(57)【要約】【課題】各画素回路の変曲点を精度良く算出すること。【解決手段】制御部９は光源４を光強度Ｌ１で点灯させ、撮像素子５に第１露光時間において蓄積された画像信号Ｐ４を出力させる。続いて、制御部９は撮像素子５に第２露光時間において蓄積された画像信号Ｐ３を出力させる。次に、制御部９は光源４を光強度Ｌ２で点灯させ、撮像素子５に第１露光時間において蓄積された画像信号Ｐ２を出力させる。続いて、制御部９は撮像素子５に第２露光時間において蓄積された画像信号Ｐ１を出力させる。画像信号解析部６は画像信号Ｐ１〜Ｐ４を用いて全画素の変曲点を算出する。バラツキ補正部７は、画像信号解析部６が算出した全画素の変曲点を用いて撮像素子５が通常撮影時に出力した画像信号の補正を行う。【選択図】図１
2012244372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変曲点を境に低輝度側がリニア特性を示し、高輝度側がログ特性を示す光電変換特性を持つ画素回路を複数有する撮像素子と、
前記撮像素子の受光面に光を照射する光源と、
前記光源に光を照射させ、第１露光時間で各画素回路に信号電荷を蓄積させて前記各画素回路から第１出力を出力させ、前記第１露光時間よりも短い第２露光時間で前記各画素回路に前記信号電荷を蓄積させて前記各画素回路から第２出力を出力させる制御手段と、
前記第１出力及び第２出力を用いて、前記各画素回路の変曲点を算出する算出手段と、
前記算出手段が算出した前記各画素回路の変曲点を用いて通常撮影時に前記撮像素子が出力した画像信号を補正する補正手段と、
を備えた固体撮像装置。
【請求項２】
前記光源は、第１光強度及び当該第１光強度と異なる第２光強度の光を照射し、
前記制御手段は、前記第１光強度及び前記第２光強度のそれぞれの照射期間中において前記各画素回路から前記第１出力及び前記第２出力を出力させ、
前記算出手段は前記第１光強度の照射期間中に出力された前記第１出力及び前記第２出力と、前記第２光強度の照射期間中に出力された前記第１出力及び前記第２出力とを用いて前記各画素回路の変曲点を算出する請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記撮像素子の受光面側に当該受光面へ入射する外光を遮断する絞りを更に備え、
前記制御手段は前記絞りを閉じた後に前記光源に光を照射させて前記各画素回路に前記第１出力及び前記第２出力を出力させ、
前記算出手段は前記第１出力及び前記第２出力を用いて前記各画素回路の変曲点を算出する請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記撮像素子の温度を測定する測定手段を更に備え、
前記算出手段は、前記測定手段が測定した温度、前記第１出力及び前記第２出力を用いて前記各画素回路の変曲点を算出する請求項１〜３の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記測定手段が測定した温度が所定時間内に基準値以上変化したとき、前記制御手段は前記光源に光を照射させて各画素回路に前記第１出力及び前記第２出力を出力させる請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
通常撮影時における前記撮像素子の露光時間を設定する露光時間設定手段を更に備え、
前記露光時間設定手段が前記露光時間の設定を変更したとき、前記制御手段は前記光源に光を照射させて前記各画素回路に前記第１出力及び前記第２出力を出力させる請求項１〜５の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素回路は、前記光電変換素子が蓄積した信号電荷を蓄積する蓄積手段と、前記光電変換素子が蓄積した信号電荷を前記蓄積手段に転送する転送トランジスタと、前記蓄積手段に蓄積された信号電荷に対応する電気信号を増幅して出力する増幅トランジスタと、を有するものであり、
露光期間中の前記転送トランジスタのゲート電圧を設定するゲート電圧設定手段を更に備え、
前記ゲート電圧設定手段が前記転送トランジスタのゲート電圧の設定を変更したとき、前記制御手段は前記光源に光を照射させて前記撮像素子に前記第１出力及び前記第２出力を出力させる請求項１〜６の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変曲点を境に低輝度側がリニア特性を示し、高輝度側がログ特性を示す光電変換特性を持つ撮像素子を備える固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、埋込型の光電変換素子を備えた画素回路を備える固体撮像装置が知られている。このような固体撮像装置においては、露光期間中に転送トランジスタを導通状態と非導通状態との中間状態で駆動させ、光電変換素子に蓄積される信号電荷を対数的に圧縮し、ダイナミックレンジを広げることが行われている（特許文献１参照）。
【０００３】
