(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像素子を有する固体撮像装置において、
前記固体撮像素子は、入射光量に対して線形的に変換された第１信号と入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号とを出力可能であり、
前記固体撮像装置より前記第１信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第１信号処理回路と、
前記固体撮像装置より前記第２信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第２信号処理回路と、
前記第２信号処理回路から出力される信号を、入射光量に対して線形的に比例した信号に変換する対数／線形変換回路と、
前記第１信号処理回路からの信号及び前記対数／線形変換回路からの信号が入力される第３信号処理回路と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記固体撮像素子に複数種類の色フィルタが設けられ、前記固体撮像装置から出力される前記第１信号及び前記第２信号がそれぞれ複数種類の色信号で構成されるとともに、
前記第１信号処理回路が前記第１信号のホワイトバランス調整を行うとともに、
前記第２信号処理回路が前記第２信号のホワイトバランス調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１信号処理回路が前記第１信号のγ補正を行うとともに、
前記第２信号処理回路が前記第２信号のγ補正を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２信号処理回路において、前記第２信号のダイナミックレンジを調整す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固体撮像装置。
【請求項５】
入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像素子を有する固体撮像装置において、
前記固体撮像素子は、入射光量に対して線形的に変換された第１信号と入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号とを出力可能であり、
前記第２信号を、入射光量に対して線形的に比例した信号に変換する対数／線形変換回路と、
前記第１信号及び前記対数／線形変換回路からの信号が入力される信号処理回路と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
前記固体撮像素子に複数種類の色フィルタが設けられ、前記固体撮像装置から出力される前記第１信号及び前記第２信号がそれぞれ複数種類の色信号で構成されるとともに、
前記信号処理回路が入力される信号のホワイトバランス調整を行うことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記信号処理回路が入力される信号のγ補正を行うことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像素子を有する固体撮像装置において、
前記固体撮像素子は、入射光量に対して線形的に変換された第１信号と入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号とを出力可能であり、
前記固体撮像装置より前記第２信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第１信号処理回路と、
前記第１信号を、入射光量に対して自然対数的に比例した信号に変換する線形／対数変換回路と、
前記第１信号処理回路からの信号 及び前記線形／対数変換回路からの信号が入力される第２信号処理回路と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
前記固体撮像素子に複数種類の色フィルタが設けられ、前記固体撮像装置から出力される前記第１信号及び前記第２信号がそれぞれ複数種類の色信号で構成されるとともに、
前記第２信号処理回路が入力される信号のホワイトバランス調整を行うことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第２信号処理回路が入力される信号のγ補正を行うことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第１信号処理回路において、前記第２信号のダイナミックレンジを調整することを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像素子を有する固体撮像装置において、
前記固体撮像素子は、入射光量に対して線形的に変換された第１信号と入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号とを出力可能であり、
前記固体撮像装置より前記第１信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第１信号処理回路と、
前記固体撮像装置より前記第２信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第２信号処理回路と、
前記第１信号処理回路から出力される信号を、入射光量に対して自然対数的に比例した信号に変換する線形／対数変換回路と、
前記第２信号処理回路からの信号及び前記線形／対数変換回路からの信号が入力される第３信号処理回路と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１３】
前記固体撮像素子に複数種類の色フィルタが設けられ、前記固体撮像装置から出力される前記第１信号及び前記第２信号がそれぞれ複数種類の色信号で構成されるとともに、
前記第１信号処理回路が前記第１信号のホワイトバランス調整を行うとともに、前記第２信号処理回路が前記第２信号のホワイトバランス調整を行うことを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記第１信号処理回路が前記第１信号のγ補正を行うとともに、前記第２信号処理回路が前記第２信号のγ補正を行うことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記第２信号処理回路において、前記第２信号のダイナミックレンジを調整することを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光量に対して線形的に変換した電気信号を出力する第１状態と入射光量に対して自然対数的に変換した電気信号を出力する第２状態との間で切換可能な固体撮像素子を有する固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より使用されている固体撮像素子には、光電変換素子で発生した光電荷を読み出す手段によってＣＣＤ型とＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、又、ＭＯＳ型はフォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通して読み出すようになっている。しかしながら、このような従来の固体撮像素子は、発生した光電荷の電荷量に比例した出力が出力されるため、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。
【０００３】
一方、本出願人は、ダイナミックレンジを広くするために、入射した光量に応じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力するＭＯＳトランジスタと、このＭＯＳトランジスタをサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とが備えられることによって、入射光量に対して自然対数的に変換された電気信号を出力することができる固体撮像素子を提案した（特開平３−１９２７６４号公報参照）。このような固体撮像装置は、広いダイナミックレンジを有しているものの、低輝度の場合の特性やＳ／Ｎ比などが十分でないという問題があった。
【０００４】
そこで、更に、本出願人は、入射した光量に応じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力するＭＯＳトランジスタと、を有するとともに、ＭＯＳトランジスタにかけるバイアス電圧を切り換えることによって、光電流に対して線形的に変換された出力を出力する第１状態と、光電流に対して自然対数的に変換された出力を出力する第２状態と、切り換えることができる固体撮像素子の検討を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在、上述したような固体撮像素子からの出力のγ補正、マトリクス変換、エッジ強調、又は色調整などを行う後続の信号処理回路は、主に、入射光に対して線形的に変換された出力を処理するものである。しかしながら、線形的に変換された出力と自然対数的に変換された出力とを切り換えて出力する固体撮像素子に対しては、それぞれの状態に応じたものとする必要がある。そのため、このような固体撮像素子の出力を扱う後続の信号処理回路には、線形的に変換された出力を扱うものと自然対数的に変換された出力を扱うものとの２種類の信号処理回路を準備する必要がある。よって、信号処理回路の回路規模が大きくなる。
