JP2021170691A - 撮像素子、制御方法、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度におけるノイズ特性を改善する。【解決手段】画素は、アナログの画素信号を出力する画素回路と、画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路とを有する。そして、画素回路は、画素に照射される光を受光して光電変換を行い、その光の光量に応じた電荷を発生する光電変換部と、光電変換部で発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部とを有する。本技術は、例えば、画素内でAD変換を行う固体撮像装置に適用できる。【選択図】図２

Description

本開示は、撮像素子、制御方法、および電子機器に関し、特に、低照度におけるノイズ特性を改善することができるようにした撮像素子、制御方法、および電子機器に関する。

近年、１画素ごとに１つのAD（Analog to Digital）変換器を有し、画素ごとに並列的に画素信号をAD変換する構成の固体撮像素子が開発されている。また、固体撮像素子は、１画素ごとではなく、複数の画素ごとにAD変換器を有し、それらの画素が配置されているエリアごとにAD変換するような構成を採用してもよい。

また、特許文献１には、１画素ごと、または、複数の画素ごとに設けられるAD変換器における変換効率を切り替え可能とし、変換効率を低くすることで高照度側の信号を取得して広ダイナミックレンジを実現することができる固体撮像装置が開示されている。

国際公開第２０１７／０１８２１５号

しかしながら、上述した特許文献１で開示されている固体撮像素子は、低照度側の信号に対する特段の対処について考慮されていない構成であった。そのため、AD変換器のノイズが、低照度におけるノイズ特性に与える影響が大きく、そのノイズ特性の改善が求められていた。

本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、低照度におけるノイズ特性を改善することができるようにするものである。

本開示の一側面の撮像素子は、アナログの画素信号を出力する画素回路と、１個の前記画素回路ごと、または、所定個数の前記画素回路が配置されるエリアごとに配置され、前記画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路とを有する画素を備え、前記画素回路は、前記画素に照射される光を受光して光電変換を行い、その光の光量に応じた電荷を発生する光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部とを有する撮像素子。

本開示の一側面の制御方法は、撮像素子における制御を行う制御部が、アナログの画素信号を出力する画素回路と、１個の前記画素回路ごと、または、所定個数の前記画素回路が配置されるエリアごとに配置され、前記画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路とを有する画素から出力される前記画素信号を取得することと、前記画素信号に基づく画像の明るさに従って、前記画素回路が有する、前記画素に照射される光を受光して光電変換を行う光電変換部において光の光量に応じて発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部における前記変換効率の切り替えを制御することを含む。

本開示の一側面の電子機器は、アナログの画素信号を出力する画素回路と、１個の前記画素回路ごと、または、所定個数の前記画素回路が配置されるエリアごとに配置され、前記画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路とを有する画素を有し、前記画素回路は、前記画素に照射される光を受光して光電変換を行い、その光の光量に応じた電荷を発生する光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部とを有する撮像素子を備える。

本開示の一側面においては、画素回路からアナログの画素信号が出力され、１個の画素回路ごと、または、所定個数の画素回路が配置されるエリアごとに配置されるデジタル変換回路により画素信号がデジタル変換される。また、光電変換部では、画素に照射される光を受光して光電変換が行われて、その光の光量に応じた電荷が発生し、電荷電圧変換部では、光電変換部で発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能とされる。さらに、画素から出力される画素信号が取得され、その画素信号に基づく画像の明るさに従って、電荷電圧変換部における変換効率の切り替えが制御される。

本開示の一側面によれば、低照度におけるノイズ特性を改善することができる。

なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本技術を適用した固体撮像素子の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 画素の構成例を示すブロック図である。 画素回路の第１の構成例を示す図である。 比較器の構成例を示す図である。 画素回路の第２の構成例を示す図である。 画素回路の第３の構成例を示す図である。 変換効率の制御方法を説明するフローチャートである。 変換効率を切り替える際に参照するヒストグラムの一例を示す図である。 感度の制御方法を説明するフローチャートである。 画素の回路構成例を示す図である。 信号入出力部の回路構成例を示す図である。 基準変換効率時における駆動波形の一例を示す図である。 低変換効率時における駆動波形の一例を示す図である。 高変換効率時における駆動波形の一例を示す図である。 撮像装置の構成例を示すブロック図である。 イメージセンサを使用する使用例を示す図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。

以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜固体撮像装置の構成例＞
図１は、本技術を適用した固体撮像装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、固体撮像装置１は、例えば、シリコン（Si）などの半導体を用いた半導体基板に、２次元アレイ状に複数の画素２が配列された画素アレイ部４を有する。さらに、画素アレイ部４には、時刻コード発生部７で生成された時刻コードを各画素２に転送する時刻コード転送部３も設けられている。また、固体撮像装置１は、画素アレイ部４の周辺に、画素駆動回路５、DAC（D/A Converter）６、時刻コード発生部７、垂直駆動回路８、出力部９、およびタイミング生成回路１０が形成されている。

２次元アレイ状に配列された複数の画素２それぞれには、図１の右上に示すように、比較回路１１およびデータ記憶部１２を有するADC１３と、受光素子（例えば、後述する図３のＰＤ５２）を有する画素回路１４とが設けられている。例えば、画素２は、受光素子が受光した光量に応じた電荷信号が画素回路１４から出力され、その電荷信号をADC１３によって、アナログである画素信号SIGからデジタルの画素信号SIGに変換して出力する。

画素駆動回路５は、画素２内の画素回路１４を駆動する。DAC６は、時間経過に応じてレベル（電圧）が単調減少するスロープ信号である参照信号（基準電圧信号）REFを生成し、各画素２に供給する。

時刻コード発生部７は、各画素２が、アナログの画素信号SIGをデジタルの信号に変換（AD変換）する際に使用される時刻コードを生成し、対応する時刻コード転送部３に供給する。時刻コード発生部７は、画素アレイ部４に対して複数個設けられており、画素アレイ部４内には、時刻コード発生部７に対応する数だけ、時刻コード転送部３が設けられている。即ち、時刻コード発生部７と、そこで生成された時刻コードを転送する時刻コード転送部３は、１対１に対応する。

垂直駆動回路８は、画素２内で生成されたデジタルの画素信号SIGを、タイミング生成回路１０から供給されるタイミング信号に基づいて、所定の順番で出力部９に出力させる制御を行う。画素２から出力されたデジタルの画素信号SIGは、出力部９から固体撮像装置１の外部へ出力される。出力部９は、黒レベルを補正する黒レベル補正処理やCDS(Correlated Double Sampling；相関２重サンプリング)処理など、所定のデジタル信号処理を必要に応じて行い、その後、外部へ出力する。

タイミング生成回路１０は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、生成した各種のタイミング信号を、画素駆動回路５、DAC６、垂直駆動回路８などに供給する。

固体撮像装置１は、以上のように構成されている。なお、図１では、上述したように、固体撮像装置１を構成する全ての回路が、１つの半導体基板上に形成されるように説明したが、例えば、固体撮像装置１を構成する回路を複数枚の半導体基板に分けて配置する構成とすることもできる。

