(57)【要約】【課題】  参照信号Ｖｒｅｆの開始電圧と、画素からの輝度信号電圧に差がある場合においては、カウンタ動作時間Ｔｃが長くなり、消費電流が多くなってしまう。これが、選択行での全てのカウンタが、同様に動作時間が長くなると、さらにカウンタの個数分消費電流が積算されてしまうといった問題があった。【解決手段】得られた画像データを元に、カウンタの参照信号Ｖｒｅｆの初期値を制御することで、輝度信号電圧と、参照信号Ｖｒｅｆの初期値Ｖｉとの電圧差が少なくして、カウンタ動作が早めに停止するカウンタを多くする事で、列毎にあるカウンタで消費する電流を減らす【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子を含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部と、
前期画素アレイ部の各単位画素を行毎に選択制御する行走査手段と、
前記行走査手段によって選択制御された行の単位画素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アナログ−デジタル変換手段とを備え
前記アナログ−デジタル変換手段は、前記行走査手段によって選択制御された行の単位画素から出力される前記アナログ信号と、時間経過によってレベルが変化する参照信号と、前記画素から出力されるアナログ信号と前記参照信号とを比較し判定結果を出力する比較手段と、前記判定結果が出力される時間経過をカウントするカウント手段とを有しており、カウントされた時間経過がアナログ−デジタル変換の結果であり、
前記アナログ−デジタル変換の結果を記録する記録部を有し、
前記参照信号の初期値を算出する手段と、
前記算出された初期値を元に、参照信号の初期値の制御を行う制御部を有する事を特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記参照信号の初期値の算出には  前記記録部に記録されたアナログ−デジタル変換の結果を元に行う事を特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記アナログ−デジタル変換の結果から求められた結果を保存する記録手段と、前記記録手段に記録された結果と、新たにアナログ−デジタル変換によって得られた結果に変化があるか否かを比較する比較手段とを有し、比較手段によって変化があった場合においては、新たにアナログ−デジタル変換によって得られた結果から、前記参照信号の初期値を更新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４】
光電変換素子への露光量を制御する露光量制御部と、露光量制御部によって制御されている、値を検出する検出手段とを有し、前記検出手段によって検出された値にあわせて、参照信号の初期値を算出する事を特徴とする請求項１に記載の撮影装置。
【請求項５】
撮影するモードを検出するモード検出部と、前記モード検出部によって検出された撮影モードに応じて、参照信号の初期値を算出する事を特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記初期値の制御は１フレーム毎に行う事を特徴とする請求項１に記載の撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画素アレイ部の列毎にＡＤ変換手段を有する列ＡＤ変換方式の撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラになどの撮像装置においては、画素アレイ部の列毎にＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を配置している列並列ＡＤＣ方式のＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサーを搭載したものが報告されている。その例として、特許文献１などがある。
【０００３】
以下、図１１により従来の撮像装置について説明する。図１１は従来の技術における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。図１１において１００は固体撮像素子、１１１は画素アレイ部、１１２は光電変換素子を含む単位画素、１１３は行選択信号線、１１４は列信号線、１１５は行走査回路、１１６は列ＡＤ変換部、１１７は複数ある列単位のＡＤ変換機、１１８は比較器、１１９はアップダウンカウンタ、１２０はカウンタからのデータを保持するメモリ、１２１は信号出力線、１２２は出力回路、１２３は列走査回路、１２４はタイミング制御回路、１２５はランプ波形の参照信号Ｖｒｅｆを生成するＤＡＣ回路であり、カウンタのカウント値に比例してＶｒｅｆ電圧を出力する。
