(57)【要約】【課題】高速かつ低消費電力の撮像装置を提供する。【解決手段】複数の画素と、複数の画素からの画素信号を画素列ごとに読み出す読み出し回路と、読み出し回路の出力レベルに応じてＡＤ変換ゲインを調整し、読み出し回路からの信号をＡＤ変換して画像データを出力するＡＤ変換部と、所定の条件に応じてＡＤ変換部のＡＤ変換ゲインを制御する制御部とを有する。【選択図】図１
2015119385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素と、
前記複数の画素からの画素信号を画素列ごとに読み出す読み出し回路と、
前記読み出し回路の出力レベルに応じてＡＤ変換ゲインを調整し、該読み出し回路からの信号をＡＤ変換して画像データを出力するＡＤ変換部と、
所定の条件に応じて前記ＡＤ変換部の前記ＡＤ変換ゲイン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ＡＤ変換部は、前記読み出し回路の前記出力レベルに応じて前記ＡＤ変換ゲインを調整することにより、前記画像データの分解能を調整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、
前記読み出し回路の前記出力レベルが閾値レベル以下の場合、前記画像データを第１の分解能で出力し、
前記出力レベルが前記閾値レベルよりも大きい場合、前記画像データを前記第１の分解能よりも低い第２の分解能で出力し、
前記制御部は、前記所定の条件に応じて前記閾値レベルを変更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】
前記制御部は、前記所定の条件として前記画像データを記録する際の画像圧縮方式に応じて、前記閾値レベルを変更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】
前記制御部は、前記所定の条件としてガンマ特性に応じて、前記閾値レベルを変更することを特徴とする請求項３または４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記所定の条件として前記撮像装置のフレームレートに応じて、前記閾値レベルを変更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７】
前記制御部は、前記所定の条件として温度に応じて、前記閾値レベルを変更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８】
前記制御部は、前記所定の条件として撮影モードに応じて、前記閾値レベルを変更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９】
前記制御部は、前記所定の条件として前記画像データの記録動作中であるか否かに応じて、前記閾値レベルを変更することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
一定の傾斜を有するランプ信号を発生する信号発生手段を更に有し、
前記ＡＤ変換部は、前記読み出し回路からの前記信号を増幅させる増幅器を有し、前記ランプ信号と該増幅器の出力レベルとを比較してＡＤ変換し、
前記制御部は、前記所定の条件に応じて前記増幅器の可変ゲインを変更することにより、前記ＡＤ変換部の前記ＡＤ変換ゲインを制御することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
傾斜を有するランプ信号を発生する信号発生手段を更に有し、
前記ＡＤ変換部は、前記読み出し回路からの前記信号を増幅させる増幅器を有し、前記ランプ信号と該増幅器の出力レベルとを比較してＡＤ変換し、
前記制御部は、前記所定の条件に応じて前記ランプ信号の前記傾斜を制御することにより、前記ＡＤ変換部の前記ＡＤ変換ゲインを制御することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置を制御する画像処理装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡＤ変換器を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置（固体撮像装置）の読み出しを高速化することは、重要な課題の一つである。撮像装置の読み出しを高速化することにより、読み出し画素数の増加、および、読み出しフレームレートの向上が実現できるからである。また撮像装置の読み出しを高速化するため、特に、撮像装置に設けられたＡＤ変換器の高速化が求められている。
【０００３】
