JP2002223392A

JP2002223392A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2002223392A
Application number: JP2001018502A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yano; 壯矢野; Kazuki Akaho; 一樹赤穂
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2002-08-09

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、各画素毎にその入射光量に応じて自
動的に線形変換動作及び対数変換動作を切り換えて出力
することができる固体撮像素子を有し、この固体撮像素
子からの出力を全て同一の変換動作によって得られた信
号に変換することで、後段の処理回路が簡単に信号処理
を施すことの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】固体撮像素子４２より各画素毎に対数変換
されたＲＧＢ信号と線形変換されたＲＧＢ信号が出力さ
れる。そして、ＡＤ変換器４３でデジタル信号に変換さ
れたＲＧＢ信号よりそれぞれＬＯＧ／ＬＮ判定器４４で
線形変換されたＲＧＢ信号が選択されて対数変換器４５
ａ〜４５ｃにそれぞれ送出される。対数変換器４５ａ〜
４５ｃでは、ＬＯＧ／ＬＮ判定器４４より与えられたＲ
ＧＢ信号が、対数変換されたＲＧＢ信号に応じたデータ
量に変換されて出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光量に対して
線形的に変換した電気信号を出力する第１状態と入射光
量に対して自然対数的に変換した電気信号を出力する第
２状態との間で切換可能な固体撮像素子を有する固体撮
像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より使用されている固体撮像素子に
は、光電変換素子で発生した光電荷を読み出す手段によ
ってＣＣＤ型とＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型
は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送する
ようになっており、又、ＭＯＳ型はフォトダイオードの
ｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通
して読み出すようになっている。しかしながら、このよ
うな従来の固体撮像素子は、発生した光電荷の電荷量に
比例した出力が出力されるため、ダイナミックレンジが
狭いという欠点がある。

【０００３】一方、本出願人は、ダイナミックレンジを
広くするために、入射した光量に応じた光電流を発生し
うる感光手段と、光電流を入力する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が備えら
れることによって、入射光量に対して自然対数的に変換
された電気信号を出力することができる固体撮像素子を
提案した（特開平３−１９２７６４号公報参照）。この
ような固体撮像装置は、広いダイナミックレンジを有し
ているものの、低輝度の場合の特性やＳ／Ｎ比などが十
分でないという問題があった。

【０００４】そこで、更に、本出願人は、両者の欠点を
補うために、入射した光量に応じた光電流を発生しうる
感光手段と、光電流を入力するＭＯＳトランジスタと、
を有するとともに、ＭＯＳトランジスタにかけるバイア
ス電圧を切り換えることによって、光電流に対して線形
的に変換された出力を出力する第１状態と、光電流に対
して自然対数的に変換された出力を出力する第２状態
と、切り換えることができる固体撮像素子の検討を行っ
ている。

【０００５】又、一方で、入射した光量に応じた光電流
を発生しうる感光手段と、光電流を入力するＭＯＳトラ
ンジスタと、を有するとともに、光電流に対して線形的
に変換された出力を出力する第１状態と、光電流に対し
て自然対数的に変換された出力を出力する第２状態と、
切り換えることができる光センサ回路（上述の固体撮像
素子に相当する）も提案されている（特開平１０−９０
０５８号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特開平１０−９００５
８号公報で提示されている線形変換動作と対数変換動作
の切換可能な光センサ回路は、ＭＯＳトランジスタのゲ
ート電圧をドレイン電圧より十分高くしてＭＯＳトラン
ジスタのドレイン−ソース間のインピーダンスを低抵抗
とすることによって、フォトダイオードとコンデンサと
の接続ノードをリセットする。これにより、ソースの電
位はドレインの電位とほぼ等しくなる。そのため、この
ような回路を複数設けた場合、全ての回路について、フ
ォトダイオードとコンデンサとの接続ノードの電圧が同
一となるようにリセットされることとなり、各回路から
の出力にＭＯＳトランジスタの閾値電圧の差異による各
回路の感度バラツキが反映されず、線形出力動作から対
数出力動作に変わる変化点が各画素毎に異なるという不
具合を生じていた。

【０００７】更に、このように、各画素毎に、その入射
光量に応じて出力動作を線形出力動作と対数出力動作と
の間で自動的に切り換えることができる固体撮像素子が
設けられた固体撮像装置は、このような固体撮像素子か
らの出力が、対数変換されたものと線形変換されたもの
とに混合された状態となる。即ち、被写体の高輝度領域
を撮像した画素からの出力が入射光量に対して対数変換
された値となり、又、被写体の低輝度領域を撮像した画
素からの出力入射光量に対して線形変換された値とな
る。よって、固体撮像素子からの出力に対して、後続の
信号処理回路において、正確に白バランス調整、黒バラ
ンス調整、カラーバランス調整を行うことができず、適
切な白バランスや黒バランスやカラーバランスを得るこ
とができない。

【０００８】このような問題を鑑みて、本発明は、各画
素毎にその入射光量に応じて自動的に線形変換動作及び
対数変換動作を切り換えて出力することができる固体撮
像素子を有し、この固体撮像素子からの出力を全て同一
の変換動作によって得られた信号に変換することで、後
段の処理回路が簡単に信号処理を施すことのできる固体
撮像装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の固体撮像装置は、被写体の輝度に
よって、入射光量に対して線形的に変換した電気信号を
出力する第１状態と、入射光量に対して自然対数的に変
換した電気信号を出力する第２状態との間で動作状態を
切り換える複数の画素を備えた固体撮像素子と、前記各
画素からの電気信号が、前記画素が前記第１状態で動作
したときに出力された電気信号であるか否かを判定する
出力判定器と、該出力判定器で、前記画素が前記第１状
態で動作したときに出力された電気信号と判定された電
気信号の信号レベルを、前記画素が前記第２状態で動作
したときに出力された電気信号に対応した信号レベルに
変換する対数変換器と、を有することを特徴とする。

【００１０】このような固体撮像装置によると、ＭＯＳ
トランジスタの容量特性とサブスレッショルド特性とを
利用して、被写体の輝度によって、線形変換動作と対数
変換動作とを自動的に切り換える画素を備えた固体撮像
素子から、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が混合されて出力
される。そして、このような複数の電気信号から、線形
変換動作によって得られた電気信号が出力判定器で判定
された後、対数変換器において、対数変換動作によって
得られた電気信号と同等の信号レベルに変換された電気
信号とされる。よって、後段の各処理回路において、対
数変換動作によって得られた電気信号として全ての電気
信号を扱うことができる。

【００１１】このような固体撮像装置において、請求項
２に記載するように、前記出力判定器の判定に用いる所
定の閾値をＹとするとき、前記対数変換器が、前記出力
判定器より与えられた電気信号を対数変換した後、０乃
至Ｙ又はＹ近傍の値に対応する信号レベルに割付を行う
ことで、線形変換動作によって得られた電気信号を、対
数変換動作によって得られた電気信号と同等の信号レベ
ルに変換された電気信号とすることができる。

【００１２】又、請求項３に記載するように、前記固体
撮像素子が複数の色フィルタを備えて、複数種類の色信
号を前記各画素より出力するとき、前記出力判定器が、
前記色信号の種類毎に抽出して出力するとともに、前記
対数変換器が、前記色信号の種類毎に処理を行って出力
することで、後段の処理回路において、各色信号毎の処
理が可能となる。特に、カラーバランス処理や黒バラン
ス処理や白バランス処理を簡単かつ正確に行うことがで
きる。

