(57)【要約】  本開示は、より低消費電力で高画質または高ダイナミックレンジな画像を撮像することができるようにする撮像素子、ゲイン制御方法、プログラム、および電子機器に関する。撮像素子は、画素から出力される画素信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部とを備え、参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、カレントミラー回路に接続されるトランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有する。そして、撮像された画像の明るさに基づいてＡＤ変換部により画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするとき、カレントミラー回路に接続されるトランジスタの個数が減少するように切り替え部に対する制御を行う。本技術は、例えば、CMOSイメージセンサに適用できる。
2015159730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部と
を備え、
前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有する
撮像素子。
【請求項２】
撮像された画像の明るさを取得し、前記画像の明るさに基づいて前記ＡＤ変換部により前記画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするとき、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数が減少するように前記切り替え部に対する制御を行う制御部
をさらに備える請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記制御部は、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数が減少するように前記切り替え部に対する制御を行うのに加えて、前記カレントミラー回路の基準電流を低減させる
請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
撮像素子のゲイン制御方法において、
前記撮像素子は、
画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部と
を備え、
前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有し、
撮像された画像の明るさを取得し、
前記画像の明るさに基づいて前記ＡＤ変換部により前記画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするとき、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数が減少するように前記切り替え部に対する制御を行う
ステップを含むゲイン制御方法。
【請求項５】
撮像素子の制御をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、
前記撮像素子は、
画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部と
を備え、
前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有し、
撮像された画像の明るさを取得し、
前記画像の明るさに基づいて前記ＡＤ変換部により前記画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするとき、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数が減少するように前記切り替え部に対する制御を行う
ステップを含む処理をコンピュータに実行させるプログラム。
【請求項６】
画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部と
を備え、
前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有する
撮像素子を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像素子、ゲイン制御方法、プログラム、および電子機器に関し、特に、より低消費電力で高画質または高ダイナミックレンジな画像を撮像することができるようにした撮像素子、ゲイン制御方法、プログラム、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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機能を備えた電子機器においては、例えば、CCD（Charge Coupled Device）やCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子は、光電変換を行うＰＤ（photodiode：フォトダイオード）と複数のトランジスタとが組み合わされた画素を有しており、平面的に配置された複数の画素から出力される画素信号に基づいて画像が構築される。また、画素から出力される画素信号は、例えば、画素の列ごとに配置された複数のＡＤ（Analog to Digital）変換器によりＡＤ変換されて出力される。【０００３】
