ADC (Analog to Digital Converter，A/D変換器) はアナログ信号をデジタル信号に変換する電子回路です． 本記事ではイメージセンサにおける基本的なADCの構造について解説していきます．
イメージセンサにおけるADC (Analog to Digital Converter)の概要
ADC（Analog to Digital Converter、アナログ・デジタル変換器）はイメージセンサが捉えた光を光電変換して得られたアナログ信号をデジタルデータに変換する回路です。
ADCの役割
カメラの仕組みを考えてみましょう。
1️⃣ 光がイメージセンサに当たる
- イメージセンサ（CMOSやCCD）は、光を電気信号（電圧）に変換します。
- でも、この電圧は アナログ信号 なので、そのままではコンピュータで扱えません。
2️⃣ ADCがアナログ信号をデジタル信号に変換
- ADCが電圧を数値化して、デジタルデータ（0と1）にします。
- これにより、カメラは画像データとして保存・処理できます。
3️⃣ 画像として表示・保存
- デジタルデータは JPEGやRAW などの形式で記録され、画面に表示されます。
ADCの変換の仕組み（簡単な例）
例）フォトダイオードは光を電荷へ変換します。CMOSイメージセンサでは、画素内のFDなどで電荷を電圧へ変換し、そのアナログ電圧をADCでデジタル値へ変換します。CCDイメージセンサでは、信号電荷を出力部まで転送してから電圧へ変換します。8bitのADCでは0〜255の256段階のデジタル値を表せます。
| 明るさ（光の強さ） | アナログ電圧 | ADCの変換後（デジタル値・8bit） |
|---|---|---|
| 黒（暗い） | 0V | 00000000（0） |
| 灰色（中間） | 1.5V | 10000000（128） |
| 白（明るい） | 3V | 11111111（255） |
ADCの性能を決めるポイント
ADCの性能としては様々ありますが、ビット数や変換速度、電力などがあります。
ビット数（bit depth）
N bit ADCでは2^N段階のデジタル値を表せます。ビット数が高いほど量子化の刻みを細かくできますが、実際の画像の有効階調はセンサノイズ、ADC精度、後段処理、RAW/JPEGなどの出力形式にも依存します。
変換速度
変換速度は最大フレームレートや読み出し時間に影響します。高速なADCほど高フレームレート化に有利です。一方、被写体の動きによるモーションブラーを主に決めるのは露光時間です。
イメージセンサにおけるADCの基本構造
直列ADC
直列ADCは図１のようにイメージセンサの読出し回路の後段にADCがあり，一つあるいは数個のADCでイメージセンサの画素すべてのアナログ信号を順次，デジタル信号に変換していきます．
この方式では構造が簡単でADCの数を少なくでき、同じADCを共有することでADC間のばらつきを減らせます。ただし、共有ADC自身のオフセット、ゲイン誤差、ノイズは残ります。また、多数の画素を少数のADCで順次変換するため、高フレームレート化にはADCの高速動作が必要です。
カラムADC
カラムADCでは図２のように，ADCが各カラム (列)毎にあります．この方式では一行分の画素を同時にデジタル信号へ変換します．
そのため，多画素でも高速に変換できるため多く使われています．また直列ADCと比べてより早い段階でデジタル信号に変換できるため，一部のノイズをより小さくすることができます．
画素並列ADC
画素並列ADCは図３のように各画素にADCを搭載する方式です．画素並列ADCでは画素毎にADCがあるため高速かつ，読出し回路によるノイズを低減できる特徴があります．
しかし各画素にADCがあるため画素が大きくなり，またPD (Photo Diode)の占める割合が下がり感度が落ちるといった欠点がありました．しかしながら，裏面照射 (BSI)や積層構造といった技術により，これらの欠点を克服した構造が出てきています．
まとめ
- ADC (Analog to Digital Converter)：アナログ信号をデジタル信号に変換する電子回路
- 直列ADC：読出し回路の後段にあるADCで，各画素のアナログ信号を順次デジタル信号に変換する方式
- カラムADC：各カラムにあるADCでアナログ信号をデジタル信号に変換する方式
- 画素並列ADC：各画素にあるADCでアナログ信号をデジタル信号に変換する方式
まとめ記事に戻る