(57)【要約】  イメージセンサにおけるカラムＡＤＣを構成するＡＤ変換器（２０）は、画素部からの出力電圧が入力されるオーバーサンプリング型ＡＤ変換器（２１）と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器（２１）のアナログ残差信号が入力される巡回型ＡＤ変換器（２２）と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器（２１）から出力されるデジタル信号および巡回型ＡＤ変換器（２２）から出力されるデジタル信号を加算するカウンタ（２３）とを有する。コントローラ（５２）は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器（２１）および巡回型ＡＤ変換器（２２）の合計ビット数を一定に保ちつつオーバーサンプリング型ＡＤ変換器（２１）および巡回型ＡＤ変換器（２２）のビット数を動的に割り当てるように構成されている。
2016147523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子がマトリクス状に配列された画素アレイと、
複数のＡＤ変換器を有し、前記画素アレイの画素１行分に相当する出力電圧が入力されるカラムＡＤ変換器と、
前記複数のＡＤ変換器を制御するコントローラと、を備え、
前記ＡＤ変換器は、前記画素アレイからの出力電圧が入力されるオーバーサンプリング型ＡＤ変換器と、前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器のアナログ残差信号が入力される巡回型ＡＤ変換器と、前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器から出力されるデジタル信号および前記巡回型ＡＤ変換器から出力されるデジタル信号を加算するカウンタと、を有し、
前記コントローラは、前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器の合計ビット数を一定に保ちつつ前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のビット数を動的に割り当てるように構成されている、
ことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記コントローラは、前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のそれぞれに割り当てるべきビット数に応じて、これらＡＤ変換器に供給される動作クロック信号のパルス数を調整するように構成されている、
請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
撮影光学系と、
前記撮影光学系によって結像された被写体像を受像する請求項１に記載のイメージセンサと、
を備える撮像装置。
【請求項４】
前記コントローラが、被写体画像の動きの程度に応じて前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のビット数を割り当てる、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記コントローラが、被写体画像の明るさに応じて前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のビット数を割り当てる、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記コントローラが、被写体画像に所定の対象物が含まれるか否かに応じて前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のビット数を割り当てる、
請求項３に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、被写体を撮像するイメージセンサおよびそれを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサは、被写体像（光）を電気信号に変換する光電変換素子から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器を有する。このＡＤ変換器の性能の善し悪しによってイメージセンサによる撮像画像の画質は大きく変わる。したがって、わずかな光でも高感度に検出できるようにするために、イメージセンサに実装されるＡＤ変換器には高精度化が求められる。【０００３】
特許文献１は、上位ビットのデジタル信号を生成するデルタシグマ変換器と下位ビットのデジタル信号を生成する巡回型ＡＤ変換器を組み合わせて、全体として高精度なアナログ−デジタル変換が可能なＡＤ変換器を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２０１４／１４１３５０
【発明の概要】
【０００５】
本開示におけるイメージセンサは、複数の光電変換素子がマトリクス状に配列された画素アレイと、複数のＡＤ変換器を有し、画素アレイの画素１行分に相当する出力電圧が入力されるカラムＡＤ変換器と、複数のＡＤ変換器を制御するコントローラと、を備える。ＡＤ変換器は、画素アレイからの出力電圧が入力されるオーバーサンプリング型ＡＤ変換器と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器のアナログ残差信号が入力される巡回型ＡＤ変換器と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器から出力されるデジタル信号および巡回型ＡＤ変換器から出力されるデジタル信号を加算するカウンタと、を有する。コントローラは、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および巡回型ＡＤ変換器の合計ビット数を一定に保ちつつオーバーサンプリング型ＡＤ変換器および巡回型ＡＤ変換器のビット数を動的に割り当てるように構成されている。
【０００６】
この構成により、ＡＤ変換器のビット数をいたずらに増やすことなくＳＮ比を向上し、高フレームレート化も可能にするイメージセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施の形態１に係るイメージセンサの外観の一例を示す模式図である。
【図２】図２は、図１のイメージセンサの機能構成を表すブロック図である。
【図３】図３は、カラムＡＤＣを構成するＡＤ変換器の概略構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、オーバーサンプリングモード時のＡＤ変換器の概略構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、巡回型変換モード時のＡＤ変換器の概略構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る監視カメラの外観図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る監視カメラの撮像動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図８】図８は、実施の形態２に係る監視カメラの撮像動作の別例を説明するためのフローチャートである。
【図９】図９は、実施の形態２に係る監視カメラの撮像動作のさらに別例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】
【０００８】
（本発明の基礎となった知見）
監視カメラや車載カメラなどに用いられるイメージセンサには極端な環境で特定の情報を収集する機能が必要である。例えば、暗い環境でも、人間の顔や文字などがしっかりと認識できるような鮮明な被写体画像を記録できることが求められる。また、動きの速い物体については、その運動方向や外形などが認識できるようにモーションブラーが少ない被写体画像を記録できることが求められる。
【０００９】
被写体画像の鮮明さを向上するには、画像の階調数、すなわち、イメージセンサにおけるＡＤ変換器のデジタル出力信号のビット数を増やすか、または、出力デジタル信号のノイズを減らすという二つの方法がある。また、モーションブラーを抑制するにはフレームレートを高くする必要がある。
【００１０】
画像の階調数を増やすには、ＡＤ変換器に用いられるカウンタのビット幅および出力デジタル信号を転送する転送回路のビット幅をいずれも増やす必要があるが、それでは回路構成が複雑になり、コストも増加するという問題がある。一方、出力デジタル信号のノイズを減らすには、オーバーサンプリングでＡＤ変換を行うことが有効であるが、そのような変換は比較的低速であるため、フレームレートを向上させにくいという問題がある。
【００１１】
以上のことから、監視カメラや車載カメラなどに用いられるイメージセンサには、ＡＤ変換器のビット数をいたずらに増やすことなくＳＮ比を向上し、高フレームレート化も可能にするという課題がある。
