(57)【要約】  【課題】  画像信号として用いる信号を、異なる光電変換特性で撮像されて得た信号から輝度範囲毎に選択する撮像装置を提供することを目的とする。  【解決手段】  固体撮像素子が対数変換動作と線形変換動作を交互に行った後、この対数変換時及び線形変換時の画像信号を各画素毎に、階調変換回路内のメモリに格納する。そして、階調変換回路では、所定の輝度値より低い輝度範囲における画素に対して線形変換された画像信号を選択して出力し、又、所定の輝度値より高い輝度範囲における画素に対して対数変換された画像信号を選択して出力する。【選択図】      図１０
2005086630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ種類の光電変換特性に応じた画像信号を出力する複数の画素を有する固体撮像素子を備える撮像装置において、
前記ｎ種類の光電変換特性が切り換えられた前記固体撮像素子から得られるｎ種類の画像信号を、前記画素毎に格納するメモリと、
前記各画素の輝度範囲を確認する輝度範囲確認部と、
前記メモリに格納されたｎ種類の画像信号から、該輝度範囲確認部で確認された輝度範囲に応じた画像信号を選択する選択部と、
を備え、
前記選択部は、前記各画素の輝度範囲に応じて前記ｎ種類の光電変換特性による画像信号を画素毎に選択することにより、前記ｎ種類の画像信号が合成された画像信号を出力することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記各画像信号毎に、前記輝度範囲確認部で輝度範囲を確認する画素を中心とする周辺の画素の画像信号との相対関係により当該輝度範囲を確認する画素の画像信号を新たに設定するローパスフィルタを備え、
前記輝度範囲確認部が前記ローパスフィルタより与えられる前記各画素の画像信号より前記各画素の輝度範囲を確認することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
入射光量に対して線形的に変化する画像信号を出力する第１状態から入射光量に対して対数的に変化する画像信号を出力する第２状態へ前記固体撮像素子の前記光電変換特性を切り換えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記固体撮像素子の前記各画素への露光量を切り換えることによって、前記固体撮像素子の前記光電変換特性を切り換えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記固体撮像素子が複数種類の色フィルタを備えて前記画像信号として複数種類の色信号を出力す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。
【請求項６】
前記固体撮像素子を構成する前記画素それぞれに対して、全種類の前記色信号が生成されて、前記メモリに格納されるとともに、
前記輝度範囲確認部において、前記各画素の前記各色信号毎に輝度範囲を確認した後、
前記選択部において、前記各色信号毎に、確認された輝度範囲に応じた前記光電変換特性により得られた色信号を前記メモリより選択することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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線形変換動作と、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対数変換動作との間で、その光電変換動作を切り換えることが可能な撮像装置や、露光量を変化させて異なる光電変換特性を切り換えることが可能な撮像装置などの、複数の光電変換特性を切り換えることが可能な撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。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、本出願人は、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を提案している（特許文献２参照）。
【０００３】
又、本出願人は、線形変換動作と対数変換動作とが切替可能な固体撮像素子を備え、各種条件に応じて固体撮像素子の光電変換特性を自動的に切り換えることのできる撮像装置を提案している（特許文献３〜特許文献６参照）。尚、特許文献３では、撮像する被写体の明るさに応じて、特許文献４では、撮像する被写体の輝度範囲に応じて、特許文献５では、被写体までの距離と撮像倍率に応じて、特許文献６では、計測した被写体の輝度分布形状に応じて、それぞれ、固体撮像素子の光電変換特性を自動的に切り換える。
【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
【特許文献３】特開２００１−８１１０号公報
【特許文献４】特開２００１−１６５０７号公報
【特許文献５】特開２００１−２８７１２号公報
【特許文献６】特開２００１−１９７３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献３〜特許文献６において、撮像する被写体に応じた光電変換特性を設定することができるが、固体撮像素子から出力される画像信号が全て同一の光電変換特性により得られた画像信号となる。そのため、固体撮像素子が線形変換動作を行ったときに得られた画像信号は、そのダイナミックレンジが狭いものとなり、又、固体撮像素子が対数変換動作を行ったときに得られた画像信号は、その階調性が線形変換された場合と比べて乏しいため、コントラストの悪い画像信号となってしまう。
【０００５】
このような問題を鑑みて、画像信号として用いる信号を、異なる光電変換特性で撮像されて得た信号から輝度範囲毎に選択する撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、ｎ種類の光電変換特性に応じた画像信号を出力する複数の画素を有する固体撮像素子を備える撮像装置において、前記ｎ種類の光電変換特性が切り換えられた前記固体撮像素子から得られるｎ種類の画像信号を、前記画素毎に格納するメモリと、前記各画素の輝度範囲を確認する輝度範囲確認部と、前記メモリに格納されたｎ種類の画像信号から、該輝度範囲確認部で確認された輝度範囲に応じた画像信号を選択する選択部と、を備え、前記選択部は、前記各画素の輝度範囲に応じて前記ｎ種類の光電変換特性による画像信号を画素毎に選択することにより、前記ｎ種類の画像信号が合成された画像信号を出力することを特徴とする。
【０００７】
このような撮像装置において、前記ｎ種類の光電変換特性として第１〜第ｎ光電変換特性を使用するとともに、前記第１〜第ｎ光電変換特性それぞれに対応した前記輝度範囲を第１〜第ｎ輝度範囲とし、又、前記第１〜第ｎ光電変換特性それぞれによって得られた前記画像信号を第１〜第ｎ画像信号とする。このとき、前記固体撮像素子の光電変換特性を前記第１〜第ｎ光電変換特性の間で切り換える。そして、光電変換特性が切り換えられた前記画像信号を前記画素毎に前記メモリに格納することで、前記各画素毎に前記メモリに第１〜第ｎ画像信号が格納された状態となる。その後、前記輝度範囲確認部において、前記各画素毎に前記第１〜第ｎ輝度範囲のいずれであるかを確認する。このとき、第ｓ（ｓは、１≦ｓ≦ｎの自然数）輝度範囲であることが確認されると、前記メモリから第ｓ画像信号を選択する。このようにして、ｎ種類の光電変換特性による画像信号を画素毎に選択することにより、前記ｎ種類の画像信号が合成された画像信号が生成される。
