JP6792361B2

JP6792361B2 - 撮像装置及びその制御方法

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Inventors: 石井　美絵; 美絵石井
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Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関するものである。

近年、ＣＭＯＳ撮像素子などを用いた撮像装置においては、様々なニーズに対応するべく高機能化、多機能化が進んでいる。ＣＭＯＳ撮像素子については、多画素化、高速撮像化が進み、より高速に画素信号を読み出せる方式へのニーズが高い。高速読み出しのための方策としては、近年、列毎にアナログ−デジタル変換回路（以下、列ＡＤＣ）を配置し、デジタル出力を行う方式が普及している（特許文献１）。列ＡＤＣを導入することで、撮像素子の外への画素信号の伝送をデジタルで行うことが可能となり、デジタル信号伝送の技術向上に伴い、高速読み出しが可能となっている。

特許文献１では、列ＡＤ変換方式として、シングルスロープ方式が採用されている。シングルスロープ方式は、比較器とカウンタを有し、比較器の一方の入力にアナログの画素信号を入力した状態で、他方の入力に参照信号として、時刻とともに傾きをもって変動する電圧であるスロープ電圧を入力している。画素信号と参照信号の大小関係が反転する時刻をもって比較器の出力が反転する。カウンタは時刻とともにデジタルのカウントを進め、比較器の出力が反転すると、カウントの進行が止まる。カウントが止まったときのカウンタの出力がアナログの画素信号のデジタル値を示すこととなる。これにより、ＡＤ変換が行われる。シングルスロープ方式の場合、信号出力の高ビット分解能を実現するためにはカウンタのカウント時間が長くなる。例えば、１２ビットから１４ビットに向上させるには、カウンタの動作クロックが一定である場合、ＡＤ変換期間として４倍の時間を要する。

また、特許文献２では、信号の出力に応じて低ビット分解能ＡＤＣと高ビット分解能ＡＤＣを切り替えることにより、より高速読み出しが可能な技術が提案されている。画素信号の光ショットノイズの特性を考慮して、大振幅信号はＳＮ比を確保できるだけの分解能があればよいため、ＡＤＣに含まれる選択回路が大振幅信号のＡＤ変換時には傾きの大きなスロープ電圧を選択して低ビット分解能ＡＤ変換を行う。一方、小振幅信号のＡＤ変換時には、傾きの小さなスロープ電圧を選択して高ビット分解能ＡＤ変換を行う。そうすることで、従来ＡＤ変換に時間がかかった大振幅信号のＡＤ変換時間を低ビット分解能ながら短縮することができる。

特開２００５−２７８１３５号公報特開２０１３−９０８７号公報

ところで、長時間露光を行う場合や、高温度下で撮影を行う場合などには、撮像素子で暗電流が生じることが知られている。暗電流は露光時間に比例するため、長時間露光する撮影条件では、暗電流に起因する出力が大きくなり、その影響は無視できない。暗電流は画質に悪影響を与えるため、光信号成分から暗電流成分を減算する処理を行うが、その処理はデジタル出力になってから行うのが一般的である。

特許文献２のような大振幅信号時に低ビット分解能ＡＤ変換を行う方式の場合、暗電流が大きい撮影条件においては、画質が劣化してしまう。これは、実際の光信号が小振幅であっても暗電流によって振幅が大きくなるため、小振幅の光信号が低ビット分解能でＡＤ変換されてしまうからである。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高画質化と読み出し速度の高速化を両立させたＡＤ変換が可能な撮像装置を提供することである。

本発明に係わる撮像装置は、複数の画素と、前記複数の画素から出力された画素信号と、電位が時間的に変化するスロープ電圧とを比較することにより前記画素信号をＡＤ変換するＡＤ変換手段とを備え、複数のスロープ電圧から１つのスロープ電圧を選択し、選択されたスロープ電圧と前記画素信号とを比較することにより前記画素信号をＡＤ変換する第１のモードと、所定のスロープ電圧と前記画素信号とを比較することにより前記画素信号をＡＤ変換する第２のモードとを前記画素に生じる暗電流量に応じて切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、高画質化と読み出し速度の高速化を両立させたＡＤ変換が可能な撮像装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図。第１の実施形態における撮像素子の構成を説明する図。撮像素子の画素回路を説明する図。撮像素子の列回路を説明する図。第１のＡＤ変換モードの動作例を示すタイミングチャート。第２のＡＤ変換モードの動作例を示すタイミングチャート。第１のＡＤ変換モードと第２のＡＤ変換モードの切り替え条件の一例を示す図。第２の実施形態における撮像素子の画素領域の構成例を示す図。第３の実施形態におけるＡＤ変換の動作例を示すタイミングチャート。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる撮像装置１００の構成を示すブロック図である。図１において、撮像装置１００の撮像光学系は、撮像レンズ１０１及び絞り１０２を備える。撮像レンズ１０１及び絞り１０２を通過した光は、撮像レンズ１０１の焦点位置近傍に結像する。なお、撮像レンズ１０１は、１枚のレンズとして図示されているが、実際には複数のレンズ群から構成される。撮像素子１０３はＣＭＯＳ撮像素子であり、撮像レンズ１０１により結像された被写体像を光量に応じて電気信号に変換し、更に、データ処理可能な画像信号に変換する機能を有する。信号処理回路１０４は、撮像素子１０３から出力される画像信号に対して、信号増幅、基準レベル調整等の各種の補正、データの並べ替えなどを行う。タイミング発生回路１０５は撮像素子１０３や信号処理回路１０４に駆動タイミング信号を出力する。

