JP7599845B2 - 撮像装置、撮像システム、移動体および撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置、撮像システム、移動体および撮像装置の駆動方法
に関する。

撮像装置においてノイズ信号を除去するために、ノイズ信号（以下、Ｎ信号と記載する）と、ノイズ信号を含む光電変換量に応じた画素信号（以下、Ｓ信号と記載する）を読み出し、その差分信号を画像信号として読み出す構成が知られている。

特許文献１は、時間的に変化するスロープ波形のランプ信号と、画素から読み出されて増幅されたアナログ信号を、Ｎ信号とＳ信号に時間を分けて比較動作する駆動方法が記載されている。さらに、ランプ信号の時間的変化と同時にカウンタ値のカウントアップを開始し、ランプ信号とアナログ信号が等しくなった時のカウンタ値によってＡ/Ｄ変換され
る駆動方法が記載されている。

特開２０１１―２４１０９号広報

Ｎ信号と比較されるランプ信号は、Ｎ信号の列毎の電圧バラツキや電圧変動を鑑みてＡ／Ｄ変換できるように、ランプ信号電圧幅を有する。さらに、ランプ信号の単位時間あたりの電圧変化量をＮ信号およびＳ信号に共通で一律に変更することによってＡ/Ｄ変換ゲ
インを変更できる。すなわち、Ａ/Ｄ変換ゲインによって、ランプ信号電圧幅が変化する
。

具体的に、ランプ信号によってＡ/Ｄ変換ゲインを大きくする場合、ランプ信号電圧幅
が小さくなる。そのため、Ｎ信号において、Ｎ信号の列毎の電圧バラツキや電圧変動が、ランプ信号電圧幅よりも大きくなることがある。すなわち、ランプ信号とＮ信号の比較動作が正しく行われず、正しい値がＡ/Ｄ変換されないことがある。つまり、縦線やざらつ
きなどと言った画質劣化を招くことになる。

一方で、ランプ信号電圧幅を大きくするために、単位時間あたりの電圧変化量を一定のまま、ランプ信号が時間的に変化する時間を延ばした場合、１水平期間を延ばすことになり、高速読み出しすることができなくなる。

本発明の目的は、高品質な画像信号を高速読み出し可能な撮像装置を提供することである。

本発明は上記課題を鑑みてなされ、上記目的を以下の構成によって達成される。

本発明の第一の態様は、
光電変換により画素信号を生成する画素回路が行列状に配置された画素領域と、
参照電圧を出力するランプ電圧生成回路と、
画素が設けられた列に対応して設けられ、前記画素信号に応じた入力信号と前記ランプ電圧生成回路から出力される前記参照電圧との比較に基づいて比較結果信号を出力する、コンパレータ回路と、
を備え、
前記ランプ電圧生成回路は、前記コンパレータ回路の基準電圧を設定するためのオフセット電圧を出力する第１の期間と、時間的に変化するスロープ状の電圧波形を有する参照電圧を出力する第２の期間と、を有し、
前記ランプ電圧生成回路は、前記第２の期間における参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量が第１の電圧量である第１の駆動状態と、前記第２の期間における参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量が第１の電圧量よりも小さい第２の電圧量である第２の駆動状態と、をとることができ、
前記第２の駆動状態におけるオフセット電圧は、前記第１の駆動状態におけるオフセット電圧に、前記第１の電圧量に対する前記第２の電圧量の比を掛けた値よりも小さい、
ことを特徴とする撮像装置である。

本発明の第二の態様は、
光電変換により画素信号を生成する複数の画素回路が行列状に配置された画素領域と、
参照電圧を出力するランプ電圧生成回路と、
列毎に設けられる複数のコンパレータ回路と、
を備える撮像装置の駆動方法であって、
前記ランプ電圧生成回路が出力するスロープ状の電圧波形を有する参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量を設定するステップと、
前記ランプ電圧生成回路がオフセット電圧を前記コンパレータ回路に出力し、前記コンパレータ回路が前記オフセット電圧に基づいて基準電圧を設定するステップと、
前記ランプ電圧生成回路が時間的に変化するスロープ状の電圧波形を有する参照電圧を前記コンパレータ回路に出力し、前記コンパレータ回路が、前記画素信号に応じた入力信号と前記ランプ電圧生成回路から出力される前記参照電圧との比較に基づいて比較結果信号を出力するステップと、
を含み、
第１の駆動状態では、前記電圧変化量を設定するステップにおいて、参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量を第１の電圧量に設定し、
第２の駆動状態では、前記電圧変化量を設定するステップにおいて、参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量を、前記第１の電圧量よりも小さい第２の電圧量に設定し、
前記第２の駆動状態におけるオフセット電圧は、前記第１の駆動状態におけるオフセット電圧に、前記第１の電圧量に対する前記第２の電圧量の比を掛けた値よりも小さい、
ことを特徴とする撮像装置の駆動方法である。

本発明によれば、高品質な画像信号を高速読み出し可能な撮像装置を提供することができる。

実施形態に係る撮像装置のブロック図である。 実施形態に係るランプ回路の回路図である。 第１の実施形態に係るランプ回路の駆動タイミングチャート図である。 ランプゲイン毎オフセット電圧の設定方法を説明する概略説明図である。 第２の実施形態に係るランプ回路の駆動タイミングチャート図である。 第３の実施形態に係るランプ回路の駆動タイミングチャート図である。 第４の実施形態に係る撮像システムの構成例を表す図である。 第５の実施形態に係る撮像システムおよび移動体の構成例を表す図である。

