(57)【要約】【課題】撮影環境に応じて相関多重サンプリング処理のサンプリング回数を可変すること。【解決手段】温度センサ１１は画素アレイ部５１の温度を測定し、サンプリング回数決定部１２１は測定温度に反比例して温度サンプリング回数を設定する。出力レベル算出部２１は前回のフレームで出力された画像信号が示す画像の明るさを算出し、この明るさに反比例して明るさサンプリング回数を設定してサンプリング回数決定部１２１へ出力する。そして、サンプリング回数決定部１２１は温度サンプリング回数と明るさサンプリング回数を比較し、温度サンプリング回数が明るさサンプリング回数以下であるとき、温度サンプリング回数をサンプリング回数Ｍに設定してカラムＡＤＣアレイ部５３へ出力する。一方、温度サンプリング回数が明るさサンプリング回数より大きいとき、明るさサンプリング回数をサンプリング回数Ｍに設定してカラムＡＤＣアレイ部５３へ出力する。【選択図】図１
2013098598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素がマトリックス状に配置された画素部と、
前記画素部の各行を順次選択する垂直走査回路と、
前記画素部の各列に対応して設けられ、前記垂直走査回路により選択された行の画素が出力した画素信号をアナログ／デジタル変換して画像信号を出力するものであり、まず前記画素信号を相関多重サンプリング処理を用いてアナログ／デジタル変換して前記画像信号の上位ビット群を出力し、その後アナログ／デジタル変換を行うことによって前記画像信号の下位ビット群を出力する複数の読出回路と、
撮像状態情報を用いて前記相関多重サンプリング処理のサンプリング回数を設定する設定手段と、
を備えた撮像装置。
【請求項２】
前記撮像状態情報とは、前記画素部の温度情報及び／又は前記読出回路が前回出力した画像信号が示す画像の明るさである請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記画素部の温度を測定し、当該測定温度を前記画素部の温度情報として出力する出力手段と、
前記読出回路が前回出力した画像信号から画像の明るさを算出する算出手段と、
を更に備え、
前記画素部の温度情報を用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記画素部の温度が高いほど前記サンプリング回数を少なく、低いほど前記サンプリング回数を多く設定し、前記画像の明るさを用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記画像の明るさが明るいほど前記サンプリング回数を少なく、暗いほど前記サンプリング回数を多く設定し、前記画素部の温度情報及び前記画像の明るさの両方を用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記画素部の温度情報を用いて設定した前記サンプリング回数と前記画像の明るさを用いて設定した前記サンプリング回数のうち小さい方を前記サンプリング回数として設定するものである請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記設定手段は、前記画素部の温度が予め定められた温度より高い又は前記画像の明るさが予め定められた明るさより明るいときは前記サンプリング回数を０回に設定するものである請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記画素部は黒レベルの基準となる信号を生成する黒基準画素部を有し、
前記黒基準画素部が出力した信号の黒レベル値を算出し、当該黒レベル値を前記画素部の温度情報として出力する出力手段と、
前記読出回路が前回出力した画像信号から画像の明るさを算出する算出手段と、
を更に備え、
前記画素部の温度情報を用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記黒レベル値が高いほど前記サンプリング回数を少なく、低いほど前記サンプリング回数を多く設定し、前記画像の明るさを用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記画像の明るさが明るいほど前記サンプリング回数を少なく、暗いほど前記サンプリング回数を多く設定し、前記画素部の温度情報及び前記画像の明るさの両方を用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記黒レベル値を用いて設定したサンプリング回数と前記画像の明るさを用いて設定したサンプリング回数のうち小さい方を前記サンプリング回数として設定するものである請求項２に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記設定手段は、前記黒レベル値が予め定められた値より高い又は前記画像の明るさが予め定められた明るさより明るいときは前記サンプリング回数を０回に設定するものである請求項５に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、折り返し積分技術を利用した相関多重サンプリング回路とカラムＡＤＣ回路を備えた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の画素がマトリクス状に配列された画素部と、画素部の各列に対応して設けられ、各画素が出力した画素信号を読み出してデジタルの画像信号を出力するカラムＡＤＣ（Analog to Digital Converter）を備えるＣＭＯＳイメージセンサが知られている。このＣＭＯＳイメージセンサを用いた撮像装置においては、近年の高画質化の要請に伴い、イメージセンサが取得した画像信号の輝度範囲、即ちダイナミックレンジの低下防止が１つの大きなテーマとなっている。そこで、特許文献１〜３にはダイナミックレンジの拡大を図った技術が記載されている。