【０００８】
このような撮像装置において、前記各画像信号毎に、前記輝度範囲確認部で輝度範囲を確認する画素を中心とする周辺の画素の画像信号との相対関係により当該輝度範囲を確認する画素の画像信号を新たに設定するローパスフィルタを備え、前記輝度範囲確認部が前記ローパスフィルタより与えられる前記各画素の画像信号より前記各画素の輝度範囲を確認する。即ち、前記ローパスフィルタにおいて、第１〜第ｎ−１画像信号それぞれに対して、入力された画像信号と、入力された画像信号を出力した第１画素周辺の第２画素における画像信号とを加重加算することで、ノイズ成分を低減した画像信号を生成し、前記輝度範囲確認部に送出する。よって、前記輝度範囲確認部では、前記ローパスフィルタで新たに生成された第１〜第ｎ−１画像信号に基づいて、輝度範囲を確認する。
【０００９】
このような撮像装置において、入射光量に対して線形的に変化する画像信号を出力する第１状態から入射光量に対して対数的に変化する画像信号を出力する第２状態へ前記固体撮像素子の前記光電変換特性を切り換えるものとしても構わない。このとき、２種類の光電変換特性によって切り換えるものとするとき、前記光電変換特性を第１状態のみ又は第２状態のみで使用するものとし、第１状態及び第２状態を交互に切り換えるものとしても構わない。又、前記固体撮像素子の前記各画素への露光量を切り換えることによって、前記固体撮像素子の前記光電変換特性を切り換えるものとしても構わない。
【００１０】
又、このような撮像装置において、前記固体撮像素子が複数種類の色フィルタを備えて前記画像信号として複数種類の色信号を出力するものとしても構わない。
【００１１】
このとき、前記固体撮像素子を構成する前記画素それぞれに対して、全種類の前記色信号が生成されて、前記メモリに格納されるとともに、前記輝度範囲確認部において、前記各画素の前記各色信号毎に輝度範囲を確認した後、前記選択部において、前記各色信号毎に、確認された輝度範囲に応じた前記光電変換特性により得られた色信号を前記メモリより選択するものとしても構わない。即ち、ＲＧＢ信号となる色信号が前記固体撮像素子から出力されるとき、ある画素のＲＧＢ信号の輝度範囲がそれぞれ、第ｘ輝度範囲、第ｙ輝度範囲、第ｚ輝度範囲であることが前記輝度範囲確認部で確認されたとき、前記選択部において、Ｒ信号は第ｘ画像信号となるＲ信号が、Ｇ信号は第ｙ画像信号となるＧ信号が、Ｂ信号は第ｚ画像信号となるＢ信号がそれぞれ選択される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、同一フレームの画像信号を全て同一の光電変換特性となる画像信号により形成されるのではなく、各画素の輝度範囲毎に光電変換特性の異なる画像信号を選択することができる。よって、全体のダイナミックレンジを狭めることなく、各画素の輝度範囲に応じて最適な光電変換特性を選択することができる。更に、このように広いダイナミックレンジでの撮像が可能となるとともに、線形変換特性となる光電変換特性が選択された輝度範囲においては、階調性豊かなものとして高コントラストの画像を出力させることができる。又、輝度範囲を確認するための信号がローパスフィルタを通じて与えられるようにすることで、ノイズ成分による影響が低減された信号により各画素の輝度範囲を確認することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
＜撮像装置の構成＞
本発明の実施形態である撮像装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
【００１４】
図１の撮像装置は、複数のレンズから構成される光学系１と、光学系１を通じて入射される光の入射光量を電気信号に変換する固体撮像素子２と、固体撮像素子２から出力される電気信号を増幅するアンプ３と、アンプ３で増幅された電気信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路４と、ＡＤ変換回路４からのデジタル信号の最低レベルを設定する黒基準補正回路５と、黒基準補正回路５で黒基準値により補正されたデジタル信号が固体撮像素子２の各画素の感度などによるＦＰＮ（固定パターンノイズ：Fixed Pattern Noise）を除去するＦＰＮ補正回路６と、ＦＰＮ補正回路６でＦＰＮ除去されたデジタル信号より自動露出制御（ＡＥ）及びホワイトバランス（ＷＢ）を行うためのそれぞれの評価値を検出するＡＥ・ＷＢ評価値検出回路７と、ＦＰＮ補正回路６でＦＰＮ除去されたデジタル信号について色バランスがとれるように各色信号毎に補正を行うＷＢ制御回路８と、ＷＢ制御回路８から出力される隣接する複数の画素の色信号に基づいて各色信号の補間を行う色補間回路９と、色補間回路９から出力される各色信号を他の色信号により色合いを各画素毎に補正する色補正回路１０と、色補正回路１０から出力されるデジタル信号の階調変換を行う階調変換回路１１と、階調変換回路１１から出力されるデジタル信号についてエッジ強調などの処理を施すコアリング回路１２と、各ブロックの制御を行う全体制御部１３と、光学系１に備えられる絞り１ａによる露光量を制御する絞り制御部１４と、固体撮像素子２及びＡＤ変換回路４に動作タイミング用のクロックを与えるタイミング生成回路１５と、を備える。
【００１５】
このように構成される撮像装置においては、光学系１を介して光が各画素毎に異なる色フィルタを備えた固体撮像素子２に入射されると、各画素において光電変換動作が行われ、各画素毎に異なる色信号となるアナログ信号が出力される。即ち、図２のように、ＲＧＢによるベイヤ型配列となる色フィルタが固体撮像素子２に設けられるとき、Ｒとなる色フィルタが設けられた画素からは赤色を表すＲ信号が、Ｇとなる色フィルタが設けられた画素からは緑色を表すＧ信号が、Ｂとなる色フィルタが設けられた画素からは青色を表すＢ信号が、それぞれ出力される。尚、固体撮像素子２は、後述するように、全体制御部１３によって駆動条件が変更されることにより、線形変換動作と対数変換動作とが切り替わる輝度位置が変更される。これによって、固体撮像素子２のダイナミックレンジが変化する。切換点が高輝度側になるほどダイナミックレンジが広くなる。
【００１６】
この固体撮像素子２からシリアルに出力されるＲ信号及びＧ信号及びＢ信号が、アンプ３において増幅された後、ＡＤ変換回路４においてデジタル信号に変換される。このようにデジタル信号に変換されたＲ信号及びＧ信号及びＢ信号が黒基準補正回路５に与えられると、全体制御部１３から与えられるダイナミックレンジ制御信号に基づいて、最低輝度値となる黒レベルが基準値（０）に補正される。即ち、固体撮像素子２のダイナミックレンジによって黒レベルが異なるため、ＡＤ変換回路４から出力されるＲ信号及びＧ信号及びＢ信号それぞれの信号レベルに対して、黒レベルとなる信号レベルが減算されることで、基準値補正が行われる。
【００１７】
この黒基準補正が行われたＲ信号及びＧ信号及びＢ信号は、ＦＰＮ補正回路６において格納しているＦＰＮ成分を減算することによって、ＦＰＮ成分が除去される。このＦＰＮ成分は、固体撮像素子２内の各画素を構成するＭＯＳトランジスタの閾値バラツキなどが原因となって生じるオフセットバラツキである。尚、このＦＰＮ成分を抽出する際、ＲＧＢ信号それぞれについて、均一光照射時に固体撮像素子２から出力される各画素に対する画像信号から色フィルタの透過率の差異に基づくオフセットを減算する。このとき、このような各色フィルタの透過率に基づくオフセットを、均一光照射時のＲＧＢ信号それぞれの平均値により求めるものとし、この平均値を均一光照射時のＲＧＢ信号から減算することで、各画素のＦＰＮ成分を抽出するものとしても構わない。このようにＦＰＮ成分が除去されたＲ信号及びＧ信号及びＢ信号が、ＡＥ・ＷＢ評価値検出回路７及びＷＢ制御回路８に与えられる。