全体制御・演算回路１０６は、撮像素子１０３、信号処理回路１０４などを含む撮像装置１００全体の統括的な駆動及び制御を行う。また、信号処理回路１０４から出力された画像信号に対して、所定の画像処理や欠陥補正処理等を施す。メモリ回路１０７および記録回路１０８は、全体制御・演算回路１０６から出力された画像信号等を記録保持する不揮発性メモリあるいはメモリカード等の記録媒体である。操作回路１０９は撮像装置１００に備え付けられた操作部材からの入力を受け付け、全体制御・演算回路１０６にユーザーの命令を伝える。表示回路１１０は撮影後の画像、ライブビュー画像、各種設定画面等を表示する。

次に、撮像素子１０３の構成について、図２乃至図４を用いて説明する。図２は、本実施形態における撮像素子１０３の構成例を示すブロック図である。

図２において、撮像素子１０３には、複数の単位画素２００が行列状に配置されている。図２においては、単位画素２００を４行４列の計１６個として図示しているが、実際は数千万の単位画素２００が配列されて構成される。単位画素２００にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のベイヤー配列のカラーフィルタが設けられる。なお、図２において単位画素２００それぞれに記載されている文字及び数字は画素の色とアドレスを示している。例えばＧ０１は、０行１列目のＧ（緑）画素を示す。各単位画素２００は、列出力線２０１に画素信号を出力し、各列出力線２０１には電流源２０２が接続されている。

読み出し回路２０３は、複数の列回路４００から構成され、各列回路４００に列出力線２０１上の画素信号が入力され、アナログデジタル変換（ＡＤ変換）が行われる。スロープ電圧発生回路２０４は、列回路４００で行うＡＤ変換に使用する、電位が時間的に変化するスロープ電圧を生成する。なお、スロープ電圧発生回路２０４は、時間に対して一定の変化率で電位が変化するスロープ電圧を生成し、その傾きが異なるスロープ電圧を同時に複数パターン生成することができる。また、スロープ発生回路２０４では基準電圧ＶＲＥＦも生成する。

列回路４００でＡＤ変換された信号は水平走査回路２０５の駆動により、水平出力線２０９、及びデジタル出力処理回路２１０を介して撮像素子の外部に順次出力される。垂直走査回路２０６は、行毎に接続される信号線２０７を介して行の選択、駆動を行う。なお、図２において、信号線２０７は０行目に対してのみ記載しているが、実際には各行に配線されている。

図３は、本実施形態における撮像素子１０３の単位画素２００の回路構成の一例を示す図である。単位画素２００において、フォトダイオード（以下、ＰＤ）３０１（光電変換部）は、撮像レンズ１０１によって結像された被写体像を受けて電荷を発生し、発生した電荷を蓄積する。ＰＤ３０１で蓄積された電荷は、転送ＭＯＳトランジスタ（転送スイッチ）３０２を介してフローティングディフュージョン部（以下、ＦＤ）３０４に転送される。ＦＤ３０４に転送された電荷は、選択スイッチ３０６がオンされると、ソースフォロワアンプを形成する増幅ＭＯＳトランジスタ（以下、ＳＦ）３０５を介して電荷に対応した電圧として列出力線２０１に出力される。なお、選択スイッチ３０６は行単位で制御され、選択された行の画素信号が一括して各列の列出力線２０１に出力される。リセットＭＯＳトランジスタ（リセットスイッチ）３０３は、ＦＤ３０４の電位、及び転送スイッチ３０２を介してＰＤ３０１の電位をＶＤＤにリセットする。転送スイッチ３０２、リセットスイッチ３０３、選択スイッチ３０６は、それぞれ垂直走査回路２０６に接続されている信号線２０７を介して制御信号ＰＴＸ，ＰＲＥＳ，ＰＳＥＬにより制御される。