【０００６】
このような問題を鑑みて、本発明は、入射光量に対して線形的に変換された第１信号と入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号とを、それぞれ所定の信号処理を施した後、共通の回路で処理す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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像素子を有する固体撮像装置において、前記固体撮像素子は、入射光量に対して線形的に変換された第１信号と入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号とを出力可能であり、前記固体撮像装置より前記第１信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第１信号処理回路と、前記固体撮像装置より前記第２信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第２信号処理回路と、前記第２信号処理回路から出力される信号を、入射光量に対して線形的に比例した信号に変換する対数／線形変換回路と、前記第１信号処理回路からの信号及び前記対数／線形変換回路からの信号が入力される第３信号処理回路と、を有することを特徴とする。
【００１１】
このような固体撮像装置において、請求項２に記載するように、前記固体撮像素子に複数種類の色フィルタが設けられ、前記固体撮像装置から出力される前記第１信号及び前記第２信号がそれぞれ複数種類の色信号で構成されるとともに、前記第１信号処理回路が前記第１信号のホワイトバランス調整を行うとともに、前記第２信号処理回路が前記第２信号のホワイトバランス調整を行うようにしても構わない。
【００１２】
このとき、第１信号処理回路では第１信号を構成する各色信号に任意の値を乗算することによってホワイトバランス調整を施し、又、第２信号処理回路では第２信号を構成する各色信号に任意のオフセットレベルを加算することによってホワイトバランス調整を施す。
【００１３】
又、請求項３に記載するように、前記第１信号処理回路が前記第１信号のγ補正を行うとともに、前記第２信号処理回路が前記第２信号のγ補正を行うようにしても構わない。
【００１４】
このとき、第１信号処理回路では第１信号をγ乗することによってγ補正を施し、又、第２信号処理回路では第２信号にγを乗算することによってγ補正を施す。
【００１５】
更に、請求項４に記載するように、前記第２信号処理回路において、前記第２信号のダイナミックレンジを調整するようにしても構わない。
【００１６】
請求項５に記載の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像素子を有する固体撮像装置において、前記固体撮像素子は、入射光量に対して線形的に変換された第１信号と入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号とを出力可能であり、前記第２信号を、入射光量に対して線形的に比例した信号に変換する対数／線形変換回路と、前記第１信号及び前記対数／線形変換回路からの信号が入力される信号処理回路と、を有することを特徴とする。
【００１７】
このような固体撮像装置において、請求項６に記載するように、前記固体撮像素子に複数種類の色フィルタが設けられ、前記固体撮像装置から出力される前記第１信号及び前記第２信号がそれぞれ複数種類の色信号で構成されるとともに、前記信号処理回路が入力される信号のホワイトバランス調整を行うようにしても構わない。
【００１８】
このとき、信号処理回路では、入力される信号レベルが入射光に対して線形的に比例した信号を構成する各色信号に任意の値を乗算することによってホワイトバランス調整を施す。
【００１９】
又、請求項７に記載するように、前記信号処理回路が入力される信号のγ補正を行うようにしても構わない。このとき、信号処理回路では、入力される信号レベルが入射光に対して線形的に比例した信号をγ乗することによってγ補正を施す。
【００２０】
請求項８に記載の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像素子を有する固体撮像装置において、前記固体撮像素子は、入射光量に対して線形的に変換された第１信号と入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号とを出力可能であり、前記固体撮像装置より前記第２信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第１信号処理回路と、前記第１信号を、入射光量に対して自然対数的に比例した信号に変換する線形／対数変換回路と、前記第１信号処理回路からの信号及び前記線形／対数変換回路からの信号が入力される第２信号処理回路と、を有することを特徴とする。
【００２１】
このような固体撮像装置において、請求項９に記載するように、前記固体撮像素子に複数種類の色フィルタが設けられ、前記固体撮像装置から出力される前記第１信号及び前記第２信号がそれぞれ複数種類の色信号で構成されるとともに、前記第２信号処理回路が入力される信号のホワイトバランス調整を行うようにしても構わない。
【００２２】
このとき、第２信号処理回路では、入力される信号レベルが入射光に対して自然対数的に比例した信号を構成する各色信号に任意のオフセットレベルを加算することによってホワイトバランス調整を施す。
【００２３】
又、請求項１０に記載するように、前記第２信号処理回路が入力される信号のγ補正を行うようにしても構わない。このとき、第２信号処理回路では、入力される信号レベルが入射光に対して自然対数的に比例した信号にγを乗算することによってγ補正を施す。
【００２４】
更に、請求項１１に記載するように、前記第１信号処理回路において、前記第２信号のダイナミックレンジを調整するようにしても構わない。
【００２６】
請求項１２に記載の固体撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する固体撮像素子を有する固体撮像装置において、前記固体撮像素子は、入射光量に対して線形的に変換された第１信号と入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号とを出力可能であり、前記固体撮像装置より前記第１信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第１信号処理回路と、前記固体撮像装置より前記第２信号が入力されるとともに、所定の信号処理を行う第２信号処理回路と、前記第１信号処理回路から出力される信号を、入射光量に対して自然対数的に比例した信号に変換する線形／対数変換回路と、前記第２信号処理回路からの信号及び前記線形／対数変換回路からの信号が入力される第３信号処理回路と、を有することを特徴とする。
【００２７】
このような固体撮像装置において、請求項１３に記載するように、前記固体撮像素子に複数種類の色フィルタが設けられ、前記固体撮像装置から出力される前記第１信号及び前記第２信号がそれぞれ複数種類の色信号で構成されるとともに、前記第１信号処理回路が前記第１信号のホワイトバランス調整を行うとともに、前記第２信号処理回路が前記第２信号のホワイトバランス調整を行うようにしても構わない。
【００２８】
このとき、第１信号処理回路では第１信号を構成する各色信号に任意の値を乗算することによってホワイトバランス調整を施し、又、第２信号処理回路では第２信号を構成する各色信号に任意のオフセットレベルを加算することによってホワイトバランス調整を施す。
【００２９】
又、請求項１４に記載するように、前記第１信号処理回路が前記第１信号のγ補正を行うとともに、前記第２信号処理回路が前記第２信号のγ補正を行うようにしても構わない。
【００３０】
このとき、第１信号処理回路では第１信号をγ乗することによってγ補正を施し、又、第２信号処理回路では第２信号にγを乗算することによってγ補正を施す。
【００３１】
更に、請求項１５に記載するように、前記第２信号処理回路において、前記第２信号のダイナミックレンジを調整するようにしても構わない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下に説明する。まず、最初に、以下に説明する各実施形態の固体撮像装置に設けられる固体撮像素子の一例について説明する。
【００３３】
＜固体撮像素子＞
１．固体撮像素子の構成
図１は本発明の他の実施形態である二次元のＭＯＳ型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。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。２は垂直走査回路であり、行（ライン）４−１、４−２、・・・、４−ｎを順次走査していく。３は水平走査回路であり、画素から出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン４−１、４−２・・・、４−ｎや出力信号線６−１、６−２・・・、６−ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図１ではこれらについて省略する。