【０００３】
また、折り返し積分技術（Folding Integration Technique）を用いた列並列ＣＭＳ（Correlated Multiple Sampling：相関多重サンプリング）回路をカラムＡＤＣに用いることによって、ダイナミックレンジ低下を防止する方法が知られている。言い換えると、画素が出力したリセット信号とシグナル信号を、折り返し積分技術を用いてそれぞれ複数回サンプリングして積分し、その差分を画像信号とすることによって、画像信号のＳＮ比を良くする（ダイナミックレンジを広げる）方法である。
【０００４】
図７は、従来の固体撮像装置５の構成を示したブロック図である。固体撮像装置５には外部からＳＹＳＣＬＫ（例えば、５４ＭＨｚのクロック信号）が入力される。ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路５５はこのＳＹＳＣＬＫを取り込み、逓倍したクロック信号を出力する。タイミングジェネレータ（ＴＧ）５６はＰＬＬ回路５５にて逓倍されたクロック信号を取り込み、固体撮像装置５の構成要素の動作に必要なタイミング信号を生成する。またＴＧ５６は、タイミング信号を制御するレジスタを内部に有し、そのレジスタは外部から入力されるレジスタ制御信号によって読み書き可能となっている。
【０００５】
ローデコーダ５２は、垂直方向の走査回路と画素アレイ部５１を駆動するドライバ回路から構成されており、画素制御信号を生成して画素アレイ部５１に出力する。画素アレイ部５１は画素ＧＣがマトリクス状に配置されており、画素ＧＣ内のＦＥＴがローデコーダ５２によって行毎に駆動され、その出力線は列方向に共通に接続され、カラムＡＤＣアレイ部５３に接続されている。
【０００６】
カラムＡＤＣアレイ部５３は、各列に折り返し積分技術を用いたＣＭＳ回路３１が形成され、画素アレイ部５１からの画素信号を相関多重サンプリング処理を用いてデジタル信号に変換する。カラムデコーダ５４は水平方向の走査回路であり、ＴＧ５６から出力されるタイミング信号に従ってＣＭＳ回路３１を順次選択する。
【０００７】
カラムデコーダ５４によって選択されたＣＭＳ回路３１は、変換後のデジタル信号を画像信号として全列共通の水平信号線に出力する。センスアンプ５８は、水平信号線に出力された各列の画像信号を増幅して出力する。シリアライザ６０は、センスアンプ５８が出力したパラレルの画像信号をシリアライズし、ＬＶＤＳ信号の規格に乗せて外部に出力する。以上の構成要素は１チップに集積化されており、固体撮像素子５を構成している。
【０００８】
図８は、画素アレイ部５１を構成する画素ＧＣの一例を示した回路図である。１画素は光電変換素子（ＰＤ）、転送トランジスタ（ＴＸ）、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）、増幅トランジスタ（ＳＦ）及び行選択トランジスタ（ＳＥＬ）を備える。ＦＤ（Floating Diffusion）は浮遊拡散層であり、ＰＤが蓄積した電荷を電圧に変換する部分である。ＦＤによって電圧に変換されたＰＤ電荷は、ＳＦとＳＥＬを介して垂直信号線Ｌ＿１に出力する。
【０００９】
図９は、画素ＧＣの動作を示すタイミングチャートである。時刻ｔ０は、前フレームの露光期間の終了を示している。また、露光期間中はφＲＳＴをハイレベルにして、ＦＤを常時ＰＶＤＤでリセットし、ＰＤから溢れ出る電荷を排出している。
【００１０】
時刻ｔ１において、φＲＳＴをローレベル、φＶＳＥＮをハイレベル、φＴＸをローレベルにすることで、ＦＤのリセットレベルがＳＦ及びＳＥＬを介してＣＭＳ回路３１へ画素リセット信号として出力される。
【００１１】
時刻ｔ２において、φＲＳＴ及びφＶＳＥＮをローレベル、φＴＸをハイレベルにすることで、ＰＤに蓄積された電荷がＦＤへ転送される。そして時刻ｔ３において、φＲＳＴ及びφＴＸをローレベル、φＶＳＥＮをハイレベルにすることで、ＦＤに転送された信号レベルがＳＦ及びＳＥＬを介してＣＭＳ回路３１へ画素シグナル信号として出力される。ＣＭＳ回路３１では、時刻ｔ１で出力された画素リセット信号（ノイズ）と時刻ｔ２で出力された画素シグナル信号（ノイズ＋シグナル）の差分を取って画像信号を得ている。
【００１２】
図１０は、折り返し積分技術を用いたＣＭＳ回路３１の回路図であり、図１１はそのタイミングチャートである。図１０と図１１を用いてＣＭＳ回路３１の回路動作について説明する。
【００１３】
まず、画素ＧＣのＲＳＴをオンにしてＦＤをリセットすると共に、φＲをオンにして積分器９１をリセットする。次に、ＲＳＴをオフにし、ＳＥＬをオンにすることでＶＦＤの電圧レベルが画素リセット信号としてＣＭＳ回路３１に出力される。続けてφ１をオンにしてコンデンサＣ１に画素リセット信号を取り込み、φ２をオンにしてコンデンサＣ１とコンデンサＣ２とを接続してコンデンサＣ１が取り込んだ画素リセット信号をコンデンサＣ２に転送する。
【００１４】
この時、積分器９１の出力ＶＳＣが変化するが、積分器９１の出力に比較器９２を接続することで、閾値ＶＴとＶＳＣが常に比較される構成とする。ＶＳＣがＶＴより大きい場合、ＶＳＣの出力飽和を防ぐために、比較器９２の後段に接続されたＬＯＧＩＣ９３がφＤ１をオンにする。これにより、コンデンサＣ１の参照電圧がＶＲＥＦＨに切り替えられる。つまり、積分器９１の入力が大きく引き下げられ、コンデンサＣ１からコンデンサＣ２に信号転送が行われてもＶＳＣのプラス側への飽和を防ぐことができる。
【００１５】