次に、読み出し回路２０３を構成する列回路４００について説明する。図４は本実施形態における撮像素子１０３の列回路４００の一例を示す図である。読み出し回路２０３は複数の列回路４００を備えて構成され、列出力線２０１から出力された信号が列回路４００に入力される。アンプ４０１は、列出力線２０１に現れた信号を増幅し、容量４０３は信号電圧を保持するために用いられる。容量４０３への書き込みは、制御信号ＰＳＨによりオン／オフされるスイッチ４０２により制御される。比較器４０５の一方の入力には、図２のスロープ電圧発生回路２０４から供給された基準電圧ＶＲＥＦや参照電圧であるスロープ電圧が選択回路４０４の選択結果に応じて入力される。選択回路４０４の動作に関する詳細は後述する。そして、比較器４０５の他方の入力には、容量４０３に書き込まれたアンプ４０１の出力が入力される。比較器４０５はアンプ４０１の出力と基準電圧ＶＲＥＦや参照電圧であるスロープ電圧を比較し、その大小関係によってローレベル、ハイレベルの２値のいずれかを出力する。具体的には、選択回路４０４から入力された電圧がアンプ４０１の出力に対して小さい時にはローレベル、大きい時にはハイレベルを出力する。参照電圧であるスロープ電圧の遷移開始と同時にクロック（以下、ＣＬＫ）が動き出し、カウンタ４０６は比較器４０５の出力がハイレベルの時にＣＬＫに対応してカウントアップし、比較器４０５の出力がローレベルに反転する（大小関係が逆転する）と同時にカウントを停止する。

判定値メモリ４０７には、基準電圧ＶＲＥＦとアンプ４０１からの出力とが比較器４０５で判定された結果が保持される。そして、Ｎメモリ４０８には、例えばＦＤ３０４のリセットレベルの信号（以下、「Ｎ信号」）をＡＤ変換したデジタル信号が保持される。また、Ｓメモリ４０９には、ＰＤ３０１の信号をＦＤ３０４のＮ信号に重畳した信号（以下「Ｓ信号」）をＡＤ変換したデジタル信号が保持される。判定値メモリ４０７、Ｎメモリ４０８、Ｓメモリ４０９に保持される信号に関する詳細は後述する。

判定値メモリ４０７、Ｎメモリ４０８、Ｓメモリ４０９に保持された信号は水平走査回路２０５からの制御信号によって、水平出力線４１０，４１１，４１２を介してデジタル出力処理回路２１０へ出力される。そして、デジタル出力処理回路２１０においてＳ信号からＮ信号が差し引かれ、ノイズの要因となるＦＤ３０４のリセットノイズ成分が除去された信号が出力される。なお、デジタル出力処理回路２１０の処理については後述する。

続いて、撮像素子１０３の１行分の単位画素２００からの電荷の読み出し動作について説明する。本実施形態における撮像素子１０３は、２つのＡＤ変換モードを有する。１つは、信号の出力レベルに応じてスロープ電圧を複数種類から選択してＡＤ変換を行う、複数スロープＡＤ変換モード（第１のＡＤ変換モード）である。もう１つは、信号の出力レベルによらず単一のスロープ電圧を使用してＡＤ変換を行う、単一スロープＡＤ変換モード（第２のＡＤ変換モード）である。図５及び図６は、各ＡＤ変換モードにおける電荷読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。各駆動パルスのタイミング、スロープ電圧Ｖｓｌｏｐｅ（基準電圧ＶＲＥＦを含む）、ＣＬＫ、水平走査信号を模式的に示している。また、各タイミングにおける、アンプ４０１から出力された電位Ｖｌも併せて示している。ＣＯＭＰは比較器４０５の出力レベルを示す。

図５は、複数スロープＡＤ変換モード（第１のＡＤ変換モード）における電荷読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。ＰＤ３０１からの信号の読み出しに先立って、リセットスイッチ３０３の制御信号ＰＲＥＳがＨｉとなる（ｔ５００）。これによって、ＳＦ３０５のゲートがリセット電源電圧にリセットされる。時刻ｔ５０１で制御信号ＰＳＥＬをＨｉとし、ＳＦ３０５を動作状態とする。そして、時刻ｔ５０２で制御信号ＰＲＥＳをＬｏとすることでＦＤ３０４のリセットを解除する。このときのＦＤの電位を列出力線２０１にリセット信号レベル（Ｎ信号）として読み出し、読み出し回路２０３を構成する列回路４００に入力する。時刻ｔ５０３，ｔ５０４で制御信号ＰＳＨをＨｉ、Ｌｏとしてスイッチ４０２をオン、オフすることにより、列出力線２０１に読み出されたＮ信号はアンプ４０１で所望のゲインで増幅された後容量４０３に保持される。容量４０３に保持されたＮ信号は比較器４０５の一方に入力される。

時刻ｔ５０４でスイッチ４０２がオフされた後、時刻ｔ５０５から時刻ｔ５０７まで、スロープ電圧発生回路２０４により、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬを時刻と共に初期値から減少させていく。なお、スロープ電圧発生回路２０４は傾きが異なる複数のスロープ電圧、すなわち傾きが大きいスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨと傾きが小さいスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬを同時に生成して列回路４００に入力することができる。しかし、ここではスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬのみを生成して、列回路４００の選択回路４０４を介して比較器４０５に入力する。スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬを参照電圧として使用することで、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨを使用した場合よりも信号振幅に対して分解能の高いＡＤ変換を行うことができる。これらの駆動はＴＧ２０８からスロープ電圧発生回路２０４、及び列回路４００の選択回路４０４に制御信号を送ることにより実現される。