【００３４】
出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２が図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線６−１を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートは直流電圧線７に接続され、ドレインは出力信号線６−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン８に接続されている。一方、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは出力信号線６−１に接続され、ソースは最終的な信号線９に接続され、ゲートは水平走査回路３に接続されている。
【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ＭＯＳトランジスタＴ２が設けられている。ＭＯＳトランジスタＴ２と上記ＭＯＳトランジスタＱ１との接続関係は図２（ａ）のようになる。ここで、ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される直流電圧ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに接続される直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’であり、直流電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）である。この回路構成は上段のＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタＱ１のゲートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため下段のＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源と等価であり、図２（ａ）の回路はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場合、ＭＯＳトランジスタＴ２から増幅出力されるのは電流であると考えてよい。
【００３６】
ＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回路３によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、後述するように各画素内にはスイッチ用のＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ３も設けられている。このＭＯＳトランジスタＴ３も含めて表わすと、図２（ａ）の回路は正確には図２（ｂ）のようになる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ３がＭＯＳトランジスタＱ１とＭＯＳトランジスタＴ２との間に挿入されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ３は行の選択を行うものであり、トランジスタＱ２は列の選択を行うものである。
【００３７】
図２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）での処理が容易になる。
【００３８】
２．画素構成の第１例
図１に示した固体撮像素子の各画素に適用される第１例について、図面を参照して説明する。図３は、本実施形態に使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路図である。
【００３９】
図３において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部（光電変換部）を形成している。そのフォトダイオードＰＤのアノードはＭＯＳトランジスタＴ１のドレインとゲート、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート、及びＭＯＳトランジスタＴ４のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは行選択用のＭＯＳトランジスタのＴ３のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタのソースは出力信号線６（この出力信号線６は図１の６−１、６−２、・・・、６−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４は、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、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、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースには信号φＶPSが印加される。ＭＯＳトランジスタＴ４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。ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインには直流電圧ＶPDが入力される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには信号φＶが入力される。尚、本例において、信号φＶPSは、２値的に変化するものとし、ＭＯＳ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。
【００４１】
本例において、信号φＶPSの電圧値を切り換えてＭＯＳトランジスタＴ１のバイアスを変えることにより、単一の画素において出力信号線６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説明する。
【００４２】
（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、ＭＯＳ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、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには、ローレベルの信号φＶRSが与えられるので、ＭＯＳトランジスタＴ４はＯＦＦとなり、実質的に存在しないことと等価になる。
【００４３】
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、ＭＯＳ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ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに発生する。よって、前記光電流に対して自然対数的に比例した値のドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れようとする。次に、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートにパルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮにすると、前記光電流に対して自然対数的に比例した値のドレイン電流が、ＭＯＳトランジスタＴ３を通して出力信号線６に導出される。
【００４４】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２及びＭＯＳトランジスタＱ１（図２）の導通時抵抗とそれらを流れる電流によって決まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧が、信号として出力信号線６に現れる。このようにして信号が読み出された後、ＭＯＳトランジスタＴ３がＯＦＦになる。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、ＭＯＳトランジスタＴ１は実質的にＯＦＦ状態となり、ＭＯＳ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、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与える信号φＶRSをローレベルに保ち、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＦＦにする。
【００４６】
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、ＭＯＳ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ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに蓄積される。よって、ＭＯＳ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り、前記光電流に対して線形的に比例した値のドレイン電流がＭＯＳトランジスタＴ２を流れようとする。