一方、ＶＳＣがＶＴより小さい場合、比較器９２の後段に接続されたＬＯＧＩＣ９３がφＤ２をオンにする。これにより、コンデンサＣ１の参照電圧がＶＲＥＦＬに切り替えられる。つまり、積分器９１の入力が大きく引き上げられ、コンデンサＣ１からコンデンサＣ２に信号転送が行われてもＶＳＣのマイナス側への飽和を防ぐことができる。
【００１６】
このように、画素リセット信号をコンデンサＣ１にＭ回（Ｍは２以上の整数）サンプリングし、コンデンサＣ１からコンデンサＣ２に電荷転送することによって積分していく。この間、積分器９１の出力を比較器９２に接続し、ＶＳＣとＶＴの比較結果に応じてＬＯＧＩＣ９３がコンデンサＣ１の参照電圧をＶＲＥＦＬ又はＶＲＥＦＨに切り替えることにより、ＶＳＣの出力飽和を抑制している。
【００１７】
次に、ＴＸをオンにして、ＰＤからＦＤへ電荷転送を行う。その後、ＳＥＬをオンにすることでＦＤの電圧レベルが画素シグナル信号として出力され、画素リセット信号の読み出しと同じように、コンデンサＣ１からコンデンサＣ２に電荷転送される。比較器９１はＶＳＣとＶＴを比較してＬＯＧＩＣ９３がコンデンサＣ１の参照電圧をＶＲＥＦＬ又はＶＲＥＦＨに切り替える。画素シグナル信号のサンプリングはＭ回行われる。
【００１８】
ＣＭＳ回路３１に入力する信号が大きければ大きいほど、ＶＳＣの出力飽和を防ぐためにＬＯＧＩＣ９３がＶＲＥＦＨを選択する回数が多くなる。つまり、比較器９１がＶＳＣ＞ＶＴと判断した回数（信号Ｄがハイになった回数＝ＬＯＧＩＣ９３がφＤ１をオンにしてＶＲＥＦＨを選択した回数）をＣＯＵＮＴＥＲ９４がカウントし、この結果が画素リセット信号及び画素シグナル信号のデジタル変換後の信号となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００７−２５１９９７号公報
【特許文献２】特開平１１−２２０６５９号公報
【特許文献３】特開２００３−２５００９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
図１２は、ＣＭＳ回路３１のサンプリング回数Ｍと最終的なノイズの関係を示したグラフである。ノイズはＭのルート分の１の係数である値に漸近する形で減少する。つまり、サンプリング回数がある回数域を超えると、ノイズ低減効果は減少する。
【００２１】
一方で、ノイズ低減は図１０に示すコンデンサＣ１及びＣ２に対するサンプリング、積分動作で実現される。ノイズ低減効果を得るためには、コンデンサＣ１及びＣ２の容量を大きくする必要があり、容量を大きくすることで、サンプリング及び積分処理に伴う充電電流が大きくなり、画素アレイ部５１の消費電流が増大する。この消費電流の増大は、チップ温度の上昇を招き、温度上昇による暗電流のバラツキ増加によって画素信号のノイズが増大する。つまり、相関多重サンプリング処理を用いたことによるノイズ低減効果を十分得ることができなかった。
【００２２】
本発明の目的は、撮影環境に応じて相関多重サンプリング処理のサンプリング回数を可変することによってチップ温度の上昇を防ぎ、更にノイズ低減効果を得ることができる撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明による撮像装置は、複数の画素がマトリックス状に配置された画素部と、前記画素部の各行を順次選択する垂直走査回路と、前記画素部の各列に対応して設けられ、前記垂直走査回路により選択された行の画素が出力した画素信号をアナログ／デジタル変換して画像信号を出力するものであり、まず前記画素信号を相関多重サンプリング処理を用いてアナログ／デジタル変換して前記画像信号の上位ビット群を出力し、その後アナログ／デジタル変換を行うことによって前記画像信号の下位ビット群を出力する複数の読出回路と、撮像状態情報を用いて前記相関多重サンプリング処理のサンプリング回数を設定する設定手段と、を備えたものである。
【００２４】
画素部から画素信号を読み出してアナログ／デジタル変換する読出回路に相関多重サンプリング回路を用いると、ノイズ低減効果は得られるが、充電電流の増大により画素部の消費電流が大きくなる。消費電力が増えると、基板温度が上昇し、更には暗電流のバラツキ増加を招くため、逆にノイズが増えてしまい、相関多重サンプリング処理によるノイズ低減効果を得られにくかった。
【００２５】
そこで、撮像状態情報に基づいてサンプリング回数を設定する。こうすることで、撮影環境に応じたサンプリングを行うことができる。言い換えると、必要以上の無駄なサンプリングを行うことを防ぐことができる。従って、消費電流の増加、基板温度の上昇を抑えることができ、撮影環境に応じたＳＮ比の高い画像信号を得ることができる。
【００２６】
また、上記構成において、前記撮像状態情報とは、前記画素部の温度情報及び／又は前記読出回路が前回出力した画像信号が示す画像の明るさであることが好ましい。
【００２７】
画素部の温度が上昇すると、画素部の暗電流のバラツキが大きくなり、画像信号のＳＮ比に影響を及ぼす。また、画像が明るい（撮影環境が明るい）と、画像信号のＳＮ比は大きくなりノイズが目立たなくなるが、画像が暗いとＳＮ比は小さくなりノイズが目立つ。このように画素部の温度や画像の明るさによってＳＮ比は異なるため、サンプリング回数も各情報に応じて可変されることによって、無駄なサンプリングをなくすことができる。
【００２８】