例えば、特許文献１には、鋸波状のランプ信号および画素信号を比較する比較器とカウンタとを備えて構成されるＡＤ変換器を有する固体撮像素子が開示されている。また、特許文献２には、シングルスロープ積分型といわれるＡＤ変換方式において、比較回路に供給される参照信号の傾きを変えることでゲイン調整を行うことができる固体撮像素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２８１３５号公報
【特許文献２】特開２００７−５９９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、シングルスロープ積分型のＡＤ変換器を備えた固体撮像素子において、高画質または高ダイナミックレンジな画像を撮像するためには、ゲインを広ゲインにしたり、ランプ信号の波形を高振幅にしたりすることが必要となる。そして、ゲインの広ゲイン化やランプ信号の波形の高振幅化を実現するためには、ランプ信号を生成するのに用いられる電流量の可変幅を広く網羅する必要があり、従来、１つの定電流源あたりに流れる電流量を変える手法が用いられていた。【０００６】
しかしながら、このような手法では、電流量の可変幅を広くすることが困難であるため、電源電圧を上昇させる必要があり、消費電力が増加することになっていた。そこで、このような消費電力の増加を回避して、高画質または高ダイナミックレンジな画像を撮像することができる固体撮像素子が求められていた。【０００７】
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より低消費電力で高画質または高ダイナミックレンジな画像を撮像することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一側面の撮像素子は、画素から出力される画素信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部とを備え、前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有する。【０００９】
本開示の一側面のゲイン制御方法またはプログラムは、前記撮像素子は、画素から出力される画素信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部とを備え、前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有し、撮像された画像の明るさを取得し、前記画像の明るさに基づいて前記ＡＤ変換部により前記画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするとき、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数が減少するように前記切り替え部に対する制御を行うステップを含む。【００１０】
本開示の一側面の電子機器は、画素から出力される画素信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部とを備え、前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有する撮像素子を備える。【００１１】
本開示の一側面においては、撮像素子は、画素から出力される画素信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、ＡＤ変換部において画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部とを備え、参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、カレントミラー回路に接続されるトランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有する。そして、撮像された画像の明るさが取得され、その画像の明るさに基づいてＡＤ変換部により画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするとき、カレントミラー回路に接続されるトランジスタの個数が減少するように切り替え部に対する制御が行われる。
【発明の効果】
【００１２】
本開示の一側面によれば、より低消費電力で高画質または高ダイナミックレンジな画像を撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本技術を適用した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２】撮像素子の構成例を示す図である。
【図３】カラム信号処理回路が有するカラム処理部の構成例を示す図である。