ここで、画素２の動作について説明する。

画素２では、受光素子が受光した光量に応じた電荷信号が、アナログの画素信号SIGとして画素回路１４からADC１３に出力され、ADC１３においてデジタルの画素信号SIGにAD変換されて出力される。

ADC１３では、比較回路１１が、DAC６から供給される参照信号REFと画素信号SIGを比較し、比較結果を表す比較結果信号として出力信号VCOを出力する。例えば、比較回路１１は、参照信号REFと画素信号SIGが同一（の電圧）になったとき、出力信号VCOを反転させる。

データ記憶部１２には、比較回路１１から出力信号VCOが入力される他、垂直駆動回路８から、画素信号の書き込み動作であることを表すWR信号（以下では、書き込み制御信号WRともいう）、画素信号の読み出し動作であることを表すRD信号（以下では、読み出し制御信号RDともいう）、および、画素信号の読み出し動作中における画素２の読み出しタイミングを制御するWORD信号が供給される。また、データ記憶部１２には、時刻コード転送部３を介して、時刻コード発生部７で生成された時刻コードも供給される。なお、ここでは、画素２の動作を分かり易くするために、垂直駆動回路８が制御信号を生成して画素アレイ部４へ供給すると説明しているが、全画素同時に駆動する制御信号を生成する回路（図示せず）が、例えば、水平部分に配置される構成としてもよい。即ち、制御信号が画素アレイ部４へ供給される構成であれば、制御信号を生成する回路の配置が制約されることはない。

例えば、データ記憶部１２は、WR信号及びRD信号に基づいて、時刻コードの書き込み動作と読み出し動作を制御するラッチ制御回路（例えば、後述する図２の入出力制御部２５）と、時刻コードを記憶するラッチ記憶部（例えば、後述する図２の信号記憶部２６）で構成される。

ラッチ制御回路は、時刻コードの書き込み動作においては、比較回路１１からHi（High）の出力信号VCOが入力されている間、時刻コード転送部３から供給される、単位時間ごとに更新される時刻コードをラッチ記憶部に記憶させる。そして、参照信号REFと画素信号SIGが同一（の電圧）になり、比較回路１１から供給される出力信号VCOがLo(Low)に反転されたとき、供給される時刻コードの書き込み（更新）を中止し、最後にラッチ記憶部に記憶された時刻コードをラッチ記憶部に保持させる。ラッチ記憶部に記憶された時刻コードは、画素信号SIGと参照信号REFが等しくなった時刻を表しており、画素信号SIGがその時刻の基準電圧であったことを示すデータ、即ち、デジタル化された光量値を表す。

参照信号REFの掃引が終了し、画素アレイ部４内の全ての画素２のラッチ記憶部に時刻コードが記憶された後、画素２の動作が、書き込み動作から読み出し動作に変更される。

ラッチ制御回路は、時刻コードの読み出し動作においては、読み出しタイミングを制御するWORD信号に基づいて、画素２が自分の読み出しタイミングとなったときに、ラッチ記憶部に記憶されている時刻コード（デジタルの画素信号SIG）を、時刻コード転送部３に出力する。時刻コード転送部３は、供給された時刻コードを、列方向（垂直方向）に順次転送し、出力部９に供給する。

以下では、時刻コードの書き込み動作においてラッチ記憶部に書き込まれる時刻コードと区別するため、時刻コードの読み出し動作においてラッチ記憶部から読み出される出力信号VCOが反転したときの反転時刻コードである、画素信号SIGがその時刻の基準電圧であったことを示すデジタル化された画素データを、AD変換画素データとも称する。

＜画素の構成例＞
図２は、画素２の構成例を示すブロック図である。

図２に示すように、画素２は、光電変換部２１、転送部２２、電荷電圧変換部２３、比較器２４、入出力制御部２５、および信号記憶部２６により構成される。例えば、光電変換部２１、転送部２２、および電荷電圧変換部２３は、図１の画素回路１４を構成する。同様に、比較器２４、入出力制御部２５、および信号記憶部２６は、図１のADC１３を構成しており、比較器２４が比較回路１１に対応し、入出力制御部２５および信号記憶部２６がデータ記憶部１２に対応する。

また、画素２には、図１のDAC６と同様の参照信号REFを発生する参照信号発生部３１が接続されている。さらに、画素２には、光電変換部２１、電荷電圧変換部２３、および比較器２４を初期化（リセット）する初期化手段３２、並びに、電荷電圧変換部２３における変換効率の切り替えを制御する変換効率制御部３３が接続されている。

また、信号記憶部２６は、図１の時刻コード転送部３に対応する信号入出力部３４との間で信号を入出力する。信号入出力部３４は、図１の時刻コード発生部７に対応するデジタルコード生成部３５からデジタルの時刻コードが供給され、信号記憶部２６から信号入出力部３４に出力された信号は、図１の出力部９に対応する信号処理部３６および出力制御部３７を介して出力される。

なお、図２の画素２では、１個の画素回路１４に対して１個のADC１３が配置される構成例が示されているが、例えば、所定個数の画素回路１４が配置されるエリアに対して１個のADC１３が配置されるような構成を採用してもよい。

＜画素回路の第１の構成例＞
図３を参照して、第１の構成例となる画素回路１４の回路構成、および、画素回路１４での変換効率の切り替えについて説明する。

図３のＡには、基準となる変換効率である基準変換効率時における画素回路１４の回路構成が示されており、図３のＢには、基準変換効率よりも高い変換効率である高変換効率時における画素回路１４の回路構成が示されている。

図３に示すように、画素回路１４は、ＰＤ（Photodiode）５２、転送トランジスタ５３、ＦＤ（Floating Diffusion）部５４、増幅トランジスタ５５、イネーブルトランジスタ５６、容量５７、切り替えスイッチ５８、およびトランジスタ５９を備えて構成される。例えば、ＰＤ５２は、図２の光電変換部２１に対応し、転送トランジスタ５３は、図２の転送部２２に対応し、増幅トランジスタ５５、イネーブルトランジスタ５６、容量５７、切り替えスイッチ５８、およびトランジスタ５９は、図２の電荷電圧変換部２３に対応する。

ＰＤ５２は、画素２に照射される光を受光して光電変換を行い、その光の光量に応じた電荷を発生して蓄積する。

転送トランジスタ５３は、ソース／ドレインの一方がＰＤ５２に接続されるとともに、ソース／ドレインの他方がＦＤ部５４に接続されており、ゲート電極に供給される転送信号TGに従って、ＰＤ５２で発生した電荷をＦＤ部５４に転送する。

ＦＤ部５４は、転送トランジスタ５３を介して転送されてくる電荷を一時的に蓄積する浮遊拡散領域である。

増幅トランジスタ５５は、ソース／ドレインの一方がイネーブルトランジスタ５６に接続されるとともに、ソース／ドレインの他方がバイアス電圧に接続されており、ゲート電極に接続されているＦＤ部５４に蓄積されている電荷に応じた電圧を発生する。

