JP2001016505A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、撮像する被写体の輝度範囲に応じ
て、固体撮像素子の入射光に対する電気信号の線形変換
動作と対数変換動作とを、撮像者が切り換えることがで
きる固体撮像装置を提供することを目的とする。 【解決手段】対物レンズ２を介して入射される光をエリ
アセンサ（固体撮像素子）３で電気信号に変換する際、
広い輝度範囲の被写体を撮像することができる対数変換
動作と、階調性の豊かな撮像を行うことができる線形変
換動作とを、撮像者がスイッチ４を操作することによっ
て選択して、このスイッチ４に同期して切換信号発生回
路より切換信号がエリアセンサ３に送出される。この切
換信号によって、エリアセンサ３内に設けられた各画素
内のフォトダイオードから光電流が流れるＭＯＳトラン
ジスタのバイアス電圧を変化させることで、エリアセン
サ３を対数変換動作、又は線形変換動作に切り換えるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光に対する電
気信号の線形変換と対数変換を行える固体撮像素子を有
する固体撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、フォトダイオードなどの感光
素子をマトリクス状に配置したエリアセンサ等の固体撮
像素子は、その感光素子に入射された光の輝度に対し
て、線形的に変換した信号を出力する。このように線形
変換を行うエリアセンサ（以下、「リニアセンサ」と呼
ぶ。）は、例えば、レンズの絞りを調整することによ
り、被写体の最も明るい部分（ハイライト部）を撮像す
る感光素子がその最大レベルの９０パーセント程度のレ
ベルの電気信号として出力できるように、調節される。
このようなリニアセンサを用いることによって、被写体
の輝度分布においてその最小値をＬmin［ｃｄ／ｍ²］、
その最大値をＬmax［ｃｄ／ｍ²］としたとき、被写体の
輝度範囲 Ｌmax／Ｌmin が２桁以下の狭い範囲であれば
階調性豊かに被写体の情報を取り込むことができる。

【０００３】それに対して、本出願人は、入射した光量
に応じた電流を発生する感光素子と、その電流を入力す
るＭＯＳトランジスタと、このＭＯＳトランジスタをサ
ブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバ
イアス手段とを備え、感光素子からの電流を対数変換す
るようにしたエリアセンサ（以下、「ＬＯＧセンサ」と
呼ぶ。）を提案した（特開平３−１９２７６４号公報参
照）。このようなＬＯＧセンサは、被写体の最も明るい
部分（ハイライト部）を撮像する感光素子がその最大レ
ベルの９０パーセント程度のレベルの電気信号として出
力できるように、調節したとき、その輝度範囲 Ｌmax／
Ｌmin が５桁〜６桁の広い範囲となる被写体の情報を取
り込むことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、リニアセン
サを用いたときは撮像可能な輝度範囲が略２桁と狭いた
め、被写体に直射日光が当たるなどの要因で被写体の輝
度が明るくなって、明部が感光素子が扱えるレベルを超
えてオーバーフローを起こすような状態になったとき、
このレベルを超えた明部の情報を取り込むことができ
ず、白トビという現象が起こる。又、この白トビを避け
るために、取り込み可能な輝度範囲を明部側にシフトし
て明部の情報を取り込み可能とすると、逆に暗部の情報
を取り込むことができず、黒ツブレという現象が起こ
る。

【０００５】一方、ＬＯＧセンサの出力特性は図１１の
ように対数関数を示す。そのため、このＬＯＧセンサを
用いたときは、高輝度部での階調性が乏しくなりやす
く、例えば、明るい被写体に対しては、暗部及び明部の
情報をともに取り込むことが可能であるが、暗い被写体
に対しては、明部の階調性が乏しくなるなどの問題があ
った。

【０００６】このような問題点を鑑みて、本発明は、固
体撮像素子の入射光に対する電気信号の線形変換動作と
対数変換動作とを、撮像者が切り換えることができる固
体撮像装置を提供することを目的とする。又、本発明の
他の目的は、被写体の明るさの状態にあわせて撮像でき
る固体撮像装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の問題を達成するた
め請求項１に記載の固体撮像装置は、入射光量に応じた
電気信号を発生する固体撮像素子を有する固体撮像装置
において、前記固体撮像素子の動作状態を、前記電気信
号が入射光量に対して線形的に変換されて出力される第
１状態と、自然対数的に変換されて出力される第２状態
とに切り換え可能とするとともに、その動作状態を手動
で切り換える操作部材を設けたことを特徴とする。

【０００８】このような構成の固体撮像装置によると、
階調性の良い第１状態と、輝度範囲の広い被写体を撮像
可能な第２状態とを、撮像者の意図にあわせて切り換え
ることができる。又、請求項２に記載するように、前記
操作部材の操作に応答して、前記動作状態を切り換える
ための切換信号を発生する切換信号発生回路を設けても
良い。

