JP4292628B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光に対する電気信号の線形変換と対数変換を行える固体撮像素子を有する固体撮像装置に関するもので、特に１つの固体撮像素子で線形変換動作と対数変換動作とを切り換えて行うことが可能な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等の固体撮像素子は、その感光素子に入射された光の輝度に対して、線形的に変換した信号を出力する。このように線形変換を行うエリアセンサ（以下、「リニアセンサ」と呼ぶ。）は、例えば、レンズの絞りを調整することにより、被写体の最も明るい部分（ハイライト部）を撮像する感光素子がその最大レベルの９０パーセント程度のレベルの電気信号として出力できるように、調節される。このようなリニアセンサを用いることによって、被写体の輝度分布においてその最小値をＬmin［ｃｄ／ｍ2］、その最大値をＬmax［ｃｄ／ｍ2］としたとき、被写体の輝度範囲 Ｌmax／Ｌmin が２桁以下の狭い範囲であれば階調性豊かに被写体の情報を取り込むことができる。
【０００３】
それに対して、本出願人は、入射した光量に応じた電流を発生する感光素子と、その電流を入力するＭＯＳトランジスタと、このＭＯＳトランジスタをサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とを備え、感光素子からの電流を対数変換するようにしたエリアセンサ（以下、「ＬＯＧセンサ」と呼ぶ。）を提案した（特開平３−１９２７６４号公報参照）。このようなＬＯＧセンサは、被写体の最も明るい部分（ハイライト部）を撮像する感光素子がその最大レベルの９０パーセント程度のレベルの電気信号として出力できるように、調節した場合、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略２桁と狭いため、被写体に直射日光が当たるなどの要因で被写体の輝度が明るくなり、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１５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、被写体の明るさの状態にかかわらず常に良好な撮像を行うことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。又、本発明は、固体撮像素子の入射光に対する電気信号の線形変換動作と対数変換動作とを、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。又、本発明の他の目的は、１つの固体撮像素子が前記線形変換動作と前記対数変換動作とを行う固体撮像装置を提供することである。更に、本発明の他の目的は、構成の簡単な固体撮像装置を提供することである。
【００１０】
【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固体撮像素子を有する固体撮像装置において、前記固体撮像素子の動作状態を、前記電 気信号が入射光量に対して線形的に変換されて出力される第１状態と、自然対数的に変換されて出力される第２状態とに切り換え可能とするとともに、固体撮像素子にて発生する電気信号に基づいて、被写体の輝度範囲を検出する輝度範囲検出手段を設けて、被写体の輝度範囲に応じて、前記固体撮像素子の動作状態を切り換えることを特徴とする。
【００１１】
このような構成の固体撮像装置によると、階調性の良い第１状態と、輝度範囲の広い被写体を撮像可能な第２状態とを、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２に記載するように、被写体の輝度範囲が狭いとき、前記固体撮像素子の動作状態を第１状態にし、被写体の輝度範囲が広いとき、前記固体撮像素子の動作状態を第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。
【００１２】
請求項３に記載の固体撮像装置は、請求項１又は請求項２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、固体撮像素子から送出され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、この電気信号のレベルの最大値と最小値の差に応じて前記固体撮像素子の動作状態を第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、前記固体撮像素子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。
【００１３】
このような固体撮像装置において、請求項４に記載するように、前記切換信号を２値の電圧信号とすることによって、固体撮像素子内に設けられた素子に印加するバイアス電圧の値を変化させることによって、固体撮像素子の動作を第１状態又は第２状態に切り換えることができる。
【００１４】
請求項５に記載の固体撮像装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記固体撮像素子が、第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極及び制御電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むトランジスタと、を有し、前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化させることによって、前記固体撮像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の固体撮像装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記固体撮像素子が、第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むとともに、第２電極と制御電極とが接続されたトランジスタと、を有し、前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化させることによって、前記固体撮像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の固体撮像装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記固体撮像素子が、第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、制御電極に直流電圧が印加されるともに、第１電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むトランジスタと、を有し、前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化させることによって、前記固体撮像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
本発明の第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及び図４は、図１に示す固体撮像装置に設けられた固体撮像素子であるエリアセンサの構造の１例を示すブロック図である。図３は、図２に示すエリアセンサ内の画素の構成の１例を示す回路図である。図６は、図４に示すエリアセンサ内の画素の構成の１例を示す回路図である。
【００１８】
図１に示す固体撮像装置１は、対物レンズ２と、該対物レンズ２を介して入射する光に応じて対数変換もしくは線形変換を行った電気信号を出力するエリアセンサ３と、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感度調整を行う自動感度調整回路４と、前記電気信号（以下、「輝度信号」と呼ぶ。）より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５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６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２０とを有している。
【００１９】
尚、処理部２０で処理された信号は、出力端子９１から固体撮像装置１の外部へ出力され記録媒体への記録や表示装置への出力など種々の用途に供される。又、出力端子９２からファインダー２１へも与えられる。又、エリアセンサ３から処理部２０に送出される電気信号を、以下、「画像データ」と呼ぶ。尚、自動感度調整回路４の詳細については後述し、図１においては自動感度調整回路４の周辺部分の構成は簡略的に図示している。
【００２０】
このような構成の固体撮像装置に設けられたエリアセンサ３の構成の一例について、図２を参照して説明する。同図において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。７は垂直走査回路であり、行（ライン）９−１、９−２、・・・、９−ｎを順次走査していく。８は水平走査回路であり、画素から出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１１は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン９−１、９−２、・・・、９−ｎや出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍ、電源ライン１１だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらについて省略している。
【００２１】
出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２、・・・、Ｑｍが図示の如く１つずつ設けられている。トランジスタＱ１、Ｑ２、・・・、Ｑｍのドレインは、それぞれ出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに接続され、ソースは最終的な信号線１２に接続され、ゲートは水平走査回路８に接続されている。尚、後述するように各画素内にはスイッチ用のＮチャネルの第４ＭＯＳトランジスタＴ４も設けられている。ここで、トランジスタＴ４は行の選択を行うものであり、トランジスタＱ１〜Ｑｍは列の選択を行うものである。
【００２２】
更に、このようなエリアセンサ３内の画素Ｇ11〜Ｇmnの構成について、図３を参照して説明する。図３において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部（光電変換部）を形成している。そのフォトダイオードＰＤのアノードは第１ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインとゲート、第２ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート、及び第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４ＭＯＳトランジスタＴ４のドレインに接続されている。トランジスタＴ４のソースは出力信号線１０（この出力信号線１０は図２の１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに対応する）へ接続されている。尚、トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、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。
【００２３】
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。
【００２４】
このような構成の画素において、信号φＶPSの電圧値を切り換えてトランジスタＴ１のバイアスを変えることにより、出力信号線１０に導出される出力信号をフォトダイオード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。
【００２５】