【０００４】
従来の固体撮像装置の動作を図１２のタイミングチャートで示す。ここでは、デジタルダブルサンプリングを行う場合の駆動例を示す。１回目のサンプリングは基準電圧Ｖｎを判定対象とするもので、単位画素のバラツキ及び、列毎のコンパレータのオフセットバラツキなどに相当する。タイミング制御回路１２４はアップダウンカウンタ１１９群に対してダウンカウントモードを指示する。行走査回路１１５による選択行の単位画素１１２群について、列毎の各画素において発生する基準電圧Ｖｎ（リセット成分に相当）が比較器１１８に入力される。比較器１１７は、ＤＡＣ型の参照電圧供給回路１２５からのランプ波形の参照電圧Ｖｒｅｆと画素出力Ｖｐｉｘを比較する。この間、アップダウンカウンタ１１９では基準クロックＣＬＫのカウントが継続されている。ランプ波形の参照電圧Ｖｒｅｆが基準電圧Ｖｎを超えると、比較結果Ｖｃｍｐが反転して“Ｌ”レベルになり、アップダウンカウンタ１１９のカウント動作が停止される。これにより、アップダウンカウンタ１１９はそのダウンカウントによるカウンタ出力ＣＮＴとしてリセット成分Ｄｎを得る。このリセット成分Ｄｎは基準電圧Ｖｎに対応したものである。リセット成分Ｄｎを加味することにより、無信号時のオフセット電圧の画素間ばらつきを解消する。リセット成分Ｄｎはメモリ１２０内に一時的に保持される。所定時間の経過後、参照電圧Ｖｒｅｆが０レベルにリセットされ、比較結果Ｖｃｍｐは“Ｈ”レベルに戻される。
【０００５】
さらに、所定時間が経過すると、２回目のサンプリングに移る。同様に図１２のタイミングングチャートで説明する。２回目のサンプリングは画素から出力される輝度信号電圧Ｖｓを対象とし、アップカウントとなる。タイミング制御回路１２４は、アップダウンカウンタ１１９群に対してアップカウントモードを指示する。また、行走査回路１１５による選択行の単位画素１１２群について列毎の各画素における輝度信号電圧Ｖｓが比較器１１８に入力される。比較器１１８は、ＤＡＣ型の参照電圧供給回路１２５からのランプ波形の参照電圧Ｖｒｅｆを画素出力Ｖｒｅｆと比較する。この間、アップダウンカウンタ１１９では基準クロックＣＬＫのアップカウントが継続されている。アップダウンカウンタ１１９によるカウント値ＣＮＴはダウンカウント時に得られたリセット成分Ｄｎを初期値とするものである。
【０００６】
ランプ波形の参照電圧Ｖｒｅｆが輝度信号電圧Ｖｓを超えると、比較結果Ｖｃｍｐが反転し、カウンタ動作時間Ｔｃでアップダウンカウンタ１１９のカウント動作が停止される。これにより、アップダウンカウンタ１１９は、カウント値ＣＮＴを得る。このカウント値ＣＮＴはダウンカウントによるリセット成分Ｄｎが加味されたものとなっており、Ｄｎ＋Ｄｓである。したがって、輝度信号電圧Ｖｓに対応した正規の信号成分のデジタル画素値Ｄｓは１回目のサンプリング結果のＤｎと２回目のサンプリング結果Ｄｎ＋Ｄｓの差をとることにより求められる。この求められたデジタル画素値Ｄｓはメモリ１２０内に一時保持され、これにより１画素分のＡＤ変換が完了する。
【０００７】
上記の列単位での信号処理が画素アレイ部１１１における選択行でのすべての単位画素１１２に対して一斉に行われる（図１２は１画素分につき１水平期間の動作を示している）。すなわち、列単位の比較器１１８、アップダウンカウンタ１１９が上記と同様に動作し、選択行における全ての単位画素１１２からの画素出力Ｖｐｉｘに対応したデジタル画素値Ｄｓがメモリ１２０に保持されていることになる。次いで、列走査回路１２３は列単位のＡＤ変換器１１７を列走査して、選択行１行分の画素データを信号出力線１２１および出力回路１２２を介して順次に外部出力する。
【０００８】