特許文献１には、画素部の読み出し列ごとにＡＤ変換器を備えた撮像装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４９２８０６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成において、多ビットで高速にＡＤ変換を行うには、ＡＤ変換器に供給するクロック周波数を高めることにより、ＡＤ変換に必要な時間を短縮化することが有効である。しかしながら、クロック周波数を高めることにより、撮像装置の消費電力が増加してしまう。
【０００６】
そこで本発明は、高速かつ低消費電力の撮像装置および撮像システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての撮像装置は、複数の画素と、前記複数の画素からの画素信号を画素列ごとに読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路の出力レベルに応じてＡＤ変換ゲインを調整し、該読み出し回路からの信号をＡＤ変換して画像データを出力するＡＤ変換部と、所定の条件に応じて前記ＡＤ変換部の前記ＡＤ変換ゲインを制御する制御部とを有する。
【０００８】
本発明の他の側面としての撮像システムは、前記撮像装置と、前記撮像装置を制御する画像処理装置とを有する。
【０００９】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高速かつ低消費電力の撮像装置および撮像システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における撮像装置のブロック図である
【図２】実施例１における画素部の構成図である
【図３】実施例１における単位画素の回路構成図である。
【図４】実施例１における列ＡＭＰの回路構成図である。
【図５Ａ】実施例１における列ＡＤＣの動作を示す図である。
【図５Ｂ】実施例１における列ＡＤＣの動作を示す図である。
【図６】実施例１における比較部の回路構成図である。
【図７】実施例１における入射光量とＡＤ変換値との関係を示す図である。
【図８】実施例１におけるガンマ特性を示す図である。
【図９】実施例２において、撮像装置のフレームレートと比較部（ＡＭＰ１５１０）の減衰率との関係を示す図である。
【図１０】実施例３において、カメラの筐体内温度と比較部（ＡＭＰ１５１０）の減衰率との関係を示す図である。
【図１１】実施例４において、カメラの動作モードと比較部（ＡＭＰ１５１０）の減衰率との関係を示す図である。
【図１２】実施例５における比較部の回路構成図である。
【図１３Ａ】実施例５における列ＡＤＣの動作を示す図である。
【図１３Ｂ】実施例５における列ＡＤＣの動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１３】
まず、図１を参照して、本発明の実施例１における撮像装置の構成について説明する。図１は、本実施例における撮像装置１のブロック図である。撮像装置１は、ＡＤ変換器（並列型ＡＤ変換器）を実装した固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）である。
【００１４】
図１において、２は画像処理ＬＳＩ（画像処理装置）である。画像処理ＬＳＩ２は、撮像装置１から出力される画像データ（画像信号）に対して、ホワイトバランス処理、ガンマ処理、デモザイキング処理などの画像処理（現像処理）を行い、処理後の画像データを記録媒体３に記録する。また画像処理ＬＳＩ２は、撮像装置１および画像処理ＬＳＩ２を含むカメラの筐体内温度を検出する温度センサ（不図示）を備えている。また画像処理ＬＳＩ２は、ＣＰＵ２００（制御装置）を内蔵している。ＣＰＵ２００は、カメラの動作モード（記録モード、再生モード、スタンバイモードなど）を制御する。またＣＰＵ２００は、撮影のフレームレートに従って、撮像装置１の動作を制御する。またＣＰＵ２００は、画像記録時のガンマ処理の特性（例えば、ガンマーカーブのＬＵＴ）を変更する。
【００１５】
撮像装置１は、画素部１１０、垂直走査回路１２０、列ＡＭＰ１３０（列アンプ）、ランプ回路１４０、列ＡＤＣ１５０（列ＡＤ変換器）、水平転送回路１６０、信号処理回路１７０、外部出力回路１８０、および、コントローラ回路３００を備えて構成される。コントローラ回路３００は、画像処理ＬＳＩ２とのインタフェース部（Ｉ／Ｆ部）であり、例えばシリアル通信手段などを用いて、画像処理ＬＳＩ２のＣＰＵ２００から出力された撮像装置１に対する制御信号を受信する。
【００１６】
画素部１１０は、入射光量に応じた光子を電荷に変換し、その電荷を電圧として出力する複数の光電変換素子（複数の画素）を含む。このような構成により、画素部１１０は、被写体像（光学像）を光電変換して画像信号を出力する。画素部１１０の詳細については、後述する。タイミング制御部１００（制御部）は、撮像装置１の各ブロックに対して動作クロック（動作ＣＬＫ）を供給するとともに、各ブロックにタイミング信号を供給することにより、各ブロックの動作を制御する。垂直走査回路１２０は、２次元に配置された画素部１１０の画素信号電圧を、１フレーム中に順次読み出しするためのタイミング制御を行う。一般的に、画像信号（映像信号）は、１フレーム中に上部の行から下部の行に向けて、行単位で順次読み出される。