【０００９】更に、この請求項２に記載する固体撮像装
置において、請求項３に記載するように、前記切換信号
を２値の電圧信号とすることによって、固体撮像素子の
素子に印加するバイアス電圧の値を変化させることによ
って、固体撮像素子の動作を第１状態又は第２状態に切
り換えることができる。

【００１０】請求項４に記載の固体撮像装置は、請求項
１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置におい
て、前記固体撮像素子が、第１電極に直流電圧が印加さ
れた感光素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備
え、第１電極及び制御電極が前記感光素子の第２電極に
接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むトラ
ンジスタと、を有し、前記トランジスタの第１電極と第
２電極の間の電位差を変化させることによって、固体撮
像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えるこ
とを特徴とする。

【００１１】請求項５に記載の固体撮像装置は、請求項
１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置におい
て、前記固体撮像素子が、第１電極に直流電圧が印加さ
れた感光素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備
え、第１電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前
記感光素子からの出力電流が流れ込むとともに、第２電
極と制御電極とが接続されたトランジスタと、を有し、
前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を
変化させることによって、固体撮像素子の動作を、第１
状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする。

【００１２】請求項６に記載の固体撮像装置は、請求項
１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置におい
て、前記固体撮像素子が、第１電極に直流電圧が印加さ
れた感光素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備
え、制御電極に直流電圧が印加されるともに、第１電極
が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子か
らの出力電流が流れ込むトランジスタと、を有し、前記
トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化
させることによって、固体撮像素子の動作を、第１状態
と第２状態とに切り換えることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態について、図面
を参照して説明する。図１は、本発明を実施した固体撮
像装置の内部構造を示すブロック図である。図２及び図
４は、図１に示す固体撮像装置に設けられた固体撮像素
子であるエリアセンサの構造の１例を示すブロック図で
ある。図３は、図２に示すエリアセンサ内の画素の構成
の１例を示す回路図である。図６は、図４に示すエリア
センサ内の画素の構成の１例を示す回路図である。

【００１４】図１に示す固体撮像装置１は、対物レンズ
２と、該対物レンズ２を介して入射する光に応じて対数
変換もしくは線形変換を行った電気信号を出力するエリ
アセンサ３と、固体撮像装置１の外部に設けられるとと
もに撮像者によって操作されるスイッチ４と、スイッチ
４が操作されることによってエリアセンサ３の対数変換
動作と線形変換動作とを切り換えるための切換信号をエ
リアセンサ３に送出する切換信号発生回路５と、エリア
センサ３から送出される電気信号を演算処理する処理部
６とを有している。処理部６で処理された信号は、出力
端子９１から固体撮像装置１の外部へ出力され記録媒体
への記録や表示装置への出力など種々の用途に供され
る。又、出力端子９２からファインダー２０へも与えら
れる。

【００１５】このような構成の固体撮像装置に設けられ
たエリアセンサ３の構成の一例について、図２を参照し
て説明する。同図において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置
（マトリクス配置）された画素を示している。７は垂直
走査回路であり、行（ライン）９−１、９−２、・・
・、９−ｎを順次走査していく。８は水平走査回路であ
り、画素から出力信号線１０−１、１０−２、・・・、
１０−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方
向に順次読み出す。１１は電源ラインである。各画素に
対し、上記ライン９−１、９−２、・・・、９−ｎや出
力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍ、電源
ライン１１だけでなく、他のライン（例えば、クロック
ラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２
ではこれらについて省略する。

【００１６】出力信号線１０−１、１０−２、・・・、
１０−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、
Ｑ２、・・・、Ｑｍが図示の如く１つずつ設けられてい
る。トランジスタＱ１、Ｑ２、・・・、Ｑｍのドレイン
は、それぞれ出力信号線１０−１、１０−２、・・・、
１０−ｍに接続され、ソースは最終的な信号線１２に接
続され、ゲートは水平走査回路８に接続されている。
尚、後述するように各画素内にはスイッチ用のＮチャネ
ルの第４ＭＯＳトランジスタＴ４も設けられている。こ
こで、トランジスタＴ４は行の選択を行うものであり、
トランジスタＱ１〜Ｑｍは列の選択を行うものである。

【００１７】更に、このようなエリアセンサ３内の各画
素の構成について、図３を参照して説明する。図３にお
いて、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部（光電変換
部）を形成している。そのフォトダイオードＰＤのアノ
ードは第１ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインとゲー
ト、第２ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート、及び第３Ｍ
ＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続されている。ト
ランジスタＴ２のソースは行選択用の第４ＭＯＳトラン
ジスタＴ４のドレインに接続されている。トランジスタ
Ｔ４のソースは出力信号線１０（この出力信号線１０は
図２の１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに対応す
る）へ接続されている。尚、トランジスタＴ１，Ｔ２，
Ｔ３，Ｔ４は、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタでバッ
クゲートが接地されている。