以下、本発明に係る撮像装置を実施するための最良の形態について、図面を参照にして具体的に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態にかかる撮像装置１００の構成ブロック図を示す。撮像装置は、画素領域１、列アンプ回路２、列コンパレータ回路３、列Ａ／Ｄ変換回路４、列メモリ回路５、水平駆動回路６、垂直駆動回路７、データ信号演算回路８、出力回路９、ランプ回路１０を含む。

画素領域１には、光電変換素子と画素回路が行列状に複数配置される。水平方向に配置される複数の画素回路は、行毎に垂直駆動回路７から供給される行制御信号ＰＶ（１）・・・ＰＶ（ｍ）（ｍは自然数）によって制御される。画素回路は、光電変換によって得られる電荷に基づく画素信号を生成して出力する。画素回路からの信号は、列毎の垂直読み出し線Ｖ（１）・・・Ｖ（ｎ）（ｎは自然数）および増幅回路を介して読み出される。画素回路からは行単位で、ノイズ信号（以下、Ｎ信号と記載する）と、ノイズを含む光電変換量に応じた画素信号（以下、Ｓ信号と記載する）のアナログ信号が読み出される。列毎の垂直読み出し線から読み出された画素信号は、列アンプ回路２に入力される。

列アンプ回路２は、垂直読み出し線を介して列毎に読み出された画素信号を、所定のゲイン倍に増幅する。列アンプ回路２による増幅後の画素信号は、入力信号として列コンパレータ回路３に入力される。

列コンパレータ回路３は、列アンプ回路２から入力されるアナログの入力信号と、ランプ回路１０から入力される時間的に変化するスロープ状の電圧波形のランプ信号（参照電圧）とを比較する。列コンパレータ回路３は、入力信号とランプ信号の比較に基づいて比較結果信号を出力する。例えば、列コンパレータ回路３は、入力信号の電圧がランプ信号の電圧より低いときはＬレベルを出力し、高いときにはＨレベルを出力する。なお、ランプ信号は複数列に対して共通であり、ランプ回路１０から供給される。

列Ａ／Ｄ変換回路４は、ランプ信号の時間的変化と同時にカウントアップするカウンタを有し、列コンパレータ回路３における比較結果に基づき、ランプ信号とアナログ信号が等しくなったタイミングにおけるカウンタ値のデジタル信号に変換する。変換されたデジタル信号は列メモリ回路５にＮ信号とＳ信号に分けて保存される。

列メモリ回路５に保存されたデジタル信号は水平駆動回路６からの駆動制御信号によって、順次、行単位でデータ信号演算回路８に読み出される。データ信号演算回路８は、入力されたデジタル信号からＳ信号とＮ信号の差分を演算するなどの信号演算処理を行い、出力回路９を通じて外部に画像信号として出力する。

上記の各回路は、制御回路（不図示）から供給される制御信号に基づいてその動作が制御される。

なお、本発明は本実施形態に限定されることなく、例えば、列アンプ回路２を省略した形態にしてもよい。この場合、列コンパレータ回路３には、画素回路からの画素信号が入力信号として入力される。さらに、列メモリ回路５はＳ信号とＮ信号の差分値を保存する形態にしてもよい。

図２は、ランプ回路（ランプ電圧生成回路）１０の回路構成を示す。

オペアンプＯＰ１は、＋入力端子に入力電圧ＶＲが入力され、－入力端子は、一方の端子が電源ＶＳＳに接続された抵抗素子Ｒ１の他方の端子に接続される。抵抗素子Ｒ１の他方の端子は、ゲート端子がオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されたトランジスタＭ２のソースまたはドレインの一方の端子に接続される。そして、トランジスタＭ２のソースまたはドレインの他方の端子は、ソースまたはドレインの一方の端子が電源ＶＤＤに接続されたトランジスタＭ１のゲート端子とソースまたはドレインの他方の端子に接続される。さらに、トランジスタＭ２のソースまたはドレインの他方の端子は、ソースまたはドレインの一方の端子が電源ＶＤＤに接続されたトランジスタＭ３のゲート端子も接続される。トランジスタＭ３のソースまたはドレインの他方の端子は、ゲート端子がＥＮ信号によって制御されるトランジスタＭ４のソースまたはドレインの一方の端子に接続される。トランジスタＭ４のソースまたはドレインの他方の端子は、一方の端子がＶＳＳ電源に接続された容量Ｃ１の他方の端子に接続される。容量Ｃ１の他方の端子はランプ信号出力ＶＲＡＭＰであり、ゲート端子がＲＥＳ信号によって制御されソースまたはドレインの一方の端子が電源ＶＳＳに接続されたトランジスタＭ５のソースまたはドレインの他方の端子に接続される。

続いて、ランプ回路１０の制御方法について簡単に説明をする。

トランジスタＭ１には、入力電圧ＶＲと容量素子Ｒ１に対応した電流Ｉ１が流れ、電流量は入力電圧ＶＲと抵抗素子Ｒ１によって調整することができる。すなわち、電流Ｉ１はＩ１＝ＶＲ/Ｒ１で表すことができる。そして、トランジスタＭ３にはトランジスタＭ１
に流れる電流Ｉ１がミラーされ、トランジスタＭ１とトランジスタＭ３の駆動能力比率（Ｂ＝Ｍ３/Ｍ１とする）に応じた電流Ｉ２がトランジスタＭ３に流れる。電流Ｉ２はＩ２
＝Ｂ・Ｉ１＝Ｂ・ＶＲ/Ｒ１で表すことができる。