（１） 光電流を自然対数的に変換して出力する場合。
まず、信号φＶPSをローレベルとし、トランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされているときの動作について、説明する。このとき、トランジスタＴ３のゲートに与えられる信号φＶRSがローレベルになっているので、トランジスタＴ３はＯＦＦとなり、実質的に存在しないことと等価になる。又、トランジスタＴ２に与えられる信号φＤはハイレベル（直流電圧ＶPDと同じ又は直流電圧ＶPDに近い電位）とする。
【００２６】
図３の回路において、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。
【００２７】
次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス信号φＶを与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、キャパシタＣに蓄積された電荷が、出力電流として出力信号線１０に導出される。この出力信号線１０に導出される電流は前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値となる。このようにして入射光量の対数値に比例した信号（出力電流）を読み出すことができる。信号を読み出した後、トランジスタＴ４をＯＦＦとするとともに信号φＤをローレベル（信号φＶPSよりも低い電位）にしてトランジスタＴ２を通して信号φＤの線路へキャパシタＣに蓄積された電荷を放電することによって、キャパシタＣ及び接続ノードａの電位が初期化される。このような動作を所定の時間間隔で繰り返すことにより、刻々と変化する被写体像を広いダイナミックレンジで連続的に撮像することができる。尚、このように入射光量を自然対数的に変換する場合、信号φＶRSは、常にローレベルのままであり、トランジスタＴ３はＯＦＦ状態となっている。
【００２８】
（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。
【００２９】
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。
【００３０】
今、接続ノードａの電位が前記初期化により直流電圧ＶPDより低くなっているので、トランジスタＴ２はＯＮし、トランジスタＴ２のゲート電圧に応じたドレイン電流がトランジスタＴ２を流れ、トランジスタＴ２のゲート電圧に比例した量の電荷がキャパシタＣに蓄積される。よって、接続ノードａの電位が前記光電流を積分した値に比例した値になる。次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス信号φＶを与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、キャパシタＣに蓄積された電荷が、出力電流として出力信号線１０に導出される。この出力電流は前記光電流の積分値を線形的に変換した値となる。
【００３１】
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Ｔ１，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。
【００３２】
このように、図３に示す画素は、簡単な電位操作により同一の画素で光電変換出力特性を切り換えることが可能になる。尚、信号を対数変換して出力する状態から線形変換して出力する状態に切り換える際には、まずφＶPSの電位調整により出力の切り換えを行ってから、トランジスタＴ３によるトランジスタＴ１などのリセットを行うことが好ましい。一方、信号を線形変換して出力する状態から対数変換して出力する状態に切り換える際には、トランジスタＴ３によるトランジスタＴ１などのリセットは特に必要ない。これは、トランジスタＴ１が完全なＯＦＦ状態ではないことに起因してトランジスタＴ１に蓄積されたキャリアは逆極性のキャリアによってうち消されるためである。
【００３３】
又、エリアセンサ３の構成の別の例について、図４を参照して説明する。同図において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。７は垂直走査回路であり、行（ライン）９−１、９−２、・・・、９−ｎを順次走査していく。８は水平走査回路であり、画素から出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１１は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン９−１、９−２・・・、９−ｎや出力信号線１０−１、１０−２・・・、１０−ｍ、電源ライン１１だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図４ではこれらについて省略する。
【００３４】
出力信号線１０−１、１０−２・・・、１０−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２、・・・、Ｑｍ及びＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱａ１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍが図示の如く１組ずつ設けられている。トランジスタＱａ１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍのゲートは直流電圧線１３に接続され、ドレインはそれぞれ出力信号線１０−１、１０−２・・・、１０−ｍに接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン１４に接続されている。一方、トランジスタＱ１、Ｑ２、・・・、Ｑｍのドレインはそれぞれ出力信号線１０−１、１０−２・・・、１０−ｍに接続され、ソースは最終的な信号線１２に接続され、ゲートは水平走査回路８に接続されている。
【００３５】
画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力するＮチャネルの第５ＭＯＳトランジスタＴ５が設けられている。トランジスタＴ５とトランジスタＱａ（このトランジスタＱａは、図４のトランジスタＱａ１〜Ｑａｍに対応する。）との接続関係は図５（ａ）のようになる。ここで、トランジスタＱａのソースに接続される直流電圧ＶPS’と、トランジスタＴ５のドレインに接続される直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’であり、直流電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）である。この回路構成は上段のトランジスタＴ５のゲートに信号が入力され、下段のトランジスタＱａのゲートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため下段のトランジスタＱａは抵抗又は定電流源と等価であり、図５（ａ）の回路はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場合、トランジスタＴ５から増幅出力されるのは電流であると考えてよい。
【００３６】
トランジスタＱ（このトランジスタＱは、図４のトランジスタＱ１〜Ｑｍに対応する。）は水平走査回路８によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、後述するように図６の画素内にはスイッチ用のＮチャネルの第４ＭＯＳトランジスタＴ４も設けられている。このトランジスタＴ４も含めて表わすと、図５（ａ）の回路は正確には図５（ｂ）のようになる。即ち、トランジスタＴ４がトランジスタＱａとトランジスタＴ５との間に挿入されている。ここで、トランジスタＴ４は行の選択を行うものであり、トランジスタＱは列の選択を行うものである。
【００３７】
図５のように構成することにより信号のゲインを大きく出力することができる。従って、画素がダイナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光電流を自然対数的に変換しているような場合は、そのままでは出力信号が小さいが、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が楽になる。また、増幅回路の負荷抵抗部分を構成するトランジスタＱａを画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍごとに設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【００３８】
図４に示した構成のエリアセンサ３の各画素の一例について、図６を参照して説明する。尚、図３に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
図６に示す画素は、図３に示す画素に、接続ノードａにゲートが接続され接続ノードａにかかる電圧に応じた電流増幅を行う第５ＭＯＳトランジスタＴ５と、このトランジスタＴ５のソースにドレインが接続された行選択用の第４ＭＯＳトランジスタＴ４と、接続ノードａにドレインが接続されキャパシタＣ及び接続ノードａの電位の初期化を行う第６ＭＯＳトランジスタＴ６とが付加された構成となる。トランジスタＴ４のソースは出力信号線１０（この出力信号線１０は図４の１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに対応する）へ接続されている。尚、トランジスタＴ４〜Ｔ６も、トランジスタＴ１〜Ｔ３と同様に、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタでバックゲートが接地されている。
【００４０】
又、トランジスタＴ２，Ｔ５のドレインには直流電圧ＶPDが印加され、トランジスタＴ４のゲートには信号φＶが入力される。又、トランジスタＴ６のソースには直流電圧ＶRB2が印加されるとともに、そのゲートには信号φＶRS2が入力される。尚、本実施形態において、トランジスタＴ１〜Ｔ３及びキャパシタＣは、図３に示す画素内の各素子と同様の動作を行い、信号φＶPSの電圧値を切り換えてトランジスタＴ１のバイアスを変えることにより、出力信号線１０に導出される出力信号を光電流に対して自然対数的に変換させる場合と、線形的に変換させる場合とを実現することができる。以下これらの各場合における動作を説明する。
【００４１】
（１） 光電流を自然対数的に変換して出力する場合。
まず、信号φＶPSをローレベルとし、トランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされているときの動作について、説明する。このとき、トランジスタＴ３のゲートには、第１の実施形態と同様にローレベルの信号φＶRSが与えられるので、トランジスタＴ３はＯＦＦとなり、実質的に存在しないことと等価になる。
【００４２】
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。
【００４３】
次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス信号を与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧に比例した電流がトランジスタＴ４，Ｔ５を通って出力信号線１０に導出される。今、トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧は、接続ノードａにかかる電圧であるので、出力信号線１０に導出される電流は前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値となる。
【００４４】
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。
【００４５】
（２） 光電流を線形的に変換して出力する場合。