【００１７】
列アンプ１３０は、画素部１１０から読み出された信号を電気的に増幅する。列アンプ１３０により信号を増幅することにより、それ以降のランプ回路１４０や列ＡＤＣ１５０から出るノイズに対して、画素の信号レベルを増幅し、等価的にＳＮを改善させることができる。ただし、画素部１１０から出るノイズに対し、ランプ回路１４０や列ＡＤＣ１５０から出るノイズが十分小さい回路構造である場合、列アンプ１３０は必須ではない。ランプ回路１４０は、時間方向に一定のスロープ（傾斜）を有するランプ形状電圧信号（ランプ信号）を発生する信号発生手段である。
【００１８】
列ＡＤＣ１５０（ＡＤ変換部）は、画素部１１０（読み出し回路）の出力レベルに応じてＡＤ変換ゲインを調整し、読み出し回路からの信号をＡＤ変換して画像データを出力する。列ＡＤＣ１５０のＡＤ変換ゲインは、タイミング制御部１００により所定の条件に応じて制御される。列ＡＤＣ１５０は、列アンプ１３０からの読み出し信号と、ランプ回路１４０からの信号とを比較する比較部１５１を有する。また、列ＡＤＣ１５０は、その内部にカウンタ・ラッチ回路１５２を有し、比較部１５１の出力に応じて、特定期間（所定の期間）においてカウント動作を行う。このカウント動作により、列アンプ１３０からの読み出し信号レベルに比例したカウント値が得られるため、このカウント値がＡＤ変換結果となる。なお、この詳細な動作については後述する。カウンタ・ラッチ回路１５２は、カウント値をラッチ（保持）する。カウンタ・ラッチ回路１５２に保持された１行分の画像データは、端の画素データから、水平転送回路１６０により順次読み出される。
【００１９】
水平転送回路１６０の出力は、信号処理回路１７０に入力される。信号処理回路１７０は、デジタル的に信号処理を行う回路であり、デジタル処理で一定量のオフセット値を加える。また信号処理回路１７０は、シフト演算や乗算を行うことにより、簡易にゲイン演算を行うことができる。また信号処理回路１７０は、画素部１１０に意図的に遮光した画素領域を設けることにより、これを利用したデジタルの黒レベルクランプ動作を行ってもよい。
【００２０】
信号処理回路１７０の出力は、外部出力回路１８０に入力される。外部出力回路１８０は、シリアライザー機能を有し、信号処理回路１７０からの多ビットの入力パラレル信号をシリアル信号に変換する。また外部出力回路１８０は、このシリアル信号を、例えばＬＶＤＳ信号などに変換し、外部デバイス（本実施例では画像処理ＬＳＩ２）との画像情報の通信を行う。
【００２１】
続いて、図２を参照して、本実施例における撮像装置１の画素部１１０の構成について説明する。図２は、画素部１１０の構成図である。画素部１１０は複数の画素（複数の光電変換素子）を含み、各々の光電変換素子（フォトダイオードＰＤ）の表面には、カラーフィルタおよびマイクロレンズが実装されている。本実施例では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色のカラーフィルタを用いることにより、いわゆるＲＧＢ原色カラーフィルタによるベイヤー配列の周期構造が採用されている。
【００２２】
続いて、図３を参照して、画素部１１０に含まれる単位画素部１１１（読み出し回路）の回路構成について説明する。図３は、単位画素部１１１の回路構成図であり、単位画素部１１１から電気信号を読み出すための読み出し回路の例を示している。本実施例の読み出し回路は、複数の画素からの画素信号を画素列ごとに読み出すように構成されている。
【００２３】
ＰＤ（フォトダイオード）１１２は、入射光量に応じて電荷を蓄積する光電変換素子である。Ｐｔｘ−Ｔｒ（転送トランジスタ）１１３は、ＰＤ１１２に蓄積された電荷を、ＦＤ（フローティングディフュージョン）１１４に受け渡すスイッチの役割を担っている。Ｐｔｘ（転送制御線）１１９−ａがＨｉｇｈレベルになると、ＰＤ１１２から、ＦＤ１１４に電荷が移動する。ＦＤ１１４は容量であり、ＦＤ１１５により電荷が電圧に変換される。
【００２４】
ＲＳＴ−Ｔｒ（リセットトランジスタ）１１５は、リセット制御線（Ｐｒｅｓ）１１９−ｂのパルスにより、ＦＤ１１４をリセットするためのトランジスタである。Ｐｔｘ−Ｔｒ１１３により、ＰＤ１１２から電荷がＦＤ１１４に転送される前に、一度ＦＤ１１４のレベルをリセットレベル（Ｖｒｅｓ）にリセットする。リセットを解除して、Ｐｔｘ−Ｔｒ１１３がＯＮする前のＦＤ１１４のレベル（Ｎレベル）と、Ｐｔｘ−Ｔｒ１１３がＯＮし、ＰＤ１１２から電荷が移動した後のＦＤ１１４のレベル（Ｓレベル）との差分値を、後の信号処理で求める。この差分値は、光量に比例した映像信号として扱われる。この動作において、ＦＤ１１４のレベルをリセットレベル（Ｖｒｅｓ）にリセットした後、ＰＤ１１２に入射する光量が多いほど、ＰＤ１１２から読み出した時の電荷量は増加し、ＦＤ１１４の電圧値は小さくなる。すなわち、明るい被写体を撮像すると、ＦＤのレベルはＶｒｅｓレベルに対して小さくなる。
