(57)【要約】【課題】ゲインを適宜変更することができ、かつ従来技術よりも消費電力を抑制する。【解決手段】固体撮像装置１は、画素アレイ１０と、時間的に単調に変化する参照信号を生成する参照信号生成部２７と、画素から出力された画素信号と参照信号とを比較するコンパレータ２５２と、入力されたクロックをカウントするカウンタ２５４と、参照信号の変化を開始させてからコンパレータ２５２が画素信号と参照信号との一致を示すまでにカウンタ２５４によりカウントされて得られたカウント値を保持するメモリ２５６と、カウンタ２５４に入力するクロックを生成し外部から入力されたデータに基づいてカウンタに入力するクロックの周波数を変更するタイミング制御部２０とを備える。【選択図】図１
2009159069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を行列状に配列してなる画素アレイと、
時間的に単調に変化する参照信号を生成する参照信号生成部と、
前記画素アレイの各列に対応して配設され、対応する列の画素から出力された画素信号と前記参照信号生成部により生成された参照信号とを比較するコンパレータと、
入力されたクロックをカウントするカウンタと、
前記画素アレイの各列に対応して配設され、前記参照信号生成部が参照信号の変化を開始させてから対応する列のコンパレータが画素信号と参照信号との一致を示すまでに前記カウンタによりカウントされて得られたカウント値を保持するメモリと、
前記カウンタに入力するクロックを生成し、外部から入力されたデータに基づいて前記カウンタに入力するクロックの周波数を変更するクロック制御部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記データは、画素から出力された画素信号のレベルに関するデータを含み、
前記クロック制御部は、前記画素から出力された画素信号のレベルに応じてクロックの周波数を変更すること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記クロック制御部は、前記画素から出力された画素信号のレベルが高いほどクロックの周波数を低くすること
を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記クロック制御部は、前記カウンタに入力するクロックの周波数が高いほど前記カウンタにクロックを入力する期間を短くすること
を特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記参照信号生成部は、前記画素から出力された画素信号のレベルに応じて参照信号の時間的変化の変化率を変更すること
を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記参照信号生成部は、前記画素から出力された画素信号のレベルが高いほど参照信号の時間的変化の変化率を高めること
を特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記クロック制御部は、前記カウンタに入力するクロックの周波数が高いほど前記カウンタにクロックを入力する期間を短くすること
を特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記複数の画素はそれぞれ増幅手段を含んでおり、
前記固体撮像装置は、さらに、
前記カウンタにクロックを入力する期間が経過してから次に前記カウンタにクロックを入力する期間が到来するまで、前記増幅手段または前記コンパレータに流れる電流を抑制または停止させる手段を備えること
を特徴とする請求項４または７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記固体撮像装置は、さらに、
前記カウンタに入力するクロックの周波数が所定値よりも低い場合に、前記コンパレータに流れる電流を抑制する手段を備えること  
を特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記データは、画素信号の読み出しモードに関するデータを含み、
前記クロック制御部は、画素信号の読み出しモードに応じてクロックの周波数を変更すること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記クロック制御部は、静止画として読み出すモードの場合には、クロックの周波数を第１の周波数とし、動画として読み出すモードの場合には、クロックの周波数を前記第１の周波数よりも低い第２の周波数とすること
を特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記クロック制御部は、撮像されるフレーム単位で、生成するクロックの周波数を変更すること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記参照信号生成部は、所定周波数のクロックに同期して階段状の参照信号を生成し、
前記クロック制御部は、前記所定周波数のクロックを１／ｍ（ｍは整数）に分周することにより目的とする周波数のクロックを生成すること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラ。
【請求項１５】
複数の画素を行列状に配列してなる画素アレイと、
入力されたクロックをカウントするカウンタと、
前記画素アレイの各列に対応して配設され、対応する列の画素から出力された画素信号のアナログ値に応じた長さの期間に前記カウンタによりカウントされて得られたカウント値を前記画素信号のデジタル値として得るアナログデジタル変換部と、