次に、信号φＶPSをハイレベルとしたときの動作について説明する。このとき、トランジスタＴ３のゲートにローレベルの信号φＶRSを与えて、トランジスタＴ３はＯＦＦとする。そして、まず、トランジスタＴ６のゲートにハイレベルの信号φＶRS2を与えて該トランジスタＴ６をＯＮすることによりキャパシタＣをリセットするとともに、接続ノードａの電位を直流電圧ＶPDより低い電位ＶRB2に初期化する。この電位はキャパシタＣによって保持される。その後、信号φＶRS2をローレベルとして、トランジスタＴ６をＯＦＦとする。このような状態において、フォトダイオードＰＤに光が入射すると光電流が発生する。このとき、トランジスタＴ１のバックゲートとゲートとの間やフォトダイオードＰＤの接合容量でキャパシタを構成するので、光電流による電荷がトランジスタＴ１のゲート及びドレインに蓄積される。よって、トランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電圧が前記光電流を積分した値に比例した値になる。
【００４６】
今、接続ノードａの電位が直流電圧ＶPDより低いので、トランジスタＴ２はＯＮし、トランジスタＴ２のゲート電圧に応じたドレイン電流がトランジスタＴ２を流れ、トランジスタＴ２のゲート電圧に比例した量の電荷がキャパシタＣに蓄積される。よって、接続ノードａの電位が前記光電流を積分した値に比例した値になる。次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス信号を与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧に比例した電流がトランジスタＴ４，Ｔ５を通って出力信号線１０に導出される。トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧は、接続ノードａの電圧であるので、出力信号線１０に導出される電流は前記光電流の積分値を線形的に変換した値となる。
【００４７】
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。
【００４８】
又、各画素からの信号読み出しは電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いて行うようにしてもかまわない。この場合、図３又は図６のトランジスタＴ４に相当するポテンシャルレベルを可変としたポテンシャルの障壁を設けることにより、ＣＣＤへの電荷読み出しを行えばよい。
【００４９】
次に、自動感度調整回路４の詳細について、図７を参照して説明する。自動感度調整回路４は、エリアセンサ３より送出される輝度信号より被写体の輝度を検知するプロセッサ４１と、プロセッサ４１よりコントロール信号を受けてエリアセンサ３の受光時間を変更するタイミングジェネレータ４２とを有する。又、対物レンズ２内には、アイリス２２が設けられ、このアイリス２２がプロセッサ４１によりコントロール信号を受けてその絞りを変更する。更に、エリアセンサ３内の各画素からの出力を増幅して処理部２０に出力するためのアンプ３１がエリアセンサ３の出力側に設けられ、このアンプ３１にもプロセッサ４１よりコントロール信号が与えられる。
【００５０】
この自動感度調整回路４は、エリアセンサ３より輝度信号をプロセッサ４１が受けると、まず、この輝度信号より被写体の輝度を検出する。次に、プロセッサ４１が被写体の輝度を検出すると、その輝度に応じてアイリス２２、アンプ３１、タイミングジェネレータ４２にコントロール信号を与える。このようなコントロール信号が与えられるアイリス２２、アンプ３１、タイミングジェネレータ４２について、それぞれの動作を以下に示す。尚、図１には、アンプ３１、アイリス２２、及び自動感度調整回路４からアンプ３１、アイリス２２への信号線は図示省略している。
【００５１】
まず、アイリス２２は、被写体の輝度が明るくなるとエリアセンサ３に与えられる光量が増加してエリアセンサ３内の各画素が飽和状態になりやすくなるため、狭く絞られてエリアセンサ３に与えられる光量を減少させる。次に、アンプ３１は、被写体の輝度が暗くなるとエリアセンサ３内の各画素からの出力が小さくなり階調性が悪くなるため、その出力のゲインを大きくして階調性を高める。最後に、タイミングジェネレータ４２は、被写体の輝度が暗くなるとエリアセンサ３に与えられる光量が減少して出力が得られるのに充分な光量に満たないことがあるため、エリアセンサ３内の各画素の積分時間を長くして出力するのに充分な光量が与えられるようにする。尚、輝度信号としては、例えば、エリアセンサ３の特定画素の出力をそのまま用いることができる。又、複数の画素出力の平均出力を用いても良い。
【００５２】
上記した図３のような画素を設けた図２のような構成のエリアセンサ又は図６のような画素を設けた図４のような構成のエリアセンサをエリアセンサ３に用いたときの固体撮像装置１の動作について、図１及び図８を参照して以下に説明する。但し、図８では処理部２０及び自動感度調整回路４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、切換判定回路５が検知する被写体の輝度で略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。
【００５３】
まず、エリアセンサ３を対数変換動作させるときは、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を撮像可能である。そのため、概して輝度範囲の広い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１０００［ｃｄ／ｍ2］である。
【００５４】
次に、エリアセンサ３を線形変換動作させるときは、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、概して輝度範囲の狭い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。よって、直射日光が入る明るいときにはエリアセンサ３を対数変換動作させ、又、直射日光が入らない暗いときにはエリアセンサ３を線形変換動作させるために、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。
【００５５】
（Ａ）明るい状況で被写体を撮像するとき
図８（ａ）のように、直射日光を受けた被写体５０を撮像するとき、エリアセンサ３より輝度信号が切換判定回路５に送出され、この切換判定回路５により７００［ｃｄ／ｍ2］以上の輝度（例えば１０００［ｃｄ／ｍ2］）が検出される。よって、切換判定回路５はエリアセンサ３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６は、φＶPS（図３又は図６）をローレベルとする切換信号を発生する。この切換信号により、画素内のトランジスタＴ１（図３又は図６）のソース及びキャパシタＣ（図３又は図６）にかかる電圧がローレベルとなって、上記したように、トランジスタＴ１，Ｔ２（図３又は図６）がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされ、エリアセンサ３から対数変換された電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終的な信号線１２（図２又は図４）を介して画像データとして処理部２０に送出される。このように送出された画像データを処理部２０で演算処理を行い、ファインダー２１に撮像した画像を映し出す。
【００５６】
（Ｂ）暗い状況で被写体を撮像するとき
図８（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、エリアセンサ３より輝度信号が切換判定回路５に送出され、この切換判定回路５により７００［ｃｄ／ｍ2］以下の輝度（例えば、５００［ｃｄ／ｍ2］）が検出される。よって、切換判定回路５はエリアセンサ３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６は、φＶPS（図３又は図６）をハイレベルとする切換信号を発生する。この切換信号により、画素内のトランジスタＴ１（図３又は図６）のソースにかかる電圧がハイレベルとなって、上記したように、トランジスタＴ１が実質的にＯＦＦ状態となり、エリアセンサ３から線形変換された電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終的な信号線１２（図２又は図４）を介して画像データとして処理部２０に送出される。このように送出された画像データを処理部２０で演算処理を行い、ファインダー２１に撮像した画像を映し出す。
【００５７】
このように切換判定回路５では、エリアセンサ３から自動感度調整回路４に送出される輝度信号によって、エリアセンサ３の変換動作を判定する事ができる。尚、エリアセンサ３の変換動作が線形変換動作、対数変換動作のどちらの場合でも、自動感度調整回路４は動作している。よって、変換動作が切り替わるときにファインダー２１などに違和感無く画像を映し出すことができる。
【００５８】
＜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。図９は、本実施形態で使用する固体撮像装置の内部構造を示すブロック図である。尚、図１に示す固体撮像装置と同様の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５９】
図９の固体撮像装置１’における切換判定回路５’は、図１の切換判定回路５のように自動感度調整回路４に入力される輝度信号が入力されずに、エリアセンサ３からの画像データが入力される。又、この切換判定回路５’は、図１の切換判定回路５のように被写体の輝度のみを検知するのではなく、エリアセンサ３からの画像データより、被写体の輝度範囲が検知される。又、エリアセンサ３は、第１の実施形態と同様に上記した図３のような画素を設けた図２のような構成のエリアセンサ又は図６のような画素を設けた図４のような構成のエリアセンサである。尚、図９において、図１と同様、アイリス２２、アンプ３１、及び自動感度調整回路４からアイリス２２、アンプ３１への信号線は図示省略している。又、自動感度調整回路４は、図７に示す自動感度調整回路４と同様の構成であるとともに、第１の実施形態で説明した動作と同様の動作を行う。
【００６０】
まず、被写体の輝度範囲の検知方法について、固体撮像装置１’をビデオムービーとして説明する。現在、ビデオムービーなどでは、１秒間に３０コマの画像を記録している。そこで、例えば１秒間に１コマずつというように、所定の間隔で、エリアセンサ３を強制的に対数変換動作を行わせて、このとき、エリアセンサ３から切換判定回路５’に送出される１コマ分の画像データにより被写体の輝度範囲を検知することができる。このようにして得られる被写体の輝度範囲によって、エリアセンサ３に線形変換動作をさせるか、対数変換動作をさせるか判定する。
【００６１】
次に、このような固体撮像装置１’の動作について、図９及び図１０を参照して以下に説明する。尚、図１０では処理部２０及び自動感度調整回路４は図示省略している。図９に示す固体撮像装置１’は、エリアセンサ３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、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。
【００６２】
ところで、まず、エリアセンサ３を対数変換動作させるときは、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。
【００６３】
次に、エリアセンサ３を線形変換動作させるときは、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。
【００６４】
（Ａ）明るい状況で被写体を撮像するとき
図１０（ａ）のように、直射日光を受けた被写体５０を撮像するとき、エリアセンサ３が、所定の間隔毎に、１コマ分の対数変換した画像データを切換判定回路５’に送出する。この切換判定回路５’では、エリアセンサ３から１コマ分の画像データが送出される際に各画素から送出される電気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５’によりエリアセンサ３を対数変換動作させるべきであると判定する。
【００６５】
