(57)【要約】【課題】変換ビット数の大きなＡＤ変換を好適に実現できるような撮像装置を提供する。【解決手段】画素信号を出力する画素と、画素信号を増幅する増幅部と、増幅部から出力された増幅出力信号と閾値との大小関係を判定する判定部と、増幅出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部であって、増幅出力信号が閾値以下だと判定された場合は第１のＡＤ変換を行い、増幅出力信号が閾値より大きいと判定された場合は第２のＡＤ変換を行うＡＤ変換部と、を備え、ＡＤ変換部は、第２のＡＤ変換を行う場合、増幅出力信号が閾値に基づく基準値以上の値をとる範囲において、増幅出力信号をデジタル信号に変換することを特徴とする撮像装置を用いる。【選択図】図１
2019153985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素信号を出力する画素と、
前記画素信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部から出力された増幅出力信号と閾値との大小関係を判定する判定部と、
前記増幅出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部であって、前記増幅出力信号が前記閾値以下だと判定された場合は第１のＡＤ変換を行い、前記増幅出力信号が前記閾値より大きいと判定された場合は第２のＡＤ変換を行うＡＤ変換部と、
を備え、
前記ＡＤ変換部は、前記第２のＡＤ変換を行う場合、前記増幅出力信号が前記閾値に基づく基準値以上の値をとる範囲において、前記増幅出力信号を前記デジタル信号に変換する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記ＡＤ変換部は、時間に応じて電位が変化する参照信号と前記増幅出力信号を比較する比較部を用いて前記増幅出力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に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記ＡＤ変換部は、
前記第１のＡＤ変換においては、電位の単位時間当たりの変化量が第１の変化量である第１の参照信号と前記増幅出力信号を比較し、
前記第２のＡＤ変換においては、前記閾値を前記基準値とし、前記増幅出力信号が当該基準値以上の値をとる範囲において、電位の単位時間当たりの変化量が前記第１の変化量よりも大きい第２の変化量である第２の参照信号と前記増幅出力信号を比較する
ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記ＡＤ変換部は、前記第２のＡＤ変換において、前記閾値を前記基準値としたことにより生じたオフセットの範囲内で、前記第２の参照信号と前記増幅出力信号の比較時間を延長する
ことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記ＡＤ変換部は、前記第２のＡＤ変換において前記比較時間を延長した場合には、前記第２の参照信号について、電位の単位時間当たりの変化量が前記第１の変化量よりも大きく前記第２の変化量よりも小さい第３の変化量を適用する
ことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記増幅部は、第１増幅ゲインまたは前記第１増幅ゲインよりも高い第２増幅ゲインで前記画素信号を増幅することができ、
前記判定部は、前記第２増幅ゲインで増幅された前記増幅出力信号と前記閾値の大小関係を判定し、
前記ＡＤ変換部は、
前記第１のＡＤ変換においては、前記第２増幅ゲインで増幅された前記増幅出力信号を前記参照信号と比較し、
前記第２のＡＤ変換においては、前記閾値を前記第１増幅ゲインと前記第２増幅ゲインのゲイン比で除した値を前記基準値とし、前記増幅出力信号が当該基準値以上の値をとる範囲において、前記第１増幅ゲインで増幅された前記増幅出力信号を前記参照信号と比較する
ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記ＡＤ変換部は、前記第２のＡＤ変換において、前記閾値を前記ゲイン比で除した値
を前記基準値としたことにより生じたオフセットの範囲内で、前記参照信号と前記増幅出力信号の比較時間を延長する
ことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記ＡＤ変換部は、前記第２のＡＤ変換において前記比較時間を延長した場合には、前記参照信号について、電位の単位時間当たりの変化量を小さくする
ことを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１のＡＤ変換において、前記比較部には、前記増幅出力信号と比較される前記参照信号の変化する電位の一部として、前記基準値未満の第１値を示す電位が入力され、
前記第２のＡＤ変換において、前記比較部が前記参照信号の変化する電位として前記第１値を示す電位と前記増幅出力信号を比較せず、前記比較部には、前記増幅出力信号と比較される前記参照信号の変化する電位の一部として、前記基準値以上の第２値を示す電位が入力される
ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１のＡＤ変換および前記第２のＡＤ変換のそれぞれで得られた前記デジタル信号に対して繋ぎ合わせ処理を行って出力する処理部をさらに備える
ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１２】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置の前記画素から出力される信号に基づいて移動体を制御する移動体制御部と、を有することを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画素が出力する画素信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部を有する撮像装置において、複数のゲインを用いる等の方法で信号処理を行う方法が知られている。特許文献１には、複数の基準電圧を用いて粗く信号を振り分けた後に、変換ビット数の小さいＡＤ変換を行い、後段の信号処理回路でキャリブレーションを行うことで、ＡＤ変換のビット数を大きくする撮像装置が記載されている。また、特許文献２には、単位時間当たりの変化量が異なる複数の参照電圧を増幅出力信号に応じて選択してＡＤ変換に用いる撮像装置において、変換したデジタル信号間のオフセットを低減する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２５００３９号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４０１５２号公報
【発明の概要】
【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においては、より変換ビット数の大きなＡＤ変換を実現しようとすると、キャリブレーションを行うべきデータの重複部分が増加し、キャリブレーションを行うための回路やメモリ、消費電力が増大してしまうという問題があった。また、特許文献２においては、単位時間当たりの変化量が大きい参照信号と単位時間当たりの変化量が小さい参照信号とが重複する出力信号の処理について詳細な検討がされていない。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、変換ビット数の大きなＡＤ変換を好適に実現できるような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】