続いて、容量Ｃ１はＥＮ信号によって電流Ｉ２が供給または停止され、電流が供給されることで容量に電荷が蓄積され、蓄積された電荷に応じた電圧がランプ信号出力ＶＲＡＭＰとして出力される。また、ランプ信号出力ＶＲＡＭＰは、ＲＥＳ信号に応じてトランジスタＭ５を介してＶＳＳ電源にリセットされる。

すなわち、ランプ信号出力ＶＲＡＭＰは、電流Ｉ２の電流量と電流が供給されている時間によって調整され、時間的に変化するスロープ状の電圧波形になる。

図３は、１水平期間における駆動タイミングチャートである。図３を参照して、実際の撮像装置におけるランプ回路動作について具体的に説明をする。なお、１水平期間とは、列アンプ回路２や列コンパレータ回路３などの列回路に行単位で信号を読み出す期間のことである。１水平期間を少なくとも行数分繰り返すことで全行の信号を読み出すことができる。

まず、時刻ｔ０以前において、ＥＮ信号はＬレベルであり、トランジスタＭ４はオフ状態である。また、ＲＥＳ信号はＨレベルでありトランジスタＭ５はオン状態である。すなわち、容量Ｃ１の両端は短絡状態かつ電流Ｉ２が供給されないため、ランプ信号出力はＶＳＳ電圧になる。

時刻ｔ０において、ＥＮ信号がＬレベルからＨレベルに変化して、トランジスタＭ４はオフ状態からオン状態に変化する。なお、トランジスタＭ５はオン状態のままである。すなわち、容量Ｃ１に電流Ｉ２が供給されるが、容量Ｃ１の両端は短絡状態のままであるため、ランプ信号出力ＶＲＡＭＰはＶＳＳ電圧のままである。

時刻ｔ１において、ＲＥＳ信号がＨレベルからＬレベルに変化して、トランジスタＭ５
はオン状態からオフ状態に変化する。これにより、容量Ｃ１の両端は開放されるため、電流Ｉ２に応じて容量Ｃ１に電荷が蓄積される。そして、時刻ｔ１から時刻ｔ２直前まで容量Ｃ１に電荷が蓄積されるため時間的に変化する電圧がランプ信号出力ＶＲＡＭＰとして出力される。

時刻ｔ２において、ＥＮ信号がＨレベルからＬレベルに変化して、トランジスタＭ４はオン状態からオフ状態に変化する。よって、容量Ｃ１に対する電流Ｉ２の供給が停止され、容量Ｃ１に保持された電圧がランプ信号出力ＶＲＡＭＰとして時刻ｔ２から時刻ｔ３直前まで出力される。

なお、時刻ｔ２から時刻ｔ３直前は、列コンパレータ回路３をリセットするリセット期間であり、この期間におけるランプ信号出力ＶＲＡＭＰが時刻ｔ３以降の列コンパレータ回路３の回路動作の基準電圧となる。すなわち、リセット期間は、ランプ信号出力（以下、リセット期間のランプ信号出力をオフセット電圧ＶＯＦと記載する）と、同期間における列アンプ回路２から出力される信号のリセット電圧Ｖ０が相対的に等しくなる回路動作が行われる。さらに言い換えると、リセット期間は、列コンパレータ回路３の基準電圧を設定するためのオフセット電圧ＶＯＦを、ランプ回路１０が出力する第１の期間である。

次に、時刻ｔ３において、ＲＥＳ信号がＬレベルからＨレベルに変化して、トランジスタＭ５はオフ状態からオン状態に変化する。よって、容量Ｃ１の両端が短絡状態になるのでランプ信号出力ＶＲＡＭＰはＶＳＳ電圧になる。

時刻ｔ４以降、時刻ｔ０から時刻ｔ３までと同様に、ＥＮ信号とＲＥＳ信号を制御した回路動作を順次繰り返す。

時刻ｔ５から時刻ｔ６直前までが、Ｎ信号とスロープ状のランプ信号を比較動作するＮ信号変換期間（第２の期間）であり、時刻ｔ８から時刻ｔ９直前までが、Ｓ信号とスロープ状のランプ信号を比較動作するＳ信号変換期間（第３の期間）である。Ｎ信号変換期間は、列コンパレータ回路３が画素回路から読み出されるＮ信号とランプ信号とを比較する期間であり、ランプ回路１０がこの比較動作のためのランプ信号（参照電圧）を出力する期間ともいえる。Ｓ信号変換期間は、列コンパレータ回路３が画素回路から読み出されるＳ信号（Ｎ信号を含む光電変換量に応じた画素信号）とランプ信号とを比較する期間であり、ランプ回路１０がこの比較動作のためのランプ信号（参照電圧）を出力する期間ともいえる。

Ｓ信号は光電変換量に応じた信号でありＮ信号よりも大きいため、Ｓ信号変換期間におけるランプ信号電圧幅は、Ｎ信号変換期間と比較して広くする必要がある。具体的には、Ｓ信号変換期間をＮ信号変換期間よりも時間を長くして、Ｎ信号時のランプ信号電圧幅ＶＮＲよりもＳ信号時のランプ信号電圧幅ＶＳＲを広くする。