【００１８】
ＡＥ・ＷＢ評価値検出回路７では、与えられたＲ信号及びＧ信号及びＢ信号より成る画像信号の輝度値を確認することにより、被写体の輝度範囲を表す輝度の平均値分布範囲を算出し、露光量を設定するＡＥ評価値として全体制御部１３に送出する。このＡＥ評価値に基づいて全体制御部１３が絞り１ａの開口度を制御することで、露光量が制御される。又、ＡＥ・ＷＢ評価値検出回路７では、与えられたＲ信号及びＧ信号及びＢ信号よりそれぞれの輝度比及び輝度差を確認し、ホワイトバランスを行うための基準値であるＷＢ評価値を算出し、全体制御部１３に送出する。そして、ＷＢ制御回路８では、全体制御部１３より与えられるＷＢ評価値及びダイナミックレンジデータに基づいて、Ｒ信号及びＧ信号及びＢ信号が、同一の光電変換特性となるようにホワイトバランス処理が施される。
【００１９】
ＷＢ制御回路８でホワイトバランス処理が施されたＲ信号及びＧ信号及びＢ信号は、色補間回路９において色補間処理が施される。図２のようなＲＧＢによるベイヤ型配列となる色フィルタが固体撮像素子２に設けられているとき、各画素から出力される色信号は、その画素が設けられる色フィルタによる色信号のみである。よって、色補間回路９において、他の色信号が隣接する画素の色信号により生成されることで、色補間処理が施される。
【００２０】
そして、ＲＧＢそれぞれの色フィルタが各画素Ｇ11〜Ｇ44に図２のように配列されているとき、画素Ｇ11，Ｇ31，Ｇ13，Ｇ33からＲ信号ｒ11，ｒ31，ｒ13，ｒ33が、画素Ｇ21，Ｇ41，Ｇ12，Ｇ32，Ｇ23，Ｇ43，Ｇ14，Ｇ34からＧ信号ｇ21，ｇ41，ｇ12，ｇ32，ｇ23，ｇ43，ｇ14，ｇ34が、画素Ｇ22，Ｇ42，Ｇ24，Ｇ44からＢ信号ｂ22，ｂ42，ｂ24，ｂ44が、出力される。このとき、画素Ｇ22，Ｇ23，Ｇ32，Ｇ33のＲＧＢ信号が、以下の式のように表される。
【００２１】
画素Ｇ22のＲ信号ｒ22、Ｇ信号ｇ22、Ｂ信号ｂ22
ｒ22＝（ｒ11＋ｒ31＋ｒ13＋ｒ33）／４
ｇ22＝（ｇ21＋ｇ12＋ｇ32＋ｇ23）／４
ｂ22＝ｂ22
画素Ｇ32のＲ信号ｒ32、Ｇ信号ｇ32、Ｂ信号ｂ32
ｒ32＝（ｒ31＋ｒ33）／２
ｇ32＝ｇ32
ｂ32＝（ｂ22＋ｂ42）／２
画素Ｇ23のＲ信号ｒ23、Ｇ信号ｇ23、Ｂ信号ｂ23
ｒ23＝（ｒ13＋ｒ33）／２
ｇ23＝ｇ23
ｂ23＝（ｂ22＋ｂ24）／２
画素Ｇ33のＲ信号ｒ33、Ｇ信号ｇ33、Ｂ信号ｂ33
ｒ33＝ｒ33
ｇ33＝（ｇ32＋ｇ23＋ｇ43＋ｇ34）／４
ｂ33＝（ｂ22＋ｂ42＋ｂ24＋ｂ44）／４
【００２２】
このように画素補間処理を行うことで、各画素毎にＲＧＢ信号が得られると、各画素のＲＧＢ信号が色補正回路１０に与えられ、各画素の色合いを強調するための色補正処理が施される。このとき、ＲＧＢ信号はそれぞれ、他の色信号の値により色補正が施される。即ち、画素ＧklのＲＧＢ信号ｒkl，ｇkl，ｂklを以下の式に代入することによって、色合い補正が施された画素ＧｋｌのＲＧＢ信号ｒｘkl，ｇｘkl，ｂｘklが生成される。この際、ａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３，ｃ１〜ｃ３によるマトリックス係数が、全体制御部１３から入力されるダイナミックレンジ制御信号に基づいて切り換えられて、各画素のＲＧＢ信号による色合いが強調される。
【００２３】
ｒｘkl＝ａ１×ｒkl＋ａ２×ｇkl＋ａ３×ｂkl
ｇｘkl＝ｂ１×ｒkl＋ｂ２×ｇkl＋ｂ３×ｂkl
ｂｘkl＝ｃ１×ｒkl＋ｃ２×ｇkl＋ｃ３×ｂkl
【００２４】
色補正回路１０で色補正が施されたＲＧＢ信号は、階調変換回路１１に与えられて、適切な出力レベルとなるように、全体制御部１３から入力されるダイナミックレンジ制御信号及びＡＥ評価値に基づいて、γカーブに基づく変化やデジタルゲインの変化により階調特性を変化させる。この階調変換回路１１の詳細については後述する。そして、エッジ成分に対して、図３のように、基準信号レベルからみて所定範囲内の出力を全て基準信号レベルに変換するレベル変換特性を備えるコアリング回路１２において、ＲＧＢ信号それぞれに重畳したノイズ成分が除去されるとともに、エッジ成分が抽出されてエッジ強調処理が施される。
【００２５】
＜固体撮像素子の構成例＞
図１のように構成される撮像装置における固体撮像素子２の構成について、図面を参照して説明する。図４は、本例の固体撮像素子の一部の構成を概略的に示すブロック図であり、図５は、各画素の構成を示す回路図である。
【００２６】
固体撮像素子２は、図４に示すように、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。２１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）２３−１，２３−２，・・・，２３−ｎを順次走査していくとともに、ライン２４−１，２４−２，・・・，２４−ｎを介して各画素に信号φＶＤを、ライン２５−１，２５−２，・・・，２５−ｎを介して各画素に信号φＶPSを、それぞれ与える。２２は水平走査回路であり、画素から出力信号線２６−１，２６−２，・・・，２６−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。２０は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン２３−１〜２３−ｎ，２４−１〜２４−ｎ，２５−１〜２５−ｎや出力信号線２６−１〜２６−ｍ、電源ライン２０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。
【００２７】
又、出力信号線２６−１〜２６−ｍのそれぞれには、定電流源２７−１〜２７−ｍが接続されるとともに、信号線２６−１〜２６−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる画像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路２８−１〜２８−ｍが設けられる。そして、補正回路２９に選択回路２８−１〜２８−ｍから画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２９で補正処理が行われて、ノイズ除去された画像信号が外部に出力される。尚、定電流源２７−１〜２７−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００２８】
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）からの出力となる画像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線２６−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線２６−ａに接続された定電流源２７−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された画像信号及びノイズ信号が順番に選択回路２８−ａに送出されるとともに、この選択回路２８−ａにおいて、送出された画像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。その後、選択回路２８−ａより、サンプルホールドされた画像信号が補正回路２９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２９に送出される。補正回路２９では、選択回路２８−ａより与えられた画像信号を、同じく選択回路２８−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した画像信号をアンプ３に出力する。