【００１３】又、請求項４に記載するように、前記固体
撮像素子から出力される電気信号をデジタル信号に変換
するＡ／Ｄ変換器を更に備え、前記対数変換器は前記Ａ
／Ｄ変換器による変換後のデジタル信号に対して信号レ
ベルの変換を行うようにしても構わない。更に、請求項
５に記載するように、前記出力判定器は、前記Ａ／Ｄ変
換器による変換後のデジタル信号に対して信号レベルの
変換を行うようにしても構わない。

【００１４】請求項６に記載の固体撮像装置は、被写体
の輝度によって、入射光量に対して線形的に変換した電
気信号を出力する第１状態と、入射光量に対して自然対
数的に変換した電気信号を出力する第２状態との間で動
作状態を切り換える複数の画素を備えた固体撮像素子
と、前記各画素からの電気信号が、前記画素が前記第２
状態で動作したときに出力された電気信号であるか否か
を判定する出力判定器と、該出力判定器で、前記画素が
前記第２状態で動作したときに出力された電気信号と判
定された電気信号の信号レベルを、前記画素が前記第１
状態で動作したときに出力された電気信号に対応した信
号レベルに変換する線形変換器と、を有することを特徴
とする。

【００１５】このような固体撮像装置によると、ＭＯＳ
トランジスタの容量特性とサブスレッショルド特性とを
利用して、被写体の輝度によって、線形変換動作と対数
変換動作とを自動的に切り換える画素を備えた固体撮像
素子から、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が混合されて出力
される。そして、このような複数の電気信号から、対数
変換動作によって得られた電気信号が出力判定器で判定
された後、線形変換器において、線形変換動作によって
得られた電気信号と同等の信号レベルに変換された電気
信号とされる。よって、後段の各処理回路において、線
形変換動作によって得られた電気信号として全ての電気
信号を扱うことができる。

【００１６】このような固体撮像装置において、請求項
７に記載するように、前記出力判定器の判定に用いる所
定の閾値をＹとし、信号レベルの最大値をＹＭとすると
き、前記線形変換器が、前記出力判定器より与えられた
電気信号を指数変換した後、Ｙ又はＹ近傍の値乃至ＹＭ
に対応する信号レベルに割付を行うことで、対数変換動
作によって得られた電気信号を、線形変換動作によって
得られた電気信号と同等の信号レベルに変換された電気
信号とすることができる。

【００１７】又、請求項８に記載するように、前記固体
撮像素子が複数の色フィルタを備えて、複数種類の色信
号を前記各画素より出力するとき、前記出力判定器が、
前記色信号の種類毎に抽出して出力するとともに、前記
線形変換器が、該色信号の種類毎に処理を行って出力す
ることで、後段の処理回路において、各色信号毎の処理
が可能となる。特に、カラーバランス処理や黒バランス
処理や白バランス処理を簡単かつ正確に行うことができ
る。

【００１８】又、請求項９に記載するように、前記固体
撮像素子から出力される電気信号をデジタル信号に変換
するＡ／Ｄ変換器を更に備え、前記線形変換器は前記Ａ
／Ｄ変換器による変換後のデジタル信号に対して信号レ
ベルの変換を行うようにしても構わない。更に、請求項
１０に記載するように、前記出力判定器は、前記Ａ／Ｄ
変換器による変換後のデジタル信号に対して信号レベル
の変換を行うようにしても構わない。

【００１９】請求項１１に記載の固体撮像装置は、請求
項１〜請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置におい
て、前記出力判定器が、前記各画素からの電気信号の信
号レベルを所定の閾値と比較し、信号レベルが前記所定
の閾値より低いとき、前記画素が前記第１状態で動作し
たときに出力された電気信号であると判定し、信号レベ
ルが前記所定の閾値より高いとき、前記画素が前記第２
状態で動作したときに出力された電気信号であると判定
することを特徴とする。

【００２０】後段の処理回路には例えば白バランス調整
及び黒バランス調整の少なくとも一方を行うものを含む
ことができる。又、固体撮像素子が複数の色フィルタを
備えている場合は、カラーバランス調整を行うものを含
むことができる。前者の場合、適切な白バランス及び黒
バランスのうちの少なくとも一方のバランスを得ること
ができ、又、後者の場合、適切なカラーバランスを得る
ことができる。

【００２１】固体撮像素子として、少なくとも入射光量
に応じた電気信号を発生する感光素子と、該感光素子の
一方の電極に、第１電極及び制御電極が接続されたトラ
ンジスタとを含む複数の画素を備えたものを使用し、更
に、前記トランジスタをリセットするためのリセット手
段を固体撮像装置に備えるとともに、該リセット手段
が、前記トランジスタの第２電極に所定のパルス信号を
与えてトランジスタをリセットすることにより、感光素
子への入射光量が所定の値になるまでは固体撮像素子の
出力状態を前記第１状態とし、この値を超えると前記第
２状態へと自動的に切り換えるように構成することがで
きる。この場合、第１状態と第２状態との切換点を各画
素で等しくすることができる。

【００２２】又、固体撮像素子として、少なくとも入射
光量に応じた電気信号を発生する感光素子と、該感光素
子の一方の電極に、第２電極が接続されたトランジスタ
とを含む複数の画素を備えたものを使用し、更に、前記
トランジスタをリセットするためのリセット手段を固体
撮像装置に備えるとともに、該リセット手段が、前記ト
ランジスタの制御電極に所定の第２パルス信号を与える
とともに、前記トランジスタの第１電極に所定の第１パ
ルス信号を与えてトランジスタをリセットすることによ
り、感光素子への入射光量が所定の値になるまでは固体
撮像素子の出力状態を前記第１状態とし、この値を超え
ると前記第２状態へと自動的に切り換えるように構成す
ることができる。この場合も、第１状態と第２状態との
切換点を各画素で等しくすることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて説明する。まず、以下に示す各実施の形態において
共通の構成部分である固体撮像素子について説明する。

【００２４】＜固体撮像素子の構成＞図１は本発明の固
体撮像装置に備えられる二次元のＭＯＳ型固体撮像素子
の一部の構成を概略的に示している。同図において、Ｇ
11〜Ｇｍｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を
示している。２は垂直走査回路であり、行（ライン）４
−１、４−２、・・・、４−ｎを順次走査していく。３
は水平走査回路であり、画素から出力信号線６−１、６
−２、・・・、６−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。５は電源ラインであ
る。各画素に対し、上記ライン４−１、４−２・・・、
４−ｎや出力信号線６−１、６−２・・・、６−ｍ、電
源ライン５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１
ではこれらについて省略する。

【００２５】出力信号線６−１、６−２、・・・、６−
ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２が
図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線６−１
を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲ
ートは直流電圧線７に接続され、ドレインは出力信号線
６−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン８
に接続されている。一方、ＭＯＳトランジスタＱ２のド
レインは出力信号線６−１に接続され、ソースは最終的
な信号線９に接続され、ゲートは水平走査回路３に接続
されている。