さらに、時刻ｔ５から時刻ｔ６直前までのＮ信号変換期間における、列アンプ回路２から出力されるアナログ信号をＶＮとする。列コンパレータ回路３は、ＶＮ電圧に対してリセット電圧Ｖ０との差分電圧にオフセット電圧ＶＯＦを加算した電圧（ＶＮ－Ｖ０＋ＶＯＦ）に対して、同期間のランプ信号との比較動作をする。

また、時刻ｔ８から時刻ｔ９直前までのＳ信号変換期間における、列アンプ回路２から出力されるアナログ信号をＶＳとする。列コンパレータ回路３は、ＶＳ電圧に対してリセット電圧Ｖ０との差分電圧にオフセット電圧ＶＯＦを加算した電圧（ＶＳ－Ｖ０＋ＶＯＦ）に対して、同期間のランプ信号との比較動作をする。

このように、リセット期間のランプ信号出力にオフセット電圧ＶＯＦを設定することにより、列アンプ回路２の出力信号が電圧変動などによって各信号変換期間にリセット電圧Ｖ０よりも小さくなったとしても、列コンパレータ回路３で正確に比較動作できる。

時刻ｔ０から時刻ｔ９直前までの回路動作を、繰り返すことによって、画素領域のＮ信号とＳ信号を行単位で順次読み出していく。

上記において、オフセット電圧ＶＯＦおよびランプ信号電圧幅は、制御回路が供給するＥＮ信号およびＲＥＳ信号のタイミングを変えることで制御可能である。また、ランプ電圧の傾き（単位時間あたりのランプ電圧の変化量）は、制御回路からランプ回路１０に供給されるランプ制御電圧によって制御可能である。

以上説明したランプ回路動作において、リセット期間とＮ信号変換期間のランプ信号の設定方法について、図４を用いてさらに詳細を説明する。

図４の（Ａ）（Ｂ）に、図３で示したランプ信号波形に基づき、ランプゲインをＸ倍としたときのランプ信号波形と、ランプゲインＹ倍としたときのランプ信号波形を示す。図４（Ｂ）は、ランプ回路１０におけるＥＮ信号およびＲＥＳ信号のタイミングを図４（Ａ）のときと変えずにランプゲインのみを変更した場合のランプ信号波形を示す。ゲインＹ倍はゲインＸ倍よりも大きい値（Ｙ＞Ｘ）であると仮定し、ランプゲインＸ倍を基本ゲインとして、ラインゲインをＸ倍からＹ倍に変更すると仮定する。

ランプゲインは、時間的に変化するスロープ状のランプ電圧の傾き（単位時間あたりのランプ電圧の変化量）であり、Ａ/Ｄ変換ゲインに対応する。例えば、ランプゲインを大
きくする場合、ランプ電圧の傾きを小さくして、Ａ/Ｄ変換ゲインを大きくする。このよ
うに、本実施形態に係る撮像装置は、ランプ電圧（参照電圧）の単位時間あたりの変化量を第１の電圧量とする第１の駆動状態と、第１の電圧量よりも小さい第２の電圧量とする第２の駆動状態をとることができる。第１の駆動状態がランプゲインＸ倍の状態に相当し、第２の駆動状態がランプゲインＹ倍（Ｙ＞Ｘ）に相当する。第１の駆動状態と第２の駆動状態においてＡ／Ｄ変換ゲインを異ならせることができる。

まず、ランプゲインＸ倍のランプ信号において、図４（Ａ）に示すようにリセット期間時のオフセット電圧をＶＯＦＸとし、Ｎ信号変換期間におけるランプ信号電圧幅をＶＮＸとする。さらに、Ｎ信号変換期間のランプ信号電圧幅とオフセット電圧の差分電圧をΔＶＸとする（ΔＶＸ＝ＶＮＸ－ＶＯＦＸ）。

また、ランプゲインＹ倍のランプ信号において、図４（Ｂ）に示すようにリセット期間時のオフセット電圧をＶＯＦＹとし、Ｎ信号変換期間におけるランプ信号電圧幅をＶＮＹとする。さらに、Ｎ信号変換期間のランプ信号電圧幅とオフセット電圧の差分電圧をΔＶＹとする（ΔＶＹ＝ＶＮＹ－ＶＯＦＹ）。

まず、ランプゲインＸ倍において、Ｎ信号変換期間におけるランプ信号電圧幅ＶＮＸを、Ｎ信号の列毎の電圧バラツキや電圧変動を鑑みて十分に大きく設定する必要がある。具体的に、Ｎ信号の列毎の電圧バラツキや電圧変動の電圧変動量をΔＶＮとすると、差分電圧ΔＶＸはΔＶＮよりも大きく設定する。このようにすることで、確実にＮ信号とランプ信号が比較動作することができる。

次に、ランプゲインをＸ倍の設定からＹ倍に変更する場合を検討する。ランプゲインをＹ倍に変更すると、オフセット電圧ＶＯＦＹはＶＯＦＹ＝Ｘ/Ｙ・ＶＯＦＸ、Ｎ信号変換
期間におけるランプ信号電圧幅ＶＮＹはＶＮＹ＝Ｘ/Ｙ・ＶＮＸになり、差分電圧ΔＶＹ
はΔＶＹ＝Ｘ/Ｙ・ΔＶＸになる。すわわち、各電圧は一律でＸ/Ｙ倍される。