この判定信号を受けた切換信号発生回路６は、φＶPS（図３又は図６）をローレベルとする切換信号を発生する。この切換信号により、画素内のトランジスタＴ１（図３又は図６）のソース及びキャパシタＣ（図３又は図６）にかかる電圧がローレベルとなって、上記したように、トランジスタＴ１，Ｔ２（図３又は図６）がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされ、エリアセンサ３から対数変換された電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終的な信号線１２（図２又は図４）を介して処理部２０に送出される。このように送出された電気信号を処理部２０で演算処理を行い、ファインダー２１に撮像した画像を映し出す。
【００６６】
（Ｂ）暗い状況で被写体を撮像するとき
図１０（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、エリアセンサ３が、所定の間隔毎に、１コマ分の対数変換した画像データを切換判定回路５’に送出する。この切換判定回路５’では、エリアセンサ３から１コマ分の画像データが送出される際に各画素から送出される電気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５’によりエリアセンサ３を線形変換動作させるべきであると判定する。
【００６７】
この判定信号を受けた切換信号発生回路６は、φＶPS（図３又は図６）をハイレベルとする切換信号を発生する。この切換信号により、画素内のトランジスタＴ１（図３又は図６）のソースにかかる電圧がハイレベルとなって、上記したように、トランジスタＴ１（図３又は図６）が実質的にＯＦＦ状態となり、エリアセンサ３から線形変換された電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終的な信号線１２（図２又は図４）を介して処理部２０に送出される。このように送出された電気信号を処理部２０で演算処理を行い、ファインダー２１に撮像した画像を映し出す。
【００６８】
尚、エリアセンサ３が対数変換動作を行っているときは、所定の間隔毎に１コマ分の画像データを切換判定回路５’に送出させる。又、エリアセンサ３が線形変換動作を行っているときは、所定の間隔毎にエリアセンサ３に対数変換動作を行わせるとともに、そのとき得られた画像データを切換判定回路５’に送出させた後、切り換える必要がなければ、エリアセンサ３は線形変換動作に戻る。
【００６９】
又、本実施形態では、エリアセンサが線形変換動作を行っているときも強制的に対数変換動作を行わせて得られた１コマ分の画像データに基づいて、被写体の輝度範囲を求めているが、エリアセンサが線形変換動作を行っているとき、所定の間隔毎に得られる画像データのうち飽和したデータの数量によって、その輝度範囲を求めて、切換判定を行うようにしても良い。即ち、エリアセンサが線形変換動作を行っているとき、飽和したデータが所定値より多い場合、白トビ又は黒ツブレが多く発生するものと考えられるので、エリアセンサの変換動作を対数変換動作に切り換える。
【００７０】
更に、第１の実施形態と同様に、エリアセンサ３の変換動作が線形変換動作、対数変換動作のどちらの場合でも、自動感度調整回路４を動作させることによって、変換動作が切り替わるときにファインダー２１などに違和感無く画像を映し出すことができる。
【００７１】
第１及び第２の実施形態では、図２のような構成のエリアセンサにおいて、図３のような回路構成の画素を用いて説明したが、このような回路構成の画素以外に、例えば、図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。
【００７２】
図１１に示す画素は、図３に示す画素のように、トランジスタＴ１のドレインとゲートを接続せずに、ソースとゲートを接続するようにしている。まず、光電流を対数変換して出力するときの画素の動作について説明する。トランジスタＴ１のソース・ドレイン間の電圧差を大きくして、ゲート・ソース間に発生する電圧をスレッショルド電圧より小さくする。このようにすることによって、トランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされているときと同様の状態とする。よって、フォトダイオードＰＤより発生する光電流を対数変換して出力することができる。
【００７３】
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Ｔ１を実質的にカットオフ状態とする。よって、トランジスタＴ１のソース・ドレイン間に電流が流れない。その後の動作については、図３に示す画素と同様である。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
又、第１及び第２の実施形態では、図４のような構成のエリアセンサにおいて、図６のような回路構成の画素を用いて説明したが、このような回路構成の画素以外に、例えば、図１３又は図１４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１３の画素の構成について、以下に説明する。尚、図６に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７７】
図１３に示す画素は、図６に示す画素のように、トランジスタＴ１のドレインとゲートを接続せずに、ソースとゲートを接続するようにしている。まず、光電流を対数変換して出力するときの画素の動作について説明する。トランジスタＴ１のソース・ドレイン間の電圧差を大きくして、ゲート・ソース間に発生する電圧をスレッショルド電圧より小さくする。このようにすることによって、トランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされているときと同様の状態とする。よって、フォトダイオードＰＤより発生する光電流を対数変換して出力することができる。
【００７８】
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Ｔ１を実質的にカットオフ状態とする。よって、トランジスタＴ１のソース・ドレイン間に電流が流れない。その後の動作については、図６に示す画素と同様である。
【００７９】
次に、図１４の画素の構成について、以下に説明する。尚、図１３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。
【００８０】
図１４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１３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１３に示す画素と同様である。しかし、図１３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１３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１３の画素と同様である。
【００８１】
更に、本発明で使用する画素は、１つの画素で対数変換動作及び線形変換動作を行うことが可能であればよく、例えば、図３、図６、図１１、図１２、図１３又は図１４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。
【００８２】
又、エリアセンサについても、図２又は図４のような構成のエリアセンサを用いて説明したが、このような構成のエリアセンサに限定されるものでなく、例えば、エリアセンサ内に設けられたＭＯＳトランジスタがＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるような他の構成のエリアセンサでも良い。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入射光に対し電気信号を対数変換するか線形変換するかを、撮像を行う固体撮像素子の出力に基づいて切り換えるようにした。そのため、被写体の明るさの状態にかかわらず常に良好な撮像を行うことが可能となり、例えば、明るい状況下にある被写体を撮像するときは、広い輝度範囲を撮像できるように固体撮像素子を対数変換動作を行わせ、又、暗い状況下にある被写体を撮像するときは、階調性良く撮像できるように固体撮像素子を線形変換動作を行わせることができる。又、固体撮像素子からの電気信号を用いて固体撮像素子の動作状態を自動的に切り換えるので、被写体の輝度などを測定するためのセンサーを新たに設ける必要がなく、構成が簡単になる。
【００８４】
又、感度調整を行う感度調整部に送出する輝度信号を固体撮像素子の動作状態を切り換えるための判断材料とすることによって、通常より使用されている感度調整部に送出する輝度信号が用いられているので、被写体の輝度を判定するための信号を新たに生成する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の固体撮像装置の内部構造を示すブロック図。
【図２】本発明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２に示すエリアセンサ内に設けられた画素の回路構成の１例。
【図４】本発明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の一部の回路図。
【図６】図４に示すエリアセンサ内に設けられた画素の回路構成の１例。
【図７】自動感度調整回路とその周辺部の構成を示す図。
【図８】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９】第２の実施形態の固体撮像装置の内部構造を示すブロック図。
【図１０】図９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１１】図２に示すエリアセンサ内に設けられた画素の回路構成の１例。
【図１２】図２に示すエリアセンサ内に設けられた画素の回路構成の１例。
【図１３】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１４】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１５】ＬＯＧセンサの出力特性を示す図。
【符号の説明】
１ 固体撮像装置
２ 対物レンズ
３ エリアセンサ（固体撮像素子）
４ 自動感度調整回路
５ 切換判定回路
６ 切換信号発生回路
７ 垂直走査回路
８ 水平走査回路
９ ライン
１０ 出力信号線
１１ 電源ライン
１２ 信号線
２０ 処理部
２１ ファインダー
２２ アイリス
３１ アンプ
４１ プロセッサ
４２ タイミングジェネレータ
Ｇ11〜Ｇmn 画素
Ｔ１〜Ｔ６ ＮチャネルのＭＯＳトランジスタ
ＰＤ フォトダイオード
Ｃ キャパシタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光に対する電気信号の線形変換と対数変換を行える固体撮像素子を有する固体撮像装置に関するもので、特に１つの固体撮像素子で線形変換動作と対数変換動作とを切り換えて行うことが可能な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等の固体撮像素子は、その感光素子に入射された光の輝度に対して、線形的に変換した信号を出力する。このように線形変換を行うエリアセンサ（以下、「リニアセンサ」と呼ぶ。）は、例えば、レンズの絞りを調整することにより、被写体の最も明るい部分（ハイライト部）を撮像する感光素子がその最大レベルの９０パーセント程度のレベルの電気信号として出力できるように、調節される。このようなリニアセンサを用いることによって、被写体の輝度分布においてその最小値をＬmin［ｃｄ／ｍ2］、その最大値をＬmax［ｃｄ／ｍ2］としたとき、被写体の輝度範囲 Ｌmax／Ｌmin が２桁以下の狭い範囲であれば階調性豊かに被写体の情報を取り込むことができる。
【０００３】