【００２６】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ＭＯＳトランジスタＴ２が設けられてい
る。ＭＯＳトランジスタＴ２と上記ＭＯＳトランジスタ
Ｑ１との接続関係は図２（ａ）のようになる。ここで、
ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される直流電圧
ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴ２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ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート
に信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタＱ１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ＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源と等価で
あり、図２（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、ＭＯＳトランジスタＴ２から
増幅出力されるのは電流であると考えてよい。

【００２７】ＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回路３
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３以降の各実施形態の画素内にはスイ
ッチ用のＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ３も設けら
れている。このＭＯＳトランジスタＴ３も含めて表わす
と、図２（ａ）の回路は正確には図２（ｂ）のようにな
る。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ３がＭＯＳトランジス
タＱ１とＭＯＳトランジスタＴ２との間に挿入されてい
る。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ３は行の選択を行う
ものであり、ＭＯＳトランジスタＱ２は列の選択を行う
ものである。尚、図１および図２に示す構成は以下に説
明する画素の第１例及び第２例において共通の構成であ
る。

【００２８】図２のように構成することにより信号を大
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ＭＯＳ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６
−１、６−２、・・・、６−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。

【００２９】＜画素の構成の第１例＞図１の固体撮像素
子の画素の第１例について、以下に説明する。図３は、
本例の画素の内部構成を示す回路図である。

【００３０】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ＭＯＳトランジスタＴ１のゲ
ート及びドレイン、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに
接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは行
選択用のＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続され
ている。ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線
６（この出力信号線６は図１の６−１、６−２、・・
・、６−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳ
トランジスタＴ１〜Ｔ３は、それぞれ、ＮチャネルのＭ
ＯＳトランジスタでバックゲートが接地されている。

【００３１】又、フォトダイオードＰＤのカソード及び
ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインには直流電圧ＶPDが
印加されるようになっている。一方、ＭＯＳトランジス
タＴ１のソースには信号φＶPSが入力される。又、ＭＯ
ＳトランジスタＴ３のゲートには信号φＶが入力され
る。尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、入射光量が所
定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレ
ッショルド領域で動作させるための電圧をＶＨとし、
又、この電圧よりも低くＭＯＳトランジスタＴ１を導通
状態にする電圧をＶＬとする。このような構成の画素の
動作について、以下に説明する。

【００３２】図４に示すタイミングチャートのように、
パルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与
えられて、出力信号が読み出されると、まず、信号φＶ
PSをＶＬとしてリセット動作を行う。このとき、ＭＯＳ
トランジスタＴ１を通してＭＯＳトランジスタＴ１のソ
ース・ドレイン間に蓄積された電荷と逆極性の電荷が流
入されて、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧がリセ
ットされる。

【００３３】このように信号φＶPSをＶＬとしてリセッ
トを行っている際に、ハイレベルのパルス信号φＶをＭ
ＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えることによって、
リセット時におけるノイズ信号を読み出す。このとき、
リセットされたＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧が
ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与えられ、このＭＯ
ＳトランジスタＴ１のゲート電圧がＭＯＳトランジスタ
Ｔ２で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ３を介し
て出力信号線６に出力される。

【００３４】又、ＭＯＳトランジスタＴ２及びＭＯＳト
ランジスタＱ１（図２）の導通時抵抗とそれらを流れる
電流によって決まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン
電圧が、ノイズ信号として出力信号線６に現れる。この
ようにしてノイズ信号が読み出されると、ＭＯＳトラン
ジスタＴ３をＯＦＦにした後、信号φＶPSをＶＨにし
て、次の撮像動作に備える。

【００３５】信号φＶPSをＶＨとして撮像動作が開始す
ると、フォトダイオードＰＤより入射光量に応じた光電
荷がＭＯＳトランジスタＴ１に流れ込む。今、ＭＯＳト
ランジスタＴ１はカットオフ状態であるので、光電荷が
ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに蓄積される。よっ
て、撮像する被写体の輝度が低くフォトダイオードＰＤ
に入射される入射光量が少ない場合は、ＭＯＳトランジ
スタＴ１のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧が
ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに現れるため、入射光
量の積分値に対して線形的に比例した電圧がＭＯＳトラ
ンジスタＴ２のゲートに現れる。

【００３６】又、撮像する被写体の輝度が高くフォトダ
イオードＰＤに入射される入射光量が多く、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ１のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電
圧が高くなると、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッ
ショルド領域で動作を行うため、入射光量に対して自然
対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のゲー
トに現れる。

【００３７】このようにして、入射光量に対して線形的
に又は自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタ
Ｔ１，Ｔ２のゲートに現れ、先と同様に、パルス信号φ
ＶをＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えることによ
って、入射光量に対して線形的に又は自然対数的に比例
したＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧がＭＯＳトラ
ンジスタＴ２で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ
３を介して出力信号線６に出力される。又、ＭＯＳトラ
ンジスタＴ２及びＭＯＳトランジスタＱ１の導通時抵抗
とそれらを流れる電流によって決まるＭＯＳトランジス
タＱ１のドレイン電圧が、映像信号として出力信号線６
に現れる。

【００３８】このように入射光量に応じて自動的に線形
出力動作と対数出力動作との間で出力動作が切り替わる
各画素において、ＭＯＳトランジスタＴ１には閾値電圧
にバラツキがあるために、信号φＶPSがＶＨとされた場
合、線形変換動作から対数変換動作に切り替わる電圧値
は、ＶＨ＋ＶTH−Ｋ（但し、ＶTHはＭＯＳトランジスタ
Ｔ１の閾値電圧、Ｋは定数を表す）となる。本実施形態
においては、信号φＶPSがＶＬとされた場合、ＭＯＳト
ランジスタＴ１のゲート電極の電圧値は、実用上、ほぼ
ＶＬ＋ＶTHとなる。従って、差をとると、ΔＶ＝ＶＨ−
ＶＬ−Ｋとなり、リセットされた状態から上記切り替わ
り点に至らしめるために必要な電荷量は、各画素のＭＯ
ＳトランジスタＴ１の閾値バラツキによらずほぼ一定で
ある。

【００３９】よって、対数変換動作に変わるときのＭＯ
ＳトランジスタＴ１のゲート電圧に至るまでにＭＯＳト
ランジスタＴ１に流れ込む光電荷量が、全ての画素にお
いて等しい。このように、各画素における変換動作が対
数変換動作に切り替わるときのフォトダイオードＰＤよ
り発生する光電荷量が等しいので、各画素における変換
動作が対数変換動作に切り替わるときのフォトダイオー
ドＰＤに入射される入射光量も等しい。即ち、全ての画
素において、その変換動作が線形変換動作から対数変換
動作に切り替わるときの被写体の輝度が等しいものとな
り、ＭＯＳトランジスタＴ１の閾値電圧の差異による各
画素の変換動作の切換への影響を低減することができ
る。従って、後述する各実施形態における対数変換器や
線形変換器による変換が容易且つ正確に行える。

【００４０】又、リセット時における信号φＶPSの電圧
値ＶＬを変化させることによって、線形変換動作を行う
際のＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧ＶＧが変化す
る範囲を変化させることができる。よって、リセット時
における信号φＶPSの電圧値ＶＬを変化させることで、
各画素の変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切
り替わるときの輝度を所望の切換点に変化させることが
できる。