ここで着目すべきは、Ｎ信号の列毎の電圧バラツキや電圧変動ΔＶＮはランプゲインによらない点である。すなわち、電圧変動量ΔＶＮに対して、ランプゲインＸ倍において、差分電圧ΔＶＸはΔＶＸ＞ΔＶＮを満たすように設定される。一方で、ランプゲインＹ倍において、差分電圧ΔＶＹ（＝Ｘ/Ｙ・ΔＶＸ）はΔＶＮ＞ΔＶＹとなり、Ｎ信号の電圧
変動ΔＶＮが差分電圧ΔＶＹより大きくなってしまう場合がある。そうすると、ランプゲインＹ倍においては、Ｎ信号とランプ信号の比較動作が正しく行うことができない。つまり、Ｎ信号のＡ/Ｄ変換が正しく行われないため、縦スジやざらつきといった画質劣化の
課題が発生することになる。

この課題に対して、Ｎ信号変換期間を延長してＮ信号電圧幅ＶＮＹを大きくして差分電圧ΔＶＹを、ランプゲインＸ倍の時の差分電圧ΔＶＸに近くすることが考えられる。これにより、ΔＶＹ＞ΔＶＮとできるので、Ｎ信号とランプ信号の比較動作ができるようになる。しかしながら、１水平時間を延ばすことになるため、ランプゲインＸ倍とランプゲインＹ倍で読み出しスピードが変わってしまうため高速読み出し動作に対応できない、という新たな課題が発生する。

本実施形態は、ランプゲインを変更しても高速動作かつ画質劣化しない駆動方法を開示する。本実施形態に係る駆動方法は、ランプゲインに応じてランプ信号のオフセット電圧ＶＯＦを調整する。

具体的に、ランプゲインＹ倍の時のオフセット電圧ＶＯＦＹを、ランプゲインＸ倍の時のオフセット電圧ＶＯＦＸに対するランプゲイン比（Ｘ/Ｙ）倍した電圧よりも小さくな
るように設定する（ＶＯＦＹ＜Ｘ/Ｙ・ＶＯＦＸ）。より詳細には、ランプゲインＹ倍の
時の差分電圧ΔＶＹを出来るだけランプゲインＸ倍の時の差分電圧ΔＶＸに近くなるようにオフセット電圧ＶＯＦＹを設定する。

言い換えると、ランプゲインがＹ倍の状態（第２の駆動状態）におけるオフセット電圧ＶＯＦＹは、ランプゲインがＸ倍の状態（第１の駆動状態）におけるオフセット電圧ＶＯＦＸに、ランプゲイン比（Ｘ／Ｙ）を掛けた値よりも小さく設定される。ここで、ランプゲイン比（Ｘ／Ｙ）は、第１の駆動状態における参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量（第１の電圧量）に対する、第２の駆動状態における参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量（第２の電圧量）の比ともいえる。そして、第１の駆動状態および第２の駆動状態での、Ｎ信号変換期間における参照電圧の最大値とオフセット電圧との差（それぞれΔＶＸ、ΔＶＹ）、が略等しくなるように第２の駆動状態におけるオフセット電圧ＶＯＦＹが設定される。なおここで、ΔＶＸとΔＶＹが「略等しい」とは、これらの値の差が、Ｎ信号の列毎の電圧バラツキや電圧変動（ΔＶＮ）と比較して十分小さいこと（典型的には１０分の１以下）を意味する。

ランプゲインＹ倍の時のオフセット電圧ＶＯＦＹを、ランプゲインＸ倍の時のオフセット電圧ＶＯＦＸのランプゲイン比（Ｘ／Ｙ）倍した電圧より小さくなるように設定するためには、ランプ回路１０の容量Ｃ１への電荷蓄積時間を短くすればよい。ランプゲインＸ倍の時は、図３に示すように、ＥＮ信号とＲＥＳ信号がともにオンである時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間に容量Ｃ１に電荷が蓄積される。これに対して、ランプゲインＹ倍の時には、時刻ｔ２’（ただし、ｔ１＜ｔ２’＜ｔ２）にＥＮ信号をオフとして、容量Ｃ１への電荷蓄積時間を短くする。これにより、オフセット電圧ＶＯＦＹをオフセット電圧ＶＯＦＸのランプゲイン比（Ｘ／Ｙ）倍した電圧よりも小さくできる。

このようにすることで、Ｎ信号の電圧変動量ΔＶＮに対してランプゲインＹ倍の時の差
分電圧ΔＶＹを大きくできる（ΔＶＮ＜ΔＶＹ）。よって、ランプゲインＹ倍でもＮ信号とランプ信号の比較動作を正しく行うことができるので、Ｎ信号のＡ/Ｄ変換が正しく行
われ画質劣化は発生しない。また、１水平時間を延ばすこともないため、高速読み出し動作が可能である。したがって、本実施形態によれば、高速で画質劣化することのない高品質な撮像装置を提供することができる。

（第２実施形態）
図５は、第２の実施形態におけるランプ回路１０の駆動タイミングチャートを示す。図５の駆動タイミングチャートは、図３と同様に１水平期間における駆動タイミングを示す。

なお、第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、ランプ回路１０の駆動方法が異なるが、装置構成は第１の実施形態と同様である。以下では、第１の実施形態との差分について説明をする。

