JP2019165313A - 固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法 - Google Patents

固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】アナログデジタル変換器を設けた固体撮像素子において、読出し速度を維持しつつ、画質を向上させる。【解決手段】固体撮像素子は、ランプ信号供給部、比較器およびカウンタを具備する。この固体撮像素子において、ランプ信号供給部は、画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給する。また、比較器は、ランプ信号と前記画素信号とを比較して比較結果を出力する。また、カウンタは、比較結果が反転するまでの期間に亘って計数値を計数する。【選択図】図４

Description

本技術は、固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法に関する。詳しくは、カラムごとにアナログ信号をデジタル信号に変換する固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法に関する。
従来より、アナログ信号をデジタル信号にＡＤ変換するＡＤＣ（Analog to Digital Converter）が固体撮像装置などにおいて用いられている。例えば、ＡＤＣが、アナログの画素信号のリセットレベルおよび信号レベルを画素毎に複数回ずつＡＤ（Analog to Digital）変換し、後段の回路が、それらを加算平均する固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、この固体撮像装置では、コンパレータおよびカウンタを設けたシングルスロープ型ＡＤＣが用いられている。このシングルスロープ型ＡＤＣでは、傾きを持つランプ信号と画素信号とをコンパレータが比較し、その比較結果が反転するまでの期間に亘ってカウンタが計数値の計数を行う。そして、ランプ信号の周期毎にサンプリングおよびＡＤ変換が実行されるため、ランプ信号の周波数は、サンプリング周波数に一致する。
特開２００９−２９６４２３号公報
上述の従来技術では、画素毎のＡＤ変換回数を多くするほど、加算平均によりランダムノイズを低減し、ＳＮ（Signal to Noise）比を改善して画質を向上させることができる。しかしながら、この従来技術では、読出し速度を変えずに画質を向上させることが困難である。ランプ信号の周波数（すなわち、サンプリング周波数）を変えずに画素毎のＡＤ変換回数を多くすると、ＳＮ比が改善する代わりに、読出し速度が遅くなってしまう。一方、サンプリング周波数を高くすると、読出し速度を維持することができるものの、特に高輝度の信号をＡＤ変換するためにランプ信号の傾きを急峻にする必要があり、ＡＤ変換の分解能が低くなって、画質が低下するおそれがある。このように、上述の従来技術では、読出し速度を維持しつつ、画質を向上させることが困難であるという問題がある。
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、アナログデジタル変換器を設けた固体撮像素子において、読出し速度を維持しつつ、画質を向上させることを目的とする。
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給するランプ信号供給部と、上記ランプ信号と上記画素信号とを比較して比較結果を出力する比較器と、上記比較結果が反転するまでの期間に亘って計数値を計数するカウンタとを具備する固体撮像素子、および、その制御方法である。これにより、画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号と画素信号とが比較されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記ランプ信号供給部は、上記信号レベルが低いほど周波数の低い上記ランプ信号を供給してもよい。これにより、画素信号の信号レベルが低いほど周波数の低いランプ信号と画素信号とが比較されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記ランプ信号供給部は、上記信号レベルが所定の閾値より高いか否かを検出して検出結果を出力する検出器と、上記検出結果に基づいて周波数の異なる複数のランプ信号のいずれかを選択して上記比較器に供給するセレクタとを備えてもよい。これにより、画素信号の信号レベルが所定の閾値より高いか否かに基づいて複数のランプ信号のいずれかが選択されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記所定の閾値は、１つであり、上記セレクタは、周波数の異なる２つのランプ信号のいずれかを選択し、上記検出器は、上記２つのランプ信号のうち周波数の低い方の周期内において上記所定の閾値に対応する特定のタイミングを経過したときの上記比較結果を保持値として保持するラッチ回路と、上記保持値に基づいて上記検出結果を生成して上記セレクタに出力する論理ゲートとを備えてもよい。これにより、ラッチ回路および論理ゲートにより検出結果が生成されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記所定の閾値は、異なる２つの閾値を含み、上記セレクタは、周波数の異なる３つのランプ信号のいずれかを選択し、上記検出器は、上記複数のランプ信号のうち周波数の最も低いランプ信号の周期内において上記２つの閾値の一方に対応する第１のタイミングを経過したときの上記比較結果を第１の保持値として保持する第１のラッチ回路と、上記周期内において上記２つの閾値の他方に対応する第２のタイミングを経過したときの上記比較結果を第２の保持値として保持する第２のラッチ回路と、上記第１および第２の保持値に基づいて上記検出結果を生成して上記セレクタに出力する論理ゲートとを備えてもよい。これにより、第１および第２のラッチ回路と論理ゲートとにより検出結果が生成されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記検出器は、上記計数値に基づいて上記信号レベルが上記所定の閾値より高いか否かを検出することもできる。これにより、計数値に基づいて検出結果が生成されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記検出器は、上記所定の閾値を示すバイアス電圧と上記画素信号とを比較して当該比較結果を上記検出結果として出力することもできる。これにより、バイアス電圧との比較によって検出結果が生成されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記選択されたランプ信号の周波数が高いほど大きな除数により上記計数値を除算する除算回路をさらに具備してもよい。これにより、計数値が平均化されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、遮光された複数の遮光画素のそれぞれからの遮光画素信号のレベルの統計量に基づいて画素毎のサンプリング回数の最大値を設定する設定部をさらに具備し、上記画素信号は、遮光されていない複数の有効画素のそれぞれからの有効画素信号と上記遮光画素信号とを含むものであってもよい。これにより、遮光画素信号のレベルの統計量に基づいて画素毎のサンプリング回数の最大値が設定されるという作用をもたらす。
また、本技術の第２の側面は、画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給するランプ信号供給部と、上記ランプ信号と上記画素信号とを比較して比較結果を出力する比較器と、上記比較結果が反転するまでの期間に亘って計数値を計数するカウンタと、上記計数値から生成された画像データを記録する記録部とを具備する撮像装置である。これにより、画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号と画素信号との比較結果が反転するまでの計数値から生成された画像データが記録されるという作用をもたらす。
本技術によれば、読出し速度を維持しつつ、画質を向上させることができるという優れた効果を奏し得る。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。