【００４１】更に、ノイズ信号が図１の信号線９から画
素毎にシリアルに出力され、後続回路においてメモリに
画素毎のノイズ信号として記憶しておく。そして、映像
信号を記憶されているノイズ信号で画素毎に補正すれ
ば、映像信号から画素のバラツキによる成分を取り除く
ことができる。この補正方法は、ラインメモリなどのメ
モリを画素内に設けることによっても実現できる。

【００４２】＜画素の構成の第２例＞図１の固体撮像素
子の画素の第２例について、以下に説明する。図５は、
本例の画素の内部構成を示す回路図である。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。

【００４３】図５に示すように、本実施形態では、フォ
トダイオードＰＤのカソードは、ＭＯＳトランジスタＴ
４のソース及びＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続
されている。又、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは行
選択用のＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続され
ている。ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線
６（この出力信号線６は図１の６−１、６−２、・・
・、６−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳ
トランジスタＴ２〜Ｔ４は、それぞれ、ＮチャネルのＭ
ＯＳトランジスタでバックゲートが接地されている。

【００４４】又、フォトダイオードＰＤのアノードには
直流電圧ＶPSが、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに
は直流電圧ＶPDが印加されるようになっている。又、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ３のゲートには信号φＶが入力され
る。一方、ＭＯＳトランジスタＴ４のドレインには信号
φＶPDが、又、ゲートには信号φＶPGが、それぞれ入力
されるようになっている。

【００４５】尚、信号φＶPGは２値の電圧信号で、入射
光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ４を
サブスレッショルド領域で動作させるための電圧をＶａ
とし、又、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ４
のソース電圧を初期化するための電圧Ｖｂとする。又、
信号φＶPDは２値の電圧信号で、高い方は前記Ｖｂ以上
の電圧、低い方は前記Ｖａ以下の電圧である。このよう
な構成の画素の動作について、以下に説明する。

【００４６】図６に示すタイミングチャートのように、
パルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与
えられて、出力信号が読み出されると、まず、信号φＶ
PDをローレベルとしてリセット動作を行う。撮像動作が
終了した直後、ＭＯＳトランジスタＴ４は、例えば、ソ
ースより、ソース、ゲート下領域、ドレインの順に高く
なるようなポテンシャル状態、或いは、ゲート下領域、
ソース、ドレインの順に高くなるようなポテンシャル状
態にある。そして、これらいずれの場合にあっても、信
号φＶPDをローレベルにしたとき、ＭＯＳトランジスタ
Ｔ４のドレイン側から、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲー
ト下領域及びソースに電荷が注入され、ドレイン、ゲー
ト下領域、ソースがこの信号φＶPDのローレベルに応じ
たポテンシャルとなる。尚、このとき、信号φＶPGの電
圧値はＶａである。

【００４７】その後、信号φＶPDをハイレベルに戻す
と、ＭＯＳトランジスタＴ４のドレインが信号φＶPDの
ハイレベルに応じたポテンシャルとなるとともに、ＭＯ
ＳトランジスタＴ４のゲート下領域及びソースが、信号
φＶPGの電圧値Ｖａに応じたポテンシャルとなる。更
に、この状態から、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに
与える信号φＶPGの電圧をＶａからＶｂに切り換えるこ
とによって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート下領域及
びソースが、信号φＶPGの電圧値Ｖｂに応じたポテンシ
ャルとなる。

【００４８】このとき、ハイレベルのパルス信号φＶを
ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えることによっ
て、リセット時におけるノイズ信号を読み出す。このと
き、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ４のソース電
圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与えられ、この
ＭＯＳトランジスタＴ４のソース電圧がＭＯＳトランジ
スタＴ２で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ３を
介して出力信号線６に出力される。

【００４９】そして、再び、ＭＯＳトランジスタＴ４の
ゲートに与える信号φＶPGの電圧をＶｂからＶａに切り
換えることによって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート
下領域が、信号φＶPGの電圧値Ｖａに応じたポテンシャ
ルとなる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４のソース
の電位がゲート下領域の電位に比べて高くなる。このよ
うに、信号φＶPD，φＶPGが動作されることによって、
ＭＯＳトランジスタＴ４のポテンシャル状態がリセット
される。

【００５０】信号φＶPGをＶａとして撮像動作が開始さ
れると、フォトダイオードＰＤより入射光量に応じた光
電荷がＭＯＳトランジスタＴ４に流れ込む。今、ＭＯＳ
トランジスタＴ４のゲート電圧がソース電圧より低いの
で、ＭＯＳトランジスタＴ４はカットオフ状態となり、
光電荷がＭＯＳトランジスタＴ４のソースに蓄積され
る。よって、撮像する被写体の輝度が低くフォトダイオ
ードＰＤに入射される入射光量が少ない場合は、ＭＯＳ
トランジスタＴ４のソースに蓄積された光電荷量に応じ
た電圧がＭＯＳトランジスタＴ４のソースに現れるた
め、入射光量の積分値に対して線形的に比例した電圧が
ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに現れる。尚、このと
き、フォトダイオードＰＤで発生する光電荷が負の光電
荷であるので、強い光が入射されるほど、ＭＯＳトラン
ジスタＴ４のソース電圧が低くなる。

【００５１】又、撮像する被写体の輝度が高くフォトダ
イオードＰＤに入射される入射光量が多くなると、ＭＯ
ＳトランジスタＴ４がサブスレッショルド領域で動作を
行うため、入射光量に対して自然対数的に比例した電圧
がＭＯＳトランジスタＴ４のソースに現れる。

【００５２】このようにして、入射光量に対して線形的
に又は自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタ
Ｔ２のゲートに現れると、先と同様に、パルス信号φＶ
がＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えられ、入射光
量に対して線形的に又は自然対数的に比例したＭＯＳト
ランジスタＴ４のソース電圧がＭＯＳトランジスタＴ２
で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ３を介して出
力信号線６に出力される。又、ＭＯＳトランジスタＴ２
及びＭＯＳトランジスタＱ１の導通時抵抗とそれらを流
れる電流によって決まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレ
イン電圧が、映像信号として出力信号線６に現れる。こ
のようにして映像信号が読み出された後、上述したリセ
ット動作が行われる。

【００５３】このように入射光量に応じて自動的に線形
出力動作と対数出力動作との間で出力動作が切り替わる
各画素において、ＭＯＳトランジスタＴ４の閾値電圧に
バラツキがあるために、φＶPGがＶａとされた場合、線
形変換動作から対数変換動作に切り替わる電圧値は、Ｖ
ａ＋Ｖｘ（但し、ＶｘはＭＯＳトランジスタＴ４の閾値
バラツキによる電圧の変動成分を表す）となる。本実施
形態においては、φＶPGがＶｂとされた場合、ＭＯＳト
ランジスタＴ４のソース電極の電圧値は、実用上、ほぼ
Ｖｂ＋Ｖｘとなる。従って、差をとると、ΔＶ＝Ｖｂ−
Ｖａとなり、リセットされた状態から上記切り替わり点
に至らしめるために必要な電荷量は、各画素のＭＯＳト
ランジスタＴ４の閾値バラツキによらずほぼ一定であ
る。