【００４７】
次に、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートにパルス信号φＶを与えて、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮにすると、前記光電流に対して線形的に比例した値のドレイン電流が、ＭＯＳトランジスタＴ３を通して出力信号線６に導出される。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２及びＭＯＳトランジスタＱ１（図２）の導通時抵抗とそれらを流れる電流によって決まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧が、信号として出力信号線６に現れる。このようにして信号が読み出された後、ＭＯＳトランジスタＴ３がＯＦＦになる。
【００４８】
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Ｔ３をＯＦＦとした後、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートにハイレベルの信号φＶRSを与えることで、ＭＯＳトランジスタＴ４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。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。
【００４９】
３．画素構成の第２例
図１に示した固体撮像素子の各画素に適用される第２例について、図面を参照して説明する。図４は、本実施形態に使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路図である。
【００５０】
図４に示すように、本実施形態では、画素の出力側を構成するＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３が、図３の画素と同様の構成をしている。このような図４の画素において、フォトダイオードＰＤのアノードに直流電圧ＶPSが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインに信号φＶPDが与えられるとともにそのソースがＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースにドレインが接続されるとともにフォトダイオードＰＤのカソードにソースが接続されたＭＯＳトランジスタＴ５が設けられる。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートには信号φＶPGが与えられ、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートには信号φＳが与えられる。
（１）  光電流を自然対数的に変換して出力する場合。
このとき、信号φＶPDにおいて、ＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧を第１電圧とし、ＭＯＳトランジスタＴ１の閾値のバラツキを検出するために、直流電圧ＶPSに略等しい値となる電圧を第２電圧とする。
【００５１】
（１−ａ）撮像動作
信号φＶPDを第１電圧として、ＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに与えられる信号φＳをハイレベルにし、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮの状態にする。このとき、フォトダイオードＰＤに光が入射すると光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、光電流を自然対数的に変換した値の電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のソース及びＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに発生する。尚、このとき、フォトダイオードＰＤで発生した負の光電荷がＭＯＳトランジスタＴ１のソースに流れ込むため、強い光が入射されるほどＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧が低くなる。
【００５２】
このようにして光電流に対して自然対数的に変化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れると、パルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとして、前記光電流を自然対数的に変換した値となる電流が、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３を介して出力信号線６に導出される。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）を読み出すと、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにする。
【００５３】
（１−ｂ）感度のバラツキ検出
各画素の感度のバラツキを検出するときの、各信号のタイミングチャートを図５に示す。上記のように、パルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えられて、出力信号が読み出されると、まず、信号φＳをローレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。そして、信号φＶPDを第２電圧にして、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン・ソース間に負の電荷を蓄積させる。
【００５４】
次に、信号φＶPDを第１電圧に戻すと、この蓄積された負の電荷が信号φＶPDの信号線に流れ出して、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに負の電荷が蓄積された状態になる。この負の電荷の蓄積量は、ゲート・ソース間の閾値電圧によって決まる。このように、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに負の電荷が蓄積されると、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートにパルス信号φＶを与えて出力信号を読み出す。
【００５５】
このとき、読み出された出力信号は、ＭＯＳトランジスタＴ１の閾値電圧に応じた値となるため、これにより、各画素の感度のバラツキを検出することができる。そして、最後に、撮像動作が行えるように、信号φＳをハイレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにする。このように検出した感度のバラツキ検出を行って得られる信号を補正データとしてラインメモリなどのメモリに記憶し、各画素毎に、実際の撮像時の出力信号をこの補正データを用いて補正することによって、出力信号から画素のバラツキによる成分を取り除くことができる。
【００５６】
（２）光電流を線形的に変換して出力する場合。
このとき、信号φＶPDの電圧は、ＭＯＳトランジスタＴ２の動作点となる電圧である第３電圧とする。又、このとき、信号φＳは常にハイレベルで、信号φＳがゲートに与えられるＭＯＳトランジスタＴ５は、常にＯＮ状態である。
【００５７】
（２−ａ）撮像動作
まず、信号φＶPGをローレベルにして、リセット用のＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦの状態にする。このように、リセット用のＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦにすると、フォトダイオードＰＤに光電流が流れることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧が変化する。即ち、フォトダイオードＰＤより負の光電荷がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与えられ、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧が、光電流に対して線形的に変化した値になる。尚、このとき、フォトダイオードＰＤで発生した負の光電荷がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに流れ込むため、強い光が入射されるほどＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧が低くなる。
【００５８】