【００２５】
ＳＦ−Ｔｒ（ソースフォロワトランジスタ）１１６は、ＦＤ１１４の電圧をそれ以降の回路に渡すためのドライバ回路である。垂直読み出し線１１７は、列ＡＭＰ１３０の入力に繋がっており、列方向の複数の画素で共有される。垂直読み出し線１１７において、ＳＥＬ−Ｔｒ（セレクトトランジスタ）１１８を制御することにより、読み出したい画素以外のＳＦ−Ｔｒ１１６を垂直読み出し線１１７から切り離すことで、選択的な画素読み出しが可能となる。図３中の１２０−Ｐｓｅｌ信号により、ＳＥＬ−Ｔｒ１１８は制御される。
【００２６】
続いて、図４を参照して、本実施例の列ＡＭＰ１３０の回路構成について説明する。図４は、列ＡＭＰ１３０の回路構成図である。列ＡＭＰ１３０は、ＡＭＰ１３１（アンプ）、Ｃｉｎ容量１３２、Ｃｆｂ容量１３３、および、ＲＳＴ−ＳＷ１３４を備えて構成される。ＡＭＰ１３１の＋端子には、リファレンス電圧（Ｖｒｅｆ）が印加されている。
【００２７】
まず、前述のＦＤ１１４がＲＳＴ−Ｔｒ１１５によりリセットされている期間中に、ＲＳＴ−ＳＷ１３４はＯＮとなり、Ｃｆｂ１３３に蓄積された電荷をリセットする。次に、Ｒｓｔ−ＳＷ１３４をＯＦＦすることにより、列ＡＭＰ１３０は増幅アンプとなり、Ｃｉｎ１３２の入力端子に印加された電圧はＣｉｎ容量１３２、Ｃｆｂ容量１３３の容量比で増幅された電圧レベルとして、ＡＭＰ１３１の出力に現れる。
【００２８】
実際には、Ｐｒｅｓ１１９−ｂがＬＯＷレベルとなり、ＦＤ１１４のリセット状態が解除した状態でＲｓｔ−Ｓｗ１３４をＯＦＦする。これにより、ＦＤ１１４をリセットすることにより生じるリセットノイズがＣｉｎ１３２に記憶される。このリセットノイズは、後述のＡＤ変換におけるＮ変換およびＳ変換のいずれの結果に対しても、同量が重畳するため、後述するＣＤＳ動作（Ｓ変換−Ｎ変換の演算）で除去することができる。
【００２９】
Ｎ変換では、垂直読み出し線１１７を通じて、選択された画素のＮレベル（Ｐｔｘ−Ｔｒ（転送トランジスタ）１１３が導通する前のリセットレベル）が、Ｃｉｎ１３２の入力端子側に入力されている。このため、列ＡＭＰ１３０の出力には、Ｎレベルを増幅した電圧が出力されている。このＮレベルを後述する列ＡＤＣ回路１５０により、ＡＤ変換する。本実施例において、このＡＤ変換結果をＮ−ＡＤという。
【００３０】
次に、Ｐｔｘ１１９−ａがＨＩＧＨレベルとなり、Ｐｔｘ−Ｔｒ（転送トランジスタ）１１３が導通して、蓄積した光量に依存した電圧が、垂直読み出し線１１７を通じて、Ｃｉｎ１３２の入力端子に入力される。
これにより、列ＡＭＰ１３０の出力には、Ｓレベルが出力される。このＳレベルは、後述の列ＡＤＣ回路１５０によりＡＤ変換される。本実施例において、このＡＤ変換結果をＳ−ＡＤという。
【００３１】
続いて、図５Ａ、５Ｂおよび図６を参照して、列ＡＤＣ１５０について説明する。図５Ａ、５Ｂは、列ＡＤＣ１５０の動作の時間的な流れを示す図である。図６は、列ＡＤＣ１５０に設けられた比較部１５１の回路構成図である。
【００３２】
図６において、１５１０はＡＭＰ（増幅器）、１５１１は比較器、１５１２は、レベル制御部である。レベル制御部１５１２には、比較部１５１の外部より与えられた制御信号１５１３（本実施例では、図１のタイミング制御部１００から与えられる制御信号）、および、比較器１５１１の出力信号が入力される。ＡＭＰ１５１０は、レベル制御部１５１２の出力信号に基づいて制御される。またＡＭＰ１５１０は、その増幅率がレベル制御部１５１２の出力信号に基づいて制御される。
【００３３】
図５Ａは、列ＡＤＣ１５０（比較部１５１）の動作の説明図である。比較部１５１、すなわち、比較器１５１１のマイナス端子には、ランプ回路１４０により生成されたランプ電圧（ＶＲＡＭＰ１５３）が入力される。一方、比較器１５１１のプラス端子には、列ＡＭＰ１３０の出力（ＶＡＭＰ１５４）に対し、ＡＭＰ１５１０により増幅された信号が入力される。図５Ａにおいて、１６２はレベル制御部１５１２の動作モード、１６３はレベル制御部１５１２の出力レベル（ＡＭＰ１５１０の制御レベル）をそれぞれ示している。
【００３４】
図５ＡのＮ変換期間（ＮレベルＡＤ変換期間）において、制御信号１５１３は、レベル制御部１５１２に対してリセットの制御を行う。この場合、レベル制御部１５１２の出力レベルはＬＯＷレベルである。ＡＭＰ１５１０は、レベル制御部１５１２の出力レベルがＬＯＷレベルの場合、１倍の増幅率に設定されている。比較器１５１１は、ＡＭＰ１５１０の出力とランプ電圧（ＶＲＡＭＰ）とを比較する。また列ＡＤＣ１５０は、比較器１５１１が反転するまでの時間をカウントするアップカウンタとその結果をラッチするカウンタ・ラッチ回路１５２を有する。