【００１２】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１３】
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００１４】
（実施の形態１）
以下、図１〜図５を用いて、実施の形態１を説明する。
【００１５】
［１−１．構成］
［１−１−１．イメージセンサの構成］
図１は、イメージセンサの外観の一例を示す模式図である。図２は、図１のイメージセンサの機能構成を表すブロック図である。
【００１６】
図１および図２に示されるイメージセンサ１０１は、画素部（画素アレイ）１０２と、行セレクタ１０３と、カラムＡＤＣ（カラムＡＤ変換器）１０４と、パラレル・シリアル変換部１０５とを備える。なお、図１では、周辺回路１０６内にパラレル・シリアル変換部１０５があるものとする。
【００１７】
［１−１−２．ＡＤ変換器の構成］
図３は、カラムＡＤＣ１０４を構成するＡＤ変換器の概略構成を示すブロック図である。
【００１８】
ＡＤ変換器２０は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１と、巡回型ＡＤ変換器２２と、カウンタ２３とを備える。また、図１に示した周辺回路１０６内に、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２を制御するコントローラ５２がある。ＡＤ変換器２０は、オーバーサンプリングモードおよび巡回型変換モードを有し、コントローラ５２が、モード切り替えを行う。ＡＤ変換器２０は、入力アナログ信号Ａｉｎ（ここでは画素部１０２からの出力電圧）をＡＤ変換して、ｎビットのデジタル信号Ｄｏｕｔを出力する。
【００１９】
オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１は、入力アナログ信号Ａｉｎを受けて上位ｍ（ｍは０以上、ｎ以下の整数）ビットのデジタル信号を生成する。オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１は、ナイキスト周波数よりも高い周波数で入力信号のサンプリングを行う。そのため、量子化ノイズが高周波領域に形成されて（ノイズシェーピング）、所望帯域におけるノイズを大幅に低減できるといった特徴を有する。したがって、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１は、撮像画像のＳＮ比を向上させるのに好適である。
【００２０】
巡回型ＡＤ変換器２２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のアナログ残差信号を受けて下位（ｎ−ｍ）ビットのデジタル信号を生成する。巡回型ＡＤ変換器２２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１と比較して、ノイズ低減効果はあまりないもののＡＤ変換速度が速いといった特徴を有する。例えば、Ｎビットのデジタル信号を生成するのに、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１は√（２Ｎ＋１）クロックサイクル必要である。これに対して巡回型ＡＤ変換器２２は、Ｎ＋１クロックサイクルで済む。したがって、巡回型ＡＤ変換器２２は、撮像画像のフレームレートを向上させるのに好適である。
【００２１】
なお、後述するように、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２の構成要素の多くは、共通化することができる。
【００２２】
カウンタ２３は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１から出力される上位ｍビットのデジタル信号と巡回型ＡＤ変換器２２から出力される下位（ｎ−ｍ）ビットのデジタル信号とを加算してｎビットのデジタル信号Ｄｏｕｔを出力する。
【００２３】
コントローラ５２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２の合計ビット数（ｎビット）を一定に保ちつつ、外部から与えられるビット数割り当て指示に従って、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を動的に割り当てるように構成されている。したがって、図３に示した構成において、ｎは固定値であり、ｍは可変値である。
【００２４】
［１−２．動作］
［１−２−１．イメージセンサの動作］
以上のように構成されたイメージセンサ１０１について、その動作を以下説明する。
【００２５】
まず、光が画素部１０２においてマトリクス状に配列された複数の光電変換素子（例えばフォトダイオード）に入力され、対応する電圧が行セレクタ１０３に出力される。
【００２６】
次に、行セレクタ１０３から、画素部１０２の画素１行分に相当する出力電圧がカラムＡＤＣ１０４に出力される。カラムＡＤＣ１０４は、複数のＡＤ変換器から構成され、上記出力電圧をアナログ−デジタル変換し、デジタルデータを出力する。出力されたデジタルデータは、パラレル・シリアル変換部１０５によって変換され、イメージセンサ１０１の外部に出力される。
【００２７】
［１−２−２．ＡＤ変換器の動作］
次に、ＡＤ変換器２０について、その動作を以下説明する。
【００２８】
図４は、オーバーサンプリングモード時のＡＤ変換器２０の概略構成を示すブロック図である。図５は、巡回型変換モード時のＡＤ変換器２０の概略構成を示すブロック図である。図４および図５に示したＡＤ変換器２０は、回路構成は同じであり、スイッチの接続状態が異なるのみである。
【００２９】
ＡＤ変換器２０は、スイッチ１５〜１９、減算器３１、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路３２、増幅器３３、３８、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４、３９、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５を備える。
【００３０】
また、図１に示した周辺回路１０６内に、制御（サイクル）カウンタ５１、コントローラ５２、シフトレジスタ５６、デジタル累積回路５７を備える。
【００３１】
図４および図５において、制御（サイクル）カウンタ５１は、変換開始から、外部から与えられるクロック（不図示）のサイクル数をカウントする。コントローラ５２は、サイクルカウンタ５１のカウント出力および外部から与えられるビット数割り当て指示に基づき、ＡＤ変換器２０の各構成の制御を行う。コントローラ５２は、オーバーサンプリングモードおよび巡回型変換モードに切り替えられて変換が行われる。
【００３２】
《オーバーサンプリングモード》
ＡＤ変換器２０は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てられたビット数がゼロでなければ、すなわち、ｍ＞０であれば、以下に説明するオーバーサンプリングモードで動作する。
【００３３】
図４に示したように、オーバーサンプリングモードでは、スイッチ１５は、入力端子１に接続され、入力端子１のアナログ入力信号Ａｉｎが減算器３１に与えられる。減算器３１の出力信号は、サンプルホールド回路３２に与えられ、サンプルホールド回路３２によって保持される。保持された信号は、スイッチ１６を介して増幅器３３に与えられ、１倍ゲインで増幅される。なお、増幅器３３から出力された信号は、減算器３１にフィードバックされることで、アナログ累積回路４０において、１倍ゲインのアナログ累積回路を構成している。
【００３４】
増幅器３３の出力信号は、スイッチ１７とスイッチ１８とを介して、１ビットのＡＤ変換を行うＳｕｂ−ＡＤ変換器３４に与えられる。Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４は、「＋１」または「−１」を表す２値（１ビット）のデジタル信号を出力する。
【００３５】
Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４の出力デジタル信号は、スイッチ１９を介して、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５に与えられる。Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５は、入力された１ビットデジタル信号に応じて、参照電圧「＋Ｖｒｅｆ」または「−Ｖｒｅｆ」を出力する。なお、１回目の入力時においては、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５の出力は「０」にリセットされている。
【００３６】
Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５の出力は、減算器３１に与えられ、アナログ入力信号Ａｉｎとの差分を求めた差分信号が、減算器３１から出力される。
