JP4013700B2 - 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、入射光量に対して線形的に変化する電気信号を出力する第１状態と入射光量に対して自然対数的に変化する電気信号を出力する第２状態との間で切換可能な固体撮像素子を有する撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、入射光量に対して線形変換する線形変換動作を行う固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが２桁と狭いため、広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像したときは、ダイナミックレンジ以外の範囲の輝度情報は出力されない。又、従来の固体撮像装置として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
この固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。しかしながら、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。これらに対して、従来の固体撮像素子として、上述の線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることが可能なものがある（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３１３２５７号公報
【特許文献２】
特開２００２−７７７３３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献２における固体撮像素子によると、フォトダイオードに接続されたＭＯＳトランジスタのソース電圧を二値化して変化させることによって、対数変換動作と線形変換動作の切換が行われる。このようにして、対数変換動作と線形変換動作の切換がソース電圧によって切り換えられるため、被写体を写す毎に、その被写体の輝度範囲などから判断して切り換える必要がある。又、被写体によっては、輝度の低い部分と高い部分が混在しているものもあり、この場合、輝度の低い部分はコントラストを高くするために線形変換動作をさせる方が良く、又、輝度の高い部分は白つぶれを起こさないようにダイナミックレンジの広い対数変換動作をさせる方が良い。
【０００６】
更に、被写体の輝度が低い場合、そのコントラストを良くするために、固体撮像素子の各画素における積分時間を長くして感度を高くする方法がある。しかしながら、この積分時間だけによって各画素の感度を高くするには、動画撮影時など、１フレームを撮像するために必要とされる時間が決まっている場合、長くするにも限界があり、十分な感度が得られないことがある。
【０００７】
このような問題を鑑みて、本発明は、コントラスト良好な状態で撮影が可能であるとともに、被写体のダイナミックレンジを、固体撮像素子のダイナミックレンジに適合させることができる撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子と該感光素子からの電気信号が与えられるトランジスタと該トランジスタからの電気信号を積分する積分回路とを有するとともに、被写体が比較的低輝度側において入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第１状態と被写体が比較的高輝度側において入射光量に応じた電気信号を対数変換して出力する第２状態との間で自動的に切換可能な複数の画素より成る固体撮像素子を有する撮像装置において、リセット時において前記トランジスタに与えるバイアス電圧の値を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換えることによって、リセット直後の前記トランジスタのポテンシャル状態を変化させるものであって、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記画素の動作状態が第１状態から第２状態に切り替わる変極点となる値を高輝度側に遷移させるバイアス調整部を有することを特徴とする。尚、バイアス調整部及び積分時間調整部は、以下の実施形態において、主制御部及び垂直走査回路によって構成される。
【０００９】
このような構成において、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、撮像時のバイアス電圧値とリセット時のバイアス電圧値との電圧差を大きくする。又、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記積分時間調整部によって積分時間を長くする。更に、前記各画素における積分時間を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換える積分時間調整部を設けてもよい。
【００１０】
このような撮像装置において、前記固体撮像素子から出力される電気信号に対して画像処理を施す画像処理部を有し、該画像処理部において、前記バイアス調整部及び前記積分時間調整部による前記固体撮像素子の設定状態に応じて、前記固体撮像素子から出力される電気信号に施す画像処理方法を切り換える。
【００１１】
例えば、バイアス調整部によってリセット時にトランジスタに与えるバイアス電圧を変化させたとき、第１状態から第２状態に遷移する変極点が変化するため、画像処理部では、その変極点の遷移に応じて画像処理動作に対しても線形変換された電気信号に応じた処理を行う範囲と対数変換された電気信号に応じた処理を行う範囲とを設定する。又、積分時間調整部によって積分時間が切り換えられるとき、固体撮像素子から出力される電気信号のダイナミックレンジが変化するため、画像処理部では、Ａ／Ｄ変換するときなどにおいて、出力された電気信号のダイナミックレンジを積分時間の長さに応じて変化させる。
【００１２】
上述の撮像装置において、前記画素が、前記感光素子となるとともに、第１電極に直流電圧が印加されたフォトダイオードと、該フォトダイオードの第２電極に、第１電極及びゲート電極が接続されるとともに、ゲート電極から電気信号を出力するＭＯＳトランジスタと、を有し、前記バイアス調整部によって、前記被写体の輝度分布の輝度範囲が狭いときは、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極と第２電極との間のポテンシャルの差が大きくなるように、リセット直後の前記ＭＯＳトランジスタのポテンシャル状態が調整されるとともに、前記被写体の輝度分布の輝度範囲が広いときは、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極と第２電極との間のポテンシャルの差が小さくなるように、リセット直後の前記ＭＯＳトランジスタのポテンシャル状態が調整される。
【００１３】
このとき、ＭＯＳトランジスタをＰチャネルのＭＯＳトランジスタとすると、被写体の輝度範囲が広いとき、リセット時に前記ＭＯＳトランジスタの第２電極へ与える電圧値を低く設定し、被写体の輝度範囲が狭いとき、リセット時に前記ＭＯＳトランジスタの第２電極へ与える電圧値を高く設定する。又、ＭＯＳトランジスタをＮチャネルのＭＯＳトランジスタとすると、被写体の輝度範囲が広いとき、リセット時に前記ＭＯＳトランジスタの第２電極へ与える電圧値を高く設定し、被写体の輝度範囲が狭いとき、リセット時に前記ＭＯＳトランジスタの第２電極へ与える電圧値を低く設定する。