イネーブルトランジスタ５６は、ソース／ドレインの一方が出力端子PixOutに接続されるとともに、ソース／ドレインの他方が増幅トランジスタ５５に接続されており、増幅トランジスタ５５の有効または無効を制御するイネーブル信号ENに従ってオン／オフする。

容量５７は、一方の端子がＦＤ部５４に接続されるとともに、他方の端子が出力端子PixOutに接続されており、帰還容量を形成する。

切り替えスイッチ５８は、容量５７と並列に、一方の端子がＦＤ部５４に接続されるとともに、他方の端子が出力端子PixOutに接続されている。

トランジスタ５９は、ソース／ドレインの一方が電源電圧に接続されるとともに、ソース／ドレインの一方が出力端子PixOutに接続されており、ゲート電極にはバイアス電圧Vbpが供給される。

このように構成される画素回路１４において、後述する図７のフローチャートを参照して説明するように、図２の変換効率制御部３３によって切り替えスイッチ５８のオン／オフが制御されることにより、基準変換効率および高変換効率で変換効率が切り替えられる。

例えば、図３のＡに示すように、基準変換効率時には、切り替えスイッチ５８がオンに制御される。これにより、画素回路１４はソースフォロワ読み出しとなる回路構成となって、基準変換効率で電荷が電圧に変換されたアナログの画素信号が、出力端子PixOutから後段の比較器２４（図４参照）へ読み出される。即ち、このとき、ＦＤ部５４を初期化してリセットレベルの画素信号をADC１３が取得した後、トランジスタ（PMOS）５９のバイアスもトランジスタ５９がオフとなる電圧になる。この間、イネーブルトランジスタ５６も、縦積みで接続され、ＦＤ部５４と直結する増幅トランジスタ５５が無効となるように、Ｌｏｗ電圧に設定される。

一方、図３のＢに示すように、高変換効率時には、切り替えスイッチ５８がオフに制御される。これにより、画素回路１４はソース接地読み出しとなる回路構成となって、高変換効率で電荷が電圧に変換されたアナログの画素信号が、出力端子PixOutから後段の比較器２４（図４参照）へ読み出される。即ち、このとき、トランジスタ（PMOS）５９は定電流となるようにバイアスされる。そして、イネーブルトランジスタ５６は、縦積みで接続され、ＦＤ部５４と直結する増幅トランジスタ５５が、ソース接地のオペアンプとして動作するように、Ｈｉｇｈ電圧に設定される。なお、バイアス電圧VbiasSは、画素信号を転送する観点からはなるべく高い電圧となるように、出力端子PixOutの動作レンジの観点からはなるべく低い電圧となるように、適切なバランスとなるように決定される。

なお、画素回路１４におけるリセットは、切り替えスイッチ５８を利用してリセットを行うことができ、切り替えスイッチ５８をオフにした直後の電圧がリセットレベルとして読み出される。その後、信号レベルがＰＤ５２から転送トランジスタ５３を介してＦＤ部５４に転送されて読み出される。

このように、画素回路１４は、ＰＤ５２で発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を切り替え可能に構成されており、例えば、低照度時には高変換効率とすることで、低照度でのノイズ特性を改善することができる。

＜比較器の構成例＞
図４には、ADC１３の前段となる比較器２４の回路構成が示されている。

図４に示すように、比較器２４は、容量７２、トランジスタ７３および７４、定電流源７５、オートゼロスイッチ７６、並びに、トランジスタ７７および７８を備えて構成される。

容量７２は、一方の端子が画素回路１４の出力端子（PixOut）が接続されるとともに、他方の端子がトランジスタ７３のゲート電極に接続されており、画素回路１４から出力されるアナログの画素信号の直流成分をカットする。

トランジスタ７３には、容量７２を介して画素回路１４から出力される画素信号が供給される。トランジスタ７４には、図２の参照信号発生部３１から参照信号REFが供給され、トランジスタ７４は、図３の増幅トランジスタ５５と差動対を構成する。

オートゼロスイッチ７６は、容量７２およびトランジスタ７３の接続点と、トランジスタ７３およびトランジスタ７７の接続点との間に接続されており、動作点を揃えるのに利用される。トランジスタ７７および７８は、カレントミラーを構成する。そして、トランジスタ７３とトランジスタ７７との間に、ADC１３の後段となる入出力制御部２５が接続される。

このように構成される比較器２４では、画素回路１４からの入力に容量７２を挿入することで、容量７２が、画素回路１４の出力のオフセットをオートゼロにて記憶することができる。なお、比較器２４の回路設計で、この動作点を揃えることが可能であれば、容量７２およびオートゼロスイッチ７６は不要になるが、この動作点にバラツキが生じるという観点より、容量７２およびオートゼロスイッチ７６を有する構成とすることが好適である。

＜画素回路の第２の構成例＞
図５を参照して、第２の構成例となる画素回路１４Ａの回路構成と、画素回路１４Ａでの変換効率の切り替えについて説明する。

図５のＡには、基準変換効率時における画素回路１４Ａの回路構成が示されており、図５のＢには、高変換効率時における画素回路１４Ａの回路構成が示されており、図５のＣには、低変換効率時における画素回路１４Ａの回路構成が示されている。なお、図５に示す画素回路１４Ａにおいて、図３の画素回路１４と共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、画素回路１４Ａは、ＰＤ５２、転送トランジスタ５３、ＦＤ部５４、増幅トランジスタ５５、イネーブルトランジスタ５６、容量５７、切り替えスイッチ５８、およびトランジスタ５９を備える点で、図３の画素回路１４と共通する。

そして、画素回路１４Ａは、切り替えスイッチ６０、および容量６１を、さらに備えて構成される。

切り替えスイッチ６０は、一方の端子がＦＤ部５４に接続されるとともに、他方の端子が容量６１に接続されており、切り替えスイッチ５８と同様に、図２の変換効率制御部３３によってオン／オフが制御される。

容量６１は、一方の端子が切り替えスイッチ６０に接続されるとともに、他方の端子が接地されている。

このように構成される画素回路１４Ａは、基準変換効率、高変換効率、および低変換効率の３段階で変換効率を切り替えることができる。

即ち、図５のＡに示すように、画素回路１４Ａは、切り替えスイッチ５８をオンとし、かつ、切り替えスイッチ６０をオフとすることで、容量６１が切り離された状態、即ち、図３のＡと同様の回路構成となり、基準変換効率に設定される。

一方、図５のＢに示すように、画素回路１４Ａは、切り替えスイッチ５８および切り替えスイッチ６０を共にオフとすることで、図３のＢと同様の回路構成となり、高変換効率に設定される。

さらに、図５のＣに示すように、画素回路１４Ａは、切り替えスイッチ５８および切り替えスイッチ６０を共にオンとすることで、容量６１が接続されて低変換効率に設定される。