【図４】ランプ信号の勾配と画素信号のゲインとの関係について説明する図である。
【図５】ランプ信号生成回路の構成例を示す図である。
【図６】ランプ信号生成回路の構成例を示す図である。
【図７】カラム処理部のゲインモードの切り替え処理を説明するフローチャートである。
【図８】ランプ信号生成回路の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本技術を適用した電子機器の一例である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。
【００１６】
図１に示すように、撮像装置１１は、光学系１２、撮像素子１３、信号処理回路１４、自動露出処理回路１５、表示部１６、および記憶部１７を備えて構成される。例えば、撮像装置１１は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどのように静止画像および動画像を撮像可能な電子機器である。
【００１７】
光学系１２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１３に導き、撮像素子１３の受光面に結像させる。
【００１８】
撮像素子１３は、光学系１２により集光される光を受光する受光面に複数の画素が行列状に配置されており、それぞれの画素が受光した光の光量に応じた画素信号を信号処理回路１４に供給する。なお、撮像素子１３の構成については、図２を参照して後述する。
【００１９】
信号処理回路１４は、撮像素子１３から供給される画素信号に対して、ホワイトバランス調整やガンマ補正などの各種の信号処理を施し、画素信号に基づいた画像（画像データ）を構築して、自動露出処理回路１５、表示部１６、および記憶部１７に供給する。
【００２０】
自動露出処理回路１５は、撮像素子１３により撮像された画像の明るさを検出し、例えば、図示しない入力部を利用してユーザが入力した露出値に従った適正な明るさとなるように、画像の明るさを自動的に調整する自動露出処理を行う。例えば、自動露出処理回路１５は、撮像素子１３から出力される全ての画素信号の平均値を求めることで画像の明るさ（以下適宜、センサ出力レベルと称する）を検出し、センサ出力レベルを撮像素子１３に供給する。これにより、撮像素子１３では、センサ出力レベルに従って、画像の明るさが調整される。
【００２１】
表示部１６は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ（Electro Luminescence）パネルなどにより構成され、信号処理回路１４から供給される画像を表示する。
【００２２】
記憶部１７は、例えば、撮像装置１１に内蔵される不揮発性メモリや、撮像装置１１に対して着脱可能なリムーバブルメディアなどにより構成され、信号処理回路１４から供給される画像（画像データ）を記憶する。
【００２３】
このように構成される撮像装置１１では、撮像素子１３により撮像された画像が表示部１６に表示され、図示しないシャッタボタンが操作されると、そのタイミングで撮像された画像が記憶部１７に記憶される。そして、撮像素子１３により撮像される画像の明るさが、自動露出処理回路１５により制御される。
【００２４】
次に、図２には、撮像素子１３の構成例が示されている。
【００２５】
図２に示すように、撮像素子１３は、画素領域２１、垂直駆動回路２２、カラム信号処理回路２３、水平駆動回路２４、出力回路２５、ランプ信号生成回路２６、および制御回路２７を備えて構成される。
【００２６】
画素領域２１は、図１の光学系１２により集光される光を受光する受光面である。画素領域２１には、複数の画素３１が行列状に配置されており、それぞれの画素３１は、水平信号線３２を介して行ごとに垂直駆動回路２２に接続されるとともに、垂直信号線３３を介して列ごとにカラム信号処理回路２３に接続される。複数の画素３１は、それぞれ受光する光の光量に応じたレベルの画素信号をそれぞれ出力し、それらの画素信号から、画素領域２１に結像する被写体の画像が構築される。
【００２７】
垂直駆動回路２２は、画素領域２１に配置される複数の画素３１の行ごとに、それぞれの画素３１を駆動（転送や、選択、リセットなど）するための駆動信号を、水平信号線３２を介して画素３１に供給する。
【００２８】
カラム信号処理回路２３は、複数の画素３１から垂直信号線３３を介して出力される画素信号に対してCDS(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)処理を施すことにより、画素信号のＡＤ変換を行うとともにリセットノイズを除去する。例えば、カラム信号処理回路２３は、画素３１の列数に応じた複数のカラム処理部４１（後述の図３参照）を有して構成され、画素３１の列ごとに並列的にCDS処理を行うことができる。
【００２９】
水平駆動回路２４は、画素領域２１に配置される複数の画素３１の列ごとに、カラム信号処理回路２３から画素信号をデータ出力信号線３４に出力させるための駆動信号を、カラム信号処理回路２３に供給する。
【００３０】