時刻ｔ５０５のスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬの遷移開始と共に、ＣＬＫをカウンタ４０６に供給する。ＣＬＫの数に応じてカウンタ４０６の値は増加していく。そして、比較器４０５に入力されたスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬがＮ信号と同じレベルになると（時刻ｔ５０６）、比較器４０５の出力ＣＯＭＰはローレベルとなり、同時にカウンタ４０６の動作も停止する。この、カウンタ４０６の動作が停止した時のカウント値が、Ｎ信号がＡＤ変換された値となり、Ｎメモリ４０８に保持される。

次に、デジタル化されたＮ信号をＮメモリ４０８に保持した後の時刻ｔ５０７，ｔ５０８で制御信号ＰＴＸを順次Ｈｉ，ＬｏとしてＰＤ３０１に蓄積された光電荷をＦＤ３０４に転送する。すると、電荷量に応じたＦＤ３０４の電位変動が列出力線２０１にＳ信号レベル（光成分＋リセットノイズ成分（Ｎ信号））として読み出され、列回路４００に入力される。Ｓ信号はアンプ４０１で所望のゲインで増幅された後、時刻ｔ５０９，ｔ５１０で制御信号ＰＳＨを順次Ｈｉ，Ｌｏとしてスイッチ４０２をオン、オフすることにより容量４０３に保持される。容量４０３に保持された電位は比較器４０５の一方に入力される。時刻ｔ５１０でスイッチ４０２がオフされた後、時刻ｔ５１１から時刻ｔ５１２の期間に、比較器４０５のもう一方に基準電圧ＶＲＥＦが入力される。基準電圧ＶＲＥＦはスロープ電圧発生回路２０４で生成され、列回路４００の選択回路４１４を介して比較器４０５に入力される。

続いて、時刻ｔ５１３から時刻ｔ５１５まで、スロープ電圧発生回路２０４は、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬ及びスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨを時刻と共に初期値から減少させていく。各列回路４００がスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨ，ＶｓｌｏｐｅＬのどちらを比較器４０５に入力するかは、時刻ｔ５１１から時刻ｔ５１２の間の比較器４０５の出力ＣＯＭＰの値に応じて決定する。

図５の場合、出力Ｖｌと基準電圧ＶＲＥＦ（基準値）のレベルを比較すると、基準電圧ＶＲＥＦ＞出力Ｖｌであるので、出力ＣＯＭＰはハイレベル（＝１）となる。出力ＣＯＭＰのレベルは選択回路４０４にも入力されており、出力ＣＯＭＰ＝１の場合は、相対的に傾きの大きいスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨを選択して比較器４０５に入力する。一方、出力Ｖｌが基準電圧ＶＲＥＦ以下（基準値以下）、つまり出力ＣＯＭＰ＝０の場合には、相対的に傾きの小さいスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬを選択する。ここで、時刻ｔ５１１から時刻ｔ５１２までの出力ＣＯＭＰの値を判定値Ｊとし、選択回路４０４に入力するとともに、判定値メモリ４０７にも保持する。図４では図示していないが、スイッチを設けて、時刻ｔ５１１から時刻ｔ５１２の間のみ、比較器４０５の出力を選択回路４０４及び判定値メモリ４０７に入力するよう制御してもよい。

スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨの遷移開始と共に、ＣＬＫをカウンタ４０６に供給する。ＣＬＫの数に応じてカウンタ４０６の値は増加していく。そして、比較器４０５に入力した参照電圧ＶｓｌｏｐｅＨがＳ信号と同じレベルになると、比較器４０５の出力ＣＯＭＰはローレベルとなり（時刻ｔ５１４）、同時にカウンタ４０６の動作も停止する。この、カウンタ４０６の動作が停止した時のカウント値が、Ｓ信号がＡＤ変換された値となり、Ｓ信号用のメモリであるＳメモリ４０９に保持される。

続いて、判定値メモリ４０７、Ｎメモリ４０８、Ｓメモリ４０９に保持された信号を水平走査回路２０５により読み出す。時刻ｔ５１５から、列回路４００を順次動作させることにより、判定値メモリ４０７、Ｎメモリ４０８、Ｓメモリ４０９に保持された信号は、水平出力線４１０，４１１，４１２を介してデジタル出力処理回路２１０に送られる。そして、演算処理が行われた後、撮像素子１０３の外部に出力される。

デジタル出力処理回路２１０では、Ｓ信号からＮ信号を差し引いた差動信号レベル（光成分）が算出される。なお、Ｓ信号−Ｎ信号の演算の前に、Ｓ信号のＡＤ変換時に選択したスロープ電圧によって、ＡＤ変換結果の補正処理を行う。