以上のような選択行１行分に対する画素信号処理が、行走査回路１１５による順次的な選択行の更新の繰り返しにより、全ての選択行に対して実行され、１フィールド分のデジタル画像データが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２７８１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の技術の場合、例えば、参照信号Ｖｒｅｆの開始電圧が、低輝度側から開始し、画素からの輝度信号電圧が高輝度など画像のといったように、参照信号Ｖｒｅｆの開始電圧と、画素からの輝度信号電圧に差がある場合においては、カウンタ動作時間Ｔｃが長くなり、消費電流が多くなってしまう。これが、選択行での全てのカウンタが、同様に動作時間が長くなると、さらにカウンタの個数分消費電流が積算されてしまうといった問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る撮像装置は、光電変換素子を含む単位画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部と、前期画素アレイ部の各単位画素を行毎に選択制御する行走査手段と、前記行走査手段によって選択制御された行の単位画素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アナログ−デジタル変換手段とを備え、前記アナログ−デジタル変換手段は、前記行走査手段によって選択制御された行の単位画素から出力される前記アナログ信号と、時間経過によってレベルが変化する参照信号と、前記画素から出力されるアナログ信号と前記参照信号とを比較し判定結果を出力する比較手段と、前記判定結果が出力される時間経過をカウントするカウント手段とを有しており、カウントされた時間経過がアナログ−デジタル変換の結果であり、前記アナログ−デジタル変換の結果を記録する記録部を有し、前記参照信号の初期値を算出する手段と、前記算出された初期値を元に、参照信号の初期値の制御を行う制御部を有する事を特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の撮像装置は、得られる輝度信号電圧と、参照信号Ｖｒｅｆの初期値Ｖｉとの電圧差が少なくなり、輝度信号電圧Ｖｓまでのカウンタ動作時間Ｔｃ短くなる列ＡＤ変換が多くなり、消費電流を減らす事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態を説明するフローチャート
【図３】本発明の第１の実施形態を説明するタイミングチャート
【図４】本発明の第１の実施形態を説明する信号電圧分布図
【図５】本発明の第２の実施形態を説明するブロック図
【図６】本発明の第２の実施形態を説明するフローチャート
【図７】本発明の第２の実施形態を説明する判定領域図
【図８】本発明の第３の実施形態を説明するブロック図
【図９】本発明の第３の実施形態を説明するフローチャート
【図１０】本発明の第４の実施形態を説明するブロック図
【図１１】従来の形態を説明するブロック図
【図１２】従来の形態を説明するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明第１の実施形態におけるブロック図である。また、図２本発明第１の実施形態におけるフローチャート図である。
【００１５】
図１において、図１０と同様の箇所は同じ番号を付けて、ここでの説明は省略する。２００はカメラなどの撮影装置における画像処理及び、制御を行うシステム部、２０１は画像データ格納用メモリ、２０２は画像データを元に、Ｖｒｅｆの初期値を算出するデータ算出部、２０３は初期値を制御する初期値制御部である。
【００１６】
図２のフローチャートを用いて動作を説明する。ステップＳ１０１において、固体撮像素子１００からデジタル画像データを１画素分ずつ、外部インターフェース１１２を介して出力する。この時のデジタル画像データＤｓは、図１２で示したタイミングチャートでＡＤ変換が行われたデータである。
【００１７】
次にステップＳ１０２でメモリ２０１に例えば１フレーム分のデジタル画像データを記録する。
次にステップＳ１０３でメモリ２０１に記録された１フレーム分のデジタル画像データを用いて、データ算出部２０２で、分布を算出する。
【００１８】
次いでステップＳ１０４においてＳ１０３の結果を用いて初期値の値を求め、ステップＳ１０５において固体撮像素子１００に初期値を与えＶｒｅｆ電圧をスタートさせる。ここでは、分布の算出で得られた、１フレーム分の平均値、及び、分散値σを元に、初期値を、”平均値−３×σ”の値とする。
【００１９】
次に、Ｓ１０６で与えられた初期値より、カウントが始まり、ＡＤ変換が行われる。ここでのタイミングチャートは図３のタイミングチャートとなり、ここで、この図３を説明する。
【００２０】
図３のにおいて、図１２のタイミングチャートとのの違いは２回目のサンプリングにおいて、参照信号Ｖｒｅｆの開始電圧が初期値Ｖｉから行われている点である。初期値Ｖｉからカウントを開始する場合、図１２のタイミングチャートの場合と比べ、輝度信号電圧Ｖｓまでのカウント時間Ｔｃが短くなる列ＡＤが多くなり、カウンタ動作を早く終わらせる列ＡＤの数が多くなる。例えば、分布が図４に示すようなガウス分布のとなっていた場合、±３σの電圧範囲で９９．７％の列ＡＤのカウンタが終了する。これにより、従来に比べ、消費電流を低減させる事ができる。