本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
画素信号を出力する画素と、
前記画素信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部から出力された増幅出力信号と閾値との大小関係を判定する判定部と、
前記増幅出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部であって、前記増幅出力信号が前記閾値以下だと判定された場合は第１のＡＤ変換を行い、前記増幅出力信号が前記閾値より大きいと判定された場合は第２のＡＤ変換を行うＡＤ変換部と、
を備え、
前記ＡＤ変換部は、前記第２のＡＤ変換を行う場合、前記増幅出力信号が前記閾値に基づく基準値以上の値をとる範囲において、前記増幅出力信号を前記デジタル信号に変換する
ことを特徴とする撮像装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、変換ビット数の大きなＡＤ変換を好適に実現できるような撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の撮像装置を示した模式図
【図２Ａ】実施例１の基本処理の駆動タイミングを示す図
【図２Ｂ】実施例１の基本処理の駆動タイミングを示す別の図
【図３】実施例１のＡＤ変換ゲインの切替イメージ図
【図４Ａ】実施例１の処理駆動タイミングを示す図
【図４Ｂ】実施例１の処理駆動タイミングを示す別の図
【図４Ｃ】実施例１の処理駆動タイミングを示す別の図
【図５】実施例２の撮像装置を示した模式図
【図６Ａ】実施例２の基本処理の駆動タイミングを示す図
【図６Ｂ】実施例２の基本処理の駆動タイミングを示す別の図
【図７Ａ】実施例２の処理駆動タイミングを示す図
【図７Ｂ】実施例２の処理駆動タイミングを示す別の図
【図７Ｃ】実施例２の処理駆動タイミングを示す別の図
【図８】画素部に含まれる画素の概略構成図
【図９】撮像装置を利用した撮像システムの概略構成ブロック図
【図１０】撮像装置を利用したシステム及び移動体を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。よって、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
【００１０】
＜実施例１＞
（装置構成）
以下、図面を参照しながら本発明の撮像装置について説明する。図１は実施例１で想定している撮像装置の模式図である。図１に示す撮像装置１００は同一の半導体基板上に構成されている。
【００１１】
撮像装置１００は、画素１が複数行列状に配された画素部１０を有している。画素１はそれぞれ、垂直走査回路１５の走査に応じて、入射光の強度に応じて光電変換された電荷に基づく信号電荷を、画素信号として増幅部２０に出力する。なお、この画素１から出力される画素信号は、光電変換された電荷に基づく信号電荷（光電変換信号）に加えて、ノイズ信号を含むことがある。画素１は例えば、光電変換部であるフォトダイオード、信号電荷を読み出す転送トランジスタ、フローティングディフュージョン構造を有する電荷検出部、ソースフォロワ回路を有する増幅トランジスタ、行選択トランジスタ、リセットトランジスタなどを備えて構成される。
【００１２】
垂直走査回路１５は、タイミングジェネレータ（以下、ＴＧ）７０から出力される信号に基づいて、画素１を行ごとに走査する。ＴＧ７０は、各種の制御パルスを出力する制御部として機能することができる。また、撮像装置に、ＴＧ７０とは別に、あるいはＴＧ７０と協働して制御部として機能する処理回路を設けても良い。
増幅部２０は、画素信号を増幅回路２０１で増幅して比較部３０が有する比較回路３０１に出力する。増幅部２０は、比較部３０と画素１との間の電気的経路に設けられている。
【００１３】
参照電圧供給部２５は、複数の参照電圧を各列の選択回路３０２に出力する。判定回路２０２は、増幅部２０の出力する増幅後の画素信号（増幅出力信号）と、閾値電圧Ｖｊを比較し、両者の大小関係を判定する判定部である。閾値は、低輝度を処理するときの信号の最上位ビットに設定しても良いし、最上位ビットより多少（例えば５〜１０％程度）小
さい値に設定しても良い。また、判定用の閾値をユーザ入力等に応じて可変としても良い。選択回路３０２は、判定回路２０２で比較した結果を示す判定結果信号Ｊｄｇに基づいて、比較回路３０１に出力する参照電圧を、複数の参照電圧から選択する。比較回路３０１は、増幅部２０が出力する信号と参照電圧とを比較した結果を示す比較結果信号ＣＭＰをメモリ部５０に出力する。参照電圧は、時間に依存して電位が変化する信号であり、単位時間あたりの電位の変化率が大きいほど、単位時間内に処理できる画素信号の最大値が大きくなる。
【００１４】
メモリ部５０は、フラグメモリ５０１、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３を有する。フラグメモリ５０１には判定結果信号Ｊｄｇ、第１メモリ５０２には光電変換信号、第２メモリ５０３にはノイズ信号がそれぞれ書き込まれる。
ＴＧ７０は、フラグメモリ５０１に信号Ｆ＿Ｅｎを出力する。カウンタ４０は、クロック信号ＣＬＫを計数したカウント信号を、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３に出力する。ＴＧ７０は、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３にそれぞれＭ１＿Ｅｎ、Ｍ２＿Ｅｎを出力する。
【００１５】
水平走査回路６０は、各列のフラグメモリ５０１、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３が保持したデジタル信号を順次ＤＳＰ８０に出力させる。ＤＳＰ８０は、処理部として機能し、各列のフラグメモリ５０１、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３から出力された信号を処理し、出力回路９０に出力する。出力回路９０はＴＧ７０が出力する信号に基づいて、撮像装置の外部に信号を出力する。ＤＳＰ８０は、異なるゲインで得られたデジタル信号をゲイン比に応じて繋ぎ合わせても良い。繋ぎ合わせ処理には既知の任意の手法を採用して良い。
図１に示した撮像装置では、ＡＤ変換部１１０は、比較部３０とメモリ部５０から構成されている。また、ＡＤ変換部１１０の各列は、画素１の各列に対応して設けられている。
【００１６】
（従来の基本動作フロー）
まず、本発明の実施例１を説明するのに先立ち、実施例１で想定している撮像装置の従来基本動作について説明する。図２Ａおよび図２Ｂのタイミング図を参照しながら、図１に示した撮像装置の動作について説明する。図２Ａと図２Ｂの違いは、光電変換信号のレベルが閾値電圧Ｖｊよりも小さい場合が図２Ａ、閾値電圧Ｖｊよりも大きい場合が図２Ｂである。各タイミングにおいて、図２Ａでは末尾に「ａ」を、図２Ｂでは末尾に「ｂ」を、それぞれ付する。
【００１７】