【００３７】
このようにして、減算器３１、サンプルホールド回路３２、増幅器３３、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５によって、デルタシグマ変調の閉ループが形成される。
【００３８】
シフトレジスタ５６は、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４の出力デジタル信号を、外部から与えるクロック信号（不図示）に同期して、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てられたビット数ｍ−１だけ、ＭＳＢからＬＳＢに向けてシフト（右シフト）する。デジタル累積回路５７は、シフトレジスタ５６の出力デジタル信号を積分する。なお、シフトレジスタ５６およびデジタル累積回路５７は、図３に示したカウンタ２３の構成要素である。
【００３９】
オーバーサンプリングモードでは、以上の動作を１サイクルとして、２ｍのサイクルを繰り返して上位ｍビットのデジタル信号が生成される。
【００４０】
《巡回型変換モード》
ＡＤ変換器２０は、巡回型ＡＤ変換器２２に割り当てられたビット数がゼロでなければ、すなわちｍ＜ｎであれば、上記のオーバーサンプリングモードでの動作後に、以下に説明する巡回型変換モードで動作する。または、ＡＤ変換器２０は、巡回型ＡＤ変換器２２に全ビット（ｎビット）が割り当てられれば、上記のオーバーサンプリングモードで動作することなく巡回型変換モードのみで動作する。
【００４１】
図５に示したように、巡回型変換モードでは、スイッチ１５は、入力端子１０に接続される。入力端子１０の入力信号は、ゼロであるので、サンプルホールド回路３２は、増幅器３８の出力とＳｕｂ−ＤＡ変換器３５の出力との差分を保持する。保持された信号は、スイッチ１６を介して増幅器３８に与えられ、２倍ゲインで増幅される。なお、増幅器３８から出力された信号は、減算器３１にフィードバックされることで、アナログ累積回路４０において、２倍ゲインのアナログ累積回路を構成している。
【００４２】
このように、オーバーサンプリングモードでの動作後に入力端子１０の入力信号をゼロにすることにより、実質的に巡回型ＡＤ変換器２２にオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のアナログ残差信号が入力されることとなる。
【００４３】
増幅器３８の出力信号は、スイッチ１７とスイッチ１８とを介して、１．５ビットのＡＤ変換を行うＳｕｂ−ＡＤ変換器３９に与えられる。Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３９は、「＋１」または「０」または「−１」を表す３値（１．５ビット）のデジタル信号を出力する。
【００４４】
Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３９の出力デジタル信号は、スイッチ１９を介して、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５に与えられる。Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５は、入力された１．５ビットデジタル信号に応じて、参照電圧「＋Ｖｒｅｆ」または「０」または「−Ｖｒｅｆ」を出力する。
【００４５】
このようにして、減算器３１、サンプルホールド回路３２、増幅器３８、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３９、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５によって、２倍ゲインの巡回型変換モードの閉ループが形成される。
【００４６】
シフトレジスタ５６は、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３９の出力デジタル信号を、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てられたビット数ｍ−１に巡回型変換モードの現在のサイクル数を加算した数だけ右シフトする。デジタル累積回路５７は、シフトレジスタ５６の出力デジタル信号を積分する。
【００４７】
巡回型変換モードでは、以上の動作を１サイクルとして、ｎ−ｍサイクル繰り返して下位（ｎ−ｍ）ビットのデジタル信号が生成される。
【００４８】
上記のオーバーサンプリングモードおよび巡回型変換モードでの動作が終了した時点で、出力端子１００からｎビットデジタル信号が出力される。出力されたｎビットデジタル信号はメモリ（不図示）に一時的に保存される。そして、シフトレジスタ（不図示）が各メモリに保存されたｎビットデジタル信号をシフトしてパラレル・シリアル変換部１０５に入力し、パラレル・シリアル変換部１０５によってシリアルデータに変換されてイメージセンサ１０１の外部に出力される。
【００４９】
［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、イメージセンサ１０１は、画素部１０２と、カラムＡＤＣ１０４と、コントローラ５２と、を備える。カラムＡＤＣ１０４を構成するＡＤ変換器２０は、画素部１０２からの出力電圧が入力されるオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のアナログ残差信号が入力される巡回型ＡＤ変換器２２と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１から出力されるデジタル信号および巡回型ＡＤ変換器２２から出力されるデジタル信号を加算するカウンタ２３と、を有する。そして、コントローラ５２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２の合計ビット数を一定に保ちつつオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を動的に割り当てるように構成されている。
【００５０】
これにより、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てるビット数を増やすことでＡＤ変換におけるＳＮ比を高めて撮像画像の画質を向上させることができる。また、巡回型ＡＤ変換器２２に割り当てるビット数を増やすことで高速なＡＤ変換を実現してフレームレートを向上させることができる。すなわち、ＡＤ変換器２０のビット数をいたずらに増やすことなくＳＮ比を向上し、また、高フレームレート化も可能にすることができる。
【００５１】
（実施の形態２）
以下、図６〜図９を用いて、実施の形態２を説明する。
【００５２】
［２−１．構成］
図６は、実施の形態２に係る監視カメラ２００の外観図である。図６に示すように、監視カメラ２００は、交換レンズ（撮像光学系）２０１と、交換レンズ２０１を装着可能なカメラボディ２０２とからなる。交換レンズ２０１は、不図示のバリフォーカルレンズ（可変焦点レンズ）およびオートフォーカス用のアクチュエータなどを含んで構成される。カメラボディ２０２は、実施の形態１に係るイメージセンサ１０１を内蔵している。また、カメラボディ２０２は、電源装置、画像データの圧縮符号化処理やノイズリダクション処理などを行う図略のプロセッサ、ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネットなどのネットワークに接続するための通信デバイスなどを搭載している。
【００５３】
［２−２．動作］
以上のように構成された監視カメラ２００について、その動作を以下説明する。監視カメラ２００は、例えば屋内の天井や壁などに取り付けられて屋内の監視用に使用される。交換レンズ２０１は、被写体に自動で焦点を合わせて被写体からの光を集光してイメージセンサ１０１に結像する。イメージセンサ１０１は、結像された被写体像を受像し、当該被写体像を光電変換して画像データを生成する。画像データは、カメラボディ２０２内のプロセッサで処理され、通信デバイスを介してサーバー（不図示）に送信される。
【００５４】
イメージセンサ１０１は、表１に示す撮像モードを有する。画質最優先モードは、フレームレートが低く高速撮像ができない代わりにＳＮ比が高いためより鮮明な被写体画像を得ることができるモードである。一方、フレームレート最優先モードは、ＳＮ比が低いため被写体画像の鮮明さは劣るが、その代わりにフレームレートが高いため高速撮像ができるモードである。画質やや優先モードおよびフレームレートやや優先モードは、ＳＮ比およびフレームレートのバランスが取れたモードである。
【００５５】
【表１】
2016147523.tif 000003
【００５６】