出力回路２５は、水平駆動回路２４の駆動信号に従ったタイミングでカラム信号処理回路２３からデータ出力信号線３４を介して供給される画素信号を増幅し、後段の信号処理回路１４（図１）に出力する。
【００３１】
ランプ信号生成回路２６は、カラム信号処理回路２３が画素信号をＡＤ変換する際に参照する参照信号として、一定の勾配で時間の経過に従って降下する電圧（スロープ電圧）のランプ信号を生成し、カラム信号処理回路２３に供給する。
【００３２】
制御回路２７は、撮像素子１３の内部の各ブロックの駆動を制御する。例えば、制御回路２７は、各ブロックの駆動周期に従ったクロック信号を生成して、それぞれのブロックに供給する。また、撮像装置１１では、図１の自動露出処理回路１５からセンサ出力レベルが制御回路２７に供給される。そして、制御回路２７は、センサ出力レベルに基づいて、カラム信号処理回路２３が画素信号をＡＤ変換する際のゲインを制御するゲイン制御部５１（後述する図５および図６参照）として機能する。
【００３３】
次に、図３には、カラム信号処理回路２３が有するカラム処理部４１の構成例が示されている。
【００３４】
上述したように、カラム信号処理回路２３は複数のカラム処理部４１を有して構成されており、図３には、そのうちの１つのカラム処理部４１が図示されている。なお、複数のカラム処理部４１は、それぞれ同様に構成され、それらの図示は省略する。
【００３５】
図３に示すように、カラム処理部４１は、コンパレータ４２、カウンタ４３、抵抗４４、キャパシタ４５および４６、並びに、スイッチ４７を備えて構成され、画素から出力される画素信号をＡＤ変換する。
【００３６】
コンパレータ４２のプラス側の入力端子は、キャパシタ４５を介してランプ信号生成回路２６に接続されており、キャパシタ４５およびランプ信号生成回路２６の接続点は抵抗４４を介して接地されている。従って、コンパレータ４２のプラス側の入力端子には、ランプ信号生成回路２６から出力されるランプ信号に従った電位が印加される。一方、コンパレータ４２のマイナス側の入力端子は、キャパシタ４６を介して、図２の垂直信号線３３に接続されており、コンパレータ４２のマイナス側の入力端子には、画素３１から出力されるアナログの画素信号に従った電位が印加される。
【００３７】
また、コンパレータ４２の出力端子は、カウンタ４３の入力に接続されており、カウンタ４３の出力端子は、スイッチ４７を介してデータ出力信号線３４に接続されている。スイッチ４７は、水平駆動回路２４から出力される駆動信号に従って開閉する。
【００３８】
コンパレータ４２は、プラス側の入力端子に入力される入力信号と、マイナス側の入力端子に入力される入力信号との大小を判別し、その判別結果を示す出力信号ＶＣＯを出力する。つまり、コンパレータ４２は、プラス側の入力端子に印加されるランプ信号の電位と、マイナス側の入力端子に印加される画素３１から出力されるアナログの画素信号の電位との大小関係を判別する。そして、コンパレータ４２は、例えば、ランプ信号がアナログの画素信号よりも大きい場合にはハイレベルの出力信号ＶＣＯを出力し、ランプ信号がアナログの画素信号以下となった場合にはローレベルの出力信号ＶＣＯを出力する。
【００３９】
カウンタ４３は、例えば、ランプ信号生成回路２６から供給されるランプ信号の電位が一定の勾配で降下を開始したタイミングから、コンパレータ４２から出力される出力信号ＶＣＯがハイレベルからローレベルに切り替わるタイミングまでの所定のクロック数をカウントする。従って、カウンタ４３がカウントしたカウント値は、コンパレータ４２に入力される画素信号の電位に応じた値となり、これにより、画素３１から出力されるアナログの画素信号がデジタル値に変換される。
【００４０】
そして、所定のカラム処理部４１が配置されている列の画素信号を出力するタイミングになると、水平駆動回路２４から出力される駆動信号に従ってスイッチ４７が閉鎖され、カウンタ４３の出力端子がデータ出力信号線３４に接続される。これにより、カラム処理部４１においてデジタル値に変換された画素信号がデータ出力信号線３４に出力される。
【００４１】
このようにカラム処理部４１は構成されており、コンパレータ４２が、一定の勾配で電位が降下するランプ信号とアナログの画素信号とを比較し、その比較結果に基づいて画素信号がＡＤ変換される。従って、ランプ信号の勾配によって画素信号をＡＤ変換する際のゲインを変更することができ、例えば、ランプ信号の勾配が緩やかであれば増幅率は大きくなり（高ゲイン）、ランプ信号の勾配が急であれば増幅率は小さくなる（低ゲイン）。
【００４２】
図４を参照して、ランプ信号の勾配と画素信号のゲインとの関係について説明する。
【００４３】
図４の上側には、ランプ信号および画素信号の電位の変化が示されており、図４の下側には、コンパレータ４２から出力される出力信号ＶＣＯがハイレベルからローレベルに切り替わるタイミングが示されている。
【００４４】
図４に示すように、一定のレベルのアナログの（若干のノイズが含まれる）画素信号に対して、破線で示すようにランプ信号の勾配が急であるとき、出力信号ＶＣＯがハイレベルからローレベルに切り替わるタイミングは早くなる。従って、カウンタ４３におけるカウント値は小さくなり、画素信号をＡＤ変換する際のゲインは低ゲインとなる。
【００４５】