図２Ａ、図２Ｂにおいて、Ｏｕｔ＿Ｖｌｉｎｅは画素信号電位、Ａｍｐ＿Ｇａｉｎは増幅回路２０１のゲイン、Ｏｕｔ＿Ａｍｐは、増幅部２０の出力する信号（増幅出力信号）を示している。Ｖｒ１、Ｖｒ２はそれぞれ、参照電圧供給部２５が出力する参照電圧である。参照電圧Ｖｒ１は単位時間当たり第１の変化量で電位が変化する第１の参照電圧である。また、参照電圧Ｖｒ２は単位時間当たり第１の変化量よりも大きい第２の変化量で電位が変化する第２の参照電圧である。Ｖｒ１とＶｒ２の変化量の比が、変換のゲイン比に相当する。図２Ａ、図２Ｂではゲイン比を４として記載しているが、適宜変更しても良い。参照電圧Ｖｒ１は、第１の参照信号に対応する。参照電圧Ｖｒ２は、第２の参照信号に対応する。
【００１８】
時刻ｔ２１ａ、ｔ２１ｂにおいて、画素１からノイズ信号に相当する信号が出力される。
時刻ｔ２２ａ、ｔ２２ｂより、カウンタ４０がカウントを開始するとともに、参照電圧Ｖｒ１が入力される。
時刻ｔ２３ａ、ｔ２３ｂにおいて、Ｏｕｔ＿Ａｍｐよりも参照電圧Ｖｒ１が大きくなっ
たタイミングで比較結果信号ＣＭＰの信号値がＨｉｇｈとなる。第２メモリ５０３にはこの時のカウント信号が書き込まれ保持される。
【００１９】
続いて、時刻ｔ２４ａ、ｔ２４ｂにおいて、画素１から光電変換信号が出力される。
時刻ｔ２５ａ、ｔ２５ｂにおいて、ＴＧ７０から出力された閾値電圧Ｖｊに対して、出力レベルの判定が実行される。この時、増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐが閾値電圧Ｖｊ以下である場合、すなわち図２Ａのように閾値以下の場合には、判定回路２０２はＬレベルの判定結果信号Ｊｄｇを出力し、フラグメモリ５０１へＬレベルが書き込まれる。さらに、参照電圧として選択回路３０２でＶｒ１が選択される。
逆に、閾値電圧Ｖｊの方が増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐより大きい場合、すなわち図２Ｂの場合には、判定回路２０２はＨレベルの判定結果信号Ｊｄｇを出力し、フラグメモリ５０１へＨレベルが書き込まれる。さらに、参照電圧として選択回路３０２でＶｒ２が選択される。なお、閾値電圧Ｖｊと出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐの大小関係についての「以下」および「より大きい」という文言は、「より小さい」および「以上」と置き換えても構わない。
【００２０】
続く動作に関して、まず、図２Ａの場合（判定回路２０２の判定結果信号ＪｄｇがＬレベルの場合）について説明する。この処理を、第１のＡＤ変換とも呼ぶ。時刻ｔ２６ａより、カウンタ４０がカウントを開始するとともに、参照電圧Ｖｒ１が入力される。
時刻ｔ２７ａにおいて、Ｏｕｔ＿Ａｍｐよりも参照電圧Ｖｒ１が大きくなったタイミングで比較結果信号ＣＭＰの信号値がＨｉｇｈとなる。第１メモリ５０２にはこの時のカウント信号が書き込まれ保持される。
さらに時刻ｔ２８ａで、参照電圧Ｖｒ１の入力が終了する。
【００２１】
その後、後段のＤＳＰ８０が、第１メモリ５０２に書き込まれた信号から第２メモリ５０３に書き込まれた信号をデジタル値において減算する。以上の処理を行うことで、光電変換信号からノイズ信号を除去しつつ、アナログ信号である増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐを精度良くデジタル信号に変換できる。
【００２２】
次に、図２Ｂの場合（判定回路２０２の判定結果信号ＪｄｇがＨレベルの場合）について説明する。この処理を、第２のＡＤ変換とも呼ぶ。この時、参照電圧として選択回路３０２でＶｒ２が選択される。時刻ｔ２６ｂより、カウンタ４０がカウントを開始するとともに、参照電圧Ｖｒ２が入力される。
時刻ｔ２７ｂにおいて、Ｏｕｔ＿Ａｍｐよりも参照電圧Ｖｒ２が大きくなったタイミングで比較結果信号ＣＭＰの信号値がＨｉｇｈとなる。第１メモリ５０２にはこの時のカウント信号が書き込まれ保持される。
さらに時刻ｔ２８ｂで、参照電圧Ｖｒ２の入力が終了する。
【００２３】
図２Ｂの場合には、後段のＤＳＰ８０は、第１メモリ５０２に書き込まれた信号から第２メモリ５０３に書き込まれた信号を、デジタル値において単純には減算しない。その代わりに、まず第１メモリ５０２の信号に参照電圧Ｖｒ１とＶｒ２のゲイン比である４を乗ずる。そしてその後、減算処理を行う。
このような処理をすることで、例えば１０ビットのＡＤ変換を行った場合であっても、１２ビット（１０ビットの４倍）に相当するＡＤ変換の結果が得られる。その結果、光電変換信号からノイズ信号を除去しつつ、アナログ信号である増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐを精度良くデジタル信号に変換できる。すなわち信号レベルに応じて、図２Ａと図２Ｂの処理を切り替えることで、ＡＤ変換のダイナミックレンジを拡大できる。
【００２４】
図３に、図２Ａ、図２Ｂの動作を行うことで得られるデジタル信号の出力イメージを示す。１０ビットのＡＤ変換を行った場合には、図２Ａで参照電圧Ｖｒ１を用いてＡＤ変換
された信号はデジタル的に連続した０から１０２３の値をとる。
それに対し、図２Ｂで参照電圧Ｖｒ２を用いてＡＤ変換された信号には、さらにゲイン比４が乗ぜられる。その結果、デジタル値としては０から４０９２までの値をとるが、４刻みの離散的な値となる。この離散的な値の画質への影響を軽減するため、フォトンショットノイズが支配的になるデジタル値を考慮する。フォトンショットノイズは信号量の平方根に相当するため、１０００電子の信号であれば、約３０電子がフォトンショットノイズに相当し、４刻みの信号に対し、十分に大きいといえる。
以上より、１０２３に相当する光電変換信号までは図２Ａで説明した動作を用い、１０２３を超える光電変換信号では図２Ｂで説明した動作を用いることで、離散的な値をとる影響を軽減できる。図２Ａの動作と図２Ｂの動作で得た値を繋ぎ合わせる際には、特許文献２のような既存の手法を利用して良い。
【００２５】
（本実施例の動作フロー）
次に、本発明の実施例１について、図４Ａ〜図４Ｃの動作タイミング図を用いて説明する。図４Ａ〜図４Ｃは本実施例の撮像装置の駆動タイミング図である。図４Ａ〜図４Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｂと同様の部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。各タイミングにおいて、図４Ａ〜図４Ｃではそれぞれ、末尾に「ａ」〜「ｃ」を付する。これらの処理はいずれも、上述の第２のＡＤ変換の変形と言える。
【００２６】
先に説明したとおり、参照電圧Ｖｒ２を用いてＡＤ変換された信号のうち、参照電圧Ｖｒ１を用いてＡＤ変換された信号と重複する小さいデジタル値の部分は、最終的な撮像装置１００の出力としては用いられない。この最終的に用いられるかどうかの判定閾値は閾値電圧Ｖｊに相当し、参照電圧Ｖｒ２を用いた場合、閾値電圧Ｖｊ以下の信号は最終的な出力としては用いられない。また、閾値電圧Ｖｊ以下の信号レベルが入力された場合には、そもそも参照電圧Ｖｒ１が選択される。したがって、図２Ｂにおいて、参照電圧Ｖｒ２が閾値電圧Ｖｊを超えるまでの変換は行う必要がないということになる。上記を鑑みて、図４Ａ〜図４Ｃでは、参照電圧Ｖｒ２を用いる場合、基準としてスタートする参照電圧を閾値電圧Ｖｊとしている。
【００２７】
（本実施例の動作例）