表１に示すように、各撮像モードとイメージセンサ１０１のコントローラ５２に与えられるビット数割り当て指示は一対一に対応している。例えば、撮像モードが画質やや優先の場合、コントローラ５２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のビット数を「８」にし、巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を「４」にするようなビット数割り当て指示を受ける。また、例えば、撮像モードがフレームレートやや優先の場合、コントローラ５２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のビット数を「４」にし、巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を「８」にするようなビット数割り当て指示を受ける。カメラボディ２０２内のプロセッサまたはネットワークに接続されたサーバーは、イメージセンサ１０１によって撮像された被写体画像を解析して撮像モードを適宜選択し、コントローラ５２に上述のようなビット数割り当て指示を出すことができる。
【００５７】
なお、ＡＤ変換器２０の全体のビット数は固定値であるため、ビット数割り当て指示は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てるビット数および巡回型ＡＤ変換器２２に割り当てるビット数のいずれか一方を指示すればよい。あるいは、単に撮像モードを指示することで、コントローラ５２が指示された撮像モードに対応したビット数割り当てを行ってもよい。
【００５８】
図７は、監視カメラ２００の撮像動作の一例を説明するためのフローチャートである。例えば、被写体画像の動きに基づいて撮像モードを選択することができる。
【００５９】
まず、上記プロセッサまたはサーバーは、直近の数フレームから被写体画像の動きを計算する（Ｓ１１）。例えば、監視カメラ２００がＨ．２６４などの動画像記録機能を有していれば、動画像データの生成過程で生成される動きベクトルを利用して被写体画像の動きが計算することができる。また、監視カメラ２００が動画像記録機能を有していなくても、Ｈ．２６４などに準じて直近の数フレームから動きベクトルを生成して被写体画像の動きが計算することができる。
【００６０】
被写体画像の動きが計算されると、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像の動きの程度を判定する（Ｓ１２）。例えば、上記プロセッサまたはサーバーは、３つの閾値を用いて、被写体画像の動きの程度を各撮像モードに対応した４段階に分類することができる。
【００６１】
被写体画像の動きの程度が判定されると、上記プロセッサまたはサーバーは、対応する撮像モードを選択し、コントローラ５２にビット数割り当て指示を出す。これにより、コントローラ５２は、被写体画像の動きの程度に応じて、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を割り当てる（Ｓ１３）。
【００６２】
図８は、監視カメラ２００の撮像動作の別例を説明するためのフローチャートである。例えば、被写体画像の明るさに基づいて撮像モードを選択することができる。
【００６３】
まず、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像の明るさを計算する（Ｓ２１）。上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像の明るさとして、例えば、被写体画像のガンマ補正値を援用することができる。
【００６４】
被写体画像の明るさが計算されると、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像の明るさに対応した撮像モードを選択し、コントローラ５２にビット数割り当て指示を出す。これにより、コントローラ５２は、被写体画像の明るさに応じて、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を割り当てる（Ｓ２２）。
【００６５】
図９は、監視カメラ２００の撮像動作のさらに別例を説明するためのフローチャートである。例えば、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像中に所定の対象物（例えば、人の顔や車のナンバープレートなど）があるか否かに応じて撮像モードを選択することができる。
【００６６】
まず、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像中のオブジェクトを認識する（Ｓ３１）。オブジェクトの認識には既知のパターン認識技術を利用することができる。
【００６７】
オブジェクトの認識の結果、被写体画像中に人の顔や車のナンバープレートなどの所定の対象物が含まれている場合（Ｓ３２でＹＥＳ）、上記プロセッサまたはサーバーは、撮像モードとして画質最優先または画質やや優先を選択し、コントローラ５２にビット数割り当て指示を出す。これにより、コントローラ５２は、被写体画像の鮮明さが向上するようにオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を割り当てる（Ｓ３３）。
【００６８】
一方、オブジェクトの認識の結果、被写体画像中に人の顔や車のナンバープレートなどの所定の対象物が含まれていない場合（Ｓ３２でＮＯ）、上記プロセッサまたはサーバーは、撮像モードとしてフレームレート最優先またはフレームレートやや優先を選択し、コントローラ５２にビット数割り当て指示を出す。これにより、コントローラ５２は、被写体画像のフレームレートが向上するようにオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を割り当てる（Ｓ３４）。
【００６９】
［２−３．効果等］
以上のように、本実施の形態によると、監視カメラ２００に、実施の形態１に係るイメージセンサ１０１を搭載したことにより、被写体画像の性質に応じて、適宜、ＳＮ比を高めて鮮明さを向上させたり、フレームレートを高めてモーションブラーを抑制したりすることができる。
【００７０】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１および２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１および２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
【００７１】
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
【００７２】
図１に示したイメージセンサ１０１では、画素部１０２の両側にカラムＡＤＣ１０４を設けているが、片側のみにカラムＡＤＣ１０４を設けるようにしてもよい。
【００７３】
実施の形態１に係るＡＤ変換器２０におけるオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１はデルタシグマＡＤ変換器で構成されるとしたが、これ以外のＡＤ変換器で構成することが可能である。また、巡回型ＡＤ変換器２２はサイクリックＡＤ変換器で構成されるとしたが、例えば、逐次比較型ＡＤ変換器などで構成することも可能である。
【００７４】
実施の形態２では、イメージセンサ１０１を搭載する撮像装置の一例として監視カメラ２００を挙げたが、イメージセンサ１０１の応用範囲は監視カメラ２００に限定されない。イメージセンサ１０１は、車載カメラ、スタジオ用カメラ、業務用カメラ、デジタルビデオカメラ、スマートフォン、タブレットＰＣなどの各種装置に搭載可能である。
【００７５】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
【００７６】
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【００７７】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本開示は、撮像装置に適用可能である。具体的には、監視カメラ、車載カメラ、スタジオ用カメラ、業務用カメラ、デジタルスチルカメラ、ムービー、カメラ機能付き携帯電話機、スマートフォンなどに、本開示は適用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１０１  イメージセンサ
１０２  画素部（画素アレイ）
１０３  行セレクタ
１０４  カラムＡＤＣ（カラムＡＤ変換器）
１０５  パラレル・シリアル変換部
１０６  周辺回路
２０  ＡＤ変換器
２１  オーバーサンプリング型ＡＤ変換器
２２  巡回型ＡＤ変換器
２３  カウンタ
５２  コントローラ
１  入力端子
１０  入力端子
１５  スイッチ
１６  スイッチ
１７  スイッチ
１８  スイッチ
１９  スイッチ
３１  減算器
３２  サンプルホールド回路
３３  増幅器
３４  Ｓｕｂ−ＡＤ変換器
３５  Ｓｕｂ−ＤＡ変換器
３８  増幅器
３９  Ｓｕｂ−ＡＤ変換器
４０  アナログ累積回路