このように、画素回路１４Ａは、変換効率を低下させるための容量６１の接続を切り替えることで、３通りの変換効率を実現することができる。

＜画素回路の第３の構成例＞
図６を参照して、第３の構成例となる画素回路１４Ｂの回路構成と、画素回路１４Ｂでの変換効率の切り替えについて説明する。なお、図６に示す画素回路１４Ｂにおいて、図３の画素回路１４および図５の画素回路１４Ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、画素回路１４Ｂは、ＦＤ部５４、増幅トランジスタ５５、イネーブルトランジスタ５６、容量５７、切り替えスイッチ５８、およびトランジスタ５９を備える点で、図３の画素回路１４と共通する。さらに、画素回路１４Ｂは、切り替えスイッチ６０、および容量６１を備える点で、図５の画素回路１４Ａと共通する。

そして、画素回路１４Ｂは、ＰＤ５２ａおよび５２ｂ、転送トランジスタ５３ａおよび５３ｂ、並びに、排出トランジスタ６２ａおよび６２ｂを、さらに備えて構成される。

例えば、ＰＤ５２ａとＰＤ５２ｂとは、それぞれ異なる感度となるように形成され、ＰＤ５２ａの感度が小さく、ＰＤ５２ｂの感度が大きく形成される。例えば、ＰＤ５２ａとＰＤ５２ｂとは、受光面積であるサイズや、受光感度（例えば、オンチップマイクロレンズの大きさや、検出波長（カラーフィルタ）の特性の違い）などを異なるものとすることで、異なる感度に設定することができる。

そして、画素回路１４Ｂは、転送トランジスタ５３ａおよび５３ｂ、並びに、排出トランジスタ６２ａおよび６２ｂに対する制御を行って、ＰＤ５２ａおよび５２ｂのうち、画像の構築に使用するものを選択することで、感度を３段階に切り替えることができる。即ち、感度が小さなＰＤ５２ａのみ使用、感度が大きなＰＤ５２ｂのみ使用、または、ＰＤ５２ａとＰＤ５２ｂとの両方を使用するように切り替えることができる。

例えば、ＰＤ５２ａのみ使用する場合には、ＰＤ５２ｂは、転送トランジスタ５３ｂとは違う排出トランジスタ６２ｂによりリセットし続けることになる。同様に、ＰＤ５２ｂのみ使用する場合には、ＰＤ５２ａは、転送トランジスタ５３ａとは違う排出トランジスタ６２ａによりリセットし続けることになる。そして、ＰＤ５２ａとＰＤ５２ｂとの両方を使用する場合には、転送トランジスタ５３ａおよび５３ｂを同時に駆動することになる。

このように、画素回路１４Ｂは、感度が小さなＰＤ５２ａのみ使用、感度が大きなＰＤ５２ｂのみ使用、または、ＰＤ５２ａとＰＤ５２ｂとの両方を加算して使用するという３段階で感度の変更を実現することができる。

＜変換効率の制御方法＞
図７に示すフローチャートを参照して、固体撮像装置１における変換効率の制御方法について説明する。図７には、図３に示した画素回路１４を備える固体撮像装置１で行われる処理が示されている。

例えば、固体撮像装置１において撮像が始まると処理が開始され、ステップＳ１１において、固体撮像装置１は、画素アレイ部４に配置されている全ての画素２でセンシングを行って、それぞれの画素２において光の受光量に応じた電荷が発生する。

ステップＳ１２において、画素２は、現時点で設定されている変換効率で電荷を電圧に変換してAD変換した画素信号を出力し、変換効率制御部３３は、画素信号を取得する。

ステップＳ１３において、変換効率制御部３３は、全ての画素２の画素信号のヒストグラムを算出する。そして、変換効率制御部３３は、例えば、全ての画素信号のヒストグラムから欠陥を除き、飽和している画素信号の画素数と所定の閾値とを比較する。

ここで、図８には、変換効率制御部３３により算出されるヒストグラムの一例が示されている。図８のＡには、全ての画素２から出力される画素信号のうち、飽和している画素信号の画素数が閾値以上である場合のヒストグラムが示されている。この場合、変換効率制御部３３は、これらの画素信号により構築される画像は明るすぎるいという比較結果を取得する。

一方、図８のＢには、全ての画素２から出力される画素信号において、飽和している画素信号の画素数が少ない場合のヒストグラムが示されている。この場合、変換効率制御部３３は、現時点で設定されている変換効率から高変換効率に切り替えたときの、飽和する画素信号の画素数を求める。そして、変換効率制御部３３は、高変換効率に切り替え後においても、飽和する画素信号の画素数が存在しない程度に画素信号のレベルが小さい場合、これらの画素信号により構築される画像は暗すぎるという比較結果を取得する。

ステップＳ１４において、変換効率制御部３３は、ステップＳ１３での比較結果に従って、変換効率を切り替えるか否かを判定する。例えば、変換効率制御部３３は、画像が明るすぎるという比較結果、または、画像が暗すぎるという比較結果である場合には、変換効率を切り替えると判定する。一方、変換効率制御部３３は、画像が適切な明るさである（即ち、明るすぎでもなく、かつ、暗すぎでもない）という比較結果である場合には、変換効率を切り替えないと判定する。

ステップＳ１４において、変換効率制御部３３が、変換効率を切り替えないと判定した場合、即ち、現時点で設定されている変換効率で画像が適切な明るさであるという比較結果である場合、処理はステップＳ１１に戻る。即ち、この場合、現時点で設定されている変換効率そのままで、以下、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ１４において、変換効率制御部３３が、変換効率を切り替えると判定した場合、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、変換効率制御部３３は、ステップＳ１３での比較結果に従って、即ち、画素信号に基づく画像の明るさに従って、電荷電圧変換部２３に対して変換効率を切り替える制御を行う。

例えば、変換効率制御部３３は、図８のＡに示したヒストグラムように、飽和している画素信号の画素数が閾値以上であって、画像が明るすぎるという比較結果である場合、変換効率を低くするように電荷電圧変換部２３に対する制御を行う。これにより、図８のＢに示したヒストグラムように、飽和している画素信号の画素数がほぼ０となって、固体撮像装置１は、適切な明るさの画像を取得することができる。

一方、変換効率制御部３３は、飽和している画素信号の画素数が少なくて、高変換効率に切り替えたとしても飽和する画素信号の画素数が存在しない程度に画素信号のレベルが小さく、画像が暗すぎるという比較結果である場合、変換効率を高くするように電荷電圧変換部２３に対する制御を行う。このとき、変換効率制御部３３は、全ての画素２に対して一斉に、電荷電圧変換部２３を高変換効率に切り替えることができる。このように、電荷電圧変換部２３を高変換効率にすることによってノイズ特性を改善することができ、通常では画像が暗くなるような低照度であっても、固体撮像装置１は、低ノイズの画像を取得することができる。

ステップＳ１５の処理後、処理はステップＳ１１に戻り、以下、新たに設定された変換効率で、同様の処理が繰り返される。

以上のように、変換効率制御部３３は、画像の明るさに従って電荷電圧変換部２３の変換効率を適切に設定することができ、固体撮像装置１は、適切な明るさでノイズの少ない画像を取得することができる。

