JP4013700B2 - Imaging device - Google Patents

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Description

【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化する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化する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撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、入射光量に対して線形変換する線形変換動作を行う固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが2桁と狭いため、広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像したときは、ダイナミックレンジ以外の範囲の輝度情報は出力されない。又、従来の固体撮像装置として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある(特許文献1参照)。
【0003】
この固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが5〜6桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。しかしながら、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。これらに対して、従来の固体撮像素子として、上述の線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることが可能なものがある(特許文献2)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−313257号公報
【特許文献2】
特開2002−77733号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献2における固体撮像素子によると、フォトダイオードに接続されたMOSトランジスタのソース電圧を二値化して変化させることによって、対数変換動作と線形変換動作の切換が行われる。このようにして、対数変換動作と線形変換動作の切換がソース電圧によって切り換えられるため、被写体を写す毎に、その被写体の輝度範囲などから判断して切り換える必要がある。又、被写体によっては、輝度の低い部分と高い部分が混在しているものもあり、この場合、輝度の低い部分はコントラストを高くするために線形変換動作をさせる方が良く、又、輝度の高い部分は白つぶれを起こさないようにダイナミックレンジの広い対数変換動作をさせる方が良い。
【0006】
更に、被写体の輝度が低い場合、そのコントラストを良くするために、固体撮像素子の各画素における積分時間を長くして感度を高くする方法がある。しかしながら、この積分時間だけによって各画素の感度を高くするには、動画撮影時など、1フレームを撮像するために必要とされる時間が決まっている場合、長くするにも限界があり、十分な感度が得られないことがある。
【0007】
このような問題を鑑みて、本発明は、コントラスト良好な状態で撮影が可能であるとともに、被写体のダイナミックレンジを、固体撮像素子のダイナミックレンジに適合させることができる撮像装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子と該感光素子からの電気信号が与えられるトランジスタと該トランジスタからの電気信号を積分する積分回路とを有するとともに、被写体が比較的低輝度側において入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第1状態と被写体が比較的高輝度側において入射光量に応じた電気信号を対数変換して出力する第2状態との間で自動的に切換可能な複数の画素より成る固体撮像素子を有する撮像装置において、リセット時において前記トランジスタに与えるバイアス電圧の値を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換えることによって、リセット直後の前記トランジスタのポテンシャル状態を変化させるものであって、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記画素の動作状態が第1状態から第2状態に切り替わる変極点となる値を高輝度側に遷移させるバイアス調整部を有することを特徴とする。尚、バイアス調整部及び積分時間調整部は、以下の実施形態において、主制御部及び垂直走査回路によって構成される。
【0009】
このような構成において、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、撮像時のバイアス電圧値とリセット時のバイアス電圧値との電圧差を大きくする。又、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記積分時間調整部によって積分時間を長くする。更に、前記各画素における積分時間を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換える積分時間調整部を設けてもよい
【0010】
このような撮像装置において、前記固体撮像素子から出力される電気信号に対して画像処理を施す画像処理部を有し、該画像処理部において、前記バイアス調整部及び前記積分時間調整部による前記固体撮像素子の設定状態に応じて、前記固体撮像素子から出力される電気信号に施す画像処理方法を切り換える。
【0011】
例えば、バイアス調整部によってリセット時にトランジスタに与えるバイアス電圧を変化させたとき、第1状態から第2状態に遷移する変極点が変化するため、画像処理部では、その変極点の遷移に応じて画像処理動作に対しても線形変換された電気信号に応じた処理を行う範囲と対数変換された電気信号に応じた処理を行う範囲とを設定する。又、積分時間調整部によって積分時間が切り換えられるとき、固体撮像素子から出力される電気信号のダイナミックレンジが変化するため、画像処理部では、A/D変換するときなどにおいて、出力された電気信号のダイナミックレンジを積分時間の長さに応じて変化させる。
【0012】
上述の撮像装置において、前記画素が、前記感光素子となるとともに、第1電極に直流電圧が印加されたフォトダイオードと、該フォトダイオードの第2電極に、第1電極及びゲート電極が接続されるとともに、ゲート電極から電気信号を出力するMOSトランジスタと、を有し、前記バイアス調整部によって、前記被写体の輝度分布の輝度範囲が狭いときは、前記MOSトランジスタのゲート電極と第2電極との間のポテンシャルの差が大きくなるように、リセット直後の前記MOSトランジスタのポテンシャル状態が調整されるとともに、前記被写体の輝度分布の輝度範囲が広いときは、前記MOSトランジスタのゲート電極と第2電極との間のポテンシャルの差が小さくなるように、リセット直後の前記MOSトランジスタのポテンシャル状態が調整される。
【0013】
このとき、MOSトランジスタをPチャネルのMOSトランジスタとすると、被写体の輝度範囲が広いとき、リセット時に前記MOSトランジスタの第2電極へ与える電圧値を低く設定し、被写体の輝度範囲が狭いとき、リセット時に前記MOSトランジスタの第2電極へ与える電圧値を高く設定する。又、MOSトランジスタをNチャネルのMOSトランジスタとすると、被写体の輝度範囲が広いとき、リセット時に前記MOSトランジスタの第2電極へ与える電圧値を高く設定し、被写体の輝度範囲が狭いとき、リセット時に前記MOSトランジスタの第2電極へ与える電圧値を低く設定する。
【0014】
又、前記画素が、前記積分回路として前記トランジスタより出力された電気信号が一端に与えられて積分するキャパシタを備え、当該キャパシタで積分する期間の長さを切り換えることによって、前記画素の感度を変化させる。
【0015】
又、上述の撮像装置において、撮像動作時に前記トランジスタより発生する電気信号を前記積分回路で積分することで得られる電気信号を映像信号とし、リセット時に前記トランジスタより発生する電気信号を前記積分回路で積分することで得られる電気信号をノイズ信号としたとき、前記映像信号及び前記ノイズ信号それぞれを前記出力回路に導出する際に、前記積分回路に与える参照電圧の電位を変化させるようにすることで、出力されたノイズ信号によって映像信号のノイズ除去を行ったとき、ノイズ除去された映像信号のオフセットを低減させることができる。
【0016】
このような構成において、前記積分回路をキャパシタとしたとき、前記キャパシタで積分されて得られた電気信号が出力される出力信号線と、前記キャパシタと前記出力信号線との間の電気的な接離を行う第1スイッチとを備え、当該第1スイッチのON/OFF動作に同期して前記参照電圧の電位を変化させる。
【0017】
又、前記フォトダイオードと前記MOSトランジスタとの電気的な接離を行う第2スイッチを備え、リセット動作を行うとき、前記第2スイッチをOFFとした状態で前記MOSトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【0018】
又、前記フォトダイオードと前記MOSトランジスタとの電気的な接離を行う第2スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第2スイッチをONとした状態で前記MOSトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【0019】
又、前記フォトダイオードと前記MOSトランジスタとの電気的な接離を行う第2スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第2スイッチをONとした状態で前記MOSトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるとともに、リセット動作を行うとき、前記第2スイッチをOFFとした状態で前記MOSトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【0020】
このとき、前記参照電圧を3値とするとともに、前記映像信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅を、前記ノイズ信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅よりも大きくすることで、映像信号とノイズ信号との差分をとることによりノイズ除去した映像信号に発生するオフセットを低減することできる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【0022】
1.固体撮像素子の構成
まず、本実施形態の固体撮像素子について、図1を参照して説明する。図1は、本実施形態の固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【0023】