【００５４】よって、対数変換動作に変わるときのＭＯ
ＳトランジスタＴ４のソース電圧に至るまでにＭＯＳト
ランジスタＴ４に流れ込む光電荷量が、全ての画素にお
いて等しい。このように、各画素における変換動作が対
数変換動作に切り替わるときのフォトダイオードＰＤよ
り発生する光電荷量が等しいので、各画素における変換
動作が対数変換動作に切り替わるときのフォトダイオー
ドＰＤに入射される入射光量も等しい。即ち、全ての画
素において、その変換動作が線形変換動作から対数変換
動作に切り替わるときの被写体の輝度が等しいものとな
り、ＭＯＳトランジスタＴ４の閾値電圧の差異による各
画素の変換動作の切換への影響を低減することができ
る。従って、後述する各実施形態における対数変換器や
線形変換器による変換が容易且つ正確に行える。

【００５５】又、リセット時における信号φＶPGの電圧
値Ｖｂを変化させることによって、線形変換動作を行う
際のＭＯＳトランジスタＴ４のソース電圧ＶＳが変化す
る範囲を変化させることができる。よって、リセット時
における信号φＶPGの電圧値Ｖｂを変化させることで、
各画素の変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切
り替わるときの輝度を所望の切換点に変化させることが
できる。

【００５６】更に、ノイズ信号が図１の信号線９から画
素毎にシリアルに出力され、後続回路においてメモリに
画素毎のノイズ信号として記憶しておく。そして、映像
信号を記憶されているノイズ信号で画素毎に補正すれ
ば、映像信号から画素のバラツキによる成分を取り除く
ことができる。この補正方法は、ラインメモリなどのメ
モリを画素内に設けることによっても実現できる。尚、
本例においては、φＶPDを一旦ローレベルにした後、φ
ＶPGをハイレベルにしているが、両者のタイミングはこ
れに限るものではなく、例えば、φＶPGをハイレベルに
している間に、φＶPDを一旦ローレベルにするようにし
ても構わない。

【００５７】尚、各画素の構成について、図３又は図５
に示すような回路構成の画素に限定されるものでなく、
例えば、ＭＯＳトランジスタＴ２以降に積分回路を設け
た回路構成の画素としても構わない。又、固体撮像素子
をＮチャネルのＭＯＳトランジスタで構成しているが、
ＰチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されるようにし
ても構わない。

【００５８】このような構成の固体撮像素子を備えた固
体撮像装置の各実施形態について、以下に説明する。
又、固体撮像素子の各画素Ｇ11〜Ｇmnの光電変換部分に
は、赤色、緑色、青色の３原色のいずれかのカラーフィ
ルタが設けられる。このように、赤色、緑色、青色のカ
ラーフィルタが設けられた画素より、各色信号、即ち、
Ｒ信号、Ｇ信号、Ｂ信号がそれぞれ出力される。

【００５９】＜第１の実施形態＞第１の実施形態の固体
撮像装置について、図面を参照して説明する。図７は、
本実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図
である。

【００６０】図７に示す固体撮像装置は、赤外線の入射
を防ぐ赤外線カットフィルタ４１と、上述したような構
成の固体撮像素子４２と、固体撮像素子４２から送出さ
れる電気信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器４３
と、ＡＤ変換器４３から出力されるデジタル信号が固体
撮像素子４２が線形変換動作又は対数変換動作のいずれ
の変換動作を行ったときに得られた信号であるかが判定
されるＬＯＧ／ＬＮ判定器４４と、ＬＯＧ／ＬＮ判定器
４４で線形変換時に得られた信号であると判定されたデ
ジタル信号を対数変換する対数変換器４５ａ〜４５ｃ
と、ＬＯＧ／ＬＮ判定器４４又は対数変換器４５ａ〜４
５ｃからデジタル信号が入力される画像処理器４６ａ〜
４６ｃと、画像処理器４６ａ〜４６ｃで処理されたデジ
タル信号を合成して画像再生用の映像信号を生成する画
像合成器４７と、画像合成器より出力される映像信号の
ダイナミックレンジの調整を行う画像調整器４７とを有
する。

【００６１】このように構成される固体撮像装置は、固
体撮像素子４２の各画素からの出力されるＲ信号、Ｇ信
号、Ｂ信号がシリアルに出力される。この固体撮像素子
４２よりシリアルに出力されるＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号
は、ＡＤ変換器４３でデータ量が例えば０〜２５５の２
５６階調のデジタル信号に変換される。そして、このデ
ジタル信号に変換されたＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号は、シ
リアルにＬＯＧ／ＬＮ判定器４４に与えられる。このＬ
ＯＧ／ＬＮ判定器４４では、Ｒ信号、Ｇ信号、Ｂ信号の
データ量を所定の閾値と比較することによって、各画素
より出力される信号毎に、対数変換されて出力された信
号か、線形変換されて出力された信号かの判定が行われ
る。

【００６２】即ち、図８のグラフに示すように、被写体
輝度の対数をとった値がｌｎ(Ｘ)以上となる高輝度域で
は、固体撮像素子４２に出力される信号は対数変換され
た信号となり、又、被写体輝度の対数変換値がｌｎ(Ｘ)
以下となる低輝度域では、固体撮像素子４２に出力され
る信号は線形変換された信号となる。尚、図８及び図９
のグラフは、それぞれ、被写体輝度を表す横軸が、対数
値で表される片対数グラフである。

【００６３】よって、ＬＯＧ／ＬＮ判定器４４におい
て、被写体輝度の対数変換値ｌｎ(Ｘ)に対して割り付け
られたデータ量Ｙと比較することによって、対数変換さ
れて出力された信号か、線形変換されて出力された信号
かの判定が行われる。具体的に、例えば、データ量がＹ
未満の信号が線形変換されて出力された信号と判定さ
れ、又、データ量がＹ以上の信号が対数変換されて出力
された信号と判定される。

【００６４】又、このＬＯＧ／ＬＮ判定器４４では、固
体撮像素子４２より出力されるＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号
に同期したクロックが与えられ、Ｒ信号、Ｇ信号、Ｂ信
号をそれぞれ選択して出力する。このようにＬＯＧ／Ｌ
Ｎ判定器４４より選択出力されたＲ信号が対数変換器４
５ａ又は画像処理器４６ａに、Ｇ信号が対数変換器４５
ｂ又は画像処理器４６ｂに、Ｂ信号が対数変換器４５ｃ
又は画像処理器４６ｃに、それぞれ送出される。

【００６５】対数変換器４５ａ〜４５ｃには、線形変換
されたＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号のそれぞれが入力され
る。そして、この対数変換器４５ａ〜４５ｃでは、入力
された信号に対して、対数変換を施す。しかしながら、
図８のグラフのようにデータ量が割り付けられていると
き、データ量Ｙより小さい線形変換された信号のデータ
量を単に対数変換しただけでは、図９（ａ）のグラフの
ように、被写体輝度の対数変換値ｌｎ(Ｘ)より小さい部
分の傾きと、被写体輝度の対数変換値ｌｎ(Ｘ)より大き
い部分の傾きとが異なり、被写体輝度の対数変換値ｌｎ
(Ｘ)で不連続になる。

