JP2001103379A

JP2001103379A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2001103379A
Application number: JP27446599A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yano; 壮矢野; Kenichi Kakumoto; 兼一角本; Yasushi Kusaka; 泰草鹿
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2001-04-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】撮像する被写体の輝度又は輝度範囲に応じ、入
射光に対する電気信号が、線形変換動作で得られた電気
信号と対数変換動作で得られた電気信号から選択できる
固体撮像装置の提供。【解決手段】エリアセンサ３から送出の対数変換された
輝度信号により検出される被写体の輝度が一定値（例え
ば、７００ｃｄ／ｍ²）より明るい時、切換判定回路４
がセンサ３から出力の対数変換された電気信号を画像デ
ータとして出力すべきと判定する。判定で切換信号発生
回路５より切換信号が送出されセンサ３からの出力され
る画像データとして対数変換された電気信号が選択され
る。センサ３より送出の対数変換された輝度信号で検出
される被写体の輝度が一定値より暗い時、センサ３から
出力の線形変換された電気信号を画像データとして出力
すべきと判定し、切換信号発生回路より切換信号が送出
されてセンサ３からの出力画像データとして線形変換さ
れた電気信号が選択される。

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とを行える固体撮像装置に
関する。

【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、調節した場合、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】上記リニアセンサでは
撮像可能な輝度範囲がおよそ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
り、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１３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、撮
像する被写体の輝度又は輝度範囲に応じて、入射光に対
する電気信号が、線形変換動作によって得られた電気信
号と対数変換動作によって得られた電気信号から選択で
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、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、撮像する被写体の輝度又は輝
度範囲に応じて、自動的に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。更に、本発明の
他の目的は、イメージセンサからの出力を用いて撮像す
る被写体の輝度又は輝度範囲を検知する固体撮像装置を
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
めに、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画素を複数備えた固体撮像装置
において、前記複数の画素には、前記電気信号を線形的
に変換する第１画素と、前記電気信号を自然対数的に変
換する第２画素との複数種類の画素が含まれており、前
記第１画素又は前記第２画素のいずれか一方より得られ
る電気信号より被写体の輝度情報を得て、この輝度情報
に基づいて、前記第１画素から得られる電気信号と前記
第２画素から得られる電気信号を選択して、どちらか一
方の電気信号を画像情報として出力することを特徴とす
る。

【０００８】又、請求項２に記載の固体撮像装置は、マ
トリクス状に配された画素に入射された光量に応じた電
気信号を発生するエリアセンサを有する固体撮像装置に
おいて、前記エリアセンサ内において、前記電気信号を
線形的に変換する第１画素と、前記電気信号を自然対数
的に変換する第２画素とが一行毎に配されるとともに、
前記第２画素より得られる電気信号より被写体の輝度情
報を得て、この輝度情報に基づいて、前記第１画素から
得られる電気信号と前記第２画素から得られる電気信号
を選択して、どちらか一方の電気信号を画像情報として
出力することを特徴とする。

【０００９】このような固体撮像装置によると、請求項
３に記載するように、前記輝度情報により被写体の輝度
が暗いと判断されたとき、前記第１画素から得られる電
気信号を画像情報として出力し、又、前記輝度情報によ
り被写体の輝度が明るいと判断されたとき、前記第２画
素から得られる電気信号を画像情報として出力すること
によって、被写体全体の輝度範囲が狭くなる暗い状態で
は階調性の豊かな高品位の画像を、被写体全体の輝度範
囲が広くなる明るい状態では白トビ又は黒ツブレの無い
奥行きのある高品位の画像をそれぞれ撮像することがで
きる。

【００１０】請求項４に記載の固体撮像装置は、マトリ
クス状に配された画素に入射された光量に応じた電気信
号を発生するエリアセンサを有する固体撮像装置におい
て、前記エリアセンサ内において、前記電気信号を線形
的に変換する第１画素と、前記電気信号を自然対数的に
変換する第２画素とが一行毎に配されるとともに、前記
第２画素より得られる電気信号より被写体の輝度情報を
得て、この輝度情報によって被写体の輝度範囲を検出す
る輝度範囲検出手段と、前記輝度範囲検出手段で検出し
た輝度範囲に基づいて、前記第１画素から得られる電気
信号と前記第２画素から得られる電気信号を選択して、
どちらか一方の電気信号を画像情報として出力する出力
信号選択手段と、を有することを特徴とする。

【００１１】又、請求項５に記載の固体撮像装置は、請
求項１に記載の固体撮像装置において、前記第１画素又
は前記第２画素のいずれか一方から得られる電気信号よ
り被写体の輝度情報を得て、この輝度情報によって被写
体の輝度範囲を検出する輝度範囲検出手段と、前記輝度
範囲検出手段で検出した輝度範囲に基づいて、前記第１
画素から得られる電気信号と前記第２画素から得られる
電気信号を選択して、どちらか一方の電気信号を画像情
報として出力する出力信号選択手段と、を有することを
特徴とする。

【００１２】このような構成の固体撮像装置によると、
被写体の輝度を検出することによって、輝度範囲の狭い
被写体のみ撮像可能であるがその階調性の良い第１画素
の電気信号と、高輝度の階調性は低くなるが輝度範囲の
広い被写体を撮像可能な第２画素の電気信号とを、検出
した被写体の輝度範囲に応じて出力信号として選択する
ことができる。又、請求項６に記載するように、被写体
の輝度範囲が狭いと判断されたとき、前記第１画素から
得られる電気信号を画像情報として出力し、被写体の輝
度範囲が広いと判断されたとき、前記第２画素から得ら
れる電気信号を画像情報として出力することによって、
被写体全体の輝度範囲の狭い状態では階調性の豊かな高
品位の画像を、被写体全体の輝度範囲の広い状態では白
トビ又は黒ツブレの無い奥行きのある高品位の画像をそ
れぞれ撮像することができる。

【００１３】請求項７に記載の固体撮像装置は、請求項
４〜請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置におい
て、前記輝度範囲検出手段が、前記輝度情報となる電気
信号のレベルの大小を順次比較してその最大値と最小値
を検出し、前記出力信号選択手段が、前記輝度範囲検出
手段で検出した電気信号のレベルの最大値と最小値の差
に応じて、前記第１画素から得られる電気信号と前記第
２画素から得られる電気信号より画像情報として出力す
る信号を選択することを特徴とする。

【００１４】請求項８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画素を複数備えた固体撮
像装置において、前記複数の画素には、前記電気信号を
線形的に変換する第１状態と、自然対数的に変換する第
２状態とに切り換え可能で、且つ前記電気信号を画像情
報として出力する第１画素と、前記電気信号を被写体の
輝度情報を表す輝度信号として出力する第２画素とが含
まれており、前記第２画素から得られる電気信号に基づ
いて、前記第１画素を前記第１状態又は前記第２状態の
いずれかを選択して、画像情報として出力することを特
徴とする。

【００１５】請求項９に記載の固体撮像装置は、マトリ
クス状に配された画素に入射された光量に応じた電気信
号を発生するエリアセンサを有する固体撮像装置におい
て、前記エリアセンサが、前記電気信号を線形的に変換
する第１状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切
り換え可能で、且つ前記電気信号を画像情報として出力
する第１画素と、前記電気信号を被写体の輝度情報を表
す輝度信号として出力する第２画素とを有するととも
に、前記エリアセンサ内において、前記第１画素がＮ行
（Ｎは１以上の整数）配される毎に、前記第２画素が一
行配され、前記第２画素から得られる輝度情報に基づい
て前記第１画素の動作状態を切り換えることを特徴とす
る。