本技術の第１の実施の形態における撮像装置の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態におけるカラム信号処理部の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態におけるタイミング制御回路およびＡＤ変換器の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における検出器の一構成例を示す回路図である。 本技術の第１の実施の形態におけるラッチ回路の動作の一例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態におけるセレクタの動作の一例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における除算回路の動作の一例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における信号レベルが高い場合の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第１の実施の形態における信号レベルが低い場合の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第１の実施の形態における信号レベルが高く、サンプリング回数が最大４回のときの固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第１の実施の形態における信号レベルが低く、サンプリング回数が最大４回のときの固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の動作の一例を示すフローチャートである。 本技術の第２の実施の形態における固体撮像素子の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第２の実施の形態におけるサンプリング回数設定部の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第２の実施の形態におけるサンプリング回数の設定例を示す図である。 本技術の第３の実施の形態における検出器の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第３の実施の形態におけるセレクタの動作の一例を示す図である。 本技術の第３の実施の形態における除算回路の動作の一例を示す図である。 本技術の第３の実施の形態における信号レベルが最も高い場合の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第３の実施の形態における信号レベルが中間値の場合の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第３の実施の形態における信号レベルが最も低い場合の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第４の実施の形態におけるＡＤ変換器の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第５の実施の形態におけるＡＤ変換器の一構成例を示すブロック図である。 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。 撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給する例）
２．第２の実施の形態（遮光画素信号の統計量に基づいてサンプリング回数の最大値を設定し、レベルに応じた周波数のランプ信号を供給する例）
３．第３の実施の形態（信号レベルに応じて、周波数の異なる３つのランプ信号のいずれかを供給する例）
４．第４の実施の形態（計数値を監視し、信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給する例）
５．第５の実施の形態（バイアス電圧との比較結果に基づいて、信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給する例）
６．移動体への応用例
＜１．第１の実施の形態＞
［撮像装置の構成例］
図１は、本技術の第１の実施の形態における撮像装置１００の一構成例を示すブロック図である。この撮像装置１００は、画像データを撮像するものであり、撮像レンズ１１０、固体撮像素子２００、記録部１２０および撮像制御部１３０を備える。撮像装置１００としては、例えば、スマートフォン、デジタルカメラ、パーソナルコンピュータ、車載カメラやＩｏＴ（Internet of Things）カメラが想定される。
撮像レンズ１１０は、入射光を集光して固体撮像素子２００に導くものである。固体撮像素子２００は、撮像制御部１３０の制御に従って画像データを撮像するものである。この固体撮像素子２００は、撮像した画像データを記録部１２０に信号線２０９を介して供給する。記録部１２０は、画像データを記録するものである。
撮像制御部１３０は、固体撮像素子２００を制御して画像データを撮像させるものである。この撮像制御部１３０は、例えば、垂直同期信号ＶＳＹＮＣを含む制御信号を固体撮像素子２００に信号線１３９を介して供給する。この垂直同期信号ＶＳＹＮＣは、画像データの撮像タイミングを示す、一定の周波数（３０ヘルツなど）の周期信号である。
なお、撮像装置１００は、インターフェースをさらに備え、そのインターフェースにより画像データを外部に送信してもよいし、表示部をさらに備え、表示部に画像データを表示してもよい。
［固体撮像素子の構成例］
図２は、本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子２００の一構成例を示すブロック図である。この固体撮像素子２００は、垂直走査回路２１０、画素アレイ部２２０およびＤＡＣ（Digital to Analog Converter）２３０を備える。また、固体撮像素子２００は、読出し電流制御部２４０、タイミング制御回路２５０、カラム信号処理部３００および水平走査回路２６０を備える。
画素アレイ部２２０には、複数の画素２２１が二次元格子状に配列される。以下、水平方向に配列された画素２２１の集合を「行」と称し、行に垂直な方向に配列された画素２２１の集合を「列」と称する。
垂直走査回路２１０は、タイミング制御回路２５０の制御に従って、行を順に駆動し、その行内の画素２２１のそれぞれにアナログの画素信号を出力させるものである。
ＤＡＣ２３０は、タイミング制御回路２５０からのデジタル信号に対するＤＡ（Digital to Analog）変換により、周波数の異なる複数のランプ信号を生成するものである。ここで、ランプ信号は、のこぎり波状の周期信号であり、このランプ信号の周期が経過するたびに画素信号のサンプリングとＡＤ変換とが実行される。
読出し電流制御部２４０は、画素２２１に画素信号の読出用の動作電流を供給するものである。
タイミング制御回路２５０は、垂直同期信号ＶＳＹＮＣに同期して、垂直走査回路２１０、ＤＡＣ２３０、カラム信号処理部３００および水平走査回路２６０の動作タイミングを制御するものである。
カラム信号処理部３００は、列ごとに、画素信号に対して、ＡＤ変換処理を含む様々な信号処理を実行するものである。このカラム信号処理部３００は、信号処理後の画像データを記録部１２０に出力する。水平走査回路２６０は、ＡＤ変換後の列ごとの画素信号を順に出力させるものである。
［カラム信号処理部の構成例］
図３は、本技術の第１の実施の形態におけるカラム信号処理部３００の一構成例を示すブロック図である。このカラム信号処理部３００は、列ごとに、ＡＤ変換器３１０およびメモリ３５０を備える。列数をＭ（Ｍは整数）とすると、ＡＤ変換器３１０およびメモリ３５０はＭ個ずつ設けられる。また、カラム信号処理部３００は、センスアンプ３６０、デジタル演算部３７０およびインターフェース部３８０を備える。
ＡＤ変換器３１０は、アナログ信号をデジタル信号に変換するものである。ＡＤ変換器３１０には、対応する列からのアナログの画素信号Ｖｉｎが入力され、ＡＤ変換器３１０は、その画素信号Ｖｉｎをデジタルの画素データＤｏｕｔに変換する。そして、ＡＤ変換器３１０は、画素データＤｏｕｔを対応するメモリ３５０に保持させる。
メモリ３５０は、画素データＤｏｕｔを保持するものである。このメモリ３５０は、水平走査回路２６０の制御に従って、保持した画素データＤｏｕｔをセンスアンプ３６０に出力する。
センスアンプ３６０は、画素データＤｏｕｔを増幅してデジタル演算部３７０に供給するものである。
デジタル演算部３７０は、画素データＤｏｕｔに対して所定の信号処理を実行するものである。このデジタル演算部３７０は、処理後の画素データをインターフェース部３８０に供給する。
デジタル演算部３７０は、ＨＤＲ（High Dynamic Range）合成処理や像面位相差検出処理を必要に応じて行う。前者のＨＤＲ合成処理は、露光時間の異なる複数の画素データを合成してダイナミックレンジを拡大する処理である。後者の像面位相差検出処理は、複数の位相差画素からの画素データに基づいて、２つの像の位相差を求め、焦点を検出する処理である。像面位相差検出処理を行う場合、位相差を検出するための位相差画素と、それ以外の通常画素とが画素アレイ部２２０内に配置される。そして、位相差画素および通常画素のそれぞれについて、輝度に応じてランプ信号が切り替えられる。