前記カウンタに入力するクロックを生成し、外部から入力されたデータに基づいて前記カウンタに入力するクロックの周波数を変更するクロック制御部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置およびカメラに関し、特に、ＣＭＯＳイメージセンサ等のＭＯＳ型の固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＭＯＳイメージセンサの信号読み出し方式について、様々なものが提案されている。一般的には、画素アレイの中のある一行の画素を選択し、選択された画素でそれぞれ生じた画素信号を並列に垂直信号線（「列信号線」とも称される）を介して読み出す列並列出力型のＣＭＯＳイメージセンサがよく用いられている。また、各垂直信号線にＡＤ変換回路を設け、ＣＭＯＳイメージセンサの内部で画素信号をアナログ形式からデジタル形式に変換するカラムＡＤ型のイメージセンサも提案されている。
【０００３】
図１５は、特許文献１に示されたイメージセンサの概略構成図である。
イメージセンサ１は、複数の画素３が行および列に配列されてなる画素アレイ１０と、画素アレイ１０の周辺に配設された駆動制御部７と、画素アレイ１０の各列に対応して配設されたカラムＡＤ回路２５により構成されたカラム処理部２６と、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｎａｌｏｇ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いて所定変化率で時間的に変化する参照信号ＲＡＭＰを生成する参照信号生成部２７と、出力回路２８とを備えている。
【０００４】
駆動制御部７は、水平走査回路（列走査回路）１２、垂直走査回路（行走査回路）１４、およびタイミング制御部４０から構成されている。タイミング制御部４０は、端子５ａを介して入力されたマスタクロックＣＬＫ０に基づいて種々の内部クロックを生成し、生成した内部クロックをイメージセンサ１内部の各回路に供給する。
各画素３は、垂直走査回路１４から導出された行制御線１５および画素信号をカラム処理部２６に伝達する垂直信号線１９に接続されている。
【０００５】
カラムＡＤ回路２５は、参照信号生成部２７から得られた参照信号ＲＡＭＰと垂直信号線１９（Ｈ０、Ｈ１、・・・）を介して画素３から得られた画素信号とを比較するコンパレータ２５２と、入力されたクロックをカウントするカウンタ２５４と、参照信号生成部２７が参照信号の変化を開始させてからコンパレータ２５２が画素信号と参照信号との一致を示すまでにカウンタ２５４によりカウントされて得られたカウント値を保持するメモリ２５６とを備える。メモリ２５６に保持された画素信号は、水平走査回路１２により出力回路２８を介して外部に出力される。
【０００６】
次に、特許文献１に示されたイメージセンサの動作、特にカラムＡＤ回路２５により画素信号がＡＤ変換される場面の動作について説明する。
図１６は、特許文献１に係るイメージセンサの動作を示すタイミングチャートである。
タイミング制御部４０は、カウンタ２５４のカウント値を初期値“０”にリセットし、カウンタ２５４をダウンカウントモードに設定する。またタイミング制御部４０は、任意の行Ｈｘの画素３にリセット成分ΔＶをもつ画素信号を読み出させる。画素信号は垂直信号線１９（Ｈ１、Ｈ２、・・・Ｈｍ）にそれぞれ現れる。タイミング制御部４０は、垂直信号線１９の画素信号が安定した頃に（時刻ｔ１０）、参照信号生成部２７に制御データＣＮ４を供給する。これを受けて参照信号生成部２７は参照信号ＲＡＭＰの時間的変化を開始させる。同時にタイミング制御部４０は、カウンタ２５４にクロックＣＫ０の入力を開始する（時刻ｔ１０）。これを受けてカウンタ２５４は初期値“０”からダウンカウントを開始する。
【０００７】
参照信号ＲＡＭＰは、時間的に変化していき、ある時刻にリセット成分ΔＶと一致する（時刻ｔ１２）。このときコンパレータ２５２の出力信号が反転し、これを受けてカウンタ２５４はダウンカウントを停止する。このときのカウント値がリセット成分ΔＶに相当する。
タイミング制御部４０は、ダウンカウント期間を経過すると（時刻ｔ１４）、参照信号生成部２７への制御データＣＮ４の供給を停止し、同時にカウンタ２５４へのクロックＣＫ０の入力を停止する。
【０００８】
続いて、タイミング制御部４０は、カウンタ２５４をアップカウントモードに設定し、行Ｈｘの画素３に信号成分Ｖｓｉｇをもつ画素信号を読み出させる。読み出しの方法は、カウンタ２５４をアップカウントモードに設定するほかは、リセット成分ΔＶの読み出しと同様である。このように、カウンタ２５４の設定を、リセット成分ΔＶを読み出すときにはダウンカウント、信号成分Ｖｓｉｇを読み出すときにはアップカウントとすることにより、カウンタ２５４内で自動的に減算が行われ、信号成分Ｖｓｉｇに相当するカウント値を得ることができる。
【０００９】
次に特許文献２に示されたイメージセンサについて説明する。
図１７は、特許文献２に示されたイメージセンサの概略構成図である。
特許文献２に示されたイメージセンサでは、参照信号生成部２７に供給されるクロックＣＫｄａｃとカウンタ２５４に入力されるクロックＣＫ０とを異ならせることとしている。ＤＡＣ２７ａは、クロックＣＫｄａｃをカウントし、１カウント毎に参照信号ＲＡＭＰをΔＲＡＭＰだけ低下させる。１カウント当たりの変化量ΔＲＡＭＰは、制御データＣＮ４に含まれる参照信号ＲＡＭＰの傾き（時間的な変化率）を指示するデータに基づいて設定される。
【００１０】
図１８は、特許文献２に示された参照信号ＲＡＭＰおよびクロックの詳細を示す図である。