５１  サイクルカウンタ
５６  シフトレジスタ
５７  デジタル累積回路
１００  出力端子
２００  監視カメラ（撮像装置）
２０１  交換レンズ（撮影光学系）
２０２  カメラボディ
【図１】
2016147523.tif 000004
【図２】
2016147523.tif 000005
【図３】
2016147523.tif 000006
【図４】
2016147523.tif 000007
【図５】
2016147523.tif 000008
【図６】
2016147523.tif 000009
【図７】
2016147523.tif 000010
【図８】
2016147523.tif 000011
【図９】
2016147523.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月23日(2017.1.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、被写体を撮像するイメージセンサおよびそれを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサは、被写体像（光）を電気信号に変換する光電変換素子から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器を有する。このＡＤ変換器の性能の善し悪しによってイメージセンサによる撮像画像の画質は大きく変わる。したがって、わずかな光でも高感度に検出できるようにするために、イメージセンサに実装されるＡＤ変換器には高精度化が求められる。
【０００３】
特許文献１は、上位ビットのデジタル信号を生成するデルタシグマ変換器と下位ビットのデジタル信号を生成する巡回型ＡＤ変換器を組み合わせて、全体として高精度なアナログ−デジタル変換が可能なＡＤ変換器を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２０１４／１４１３５０
【発明の概要】
【０００５】
本開示におけるイメージセンサは、複数の光電変換素子がマトリクス状に配列された画素アレイと、複数のＡＤ変換器を有し、画素アレイの画素１行分に相当する出力電圧が入力されるカラムＡＤ変換器と、複数のＡＤ変換器を制御するコントローラと、を備える。ＡＤ変換器は、画素アレイからの出力電圧が入力されるオーバーサンプリング型ＡＤ変換器と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器のアナログ残差信号が入力される巡回型ＡＤ変換器と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器から出力されるデジタル信号および巡回型ＡＤ変換器から出力されるデジタル信号を加算するカウンタと、を有する。コントローラは、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および巡回型ＡＤ変換器の合計ビット数を一定に保ちつつオーバーサンプリング型ＡＤ変換器および巡回型ＡＤ変換器のビット数を動的に割り当てるように構成されている。
【０００６】
この構成により、ＡＤ変換器のビット数をいたずらに増やすことなくＳＮ比を向上し、高フレームレート化も可能にするイメージセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施の形態１に係るイメージセンサの外観の一例を示す模式図である。
【図２】図２は、図１のイメージセンサの機能構成を表すブロック図である。
【図３】図３は、カラムＡＤＣを構成するＡＤ変換器の概略構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、オーバーサンプリングモード時のＡＤ変換器の概略構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、巡回型変換モード時のＡＤ変換器の概略構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る監視カメラの外観図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る監視カメラの撮像動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図８】図８は、実施の形態２に係る監視カメラの撮像動作の別例を説明するためのフローチャートである。
【図９】図９は、実施の形態２に係る監視カメラの撮像動作のさらに別例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】
【０００８】
（本発明の基礎となった知見）
監視カメラや車載カメラなどに用いられるイメージセンサには極端な環境で特定の情報を収集する機能が必要である。例えば、暗い環境でも、人間の顔や文字などがしっかりと認識できるような鮮明な被写体画像を記録できることが求められる。また、動きの速い物体については、その運動方向や外形などが認識できるようにモーションブラーが少ない被写体画像を記録できることが求められる。
【０００９】
被写体画像の鮮明さを向上するには、画像の階調数、すなわち、イメージセンサにおけるＡＤ変換器のデジタル出力信号のビット数を増やすか、または、出力デジタル信号のノイズを減らすという二つの方法がある。また、モーションブラーを抑制するにはフレームレートを高くする必要がある。
【００１０】
画像の階調数を増やすには、ＡＤ変換器に用いられるカウンタのビット幅および出力デジタル信号を転送する転送回路のビット幅をいずれも増やす必要があるが、それでは回路構成が複雑になり、コストも増加するという問題がある。一方、出力デジタル信号のノイズを減らすには、オーバーサンプリングでＡＤ変換を行うことが有効であるが、そのような変換は比較的低速であるため、フレームレートを向上させにくいという問題がある。
【００１１】
以上のことから、監視カメラや車載カメラなどに用いられるイメージセンサには、ＡＤ変換器のビット数をいたずらに増やすことなくＳＮ比を向上し、高フレームレート化も可能にするという課題がある。
【００１２】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１３】
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００１４】
（実施の形態１）
以下、図１〜図５を用いて、実施の形態１を説明する。
【００１５】
［１−１．構成］
［１−１−１．イメージセンサの構成］
図１は、イメージセンサの外観の一例を示す模式図である。図２は、図１のイメージセンサの機能構成を表すブロック図である。
【００１６】
図１および図２に示されるイメージセンサ１０１は、画素部（画素アレイ）１０２と、行セレクタ１０３と、カラムＡＤＣ（カラムＡＤ変換器）１０４と、パラレル・シリアル変換部１０５とを備える。なお、図１では、周辺回路１０６内にパラレル・シリアル変換部１０５があるものとする。
【００１７】
［１−１−２．ＡＤ変換器の構成］
図３は、カラムＡＤＣ１０４を構成するＡＤ変換器の概略構成を示すブロック図である。
【００１８】
ＡＤ変換器２０は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１と、巡回型ＡＤ変換器２２と、カウンタ２３とを備える。また、図１に示した周辺回路１０６内に、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２を制御するコントローラ５２がある。ＡＤ変換器２０は、オーバーサンプリングモードおよび巡回型変換モードを有し、コントローラ５２が、モード切り替えを行う。ＡＤ変換器２０は、入力アナログ信号Ａｉｎ（ここでは画素部１０２からの出力電圧）をＡＤ変換して、ｎビットのデジタル信号Ｄｏｕｔを出力する。
【００１９】
オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１は、入力アナログ信号Ａｉｎを受けて上位ｍ（ｍは０以上、ｎ以下の整数）ビットのデジタル信号を生成する。オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１は、ナイキスト周波数よりも高い周波数で入力信号のサンプリングを行う。そのため、量子化ノイズが高周波領域に形成されて（ノイズシェーピング）、所望帯域におけるノイズを大幅に低減できるといった特徴を有する。したがって、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１は、撮像画像のＳＮ比を向上させるのに好適である。
【００２０】