【００２１】
Ｓ１０７で固体撮像素子１００からの画素信号を記録し、Ｓ１０８で画像データを記録する。その後、Ｓ１０３に戻り、繰り返し作業を行う。
【００２２】
ここでは、初期値の設定を輝度分布の平均−３σを例にしているが、平均値及び、最頻値、最小値、最大値、などでもよく、なるべく多くのカウンタ動作を早めに停止させる事が重要であり、それに該当する初期値であれば、特に輝度分布の“平均値−３σ”に限定されるものではない。
【００２３】
また、分布を算出するデータとして、１フレーム分のデータを用いる例を示しているが、必ずしも１フレーム分に限定されるものではなく、メモリ量、算出処理能力などによって、最適なデータ量に設定すればよい。例えば１行分のデータを用いて、１行毎にＶｒｅｆの初期値を変えると、１行毎に消費電力を低減できる。また、フレーム内において、測光を行っている領域のデータを用いると、演算に使う領域は１フレームに比べ少なくて済み、なおかつ、画面全体の輝度情報の確度が高い。
【００２４】
＜第２の実施形態＞
図５は本発明の第２の実施形態におけるブロック図である。また、図６は本発明第２の実施形態におけるフローチャート図である。
【００２５】
図５において図１と同様な箇所は同じ番号を付けてここでの説明は省略する。図５において、２０４はデータ算出部からの、分布データを記録す記録メモリ、２０５は記録メモリに記録されたデータと、データ算出部からのデータを比較する比較器である。
【００２６】
第２の実施形態に関して図６のフローチャートを用いて説明する。第１の実施形態と異なる箇所はステップＳ１１０で画像データの変化を検出し、Ｓ１１１で算出結果を記録していることである。
【００２７】
第１の実施形態の場合、例えば１フレーム毎に初期値を設定していたとすると、輝度レベルに変化が無い場合においても、毎フレーム初期値を設定する為、処理が煩雑になってしまう。１フレーム前の画像と、輝度レベルに変化がない場合においては、初期値をあえて変更する必要はない。
【００２８】
ステップＳ１０３でメモリ２０１に記録された１フレーム分のデジタル画像データを用いて、分布を算出する。次に、ステップＳ１１０では、Ｓ１０３で算出された、例えば１フレーム分の平均値と、前回の１フレーム分の平均値とを比較し、変更がないか判定する。判定に関して、具体手的に説明すると、例えば、図７で示したように、輝度信号電圧Ｖｓを丸付き数字１から丸付き数字４までの４つの領域に分割し、同じ領域にあった場合は、前回の平均と変更がないとする。この時の比較手法としては、仮に画像データの解像度が１０ビットであったとして、前回の平均値の上位２ビットをメモリ２０１に格納し、新たに算出された平均値の上位２ビットと比較するといった事を行えばよい。
【００２９】
次に、図６のフローチャートに戻り説明を続ける。ステップＳ１１０で変更が無かった場合はそのままステップＳ１０６のＡＤ変換に進む。これにより、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５といったステップ行う必要がなく、処理が煩雑になる事がない。
【００３０】
ステップＳ１１０でデータに変化があった場合はステップＳ１１１に進み、算出結果を記録し、Ｓ１０４にすすみ初期値を決定する。以後は実施形態１と同様であるり、これにより、得られる輝度信号電圧と、参照信号Ｖｒｅｆの初期値Ｖｉとの電圧差が少なくなり、輝度信号電圧Ｖｓまでのカウンタ動作時間Ｔｃ短くなる列ＡＤ変換が多くなり、消費電流を減らす事ができる。
【００３１】
ここでは、比較手法として、上位２ビットで比較するといった例を示したが、上位１ビットであっても良く、必ずしも上位２ビットの比較に限定されるものではない。
【００３２】
＜第３の実施形態＞
図８は本発明の第３の実施形態におけるブロック図である。また、図９は本発明第３の実施形態におけるフローチャート図である。
【００３３】
図８において、図１と同様な箇所は同じ番号を付けてここでの説明は省略する。図８において、２０４は外光を固体撮像素子１００に集光させるためのレンズ、２０５は外光を適正な露光量にする為の絞り、２０６はカメラの絞りを制御する絞り制御部、２０７は露光時間を制御する露光時間制御部、２０８は前記絞り制御部２０６と、露光時間制御部２０７をコントロールして、固体撮像素子１００への露光量を最適にし、画像の輝度信号を最適になるよう制御を行っている露光量制御部、２０９は２０８で設定された最適な輝度信号電圧を検出する輝度レベル検出部である。