【００１８】又、フォトダイオードＰＤのカソードには
直流電圧ＶPDが印加されるようになっている。一方、ト
ランジスタＴ１のソースには信号φＶPSが印加され、ト
ランジスタＴ２のソースにはキャパシタＣの一端が接続
される。キャパシタＣの他端には信号φＶPSが与えられ
る。トランジスタＴ３のソースには直流電圧ＶRBが印加
されるとともに、そのゲートには信号φＶRSが入力され
る。トランジスタＴ２のドレインには信号φＤが入力さ
れる。又、トランジスタＴ４のゲートには信号φＶが入
力される。尚、本実施形態において、信号φＶPSは、２
値的に変化するものとし、トランジスタＴ１，Ｔ２をサ
ブスレッショルド領域で動作させるための電圧をローレ
ベルとし、直流電圧ＶPDと略等しい電圧をハイレベルと
する。

【００１９】このような構成の画素において、信号φＶ
PSの電圧値を切り換えてトランジスタＴ１のバイアスを
変えることにより、単一の画素において出力信号線１０
に導出される出力信号をフォトダイオードＰＤが入射光
に応じて出力する電気信号（以下、「光電流」とい
う。）に対して自然対数的に変換させる場合と、線形的
に変換させる場合とを実現することができる。以下、こ
れらの各場合について簡単に説明する。

【００２０】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合。まず、信号φＶPSをローレベルとし、トラ
ンジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作す
るようにバイアスされているときの動作について、説明
する。このとき、トランジスタＴ３のゲートに与えられ
る信号φＶRSがローレベルになっているので、トランジ
スタＴ３はＯＦＦとなり、実質的に存在しないことと等
価になる。又、トランジスタＴ２に与えられる信号φＤ
はハイレベル（直流電圧ＶPDと同じ又は直流電圧ＶPDに
近い電位）とする。

【００２１】図３の回路において、フォトダイオードＰ
Ｄに光が入射すると光電流が発生し、トランジスタのサ
ブスレッショルド特性により、前記光電流を自然対数的
に変換した値の電圧がトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート
に発生する。この電圧により、トランジスタＴ２に電流
が流れ、キャパシタＣには前記光電流の積分値を自然対
数的に変換した値と同等の電荷が蓄積される。つまり、
キャパシタＣとトランジスタＴ２のソースとの接続ノー
ドａに、前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値
に比例した電圧が生じることになる。ただし、このと
き、トランジスタＴ４はＯＦＦの状態であるとする。

【００２２】次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス
信号φＶを与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、
キャパシタＣに蓄積された電荷が、出力電流として出力
信号線１０に導出される。この出力信号線１０に導出さ
れる電流は前記光電流の積分値を自然対数的に変換した
値となる。このようにして入射光量の対数値に比例した
信号（出力電流）を読み出すことができる。信号を読み
出した後、トランジスタＴ４をＯＦＦとするとともに信
号φＤをローレベル（信号φＶPSよりも低い電位）にし
てトランジスタＴ２を通して信号φＤの線路へキャパシ
タＣに蓄積された電荷を放電することによって、キャパ
シタＣ及び接続ノードａの電位が初期化される。このよ
うな動作を所定の時間間隔で繰り返すことにより、刻々
と変化する被写体像を広いダイナミックレンジで連続的
に撮像することができる。尚、このように入射光量を自
然対数的に変換する場合、信号φＶRSは、常にローレベ
ルのままであり、トランジスタＴ３はＯＦＦ状態となっ
ている。

【００２３】（２） 光電流を線形的に変換して出力す
る場合。次に、信号φＶPSをハイレベルとしたときの動
作について説明する。このとき、トランジスタＴ１のソ
ース側のポテンシャルが高くなる。よって、トランジス
タＴ１は実質的にＯＦＦ状態となり、トランジスタＴ１
のソース・ドレイン間に電流が流れない。又、トランジ
スタＴ３のゲートに与える信号φＶRSをローレベルに保
ち、トランジスタＴ３をＯＦＦにしておく。

【００２４】そして、まず、トランジスタＴ４をＯＦＦ
するとともに信号φＤをローレベル（信号φＶPSよりも
低い電位）にするとキャパシタＣの電荷がトランジスタ
Ｔ２を通して信号φＤの線路へ放電され、それによって
キャパシタＣをリセットして、接続ノードａの電位を例
えば直流電圧ＶPDより低い電位に初期化する。この電位
はキャパシタＣによって保持される。その後、φＤをハ
イレベル（直流電圧ＶPDと同じ又は直流電圧ＶPDに近い
電位）に戻す。このような状態において、フォトダイオ
ードＰＤに光が入射すると光電流が発生する。このと
き、トランジスタＴ１のバックゲートとゲートとの間や
フォトダイオードＰＤの接合容量などでキャパシタを構
成するので、光電流による電荷が主としてトランジスタ
Ｔ１，Ｔ２のゲートに蓄積される。よって、トランジス
タＴ１，Ｔ２のゲート電圧が前記光電流を積分した値に
比例した値になる。