同1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。1は垂直走査回路であり、各画素に信号φVを与える行(ライン)3−1、3−2、・・・、3−nを順次走査していくとともに、ライン4−1、4−2、・・・、4−nを介して各画素に信号φVDを、ライン5−1、5−2、・・・、5−nを介して各画素に信号φVPSを、それぞれ与える。2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。10は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン3−1〜3−n,4−1〜4−n,5−1〜5−nや出力信号線6−1〜6−m、電源ライン10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。
【0024】
又、出力信号線6−1〜6−mのそれぞれには、定電流源7−1〜7−mが接続されるとともに、信号線6−1〜6−mのそれぞれを介して与えられる画素G11〜Gmnから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路8−1〜8−mが設けられる。そして、補正回路9に選択回路8−1〜8−mから映像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路9で補正処理が行われて、ノイズ除去された映像信号が外部に出力される。尚、定電流源7−1〜7−mの一端に直流電圧VPSが印加される。
【0025】
このような固体撮像素子において、画素Gab(a:1≦a≦mの自然数、b:1≦b≦nの自然数)からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線6−aを介して出力されるとともに、この出力信号線6−aに接続された定電流源7−aによって増幅される。そして、画素Gabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に選択回路8−aに送出されるとともに、この選択回路8−aにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。
【0026】
その後、選択回路8−aより、サンプルホールドされた映像信号が補正回路9に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路9に送出される。補正回路9では、選択回路8−aより与えられた映像信号を、同じく選択回路8−aより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した映像信号を外部に出力する。尚、選択回路8−1〜8−n及び補正回路9それぞれの構成の一例として、本出願人が特開平2001−223948号公報において提示した構成などが挙げられる。又、選択回路8−1〜8−nの構成位置に、補正回路を設けるようにしても構わない。
【0027】
2.画素の構成例
図1の固体撮像素子内に設けられる画素G11〜Gmnの構成の1例を、以下に図2を参照して説明する。図2の画素において、カソードに直流電圧VPDが印加されたフォトダイオードPDのアノードにMOSトランジスタT1のドレインが接続され、MOSトランジスタT1のソースにMOSトランジスタT2のゲート及びドレインとMOSトランジスタT3のゲートが接続される。
【0028】
又、MOSトランジスタT3のソースにMOSトランジスタT4のゲート及びMOSトランジスタT5のドレインが接続され、MOSトランジスタT4のソースにMOSトランジスタT6のドレインが接続される。そして、MOSトランジスタT6のドレインが出力信号線6(図1の出力信号線6−1〜6−mに相当する)に接続される。尚、MOSトランジスタT1〜T6は、PチャネルのMOSトランジスタである。
【0029】
MOSトランジスタT2のソースにはライン5(図1のライン5−1〜5−nに相当する)を介して信号φVPSが入力され、MOSトランジスタT3,T4のドレインに直流電圧VPDが印加される。又、MOSトランジスタT3のソースには、その一端にライン4(図1のライン4−1〜4−nに相当する)を介して信号φVDが与えられるキャパシタCの他端が接続される。又、MOSトランジスタT5のソースには直流電圧VRGが入力され、そのゲートに信号φRSが入力される。更に、MOSトランジスタT1,T6のゲートにはそれぞれ、信号φS,φVが入力される。
【0030】
このように構成された画素において、MOSトランジスタT6及び出力信号線6を介して、一端に直流電圧VPSが印加された定電流源7(図1の定電流源7−1〜7−mに相当する)が、MOSトランジスタT4のソースに接続される。よって、MOSトランジスタT6がONのとき、MOSトランジスタT4はソースフォロワのMOSトランジスタとして動作し、定電流源7によって増幅された電圧信号を出力信号線6に出力する。
【0031】
このようにソースフォロワ回路を構成することにより、信号を大きく出力する増幅回路が構成される。従って、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での処理が容易になる。又、増幅回路の負荷抵抗部分を構成する定電流源7−1〜7−m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−m毎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。
【0032】
このような構成の画素による撮像動作及び感度バラツキ検出動作について、以下に説明する。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VLとし、又、この電圧よりも高くMOSトランジスタT2を導通状態にする電圧をVHとする。又、信号φVDは、3値の電圧信号であり、キャパシタCを積分動作させる際の電圧値を最も高いVhとし、映像信号読み出し時の電圧値をVhよりも低いVmとし、ノイズ信号読み出し時の電圧値をVmよりも低いVlとする。
【0033】
(1)リセット時の基本動作(ノイズ信号出力時)
まず、各画素のリセット時の動作について、図3のタイミングチャートを参照して説明する。まず、電圧値Vmのパルス信号φVDとパルス信号φVが与えられて映像信号が出力されると、信号φVDをVhとした後、信号φSをハイにしてMOSトランジスタT1をOFFにして、リセット動作が始まる。このとき、MOSトランジスタT2のソース側より正の電荷が流れ込み、MOSトランジスタT2のゲート及びドレイン、そしてMOSトランジスタT3のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、MOSトランジスタT2のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【0034】
しかし、MOSトランジスタT2のゲート及びドレインのポテンシャルがある値まで上がると、そのリセット速度が遅くなる。特に、明るい被写体が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、MOSトランジスタT2のソースに与える信号φVPSをVHにする。このように、MOSトランジスタT2のソース電圧を高くすることで、MOSトランジスタT2のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、MOSトランジスタT2のゲート及びドレイン、そしてMOSトランジスタT3のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。このとき、信号φRSをローとして、MOSトランジスタT5をONにして、キャパシタCとMOSトランジスタT4のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【0035】
そして、信号φVPSをVHにすることで、MOSトランジスタT2のゲート及びドレインのポテンシャルが、更に高くなると、MOSトランジスタT2のソースに与える信号φVPSをVLにして、MOSトランジスタT2のポテンシャル状態を基の状態に戻す。このように、MOSトランジスタT2のポテンシャルの状態を基の状態にリセットすると、信号φRSをハイにして、MOSトランジスタT5をOFFにする。
【0036】
そして、キャパシタCが積分動作を行って、キャパシタCとMOSトランジスタT4のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたMOSトランジスタT2のゲート電圧に応じたものとなる。そして、パルス信号φVをMOSトランジスタT6のゲートに与えてMOSトランジスタT6をONにするとともに信号φVDの電圧値をVlにすることによって、MOSトランジスタT2,T3の特性のバラツキに起因する各画素の感度のバラツキを表す出力電流が出力信号線6から流れる。
【0037】
このとき、MOSトランジスタT4がソースフォロワ型のMOSトランジスタとして動作するため、出力信号線6にはノイズ信号が電圧信号として現れる。その後、再び、パルス信号φRSをMOSトランジスタT5に与えて、キャパシタCとMOSトランジスタT4のゲートとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φSをローにしてMOSトランジスタT1を導通させて撮像動作が行える状態にする。
【0038】
(2)撮像時の基本動作(映像信号出力時)
次に、各画素の撮像時の動作を説明する。まず、信号φSは撮像動作の間、常にローとし、MOSトランジスタT1をONの状態とする。このとき、信号φRSをハイとして、MOSトランジスタT5をOFFとする。又、MOSトランジスタT2のソースに与える信号φVPSをVLとするとともに、キャパシタCに与える信号φVDの電圧値をVhとして、積分動作を行うようにする。
【0039】
このとき、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T2に流れ込む。今、MOSトランジスタT2はカットオフ状態であるので、光電荷がMOSトランジスタT2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T2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T2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T3のゲートに現れる。
【0040】
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T2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T2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T3のゲートに現れる。
【0041】
この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T3で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタCから流れて、キャパシタCが放電される。よって、MOSトランジスタT4のゲート電圧が、入射光量の積分値に対して線形的又は自然対数的に比例した電圧となる。そして、このキャパシタCが積分動作を行うことで現れる映像信号を読み出すために、信号φVDの電圧値をVmとするとともに、MOSトランジスタT6にパルス信号φVを与える。よって、MOSトランジスタT4のゲート電圧に応じたソース電流が、MOSトランジスタT6を介して出力信号線6へ流れる。