なお、図６に示した画素回路１４Ａを備える固体撮像装置１においても、図７を参照して説明したのと同様に閾値に基づいた判定により、変換効率を３段階で切り替える制御を行うことができる。

＜感度の制御方法＞
図９に示すフローチャートを参照して、固体撮像装置１における感度の制御方法について説明する。図９には、図６に示した画素回路１４Ｂを備える固体撮像装置１で行われる処理が示されている。

ステップＳ２１乃至Ｓ２３において、図７のステップＳ１１乃至Ｓ１３と同様の処理が行われ、ステップＳ２３では、上述の図８に示したのと同様のヒストグラムを用いた比較が行われる。そして、ステップＳ２４において、変換効率制御部３３は、画像の構築に使用するＰＤ５２を切り替えるか否かを判定する。

ステップＳ２４において、変換効率制御部３３が、画像の構築に使用するＰＤ５２を切り替えないと判定した場合、処理はステップＳ２１に戻る。即ち、この場合、図６のＰＤ５２ａおよびＰＤ５２ｂのうち、現時点で画像の構築に使用している方を継続して使用して、以下、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ２４において、変換効率制御部３３が、画像の構築に使用するＰＤ５２を切り替えると判定した場合、処理はステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５において、変換効率制御部３３は、ステップＳ１３での比較結果に従って、即ち、画素信号に基づく画像の明るさに従って、画像の構築に使用するＰＤ５２を切り替える制御を行う。

例えば、変換効率制御部３３は、切り替えスイッチ５８および６０を制御することによる変換効率の切り替えと同様に、ある一定以上の画素信号が出力される場合、感度の小さいＰＤ５２ａを選択し、ある範囲に画素信号が収まる場合は、感度の高いＰＤ５２ｂを選択し、最も少ない画素信号の場合、ＰＤ５２ａおよび５２ｂの両方を使い最大限の画素信号を取得するように切り替えを行う。

ステップＳ２５の処理後、処理はステップＳ２１に戻り、以下、新たに設定されたＰＤ５２を使用して、同様の処理が繰り返される。

以上のように、変換効率制御部３３は、画像の明るさに従って使用するＰＤ５２を切り替えて感度を適切に設定することができ、固体撮像装置１は、より適切な明るさでノイズの少ない画像を取得することができる。

＜画素の回路構成＞
図１０は、画素２の詳細な回路構成の一例を示す図である。

図１０には、図５の画素回路１４Ａを備え、３段階で変換効率を切り替えることができる画素２の回路構成例が示されている。

図１０に示すように、画素２は、画素回路１４ＡおよびADC１３の間に、バイアス回路８１を備えて構成され、バイアス回路８１は、トランジスタ９１乃至９６が組み合わされて構成される。

例えば、バイアス回路８１は、１個の画素回路１４Ａごとに１つずつ設けられる構成であってもよいし、４個の画素回路１４Ａでバイアス回路８１を共有する構成としたり、それ以上の個数の画素回路１４Ａで供給する構成としてもよい。また、トランジスタ９２のゲート電極に供給されるバイアス電圧ENPbiasや、トランジスタ９３のソース電圧、トランジスタ９６のドレイン電圧は、全てのバイアス回路８１で共通化することができる。

ADC１３は、比較器２４（図４参照）、帯域制限部８２、トランジスタ８３および８４、ポジティブフィードバック回路（PFB）８５、入出力制御部２５、並びに、信号記憶部２６により構成される。

帯域制限部８２は、容量１０１により構成され、比較器２４から出力される出力信号に対する帯域制限を行う。そして、比較器２４から出力され帯域制限部８２により帯域制限された出力信号は、トランジスタ８３で一旦受けられ、トランジスタ８３と直列的に接続されるトランジスタ８４を介してポジティブフィードバック回路８５に入力される。

ポジティブフィードバック回路８５は、トランジスタ１１１乃至１１７が組み合わされて構成され、トランジスタ１１４乃至１１７によりNOR回路が構成される。ポジティブフィードバック回路８５は、出力を入力にフィードバックすることにより、比較器２４から出力される出力信号に対する応答の高速化を図ることができる。

入出力制御部２５は、インバータ１２１、NAND回路１２２、およびインバータ１２３が組み合わされて構成される。また、信号記憶部２６は、複数個の１ビットのラッチ１３１により構成され、それぞれのラッチ１３１は、スイッチ１３２、並びに、インバータ１３３および１３４により構成されている。

＜信号入出力部の回路構成＞
図１１は、信号入出力部３４の詳細な回路構成の一例を示す図である。

図１１に示すように、信号入出力部３４は、トランジスタ１４１、トライステートインバータ１４２、トライステートバッファ１４３、ＦＦ回路１４４−１乃至１４４−Ｎ、バッファ回路１４５−１乃至１４５−Ｎ、ＦＦ回路１４６−１乃至１４６−Ｎ、およびバッファ回路１４７−１乃至１４７−Ｎが接続されて構成されている。ここで、ＦＦ回路およびバッファ回路は、信号記憶部２６が有するラッチ１３１に対して１セットずつ設けられ、信号記憶部２６に必要なビット数分に応じて複数セット備えた構成となる。

＜駆動波形＞
図１２乃至図１４を参照して、画素２を制御する駆動波形について説明する。

図１２には、画素回路１４Ａにおいて３段階に切り替えられる変換効率のうち、変換効率が中となる基準変換効率時の駆動波形が示されており、図１３には、低変換効率時の駆動波形が示されており、図１４には、高変換効率時の駆動波形が示されている。なお、図１２乃至図１４で共通となるタイミングＴ０乃至Ｔ１１については後述し、先にタイミングａ乃至ｄについて説明する

図１２に示すように、基準変換効率時において、タイミングａで、転送トランジスタ５３の先のＦＤ部５４は、切り替えスイッチ５８に供給されるリセット信号ＲＳＴが"Ｈ"となり続けることによって、比較器２４に入力される側と導通する。この部分の寄生容量である容量５７が変換効率を決定する。

そして、初期化は、まずバイアス回路８１を有効にするため、トランジスタ９６に供給されるバイアス電圧Ｖｂを定電流電圧まで引き上げ、トランジスタ９３をＯＮ（この場合"ENNbias=H"）にする。また、１フレームで蓄積した暗電流を除去するため、切り替えスイッチ６０の導通をＯＮ状態（FDG=H）とする。そして、トランジスタ（PMOS）５９に接続される部分の電位は、イネーブルトランジスタ５６の導通が切れていることからほぼＧＮＤまで低下し、これにより電荷電圧変換部２３は初期化される。なお、初期化後は、トランジスタ９３の導通を切り、トランジスタ９２をＯＮ電位（この場合"ENPbias=L"）とすることで、電荷電圧変換部２３は浮遊状態となる。

その後、タイミングｂで、トランジスタ９６に供給されるバイアス電圧Vbは電流を流さない"L"となる。ここでは制御の一例が示されており、そのままでもよいし、差動構成のアンプの電位をＨｉｇｈとするため、バイアス電圧Vbは"L"とした後に、タイミングｃで、トランジスタ９３を再度ＯＮとしてもよい。