【００２５】今、接続ノードａの電位が前記初期化によ
り直流電圧ＶPDより低くなっているので、トランジスタ
Ｔ２はＯＮし、トランジスタＴ２のゲート電圧に応じた
ドレイン電流がトランジスタＴ２を流れ、トランジスタ
Ｔ２のゲート電圧に比例した量の電荷がキャパシタＣに
蓄積される。よって、接続ノードａの電位が前記光電流
を積分した値に比例した値になる。次に、トランジスタ
Ｔ４のゲートにパルス信号φＶを与えて、トランジスタ
Ｔ４をＯＮにすると、キャパシタＣに蓄積された電荷
が、出力電流として出力信号線１０に導出される。この
出力電流は前記光電流の積分値を線形的に変換した値と
なる。

【００２６】このようにして入射光量に比例した信号
（出力電流）を読み出すことができる。又、この後、ト
ランジスタＴ４をＯＦＦとするとともに信号φＤをロー
レベルにしてトランジスタＴ２を通して信号φＤの線路
へ放電することによって、キャパシタＣ及び接続ノード
ａの電位が初期化される。しかる後、トランジスタＴ３
のゲートにハイレベルの信号φＶRSを与えることで、ト
ランジスタＴ３をＯＮにして、フォトダイオードＰＤ、
トランジスタＴ１のドレイン電圧及びトランジスタＴ
１，Ｔ２のゲート電圧を初期化させる。このような動作
を所定の時間間隔で繰り返すことにより、刻々と変化す
る被写体像をＳ／Ｎ比の良好な状態で連続的に撮像する
ことができる。

【００２７】このように、図３に示す画素は、簡単な電
位操作により同一の画素で光電変換出力特性を切り換え
ることが可能になる。尚、信号を対数変換して出力する
状態から線形変換して出力する状態に切り換える際に
は、まずφＶPSの電位調整により出力の切り換えを行っ
てから、トランジスタＴ３によるトランジスタＴ１など
のリセットを行うことが好ましい。一方、信号を線形変
換して出力する状態から対数変換して出力する状態に切
り換える際には、トランジスタＴ３によるトランジスタ
Ｔ１などのリセットは特に必要ない。これは、トランジ
スタＴ１が完全なＯＦＦ状態ではないことに起因してト
ランジスタＴ１に蓄積されたキャリアは逆極性のキャリ
アによってうち消されるためである。

【００２８】又、エリアセンサ３の構成の別の例につい
て、図４を参照して説明する。同図において、Ｇ11〜Ｇ
ｍｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示して
いる。７は垂直走査回路であり、行（ライン）９−１、
９−２、・・・、９−ｎを順次走査していく。８は水平
走査回路であり、画素から出力信号線１０−１、１０−
２、・・・、１０−ｍに導出された光電変換信号を画素
ごとに水平方向に順次読み出す。１１は電源ラインであ
る。各画素に対し、上記ライン９−１、９−２・・・、
９−ｎや出力信号線１０−１、１０−２・・・、１０−
ｍ、電源ライン１１だけでなく、他のライン（例えば、
クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続される
が、図４ではこれらについて省略する。

【００２９】出力信号線１０−１、１０−２・・・、１
０−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ
２、・・・、Ｑｍ及びＮチャネルのＭＯＳトランジスタ
Ｑａ１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍが図示の如く１組ずつ
設けられている。トランジスタＱａ１、Ｑａ２、・・
・、Ｑａｍのゲートは直流電圧線１３に接続され、ドレ
インはそれぞれ出力信号線１０−１、１０−２・・・、
１０−ｍに接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン
１４に接続されている。一方、トランジスタＱ１、Ｑ
２、・・・、Ｑｍのドレインはそれぞれ出力信号線１０
−１、１０−２・・・、１０−ｍに接続され、ソースは
最終的な信号線１２に接続され、ゲートは水平走査回路
８に接続されている。

【００３０】画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、
それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力する
Ｎチャネルの第５ＭＯＳトランジスタＴ５が設けられて
いる。トランジスタＴ５とトランジスタＱａ（このトラ
ンジスタＱａは、図４のトランジスタＱａ１〜Ｑａｍに
対応する。）との接続関係は図５（ａ）のようになる。
ここで、トランジスタＱａのソースに接続される直流電
圧ＶPS’と、トランジスタＴ５のドレインに接続される
直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’であり、直流
電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）である。この
回路構成は上段のトランジスタＴ５のゲートに信号が入
力され、下段のトランジスタＱａのゲートには直流電圧
ＤＣが常時印加される。このため下段のトランジスタＱ
ａは抵抗又は定電流源と等価であり、図５（ａ）の回路
はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場
合、トランジスタＴ５から増幅出力されるのは電流であ
ると考えてよい。