つまり、高輝度光入射時には転送トランジスタがサブスレショルド状態になり、信号電荷の一部を浮遊拡散層に漏らしながら信号電荷を蓄積する。これにより、光電変換素子は対数特性を持つ。一方、低輝度光入射時には転送トランジスタがサブスレショルド状態にならず、信号電荷を全て蓄積する。これにより、光電変換素子は線形特性を持つ。よって、画素回路の光電変換特性は、変曲点を境に、低輝度側が線形特性を示す線形特性部（リニア特性）と、高輝度側が対数特性を示す対数特性部（ログ特性）との２つの特性（リニアログ特性）を持つことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５０５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、各画素回路が備える転送トランジスタは製造誤差等によってそれぞれ特性が異なる。光電変換素子のリニアログ特性は、転送トランジスタの特性に依存するため、転送トランジスタの特性が画素回路毎に異なると、画素回路毎に変曲点がばらついてしまう。この結果、撮像素子が取得した画像にノイズが含まれてしまい、画質の良い画像を得ることができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、各画素回路の変曲点を精度良く算出し、算出された変曲点を用いて画像信号の補正を行うことで高画質の画像を得ることができる固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明の固体撮像装置は、変曲点を境に低輝度側がリニア特性を示し、高輝度側がログ特性を示す光電変換特性を持つ画素回路を複数有する撮像素子と、前記撮像素子の受光面に光を照射する光源と、前記光源に光を照射させ、第１露光時間で各画素回路に信号電荷を蓄積させて前記各画素回路から第１出力を出力させ、前記第１露光時間よりも短い第２露光時間で前記各画素回路に前記信号電荷を蓄積させて前記各画素回路から第２出力を出力させる制御手段と、前記第１出力及び第２出力を用いて、前記各画素回路の変曲点を算出する算出手段と、前記算出手段が算出した前記各画素回路の変曲点を用いて通常撮影時に前記撮像素子が出力した画像信号を補正する補正手段と、を備えたものである。
【０００８】
この構成によれば、撮像素子を構成する各画素回路の変曲点を求めるために固体撮像装置内に専用の光源を設け、この光源から一定の光が照射されている期間中に撮像素子が第１露光時間及び第２露光時間にて信号電荷を蓄積して得た第１出力及び第２出力を用いて算出手段が各画素回路の変曲点を求めるため、光量が変化しやすい外光を用いて変曲点を求める場合に比べて正確に変曲点を算出することができる。そして補正手段は各画素の正確な変曲点を用いて画像信号の補正を行うことができるため、高画質な画像を得ることができる。
【０００９】
ここで、「第１露光時間」とは通常撮影時に用いられる露光時間のことである。そして、撮像素子が第１露光時間において蓄積して得た第１出力が、画素回路の光電変換特性におけるログ特性の領域の値となるよう、光源が照射する光強度が予め設定されている。更に「第２露光時間」は、撮像素子が第２露光時間において蓄積して得た第２出力が、画素回路の光電変換特性におけるリニア特性の領域の値となるよう、第１露光時間より短い時間として予め設定されている。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体撮像装置であって、前記光源は、第１光強度及び当該第１光強度と異なる第２光強度の光を照射し、前記制御手段は、前記第１光強度及び前記第２光強度のそれぞれの照射期間中において前記各画素回路から前記第１出力及び前記第２出力を出力させ、前記算出手段は前記第１光強度の照射期間中に出力された前記第１出力及び前記第２出力と、前記第２光強度の照射期間中に出力された前記第１出力及び前記第２出力とを用いて前記各画素回路の変曲点を算出するものである。
【００１１】
この構成によれば、２種類の光強度を用いて各画素の変曲点を算出するため、算出手段はより正確な変曲点を算出することができる。従って、補正手段は正確な変曲点を用いて画像信号の補正ができるため、高画質な画像を得ることができる。
【００１２】
ここで、撮像素子が第１露光時間において蓄積して得た第１出力が、画素回路の光電変換特性におけるログ特性の領域の値となるよう、第１光強度及び第２光強度は予め設定されている。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の固体撮像装置であって、前記撮像素子の受光面側に当該受光面へ入射する外光を遮断する絞りを更に備え、前記制御手段は前記絞りを閉じた後に前記光源に光を照射させて前記各画素回路に前記第１出力及び前記第２出力を出力させ、前記算出手段は前記第１出力及び前記第２出力を用いて前記各画素回路の変曲点を算出するものである。
【００１４】