【００２９】
このような構成の固体撮像素子２において、画素Ｇ11〜Ｇmnは、図５に示すように、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。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２６（図４の出力信号線２６−１〜２６−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。
【００３０】
ＭＯＳトランジスタＴ２のソースにはライン２５（図４のライン２５−１〜２５−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２４（図４のライン２４−１〜２４−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。
【００３１】
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、画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。
【００３２】
このように構成される固体撮像素子２における画素Ｇ11〜Ｇmnの動作について、図６のタイム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が与えられて画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。次に、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをＶＨにして、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。
【００３３】
そして、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した後、信号φＲＳをハイにして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。その後、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２６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。
【００３４】
このようにノイズ信号が出力された後、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮとされると、撮像動作が開始される。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。そして、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に流れ込むと、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。
【００３５】
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変化する電圧がＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに現れる。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変化する電圧がＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに現れる。
【００３６】
この入射光量に対して線形的に又は自然対数的に変化する電圧が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から流れるため、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変化する電圧となる。そして、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を与えることで、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。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には画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。
【００３７】
このように動作するとき、撮像時の信号φＶPSの電圧値ＶＬが低くなり、リセット時の信号φＶPSの電圧値ＶＨ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７のように、電圧値ＶＬが低いほど、線形変換する被写体輝度の割合が大きくなる。そこで、例えば、被写体の輝度範囲を検出し、被写体の輝度範囲が狭いと電圧値ＶＬを低くして、線形変換する輝度範囲を広くし、又、被写体の輝度範囲が広いと電圧値ＶＬを高くして、対数変換する輝度範囲を広くすることで、被写体の特性に合った光電変換特性とすることができる。尚、電圧値ＶＬを最小とするとき、常に線形変換する状態とし、又、電圧値ＶＬを最大とするとき、常に対数変換する状態とすることもできる。
【００３８】
このように動作する固体撮像素子２の画素Ｇ11〜Ｇmnに与える信号φＶPSの電圧値ＶＬの値を全体制御部１３が切り換えることによって、被写体の輝度範囲などに応じてダイナミックレンジを切り換えられる固体撮像素子２とすることができる。即ち、全体制御部１３が信号φＶPSの電圧値ＶＬの値を切り換えることで、固体撮像素子２の画素Ｇ11〜Ｇmnにおける線形変換動作から対数変換動作へ切り替わる変極点（輝度値）を設定することができる。尚、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い。
【００３９】
尚、本構成例では、図５のように構成される画素を備えた固体撮像素子としたが、このような構成に限られるものではなく、線形変換動作と対数変換動作を各画素において自動的に切り換えることが可能なものであれば、特許文献２に示されるような構成の画素などのような他の構成の画素より構成されるものとしても構わない。又、撮像時の信号φＶPSの電圧値ＶＬを変更することで線形変換動作と対数変換動作との変極点を変更するものとしたが、リセット時の信号φＶPSの電圧値ＶＨを変更することで線形変換動作と対数変換動作との変極点を変更するものとしても構わない。又、リセット時間を変更することで上記変極点を変更するものとしても構わない。更に、各画素にＲＧＢフィルタを備えるものとしたが、シアン（Cyan）、マゼンタ（Magenta）、イエロー（Yellow）などの他の色フィルタを備えるものとしても構わない。
【００４０】
上述のような画素Ｇ11〜Ｇmnを備えた固体撮像素子２は、ｎ個の光電変換特性を各フレーム毎に循環して切り換えるため、信号φＶPSの電圧値ＶＬがｎ個の値ＶＬ１〜ＶＬｎとされる。そして、１フレーム毎に信号φＶPSの電圧値ＶＬ１〜ＶＬｎが切り換えられて画素Ｇ11〜Ｇmnに与えられるため、画素Ｇ11〜Ｇmnはｎフレーム毎に同一の光電変換特性によって動作する。以下では、２つの光電変換特性を各フレーム毎に循環して切り換えるものとし、一方の光電変換特性を、図７におけるグラフａ１のように対数変換特性による光電変換特性とし、他方の光電変換特性を、図７におけるグラフａ４のように線形変換特性による光電変換特性とする。