【００６６】よって、連続性を持たせるように、被写体
輝度の対数変換値ｌｎ(Ｘ)より小さい部分の傾きを被写
体輝度の対数変換値ｌｎ(Ｘ)より大きい部分の傾きと等
しくなるようにするために、データ量Ｙ未満の線形変換
された信号のデータ量を対数変換した後、この対数変換
値に所定の係数を乗算するなどして、図９（ｂ）のグラ
フのように０〜Ｙ−１のデータ量の割付を行う。このよ
うにして、対数変換器４５ａでは、固体撮像素子４２が
線形変換して得たＲ信号を、対数変換器４５ｂでは、固
体撮像素子４２が線形変換して得たＧ信号を、対数変換
器４５ｃでは、固体撮像素子４２が線形変換して得たＢ
信号を、それぞれ対数変換された信号に変換した後、デ
ータ量０〜Ｙ−１の間で割付を行う。

【００６７】このようにして、対数変換器４５ａ〜４５
ｃで対数変換された後にデータ量０〜Ｙ−１に割り付け
られたＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号が、それぞれ、画像処理
器４６ａ〜４６ｃに送出される。よって、画像処理器４
６ａには、ＬＯＧ／ＬＮ判定器４４及び対数変換器４５
ａより対数変換されたＲ信号が、画像処理器４６ｂに
は、ＬＯＧ／ＬＮ判定器４４及び対数変換器４５ｂより
対数変換されたＧ信号が、画像処理器４６ｃには、ＬＯ
Ｇ／ＬＮ判定器４４及び対数変換器４５ｃより対数変換
されたＢ信号が、それぞれ送出される。

【００６８】この画像処理器４６ａ〜４６ｃでは、Ｒ信
号、Ｇ信号、Ｂ信号それぞれについて、そのデータ量毎
の画素数を表すヒストグラム（輝度分布に相当する）を
求めて、それぞれのヒストグラムに基づいてデータ量の
変換を行う。即ち、求めたヒストグラムにおいて、その
画素数が所定の画素数ｘ１を超えるデータ量であって最
低となるＲＧＢ信号のデータ量が新たに０に割り付けら
れるとともに、その画素数が所定の画素数ｘ２を超える
データ量であって最高となるＲＧＢ信号のデータ量が新
たに２５５に割り付けられた新たなヒストグラムとなる
ようにデータの変換を行う。

【００６９】尚、この所定の画素数ｘ１，ｘ２は、ＲＧ
Ｂ信号それぞれについて、ヒストグラムを求めるために
使用される全画素数に対して０．１〜１％の割合となる
画素数である。画素数ｘ１，ｘ２は同じ値でも良いし、
異なる値でも良い。同じ値であれば処理が簡単になり、
異なる値であればヒストグラムの形状に応じた適切な処
理を行うことが可能となる。図１１では両者が同じ値で
ある（ｘとする）ものとし、又、所定の色信号、例え
ば、Ｒ信号に関する分布図を示している。

【００７０】例えば、図１１（ａ）のようなヒストグラ
ムを描く色信号（ここではＲ信号）が、画像処理器４６
ａに入力されたとき、所定の画素数ｘを超える本来の輝
度分布（Ｄａ〜Ｄｂ）が認識される。そして、画像処理
器４６ａに入力される際Ｄａ〜Ｄｂの範囲に存在してい
たＲ信号の輝度分布が、図１１（ｂ）のように０〜２５
５の範囲の輝度分布に割り付けられるようにデータが変
換される。データ変換は、上記の実効的な輝度分布領域
（Ｄａ〜Ｄｂの領域）が、０〜２５５の範囲に拡大され
るように適宜データを補間しながら行えばよい。

【００７１】即ち、図１１（ａ）のようなヒストグラム
を描くとき、所定の画素数ｘ以下となるデータ量を表
す、Ｄａより小さいデータ量の分布及びＤｂより大きい
データ量の分布が除去される。所定の画素数ｘ以下とな
るデータ量を表す分布が除去されたヒストグラムを被写
体のＲ信号におけるヒストグラムと見なし、図１１
（ｂ）のように、その最小値及び最大値がそれぞれ０、
２５５となるように、そのヒストグラムを表す輝度範囲
におけるＲ信号のデータ量の割付を行う。上記の処理
を、Ｇ信号及びＢ信号について、画像処理器４６ｂ，４
６ｃにおいて行われる（図１０参照）。

【００７２】よって、画像処理器４６ａ〜４６ｃにおい
て、Ｒ信号、Ｇ信号、Ｂ信号それぞれの被写体の輝度範
囲にほぼ相当する実効的な輝度範囲が、固体撮像装置の
出力側のダイナミックレンジと一致するように、上述し
たようなＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号それぞれのデータ変換
が行われる。そして、このように処理されたＲ信号、Ｇ
信号、Ｂ信号が画像合成器４５に出力される。このと
き、データ変換による割付によって各色信号の実効的な
輝度範囲が互いに一致させられるため、カラーバランス
のとれた信号となる。そして、画像合成器４７では、画
像処理器４６ａ〜４６ｃのそれぞれから出力されるＲ信
号、Ｇ信号、及びＢ信号を合成して、１枚のカラー画像
を再生するための１つの映像信号を生成する（図１０参
照）。

【００７３】しかしながら、この割付が行われたＲＧＢ
信号が合成されて生成された映像信号が、例えば、高輝
度部分に白キズの画素からの出力を有する図１２（ａ）
のようなヒストグラムを描くＲ信号が、画像処理器４６
ａに入力されたとき、この白キズの画素数が所定の画素
数ｘ以上である場合、この白キズによる分布を含む輝度
分布が被写体の輝度分布として認識される。そのため、
１度目の割付を施したとき、白キズの画素から出力され
るＲ信号のデータ量に相当するＤｃが、図１２（ｂ）の
ようにデータ量２５５に割り付けられる。よって、画像
処理器４６ａに入力される際Ｄａ〜Ｄｃの範囲に存在し
ていたＲ信号の輝度分布が、割付によって、図１２
（ｂ）のように０〜２５５の範囲の輝度分布に割り付け
られる。

【００７４】このように、白キズの画素又は黒キズの画
素が所定の画素数より多いとき、画像処理器４６ａ〜４
６ｃにおいて処理されたＲＧＢ信号において、白キズの
画素からの信号のデータ量が最大値に、又は、黒キズの
画素からの信号のデータ量が最小値に割り付けられる。
よって、画像処理器４６ａ〜４６ｃでの割付終了後、無
効なデータ量となる領域を有した信号として、ＲＧＢ信
号が２つの分布に分かれたヒストグラムを形成するた
め、画像合成器４７で合成された映像信号も白キズや黒
ツブレを有する２つの分布に分かれたヒストグラムを形
成することがある。

【００７５】そこで、画像調整器４８において、２度目
の割付を行うことにより、この問題を回避する。例え
ば、映像信号が、図１３（ａ）のように、最大のデータ
量２５５近傍において、無効なデータ量となる領域ＤＡ
を有する場合、最大のデータ量２５５よりデータ量の小
さい領域０〜Ｄｂの間に形成されるヒストグラムが実際
の被写体より得られるヒストグラムである。

【００７６】そこで、このように実際の被写体より得ら
れる映像信号のヒストグラムのダイナミックレンジと、
固体撮像装置の出力側のダイナミックレンジを一致させ
るために、画像調整器４８ｃにおいて、映像信号それぞ
れの無効なデータ量となる領域が除去される。そして、
この無効なデータ量となる領域が除去されたヒストグラ
ムの最小のデータ量と最大のデータ量とがそれぞれ、デ
ータ量０，２５５に対応するように、映像信号のデータ
量の割付が施される。即ち、図１３（ａ）の無効なデー
タ量となる領域が除去されたヒストグラムの最小のデー
タ量０及び最大のデータ量Ｄｂがそれぞれ、図１３
（ｂ）のように、データ量０，２５５となるように、デ
ータ量の割付が施される。