【００１４】
又、前記画素が、前記積分回路として前記トランジスタより出力された電気信号が一端に与えられて積分するキャパシタを備え、当該キャパシタで積分する期間の長さを切り換えることによって、前記画素の感度を変化させる。
【００１５】
又、上述の撮像装置において、撮像動作時に前記トランジスタより発生する電気信号を前記積分回路で積分することで得られる電気信号を映像信号とし、リセット時に前記トランジスタより発生する電気信号を前記積分回路で積分することで得られる電気信号をノイズ信号としたとき、前記映像信号及び前記ノイズ信号それぞれを前記出力回路に導出する際に、前記積分回路に与える参照電圧の電位を変化させるようにすることで、出力されたノイズ信号によって映像信号のノイズ除去を行ったとき、ノイズ除去された映像信号のオフセットを低減させることができる。
【００１６】
このような構成において、前記積分回路をキャパシタとしたとき、前記キャパシタで積分されて得られた電気信号が出力される出力信号線と、前記キャパシタと前記出力信号線との間の電気的な接離を行う第１スイッチとを備え、当該第１スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作に同期して前記参照電圧の電位を変化させる。
【００１７】
又、前記フォトダイオードと前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、リセット動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＦＦとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１８】
又、前記フォトダイオードと前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＮとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１９】
又、前記フォトダイオードと前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＮとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるとともに、リセット動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＦＦとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００２０】
このとき、前記参照電圧を３値とするとともに、前記映像信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅を、前記ノイズ信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅よりも大きくすることで、映像信号とノイズ信号との差分をとることによりノイズ除去した映像信号に発生するオフセットを低減することできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【００２２】
１．固体撮像素子の構成
まず、本実施形態の固体撮像素子について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【００２３】
同１において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１は垂直走査回路であり、各画素に信号φＶを与える行（ライン）３−１、３−２、・・・、３−ｎを順次走査していくとともに、ライン４−１、４−２、・・・、４−ｎを介して各画素に信号φＶＤを、ライン５−１、５−２、・・・、５−ｎを介して各画素に信号φＶPSを、それぞれ与える。２は水平走査回路であり、画素から出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１０は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン３−１〜３−ｎ，４−１〜４−ｎ，５−１〜５−ｎや出力信号線６−１〜６−ｍ、電源ライン１０だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図１ではこれらについて省略する。
【００２４】
又、出力信号線６−１〜６−ｍのそれぞれには、定電流源７−１〜７−ｍが接続されるとともに、信号線６−１〜６−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路８−１〜８−ｍが設けられる。そして、補正回路９に選択回路８−１〜８−ｍから映像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路９で補正処理が行われて、ノイズ除去された映像信号が外部に出力される。尚、定電流源７−１〜７−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００２５】
このような固体撮像素子において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線６−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線６−ａに接続された定電流源７−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に選択回路８−ａに送出されるとともに、この選択回路８−ａにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。
【００２６】
その後、選択回路８−ａより、サンプルホールドされた映像信号が補正回路９に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路９に送出される。補正回路９では、選択回路８−ａより与えられた映像信号を、同じく選択回路８−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した映像信号を外部に出力する。尚、選択回路８−１〜８−ｎ及び補正回路９それぞれの構成の一例として、本出願人が特開平２００１−２２３９４８号公報において提示した構成などが挙げられる。又、選択回路８−１〜８−ｎの構成位置に、補正回路を設けるようにしても構わない。
【００２７】
２．画素の構成例
図１の固体撮像素子内に設けられる画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の１例を、以下に図２を参照して説明する。図２の画素において、カソードに直流電圧ＶPDが印加されたフォトダイオードＰＤのアノードにＭＯＳトランジスタＴ１のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースにＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続される。
【００２８】