【００３５】
ここで、ＡＭＰ１５１０の増幅率は１倍であり、比較器１５１１は、ＶＲＭＡＰのレベルがＶＡＭＰよりも小さいとき、Ｈｉｇｈレベルを出力し、逆のときにＬＯＷレベルを出力する。このため、図５Ａ中の出力信号１５５（比較器１５１１の出力信号）に示されるように、ＶＡＭＰ１５４の電圧レベルが、ＶＲＡＭＰ１５３の電圧レベルを下回ったときにＬＯＷとなる。このとき、図５Ａ中のカウンタＥＮマスク１５８がＶＲＡＭＰランプ動作するのと同期して、Ｈｉｇｈレベルを出力し、その期間中において比較部１５１の出力が反転するまでの期間、カウンタ動作させる。これにより、ＶＡＭＰの電圧レベルに比例した値をカウント値（デジタル値）に変化させることができ、ＡＤ変換動作が行われる。図５Ａ中の１５６は、Ｎ変換におけるカウンタ動作期間（Ｎ−ＡＤ）を示している。
【００３６】
続いて、図５Ａに示されるレベル判定期間について説明する。この期間、ＶＲＡＭＰのレベルは、後述するＳ変換期間でのＶＲＡＭＰの最大出力レベルの１／Ｎのレベルに保持される。また判定タイミングＴ１において、レベル制御部１５１２は、比較器１５１１の出力レベルを取り込み記憶する。図５Ａに示される例の場合、判定タイミングＴ１で、比較器１５１１においてＶＲＭＡＰのレベルの方が大きいため、比較器１５１１の出力レベルはＬＯＷレベルとなる。このレベルを取り込むため、レベル制御部１５１２の出力レベルはＬＯＷレベルとなる。ＡＭＰ１５１０の増幅率は、レベル制御部１５１２の出力レベルに依存するため、ＡＭＰ１５１０の増幅率は１倍となる。
【００３７】
図５ＡのＳ変換期間（ＳレベルＡＤ変換期間）における基本動作はＮ変換期間と同様である。比較器１５１１によりＡＭＰ１５１０の出力とランプ電圧（ＶＲＡＭＰ）が比較される。ＡＤＣ１５０は、比較器１５１１が反転するまでの時間をカウントして、カウンタ・ラッチ回路１５２に記憶する（Ｎ変換中のデータとは別途記憶する）。また、カウンタ・ラッチ回路１５２は、レベル制御部１５１２の出力も記憶する。すなわち、判定タイミングＴ１における比較器１５１１の出力レベルが記憶される。これにより、Ｓ変換時のＡＭＰ１５１０の制御状態が記憶される。図５Ａ中の１５６、１５７は、Ｎレベル、Ｓレベルに比例してカウンタが実際にカウントしている期間（Ｎｃｎｔ期間：Ｎ−ＡＤ、Ｓｃｎｔ期間：Ｓ−ＡＤ）である。
【００３８】
次に、図５Ｂに示される動作について説明する。図５ＢのＮ変換期間（ＮレベルＡＤ変換期間）における動作は、図５Ａと同様である。図５Ｂのレベル判定期間は、図５Ａの場合とは異なり、比較器１５１１において、ＶＡＭＰのレベルよりもＶＲＭＡＰのレベルのほうが小さい。このため、判定タイミングＴ１において、比較器１５１１の出力はＨｉｇｈとなり、レベル制御部１５１２はこれを記憶し、その出力はＨｉｇｈとなる。ＡＭＰ１５１０の増幅率は、レベル制御部１５１２の出力レベルに依存するため、ＡＭＰ１５１０の増幅率は例えば１／Ｎ倍となる。
【００３９】
図５ＢのＳ変換期間（ＳレベルＡＤ変換期間）において、ＡＭＰ１５１０は１／Ｎ倍の増幅率であり、ＶＡＭＰ×（１／Ｎ）倍となった信号レベルとＶＲＭＡＰのレベルとを比較して、ＡＤ変換を行う。また、カウンタ・ラッチ回路１５２は、レベル制御部１５１２の出力を記憶する。
【００４０】
図７（Ａ）は、入射光量とＡＤ変換値との関係を示す図である。図７（Ａ）中の実線は、前述のＡＤ変換における画素部１１０（フォトダイオードＰＤ）への入射光量の変化に対する、ＡＤ変換動作によるＳ変換データの変化を示している。図７（Ａ）において、横軸は入射光量、縦軸はＡＤ変換されたデジタルコード（ＡＤ変換値）をそれぞれ示す。ここで、カウンタ・ラッチ回路１５２には、Ｓ変換時のＡＭＰ１５１０の制御状態が記憶されている。仮に、Ｓ変換時にＡＭＰ１５１０の増幅率が１／Ｎ倍になっている場合、カウンタ・ラッチ回路１５２に記憶されたＳ変換結果（Ｘ）に対し、ＡＭＰの増幅率１／Ｎの逆数、すなわちＮを乗算することで、図７（Ａ）の点線に示される特性となる。この乗算処理は、例えば、後段の信号処理回路１７０で行われる。
【００４１】
図７（Ｂ）は、入射光量とＡＤ分解能との関係を示す図である。図７（Ｂ）において、横軸は、前述のＡＤ変換を行った際の画素部１１０（フォトダイオードＰＤ）への入射光量、縦軸は出力されるＡＤコードのビット分解能（ＡＤ分解能）をそれぞれ示している。フォトダイオードＰＤへの入射光量が所定のレベル（入射光量ＬＡ）より低い場合、Ｍｂｉｔ分解能でデジタル変換される。一方、フォトダイオードへの入射光量が所定のレベル（入射光量ＬＡ）を超えると、ＡＤコードのビット分解能が（Ｍ−Ｎ）ｂｉｔと粗くなる（低くなる）ように設定される。これにより、ＡＤ変換の高速化を実現することができる。