また、上記構成において、前記画素部の温度を測定し、当該測定温度を前記画素部の温度情報として出力する出力手段と、前記読出回路が前回出力した画像信号から画像の明るさを算出する算出手段と、を更に備え、前記画素部の温度情報を用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記画素部の温度が高いほど前記サンプリング回数を少なく、低いほど前記サンプリング回数を多く設定し、前記画像の明るさを用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記画像の明るさが明るいほど前記サンプリング回数を少なく、暗いほど前記サンプリング回数を多く設定し、前記画素部の温度情報及び前記画像の明るさの両方を用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記画素部の温度情報を用いて設定した前記サンプリング回数と前記画像の明るさを用いて設定した前記サンプリング回数のうち小さい方を前記サンプリング回数として設定するものであることが好ましい。
【００２９】
この構成によれば、設定手段は、画素部の温度が高いほどサンプリング回数を少なく設定するため、サンプリングが複数回行われることによる画素部の温度上昇を抑えることができる。更に、設定手段は、画像が明るいほどサンプリング回数を少なく設定するため、無駄なサンプリングを防ぎ、消費電力の増加、画素部の温度上昇を抑えることができる。
【００３０】
そして、設定手段は、画素部の温度が低いほどサンプリング回数を多く設定し、画像が暗いほどサンプリング回数を多く設定する。つまり、画素部の温度が低く、撮影環境が暗いと、読出回路はサンプリングを繰り返すために高いＳＮ比の画像信号を得ることができる。
【００３１】
また、上記構成において、前記設定手段は、前記画素部の温度が予め定められた温度より高い又は前記画像の明るさが予め定められた明るさより明るいときは前記サンプリング回数を０回に設定するものであることが好ましい。
【００３２】
画素部の温度が予め定められた温度より高いときは暗電流のバラツキ増加により相関多重サンプリング処理によるノイズ低減効果を十分得られない可能性がある。そこで、設定手段がサンプリング回数を０回にすることで消費電流が低減して、画素部の温度上昇を抑え、暗電流の増大によるノイズ増加を防ぐことができる。
【００３３】
また、撮影環境が十分明るいときは相関多重サンプリング処理によるノイズ低減処理はなくてもよい。従って、設定手段がサンプリング回数を０回にすることで、無駄なサンプリングを防ぎ、画素部の温度上昇を抑えることができる。尚、設定手段がサンプリング回数を０回に決定すると、読出回路は、画素部から読み出したリセット信号及びシグナル信号に対してアナログ／デジタル変換を巡回的に繰り返すことによって画像信号を出力する（読出回路は巡回型ＡＤＣ回路としてのみ機能する）。
【００３４】
また、上記構成において、前記画素部は黒レベルの基準となる信号を生成する黒基準画素部を有し、前記黒基準画素部が出力した信号の黒レベル値を算出し、当該黒レベル値を前記画素部の温度情報として出力する出力手段と、前記読出回路が前回出力した画像信号から画像の明るさを算出する算出手段と、を更に備え、前記画素部の温度情報を用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記黒レベル値が高いほど前記サンプリング回数を少なく、低いほど前記サンプリング回数を多く設定し、前記画像の明るさを用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記画像の明るさが明るいほど前記サンプリング回数を少なく、暗いほど前記サンプリング回数を多く設定し、前記画素部の温度情報及び前記画像の明るさの両方を用いて前記サンプリング回数を設定する場合、前記設定手段は前記黒レベル値を用いて設定したサンプリング回数と前記画像の明るさを用いて設定したサンプリング回数のうち小さい方を前記サンプリング回数として設定することが好ましい。
【００３５】
黒基準画素部が出力する信号は、画素部の温度に比例するため、画素部の温度情報として用いることができる。また、黒基準画素部を用いて黒レベル値を算出する回路は、黒基準画素部以外の有効画素が出力した画素信号の黒レベルを補正するため一般的に用いられる回路であるため、特別な回路を配置することなく、温度情報を取得することができる。
【００３６】
そして、設定手段は、画像の明るさと黒レベル値に基づいてサンプリング回数を決定する。こうすることで、必要以上の無駄なサンプリングを防ぎ、消費電流の増加、画素部の温度の上昇を抑えることができる。そして、撮影環境に応じたＳＮ比の高い画像信号を得ることができる。
【００３７】
また、上記構成において、前記設定手段は、前記黒レベル値が予め定められた値より高い又は前記画像の明るさが予め定められた明るさより明るいときは前記サンプリング回数を０回に設定するものであることが好ましい。
【００３８】
黒レベル値が予め定められた値より高いということは、画素部の温度が高いことを示しているため、暗電流が増加して相関多重サンプリング処理によるノイズ低減効果を十分得られない可能性がある。そこで、無駄なサンプリングを行わないために設定手段がサンプリング回数を０回にすることで消費電流が低減し、画素部の温度上昇を抑えることができる。
【００３９】
また、撮影環境が十分明るいときは相関多重サンプリング処理によるノイズ低減処理は必要ない。従って、設定手段がサンプリング回数を０回にすることで、無駄なサンプリングを防ぎ、画素部の温度上昇を抑えることができる。尚、設定手段がサンプリング回数を０回にすると、読出回路は、画素部から読み出したリセット信号及びシグナル信号に対してアナログ／デジタル変換を巡回的に繰り返すことによって画像信号を出力する（読出回路は巡回型ＡＤＣ回路としてのみ機能する）。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、設定手段が画素部の温度情報や画像の明るさに応じて相関多重サンプリング処理のサンプリング回数を決定するため、無駄なサンプリングをなくし、最適なサンプリング回数を設定することができる。無駄なサンプリングがなくなることにより、消費電流が低減するため、画素部の温度上昇が抑えられると共に暗電流のバラツキを抑えることができ、画素信号のノイズを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１の実施の形態における撮像装置の構成を示したブロック図。