本実施形態の特徴の一つは、オフセット電圧として時刻ｔ１２から時刻ｔ１３直前のＶＯＦ１と、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５直前のＶＯＦ２の２つの値を用意して、列に応じてリセット期間を設定してオフセット電圧を変更できる点である。すなわち、リセット期間が、第１のグループの列コンパレータ回路の基準電圧を設定するための第１のオフセット電圧を出力する期間と、第２のグループの列コンパレータ回路の基準電圧を設定するための第２のオフセット電圧を出力する期間と、を含む。

例えば、偶数列における列コンパレータ回路のリセット期間に対応したランプ信号のオフセット電圧をＶＯＦ１として、奇数列における列コンパレータ回路のリセット期間に対応したランプ信号のオフセット電圧をＶＯＦ２とする。

すべての列において列コンパレータ回路のオフセット電圧を同一とすると、列コンパレータ回路３のすべての列においてほぼ同時に比較結果が確定する。Ｎ信号変換時の列アンプ２の出力信号（Ｎ信号）の列毎のバラツキや電圧変動により、比較結果が確定するタイミングは厳密には異なるが、大きく異なることはなくほぼ同一である。すべての列においてほぼ同時に比較結果が確定すると、列コンパレータ回路３の全列に一斉に電流が流れる。電流が一斉に流れると大きな総和電流となり、電源電圧の変動を生じ、電源電圧変動に起因したクロストークなどによって画質劣化をさせることがある。

一方、本実施形態では、列に応じてランプ信号のオフセット電圧を２つの値（第１のオフセット電圧ＶＯＦ１、および第２のオフセット電圧ＶＯＦ２）から設定する。これにより、Ｎ信号変換時に列コンパレータ回路３の比較結果が確定するタイミングがおよそ２つに分散される。したがって、全列の列コンパレータ回路３の電流が一斉に流れることがないので、電源電圧変動を緩和させて画質劣化しにくい駆動をすることができる。

さらに、本実施形態においても、ランプゲインＸ倍からランプゲインＹ倍に変更する場合、第１の実施形態と同様にする必要がある。すなわち、ランプゲインＹ倍の時のランプ信号における第１および第２のオフセット電圧を、ランプゲインＸ倍の時の第１および第２のオフセット電圧に対してランプゲイン比（Ｘ/Ｙ）倍した電圧よりも、小さくなるよ
うに設定する。より詳細には、ランプゲインがＸ倍とＹ倍の時で、Ｎ信号変換期間における参照電圧の最大値と第２のオフセット電圧との差が略等しくなるようにランプゲインＹ倍の時の第２のオフセット電圧が設定される。なお、同様に、ランプゲインがＸ倍とＹ倍の時で、Ｎ信号変換期間における参照電圧の最大値と第１のオフセット電圧との差が略等しくなるようにランプゲインＹ倍の時の第１のオフセット電圧が設定してもよい。

このようにすることで、画質劣化することのない高品質な撮像装置を提供することできる。

なお、本実施形態では、画素列を偶数列と奇数列の２つに分けて、それぞれに対して異なるオフセット電圧を設定しているが、画素列を列の偶奇以外の基準で分類してもよい。すなわち、画素列を第１の列グループと第２の列グループに分類して、それぞれの列グループの列コンパレータ回路に対して異なるオフセット電圧を設定する形態であれば、列のグループ分けの方法は特に限定されない。また、画素列を２つのグループに分類する以外に、３つ以上のグループに分類してそれぞれの列コンパレータ回路に対して異なるオフセット電圧を設定してもよい。

（第３実施形態）
図６は、第３の実施形態におけるランプ回路１０の駆動タイミングチャートを示す。図６の駆動タイミングチャートは、図３と同様に１水平期間における駆動タイミングを示す。

なお、第３の実施形態は、第１および第２の実施形態と比較して、ランプ回路１０の駆動方法が異なる。以下では、第１の実施形態との差分について説明をする。

本実施形態の特徴の一つは、画素回路から読み出されたアナログ信号を、列アンプ回路２で高ゲインＨｇと低ゲインＬｇの異なる２つのゲインで読み出す点である。このようにすることで、低輝度の画素信号は高ゲインＨｇで読み、高輝度の画素信号は低ゲインＬｇで読み出し、データ信号演算回路８や撮像装置の外部の回路によって画像合成することでダイナミックレンジを拡張した画像を読み出すことができる。

本実施形態においても、ランプゲインＸ倍からランプゲインＹ倍（Ｙ＞Ｘ）に変更する場合、第１の実施形態と同様にする。すなわち、ランプゲインＹ倍の時のランプ信号におけるオフセット電圧を、ランプゲインＸ倍の時のオフセット電圧に対してランプゲイン比（Ｘ/Ｙ）倍した電圧よりも、小さくなるように設定する。

なお、本発明は本実施形態に限定されることなく、列アンプ回路２からの読み出し順番を低ゲインＬｇ、高ゲインＨｇの読み出し順番を変更し、Ｓ信号変換期間とＮ信号変換期間の読み出し順番を変更して駆動してもよい。さらに、異なる３つ以上の列アンプゲインで読み出すように駆動してもよい。

さらに、本発明は上記全ての実施形態に限定されることなく、その他の回路構成によって実現されてもよい。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態による撮像システムについて、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。

上記第１乃至第３の実施形態で述べた撮像装置は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムとしては、特に限定されるものではないが、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、医療用カメラなどの各種の機器が挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置（光電変換装置）とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図７にはこれらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