この構成によれば、撮像素子に入射する外光成分を遮断することによって、撮像素子は光量の変化しやすい外光成分の影響を受けずに第１出力及び第２出力を出力することができる。従って、算出手段は各画素の変曲点を正確に算出することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の固体撮像装置であって、前記撮像素子の温度を測定する測定手段を更に備え、前記算出手段は、前記測定手段が測定した温度、前記第１出力及び前記第２出力を用いて前記各画素回路の変曲点を算出するものである。
【００１６】
撮像素子の光電変換特性は、温度に依存して変化する。従って、算出手段は撮像素子の温度を加味して各画素の変曲点を算出することにより、より正確な変曲点を得ることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の固体撮像装置であって、前記測定手段が測定した温度が所定時間内に基準値以上変化したとき、前記制御手段は前記光源に光を照射させて各画素回路に前記第１出力及び前記第２出力を出力させるものである。
【００１８】
撮像素子の温度変化は光電変換特性の変化を引き起こし、つまりは画素毎の変曲点も変化する。従って、測定手段による測定温度が所定時間内に基準値以上変化したときに算出手段が各画素の変曲点を算出することによって、算出手段は正確な変曲点情報を常に提供することができる。従って、補正手段は常に正確な補正処理を行うことができ、高画質の画像を提供することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の固体撮像装置であって、通常撮影時における前記撮像素子の露光時間を設定する露光時間設定手段を更に備え、前記露光時間設定手段が前記露光時間の設定を変更したとき、前記制御手段は前記光源に光を照射させて前記各画素回路に前記第１出力及び前記第２出力を出力させるものである。
【００２０】
露光時間が変化すると撮像素子の光電変換特性も変化し、つまりは画素毎の変曲点も変化する。従って、通常撮影時の露光時間（つまり第１露光時間）が変化したときに算出手段が各画素の変曲点を算出することによって、算出手段は正確な変曲点情報を常に提供することができる。従って、補正手段は常に正確な補正処理を行うことができ、高画質の画像を提供することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の固体撮像装置であって、前記画素回路は、前記光電変換素子が蓄積した信号電荷を蓄積する蓄積手段と、前記光電変換素子が蓄積した信号電荷を前記蓄積手段に転送する転送トランジスタと、前記蓄積手段に蓄積された信号電荷に対応する電気信号を増幅して出力する増幅トランジスタと、を有するものであり、露光期間中の前記転送トランジスタのゲート電圧を設定するゲート電圧設定手段を更に備え、前記ゲート電圧設定手段が前記転送トランジスタのゲート電圧の設定を変更したとき、前記制御手段は前記光源に光を照射させて前記撮像素子に前記第１出力及び前記第２出力を出力させるものである。
【００２２】
露光期間中における転送トランジスタのゲート電圧（中間電圧）が変化すると撮像素子の光電変換特性も変化し、つまりは画素毎の変曲点も変化する。従って、転送トランジスタのゲート電圧が変化したときに算出手段が各画素の変曲点を算出することによって、算出手段は正確な変曲点情報を常に提供することができる。従って、補正手段は常に正確な補正処理を行うことができ、高画質の画像を提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、リニアログ特性を持つ固体撮像装置において、正確な変曲点を算出することができる。従って、補正手段は正確な変曲点を用いて画像信号の補正を行うことができるため、高画質な画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】固体撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２】撮像素子の構成を示すブロック図。
【図３】画素回路の構成を示す回路図。
【図４】画素回路のタイミングチャート。
【図５】画素回路の光電変換特性を示したグラフ。
【図６】変曲点算出処理の流れを示したフローチャート。
【図７】画素回路の光電変換特性を示したグラフ。
【図８】変曲点算出処理の時の撮像素子の露光時間、撮像素子による画像信号の読み出し時間及び光源の点灯時間の各タイミングを示した図。
【図９】温度とリニア感度係数の関係の一例を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本実施の形態における固体撮像装置１の構成を示すブロック図である。固体撮像装置１は、撮像レンズ２、レンズ絞り３、光源４、撮像素子５、画像信号解析部６、バラツキ補正部７、画像処理部８及び制御部９を備える。撮像レンズ２は、所謂カメラレンズであり、制御部９によってフォーカス制御がなされる。レンズ絞り３は、外光の撮像素子５への入射光量を制御するための絞りであり、制御部９によって絞り量の調整がなされる。
【００２６】