【００４１】
よって、１フレーム毎に信号φＶPSが切り替わり、画素Ｇ11〜Ｇmnの光電変換特性が１フレーム毎に対数変換特性と線形変換特性との間で切り替わる。即ち、画素Ｇ11〜Ｇmnの光電変換特性を対数変換特性として撮像されたときのフレームの次のフレームが、画素Ｇ11〜Ｇmnの光電変換特性を線形変換特性として撮像され、又、画素Ｇ11〜Ｇmnの光電変換特性を線形変換特性として撮像されたときのフレームの次のフレームが、画素Ｇ11〜Ｇmnの光電変換特性を対数変換特性として撮像される。このとき、固体撮像素子２を対数変換特性及び線形変換特性によって動作させたときのＲＧＢ信号の信号レベルと輝度値との関係を、図８のグラフに示す。尚、図８のグラフはＲ信号の信号レベルと輝度値との関係を示すもので、以下では、Ｒ信号を代表して説明する。
【００４２】
固体撮像素子２を線形変換動作させたとき、図８のグラフｂ２のように変化するため、輝度値Ｌｍａｘｒのとき固体撮像素子２における画素の出力が飽和するため、Ｒ信号の信号レベルがＶｍａｘｒ１で飽和する。又、固体撮像素子２を対数変換動作させたとき、図８のグラフｂ１のように変化するため、輝度値Ｌｍａｘｒのとき、Ｒ信号の信号レベルが線形動作させたときの信号レベルＶｍａｘｒ１より低いＶｍａｘｒ２となる。よって、固体撮像素子２を線形動作させたときに画素の出力が飽和する輝度値Ｌｍａｘｒに対して、線形変換動作時のＲ信号の信号レベルＶｍａｘｒ１と対数変換動作時のＲ信号の信号レベルＶｍａｘｒ２との差ΔＶｍａｘｒがＶｍａｘｒ１−Ｖｍａｘｒ２となる。
【００４３】
同様に、線形変換動作を行ったときに画素出力が飽和する際の線形変換されたＧＢ信号の信号レベルがそれぞれＶｍａｘｇ１、Ｖｍａｘｂ１であり、そのときの輝度値がＧＢ信号それぞれに対してＬｍａｘｇ、Ｌｍａｘｂとする。そして、この輝度値Ｌｍａｘｇ、Ｌｍａｘｂそれぞれに対して対数変換されたＧＢ信号の信号レベルがそれぞれＶｍａｘｇ２、Ｖｍａｘｂ２とする。このとき、輝度値Ｌｍａｘｇにおける線形変換動作時と対数変換動作時のＧ信号の信号レベルの差ΔＶｍａｘｇがＶｍａｘｇ１−Ｖｍａｘｇ２となり、輝度値Ｌｍａｘｂにおける線形変換動作時と対数変換動作時のＢ信号の信号レベルの差ΔＶｍａｘｂがＶｍａｘｂ１−Ｖｍａｘｂ２となる。
【００４４】
＜階調変換回路の第１例＞
図１のように構成される撮像装置における階調変換回路の第１例について、図面を参照して以下に詳細に説明する。図９は、階調変換回路の内部構成の一例を示すブロック図である。
【００４５】
本例の階調変換回路１１は、図９に示すように、固体撮像素子２の光電変換特性が線形変換特性であるときのフレームのＲＧＢ信号が格納されるメモリ１１１ａと、固体撮像素子２の光電変換特性が対数変換特性であるときのフレームのＲＧＢ信号が格納されるメモリ１１１ｂと、固体撮像素子２が線形変換特性により光電変換動作を行うときに出力が飽和するＲＧＢ信号の信号レベル（線形動作時の飽和レベル）とメモリ１１１ａからのＲＧＢ信号の信号レベルとをそれぞれ比較する比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂと、固体撮像素子２が線形変換特性により光電変換動作を行うときに出力が飽和する輝度値Ｌｍａｘに対する対数変換動作時と線形変換動作時の信号レベルの差（オフセット）をメモリ１１１ｂからのＲＧＢ信号それぞれの信号レベルに加算する加算器１１３ｒ，１１３ｇ，１１３ｂと、メモリ１１１ａからのＲＧＢ信号と加算器１１３ｒ，１１３ｇ，１１３ｂそれぞれからのＲＧＢ信号とを選択して出力する選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂと、選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂで選択されたＲＧＢ信号に対して再生出力装置における階調特性による階調変換を行う階調特性変換部１１５と、を備える。
【００４６】
このように構成される階調変換回路１１の動作について、図１０のタイミングチャートを参照して以下に説明する。まず、固体撮像素子２が線形変換動作を行って得られたＮフレームのＲＧＢ信号が色補間回路９で色補間されて、画素Ｇ11〜Ｇmn全てに対してＲＧＢ信号が得られた後、各画素のＲＧＢ信号が色補正回路１０で色補正されて、階調変換回路１１に入力される。このＮフレームの線形変換されたＲＧＢ信号は、メモリ１１１ａにおいて、画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれに対応した領域に格納される。そして、固体撮像素子２においてＮフレームのＲＧＢ信号が全て出力されると、対数変換動作を行うようにリセットされて、対数変換動作を行い、Ｎ＋１フレームのＲＧＢ信号を出力する。このとき、色補正回路１０で色補正された画素Ｇ11〜ＧmnそれぞれのＲＧＢ信号は、メモリ１１１ｂにおいて、画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれに対応した領域に格納される。
【００４７】
このように、固体撮像素子２が線形変換動作を行うことで得られたＲＧＢ信号がメモリ１１１ａに格納されるとともに、固体撮像素子２が対数変換動作を行うことで得られたＲＧＢ信号がメモリ１１１ｂに格納されると、固体撮像素子２が線形変換動作を行って得られたＮ＋２フレームのＲＧＢ信号がメモリ１１１ａに格納されるとき、メモリ１１１ａからＮフレームのＲＧＢ信号が読み出されるとともに、メモリ１１１ｂからＮ＋１フレームのＲＧＢ信号が読み出される。そして、画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれに対して、ＲＧＢ信号それぞれの線形動作時の飽和レベルであるか否かを比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂで確認し、比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂでの比較結果に応じて、選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂにおいて、メモリ１１１ａからのＮフレームのＲＧＢ信号又は加算器１１３ｒ，１１３ｇ，１１３ｂそれぞれからのＮ＋１フレームのＲＧＢ信号を選択する。
【００４８】
具体的には、メモリ１１１ａから読み出されたＮフレームのＲ信号が比較部１１２ｒ及び選択部１１４ｒに、メモリ１１１ａから読み出されたＮフレームのＧ信号が比較部１１２ｇ及び選択部１１４ｇに、メモリ１１１ａから読み出されたＮフレームのＢ信号が比較部１１２ｂ及び選択部１１４ｂに、それぞれ出力される。又、メモリ１１１ｂから読み出されたＮ＋１フレームのＲ信号が加算器１１３ｒを介して選択部１１４ｒに、メモリ１１１ｂから読み出されたＮ＋１フレームのＧ信号が加算器１１３ｇを介して選択部１１４ｇに、メモリ１１１ｂから読み出されたＮ＋１フレームのＢ信号が加算器１１３ｂを介して選択部１１４ｂに、それぞれ出力される。
【００４９】