一方、一定のレベルのアナログの画素信号に対して、実線で示すようにランプ信号の勾配が緩やかであるとき、出力信号ＶＣＯがハイレベルからローレベルに切り替わるタイミングは遅くなる。従って、カウンタ４３におけるカウント値は大きくなり、画素信号をＡＤ変換する際のゲインは高ゲインとなる。
【００４６】
このように、撮像装置１１では、ランプ信号生成回路２６により生成されるランプ信号の勾配を変化させることにより、画素信号をＡＤ変換する際のゲインを変化させることができる。
【００４７】
ところで、このようなランプ信号を生成するには、ランプ信号生成回路２６から出力される電流量を可変させる必要がある。そこで、従来、電流量を可変させるために１つの定電流源あたりに流れる電流量を変えるような構成となっており、この定電流源は、流れる電流量に依らず常に飽和領域で動作することが求められる。このため、広いゲインレンジを実現し、ランプ信号の最大振幅を高振幅化するためには、電源電圧を高くする必要があり、その結果、消費電力が増加してしまっていた。
【００４８】
これに対し、撮像装置１１では、１つの定電流源あたりに流れる電流量を変えるだけでなく、定電流源の個数そのものを可変化する構成が採用される。これにより、電流量の可変領域を拡大して、より広いゲインレンジを実現し、ランプ信号の最大振幅を高振幅化することができるようにランプ信号生成回路２６が構成される。
【００４９】
次に、図５および図６を参照して、ランプ信号生成回路２６の構成例について説明する。図５には、低ゲイン時のランプ信号生成回路２６が示されており、図６には、高ゲイン時のランプ信号生成回路２６が示されている。
【００５０】
図５および図６に示すように、ランプ信号生成回路２６は、入力側トランジスタ６１−１および６１−２、出力側トランジスタ６２−１および６２−２、スイッチ６３および６４、並びに、電流源トランジスタ６５を備えて構成される。そして、制御回路２７の機能として備えているゲイン制御部５１により、スイッチ６３、スイッチ６４、および電流源トランジスタ６５が制御される。
【００５１】
ランプ信号生成回路２６では、２個の入力側トランジスタ６１−１および６１−２と、２個の出力側トランジスタ６２−１および６２−２とが対になってカレントミラー回路を構成する。そして、ゲイン制御部５１の制御に従って電流源トランジスタ６５を流れる基準電流の電流量と同じ電流量の出力電流が抵抗４４に流されることによって、ランプ信号生成回路２６からランプ信号が出力される。
【００５２】
そして、ランプ信号生成回路２６では、スイッチ６３の開閉に従って入力側トランジスタ６１−１がカレントミラー回路に接続され、スイッチ６４の開閉に従って出力側トランジスタ６２−１がカレントミラー回路に接続される。
【００５３】
即ち、図５に示すように、低ゲイン時には、ゲイン制御部５１は、スイッチ６３およびスイッチ６４を閉鎖するように制御し、入力側トランジスタ６１−１および出力側トランジスタ６２−１がカレントミラー回路に接続される。このように、カレントミラー回路に接続されるトランジスタ数を増加させることによって出力電流を増加させ、ランプ信号を急勾配にすることで、図４を参照して説明したように、カラム処理部４１が画素信号をＡＤ変換する際のゲインを低ゲインにすることができる。
【００５４】
また、図６に示すように、高ゲイン時には、ゲイン制御部５１は、スイッチ６３およびスイッチ６４を開放するように制御し、入力側トランジスタ６１−１および出力側トランジスタ６２−１がカレントミラー回路に非接続とされる。このように、カレントミラー回路に接続されるトランジスタ数を減少させることによって出力電流を削減させ、ランプ信号を緩やかな勾配にすることで、図４を参照して説明したように、カラム処理部４１が画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにすることができる。
【００５５】
このように、撮像素子１３では、ゲイン制御部５１がカラム処理部４１のゲインモードを低ゲインモードまたは高ゲインモードに切り替えることができる。
【００５６】
即ち、ゲイン制御部５１は、自動露出処理回路１５が自動露出処理を行うことにより得られるセンサ出力レベルに基づいて、カラム処理部４１が画素信号をＡＤ変換する際のゲインを低ゲインにするときには、スイッチ６３およびスイッチ６４をオンにし、入力側トランジスタ６１−１および出力側トランジスタ６２−１をカレントミラー回路に接続する。このようにカレントミラー回路を構成するトランジスタ数を増やすことで、差動電圧が大きくなり過ぎないようにし、ランプ信号生成回路２６のダイナミックレンジであるランプ信号の最大振幅を実現する。
【００５７】
一方、ゲイン制御部５１は、自動露出処理回路１５が自動露出処理を行うことにより得られるセンサ出力レベルに基づいて、カラム処理部４１が画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするときには、カレントミラー回路に接続されるトランジスタ数を減少させることで、差動電圧が小さくなり過ぎないようにし、電流量の可変範囲の拡大を実現する。
【００５８】