最後に、タイミングｄで、切り替えスイッチ６０の導通をＯＦＦ状態（FDG=L）として、その後、基準変換効率の状態における画素２ごとに並列的なAD変換が行われる。

図１３に示すように、低変換効率時では、図１２と同様に基本的な初期化が行われ、最後の切り替えスイッチ６０の導通をＯＮ状態（FDG=H）のままとするか、ＯＦＦ状態（FDG=L）として接続を切るかどうかが、図１２と異なる制御となる。

図１４に示すように、高変換効率時では、ソース接地アンプの容量Cgsを使用する。即ち、バイアス電圧Vbがトランジスタ９６に供給されることによって一定電流が流され、バイアス回路８１が有効化する。

まず、タイミングａで、切り替えスイッチ５８に供給されるリセット信号RSTとトランジスタ９６に供給される初期化信号Riniを同時に駆動し、差動回路のようにとして、初期化電圧Vriniが転送トランジスタ５３の横のＦＤ部５４に設定される。そして、ゆっくりリセット信号RSTおよび初期化信号RiniをOFFすることで、動作点を初期化電圧Vriniとしつつ、チャージインジェクションとクロックフィードスルーを同量とすることができる。

ここで、図１４に示すような変換効率が高いこの制御の場合には、後に続くADC１３の入力信号はリセットレベルの電圧が低く、信号レベルの電圧が高いという関係になる。そこで、この場合、比較器２４に入力される信号は、図１２および図１３に示すようなリセットレベルが高い制御はなく、電圧を低く設定する。一方、信号レベルの制御は、図１２および図１３に示すのと同様に高い電位である。このように制御することで、同一の画素回路１４Ａで３種類の変換効率の切り替えを実現することができる。

また、スロープ信号は低い電圧から高い電圧へ単調減少するようにしても同様の効果（同一回路で高ゲイン信号の取得）が得られるが、比較器２４の出力電圧の極性が逆になり調整用の回路が必要となるため、上述したような手法の方がより好ましい。

以下では、図１２乃至図１４で共通となるタイミングＴ０乃至Ｔ１１について説明する。

まず、タイミングＴ０において、露光制御として、排出トランジスタ（図示せず）に供給されるOFG信号によりＰＤ５２を初期化する。そして、OFG信号がONからOFFに切り替わったタイミングから、転送トランジスタ５３に供給されるTG信号がONからOFFに切り替わるタイミングまでが露光（蓄積）期間となる。また、排出トランジスタが設けられない構成では、１フレーム前でTG信号がONからOFFに切り替わったタイミングから、次にTG信号がONからOFFに切り替わるタイミングまでが露光（蓄積）期間となる。なお、図１２乃至図１４では、OFG信号は、ONである期間が短いパルスで図示されているが、ONである期間が長くてもよいし、ONである期間が２回以上の複数のパルスで入力されてもよい。また、オーバーフローの抑制の観点から、OFG信号として、ONおよびOFFの２値ではなく、中間電圧や中間パルスなどを用いてもよい。

タイミングＴ１において、トランジスタ７４に供給されるREF信号の電位が、ＦＤ部５４の初期電圧になるように設定され、ＦＤ部５４が初期化される。このとき、REF信号の電位を上昇させることで、ＦＤ部５４をソフトリセット（線形から飽和領域へ徐々に移行してkT/Cノイズを約1/2に低減）させることが可能になる。また、ＦＤ部５４の動作範囲を高い電圧にすることができる結果、取り扱い最大電荷量の向上を図り、ＰＤ５２からＦＤ部５４への信号転送のマージンを拡大することができる。また、切り替えスイッチ６０に供給されるFDG信号をONし続けたままとし、切り替えスイッチ５８に供給されるRST信号により同様の制御を行うことで、切り替えスイッチ５８と切り替えスイッチ６０との間に接続されている容量５７によって、変換効率を低下させることができる。もちろん、RST信号およびFDG信号は、固定電圧ではなく、それらを同時に制御してもよい。

タイミングＴ２において、トランジスタ１１１に供給されるINI信号、および、トランジスタ１１２に供給されるINI2信号により、比較器２４の２段目の浮遊部が初期化される。ここでは、INI信号およびINI2信号を分けて説明しているが、それらが同一の信号であってもよい。INI信号およびINI2信号を同一とする場合には、配線を一本マージすることができ、レイアウト設計のマージンの拡大が可能となる。また、トランジスタ１１５および１１７に供給されるFORCEVCO信号を制御することで、比較器２４の出力はＲｅａｄｙ状態となり、ラッチ１３１に信号の書き込みが可能な状態となる。

タイミングＴ３において、時刻コード発生部７において生成される時刻コードの入力、および、信号記憶部２６に記憶されている時刻コードであるAD変換画素データの出力を行う信号入出力部３４（リピータ）を制御し、トライステートバッファ１４３に供給されるWEN信号により、外部からラッチ１３１へ時刻コードの書き込みを行う。同時に、単調減少のスロープ信号であるREF信号をトランジスタ７４に入力し、ＦＤ部５４の電位と比較して反転したタイミングで、VCO信号が反転する。そして、このタイミングで、書き込み続けられていた時刻コードがラッチ１３１に記憶され、対応するラッチ１３１への書き込み動作を停止する。

このVCO信号は、比較器２４の前段における電流が数ｎAでも動作するように、正帰還回路であるポジティブフィードバック回路８５が構成されている。従って、比較器２４の前段の出力を、２段目のトランジスタ８３で一旦受けることで、高いPSRR（電源電圧変動除去比）を実現することができる。続いて、高電圧NMOSであるトランジスタ８４へ接続することで、その先の浮遊部V2ndの電圧がゲート電位以上にならないように制御される。このゲート電位は、後段のロジック回路と同じ電源を使用可能であるが、別電圧を使用してもよい。また、浮遊部V2ndには、テスト信号、誤動作防止機能としてのFORCEVCO信号により制御されるNOR回路で正帰還が組まれており、高速遷移を可能としている。ここで、ラッチ１３１に書き込まれる時刻コードは、図１１に示したように信号入出力部３４がフリップフロップの多段接続で構成されていることより、場所により、１コードずつずれが生じた固定のオフセットとなる。しかしながら、後述するように、CDSの演算により信号レベルも同じオフセットが重畳することより、ラッチ１３１に書き込まれる時刻コードのオフセットはキャンセルされる。

タイミングＴ４において、REF信号のスロープが任意の電圧まで低下したところで全画素２のリセットレベルのAD変換が終了する。なお、何らかの理由で反転しなかった比較器２４に関しては、FORCEVCO信号にて強制的に反転され、後段の読み出し処理に影響を及ぼすことが回避される。例えば、何らかの反転しない理由とは、回路の故障や、ＰＤ５２に強い光が当たって電位がスロープの終了時の電圧よりも下回ることなどの理由が挙げられる。そして、AD変換の終了とともにREF信号の電圧を低電位にすること、例えば、ＧＮＤにすることで、比較器２４の定電流をゼロとすることができ、次にREF信号の電位が高くなり、比較器２４に定電流が流れるまで消費電力を抑制することが可能となる。