【図２】カラムＡＤＣの等価回路。
【図３】第１の実施の形態におけるサンプリング回数決定部がサンプリング回数Ｍの決定する際の処理の流れを示したフローチャート。
【図４】第２の実施の形態における撮像装置の構成を示したブロック図。
【図５】第３の実施の形態における撮像装置の構成を示したブロック図。
【図６】第３の実施の形態におけるサンプリング回数決定部がサンプリング回数Ｍの決定する際の処理の流れを示したフローチャート。
【図７】従来の固体撮像装置の構成を示したブロック図。
【図８】画素アレイ部を構成する画素ＧＣの一例を示した回路図。
【図９】画素ＧＣの動作を示すタイミングチャート。
【図１０】折り返し積分技術を用いたＣＭＳ回路の回路図。
【図１１】折り返し積分技術を用いたＣＭＳ回路の動作を示すタイミングチャート。
【図１２】ＣＭＳ回路のサンプリング回数と最終的なノイズの関係を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明における撮像装置について第１〜第３の実施の形態を用いて説明する。尚、以下の実施の形態における撮像装置における画素アレイ部５１の画素ＧＣは図８に示した画素ＧＣと同じであり、他の構成要素についても図７に示した従来の固体撮像装置５の構成要素と同じものは同じ符号を付し、説明を省略する。
【００４３】
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態における撮像装置１の構成を示したブロック図である。撮像装置１は、固体撮像装置１０１と出力レベル算出部２１を有する。尚、固体撮像装置１０１については従来の固体撮像装置５と異なる部分のみ説明する。ここで、画素アレイ部５１は画素部に相当し、ローデコーダ５２は垂直走査回路に相当し、カラムＡＤＣアレイ部５３は読出回路に相当する。
【００４４】
出力レベル算出部２１（算出手段、設定手段）は、固体撮像装置１０１から出力された画像信号の明るさを算出し、明るさサンプリング回数を設定して後述する明るさＳＨレジスタ１２３へ出力する。明るさサンプリング回数については後ほど詳しく説明する。
【００４５】
温度センサ１１（出力手段）は、画素アレイ部５１の温度を測定するためのセンサであり、測定温度を後述するサンプリング回数決定部１２１へ出力する。
【００４６】
ＴＧ１２はサンプリング回数決定部（設定手段）１２１、温度ＳＨレジスタ１２２及び明るさＳＨレジスタ１２３を有する。サンプリング回数決定部１２１は、温度センサ１１が出力した測定温度から温度サンプリング回数を設定し、設定した回数を温度ＳＨレジスタ１２２へ書き込む。その後サンプリング回数決定部１２１は、温度ＳＨレジスタ１２２が記憶する温度サンプリング回数と明るさＳＨレジスタ１２３が記憶する明るさサンプリング回数を比較して、カラムＡＤＣ１３が用いるサンプリング回数Ｍを決定する。サンプリング回数Ｍの決定方法は、後ほど詳しく説明する。
【００４７】
図２は、カラムＡＤＣ１３の等価回路である。カラムＡＤＣ１３は、折り返し積分技術を利用したＣＭＳ回路と巡回型ＡＤＣとを組み合わせた回路である。具体的には、巡回型ＡＤＣ回路を利用してＣＭＳ処理を実現させている。つまり、図２は折り返し積分技術を利用したＣＭＳ回路と巡回型ＡＤＣを組み合わせた回路としているが、実際には巡回型ＡＤＣ回路だけで折り返し積分技術を用いたＣＭＳ回路としての機能も実現できるようになっている。
【００４８】
カラムＡＤＣ１３は、サンプリング／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路１３１、加算器１３２、ＳＣ積分器１３３、１．５ｂＡＤＣ回路１３４、１．５ｂＤＡＣ回路１３５、加算回路１３６、レジスタ１３７及び１３８を有する。そして、図２の右側の回路図は、カラムＡＤＣ１３のフェーズ毎のブロック１３０の回路形態を示している。図２には記載されていないスイッチの接続がフェーズ毎に切り替わることによって、図２の右側に示したブロック１３０Ａ、１３０Ｂ及び１３０Ｃの形態に遷移する。
【００４９】
カラムＡＤＣ１３の回路動作としては、初めにサンプリング回数決定部１２１が決定した回数Ｍに従って相関多重サンプリング処理することによって画像信号の上位ビットを取得し、その後巡回型ＡＤＣ回路が下位ビットを決定する。
【００５０】
まず、画像信号の上位ビットを決めるＡＤ変換動作（折り返し積分技術を用いた相関多重サンプリング処理によるＡＤ変換）について説明する。この折り返し積分技術を用いた相関多重サンプリング処理によるアナログ／デジタル変換の際の回路形態は、図２の右側に示したブロック１３０Ａとブロック１３０Ｂが交互に遷移することで表すことができる。
【００５１】
カラムＡＤＣ１３におけるφＦＩＡＤＣがオン、φＣＡＤＣがオフとなることで、ブロック１３０は、図２の右側に示すブロック１３０Ａの回路形態となる。ブロック１３０Ａにおいて、画素ＧＣが出力する画素リセット信号又は画素シグナル信号がＶＩＮとして入力され、コンデンサＣ１が信号を取り込む。続いてブロック１３０Ｂの回路形態に移り、コンデンサＣ１の電荷がコンデンサＣ２に転送され、積分器１３３が積分動作を行う。
【００５２】
そして、再びブロック１３０Ａに戻り、１．５ｂＡＤＣ回路（比較器）１３４が積分器１３３の出力と参照電圧（±１／２ＶＲＥＦ）を比較する。続いてブロック１３０Ｂの回路形態に移り、１．５ｂＡＤＣ回路１３４の比較結果に基づいてＤＡＣ１３５が積分器１３３の出力が飽和しないようにコンデンサＣ１の参照電圧を切り換える。