このようにして光電流に対して線形的に変化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れると、パルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮにする。このとき、前記光電流の積分値を線形的に変換した値となる電流が、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３を介して出力信号線６に導出される。このようにして入射光量の積分値に比例した信号（出力電流）を読み出すと、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにする。
【００５９】
（２−ｂ）リセット動作
各画素のリセットを行うときの、各信号のタイミングチャートを図６に示す。上記のように、パルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えられて、出力信号が読み出されると、まず、信号φＶPGをハイレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮにする。このようにＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮになると、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに第３電圧が与えられ、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧がリセットされる。そして、信号φＶPGを再びローレベルにして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦにする。
【００６０】
次に、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートにパルス信号φＶを与えて出力信号を読み出す。このとき、出力信号は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じた値となり、初期化されたときの出力信号として読み出される。そして、出力信号が読み出されると、再び上記した撮像動作が行われる。このように初期化されたときの信号を補正データとしてラインメモリなどのメモリに記憶し、各画素毎に、実際の撮像時の出力信号をこの補正データを用いて補正することによって、出力信号から画素のバラツキによる成分を取り除くことができる。
【００６１】
このように、第１例及び第２例において、簡単な電位操作により、入射光量とは独立して、同一の画素で複数の出力特性を切り換えることが可能になる。即ち、各画素へ送る信号に基づいて、感光素子（フォトダイオードＰＤ）の入射光量が同じであっても、任意に対数変換して出力する状態と、線形的に変換して出力する状態とを切り換えることができる。
【００６２】
尚、この固体撮像素子内に設けられた画素の構成について、図３又は図４の構成の画素に限定されるものでなく、例えば、ＭＯＳトランジスタＴ２の後段に積分回路や増幅回路を有するような構成や、極性が逆になるＰチャネルのＭＯＳトランジスタを用いた回路構成のものなどでも構わない。
【００６３】
このように構成される固体撮像素子は、以下で説明する各実施形態において、共通のものとなる。よって、以下に、このような構成の固体撮像素子を有する固体撮像装置の実施形態について説明する。
【００６４】
＜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７は、本実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
【００６５】
図７に示す固体撮像装置は、上述したように、入射光に対して自然対数的又は線形的に変換された電気信号を出力する固体撮像素子１０を有し、この固体撮像素子より出力される電気信号の信号処理を行う。この固体撮像装置は、固体撮像素子１０より線形的に変換された電気信号のホワイトバランス調整を行うホワイトバランス回路１１ａと、固体撮像素子１０より自然対数的に変換された電気信号のホワイトバランス調整を行うホワイトバランス回路１１ｂと、ホワイトバランス回路１１ｂから出力される電気信号のダイナミックレンジの調整を行うダイナミック処理回路１２と、ホワイトバランス回路１１ａからの電気信号のγ補正を行うγ補正回路１３ａと、ダイナミック処理回路１２からの電気信号のγ補正を行うγ補正回路１３ｂと、γ補正回路１３ｂからの電気信号を入射光に対して線形的に変換された電気信号に変換する対数／線形変換回路１４とを有する。
【００６６】
更に、この固体撮像装置は、γ補正回路１３ａ又は対数／線形変換回路１４からの電気信号より輝度信号と色差信号を生成するマトリクス変換回路１５と、マトリクス変換回路１５より出力される輝度信号及び色差信号に基づいてエッジ強調を行うエッジ強調回路１６と、エッジ強調された各信号の色調整を行う色調整回路１７と、色調整回路１７より出力される輝度信号と色差信号をＲＧＢの３信号に変換する逆マトリクス変換回路１８と、固体撮像素子１０及びホワイトバランス回路１１ａ，１１ｂの動作を制御する制御部１９とを有する。
【００６７】
このように構成される固体撮像装置において、固体撮像素子１０内の各画素Ｇ11〜Ｇmnの光電変換部分には、赤色、緑色、青色の３原色のいずれかのカラーフィルタが設けられる。このように赤色、緑色、青色のカラーフィルタが設けられた画素より、それぞれ、Ｒ信号、Ｇ信号、Ｂ信号が出力される。このようなＲＧＢ信号が出力されると、ホワイトバランス回路１１ａ，１１ｂにおいて、固体撮像素子１０より出力されるＲＧＢ信号の信号レベルに応じてホワイトバランス調整が行われる。
【００６８】
今、制御部１９によって固体撮像素子１０が線形変換動作を行うように制御されているとき、制御部１９は、ホワイトバランス回路１１ａをＯＮとするとともにホワイトバランス回路１１ｂをＯＦＦとする。このとき、ホワイトバランス回路１１ａでは、固体撮像素子１０より出力されるＲＧＢ信号それぞれについて予め設定した値を、それぞれの信号レベルに乗算する。そして、このように所定値が乗算されたＲＧＢ信号それぞれの信号レベルを、１フィールド毎に積分する。
【００６９】
ここでＧ信号を基準としたとき、Ｒ信号の積分値とＧ信号の積分値とを等しくするためにＲ信号の積分値に乗ずるＲ信号用の値が求められるとともに、Ｂ信号の積分値とＧ信号の積分値とを等しくするためにＢ信号の積分値に乗ずるＢ信号用の値が求められる。このようにして求められたＲ信号用の値を上記のように所定値が乗算されたＲ信号の信号レベルに乗算するとともに、Ｂ信号用の値を上記のように所定値が乗算されたＢ信号の信号レベルに乗算する。このようにして求められたＲ信号及びＢ信号と、上記のように所定値が乗算されたＧ信号とがホワイトバランス回路１１ａより出力される。よって、固体撮像素子１０において線形変換されて得たＲＧＢ信号が、ホワイトバランス回路１１ａにおいてホワイトバランス調整されて、γ補正回路１３ａに出力される。
【００７０】
即ち、ＲＧＢ信号それぞれの信号レベルをそれぞれ、Dr，Dg，Dbとし、ＲＧＢ信号それぞれに乗ずる所定値をそれぞれ、xr，xg，xbとしたとき、まず、ＲＧＢ信号の信号レベルがそれぞれ、xr×Dr，xg×Dg，xb×Dbとなる。このようにして信号レベルが変換されたＲＧＢ信号の１フィールド分の積分値を、Drl，Dgl，Dblとしたとき、Ｒ信号とＧ信号の積分値の比Dgl/Drlと、Ｂ信号とＧ信号の積分値の比Dgl/Dblとが求められ、それぞれ、Ｒ信号用の値及びＢ信号用の値とされる。よって、信号レベルDrのＲ信号、信号レベルDgのＧ信号，信号レベルDbのＢ信号が入力されたとき、信号レベルDgl/Drl×xr×DrのＲ信号と、信号レベルxg×DgのＧ信号と、信号レベルDgl/Dbl×xb×DbのＢ信号が出力される。
【００７１】
ホワイトバランス回路１１ａでホワイトバランス調整されたＲＧＢ信号がγ補正回路１３ａに与えられると、このγ補正回路１３ａでγ補正が施される。即ち、γ補正回路１３ａに入力される信号の信号レベルDとしたとき、γ補正回路１３ａより出力される信号の信号レベルは、信号レベルDをγ乗したDγに変換される。尚、このγ補正回路１３ａは不図示のＬＵＴ（Look Up Table）を有し、このＬＵＴに入力される信号の信号レベルに応じたγ補正後の信号レベルが記憶されている。よって、信号レベルDの信号がγ補正回路１３ａに入力されたとき、ＬＵＴより信号レベルDに応じた信号レベルDγを読み出し、この信号レベルDγとなる信号を出力することによって、入力された信号にγ補正を施す。このようにγ補正が施されたＲＧＢ信号は、マトリクス変換回路１５に送出される。
【００７２】
又、制御部１９によって固体撮像素子１０が対数変換動作を行うように制御されているとき、制御部１９は、ホワイトバランス回路１１ａをＯＦＦするとともにホワイトバランス回路１１ｂをＯＮとする。このとき、ホワイトバランス回路１１ｂでは、固体撮像素子１０より出力されるＲＧＢ信号それぞれについて予め設定したオフセットレベルを、それぞれの信号レベルに加算する。そして、このように所定のオフセットレベルが加算されたＲＧＢ信号それぞれの信号レベルを、１フィールド毎に積分する。
【００７３】
ここでＧ信号を基準としたとき、Ｒ信号の積分値とＧ信号の積分値とを等しくするためにＲ信号の積分値に加算するＲ信号用のオフセットレベルが求められるとともに、Ｂ信号の積分値とＧ信号の積分値とを等しくするためにＢ信号の積分値に加算するＢ信号用のオフセットレベルが求められる。このようにして求められたＲ信号用のオフセットレベルを上記のように所定のオフセットレベルが加算されたＲ信号の信号レベルに加算するとともに、Ｂ信号用のオフセットレベルを上記のように所定のオフセットレベルが加算されたＢ信号の信号レベルに加算する。