【００１６】このような固体撮像装置によると、請求項
１０に記載するように、前記輝度情報により被写体の輝
度が暗いと判断されたとき、前記第１画素の動作状態を
第１状態にし、又、前記輝度情報により被写体の輝度が
明るいと判断されたとき、前記第１画素の動作状態を第
２状態にすることによって、被写体全体の輝度範囲が狭
くなる暗い状態では階調性の豊かな高品位の画像を、被
写体全体の輝度範囲が広くなる明るい状態では白トビ又
は黒ツブレの無い奥行きのある高品位の画像をそれぞれ
撮像することができる。

【００１７】請求項１１に記載の固体撮像装置は、請求
項１０に記載の固体撮像装置において、前記切換手段
が、２値の電圧信号となる切換信号を発生し、該切換信
号によって、前記第１画素の動作状態が切り換えられる
ことを特徴とする。このようにすることによって、エリ
アセンサ内の前記第１画素に設けられた素子のバイアス
を変更して前記第１画素の動作状態を切り換えることが
できる。

【００１８】請求項１２に記載の固体撮像装置は、マト
リクス状に配された画素に入射された光量に応じた電気
信号を発生するエリアセンサを有する固体撮像装置にお
いて、前記エリアセンサが、前記電気信号を線形的に変
換する第１状態と、自然対数的に変換する第２状態とに
切り換え可能で、且つ前記電気信号を画像情報として出
力する第１画素と、前記電気信号を被写体の輝度情報を
表す輝度信号として出力する第２画素とを有するととも
に、前記エリアセンサ内において、前記第１画素がＮ行
（Ｎは１以上の整数）配される毎に、前記第２画素が一
行配され、前記第２画素より出力される輝度信号より得
られる被写体の輝度情報より被写体の輝度範囲を検出す
る輝度範囲検出手段を設け、前記被写体の輝度範囲に応
じて、前記第１画素の動作状態を切り換えることを特徴
とする。

【００１９】又、請求項１３に記載の固体撮像装置は、
請求項８に記載の固体撮像装置において、前記第２画素
より出力される輝度信号より得られる被写体の輝度情報
より被写体の輝度範囲を検出する輝度範囲検出手段を設
け、前記被写体の輝度範囲に応じて、前記第１画素の動
作状態を切り換えることを特徴とする。

【００２０】このような構成の固体撮像装置によると、
被写体の輝度を検出することによって、輝度範囲の狭い
被写体のみ撮像可能であるがその階調性の良い第１状態
と、高輝度の階調性は低くなるが輝度範囲の広い被写体
を撮像可能な第２状態とを、検出した被写体の輝度範囲
に応じて切り換えることができる。又、請求項１４に記
載するように、被写体の輝度範囲が狭いと判断されたと
き、前記第１画素の動作状態を第１状態にし、被写体の
輝度範囲が広いと判断されたとき、前記第１画素の動作
状態を第２状態にすることによって、被写体全体の輝度
範囲の狭い状態では階調性の豊かな高品位の画像を、被
写体全体の輝度範囲の広い状態では白トビ又は黒ツブレ
の無い奥行きのある高品位の画像をそれぞれ撮像するこ
とができる。

【００２１】請求項１５に記載の固体撮像装置は、請求
項１２〜請求項１４のいずれかに記載の固体撮像装置に
おいて、前記輝度範囲検出手段が、前記第２画素から送
出される前記輝度情報となる輝度信号のレベルの大小を
順次比較してその最大値と最小値を検出し、この輝度信
号のレベルの最大値と最小値の差に応じて前記第１画素
の動作状態を第１状態にするか第２状態にするか判定す
る切換判定手段と、切換判定手段によって判定された結
果に応じて、前記第１画素の動作状態を切り換える切換
信号を発生する切換信号発生手段と、を有することを特
徴とする。

【００２２】このような固体撮像装置において、請求項
１６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、前記第１画素内の素子に印加する
バイアス電圧の値を変化させることによって、前記第１
画素の動作を第１状態又は第２状態に切り換えることが
できる。

【００２３】請求項１７に記載の固体撮像装置は、請求
項８〜請求項１６のいずれかに記載の固体撮像装置にお
いて、前記第２画素は、前記電気信号を自然対数的に変
換して出力することを特徴とする。

【００２４】請求項１８に記載の固体撮像装置は、請求
項８〜請求項１７のいずれかに記載の固体撮像装置にお
いて、前記エリアセンサ内に設けた各画素が、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、各画素の動作を、第１状態と第２状態とに
切り換えることができることを特徴とする。

【００２５】請求項１９に記載の固体撮像装置は、請求
項８〜請求項１７のいずれかに記載の固体撮像装置にお
いて、前記エリアセンサ内に設けた各画素が、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、各画素の動
作を、第１状態と第２状態とに切り換えることができる
ことを特徴とする。

【００２６】請求項２０に記載の固体撮像装置は、請求
項８〜請求項１７のいずれかに記載の固体撮像装置にお
いて、前記エリアセンサ内に設けた各画素が、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、各画素の動作
を、第１状態と第２状態とに切り換えることができるこ
とを特徴とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】＜第１の実施形態＞第１の実施形
態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施
形態で使用する固体撮像装置の要部の構成を示すブロッ
ク図である。図２は、図１に示す固体撮像装置に設けら
れたエリアセンサの構造の１例を示すブロック図であ
る。

【００２８】図１に示す固体撮像装置１は、レンズ光学
系２と、該レンズ光学系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、エリアセンサ３より出力される電気
信号が入力されこの電気信号に基づいて被写体の輝度を
検知してエリアセンサ３を対数変換動作させるか線形変
換させるかを判定するとともに判定信号を発生する切換
判定回路４と、前記判定信号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。

【００２９】尚、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、記憶媒体
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２１へも与えら
れる。又、エリアセンサ３から処理部６に送出される電
気信号を、「画像データ」と呼び、エリアセンサ３から
切換判定回路４に送出される電気信号を、「輝度信号」
と呼ぶ。

【００３０】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について、図２を参照して説明する。
同図において、Ｇａ11〜Ｇａmn及びＧｂ11〜Ｇｂmnはそ
れぞれ奇数行及び偶数行に配されることによって行列配
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、奇数行９−１、９−２、・・・、９
−ｎ、偶数行１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎを
それぞれ順次走査していく。

【００３１】８は水平走査回路であり、画素Ｇａ11〜Ｇ
ａmnから出力信号線１１−１、１１−２、・・・、１１
−ｍに導出された光電変換信号を最終的な信号線１４に
順次導出するとともに、画素Ｇｂ11〜Ｇｂmnから出力信
号線１２−１、１２−２、・・・、１２−ｍに導出され
た光電変換信号を最終的な信号線１５に順次導出する。
１３は電源ラインである。又、信号線１４又は信号線１
５から処理部６（図１）に接続された画像データ線１８
への接続を切り換える接続切換部１６が設けられる。更
に、信号線１４には、切換判定回路４（図１）に接続さ
れた輝度信号線１７が接続される。