【００５３】
この一連の動作を画素リセット信号及び画素シグナル信号についてＭ回（サンプリング回数決定部１２１が決定した回数）繰り返すことで相関多重サンプリング処理を実現し、ノイズ低減を図ることができる。そしてＡＤＤＥＲ１３６とＲＥＧＩＳＴＥＲ１３７によって構成されたＣＯＵＮＴＥＲが１．５ｂＡＤＣ回路１３４の出力Ｄ１がハイレベルになった回数（積分器１３３の出力が参照電圧（＋１／２ＶＲＥＦ）を超えた回数）をカウントすることによって、信号をデジタル変換したときの上位ビット群が決定される。
【００５４】
続いて、画像信号の下位ビットを決めるＡＤ変換動作（巡回型ＡＤＣ）について説明する。この巡回型ＡＤＣ回路を用いたアナログ／デジタル変換の際の回路形態は、図２の右側に示したブロック１３０Ｂとブロック１３０Ｃが交互に遷移することで表すことができる。下位ビットは、折り返し積分技術を用いた相関多重サンプリング処理によるＡＤ変換終了後の残差電圧を巡回型ＡＤＣによってＡ／Ｄ変換して求める。まずブロック１３０Ｃにおいて、コンデンサＣ２はアンプ１３３（ブロック１３０Ａ及び１３０Ｂでは積分器として使用）の入出力間で接続され、１．５ｂＡＤＣ１３４がアンプ１３３の出力と参照電圧（±１／４ＶＲＥＦ）を比較する。
【００５５】
続いてブロック１３０Ｂの回路形態に移り、コンデンサＣ１の一端がＤＡＣ１３５に接続され、他端がアンプ１３３の入力に接続される。１．５ｂＡＤＣ回路１３４の比較結果に基づいてＤＡＣ１３５が積分器１３３の出力が飽和しないようにコンデンサＣ１の参照電圧を切り換える。更に、ＤＡＣ１３５の出力に１．５ｂＡＤＣ１３４の比較結果を供給することで、元信号と前段ＡＤ変換結果との差分信号が生成され、次のサイクルでコンデンサＣ１に接続するアナログ電圧が決まる。再びブロック１３０Ｃに戻り、前のサイクルのアンプ１３３の出力は、入力側にフィードバックされて、次のサイクルのＡＤ変換が開始する。
【００５６】
この一連の動作が必要回数繰り返される。そして、ブロック１３０Ｃの出力Ｄ１及びＤ０と出力されるデジタルコード、１．５ｂＡＤＣ１３４への入力Ｖとの関係は次式のようになる。
【００５７】
【数１】
2013098598.tif 000003
【００５８】
即ち、１．５ｂＡＤＣ１３４は、入力Ｖを（１）−ＶＲＥＦから−ＶＲＥＦ／４、（２）−ＶＲＥＦ／４からＶＲＥＦ／４、（３）ＶＲＥＦ／４からＶＲＥＦの３領域に分割し、これらの領域に対して３値のＡ／Ｄ変換を行って−１、０、１のデジタルコードを割り当てて出力する。最初に出力されたデジタルコードが上位桁となる。
【００５９】
尚、図２に示すカラムＡＤＣ１３の詳しい回路動作については、「ISSCC2011『An 80μ Vrms-Temporal-Noise 82dB-Dynamic Range CMOS Image Sensor with a 13-to-10b Variable-Resolution Column-Parallel Folding-Integration/Cyclic ADC』」を参考にされたい。更に、巡回型ＡＤＣの詳しい回路動作については、特開２００５−１３６５４０号公報を参考にされたい。
【００６０】
また、本実施の形態では、折り返し積分技術を利用したＣＭＳ回路に対して相性の良い巡回型ＡＤＣを用いてカラムＡＤＣ１３を構成した場合を例に説明するが、巡回型ＡＤＣに限定されるものではない。
【００６１】
図１に戻る。上記したように、サンプリング回数決定部１２１は、温度センサ１１が出力した測定温度を取り込んで、カラムＡＤＣ１３による画素信号のサンプリング回数Ｍを決定する。図３は、第１の実施の形態におけるサンプリング回数決定部１２１がサンプリング回数Ｍの決定する際の処理の流れを示したフローチャートである。図３を用いて、サンプリング回数Ｍの決定方法を説明する。
【００６２】
まず、温度センサ１１は画素アレイ部５１の温度を測定し、測定温度をサンプリング回数決定部１２１へ出力する（ステップＳ１１）。サンプリング回数決定部１２１は、測定温度に反比例して温度サンプリング回数を設定し、その回数を温度ＳＨレジスタ１２２へ書き込む（ステップＳ１２）。温度サンプリング回数とは、サンプリング回数決定部１２１がサンプリング回数Ｍを最終決定するときに用いる値である。
【００６３】
例えば、温度サンプリング回数の最大値を１６回としたとき、サンプリング回数決定部１２１は、測定温度が高くなるに従って温度サンプリング回数が１２回、１０回、８回、４回・・・と少なくなるように設定する。サンプリング回数決定部１２１は、測定温度に対応付けて温度サンプリング回数が記憶されたデータテーブルを予め記憶し、このデータテーブルを用いて温度サンプリング回数を設定してもよいし、予め定められた計算式に測定温度を代入することによって温度サンプリング回数を導出するようにしてもよい。
【００６４】
画素アレイ部５１の温度が上昇すると暗電流のバラツキが大きくなり、画像信号のＳＮ比に影響を及ぼす。そこで、サンプリング回数決定部１２１は、温度サンプリング回数を測定温度に反比例させて決定する。こうすることで、画素アレイ部５１の温度が要求するサンプリング回数Ｍ（温度サンプリング回数）は画素アレイ部５１の温度が高いほど少なくなる。サンプリング回数Ｍが少ないと、カラムＡＤＣ１３におけるサンプリング及び積分処理の回数が減って画素アレイ部５１の消費電流が少なくなり、画素アレイ部５１の温度上昇を抑制又は低下させることができる。これにより画素アレイ部５１の暗電流のバラツキが減り、ノイズを抑えることができる。
【００６５】
出力レベル算出部２１は、前回のフレームで出力された画像信号が示す画像の明るさを算出し（ステップＳ１３）、この明るさに反比例して明るさサンプリング回数を設定してその回数を明るさＳＨレジスタ１２３へ出力する（ステップＳ１４）。