インターフェース部３８０は、画素データからなる画像データを記録部１２０に供給するものである。
図４は、本技術の第１の実施の形態におけるタイミング制御回路２５０およびＡＤ変換器３１０の一構成例を示すブロック図である。タイミング制御回路２５０は、タイミングジェネレータ２５１およびクロックジェネレータ２５２を備える。また、ＡＤ変換器３１０は、セレクタ３１１、比較器３１２、カウンタ３１３、除算回路３１４および検出器３２０を備える。
タイミングジェネレータ２５１は、垂直同期信号ＶＳＹＮＣの周期内において、トリガ信号ＴＲＧをＡＤ変換のたびに生成して検出器３２０に供給するものである。例えば、行数がＭで、行ごとにリセットレベルおよび信号レベルのそれぞれのＡＤ変換を行う場合、垂直同期信号ＶＳＹＮＣの周期毎に、Ｍ×２回、トリガ信号ＴＲＧが生成される。
クロックジェネレータ２５２は、垂直同期信号ＶＳＹＮＣより周波数の高い所定のクロック信号ＣＬＫを生成し、ＡＤ変換の期間に亘ってカウンタ３１３に供給するものである。例えば、垂直同期信号ＶＳＹＮＣの逓倍によりクロック信号ＣＬＫが生成される。
セレクタ３１１には、ＤＡＣ２３０からのランプ信号ＲＭＰＨおよびＲＭＰＬが入力される。ここで、ランプ信号ＲＭＰＨは、ランプ信号ＲＭＰＬよりも周波数が高い信号である。セレクタ３１１は、検出器３２０からの検出結果ＤＥＴに基づいてランプ信号ＲＭＰＨおよびＲＭＰＬのいずれかを選択し、選択した信号をランプ信号ＲＭＰＳとして比較器３１２に供給する。
比較器３１２は、ランプ信号ＲＭＰＳと画素信号Ｖｉｎとを比較するものである。この比較器３１２は、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴをカウンタ３１３および検出器３２０に供給する。
カウンタ３１３は、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴが反転するまでの期間に亘ってクロック信号ＣＬＫに同期して計数値を計数するものである。このカウンタ３１３は、計数値ＣＮＴを除算回路３１４に供給する。
除算回路３１４は、検出器３２０からのイネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮに従って計数値ＣＮＴを除算するものである。イネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮは、除算を行うか否かを指示する信号であり、例えば、除算を行う場合に「１」が設定され、除算を行わない場合に「０」が設定される。除算回路３１４は、除算が指示された場合に、選択されたランプ信号の周波数が高いほど大きな除数により信号レベルの計数値ＣＮＴを除算し、ＣＤＳ処理を行って画素データＤｏｕｔをメモリ３５０に供給する。一方、除算が指示されていない場合に除算回路３１４は、信号レベルの計数値ＣＮＴを除算せずにＣＤＳ処理を行って画素データＤｏｕｔをメモリ３５０に供給する。
検出器３２０は、画素信号Ｖｉｎのレベルが所定の閾値より高いか否かを検出するものである。ここで、一般に画素２２１が光電変換により光を電子に変換する場合、輝度が高いほど画素信号Ｖｉｎのレベルが低くなる。このため、画素信号Ｖｉｎのレベルが閾値以下の場合、その画素信号に対応する画素２２１が受光した光の輝度は、閾値に対応する所定輝度以上であることを示す。一方、画素信号Ｖｉｎのレベルが閾値より高い場合、その画素信号に対応する画素２２１が受光した光の輝度は、所定輝度より低いことを示す。
検出器３２０は、画素信号Ｖｉｎの信号レベルが所定の閾値より高いか否か（言い換えれば、輝度が所定輝度より低いか否か）を示す検出結果ＤＥＴを生成してセレクタ３１１に供給する。また、検出器３２０は、検出結果ＤＥＴと同じ信号をイネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮとして除算回路３１４にも供給する。
そして、セレクタ３１１は、輝度が所定輝度以上であることを検出結果ＤＥＴが示す場合に周波数の低いランプ信号ＲＭＰＬを選択し、所定輝度より低いことを検出結果ＤＥＴが示す場合にランプ信号ＲＭＰＨを選択する。検出器３２０およびセレクタ３１１の動作により、画素信号Ｖｉｎの信号レベルに応じた周波数のランプ信号が供給される。なお、検出器３２０およびセレクタ３１１からなる回路は、特許請求の範囲に記載のランプ信号供給部の一例である。
ランプ信号ＲＭＰＳが振幅するたびに、画素信号ＶｉｎのサンプリングとＡＤ変換とが行われる。このため、ランプ信号ＲＭＰＳの周波数は、サンプリング周波数と同じになる。ここで、ランプ信号の周波数（サンプリング周波数）が高いほど、画素ごとのサンプリング回数が多くなるため、サンプリングした各信号の平均化によりランダムノイズを軽減することができる。一般に、輝度が低いほど、ＳＮＲ（Signal-Noise Ratio）が悪くなるため（ノイズが大きく見えるため）、高周波数のランプ信号ＲＭＰＨは、輝度が低い画素の画素信号Ｖｉｎに対するＡＤ変換に適している。
一方、ランプ信号の周波数（サンプリング周波数）が低いほど、画素ごとのサンプリング回数が少なくなるため、ランダムノイズの低減効果が小さくなる。その代り、サンプリング周波数を低くするほど、振幅が大きくなるため、輝度が高くてもカウンタ３１３がオーバーフローせずにＡＤ変換することができる。このため、低周波数のランプ信号ＲＭＰＬは、輝度が高い画素の画素信号Ｖｉｎに対するＡＤ変換に適している。
上述したようにセレクタ３１１は、画素の輝度が所定輝度以上の場合に、高輝度に適した低周波数のランプ信号ＲＭＰＬを選択し、所定輝度より低い場合に、低輝度に適した高周波数のランプ信号ＲＭＰＨを選択する。このように輝度に適したランプ信号を選択することにより、読出し速度を変えずに画質を向上させることができる。また、ＨＤＲ合成処理を行う場合、特に、露光時間の短い、低輝度の画素信号のＳＮ比の向上により、合成した画像データの画質を向上させることができる。また、像面位相差検出処理を行う場合、特に、通常画素よりも感度の悪い位相差画素のＳＮ比の向上により、焦点検出精度を向上させることができる。
なお、除算回路３１４をＡＤ変換器３１０内に配置しているが、この構成に限定されない。除算回路３１４をＡＤ変換器３１０の後段の回路（デジタル演算部３７０など）に配置することもできる。
なお、サンプリング周波数を変えずに、画素毎のサンプリング回数を多くすることによっても画質を向上させることができる。しかし、この場合には、画質向上の代わりに読出し速度が低下してしまうため、好ましくない。
また、高輝度の場合にランプ信号の傾きを低輝度の場合よりも急峻にすれば、読出し速度を変えずに振幅を大きくして高輝度の信号レベルをオーバーフローせずにＡＤ変換することができる。しかし、この場合には、ＡＤ変換の分解能が低下してしまうため、好ましくない。
［検出器の構成例］
図５は、本技術の第１の実施の形態における検出器３２０の一構成例を示す回路図である。この検出器３２０は、ラッチ回路３２１およびインバータ３２２を備える。
ラッチ回路３２１は、タイミングジェネレータ２５１からのトリガ信号ＴＲＧの示すタイミングにおいて、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴを保持するものである。このラッチ回路３２１は、保持値をインバータ３２２に供給する。ラッチ回路３２１としては、例えば、ゲーティドＤラッチが用いられる。ゲーティドＤラッチの場合、ラッチ回路３２１のデータ入力端子Ｄには、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴが入力され、イネーブル端子Ｅには、トリガ信号ＴＲＧが入力される。出力端子Ｑは、インバータ３２２に接続される。
インバータ３２２は、ラッチ回路３２１の保持値を反転して、検出結果ＤＥＴとしてセレクタ３１１に供給するものである。また、インバータ３２２は、その反転値をイネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮとして除算回路３１４にも供給する。なお、インバータ３２２は、特許請求の範囲に記載の論理ゲートの一例である。
［固体撮像素子の動作例］
図６は、本技術の第１の実施の形態におけるラッチ回路３２１の動作の一例を示す図である。イネーブル端子Ｅがローレベルである場合には、前の保持値Ｑｐｒｅｖが出力される。
また、データ入力端子Ｄがローレベルで、イネーブル端子Ｅがハイレベルである場合には、保持値がリセットされ、「０」の論理値が出力される。データ入力端子Ｄおよびイネーブル端子Ｅがハイレベルである場合には、保持値がセットされ、「１」の論理値が出力される。