ここで、ＡＤ変換結果の補正処理について説明する。例えば、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨの傾きがスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬの傾きの４倍である場合、１ＣＬＫすなわち出力１カウントに対応する信号振幅はＶｓｌｏｐｅＨの場合の方が４倍大きくなる。そこで、信号の電位レベルに対するデジタル出力を合わせるために、ＶｓｌｏｐｅＨでＡＤ変換されたカウント値に対してデジタルゲインで４倍する処理を行う。デジタル出力処理回路２１０に入力されたＳ信号に対して、補正処理が必要かは、判定値メモリ４０７に保持された判定値Ｊを見て判断することができる。すなわち、判定値Ｊ＝１であれば、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨが選択されたため、Ｓ信号を４倍する処理を行い、Ｊ＝０であれば、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬが選択されたため、４倍する処理は行わない。

なお、判定値Ｊを求めるための基準電圧ＶＲＥＦのレベルは任意に設定可能であるが、例えば、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨの傾きがスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬの傾きの４倍である場合、ＡＤ変換したい出力信号振幅の1／４に設定するとよい。例えば、ＡＤ変換したい出力信号の振幅が１［Ｖ］であった場合、基準電圧ＶＲＥＦを振幅０．２５［Ｖ］相当に設定する。ＡＤ変換時のカウンタを１２ビット、４０９５までカウントする構成として、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬは４０９５カウントで振幅０．２５[Ｖ]となるよう制御する。そして、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨは４０９５カウントで振幅１[Ｖ]となるよう制御する。このような構成でＡＤ変換を行った場合、補正処理後の結果は、０．２５[Ｖ]以下の小振幅、すなわち低輝度の出力は０から４０９５まで１カウント刻みで出力結果が得られる。また、０．２５[Ｖ]より大きく１[Ｖ]以下の大振幅、すなわち高輝度の出力は４０９６から１６３８０まで４カウント刻みで出力結果が得られる。このように、高輝度出力の分解能は低輝度より粗くなるものの、１４ビット相当のカウントまで時間をかけることなく、高速にＡＤ変換を行うことができる。

図６は、単一スロープＡＤ変換モード（第２のＡＤ変換モード）における電荷読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。図６を参照しながら、単一スロープＡＤ変換モードにおける電荷読み出し動作について説明する。なお、時刻ｔ６００から時刻ｔ６１０までの動作は、図５の時刻ｔ５００から時刻ｔ５１０までの駆動と同様であるので、説明を省略する。

時刻ｔ６１０でスイッチ４０２がオフされた後、時刻ｔ６１１から時刻ｔ６１３まで、スロープ電圧発生回路２０４により、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬ（またはＶｓｌｏｐｅＨ）を時刻と共に初期値から減少させていく。この単一スロープＡＤ変換モードは、単一スロープの参照電圧でＡＤ変換を行うので、複数スロープＡＤ変換モードのように、基準電圧ＶＲＥＦを入力して判定駆動を行う必要がない。また、スロープ電圧発生回路２０４は、１種類のスロープ電圧のみを生成して列回路４００に入力する。ここでは、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬを選択回路４０４を介して比較器４０５の一方に入力する。

スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬの遷移開始と共に、ＣＬＫをカウンタ４０６に供給する。ＣＬＫの数に応じてカウンタ４０６の値は増加していく。そして、比較器４０５に入力した参照電圧ＶｓｌｏｐｅＬがＳ信号と同じレベルになると、比較器４０５の出力ＣＯＭＰはローレベルとなり（時刻ｔ６１２）、同時にカウンタ４０６の動作も停止する。この、カウンタ４０６の動作が停止した時のカウント値が、Ｓ信号がＡＤ変換された値となり、Ｓ信号用のメモリであるＳメモリ４０９に保持される。

続いて、Ｎメモリ４０８、Ｓメモリ４０９に保持された信号を水平走査回路２０５により読み出す。時刻ｔ６１３から、列回路４００を順次動作させることにより、Ｎメモリ４０８、Ｓメモリ４０９に保持された信号は水平出力線４１１，４１２を介してデジタル出力処理回路２１０に送られる。そして、Ｓ信号からＮ信号を差し引いて差動信号レベル（光成分）を算出する処理などが行われた後、撮像素子１０３の外部に出力される。

以上説明したように、本実施形態の撮像装置は、複数スロープＡＤ変換モード（第１のＡＤ変換モード）と単一スロープＡＤ変換モード（第２のＡＤ変換モード）の２つのモードを有する。

ところで、長時間露光を行う場合や、高温度下で撮影を行う場合などには、撮影温度によって撮像素子で暗電流が生じることが知られている。暗電流は露光時間に比例するため、長時間露光する撮影条件では、その影響は無視できない。また、暗電流は温度依存性が高く、温度が８〜１０°Ｃ上昇すると、その出力は約２倍になる。暗電流が多い条件において、第１のＡＤ変換モードでＡＤ変換を行ってしまうと、実際の光信号が小振幅であっても暗電流のために振幅が大きくなり、低ビット分解能ＡＤ変換が行われてしまう。その結果、画質が劣化してしまう。