【００７７】このとき、画像合成器４７より与えられた
映像信号によって生成されるそれぞれのヒストグラムに
おいて、最小のデータ量となる位置から所定のデータ量
分、離れた位置までに、所定の画素数ｘ以下となるデー
タ量が所定の範囲以上続く無効なデータ量となる領域が
存在する場合、この無効なデータ量となる領域よりもデ
ータ量が大きい領域において、所定の画素数ｘを超える
データ量の最小値を最小のデータ量０に割り付ける。

【００７８】又、画像合成器４７より与えられた映像信
号によって生成されるそれぞれのヒストグラムにおい
て、最大のデータ量となる位置から所定のデータ量分離
れた位置までに、所定の画素数ｘ以下となるデータ量が
所定の範囲以上続く無効なデータ量となる領域が存在す
る場合、この無効なデータ量となる領域よりもデータ量
が小さい領域において、所定の画素数ｘを超えるデータ
量の最大値を最大のデータ量２５５に割り付ける。尚、
この所定の画素数ｘは、映像信号について、ヒストグラ
ムを求めるために使用される全画素数に対して０．１〜
１％の割合となる画素数である。

【００７９】このようにして、画像処理器４６ａ〜４６
ｃでカラーバランスされたＲＧＢ信号が、画像合成器４
７で１つの映像信号に合成された後、画像調整器４８で
再度割り付けられることによって映像信号の階調が調整
されて、白バランス及び黒バランスが調整される。この
ような画像処理器４６ａ〜４６ｃでのＲＧＢ信号のデー
タ量の割付処理及び画像調整器４８での映像信号のデー
タ量の割付処理は、数フィールド又は数フレームに一度
行うことができる。

【００８０】尚、画像処理器４６ａ〜４６ｃにおいて、
ＲＧＢ信号それぞれに対して、上述したデータ量の割付
処理を行った後、画像調整器４８でのデータ量の割付処
理と同様の処理を行うことで、画像処理器４６ａ〜４６
ｃにおいて、ＲＧＢ信号それぞれの輝度分布に存在する
白キズや黒ツブレを除去するようにしても構わない。

【００８１】このように、ＡＤ変換器４３より出力され
るＲＧＢ信号それぞれのデジタル信号全てを、固体撮像
素子４２で対数変換された信号と同一特性のデジタル信
号に変換できるため、画像処理器４６ａ〜４６ｃ後段の
各処理回路において、対数変換された信号として全ての
信号を処理することができる。よって、ＬＯＧ／ＬＮ判
定器４４及び対数変換器４５ａ〜４５ｃから出力される
全ての信号に対して、同一の信号処理を施すことによっ
て、適切な白バランス、黒バランス、カラーバランスを
得ることができる。

【００８２】＜第２の実施形態＞第２の実施形態の固体
撮像装置について、図面を参照して説明する。図１４
は、本実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロッ
ク図である。尚、本実施形態の固体撮像装置において、
図７の固体撮像装置と同一の目的で使用する部分につい
ては同一の符号を付すとともに、その詳細な説明は省略
する。

【００８３】図１４の固体撮像装置は、対数変換器４５
ａ〜４５ｃの代わりに、ＬＯＧ／ＬＮ判定器４４で対数
変換時に得られた信号であると判定されたデジタル信号
を線形変換する線形変換器４５ｘ〜４５ｚが設けられ
る。その他の構成については、第１の実施形態の固体撮
像装置（図７）と同様の構成となる。よって、以下で
は、第１の実施形態の固体撮像装置と構成の異なる線形
変換器４５ｘ〜４５ｚ前後の部分について説明し、その
他の部分については、その詳細な説明は省略する。

【００８４】ＡＤ変換器４３で２５６階調のデジタル信
号に変換されたＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号が、ＬＯＧ／Ｌ
Ｎ判定器４４で、データ量を所定の閾値と比較すること
によって、各画素より出力される信号毎に、対数変換さ
れて出力された信号か、線形変換されて出力された信号
かの判定される。即ち、被写体輝度値Ｘに対して割り付
けられたデータ量Ｙと比較することによって、対数変換
されて出力された信号か、線形変換されて出力された信
号かの判定が行われる。

【００８５】よって、図１４（ａ）のグラフで表される
ように、データ量がＹ未満の信号が被写体輝度値Ｘ未満
の低輝度域の信号で線形変換されて出力された信号と判
定され、又、データ量がＹ以上の信号が被写体輝度値Ｘ
以上の高輝度域の信号で対数変換されて出力された信号
と判定される。又、このＬＯＧ／ＬＮ判定器４４では、
固体撮像素子４２より出力されるＲ信号、Ｇ信号及びＢ
信号に同期したクロックが与えられ、Ｒ信号、Ｇ信号、
Ｂ信号をそれぞれ選択して出力する。

【００８６】線形変換器４５ｘ〜４５ｚには、対数変換
されたＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号のそれぞれが入力され
る。そして、この線形変換器４５ｘ〜４５ｚでは、入力
された信号に対して、指数変換を施す。しかしながら、
図１４（ａ）のグラフのようにデータ量が割り付けられ
ているとき、データ量Ｙ以上の対数変換された信号のデ
ータ量を単に指数変換して線形変換された信号に変換し
ただけでは、図１４（ｂ）のグラフのように、被写体輝
度値Ｘより小さい部分の傾きと、被写体輝度値Ｘより大
きい部分の傾きとが異なり、被写体輝度値Ｘで不連続に
なる。

【００８７】よって、連続性を持たせるように、被写体
輝度値Ｘより大きい部分の傾きを被写体輝度値Ｘより小
さい部分の傾きと等しくなるようにするために、データ
量Ｙより大きい対数変換された信号のデータ量を指数変
換して線形変換された信号に変換した後、所定の係数を
乗算し、平行移動を行うなどして、図１４（ｃ）のグラ
フのようＹ〜２５５のデータ量の割付を行う。このよう
にして、線形変換器４５ｘでは、固体撮像素子４２が対
数変換して得たＲ信号を、線形変換器４５ｙでは、固体
撮像素子４２が対数変換して得たＧ信号を、線形変換器
４５ｚでは、固体撮像素子４２が対数変換して得たＢ信
号を、それぞれ上述のように線形変換された信号に変換
した後、データ量Ｙ〜２５５の間で割付を行う。

【００８８】このようにして、線形変換器４５ｘ〜４５
ｚで指数変換された後にデータ量Ｙ〜２５５に割り付け
られたＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号が、それぞれ、画像処理
器４６ｘ〜４６ｚに送出される。よって、画像処理器４
６ｘには、ＬＯＧ／ＬＮ判定器４４及び線形変換器４５
ｘより線形変換されたＲ信号が、画像処理器４６ｙに
は、ＬＯＧ／ＬＮ判定器４４及び線形変換器４５ｙより
線形変換されたＧ信号が、画像処理器４６ｚには、ＬＯ
Ｇ／ＬＮ判定器４４及び線形変換器４５ｚより線形変換
されたＢ信号が、それぞれ送出される。