巡回型ＡＤ変換器２２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のアナログ残差信号を受けて下位（ｎ−ｍ）ビットのデジタル信号を生成する。巡回型ＡＤ変換器２２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１と比較して、ノイズ低減効果はあまりないもののＡＤ変換速度が速いといった特徴を有する。例えば、Ｎビットのデジタル信号を生成するのに、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１は√（２Ｎ＋１）クロックサイクル必要である。これに対して巡回型ＡＤ変換器２２は、Ｎ＋１クロックサイクルで済む。したがって、巡回型ＡＤ変換器２２は、撮像画像のフレームレートを向上させるのに好適である。
【００２１】
なお、後述するように、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２の構成要素の多くは、共通化することができる。
【００２２】
カウンタ２３は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１から出力される上位ｍビットのデジタル信号と巡回型ＡＤ変換器２２から出力される下位（ｎ−ｍ）ビットのデジタル信号とを加算してｎビットのデジタル信号Ｄｏｕｔを出力する。
【００２３】
コントローラ５２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２の合計ビット数（ｎビット）を一定に保ちつつ、外部から与えられるビット数割り当て指示に従って、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を動的に割り当てるように構成されている。したがって、図３に示した構成において、ｎは固定値であり、ｍは可変値である。
【００２４】
［１−２．動作］
［１−２−１．イメージセンサの動作］
以上のように構成されたイメージセンサ１０１について、その動作を以下説明する。
【００２５】
まず、光が画素部１０２においてマトリクス状に配列された複数の光電変換素子（例えばフォトダイオード）に入力され、対応する電圧が行セレクタ１０３に出力される。
【００２６】
次に、行セレクタ１０３から、画素部１０２の画素１行分に相当する出力電圧がカラムＡＤＣ１０４に出力される。カラムＡＤＣ１０４は、複数のＡＤ変換器から構成され、上記出力電圧をアナログ−デジタル変換し、デジタルデータを出力する。出力されたデジタルデータは、パラレル・シリアル変換部１０５によって変換され、イメージセンサ１０１の外部に出力される。
【００２７】
［１−２−２．ＡＤ変換器の動作］
次に、ＡＤ変換器２０について、その動作を以下説明する。
【００２８】
図４は、オーバーサンプリングモード時のＡＤ変換器２０の概略構成を示すブロック図である。図５は、巡回型変換モード時のＡＤ変換器２０の概略構成を示すブロック図である。図４および図５に示したＡＤ変換器２０は、回路構成は同じであり、スイッチの接続状態が異なるのみである。
【００２９】
ＡＤ変換器２０は、スイッチ１５〜１９、減算器３１、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路３２、増幅器３３、３８、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４、３９、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５を備える。
【００３０】
また、図１に示した周辺回路１０６内に、制御（サイクル）カウンタ５１、コントローラ５２、シフトレジスタ５６、デジタル累積回路５７を備える。
【００３１】
図４および図５において、制御（サイクル）カウンタ５１は、変換開始から、外部から与えられるクロック（不図示）のサイクル数をカウントする。コントローラ５２は、サイクルカウンタ５１のカウント出力および外部から与えられるビット数割り当て指示に基づき、ＡＤ変換器２０の各構成の制御を行う。コントローラ５２は、オーバーサンプリングモードおよび巡回型変換モードに切り替えられて変換が行われる。
【００３２】
《オーバーサンプリングモード》
ＡＤ変換器２０は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てられたビット数がゼロでなければ、すなわち、ｍ＞０であれば、以下に説明するオーバーサンプリングモードで動作する。
【００３３】
図４に示したように、オーバーサンプリングモードでは、スイッチ１５は、入力端子１に接続され、入力端子１のアナログ入力信号Ａｉｎが減算器３１に与えられる。減算器３１の出力信号は、サンプルホールド回路３２に与えられ、サンプルホールド回路３２によって保持される。保持された信号は、スイッチ１６を介して増幅器３３に与えられ、１倍ゲインで増幅される。なお、増幅器３３から出力された信号は、減算器３１にフィードバックされることで、アナログ累積回路４０において、１倍ゲインのアナログ累積回路を構成している。
【００３４】
増幅器３３の出力信号は、スイッチ１７とスイッチ１８とを介して、１ビットのＡＤ変換を行うＳｕｂ−ＡＤ変換器３４に与えられる。Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４は、「＋１」または「−１」を表す２値（１ビット）のデジタル信号を出力する。
【００３５】
Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４の出力デジタル信号は、スイッチ１９を介して、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５に与えられる。Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５は、入力された１ビットデジタル信号に応じて、参照電圧「＋Ｖｒｅｆ」または「−Ｖｒｅｆ」を出力する。なお、１回目の入力時においては、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５の出力は「０」にリセットされている。
【００３６】
Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５の出力は、減算器３１に与えられ、アナログ入力信号Ａｉｎとの差分を求めた差分信号が、減算器３１から出力される。
【００３７】
このようにして、減算器３１、サンプルホールド回路３２、増幅器３３、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５によって、デルタシグマ変調の閉ループが形成される。
【００３８】
シフトレジスタ５６は、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３４の出力デジタル信号を、外部から与えるクロック信号（不図示）に同期して、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てられたビット数ｍ−１だけ、ＭＳＢからＬＳＢに向けてシフト（右シフト）する。デジタル累積回路５７は、シフトレジスタ５６の出力デジタル信号を積分する。なお、シフトレジスタ５６およびデジタル累積回路５７は、図３に示したカウンタ２３の構成要素である。
【００３９】
オーバーサンプリングモードでは、以上の動作を１サイクルとして、２ｍのサイクルを繰り返して上位ｍビットのデジタル信号が生成される。
【００４０】
《巡回型変換モード》
ＡＤ変換器２０は、巡回型ＡＤ変換器２２に割り当てられたビット数がゼロでなければ、すなわちｍ＜ｎであれば、上記のオーバーサンプリングモードでの動作後に、以下に説明する巡回型変換モードで動作する。または、ＡＤ変換器２０は、巡回型ＡＤ変換器２２に全ビット（ｎビット）が割り当てられれば、上記のオーバーサンプリングモードで動作することなく巡回型変換モードのみで動作する。
【００４１】
図５に示したように、巡回型変換モードでは、スイッチ１５は、入力端子１０に接続される。入力端子１０の入力信号は、ゼロであるので、サンプルホールド回路３２は、増幅器３８の出力とＳｕｂ−ＤＡ変換器３５の出力との差分を保持する。保持された信号は、スイッチ１６を介して増幅器３８に与えられ、２倍ゲインで増幅される。なお、増幅器３８から出力された信号は、減算器３１にフィードバックされることで、アナログ累積回路４０において、２倍ゲインのアナログ累積回路を構成している。
【００４２】
このように、オーバーサンプリングモードでの動作後に入力端子１０の入力信号をゼロにすることにより、実質的に巡回型ＡＤ変換器２２にオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のアナログ残差信号が入力されることとなる。
【００４３】
増幅器３８の出力信号は、スイッチ１７とスイッチ１８とを介して、１．５ビットのＡＤ変換を行うＳｕｂ−ＡＤ変換器３９に与えられる。Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３９は、「＋１」または「０」または「−１」を表す３値（１．５ビット）のデジタル信号を出力する。
【００４４】
Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３９の出力デジタル信号は、スイッチ１９を介して、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５に与えられる。Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５は、入力された１．５ビットデジタル信号に応じて、参照電圧「＋Ｖｒｅｆ」または「０」または「−Ｖｒｅｆ」を出力する。
【００４５】
このようにして、減算器３１、サンプルホールド回路３２、増幅器３８、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３９、Ｓｕｂ−ＤＡ変換器３５によって、２倍ゲインの巡回型変換モードの閉ループが形成される。
【００４６】
シフトレジスタ５６は、Ｓｕｂ−ＡＤ変換器３９の出力デジタル信号を、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てられたビット数ｍ−１に巡回型変換モードの現在のサイクル数を加算した数だけ右シフトする。デジタル累積回路５７は、シフトレジスタ５６の出力デジタル信号を積分する。
【００４７】
巡回型変換モードでは、以上の動作を１サイクルとして、ｎ−ｍサイクル繰り返して下位（ｎ−ｍ）ビットのデジタル信号が生成される。
【００４８】
上記のオーバーサンプリングモードおよび巡回型変換モードでの動作が終了した時点で、出力端子１００からｎビットデジタル信号が出力される。出力されたｎビットデジタル信号はメモリ（不図示）に一時的に保存される。そして、シフトレジスタ（不図示）が各メモリに保存されたｎビットデジタル信号をシフトしてパラレル・シリアル変換部１０５に入力し、パラレル・シリアル変換部１０５によってシリアルデータに変換されてイメージセンサ１０１の外部に出力される。
【００４９】
［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、イメージセンサ１０１は、画素部１０２と、カラムＡＤＣ１０４と、コントローラ５２と、を備える。カラムＡＤＣ１０４を構成するＡＤ変換器２０は、画素部１０２からの出力電圧が入力されるオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のアナログ残差信号が入力される巡回型ＡＤ変換器２２と、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１から出力されるデジタル信号および巡回型ＡＤ変換器２２から出力されるデジタル信号を加算するカウンタ２３と、を有する。そして、コントローラ５２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２の合計ビット数を一定に保ちつつオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を動的に割り当てるように構成されている。
【００５０】
これにより、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てるビット数を増やすことでＡＤ変換におけるＳＮ比を高めて撮像画像の画質を向上させることができる。また、巡回型ＡＤ変換器２２に割り当てるビット数を増やすことで高速なＡＤ変換を実現してフレームレートを向上させることができる。すなわち、ＡＤ変換器２０のビット数をいたずらに増やすことなくＳＮ比を向上し、また、高フレームレート化も可能にすることができる。
【００５１】
（実施の形態２）
以下、図６〜図９を用いて、実施の形態２を説明する。
【００５２】
［２−１．構成］
図６は、実施の形態２に係る監視カメラ２００の外観図である。図６に示すように、監視カメラ２００は、交換レンズ（撮像光学系）２０１と、交換レンズ２０１を装着可能なカメラボディ２０２とからなる。交換レンズ２０１は、不図示のバリフォーカルレンズ（可変焦点レンズ）およびオートフォーカス用のアクチュエータなどを含んで構成される。カメラボディ２０２は、実施の形態１に係るイメージセンサ１０１を内蔵している。また、カメラボディ２０２は、電源装置、画像データの圧縮符号化処理やノイズリダクション処理などを行う図略のプロセッサ、ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネットなどのネットワークに接続するための通信デバイスなどを搭載している。
【００５３】
［２−２．動作］
以上のように構成された監視カメラ２００について、その動作を以下説明する。監視カメラ２００は、例えば屋内の天井や壁などに取り付けられて屋内の監視用に使用される。交換レンズ２０１は、被写体に自動で焦点を合わせて被写体からの光を集光してイメージセンサ１０１に結像する。イメージセンサ１０１は、結像された被写体像を受像し、当該被写体像を光電変換して画像データを生成する。画像データは、カメラボディ２０２内のプロセッサで処理され、通信デバイスを介してサーバー（不図示）に送信される。
【００５４】
イメージセンサ１０１は、表１に示す撮像モードを有する。画質最優先モードは、フレームレートが低く高速撮像ができない代わりにＳＮ比が高いためより鮮明な被写体画像を得ることができるモードである。一方、フレームレート最優先モードは、ＳＮ比が低いため被写体画像の鮮明さは劣るが、その代わりにフレームレートが高いため高速撮像ができるモードである。画質やや優先モードおよびフレームレートやや優先モードは、ＳＮ比およびフレームレートのバランスが取れたモードである。
【００５５】
【表１】
2016147523.tif 000013
【００５６】
表１に示すように、各撮像モードとイメージセンサ１０１のコントローラ５２に与えられるビット数割り当て指示は一対一に対応している。例えば、撮像モードが画質やや優先の場合、コントローラ５２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のビット数を「８」にし、巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を「４」にするようなビット数割り当て指示を受ける。また、例えば、撮像モードがフレームレートやや優先の場合、コントローラ５２は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１のビット数を「４」にし、巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を「８」にするようなビット数割り当て指示を受ける。カメラボディ２０２内のプロセッサまたはネットワークに接続されたサーバーは、イメージセンサ１０１によって撮像された被写体画像を解析して撮像モードを適宜選択し、コントローラ５２に上述のようなビット数割り当て指示を出すことができる。
【００５７】
なお、ＡＤ変換器２０の全体のビット数は固定値であるため、ビット数割り当て指示は、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１に割り当てるビット数および巡回型ＡＤ変換器２２に割り当てるビット数のいずれか一方を指示すればよい。あるいは、単に撮像モードを指示することで、コントローラ５２が指示された撮像モードに対応したビット数割り当てを行ってもよい。
【００５８】
図７は、監視カメラ２００の撮像動作の一例を説明するためのフローチャートである。例えば、被写体画像の動きに基づいて撮像モードを選択することができる。
【００５９】
まず、上記プロセッサまたはサーバーは、直近の数フレームから被写体画像の動きを計算する（Ｓ１１）。例えば、監視カメラ２００がＨ．２６４などの動画像記録機能を有していれば、動画像データの生成過程で生成される動きベクトルを利用して被写体画像の動きが計算することができる。また、監視カメラ２００が動画像記録機能を有していなくても、Ｈ．２６４などに準じて直近の数フレームから動きベクトルを生成して被写体画像の動きが計算することができる。
【００６０】
被写体画像の動きが計算されると、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像の動きの程度を判定する（Ｓ１２）。例えば、上記プロセッサまたはサーバーは、３つの閾値を用いて、被写体画像の動きの程度を各撮像モードに対応した４段階に分類することができる。
【００６１】
被写体画像の動きの程度が判定されると、上記プロセッサまたはサーバーは、対応する撮像モードを選択し、コントローラ５２にビット数割り当て指示を出す。これにより、コントローラ５２は、被写体画像の動きの程度に応じて、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を割り当てる（Ｓ１３）。
【００６２】
図８は、監視カメラ２００の撮像動作の別例を説明するためのフローチャートである。例えば、被写体画像の明るさに基づいて撮像モードを選択することができる。
【００６３】