【００７４】
このようにして求められたＲ信号及びＢ信号と、上記のように所定のオフセットレベルが加算されたＧ信号とがホワイトバランス回路１１ｂより出力される。よって、固体撮像素子１０において対数変換されて得たＲＧＢ信号が、ホワイトバランス回路１１ｂにおいてホワイトバランス調整されて、ダイナミック処理回路１２に出力される。
【００７５】
即ち、ＲＧＢ信号それぞれの信号レベルをそれぞれ、Dra，Dga，Dbaとし、ＲＧＢ信号それぞれに加算する所定のオフセットレベルをそれぞれ、yr，yg，ybとしたとき、まず、ＲＧＢ信号の信号レベルがそれぞれ、Dra＋yr，Dga＋yg，Dba＋ybとなる。このようにして信号レベルが変換されたＲＧＢ信号の１フィールド分の積分値を、Dral，Dgal，Dbalとしたとき、Ｒ信号とＧ信号の積分値の差Dgal−Dralと、Ｂ信号とＧ信号の積分値の差Dgal−Dbalとが求められ、それぞれ、Ｒ信号用の値及びＢ信号用の値とされる。よって、信号レベルDraのＲ信号、信号レベルDgaのＧ信号，信号レベルDbaのＢ信号が入力されたとき、信号レベル(Dgal−Dral)＋Dra＋yrのＲ信号と、信号レベルDga＋ygのＧ信号と、信号レベル(Dgal−Dbal)＋Dba＋ybのＢ信号が出力される。
【００７６】
このようにホワイトバランス回路１１ｂでは、入力される信号が入射光に対して自然対数的に変換された信号であるため、ホワイトバランス回路１１ａにおいて各信号に乗算する値が、各信号に加算するオフセットレベルとして現れる。これは、入射光に対して線形変換された各信号の比Ａ／Ｂが、入射光に対して対数変換された各信号の差ln(Ａ)−ln(Ｂ)に相当するためである。
【００７７】
ホワイトバランス回路１１ｂよりダイナミック処理回路１２にＲＧＢ信号が送出されると、ダイナミック処理回路１２において、入力されるＲＧＢ信号のダイナミックレンジのレンジ幅を、γ補正回路１３ｂ以降で処理されるダイナミックレンジのレンジ幅にあわせる。即ち、例えば、１フィールド分のＲＧＢ信号がダイナミック処理回路１２に入力されるとき、この入力された１フィールド分のＲＧＢ信号のうち、最大となる信号レベルと最小となる信号レベルを検知する事によって、入力されたＲＧＢ信号のダイナミックレンジを検出する。
【００７８】
そして、γ補正回路１３ｂで８ビットのデジタル信号として扱われるとき、検知された最小となる信号レベルの信号が信号レベル０となる信号に、検知された最大となる信号レベルの信号が信号レベル２５５となる信号になるように、入力されるＲＧＢ信号の信号レベルを変換して出力する。このようにすることで、入力されたＲＧＢ信号を、そのダイナミックレンジが８ビットの信号レベル０〜２５５となる信号としてγ補正回路１３ｂに送出することができる。
【００７９】
今、固体撮像素子１０が対数変換動作を行ったとき、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いのに対して、被写体の輝度分布が高輝度状態で撮像されても３〜４桁であるため、輝度の高い部分や低い部分においてデータのない部分が生じ、撮像される被写体の輝度分布において最低輝度となる部分が薄い灰色として、又、最高輝度となる部分が濃い灰色として再生される。よって、このようにダイナミック処理のされていない信号を用いて映像を再生したとき、コントラストのはっきりしない映像が再生される。
【００８０】
それに対して、上述したように、ダイナミック処理回路１２で、データのない部分を削除して、新たに、出力側のダイナミックレンジにあわせた信号に変換するため、コントラストのはっきりした映像を再生することができる。尚、このダイナミック処理回路１２は、被写体の輝度分布の状態に応じて被写体の輝度範囲を設定し、この輝度範囲に応じたダイナミックレンジにあわせた信号に変換するようにしても構わない。
【００８１】
このようにダイナミック処理が行われたＲＧＢ信号は、γ補正回路１３ｂでγ補正が施される。即ち、γ補正回路１３ｂに入力される信号の信号レベルDaとしたとき、γ補正回路１３ｂより出力される信号の信号レベルは、信号レベルDaにγを乗算したγ×Daに変換される。このように、γ補正回路１３ｂでは、入力されるＲＧＢ信号にγを乗算するのみであるので、γ補正回路１３ａのように、入力信号の信号レベルに対する出力信号の信号レベルを求めるためのＬＵＴを要さず、γを乗算するための乗算回路で構成される。
【００８２】
このようにγ補正回路１３ｂでは、入力される信号が入射光に対して自然対数的に変換された信号であるため、γ補正回路１３ａにおいて各信号をγ乗するための値γが、各信号に乗算する値γとして現れる。これは、入射光に対して線形変換された信号の信号レベルDと入射光に対して対数変換された信号の信号レベルDaとの関係が、Da＝ln(D)であるので、線形変換された信号がγ補正されて信号レベルがDγとなるのに対して、対数変換された信号がγ補正されて信号レベルがln(Dγ)＝γ×Daとなるためである。
【００８３】
このようにγ補正回路１３ｂでγ補正されたＲＧＢ信号は、対数／線形変換回路１４に送出され、固体撮像素子１０への入射光量に対して線形的に比例した信号レベルのＲＧＢ信号に変換される。即ち、今、信号レベルDxの信号が対数／線形変換回路１４に入力されたとき、その信号レベルDy＝α×exp(Dx)（αは定数）となる信号が出力される。このようにして、その信号レベルが入射光量に対して線形的に比例するＲＧＢ信号が対数／線形変換回路１４からマトリクス変換回路１５に送出される。
【００８４】
以上のようにして、固体撮像素子１０が線形変換動作したときのＲＧＢ信号がホワイトバランス回路１１ａ及びγ補正回路１３ａを経て、又、固体撮像素子１０が対数変換動作したときのＲＧＢ信号がホワイトバランス回路１１ｂ、ダイナミック処理回路１２、γ補正回路１３ｂ及び線形／対数変換回路１４を経て、ホワイトバランス調整及びγ補正が施されるとともに、入射光量に対して線形的に比例した信号としてマトリクス変換回路１５に送出される。よって、マトリクス変換回路１５以降の回路は、入射光量に対して線形的に変換された信号を扱う回路となる。
【００８５】
マトリクス変換回路１５では、γ補正回路１３ａ又は対数／線形変換回路１４より送出されるＲＧＢ信号より、輝度信号と色差信号を生成して、次のエッジ強調回路１６に送出する。エッジ強調回路１６では、まず、各信号の信号レベルより、再生画像のエッジ部分を検出する。そして、このエッジ部分を表す輝度信号及び色差信号の二次微分した値となるラプラシアンを加えるなどしてエッジ強調処理を施して、色調整回路１７に送出する。
【００８６】
色調整回路１７では、エッジ強調処理された信号や補間処理などされた信号において、色偽の発生などを抑制するための処理などを施すなどして、再生画像のコントラストがはっきりしたものとなるように、色差信号の信号レベルを調整する。更に、このように調整された色差信号と輝度信号が逆マトリクス変換回路１８に与えられて、ＲＧＢ信号に変換されるとともに出力される。
【００８７】
このようにホワイトバランス回路及びγ補正回路をそれぞれ、対数変換されて得た電気信号を処理するためのものと線形変換されて得た電気信号を処理するためのものとに区別することによって、特に対数変換されて得た電気信号の解像度を損なうことなく処理することができる。又、マトリクス変換回路以降の回路を共通の回路とすることができるので、回路規模を小さくすることができる。
【００８８】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図８は、本実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図である。尚、本実施形態の固体撮像装置において、図７に示す固体撮像装置と同一の目的で使用する部分は、同一の符号を付してその説明は省略する。
【００８９】
図８の固体撮像装置は、第１の実施形態（図７）の固体撮像装置のダイナミック処理回路１２と対数／線形変換回路１４との間に設けられていたγ補正回路１３ｂが削除されるとともに、γ補正回路１３ａにホワイトバランス回路１１ａからの出力又は対数／線形変換回路１４からの出力が入力される。その他の構成については、第１の実施形態の固体撮像装置と同様である。
【００９０】
このように構成されるとき、制御部１９によって固体撮像素子１０が線形変換動作を行うように制御されると、第１の実施形態と同様、制御部１９は、ホワイトバランス回路１１ａをＯＮとするとともにホワイトバランス回路１１ｂをＯＦＦとする。よって、固体撮像素子１０が線形変換動作して得られたＲＧＢ信号が、ホワイトバランス回路１１ａでホワイトバランス調整された後、γ補正回路１３ａに送出される。
【００９１】
又、制御部１９によって固体撮像素子１０が対数変換動作を行うように制御されると、第１の実施形態と同様、制御部１９は、ホワイトバランス回路１１ａをＯＦＦとするとともにホワイトバランス回路１１ｂをＯＮとする。よって、固体撮像素子１０が対数変換動作して得られたＲＧＢ信号が、ホワイトバランス回路１１ｂでホワイトバランス調整された後、ダイナミック処理回路１２で出力側のダイナミックレンジに応じた信号レベルに変換される。そして、このダイナミック処理回路１２より出力されるＲＧＢ信号が、対数／線形変換回路１４において、入射光量に対して線形的に比例した信号レベルとなる信号に変換された後、γ補正回路１３ａに送出される。