図７は、本技術の第１の実施の形態におけるセレクタ３１１の動作の一例を示す図である。検出結果ＤＥＴがローレベル、すなわち画素が高輝度である場合にセレクタ３１１は、高輝度に対応する、低周波数のランプ信号ＲＭＰＬを選択する。一方、検出結果ＤＥＴがハイレベル、すなわち、画素が低輝度である場合にセレクタ３１１は、低輝度に対応する、高周波数のランプ信号ＲＭＰＨを選択する。
図８は、本技術の第１の実施の形態における除算回路３１４の動作の一例を示す図である。この除算回路３１４は、イネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮがローレベル、すなわち画素が高輝度である場合に信号レベルの計数値ＣＮＴを除算せずにＣＤＳ処理を行って画素データＤｏｕｔを出力する。一方、イネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮがハイレベル、すなわち、画素が低輝度である場合に除算回路３１４は、信号レベルの計数値ＣＮＴを、画素毎のサンプリング回数により除算し、ＣＤＳ処理を行って画素データＤｏｕｔを出力する。
図９は、本技術の第１の実施の形態における信号レベルが高い場合の固体撮像素子２００の動作の一例を示すタイミングチャートである。
垂直走査回路２１０は、タイミングＴ２乃至Ｔ４において、１行目を露光し、タイミングＴ４乃至Ｔ５において、その行を駆動する。このタイミングＴ４乃至Ｔ５において１行目の画素信号が読み出される。また、垂直走査回路２１０は、タイミングＴ３乃至Ｔ５において、２行目を露光し、タイミングＴ５乃至Ｔ６において、その行を駆動する。このタイミングＴ５乃至Ｔ６において２行目の画素信号が読み出される。３行目以降も同様に、行が順に露光され、読み出される。このように、いわゆるローリングシャッター方式により一行ずつ順に読み出される。
セレクタ３１１は、初期状態において、例えば、低輝度用の高周波数のランプ信号ＲＭＰＨを選択し、ランプ信号ＲＭＰＳとして出力する。このランプ信号ＲＭＰＳ（ＲＭＰＨ）は、タイミングＴ１１乃至Ｔ１３の期間内に一定の速度で減少して元のレベルに戻り、タイミングＴ１４乃至Ｔ１６の期間に再度減少する。また、ランプ信号ＲＭＰＳは、タイミングＴ１７乃至Ｔ２０の期間内に一定の速度で減少して元のレベルに戻り、タイミングＴ２１乃至Ｔ２３の期間に再度減少する。
高周波数のランプ信号ＲＭＰＨの周波数は、１行の読出し時間をｔ、行数をＮとし、リセットレベルおよび信号レベルのそれぞれのサンプリング回数の最大をＭｕｌｔ_ｎｕｍとすると、（Ｍｕｌｔ_ｎｕｍ×２）／（ｔ×Ｎ）ヘルツとなる。一方、低周波数のランプ信号ＲＭＰＬは、リセットレベルのサンプリング回数はランプ信号ＲＭＰＨと同じで、信号レベルのサンプリング回数はランプ信号ＲＭＰＨより少ない。
垂直走査回路２１０は、行の露光終了の直前に、その行内の画素２２１を初期化する。そして、露光終了時に垂直走査回路２１０は、画素内で電荷を転送させる。初期化の際の画素信号Ｖｉｎは、前述のリセットレベルに該当し、電荷転送時の画素信号Ｖｉｎは信号レベルに該当する。同図における一点鎖線は、画素信号Ｖｉｎの変動を示す。タイミングＴ４乃至Ｔ５の読出し期間のうちタイミングＴ１６までの期間において、リセットレベルが出力され、タイミングＴ１６の直後に信号レベルが出力される。画素の輝度が低い場合には、比較的高い信号レベルが出力される。
比較器３１２は、リセットレベルと、高周波数のランプ信号ＲＭＰＳとを比較し、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴを出力する。この比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴは、例えば、タイミングＴ１２、１５、１９および２２のそれぞれにおいて反転する。
タイミング制御回路２５０は、トリガ信号ＴＲＧを生成するために、イネーブル信号ＣＭＰ_ＥＮを内部生成する。イネーブル信号ＣＭＰ_ＥＮは、例えば、信号レベルの最初のサンプリングの期間であるタイミングＴ１７からＴ２０までの期間に亘ってハイレベルとなる。
タイミング制御回路２５０は、イネーブル信号ＣＭＰ_ＥＮが立ち下がるタイミングＴ２０において、トリガ信号ＴＲＧを生成して出力する。このタイミングは、低周波数のランプ信号ＲＭＰＬの周期内の特定のタイミングに該当する。
検出器３２０は、トリガ信号ＴＲＧが出力されたときの比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴをラッチする。トリガ信号ＴＲＧ出力時のランプ信号のレベル（閾値）よりも信号レベルが高い場合には、その時点で比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴが反転している。このため、タイミングＴ２０においてローレベルがラッチされ、それを反転したハイレベルの検出結果ＤＥＴが出力される。
検出結果ＤＥＴがハイレベルであるため、タイミングＴ２０において、ランプ信号は切り替えられ、高周波数になる。
また、カウンタ３１３は、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴが反転するまでのタイミングＴ１１乃至Ｔ１２においてクロック信号ＣＬＫに同期して計数値ＣＮＴを計数する。これにより、リセットレベルに対する１回目のＡＤ変換が行われる。次に比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴが反転するまでのタイミングＴ１４乃至Ｔ１５においても同様に計数値ＣＮＴが計数される。これにより、リセットレベルに対する２回目のＡＤ変換が行われる。同様に、タイミングＴ１７乃至Ｔ１９と、タイミングＴ２１乃至Ｔ２２とにおいても、信号レベルに対する１回目および２回目のＡＤ変換が行われる。
リセットレベルおよび信号レベルのそれぞれについてＡＤ変換が２回ずつ行われたため、除算回路３１４は、リセットレベルおよび信号レベルのそれぞれの計数値ＣＮＴを「２」により除算する。
そして、除算回路３１４は、、除算後のリセットレベルと信号レベルとの差分を求めるＣＤＳ処理を実行し、処理後のデータを画素データＤｏｕｔとして出力する。
上述したように、信号レベルが、トリガ信号ＴＲＧのタイミングに対応する閾値よりも高い（すなわち、輝度が低い）場合には、高周波数のランプ信号が選択される。これにより、画素毎のＡＤ変換の回数を多くし、それぞれの計数値ＣＮＴの平均化により、ランダムノイズを低減することができる。上述したように、低輝度の場合には、ランダムノイズが大きくなるため、ランダムノイズの低減によりＳＮ比が向上し、画質を向上させることができる。
図１０は、本技術の第１の実施の形態における信号レベルが低い場合の固体撮像素子２００の動作の一例を示すタイミングチャートである。
セレクタ３１１は、最初に、低輝度用の高周波数のランプ信号ＲＭＰＨを選択し、ランプ信号ＲＭＰＳとして出力する。
タイミング制御回路２５０は、低周波数のランプ信号ＲＭＰＬの周期内の特定のタイミングＴ１８においてトリガ信号ＴＲＧを出力する。
検出器３２０は、トリガ信号ＴＲＧが出力されたときの比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴをラッチする。信号レベルが閾値以下の場合には、トリガ信号ＴＲＧの時点で比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴが反転しておらず、ハイレベルである。このため、タイミングＴ１８においてハイレベルがラッチされ、それを反転したローレベルの検出結果ＤＥＴが出力される。
検出結果ＤＥＴがローレベルであるため、タイミングＴ１９において、ランプ信号は低周波数のランプ信号ＲＭＰＬのままである。同図の選択されたランプ信号ＲＭＰＳの波形は、低周波数のランプ信号ＲＭＰＬと同一となる。同図に例示するように、ランプ信号ＲＭＰＬは、周波数の切替えが判断されるタイミングＴ１８乃至Ｔ１９において、一定に維持される。これは、セレクタ３１１による周波数の切替え完了までに若干の時間を要するためである。
カウンタ３１３は、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴが反転するまでのタイミングＴ１１乃至Ｔ１２と、Ｔ１４乃至Ｔ１５とにおいて計数値ＣＮＴを計数する。これにより、リセットレベルに対するＡＤ変換が２回行われる。また、タイミングＴ１７乃至Ｔ２０においても同様に計数値ＣＮＴが計数される。これにより、信号レベルに対するＡＤ変換が１回のみ行われる。
除算回路３１４は、信号レベルの計数値ＣＮＴを除算せず、ＣＤＳ処理を行って画素データＤｏｕｔとして出力する。一方、リセットレベルの計数値ＣＮＴは「２」により除算される。
上述したように、信号レベルが閾値以下（すなわち、輝度が高い）場合には、低周波数のランプ信号が選択される。これにより、ランプ信号の振幅を大きくして、高輝度の場合にオーバーフローせずにＡＤ変換することができる。したがって、画質を向上させることができる。なお、画素毎のサンプリング回数が少なくなるものの、高輝度の場合には、ランダムノイズが比較的小さいため、ＳＮ比は悪化しない。