【0042】
このようにして、MOSトランジスタT4がソースフォロワ型のMOSトランジスタとして動作するため、出力信号線6には映像信号が電圧信号として現れる。その後、信号φVをハイにしてMOSトランジスタT6をOFFにするとともに、信号φVDの電圧値をVhとする。このように、MOSトランジスタT4,T6を介して出力される映像信号は、MOSトランジスタT4のゲート電圧に比例した値となるため、フォトダイオードPDへの入射光量の積分値が線形的に又は自然対数的に変換された信号となる。
【0043】
このとき、撮像時に対数変換動作に変わるときのMOSトランジスタT2のゲート電圧に至るまでにMOSトランジスタT2に流れ込む光電荷量が、全ての画素において等しくなる。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T2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。
【0044】
又、上述のように、ノイズ信号を読み出す際のキャパシタCに与える電圧値をVlとし、映像信号を積分する際の電圧値Vmよりも低くすることによって、オフセット値を(Vl−Vm)に比例した電圧値分低くすることができ、従来に比べて、オフセット値の占める割合を低くすることができる。
【0045】
(3)撮影条件の切換
上述のようにリセット動作及び撮影動作が行われるとき、リセット時の信号φVPSの電圧値VHが高くなり、撮像時の信号φVPSの電圧値VLとの差を大きくするほど、MOSトランジスタT2のゲート・ソース間のポテンシャルの差が大きくなり、MOSトランジスタT2がカットオフ状態で動作する被写体輝度の割合が大きくなる。よって、図4のように、電圧値VHが高いほど、線形変換する被写体輝度の割合が大きくなる。即ち、被写体の輝度範囲が狭いと電圧値VHを高くし、又、被写体の輝度範囲が広いと電圧値VHを低くする。
【0046】
このように、リセット時の信号φVPSの電圧値VHを変化させることによって、線形変換動作と対数変換動作の切換を行う変極点を変化させるとき、図3及び図5のように、各信号の動作時間の長さを変化させることによって、フォトダイオードPD及びキャパシタCでの積分時間の長さを変化させ、各画素の感度を変化させることができる。即ち、被写体の輝度範囲が狭いと、図5のように各信号の動作時間を長くし、又、被写体の輝度範囲が広いと、図3のように各信号の動作時間を短くする。よって、図5の場合、図3に比べて、積分時間を2倍とするので、各画素におけるフレームレートが1/2倍となる。
【0047】
即ち、被写体全体の輝度値が低く、その輝度範囲が狭くなる場合は、コントラストを良好に撮影するために、電圧値VHを最も高くして図4の点線のように線形変換させる範囲を広くするとともに、図5のように各信号の動作時間を長くして感度を高くする。又、その輝度値がやや高くなった場合、図3のように各信号の動作時間を短くする。更に、その輝度範囲が広くなった場合、電圧値VHを中間の値として図4の1点鎖線のように線形変換させる範囲をやや狭くする。又、被写体全体の輝度値が高く、又、その輝度範囲が広くなる場合は、電圧値VHを最も低くして図4の実線のように線形変換させる範囲を更に狭くするとともに、図3のように各信号の動作時間を短くする。即ち、本実施形態において、リセット時の信号φVPSの電圧値VHを3段階に変化させるとともに、各信号の動作時間を2段階に変化させる場合、被写体全体の輝度値及びその輝度範囲に応じて、6段階に変化させることができる。
【0048】
3.撮像装置の構成
上述のように、各画素が動作する固体撮像素子を備えた撮像装置について、図6を参照して説明する。図6は、本実施形態における撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
【0049】
図6の撮像装置は、図1のような構成の固体撮像素子100と、固体撮像素子100内の補正回路9から出力されるノイズ除去された映像信号をデジタル信号に変換するA/D変換部101と、A/D変換部101で変換された映像信号に対して画像処理を施す画像処理部102と、固体撮像素子100内の各画素に与える信号φVPSの電圧VHの値と各信号の動作時間とを設定して固体撮像素子100を制御する主制御部103とを備える。そして、A/D変換部101と画像処理部102のそれぞれには、固体撮像素子100から各画素に与える信号φVPSの電圧VHの値と各信号の動作時間とが画素制御情報として与えられる。
【0050】
このようにして、A/D変換部101及び画像処理部102に、固体撮像素子100より画素制御情報が与えられると、まず、A/D変換部101では、固体撮像素子100より出力される映像信号のダイナミックレンジの上限と下限が設定される。即ち、各画素に与えられる各信号の動作時間が長く設定されるとき、そのダイナミックレンジを広くするとともに、ダイナミックレンジの下限を高くする。このとき、A/D変換部101から出力される映像信号の変極点となる値が、各信号の動作時間の長さに関わらず等しい値となるように設定されるようにされるものとする。
【0051】
又、画像処理部102では、信号φVPSの電圧VHの値より、A/D変換部101より出力される映像信号の変極点となる値を認識し、この変極点となる値よりも低い映像信号については線形変換された映像信号として画像処理を施すとともに、変極点となる値よりも高い映像信号については対数変換された映像信号として画像処理を施す。
【0052】
尚、本実施形態において、A/D変換部101において、映像信号の変極点を各信号の動作時間の長さに関わらず等しい値となるように設定するものとしたが、このように設定されないものとしても構わない。このとき、画像処理部102において、各信号の動作時間も認識され、それぞれの場合における変極点となる値が確認され、与えられる映像信号の値と変極点となる値とを比較して、線形変換された映像信号に対する画像処理と対数変換された映像信号に対する画像処理とを切り換えるようにする。
【0053】
又、本実施形態において、PチャネルのMOSトランジスタを用いて各画素が構成されるようにしたが、NチャネルのMOSトランジスタを用いて構成されるようにしても構わない。このとき、各素子の極性が逆になるため、固体撮像装置に設けられる定電流源7−1〜7−mについても、図7のように、図1と逆の極性となる。このように各ブロック内の素子が極性が逆となること以外、ラインや各ブロックの関係については、図1の固体撮像装置と同様となる。
【0054】
又、このときの各画素を構成するMOSトランジスタはNチャネルとなり、図8のように表される。そして、MOSトランジスタT1〜T6及びキャパシタCの接続関係及び各素子の役割が、図2と同一であるとともに、各素子が、図8の場合と逆の極性に応じた動作を行う。即ち、信号φVDの電圧値を、映像信号及びノイズ信号の積分時において最も低いVaとし、映像信号読み出し時において中間値となるVbとし、ノイズ信号読み出し時において最も高いVcとする。
【0055】
このように、各画素を構成するMOSトランジスタをNチャネルとしたときに各画素に与えられる信号φVPS,φVD,φS,φRS,φVを変化させるタイミングが、図9のように表される。即ち、信号φVPS,φS,φRS,φVにおけるハイ、ローの関係が、図3と逆とすることによって、MOSトランジスタT1,T2,T5,T6の動作タイミングを同一のタイミングとすることができる。
【0056】
又、図3における信号φVDの電圧値Vh,Vm,Vlそれぞれを与えるタイミングと、図9における信号φVDの電圧値Va,Vb,Vcそれぞれ与えるタイミングとを同一とすることによって、MOSトランジスタT1〜T6を逆極性としたときのキャパシタCの動作状態を、各タイミングにおいて本実施形態の場合と同様の状態にすることができる。更に、リセット時の信号φVPSの値VLを低くすることによって、変極点の値を低くし、線形変換動作を行う範囲を広くすることができる。
【0057】
【発明の効果】
本発明によると、被写体の輝度によって、固体撮像素子内に設けられた各画素内のトランジスタのポテンシャル状態と積分時間とを調整することができるので、被写体の撮影条件の選択の自由度が大きく拡大される。よって、コントラストや階調性の良好な画像を撮影できる撮影条件を選択することができる。特に、積分時間を長くするとともに第1状態から第2状態へ切り替わる変極点となる値を高輝度側とすることで、暗部での感度を高くすることができるとともに、そのコントラストを良好なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。
【図2】図1の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図3】図2の画素の動作を示すタイミングチャート。
【図4】被写体の輝度と固体撮像素子の出力との関係を示すグラフ。
【図5】図2の画素のフレームレートを変化させたときの動作を示すタイミングチャート。
【図6】図1の固体撮像素子を備えた撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図7】固体撮像装置の構成を示すブロック回路図。
【図8】図7の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図9】図8の画素の動作を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
1 垂直走査回路
2 水平走査回路
3−1〜3−n ライン
4−1〜4−n ライン
5−1〜5−n ライン
6−1〜6−m 出力信号線
7−1〜7−m 定電流源
8−1〜8−m 選択回路
9 補正回路
10 電源ライン
G11〜Gmn 画素
PD フォトダイオード
T1〜T6 MOSトランジスタ
C キャパシタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a solid that can be switched between a first state that outputs an electric signal that linearly changes with respect to the amount of incident light and a second state that outputs an electric signal that naturally changes logarithm with respect to the amount of incident light. The present invention relates to an imaging apparatus having an imaging element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a solid-state imaging device that performs a linear conversion operation that linearly converts the amount of incident light, its dynamic range is as narrow as two orders of magnitude, so when imaging a subject that constitutes a luminance distribution in a wide luminance range, other than the dynamic range The luminance information in the range is not output. Further, as a conventional solid-state imaging device, there is one that performs a logarithmic conversion operation for logarithmically converting the amount of incident light (see Patent Document 1).