撮像システム２０００は、図７に示すように、撮像装置１００、撮像光学系２００２、ＣＰＵ２０１０、レンズ制御部２０１２、撮像装置制御部２０１４、画像処理部２０１６、絞りシャッター制御部２０１８、表示部２０２０、操作スイッチ２０２２、記録媒体２０２４を備える。

撮像光学系２００２は、被写体の光学像を形成するための光学系であり、レンズ群、絞り２００４等を含む。絞り２００４は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なう機能を備えるほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッターとしての機能も備える。レンズ群及び絞り２００４は、光軸方向に沿って進退可能に保持されており、これらの連動した動作によって変倍機能（ズーム機能）や焦点調節機能を実現する。撮像光学系２００２は、撮像システムに一体化されていてもよいし、撮像システムへの装着が可能な撮像レンズでもよい。

撮像光学系２００２の像空間には、その撮像面が位置するように撮像装置１００が配置されている。撮像装置１００は、第１乃至第３の実施形態で説明した撮像装置であり、ＣＭＯＳセンサ（画素部）とその周辺回路（周辺回路領域）とを含んで構成される。撮像装置１００は、複数の光電変換部を有する画素が２次元配置され、これらの画素に対してカラーフィルタが配置されることで、２次元単板カラーセンサを構成している。撮像装置１００は、撮像光学系２００２により結像された被写体像を光電変換し、画像信号や焦点検出信号として出力する。

レンズ制御部２０１２は、撮像光学系２００２のレンズ群の進退駆動を制御して変倍操作や焦点調節を行うためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成されている。絞りシャッター制御部２０１８は、絞り２００４の開口径を変化して（絞り値を可変として）撮影光量を調節するためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成される。

ＣＰＵ２０１０は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内の制御装置であり、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を含む。ＣＰＵ２０１０は、ＲＯＭ等に記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮像光学系２００２の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理、記録等の一連の撮影動作を実行する。ＣＰＵ２０１０は、信号処理部でもある。

撮像装置制御部２０１４は、撮像装置１００の動作を制御するとともに、撮像装置１００から出力された信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ２０１０に送信するためのものであり、それら機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。Ａ／Ｄ変換機能は、撮像装置１００が備えていてもかまわない。画像処理部２０１６は、Ａ／Ｄ変換された信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成する処理装置であり、その機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。表示部２０２０は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示装置であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態等を表示する。操作スイッチ２０２２は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。記録媒体２０２４は、撮影済み画像等を記録するためのものであり、撮像システムに内蔵されたものでもよいし、メモリカード等の着脱可能なものでもよい。

このようにして、第１乃至第３の実施形態による撮像装置１００を適用した撮像システム２０００を構成することにより、高性能の撮像システムを実現することができる。

（第５の実施形態）
本発明の５の実施形態による撮像システム及び移動体について、図８Ａ及び図８Ｂを用いて説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。

図８Ａは、車載カメラに関する撮像システム２１００の一例を示したものである。撮像システム２１００は、撮像装置２１１０を有する。撮像装置２１１０は、上述の第１乃至第４の実施形態に記載の撮像装置のいずれかである。また、撮像システム２１００は、画像処理部２１１２と、視差取得部２１１４と、距離取得部２１１６と、衝突判定部２１１８と、を有する。画像処理部２１１２は、撮像装置２１１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う処理装置である。視差取得部２１１４は、撮像装置２１１０により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う処理装置である。距離取得部２１１６は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する処理装置である。衝突判定部２１１８は、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する処理装置である。ここで、視差取得部２１１４や距離情報取得部２１１６は、対象物までの距離情報等の情報を取得する情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部２１１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。上述の処理装置は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールに基づいて演算を行う汎用のハードウェアによって実現されてもよい。また、処理装置はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

撮像システム２１００は、車両情報取得装置２１２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム２１００は、衝突判定部２１１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ２１３０が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ２１３０は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム２１００は、衝突判定部２１１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置２１４０とも接続されている。例えば、衝突判定部２１１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ２１３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置２１４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム２１００で撮像する。図８Ｂに、車両前方（撮像範囲２１５０）を撮像する場合の撮像システム２１００を示した。車両情報取得装置２１２０は、撮像システム２１００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。上述の第１乃至第４の実施形態の撮像装置を撮像装置２１１０として用いることにより、本実施形態の撮像システム２１００は、測距の精度をより向上させることができる。

以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（輸送機器）に適用することができる。移動体（輸送機器）における移動装置はエンジン、モーター、車輪、プロペラなどの各種の駆動源である。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

１：画素領域 ３：列コンパレータ回路 １０：ランプ回路
ＶＲ：入力電圧 ＶＲＡＭＰ：ランプ信号電圧

Claims (11)