なお、低周波数のランプ信号が選択された場合に除算回路３１４が除算しない構成としているが、このときに除算を行うこともできる。例えば、高輝度の場合に画素毎に２回ＡＤ変換し、低輝度の場合に画素毎に４回ＡＤ変換する場合を考える。この場合に除算回路３１４は、高輝度の場合に「２」により除算し、低輝度の場合に「４」により除算すればよい。このように、ランプ信号の周波数に応じた画素毎のＡＤ変換回数が、除数に設定される。
図９および図１０に例示したように、ＡＤ変換器３１０が、画素の輝度に応じて適応的にランプ信号を切り替えることにより、読出し速度を維持しつつ、画像データの画質を向上させることができる。
図１１は、本技術の第１の実施の形態における信号レベルが高く、サンプリング回数が最大４回のときの固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。
図１２は、本技術の第１の実施の形態における信号レベルが低く、サンプリング回数が最大４回のときの固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。
図９および図１０では、画素毎のサンプリング回数を最大で２回としていたが、サンプリング回数は２回に限定されない。例えば、図１１および図１２に例示するように、画素毎のサンプリング回数を最大で４回とすることもできる。
図１３は、本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子２００の動作の一例を示すフローチャートである。この動作は、例えば、画像データを撮像するための所定のアプリケーションが実行されたときに開始される。
垂直走査回路２１０は、行を選択して駆動する（ステップＳ９０１）。ＡＤ変換器３１０内の検出器３２０は、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴを監視して、画素の輝度が所定輝度以上の高輝度であるか否かを判断する（ステップＳ９０２）。
高輝度の場合に（ステップＳ９０２：Ｙｅｓ）、セレクタ３１１は、高輝度用の低周波数のランプ信号を選択し、ＡＤ変換器３１０は、画素毎に信号レベルに対するＡＤ変換を１回行う（ステップＳ９０３）。一方、所定輝度より低い低輝度の場合に（ステップＳ９０２：Ｎｏ）、セレクタ３１１は、低輝度用の高周波数のランプ信号を選択し、ＡＤ変換器３１０は、画素毎に信号レベルに対するＡＤ変換を２回行う（ステップＳ９０４）。そして、ＡＤ変換器３１０は、信号レベルの計数値を除算する（ステップＳ９０５）。
ステップＳ９０３またはＳ９０５の後に、垂直走査回路２１０は、全行を選択したか否かを判断する（ステップＳ９０６）。全行を選択していない場合に（ステップＳ９０６：Ｎｏ）、垂直走査回路２１０は、ステップＳ９０１以降を繰り返し実行する。一方、全行を選択した場合に（ステップＳ９０６：Ｙｅｓ）、画像データの撮像のための動作を終了する。複数枚の画像データを連続して撮像する場合には、ステップＳ９０１乃至Ｓ９０６の処理が、垂直同期信号ＶＳＹＮＣに同期して繰り返し実行される。
このように、本技術の第１の実施の形態によれば、セレクタ３１１が、画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を選択して供給するため、ＡＤ変換器３１０は、画素毎に、その画素の輝度に応じた回数のＡＤ変換を行うことができる。例えば、画素の輝度が低いほど、ＡＤ変換の回数を多くしてランダムノイズを低減することができる。これにより、読出し速度を維持しつつ、画質を向上させることができる。
＜２．第２の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、画素毎のサンプリング（すなわち、ＡＤ変換）回数の最大値を２回などに固定していたが、ノイズレベルが想定より大きな場合には、設定したサンプリング回数では不足し、ＳＮ比が悪化するおそれがある。この第２の実施の形態の固体撮像素子２００は、ＯＰＢ（OPtical Black）画素の画素信号に基づいてサンプリング回数の最大値を変更する点において第１の実施の形態と異なる。
図１４は、本技術の第２の実施の形態における固体撮像素子２００の一構成例を示すブロック図である。この第２の実施の形態の固体撮像素子２００は、サンプリング回数設定部２７０をさらに備える点において第１の実施の形態と異なる。また、画素アレイ部２２０に、複数のＯＰＢ画素２２２と複数の通常画素２２３とが二次元格子状配置される点において第１の実施の形態と異なる。
ＯＰＢ画素２２２は、遮光された画素であり、通常画素２２３は遮光されてない画素である。以下、ＯＰＢ画素２２２からの画素信号を「遮光画素信号」と称し、通常画素２２３からの画素信号を「通常画素信号」と称する。なお、ＯＰＢ画素２２２は、特許請求の範囲に記載の遮光画素の一例である。
サンプリング回数設定部２７０は、ＯＰＢ画素２２２からの遮光画素信号に基づいて画素毎のサンプリング回数の最大値を設定するものである。このサンプリング回数設定部２７０は、設定した値をタイミング制御回路２５０に供給する。タイミング制御回路２５０は、サンプリング回数の設定値に対応する周波数のランプ信号ＲＭＰＨをＤＡＣ２３０に供給させる。なお、サンプリング回数設定部２７０は、特許請求の範囲に記載の設定部の一例である。
図１５は、本技術の第２の実施の形態におけるサンプリング回数設定部２７０の一構成例を示すブロック図である。このサンプリング回数設定部２７０は、ＯＰＢ分散演算部２７１、ＯＰＢ平均演算部２７２、重み係数取得部２７３、サンプリング回数決定部２７４、閾値演算部２７５、上限回数取得部２７６およびレジスタ２７７を備える。
ＯＰＢ平均演算部２７２は、複数のＯＰＢ画素２２２のそれぞれの遮光画素信号ＰＩＸ_ＯＰＢの平均Ｐｉｘ_ａｖｅを演算するものである。この平均Ｐｉｘ_ａｖｅは、例えば、次の式により演算される。ＯＰＢ平均演算部２７２は、演算結果をＯＰＢ分散演算部２７１および重み係数取得部２７３に供給する。
Figure 2019165313
 上式において、Ｎは、ＯＰＢ画素２２２の画素数である。
ＯＰＢ分散演算部２７１は、複数のＯＰＢ画素２２２のそれぞれの遮光画素信号ＰＩＸ_ＯＰＢの分散Ｐｉｘ_ｄｅｖを演算するものである。この分散Ｐｉｘ_ｄｅｖは、例えば、次の式により演算される。ＯＰＢ分散演算部２７１は、重み係数取得部２７３に供給する。
Figure 2019165313
レジスタ２７７は、サンプリング回数の演算に要する各種の設定値を保持するものである。例えば、レジスタ２７７には、平均最大閾値Ｔｈ_ａｖｅ_ｍａｘ、平均最小閾値Ｔｈ_ａｖｅ_ｍｉｎ、分散最大閾値Ｔｈ_ｄｅｖ_ｍａｘ、および、分散最小閾値Ｔｈ_ｄｅｖ_ｍｉｎが保持される。ここで、平均最大閾値Ｔｈ_ａｖｅ_ｍａｘは、平均Ｐｉｘ_ａｖｅと比較する閾値の最大値である。平均最小閾値Ｔｈ_ａｖｅ_ｍｉｎは、平均Ｐｉｘ_ａｖｅと比較する閾値の最小値である。分散最大閾値Ｔｈ_ｄｅｖ_ｍａｘは、分散Ｐｉｘ_ｄｅｖと比較する閾値の最大値である。分散最小閾値Ｔｈ_ｄｅｖ_ｍｉｎは、分散Ｐｉｘ_ｄｅｖと比較する閾値の最小値である。平均や分散と比較する閾値には、画素信号に対するゲインＰｉｘ_ｇａｉｎに比例した値が設定される。このため、ゲインが最大の場合に最大の閾値が設定され、ゲインが最小の場合に最小の閾値が設定される。
また、レジスタ２７７には、画素信号をＡＤ変換する際のサンプリング回数上限値Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_ｎｕｍが量子化ビット数ごとに保持される。例えば、量子化ビット数が１２ビットの場合のサンプリング回数上限値Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_１２と、量子化ビット数が１０ビットの場合のサンプリング回数上限値Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_１０とが保持される。例えば、量子化ビット数が大きいほど、大きな上限値が設定される。
上限回数取得部２７６は、撮像制御部１３０により指定された量子化ビット数Ｍｕｌｔ_ｂｉｔ_ｎｕｍに対応するサンプリング回数上限値Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_ｎｕｍをレジスタ２７７から読み出すものである。この上限回数取得部２７６は、読み出したサンプリング回数上限値Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_ｎｕｍをサンプリング回数決定部２７４に供給する。