【００９２】
以上のようにして、固体撮像素子１０が線形変換動作したときのＲＧＢ信号がホワイトバランス回路１１ａを経て、又、固体撮像素子１０が対数変換動作したときのＲＧＢ信号がホワイトバランス回路１１ｂ、ダイナミック処理回路１２及び線形／対数変換回路１４を経て、ホワイトバランス調整が施されるとともに、入射光量に対して線形的に比例した信号としてγ補正回路１３ａに送出される。よって、γ補正回路１３ａ以降の回路は、入射光量に対して線形的に変換された信号を扱う回路となる。
【００９３】
γ補正回路１３ａは、第１の実施形態と同様、不図示のＬＵＴより、入力される信号の信号レベルに応じたγ補正後の信号レベルを読み出し、この読み出した信号レベルの信号を新たな信号としてマトリクス変換回路１５に出力する。マトリクス変換回路１５以降の回路の動作については、第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態を参照するものとして、その詳細な説明を省略する。
【００９４】
このようにホワイトバランス回路を、対数変換されて得た電気信号を処理するためのものと線形変換されて得た電気信号を処理するためのものとに区別することによって、特に対数変換されて得た電気信号の解像度を損なうことなく処理することができる。又、γ補正回路以降の回路を共通の回路とすることができるので、第１の実施形態の固体撮像装置に比べて、回路規模を小さくすることができる。
【００９５】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図である。尚、本実施形態の固体撮像装置において、図８に示す固体撮像装置と同一の目的で使用する部分は、同一の符号を付してその説明は省略する。
【００９６】
図９の固体撮像装置は、第２の実施形態（図８）の固体撮像装置のホワイトバランス回路１１ｂを削除するとともに、固体撮像素子１０からの出力が、スイッチＳＷを経て、又はダイナミック処理回路１２及び対数／線形変換回路１４を経て、ホワイトバランス回路１１ａに入力される。又、制御部１９ａがダイナミック処理回路１２及びスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。その他の構成については、第２の実施形態の固体撮像装置と同様である。
【００９７】
このように構成されるとき、制御部１９ａによって固体撮像素子１０が線形変換動作を行うように制御されると、第２の実施形態と同様、制御部１９ａは、スイッチＳＷをＯＮとするとともにダイナミック処理回路１２をＯＦＦとする。よって、固体撮像素子１０が線形変換動作して得られたＲＧＢ信号が、スイッチＳＷを介してホワイトバランス回路１１ａに送出される。
【００９８】
又、制御部１９ａによって固体撮像素子１０が対数変換動作を行うように制御されると、第２の実施形態と同様、制御部１９ａは、スイッチＳＷをＯＦＦとするとともにダイナミック処理回路１２をＯＮとする。よって、固体撮像素子１０が対数変換動作して得られたＲＧＢ信号が、ダイナミック処理回路１２で出力側のダイナミックレンジに応じた信号レベルに変換される。そして、このダイナミック処理回路１２より出力されるＲＧＢ信号が、対数／線形変換回路１４において、入射光量に対して線形的に比例した信号レベルとなる信号に変換された後、ホワイトバランス回路１１ａに送出される。
【００９９】
以上のようにして、固体撮像素子１０が線形変換動作したときのＲＧＢ信号がスイッチＳＷを経て、又、固体撮像素子１０が対数変換動作したときのＲＧＢ信号がダイナミック処理回路１２及び線形／対数変換回路１４を経て、入射光量に対して線形的に比例した信号としてホワイトバランス回路１１ａに送出される。よって、ホワイトバランス回路１１ａ以降の回路は、入射光量に対して線形的に変換された信号を扱う回路となる。
【０１００】
ホワイトバランス回路１１ａは、第１の実施形態（図７）と同様、入力されるＲＧＢ信号の各信号の信号レベルに任意の値を乗算することによって、入力されるＲＧＢ信号にホワイトバランス調整が施した後、γ補正回路１３ａに出力する。γ補正回路１３ａ以降の回路の動作については、第２の実施形態と同様であるので、第２の実施形態を参照するものとして、その詳細な説明を省略する。
【０１０１】
このように、ホワイトバランス回路以降の回路を共通の回路とすることができるので、第２の実施形態の固体撮像装置に比べて、回路規模を小さくすることができるとともに、ホワイトバランス回路以降の回路で構成される信号処理回路に、線形的に変換された電気信号を扱う既存の信号処理回路を適用することができる。
【０１０２】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図１０は、本実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図である。尚、本実施形態の固体撮像装置において、図７に示す固体撮像装置と同一の目的で使用する部分は、同一の符号を付してその説明は省略する。
【０１０３】
図１０の固体撮像装置は、第１の実施形態（図７）の固体撮像装置のホワイトバランス回路１１ａ及びγ補正回路１３ａが削除される代わりに線形／対数変換回路２０が設けられるとともに、固体撮像素子１０からの出力が、ダイナミック処理回路１２又は線形／対数変換回路２０を介してホワイトバランス回路１１ｂに送出される。又、制御部１９ｂがダイナミック処理回路１２及び線形／対数変換回路２０のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。その他の構成については、第１の実施形態の固体撮像装置と同様である。
【０１０４】
このように構成されるとき、制御部１９ｂによって固体撮像素子１０が線形変換動作を行うように制御されると、第３の実施形態（図９）と同様、制御部１９ｂは、線形／対数変換回路２０をＯＮとするとともにダイナミック処理回路１２をＯＦＦとする。よって、固体撮像素子１０が線形変換動作して得られたＲＧＢ信号が、線形／対数変換回路２０で入射光量に対して自然対数的に比例した信号レベルの信号に変換された後、ホワイトバランス回路１１ｂに送出される。
【０１０５】
又、制御部１９ｂによって固体撮像素子１０が対数変換動作を行うように制御されると、第３の実施形態と同様、制御部１９ｂは、線形／対数変換回路２０をＯＦＦとするとともにダイナミック処理回路１２をＯＮとする。よって、固体撮像素子１０が対数変換動作して得られたＲＧＢ信号が、ダイナミック処理回路１２で出力側のダイナミックレンジに応じた信号レベルに変換された後、ホワイトバランス回路１１ｂに送出される。
【０１０６】
以上のようにして、固体撮像素子１０が線形変換動作したときのＲＧＢ信号が線形／対数変換回路２０を経て、又、固体撮像素子１０が対数変換動作したときのＲＧＢ信号がダイナミック処理回路１２を経て、入射光量に対して自然対数的に比例した信号としてホワイトバランス回路１１ｂに送出される。ホワイトバランス回路１１ｂでは、第１の実施形態と同様に、入力されるＲＧＢ信号の各信号の信号レベルに任意のオフセットレベルを加算することによって、入力されるＲＧＢ信号にホワイトバランス調整が施される。
【０１０７】
このようにホワイトバランス調整が施されたＲＧＢ信号がγ補正回路１３ｂに与えられると、γ補正回路１３ｂにおいて、第１の実施形態と同様、入力される各信号に所定値を乗算することでγ補正が施される。そして、ホワイトバランス調整及びγ補正が施されたＲＧＢ信号が、対数／線形変換回路１４で信号レベルが入射光量に対して線形的に比例した信号に変換されてマトリクス変換回路１５に送出される。マトリクス変換回路１５以降の回路の動作については、第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態を参照するものとして、その詳細な説明を省略する。
【０１０８】
このように、ホワイトバランス回路以降の回路を共通の回路とすることができるので、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置に比べて、回路規模を小さくすることができる。又、ホワイトバランス回路を対数変換された信号用のホワイトバランス回路としたため、線形変換された信号用のホワイトバランス回路のように乗除算回路でなく、加減算回路で良いので、第３の実施形態と比べて、ホワイトバランス回路の回路構成を簡略化することができる。更に、γ補正回路を対数変換された信号用のγ補正回路としたため、線形変換された信号用のγ補正回路のようにＬＵＴを必要としないので、第３の実施形態と比べて、γ補正回路の回路構成を簡略化することができる。
【０１０９】
上述した第１〜第４の実施形態については、マトリクス変換回路、エッジ強調回路、色調整回路、及び逆マトリクス変換回路をそれぞれ、線形変換された電気信号を処理するための回路としたが、対数変換された電気信号を処理するための回路とすることも可能である。このマトリクス変換回路、エッジ強調回路、色調整回路、及び逆マトリクス変換回路をそれぞれ対数変換された電気信号を処理するための回路とした第１〜第４の実施形態の固体撮像装置（図７〜図１０）に対応する第５〜第８の実施形態の固体撮像装置の内部構成を、図１１〜図１４に示す。