【００３４】
第３の実施形態に関して図９のフローチャートを用いて説明する。
【００３５】
ステップＳ２０１において、輝度レベル検出部２０９で最適化された輝度レベルを検出し、ステップＳ２０２で、初期値制御部２０３で初期値を決定し、ステップＳ２０３で個体撮像素子１００に初期値を与え、Ｖｒｅｆ電圧をスタートさせる。ここでは、輝度レベル算出ブロックで算出された値とする。
【００３６】
次に、ステップＳ２０４で与えられた初期値からカウントが始まり、ＡＤ変換が行われる。ここでのタイミングチャートは図３のタイミングチャートとなる。
【００３７】
その後、ステップＳ２０５で固体撮像素子から画像データを出力し、ステップＳ２０６で画像データを記録、ステップＳ２０７で撮影が終了と判断されれば、撮影が終了し、そうでない場合は、ステップＳ２０８で露光量制御部で設定された値に変化がないか検出する。ここで、違いがあった場合はステップＳ２０１に進む。また設定された値に変化が無かった場合、ステップＳ２０９に進む。露出が適正だった場合はそのままステップＳ２０４に進み、露出が適正でなかった場合はステップＳ２１０で、２０５及び、２０７で制御し、露出を適正化する。
【００３８】
つまりは、Ｖｒｅｆの初期値をＡＥの設定値にしておくと、２０８の露光量制御部によって、Ｖｐｉｘの値が、Ｖｒｅｆの初期値付近になるように、制御される。これにより、得られる輝度信号電圧と、参照信号Ｖｒｅｆの初期値Ｖｉとの電圧差が少なくなり、輝度信号電圧Ｖｓまでのカウンタ動作時間Ｔｃ短くなる列ＡＤ変換が多くなり、消費電流を減らす事ができる。また、第１の実施形態で挙げた、輝度分布の算出という複雑な処理も減らす事が出来る。
【００３９】
＜第４の実施形態＞
図１０は本発明の第４の実施形態におけるブロック図である。図１０において、図１と同様な箇所は同じ番号を付けてここでの説明は省略する。図１０において、２１２はカメラの撮影モードを選択する、モード選択部、２１３は２１２で選択されたモードを検出するモード検出部である。ここでは、カメラの各撮影モードに合わせて、初期値を変更する所に違いがある。カメラにおいて、例えば、ユーザーがシーンモードを選択する。このシーンモードとは、様々なシーンにおいて適切な露出やホワイトバランス制御を、カメラが自動的に行うモードであるが、以下のようなモードがある。
【００４０】
ポートレートモード：背景をぼかして人物を浮き立たせるようにして人物をきれいにとるのに適したモード、
ナイトスナップモード：三脚なしで夜景と人物を綺麗に撮るのに適したモード、
・ビーチモード：太陽光の販社の強い海面や砂浜でも、人物などが暗くならずに撮影可能なモード、
・スノーモード：雪景色をバックにしても人物が暗くならず、青みも残さず撮影するモード、
例えば、ナイトスナップモードにおいては、被写体の輝度レベルが低い場合が多く、その際は、初期値を低い輝度レベルに設定する。また、ビーチモードや、スノーモードなどの野外を想定した撮影モードにおいては、輝度レベルが高い場合が多く、その際は初期値を高い輝度レベルに設定する。
【００４１】
これにより、得られる輝度信号電圧と、参照信号Ｖｒｅｆの初期値Ｖｉとの電圧差が少なくなり、輝度信号電圧Ｖｓまでのカウンタ動作時間Ｔｃ短くなる列ＡＤ変換が多くなり、消費電流を減らす事ができる。また、第１の実施形態であげた輝度分布の算出という複雑な処理も行う必要がない。
【符号の説明】
【００４２】
１００・・・固体撮像素子、１１１・・・画素アレイ部、１１２・・・光電変換素子を含む単位画素、１１３・・・行選択信号線、１１４・・・列信号線、１１５・・・行走査回路、１１６・・・列ＡＤ変換部、１１７・・・複数ある列単位のＡＤ変換機、１１８・・・比較器、１１９・・・アップダウンカウンタ、１２０・・・メモリ、１２１・・・信号出力線、１２２・・・出力回路、１２３・・・列走査回路、１２４・・・タイミング制御回路、１２５・・・ＤＡＣ回路、２００・・・システム部、２０１・・・画像データ格納用メモリ、２０２・・・データ算出部、２０３・・・初期値制御部、
【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図１２】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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