又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにＭＯＳトランジスタＴ４のゲート及びＭＯＳトランジスタＴ５のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースにＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが接続される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが出力信号線６（図１の出力信号線６−１〜６−ｍに相当する）に接続される。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【００２９】
ＭＯＳトランジスタＴ２のソースにはライン５（図１のライン５−１〜５−ｎに相当する）を介して信号φＶPSが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４のドレインに直流電圧ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースには、その一端にライン４（図１のライン４−１〜４−ｎに相当する）を介して信号φＶＤが与えられるキャパシタＣの他端が接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースには直流電圧ＶRGが入力され、そのゲートに信号φＲＳが入力される。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ６のゲートにはそれぞれ、信号φＳ，φＶが入力される。
【００３０】
このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ６及び出力信号線６を介して、一端に直流電圧ＶPSが印加された定電流源７（図１の定電流源７−１〜７−ｍに相当する）が、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに接続される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮのとき、ＭＯＳトランジスタＴ４はソースフォロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、定電流源７によって増幅された電圧信号を出力信号線６に出力する。
【００３１】
このようにソースフォロワ回路を構成することにより、信号を大きく出力する増幅回路が構成される。従って、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路での処理が容易になる。又、増幅回路の負荷抵抗部分を構成する定電流源７−１〜７−ｍを画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線６−１〜６−ｍ毎に設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【００３２】
このような構成の画素による撮像動作及び感度バラツキ検出動作について、以下に説明する。尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、入射光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をＶＬとし、又、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ２を導通状態にする電圧をＶＨとする。又、信号φＶＤは、３値の電圧信号であり、キャパシタＣを積分動作させる際の電圧値を最も高いＶｈとし、映像信号読み出し時の電圧値をＶｈよりも低いＶｍとし、ノイズ信号読み出し時の電圧値をＶｍよりも低いＶｌとする。
【００３３】
（１）リセット時の基本動作（ノイズ信号出力時）
まず、各画素のリセット時の動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。まず、電圧値Ｖｍのパルス信号φＶＤとパルス信号φＶが与えられて映像信号が出力されると、信号φＶＤをＶｈとした後、信号φＳをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦにして、リセット動作が始まる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側より正の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【００３４】
しかし、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがある値まで上がると、そのリセット速度が遅くなる。特に、明るい被写体が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをＶＨにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース電圧を高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。このとき、信号φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにして、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【００３５】
そして、信号φＶPSをＶＨにすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが、更に高くなると、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをＶＬにして、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャル状態を基の状態に戻す。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャルの状態を基の状態にリセットすると、信号φＲＳをハイにして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。
【００３６】
そして、キャパシタＣが積分動作を行って、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じたものとなる。そして、パルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮにするとともに信号φＶＤの電圧値をＶｌにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３の特性のバラツキに起因する各画素の感度のバラツキを表す出力電流が出力信号線６から流れる。
【００３７】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６にはノイズ信号が電圧信号として現れる。その後、再び、パルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５に与えて、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φＳをローにしてＭＯＳトランジスタＴ１を導通させて撮像動作が行える状態にする。
【００３８】
（２）撮像時の基本動作（映像信号出力時）