図４Ａの駆動タイミング図について説明する。図４Ａは図２Ｂに対応し、増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐが閾値電圧Ｖｊより大きい場合を想定している。時刻ｔ４５ａまでの動作は、先に説明した図２Ｂの時刻ｔ２５ｂまでと同様にノイズ信号のＡＤ変換であるため、説明を省略する。
【００２８】
時刻ｔ４５ａにおいて、ＴＧ７０から出力された閾値電圧Ｖｊに対して、出力レベルの判定が実行される。この時、増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐが閾値電圧Ｖｊより大きいので、判定回路２０２はＨレベルの判定結果信号Ｊｄｇを出力し、フラグメモリ５０１へＨレベルが書き込まれる。さらに、参照電圧として参照電圧供給部２５からＶｒ２＿１が選択される。この時、参照電圧Ｖｒ２＿１は閾値電圧Ｖｊを基準値として変化する信号である点が、図２Ｂと異なる。すなわち、参照電圧Ｖｒ２＿１は閾値以上（基準値以上）の値の範囲で電位が変化する値である。
ここで、ｔ４２ａ〜ｔ４３ａの期間のある時刻において、比較部には、増幅出力信号と比較される参照電圧（参照信号）の変化する電位の一部として、基準値未満の値（第１値とも呼ぶ）を示す電位が入力される。
【００２９】
時刻ｔ４６ａより、カウンタ４０がカウントを開始するとともに、参照電圧Ｖｒ２＿１が変化する。
時刻ｔ４７ａにおいて、Ｏｕｔ＿Ａｍｐよりも参照電圧Ｖｒ２＿１が大きくなったタイミングで比較結果信号ＣＭＰの信号値がＨｉｇｈとなる。第１メモリ５０２にはこの時の
カウント信号が書き込まれ保持される。
さらに時刻ｔ４８ａで、参照電圧Ｖｒ２＿１の入力が終了する。
ここで、時刻ｔ４７ａ、時刻ｔ４８ａは、図２Ｂの時刻ｔ２７ａと比べて、閾値電圧Ｖｊに相当するオフセットの分だけ早くなる。したがって、参照電圧を入力しなければならない時間が短くできるため、参照電圧の供給を早く停止することができ、その分消費電力を低減できる。なお、参照電圧の供給開始タイミングを従来よりも送らせるとともに、供給終了タイミングを従来と同じにすることによっても、消費電力を低減できる。他にも、参照電圧の供給期間を従来よりも短くすることができれば、消費電力の低減は実現できる。
【００３０】
ここで、ｔ４６ａ〜ｔ４８ａの期間のある時刻において、増幅出力信号と比較される参照電圧の変化する電位の一部として、基準にｔ以上の値（第２値とも呼ぶ）を示す電位が入力される。なお、参照電圧は、ｔ４５ａの直後の立ち上がり時に一時的に第１値を通過する。ただし、信号の立ち上がり直後はＭｊ＿ｅｎの切り替わりによって比較処理が無効化されている。したがってこのとき比較部は、参照電圧の変換する電位として第１値を示す電位と増幅出力信号とを比較していない。
【００３１】
なお、この場合には、後段のＤＳＰ８０は、第１メモリ５０２に書き込まれた信号から第２メモリ５０３に書き込まれた信号を、デジタル値において単純には減算しない。その代わりＤＳＰ８０は、まず第１メモリ５０２の信号に閾値電圧Ｖｊのオフセットに相当するデジタル値を付加したうえで、参照電圧Ｖｒ１とＶｒ２＿１のゲイン比である４を乗ずる。このような処理をすることで、図２Ｂの場合と同様に例えば１０ビットのＡＤ変換を行った場合であっても、１２ビット（１０ビットの４倍）に相当するＡＤ変換の結果が得られる。その結果、光電変換信号からノイズ信号を除去しつつ、アナログ信号である増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐを精度良くデジタル信号に変換できる。本実施例の撮像装置と駆動方法を用いることで、消費電力を低減できる。
【００３２】
（変形例１−１）
次に、本発明の実施例１の別の形態について、図４Ｂの動作タイミング図を用いて説明する。図４Ｂにおいて、図２Ａ〜図２Ｂや図４Ａと同様の部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。時刻ｔ４７ｂまでの動作は、先に説明した図４Ａの時刻ｔ４７ａまでと同様であるため、説明を省略する。
【００３３】
図４Ｂが図４Ａと異なる点は、参照電圧Ｖｒ２の入力が終了するタイミングである。すなわち、図４Ｂの時刻ｔ４８ｂは、図４Ａの時刻ｔ４８ａよりも延長されており、図２Ｂの時刻ｔ２８ｂと同等のタイミングとなっている。
【００３４】
このようなタイミングまで参照電圧Ｖｒ２の入力を延長し、Ｖｒ２＿２とすることで、より大きな出力信号Ｏｕｔ＿ＡｍｐまでＡＤ変換を行うことが可能となる。したがって、最終的なデジタル出力値として、１２ｂｉｔよりも閾値電圧Ｖｊのデジタル値のｂｉｔ数の分だけ大きな値まで、ＡＤ変換できる。すなわち、本変形例の撮像装置と駆動方法を用いることで、撮像装置１００としての信号出力のダイナミックレンジを拡大できる。
【００３５】
なお、ｔ４８ｂの延長に必要な時間は、ｔ４６ｂにおける開始値をＶｊに引き上げてオフセットが生じたことにより確保できている。そのため、画素から画素信号が所定の周期で出力される場合にも、処理の周期を遅延させることなくダイナミックレンジを拡大できる。また、ＡＤ変換における比較時間の延長期間は、本変形例によって削減された処理時間の範囲内、すなわち、閾値電圧Ｖｊ以下の値の画素信号を変換するのに必要だった時間の範囲内とすることが好ましい。
【００３６】
（変形例１−２）
次に、本発明の実施例１のさらに別の形態について、図４Ｃの動作タイミング図を用いて説明する。図４Ｃにおいて、図２Ａ〜図２Ｂや図４Ａ〜図４Ｂと同様の部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。時刻ｔ４６ｃまでの動作は、先に説明した図４Ｂの時刻ｔ４６ｂまでと同様であるため、説明を省略する。
【００３７】
図４Ｃが図４Ｂと異なる点は、参照電圧Ｖｒ２の単位時間当たりの変化量である。本実施例の参照電圧Ｖｒ２＿３の時刻ｔ４８ｃにおける最大電圧値は、図２Ｂの時刻ｔ２８ｂにおける最大電圧値と同等である。したがって、図４Ｂと比べて単位時間当たりの変化量を抑えられる。ここで、参照電圧Ｖｒ１のときの単位時間当たりの電位の変化量を第１の変化量、参照電圧Ｖｒ２、Ｖｒ２＿１、Ｖｒ２＿２のときの単位時間当たりの電位の変化量を第２の変化量とおく。すると、参照電圧Ｖｒ２＿３の単位時間当たりの電位の変化量である第３の変化量は、第１の変化量よりも大きく、第２の変化量よりも小さい。その結果、参照電圧Ｖｒ１とＶｒ２＿３の変化量の比が、図２Ｂにおける変化量の比に対して小さく抑えられている。すなわち、変換のゲイン比が小さくなっている。例えば、図４Ｃではゲイン比を３としている。
【００３８】
上述したように、撮像装置１００として信号を出力する際には、参照電圧Ｖｒ２＿３を用いてＡＤ変換された信号にはゲイン比（この場合は３）が乗算される。結果として、出力された信号のデジタル値は０から４０９２までの値となり、３刻みの離散的な値をとる。すなわち、本実施例の撮像装置と駆動方法を用いることで、撮像装置１００としての信号出力のＡＤ変換にかかわる量子化誤差を低減できる。
【００３９】
なお、ゲイン比は３以外の異なる値をとっても良く、例えばゲイン比を３．５として、先に述べた消費電力の低減やダイナミックレンジの拡大と組み合わせて用いても良い。本変形例の撮像装置と駆動方法を用いることで、撮像装置の性能がさらに向上する。
【００４０】
＜実施例２＞
（装置構成）
図５は実施例２で想定している撮像装置１００の模式図であり、同一の半導体基板上に構成されている。先の実施例１と同様の部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する場合がある。