次に、図７は、ゲイン制御部５１がカラム処理部４１のゲインモードの切り替え処理を説明するフローチャートである。
【００５９】
例えば、撮像装置１１において動画像の撮像が開始され、所定のフレームの画像が撮像されると処理が開始される。ステップＳ１１において、図１の自動露出処理回路１５において自動露出処理が行われることによりセンサ出力レベルが検出され、ゲイン制御部５１は、自動露出処理回路１５からセンサ出力レベルを取得する。
【００６０】
ステップＳ１２において、ゲイン制御部５１は、ステップＳ１１で取得したセンサ出力レベルが、第１の閾値Ａ以下であるか否かを判定する。そして、ゲイン制御部５１が、センサ出力レベルが、第１の閾値Ａ以下であると判定した場合には、処理はステップＳ１３に進む。
【００６１】
ステップＳ１３において、ゲイン制御部５１は、カラム処理部４１のゲインモードを低ゲインモードにする。即ち、ゲイン制御部５１は、スイッチ６３および６４をオンにする駆動信号を出力し、ランプ信号生成回路２６を構成するカレントミラー回路に入力側トランジスタ６１−１および出力側トランジスタ６２−１を接続する。これにより、ランプ信号生成回路２６がランプ信号を出力する際の電流量が増加し、ランプ信号が急勾配になることにより、カラム処理部４１が画素信号をＡＤ変換する際のゲインが低ゲインとなる。そして、ステップＳ１３の処理後、処理は終了される。
【００６２】
一方、ステップＳ１２において、ゲイン制御部５１が、センサ出力レベルが、第１の閾値Ａ以下でない（第１の閾値Ａより大きい）と判定した場合には、処理はステップＳ１４に進む。
【００６３】
ステップＳ１４において、ゲイン制御部５１は、ステップＳ１１で取得したセンサ出力レベルが、第２の閾値Ｂ以下であるか否かを判定する。そして、ゲイン制御部５１が、センサ出力レベルが、第２の閾値Ｂ以下であると判定した場合には、処理はステップＳ１５に進む。
【００６４】
ステップＳ１５において、ゲイン制御部５１は、カラム処理部４１のゲインモードを第１の高ゲインモードにする。即ち、ゲイン制御部５１は、基準電流を低減するように電流源トランジスタ６５に対する制御を行う。これにより、ランプ信号生成回路２６を構成するカレントミラー回路により抵抗４４に流れる出力電流を低減することになり、ランプ信号が緩やかな勾配になることにより、カラム処理部４１が画素信号をＡＤ変換する際のゲインが高ゲインとなる。そして、ステップＳ１５の処理後、処理は終了される。
【００６５】
一方、ステップＳ１４において、ゲイン制御部５１が、センサ出力レベルが、第２の閾値Ｂ以下でない（第２の閾値Ｂより大きい）と判定した場合、処理はステップＳ１６に進む。
【００６６】
ステップＳ１６において、ゲイン制御部５１は、カラム処理部４１のゲインモードを第２の高ゲインモード（ステップＳ１５における第１の高ゲインモードよりも、さらに高いゲイン）にする。即ち、ゲイン制御部５１は、基準電流を低減するように電流源トランジスタ６５に対する制御を行うのに加え、スイッチ６３および６４をオフにする駆動信号を出力する。これにより、ランプ信号生成回路２６を構成するカレントミラー回路に接続されるトランジスタ数を少なくすることができるので、ランプ信号生成回路２６を構成するカレントミラー回路により抵抗４４に流れる出力電流を、さらに低減することができる。従って、第１の高ゲインモードよりも、ランプ信号がさらに緩やかな勾配になることにより、カラム処理部４１が画素信号をＡＤ変換する際のゲインが、より高ゲインとなる。そして、ステップＳ１６の処理後、処理は終了される。
【００６７】
以上のように、撮像素子１３は、ゲイン制御部５１が、ランプ信号生成回路２６を構成するカレントミラー回路に接続されるトランジスタ数を制御すること、および、電流源トランジスタ６５を流れる基準電流を制御することにより、カラム処理部４１が画素信号をＡＤ変換する際のゲインを切り替えることができる。これにより、撮像素子１３では、電源電圧を上昇させることなく、ゲインレンジおよびランプ信号の波形の最大振幅であるダイナミックレンジを拡大することができる。従って、撮像装置１１では、より低消費電力で高画質または高ダイナミックレンジな画像を撮像することができる。
【００６８】
次に、図８は、ランプ信号生成回路の変形例を示す図である。
【００６９】
図８に示すように、ランプ信号生成回路２６Ａは、Ｎ個の入力側トランジスタ６１−１乃至６１−１、Ｎ個の出力側トランジスタ６２−１乃至６２−Ｎによりカレントミラー回路が構成される。また、Ｎ−１個のスイッチ６３−１乃至６３−（Ｎ−１）、および、Ｎ−１個のスイッチ６４−１乃至６４−（Ｎ−１）により、カレントミラー回路に接続されるトランジスタ数が切り替えられる。
【００７０】
このように構成されるランプ信号生成回路２６Ａでは、カラム処理部４１が画素信号をＡＤ変換する際のゲインを、より細かく切り替えることができる。即ち、図５のランプ信号生成回路２６では、高ゲインおよび低ゲインの２段階に切り替えられるのに対し、ランプ信号生成回路２６Ａでは、ゲインをＮ段階に切り替えることができる。
【００７１】