タイミング制御部４０は、カウンタ２５４にクロックＣＫ０を供給する一方、参照信号生成部２７にクロックＣＫ０と同一周波数のクロックＣＫｄａｃ１、クロックＣＫ０を１／２分周したクロックＣＫｄａｃ２、クロックＣＫ０を１／４分周したクロックＣＫｄａｃ４を選択的に供給する。これによりクロックＣＫｄａｃ１が供給されたときには参照信号ＲＡＭＰ１が生成され、クロックＣＫｄａｃ２が供給されたときには参照信号ＲＡＭＰ２が生成され、クロックＣＫｄａｃ４が供給されたときには参照信号ＲＡＭＰ４が生成される。クロックＣＫｄａｃが１／ｍ分周（ｍは整数）されれば、参照信号ＲＡＭＰの傾きが１／ｍ倍となり、カウンタ２５４でのカウント値がｍ倍になる。これはゲインがｍ倍になることに相当する。
【特許文献１】特開2005-323331号公報
【特許文献２】特開2006-33452号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献２に示されたイメージセンサでは、参照信号生成部２７に入力するクロックＣＤｄａｃの周波数を適宜変更することにより、ゲインを適宜変更することができる。しかしながら、特許文献２に係るイメージセンサの構成は、イメージセンサ全体の消費電力を抑制する観点からは十分な検討がされているとはいえない。
参照信号生成部２７は、基準周波数と同一周波数をもつクロックＣＫｄａｃ１、基準周波数の１／２の周波数をもつクロックＣＫｄａｃ２、基準周波数の１／４の周波数をもつクロックＣＫｄａｃ４のいずれかにより駆動される。一方カラムＡＤ回路２５は、基準周波数と同一周波数をもつクロックＣＫ０により駆動される。このようにカラムＡＤ回路２５は内部クロックのうち最も高い周波数のクロックＣＫ０により駆動されているので、カラムＡＤ回路２５単体の消費電力が比較的高くなる。特にカラムＡＤ回路２５は画素アレイ１０の各列に対応して配設されているので、その数量が多く、カラムＡＤ回路２５単体の消費電力がイメージセンサ全体の消費電力に与える影響は大きい。
【００１２】
そこで本発明は、ゲインを適宜変更することができ、かつ従来技術よりも消費電力を抑制することができる固体撮像装置およびカメラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素を行列状に配列してなる画素アレイと、時間的に単調に変化する参照信号を生成する参照信号生成部と、前記画素アレイの各列に対応して配設され、対応する列の画素から出力された画素信号と前記参照信号生成部により生成された参照信号とを比較するコンパレータと、入力されたクロックをカウントするカウンタと、前記画素アレイの各列に対応して配設され、前記参照信号生成部が参照信号の変化を開始させてから対応する列のコンパレータが画素信号と参照信号との一致を示すまでに前記カウンタによりカウントされて得られたカウント値を保持するメモリと、前記カウンタに入力するクロックを生成し、外部から入力されたデータに基づいて前記カウンタに入力するクロックの周波数を変更するクロック制御部とを備える。
【００１４】
本発明に係るカメラは、上記固体撮像装置を備える。
ここで「外部から入力されたデータ」の「外部」とは、クロック制御部の外部を意味し、固体撮像装置の外部を意味するものではない。また「時間的に単調に変化する」とは、「単調増加」および「単調減少」のいずれも包含する意図である。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成によれば、カウンタに入力するクロックの周波数が適宜変更される。カウンタに入力するクロックの周波数を変更すれば、画素信号のレベルが同じでもカウント値が異なることになり、ゲインを変更することができる。また目的とするゲインによってはカウンタに入力するクロックの周波数を低減させる場合があり、この場合にはカラムＡＤ回路を構成するコンパレータおよびカウンタでの消費電力が抑制される。カラムＡＤ回路の数量は多いため、カラムＡＤ回路単体の消費電力を抑制することにより、固体撮像装置全体の消費電力を大幅に抑制することができる。
【００１６】
また、前記データは、画素から出力された画素信号のレベルに関するデータを含み、前記クロック制御部は、前記画素から出力された画素信号のレベルに応じてクロックの周波数を変更することとしてもよい。これによりシーンの明暗に応じて最適なクロックの周波数を設定することができる。
また、前記クロック制御部は、前記画素から出力された画素信号のレベルが高いほどクロックの周波数を低くすることとしてもよい。これにより画素信号のレベルが高いときには、ビット精度の低下による画質劣化を最小限に抑制しつつ消費電力を抑制することができ、画素信号のレベルが低いときには、ビット精度を高めて画質を向上させることができる。
【００１７】
さらに、前記クロック制御部は、前記カウンタに入力するクロックの周波数が高いほど前記カウンタにクロックを入力する期間を短くすることとしてもよい。これによりフレームレートを高めることができる。
また、前記参照信号生成部は、前記画素から出力された画素信号のレベルに応じて参照信号の時間的変化の変化率を変更することとしてもよい。これによりシーンの明暗に応じて最適な参照信号の変化率を設定することができる。例えば、カウンタに入力するクロックの周波数の設定により、コンパレータ、カウンタおよびメモリから構成されるアナログデジタル変換回路の入力レンジおよびビット精度を粗調整しておき、さらに、参照信号の変化率の設定により、粗調整された入力レンジおよびビット精度を微調整することができる。
【００１８】
また、前記参照信号生成部は、前記画素から出力された画素信号のレベルが高いほど参照信号の時間的変化の変化率を高めることとしてもよい。これにより画素信号のレベルが高いときには、ゲインを低くすることができる。