【００３２】各画素に対し、上記奇数行９−１、９−
２、・・・、９−ｎ、偶数行１０−１、１０−２、・・
・、１０−ｎ、出力信号線１１−１、１１−２、・・
・、１１−ｍ、出力信号線１２−１、１２−２、・・
・、１２−ｍ、電源ライン１３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している。
又、画素Ｇａ11〜Ｇａmnは、それぞれ入射光に対して対
数変換した電気信号を出力し、画素Ｇｂ11〜Ｇｂmnは、
それぞれ入射光に対して線形変換した電気信号を出力す
る。尚、画素Ｇａ11〜Ｇａmnは、例えば、本出願人が特
開平３−１９２７６４号公報において提供した構成の画
素を用いることによって実現できる。

【００３３】出力信号線１１−１、１１−２、・・・、
１１−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱａ
１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍが、又、出力信号線１２−
１、１２−２、・・・、１２−ｍごとにＮチャネルのＭ
ＯＳトランジスタＱｂ１、Ｑｂ２、・・・、Ｑｂｍが、
図示の如く１つずつ設けられている。トランジスタＱａ
１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍのドレインは、それぞれ出
力信号線１１−１、１１−２、・・・、１１−ｍに接続
され、ソースは最終的な信号線１４に接続され、ゲート
は水平走査回路８に接続されている。

【００３４】又、トランジスタＱｂ１、Ｑｂ２、・・
・、Ｑｂｍのドレインは、それぞれ出力信号線１２−
１、１２−２、・・・、１２−ｍに接続され、ソースは
最終的な信号線１５に接続され、ゲートは水平走査回路
８に接続されている。ここで、トランジスタＱａ１〜Ｑ
ａｍ及びトランジスタＱｂ１〜Ｑｂｍは列の選択を行う
ものである。

【００３５】このような構成のエリアセンサ３は、画素
Ｇａ11〜Ｇａmnを奇数行９−１〜９−ｎを介して垂直走
査回路７で走査するとともに、水平走査回路８でトラン
ジスタＱａ１〜Ｑａｍを順次ＯＮにして、出力信号線１
１−１〜１１−ｍに導出される対数変換された電気信号
を信号線１４に導出する。又、画素Ｇｂ11〜Ｇｂmnを偶
数行１０−１〜１０−ｎを介して垂直走査回路７で走査
するとともに、水平走査回路８でトランジスタＱｂ１〜
Ｑｂｍを順次ＯＮにして、出力信号線１２−１〜１２−
ｍに導出される線形変換された電気信号を信号線１５に
導出する。

【００３６】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、各画素に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。

【００３７】この画素Ｇａ11〜Ｇａmnから出力される電
気信号が信号線１４を介して輝度信号線１７に導出され
るとともに、切換判定回路４（図１）に送出される。信
号線１４と信号線１５に導出された電気信号のうち一方
の電気信号が、接続切換部１６によって画像データ線１
８を介して画像データとして処理部６（図１）に送出さ
れる。

【００３８】上記した図２のようなエリアセンサ３を用
いたときの固体撮像装置１の動作について、図１及び図
３を参照して以下に説明する。但し、図３では処理部６
を図示省略している。図１に示す固体撮像装置１は、エ
リアセンサ３が画素Ｇａ11〜Ｇａmnの電気信号、画素Ｇ
ｂ11〜Ｇｂmnの電気信号のいずれを画像データとして出
力するかの切換点を、切換判定回路４が検知する被写体
の輝度で例えば略７００［ｃｄ／ｍ²］に設定してい
る。この７００［ｃｄ／ｍ²］という値にする理由を以
下に説明する。

【００３９】まず、対数変換された電気信号を用いると
きは、高輝度の階調性が乏しくなるが、幅広い輝度範囲
の被写体を撮像可能である。そのため、被写体が明るい
ときに有効で特に直射日光が被写体に当たっているか、
又は直射日光が被写体の背景に存在する場合に用いる
と、影になっている部分の描写も十分に行われるので、
奥行きのある高品位の画像を撮像することが可能であ
る。このような被写体の明るいときの輝度は、略１００
０［ｃｄ／ｍ²］である。

【００４０】次に、線形変換動作された電気信号を用い
るときは、幅広い輝度範囲の被写体の撮像が不可能とな
るが、画像全体の階調性が豊かである。そのため、被写
体が暗いときに有効で特に被写体が日陰に存在するか、
又は曇天に被写体を撮像する場合に用いると、階調性豊
かな高品位の画像を撮像することが可能である。このよ
うな被写体の暗いときの輝度は、略５００［ｃｄ／
ｍ²］である。

【００４１】よって、直射日光が入る明るいときには対
数変換された画素Ｇａ11〜Ｇａmnからの電気信号を画像
データとし、又、直射日光が入らない暗いときには線形
変換された画素Ｇｂ11〜Ｇｂmnからの電気信号を画像デ
ータとするために、その切換点を被写体の輝度が７００
［ｃｄ／ｍ²］の点に設定するのが好ましいといえる。

【００４２】（Ａ）明るい状況で被写体を撮像するとき図３（ａ）のように、直射日光を受けた被写体５０を撮
像するとき、まず、エリアセンサ３の画素Ｇａ11〜Ｇａ
mn（図２）より信号線１４（図２）及び輝度信号線１７
（図２）を介して輝度信号が切換判定回路４に送出され
る。そして、画素Ｇａ11〜Ｇａmnから出力される輝度信
号のうち７００［ｃｄ／ｍ²］以上の輝度を表す輝度信
号の量が所定値以上となり、この切換判定回路４によ
り、画素Ｇａ11〜Ｇａmnで対数変換された電気信号を画
像データとすべきであると判定される。

【００４３】この判定信号を受けた切換信号発生回路５
は、接続切換部１６（図２）が信号線１４と画像データ
線１８（図２）とを接続させるための切換信号を発生す
る。次に、この切換信号により、接続切換部１６が信号
線１４と画像データ線１８とを接続し、画素Ｇａ11〜Ｇ
ａmnの対数変換された電気信号が画像データとして、信
号線１４及び画像データ線１８を介して処理部６に送出
される。

【００４４】（Ｂ）暗い状況で被写体を撮像するとき図３（ｂ）のように、曇天などのときに直射日光が遮ら
れた被写体５０を撮像するとき、まず、エリアセンサ３
の画素Ｇａ11〜Ｇａmnより信号線１４及び輝度信号線１
７を介して輝度信号が切換判定回路４に送出される。そ
して、画素Ｇａ11〜Ｇａmnから出力される輝度信号のう
ち７００［ｃｄ／ｍ²］以上の輝度を表す輝度信号の量
が所定値未満となり、この切換判定回路４により、画素
Ｇｂ11〜Ｇｂmn（図２）で線形変換された電気信号を画
像データとすべきであると判定される。

【００４５】この判定信号を受けた切換信号発生回路５
は、接続切換部１６が信号線１５（図２）と画像データ
線１８とを接続させるための切換信号を発生する。次
に、この切換信号により、接続切換部１６が信号線１５
と画像データ線１８とを接続し、画素Ｇｂ11〜Ｇｂmnの
線形変換された電気信号が画像データとして、信号線１
５及び画像データ線１８を介して処理部６に送出され
る。