そして、比較部１１２ｒでは、Ｎフレームにおける各画素のＲ信号の信号レベルが線形動作時の飽和レベルＶｍａｘｒ１であるか否かを確認し、比較部１１２ｇでは、Ｎフレームにおける各画素のＧ信号の信号レベルが線形動作時の飽和レベルＶｍａｘｇ１であるか否かを確認し、比較部１１２ｂでは、Ｎフレームにおける各画素のＢ信号の信号レベルが線形動作時の飽和レベルＶｍａｘｂ１であるか否かを確認する。又、加算器１１３ｒでは、Ｎ＋１フレームにおける各画素のＲ信号の信号レベルにオフセットΔＶｍａｘｒが加算され、加算器１１３ｇでは、Ｎ＋１フレームにおける各画素のＧ信号の信号レベルにオフセットΔＶｍａｘｇが加算され、加算器１１３ｂでは、Ｎ＋１フレームにおける各画素のＢ信号の信号レベルにオフセットΔＶｍａｘｂが加算される。
【００５０】
更に、選択部１１４ｒでは、比較部１１２ｒでの画素Ｇ11〜Ｇmnそれぞれの線形変換されたＲ信号に対する比較結果が入力され、画素Ｇabの線形変換されたＲ信号の信号レベルが飽和レベルＶｍａｘｒ１より小さい値であるとき、画素ＧabのＲ信号として、メモリ１１１ａから読み出されたＮフレームの画素ＧabのＲ信号を選択し、又、画素Ｇabの線形変換されたＲ信号の信号レベルが飽和レベルＶｍａｘｒ１と等しい値であるとき、画素ＧabのＲ信号として、Ｎ＋１フレームの加算器１１３ｒからの画素ＧabのＲ信号を選択する。
【００５１】
同様に、選択部１１４ｇでは、画素Ｇabの線形変換されたＧ信号の信号レベルが飽和レベルＶｍａｘｇ１より小さい値であるとき、画素ＧabのＧ信号として、メモリ１１１ａから読み出されたＮフレームの画素ＧabのＧ信号を選択し、又、画素Ｇabの線形変換されたＧ信号の信号レベルが飽和レベルＶｍａｘｇ１と等しい値であるとき、画素ＧabのＧ信号として、Ｎ＋１フレームの加算器１１３ｇからの画素ＧabのＧ信号を選択する。又、選択部１１４ｂでは、画素Ｇabの線形変換されたＢ信号の信号レベルが飽和レベルＶｍａｘｂ１より小さい値であるとき、画素ＧabのＢ信号として、メモリ１１１ａから読み出されたＮフレームの画素ＧabのＢ信号を選択し、又、画素Ｇabの線形変換されたＢ信号の信号レベルが飽和レベルＶｍａｘｂ１と等しい値であるとき、画素ＧabのＢ信号として、Ｎ＋１フレームの加算器１１３ｇからの画素ＧabのＢ信号を選択する。
【００５２】
このように、Ｎ＋２フレームのＲＧＢ信号が固体撮像素子２より出力されるとき、同時に、まず、各画素のＲＧＢ信号毎に、線形変換されたＮフレームの信号レベルが飽和レベルに達しているか比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１２２ｂそれぞれで確認する。そして、線形変換されたＮフレームの信号レベルが飽和レベルに達していない場合、線形変換されたＮフレームの信号を選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂで選択し、又、線形変換されたＮフレームの信号レベルが飽和レベルに達している場合、対数変換されるとともに加算器１１３ｒ，１１３ｇ，１１３ｂでオフセットが加算されたＮ＋１フレームの信号を選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂで選択する。
【００５３】
よって、図１１のように、選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂで選択されて出力される各画素のＲＧＢ信号がそれぞれ、輝度Ｌｍａｘｒ、Ｌｍａｘｇ、Ｌｍａｘｂより低い輝度範囲では線形変換された信号となり、輝度Ｌｍａｘｒ、Ｌｍａｘｇ、Ｌｍａｘｂ以上の輝度範囲では対数変換された信号となる。尚、図１１には、図９のように変化するＲ信号に対して選択部１１４ｒより出力されるＲ信号の状態を示したが、ＧＢ信号それぞれについても、輝度値Ｌｍａｘｒのときの信号レベルＶｍａｘｒ１が、輝度値Ｌｍａｘｇのときの信号レベルＶｍａｘｇ１及び輝度値Ｌｍａｘｂのときの信号レベルＶｍａｘｂ１に変更されるが、図１１のＲ信号と同様に表すことができる。
【００５４】
このように、選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂそれぞれから出力されたＲＧＢ信号は、階調階調特性変換部１１５に与えられると、ＲＧＢ信号の各輝度値に、再生出力装置における階調特性による階調変換が行われる。即ち、再生出力装置がＣＲＴモニタである場合、ＣＲＴモニタに適した階調特性とするため、ＲＧＢ信号それぞれに対してγ補正を施す。
【００５５】
このようにして、Ｎ＋２フレームのＲＧＢ信号が固体撮像素子２から出力されるとき、Ｎフレーム及びＮ＋１フレームのＲＧＢ信号を各画素毎に選択するとともに階調変換して、後段のコアリング回路１２に出力する。このとき、線形変換されたＮフレームのＲＧＢ信号をメモリ１１１ａから削除するとともに、線形変換されたＮ＋２フレームのＲＧＢ信号をメモリ１１１ａに格納する。
【００５６】
その後、対数変換されたＮ＋３フレームのＲＧＢ信号が固体撮像素子２から出力されるとき、階調変換回路１１では、対数変換されたＮ＋１フレームのＲＧＢ信号をメモリ１１１ｂより読み出すとともに、線形変換されたＮ＋２フレームのＲＧＢ信号をメモリ１１１ａより読み出す。そして、加算器１１３ｒ，１１３ｇ，１１３ｂからのＮ＋１フレームのＲＧＢ信号及びメモリ１１１ａからのＮ＋２フレームのＲＧＢ信号のいずれかを各画素毎に選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂで選択するとともに階調特性変換部１１５で階調変換して、後段のコアリング回路１２に出力する。このとき、対数変換されたＮ＋１フレームのＲＧＢ信号をメモリ１１１ｂから削除するとともに、対数変換されたＮ＋３フレームのＲＧＢ信号をメモリ１１１ｂに格納する。
【００５７】
尚、図１０のように、ＮフレームのＲＧＢ信号が固体撮像素子２から出力されるとき、線形変換されたＮ−２フレームのＲＧＢ信号がメモリ１１１ａより読み出されるとともに、対数変換されたＮ−１フレームのＲＧＢ信号がメモリ１１１ｂより読み出された後、選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂで選択される。又、Ｎ＋１フレームのＲＧＢ信号が固体撮像素子２から出力されるとき、線形変換されたＮフレームのＲＧＢ信号がメモリ１１１ａより読み出されるとともに、対数変換されたＮ−１フレームのＲＧＢ信号がメモリ１１１ｂより読み出された後、選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂで選択される。
【００５８】
この図１０のタイミングチャートに示す動作を繰り返すことによって、固体撮像素子２が線形変換されたＲＧＢ信号及び対数変換されたＲＧＢ信号をフレーム毎に交互に出力するとともに、各画素のＲＧＢ信号毎に、輝度Ｌｍａｘｒ、Ｌｍａｘｇ、Ｌｍａｘｂより低い輝度範囲では線形変換されてメモリ１１１ａに格納された信号を選択して階調変換するとともに、輝度Ｌｍａｘｒ、Ｌｍａｘｇ、Ｌｍａｘｂ以上の輝度範囲では対数変換されてメモリ１１１ｂに格納された信号を選択し階調変換し、後段のコアリング回路１２に出力する。
【００５９】
＜階調変換回路の第２例＞
図１のように構成される撮像装置における階調変換回路の第２例について、図面を参照して以下に詳細に説明する。図１２は、階調変換回路の内部構成の一例を示すブロック図である。尚、図１２の階調変換回路において、図９の階調変換回路と同様の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６０】