さらに、前記クロック制御部は、前記カウンタに入力するクロックの周波数が高いほど前記カウンタにクロックを入力する期間を短くすることとしてもよい。これによりフレームレートを高めることができる。
【００１９】
また、前記複数の画素はそれぞれ増幅手段を含んでおり、前記固体撮像装置は、さらに、
前記カウンタにクロックを入力する期間が経過してから次に前記カウンタにクロックを入力する期間が到来するまで、前記増幅手段または前記コンパレータに流れる電流を抑制または停止させる手段を備えることとしてもよい。これによりさらに消費電力を抑制することができる。
【００２０】
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記カウンタに入力するクロックの周波数が所定値よりも低い場合に、前記コンパレータに流れる電流を抑制する手段を備えることとしてもよい。これによりさらに消費電力を抑制することができる。
また、前記データは、画素信号の読み出しモードに関するデータを含み、前記クロック制御部は、画素信号の読み出しモードに応じてクロックの周波数を変更することとしてもよい。これにより読み出しモードに応じて最適なクロックの周波数を設定することができる。
【００２１】
また、前記クロック制御部は、静止画として読み出すモードの場合には、クロックの周波数を第１の周波数とし、動画として読み出すモードの場合には、クロックの周波数を前記第１の周波数よりも低い第２の周波数とすることとしてもよい。これにより静止画として読み出すモードでは画質を重視し、動画として読み出すモードでは消費電力の削減を重視した、最適な駆動形態を実現することができる。
【００２２】
また、前記クロック制御部は、撮像されるフレーム単位で、生成するクロックの周波数を変更することとしてもよい。これによりフレーム単位でゲインを設定することができる。
また、前記参照信号生成部は、所定周波数のクロックに同期して階段状の参照信号を生成し、前記クロック制御部は、前記所定周波数のクロックを１／ｍ（ｍは整数）に分周することにより目的とする周波数のクロックを生成することとしてもよい。これにより目的とする周波数のクロックを容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るイメージセンサの概略構成図である。
本発明の実施の形態１に係るイメージセンサと従来技術に係るイメージセンサ（図１７）とでは、主にタイミング制御部の構成が相違し、その結果として参照信号生成部２７に入力されるクロックＣＫｄａｃおよびカラムＡＤ回路２５に入力されるクロックＣＫ０が相違する。すなわち実施の形態１に係るタイミング制御部２０は、参照信号の基準となるクロックＣＫｄａｃの周波数を固定し、カウントの基準となるクロックＣＫ０の周波数を適宜変更する（ＣＫ０＿１、ＣＫ０＿２、ＣＫ０＿４）。一方、従来技術（特許文献２）に係るタイミング制御部４０は、参照信号の基準となるクロックＣＫｄａｃの周波数を適宜変更し（ＣＫｄａｃ１、ＣＫｄａｃ２、ＣＫｄａｃ４）、カウントの基準となるクロックＣＫ０の周波数を固定している。
【００２４】
タイミング制御部２０は、端子５ａを介して外部から入力されたマスタクロックＣＬＫ０に基づいて種々の内部クロック（クロックＣＫｄａｃ、ＣＫ０等）を生成する。またタイミング制御部２０は、端子５ｂを介して外部から入力されたデータに基づいてクロックＣＫ０の周波数を設定する。
なお本発明の実施の形態１に係るカメラは、上記イメージセンサに加えて、映像データＤ１に信号処理を施す信号処理部、信号処理の結果得られた映像データを記憶するメモリ、ゲインを決定する制御部、イメージセンサに結像させる光学系等を備える。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態１に係るイメージセンサの動作、特にカラムＡＤ回路２５により画素信号がＡＤ変換される場面の動作について説明する。
図２は、本発明の実施の形態１に係るイメージセンサの動作を示すタイミングチャートである。
ここでは本発明の実施の形態１と従来技術との対比を容易にするため、特徴的な部分以外については従来技術（図１６）と同様の仕様としている。
【００２６】
参照信号生成部２７にはクロックＣＫｄａｃが入力される。クロックＣＫｄａｃは外部から入力されたマスタクロックＣＬＫ０と同一の周波数をもつ。
カラムＡＤ回路２５にはクロックＣＫ０＿１、クロックＣＫ０＿２、クロックＣＫ０＿４のうちのいずれかが選択的に入力される。クロックＣＫ０＿１はマスタクロックＣＬＫ０と同一の周波数をもち、クロックＣＫ０＿２はマスタクロックＣＬＫ０の１／２の周波数をもち、クロックＣＫ０＿４はマスタクロックＣＬＫ０の１／４の周波数をもつ。すなわちマスタクロックＣＬＫ０を１／ｍ分周することにより（ｍは整数）、クロックＣＫ０＿ｍを得ることができる。
【００２７】
カラムＡＤ回路２５にクロックＣＫ０＿ｍが入力された場合、クロックＣＫ０＿１が入力された場合に比べて、画素信号のレベルが同じであってもカウンタ２５４のカウント値が１／ｍになる。これはゲインが１／ｍになることに相当するとともに、ビット精度がｍ倍だけ荒くなることに相当する。このようにカラムＡＤ回路２５に入力するクロックの周波数を適宜変更することにより、ゲインを適宜変更することができる。
【００２８】
またカラムＡＤ回路２５は、入力されるクロックＣＫ０の周波数が低くなるほど、コンパレータ２５２の比較動作に要する電流およびカウンタ２５４のカウント動作に要する電流を抑制することができ、その結果消費電力を抑制することができる。したがって目的とするゲインによってはカラムＡＤ回路２５の消費電力を抑制することができる。