【００３１】トランジスタＱ（このトランジスタＱは、
図４のトランジスタＱ１〜Ｑｍに対応する。）は水平走
査回路８によって制御され、スイッチ素子として動作す
る。尚、後述するように図６の画素内にはスイッチ用の
Ｎチャネルの第４ＭＯＳトランジスタＴ４も設けられて
いる。このトランジスタＴ４も含めて表わすと、図５
（ａ）の回路は正確には図５（ｂ）のようになる。即
ち、トランジスタＴ４がトランジスタＱａとトランジス
タＴ５との間に挿入されている。ここで、トランジスタ
Ｔ４は行の選択を行うものであり、トランジスタＱは列
の選択を行うものである。

【００３２】図５のように構成することにより信号のゲ
インを大きく出力することができる。従って、画素がダ
イナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光
電流を自然対数的に変換しているような場合は、そのま
までは出力信号が小さいが、本増幅回路により充分大き
な信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せ
ず）での処理が楽になる。また、増幅回路の負荷抵抗部
分を構成するトランジスタＱａを画素内に設けずに、列
方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線１
０−１、１０−２、・・・、１０−ｍごとに設けること
により、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体
チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。

【００３３】図４に示した構成のエリアセンサ３の各画
素の一例について、図６を参照して説明する。尚、図３
に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線な
どは、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略す
る。

【００３４】図６に示す画素は、図３に示す画素に、接
続ノードａにゲートが接続され接続ノードａにかかる電
圧に応じた電流増幅を行う第５ＭＯＳトランジスタＴ５
と、このトランジスタＴ５のソースにドレインが接続さ
れた行選択用の第４ＭＯＳトランジスタＴ４と、接続ノ
ードａにドレインが接続されキャパシタＣ及び接続ノー
ドａの電位の初期化を行う第６ＭＯＳトランジスタＴ６
とが付加された構成となる。トランジスタＴ４のソース
は出力信号線１０（この出力信号線１０は図４の１０−
１、１０−２、・・・、１０−ｍに対応する）へ接続さ
れている。尚、トランジスタＴ４〜Ｔ６も、トランジス
タＴ１〜Ｔ３と同様に、ＮチャネルのＭＯＳトランジス
タでバックゲートが接地されている。

【００３５】又、トランジスタＴ２，Ｔ５のドレインに
は直流電圧ＶPDが印加され、トランジスタＴ４のゲート
には信号φＶが入力される。又、トランジスタＴ６のソ
ースには直流電圧ＶRB2が印加されるとともに、そのゲ
ートには信号φＶRS2が入力される。尚、本実施形態に
おいて、トランジスタＴ１〜Ｔ３及びキャパシタＣは、
図３に示す画素内の各素子と同様の動作を行い、信号φ
ＶPSの電圧値を切り換えてトランジスタＴ１のバイアス
を変えることにより、出力信号線１０に導出される出力
信号を光電流に対して自然対数的に変換させる場合と、
線形的に変換させる場合とを実現することができる。以
下これらの各場合における動作を説明する。

【００３６】（１） 光電流を自然対数的に変換して出
力する場合。まず、信号φＶPSをローレベルとし、トラ
ンジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作す
るようにバイアスされているときの動作について、説明
する。このとき、トランジスタＴ３のゲートには、第１
の実施形態と同様にローレベルの信号φＶRSが与えられ
るので、トランジスタＴ３はＯＦＦとなり、実質的に存
在しないことと等価になる。

【００３７】フォトダイオードＰＤに光が入射すると光
電流が発生し、トランジスタのサブスレッショルド特性
により、前記光電流を自然対数的に変換した値の電圧が
トランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに発生する。この電圧
により、トランジスタＴ２に電流が流れ、キャパシタＣ
には前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値と同
等の電荷が蓄積される。つまり、キャパシタＣとトラン
ジスタＴ２のソースとの接続ノードａに、前記光電流の
積分値を自然対数的に変換した値に比例した電圧が生じ
ることになる。ただし、このとき、トランジスタＴ４，
Ｔ６はＯＦＦ状態である。

【００３８】次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス
信号を与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、トラ
ンジスタＴ５のゲートにかかる電圧に比例した電流がト
ランジスタＴ４，Ｔ５を通って出力信号線１０に導出さ
れる。今、トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧は、
接続ノードａにかかる電圧であるので、出力信号線１０
に導出される電流は前記光電流の積分値を自然対数的に
変換した値となる。

【００３９】このようにして入射光量の対数値に比例し
た信号（出力電流）を読み出すことができる。信号読み
出し後はトランジスタＴ４をＯＦＦにするとともに、ト
ランジスタＴ６のゲートにハイレベルの信号φＶRS2を
与えることでトランジスタＴ６をＯＮとして、キャパシ
タＣ及び接続ノードａの電位を初期化させることができ
る。尚、このように入射光量に対してその出力電流を自
然対数的に変換する場合、信号φＶRSは、常にローレベ
ルのままである。