本例の階調変換回路１１は、図１２に示すように、メモリ１１１ａ，１１１ｂと、比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂと、加算器１１３ｒ，１１３ｇ，１１３ｂと、選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂと、階調特性変換部１１５と、メモリ１１１ａから出力されるＲＧＢ信号それぞれが入力されて比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂに出力する５画素×５画素毎のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１１６ｒ，１１６ｇ，１１６ｂと、を備える。このようにＬＰＦ１１６ｒ，１１６ｇ，１１６ｂを設けることによって、選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂで選択出力されるＲＧＢ信号の画素周辺の複数の画素の信号レベルが比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂの比較結果に反映される。
【００６１】
このように構成したとき、画素Ｇ(a-2)(b-2)，Ｇ(a-1)(b-2)，Ｇa(b-2)，Ｇ(a+1)(b-2)，Ｇ(a+2)(b-2)，Ｇ(a-2)(b-1)，Ｇ(a-1)(b-1)，Ｇa(b-1)，Ｇ(a+1)(b-1)，Ｇ(a+2)(b-1)，Ｇ(a-2)b，Ｇ(a-1)b，Ｇab，Ｇ(a+1)b，Ｇ(a+2)b，Ｇ(a-2)(b+1)，Ｇ(a-1)(b+1)，Ｇa(b+1)，Ｇ(a+1)(b+1)，Ｇ(a+2)(b+1)，Ｇ(a-2)(b+2)，Ｇ(a-1)(b+2)，Ｇa(b+2)，Ｇ(a+1)(b+2)，Ｇ(a+2)(b+2)のＲＧＢ信号それぞれが、ＬＰＦ１１６ｒ，１１６ｇ，１１６ｂに入力される。ＬＰＦ１１６ｒ，１１６ｇ，１１６ｂでは、画素Ｇabと画素Ｇab周辺の２４画素による上述の２５画素のＲＧＢ信号それぞれに対して、所定の係数を乗算した後に加算する。このとき、画素Ｇ(a-2)(b-2)〜Ｇ(a+2)(b+2)に対して係数Ａ11〜Ａ55が乗算されるとき、画素Ｇ(a-2)(b-2)〜Ｇ(a+2)(b+2)と係数Ａ11〜Ａ55の関係が以下のようになる。又、係数Ａ11〜Ａ55の総和が１となるように設定される。又、係数Ａ11〜Ａ55がＬＰＦ１１６ｒ，１１６ｇ，１１６ｂそれぞれで異なるものとしても構わないし、同一であるものとしても構わない。
画素Ｇ(a-2)(b-2)〜Ｇ(a+2)(b+2)の位置関係
Ｇ(a-2)(b-2)  Ｇ(a-1)(b-2)  Ｇa(b-2)  Ｇ(a+1)(b-2)  Ｇ(a+2)(b-2)
Ｇ(a-2)(b-1)  Ｇ(a-1)(b-1)  Ｇa(b-1)  Ｇ(a+1)(b-1)  Ｇ(a+2)(b-1)
Ｇ(a-2)b      Ｇ(a-1)b      Ｇab      Ｇ(a+1)b      Ｇ(a+2)b
Ｇ(a-2)(b+1)  Ｇ(a-1)(b+1)  Ｇa(b+1)  Ｇ(a+1)(b+1)  Ｇ(a+2)(b+1)
Ｇ(a-2)(b+2)  Ｇ(a-1)(b+2)  Ｇa(b+2)  Ｇ(a+1)(b+2)  Ｇ(a+2)(b+2)
係数Ａ11〜Ａ55と画素Ｇ(a-2)(b-2)〜Ｇ(a+2)(b+2)との位置関係
Ａ11          Ａ21        Ａ31        Ａ41          Ａ51
Ａ12          Ａ22        Ａ32        Ａ42          Ａ52
Ａ13          Ａ23        Ａ33        Ａ43          Ａ53
Ａ14          Ａ24        Ａ34        Ａ44          Ａ54
Ａ15          Ａ25        Ａ35        Ａ45          Ａ55
【００６２】
即ち、ＬＰＦ１１６ｒ，１１６ｇ，１１６ｂにおいて、周辺の２４画素のＲＧＢ信号の信号レベルとの加重平均を行ったＲＧＢ信号の信号レベルが、比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂに出力される。よって、比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂでは、出力する画素を中心とする２５画素のＲＧＢ信号それぞれを加重平均して求められた信号レベルと飽和レベルＶｍａｘｒ１，Ｖｍａｘｇ１，Ｖｍａｘｂ１とを比較し、その比較結果を選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂに出力する。このように、ＬＰＦ１１６ｒ，１１６ｇ，１１６ｂ及び比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂが動作するとき、加算部１１３ｒ，１１３ｇ，１１３ｂ及び選択部１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂ及び階調特性変換部１１５は、第１例と同様の動作を行う。
【００６３】
本例のように、ＬＰＦ１１６ｒ，１１６ｇ，１１６ｂを比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂの前段に設けることにより、比較部１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂでＲＧＢ信号それぞれの信号レベルを確認するとき、各信号に重畳されるノイズ信号を除去して確認することができる。よって、上述の第１例と比べて、ノイズに対する影響を低減することができる。
【００６４】
又、本実施形態において、複数種類の色フィルタを１つの固体撮像素子に設けた単板の固体撮像素子としたが、例えば、ＲＧＢの色フィルタ毎に固体撮像素子を備えた三板の固体撮像素子のように、同一の色フィルタが備えられた固体撮像素子を色フィルタの種類毎に備える構成としても構わない。更に、色フィルタの備えられることのないモノクロの画像信号を出力する固体撮像素子としても構わない。更に、上述の各例では、線形変換特性と対数変換特性の２つの光電変換特性を切り換えるものとしたが、線形変換特性において固体撮像素子の露光時間（積分時間）を換えた画像を合成するようにしても良い。この場合の実施形態を以下に説明する。
【００６５】
このように露光時間により光電変換特性を切り換える固体撮像素子２に設けられる画素Ｇ11〜Ｇmnの構成は、例えば、図１３のような構成とされる。図１３に示す画素は、図５に示す画素からＭＯＳトランジスタＴ１を省くとともに、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースに一端が接続されるとともに一端に直流電圧ＶPSが印加されたキャパシタＣ１と、ＭＯＳトランジスタのソースにドレインが接続されるとともにＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにソースが接続されたＭＯＳトランジスタＴ７とを追加した構成となる。このＭＯＳトランジスタＴ７のゲートに信号φＳＷが与えられるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに信号φＤが与えられる。尚、ＭＯＳトランジスタＴ７は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【００６６】
パルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与えられて、出力信号が読み出されると、まず、信号φＶPSをＶＨとしてリセット動作を行う。このとき、まず、ハイレベルのパルス信号φＤをＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに与えることによって、キャパシタＣ１に蓄積された電荷をＭＯＳトランジスタＴ３を通して信号φＤの信号線路に放出して、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ３のソースとの接続ノードの電圧をリセットする。又、信号φＲＳにパルス信号を与えることによってキャパシタＣをリセットする。
【００６７】
そして、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧がＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えられ、このＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じたドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ３を通じてキャパシタＣ１に流れるため、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ３のソース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、信号φＶPSをＶＬとして、次の撮像動作に備える。尚、この信号φＤ，φＶPSの動作については、図１の画素Ｇ11〜Ｇmn全てに対して、同時に行われる。
【００６８】
信号φＶPSをＶＬとして撮像動作が開始すると、フォトダイオードＰＤへの入射光量に対して線形的に又は自然対数的に変化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３のゲートに現れる。そして、この入射光量に対して線形的に又は自然対数的に変化した電圧が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Ｃ１に流れ、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ３のソースとの接続ノードの電圧が、入射光量の積分値に対して線形的に又は自然対数的に変化した電圧となる。
【００６９】
そして、次に、ローレベルのパルス信号φＳＷをＭＯＳトランジスタＴ７のゲートに与えることによってＭＯＳトランジスタＴ７が導通し、キャパシタＣ１とＭＯＳトランジスタＴ３のソースとの接続ノードの電圧がキャパシタＣによってサンプリングされる。よって、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、入射光量の積分値に対して線形的に又は自然対数的に比例した電圧となる。尚、撮像動作が開始してからパルス信号φＳＷが与えられるまでの動作については、図１の画素Ｇ11〜Ｇmn全てに対して、同時に行われる。
【００７０】
その後、ローレベルのパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与えるとともに信号φＶＤを電圧値Ｖｍとすることによって、撮像時における映像信号を読み出す。このとき、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ＭＯＳトランジスタＴ４で電流増幅される。このＭＯＳトランジスタＴ４で電流増幅された出力電流が、ＭＯＳトランジスタＴ６を介して出力信号線６に出力される。
【００７１】
このような画素を固体撮像素子２が備えるとき、信号φＤによってキャパシタＣ１がリセットされてから信号φＳＷによってキャパシタＣへの電荷の移動が終了するまでの時間を制御することで、固体撮像素子２の露光時間（積分時間）が制御される。よって、この露光時間（積分時間）を制御することで、固体撮像素子２の光電変換特性における変極点や線形変換特性における増幅率（線形変換する差異の傾きに相当する）を切り換えることができる。
【００７２】
このようにすることで、例えば、図１４のように、固体撮像素子２の光電変換特性が全輝度範囲で線形変換特性を備えるものとなり、積分時間を長くしてその増幅率（傾き）を大きくするとともに、積分時間を短くしてその増幅率（傾き）を小さくすることができる。この図１４のように線形変換特性として露光時間を切り換えた画像信号、換言すれば光電変換特性を切り換えた画像信号を上述のように合成する際、低輝度側では積分時間を長くした光電変換特性によって得られた画像信号を用いるようにすることで、できるだけ線形特性で高コントラストの画像を出力することができる。
【００７３】
又、固体撮像素子の各画素への露光量を切り換えることによって、光電変換特性を切り換えるようにしても構わない。このとき、絞りによるレンズの開口率や露光時間を切り換えることによって光電変換特性を切り換えることができる。更に、本実施形態において、低輝度側の画像信号として線形変換された信号を用いるとともに高輝度側の画像信号として対数変換された信号を用いるものとしたが、高輝度側の画像信号として線形変換された信号を用いるとともに低輝度側の画像信号として対数変換された信号を用いるものとしても構わない。このとき、高輝度を線形特性となる光電変換特性を用いて撮像する場合、露光時間を短くするか、又は、絞りによるレンズの開口率を小さくすることによって、露光量を小さくする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】は、本発明の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】は、固体撮像素子に設けられる色フィルタの配列を示す図である。
【図３】は、コアリング回路におけるエッジ成分に対するレベル変換特性を示すグラフである。
【図４】は、固体撮像素子の全体の構成を説明するためのブロック回路図。
【図５】は、図４の固体撮像素子を構成する画素の一構成例を示す回路図である。
【図６】は、図５の画素の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】は、被写体の輝度と画素の出力との関係を示すグラフである。
【図８】は、線形変換時及び対数変換時のＲ信号の輝度値と信号レベルとの関係を示すグラフである。
【図９】は、階調変換回路の内部構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】は、階調変換回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】は、選択部出力後のＲ信号の輝度値と信号レベルとの関係を示すグラフである。
【図１２】は、階調変換回路の内部構成の他の例を示すブロック図である。
【図１３】は、図４の固体撮像素子を構成する画素の他の構成例を示す回路図である。
【図１４】は、光電変換特性を線形変換特性としたときの被写体の輝度と画素の出力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７５】
１    光学系
２    固体撮像素子
３    アンプ
４    ＡＤ変換回路
５    黒基準補正回路
６    ＦＰＮ補正回路
７    ＡＥ・ＷＢ評価値検出回路
８    ＷＢ制御回路
９    色補間回路
１０    色補正回路
１１    階調変換回路
１２    コアリング回路
１３    全体制御部
１４    絞り制御部
１５    タイミング生成回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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