光源４は、撮像素子５の変曲点算出の際に撮像素子５の受光面に光を照射するための光源である。光源４は、制御部９の制御によって光強度の異なる２種類以上の光を出射することが可能であり、レンズ絞り３と撮像素子５の受光面の間の、例えばレンズ筐体内に埋め込まれて配置される。
【００２７】
尚、図１では光源４を２つとして図示しているが、個数はこの限りではない。また、光源４は例えば白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等が用いられるが、撮像素子５にカラーフィルタ（不図示）がなければ白色以外の光源であってもよい。更に、光源４は撮像素子５の受光面に対して時間軸上で一定の光強度の光が照射されればよく、受光面全面を均一な光量で照射する必要はない。
【００２８】
撮像素子５は、入射光をその光量に基づいて電気信号に線形変換する線形変換動作と、対数変換する対数変換動作を行うリニアログＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサであり、制御部９によって変曲点位置や露光時間等の各種制御がなされている。
【００２９】
画像信号解析部６は、撮像素子５が出力した画像信号から撮像素子５を構成する各画素回路の変曲点を算出し、算出結果を制御部９へ出力する。バラツキ補正部７は、撮像素子５が通常撮影時に出力した画像信号に対して、制御部９から送られる変曲点情報を基に画素毎の補正処理を行う。画像処理部８は、バラツキ補正部７が出力した補正処理後の画像信号を取り込み、この画像信号に対して階調特性、色処理等の画像処理を施す。
【００３０】
制御部９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）等によって構成され、記憶部（不図示）に記憶されたプログラムを読み出して処理を実行し、各機能部への指示信号の出力、データ転送等を行って固体撮像装置１を統括的に制御するものである。
【００３１】
図２は、撮像素子５の構成を示したブロック図である。撮像素子５は、列並列型ＡＤ変換方式（カラムＡＤ変換方式）のＣＭＯＳイメージセンサであって、画素アレイ部５１、ローデコーダ５２、カラムＡＤＣアレイ部５３、カラムデコーダ５４、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）５５、タイミングジェネレータ（以下、「ＴＧ」と記述する。）５６、Ｄ／Ａコンバータ（以下、「ＤＡＣ」と記述する。）５７、センスアンプ５８、ランプ生成回路５９、シリアライザ６０、クロック端子６１、レジスタ制御端子６２、出力端子６３及び温度センサ７１を備えている。本実施の形態では、画素アレイ部５１〜出力端子６３は、１チップに集積化されており、撮像素子を構成している。
【００３２】
画素アレイ部５１は、Ｍ（Ｍは２以上の正の整数）行×Ｎ（Ｎは２以上の正の整数）列にマトリックス状に配列された複数の画素回路ＧＣにより構成されている。尚、図２の例では、画素回路ＧＣは、１４行×１７列でマトリックス状に配列されている。画素アレイ部５１は、撮像レンズ２において結像された光像（及び光源４が照射した光）を光電変換して、例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）及びＢ（青）の各色成分の画素値からなる画像信号を生成し、カラムＡＤＣアレイ部５３へ出力する。
【００３３】
ローデコーダ５２は、例えば、垂直走査回路とドライバ回路とを備えている。垂直走査回路は、例えば、シフトレジスタにより構成され、ＴＧ５６から出力される垂直同期信号に同期して、画素アレイ部５１の各行をサイクリックに選択することで、画素アレイ部５１を垂直走査する。ドライバ回路は、画素制御信号を生成し、垂直走査回路により選択された行に属する各画素回路ＧＣに画素制御信号を出力することで、各画素回路ＧＣを駆動させる。
【００３４】
カラムＡＤＣアレイ部５３は、画素アレイ部５１の各列に対応するＮ個のカラムＡＤＣ３１を備えている。カラムＡＤＣ３１は、画素アレイ部５１の各列に対応する垂直信号線Ｌ＿１を介して各列の画素回路ＧＣと接続され、垂直走査回路により選択された行の画素回路ＧＣからノイズ信号及びシグナル信号を読み出す。そして、カラムＡＤＣ３１は、読み出したノイズ信号及びシグナル信号に対して相関二重サンプリング処理を行って画像信号を取得する。そして、カラムＡＤＣ３１は、取得した画像信号に対してＡ／Ｄ変換を行い、デジタルの画像信号を保持する。
【００３５】
カラムデコーダ５４は、例えばシフトレジスタにより構成され、ＴＧ５６から出力される水平同期信号に同期した列選択信号を出力することで、１水平走査期間において、各列のカラムＡＤＣ３１をサイクリックに選択し、カラムＡＤＣアレイ部５３を水平走査し、各列のカラムＡＤＣ３１が保持するデジタルの画像信号をセンスアンプ５８に順次に出力させる。
【００３６】