【００４６】このように、エリアセンサ３の画素Ｇａ11
〜Ｇａmnから出力される対数変換された電気信号を輝度
信号として切換判定回路４で被写体の輝度を判定する。
そして、この判定結果に基づいて切換信号発生回路５よ
り切換信号をエリアセンサ３に送出し、接続切換部１６
による信号線の接続の切り換えが行われる。よって、被
写体の輝度に応じて、対数変換されたＧａ11〜Ｇａmnの
電気信号、線形変換されたＧｂ11〜Ｇｂmnの電気信号の
どちらか一方が、画像データとして選択されて出力され
る。

【００４７】尚、本実施形態では、対数変換された電気
信号を輝度信号としているが、線形変換された電気信号
を輝度信号として、この輝度信号のうち信号レベルの飽
和した輝度信号の数量を検知することで切換判定を行う
ようにしても良い。即ち、線形変換して得られた輝度信
号において飽和したデータが所定値より多い場合、この
輝度信号を送出する画素において、白トビ又は黒ツブレ
が多く発生しているものと考えられるので、被写体の輝
度が大きいと判定することができる。

【００４８】＜第２の実施形態＞第２の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。尚、本実施形態で使用す
る固体撮像装置は、第１の実施形態と同様、図１に示す
固体撮像装置と同一のブロック構成をした固体撮像装置
である。又、本実施形態において、切換判定回路４は、
第１の実施形態のように、エリアセンサ３からの輝度信
号より被写体の輝度のみを検知するのではなく、被写体
の輝度範囲が検知される。その他のブロックについて
は、第１の実施形態と同様の動作を行う。

【００４９】まず、被写体の輝度範囲の検知方法につい
て説明する。切換判定回路４で、エリアセンサ３の画素
Ｇａ11〜Ｇａmn（図２）から送出される輝度信号の信号
レベルの大小を比較して、最小及び最大となる輝度信号
の信号レベルを検出する。そして、この最大及び最小と
なる輝度信号の信号レベルの差より撮像している被写体
の輝度範囲を検知する。

【００５０】次に、このような固体撮像装置１の動作に
ついて、図１及び図３を参照して以下に説明する。図１
に示す固体撮像装置１は、エリアセンサ３が画素Ｇａ11
〜Ｇａmnの電気信号、画素Ｇｂ11〜Ｇｂmnの電気信号の
いずれを画像データとして出力するかの切換点を、被写
体の輝度範囲が例えば２．５桁となるような点に設定す
る。

【００５１】ところで、まず、エリアセンサ３から対数
変換された画素Ｇａ11〜Ｇａmnの電気信号を画像データ
として出力させるときは、高輝度の階調性が乏しくなる
が、幅広い輝度範囲の被写体の撮像が可能である。その
ため、被写体が明るくその輝度範囲が３〜４桁程度と広
いときに有効で、特に直射日光が被写体に当たっている
か、又は直射日光が被写体の背景に存在する場合に用い
ると、影になっている部分の描写も十分に行われるの
で、奥行きのある高品位の画像を撮像することが可能で
ある。

【００５２】次に、エリアセンサ３から線形変換された
画素Ｇｂ11〜Ｇｂmn（図２）の電気信号を画像データと
して出力させるときは、幅広い輝度範囲の被写体の撮像
が不可能となるが、画像全体の階調性が豊かである。そ
のため、被写体が暗くその輝度範囲が２桁程度と狭いと
きに有効で、特に被写体が日陰に存在するか、又は曇天
に被写体を撮像する場合に用いると、階調性豊かな高品
位の画像を撮像することが可能である。

【００５３】（Ａ）明るい状況で被写体を撮像するとき図３（ａ）のように、直射日光を受けた被写体５０を撮
像するとき、まず、エリアセンサ３の画素Ｇａ11〜Ｇａ
mnより信号線１４（図２）及び輝度信号線１７（図２）
を介して輝度信号が切換判定回路４に送出される。切換
判定回路４では、画素Ｇａ11〜Ｇａmnから出力される輝
度信号の信号レベルの大小を順次比較して、その最大値
と最小値を検知する。更に、このようにして検知した信
号レベルの最大値と最小値の差が基準値より大きいとき
（被写体の輝度範囲が２．５桁以上あるとき）、被写体
の輝度範囲が広いものと判定する。よって、切換判定回
路４により、画素Ｇａ11〜Ｇａmnで対数変換された電気
信号を画像データとすべきであると判定される。

【００５４】この判定信号を受けた切換信号発生回路５
は、接続切換部１６（図２）が信号線１４と画像データ
線１８（図２）とを接続させるための切換信号を発生す
る。次に、この切換信号により、接続切換部１６が信号
線１４と画像データ線１８とを接続し、画素Ｇａ11〜Ｇ
ａmnの対数変換された電気信号が画像データとして、信
号線１４及び画像データ線１８を介して処理部６に送出
される。

【００５５】（Ｂ）暗い状況で被写体を撮像するとき図３（ｂ）のように、曇天などのときに直射日光が遮ら
れた被写体５０を撮像するとき、まず、エリアセンサ３
の画素Ｇａ11〜Ｇａmnより信号線１４及び輝度信号線１
７を介して輝度信号が切換判定回路４に送出される。切
換判定回路４では、画素Ｇａ11〜Ｇａmnから出力される
輝度信号の信号レベルの大小を順次比較して、その最大
値と最小値を検知する。更に、このようにして検知した
信号レベルの最大値と最小値の差が基準値より小さいと
き（例えば、被写体の輝度範囲が２．５桁より狭いと
き）、被写体の輝度範囲が狭いものと判定する。よっ
て、切換判定回路４により、画素Ｇｂ11〜Ｇｂmnで線形
変換された電気信号を画像データとすべきであると判定
される。

【００５６】この判定信号を受けた切換信号発生回路５
は、接続切換部１６が信号線１５（図２）と画像データ
線１８とを接続させるための切換信号を発生する。次
に、この切換信号により、接続切換部１６が信号線１５
と画像データ線１８とを接続し、画素Ｇｂ11〜Ｇｂmnの
線形変換された電気信号が画像データとして、信号線１
５及び画像データ線１８を介して処理部６に送出され
る。

【００５７】このように、エリアセンサ３の画素Ｇａ11
〜Ｇａmnから出力される対数変換された電気信号が輝度
信号として送出され、切換判定回路４で被写体の輝度範
囲を判定する。そして、この判定結果に基づいて切換信
号発生回路５より切換信号をエリアセンサ３に送出し、
接続切換部１６による信号線の接続の切り換えが行われ
る。よって、被写体の輝度範囲に応じて、対数変換され
たＧａ11〜Ｇａmnの電気信号、線形変換されたＧｂ11〜
Ｇｂmnの電気信号のどちらか一方が、画像データとして
選択されて出力される。

【００５８】尚、本実施形態では、対数変換された電気
信号を輝度信号とし、この輝度信号に基づいて、被写体
の輝度範囲を求めているが、線形変換された電気信号を
輝度信号として輝度範囲を求めて、切換判定を行うよう
にしても良い。この場合は、例えば、積分時間を変えて
複数回輝度信号を取り込み、各輝度信号の比較を行って
輝度範囲を求めるようにしても良い。

【００５９】＜第３の実施形態＞第３の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。本実施形態で使用する固
体撮像装置は、第１、第２の実施形態と同様、図１のブ
ロック図で表される固体撮像装置である。尚、図４は、
本実施形態の固体撮像装置に設けられたエリアセンサの
構造の１例を示すブロック図である。図５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。尚、図４において、図２と同様の目的で使用する素
子及び信号線については、同様の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。