【００４０】（２） 光電流を線形的に変換して出力す
る場合。次に、信号φＶPSをハイレベルとしたときの動
作について説明する。このとき、トランジスタＴ３のゲ
ートにローレベルの信号φＶRSを与えて、トランジスタ
Ｔ３はＯＦＦとする。そして、まず、トランジスタＴ６
のゲートにハイレベルの信号φＶRS2を与えて該トラン
ジスタＴ６をＯＮすることによりキャパシタＣをリセッ
トするとともに、接続ノードａの電位を直流電圧ＶPDよ
り低い電位ＶRB2に初期化する。この電位はキャパシタ
Ｃによって保持される。その後、信号φＶRS2をローレ
ベルとして、トランジスタＴ６をＯＦＦとする。このよ
うな状態において、フォトダイオードＰＤに光が入射す
ると光電流が発生する。このとき、トランジスタＴ１の
バックゲートとゲートとの間やフォトダイオードＰＤの
接合容量でキャパシタを構成するので、光電流による電
荷がトランジスタＴ１のゲート及びドレインに蓄積され
る。よって、トランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電圧が前
記光電流を積分した値に比例した値になる。

【００４１】今、接続ノードａの電位が直流電圧ＶPDよ
り低いので、トランジスタＴ２はＯＮし、トランジスタ
Ｔ２のゲート電圧に応じたドレイン電流がトランジスタ
Ｔ２を流れ、トランジスタＴ２のゲート電圧に比例した
量の電荷がキャパシタＣに蓄積される。よって、接続ノ
ードａの電位が前記光電流を積分した値に比例した値に
なる。次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス信号を
与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、トランジス
タＴ５のゲートにかかる電圧に比例した電流がトランジ
スタＴ４，Ｔ５を通って出力信号線１０に導出される。
トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧は、接続ノード
ａの電圧であるので、出力信号線１０に導出される電流
は前記光電流の積分値を線形的に変換した値となる。

【００４２】このようにして入射光量に比例した信号
（出力電流）を読み出すことができる。信号読み出し後
は、まず、トランジスタＴ４をＯＦＦにするとともに、
トランジスタＴ３のゲートにハイレベルの信号φＶRSを
与えることで、トランジスタＴ３をＯＮとして、フォト
ダイオードＰＤ、トランジスタＴ１のドレイン電圧、及
びトランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電圧を初期化させ
る。次に、トランジスタＴ６のゲートにハイレベルの信
号φＶRS2を与えることでトランジスタＴ６をＯＮとし
て、キャパシタＣ及び接続ノードａの電位を初期化させ
る。

【００４３】又、各画素からの信号読み出しは電荷結合
素子（ＣＣＤ）を用いて行うようにしてもかまわない。
この場合、図３又は図６のトランジスタＴ４に相当する
ポテンシャルレベルを可変としたポテンシャルの障壁を
設けることにより、ＣＣＤへの電荷読み出しを行えばよ
い。

【００４４】ところで、上記した図３のような画素を設
けた図２のような構成のエリアセンサ又は図６のような
画素を設けた図４のような構成のエリアセンサをエリア
センサ３に用いたときの固体撮像装置の動作について、
図１を参照して以下に説明する。撮像者が、エリアセン
サ３が線形変換を行うようにスイッチ４を操作したと
き、このスイッチ４により切換信号発生回路５より、φ
ＶPS（図３又は図６）をハイレベルとする切換信号を発
生する。この切換信号により、画素内のトランジスタＴ
１（図３又は図６）のソースにかかる電圧がハイレベル
となって、上記したように、トランジスタＴ１が実質的
にＯＦＦ状態となり、エリアセンサ３から線形変換され
た電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終
的な信号線１２（図２又は図４）を介して処理部６に送
出される。このように送出された電気信号を処理部６で
演算処理を行い、ファインダー２０に撮像した画像を映
し出す。

【００４５】又、撮像者が、エリアセンサ３が対数変換
を行うようにスイッチ４を操作したとき、このスイッチ
４により切換信号発生回路５より、φＶPS（図３又は図
６）をローレベルとする切換信号を発生する。この切換
信号により、画素内のトランジスタＴ１のソース及びキ
ャパシタＣ（図３又は図６）にかかる電圧がローレベル
となって、上記したように、トランジスタＴ１，Ｔ２
（図３又は図６）がサブスレッショルド領域で動作する
ようにバイアスされ、エリアセンサ３から対数変換され
た電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終
的な信号線１２（図２又は図４）を介して処理部６に送
出される。このように送出された電気信号を処理部６で
演算処理を行い、ファインダー２０に撮像した画像を映
し出す。

