上述の固体撮像装置Ａを用いたデジタルカメラの概略構成を示す図である。
【００８１】
図７に示すようにデジタルカメラＤは、被写体の光学像を撮像素子上に結像させるレンズ１６と、レンズ１６を通過した光学像の光学処理を行う絞りやミラーやシャッタなどの光学系１７と、ＭＯＳ型の固体撮像装置Ａと、固体撮像装置Ａの駆動制御や固体撮像装置Ａから取得した画像信号の処理を行うＤＳＰ１８と、モニタなどの表示装置に取得した画像を映し出す表示部１９と、所定の記録メディアに画像を記録する記録部２０などを備える。
【００８２】
被写体からの光学像はレンズ１６および光学系１７内の絞りにより適度な明るさに調整されて固体撮像装置Ａに入射する。このとき、レンズ１６は、被写体からの光学像が、固体撮像装置Ａが含む画素部１上で結像されるように焦点位置を調整する。ＤＳＰ１８から固体撮像装置ＡへはシリアルＩ／Ｆなどの通信手段により駆動制御が行われ、固体撮像装置Ａ内のクロック制御部１３への周波数設定値や周波数切り替え値の設定もこの通信手段を用いて行うことができる。ＤＳＰ１８では固体撮像装置Ａから受け取った画像信号に対して、ガンマ補正やニー補正、ホワイトバランス、ノイズリダクションなどの各種補正処理やＹＣ処理、画像圧縮処理などを行って表示部１９や記録部２０に画像信号を出力する。
【００８３】
このようなデジタルカメラＤによれば、本発明の固体撮像装置Ａによってダイナミックレンジを拡大することができ、低照度側のＳ／Ｎを改善することができ、画質の向上を図ることができる。また固体撮像装置Ａのチップ面積の増大を抑制できることからコンパクトなデジタルカメラを実現でき、例えば、図８（ａ）に示されるデジタルスチルカメラや図８（ｂ）に示されるビデオカメラとして実現される。なお、図８では固体撮像装置Ａ、ＤＳＰ１８及び記録部２０のそれぞれを、適宜組み合わせてワンチップ化することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明にかかる固体撮像装置は、簡易な構成で大光量が入射した場合でも飽和が生じにくい高ダイナミックレンジな固体撮像装置を実現でき、例えば、屋内、屋外と光量が大きく変化する撮影条件下に最適なデジタルカメラのほか、カメラ付携帯電話、監視カメラなどさまざまな固体撮像装置を用いたカメラシステムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施の形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】クロック生成部１２およびクロック制御部１３での動作を示すタイミングチャートである。
【図３】ＡＤ変換部に入力されるカウンタクロックＣＬＫＡＤが一定の周波数である場合における、画素信号の電圧レベルの検出を示すタイミングチャートである。
【図４】カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が切り替わる場合における、画素信号の電圧レベルの検出を示すタイミングチャートである。
【図５】カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数の切り替えによるダイナミックレンジの拡大を示すグラフである。
【図６】カウンタクロックＣＬＫＡＤの周波数が複数回切り替えられた場合のダイナミックレンジの拡大を示すグラフである。
【図７】本発明の固体撮像装置が内蔵されたカメラの機能ブロック図である。
【図８】同カメラの例を示す概観図である。
【符号の説明】
【００８６】
Ａ    固体撮像装置
Ｂ    センサコア部
Ｃ    クロック信号生成部
Ｄ    デジタルカメラ
１    画素部
２    カラムアンプ
３    ＡＤ変換部
４    電圧比較部
５    カウント部
６    ラッチ部
７    単位画素
８    デジタル信号処理部
９    垂直走査回路
１０  タイミングジェネレータ
１１  参照信号生成部
１２  クロック生成部
１３  クロック制御部
１４  カウンタＡ
１５  カウンタＢ
１６    レンズ
１７    光学系
１８    ＤＳＰ
１９    表示部
２０    記録部
【図１】
2010154372.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010154372.tif 000007
【図６】
2010154372.tif 000008
【図７】
2010154372.tif 000009
【図８】
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