次に、各画素の撮像時の動作を説明する。まず、信号φＳは撮像動作の間、常にローとし、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮの状態とする。このとき、信号φＲＳをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとする。又、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをＶＬとするとともに、キャパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値をＶｈとして、積分動作を行うようにする。
【００３９】
このとき、フォトダイオードＰＤより入射光量に応じた光電荷がＭＯＳトランジスタＴ２に流れ込む。今、ＭＯＳトランジスタＴ２はカットオフ状態であるので、光電荷がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積される。よって、撮像する被写体の輝度が低くフォトダイオードＰＤに入射される入射光量が少ない場合は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れるため、入射光量の積分値に対して線形的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに現れる。
【００４０】
又、撮像する被写体の輝度が高くフォトダイオードＰＤに入射される入射光量が多く、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧が高くなると、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作を行うため、入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに現れる。
【００４１】
この入射光量に対して線形的に又は自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタＣから流れて、キャパシタＣが放電される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧が、入射光量の積分値に対して線形的又は自然対数的に比例した電圧となる。そして、このキャパシタＣが積分動作を行うことで現れる映像信号を読み出すために、信号φＶＤの電圧値をＶｍとするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ６にパルス信号φＶを与える。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に応じたソース電流が、ＭＯＳトランジスタＴ６を介して出力信号線６へ流れる。
【００４２】
このようにして、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６には映像信号が電圧信号として現れる。その後、信号φＶをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦにするとともに、信号φＶＤの電圧値をＶｈとする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ６を介して出力される映像信号は、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に比例した値となるため、フォトダイオードＰＤへの入射光量の積分値が線形的に又は自然対数的に変換された信号となる。
【００４３】
このとき、撮像時に対数変換動作に変わるときのＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に至るまでにＭＯＳトランジスタＴ２に流れ込む光電荷量が、全ての画素において等しくなる。このように、各画素における変換動作が対数変換動作に切り替わるときのフォトダイオードＰＤより発生する光電荷量が等しいので、各画素における変換動作が対数変換動作に切り替わるときのフォトダイオードＰＤに入射される入射光量も等しい。即ち、全ての画素において、その変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切り替わるときの被写体の輝度が等しいものとなり、ＭＯＳトランジスタＴ２の閾値電圧の差異による各画素の変換動作の切換への影響を低減することができる。
【００４４】
又、上述のように、ノイズ信号を読み出す際のキャパシタＣに与える電圧値をＶｌとし、映像信号を積分する際の電圧値Ｖｍよりも低くすることによって、オフセット値を（Ｖｌ−Ｖｍ）に比例した電圧値分低くすることができ、従来に比べて、オフセット値の占める割合を低くすることができる。
【００４５】
（３）撮影条件の切換
上述のようにリセット動作及び撮影動作が行われるとき、リセット時の信号φＶPSの電圧値ＶＨが高くなり、撮像時の信号φＶPSの電圧値ＶＬとの差を大きくするほど、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート・ソース間のポテンシャルの差が大きくなり、ＭＯＳトランジスタＴ２がカットオフ状態で動作する被写体輝度の割合が大きくなる。よって、図４のように、電圧値ＶＨが高いほど、線形変換する被写体輝度の割合が大きくなる。即ち、被写体の輝度範囲が狭いと電圧値ＶＨを高くし、又、被写体の輝度範囲が広いと電圧値ＶＨを低くする。
【００４６】
このように、リセット時の信号φＶPSの電圧値ＶＨを変化させることによって、線形変換動作と対数変換動作の切換を行う変極点を変化させるとき、図３及び図５のように、各信号の動作時間の長さを変化させることによって、フォトダイオードＰＤ及びキャパシタＣでの積分時間の長さを変化させ、各画素の感度を変化させることができる。即ち、被写体の輝度範囲が狭いと、図５のように各信号の動作時間を長くし、又、被写体の輝度範囲が広いと、図３のように各信号の動作時間を短くする。よって、図５の場合、図３に比べて、積分時間を２倍とするので、各画素におけるフレームレートが１／２倍となる。
【００４７】
即ち、被写体全体の輝度値が低く、その輝度範囲が狭くなる場合は、コントラストを良好に撮影するために、電圧値ＶＨを最も高くして図４の点線のように線形変換させる範囲を広くするとともに、図５のように各信号の動作時間を長くして感度を高くする。又、その輝度値がやや高くなった場合、図３のように各信号の動作時間を短くする。更に、その輝度範囲が広くなった場合、電圧値ＶＨを中間の値として図４の１点鎖線のように線形変換させる範囲をやや狭くする。又、被写体全体の輝度値が高く、又、その輝度範囲が広くなる場合は、電圧値ＶＨを最も低くして図４の実線のように線形変換させる範囲を更に狭くするとともに、図３のように各信号の動作時間を短くする。即ち、本実施形態において、リセット時の信号φＶPSの電圧値ＶＨを３段階に変化させるとともに、各信号の動作時間を２段階に変化させる場合、被写体全体の輝度値及びその輝度範囲に応じて、６段階に変化させることができる。
【００４８】
３．撮像装置の構成
上述のように、各画素が動作する固体撮像素子を備えた撮像装置について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態における撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
【００４９】