図３は、カラムＡＤ回路に入力するクロックＣＫ０とカウンタ出力との関係を詳細に示すタイミングチャートである。
【００２９】
カラムＡＤ回路２５にクロックＣＫ０＿１が入力された場合、ある画素信号のレベルに対するカウンタ出力＿１は“４０”を示す。この例では、クロックＣＫ０＿１のカウント数は０から６３までと設定しているため、画素信号のビット数は“６ビット”であり、ＡＤ入力レンジをＡ［Ｖ］とすると、ビット精度はＡ／６４［Ｖ／ＬＳＢ］となる。
カラムＡＤ回路２５にクロックＣＫ０＿２が入力された場合、ある画素信号のレベルに対するカウンタ出力＿２は“２０”を示す。これはクロックＣＫ０＿２の周波数がクロックＣＫ０＿１の周波数の１／２倍であるため、カウンタ出力＿２の傾きがカウンタ出力＿１の傾きに比して１／２倍になるからである。この例では、クロックＣＫ０＿２のカウント数は０から３１までと設定しているため、画素信号のビット数は“５ビット”であり、ＡＤ入力レンジをＡ［Ｖ］とすると、ビット精度はＡ／３２［Ｖ／ＬＳＢ］となる。
【００３０】
カラムＡＤ回路２５にクロックＣＫ０＿４が入力された場合、ある画素信号のレベルに対するカウンタ出力＿４は“１０”を示す。これはクロックＣＫ０＿４の周波数がクロックＣＫ０＿１の周波数の１／４倍であるため、カウンタ出力＿４の傾きがカウンタ出力＿１の傾きに比して１／４倍になるからである。この例では、クロックＣＫ０＿４のカウント数は０から１５までと設定しているため、画素信号のビット数は“４ビット”であり、ＡＤ入力レンジをＡ［Ｖ］とすると、ビット精度はＡ／１６［Ｖ／ＬＳＢ］となる。
【００３１】
次に、本発明の実施の形態１に係るイメージセンサの適用例について説明する。図４は、動画モードと静止画モードとが切り替わる場面での動作例を示し、図５は、シーンの明るさが変化する場面での動作例を示している。
図４に示すように、第ｋフレームは、動画モードで撮像されており、クロックＣＫ０の周波数をクロックＣＫｄａｃの周波数よりも低く設定している。第ｋ＋１フレームは、静止画モードで撮像されており、クロックＣＫ０の周波数をクロックＣＫｄａｃの周波数と同じに設定している。第ｋ＋２フレームは、動画モードで撮像されており、クロックＣＫ０の周波数をクロックＣＫｄａｃの周波数よりも低く設定している。
【００３２】
このように動画モードではクロックＣＫ０の周波数をクロックＣＫｄａｃの周波数よりも低くすることで消費電力の抑制を図り、静止画モードではクロックＣＫ０の周波数をクロックＣＫｄａｃの周波数と同じにすることで画質の向上を図ることができる。動画モードではイメージセンサを常に駆動させるため、できるだけ消費電力を抑制することが重視される。一方、静止画モードでは写真として現像、焼き増しする場合が多いため、画質を向上させる要請が強い。上記の適用例では、このようなニーズに適合したイメージセンサを提供することができる。
【００３３】
また図５に示すように、第ｋフレームは、動画モードで暗いシーンが撮像されており、クロックＣＫ０の周波数をクロックＣＫｄａｃの周波数よりも低く設定し、かつ参照信号の１クロック当たりの変化量ΔＲＡＭＰを小さくしている。第ｋ＋１フレームは、動画モードで明るいシーンが撮像されており、クロックＣＫ０の周波数をクロックＣＫｄａｃの周波数よりも低く設定し、かつ変化量ΔＲＡＭＰを大きくしている。第ｋ＋２フレームは、静止画モードで明るいシーンが撮像されており、クロックＣＫ０の周波数とクロックＣＫｄａｃの周波数と同じに設定し、かつ変化量ΔＲＡＭＰを大きくしている。
【００３４】
このように暗いシーンを撮影する場合には参照信号の１クロック当たりの変化量ΔＲＡＭＰを小さくすることで、画素信号が同じレベルであってもカウンタ２５４のカウント値を大きくすることができ、ゲインを高めることができる。逆に、明るいシーンを撮影する場合には参照信号１クロック当たりの変化量ΔＲＡＭＰを大きくすることで、ＡＤ入力レンジを大きくすることができる。
【００３５】
なお参照信号の１クロック当たりの変化量ΔＲＡＭＰは、タイミング制御部２０から入力された制御データＣＮ４に基づいて参照信号生成部２７が任意に調整することができる。例えば、参照信号生成部２７が、カウンタＣＫｄａｃのカウント値をｘ、制御データＣＮ４に含まれている参照信号の傾きに関するデータβに基づき、ｙ＝α（初期電圧）−β×ｘにより算出される電圧ｙを出力するものであれば、上記仕様を実現することができる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの動作、特にカラムＡＤ回路２５により画素信号がＡＤ変換される場面の動作について説明する。なおイメージセンサの概略構成については図１と同様なので説明を省略する。
【００３６】
図６は、本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの動作を示すタイミングチャートである。
実施の形態２は、参照信号生成部２７にはクロックＣＫｄａｃが入力され、カラムＡＤ回路２５にはクロックＣＫ０＿１、クロックＣＫ０＿２、クロックＣＫ０＿４のうちのいずれかが選択的に入力される点については実施の形態１と同様である。
【００３７】
一方、実施の形態２では、クロックＣＫ０＿１、クロックＣＫ０＿２およびクロックＣＫ０＿４のカウント数の上限をいずれも一定にしている点で実施の形態１と異なる。すなわちクロックＣＫ０の周波数が高いほどクロックＣＫ０を入力する期間（アップカウント期間）が短くなり、結果的にＡＤ変換期間が短くなる。
図７は、カラムＡＤ回路に入力するクロックＣＫ０とカウンタ出力との関係を詳細に示すタイミングチャートである。
【００３８】
ここでは、クロックＣＫ０＿１、クロックＣＫ０＿２およびクロックＣＫ０＿４のカウント数の上限は“１５”である。