【００４２】
なお本実施例では、説明を容易にするため、図７（Ｂ）に示されるように、入射光量に対してＭｂｉｔまたは（Ｍ−Ｎ）ｂｉｔの２種類のビット分解能を用いているが、これに限定されるものではなく、より多くの種類のビット分解能を用いることができる。この場合、図５におけるレベル判定期間に、より多くの判定レベルを用意して多値でのレベル判定を行えばよい。
【００４３】
前述のＡＤ変換結果により、画素のＮレベルに対するＡＤ変換結果（Ｎ−ＡＤ）、および、画素のＳレベルに対するＡＤ変換結果（Ｓ−ＡＤ）がカウンタ・ラッチ回路１５２に記憶されている。水平転送回路１６０は、複数のＡＤＣ群からなる列ＡＤＣ１５０にラッチされたＡＤ結果を順次読み出し、信号処理回路１７０に送る。ここで、撮像装置１で発生する読み出しノイズをキャンセルするための、ＣＤＳ（相関２重サンプリング）動作を行う必要があるため、（Ｓ−ＡＤ）−（Ｎ−ＡＤ）の演算を行う必要がある。そこで信号処理回路１７０は、Ｓ変換時にＡＭＰ１５１０の増幅率が１／Ｎ倍になっている場合、Ｎ×（Ｓ−ＡＤ）−（Ｎ−ＡＤ）の処理を行う。一方、信号処理回路１７０は、Ｓ変換時にＡＭＰ１５１０の増幅率が１倍である場合、（Ｓ−ＡＤ）−（Ｎ−ＡＤ）の演算を行う。
【００４４】
また、画像データはデジタル化されているため、画像の黒レベルを調整するためにデジタル的に特定のオフセット量を重畳することや、ゲインを施すために乗算演算するなどは容易である。信号処理回路１７０は、これらの信号処理も行うことができる。信号処理回路１７０において処理された信号は、外部出力回路１８０に出力される。
【００４５】
また、ＶＲＡＭＰのスロープの傾きにより、電圧とデジタルコードの変換ゲイン（ＡＤ変換ゲイン）が制御される。すなわち、スロープの傾きが大きいほど、デジタル値の１ＬＳＢ当たりのＶＡＭＰ出力変化に対する感度は低く、スロープの傾きが小さいほど、デジタル値の１ＬＳＢ当たりのＶＡＭＰ出力変化に対する感度は高い。この特性を利用して、ゲイン演算を施すことが可能である。
【００４６】
次に、本実施例におけるＡＭＰ１５１０の増幅率（１／Ｎ倍）の制御方法について説明する。周知のように、画像データを記録する際には、データ容量を効率的に抑えるためにガンマ処理を行う。例えば、センサ（画素部１１０）からのＲＡＷデータが１６ビット分解能である場合、画像処理ＬＳＩ２により、様々な画像処理が行われ、その処理の一部として、ガンマ処理により１０ビットに圧縮して記録される。
【００４７】
ガンマ処理に用いられるガンマ特性として、種々のガンマ特性が存在する。例えば動画記録の場合、ＴＶモニタで最適に見ることができるように設計されたＩＴＵ−７０９や、フィルムカメラに近い特性を持たせたＣｉｎｅｏｎなどの一般的に知られたガンマ特性がある。また、ユーザが任意にガンマカーブを調整可能な製品も存在している。
【００４８】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、本実施例におけるガンマ特性を示す図である。図８（Ａ）は、ＩＴＵ−７０９およびＣｉｎｅｏｎガンマの入出力特性を示している。図８（Ｂ）は、低照度部におけるＩＴＵ−７０９およびＣｉｎｅｏｎガンマの入出力特性を示している。図８（Ａ）、（Ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は撮像装置１への入射光量、縦軸はビデオ出力に対する割合を示す。
【００４９】
図８（Ｂ）に示されるＫ（Ｃｉｎｅｏｎ）およびＫ（ＩＴＵ−７０９）は、低照度近傍のガンマカーブの漸近線である。低照度時、Ｋ（ＩＴＵ−７０９）のゲインに対し、Ｋ（Ｃｉｎｅｏｎ）のゲインは約２倍以上高い。すなわち、Ｃｉｎｅｏｎガンマを用いる場合、ＩＴＵ−７０９ガンマを用いる場合に比べて、センサ出力におけるビット精度として、２倍以上の精度が必要ということになる。また、ＴＨ（Ｃｉｎｅｏｎ）とＴＨ（ＩＴＵ−７０９）は、それぞれのゲインが略１倍になる閾値（境界）である。例えば、最終的にＭｂｉｔ記録を行う場合、閾値ＴＨよりも左側の入射光量時において、センサ出力としてＭｂｉｔ＋αのビット精度が要求される。
【００５０】
そこで本実施例では、ＡＭＰ１５１０の増幅率を前述のガンマカーブの特性に合わせて変更する。例えば、記録時のガンマ特性としてＣｉｎｅｏｎが用いられる場合、撮像装置１は、ＴＨ（Ｃｉｎｅｏｎ）より左側の光量時に、ＡＭＰ１５１０の減衰量が１になるように制御される。また撮像装置１は、ＴＨ（Ｃｉｎｅｏｎ）より右側の光量時に、ＡＭＰ１５１０の減衰量が１／Ｎ（ｃｉｎｅｏｎ）になるように制御される。一方、記録時のガンマ特性としてＩＴＵ−７０９が用いられる場合、撮像装置１は、ＴＨ（ＩＴＵ−７０９）より左側の光量時に、ＡＭＰ１５１０の減衰量が１になるように制御される。また撮像装置１は、ＴＨ（ＩＴＵ−７０９）より右側の光量時に、ＡＭＰ１５１０の減衰量が１／Ｎ（ＩＴＵ−７０９）になるように制御される。また、Ｋ（ＩＴＵ−７０９）のゲインに対してＫ（Ｃｉｎｅｏｎ）は異なる。このため、１／Ｎ（ｃｉｎｅｏｎ）と１／Ｎ（ＩＴＵ−７０９）とは互いに異ならせてもよい。