そこで、本実施形態では、設定される撮影条件に応じて、撮像素子を駆動するための読み出しモード（ＡＤ変換モード）を変更する。例えば、操作回路１０９から設定された撮影条件が露光時間１分以上の長秒露光であり、かつ撮影時温度が高温であった場合には、第２のＡＤ変換モードで単一スロープを用いて高分解能なＡＤ変換を行う。第２のＡＤ変換モードでＡＤ変換を行うと、読み出し時間がかかることになるが、長秒露光においては高フレームレートで読み出すニーズは低いため、好適である。

第１のＡＤ変換モードと第２のＡＤ変換モードとを切り替える条件は、例えば次のように決定する。すなわち、高フレームレートが必要ない長秒露光では第２のＡＤ変換モードを選択し、短秒露光では第１のＡＤ変換モードに切り替える。また、暗電流量に応じて切り替えてもよい。撮像素子で発生する暗電流量は予め想定できるため、暗電流量とＡＤ変換モードの切替条件のテーブルを撮像装置に記憶させておき、撮影条件に応じてＡＤ変換モードを切り替えてもよい。

図７は、第１のＡＤ変換モード（モード１）と第２のＡＤ変換モード（モード２）との切り替え条件のテーブルの一例を示した図である。図７は、ＩＳＯ３２００における切り替え条件を示しており、例えば、露光時間が３０秒で撮影時温度が５０°Ｃであったなら、モード２で信号読み出しを行うよう決定する。この図７に示した様なテーブルを各撮影感度について用意しておけば、暗電流量に応じて適切な信号読み出し（ＡＤ変換）を行うことができる。そして、デジタル出力処理回路２１０で、読み出された画素信号に対して暗電流成分を減算する処理を行えば、撮像信号を得ることができる。このようにして得られた撮像信号は低輝度出力が高分解能でデジタル変換されており、高画質な画像を得ることができる。

ところで、図６の説明では、参照電圧にスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬを選択したが、暗電流量が非常に多い場合には、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＨなどのように傾きが大きな参照電圧を選択してもよい。暗電流量が多い場合は、更に出力電位の振幅の大きい値までデジタル変換しても良く、その場合は読み出し時間の制約に応じてスロープ電圧の傾きを大きくすることでＡＤ変換に係る時間を短縮してもよい。暗電流量が多い場合は、それに伴ってノイズも大きくなるため、ＡＤ分解能を低くしても画質への影響は少なくなる。そのため、このようなスロープ電圧の選択が可能となる。

このように、撮影時の暗電流量に応じて適切にＡＤ変換方法を切り替えることによって、短秒露光など暗電流量が少ない場合に高速読み出しが可能でありながら、暗電流量が多い撮影条件においても高画質な画像を得ることが可能となる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、複数スロープＡＤ変換モード（第１のＡＤ変換モード）と単一スロープＡＤ変換モード（第２のＡＤ変換モード）の選択を撮影時の画質を評価して行う。撮像装置の構成及び撮像素子の駆動方法は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図８は、撮像素子の画素領域の構成例を示す図である。撮像素子の画素領域は、開口画素を有する開口画素領域８０３と、遮光画素領域である第１のオプティカルブラック領域８０１及び第２のオプティカルブラック領域８０２を有する。第１のオプティカルブラック領域（以下、ＮＵＬＬ）８０１は、ＰＤを有さない画素からなり、第２のオプティカルブラック領域（以下、ＯＢ）８０２はＰＤを有する画素からなる。ＯＢ８０２の画素出力は暗電流成分を含んでおり、撮影時の暗電流量を算出するために用いることができる。ＰＤを持たないＮＵＬＬ８０１の出力は暗電流成分を有さず、黒基準レベルとなる。そして、ＯＢ８０２の出力からＮＵＬＬ８０１の出力を差し引くことにより、撮影時の暗電流量を取得することができる。なお、図８に示す画素領域の構成は一例であり、ＮＵＬＬ８０１とＯＢ８０２が領域を分けて同じ行に構成されていてもよい。

図８のような画素領域を持つ撮像素子１０３を用いた場合の、暗電流量の算出方法（検出方法）について説明する。撮影終了後の画素出力の読み出しの際に、ＯＢ８０２の数行を使用して暗電流量を測定する。例えば、ＯＢ８０２の上部数行を第２のＡＤ変換モードでＡＤ変換する。そして、その出力の平均値などをデジタル出力処理回路２１０で算出し、その結果をＴＧ２０８に返すことで開口画素領域８０３を含むそれ以下の行の読み出しに使用するＡＤ変換方法を決定する。算出された暗電流量が所定の閾値より多ければ第２のＡＤ変換モード、所定の閾値以下ならば第１のＡＤ変換モードでＡＤ変換するよう制御する。撮像素子で発生する暗電流量には個体差があるため、撮影条件による切り替え制御では暗電流量を正確に反映できない場合もあるが、撮影時の暗電流量を算出することにより、適切にＡＤ変換を切り替えることができる。