それに対して、本出願人は、入射した光量に応じた電流を発生する感光素子と、その電流を入力するＭＯＳトランジスタと、このＭＯＳトランジスタをサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とを備え、感光素子からの電流を対数変換するようにしたエリアセンサ（以下、「ＬＯＧセンサ」と呼ぶ。）を提案した（特開平３−１９２７６４号公報参照）。このようなＬＯＧセンサは、被写体の最も明るい部分（ハイライト部）を撮像する感光素子がその最大レベルの９０パーセント程度のレベルの電気信号として出力できるように、調節した場合、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略２桁と狭いため、被写体に直射日光が当たるなどの要因で被写体の輝度が明るくなり、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１５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、被写体の明るさの状態にかかわらず常に良好な撮像を行うことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。又、本発明は、固体撮像素子の入射光に対する電気信号の線形変換動作と対数変換動作とを、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。又、本発明の他の目的は、１つの固体撮像素子が前記線形変換動作と前記対数変換動作とを行う固体撮像装置を提供することである。更に、本発明の他の目的は、構成の簡単な固体撮像装置を提供することである。
【００１０】
【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固体撮像素子を有する固体撮像装置において、前記固体撮像素子の動作状態を、前記電 気信号が入射光量に対して線形的に変換されて出力される第１状態と、自然対数的に変換されて出力される第２状態とに切り換え可能とするとともに、固体撮像素子にて発生する電気信号に基づいて、被写体の輝度範囲を検出する輝度範囲検出手段を設けて、被写体の輝度範囲に応じて、前記固体撮像素子の動作状態を切り換えることを特徴とする。
【００１１】
このような構成の固体撮像装置によると、階調性の良い第１状態と、輝度範囲の広い被写体を撮像可能な第２状態とを、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２に記載するように、被写体の輝度範囲が狭いとき、前記固体撮像素子の動作状態を第１状態にし、被写体の輝度範囲が広いとき、前記固体撮像素子の動作状態を第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。
【００１２】
請求項３に記載の固体撮像装置は、請求項１又は請求項２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、固体撮像素子から送出され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、この電気信号のレベルの最大値と最小値の差に応じて前記固体撮像素子の動作状態を第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、前記固体撮像素子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。
【００１３】
このような固体撮像装置において、請求項４に記載するように、前記切換信号を２値の電圧信号とすることによって、固体撮像素子内に設けられた素子に印加するバイアス電圧の値を変化させることによって、固体撮像素子の動作を第１状態又は第２状態に切り換えることができる。
【００１４】
請求項５に記載の固体撮像装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記固体撮像素子が、第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極及び制御電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むトランジスタと、を有し、前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化させることによって、前記固体撮像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の固体撮像装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記固体撮像素子が、第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むとともに、第２電極と制御電極とが接続されたトランジスタと、を有し、前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化させることによって、前記固体撮像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の固体撮像装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記固体撮像素子が、第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、第１電極と第２電極と制御電極とを備え、制御電極に直流電圧が印加されるともに、第１電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むトランジスタと、を有し、前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化させることによって、前記固体撮像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
本発明の第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及び図４は、図１に示す固体撮像装置に設けられた固体撮像素子であるエリアセンサの構造の１例を示すブロック図である。図３は、図２に示すエリアセンサ内の画素の構成の１例を示す回路図である。図６は、図４に示すエリアセンサ内の画素の構成の１例を示す回路図である。
【００１８】
図１に示す固体撮像装置１は、対物レンズ２と、該対物レンズ２を介して入射する光に応じて対数変換もしくは線形変換を行った電気信号を出力するエリアセンサ３と、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感度調整を行う自動感度調整回路４と、前記電気信号（以下、「輝度信号」と呼ぶ。）より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５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６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２０とを有している。
【００１９】
尚、処理部２０で処理された信号は、出力端子９１から固体撮像装置１の外部へ出力され記録媒体への記録や表示装置への出力など種々の用途に供される。又、出力端子９２からファインダー２１へも与えられる。又、エリアセンサ３から処理部２０に送出される電気信号を、以下、「画像データ」と呼ぶ。尚、自動感度調整回路４の詳細については後述し、図１においては自動感度調整回路４の周辺部分の構成は簡略的に図示している。
【００２０】
このような構成の固体撮像装置に設けられたエリアセンサ３の構成の一例について、図２を参照して説明する。同図において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。７は垂直走査回路であり、行（ライン）９−１、９−２、・・・、９−ｎを順次走査していく。８は水平走査回路であり、画素から出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１１は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン９−１、９−２、・・・、９−ｎや出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍ、電源ライン１１だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらについて省略している。
【００２１】
出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２、・・・、Ｑｍが図示の如く１つずつ設けられている。トランジスタＱ１、Ｑ２、・・・、Ｑｍのドレインは、それぞれ出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに接続され、ソースは最終的な信号線１２に接続され、ゲートは水平走査回路８に接続されている。尚、後述するように各画素内にはスイッチ用のＮチャネルの第４ＭＯＳトランジスタＴ４も設けられている。ここで、トランジスタＴ４は行の選択を行うものであり、トランジスタＱ１〜Ｑｍは列の選択を行うものである。
【００２２】
更に、このようなエリアセンサ３内の画素Ｇ11〜Ｇmnの構成について、図３を参照して説明する。図３において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部（光電変換部）を形成している。そのフォトダイオードＰＤのアノードは第１ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインとゲート、第２ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート、及び第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４ＭＯＳトランジスタＴ４のドレインに接続されている。トランジスタＴ４のソースは出力信号線１０（この出力信号線１０は図２の１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに対応する）へ接続されている。尚、トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、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。
【００２３】
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。
【００２４】
このような構成の画素において、信号φＶPSの電圧値を切り換えてトランジスタＴ１のバイアスを変えることにより、出力信号線１０に導出される出力信号をフォトダイオード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。
【００２５】
（１） 光電流を自然対数的に変換して出力する場合。
まず、信号φＶPSをローレベルとし、トランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされているときの動作について、説明する。このとき、トランジスタＴ３のゲートに与えられる信号φＶRSがローレベルになっているので、トランジスタＴ３はＯＦＦとなり、実質的に存在しないことと等価になる。又、トランジスタＴ２に与えられる信号φＤはハイレベル（直流電圧ＶPDと同じ又は直流電圧ＶPDに近い電位）とする。
【００２６】
図３の回路において、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。
【００２７】
次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス信号φＶを与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、キャパシタＣに蓄積された電荷が、出力電流として出力信号線１０に導出される。この出力信号線１０に導出される電流は前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値となる。このようにして入射光量の対数値に比例した信号（出力電流）を読み出すことができる。信号を読み出した後、トランジスタＴ４をＯＦＦとするとともに信号φＤをローレベル（信号φＶPSよりも低い電位）にしてトランジスタＴ２を通して信号φＤの線路へキャパシタＣに蓄積された電荷を放電することによって、キャパシタＣ及び接続ノードａの電位が初期化される。このような動作を所定の時間間隔で繰り返すことにより、刻々と変化する被写体像を広いダイナミックレンジで連続的に撮像することができる。尚、このように入射光量を自然対数的に変換する場合、信号φＶRSは、常にローレベルのままであり、トランジスタＴ３はＯＦＦ状態となっている。