図６の撮像装置は、図１のような構成の固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００内の補正回路９から出力されるノイズ除去された映像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１０１と、Ａ／Ｄ変換部１０１で変換された映像信号に対して画像処理を施す画像処理部１０２と、固体撮像素子１００内の各画素に与える信号φＶPSの電圧ＶＨの値と各信号の動作時間とを設定して固体撮像素子１００を制御する主制御部１０３とを備える。そして、Ａ／Ｄ変換部１０１と画像処理部１０２のそれぞれには、固体撮像素子１００から各画素に与える信号φＶPSの電圧ＶＨの値と各信号の動作時間とが画素制御情報として与えられる。
【００５０】
このようにして、Ａ／Ｄ変換部１０１及び画像処理部１０２に、固体撮像素子１００より画素制御情報が与えられると、まず、Ａ／Ｄ変換部１０１では、固体撮像素子１００より出力される映像信号のダイナミックレンジの上限と下限が設定される。即ち、各画素に与えられる各信号の動作時間が長く設定されるとき、そのダイナミックレンジを広くするとともに、ダイナミックレンジの下限を高くする。このとき、Ａ／Ｄ変換部１０１から出力される映像信号の変極点となる値が、各信号の動作時間の長さに関わらず等しい値となるように設定されるようにされるものとする。
【００５１】
又、画像処理部１０２では、信号φＶPSの電圧ＶＨの値より、Ａ／Ｄ変換部１０１より出力される映像信号の変極点となる値を認識し、この変極点となる値よりも低い映像信号については線形変換された映像信号として画像処理を施すとともに、変極点となる値よりも高い映像信号については対数変換された映像信号として画像処理を施す。
【００５２】
尚、本実施形態において、Ａ／Ｄ変換部１０１において、映像信号の変極点を各信号の動作時間の長さに関わらず等しい値となるように設定するものとしたが、このように設定されないものとしても構わない。このとき、画像処理部１０２において、各信号の動作時間も認識され、それぞれの場合における変極点となる値が確認され、与えられる映像信号の値と変極点となる値とを比較して、線形変換された映像信号に対する画像処理と対数変換された映像信号に対する画像処理とを切り換えるようにする。
【００５３】
又、本実施形態において、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタを用いて各画素が構成されるようにしたが、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いて構成されるようにしても構わない。このとき、各素子の極性が逆になるため、固体撮像装置に設けられる定電流源７−１〜７−ｍについても、図７のように、図１と逆の極性となる。このように各ブロック内の素子が極性が逆となること以外、ラインや各ブロックの関係については、図１の固体撮像装置と同様となる。
【００５４】
又、このときの各画素を構成するＭＯＳトランジスタはＮチャネルとなり、図８のように表される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６及びキャパシタＣの接続関係及び各素子の役割が、図２と同一であるとともに、各素子が、図８の場合と逆の極性に応じた動作を行う。即ち、信号φＶＤの電圧値を、映像信号及びノイズ信号の積分時において最も低いＶａとし、映像信号読み出し時において中間値となるＶｂとし、ノイズ信号読み出し時において最も高いＶｃとする。
【００５５】
このように、各画素を構成するＭＯＳトランジスタをＮチャネルとしたときに各画素に与えられる信号φＶPS，φＶＤ，φＳ，φＲＳ，φＶを変化させるタイミングが、図９のように表される。即ち、信号φＶPS,φＳ，φＲＳ，φＶにおけるハイ、ローの関係が、図３と逆とすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ５，Ｔ６の動作タイミングを同一のタイミングとすることができる。
【００５６】
又、図３における信号φＶＤの電圧値Ｖｈ，Ｖｍ，Ｖｌそれぞれを与えるタイミングと、図９における信号φＶＤの電圧値Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃそれぞれ与えるタイミングとを同一とすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６を逆極性としたときのキャパシタＣの動作状態を、各タイミングにおいて本実施形態の場合と同様の状態にすることができる。更に、リセット時の信号φＶPSの値ＶＬを低くすることによって、変極点の値を低くし、線形変換動作を行う範囲を広くすることができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によると、被写体の輝度によって、固体撮像素子内に設けられた各画素内のトランジスタのポテンシャル状態と積分時間とを調整することができるので、被写体の撮影条件の選択の自由度が大きく拡大される。よって、コントラストや階調性の良好な画像を撮影できる撮影条件を選択することができる。特に、積分時間を長くするとともに第１状態から第２状態へ切り替わる変極点となる値を高輝度側とすることで、暗部での感度を高くすることができるとともに、そのコントラストを良好なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。
【図２】図１の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図３】図２の画素の動作を示すタイミングチャート。
【図４】被写体の輝度と固体撮像素子の出力との関係を示すグラフ。
【図５】図２の画素のフレームレートを変化させたときの動作を示すタイミングチャート。
【図６】図１の固体撮像素子を備えた撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図７】固体撮像装置の構成を示すブロック回路図。
【図８】図７の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図９】図８の画素の動作を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１ 垂直走査回路
２ 水平走査回路
３−１〜３−ｎ ライン
４−１〜４−ｎ ライン
５−１〜５−ｎ ライン
６−１〜６−ｍ 出力信号線
７−１〜７−ｍ 定電流源
８−１〜８−ｍ 選択回路
９ 補正回路
１０ 電源ライン
Ｇ11〜Ｇmn 画素
ＰＤ フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ６ ＭＯＳトランジスタ
Ｃ キャパシタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光量に対して線形的に変化する電気信号を出力する第１状態と入射光量に対して自然対数的に変化する電気信号を出力する第２状態との間で切換可能な固体撮像素子を有する撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、入射光量に対して線形変換する線形変換動作を行う固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが２桁と狭いため、広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像したときは、ダイナミックレンジ以外の範囲の輝度情報は出力されない。又、従来の固体撮像装置として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