閾値演算部２７５は、撮像制御部１３０により指定されたゲインＰｉｘ_ｇａｉｎに応じた閾値を演算するものである。例えば、閾値演算部２７５は、レジスタ２７７から平均最大閾値Ｔｈ_ａｖｅ_ｍａｘおよび平均最小閾値Ｔｈ_ａｖｅ_ｍｉｎを読み出し、線形補間により、ゲインＰｉｘ_ｇａｉｎに対応する平均閾値Ｔｈ_ａｖｅを演算する。また、閾値演算部２７５は、レジスタ２７７から分散最大閾値Ｔｈ_ｄｅｖ_ｍａｘ、および、分散最小閾値Ｔｈ_ｄｅｖ_ｍｉｎを読み出し、線形補間により、ゲインＰｉｘ_ｇａｉｎに対応する分散閾値Ｔｈ_ｄｅｖを演算する。そして、閾値演算部２７５は、演算した平均閾値Ｔｈ_ａｖｅおよび分散閾値Ｔｈ_ｄｅｖを重み係数取得部２７３に供給する。
重み係数取得部２７３は、平均Ｐｉｘ_ａｖｅおよび分散Ｐｉｘ_ｄｅｖと、平均閾値Ｔｈ_ａｖｅおよび分散閾値Ｔｈ_ｄｅｖとに基づいて重み係数Ｍｕｌｔ_ｗｅｇｉｈｔを求めるものである。
例えば、重み係数取得部２７３は、次の式が成立するか否かを判断する。
Ｐｉｘ_ａｖｅ＞Ｔｈ_ａｖｅ ・・・式１
Ｐｉｘ_ｄｅｖ＞Ｔｈ_ｄｅｖ ・・・式２
式１および式２の一方のみが成立する場合に重み係数取得部２７３は、重み係数Ｍｕｌｔ_ｗｅｇｉｈｔに「１」を設定する。一方、式１および式２の両方が成立する場合に重み係数取得部２７３は、重み係数Ｍｕｌｔ_ｗｅｉｇｈｔに「２」を設定する。そして、重み係数取得部２７３は、求めた重み係数Ｍｕｌｔ_ｗｅｉｇｈｔをサンプリング回数決定部２７４に供給する。
サンプリング回数決定部２７４は、サンプリング回数上限値Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_ｎｕｍと重み係数Ｍｕｌｔ_ｗｅｉｇｈｔとに基づいて、サンプリング回数Ｍｕｌｔ_ｎｕｍを決定するものである。このサンプリング回数決定部２７４は、例えば、次の式が成立するか否かを判断する。
（Ｍｕｌｔ_ｗｅｉｇｈｔ）２＞Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_ｎｕｍ ・・・式３
式３が成立する場合にサンプリング回数決定部２７４は、サンプリング回数上限値Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_ｎｕｍを、サンプリング回数Ｍｕｌｔ_ｎｕｍとする。一方、式３が成立しない場合にサンプリング回数決定部２７４は、重み係数Ｍｕｌｔ_ｗｅｉｇｈｔの二乗をサンプリング回数Ｍｕｌｔ_ｎｕｍとする。サンプリング回数決定部２７４は、求めたサンプリング回数Ｍｕｌｔ_ｎｕｍを、サンプリング回数の最大値としてタイミング制御回路２５０に供給する。タイミング制御回路２５０は、そのサンプリング回数Ｍｕｌｔ_ｎｕｍに応じた周波数のランプ信号を、周波数の高い方のランプ信号ＲＭＰＨとしてＤＡＣ２３０に生成させる。
図１６は、本技術の第２の実施の形態におけるサンプリング回数の設定例を示す図である。例えば、サンプリング回数上限値Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_ｎｕｍが「４」、重み係数Ｍｕｌｔ_ｗｅｉｇｈｔが「０」の場合、サンプリング回数Ｍｕｌｔ_ｎｕｍとして「１」が設定される。また、サンプリング回数上限値Ｍｕｌｔ_ｍａｘ_ｎｕｍが「４」、重み係数Ｍｕｌｔ_ｗｅｉｇｈｔが「１」の場合、サンプリング回数Ｍｕｌｔ_ｎｕｍとして「２」が設定される。
このように、本技術の第２の実施の形態では、固体撮像素子２００が遮光画素信号の統計量に基づいてサンプリング回数の最大値を変更するため、ＯＰＢ画素から推定されるノイズレベルに応じた回数でサンプリングを行うことができる。
＜３．第３の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、画素信号の信号レベルが、閾値より高いか否かによりセレクタ３１１がランプ信号の周波数を２段階で切り替えていた。しかしながら、画素毎の信号レベルの変動の大きな画像データなどにおいては、切り替えた周波数が高すぎる場合や低すぎる場合があり、２段階の切り替えでは画質が十分に向上しないおそれがある。この第３の実施の形態の固体撮像素子２００は、セレクタ３１１がランプ信号の周波数を３段階で切り替える点において第１の実施の形態と異なる。
図１７は、本技術の第３の実施の形態における検出器３２０の一構成例を示すブロック図である。この第３の実施の形態の検出器３２０は、ＡＮＤ（論理積）ゲート３２３、ラッチ回路３２４およびインバータ３２５をさらに備える点において第１の実施の形態と異なる。
第３の実施の形態のタイミングジェネレータ２５１は、異なるタイミングを指定するトリガ信号ＴＲＧ１およびＴＲＧ２を生成する。そして、タイミングジェネレータ２５１は、トリガ信号ＴＲＧ１をラッチ回路３２１に供給し、トリガ信号ＴＲＧ２をＡＮＤゲート３２３に供給する。
ＡＮＤゲート３２３は、トリガ信号ＴＲＧ２と比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴとの論理積の信号を生成し、ラッチ回路３２４のイネーブル端子Ｅに供給するものである。
ラッチ回路３２４は、ＡＮＤゲート３２３からの信号の示すタイミングにおいて、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴを保持するものである。このラッチ回路３２４は、保持値をインバータ３２５に供給する。ラッチ回路３２４としては、例えば、ゲーティドＤラッチが用いられる。ゲーティドＤラッチの場合、ラッチ回路３２４のデータ入力端子には、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴが入力され、出力端子Ｑは、インバータ３２５に接続される。
インバータ３２５は、ラッチ回路３２４の保持値を反転して、検出結果ＤＥＴ２としてセレクタ３１１に供給するものである。また、第３の実施の形態のインバータ３２２は、検出結果ＤＥＴ１をセレクタ３１１に出力する。これらの反転値は、イネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮ１およびＣＡＬ_ＥＮ２として除算回路３１４にも供給される。なお、インバータ３２２および３２５は、特許請求の範囲に記載の論理ゲートの一例である。
図１８は、本技術の第３の実施の形態におけるセレクタ３１１の動作の一例を示す図である。セレクタ３１１には、ランプ信号ＲＭＰＨおよびＲＭＰＬの中間の周波数のランプ信号ＲＭＰＭがさらに入力される。
検出結果ＤＥＴ１およびＤＥＴ２の両方がローレベル、すなわち画素が高輝度である場合にセレクタ３１１は、検出結果ＤＥＴ２の出力時において低周波数のランプ信号ＲＭＰＬを選択する。一方、検出結果ＤＥＴ１およびＤＥＴ２の両方がハイレベル、すなわち、画素が低輝度である場合にセレクタ３１１は、高周波数のランプ信号ＲＭＰＨを選択する。
また、検出結果ＤＥＴ１がローレベルで、検出結果ＤＥＴ２がハイレベルである場合、画素の輝度が、トリガ信号ＴＲＧ１に対応する輝度とトリガ信号ＴＲＧ２に対応する輝度との中間の輝度であることを示す。この場合にセレクタ３１１は、検出結果ＤＥＴ１の出力時において、周波数が、ランプ信号ＲＭＰＨおよびＲＭＰＬの中間の周波数であるランプ信号ＲＭＰＭを選択する。
このように、第３の実施の形態のセレクタ３１１は、画素の輝度に応じてランプ信号の周波数を３段階で切り替える。
図１９は、本技術の第１の実施の形態における除算回路３１４の動作の一例を示す図である。この除算回路３１４は、イネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮ１およびＣＡＬ_ＥＮ２の両方がローレベル、すなわち画素が高輝度である場合に信号レベルの計数値ＣＮＴを除算せずにＣＤＳ処理を行って画素データＤｏｕｔを出力する。一方、イネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮ１およびＣＡＬ_ＥＮ２の両方がハイレベル、すなわち、画素が低輝度である場合に除算回路３１４は、信号レベルの計数値ＣＮＴを、画素毎のサンプリング回数（４回など）により除算し、ＣＤＳ処理を行って画素データＤｏｕｔを出力する。
また、イネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮ１およびＣＡＬ_ＥＮ２の一方がハイレベルで他方がローレベルの場合は、画素の輝度が中間の輝度であることを示す。この場合に除算回路３１４は、高輝度の場合より少ない所定のサンプリング回数（２回など）により信号レベルの計数値ＣＮＴを除算し、ＣＤＳ処理を行って画素データＤｏｕｔを出力する。
図２０は、本技術の第３の実施の形態における信号レベルが最も高い場合の固体撮像素子２００の動作の一例を示すタイミングチャートである。