【００６０】本実施形態の固体撮像装置に設けられたエ
リアセンサ３について、図４を参照して説明する。同図
において、Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1及びＧｄ11〜Ｇｄmnはそれ
ぞれ奇数行及び偶数行に配されることによって行列配置
（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、奇数行９−１、９−２、・・・、９−
ｎ＋１、偶数行１０−１、１０−２、・・・、１０−ｎ
をそれぞれ順次走査していく。尚、画素Ｇｄ11〜Ｇｄmn
は、入射された光量に対して自然体数的に変換した電気
信号を出力する画素で、第１、第２実施形態の画素Ｇａ
11〜Ｇａmnと同様の画素とする。又、画素Ｇｃ11〜Ｇｃ
mn+1の出力する電気信号を「画像データ」と呼び、画素
Ｇｄ11〜Ｇｄmnの出力する電気信号を「輝度信号」と呼
ぶ。

【００６１】８は水平走査回路であり、画素Ｇｃ11〜Ｇ
ｃmn+1から出力信号線１１−１、１１−２、・・・、１
１−ｍに導出された光電変換信号を処理部６（図１）に
接続された画像データ線１８に順次導出する。又、画素
Ｇｄ11〜Ｇｄmnから出力信号線１２−１、１２−２、・
・・、１２−ｍに導出された光電変換信号を切換判定回
路４（図１）に接続された輝度信号線１７に順次導出す
る。１３は電源ラインである。

【００６２】各画素に対し、上記奇数行９−１、９−
２、・・・、９−ｎ＋１、偶数行１０−１、１０−２、
・・・、１０−ｎ、出力信号線１１−１、１１−２、・
・・、１１−ｍ、出力信号線１２−１、１２−２、・・
・、１２−ｍ、電源ライン１３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している。

【００６３】出力信号線１１−１、１１−２、・・・、
１１−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱａ
１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍが、又、出力信号線１２−
１、１２−２、・・・、１２−ｍごとにＮチャネルのＭ
ＯＳトランジスタＱｂ１、Ｑｂ２、・・・、Ｑｂｍが、
図示の如く１つずつ設けられている。トランジスタＱａ
１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍのドレインは、それぞれ出
力信号線１１−１、１１−２、・・・、１１−ｍに接続
され、ソースは画像データ線１８に接続され、ゲートは
水平走査回路８に接続されている。

【００６４】又、トランジスタＱｂ１、Ｑｂ２、・・
・、Ｑｂｍのドレインは、それぞれ出力信号線１２−
１、１２−２、・・・、１２−ｍに接続され、ソースは
輝度信号線１７に接続され、ゲートは水平走査回路８に
接続されている。ここで、トランジスタＱａ１〜Ｑａｍ
及びトランジスタＱｂ１〜Ｑｂｍは列の選択を行うもの
である。

【００６５】このような構成のエリアセンサ３は、画素
Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1を奇数行９−１〜９−ｎ＋１を介して
垂直走査回路７で走査するとともに、水平走査回路８で
トランジスタＱａ１〜Ｑａｍを順次ＯＮにして、出力信
号線１１−１〜１１−ｍに導出される電気信号が画像デ
ータ線１８に導出され、画像データとして処理部６（図
１）に送出される。

【００６６】このとき、同時に、画素Ｇｄ11〜Ｇｄmnを
偶数行１０−１〜１０−ｎを介して垂直走査回路７で走
査するとともに、水平走査回路８でトランジスタＱｂ１
〜Ｑｂｍを順次ＯＮにして、出力信号線１２−１〜１２
−ｍに導出される電気信号が輝度信号線１７に導出さ
れ、輝度信号として切換判定回路４（図１）に送出され
る。このように画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1からの画像データ
が処理部６に送出されるとともに、画素Ｇｄ11〜Ｇｄmn
からの輝度信号が切換判定回路４に送出される。

【００６７】更に、このようなエリアセンサ３内の画素
Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1の構成について、図５を参照して説明
する。図５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３ＭＯＳ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４Ｍ
ＯＳ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１１（この出力信
号線１１は図４の１１−１、１１−２、・・・、１１−
ｍに対応する）へ接続されている。尚、トランジスタＴ
１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、いずれも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。

【００６８】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。

【００６９】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、出力信号線１１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。

【００７０】（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Ｔ
１，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φＶ
RS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。

【００７１】図５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。

【００７２】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１１に導出される。この出力信号線１１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。

【００７３】（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。

【００７４】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。

【００７５】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１１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。

【００７６】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。

【００７７】このように、図５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。

【００７８】又、エリアセンサ３の構成の別の例につい
て、図６を参照して説明する。同図において、Ｇｃ11〜
Ｇｃmn+1及びＧｄ11〜Ｇｄmnはそれぞれ奇数行及び偶数
行に配されることによって行列配置（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、奇
数行９−１、９−２、・・・、９−ｎ＋１、偶数行１０
−１、１０−２、・・・、１０−ｎをそれぞれ順次走査
していく。

【００７９】８は水平走査回路であり、画素Ｇｃ11〜Ｇ
ｃmn+1から出力信号線１１−１、１１−２、・・・、１
１−ｍに導出された光電変換信号を画像データ線１８に
順次導出するとともに、画素Ｇｄ11〜Ｇｄmnから出力信
号線１２−１、１２−２、・・・、１２−ｍに導出され
た光電変換信号を切換判定回路４（図１）に接続された
輝度信号線１７に順次導出する。１３は電源ラインであ
る。

【００８０】各画素に対し、上記奇数行９−１、９−
２、・・・、９−ｎ＋１、偶数行１０−１、１０−２、
・・・、１０−ｎ、出力信号線１１−１、１１−２、・
・・、１１−ｍ、出力信号線１２−１、１２−２、・・
・、１２−ｍ、電源ライン１３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６ではこれらについて省略している。

【００８１】出力信号線１１−１、１１−２、・・・、
１１−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱａ
１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍ及びＮチャネルのＭＯＳト
ランジスタＱｃ１、Ｑｃ２、・・・、Ｑｃｍが、図示の
如く１組ずつ設けられている。又、出力信号線１２−
１、１２−２、・・・、１２−ｍごとにＮチャネルのＭ
ＯＳトランジスタＱｂ１、Ｑｂ２、・・・、Ｑｂｍが、
図示のごとく設けられる。

【００８２】トランジスタＱａ１、Ｑａ２、・・・、Ｑ
ａｍのドレインは、それぞれ出力信号線１１−１、１１
−２、・・・、１１−ｍに接続され、ソースは画像デー
タ線１８に接続され、ゲートは水平走査回路８に接続さ
れている。又、トランジスタＱｂ１、Ｑｂ２、・・・、
Ｑｂｍのドレインは、それぞれ出力信号線１２−１、１
２−２、・・・、１２−ｍに接続され、ソースは輝度信
号線１７に接続され、ゲートは水平走査回路８に接続さ
れている。一方、トランジスタＱｃ１、Ｑｃ２、・・
・、Ｑｃｍのゲートは直流電圧線１９に接続され、ドレ
インはそれぞれ出力信号線１１−１、１１−２、・・
・、１１−ｍに接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のラ
イン２０に接続されている。