なお、暗電流量の算出駆動の際には、暗電流量が閾値以上か否かがわかればよいので、基準電圧ＶＲＥＦとして閾値電圧を入力し、第１のＡＤ変換モードの時刻ｔ５１２までの駆動により判定値Ｊを求めて、その結果に応じて第１のＡＤ変換モードと第２のＡＤ変換モードの切り替えを行ってもよい。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態では、単一スロープＡＤ変換モード（第２のＡＤ変換モード）においても、高速に読み出しを行う方法について説明する。

第２の実施形態において、ＯＢ８０２を使用して暗電流量を算出する方法について説明した。本実施形態では、第２のＡＤ変換モードである単一スロープＡＤ変換モードでＡＤ変換を行う場合に、暗電流量分だけ開始電圧をずらしてスロープ電圧を入力する。なお、開始電圧は算出された暗電流量に対応する電圧に設定してもよいが、撮像信号にはノイズが含まれるため、その分を考慮して開始電圧を暗電流量より少し高く設定してもよい。このように開始電圧をずらすことによって、ＡＤ変換に係る時間を短縮することができる。また、その結果カウント値のビット幅も暗電流を考慮した分だけ増やすことなく、構成することができる。

図９は、単一スロープＡＤ変換モードにおいて、スロープ電圧の開始電圧をずらした場合の電荷読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。図９を参照しながら、本実施形態の電荷読み出し動作について説明する。なお、時刻ｔ９００から時刻ｔ９１０までの動作は、図６の時刻ｔ６００から時刻ｔ６１０までの駆動と同様であるので、説明を省略する。

時刻ｔ９１０でスイッチ４０２がオフされた後、時刻ｔ９１１から時刻ｔ９１３まで、スロープ電圧発生回路２０４により、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬ（またはＶｓｌｏｐｅＨ）を時間と共に開始電圧Ｖαから減少させていく。なお、開始電圧Ｖαは暗電流量算出駆動により算出された暗電流量を考慮して決定された電圧値である。このモードでは、単一スロープでＡＤ変換を行うので、スロープ電圧発生回路２０４は、１種類のスロープ電圧のみを生成して列回路４００に入力する。ここでは、スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬを入力するものとする。

スロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬの遷移開始と共に、ＣＬＫをカウンタ４０６に供給する。ＣＬＫの数に応じてカウンタ４０６の値は増加していく。そして、比較器４０５に入力したスロープ電圧ＶｓｌｏｐｅＬがＳ信号と同じレベルになると、比較器４０５の出力ＣＯＭＰはローレベルとなり（時刻ｔ９１２）、同時にカウンタ４０６の動作も停止する。この、カウンタ４０６の動作が停止した時のカウント値が、Ｓ信号がＡＤ変換された値となり、Ｓ信号用のメモリであるＳメモリ４０９に保持される。比較として、スロープ電圧が減少を開始する電圧を開始電圧Ｖαだけずらさなかった場合のスロープ電圧を点線で示している。電圧減少の開始点を開始電圧Ｖαだけずらした場合の方が、Ｓ信号出力Ｖｌとスロープ電圧とが同レベルになる時刻が早いことがわかる。

続いて、Ｎメモリ４０８、Ｓメモリ４０９に保持された信号を水平走査回路２０５により読み出す。時刻ｔ９１３から、列回路４００を順次動作させることでＮメモリ４０８、Ｓメモリ４０９に保持された信号は水平出力線４１１，４１２を介してデジタル出力処理回路２１０に送られる。そして、Ｓ信号からＮ信号を差し引いて差動信号レベル（光成分）を算出する処理が行われた後、撮像素子１０３の外部に出力される。なお、電圧減少の開始点を開始電圧Ｖαだけずらした分のカウント値はデジタル出力処理回路２１０などで加算して出力してもよい。

ここで、開始電圧Ｖαの算出方法の一例について説明する。図８のような画素領域をもつ撮像素子１０３において、ＯＢ８０２の数行の出力平均値ＯＢａｖｅをデジタル出力処理回路２１０で算出する。この算出結果をＴＧ２０８に入力し、所定の閾値より大きかった場合に第２のＡＤ変換モードでＡＤ変換を行う。そして、参照電圧の開始電圧Ｖαを決定して、スロープ電圧発生回路２０４に信号を送る。開始電圧ＶαはＯＢ８０２の出力から算出された値に対応した電圧値でもよいが、撮像信号のノイズ量を考慮して少しずらして開始した方が望ましい。そのずらし量は、例えば、ＯＢ８０２の出力のバラつき量ＯＢσも算出して、例えばＯＢａｖｅ−３×ＯＢσとして決定してもよい。また、デジタル出力であるＯＢａｖｅの値に応じて開始電圧Ｖαのテーブルを用意しておき、そこから決定してもよい。