【００５１】
以上のように、ＩＴＵ−７０９とＣｉｎｅｏｎの２種類のガンマ（ガンマカーブ）に着目して説明したが、本実施例はこれに限定されるものではなく、これ以外のガンマカーブにも適用可能である。また、ガンマカーブは、効率的に画像を圧縮記録するための一つの手段であるが、他の圧縮手段、例えばＭＰＥＧやＪＰＥＧなどの圧縮手段に応じて撮像装置１を制御してもよい。
【００５２】
このように本実施例において、列ＡＤＣ１５０のＡＤ変換ゲインは、タイミング制御部１００により所定の条件に応じて制御される。好ましくは、列ＡＤＣ１５０は、画素部１１０の読み出し回路の出力レベルに応じてＡＤ変換ゲインを調整することにより、画像データの分解能を調整する。より好ましくは、列ＡＤＣ１５０は、読み出し回路の出力レベルが閾値レベル以下の場合（入射光量ＬＡ以下の場合）、画像データを第１の分解能（例えばＭｂｉｔ）で出力する。一方、列ＡＤＣ１５０は、読み出し回路の出力レベルが閾値レベルよりも大きい場合、画像データを第１の分解能よりも低い（粗い）第２の分解能（例えば（Ｍ−Ｎ）ｂｉｔ）で出力する。そしてタイミング制御部１００は、所定の条件に応じて閾値レベルを変更する。
【００５３】
好ましくは、タイミング制御部１００は、所定の条件として画像データを記録する際の画像圧縮方式に応じて、閾値レベルを変更する。より好ましくは、タイミング制御部１００は、所定の条件としてガンマ特性に応じて、閾値レベルを変更する。
【００５４】
好ましくは、撮像装置１は、一定の傾斜を有するランプ信号を発生するランプ回路１４０を有する。列ＡＤＣ１５０は、読み出し回路からの信号を増幅させるＡＭＰ１５１０（増幅器）を有し、ランプ信号とＡＭＰ１５１０の出力レベルとを比較してＡＤ変換する。そしてタイミング制御部１００は、所定の条件に応じてＡＭＰ１５０の可変ゲインを変更することにより、列ＡＤＣ１５０のＡＤ変換ゲインを制御する。これに代えて、傾斜を有するランプ信号を発生するランプ回路を用いて、タイミング制御部１００は、所定の条件に応じてランプ信号の傾斜を制御することにより、列ＡＤＣ１５０のＡＤ変換ゲインを制御するように構成してもよい。
【００５５】
本実施例によれば、高速かつ低消費電力の撮像装置および撮像システムを提供することができる。
【実施例２】
【００５６】
次に、本発明の実施例２における撮像装置について説明する。本実施例では、ＡＭＰ１５１０の増幅率（減衰率）が、撮像装置１のフレームレート（撮像するフレームレート）に応じて変更される。なお本実施例は、撮像装置１の制御方法が変更されているだけであり、撮像装置１の他の構成は実施例１と同様である。
【００５７】
図９を参照して、本実施例における撮像装置１の制御方法について説明する。図９は、撮像装置のフレームレートと比較部１５１（ＡＭＰ１５１０）の減衰率との関係を示す図である。図９に示されるように、フレームレートが遅くなるにつれて、画素の読み出しにかけられる時間が伸びる。図９において、撮像装置を３０Ｈｚ以下で駆動する場合、ＡＭＰ１５１０の増幅率１／ＮにおいてＮ＝１となる。また、撮像装置を６０Ｈｚで駆動する場合にはＮ＝２、撮像装置を１２０Ｈｚで駆動する場合にはＮ＝４となる。このようにＡＭＰ１５１０の増幅率１／Ｎ（減衰率）を変化させる。
【００５８】
本実施例によれば、タイミング制御部１００は、所定の条件として撮像装置１のフレームレートに応じて、閾値レベル（読み出し回路からの出力信号の閾値レベル）を変更する。これにより、高速かつ低消費電力の撮像装置および撮像システムを提供することができる。
【実施例３】
【００５９】
次に、本発明の実施例３における撮像装置について説明する。本実施例では、ＡＭＰ１５１０の増幅率（減衰率）が、カメラ（撮像システム）の筐体内温度に応じて変更される。なお本実施例は、撮像装置１の制御方法が変更されているだけであり、撮像装置１の他の構成は実施例１と同様である。
【００６０】
図１０を参照して、本実施例における撮像装置１の制御方法について説明する。図１０は、カメラの筐体内温度と比較部１５１（ＡＭＰ１５１０）の減衰率との関係を示す図である。カメラの筐体内温度が所定の温度に達すると（例えば、図１０中の温度Ｔ１、Ｔ２）、ＡＭＰ１５１０の増幅率１／Ｎを制御する。これにより、カメラの筐体内の温度上昇を低減させることができる。
【００６１】
本実施例によれば、タイミング制御部１００は、所定の条件として温度（カメラの筐体内温度）に応じて、閾値レベル（読み出し回路からの出力信号の閾値レベル）を変更する。これにより、高速かつ低消費電力の撮像装置および撮像システムを提供することができる。