ＰＬＬ５５は、クロック端子６１を介して外部の装置（例えば、制御部９）から供給されるクロック信号（ＳＹＳＣＬＫ）を逓倍し、ＴＧ５６に出力する。ＴＧ５６は、ＰＬＬ５５から供給されるクロック信号に従って、垂直同期信号及び水平同期信号等の、撮像素子５を構成する各要素を制御するために必要なタイミング信号を生成して出力する。ＤＡＣ５７は、ＴＧ５６から出力される信号をＤ／Ａ変換して、ローデコーダ５２に供給する。
【００３７】
ランプ生成回路５９は、ランプ信号を生成して、各カラムＡＤＣ３１に出力する。センスアンプ５８は、カラムＡＤＣアレイ部５３から水平信号線Ｌ＿２を介して出力されるデジタルの画像信号を増幅し、シリアライザ６０に出力する。本実施の形態では、カラムＡＤＣ３１は、１４ビットのデジタルの画像信号を生成し、各ビットの信号の位相を１８０度ずらし、位相が１８０度ずらされた信号と、位相がずらされていない信号とからなる合計２８個の信号をセンスアンプ５８に出力する。よって、カラムＡＤＣアレイ部５３とセンスアンプ５８とを接続する水平信号線Ｌ＿２は、合計２８本となる。そして、センスアンプ５８は、２８本の水平信号線Ｌ＿２を流れる信号をそれぞれ増幅して、各信号の波形を成形してシリアライザ６０に出力する。
【００３８】
シリアライザ６０は、例えば、ＬＶＤＳ（Low Voltage differential signaling）規格に準拠したシリアライザにより構成され、センスアンプ５８から２８本の水平信号線Ｌ＿２を介してパラレルで出力される信号を差動増幅して１４ビットの信号とし、シリアルに変換して出力端子６３に出力する。出力端子６３は、シリアライザ６０からの信号を画像信号解析部６及びバラツキ補正部７へ出力する。
【００３９】
温度センサ７１は、画素アレイ部５１の温度を測定するためのセンサであり、測定信号をカラムＡＤＣアレイ部５３に出力する。測定信号は、出力端子６３から画像信号と共に出力され、画像信号解析部６を介して制御部９が取り込む。そして制御部９がこの測定信号に基づいて画素アレイ部５１の温度を算出する。尚、温度センサ７１は画素アレイ部５１の近傍に配置されることが望ましいが、配置位置は画素アレイ部５１の温度が検知可能な場所であればよい。
【００４０】
図３は、画素回路ＧＣの一例を示した回路図である。図３に示すように画素回路ＧＣは、光電変換素子（以下、「ＰＤ」と記述する。）、転送トランジスタ（以下、「ＴＸ」と記述する。）、リセットトランジスタ（以下、「ＲＳＴ」と記述する。）、増幅トランジスタ（以下、「ＳＦ」と記述する。）、及び行選択トランジスタ（以下、「ＳＥＬ」と記述する。）を備える。
【００４１】
ＰＤは被写体からの光を受光し、受光した光量に応じた信号電荷を発生し、寄生容量で蓄積する。ここで、ＰＤはカソードがＴＸのソースに接続され、アノードに駆動電圧であるＰＶＳＳが入力される。
【００４２】
ＴＸは、例えばｎＭＯＳ（negative channel Metal Oxide Semiconductor）により構成され、ＰＤにより蓄積された信号電荷を浮遊拡散層（以下、「ＦＤ（floating diffusion）」と記述する。）に転送する。ＴＸのゲートには、ＴＸを導通状態、非導通状態及び中間状態で駆動するための信号（ゲート電圧。以下、「φＴＸ」と記述する。）が入力される。ＴＸのドレインは、ＦＤに接続されている。φＴＸがゼロ電圧又は負電圧（以下、「ＶＬ」と記述する。）になるとＴＸのゲートが閉じてＴＸが非導通状態なる。また、φＴＸが中間電圧（以下、「ＶＭ」と記述する。）になると、ＴＸのゲートが半開してＴＸが導通状態と非導通状態との中間状態になる。また、φＴＸがハイレベルの電圧（以下、「ＶＨ」と記述する。）になると、ＴＸのゲートが開いてＴＸが導通状態になる。φＴＸは、ローデコーダ５２から出力される画素制御信号である。
【００４３】
ＦＤは、ＰＤから転送された信号電荷を蓄積する。これにより、ＦＤには信号電荷に応じた電圧が現れる。
【００４４】
ＲＳＴは、例えばｎＭＯＳにより構成され、ゲートにＲＳＴを導通状態又は非導通状態にするための信号であるφＲＳＴが入力され、ドレインに駆動電圧であるＰＶＤＤが入力され、ソースがＦＤを介して増幅トランジスタＳＦのゲートに接続されている。φＲＳＴ＝ＶＨになると、ＲＳＴが導通状態となり、φＲＳＴ＝ＶＬになると、ＲＳＴが非導通状態になる。
【００４５】
そして、ＲＳＴは、導通状態になるとＦＤの信号電荷を排出して、ＦＤをリセットする。尚、ＰＶＤＤ及びＰＶＳＳは図略の電圧源から出力され、φＲＳＴは、ローデコーダ５２から出力される画素制御信号である。
【００４６】
ＳＦは、例えばｎＭＯＳにより構成され、ゲートがＦＤを介してＴＸ及びＲＳＴに接続され、ドレインに駆動電圧であるＰＶＤＤが入力され、ソースがＳＥＬに接続されている。そして、ＳＦはＦＤに現れる電圧を電流増幅してＳＥＬに出力する。
【００４７】
ＳＥＬは、例えばｎＭＯＳにより構成され、ゲートに行選択信号であるφＶＳＥＮが入力され、ドレインがＳＦに接続され、ソースが垂直信号線Ｌ＿１を介して対応する列のカラムＡＤＣ３１に接続されている。そして、ＳＥＬは、ＳＦにより電流増幅された電圧を出力信号として、垂直信号線Ｌ＿１を介して対応する列のカラムＡＤＣ３１に出力する。ここで、φＶＳＥＮはローデコーダ５２から出力される画素制御信号である。