1. 光電変換により画素信号を生成する画素回路が行列状に配置された画素領域と、
   参照電圧を出力するランプ電圧生成回路と、
   画素が設けられた列に対応して設けられ、前記画素信号に応じた入力信号と前記ランプ電圧生成回路から出力される前記参照電圧との比較に基づいて比較結果信号を出力する、コンパレータ回路と、
   を備え、
   前記ランプ電圧生成回路は、前記コンパレータ回路の基準電圧を設定するためのオフセット電圧を出力する第１の期間と、時間的に変化するスロープ状の電圧波形を有する参照電圧を出力する第２の期間と、を有し、
   前記ランプ電圧生成回路は、前記第２の期間における参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量が第１の電圧量である第１の駆動状態と、前記第２の期間における参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量が第１の電圧量よりも小さい第２の電圧量である第２の駆動状態と、をとることができ、
   前記第２の駆動状態におけるオフセット電圧は、前記第１の駆動状態におけるオフセット電圧に、前記第１の電圧量に対する前記第２の電圧量の比を掛けた値よりも小さく、
   前記ランプ電圧生成回路は、容量素子の蓄積電荷に応じた電圧を前記参照電圧として出力し、前記第２の駆動状態では前記第１の駆動状態と比較して、前記容量素子への供給電流が小さく設定され、かつ、前記オフセット電圧を生成するための前記容量素子への電流供給期間が短く、
   前記ランプ電圧生成回路は、前記第１の期間のうちに、第１のグループのコンパレータ回路の基準電圧を設定するための第１のリセット期間に対応し第１のオフセット電圧を出力する期間と、第２のグループのコンパレータ回路の基準電圧を設定するための第２のリセット期間に対応し前記第１のオフセット電圧よりも大きい第２のオフセット電圧を出力する期間と、を有する、
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記第２の期間における参照電圧の最大値と前記オフセット電圧との差は、前記第１の駆動状態と前記第２の駆動状態において略等しい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第２の期間における参照電圧の最大値と前記オフセット電圧との差は、前記第１の駆動状態と前記第２の駆動状態のいずれにおいても、前記画素回路からノイズ信号を読み出したときの前記入力信号のバラツキよりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記第２の駆動状態における第１のオフセット電圧は、前記第１の駆動状態における第１のオフセット電圧に、前記第１の電圧量に対する前記第２の電圧量の比を掛けた値よりも小さく、
   前記第２の駆動状態における第２のオフセット電圧は、前記第１の駆動状態における第２のオフセット電圧に、前記第１の電圧量に対する前記第２の電圧量の比を掛けた値よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記第２の期間における参照電圧の最大値と前記第２のオフセット電圧との差は、前記第１の駆動状態と前記第２の駆動状態において略等しい、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 画素が設けられた列に対応して設けられ、前記画素回路から出力される画素信号を増幅するアンプ回路をさらに有し、
   前記コンパレータ回路には、前記アンプ回路による増幅後の画素信号が前記入力信号として入力される、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記アンプ回路は、前記画素回路から出力される画素信号を、第１のゲインと第２のゲインで増幅し、
   前記コンパレータ回路は、前記第１のゲインで増幅された画素信号と、前記第２のゲインで増幅された画素信号とをそれぞれ前記入力信号として、前記比較結果信号を出力する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記第２の期間は、前記画素回路からノイズ信号を読み出したときの前記入力信号に基づいて前記コンパレータ回路が前記比較結果信号を出力する期間であり、
   前記ランプ電圧生成回路は、前記画素回路から前記ノイズ信号を含む光電変換量に応じた画素信号を読み出したときの前記入力信号に基づいて前記コンパレータ回路が前記比較結果信号を出力する期間である、第３の期間をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像装置と、
   前記撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と、
   を有することを特徴とする撮像システム。
10. 移動体であって、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置から出力される信号から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、
    を有することを特徴とする移動体。
11. 光電変換により画素信号を生成する複数の画素回路が行列状に配置された画素領域と、
    参照電圧を出力するランプ電圧生成回路と、
    列毎に設けられる複数のコンパレータ回路と、
    を備える撮像装置の駆動方法であって、
    前記ランプ電圧生成回路が出力するスロープ状の電圧波形を有する参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量を設定するステップと、
    前記ランプ電圧生成回路がオフセット電圧を前記コンパレータ回路に出力し、前記コンパレータ回路が前記オフセット電圧に基づいて基準電圧を設定するステップと、
    前記ランプ電圧生成回路が時間的に変化するスロープ状の電圧波形を有する参照電圧を前記コンパレータ回路に出力し、前記コンパレータ回路が、前記画素信号に応じた入力信号と前記ランプ電圧生成回路から出力される前記参照電圧との比較に基づいて比較結果信号を出力するステップと、
    を含み、
    第１の駆動状態では、前記電圧変化量を設定するステップにおいて、参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量を第１の電圧量に設定し、
    第２の駆動状態では、前記電圧変化量を設定するステップにおいて、参照電圧の単位時間あたりの電圧変化量を、前記第１の電圧量よりも小さい第２の電圧量に設定し、
    前記第２の駆動状態におけるオフセット電圧は、前記第１の駆動状態におけるオフセット電圧に、前記第１の電圧量に対する前記第２の電圧量の比を掛けた値よりも小さく、
    前記ランプ電圧生成回路は、容量素子の蓄積電荷に応じた電圧を前記参照電圧として出力し、前記第２の駆動状態では前記第１の駆動状態と比較して、前記容量素子への供給電流が小さく設定され、かつ、前記オフセット電圧を生成するための前記容量素子への電流供給期間が短く、
    前記基準電圧を設定するステップにおいて、前記ランプ電圧生成回路が、第１のグループのコンパレータ回路の基準電圧を設定するための第１のリセット期間に対応し第１のオフセット電圧を出力する期間と、第２のグループのコンパレータ回路の基準電圧を設定するための第２のリセット期間に対応し前記第１のオフセット電圧よりも大きい第２のオフセット電圧を出力する期間と、を有する、
    ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。

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