タイミング制御回路２５０は、トリガ信号ＴＲＧ１およびＴＲＧ２を生成するために、イネーブル信号ＣＭＰ_ＥＮ１およびＣＭＰ_ＥＮ２を内部生成する。そして、タイミング制御回路２５０は、イネーブル信号ＣＭＰ_ＥＮ１が立ち下がるタイミングＴ１５においてトリガ信号ＴＲＧ１を生成する。また、タイミング制御回路２５０は、イネーブル信号ＣＭＰ_ＥＮ２が立ち下がるタイミングＴ１６においてトリガ信号ＴＲＧ２を生成する。これらのトリガ信号ＴＲＧ１およびＴＲＧ２は、最も周波数の低いランプ信号ＲＭＰＬの周期内のタイミングであり、それらの信号は、互いに異なる閾値を示す。すなわち、信号レベルについて、異なる２つの閾値が用いられる。以下、信号レベルに関する２つの閾値のうち高い方をＴｈＨとし、低い方をＴｈＬとする。
検出器３２０は、トリガ信号ＴＲＧ１およびＴＲＧ２のそれぞれが出力されたときの比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴをラッチする。信号レベルが低い方の閾値ＴｈＬ以下の場合には、トリガ信号ＴＲＧ１およびＴＲＧ２の両方の時点で比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴが反転しており、ローレベルである。このため、タイミングＴ１５においてローレベルがラッチされ、それを反転したハイレベルの検出結果ＤＥＴ１が出力される。タイミングＴ１６においても、ローレベルがラッチされ、それを反転したハイレベルの検出結果ＤＥＴ２が出力される。
検出結果ＤＥＴ１およびＤＥＴ２の両方がハイレベルであるため、タイミングＴ１５およびＴ１６において、ランプ信号は低周波数に切り替えられる。同図の選択されたランプ信号ＲＭＰＳの波形は、低周波数のランプ信号ＲＭＰＬと同一となる。このランプ信号に基づいて、画素毎に、例えば画素毎に信号レベルに対して４回のＡＤ変換が実行される。
図２１は、本技術の第３の実施の形態における信号レベルが中間値の固体撮像素子２００の動作の一例を示すタイミングチャートである。
信号レベルは、閾値ＴｈＬより高く、閾値ＴｈＨ以下の中間値であったものとする。この場合には、タイミングＴ１５においてローレベルの検出結果ＤＥＴ１が出力され、タイミングＴ１６においてハイレベルの検出結果ＤＥＴ２が出力される。検出結果ＤＥＴ１がローレベルであるため、タイミングＴ１５において、中間の周波数のランプ信号ＲＭＰＭが選択される。そして、タイミングＴ１６においては、検出結果ＤＥＴ２がハイレベルであるため、ランプ信号ＲＭＰＭの選択が維持される。このランプ信号に基づいて、画素毎に、例えば画素毎に信号レベルに対して２回のＡＤ変換が実行される。
図２２は、本技術の第３の実施の形態における信号レベルが最も低い場合の固体撮像素子２００の動作の一例を示すタイミングチャートである。
信号レベルは、閾値ＴｈＨより高いものとする。この場合には、タイミングＴ１５およびタイミングＴ１６においてローレベルの検出結果ＤＥＴ２が出力される。検出結果ＤＥＴ１がローレベルであるため、タイミングＴ１５において、中間の周波数のランプ信号ＲＭＰＭが選択される。そして、タイミングＴ１６において、検出結果ＤＥＴ２がローレベルであるため、最も周波数の低いランプ信号ＲＭＰＬが選択される。このランプ信号に基づいて、画素毎に、例えば画素毎に信号レベルに対して１回のＡＤ変換が実行される。
なお、セレクタ３１１は、２つの閾値との比較結果に基づいてランプ信号の周波数を３段階で切り替えているが、３つ以上の閾値との比較結果に基づいて、周波数を４段階以上で切り替えることもできる。この場合においても、同様に、画素信号の信号レベルが低い（すなわち、輝度が高い）ほど、周波数の低いランプ信号が選択される。
また、第３の実施の形態において、第２の実施の形態のように、遮光画素信号の統計量に基づいてサンプリング回数の最大値を設定することもできる。
このように、本技術の第３の実施の形態では、画素信号と２つの閾値との比較結果に基づいて、セレクタ３１１がランプ信号の周波数を３段階で切り替えるため、２段階で切り替える場合よりも細かく周波数を制御することができる。これにより、画像データの画質をさらに向上させることができる。
＜４．第４の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴを検出器３２０が監視して、画素信号のレベルが閾値より高いか否かを検出していたが、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴの代わりに計数値ＣＮＴを監視することもできる。この第４の実施の形態の検出器は、計数値ＣＮＴに基づいて画素信号の信号レベルが閾値より高いか否かを検出する点において第１の実施の形態と異なる。
図２３は、本技術の第４の実施の形態におけるＡＤ変換器３１０の一構成例を示すブロック図である。この第４の実施の形態のＡＤ変換器３１０は、検出器３２０の代わりに検出器３３０を備える点において第１の実施の形態と異なる。また、第４の実施の形態のカウンタ３１３は、計数値ＣＮＴを除算回路３１４に加えて検出器３３０にさらに出力する。
検出器３３０は、アナログの閾値をＡＤ変換した際のデジタル値と、計数値ＣＮＴとを比較する。そして、検出器３３０は、その比較結果に基づいて検出結果ＤＥＴおよびイネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮを生成する。
なお、第４の実施の形態において、第２の実施の形態のように、遮光画素信号の統計量に基づいてサンプリング回数を設定することもできる。また、第３の実施の形態のように周波数を３段階で切り替えることもできる。
このように、本技術の第４の実施の形態によれば、検出器３３０が、計数値ＣＮＴに基づいて画素信号の信号レベルが閾値より高いか否かを検出するため、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴを用いずに検出結果ＤＥＴを生成することができる。
＜５．第５の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、比較結果ＣＭＰ_ＯＵＴを検出器３２０がラッチ回路３２１およびインバータ３２２を用いて検出結果ＤＥＴを生成していたが、ラッチ回路３２１等を用いずに検出結果ＤＥＴを生成することもできる。この第５の実施の形態の検出器は、ラッチ回路３２１の代わりに比較器により検出結果ＤＥＴを生成する点において第１の実施の形態と異なる。
図２４は、本技術の第４の実施の形態におけるＡＤ変換器３１０の一構成例を示すブロック図である。この第４の実施の形態のＡＤ変換器３１０は、検出器３２０の代わりに検出器３４０を備える点において第１の実施の形態と異なる。
検出器３４０には、比較器３４１が配置される。比較器３４１は、閾値を示すバイアス電圧Ｖｂｉａｓと画素信号Ｖｉｎとを比較するものである。この比較器３４１は、比較結果を検出結果ＤＥＴおよびイネーブル信号ＣＡＬ_ＥＮとして出力する。
なお、第４の実施の形態において、第２の実施の形態のように、遮光画素信号の統計量に基づいてサンプリング回数の最大値を設定することもできる。また、第３の実施の形態のように周波数を３段階で切り替えることもできる。
このように、本技術の第４の実施の形態によれば、検出器３４０が、閾値を示すバイアス電圧と画素信号とを比較して検出結果ＤＥＴを生成するため、ラッチ回路３２１およびインバータ３２２を用いずに検出結果ＤＥＴを生成することができる。
＜６．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２５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２６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２５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２６は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図２６では、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。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２７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、撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、例えば、図１の撮像装置１００は、撮像部１２０３１に適用することができる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、より見やすい撮影画像を得ることができるため、ドライバの疲労を軽減することが可能になる。
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（MiniDisc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、メモリカード、ブルーレイディスク（Blu-ray（登録商標）Disc）等を用いることができる。