【００４１】
撮像装置１００は、画素１が複数行列状に配された画素部１０を有している。画素１はそれぞれ、垂直走査回路１５の走査に応じて、入射光の強度に応じて光電変換された電荷に基づく信号電荷を、画素信号として増幅部２０に出力する。なお、この画素１から出力される画素信号は、光電変換された電荷に基づく信号電荷（光電変換信号）に加えて、ノイズ信号を含むことがある。
【００４２】
垂直走査回路１５は、タイミングジェネレータ（以下ＴＧ）７０から出力される信号に基づいて、画素１を行ごとに走査する。増幅部２０は、画素信号を増幅回路２０１で増幅して比較部３０が有する比較回路３０１に出力する。増幅回路２０１のゲインは、本実施例においては、増幅部２０の出力する信号と閾値電圧Ｖｊとを判定回路２０２で比較した結果を示す判定結果信号Ｊｄｇに基づいて選択される。増幅部２０は、比較部３０と画素１との間の電気的経路に設けられている。
【００４３】
参照電圧供給部２５は、本実施例においては、参照電圧Ｖｒ１を各列の比較回路３０１に出力する。比較回路３０１は、増幅部２０が出力する信号と参照電圧Ｖｒ１とを比較した結果を示す比較結果信号ＣＭＰをメモリ部５０に出力する。
【００４４】
メモリ部５０は、フラグメモリ５０１、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３を有する。フラグメモリ５０１には判定結果信号Ｊｄｇ、第１メモリ５０２には光電変換信号、第２メモリ５０３にはノイズ信号がそれぞれ書き込まれる。ＴＧ７０は、フラグメモリ５０１に信号Ｆ＿Ｅｎを出力する。カウンタ４０は、クロック信号ＣＬＫを計数したカウント信号を、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３に出力する。ＴＧ７０は、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３にそれぞれＭ１＿Ｅｎ、Ｍ２＿Ｅｎを出力する。
【００４５】
水平走査回路６０は、各列のフラグメモリ５０１、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３が保持したデジタル信号を順次ＤＳＰ８０に出力させる。ＤＳＰ８０は、処理部として機能し、各列のフラグメモリ５０１、第１メモリ５０２、第２メモリ５０３から出力された信号を処理し、出力回路９０に出力する。出力回路９０はＴＧ７０が出力する信号に基づいて、撮像装置の外部に信号を出力する。ＤＳＰ８０は、異なるゲインで得られたデジタル信号をゲイン比に応じて繋ぎ合わせても良い。繋ぎ合わせ処理には既知の任意の手法を採用して良い。
図５に示した撮像装置では、ＡＤ変換部１１０は、比較部３０とメモリ部５０から構成されている。また、ＡＤ変換部１１０の各列は、画素１の各列に対応して設けられている。
【００４６】
（従来の基本動作フロー）
まず、本発明の実施例２を説明するのに先立ち、実施例２で想定している撮像装置の従来基本動作について説明する。図６Ａおよび図６Ｂを参照しながら、図５に示した撮像装置の動作について説明する。図６Ａと図６Ｂの違いは、増幅回路２０１の出力レベルが閾値電圧Ｖｊよりも小さい場合が図６Ａ、閾値電圧Ｖｊよりも大きい場合が図６Ｂである。各タイミングにおいて、図６Ａでは末尾に「ａ」を、図６Ｂでは末尾に「ｂ」を、それぞれ付する。図６Ａの処理は第１のＡＤ変換に相当し、図６Ｂの処理は第２のＡＤ変換に相当する。
【００４７】
図６Ａ、図６Ｂにおいて、Ｏｕｔ＿Ｖｌｉｎｅは画素信号電位、Ａｍｐ＿Ｇａｉｎは増幅回路２０１のゲイン、Ｏｕｔ＿Ａｍｐは、増幅部２０の出力する信号を示している。Ｖｒ１は参照電圧供給部２５が出力する参照電圧である。参照電圧Ｖｒ１は単位時間当たりにある変化量で電位が変化する参照電圧である。図６Ａ、図６Ｂでは増幅回路２０１のゲインを４または１として記載しているが、適宜変更しても良い。
【００４８】
時刻ｔ６１ａ、ｔ６１ｂにおいて、画素１からノイズ信号に相当する信号が出力される。
時刻ｔ６２ａ、ｔ６２ｂより、カウンタ４０がカウントを開始するとともに、参照電圧Ｖｒ１が入力される。
時刻ｔ６３ａ、ｔ６３ｂにおいて、Ｏｕｔ＿Ａｍｐよりも参照電圧Ｖｒ１が大きくなったタイミングで比較結果信号ＣＭＰの信号値がＨｉｇｈとなる。第２メモリ５０３にはこの時のカウント信号が書き込まれ保持される。
【００４９】
続いて、時刻ｔ６４ａ、ｔ６４ｂにおいて、画素１から光電変換信号が出力される。
時刻ｔ６５ａ、ｔ６５ｂにおいて、ＴＧ７０から出力された閾値電圧Ｖｊに対して、出力レベルの判定が実行される。この時、増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐが閾値電圧Ｖｊ以下である場合、すなわち図６Ａのように閾値以下の場合には、判定回路２０２はＬレベルの判定結果信号Ｊｄｇを出力し、フラグメモリ５０１へＬレベルが書き込まれ、増幅回路２０１のゲインは変更されない（４のまま維持される）。
逆に、閾値電圧Ｖｊの方が増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐより大きい場合、すなわち図６Ｂの場合には、判定回路２０２はＨレベルの判定結果信号Ｊｄｇを出力し、フラグメモリ５０１へＨレベルが書き込まれ、増幅回路２０１のゲインが１に変更される。
【００５０】
続く動作に関して、まず、比較回路３０１の出力する信号がＬレベルであるとして図６Ａを用いて説明する。時刻ｔ６６ａより、カウンタ４０がカウントを開始するとともに、参照電圧Ｖｒ１が入力される。
時刻ｔ６７ａにおいて、Ｏｕｔ＿Ａｍｐよりも参照電圧Ｖｒ１が大きくなったタイミングで比較結果信号ＣＭＰの信号値がＨｉｇｈとなる。第１メモリ５０２にはこの時のカウント信号が書き込まれ保持される。
さらに時刻ｔ６８ａで、参照電圧Ｖｒ１の入力が終了する。
【００５１】
その後、後段のＤＳＰ８０が、第１メモリ５０２に書き込まれた信号から第２メモリ５０３に書き込まれた信号をデジタル値において減算する。以上の処理を行うことで、光電変換信号からノイズ信号を除去しつつ、アナログ信号である増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐを精度良くデジタル信号に変換できる。
【００５２】
次に、図６Ｂの場合（判定回路２０２の判定結果信号ＪｄｇがＨレベルの場合の動作について説明する。この時、時刻ｔ６５ｂにおいて、判定回路２０２はＨレベルの判定結果信号Ｊｄｇを出力し、フラグメモリ５０１へＨレベルが書き込まれ、増幅回路２０１のゲインが１に変更されている。このゲイン変更に伴い、いったん閾値電圧Ｖｊを越えたＯｕｔ＿Ａｍｐは、Ｖｊ以下の値に戻っている。
【００５３】
時刻ｔ６６ｂより、カウンタ４０がカウントを開始するとともに、参照電圧Ｖｒ１が入力される。
時刻ｔ６７ｂにおいて、Ｏｕｔ＿Ａｍｐよりも参照電圧Ｖｒ１が大きくなったタイミングで比較結果信号ＣＭＰの信号値がＨｉｇｈとなる。第１メモリ５０２にはこの時のカウント信号が書き込まれ保持される。
さらに時刻ｔ６８ｂで、参照電圧Ｖｒ１の入力が終了する。
【００５４】
図６Ｂの場合には、後段のＤＳＰ８０は、第１メモリ５０２に書き込まれた信号から第２メモリ５０３に書き込まれた信号を、デジタル値において単純には減算しない。その代わりに、まず第１メモリ５０２の信号に、増幅回路２０１のゲイン比である４を乗ずる。そしてその後、減算処理を行う。