【００８９】この画像処理器４６ｘ〜４６ｚ以降の回路
の動作については、第１の実施形態の固体撮像装置と同
様の動作を行い、線形変換されたＲＧＢ信号が画像処理
器４６ｘ〜４６ｚで１度データ量の割付が行われた後、
画像合成器４７で映像信号に合成された後、画像調整器
４８で再びデータ量の割付が行われる。

【００９０】このように、ＡＤ変換器４３より出力され
るＲＧＢ信号それぞれのデジタル信号全てを、固体撮像
素子４２で線形変換された信号と同一特性のデジタル信
号に変換できるため、画像処理器４６ｘ〜４６ｚ後段の
各処理回路において、線形変換された信号として全ての
信号を処理することができる。よって、同一の信号処理
を施すことによって、適切な白バランス、黒バランス、
カラーバランスを得ることができる。

【００９１】

【発明の効果】本発明によると、固体撮像素子より線形
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が混合されて出力されるとき、判
定器によって、いずれの変換動作によって得られた電気
信号か判定することができる。そして、対数変換器にお
いて、線形変換動作によって得られた電気信号を対数変
換動作によって得られた電気信号と同等の信号レベルに
変換された電気信号とされるため、全ての電気信号を、
対数変換動作によって得られた電気信号として、後段の
各処理回路に出力することができる。或いは、線形変換
器において、対数変換動作によって得られた電気信号を
線形変換動作によって得られた電気信号と同等の信号レ
ベルに変換された電気信号とされるため、全ての電気信
号を、線形変換動作によって得られた電気信号として、
後段の各処理回路に出力することができる。よって、後
段の処理回路では、統一された処理動作を行うことがで
きるため、回路構成及び処理動作を簡単化することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像装置に備えられた固体撮像素
子の内部構成の一例を示すブロック回路図。

【図２】図１の固体撮像素子の一部を示す図。

【図３】図１の固体撮像素子内に設けられた画素の内部
構成の一例を示す回路図。

【図４】図３の画素の動作を示すタイミングチャート。

【図５】図１の固体撮像素子内に設けられた画素の内部
構成の一例を示す回路図。

【図６】図５の画素の動作を示すタイミングチャート。

【図７】第１の実施形態の固体撮像装置の内部構成を示
すブロック図。

【図８】ＬＯＧ／ＬＮ判定器に入力される信号の様子を
示すグラフ。

【図９】対数変換器の動作を説明するためのグラフ。

【図１０】処理動作を説明するためのＲＧＢ信号のヒス
トグラムの一例を示す図。

【図１１】色信号のヒストグラムの一例を示す図。

【図１２】色信号のヒストグラムの一例を示す図。

【図１３】映像信号のヒストグラムの一例を示す図。

【図１４】第２の実施形態の固体撮像装置の内部構成を
示すブロック図。

【図１５】ＬＯＧ／ＬＮ判定器及び線形変換器の動作を
説明するためのグラフ。

【符号の説明】

４１赤外線カットフィルタ４２固体撮像素子４３ＡＤ変換器４４ＬＯＧ／ＬＮ判定器４５ａ〜４５ｃ対数変換器４５ｘ〜４５ｚ線形変換器４６ａ〜４６ｃ，４６ｘ〜４６ｚ画像処理器４７画像合成器４８画像調整器

フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA02 AA10 AB01 BA14 CA02 DD09 DD12 FA06 GC08 5C024 CX43 EX51 GX03 GY31 HX00 HX29 HX57

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体の輝度によって、入射光量に対し
て線形的に変換した電気信号を出力する第１状態と、入
射光量に対して自然対数的に変換した電気信号を出力す
る第２状態との間で動作状態を切り換える複数の画素を
備えた固体撮像素子と、前記各画素からの電気信号が、前記画素が前記第１状態
で動作したときに出力された電気信号であるか否かを判
定する出力判定器と、該出力判定器で、前記画素が前記第１状態で動作したと
きに出力された電気信号と判定された電気信号の信号レ
ベルを、前記画素が前記第２状態で動作したときに出力
された電気信号に対応した信号レベルに変換する対数変
換器と、を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】前記出力判定器の判定に用いる所定の閾
値をＹとするとき、前記対数変換器が、前記出力判定器より与えられた電気
信号を対数変換した後、０乃至Ｙ又はＹ近傍の値に対応
する信号レベルに割付を行う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３】前記固体撮像素子が複数の色フィルタを
備えて、複数種類の色信号を前記各画素より出力すると
き、前記出力判定器が、前記色信号の種類毎に抽出して出力
するとともに、前記対数変換器が、前記色信号の種類毎に処理を行って
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】前記固体撮像素子から出力される電気信
号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を更に備え、前記対数変換器は前記Ａ／Ｄ変換器による変換後のデジ
タル信号に対して信号レベルの変換を行うことを特徴と
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。
【請求項５】前記出力判定器は、前記Ａ／Ｄ変換器に
よる変換後のデジタル信号に対して信号レベルの変換を
行うことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】被写体の輝度によって、入射光量に対し
て線形的に変換した電気信号を出力する第１状態と、入
射光量に対して自然対数的に変換した電気信号を出力す
る第２状態との間で動作状態を切り換える複数の画素を
備えた固体撮像素子と、前記各画素からの電気信号が、前記画素が前記第２状態
で動作したときに出力された電気信号であるか否かを判
定する出力判定器と、該出力判定器で、前記画素が前記第２状態で動作したと
きに出力された電気信号と判定された電気信号の信号レ
ベルを、前記画素が前記第１状態で動作したときに出力
された電気信号に対応した信号レベルに変換する線形変
換器と、を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】前記出力判定器の判定に用いる所定の閾
値をＹとし、信号レベルの最大値をＹＭとするとき、前記線形変換器が、前記出力判定器より与えられた電気
信号を指数変換した後、Ｙ又はＹ近傍の値乃至ＹＭに対
応する信号レベルに割付を行うことを特徴とする請求項
６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】前記固体撮像素子が複数の色フィルタを
備えて、複数種類の色信号を前記各画素より出力すると
き、前記出力判定器が、前記色信号の種類毎に抽出して出力
するとともに、前記線形変換器が、該色信号の種類毎に処理を行って出
力することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の
固体撮像装置。
【請求項９】前記固体撮像素子から出力される電気信
号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を更に備え、前記線形変換器は前記Ａ／Ｄ変換器による変換後のデジ
タル信号に対して信号レベルの変換を行うことを特徴と
する請求項６〜請求項８のいずれかに記載の固体撮像装
置。
【請求項１０】前記出力判定器は、前記Ａ／Ｄ変換器
による変換後のデジタル信号に対して信号レベルの変換
を行うことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装
置。
【請求項１１】前記出力判定器が、前記各画素からの
電気信号の信号レベルを所定の閾値と比較し、信号レベルが前記所定の閾値より低いとき、前記画素が
前記第１状態で動作したときに出力された電気信号であ
ると判定し、信号レベルが前記所定の閾値より高いとき、前記画素が
前記第２状態で動作したときに出力された電気信号であ
ると判定することを特徴とする請求項１〜請求項１０の
いずれかに記載の固体撮像装置。