[0003]
In this solid-state imaging device, the dynamic range is as wide as 5 to 6 digits. Therefore, even if an image of a subject constituting a luminance distribution in a slightly wide luminance range is captured, all luminance information in the luminance distribution is converted into an electrical signal. Can be output. However, since the imageable area becomes wider with respect to the luminance distribution of the subject, an area without luminance data is formed in the low luminance area or the high luminance area in the imageable area. On the other hand, there is a conventional solid-state imaging device capable of switching between the above-described linear conversion operation and logarithmic conversion operation (Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-313257 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-77733
[Problems to be solved by the invention]
According to the solid-state imaging device described in Patent Document 2, the logarithmic conversion operation and the linear conversion operation are switched by binarizing and changing the source voltage of the MOS transistor connected to the photodiode. In this way, since the switching between the logarithmic conversion operation and the linear conversion operation is switched by the source voltage, it is necessary to switch from judging the luminance range of the subject every time the subject is photographed. Depending on the subject, there may be a mixture of a low-luminance part and a high-luminance part. In this case, it is better to perform a linear conversion operation to increase the contrast of the low-luminance part. It is better to perform a logarithmic conversion operation with a wide dynamic range so that the portion is not crushed white.
[0006]
Further, in order to improve the contrast when the luminance of the subject is low, there is a method of increasing the sensitivity by increasing the integration time in each pixel of the solid-state imaging device. However, in order to increase the sensitivity of each pixel only by this integration time, there is a limit to increasing the time required to capture one frame, such as when shooting a movie, and there is a limit. Sensitivity may not be obtained.
[0007]
In view of such a problem, an object of the present invention is to provide an imaging apparatus that can capture an image with good contrast and can adapt the dynamic range of a subject to the dynamic range of a solid-state imaging device. And
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an image pickup apparatus according to the present invention includes a photosensitive element that outputs an electrical signal corresponding to the amount of incident light, a transistor that is supplied with the electrical signal from the photosensitive element, and an integration that integrates the electrical signal from the transistor. A first state in which an electrical signal corresponding to the amount of incident light is linearly converted and output when the subject is on a relatively low luminance side and a logarithmic conversion of the electrical signal corresponding to the amount of incident light on the relatively high luminance side In the imaging apparatus having a solid-state imaging device composed of a plurality of pixels that can be automatically switched to and from the second state to be output, the value of the bias voltage applied to the transistor at the time of reset is imaged by the solid-state imaging device. The potential state of the transistor immediately after resetting can be changed by switching to multiple stages according to the state of the luminance distribution of the subject. Be one that is of, the luminance range of the subject is narrowed, that the operation state of the pixel has a bias adjustment unit for shifting a value that is a turning point of switching from the first state to the second state to the high luminance side Features. The bias adjustment unit and the integration time adjustment unit are configured by a main control unit and a vertical scanning circuit in the following embodiments.
[0009]
In such a configuration , when the luminance range of the subject is narrowed , the voltage difference between the bias voltage value at the time of imaging and the bias voltage value at the time of reset is increased. When the luminance range of the subject is narrowed, the integration time is extended by the integration time adjustment unit. Furthermore, an integration time adjustment unit that switches the integration time in each pixel in a plurality of stages according to the state of the luminance distribution of the subject imaged by the solid-state imaging device may be provided .