【００４６】このような固体撮像装置１を用いて撮像す
るとき、例えば、直射日光のない曇天の昼間に屋外で撮
像する場合、被写体の輝度範囲は２桁程度であるので、
階調性をよくするためにファインダー２０を覗いて撮像
を行っている撮像者はスイッチ４によってエリアセンサ
３が線形変換を行うように選択することができる。この
ようにエリアセンサ３に線形変換動作を行わせていると
きに、急に被写体に日光の直射が当たったとき、被写体
の輝度範囲が広がって、ファインダー２０に映し出され
た画像に白トビや黒ツブレが発生する。このように、フ
ァインダー２０に白トビや黒ツブレが発生した画像が映
し出されると、そのことを撮像者が認知して、広い輝度
範囲の被写体を撮像することが可能とするために、エリ
アセンサ３が対数変換を行うように、スイッチ４を切り
換えることができる。

【００４７】本実施形態では、図２のような構成のエリ
アセンサにおいて、図３のような回路構成の画素を用い
て説明したが、このような回路構成の画素以外に、例え
ば、図７又は図８に示すような回路構成の画素を用いて
もかまわない。ここで、図７の画素の構成について、以
下に説明する。尚、図３に示す画素と同様の目的で使用
される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、そ
の詳細な説明は省略する。

【００４８】図７に示す画素は、図３に示す画素のよう
に、トランジスタＴ１のドレインとゲートを接続せず
に、ソースとゲートを接続するようにしている。まず、
光電流を対数変換して出力するときの画素の動作につい
て説明する。トランジスタＴ１のソース・ドレイン間の
電圧差を大きくして、ゲート・ソース間に発生する電圧
をスレッショルド電圧より小さくする。このようにする
ことによって、トランジスタＴ１がサブスレッショルド
領域で動作するようにバイアスされているときと同様の
状態とする。よって、フォトダイオードＰＤより発生す
る光電流を対数変換して出力することができる。

【００４９】次に、光電流を線形変換して出力するとき
の画素の動作について説明する。このときは、トランジ
スタＴ１のソースに印加する信号φＶPSを直流電圧ＶPD
より若干低い電位にすることによって、トランジスタＴ
１を実質的にカットオフ状態とする。よって、トランジ
スタＴ１のソース・ドレイン間に電流が流れない。その
後の動作については、図３に示す画素と同様である。

【００５０】次に、図８の画素の構成について、以下に
説明する。尚、図７に示す画素と同様の目的で使用され
る素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。

【００５１】図８に示す画素では、トランジスタＴ１の
ゲートが直流電圧ＶRGを印加される。その他の回路構成
については、図７に示す画素内の回路構成と同様であ
る。このような構成の画素を用いたとき、その動作は本
質的には図７に示す画素と同様である。しかし、図７の
画素と異なりトランジスタＴ１のゲート電圧を適切な電
圧に設定できるので、対数変換動作を行うときに、図７
の画素のように、φＶPSを十分に低い電圧とする必要が
なく、ある程度低い電圧とすることによって、トランジ
スタＴ１をサブスレッショルド領域でバイアスしたとき
と同様の状態にすることができる。又、線形変換動作を
行うときは、図７の画素と同様である。

【００５２】又、本実施形態では、図４のような構成の
エリアセンサにおいて、図６のような回路構成の画素を
用いて説明したが、このような回路構成の画素以外に、
例えば、図９又は図１０に示すような回路構成の画素を
用いてもかまわない。ここで、図９の画素の構成につい
て、以下に説明する。尚、図６に示す画素と同様の目的
で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付し
て、その詳細な説明は省略する。

【００５３】図９に示す画素は、図６に示す画素のよう
に、トランジスタＴ１のドレインとゲートを接続せず
に、ソースとゲートを接続するようにしている。まず、
光電流を対数変換して出力するときの画素の動作につい
て説明する。トランジスタＴ１のソース・ドレイン間の
電圧差を大きくして、ゲート・ソース間に発生する電圧
をスレッショルド電圧より小さくする。このようにする
ことによって、トランジスタＴ１がサブスレッショルド
領域で動作するようにバイアスされているときと同様の
状態とする。よって、フォトダイオードＰＤより発生す
る光電流を対数変換して出力することができる。

【００５４】次に、光電流を線形変換して出力するとき
の画素の動作について説明する。このときは、トランジ
スタＴ１のソースに印加する信号φＶPSを直流電圧ＶPD
より若干低い電位にすることによって、トランジスタＴ
１を実質的にカットオフ状態とする。よって、トランジ
スタＴ１のソース・ドレイン間に電流が流れない。その
後の動作については、図６に示す画素と同様である。

【００５５】次に、図１０の画素の構成について、以下
に説明する。尚、図９に示す画素と同様の目的で使用さ
れる素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その
詳細な説明は省略する。