この固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。しかしながら、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。これらに対して、従来の固体撮像素子として、上述の線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることが可能なものがある（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３１３２５７号公報
【特許文献２】
特開２００２−７７７３３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献２における固体撮像素子によると、フォトダイオードに接続されたＭＯＳトランジスタのソース電圧を二値化して変化させることによって、対数変換動作と線形変換動作の切換が行われる。このようにして、対数変換動作と線形変換動作の切換がソース電圧によって切り換えられるため、被写体を写す毎に、その被写体の輝度範囲などから判断して切り換える必要がある。又、被写体によっては、輝度の低い部分と高い部分が混在しているものもあり、この場合、輝度の低い部分はコントラストを高くするために線形変換動作をさせる方が良く、又、輝度の高い部分は白つぶれを起こさないようにダイナミックレンジの広い対数変換動作をさせる方が良い。
【０００６】
更に、被写体の輝度が低い場合、そのコントラストを良くするために、固体撮像素子の各画素における積分時間を長くして感度を高くする方法がある。しかしながら、この積分時間だけによって各画素の感度を高くするには、動画撮影時など、１フレームを撮像するために必要とされる時間が決まっている場合、長くするにも限界があり、十分な感度が得られないことがある。
【０００７】
このような問題を鑑みて、本発明は、コントラスト良好な状態で撮影が可能であるとともに、被写体のダイナミックレンジを、固体撮像素子のダイナミックレンジに適合させることができる撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子と該感光素子からの電気信号が与えられるトランジスタと該トランジスタからの電気信号を積分する積分回路とを有するとともに、被写体が比較的低輝度側において入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第１状態と被写体が比較的高輝度側において入射光量に応じた電気信号を対数変換して出力する第２状態との間で自動的に切換可能な複数の画素より成る固体撮像素子を有する撮像装置において、リセット時において前記トランジスタに与えるバイアス電圧の値を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換えることによって、リセット直後の前記トランジスタのポテンシャル状態を変化させるものであって、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記画素の動作状態が第１状態から第２状態に切り替わる変極点となる値を高輝度側に遷移させるバイアス調整部を有することを特徴とする。尚、バイアス調整部及び積分時間調整部は、以下の実施形態において、主制御部及び垂直走査回路によって構成される。
【０００９】
このような構成において、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、撮像時のバイアス電圧値とリセット時のバイアス電圧値との電圧差を大きくする。又、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記積分時間調整部によって積分時間を長くする。更に、前記各画素における積分時間を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換える積分時間調整部を設けてもよい。
【００１０】
このような撮像装置において、前記固体撮像素子から出力される電気信号に対して画像処理を施す画像処理部を有し、該画像処理部において、前記バイアス調整部及び前記積分時間調整部による前記固体撮像素子の設定状態に応じて、前記固体撮像素子から出力される電気信号に施す画像処理方法を切り換える。
【００１１】
例えば、バイアス調整部によってリセット時にトランジスタに与えるバイアス電圧を変化させたとき、第１状態から第２状態に遷移する変極点が変化するため、画像処理部では、その変極点の遷移に応じて画像処理動作に対しても線形変換された電気信号に応じた処理を行う範囲と対数変換された電気信号に応じた処理を行う範囲とを設定する。又、積分時間調整部によって積分時間が切り換えられるとき、固体撮像素子から出力される電気信号のダイナミックレンジが変化するため、画像処理部では、Ａ／Ｄ変換するときなどにおいて、出力された電気信号のダイナミックレンジを積分時間の長さに応じて変化させる。
【００１２】
上述の撮像装置において、前記画素が、前記感光素子となるとともに、第１電極に直流電圧が印加されたフォトダイオードと、該フォトダイオードの第２電極に、第１電極及びゲート電極が接続されるとともに、ゲート電極から電気信号を出力するＭＯＳトランジスタと、を有し、前記バイアス調整部によって、前記被写体の輝度分布の輝度範囲が狭いときは、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極と第２電極との間のポテンシャルの差が大きくなるように、リセット直後の前記ＭＯＳトランジスタのポテンシャル状態が調整されるとともに、前記被写体の輝度分布の輝度範囲が広いときは、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極と第２電極との間のポテンシャルの差が小さくなるように、リセット直後の前記ＭＯＳトランジスタのポテンシャル状態が調整される。
【００１３】
このとき、ＭＯＳトランジスタをＰチャネルのＭＯＳトランジスタとすると、被写体の輝度範囲が広いとき、リセット時に前記ＭＯＳトランジスタの第２電極へ与える電圧値を低く設定し、被写体の輝度範囲が狭いとき、リセット時に前記ＭＯＳトランジスタの第２電極へ与える電圧値を高く設定する。又、ＭＯＳトランジスタをＮチャネルのＭＯＳトランジスタとすると、被写体の輝度範囲が広いとき、リセット時に前記ＭＯＳトランジスタの第２電極へ与える電圧値を高く設定し、被写体の輝度範囲が狭いとき、リセット時に前記ＭＯＳトランジスタの第２電極へ与える電圧値を低く設定する。
【００１４】
又、前記画素が、前記積分回路として前記トランジスタより出力された電気信号が一端に与えられて積分するキャパシタを備え、当該キャパシタで積分する期間の長さを切り換えることによって、前記画素の感度を変化させる。
【００１５】
又、上述の撮像装置において、撮像動作時に前記トランジスタより発生する電気信号を前記積分回路で積分することで得られる電気信号を映像信号とし、リセット時に前記トランジスタより発生する電気信号を前記積分回路で積分することで得られる電気信号をノイズ信号としたとき、前記映像信号及び前記ノイズ信号それぞれを前記出力回路に導出する際に、前記積分回路に与える参照電圧の電位を変化させるようにすることで、出力されたノイズ信号によって映像信号のノイズ除去を行ったとき、ノイズ除去された映像信号のオフセットを低減させることができる。
【００１６】