【００８３】尚、後述するように、各画素内には、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Ｑ１（このトラン
ジスタＱ１は、図６のトランジスタＱｃ１〜Ｑｃｍに対
応する。）との接続関係は図７（ａ）のようになる。こ
こで、トランジスタＱ１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Ｑ１のゲートには直流電圧Ｄ
Ｃが常時印加される。このため下段のトランジスタＱ１
は抵抗又は定電流源と等価であり、図７（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。

【００８４】トランジスタＱ２（このトランジスタＱ２
は、図６のトランジスタＱａ１〜Ｑａｍ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８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７（ａ）の回路は正確には図７（ｂ）のようにな
る。即ち、トランジスタＴ４がトランジスタＱ１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
Ｑ２は列の選択を行うものである。

【００８５】図７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）での処理が容易になる。また、増幅回路の負荷抵抗
部分を構成するトランジスタＱ１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
１１−１、１１−２、・・・、１１−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。
又、このような負荷抵抗部分を構成するトランジスタ
を、信号線１２−１、１２−２、・・・、１２−ｍ毎に
設け、画素Ｇｄ11〜Ｇｄmnの出力側のトランジスタとと
もにソースフォロワ型の増幅回路を形成するような構成
にしても構わない。

【００８６】図６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８を参照して説明する。尚、図５
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。

【００８７】図８に示す画素は、図５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１１（この出力信号線１１は図６の１１−
１、１１−２、・・・、１１−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。

【００８８】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５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１１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。

【００８９】（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Ｔ
１，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、図５の画素と同
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。

【００９０】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。

【００９１】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１１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１１
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。

【００９２】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。

【００９３】（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Ｏ
ＦＦ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Ｔ
６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。

【００９４】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φ
Ｖ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１１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１１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。

【００９５】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。

【００９６】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５又は図８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。

【００９７】上記した図５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又は図８のような画素を設け
た図６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１の動作について、図１及び
図３を参照して以下に説明する。図１に示す固体撮像装
置１は、エリアセンサ３の画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1が対数
変換動作を行うか線形変換動作を行うかの切換点を、第
１の実施形態と同様に、切換判定回路４が検知する被写
体の輝度で略７００［ｃｄ／ｍ²］に設定している。

【００９８】（Ａ）明るい状況で被写体を撮像するとき図３（ａ）のように、直射日光を受けた被写体５０を撮
像するとき、まず、エリアセンサ３の画素Ｇｄ11〜Ｇｄ
mn（図４又は図６）より輝度信号線１７（図４又は図
６）を介して輝度信号が切換判定回路４に送出される。
そして、画素Ｇｄ11〜Ｇｄmnから出力される輝度信号の
うち７００［ｃｄ／ｍ²］以上の輝度を表す輝度信号の
量が所定値以上となり、この切換判定回路４により画素
Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1（図４又は図６）を対数変換動作させ
るべきであると判定される。この判定信号を受けた切換
信号発生回路５は、φＶPS（図５又は図８）をローレベ
ルとする切換信号を発生する。

【００９９】次に、この切換信号により、画素Ｇｃ11〜
Ｇｃmn+1のトランジスタＴ１（図５又は図８）のソース
及びキャパシタＣ（図５又は図８）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５又は図８）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る。このように対数変換動作で
動作するようにバイアスされた画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1に
よって、対数変換された電気信号が処理回路６に画像デ
ータとして、画像データ線１８（図４又は図６）を介し
て送出される。

【０１００】（Ｂ）暗い状況で被写体を撮像するとき図３（ｂ）のように、曇天などのときに直射日光が遮ら
れた被写体５０を撮像するとき、まず、エリアセンサ３
の画素Ｇｄ11〜Ｇｄmnより輝度信号線１７を介して輝度
信号が切換判定回路４に送出される。そして、画素Ｇｄ
11〜Ｇｄmnから出力される輝度信号のうち７００［ｃｄ
／ｍ²］以上の輝度を表す輝度信号の量が所定値未満と
なり、この切換判定回路４により画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1
を線形変換動作させるべきであると判定される。この判
定信号を受けた切換信号発生回路５は、φＶPS（図５又
は図８）をハイレベルとする切換信号を発生する。

【０１０１】次に、この切換信号により、画素Ｇｃ11〜
Ｇｃmn+1のトランジスタＴ１（図５又は図８）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状態となる。このよ
うに線形変換動作で動作するようにバイアスされた画素
Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1によって、線形変換された電気信号が
処理回路６に画像データとして、画像データ線１８を介
して送出される。

【０１０２】このように、エリアセンサ３の画素Ｇｄ11
〜Ｇｄmnから出力される対数変換された電気信号を輝度
信号として切換判定回路４で被写体の輝度を判定する。
そして、この判定結果に基づいて切換信号発生回路５よ
り切換信号をエリアセンサ３に送出し、画素Ｇｃ11〜Ｇ
ｃmn+1の動作状態を線形変換動作にするか又は対数変換
動作にするか決定する。よって、被写体の輝度に応じ
て、画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1の動作状態を自動的に切り換
えることができる。

【０１０３】以下、エリアセンサ内の画素を行毎に１単
位としたセンサをラインセンサと呼び、更に、画像デー
タを出力する画素が配されたラインセンサをデータライ
ンセンサ、輝度信号を出力する画素が配されたラインセ
ンサを輝度検出用ラインセンサと呼ぶ。本実施形態で
は、このデータラインセンサと輝度検出用ラインセンサ
が交互に配されたエリアセンサを用いているが、Ｎ本
（Ｎは自然数）のデータラインセンサ毎に１本の輝度検
出用ラインセンサが配されるようなエリアセンサとして
も構わない。即ち、データラインセンサに比べてエリア
センサに配される輝度検出用ラインセンサの割合が少な
いものでも構わない。又、輝度検出用ラインセンサに配
される画素の数が、データラインセンサに配される画素
の数よりも少ないものでも構わない。尚、本実施形態で
は、対数変換された電気信号を輝度信号としているが、
第１の実施形態で述べたのと同様に、線形変換された電
気信号を輝度信号として切換判定を行うようにしても良
い。

【０１０４】＜第４の実施形態＞第４の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。尚、本実施形態で使用す
る固体撮像装置は、第３の実施形態と同様、図１に示す
固体撮像装置と同一のブロック構成をした固体撮像装置
である。又、本実施形態において、切換判定回路４は、
第２の実施形態と同様に、エリアセンサ３からの輝度信
号より被写体の輝度のみを検知するのではなく、被写体
の輝度範囲が検知される。その他のブロックについて
は、第３の実施形態と同様の動作を行う。更に、本実施
形態の固体撮像装置１に設けられるエリアセンサ３は、
図４又は図６に示されるエリアセンサとし、又、このエ
リアセンサ３に設けられる画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1は、図
５又は図８に示される画素とする。

【０１０５】まず、被写体の輝度範囲の検知方法につい
て説明する。切換判定回路４で、エリアセンサ３の画素
Ｇｄ11〜Ｇｄmnから送出される対数変換された輝度信号
の信号レベルの大小を比較して、最小及び最大となる輝
度信号の信号レベルを検出する。そして、この最大及び
最小となる輝度信号の信号レベルの差より撮像している
被写体の輝度範囲を検知する。