カラムＡＤ回路２５にクロックＣＫ０＿４が入力された場合、ある画素信号のレベルに対するカウンタ出力＿４は“２”を示す。
カラムＡＤ回路２５にクロックＣＫ０＿２が入力された場合、ある画素信号のレベルに対するカウンタ出力＿２は“４”を示す。
【００３９】
カラムＡＤ回路２５にクロックＣＫ０＿１が入力された場合、ある画素信号のレベルに対するカウンタ出力＿１は“８”を示す。
このようにクロックの周波数をｋ倍にした場合、カウンタ出力の傾きがｋ倍となり、ゲインをｋ倍に設定することができる。一方、クロックのカウント数の上限は一定なので、ＡＤ入力レンジは１／ｋ倍になる。
【００４０】
次に、本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの適用例について説明する。特に、実施の形態２では、明暗のシーンに応じて最適なゲインおよびＡＤ入力レンジを設定することができる。
明るいシーンでは画素信号の信号成分Ｖｓｉｇが大きくなるため、ＡＤ入力レンジを広くする必要がある。このような場合には、例えば、カラムＡＤ回路にクロックＣＫ０＿４を入力することにより、ＡＤ入力レンジを広くすることができる。
【００４１】
一方、暗いシーンでは画素信号の信号成分Ｖｓｉｇが小さくなるため、ＡＤ入力レンジを広くするよりもゲインを高めることが重要となる。このような場合には、例えば、カラムＡＤ回路にクロックＣＫ０＿１を入力することにより、ゲインを高めることができる。
ＡＤ変換のビット精度は、ＡＤ入力レンジをＡ［Ｖ］とし、ビット数をｎ［ＬＳＢ］とするとＡ／ｎ［Ｖ／ＬＳＢ］となり、値が小さいほどビット精度が高くなる。入力するクロックをクロックＣＫ０＿４からクロックＣＫ０＿１に変更すると、ＡＤ入力レンジＡが１／４倍になるため、ビット精度が１／４倍となり、ビット精度が４倍よくなる。つまりクロックＣＫ０の周波数をｋ倍（分周設定をｋ倍）すると、ビット精度はｋ倍よくなる。
【００４２】
特に、イメージセンサは暗いシーンにおけるノイズＮを抑制することが重要であり、実施の形態２の効果は特に大きい。それは、Ｎが一定の場合、暗いシーンではＳが低くなるため、Ｓ／Ｎの劣化が大きくなることと、光ショットノイズがＳの平方根√Ｓで発生するため明るいシーンではＳが大きく、光ショットノイズが支配的となり、ＡＤの下位ビットのノイズの影響が見えにくくなるためである。一方、暗いシーンにＳが小さい場合、光ショットノイズの絶対値は小さくなり、ＡＤ変換回路など画素信号の読出し回路で発生するノイズＮの影響が大きくなり、ＡＤ変換のビット精度を向上する必要がある。
【００４３】
クロックＣＫ０の分周設定ｋ／ｍの方法としては、必要とするＡＤ入力レンジをＡとし、ＡＤ変換のビット数をｎとし、クロックＣＫｄａｃの１クロック当たりの参照信号の変化量ΔＲＡＭＰとすると、以下のとおり求めることができる。
ＡＤ入力レンジＡは、ΔＲＡＭＰ×（クロックＣＫｄａｃのクロック数）で表すことができる。クロックＣＫｄａｃのクロック数は、ＡＤ変換のビット数ｎをクロックＣＫ０の分周設定ｋ／ｍで割った値となるため、ｎ／(ｋ／ｍ)となる。つまりＡＤ変換の入力レンジＡは、
Ａ=ΔＲＡＭＰ×ｎ／(ｋ／ｍ)  ・・・（１）
で表すことができる。本式よりクロックＣＫ０の分周設定ｋ／ｍは、
(ｋ／ｍ)＝ΔＲＡＭＰ×ｎ／Ａ  ・・・（２）
また、（２）式よりビット精度Ａ／ｎは、
（Ａ／ｎ）＝ΔＲＡＭＰ／（ｋ／ｍ）・・・（３）
で表すことができる。
【００４４】
（１）、（３）式より、シーンが暗く、ＡＤ変換精度が求められ、ＡＤ入力レンジを低く設定できる場合は、カウンタクロックＣＫ０の分周設定ｋ／ｍを大きく（高く）設定し、シーンが明るく、ＡＤの変換精度はそれほど必要なく、ＡＤ入力レンジを高く設定する場合は、クロックＣＫ０の分周設定ｋ／ｍを小さく（低く）設定すればよいことが分かる。
【００４５】
また、従来技術の図１８と本発明の実施の形態２の図７とを比較すると分かるように、実施の形態２では、カウント数の上限が一定なので、クロックＣＫ０の分周設定をシーンに応じて変化させると、ＡＤ変換のビット数ｎを小さくすることができる。ＡＤ変換のビット精度としては、図７のクロックＣＫ０＿１を設定した場合と従来技術の図１８の場合とが同等となる。つまり実施の形態２に係るイメージセンサによれば、少ないＡＤ変換のビット数ｎにて高いビット精度を得ることができる。ＡＤ変換のビット数ｎを少なくすることで、チップサイズを縮小、消費電力を抑制することができる。
【００４６】
次に、ΔＲＡＭＰの設定と、クロックＣＫ０の分周設定によりＡＤ変換の入力レンジおよびビット精度を任意に調整する方法について説明する。
式（１）、（３）に示すとおり、ＡＤ変換の入力レンジおよびビット精度を細かく設定するためには、分周設定（ｋ／ｍ）を細かく設定する必要があるが、限界はある。しかしながら、クロックＣＫ０の分周設定と電圧変化率ΔＲＡＭＰを組み合わせることで、ＡＤ変換の広い入力ダイナミックレンジと細かいビット精度の設定を行うことができる。
【００４７】
図８は、クロックＣＫ０の分周設定と参照信号の１クロック当たりの変化量ΔＲＡＭＰの組み合わせの一例を示す図である。
分周設定を１／４、１／２、１と変化させたとき、ＡＤ変換のビット精度は１倍、２倍、４倍に変化する一方、ＡＤ入力レンジは１倍、１／２倍、１／４倍と変化する。図８では変化量ΔＲＡＭＰを変化させることで、ビット精度および入力ダイナミックレンジを１倍、２倍、４倍の間で任意に細かく設定する方法を示す。
【００４８】
図８に示すように、クロックＣＫ０＿４を入力した場合において、変化量ΔＲＡＭＰを１倍から１／２倍までの間で細かく設定すれば、ＡＤ入力レンジは１倍から１／２倍までの間で細かく設定され、ＡＤのビット精度は１倍から２倍までの間で細かく設定されることになる。