このような構成において、前記積分回路をキャパシタとしたとき、前記キャパシタで積分されて得られた電気信号が出力される出力信号線と、前記キャパシタと前記出力信号線との間の電気的な接離を行う第１スイッチとを備え、当該第１スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作に同期して前記参照電圧の電位を変化させる。
【００１７】
又、前記フォトダイオードと前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、リセット動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＦＦとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１８】
又、前記フォトダイオードと前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＮとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００１９】
又、前記フォトダイオードと前記ＭＯＳトランジスタとの電気的な接離を行う第２スイッチを備え、撮像動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＮとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を映像信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるとともに、リセット動作を行うとき、前記第２スイッチをＯＦＦとした状態で前記ＭＯＳトランジスタから出力される電気信号を前記キャパシタに蓄積させて得られた電気信号を、ノイズ信号として前記出力信号線に導出する際に、前記キャパシタに与える前記参照電圧の電位を変化させるようにしても構わない。
【００２０】
このとき、前記参照電圧を３値とするとともに、前記映像信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅を、前記ノイズ信号導出時における前記参照電圧の電位の変化幅よりも大きくすることで、映像信号とノイズ信号との差分をとることによりノイズ除去した映像信号に発生するオフセットを低減することできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。
【００２２】
１．固体撮像素子の構成
まず、本実施形態の固体撮像素子について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【００２３】
同１において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１は垂直走査回路であり、各画素に信号φＶを与える行（ライン）３−１、３−２、・・・、３−ｎを順次走査していくとともに、ライン４−１、４−２、・・・、４−ｎを介して各画素に信号φＶＤを、ライン５−１、５−２、・・・、５−ｎを介して各画素に信号φＶPSを、それぞれ与える。２は水平走査回路であり、画素から出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１０は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン３−１〜３−ｎ，４−１〜４−ｎ，５−１〜５−ｎや出力信号線６−１〜６−ｍ、電源ライン１０だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図１ではこれらについて省略する。
【００２４】
又、出力信号線６−１〜６−ｍのそれぞれには、定電流源７−１〜７−ｍが接続されるとともに、信号線６−１〜６−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路８−１〜８−ｍが設けられる。そして、補正回路９に選択回路８−１〜８−ｍから映像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路９で補正処理が行われて、ノイズ除去された映像信号が外部に出力される。尚、定電流源７−１〜７−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。
【００２５】
このような固体撮像素子において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線６−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線６−ａに接続された定電流源７−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に選択回路８−ａに送出されるとともに、この選択回路８−ａにおいて、送出された映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。
【００２６】
その後、選択回路８−ａより、サンプルホールドされた映像信号が補正回路９に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路９に送出される。補正回路９では、選択回路８−ａより与えられた映像信号を、同じく選択回路８−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した映像信号を外部に出力する。尚、選択回路８−１〜８−ｎ及び補正回路９それぞれの構成の一例として、本出願人が特開平２００１−２２３９４８号公報において提示した構成などが挙げられる。又、選択回路８−１〜８−ｎの構成位置に、補正回路を設けるようにしても構わない。
【００２７】
２．画素の構成例
図１の固体撮像素子内に設けられる画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の１例を、以下に図２を参照して説明する。図２の画素において、カソードに直流電圧ＶPDが印加されたフォトダイオードＰＤのアノードにＭＯＳトランジスタＴ１のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースにＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続される。
【００２８】
又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにＭＯＳトランジスタＴ４のゲート及びＭＯＳトランジスタＴ５のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースにＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが接続される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが出力信号線６（図１の出力信号線６−１〜６−ｍに相当する）に接続される。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。
【００２９】