[0010]
In such an imaging apparatus , the image processing unit includes an image processing unit that performs image processing on an electrical signal output from the solid-state imaging device. In the image processing unit, the solid state is formed by the bias adjustment unit and the integration time adjustment unit. The image processing method applied to the electrical signal output from the solid-state image sensor is switched according to the setting state of the image sensor.
[0011]
For example, when the bias voltage applied to the transistor at the time of reset is changed by the bias adjustment unit, the inflection point at which the transition from the first state to the second state changes, so the image processing unit changes the image according to the transition of the inflection point. Also for the processing operation, a range for performing processing according to the linearly converted electrical signal and a range for performing processing according to the logarithmically converted electrical signal are set. In addition, when the integration time is switched by the integration time adjustment unit, the dynamic range of the electrical signal output from the solid-state imaging device changes, so that the image processing unit outputs the electrical signal output during A / D conversion or the like. The dynamic range of is changed according to the length of the integration time.
[0012]
In the above-described imaging device, the pixel serves as the photosensitive element, and a first electrode and a gate electrode are connected to a photodiode in which a DC voltage is applied to the first electrode, and a second electrode of the photodiode. And a MOS transistor that outputs an electric signal from the gate electrode, and when the luminance range of the luminance distribution of the subject is narrow by the bias adjustment unit, the MOS transistor is provided between the gate electrode and the second electrode. The potential state of the MOS transistor immediately after reset is adjusted so that the potential difference between the gate electrode and the second electrode of the MOS transistor is large when the luminance range of the luminance distribution of the subject is wide. The potential of the MOS transistor immediately after resetting is reduced so that the potential difference between Le state is adjusted.
[0013]
At this time, if the MOS transistor is a P-channel MOS transistor, when the luminance range of the subject is wide, the voltage value applied to the second electrode of the MOS transistor at the time of resetting is set low, and when the luminance range of the subject is narrow, at the time of resetting A voltage value applied to the second electrode of the MOS transistor is set high. If the MOS transistor is an N-channel MOS transistor, the voltage value applied to the second electrode of the MOS transistor at the time of resetting is set high when the luminance range of the subject is wide. The voltage value applied to the second electrode of the MOS transistor is set low.
[0014]
In addition, the pixel includes a capacitor that integrates the electrical signal output from the transistor as one of the integration circuits, and changes the sensitivity of the pixel by switching the length of the integration period of the capacitor. Let
[0015]
Further, in the above-described imaging device, an electrical signal obtained by integrating the electrical signal generated from the transistor during the imaging operation by the integration circuit is used as a video signal, and the electrical signal generated from the transistor during the reset is generated by the integration circuit. When the electric signal obtained by integration is a noise signal, the potential of the reference voltage applied to the integration circuit is changed when the video signal and the noise signal are derived to the output circuit. When the noise of the video signal is removed by the output noise signal, the offset of the video signal from which the noise has been removed can be reduced.
[0016]
In such a configuration, when the integration circuit is a capacitor, an output signal line from which an electrical signal obtained by integration with the capacitor is output, and an electrical connection between the capacitor and the output signal line. A first switch that performs the separation, and changes the potential of the reference voltage in synchronization with the ON / OFF operation of the first switch.
[0017]
In addition, a second switch for electrically connecting / disconnecting the photodiode and the MOS transistor is provided, and when a reset operation is performed, an electric signal output from the MOS transistor with the second switch turned off is provided. When the electric signal obtained by accumulating in the capacitor is derived as a noise signal to the output signal line, the potential of the reference voltage applied to the capacitor may be changed.
[0018]
In addition, a second switch for electrically connecting and separating the photodiode and the MOS transistor is provided, and when performing an imaging operation, an electric signal output from the MOS transistor with the second switch turned on is provided. When an electrical signal obtained by accumulating in the capacitor is derived as a video signal to the output signal line, the potential of the reference voltage applied to the capacitor may be changed.
[0019]
In addition, a second switch for electrically connecting and separating the photodiode and the MOS transistor is provided, and when performing an imaging operation, an electric signal output from the MOS transistor with the second switch turned on is provided. When the electric signal obtained by accumulating in the capacitor is derived as a video signal to the output signal line, the potential of the reference voltage applied to the capacitor is changed, and when performing a reset operation, the second switch is The potential of the reference voltage applied to the capacitor when the electrical signal obtained by accumulating the electrical signal output from the MOS transistor in the OFF state in the capacitor is derived as a noise signal to the output signal line. You may make it change.
[0020]
At this time, the reference voltage is ternary, and the change width of the reference voltage potential at the time of deriving the video signal is larger than the change width of the reference voltage potential at the time of deriving the noise signal. By taking the difference between the video signal and the noise signal, the offset generated in the video signal from which noise has been removed can be reduced.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0022]
1. Configuration of Solid-State Image Sensor First, the solid-state image sensor of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment.
[0023]
In FIG. 1, G11 to Gmn indicate pixels arranged in a matrix (matrix arrangement). Reference numeral 1 denotes a vertical scanning circuit, which sequentially scans rows (lines) 3-1, 3-2,..., 3-n that apply a signal φV to each pixel, and lines 4-1, 4-2. ,..., 4-n, a signal φVD is applied to each pixel, and a signal φVPS is applied to each pixel via lines 5-1, 5-2,. A horizontal scanning circuit 2 sequentially reads out photoelectric conversion signals derived from the pixels to the output signal lines 6-1, 6-2, ..., 6-m in the horizontal direction for each pixel. Reference numeral 10 denotes a power supply line. For each pixel, not only the lines 3-1 to 3-n, 4-1 to 4-n, 5-1 to 5-n, the output signal lines 6-1 to 6-m, and the power supply line 10, but also These lines (for example, a clock line and a bias supply line) are also connected, but these are omitted in FIG.
[0024]
Also, constant current sources 7-1 to 7-m are connected to the output signal lines 6-1 to 6-m, and pixels are provided via the signal lines 6-1 to 6-m, respectively. Selection circuits 8-1 to 8-m are provided for sample-holding video signals and noise signals supplied from G11 to Gmn. Then, when the video signal and the noise signal are sequentially transmitted from the selection circuits 8-1 to 8-m to the correction circuit 9, the correction circuit 9 performs correction processing and outputs the video signal from which noise is removed to the outside. Is done. The DC voltage VPS is applied to one end of the constant current sources 7-1 to 7-m.
[0025]
In such a solid-state imaging device, the video signal and the noise signal output from the pixel Gab (a: 1 ≦ a ≦ m natural number, b: 1 ≦ b ≦ n natural number) are respectively output signal lines 6- The signal is output via a and amplified by a constant current source 7-a connected to the output signal line 6-a. The video signal and noise signal output from the pixel Gab are sequentially sent to the selection circuit 8-a, and the sent video signal and noise signal are sampled and held in the selection circuit 8-a.