【０１０６】次に、このような固体撮像装置１の動作に
ついて、図１及び図３を参照して以下に説明する。図１
に示す固体撮像装置１は、エリアセンサ３の画素Ｇｃ11
〜Ｇｃmn+1（図４又は図６）が対数変換動作を行うか線
形変換動作を行うかの切換点を、第２の実施形態と同様
に、被写体の輝度範囲が２．５桁となるような点に設定
する。

【０１０７】（Ａ）明るい状況で被写体を撮像するとき図３（ａ）のように、直射日光を受けた被写体５０を撮
像するとき、まず、エリアセンサ３の画素Ｇｄ11〜Ｇｄ
mn（図４又は図６）より輝度信号線１７（図４又は図
６）を介して輝度信号が切換判定回路４に送出される。
切換判定回路４では、画素Ｇｄ11〜Ｇｄmnから出力され
る輝度信号の信号レベルの大小を順次比較して、その最
大値と最小値を検知する。更に、このようにして検知し
た信号レベルの最大値と最小値の差が基準値より大きい
とき（被写体の輝度範囲が２．５桁以上あるとき）、被
写体の輝度範囲が広いものと判定する。よって、切換判
定回路４により画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1（図４又は図６）
を対数変換動作させるべきであると判定する。この判定
信号を受けた切換信号発生回路５は、φＶPS（図５又は
図８）をローレベルとする切換信号を発生する。

【０１０８】次に、この切換信号により、画素Ｇｃ11〜
Ｇｃmn+1のトランジスタＴ１（図５又は図８）のソース
及びキャパシタＣ（図５又は図８）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５又は図８）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る。このように対数変換動作で
動作するようにバイアスされた画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1に
よって、対数変換された電気信号が処理回路６に画像デ
ータとして、画像データ線１８（図４又は図６）を介し
て送出される。

【０１０９】（Ｂ）暗い状況で被写体を撮像するとき図３（ｂ）のように、曇天などのときに直射日光が遮ら
れた被写体５０を撮像するとき、まず、エリアセンサ３
の画素Ｇｄ11〜Ｇｄmnより輝度信号線１７を介して輝度
信号が切換判定回路４に送出される。切換判定回路４で
は、画素Ｇｄ11〜Ｇｄmnから出力される輝度信号の信号
レベルの大小を順次比較して、その最大値と最小値を検
知する。更に、このようにして検知した信号レベルの最
大値と最小値の差が基準値より小さいとき（例えば、被
写体の輝度範囲が２．５桁より狭いとき）、被写体の輝
度範囲が狭いものと判定する。よって、切換判定回路４
により画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1を線形変換動作させるべき
であると判定する。この判定信号を受けた切換信号発生
回路５は、φＶPS（図５又は図８）をハイレベルとする
切換信号を発生する。

【０１１０】次に、この切換信号により、画素Ｇｃ11〜
Ｇｃmn+1のトランジスタＴ１（図５又は図８）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状態となる。このよ
うに線形変換動作で動作するようにバイアスされた画素
Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1によって、線形変換された電気信号が
処理回路６に画像データとして、画像データ線１８を介
して送出される。

【０１１１】このように、エリアセンサ３の画素Ｇｄ11
〜Ｇｄmnから出力される対数変換された電気信号を輝度
信号として切換判定回路４で被写体の輝度範囲を判定す
る。そして、この判定結果に基づいて切換信号発生回路
５より切換信号をエリアセンサ３に送出し、画素Ｇｃ11
〜Ｇｃmn+1の動作状態を線形変換動作にするか又は対数
変換動作にするか決定する。よって、被写体の輝度範囲
に応じて、画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn+1の動作状態を自動的に
切り換えることができる。

【０１１２】以下、エリアセンサ内の画素を行毎に１単
位としたセンサをラインセンサと呼び、更に、画像デー
タを出力する画素が配されたラインセンサをデータライ
ンセンサ、輝度信号を出力する画素が配されたラインセ
ンサを輝度検出用ラインセンサと呼ぶ。本実施形態で
は、このデータラインセンサと輝度検出用ラインセンサ
が交互に配されたエリアセンサを用いているが、Ｎ本
（Ｎは自然数）のデータラインセンサ毎に１本の輝度検
出用ラインセンサが配されるようなエリアセンサとして
も構わない。即ち、データラインセンサに比べてエリア
センサに配される輝度検出用ラインセンサの割合が少な
いものでも構わない。又、輝度検出用ラインセンサに配
される画素の数が、データラインセンサに配される画素
の数よりも少ないものでも構わない。

【０１１３】更に、本実施形態では、対数変換された電
気信号を輝度信号とし、この輝度信号に基づいて、被写
体の輝度範囲を求めているが、第２の実施形態で述べた
のと同様に、線形変換された電気信号を輝度信号として
輝度範囲を求めて、切換判定を行うようにしても良い。

【０１１４】第３及び第４の実施形態において図４のよ
うなエリアセンサを用いたとき、図５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５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。

【０１１５】図９に示す画素は、図５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。

【０１１６】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５に示す画素と同様である。

【０１１７】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。

【０１１８】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。

【０１１９】又、第３及び第４の実施形態では、図６の
ような構成のエリアセンサにおいて、図８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１１又は図１２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１１の
画素の構成について、以下に説明する。尚、図８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。

【０１２０】図１１に示す画素は、図８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。

【０１２１】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８に示す画素と同様である。

【０１２２】次に、図１２の画素の構成について、以下
に説明する。尚、図１１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。

【０１２３】図１２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１１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１１に示す画素と同様である。しかし、図
１１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１１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１１の画素と同様である。

【０１２４】更に、第３、第４の実施形態で使用する画
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５、図８〜図１
２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。

【０１２５】又、本発明で使用するエリアセンサについ
ても、図２又は図４又は図６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。

【０１２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
明るい状況下にある被写体を撮像するときは、明るい部
分から暗い部分まで全ての情報を白トビや黒ツブレなど
を生じることなく良好に撮像することができる。又、暗
い状況下にある被写体を撮像するときにも、階調性よく
撮像することができる。更に、画素からの出力を用いて
固体撮像装置のイメージセンサの出力を切り換えること
ができるので、輝度測定のためのセンサーを新たに設け
る必要がなく、構成が簡素になる。

【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】第１及び第２の実施形態の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１に示す固体撮像装置を用いて撮像するとき
の被写体の状況を示す図。

【図４】第３及び第４の実施形態の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６】第３及び第４の実施形態の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７】図６の一部の回路図。

【図８】図６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】図６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１２】図６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１３】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レンズ光学系３エリアセンサ４切換判定回路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奇数行１０偶数行１１，１２出力信号線１３電源ライン１４，１５信号線１６接続切換部１７輝度信号線１８画像データ線１９直流電圧線２０ライン２１ファインダーＧａ11〜Ｇａmn 画素Ｇｂ11〜Ｇｂmn 画素Ｇｃ11〜Ｇｃmn 画素Ｇｄ11〜Ｇｄmn 画素Ｔ１〜Ｔ６Ｎ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)発明者草鹿泰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） 5C022 AB03 AB33 AC42