【００２８】
（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。
【００２９】
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。
【００３０】
今、接続ノードａの電位が前記初期化により直流電圧ＶPDより低くなっているので、トランジスタＴ２はＯＮし、トランジスタＴ２のゲート電圧に応じたドレイン電流がトランジスタＴ２を流れ、トランジスタＴ２のゲート電圧に比例した量の電荷がキャパシタＣに蓄積される。よって、接続ノードａの電位が前記光電流を積分した値に比例した値になる。次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス信号φＶを与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、キャパシタＣに蓄積された電荷が、出力電流として出力信号線１０に導出される。この出力電流は前記光電流の積分値を線形的に変換した値となる。
【００３１】
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Ｔ１，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。
【００３２】
このように、図３に示す画素は、簡単な電位操作により同一の画素で光電変換出力特性を切り換えることが可能になる。尚、信号を対数変換して出力する状態から線形変換して出力する状態に切り換える際には、まずφＶPSの電位調整により出力の切り換えを行ってから、トランジスタＴ３によるトランジスタＴ１などのリセットを行うことが好ましい。一方、信号を線形変換して出力する状態から対数変換して出力する状態に切り換える際には、トランジスタＴ３によるトランジスタＴ１などのリセットは特に必要ない。これは、トランジスタＴ１が完全なＯＦＦ状態ではないことに起因してトランジスタＴ１に蓄積されたキャリアは逆極性のキャリアによってうち消されるためである。
【００３３】
又、エリアセンサ３の構成の別の例について、図４を参照して説明する。同図において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。７は垂直走査回路であり、行（ライン）９−１、９−２、・・・、９−ｎを順次走査していく。８は水平走査回路であり、画素から出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１１は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン９−１、９−２・・・、９−ｎや出力信号線１０−１、１０−２・・・、１０−ｍ、電源ライン１１だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図４ではこれらについて省略する。
【００３４】
出力信号線１０−１、１０−２・・・、１０−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２、・・・、Ｑｍ及びＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱａ１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍが図示の如く１組ずつ設けられている。トランジスタＱａ１、Ｑａ２、・・・、Ｑａｍのゲートは直流電圧線１３に接続され、ドレインはそれぞれ出力信号線１０−１、１０−２・・・、１０−ｍに接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン１４に接続されている。一方、トランジスタＱ１、Ｑ２、・・・、Ｑｍのドレインはそれぞれ出力信号線１０−１、１０−２・・・、１０−ｍに接続され、ソースは最終的な信号線１２に接続され、ゲートは水平走査回路８に接続されている。
【００３５】
画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力するＮチャネルの第５ＭＯＳトランジスタＴ５が設けられている。トランジスタＴ５とトランジスタＱａ（このトランジスタＱａは、図４のトランジスタＱａ１〜Ｑａｍに対応する。）との接続関係は図５（ａ）のようになる。ここで、トランジスタＱａのソースに接続される直流電圧ＶPS’と、トランジスタＴ５のドレインに接続される直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’であり、直流電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）である。この回路構成は上段のトランジスタＴ５のゲートに信号が入力され、下段のトランジスタＱａのゲートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため下段のトランジスタＱａは抵抗又は定電流源と等価であり、図５（ａ）の回路はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場合、トランジスタＴ５から増幅出力されるのは電流であると考えてよい。
【００３６】
トランジスタＱ（このトランジスタＱは、図４のトランジスタＱ１〜Ｑｍに対応する。）は水平走査回路８によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、後述するように図６の画素内にはスイッチ用のＮチャネルの第４ＭＯＳトランジスタＴ４も設けられている。このトランジスタＴ４も含めて表わすと、図５（ａ）の回路は正確には図５（ｂ）のようになる。即ち、トランジスタＴ４がトランジスタＱａとトランジスタＴ５との間に挿入されている。ここで、トランジスタＴ４は行の選択を行うものであり、トランジスタＱは列の選択を行うものである。
【００３７】
図５のように構成することにより信号のゲインを大きく出力することができる。従って、画素がダイナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光電流を自然対数的に変換しているような場合は、そのままでは出力信号が小さいが、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が楽になる。また、増幅回路の負荷抵抗部分を構成するトランジスタＱａを画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍごとに設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【００３８】
図４に示した構成のエリアセンサ３の各画素の一例について、図６を参照して説明する。尚、図３に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
図６に示す画素は、図３に示す画素に、接続ノードａにゲートが接続され接続ノードａにかかる電圧に応じた電流増幅を行う第５ＭＯＳトランジスタＴ５と、このトランジスタＴ５のソースにドレインが接続された行選択用の第４ＭＯＳトランジスタＴ４と、接続ノードａにドレインが接続されキャパシタＣ及び接続ノードａの電位の初期化を行う第６ＭＯＳトランジスタＴ６とが付加された構成となる。トランジスタＴ４のソースは出力信号線１０（この出力信号線１０は図４の１０−１、１０−２、・・・、１０−ｍに対応する）へ接続されている。尚、トランジスタＴ４〜Ｔ６も、トランジスタＴ１〜Ｔ３と同様に、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタでバックゲートが接地されている。
【００４０】
又、トランジスタＴ２，Ｔ５のドレインには直流電圧ＶPDが印加され、トランジスタＴ４のゲートには信号φＶが入力される。又、トランジスタＴ６のソースには直流電圧ＶRB2が印加されるとともに、そのゲートには信号φＶRS2が入力される。尚、本実施形態において、トランジスタＴ１〜Ｔ３及びキャパシタＣは、図３に示す画素内の各素子と同様の動作を行い、信号φＶPSの電圧値を切り換えてトランジスタＴ１のバイアスを変えることにより、出力信号線１０に導出される出力信号を光電流に対して自然対数的に変換させる場合と、線形的に変換させる場合とを実現することができる。以下これらの各場合における動作を説明する。
【００４１】
（１） 光電流を自然対数的に変換して出力する場合。
まず、信号φＶPSをローレベルとし、トランジスタＴ１，Ｔ２がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされているときの動作について、説明する。このとき、トランジスタＴ３のゲートには、第１の実施形態と同様にローレベルの信号φＶRSが与えられるので、トランジスタＴ３はＯＦＦとなり、実質的に存在しないことと等価になる。
【００４２】
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。
【００４３】
次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス信号を与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧に比例した電流がトランジスタＴ４，Ｔ５を通って出力信号線１０に導出される。今、トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧は、接続ノードａにかかる電圧であるので、出力信号線１０に導出される電流は前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値となる。
【００４４】
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。
【００４５】
（２） 光電流を線形的に変換して出力する場合。
次に、信号φＶPSをハイレベルとしたときの動作について説明する。このとき、トランジスタＴ３のゲートにローレベルの信号φＶRSを与えて、トランジスタＴ３はＯＦＦとする。そして、まず、トランジスタＴ６のゲートにハイレベルの信号φＶRS2を与えて該トランジスタＴ６をＯＮすることによりキャパシタＣをリセットするとともに、接続ノードａの電位を直流電圧ＶPDより低い電位ＶRB2に初期化する。この電位はキャパシタＣによって保持される。その後、信号φＶRS2をローレベルとして、トランジスタＴ６をＯＦＦとする。このような状態において、フォトダイオードＰＤに光が入射すると光電流が発生する。このとき、トランジスタＴ１のバックゲートとゲートとの間やフォトダイオードＰＤの接合容量でキャパシタを構成するので、光電流による電荷がトランジスタＴ１のゲート及びドレインに蓄積される。よって、トランジスタＴ１，Ｔ２のゲート電圧が前記光電流を積分した値に比例した値になる。
【００４６】
今、接続ノードａの電位が直流電圧ＶPDより低いので、トランジスタＴ２はＯＮし、トランジスタＴ２のゲート電圧に応じたドレイン電流がトランジスタＴ２を流れ、トランジスタＴ２のゲート電圧に比例した量の電荷がキャパシタＣに蓄積される。よって、接続ノードａの電位が前記光電流を積分した値に比例した値になる。次に、トランジスタＴ４のゲートにパルス信号を与えて、トランジスタＴ４をＯＮにすると、トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧に比例した電流がトランジスタＴ４，Ｔ５を通って出力信号線１０に導出される。トランジスタＴ５のゲートにかかる電圧は、接続ノードａの電圧であるので、出力信号線１０に導出される電流は前記光電流の積分値を線形的に変換した値となる。
【００４７】
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。
【００４８】