このような処理をすることで、例えば１０ビットのＡＤ変換を行った場合であっても、１２ビット（１０ビットの４倍）に相当するＡＤ変換の結果が得られる。その結果、光電変換信号からノイズ信号を除去しつつ、アナログ信号である増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐを精度良くデジタル信号に変換できる。すなわち信号レベルに応じて、図６Ａと図６Ｂの処理を切り替えることで、ＡＤ変換のダイナミックレンジを拡大できる。
【００５５】
図６Ａ、図６Ｂの動作を行うことで得られるデジタル信号の出力イメージは実施例１の図３と同様であり、詳細な説明は省略する。
【００５６】
（本実施例の動作フロー）
次に、本発明の実施例２について、図７Ａ〜図７Ｃの動作タイミング図を用いて説明する。図７Ａ〜図７Ｃは本実施例の撮像装置の駆動タイミング図である。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、図６Ａ〜図６Ｂと同様の部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。各タイミングにおいて、図７Ａ〜図７Ｃではそれぞれ、末尾に「ａ」〜「ｃ」を付する。これらの処理はいずれも、第２のＡＤ変換の変形と言える。
【００５７】
先の実施例１で説明したのと同様に、判定結果信号ＪｄｇがＨレベルを出力する場合には輝度が高いことを示しているので、判定の閾値電圧Ｖｊ／４より低輝度部分ではＡＤ変換を行う必要がない。なお、実施例１と異なる点は、判定結果信号ＪｄｇがＨレベルの場
合、増幅部２０の変換ゲインが低ゲインに切り替わる点である。低ゲインを第１増幅ゲイン、高ゲインを第２増幅ゲインとも呼ぶ。したがって、閾値電圧Ｖｊに基づいて、ゲインの比（ここでは４）を除した値を基準値としてスタートする参照電圧を用いるのが良い。すなわち、参照電圧は閾値をゲイン比で除した値以上（基準値以上）の値の範囲で電位が変化する値である。上記を鑑みて、図７Ａ〜図７Ｃでは、参照電圧Ｖｒ１は、閾値電圧Ｖｊ／４を基準としてスタートするようにしている。
【００５８】
（本実施例の動作例）
図７Ａの駆動タイミング図について説明する。図７Ａは図６Ｂに対応し、増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐが閾値電圧Ｖｊより大きい場合を想定している。時刻ｔ７５ａまでの動作は、先に説明した図６Ｂの時刻ｔ６５ｂまでと同様であるため、説明を省略する。
【００５９】
時刻ｔ７５ａにおいて、ＴＧ７０から出力された閾値電圧Ｖｊに対して、出力レベルの判定が実行される。この時、増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐが閾値電圧Ｖｊより大きいので、判定回路２０２はＨレベルの判定結果信号Ｊｄｇを出力し、フラグメモリ５０１へＨレベルが書き込まれる。さらに、増幅回路２０１のゲインが１に変更される。この時、参照電圧Ｖｒ１−１は閾値電圧Ｖｊ／４を基準として変化する信号である点が、図６Ｂと異なる。
【００６０】
時刻ｔ７６ａより、カウンタ４０がカウントを開始するとともに、参照電圧Ｖｒ１が変化する。
時刻ｔ７７ａにおいて、Ｏｕｔ＿Ａｍｐよりも参照電圧Ｖｒ１が大きくなったタイミングで比較結果信号ＣＭＰの信号値がＨｉｇｈとなる。第１メモリ５０２にはこの時のカウント信号が書き込まれ保持される。
さらに時刻ｔ７８ａで、参照電圧Ｖｒ１の入力が終了する。ここで、時刻ｔ７７ａ、時刻ｔ７８ａは、図６Ｂの時刻ｔ６７ａ、ｔ６８ａと比べて、閾値電圧Ｖｊ／４に相当するオフセットの分だけ早くなる。したがって、参照電圧を入力しなければならない時間が短くできるため、参照電圧の供給を早く停止できる。その結果、消費電力を低減できる。
【００６１】
図７Ａの場合には、後段のＤＳＰ８０は、第１メモリ５０２に書き込まれた信号から第２メモリ５０３に書き込まれた信号を、デジタル値において単純には減算しない。その代わりに、まず第１メモリ５０２の信号に閾値電圧Ｖｊ／４のオフセットに相当するデジタル値を付加したうえで、参照電圧Ｖｒ１とＶｒ１−１のゲイン比である４を乗ずる。そしてその後、減算処理を行う。
このような処理をすることで、図６Ｂの場合と同様に、例えば１０ビットのＡＤ変換を行った場合であっても、１２ビット（１０ビットの４倍）に相当するＡＤ変換の結果が得られる。その結果、光電変換信号からノイズ信号を除去しつつ、アナログ信号である増幅部２０の出力信号Ｏｕｔ＿Ａｍｐを精度良くデジタル信号に変換できる。以上より、本実施例の撮像装置と駆動方法を用いることで、消費電力を低減できる。
【００６２】
（変形例２−１）
次に、本発明の実施例２の別の形態について、図７Ｂの動作タイミング図を用いて説明する。図７Ｂにおいて、先の実施例２と同様の部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。時刻ｔ７７ｂまでの動作は先に説明した図７Ａの時刻ｔ７７ａまでと同様であるため、説明を省略する。
【００６３】
図７Ｂが図７Ａと異なる点は、参照電圧Ｖｒ１の入力が終了するタイミングである。すなわち、時刻ｔ７８ｂが、図６Ｂの時刻ｔ６８ｂと同等のタイミングまで延長されている。
このようなタイミングまで参照電圧Ｖｒ１の入力を延長し、Ｖｒ１−２することで、より大きな出力信号Ｏｕｔ＿ＡｍｐまでＡＤ変換を行うことが可能となる。したがって、最終的なデジタル出力値として、１２ｂｉｔよりもＶｊ／４のデジタル値のｂｉｔ数の分だけ大きな値まで、ＡＤ変換できる。すなわち、本変形例の撮像装置と駆動方法を用いることで、撮像装置１００としての信号出力のダイナミックレンジを拡大できる。
【００６４】
なお、ｔ７８ｂの延長に必要な時間は、ｔ７６ａにおけるスタート値をＶｊ／４に引き上げてオフセットが生じたことにより確保できている。そのため、画素から画素信号が所定の周期で出力される場合にも、処理の周期を遅延させることなくダイナミックレンジを拡大できる。また、ＡＤ変換における比較時間の延長期間は、本変形例によって削減された処理時間の範囲内、すなわち、値がＶｊ／４以下の画素信号を変換するのに必要だった時間の範囲内とすることが好ましい。
【００６５】
（変形例２−２）
次に、本発明の実施例２のさらに別の形態について、図７Ｃの動作タイミング図を用いて説明する。図７Ｃにおいて、先の実施例２や変形例１と同様の部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。時刻ｔ７６ｃまでの動作は先に説明した図７Ｂの時刻ｔ７６ｂまでと同様であるため、説明を省略する。
【００６６】
図７Ｃが図７Ｂと異なる点は、参照電圧の単位時間当たりの変化量である。本変形例の光電変換信号に対する参照電圧をＶｒ１−３としている。参照電圧Ｖｒ１−３の時刻ｔ７８ｃにおける最大電圧値は、図６Ｂの時刻ｔ６８ｂにおける参照電圧Ｖｒ１の最大電圧値と同等である。したがって、図７Ｂと比べて単位時間当たりの変化量を抑えられる。その結果、参照電圧Ｖｒ１とＶｒ１−３の変化量の比が、増幅回路２０１のゲイン比に対して小さく抑えられる。すなわち、変換のゲイン比を小さくしている。例えば、図７Ｃではゲイン比を３／４にしている。
【００６７】
撮像装置１００として信号を出力する際には、参照電圧Ｖｒ１−３を用いてＡＤ変換された信号にはさらにゲイン比（この場合は３）が乗ぜられる。結果として、デジタル値は０から４０９２までの値となり、３刻みの離散的な値をとる。すなわち、本実施例の撮像装置と駆動方法を用いることで、撮像装置１００としての信号出力のＡＤ変換にかかわる量子化誤差を低減できる。
【００６８】