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光量に応じた電気信号を発生する画
素を複数備えた固体撮像装置において、前記複数の画素には、前記電気信号を線形的に変換する
第１画素と、前記電気信号を自然対数的に変換する第２
画素との複数種類の画素が含まれており、前記第１画素又は前記第２画素のいずれか一方より得ら
れる電気信号より被写体の輝度情報を得て、この輝度情
報に基づいて、前記第１画素から得られる電気信号と前
記第２画素から得られる電気信号を選択して、どちらか
一方の電気信号を画像情報として出力することを特徴と
する固体撮像装置。
【請求項２】マトリクス状に配された画素に入射され
た光量に応じた電気信号を発生するエリアセンサを有す
る固体撮像装置において、前記エリアセンサ内において、前記電気信号を線形的に
変換する第１画素と、前記電気信号を自然対数的に変換
する第２画素とが一行毎に配されるとともに、前記第２画素より得られる電気信号より被写体の輝度情
報を得て、この輝度情報に基づいて、前記第１画素から
得られる電気信号と前記第２画素から得られる電気信号
を選択して、どちらか一方の電気信号を画像情報として
出力することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】前記輝度情報により被写体の輝度が暗い
と判断されたとき、前記第１画素から得られる電気信号
を画像情報として出力し、又、前記輝度情報により被写
体の輝度が明るいと判断されたとき、前記第２画素から
得られる電気信号を画像情報として出力することを特徴
とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】マトリクス状に配された画素に入射され
た光量に応じた電気信号を発生するエリアセンサを有す
る固体撮像装置において、前記エリアセンサ内において、前記電気信号を線形的に
変換する第１画素と、前記電気信号を自然対数的に変換
する第２画素とが一行毎に配されるとともに、前記第２画素より得られる電気信号より被写体の輝度情
報を得て、この輝度情報によって被写体の輝度範囲を検
出する輝度範囲検出手段と、前記輝度範囲検出手段で検出した輝度範囲に基づいて、
前記第１画素から得られる電気信号と前記第２画素から
得られる電気信号を選択して、どちらか一方の電気信号
を画像情報として出力する出力信号選択手段と、を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】前記第１画素又は前記第２画素のいずれ
か一方から得られる電気信号より被写体の輝度情報を得
て、この輝度情報によって被写体の輝度範囲を検出する
輝度範囲検出手段と、前記輝度範囲検出手段で検出した輝度範囲に基づいて、
前記第１画素から得られる電気信号と前記第２画素から
得られる電気信号を選択して、どちらか一方の電気信号
を画像情報として出力する出力信号選択手段と、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。
【請求項６】被写体の輝度範囲が狭いと判断されたと
き、前記第１画素から得られる電気信号を画像情報とし
て出力し、被写体の輝度範囲が広いと判断されたとき、前記第２画
素から得られる電気信号を画像情報として出力すること
を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の固体撮像装
置。
【請求項７】前記輝度範囲検出手段が、前記輝度情報
となる電気信号のレベルの大小を順次比較してその最大
値と最小値を検出し、前記出力信号選択手段が、前記輝度範囲検出手段で検出
した電気信号のレベルの最大値と最小値の差に応じて、
前記第１画素から得られる電気信号と前記第２画素から
得られる電気信号より画像情報として出力する信号を選
択することを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか
に記載の固体撮像装置。
【請求項８】入射光量に応じた電気信号を発生する画
素を複数備えた固体撮像装置において、前記複数の画素には、前記電気信号を線形的に変換する
第１状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切り換
え可能で、且つ前記電気信号を画像情報として出力する
第１画素と、前記電気信号を被写体の輝度情報を表す輝
度信号として出力する第２画素とが含まれており、前記第２画素から得られる電気信号に基づいて、前記第
１画素を前記第１状態又は前記第２状態のいずれかを選
択して、画像情報として出力することを特徴とする固体
撮像装置。
【請求項９】マトリクス状に配された画素に入射され
た光量に応じた電気信号を発生するエリアセンサを有す
る固体撮像装置において、前記エリアセンサが、前記電気信号を線形的に変換する
第１状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切り換
え可能で、且つ前記電気信号を画像情報として出力する
第１画素と、前記電気信号を被写体の輝度情報を表す輝
度信号として出力する第２画素とを有するとともに、前記エリアセンサ内において、前記第１画素がＮ行（Ｎ
は１以上の整数）配される毎に、前記第２画素が一行配
され、前記第２画素から得られる輝度情報に基づいて前記第１
画素の動作状態を切り換えることを特徴とする固体撮像
装置。
【請求項１０】前記輝度情報により被写体の輝度が暗
いと判断されたとき、前記第１画素の動作状態を第１状
態にし、又、前記輝度情報により被写体の輝度が明るい
と判断されたとき、前記第１画素の動作状態を第２状態
にする切換手段を有することを特徴とする請求項８又は
請求項９に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】前記切換手段が、２値の電圧信号とな
る切換信号を発生し、該切換信号によって、前記第１画素の動作状態が切り換
えられることを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像
装置。
【請求項１２】マトリクス状に配された画素に入射さ
れた光量に応じた電気信号を発生するエリアセンサを有
する固体撮像装置において、前記エリアセンサが、前記電気信号を線形的に変換する
第１状態と、自然対数的に変換する第２状態とに切り換
え可能で、且つ前記電気信号を画像情報として出力する
第１画素と、前記電気信号を被写体の輝度情報を表す輝
度信号として出力する第２画素とを有するとともに、前記エリアセンサ内において、前記第１画素がＮ行（Ｎ
は１以上の整数）配される毎に、前記第２画素が一行配
され、前記第２画素より出力される輝度信号より得られる被写
体の輝度情報より被写体の輝度範囲を検出する輝度範囲
検出手段を設け、前記被写体の輝度範囲に応じて、前記第１画素の動作状
態を切り換えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１３】前記第２画素より出力される輝度信号
より得られる被写体の輝度情報より被写体の輝度範囲を
検出する輝度範囲検出手段を設け、前記被写体の輝度範囲に応じて、前記第１画素の動作状
態を切り換えることを特徴とする請求項８に記載の固体
撮像装置。
【請求項１４】被写体の輝度範囲が狭いと判断された
とき、前記第１画素の動作状態を第１状態にし、被写体の輝度範囲が広いと判断されたとき、前記第１画
素の動作状態を第２状態にすることを特徴とする請求項
１２又は請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】前記輝度範囲検出手段が、前記第２画素から送出される前記輝度情報となる輝度信
号のレベルの大小を順次比較してその最大値と最小値を
検出し、この輝度信号のレベルの最大値と最小値の差に
応じて前記第１画素の動作状態を第１状態にするか第２
状態にするか判定する切換判定手段と、切換判定手段によって判定された結果に応じて、前記第
１画素の動作状態を切り換える切換信号を発生する切換
信号発生手段と、を有することを特徴とする請求項１２〜請求項１４のい
ずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１６】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１５に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】前記第２画素は、前記電気信号を自然
対数的に変換して出力することを特徴とする請求項８〜
請求項１６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１８】前記第１画素が、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、各画素の動作を、第１状態と
第２状態とに切り換えることができることを特徴とする
請求項８〜請求項１７のいずれかに記載の固体撮像装
置。
【請求項１９】前記第１画素が、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、各画素の動作を、第１状態と
第２状態とに切り換えることができることを特徴とする
請求項８〜請求項１７のいずれかに記載の固体撮像装
置。
【請求項２０】前記第１画素が、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、各画素の動作を、第１状態と
第２状態とに切り換えることができることを特徴とする
請求項８〜請求項１７のいずれかに記載の固体撮像装
置。