又、各画素からの信号読み出しは電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いて行うようにしてもかまわない。この場合、図３又は図６のトランジスタＴ４に相当するポテンシャルレベルを可変としたポテンシャルの障壁を設けることにより、ＣＣＤへの電荷読み出しを行えばよい。
【００４９】
次に、自動感度調整回路４の詳細について、図７を参照して説明する。自動感度調整回路４は、エリアセンサ３より送出される輝度信号より被写体の輝度を検知するプロセッサ４１と、プロセッサ４１よりコントロール信号を受けてエリアセンサ３の受光時間を変更するタイミングジェネレータ４２とを有する。又、対物レンズ２内には、アイリス２２が設けられ、このアイリス２２がプロセッサ４１によりコントロール信号を受けてその絞りを変更する。更に、エリアセンサ３内の各画素からの出力を増幅して処理部２０に出力するためのアンプ３１がエリアセンサ３の出力側に設けられ、このアンプ３１にもプロセッサ４１よりコントロール信号が与えられる。
【００５０】
この自動感度調整回路４は、エリアセンサ３より輝度信号をプロセッサ４１が受けると、まず、この輝度信号より被写体の輝度を検出する。次に、プロセッサ４１が被写体の輝度を検出すると、その輝度に応じてアイリス２２、アンプ３１、タイミングジェネレータ４２にコントロール信号を与える。このようなコントロール信号が与えられるアイリス２２、アンプ３１、タイミングジェネレータ４２について、それぞれの動作を以下に示す。尚、図１には、アンプ３１、アイリス２２、及び自動感度調整回路４からアンプ３１、アイリス２２への信号線は図示省略している。
【００５１】
まず、アイリス２２は、被写体の輝度が明るくなるとエリアセンサ３に与えられる光量が増加してエリアセンサ３内の各画素が飽和状態になりやすくなるため、狭く絞られてエリアセンサ３に与えられる光量を減少させる。次に、アンプ３１は、被写体の輝度が暗くなるとエリアセンサ３内の各画素からの出力が小さくなり階調性が悪くなるため、その出力のゲインを大きくして階調性を高める。最後に、タイミングジェネレータ４２は、被写体の輝度が暗くなるとエリアセンサ３に与えられる光量が減少して出力が得られるのに充分な光量に満たないことがあるため、エリアセンサ３内の各画素の積分時間を長くして出力するのに充分な光量が与えられるようにする。尚、輝度信号としては、例えば、エリアセンサ３の特定画素の出力をそのまま用いることができる。又、複数の画素出力の平均出力を用いても良い。
【００５２】
上記した図３のような画素を設けた図２のような構成のエリアセンサ又は図６のような画素を設けた図４のような構成のエリアセンサをエリアセンサ３に用いたときの固体撮像装置１の動作について、図１及び図８を参照して以下に説明する。但し、図８では処理部２０及び自動感度調整回路４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、切換判定回路５が検知する被写体の輝度で略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。
【００５３】
まず、エリアセンサ３を対数変換動作させるときは、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を撮像可能である。そのため、概して輝度範囲の広い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１０００［ｃｄ／ｍ2］である。
【００５４】
次に、エリアセンサ３を線形変換動作させるときは、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、概して輝度範囲の狭い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。よって、直射日光が入る明るいときにはエリアセンサ３を対数変換動作させ、又、直射日光が入らない暗いときにはエリアセンサ３を線形変換動作させるために、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。
【００５５】
（Ａ）明るい状況で被写体を撮像するとき
図８（ａ）のように、直射日光を受けた被写体５０を撮像するとき、エリアセンサ３より輝度信号が切換判定回路５に送出され、この切換判定回路５により７００［ｃｄ／ｍ2］以上の輝度（例えば１０００［ｃｄ／ｍ2］）が検出される。よって、切換判定回路５はエリアセンサ３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６は、φＶPS（図３又は図６）をローレベルとする切換信号を発生する。この切換信号により、画素内のトランジスタＴ１（図３又は図６）のソース及びキャパシタＣ（図３又は図６）にかかる電圧がローレベルとなって、上記したように、トランジスタＴ１，Ｔ２（図３又は図６）がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされ、エリアセンサ３から対数変換された電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終的な信号線１２（図２又は図４）を介して画像データとして処理部２０に送出される。このように送出された画像データを処理部２０で演算処理を行い、ファインダー２１に撮像した画像を映し出す。
【００５６】
（Ｂ）暗い状況で被写体を撮像するとき
図８（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、エリアセンサ３より輝度信号が切換判定回路５に送出され、この切換判定回路５により７００［ｃｄ／ｍ2］以下の輝度（例えば、５００［ｃｄ／ｍ2］）が検出される。よって、切換判定回路５はエリアセンサ３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６は、φＶPS（図３又は図６）をハイレベルとする切換信号を発生する。この切換信号により、画素内のトランジスタＴ１（図３又は図６）のソースにかかる電圧がハイレベルとなって、上記したように、トランジスタＴ１が実質的にＯＦＦ状態となり、エリアセンサ３から線形変換された電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終的な信号線１２（図２又は図４）を介して画像データとして処理部２０に送出される。このように送出された画像データを処理部２０で演算処理を行い、ファインダー２１に撮像した画像を映し出す。
【００５７】
このように切換判定回路５では、エリアセンサ３から自動感度調整回路４に送出される輝度信号によって、エリアセンサ３の変換動作を判定する事ができる。尚、エリアセンサ３の変換動作が線形変換動作、対数変換動作のどちらの場合でも、自動感度調整回路４は動作している。よって、変換動作が切り替わるときにファインダー２１などに違和感無く画像を映し出すことができる。
【００５８】
＜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。図９は、本実施形態で使用する固体撮像装置の内部構造を示すブロック図である。尚、図１に示す固体撮像装置と同様の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５９】
図９の固体撮像装置１’における切換判定回路５’は、図１の切換判定回路５のように自動感度調整回路４に入力される輝度信号が入力されずに、エリアセンサ３からの画像データが入力される。又、この切換判定回路５’は、図１の切換判定回路５のように被写体の輝度のみを検知するのではなく、エリアセンサ３からの画像データより、被写体の輝度範囲が検知される。又、エリアセンサ３は、第１の実施形態と同様に上記した図３のような画素を設けた図２のような構成のエリアセンサ又は図６のような画素を設けた図４のような構成のエリアセンサである。尚、図９において、図１と同様、アイリス２２、アンプ３１、及び自動感度調整回路４からアイリス２２、アンプ３１への信号線は図示省略している。又、自動感度調整回路４は、図７に示す自動感度調整回路４と同様の構成であるとともに、第１の実施形態で説明した動作と同様の動作を行う。
【００６０】
まず、被写体の輝度範囲の検知方法について、固体撮像装置１’をビデオムービーとして説明する。現在、ビデオムービーなどでは、１秒間に３０コマの画像を記録している。そこで、例えば１秒間に１コマずつというように、所定の間隔で、エリアセンサ３を強制的に対数変換動作を行わせて、このとき、エリアセンサ３から切換判定回路５’に送出される１コマ分の画像データにより被写体の輝度範囲を検知することができる。このようにして得られる被写体の輝度範囲によって、エリアセンサ３に線形変換動作をさせるか、対数変換動作をさせるか判定する。
【００６１】
次に、このような固体撮像装置１’の動作について、図９及び図１０を参照して以下に説明する。尚、図１０では処理部２０及び自動感度調整回路４は図示省略している。図９に示す固体撮像装置１’は、エリアセンサ３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、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。
【００６２】
ところで、まず、エリアセンサ３を対数変換動作させるときは、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。
【００６３】
次に、エリアセンサ３を線形変換動作させるときは、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。
【００６４】
（Ａ）明るい状況で被写体を撮像するとき
図１０（ａ）のように、直射日光を受けた被写体５０を撮像するとき、エリアセンサ３が、所定の間隔毎に、１コマ分の対数変換した画像データを切換判定回路５’に送出する。この切換判定回路５’では、エリアセンサ３から１コマ分の画像データが送出される際に各画素から送出される電気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５’によりエリアセンサ３を対数変換動作させるべきであると判定する。
【００６５】
この判定信号を受けた切換信号発生回路６は、φＶPS（図３又は図６）をローレベルとする切換信号を発生する。この切換信号により、画素内のトランジスタＴ１（図３又は図６）のソース及びキャパシタＣ（図３又は図６）にかかる電圧がローレベルとなって、上記したように、トランジスタＴ１，Ｔ２（図３又は図６）がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされ、エリアセンサ３から対数変換された電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終的な信号線１２（図２又は図４）を介して処理部２０に送出される。このように送出された電気信号を処理部２０で演算処理を行い、ファインダー２１に撮像した画像を映し出す。
【００６６】
（Ｂ）暗い状況で被写体を撮像するとき
図１０（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、エリアセンサ３が、所定の間隔毎に、１コマ分の対数変換した画像データを切換判定回路５’に送出する。この切換判定回路５’では、エリアセンサ３から１コマ分の画像データが送出される際に各画素から送出される電気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５’によりエリアセンサ３を線形変換動作させるべきであると判定する。
【００６７】
この判定信号を受けた切換信号発生回路６は、φＶPS（図３又は図６）をハイレベルとする切換信号を発生する。この切換信号により、画素内のトランジスタＴ１（図３又は図６）のソースにかかる電圧がハイレベルとなって、上記したように、トランジスタＴ１（図３又は図６）が実質的にＯＦＦ状態となり、エリアセンサ３から線形変換された電気信号が出力信号線１０（図３又は図６）及び最終的な信号線１２（図２又は図４）を介して処理部２０に送出される。このように送出された電気信号を処理部２０で演算処理を行い、ファインダー２１に撮像した画像を映し出す。
【００６８】