【００４８】
図４は、画素回路ＧＣのタイミングチャートである。図４に示すように画素回路ＧＣは、露光期間Ｔ＿Ｅと、読出期間Ｔ＿Ｒとがサイクリックに繰り返され、露光期間Ｔ＿Ｅにおいて蓄積した信号電荷に応じたシグナル信号を出力する。
【００４９】
露光期間Ｔ＿Ｅでは、時刻ｔ０に示すように、φＴＸ＝ＶＭとされている。そのため、ＰＤは高輝度光入射時にはサブスレショルド状態となり、ＦＤに信号電荷を流しつつ信号電荷を蓄積する。これにより、リニアログ特性が実現される。
【００５０】
尚、露光期間Ｔ＿Ｅでは、ＦＤはＲＳＴにより常時リセットされるため、ＰＤから流れ出る信号電荷を絶えず排出し、信号電荷を蓄積しない。そのため、ＦＤの電圧は絶えずＰＶＤＤを維持する。また、露光期間Ｔ＿ＥではφＶＳＥＮ＝ＶＬであるため、画素回路ＧＣからカラムＡＤＣ３１にシグナル信号は出力されない。
【００５１】
露光期間Ｔ＿Ｅが終了され、読出期間Ｔ＿Ｒが開始されると、φＲＳＴ＝ＶＬにされ、ＲＳＴはＦＤのリセットを終了し、φＴＸ＝ＶＬにされ、ＴＸは非導通状態となる。
【００５２】
時刻ｔ１において、φＶＳＥＮ＝ＶＨであり、ＳＥＬが導通状態にされている。これにより、垂直信号線Ｌ＿１からは、ＦＤに現れるノイズレベルの電圧Ｖ＿ｎがＳＦで電流増幅され、ノイズ信号としてカラムＡＤＣ３１に出力される。ここで、ＦＤの電圧が、ＰＶＤＤから電圧Ｖ＿ｎに下がっているのは、主にφＲＳＴをＶＨからＶＬに変化させたことによるＦＤとＲＳＴとの間の寄生容量の影響によるものであるが、ＦＤのｋｔｃノイズの影響も含まれている。このｋｔｃノイズは画素回路ＧＣ毎にばらついているため、ノイズ信号は画素回路ＧＣ毎にバラツキを持つ。尚、ＦＤの電圧は、蓄積する信号電荷量が増大するにつれて低下する。
【００５３】
時刻ｔ２において、φＶＳＥＮ＝ＶＬであり、ＳＥＬが非導通状態であり、ノイズ信号の出力が停止されている。また、時刻ｔ２において、φＴＸ＝ＶＨにされ、ＴＸが導通状態となり、ＰＤの信号電荷がＦＤに転送される。これにより、ＦＤの電圧はＦＤに転送される信号電荷に応じて低下し、シグナルレベルの電圧Ｖ＿ｓとなる。
【００５４】
時刻ｔ３において、φＶＳＥＮ＝ＶＨであり、ＦＤの電圧Ｖ＿ｓがＳＦで電流増幅され、シグナル信号として、垂直信号線Ｌ＿１を介してカラムＡＤＣ３１に出力されている。出力されたシグナル信号は、カラムＡＤＣ３１によりノイズ信号との差分がとられ、画像信号が生成される。ここで、画像信号は、ＦＤのノイズレベルの電圧Ｖ＿ｎと、シグナルレベルの電圧Ｖ＿ｓとの差分に相当する値を有している。よって、ノイズ信号とシグナル信号との差分をとることで、シグナル信号に含まれるノイズ成分が除去された画像信号が得られるのである。
【００５５】
読出期間Ｔ＿Ｒが終了すると、再度、φＲＳＴ＝ＶＨ、φＶＳＥＮ＝ＶＬ、φＴＸ＝ＶＭとされ、次のフレームの画像信号を得るための露光期間Ｔ＿Ｅが開始される。
【００５６】
図５は、画素回路ＧＣの光電変換特性を示したグラフであり、異なる３つの画素回路（画素ａ、画素ｂ及び画素ｃ）の光電変換特性を示している。図５において、縦軸は線形軸であり画素回路ＧＣから出力される画像信号を示し、横軸は対数軸であり、光電変換素子ＰＤに入射する入射光の強度を示している。
【００５７】
このグラフから分かるように、光電変換特性は、変曲点を境に低輝度領域がリニア特性を示すリニア領域と、高輝度領域がログ特性を示すログ領域とからなるリニアログ特性を持つ。また、画素ａ〜ｃの光電変換特性において、リニア領域の特性のバラツキはないが、ログ特性は画素毎に変曲点（ＫＰａ、ＫＰｂ及びＫＰｃ）の位置が異なっていることが分かる。このように画素毎の変曲点のバラツキは、撮影した画像にパターンノイズとして現れ、画質悪化を引き起こしていた。
【００５８】
このようなノイズを防ぐために、各画素の変曲点を算出し、算出した変曲点を用いて画像信号の補正を行う。以下、その方法について詳しく説明する。尚、以下の説明において、画素回路ＧＣを単に「画素」と記述する。
【００５９】
図６は、撮像素子５１を構成する各画素の変曲点を算出するための処理の流れを示したフローチャートである。図７は、画素の光電変換特性を示したグラフである。図６及び７を用いて変曲点算出処理について説明する。
【００６０】
まず、制御部９は光源４を光強度Ｌ１で点灯させ（ステップＳ１１）、通常撮影時に用いられる第１露光時間（例えば１／３０秒、低速シャッタ）で撮像素子５に撮影させる（ステップＳ１２）。そして、画像信号解析部６は、撮像素子５から出力された画像信号Ｐ４を取り込む（ステップＳ１３）。ここで、光強度Ｌ１での撮影において、撮像素子５を構成する画素が出力する画像信号はログ領域の信号（図７の実線で示したグラフにおける直線で示した領域の信号）である必要がある。従って、光強度Ｌ１の値は、第１露光時間での撮影において撮像素子５にログ領域の信号を確実に出力させる値として固体撮像装置１の設計者等によって予め設定されている。
【００６１】