なお、ゲイン比は３以外の異なる値をとっても良く、例えばゲイン比を３．５として、先に述べた消費電力の低減やダイナミックレンジの拡大と組み合わせて用いても良い。本変形例の撮像装置と駆動方法を用いることで、撮像装置の性能がさらに向上する。
【００６９】
以上、説明したように、本発明の各実施例に係る撮像装置と駆動方法を用いることで、撮像装置の消費電力を低減しつつ、ダイナミックレンジを拡大できる。また、回路やメモリの規模を増大させること無く好適なＡＤ変換を行うことができる。
【００７０】
＜別の実施形態＞
以上、具体的な実施例を挙げて本発明の説明を行ったが、本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の目的および範囲から離脱することなく、様々な変形や組み合わせが可能である。以下、本発明の様々な適用例や変形例について説明する。
【００７１】
例えば本発明は、撮像装置１００が同一の基板に形成されている場合に限定されない。すなわち、複数の基板を用いて撮像装置を形成する構成に本発明を適用してもよい。例えば、画素部１０と垂直走査回路１５とを別の半導体基板上に形成し、適宜何らかの手段で接続する構成としても良い。
【００７２】
また、増幅回路のゲイン、閾値電圧、参照電圧の変換量などは説明の簡略化のため固定し、同様の値を用いて説明を行ったが、これに限るものではなく適宜変更することが可能である。さらに、固体撮像装置内で値を適宜変更できるようにしてもよく、固体撮像装置とは別に設けられたシステムから指定してもよい。
【００７３】
また、実施例中では、参照電圧にオフセットを持たせる形態について説明を行ったが、たとえば、増幅回路２０１の出力から参照電圧のオフセットに相当する信号を減算する形をとっても良い。
また、本例においては、これらオフセットを閾値電圧Ｖｊとして説明したが、必ずしも一致させる必要性はなく、例えばＶｊに対して所定の値や割合小さく設定して処理を行うことも考えられる。
【００７４】
上記各実施例では、Ｏｕｔ＿ＡｍｐがＶｊより大きければ、参照信号として傾斜の大きい（単位時間当たり変化量が比較的大きい）参照電圧を適用したりＯｕｔ＿Ａｍｐに適用するゲインを下げたりして対応していた。このように、異なるゲインの信号をつなぎ合わせる処理を、３つ以上の信号に適用してもよい。例えば、Ｏｕｔ＿Ａｍｐ比較する閾値として、Ｖｊ＿１と、Ｖｊ＿１より高いＶｊ＿２の２種類を設定してもよい。その場合、Ｏｕｔ＿ＡｍｐがＶｊ＿１以下であれば傾斜の小さい参照電圧を、Ｏｕｔ＿ＡｍｐがＶｊ＿１より大きくＶｊ＿２以下であれば中程度の傾斜の参照電圧を、Ｏｕｔ＿ＡｍｐがＶｊ＿２より大きければ傾斜が最大の参照電圧を利用する。そして、比較のスタート値を、中程度の傾斜の参照電圧利用時はＶｊ＿１とし、傾斜が最大の参照電圧時はＶｊ＿２とする。このとき、図４Ｂや図４Ｃの場合と同様に、ダイナミックレンジの拡大や量子化誤差の低減を図ってもよい。
【００７５】
また、Ｏｕｔ＿Ａｍｐと複数の閾値の比較結果に応じて、実施例２のようにゲインを変更してもよい。例えば、Ｏｕｔ＿ＡｍｐがＶｊ＿１以下であればゲインを８倍に、Ｏｕｔ＿ＡｍｐがＶｊ＿１より大きくＶｊ＿２以下であればゲインを４倍に、Ｏｕｔ＿ＡｍｐがＶｊ＿２より大きければゲインを１倍にする。そして、比較のスタート値をＯｕｔ＿Ａｍｐに応じて引き上げる。このとき、図７Ｂや図７Ｃの場合と同様に、ダイナミックレンジの拡大や量子化誤差の低減を図ってもよい。
【００７６】
また、実施例１で示したような参照信号の使い分けと、実施例２で示したようなゲインの変更とを組み合わせて用いてもよい。このように、閾値との比較結果に応じて参照信号やゲインを適宜組み合わせて用いることで、さらにダイナミックレンジを拡大させることも可能である。
【００７７】
図１および図５においては増幅回路を画素と比較回路との間に設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、フローティングディフュージョン容量の切替等により、画素内でゲインを切り替える構成としてもよい。
【００７８】
また、撮像装置が、各列間で生じる増幅回路のゲインばらつき、閾値信号のばらつき、参照電圧のばらつきなどを補正するためのばらつき補正手段を有していてもよい。各種ばらつきを補正する手段を有することで、さらに画質が向上する。
また、各列ではなく、ある画素回路のブロック単位で処理を行ってもよい。回路規模は大きくなるが、各画素に対して処理を行ってもよい。
さらに、本例ではＡＤ変換方式として、参照電圧Ｖｒ（ランプ信号）、比較回路、カウンタを用いたランプ方式ＡＤ変換を採用したが、これに限定されるものではない。例えば逐次比較方式のＡＤ変換方式等、他のＡＤ変換方式を適用することも可能である。
【００７９】
（画素部の構成例）
図８を用いて、画素１の構成について説明する。図８（ａ）は、一つの画素１を、撮像装置の基板の主面に正対する方向から見たときの概略図である。一つの画素は一つのマイクロレンズ１０２を備える。マイクロレンズは例えば、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィにより形成できる。かかる画素１をアレイ状に配列することにより画素部が形成される。
図８（ｂ）は、画素部の一部の断面図である。一つの画素１では、基板に設けられた光電変換部であるフォトダイオードＰＤの上部に、カラーフィルタ１０４とマイクロレンズ１０２が設けられている。カラーフィルタ１０４には、例えば、緑、青、赤の三色をベイヤー配列したパターンを利用できる。カラーフィルタの色材料は、顔料や染料、またはそれらをハイブリッドしたものを利用できる。
【００８０】
（撮像システムへの適用例）
本発明の撮像システムへの適用例を、図９の概略構成ブロック図を用いて説明する。
上記各実施例で述べた固体撮像装置（以下、まとめて撮像装置１０００と呼ぶ）は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムとしては、特に限定されるものではないが、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図にはこれらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。
【００８１】
撮像システム３０００は、撮像光学系３０２０、ＣＰＵ３１００、レンズ制御部３１２０、撮像装置制御部３１４０、画像処理部３１６０、絞りシャッタ制御部３１８０、表示部３２００、操作スイッチ３２２０、記録媒体３２４０を備える。
撮像光学系３０２０は、被写体の光学像を形成するための光学系であり、レンズ群、絞り３０４０等を含む。絞り３０４０は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なう機能を備えるほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能も備える。レンズ群及び絞り３０４０は、光軸方向に沿って進退可能に保持されており、これらの連動した動作によって変倍機能（ズーム機能）や焦点調節機能を実現する。撮像光学系３０２０は、撮像システムに一体化されていてもよいし、撮像システムへの装着が可能な撮像レンズでもよい。
【００８２】