タイミングＴ５において、ラッチ１３１に記憶されたAD変換画素データ（デジタルデータ）を外部に読み出す。例えば、ラッチ１３１は面積的な理由から、加工可能な最小寸法に近いサイズで作成されるため、NMOSとPMOSの駆動力のバランスは取れていない。従って、ラッチ１３１の内部の信号が"Ｈ"か"Ｌ"かによって、また、読み出し先のLBL（Local Bit Line）が"Ｈ"か"Ｌ"かによって、読み出し能力（時間）が異なるものとなってしまう。また、LBLのインピーダンス如何により、ラッチ１３１の信号読み出し時に、ラッチ１３１の信号そのものが変化してしまうことが懸念される。そのような懸念を防止するために、xPC信号で制御されるトランジスタ１４１と、ラッチ信号の読み出し時にラッチ１３１の外部のインピーダンスがラッチ１３１から見て高くなるように制御による工夫を行う。

ここで、トランジスタで相互コンダクタンスｇｍが高いのはPMOSよりもNMOSであるので、LBLの"Ｌ"を"Ｈ"にPMOSで引き上げるよりも、LBLの"Ｈ"を"Ｌ"にNMOSで引き下げる方が高速に動作する。このことより、xPC信号により読み出す前に一旦電源にセットし、LBLを毎回"Ｈ"にプリセットする。そして、ラッチ１３１からの読み出しは、読み出し信号が"Ｈ"である場合はプリセット値と差がないので、PMOSの能力が低くても影響を受けることはなく、PMOSは駆動力が低い状態であってもよい。一方、ラッチ１３１からの読み出し信号が"Ｌ"である場合、"Ｈ"にプリチャージされたLBLの電位の引き下げはNMOSが担うことになる。しかしながら、最小サイズのトランジスタでは十分な相互コンダクタンスｇｍを確保できないことから、たいていはゲート幅Ｗを大きくしたりするが、これは面積コストが大きくなってしまう。

そこで、ラッチ１３１の出力に設けられているスイッチ１３２の抵抗を書き込み時よりも向上させることにより、ラッチ１３１の内部のインバータ１３３および１３４から見たLBLのインピーダンスを向上させる。具体的には、ラッチ１３１の出力に設けられているスイッチ１３２について、書き込み時には、ラッチ１３１を構成するNMOSとPMOSとの両方をONにする一方で、読み出し時には、NMOSのみをONにするような制御を行う。これにより、ラッチ１３１の内部に多数あるNMOSトランジスタのサイズを増大させることなく、高速でロバストな信号読み出しを可能とすることができる。そして、LBLへ読み出された信号は、REN信号のONとともに、AD変換クロックをＬとした状態でフリップフロップへ読み出され、REN信号のOFF後にAD変換クロックを入力することで出力へと信号をバケツリレー式に転送する。また、CDSを行うために、一旦、固体撮像装置１の内部に設けられた図示しないSRAM（Static Random Access Memory）などのメモリへ一時書き込みを行う。

タイミングＴ６において、REF信号の電圧が高いレベルに戻され、転送トランジスタ５３に供給されるTG信号をONとして、ＰＤ５２の電荷をＦＤ部５４へ転送する。

タイミングＴ７からタイミングＴ１０までにおいて、タイミングＴ２からタイミングＴ５までと同様の処理が行われ、信号レベルのAD変換が行われる。そして、タイミングＴ１０において、信号レベルの出力時には一旦記憶したSRAMからリセットレベルを読み出して信号レベルと減算を行う。これにより、比較器２４および信号入出力部３４の固定パタンノイズ、並びに、画素２および比較器２４のランダムノイズを含む一連の回路ノイズをキャンセル（相関２重サンプリング）することができる。

タイミングＴ１１において、信号読み出し回路を介して、例えば、SLVS-EC（Scalable Low Voltage Signaling with Embedded Clock）などの高速シリアルインタフェースを介して、固体撮像装置１の外部へ送信する処理が行われる。なお、この処理の前段に、信号圧縮などのデータ帯域を絞る処理を行ってもよい。

以上のような制御方法により画素２が駆動され、出力信号の低ノイズ化および高速化を図ることができる。

なお、信号記憶部２６は、リセットレベルのコードと、受光信号レベルのコードとの両方を記憶し、順次、または、２つ以上の複数のリピータにより同時に、固体撮像装置１の外部へ出力する構成を採用することができる。また、比較回路１１を備えた固体撮像装置１として、半導体ウェハが２層積層または３層積層された積層構造や、それ以上の積層された積層構造を採用してもよい。また、AD変換の分解能を可変とするため、REF信号のスロープは一定の傾きのまま、AD変換クロックによるコード遷移について、低照度時にはコード遷移を細かくし、高照度時になるにつれてコード遷移を粗くするように制御することで、回路の遷移回数を低減させて電力効率を向上させることも可能である。さらに、図示しないが、多画素、多回路になり、固体撮像装置１の内部で制御信号がセトリング不足となる場合、バッファを行うなど、適宜信号の駆動能力の向上を行って、設計行為の範疇である回路変更を図ってもよい。

＜電子機器の構成例＞
上述したような固体撮像装置１は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。

図１５は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。

図１５に示すように、撮像装置２０１は、光学系２０２、撮像素子２０３、信号処理回路２０４、モニタ２０５、およびメモリ２０６を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。

光学系２０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を撮像素子２０３に導き、撮像素子２０３の受光面（センサ部）に結像させる。

撮像素子２０３としては、上述した固体撮像装置１が適用される。撮像素子２０３には、光学系２０２を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子２０３に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路２０４に供給される。

信号処理回路２０４は、撮像素子２０３から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路２０４が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ２０５に供給されて表示されたり、メモリ２０６に供給されて記憶（記録）されたりする。

このように構成されている撮像装置２０１では、上述した固体撮像装置１を適用することで、例えば、低照度時でもノイズの少ない画像を撮像することができる。

＜イメージセンサの使用例＞
図１６は、上述のイメージセンサ（固体撮像装置）を使用する使用例を示す図である。

上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。

・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置

＜移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。

図１７は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。

車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図１７に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。

駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。

ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。

車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。

撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。

車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。

マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。

また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。

また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。

音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図１７の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。

図１８は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。

図１８では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。

撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。

なお、図１８には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。

撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。

例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。

例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。

撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。

以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば、撮像部１２０３１等に適用され得る。撮像部１２０３１等に本開示に係る技術を適用することにより、より低ノイズで高画質な撮像画像を得ることができるため、例えば、撮像画像を用いた画像認識処理を高精度に行うことができる。