[0026]
Thereafter, after the sampled and held video signal is sent to the correction circuit 9 from the selection circuit 8-a, the same sampled and held noise signal is sent to the correction circuit 9. In the correction circuit 9, the video signal given from the selection circuit 8-a is corrected based on the noise signal also given from the selection circuit 8-a, and the noise-removed video signal is output to the outside. An example of the configuration of each of the selection circuits 8-1 to 8-n and the correction circuit 9 is a configuration presented by the present applicant in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-223948. Further, a correction circuit may be provided at the configuration position of the selection circuits 8-1 to 8-n.
[0027]
2. Pixel Configuration Example An example of the configuration of the pixels G11 to Gmn provided in the solid-state imaging device of FIG. 1 will be described below with reference to FIG. In the pixel of FIG. 2, the drain of the MOS transistor T1 is connected to the anode of the photodiode PD to which the DC voltage VPD is applied to the cathode, the gate and drain of the MOS transistor T2 and the gate of the MOS transistor T3 are connected to the source of the MOS transistor T1. Connected.
[0028]
The gate of the MOS transistor T4 and the drain of the MOS transistor T5 are connected to the source of the MOS transistor T3, and the drain of the MOS transistor T6 is connected to the source of the MOS transistor T4. The drain of the MOS transistor T6 is connected to the output signal line 6 (corresponding to the output signal lines 6-1 to 6-m in FIG. 1). The MOS transistors T1 to T6 are P-channel MOS transistors.
[0029]
The signal φVPS is input to the source of the MOS transistor T2 via the line 5 (corresponding to the lines 5-1 to 5-n in FIG. 1), and the DC voltage VPD is applied to the drains of the MOS transistors T3 and T4. Further, the other end of the capacitor C to which the signal φVD is supplied via the line 4 (corresponding to the lines 4-1 to 4-n in FIG. 1) is connected to the source of the MOS transistor T3. The DC voltage VRG is input to the source of the MOS transistor T5, and the signal φRS is input to the gate thereof. Further, signals φS and φV are input to the gates of the MOS transistors T1 and T6, respectively.
[0030]
In the pixel thus configured, the constant current source 7 (corresponding to the constant current sources 7-1 to 7-m in FIG. 1) having the DC voltage VPS applied to one end via the MOS transistor T6 and the output signal line 6 is used. Is connected to the source of the MOS transistor T4. Therefore, when the MOS transistor T6 is ON, the MOS transistor T4 operates as a source follower MOS transistor, and outputs the voltage signal amplified by the constant current source 7 to the output signal line 6.
[0031]
By configuring the source follower circuit in this way, an amplifier circuit that outputs a large signal is configured. Therefore, since the signal is amplified to a sufficiently large signal by the present amplifier circuit, the subsequent signal processing circuit can be easily processed. In addition, the constant current sources 7-1 to 7-m constituting the load resistance portion of the amplifier circuit are not provided in the pixels, but the output signal lines 6-1 to 6 to which a plurality of pixels arranged in the column direction are connected. By providing each −m, the number of load resistors or constant current sources can be reduced, and the area occupied by the amplifier circuit on the semiconductor chip can be reduced.
[0032]
The imaging operation and sensitivity variation detection operation by the pixel having such a configuration will be described below. The signal φVPS is a binary voltage signal. When the amount of incident light exceeds a predetermined value, the voltage for operating the MOS transistor T2 in the subthreshold region is VL, and the voltage higher than this voltage is used for the MOS transistor T2. The voltage for making the conductive state is VH. The signal φVD is a ternary voltage signal, the voltage value when integrating the capacitor C is set to the highest Vh, the voltage value when reading the video signal is set to Vm lower than Vh, and the noise signal is read The voltage value is set to Vl lower than Vm.
[0033]
(1) Basic operation at reset (when noise signal is output)
First, the operation at the time of resetting each pixel will be described with reference to the timing chart of FIG. First, when a pulse signal φVD having a voltage value Vm and a pulse signal φV are supplied and a video signal is output, the signal φVD is set to Vh, then the signal φS is set high, the MOS transistor T1 is turned off, and the reset operation is performed. Begins. At this time, positive charges flow in from the source side of the MOS transistor T2, and the negative charges accumulated in the gate and drain of the MOS transistor T2 and the gate of the MOS transistor T3 are recombined. And the potential of the drain increases.
[0034]
However, when the potential of the gate and drain of the MOS transistor T2 rises to a certain value, the reset speed becomes slow. This tendency is particularly noticeable when a bright subject suddenly becomes dark. Therefore, next, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T2 is set to VH. Thus, by increasing the source voltage of the MOS transistor T2, the amount of positive charge flowing from the source side of the MOS transistor T2 increases and accumulates at the gate and drain of the MOS transistor T2 and at the gate of the MOS transistor T3. The negative charge generated is quickly recombined. At this time, the signal φRS is set to low, the MOS transistor T5 is turned on, and the voltage at the connection node between the capacitor C and the gate of the MOS transistor T4 is initialized.
[0035]
When the potential of the gate and drain of the MOS transistor T2 is further increased by setting the signal φVPS to VH, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T2 is set to VL, and the potential state of the MOS transistor T2 is based on the state. Return to. As described above, when the potential state of the MOS transistor T2 is reset to the original state, the signal φRS is set high and the MOS transistor T5 is turned off.
[0036]
Then, the capacitor C performs an integration operation, and the voltage at the connection node between the capacitor C and the gate of the MOS transistor T4 becomes in accordance with the reset gate voltage of the MOS transistor T2. Then, by applying the pulse signal φV to the gate of the MOS transistor T6 to turn on the MOS transistor T6 and setting the voltage value of the signal φVD to V1, the sensitivity of each pixel due to the variation in the characteristics of the MOS transistors T2 and T3. An output current representing the variation of the current flows from the output signal line 6.
[0037]
At this time, since the MOS transistor T4 operates as a source follower type MOS transistor, a noise signal appears on the output signal line 6 as a voltage signal. Thereafter, the pulse signal φRS is again applied to the MOS transistor T5 to reset the voltage at the connection node between the capacitor C and the gate of the MOS transistor T4, and then the signal φS is set low to turn on the MOS transistor T1 to perform the imaging operation. Make it ready.
[0038]
(2) Basic operation during imaging (when outputting video signals)
Next, the operation at the time of imaging each pixel will be described. First, the signal φS is always low during the imaging operation, and the MOS transistor T1 is turned on. At this time, the signal φRS is set high and the MOS transistor T5 is turned off. Further, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T2 is set to VL, and the voltage value of the signal φVD applied to the capacitor C is set to Vh to perform the integration operation.
[0039]
At this time, photocharge corresponding to the amount of incident light flows from the photodiode PD into the MOS transistor T2. Now, since the MOS transistor T2 is in the cut-off state, photocharge is accumulated at the gate of the MOS transistor T2. Therefore, when the brightness of the subject to be imaged is low and the amount of incident light entering the photodiode PD is small, a voltage corresponding to the amount of photocharge accumulated at the gate of the MOS transistor T2 appears at the gate of the MOS transistor T2, A voltage linearly proportional to the integrated value of the light quantity appears at the gate of the MOS transistor T3.