またクロックＣＫ０＿２を入力した場合において、変化量ΔＲＡＭＰを１倍から１／２倍までの間で細かく設定すれば、ＡＤ入力レンジは１／２倍から１／４倍までの間で細かく設定され、ＡＤのビット精度は２倍から４倍までの間で細かく設定されることになる。
【００４９】
さらにクロックＣＫ０＿１を入力した場合において、変化量ΔＲＡＭＰを１倍から１／２倍までの間で細かく設定すれば、入力レンジは１／４倍から１／８倍までの間で細かく設定され、ＡＤのビット精度は４倍から８倍までの間で細かく設定されることになる。
このようにクロックＣＫ０の分周設定と電圧変化量ΔＲＡＭＰの設定とを組み合わせることにより、１倍から１／８倍までの間でＡＤ変換の入力レンジを細かく設定することができ、それとともに１倍から８倍までの間でＡＤ変換のビット精度を細かく設定することができる。
【００５０】
なお図８に示す例では、変化量ΔＲＡＭＰの設定範囲を１倍から１／２倍までとしたが、例えば、図９に示す例のように、変化量ΔＲＡＭＰの設定範囲を１倍から１／４倍までの間とすることとしてもよい。この場合、ＡＤ入力レンジが１／２倍から１／４倍までの間は、クロックＣＫ０としてクロックＣＫ０＿４およびクロックＣＫ０＿２のいずれを設定しても実現することができる。また同様にＡＤ入力レンジが１／４倍から１／８倍までの間は、クロックＣＫ０としてクロックＣＫ０＿２およびクロックＣＫ０＿１のいずれを設定しても実現することができる。このようにいずれの分周設定を選択しても目的とするＡＤ入力レンジを実現できる場合には、シーンの移り変わりの態様に応じて、いずれかの分周設定を選択すればよい。
【００５１】
また図１０に示す例のように、変化量ΔＲＡＭＰの設定範囲を２倍から１／２倍までの間とすることとしてもよい。変化量ΔＲＡＭＰを２倍にしたときは、ＡＤ変換期間を固定すればＡＤ入力レンジが２倍になり、ＡＤ入力レンジを固定すればＡＤ変換期間を１／２倍に短縮することができる。また図１０に示すように、ＡＤ変換期間経過後にＩＳＴＯＰ信号をコンパレータ２５２、カウンタ２５４、あるいは画素信号を増幅する回路に入力することにより、各回路に流れる電流を停止することとしてもよい。このようにすることで、消費電力の抑制効果をより一層高めることができる。図１においてタイミング制御部２０からコンパレータ２５２に入力される制御信号ＣＮ１０は、コンパレータ２５２に流れる電流を制御するための信号である。またタイミング制御部２０から電流源に入力される制御信号ＣＮ１１は、電流源に流れる電流を制御するための信号である。制御信号線は増幅手段の電流経路に設けられたスイッチに接続されていてもよいし、増幅手段の電流源回路（負荷回路）のゲート電極を制御するスイッチに接続されていてもよい。また増幅手段のカレントミラー電流源バイアス回路のゲート電極を制御するスイッチに接続されていてもよいし、増幅手段の増幅回路のゲート電極を制御するスイッチに接続されていてもよい。
【００５２】
次に、本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの適用例について説明する。図１１は、明るいシーンから暗いシーンに変化する場面での動作例を示し、図１２は、暗いシーンから明るいシーンに変化する場面での動作例を示している。
図１１に示すように、第ｋフレームは、明るいシーンが撮像されている。明るいシーンでは画素信号の信号成分Ｖｓｉｇが大きいので、カラムＡＤ回路２５に入力するクロックＣＫ０の周波数を低く設定し、ＡＤ入力レンジを大きくしている。第ｋ＋１フレームは、暗いシーンが撮像されている。暗いシーンでは画素信号の信号成分Ｖｓｉｇが小さいので、カラムＡＤ回路２５に入力するクロックＣＫ０の周波数を高く設定し、ビット精度を高くしている。またＡＤ変換期間以外の期間にはクロックＣＫｄａｃおよびクロックＣＫ０の入力が停止されている。
【００５３】
また図１２に示すように、第ｋフレームは、暗いシーンが撮像されている。暗いシーンでは画素信号の信号成分Ｖｓｉｇが小さいので、カラムＡＤ回路２５に入力するクロックＣＫ０の周波数を高く設定し、ビット精度を高めている。第ｋ＋１フレームは、明るいシーンが撮像されている。明るいシーンでは画素信号の信号成分Ｖｓｉｇが大きいので、カラムＡＤ回路２５に入力するクロックＣＫ０の周波数を低く設定し、ＡＤ入力レンジを大きくしている。第ｋ＋２フレームは、さらに明るいシーンが撮像されている。ここでは参照信号の電圧変化量ΔＲＡＭＰを大きくすることで、ＡＤ入力レンジをさらに大きくしている。
【００５４】
以上説明したとおり、本発明の実施の形態に係るイメージセンサおよびその駆動方法は、クロックＣＫ０の分周設定を変化させることができる。これによりシーンに応じて最適なＡＤ変換の入力レンジＡおよびビット精度Ａ／ｎを設定することができる。
例えば、静止画モードあるいは暗いシーンのように、ＡＤ変換のビット精度を高くすることが要求される場合には、クロックＣＫ０の周波数を高めることにより、（３）式に示すようにＡＤ変換のビット精度を高めることができる。また実施の形態２のようにクロックＣＫ０のカウント数の上限を一定とする仕様においては、クロックＣＫ０の周波数を高めた結果としてＡＤ変換期間が短縮されるので、ＡＤ変換期間以外の期間に各回路に流れる電流を抑制あるいは停止することにより、消費電力を一層抑制することができる。さらにクロックＣＫ０の周波数を高めるとともにＡＤ変換期間を短縮することにより、ビット数を少なくしつつビット精度を高めることができる。これによりチップサイズの縮小および消費電力の抑制を図ることができる。
【００５５】