【００５６】図１０に示す画素では、トランジスタＴ１
のゲートが直流電圧ＶRGを印加される。その他の回路構
成については、図９に示す画素内の回路構成と同様であ
る。このような構成の画素を用いたとき、その動作は本
質的には図９に示す画素と同様である。しかし、図９の
画素と異なりトランジスタＴ１のゲート電圧を適切な電
圧に設定できるので、対数変換動作を行うときに、図９
の画素のように、φＶPSを十分に低い電圧とする必要が
なく、ある程度低い電圧とすることによって、トランジ
スタＴ１をサブスレッショルド領域でバイアスしたとき
と同様の状態にすることができる。又、線形変換動作を
行うときは、図９の画素と同様である。

【００５７】更に、本発明で使用する画素は、１つの画
素で対数変換動作及び線形変換動作を行うことが可能で
あればよく、例えば、図３、図６、図７、図８、図９又
は図１０の画素のキャパシタを省略するような回路構成
の画素を用いてもかまわない。又、対数変換動作及び線
形変換動作が切換可能な画素であれば、その回路構成は
これらの回路構成に限定されるものではない。

【００５８】又、エリアセンサについても、図２又は図
４のような構成のエリアセンサを用いて説明したが、こ
のような構成のエリアセンサに限定されるものでなく、
例えば、エリアセンサ内に設けられたＭＯＳトランジス
タがＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるような他の
構成のエリアセンサでも良い。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
入射光に対し電気信号を対数変換するか線形変換するか
を、操作部材で操作することにより、手動で切り換えす
ることが可能となる。そのため、撮像者の判断又は意図
により、広い輝度範囲を撮像できるように固体撮像素子
に対数変換動作を行わせるか、又は、階調性良く撮像で
きるように固体撮像素子に線形変換動作を行わせるかを
選択することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像装置の内部構造を示すブロッ
ク図。

【図２】図１に示す固体撮像装置に用いられるエリアセ
ンサの内部構造の１例。

【図３】図２に示すエリアセンサ内に設けられた画素の
回路構成の１例。

【図４】図１に示す固体撮像装置に用いられるエリアセ
ンサの内部構造の１例。

【図５】図４の一部の回路図。

【図６】図４に示すエリアセンサ内に設けられた画素の
回路構成の１例。

【図７】図２に示すエリアセンサ内に設けられた画素の
回路構成の１例。

【図８】図２に示すエリアセンサ内に設けられた画素の
回路構成の１例。

【図９】図４に示すエリアセンサ内に設けられた画素の
回路構成の１例。

【図１０】図４に示すエリアセンサ内に設けられた画素
の回路構成の１例。

【図１１】ＬＯＧセンサの出力特性を示す図。

【符号の説明】

１ 固体撮像装置 ２ 対物レンズ ３ エリアセンサ（固体撮像素子） ４ スイッチ ５ 切換信号発生回路 ６ 処理部 ７ 垂直走査回路 ８ 水平走査回路 ９ ライン １０ 出力信号線 １１ 電源ライン １２ 信号線 ２０ ファインダー Ｇ11〜Ｇmn 画素 Ｔ１〜Ｔ６ ＮチャネルのＭＯＳトランジスタ ＰＤ フォトダイオード Ｃ キャパシタ

フロントページの続き (72)発明者 矢野 壮 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AA10 AB01 BA14 CA02 DD09 FA06 5C022 AB31 AB68 AC42 AC69 5C024 AA01 CA15 CA21 FA01 GA01 GA31 HA11 HA16 JA04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光量に応じた電気信号を発生する固
   体撮像素子を有する固体撮像装置において、 前記固体撮像素子の動作状態を、前記電気信号が入射光
   量に対して線形的に変換されて出力される第１状態と、
   自然対数的に変換されて出力される第２状態とに切り換
   え可能とするとともに、 その動作状態を手動で切り換える操作部材を設けたこと
   を特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記操作部材の操作に応答して、前記動
   作状態を切り換えるための切換信号を発生する切換信号
   発生回路を有することを特徴とする請求項１に記載の固
   体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記切換信号が、２値の電圧信号である
   ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記固体撮像素子が、 第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極及び
   制御電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感
   光素子からの出力電流が流れ込むトランジスタと、を有
   し、 前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を
   変化させることによって、固体撮像素子の動作を、第１
   状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする請求項
   １〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 前記固体撮像素子が、 第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極が前
   記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの
   出力電流が流れ込むとともに、第２電極と制御電極とが
   接続されたトランジスタと、を有し、 前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を
   変化させることによって、固体撮像素子の動作を、第１
   状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする請求項
   １〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 【請求項６】 前記固体撮像素子が、 第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、 第１電極と第２電極と制御電極とを備え、制御電極に直
   流電圧が印加されるともに、第１電極が前記感光素子の
   第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流
   れ込むトランジスタと、を有し、 前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を
   変化させることによって、固体撮像素子の動作を、第１
   状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする請求項
   １〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。