撮像光学系３０２０の像空間には、その撮像面が位置するように撮像装置１０００が配置されている。撮像装置１０００は、上記実施例で説明した撮像装置に相当し、ＣＭＯＳセンサ（画素領域）とその周辺回路（周辺回路領域）とを含んで構成される。撮像装置１０００は、複数の光電変換部を有する画素が２次元配置され、これらの画素に対してカラーフィルタが配置されることで、２次元単板カラーセンサを構成している。撮像装置１０００は、撮像光学系３０２０により結像された被写体像を光電変換し、画像信号や焦点検出信号として出力する。
【００８３】
レンズ制御部３１２０は、撮像光学系３０２０のレンズ群の進退駆動を制御して変倍操作や焦点調節を行うためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成されている。絞りシャッタ制御部３１８０は、絞り３０４０の開口径を変化して（絞り値を可変として）撮影光量を調節するためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成される。
【００８４】
ＣＰＵ３１００は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内の制御装置であり、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を含む。ＣＰＵ３１００は、ＲＯＭ等に記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮像光学系３０２０の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡ
Ｆ、撮像、画像処理、記録等の一連の撮影動作を実行する。ＣＰＵ３１００は、信号処理部でもある。
【００８５】
撮像装置制御部３１４０は、撮像装置１０００の動作を制御するとともに、撮像装置１０００から出力された信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ３１００に送信するためのものであり、それら機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。Ａ／Ｄ変換機能は、撮像装置１０００が備えていてもかまわない。画像処理部３１６０は、Ａ／Ｄ変換された信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成するためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。表示部３２００は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示装置であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態等を表示する。操作スイッチ３２２０は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。記録媒体３２４０は、撮影済み画像等を記録するためのものであり、撮像システムに内蔵されたものでもよいし、メモリカード等の着脱可能なものでもよい。
【００８６】
このようにして、各実施例による撮像装置１０００を適用した撮像システム３０００を構成することにより、高精度の焦点調節が可能であり且つ被写界深度の深い画像を取得しうる高性能の撮像システムを実現できる。
【００８７】
（移動体への適用例）
本発明の撮像システム及び移動体について、図１０のブロック図を用いて説明する。図１０（ａ）は、車載カメラに関する撮像システム４０００の一例を示したものである。撮像システム４０００は、撮像装置４１００を有する。撮像装置４１００は、上述の各実施例に記載の固体撮像装置のいずれかである。撮像システム４０００は、撮像装置４１００により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部４１２０と、撮像装置４１００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部４１４０を有する。また、撮像システム４０００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部４１６０と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部４１８０と、を有する。ここで、視差取得部４１４０や距離取得部４１６０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得部の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部４１８０はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
【００８８】
撮像システム４０００は、車両情報取得装置４２００と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得できる。また、撮像システム４０００は、衝突判定部４１８０での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ４３００が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ４３００は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御部の一例である。また、撮像システム４０００は、衝突判定部４１８０での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置４４００とも接続されている。例えば、衝突判定部４１８０の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ４３００はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置４４００は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
【００８９】
本実施例では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム４０００で撮像する。図１０（ｂ）に、車両前方（撮像範囲４５００）を撮像する場合の撮像システム４０００を示した。車両情報取得装置４２００は、撮像システム４０００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。上述の各実施例の固体撮像装置を撮像装置４１００として用いることで、撮像システム４０００は、測距の精度がより向上する。
【００９０】
以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用できる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用できる。
【００９１】
本発明はさらに、医療用の画像取得装置に適用されるイメージセンサー、精密部品の検査装置に用いられるイメージセンサー、監視カメラに用いられるイメージセンサーなど、様々な分野において利用可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１：画素、２０：増幅部、１００：撮像装置、１１０：ＡＤ変換部、２０２：判定回路
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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