【００６６】
例えば、明るさサンプリング回数の最大値を１６回としたとき、サンプリング回数決定部１２１は画像が明るくなるに従って明るさサンプリング回数が１２回、１０回、８回、４回・・・と少なくなるように設定する。画像が明るい（撮影環境が明るい）と、画像信号のＳＮ比は大きくなりノイズが目立たなくなるが、画像が暗いとＳＮ比は小さくなりノイズが目立つ。そこで、出力レベル算出部２１が明るさサンプリング回数を画像の明るさに反比例させて設定することで、画像の明るさが要求するサンプリング回数Ｍ（明るさサンプリング回数）は画像が暗いほど多くなる。サンプリング回数Ｍが増えると、カラムＡＤＣ１３の折り返し積分技術を利用した列並列ＣＭＳ回路によるノイズ低減効果を得ることができる。
【００６７】
出力レベル算出部２１が算出する画像の明るさは、画像の中の最も暗い領域の出力値を元に算出してもよいし、画像の平均出力、ヒストグラムにおける所定の値（例えばメジアン値）等を元に算出してもよい。また、出力レベル算出部２１は、画像の明るさをもとに決定されるＡＥ（Auto Exposure）制御値、絞り値、又は画素ＧＣの積分時間等を連動させて明るさサンプリング回数を決定してもよい。
【００６８】
そして、サンプリング回数決定部１２１は、温度ＳＨレジスタ１２２から温度サンプリング回数を、明るさＳＨレジスタ１２３から明るさサンプリング回数を読み出し、両者を比較する（ステップＳ１５）。温度サンプリング回数が明るさサンプリング回数以下であるとき（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、サンプリング回数決定部１２１は温度サンプリング回数をサンプリング回数Ｍに設定してカラムＡＤＣアレイ部５３へ出力する（ステップＳ１６）。一方、温度サンプリング回数が明るさサンプリング回数より大きいとき（ステップＳ１５；ＮＯ）、サンプリング回数決定部１２１は明るさサンプリング回数をサンプリング回数Ｍに設定してカラムＡＤＣアレイ部５３へ出力する（ステップＳ１７）。
【００６９】
この一連の処理は１フレーム毎に行われる。尚、温度センサ１１による温度測定は、１フレーム毎ではなく、数フレームに１回の割合で行ってもよい。温度センサ１１による温度測定が行われなかったときのサンプリング回数Ｍは、温度ＳＨレジスタ１２２が記憶する温度サンプリング回数を用いてサンプリング回数Ｍが決定される。
【００７０】
また、本実施の形態では、サンプリング回数決定部１２１は画素アレイ部５１の温度と画像の明るさの両方を用いてサンプリング回数Ｍを決定しているが、何れか一方のみを用いて決定してもよい。
【００７１】
以上、説明したように、カラムＡＤＣ１３における折り返し積分技術を利用したＣＭＳ回路のサンプリング回数Ｍを、画素アレイ部５１の温度が高い又は画像が明るいときはサンプリング回数Ｍが少なくなるように設定することで、カラムＡＤＣ１３のサンプリング及び積分処理の回数が減って画素アレイ部５１の消費電流が少なくなり、画素アレイ部５１の温度上昇を抑制することができる。これにより、画素アレイ部５１の温度上昇に伴う暗電流のバラツキを低減することができ、ＳＮ比を良くすることができる。
【００７２】
一方、画素アレイ部５１の温度が低い又は画像が暗いときはサンプリング回数Ｍが多くすることで、高いＳＮ比の画像信号を得ることができ、撮影環境が暗くても高画質の画像を得ることができる。
【００７３】
このように、サンプリング回数Ｍが画素アレイ部５１の温度と撮影環境を考慮して決定されるため、画素アレイ部５１の温度上昇を抑えつつ、相関多重サンプリング処理によるノイズ低減効果を効果的に得ることができる。
【００７４】
〔第２の実施の形態〕
第１の実施の形態では、出力レベル算出部２１は固体撮像装置１０１の外部に別途設けられていたが、第２の実施の形態では、出力レベル算出部２２を固体撮像装置１０２内に配置して１チップ化した場合について説明する。
【００７５】
図４は、第２の実施の形態における撮像装置１の構成を示したブロック図である。尚、第１の実施の形態における撮像装置１の構成要素と同じものについては同じ符号を付し、説明を省略する。また、本実施の形態におけるサンプリング回数決定部１２１がサンプリング回数Ｍの決定する際の処理の流れは、図３のフローチャートと同じである。
【００７６】
出力レベル算出部２２は、前回のフレームで出力された画像信号が示す画像の明るさを算出し、この明るさに反比例して明るさサンプリング回数を決定する。第１の実施の形態において説明した出力レベル算出部２１と同様に、明るさサンプリング回数の最大値を例えば１６回としたとき、画像が明るくなるに従って明るさサンプリング回数が１２回、１０回、８回、４回・・・と少なくなるように決定する。こうすることで、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
〔第３の実施の形態〕
第１及び第２の実施の形態では、画素アレイ部５１の温度と画像の明るさに基づいてサンプリング回数Ｍが決まる撮像装置１について説明した。第３の実施の形態では、画素アレイ部５１の温度に替わって画素アレイ部５１の黒基準画素部が出力する黒レベル信号を用いてサンプリング回数決定部１２１がサンプリング回数Ｍを決める場合について説明する。
【００７８】
図５は、第３の実施の形態における撮像装置１の構成を示したブロック図である。尚、第２の実施の形態における撮像装置１の構成要素と同じものについては同じ符号を付し、説明を省略する。また、第１の実施の形態と同様に、出力レベル算出部２２は固体撮像装置１０３の外部に設けられていても構わない。
【００７９】