なお、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、また、他の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給するランプ信号供給部と、
前記ランプ信号と前記画素信号とを比較して比較結果を出力する比較器と、
前記比較結果が反転するまでの期間に亘って計数値を計数するカウンタと
を具備する固体撮像素子。
（２）前記ランプ信号供給部は、前記信号レベルが低いほど周波数の低い前記ランプ信号を供給する
前記（１）記載の固体撮像素子。
（３）前記ランプ信号供給部は、
前記信号レベルが所定の閾値より高いか否かを検出して検出結果を出力する検出器と、
前記検出結果に基づいて周波数の異なる複数のランプ信号のいずれかを選択して前記比較器に供給するセレクタと
を備える
前記（１）または（２）記載の固体撮像素子。
（４）前記所定の閾値は、１つであり、
前記セレクタは、周波数の異なる２つのランプ信号のいずれかを選択し、
前記検出器は、
前記２つのランプ信号のうち周波数の低い方の周期内において前記所定の閾値に対応する特定のタイミングを経過したときの前記比較結果を保持値として保持するラッチ回路と、
前記保持値に基づいて前記検出結果を生成して前記セレクタに出力する論理ゲートと
を備える
前記（３）記載の固体撮像素子。
（５）前記所定の閾値は、異なる２つの閾値を含み、
前記セレクタは、周波数の異なる３つのランプ信号のいずれかを選択し、
前記検出器は、
前記複数のランプ信号のうち周波数の最も低いランプ信号の周期内において前記２つの閾値の一方に対応する第１のタイミングを経過したときの前記比較結果を第１の保持値として保持する第１のラッチ回路と、
前記周期内において前記２つの閾値の他方に対応する第２のタイミングを経過したときの前記比較結果を第２の保持値として保持する第２のラッチ回路と、
前記第１および第２の保持値に基づいて前記検出結果を生成して前記セレクタに出力する論理ゲートと
を備える
前記（３）記載の固体撮像素子。
（６）前記検出器は、前記計数値に基づいて前記信号レベルが前記所定の閾値より高いか否かを検出する
前記（３）から（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）前記検出器は、前記所定の閾値を示すバイアス電圧と前記画素信号とを比較して当該比較結果を前記検出結果として出力する
前記（３）から（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）前記選択されたランプ信号の周波数が高いほど大きな除数により前記計数値を除算する除算回路をさらに具備する
前記（１）から（７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）遮光された複数の遮光画素のそれぞれからの遮光画素信号のレベルの統計量に基づいて画素毎のサンプリング回数の最大値を設定する設定部をさらに具備し、
前記画素信号は、遮光されていない複数の有効画素のそれぞれからの有効画素信号と前記遮光画素信号とを含む
前記（１）から（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給するランプ信号供給部と、
前記ランプ信号と前記画素信号とを比較して比較結果を出力する比較器と、
前記比較結果が反転するまでの期間に亘って計数値を計数するカウンタと、
前記計数値から生成された画像データを記録する記録部と
を具備する撮像装置。
（１１）画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給するランプ信号供給手順と、
前記ランプ信号と前記画素信号とを比較して比較結果を出力する比較手順と、
前記比較結果が反転するまでの期間に亘って計数値を計数する計数手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。
１００ 撮像装置
１１０ 撮像レンズ
１２０ 記録部
１３０ 撮像制御部
２００ 固体撮像素子
２１０ 垂直走査回路
２２０ 画素アレイ部
２２１ 画素
２２２ ＯＰＢ画素
２２３ 通常画素
２３０ ＤＡＣ
２４０ 読出し電流制御部
２５０ タイミング制御回路
２５１ タイミングジェネレータ
２５２ クロックジェネレータ
２６０ 水平走査回路
２７０ サンプリング回数設定部
２７１ ＯＰＢ分散演算部
２７２ ＯＰＢ平均演算部
２７３ 重み係数取得部
２７４ サンプリング回数決定部
２７５ 閾値演算部
２７６ 上限回数取得部
２７７ レジスタ
３００ カラム信号処理部
３１０ ＡＤ変換器
３１１ セレクタ
３１２、３４１ 比較器
３１３ カウンタ
３１４ 除算回路
３２０、３３０、３４０ 検出器
３２１、３２４ ラッチ回路
３２２、３２５ インバータ
３２３ ＡＮＤ（論理積）ゲート
３５０ メモリ
３６０ センスアンプ
３７０ デジタル演算部
３８０ インターフェース部
１２０３１ 撮像部

Claims (11)

  1. 画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給するランプ信号供給部と、
    前記ランプ信号と前記画素信号とを比較して比較結果を出力する比較器と、
    前記比較結果が反転するまでの期間に亘って計数値を計数するカウンタと
    を具備する固体撮像素子。
  2. 前記ランプ信号供給部は、前記信号レベルが低いほど周波数の低い前記ランプ信号を供給する
    請求項１記載の固体撮像素子。
  3. 前記ランプ信号供給部は、
    前記信号レベルが所定の閾値より高いか否かを検出して検出結果を出力する検出器と、
    前記検出結果に基づいて周波数の異なる複数のランプ信号のいずれかを選択して前記比較器に供給するセレクタと
    を備える
    請求項１記載の固体撮像素子。
  4. 前記所定の閾値は、１つであり、
    前記セレクタは、周波数の異なる２つのランプ信号のいずれかを選択し、
    前記検出器は、
    前記２つのランプ信号のうち周波数の低い方の周期内において前記所定の閾値に対応する特定のタイミングを経過したときの前記比較結果を保持値として保持するラッチ回路と、
    前記保持値に基づいて前記検出結果を生成して前記セレクタに出力する論理ゲートと
    を備える
    請求項３記載の固体撮像素子。
  5. 前記所定の閾値は、異なる２つの閾値を含み、
    前記セレクタは、周波数の異なる３つのランプ信号のいずれかを選択し、
    前記検出器は、
    前記複数のランプ信号のうち周波数の最も低いランプ信号の周期内において前記２つの閾値の一方に対応する第１のタイミングを経過したときの前記比較結果を第１の保持値として保持する第１のラッチ回路と、
    前記周期内において前記２つの閾値の他方に対応する第２のタイミングを経過したときの前記比較結果を第２の保持値として保持する第２のラッチ回路と、
    前記第１および第２の保持値に基づいて前記検出結果を生成して前記セレクタに出力する論理ゲートと
    を備える
    請求項３記載の固体撮像素子。
  6. 前記検出器は、前記計数値に基づいて前記信号レベルが前記所定の閾値より高いか否かを検出する
    請求項３記載の固体撮像素子。
  7. 前記検出器は、前記所定の閾値を示すバイアス電圧と前記画素信号とを比較して当該比較結果を前記検出結果として出力する
    請求項３記載の固体撮像素子。
  8. 前記選択されたランプ信号の周波数が高いほど大きな除数により前記計数値を除算する除算回路をさらに具備する
    請求項１記載の固体撮像素子。
  9. 遮光された複数の遮光画素のそれぞれからの遮光画素信号のレベルの統計量に基づいて画素毎のサンプリング回数の最大値を設定する設定部をさらに具備し、
    前記画素信号は、遮光されていない複数の有効画素のそれぞれからの有効画素信号と前記遮光画素信号とを含む
    請求項１記載の固体撮像素子。
  10. 画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給するランプ信号供給部と、
    前記ランプ信号と前記画素信号とを比較して比較結果を出力する比較器と、
    前記比較結果が反転するまでの期間に亘って計数値を計数するカウンタと、
    前記計数値から生成された画像データを記録する記録部と
    を具備する撮像装置。
  11. 画素信号の信号レベルに応じた周波数のランプ信号を供給するランプ信号供給手順と、
    前記ランプ信号と前記画素信号とを比較して比較結果を出力する比較手順と、
    前記比較結果が反転するまでの期間に亘って計数値を計数する計数手順と
    を具備する固体撮像素子の制御方法。
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