続いて、制御部９は高速撮影時に用いられる第２露光時間（例えば１／３０００秒、高速シャッタ）で撮像素子５に撮影させる（ステップＳ１４）。そして、画像信号解析部６は、撮像素子５から出力された画像信号Ｐ３を取り込む（ステップＳ１５）。撮像素子５の光電変換特性は、露光時間が短くなると光電変換特性のリニア領域の割合が大きくなる。つまり、第２露光時間の時の光電変換特性は、図７において一点鎖線で示した特性となる。従って、同じ光強度Ｌ１であっても露光時間が異なると、撮像素子５からは実線のグラフに則したログ領域の画像信号Ｐ４と、一点鎖線のグラフに則したリニア領域の画像信号Ｐ３という２種類の画像信号を得ることができる。
【００６２】
このようにログ領域とリニア領域の両方の画像信号を得るために、第２露光時間の値は、光強度Ｌ１での撮影において画素にリニア領域の信号を確実に出力させる値として固体撮像装置１の設計者等によって予め設定されている。
【００６３】
次に、制御部９は光源４を光強度Ｌ１とは値の異なる光強度Ｌ２で点灯させ（ステップＳ１６）、第１露光時間で撮像素子５に撮影させる（ステップＳ１７）。そして、画像信号解析部６は、撮像素子５から出力された画像信号Ｐ２を取り込む（ステップＳ１８）。続いて、制御部９は第２露光時間で撮像素子５に撮影させる（ステップＳ１９）。そして、画像信号解析部６は、撮像素子５から出力された画像信号Ｐ１を取り込む（ステップＳ２０）。
【００６４】
尚、光強度Ｌ２の値も光強度Ｌ１と同様に、第１露光時間での撮影において撮像素子５にログ領域の信号を確実に出力させる値として固体撮像装置１の設計者等によって予め設定されている。
【００６５】
図８は、変曲点算出処理の時の撮像素子５の露光時間、撮像素子５による画像信号の読み出し時間及び光源４の点灯時間の各タイミングを示した図である。変曲点算出処理が開始すると、制御部９は光源４に光強度Ｌ１の光を照射させ、撮像素子５は第１露光時間及び第２露光時間で撮影を行って、画像信号Ｐ４及びＰ３を出力する。同様に、制御部９は光源４に光強度Ｌ２の光を照射させ、撮像素子５は第１露光時間及び第２露光時間で撮影を行って、画像信号Ｐ２及びＰ１を出力する。
【００６６】
ここで、第２露光時間の時の画素の光電変換特性におけるリニア領域の特性は、
ｙ＝ａ１／３０００ｘ  ・・・（１）
で表されるため、画像信号解析部６は画素信号Ｐ１及びＰ３を式（１）のｙに代入してｘ、つまり光強度Ｌ１及びＬ２を算出する（ステップＳ２１）。
【００６７】
次に、第１露光時間の時の画素の光電変換特性におけるログ領域の特性は、
ｙ＝αｌｏｇｘ＋β  ・・・（２）
で表される。そして、画像信号Ｐ１〜Ｐ４を用いて式（２）を変形すると、
α＝（Ｐ２−Ｐ４）／｛ｌｏｇ１０（Ｐ１／Ｐ３）｝  ・・・（３）
となり、画像信号解析部６は式（３）を用いてαを算出する（ステップＳ２２）。
【００６８】
続いて、
β＝ｙ−αｌｏｇｘ  ・・・（４）
となり、画像信号解析部６は式（３）から求めたαと、画像信号Ｐ２及び式（１）から求めた光強度Ｌ２（又は画像信号Ｐ４及び光強度Ｌ１）を用いてβを算出する（ステップＳ２３）。
【００６９】
次に、第１露光時間の時の画素の光電変換特性におけるリニア領域の特性は、
ｙ＝ａ１／３０ｘ  ・・・（５）
で表されるため、画像信号解析部６は式（２）と式（５）の交点のｘ軸の値（Ｌｋｐ）を求める。
【００７０】
ａ１／３０ｘ＝αｌｏｇｘ＋β  ・・・（６）
画像信号解析部６は、式（６）をｘについて解くことによってＬｋｐを算出する（ステップＳ２４）。
【００７１】
尚、ａ１／３０とａ１／３０００は、露光時間が１／１００の関係にあるため、
ａ１／３０：ａ１／３０００＝１：１００
次に、画像信号解析部６はステップＳ２４で算出したＬｋｐを式（５）に代入して、Ｐｋｐを算出する（ステップＳ２５）。
【００７２】
Ｐｋｐ＝ａ１／３０×Ｌｋｐ  ・・・（７）
制御部９及び画像信号解析部６は、以上で説明した処理を繰り返し、全ての画素について変曲点（Ｌｋｐ及びＰｋｐ）を算出する。
【００７３】
そして、バラツキ補正部７は、画像信号解析部６が算出した全ての画素の変曲点を変曲点情報として制御部９を介して取得し、通常撮影時に撮像素子５が出力した画像信号に対してバラツキ補正処理を行う（ステップＳ２６）。このバラツキ補正処理については、公知技術が用いられ、例えば以下の方法が挙げられる。
【００７４】
まず、バラツキ補正部７は、撮像素子５が出力した各画素の画素値（画像信号）について出力ばらつき量Ｄ（所定の基準画素値と各画素の画素値との差の絶対値）を算出し、出力ばらつき量Ｄが補正手段判定ＩＤ（出力ばらつき量Ｄの最大値）未満の場合はメモリ補正（画素値に対して加減算等の演算を行うことによる補正）を行い、補正手段判定ＩＤと一致する場合は補間補正（補正対象の画素に近接する画素の画素値を加算平均する等によって行う補正）を行う。
【００７５】
そして、バラツキ補正部７は、補正後の画素値が変曲点未満の値（リニア領域の値）であるか、変曲点以上の値（ログ領域の値）であるかを判定し、リニア領域の値である場合は撮像素子５から出力された画素値をそのまま画像処理部８へ出力する。一方、ログ領域の値である場合、バラツキ補正部７は補正後の画素値を画像処理部８へ出力する。この補正処理は、特開２００８−２８６２３号公報に記載されている方法である。