【０１１０】
図１１に示す第５の実施形態の固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置（図７）と比較したとき、γ補正回路１３ｂ後段の対数／線形変換回路１４が省かれる代わりに、γ補正回路１３ａ後段に線形／対数変換回路２０が設けられる。更に、マトリクス変換回路１５、エッジ強調回路１６、色調整回路１７、及び逆マトリクス変換回路１８の代わりに、それぞれ対数変換された電気信号を扱うマトリクス変換回路１５ａ、エッジ強調回路１６ａ、色調整回路１７ａ、及び逆マトリクス変換回路１８ａが設けられる。
【０１１１】
このような構成の固体撮像装置は、γ補正回路１３ｂからの出力が変換されずにそのまま、又、γ補正回路１３ａからの出力が線形／対数変換回路２０が入射光量に対して自然対数的に比例した信号に変換されてから、マトリクス変換回路１５ａに送出されるとともに、マトリクス変換回路１５ａ、エッジ強調回路１６ａ、色調整回路１７ａ、及び逆マトリクス変換回路１８ａがそれぞれ対数変換された電気信号を扱うこと以外は、第１の実施形態と同様の動作を行う。
【０１１２】
図１２に示す第６の実施形態の固体撮像装置は、第２の実施形態の固体撮像装置（図８）と比較したとき、ダイナミック処理回路１２後段の対数／線形変換回路１４が省かれる代わりに、ホワイトバランス回路１１ａ後段に線形／対数変換回路２０が設けられる。更に、γ補正回路１３ａ、マトリクス変換回路１５、エッジ強調回路１６、色調整回路１７、及び逆マトリクス変換回路１８の代わりに、それぞれ対数変換された電気信号を扱うγ補正回路１３ｂ、マトリクス変換回路１５ａ、エッジ強調回路１６ａ、色調整回路１７ａ、及び逆マトリクス変換回路１８ａが設けられる。
【０１１３】
このような構成の固体撮像装置は、ダイナミック処理回路１２からの出力が変換されずにそのまま、又、ホワイトバランス回路１１ａからの出力が線形／対数変換回路２０が入射光量に対して自然対数的に比例した信号に変換されてから、γ補正回路１３ｂに送出されるとともに、γ補正回路１３ｂ、マトリクス変換回路１５ａ、エッジ強調回路１６ａ、色調整回路１７ａ、及び逆マトリクス変換回路１８ａがそれぞれ対数変換された電気信号を扱うこと以外は、第２の実施形態と同様の動作を行う。
【０１１４】
図１３に示す第７の実施形態の固体撮像装置は、第３の実施形態の固体撮像装置（図９）と比較したとき、ダイナミック処理回路１２後段の対数／線形変換回路１４が省かれる代わりに、スイッチＳＷ後段に線形／対数変換回路２０が設けられる。更に、ホワイトバランス回路１１ａ、γ補正回路１３ａ、マトリクス変換回路１５、エッジ強調回路１６、色調整回路１７、及び逆マトリクス変換回路１８の代わりに、それぞれ対数変換された電気信号を扱うホワイトバランス回路１１ｂ、γ補正回路１３ｂ、マトリクス変換回路１５ａ、エッジ強調回路１６ａ、色調整回路１７ａ、及び逆マトリクス変換回路１８ａが設けられる。
【０１１５】
このような構成の固体撮像装置は、ダイナミック処理回路１２からの出力が変換されずにそのまま、又、スイッチＳＷからの出力が線形／対数変換回路２０が入射光量に対して自然対数的に比例した信号に変換されてから、ホワイトバランス回路１１ｂに送出されるとともに、ホワイトバランス回路１１ｂ、γ補正回路１３ｂ、マトリクス変換回路１５ａ、エッジ強調回路１６ａ、色調整回路１７ａ、及び逆マトリクス変換回路１８ａがそれぞれ対数変換された電気信号を扱うこと以外は、第３の実施形態と同様の動作を行う。
【０１１６】
図１４に示す第８の実施形態の固体撮像装置は、第４の実施形態の固体撮像装置（図１０）と比較したとき、γ補正回路１３ｂ後段の対数／線形変換回路１４が省かれた構成となる。更に、マトリクス変換回路１５、エッジ強調回路１６、色調整回路１７、及び逆マトリクス変換回路１８の代わりに、それぞれ対数変換された電気信号を扱うマトリクス変換回路１５ａ、エッジ強調回路１６ａ、色調整回路１７ａ、及び逆マトリクス変換回路１８ａが設けられる。
【０１１７】
このような構成の固体撮像装置は、γ補正回路１３ｂからの出力が変換されずにそのまま、マトリクス変換回路１５ａに送出されるとともに、マトリクス変換回路１５ａ、エッジ強調回路１６ａ、色調整回路１７ａ、及び逆マトリクス変換回路１８ａがそれぞれ対数変換された電気信号を扱うこと以外は、第４の実施形態と同様の動作を行う。
【０１１８】
尚、第１〜第８の実施形態において、固体撮像装置内に設けられた固体撮像素子が、線形変換動作と対数変換動作の切換可能な画素を有する固体撮像素子としたが、線形変換動作を行う画素と対数変換動作を行う画素の２種類の画素を有する固体撮像素子としても構わない。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置によると、入射光量に対して線形的に変換された第１信号を信号処理する回路と、入射光量に対して自然対数的に変換された第２信号を信号処理する回路とが設けられるため、状況に応じて第１信号と第２信号とを出力する固体撮像素子からの信号の信号処理をそれぞれについて行うことができる。
【０１２０】
又、第１信号と第２信号とを別々に信号処理した後、このように信号処理された第２信号が入射光量に対して線形的に比例した信号レベルの信号に変換されるため、後段の信号処理回路については共通の回路とすることができる。よって、固体撮像装置の回路規模を縮小することができる。
【０１２１】
又、第１信号と第２信号とを別々に信号処理した後、このように信号処理された第１信号が入射光量に対して自然対数的に比例した信号レベルの信号に変換されるため、後段の信号処理回路については共通の回路とすることができる。よって、固体撮像装置の回路規模を縮小することができる。更に、このとき、共通の回路でγ補正を行うようにしたとき、入力される信号に所定値γを乗算することでγ補正を施すことができるので、入射光量に対して線形的に比例した信号レベルの信号をγ補正する場合のように対照表となるＬＵＴ（Look Up Table）が必要なく、γ補正用の回路規模を縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置に設けられる固体撮像素子の内部構成の一例を示すブロック回路図。
【図２】図１の一部を示す図。
【図３】図１の固体撮像素子内の画素の構成の一例を示す回路図。
【図４】図１の固体撮像素子内の画素の構成の一例を示す回路図。
【図５】図４の画素の各素子に与える信号の動作を示すタイムチャート。
【図６】図４の画素の各素子に与える信号の動作を示すタイムチャート。
【図７】第１の実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図８】第２の実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図９】第３の実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図１０】第４の実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図１１】第５の実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図１２】第６の実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図１３】第７の実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図１４】第８の実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【符号の説明】
Ｇ11〜Ｇmn    画素
２    垂直走査回路
３    水平走査回路
４−１〜４−ｎ    ライン
５    電源ライン
６−１〜６−ｍ    出力信号線
７    直流電圧線
８    ライン
９    信号線
１０    固体撮像素子
１１ａ，１１ｂ    ホワイトバランス回路
１２    ダイナミック処理回路
１３ａ，１３ｂ    γ補正回路
１４    対数／線形変換回路
１５，１５ａ    マトリクス変換回路
１６，１６ａ    エッジ強調回路
１７，１７ａ    色調整回路
１８，１８ａ    逆マトリクス変換回路
１９，１９ａ，１９ｂ    制御部
２０    線形／対数変換回路
ＳＷ    スイッチ
ＰＤ    フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ５，Ｑ１，Ｑ２    ＭＯＳトランジスタ
【図１】
0004374745.tif 000002
【図２】
0004374745.tif 000003
【図３】
0004374745.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004374745.tif 000007
【図７】
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【図８】
0004374745.tif 000009
【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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