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（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）下記のようにフォトダイオードは明るさ (光の強さ)に応じてアナログ電圧が出力されて、アナログ電圧の大きさによってADCによってデジタル信号が出力されます。下記の場合は8bitのADCで0から最大で255までの諧調を持ちます。
| 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）
➡ ビット数が高いほど、明るさの階調が細かくなります！例えば下記のようにビット数によって違いがあります。
- 8ビット（256段階） → 一般的な画像（JPEGなど）
- 10ビット（1024段階） → より滑らかなグラデーション
- 12ビット・14ビット（4096〜16384段階） → 高画質なRAW画像
変換速度
➡ 変換速度は動画撮影や連写に影響します。遅いと、動きの速い被写体がブレてしまい、速いADCほど、高フレームレート（FPS） の動画撮影が可能になります。
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を共有できるためADCのばらつきの影響をなくすことができます．しかしより多くの画素を変換しなければならないため，フレームレートを高くしずらいです．またADCを高速に動作させなければならないため，現在では画素数が少ないイメージセンサなどで限定的に使用されます．
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