【００７６】
他のバラツキ補正処理としては、バラツキ補正部７は、各画素の変曲点情報に基づいて、撮像素子５の出力した各画素値がリニア領域の値か、ログ領域の値かを判定する。画素値がリニア領域の値であると判定した場合、バラツキ補正部７は画素値をそのまま画像処理部８へ出力する。一方、画素値がログ領域の値であると判定した場合、バラツキ補正部７は、ログ特性の画素値をリニア特性の画素値に変換する場合の対応関係を予め定めたルックアップテーブルを用いて、ログ特性の画素値をリニア特性の画素値に変換し、変換後の画素値を画像処理部８へ出力する。このようにバラツキ補正部７が変曲点情報を用いて画像信号の補正を行うことにより、画素毎に変曲点位置が異なることによって発生する画像のノイズを排除することができる。
【００７７】
尚、上記した変曲点の算出方法では、光電変換特性のリニア領域は温度に依存しないことを前提に説明した。しかし、実際にはリニア領域はわずかながら温度特性を持っている。そこで、第２露光時間の時の光電変換特性のリニア領域の特性を示した式（１）と、第１露光時間の時の光電変換特性のリニア領域の特性を示した式（５）に対して温度係数を加えた式とする。つまり、
ｙ＝ａ１／３０００（ｔ）×ｘ  ・・・（８）
ｙ＝ａ１／３０（ｔ）×ｘ  ・・・（９）
となる。
【００７８】
制御部９は、温度センサ７１が出力した測定信号に基づいて撮像素子５の温度ｔを算出し、温度ｔを画像信号解析部６へ出力する。図９は、温度とリニア感度係数の関係の一例を示したグラフであり、画像信号解析部６は内蔵メモリ（不図示）にこのグラフが示すデータテーブルを予め記憶している。画像信号解析部６は、上記した式（１）を式（８）に、式（５）を式（９）に替えて、上記データテーブルを用いて温度ｔからリニア感度係数を導出して変曲点を求める。このように、リニア領域の特性に温度特性を加味することによって、画像信号解析部６は各画素の変曲点をより正確に算出することができる。従って、バラツキ補正部７は、より正確な補正処理を行うことができ、高画質の画像を提供することができる。
【００７９】
以上で説明した変曲点算出処理は、（ａ）温度センサ７１の測定温度が所定時間内に基準値以上変化した直後、（ｂ）制御部９によって通常撮影時の撮像素子５１の露光時間（つまり第１露光時間）が変更された直後、（ｃ）制御部９によって転送トランジスタＴＸの中間電圧が変更された直後、に実行されることが望ましい。（ａ）〜（ｃ）に示した条件変化は、撮像素子５１の光電変換特性の変化を引き起こし、つまりは画素毎の変曲点も変化する。従って、制御部９は（ａ）〜（ｃ）で示したタイミングで画像信号解析部６に変曲点算出処理を指示することによって、画像信号解析部６は正確な変曲点情報を常に提供することができる。従って、バラツキ補正部７は常に正確な補正処理を行うことができ、高画質の画像を提供することができる。
【００８０】
尚、上記では、制御部９は光源４を２種類の光強度Ｌ１及びＬ２で発光させ、それぞれの光強度の時に第１露光時間及び第２露光時間にて撮像素子５に撮影を行わせて、画像信号解析部６が各画素の変曲点を算出することとして説明したが、各画素についてログ領域の傾き（α）が同じであれば、１種類の光強度であっても全ての画素の変曲点を算出可能である。しかし、２種類の光強度を用いた方が精度良く変曲点を算出することができるため、上記したように２種類の光強度Ｌ１及びＬ２を用いて変曲点を算出することが望ましい。
【００８１】
また、変曲点算出処理の実行前に、制御部９がレンズ絞り３を閉めることによって、撮像素子５への外光成分の入射を遮断するようにしてもよい。特に、光源４が照射する光の光強度に対して撮像素子５へ入射する外光の光強度が無視できない値である場合、変曲点算出処理の実行前に制御部９はレンズ絞り３を閉めるよう制御する。光源４が照射する光の光強度に対して撮像素子５へ入射する外光の光強度が無視できる程度の小さな値である場合は、レンズ絞り３を開放したまま変曲点算出処理を行っても構わない。
【符号の説明】
【００８２】
１      固体撮像装置
２      撮像レンズ
３      レンズ絞り（絞り）
４      光源
５      撮像素子
６      画像信号解析部（算出手段）
７      バラツキ補正部（補正手段）
７１    温度センサ（測定手段）
８      画像処理部
９      制御部（制御手段、ゲート電圧設定手段、露光時間設定手段）
ＧＣ    画素回路
ＰＤ    光電変換素子
ＴＸ    転送トランジスタ
ＦＤ    浮遊拡散層（蓄積手段）
ＳＦ    増幅トランジスタ
【図１】
2012244372.tif 000003
【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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