画素アレイ部５１は、黒レベルの基準信号を出力する遮光された黒基準画素部５１Ｂを有する。黒レベル算出部２３（出力手段）は、黒基準画素部５１Ｂから出力された画素信号を用いて黒レベル値を算出する。この黒レベル値は、黒基準画素部５１Ｂ以外の有効画素が出力した画素信号の黒レベルの補正に用いられる。
【００８０】
また、黒レベル値は画素部の温度に比例する。そこで、サンプリング回数決定部１２１は黒レベル算出部２３が算出した黒レベル値をチップの温度情報として用いてが希望サンプリング回数を決定する。希望サンプリング回数とは、温度サンプリング回数及び明るさサンプリング回数と同様に、サンプリング回数決定部１２１がサンプリング回数Ｍを最終決定するときに用いる値である。
【００８１】
例えば、希望サンプリング回数の最大値を１６回としたとき、サンプリング回数決定部１２１は、黒レベル値が低くなるに従って希望サンプリング回数が１２回、１０回、８回、４回・・・と少なくなるように設定する。黒レベル値が高いときは画素アレイ部５１の温度が高いことを示しているため、暗電流の量が多い。即ち、暗電流のバラツキが増加し、相関多重サンプリング処理によるノイズ低減効果が得られにくい。従って、無用なサンプリングを重ねて画素アレイ部５１の温度が上昇することを防ぐために希望サンプリング回数を少なく設定する。
【００８２】
一方、黒レベル値が低いときは画素アレイ部５１の温度が低いことを示しているため、暗電流の量も少なく、相関多重サンプリング処理によるノイズ低減効果を得られやすい。従って、サンプリング回数決定部１２１は希望サンプリング回数を多く設定する。こうすることで、黒レベル値が要求するサンプリング回数Ｍ（希望サンプリング回数）は黒レベル値が低いほど多くなる。サンプリング回数Ｍが増えると、カラムＡＤＣ１３の折り返し積分技術を利用した相関多重サンプリングによるノイズ低減効果を得ることができる。
【００８３】
また、黒レベル算出部２３は有効画素が出力した信号の黒レベル補正を行うために一般的に用いられている回路部である。そのため、特別な回路を配置することなく、画素アレイ部５１の温度を示す情報を得ることができる。
【００８４】
ＴＧ１２は、温度ＳＨレジスタ１２２に替えて、黒レベルＳＨレジスタ１２４を有する。サンプリング回数決定部１２１は、黒レベル算出部２３が出力した黒レベル値から希望サンプリング回数を設定し、設定した回数を黒レベルＳＨレジスタ１２４へ書き込む。その後サンプリング回数決定部１２１は、黒レベルＳＨレジスタ１２４が記憶する希望サンプリング回数と明るさＳＨレジスタ１２３が記憶する明るさサンプリング回数を比較して、カラムＡＤＣ１３が用いるサンプリング回数Ｍを決定する。
【００８５】
図６は、第３の実施の形態におけるサンプリング回数決定部１２１がサンプリング回数Ｍの決定する際の処理の流れを示したフローチャートである。まず、黒レベル算出部２３は黒基準画素部５１の黒レベル値を算出し、黒レベル値をサンプリング回数決定部１２１へ出力する（ステップＳ２１）。サンプリング回数決定部１２１は、黒レベル値に反比例して希望サンプリング回数を設定し、その回数を黒レベルＳＨレジスタ１２４へ書き込む（ステップＳ２２）。
【００８６】
出力レベル算出部２２は、前回のフレームで出力された画像信号が示す画像の明るさを算出し（ステップＳ２３）、この明るさに基づいて明るさサンプリング回数を設定してその回数を明るさＳＨレジスタ１２３へ出力する（ステップＳ２４）。
【００８７】
次に、サンプリング回数決定部１２１は、黒レベルＳＨレジスタ１２４から希望サンプリング回数を、明るさＳＨレジスタ１２３から明るさサンプリング回数を読み出して、両者を比較する（ステップＳ２５）。希望サンプリング回数が明るさサンプリング回数以下であるとき（ステップＳ２５；ＹＥＳ）、サンプリング回数決定部１２１は希望サンプリング回数をサンプリング回数Ｍに設定してカラムＡＤＣアレイ部５３へ出力する（ステップＳ２６）。一方、希望サンプリング回数が明るさサンプリング回数より大きいとき（ステップＳ２５；ＮＯ）、サンプリング回数決定部１２１は明るさサンプリング回数をサンプリング回数Ｍに設定してカラムＡＤＣアレイ部５３へ出力する（ステップＳ２７）。
【００８８】
尚、本実施の形態では、サンプリング回数決定部１２１は黒レベル値と画像の明るさの両方を用いてサンプリング回数Ｍを決定しているが、何れか一方のみを用いて決定してもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１      撮像装置
１０１、１０２、１０３  固体撮像装置
１１    温度センサ
１２    ＴＧ
１２１  サンプリング回数決定部
１２２  温度ＳＨレジスタ
１２３  明るさＳＨレジスタ
１２４  黒レベルＳＨレジスタ
１３    カラムＡＤＣ
２１、２２  出力レベル算出部
２３    黒レベル算出部
５１    画素アレイ部
５２    ローデコーダ
５３    カラムＡＤＣアレイ部
５４    カラムデコーダ
５５    ＰＬＬ
５７    ＤＡＣ
５８    センスアンプ
６０    シリアライザ
【図１】
2013098598.tif 000004
【図２】
2013098598.tif 000005
【図３】
2013098598.tif 000006
【図４】
2013098598.tif 000007
【図５】
2013098598.tif 000008
【図６】
2013098598.tif 000009
【図７】
2013098598.tif 000010
【図８】
2013098598.tif 000011
【図９】
2013098598.tif 000012
【図１０】
2013098598.tif 000013
【図１１】
2013098598.tif 000014
【図１２】
2013098598.tif 000015