【実施例４】
【００６２】
次に、本発明の実施例４における撮像装置について説明する。本実施例では、ＡＭＰ１５１０の増幅率（減衰率）が、カメラ（撮像システム）の動作モードに応じて変更される。なお本実施例は、撮像装置１の制御方法が変更されているだけであり、撮像装置１の他の構成は実施例１と同様である。
【００６３】
図１１を参照して、本実施例における撮像装置１の制御方法について説明する。図１１は、カメラの動作モードと比較部１５１（ＡＭＰ１５１０）の減衰率との関係を示す図である。ここで、動作モードとしては、非記録動作モードおよび記録動作モードがある。
【００６４】
まず、カメラが記録動作をしていない場合（非記録動作モードの場合）を考える。例えば、カメラに備え付けのパネルで画角確認やフォーカス調整などを行う場合である。一般に、カメラに備え付けのパネルで表示される１ｐｉｘ当たりのｂｉｔ分解能は、記録される画像に比べて小さい場合が多い、また、パネルに表示可能な画素数も小さい場合が多い。このため、カメラによる記録動作が行われていない場合、撮像装置１から出力される画像のｂｉｔ分解能は小さくてもよい。このため、図１１に示されるように、カメラが記録動作をしていない場合（非記録動作モードの場合）と、記録動作中の場合（記録動作モードの場合）とで、ＡＭＰ１５１０の増幅率１／Ｎの制御を切りかえる。なお図１１において、Ｎ１、Ｎ２は、Ｎ１＜Ｎ２を満たすように設定される。
【００６５】
本実施例によれば、タイミング制御部１００は、所定の条件として撮影モードに応じて、閾値レベル（読み出し回路からの出力信号の閾値レベル）を変更する。好ましくは、タイミング制御部１００は、所定の条件として画像データの記録動作中であるか否かに応じて、閾値レベルを変更する。これにより、高速かつ低消費電力の撮像装置および撮像システムを提供することができる。
【実施例５】
【００６６】
次に、本発明の実施例５における撮像装置について説明する。実施例１〜４では、比較部１５１として、画素からの読み出し信号ＶＡＭＰに対してＡＭＰ１５１０でレベルの増幅を行っている。一方、本実施例では、図１２に示されるように、ランプ回路１４０により生成されたランプ電圧（ＶＲＡＭＰ）に対して、ＡＭＰ１５１０でレベルの増幅を行う。
【００６７】
図１２は、本実施例における比較部１５１の回路構成図である。図１２に示されるように、本実施例の比較部１５１において、ＶＡＭＰは比較器１５１１に直接入力され、ＶＲＡＭＰはＡＭＰ１５１０により増幅されてから比較器１５１１に入力される。
【００６８】
図１３Ａ、１３Ｂは、図１２の構成を有する比較部１５１を用いた場合における、列ＡＤＣ１５０の動作の時間的な流れを示している。比較部１５１とＮ変換時（ＮレベルＡＤ変換期間）の動作は、実施例１と同様であるため、それらの説明を省略する。
【００６９】
レベル判定時に（レベル判定期間において）、ＡＭＰ１５１０はゲインが１倍となっており、ＶＲＡＭＰのレベルはそのまま比較器１５１１に入力される。ＶＡＭＰのレベルとＡＭＰ１５１０の出力レベルとの比較結果として、ＡＭＰ１５１０の出力レベルのほうが小さい場合、ＳレベルＡＤ変換期間中のＡＭＰ１５１０のレベルはゲイン１倍のままに保持され、図１３Ａに示されるようにＡＤ変換される。この場合の動作は実施例１の図５Ａの動作と同様である。
【００７０】
一方、レベル判定時に、比較器１５１１によるＶＡＭＰのレベルとＡＭＰ１５１０の出力レベルとの比較結果として、ＡＭＰ１５１０の出力レベルのほうが大きい場合、ＳレベルＡＤ変換期間中のＡＭＰ１５１０のレベルはゲインＮ倍に制御される。図１３Ｂは、このときの様子を示している。図１３Ｂ中のＡＭＰ１５１０の出力１６１は、図１３Ｂのランプ回路の出力１５３（ＶＲＡＭＰ）に対してＮ倍に増幅されている。なお、比較器１５１１でレベル比較を行った以降の動作は、実施例１と同様であるため、それらの説明を省略する。
【００７１】
各実施例の撮像装置によれば、撮像装置から読み出される画像の必要なビット数を維持しつつ、消費電力を抑えながら、ＡＤ変換に必要な時間を短縮し、画素データの効率的な読み出し手段を実現することができる。このため各実施例によれば、高速かつ低消費電力の撮像装置および撮像システムを提供することができる。
【００７２】
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及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  撮像装置
１００  タイミング制御部
１１０  画素部
１１１  単位画素部
１５０  列ＡＤＣ
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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