[0040]
Also, when the luminance of the subject to be imaged is high and the amount of incident light entering the photodiode PD is large, and the voltage according to the amount of photocharge accumulated at the gate of the MOS transistor T2 increases, the MOS transistor T2 operates in the subthreshold region. Therefore, a voltage that is naturally logarithmically proportional to the amount of incident light appears at the gate of the MOS transistor T3.
[0041]
A drain current obtained by amplifying a voltage linearly or naturally logarithmically proportional to the amount of incident light by the MOS transistor T3 flows from the capacitor C, and the capacitor C is discharged. Therefore, the gate voltage of the MOS transistor T4 becomes a voltage linearly or naturally logarithmically proportional to the integrated value of the incident light quantity. In order to read a video signal that appears when the capacitor C performs an integration operation, the voltage value of the signal φVD is set to Vm, and a pulse signal φV is given to the MOS transistor T6. Therefore, a source current corresponding to the gate voltage of the MOS transistor T4 flows to the output signal line 6 via the MOS transistor T6.
[0042]
Thus, since the MOS transistor T4 operates as a source follower type MOS transistor, the video signal appears on the output signal line 6 as a voltage signal. Thereafter, the signal φV is set high to turn off the MOS transistor T6, and the voltage value of the signal φVD is set to Vh. Thus, since the video signal output through the MOS transistors T4 and T6 has a value proportional to the gate voltage of the MOS transistor T4, the integral value of the amount of light incident on the photodiode PD is linear or natural logarithm. Converted signal.
[0043]
At this time, the amount of photoelectric charge flowing into the MOS transistor T2 until reaching the gate voltage of the MOS transistor T2 when changing to the logarithmic conversion operation at the time of imaging becomes equal in all the pixels. In this way, since the amount of photocharge generated from the photodiode PD when the conversion operation in each pixel is switched to the logarithmic conversion operation is the same, it is incident on the photodiode PD when the conversion operation in each pixel is switched to the logarithmic conversion operation. The amount of incident light is also equal. That is, in all the pixels, the luminance of the subject becomes the same when the conversion operation is switched from the linear conversion operation to the logarithmic conversion operation, and the difference in threshold voltage of the MOS transistor T2 affects the switching of the conversion operation of each pixel. Can be reduced.
[0044]
Further, as described above, the voltage value applied to the capacitor C when reading the noise signal is set to Vl, and the offset value is proportional to (Vl−Vm) by making it lower than the voltage value Vm when integrating the video signal. Therefore, the proportion of the offset value can be reduced as compared with the conventional case.
[0045]
(3) Switching of shooting conditions When the reset operation and the shooting operation are performed as described above, the voltage value VH of the signal φVPS at the time of reset increases, and the difference between the voltage value VL of the signal φVPS at the time of imaging increases. The potential difference between the gate and the source of the MOS transistor T2 becomes large, and the ratio of the subject luminance at which the MOS transistor T2 operates in the cutoff state increases. Therefore, as shown in FIG. 4, the higher the voltage value VH, the larger the ratio of subject luminance to be linearly converted. That is, the voltage value VH is increased when the luminance range of the subject is narrow, and the voltage value VH is decreased when the luminance range of the subject is wide.
[0046]
As described above, when the inflection point for switching between the linear conversion operation and the logarithmic conversion operation is changed by changing the voltage value VH of the signal φVPS at the time of resetting, the operation of each signal is as shown in FIGS. By changing the length of time, the length of integration time in the photodiode PD and the capacitor C can be changed, and the sensitivity of each pixel can be changed. That is, when the luminance range of the subject is narrow, the operation time of each signal is lengthened as shown in FIG. 5, and when the luminance range of the subject is wide, the operation time of each signal is shortened as shown in FIG. Therefore, in the case of FIG. 5, since the integration time is doubled compared with FIG. 3, the frame rate at each pixel is ½ times.
[0047]
That is, when the luminance value of the entire subject is low and the luminance range becomes narrow, in order to capture a good contrast, the voltage value VH is maximized and the range for linear conversion as shown by the dotted line in FIG. 4 is widened. At the same time, as shown in FIG. 5, the operating time of each signal is lengthened to increase the sensitivity. When the luminance value becomes slightly high, the operation time of each signal is shortened as shown in FIG. Further, when the luminance range becomes wider, the range for linear conversion as shown by the one-dot chain line in FIG. 4 is slightly narrowed with the voltage value VH being an intermediate value. Further, when the luminance value of the entire subject is high and the luminance range becomes wide, the voltage value VH is minimized to further narrow the range for linear conversion as shown by the solid line in FIG. 4, and as shown in FIG. The operating time of each signal is shortened. That is, in this embodiment, when the voltage value VH of the signal φVPS at the time of reset is changed in three stages and the operation time of each signal is changed in two stages, according to the luminance value of the entire subject and its luminance range, It can be changed in 6 steps.
[0048]
3. Configuration of Imaging Device As described above, an imaging device including a solid-state imaging device in which each pixel operates will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating an internal configuration of the imaging apparatus according to the present embodiment.
[0049]
The imaging apparatus in FIG. 6 includes a solid-state imaging device 100 configured as shown in FIG. 1 and an A / D conversion unit that converts a noise-removed video signal output from the correction circuit 9 in the solid-state imaging device 100 into a digital signal. 101, an image processing unit 102 that performs image processing on the video signal converted by the A / D conversion unit 101, a value of the voltage VH of the signal φVPS applied to each pixel in the solid-state imaging device 100, and the operation of each signal A main control unit 103 that controls the solid-state imaging device 100 by setting time. Each of the A / D conversion unit 101 and the image processing unit 102 is supplied with the value of the voltage VH of the signal φVPS given to each pixel from the solid-state imaging device 100 and the operation time of each signal as pixel control information.
[0050]
In this way, when pixel control information is given to the A / D conversion unit 101 and the image processing unit 102 from the solid-state image sensor 100, first, the A / D conversion unit 101 first outputs an image output from the solid-state image sensor 100. The upper and lower limits of the signal dynamic range are set. That is, when the operation time of each signal applied to each pixel is set to be long, the dynamic range is widened and the lower limit of the dynamic range is increased. At this time, the value serving as the inflection point of the video signal output from the A / D conversion unit 101 is set to be equal regardless of the length of the operation time of each signal. .
[0051]
Further, the image processing unit 102 recognizes the value that becomes the inflection point of the video signal output from the A / D conversion unit 101 from the value of the voltage VH of the signal φVPS, and the video signal lower than the value that becomes the inflection point. Is subjected to image processing as a linearly converted video signal, and a video signal higher than a value serving as an inflection point is subjected to image processing as a logarithmically converted video signal.