なお、上述のフローチャートを参照して説明した各処理は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）も含むものである。また、プログラムは、１のCPUにより処理されるものであっても良いし、複数のCPUによって分散処理されるものであっても良い。
【００７２】
また、本技術を適用した固体撮像素子は、図１に示したような撮像装置の他、撮像機能を備えた携帯電話機や、いわゆるスマートフォンなどのように、撮像機能を備えた各種の電子機器に適用することができる。
【００７３】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部と
を備え、
前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有する
撮像素子。
（２）
撮像された画像の明るさを取得し、前記画像の明るさに基づいて前記ＡＤ変換部により前記画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするとき、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数が減少するように前記切り替え部に対する制御を行う制御部
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、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数が減少するように前記切り替え部に対する制御を行うのに加えて、前記カレントミラー回路の基準電流を低減させる
上記（１）または（２）に記載の撮像素子。
（４）
撮像素子のゲイン制御方法において、
前記撮像素子は、
画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部と
を備え、
前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有し、
撮像された画像の明るさを取得し、
前記画像の明るさに基づいて前記ＡＤ変換部により前記画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするとき、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数が減少するように前記切り替え部に対する制御を行う
ステップを含むゲイン制御方法。
（５）
撮像素子の制御をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、
前記撮像素子は、
画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部と
を備え、
前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有し、
撮像された画像の明るさを取得し、
前記画像の明るさに基づいて前記ＡＤ変換部により前記画素信号をＡＤ変換する際のゲインを高ゲインにするとき、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数が減少するように前記切り替え部に対する制御を行う
ステップを含む処理をコンピュータに実行させるプログラム。
（６）
画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部と、
前記ＡＤ変換部において前記画素信号がＡＤ変換されるときに参照される参照信号を生成する参照信号生成部と
を備え、
前記参照信号生成部は、カレントミラー回路を構成する所定個数で対になったトランジスタと、前記カレントミラー回路に接続される前記トランジスタの個数を切り替える切り替え部とを有する
撮像素子を備える電子機器。
【００７４】
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。
【符号の説明】
【００７５】
１１  撮像装置，  １２  光学系，  １３  撮像素子，  １４  信号処理回路，  １５  自動露出処理回路，  １６  表示部，  １７  記憶部，  ２１  画素領域，  ２２  垂直駆動回路，  ２３  カラム信号処理回路，  ２４  水平駆動回路，  ２５  出力回路，  ２６  ランプ信号生成回路，  ２７  制御回路，  ３１  画素，  ３２  水平信号線，  ３３  垂直信号線，  ３４  データ出力信号線，  ４１  カラム処理部，  ４２  コンパレータ，  ４３  カウンタ，  ４４  抵抗，  ４５および４６  キャパシタ，  ４７  スイッチ，  ５１  ゲイン制御部
【図１】
2015159730.tif 000003
【図２】
2015159730.tif 000004
【図３】
2015159730.tif 000005
【図４】
2015159730.tif 000006
【図５】
2015159730.tif 000007
【図６】
2015159730.tif 000008
【図７】
2015159730.tif 000009
【図８】
2015159730.tif 000010
【国際調査報告】
2015159730.tif 000011
2015159730.tif 000012