まず、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像の明るさを計算する（Ｓ２１）。上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像の明るさとして、例えば、被写体画像のガンマ補正値を援用することができる。
【００６４】
被写体画像の明るさが計算されると、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像の明るさに対応した撮像モードを選択し、コントローラ５２にビット数割り当て指示を出す。これにより、コントローラ５２は、被写体画像の明るさに応じて、オーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を割り当てる（Ｓ２２）。
【００６５】
図９は、監視カメラ２００の撮像動作のさらに別例を説明するためのフローチャートである。例えば、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像中に所定の対象物（例えば、人の顔や車のナンバープレートなど）があるか否かに応じて撮像モードを選択することができる。
【００６６】
まず、上記プロセッサまたはサーバーは、被写体画像中のオブジェクトを認識する（Ｓ３１）。オブジェクトの認識には既知のパターン認識技術を利用することができる。
【００６７】
オブジェクトの認識の結果、被写体画像中に人の顔や車のナンバープレートなどの所定の対象物が含まれている場合（Ｓ３２でＹＥＳ）、上記プロセッサまたはサーバーは、撮像モードとして画質最優先または画質やや優先を選択し、コントローラ５２にビット数割り当て指示を出す。これにより、コントローラ５２は、被写体画像の鮮明さが向上するようにオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を割り当てる（Ｓ３３）。
【００６８】
一方、オブジェクトの認識の結果、被写体画像中に人の顔や車のナンバープレートなどの所定の対象物が含まれていない場合（Ｓ３２でＮＯ）、上記プロセッサまたはサーバーは、撮像モードとしてフレームレート最優先またはフレームレートやや優先を選択し、コントローラ５２にビット数割り当て指示を出す。これにより、コントローラ５２は、被写体画像のフレームレートが向上するようにオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１および巡回型ＡＤ変換器２２のビット数を割り当てる（Ｓ３４）。
【００６９】
［２−３．効果等］
以上のように、本実施の形態によると、監視カメラ２００に、実施の形態１に係るイメージセンサ１０１を搭載したことにより、被写体画像の性質に応じて、適宜、ＳＮ比を高めて鮮明さを向上させたり、フレームレートを高めてモーションブラーを抑制したりすることができる。
【００７０】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１および２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１および２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
【００７１】
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
【００７２】
図１に示したイメージセンサ１０１では、画素部１０２の両側にカラムＡＤＣ１０４を設けているが、片側のみにカラムＡＤＣ１０４を設けるようにしてもよい。
【００７３】
実施の形態１に係るＡＤ変換器２０におけるオーバーサンプリング型ＡＤ変換器２１はデルタシグマＡＤ変換器で構成されるとしたが、これ以外のＡＤ変換器で構成することが可能である。また、巡回型ＡＤ変換器２２はサイクリックＡＤ変換器で構成されるとしたが、例えば、逐次比較型ＡＤ変換器などで構成することも可能である。
【００７４】
実施の形態２では、イメージセンサ１０１を搭載する撮像装置の一例として監視カメラ２００を挙げたが、イメージセンサ１０１の応用範囲は監視カメラ２００に限定されない。イメージセンサ１０１は、車載カメラ、スタジオ用カメラ、業務用カメラ、デジタルビデオカメラ、スマートフォン、タブレットＰＣなどの各種装置に搭載可能である。
【００７５】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
【００７６】
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【００７７】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本開示は、撮像装置に適用可能である。具体的には、監視カメラ、車載カメラ、スタジオ用カメラ、業務用カメラ、デジタルスチルカメラ、ムービー、カメラ機能付き携帯電話機、スマートフォンなどに、本開示は適用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１０１  イメージセンサ
１０２  画素部（画素アレイ）
１０３  行セレクタ
１０４  カラムＡＤＣ（カラムＡＤ変換器）
１０５  パラレル・シリアル変換部
１０６  周辺回路
２０  ＡＤ変換器
２１  オーバーサンプリング型ＡＤ変換器
２２  巡回型ＡＤ変換器
２３  カウンタ
５２  コントローラ
１  入力端子
１０  入力端子
１５  スイッチ
１６  スイッチ
１７  スイッチ
１８  スイッチ
１９  スイッチ
３１  減算器
３２  サンプルホールド回路
３３  増幅器
３４  Ｓｕｂ−ＡＤ変換器
３５  Ｓｕｂ−ＤＡ変換器
３８  増幅器
３９  Ｓｕｂ−ＡＤ変換器
４０  アナログ累積回路
５１  サイクルカウンタ
５６  シフトレジスタ
５７  デジタル累積回路
１００  出力端子
２００  監視カメラ（撮像装置）
２０１  交換レンズ（撮影光学系）
２０２  カメラボディ
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子がマトリクス状に配列された画素アレイと、
複数のＡＤ変換器を有し、前記画素アレイの画素１行分に相当する出力電圧が入力されるカラムＡＤ変換器と、
前記複数のＡＤ変換器を制御するコントローラと、を備え、
前記ＡＤ変換器は、前記画素アレイからの出力電圧が入力されるオーバーサンプリング型ＡＤ変換器と、前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器のアナログ残差信号が入力される巡回型ＡＤ変換器と、前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器から出力されるデジタル信号および前記巡回型ＡＤ変換器から出力されるデジタル信号を加算するカウンタと、を有し、
前記コントローラは、前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器の合計ビット数を一定に保ちつつ前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のビット数を動的に割り当てるように構成されている、
ことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記コントローラは、前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のそれぞれに割り当てるべきビット数に応じて、これらＡＤ変換器に供給される動作クロック信号のパルス数を調整するように構成されている、
請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
撮影光学系と、
前記撮影光学系によって結像された被写体像を受像する請求項１に記載のイメージセンサと、
を備える撮像装置。
【請求項４】
前記コントローラが、被写体画像の動きの程度に応じて前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のビット数を割り当てる、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記コントローラが、被写体画像の明るさに応じて前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のビット数を割り当てる、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記コントローラが、被写体画像に所定の対象物が含まれるか否かに応じて前記オーバーサンプリング型ＡＤ変換器および前記巡回型ＡＤ変換器のビット数を割り当てる、
請求項３に記載の撮像装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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