尚、エリアセンサ３が対数変換動作を行っているときは、所定の間隔毎に１コマ分の画像データを切換判定回路５’に送出させる。又、エリアセンサ３が線形変換動作を行っているときは、所定の間隔毎にエリアセンサ３に対数変換動作を行わせるとともに、そのとき得られた画像データを切換判定回路５’に送出させた後、切り換える必要がなければ、エリアセンサ３は線形変換動作に戻る。
【００６９】
又、本実施形態では、エリアセンサが線形変換動作を行っているときも強制的に対数変換動作を行わせて得られた１コマ分の画像データに基づいて、被写体の輝度範囲を求めているが、エリアセンサが線形変換動作を行っているとき、所定の間隔毎に得られる画像データのうち飽和したデータの数量によって、その輝度範囲を求めて、切換判定を行うようにしても良い。即ち、エリアセンサが線形変換動作を行っているとき、飽和したデータが所定値より多い場合、白トビ又は黒ツブレが多く発生するものと考えられるので、エリアセンサの変換動作を対数変換動作に切り換える。
【００７０】
更に、第１の実施形態と同様に、エリアセンサ３の変換動作が線形変換動作、対数変換動作のどちらの場合でも、自動感度調整回路４を動作させることによって、変換動作が切り替わるときにファインダー２１などに違和感無く画像を映し出すことができる。
【００７１】
第１及び第２の実施形態では、図２のような構成のエリアセンサにおいて、図３のような回路構成の画素を用いて説明したが、このような回路構成の画素以外に、例えば、図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。
【００７２】
図１１に示す画素は、図３に示す画素のように、トランジスタＴ１のドレインとゲートを接続せずに、ソースとゲートを接続するようにしている。まず、光電流を対数変換して出力するときの画素の動作について説明する。トランジスタＴ１のソース・ドレイン間の電圧差を大きくして、ゲート・ソース間に発生する電圧をスレッショルド電圧より小さくする。このようにすることによって、トランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされているときと同様の状態とする。よって、フォトダイオードＰＤより発生する光電流を対数変換して出力することができる。
【００７３】
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Ｔ１を実質的にカットオフ状態とする。よって、トランジスタＴ１のソース・ドレイン間に電流が流れない。その後の動作については、図３に示す画素と同様である。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
又、第１及び第２の実施形態では、図４のような構成のエリアセンサにおいて、図６のような回路構成の画素を用いて説明したが、このような回路構成の画素以外に、例えば、図１３又は図１４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１３の画素の構成について、以下に説明する。尚、図６に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７７】
図１３に示す画素は、図６に示す画素のように、トランジスタＴ１のドレインとゲートを接続せずに、ソースとゲートを接続するようにしている。まず、光電流を対数変換して出力するときの画素の動作について説明する。トランジスタＴ１のソース・ドレイン間の電圧差を大きくして、ゲート・ソース間に発生する電圧をスレッショルド電圧より小さくする。このようにすることによって、トランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされているときと同様の状態とする。よって、フォトダイオードＰＤより発生する光電流を対数変換して出力することができる。
【００７８】
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Ｔ１を実質的にカットオフ状態とする。よって、トランジスタＴ１のソース・ドレイン間に電流が流れない。その後の動作については、図６に示す画素と同様である。
【００７９】
次に、図１４の画素の構成について、以下に説明する。尚、図１３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。
【００８０】
図１４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１３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１３に示す画素と同様である。しかし、図１３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１３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１３の画素と同様である。
【００８１】
更に、本発明で使用する画素は、１つの画素で対数変換動作及び線形変換動作を行うことが可能であればよく、例えば、図３、図６、図１１、図１２、図１３又は図１４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。
【００８２】
又、エリアセンサについても、図２又は図４のような構成のエリアセンサを用いて説明したが、このような構成のエリアセンサに限定されるものでなく、例えば、エリアセンサ内に設けられたＭＯＳトランジスタがＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるような他の構成のエリアセンサでも良い。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入射光に対し電気信号を対数変換するか線形変換するかを、撮像を行う固体撮像素子の出力に基づいて切り換えるようにした。そのため、被写体の明るさの状態にかかわらず常に良好な撮像を行うことが可能となり、例えば、明るい状況下にある被写体を撮像するときは、広い輝度範囲を撮像できるように固体撮像素子を対数変換動作を行わせ、又、暗い状況下にある被写体を撮像するときは、階調性良く撮像できるように固体撮像素子を線形変換動作を行わせることができる。又、固体撮像素子からの電気信号を用いて固体撮像素子の動作状態を自動的に切り換えるので、被写体の輝度などを測定するためのセンサーを新たに設ける必要がなく、構成が簡単になる。
【００８４】
又、感度調整を行う感度調整部に送出する輝度信号を固体撮像素子の動作状態を切り換えるための判断材料とすることによって、通常より使用されている感度調整部に送出する輝度信号が用いられているので、被写体の輝度を判定するための信号を新たに生成する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の固体撮像装置の内部構造を示すブロック図。
【図２】本発明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２に示すエリアセンサ内に設けられた画素の回路構成の１例。
【図４】本発明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の一部の回路図。
【図６】図４に示すエリアセンサ内に設けられた画素の回路構成の１例。
【図７】自動感度調整回路とその周辺部の構成を示す図。
【図８】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９】第２の実施形態の固体撮像装置の内部構造を示すブロック図。
【図１０】図９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１１】図２に示すエリアセンサ内に設けられた画素の回路構成の１例。
【図１２】図２に示すエリアセンサ内に設けられた画素の回路構成の１例。
【図１３】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１４】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１５】ＬＯＧセンサの出力特性を示す図。
【符号の説明】
１ 固体撮像装置
２ 対物レンズ
３ エリアセンサ（固体撮像素子）
４ 自動感度調整回路
５ 切換判定回路
６ 切換信号発生回路
７ 垂直走査回路
８ 水平走査回路
９ ライン
１０ 出力信号線
１１ 電源ライン
１２ 信号線
２０ 処理部
２１ ファインダー
２２ アイリス
３１ アンプ
４１ プロセッサ
４２ タイミングジェネレータ
Ｇ11〜Ｇmn 画素
Ｔ１〜Ｔ６ ＮチャネルのＭＯＳトランジスタ
ＰＤ フォトダイオード
Ｃ キャパシタ
Claims (7)
- 入射光量に応じた電気信号を発生する固体撮像素子を有する固体撮像装置において、
前記固体撮像素子の動作状態を、前記電気信号が入射光量に対して線形的に変換されて出力される第１状態と、自然対数的に変換されて出力される第２状態とに切り換え可能とするとともに、
固体撮像素子にて発生する電気信号に基づいて、被写体の輝度範囲を検出する輝度範囲検出手段を設けて、被写体の輝度範囲に応じて、前記固体撮像素子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。 - 被写体の輝度範囲が狭いとき、前記固体撮像素子の動作状態を第１状態にし、被写体の輝度範囲が広いとき、前記固体撮像素子の動作状態を第２状態にすることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記輝度範囲検出手段が、
固体撮像素子から送出され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、この電気信号のレベルの最大値と最小値の差に応じて前記固体撮像素子の動作状態を第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、前記固体撮像素子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１又は請求項２に記載の固体撮像装置。 - 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３に記載の固体撮像装置。
- 前記固体撮像素子が、
第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、
第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極及び制御電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むトランジスタと、を有し、
前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化させることによって、前記固体撮像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像素子が、
第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、
第１電極と第２電極と制御電極とを備え、第１電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むとともに、第２電極と制御電極とが接続されたトランジスタと、を有し、
前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化させることによって、前記固体撮像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像素子が、
第１電極に直流電圧が印加された感光素子と、
第１電極と第２電極と制御電極とを備え、制御電極に直流電圧が印加されるともに、第１電極が前記感光素子の第２電極に接続され、前記感光素子からの出力電流が流れ込むトランジスタと、を有し、
前記トランジスタの第１電極と第２電極の間の電位差を変化させることによって、前記固体撮像素子の動作を、第１状態と第２状態とに切り換えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
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