また、開始電圧Ｖαに相当するカウント値については、予め電圧値とカウント値に対応するテーブルを用意しておき、開始電圧の値に応じてカウント値をＡＤ変換された画素の信号に対して加算してもよい。また、信号読み出しに先立って、列出力線２０１に電圧Ｖαと同じ電圧を入力して、第２のＡＤ変換モードでＡＤ変換を行って、開始電圧Ｖαに相当するカウント値を求めるようにしてもよい。

このように、撮影時の暗電流量に応じてスロープ電圧の開始電圧を変更することによって、暗電流量が多い撮影条件においても、読み出し時間の増加を抑制しつつ、高画質な画像を得ることが可能となる。

（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１００：撮像装置、１０１：撮像レンズ、１０２：絞り、１０３：撮像素子、１０４：信号処理回路、１０５：タイミング発生回路、１０６：全体制御・演算回路、１０７：メモリ回路、１０８：記録回路、１０９：操作回路、１１０：表示回路

Claims

複数の画素と、
前記複数の画素から出力された画素信号と、電位が時間的に変化するスロープ電圧とを比較することにより前記画素信号をＡＤ変換するＡＤ変換手段とを備え、
複数のスロープ電圧から１つのスロープ電圧を選択し、選択されたスロープ電圧と前記画素信号とを比較することにより前記画素信号をＡＤ変換する第１のモードと、所定のスロープ電圧と前記画素信号とを比較することにより前記画素信号をＡＤ変換する第２のモードとを前記画素に生じる暗電流量に応じて切り替えることを特徴とする撮像装置。
前記暗電流量は、撮影条件に応じて変化し、前記撮影条件は、撮影感度、撮影温度、蓄積時間のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記複数の画素は、複数の遮光された画素を含み、該遮光された画素の出力を用いて暗電流量を検出することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記複数の遮光された画素は、光電変換部を有する画素と光電変換部を有さない画素とを含み、前記光電変換部を有する画素の出力から前記光電変換部を有さない画素の出力を差し引くことにより暗電流量を検出することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
前記ＡＤ変換手段は、前記暗電流量と所定の閾値とを比較し、比較の結果に基づいて前記第１のモードと前記第２のモードとを切り替えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記ＡＤ変換手段は、前記暗電流量が前記所定の閾値よりも大きい場合に、前記第２のモードに切り替え、前記暗電流量が前記所定の閾値以下の場合に、前記第１のモードに切り替えることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
前記ＡＤ変換手段は、前記第２のモードにおいて、前記暗電流量に応じて前記スロープ電圧の時間的な変化の傾きを変えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記ＡＤ変換手段は、前記第２のモードにおいて、前記暗電流量に応じて前記スロープ電圧が変化を開始する開始電圧を変更することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記撮影条件と、該撮影条件において前記第１のモードと前記第２のモードのいずれを選択するかの関係を記憶する記憶手段をさらに備え、前記ＡＤ変換手段は、前記関係に基づいて前記第１のモードと前記第２のモードとを切り替えることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
前記ＡＤ変換手段は、前記第１のモードにおいて、前記画素信号のレベルが所定の基準値より大きい場合に、前記複数のスロープ電圧のうちの電位の時間的な変化の傾きが相対的に大きいスロープ電圧を用いて、前記画素信号のＡＤ変換を行い、前記画素信号のレベルが所定の基準値以下の場合に、前記複数のスロープ電圧のうちの電位の時間的な変化の傾きが相対的に小さいスロープ電圧を用いて、前記画素信号のＡＤ変換を行う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。
前記ＡＤ変換手段は、前記画素をリセットして得られた信号を、前記複数のスロープ電圧のうちの電位の時間的な変化の傾きが小さいスロープ電圧を用いてＡＤ変換することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記複数の画素の各々は、入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、フローティングディフュージョン部と、前記光電変換部で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送スイッチと、前記フローティングディフュージョン部に転送された電荷に対応した電圧を増幅して出力するソースフォロワアンプとを備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の撮像装置。
複数の画素を備える撮像装置を制御する方法であって、
前記複数の画素から出力された画素信号と、電位が時間的に変化するスロープ電圧とを比較することにより前記画素信号のＡＤ変換を行うＡＤ変換工程を備え、
前記ＡＤ変換工程では、複数のスロープ電圧から１つのスロープ電圧を選択し、選択されたスロープ電圧と前記画素信号とを比較することにより前記画素信号をＡＤ変換する第１のモードと、所定のスロープ電圧と前記画素信号とを比較することにより前記画素信号をＡＤ変換する第２のモードとを前記画素に生じる暗電流量に応じて切り替えることを特徴とする撮像装置の制御方法。