＜構成の組み合わせ例＞
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
アナログの画素信号を出力する画素回路と、
１個の前記画素回路ごと、または、所定個数の前記画素回路が配置されるエリアごとに配置され、前記画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路と
を有する画素を備え、
前記画素回路は、
前記画素に照射される光を受光して光電変換を行い、その光の光量に応じた電荷を発生する光電変換部と、
前記光電変換部で発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部と
を有する
撮像素子。
（２）
前記画素から出力される前記画素信号を取得し、前記画素信号に基づく画像の明るさに従って、前記電荷電圧変換部における前記変換効率の切り替えを制御する制御部
をさらに備える上記（１）に記載の撮像素子。
（３）
前記制御部は、前記画像が所定の閾値より暗い場合、全ての前記画素に対して一斉に、前記光電変換部を高変換効率に切り替える
上記（２）に記載の撮像素子。
（４）
前記電荷電圧変換部は、前記基準変換効率を実現するソースフォロワ読み出しとなる回路構成と、前記高変換効率を実現するソース接地読み出しとなる回路構成とを切り替える切り替えスイッチを有し、
前記制御部は、前記切り替えスイッチに対する制御を行う
上記（２）または（３）に記載の撮像素子。
（５）
前記電荷電圧変換部は、前記基準変換効率、前記高変換効率、および、前記基準変換効率よりも低い低変換効率の３段階で前記変換効率が切り替えられる
上記（１）から（４）までのいずれかに記載の撮像素子。
（６）
前記画素回路は、それぞれ感度の異なる複数の前記光電変換部を有する
上記（１）から（５）までのいずれかに記載の撮像素子。
（７）
前記デジタル変換回路から出力される前記画素信号を取得し、前記画素信号に基づく画像の明るさに従って、複数の前記光電変換部のうちの、前記画像の構築に用いる光電変換部を切り替える制御部
をさらに備える上記（６）に記載の撮像素子。
（８）
前記画素回路は、複数の前記光電変換部として、受光面積が大きな第１の光電変換部と、受光面積が小さな第２の光電変換部とを有する
上記（７）に記載の撮像素子。
（９）
前記制御部は、前記第１の光電変換部の使用、前記第２の光電変換部の使用、または、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との両方の使用を切り替える
上記（８）に記載の撮像素子。
（１０）
撮像素子における制御を行う制御部が、
アナログの画素信号を出力する画素回路と、１個の前記画素回路ごと、または、所定個数の前記画素回路が配置されるエリアごとに配置され、前記画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路とを有する画素から出力される前記画素信号を取得することと、
前記画素信号に基づく画像の明るさに従って、前記画素回路が有する、前記画素に照射される光を受光して光電変換を行う光電変換部において光の光量に応じて発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部における前記変換効率の切り替えを制御すること
を含む制御方法。
（１１）
アナログの画素信号を出力する画素回路と、
１個の前記画素回路ごと、または、所定個数の前記画素回路が配置されるエリアごとに配置され、前記画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路と
を有する画素を有し、
前記画素回路は、
前記画素に照射される光を受光して光電変換を行い、その光の光量に応じた電荷を発生する光電変換部と、
前記光電変換部で発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部と
を有する
撮像素子を備える電子機器。

なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。

１ 固体撮像装置， ２ 画素， ３ 時刻コード転送部， ４ 画素アレイ部， ５ 画素駆動回路， ６ DAC， ７ 時刻コード発生部， ８ 垂直駆動回路， ９ 出力部， １０ タイミング生成回路， １１ 比較回路， １２ データ記憶部， １３ ADC， １４ 画素回路， ２１ 光電変換部， ２２ 転送部， ２３ 電荷電圧変換部， ２４ 比較器， ２５ 入出力制御部， ２６ 信号記憶部， ３１ 参照信号発生部， ３２ 初期化手段， ３３ 変換効率制御部， ３４ 信号入出力部， ３５ デジタルコード生成部， ３６ 信号処理部， ３７ 出力制御部

Claims (11)

1. アナログの画素信号を出力する画素回路と、
   １個の前記画素回路ごと、または、所定個数の前記画素回路が配置されるエリアごとに配置され、前記画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路と
   を有する画素を備え、
   前記画素回路は、
   前記画素に照射される光を受光して光電変換を行い、その光の光量に応じた電荷を発生する光電変換部と、
   前記光電変換部で発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部と
   を有する
   撮像素子。
2. 前記画素から出力される前記画素信号を取得し、前記画素信号に基づく画像の明るさに従って、前記電荷電圧変換部における前記変換効率の切り替えを制御する制御部
   をさらに備える請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記制御部は、前記画像が所定の閾値より暗い場合、全ての前記画素に対して一斉に、前記光電変換部を高変換効率に切り替える
   請求項２に記載の撮像素子。
4. 前記電荷電圧変換部は、前記基準変換効率を実現するソースフォロワ読み出しとなる回路構成と、前記高変換効率を実現するソース接地読み出しとなる回路構成とを切り替える切り替えスイッチを有し、
   前記制御部は、前記切り替えスイッチに対する制御を行う
   請求項２に記載の撮像素子。
5. 前記電荷電圧変換部は、前記基準変換効率、前記高変換効率、および、前記基準変換効率よりも低い低変換効率の３段階で前記変換効率が切り替えられる
   請求項１に記載の撮像素子。
6. 前記画素回路は、それぞれ感度の異なる複数の前記光電変換部を有する
   請求項１に記載の撮像素子。
7. 前記デジタル変換回路から出力される前記画素信号を取得し、前記画素信号に基づく画像の明るさに従って、複数の前記光電変換部のうちの、前記画像の構築に用いる光電変換部を切り替える制御部
   をさらに備える請求項６に記載の撮像素子。
8. 前記画素回路は、複数の前記光電変換部として、受光面積が大きな第１の光電変換部と、受光面積が小さな第２の光電変換部とを有する
   請求項７に記載の撮像素子。
9. 前記制御部は、前記第１の光電変換部の使用、前記第２の光電変換部の使用、または、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との両方の使用を切り替える
   請求項８に記載の撮像素子。
10. 撮像素子における制御を行う制御部が、
    アナログの画素信号を出力する画素回路と、１個の前記画素回路ごと、または、所定個数の前記画素回路が配置されるエリアごとに配置され、前記画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路とを有する画素から出力される前記画素信号を取得することと、
    前記画素信号に基づく画像の明るさに従って、前記画素回路が有する、前記画素に照射される光を受光して光電変換を行う光電変換部において光の光量に応じて発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部における前記変換効率の切り替えを制御すること
    を含む制御方法。
11. アナログの画素信号を出力する画素回路と、
    １個の前記画素回路ごと、または、所定個数の前記画素回路が配置されるエリアごとに配置され、前記画素信号をデジタル変換するデジタル変換回路と
    を有する画素を有し、
    前記画素回路は、
    前記画素に照射される光を受光して光電変換を行い、その光の光量に応じた電荷を発生する光電変換部と、
    前記光電変換部で発生した電荷を電圧に変換する際の変換効率を、基準となる基準変換効率と、前記基準変換効率よりも高い高変換効率とで切り替え可能な電荷電圧変換部と
    を有する
    撮像素子を備える電子機器。

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