また、動画モードあるいは明るいシーンのように、ＡＤ変換の入力レンジを広くすることが要求される場合には、クロックＣＫ０の周波数を低くすることにより、（１）式に示すようにＡＤ変換の入力レンジを広げることができる。さらにクロックＣＫ０の周波数を低くすることにより、カウンタ２５４のカウント動作およびコンパレータ２５２の比較動作を低速で行うことができるので、消費電力の抑制を図ることができる。
【００５６】
また、クロックＣＫ０の周波数の設定に加えて、参照信号ＲＡＭＰの変化量ΔＲＡＭＰの設定を行うことにより、ＡＤ変換のゲインを細かく設定することができる。なお図８から図１０までの例では、クロックＣＫ０の設定によりゲインを粗調整し、変化量ΔＲＡＭＰの設定によりゲインを微調整することとしているが、逆に、変化量ΔＲＡＭＰの設定によりゲインを粗調整し、クロックＣＫ０の設定によりゲインを微調整することとしてもよい。
【００５７】
なお図１３に示すように、カウンタをひとつだけ設け、デジタルメモリにカウント値を保持するような回路構成であっても、本発明と同様の効果を得ることができる。
また図１４に示すように、参照信号ＲＡＭＰは所定変化率で時間的に変化するものであれば、直線状であっても本発明と同様の効果を得ることができる。
また実施の形態では、リセット成分が現れているときにはダウンカウントし、信号成分が現れているときにはアップカウントしているが、リセット成分を差し引く必要がなければダウンカウントは実施しなくてもよい。またアップダウンカウンタの構成でなくてもよい。
【００５８】
またタイミング制御部２０は外部からのデータに基づいて、静止画のフル画像読み出しモード、動画の画素混合モード、間引きモードなど任意の駆動モードを実施することとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、例えば、デジタルカメラ等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るイメージセンサの概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１に係るイメージセンサの動作を示すタイミングチャート
【図３】カラムＡＤ回路に入力するクロックＣＫ０とカウンタ出力との関係を詳細に示すタイミングチャート
【図４】本発明の実施の形態１に係るイメージセンサの適用例であり、動画モードと静止画モードとが切り替わる場面での動作例を示す図
【図５】本発明の実施の形態１に係るイメージセンサの適用例であり、シーンの明るさが変化する場面での動作例を示す図
【図６】本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの動作を示すタイミングチャート
【図７】カラムＡＤ回路に入力するクロックＣＫ０とカウンタ出力との関係を詳細に示すタイミングチャート
【図８】クロックＣＫ０の分周設定と参照信号の１クロック当たりの変化量ΔＲＡＭＰの組み合わせの一例を示す図
【図９】クロックＣＫ０の分周設定と参照信号の１クロック当たりの変化量ΔＲＡＭＰの組み合わせの一例を示す図
【図１０】参照信号の１クロック当たりの変化量ΔＲＡＭＰの変形例を示す図
【図１１】本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの適用例であり、明るいシーンから暗いシーンに変化する場面での動作例を示す図
【図１２】本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの適用例であり、暗いシーンから明るいシーンに変化する場面での動作例を示す図
【図１３】本発明の変形例に係るイメージセンサの概略構成図
【図１４】本発明の変形例に係る参照信号の波形を示す図
【図１５】特許文献１に示されたイメージセンサの概略構成図
【図１６】特許文献１に係るイメージセンサの動作を示すタイミングチャート
【図１７】特許文献２に示されたイメージセンサの概略構成図
【図１８】特許文献２に示された参照信号ＲＡＭＰおよびクロックの詳細を示す図
【符号の説明】
【００６１】
１    イメージセンサ
３    画素
５ａ、５ｂ  端子
７    駆動制御部
１０    画素アレイ
１２    水平走査回路
１４    垂直走査回路
１５    行制御線
１９    垂直信号線
２０、４０    タイミング制御部
２５    カラムＡＤ回路
２６    カラム処理部
２７    参照信号生成部
２７ａ  ＤＡＣ
２８    出力回路
２５２    コンパレータ
２５４    カウンタ
２５６    メモリ
２５８    スイッチ素子
【図１】
2009159069.tif 000003
【図２】
2009159069.tif 000004
【図３】
2009159069.tif 000005
【図４】
2009159069.tif 000006
【図５】
2009159069.tif 000007
【図６】
2009159069.tif 000008
【図７】
2009159069.tif 000009
【図８】
2009159069.tif 000010
【図９】
2009159069.tif 000011
【図１０】
2009159069.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2009159069.tif 000015
【図１４】
2009159069.tif 000016
【図１５】
2009159069.tif 000017
【図１６】
2009159069.tif 000018
【図１７】
2009159069.tif 000019
【図１８】
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