[0052]
In the present embodiment, in the A / D conversion unit 101, the inflection point of the video signal is set to be the same value regardless of the length of the operation time of each signal, but it is not set in this way. It does n’t matter. At this time, the image processing unit 102 also recognizes the operation time of each signal, confirms the value as the inflection point in each case, compares the value of the given video signal with the value as the inflection point, and linearly Switching between image processing for the converted video signal and image processing for the logarithmically converted video signal is performed.
[0053]
In the present embodiment, each pixel is configured using a P-channel MOS transistor, but may be configured using an N-channel MOS transistor. At this time, since the polarities of the respective elements are reversed, the constant current sources 7-1 to 7-m provided in the solid-state imaging device also have the opposite polarities as those in FIG. The relationship between the lines and blocks is the same as that of the solid-state imaging device of FIG. 1 except that the polarities of the elements in each block are reversed.
[0054]
Further, the MOS transistors constituting each pixel at this time are N-channel and are represented as shown in FIG. The connection relationship between the MOS transistors T1 to T6 and the capacitor C and the role of each element are the same as in FIG. 2, and each element performs an operation corresponding to the polarity opposite to that in FIG. That is, the voltage value of the signal φVD is set to the lowest Va when integrating the video signal and the noise signal, Vb being an intermediate value when reading the video signal, and the highest Vc when reading the noise signal.
[0055]
As described above, the timing of changing the signals φVPS, φVD, φS, φRS, and φV given to each pixel when the MOS transistors constituting each pixel are N-channel is expressed as shown in FIG. That is, the operation timings of the MOS transistors T1, T2, T5, and T6 can be set to the same timing by reversing the relation between high and low in the signals φVPS, φS, φRS, and φV as in FIG.
[0056]
Also, by making the timings for applying the voltage values Vh, Vm, Vl of the signal φVD in FIG. 3 and the timings for applying the voltage values Va, Vb, Vc of the signal φVD in FIG. The operating state of the capacitor C can be the same as in the present embodiment at each timing. Further, by lowering the value VL of the signal φVPS at the time of reset, the value of the inflection point can be lowered and the range in which the linear conversion operation is performed can be widened.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, the potential state and integration time of the transistors in each pixel provided in the solid-state imaging device can be adjusted according to the luminance of the subject, so that the degree of freedom in selecting the photographing condition of the subject is greatly expanded. Is done. Therefore, it is possible to select an imaging condition that can capture an image with good contrast and gradation. In particular, by increasing the integration time and setting the value that becomes the inflection point to switch from the first state to the second state on the high luminance side, the sensitivity in the dark portion can be increased and the contrast is good. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block circuit diagram showing a configuration of a solid-state image sensor.
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a pixel in the solid-state imaging device of FIG.
FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the pixel in FIG. 2;
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the brightness of a subject and the output of a solid-state image sensor.
FIG. 5 is a timing chart showing an operation when the frame rate of the pixel in FIG. 2 is changed;
6 is a block diagram showing an internal configuration of an image pickup apparatus including the solid-state image pickup device shown in FIG.
FIG. 7 is a block circuit diagram showing a configuration of a solid-state imaging device.
8 is a circuit diagram showing a configuration of a pixel in the solid-state imaging device of FIG.
9 is a timing chart showing the operation of the pixel in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vertical scanning circuit 2 Horizontal scanning circuit 3-1 to 3-n Line 4-1 to 4-n Line 5-1 to 5-n Line 6-1 to 6-m Output signal line 7-1 to 7-m Fixed Current source 8-1 to 8-m selection circuit 9 correction circuit 10 power supply line G11 to Gmn pixel PD photodiode T1 to T6 MOS transistor C capacitor

Claims (6)

入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子と該感光素子からの電気信号が与えられるトランジスタと該トランジスタからの電気信号を積分する積分回路とを有するとともに、被写体が比較的低輝度側において入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第1状態と被写体が比較的高輝度側において入射光量に応じた電気信号を対数変換して出力する第2状態との間で自動的に切換可能な複数の画素より成る固体撮像素子を有する撮像装置において、
リセット時において前記トランジスタに与えるバイアス電圧の値を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換えることによって、リセット直後の前記トランジスタのポテンシャル状態を変化させるものであって、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記画素の動作状態が第1状態から第2状態に切り替わる変極点となる値を高輝度側に遷移させるバイアス調整部を有することを特徴とする撮像装置。
It has a photosensitive element that outputs an electrical signal corresponding to the amount of incident light, a transistor to which the electrical signal from the photosensitive element is applied, and an integration circuit that integrates the electrical signal from the transistor, and the subject is incident on the relatively low brightness side. Automatic switching between a first state in which an electric signal corresponding to the amount of light is linearly converted and output, and a second state in which the subject outputs a logarithmically converted electric signal corresponding to the amount of incident light on a relatively high brightness side. In an imaging apparatus having a solid-state imaging device composed of a plurality of possible pixels,
By switching a plurality of steps in accordance with the state of the luminance distribution of the subject imaged by the solid-value of the bias voltage applied to the transistor at the time of resetting, it is one that changes the potential state of the transistor immediately after reset In addition, the imaging apparatus further includes a bias adjustment unit that shifts a value that becomes an inflection point at which the operation state of the pixel switches from the first state to the second state to the high luminance side when the luminance range of the subject is narrowed. .
前記バイアス調整部は、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、撮像時のバイアス電圧値とリセット時のバイアス電圧値との電圧差を大きくすることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the bias adjustment unit increases a voltage difference between a bias voltage value at the time of imaging and a bias voltage value at the time of reset when the luminance range of the subject is narrowed . 前記各画素における積分時間を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換える積分時間調整部を有することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。The imaging apparatus according to claim 1, further comprising an integration time adjustment unit that switches an integration time in each pixel in a plurality of stages according to a state of a luminance distribution of a subject imaged by the solid-state imaging device. 前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記積分時間調整部によって積分時間を長くすることを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。The imaging apparatus according to claim 3 , wherein when the luminance range of the subject is narrowed, the integration time is extended by the integration time adjustment unit. 前記固体撮像素子から出力される電気信号に対して画像処理を施す画像処理部を有し、
該画像処理部において、前記バイアス調整部による前記固体撮像素子の設定状態に応じて、前記固体撮像素子から出力される電気信号に施す画像処理方法を切り換えることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の撮像装置。
An image processing unit that performs image processing on an electrical signal output from the solid-state imaging device;
The image processing unit is configured to switch an image processing method applied to an electrical signal output from the solid-state imaging device in accordance with a setting state of the solid-state imaging device by the bias adjustment unit. 5. The imaging device according to any one of 4.
前記固体撮像素子から出力される電気信号に対して画像処理を施す画像処理部を有し、該画像処理部において、前記バイアス調整部及び前記積分時間調整部による前記固体撮像素子の設定状態に応じて、前記固体撮像素子から出力される電気信号に施す画像処理方法を切り換えることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の撮像装置。An image processing unit that performs image processing on an electrical signal output from the solid-state imaging device, and in the image processing unit, according to a setting state of the solid-state imaging device by the bias adjustment unit and the integration time adjustment unit The imaging apparatus according to claim 3, wherein an image processing method applied to an electrical signal output from the solid-state imaging device is switched.
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