ＭＯＳトランジスタＴ２のソースにはライン５（図１のライン５−１〜５−ｎに相当する）を介して信号φＶPSが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ３，Ｔ４のドレインに直流電圧ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースには、その一端にライン４（図１のライン４−１〜４−ｎに相当する）を介して信号φＶＤが与えられるキャパシタＣの他端が接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースには直流電圧ＶRGが入力され、そのゲートに信号φＲＳが入力される。更に、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ６のゲートにはそれぞれ、信号φＳ，φＶが入力される。
【００３０】
このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ６及び出力信号線６を介して、一端に直流電圧ＶPSが印加された定電流源７（図１の定電流源７−１〜７−ｍに相当する）が、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに接続される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮのとき、ＭＯＳトランジスタＴ４はソースフォロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、定電流源７によって増幅された電圧信号を出力信号線６に出力する。
【００３１】
このようにソースフォロワ回路を構成することにより、信号を大きく出力する増幅回路が構成される。従って、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路での処理が容易になる。又、増幅回路の負荷抵抗部分を構成する定電流源７−１〜７−ｍを画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線６−１〜６−ｍ毎に設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【００３２】
このような構成の画素による撮像動作及び感度バラツキ検出動作について、以下に説明する。尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、入射光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をＶＬとし、又、この電圧よりも高くＭＯＳトランジスタＴ２を導通状態にする電圧をＶＨとする。又、信号φＶＤは、３値の電圧信号であり、キャパシタＣを積分動作させる際の電圧値を最も高いＶｈとし、映像信号読み出し時の電圧値をＶｈよりも低いＶｍとし、ノイズ信号読み出し時の電圧値をＶｍよりも低いＶｌとする。
【００３３】
（１）リセット時の基本動作（ノイズ信号出力時）
まず、各画素のリセット時の動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。まず、電圧値Ｖｍのパルス信号φＶＤとパルス信号φＶが与えられて映像信号が出力されると、信号φＶＤをＶｈとした後、信号φＳをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦにして、リセット動作が始まる。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側より正の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【００３４】
しかし、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがある値まで上がると、そのリセット速度が遅くなる。特に、明るい被写体が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをＶＨにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース電圧を高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。このとき、信号φＲＳをローとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＮにして、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【００３５】
そして、信号φＶPSをＶＨにすることで、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが、更に高くなると、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをＶＬにして、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャル状態を基の状態に戻す。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２のポテンシャルの状態を基の状態にリセットすると、信号φＲＳをハイにして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦにする。
【００３６】
そして、キャパシタＣが積分動作を行って、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に応じたものとなる。そして、パルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与えてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮにするとともに信号φＶＤの電圧値をＶｌにすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３の特性のバラツキに起因する各画素の感度のバラツキを表す出力電流が出力信号線６から流れる。
【００３７】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６にはノイズ信号が電圧信号として現れる。その後、再び、パルス信号φＲＳをＭＯＳトランジスタＴ５に与えて、キャパシタＣとＭＯＳトランジスタＴ４のゲートとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φＳをローにしてＭＯＳトランジスタＴ１を導通させて撮像動作が行える状態にする。
【００３８】
（２）撮像時の基本動作（映像信号出力時）
次に、各画素の撮像時の動作を説明する。まず、信号φＳは撮像動作の間、常にローとし、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮの状態とする。このとき、信号φＲＳをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとする。又、ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに与える信号φＶPSをＶＬとするとともに、キャパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値をＶｈとして、積分動作を行うようにする。
【００３９】
このとき、フォトダイオードＰＤより入射光量に応じた光電荷がＭＯＳトランジスタＴ２に流れ込む。今、ＭＯＳトランジスタＴ２はカットオフ状態であるので、光電荷がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積される。よって、撮像する被写体の輝度が低くフォトダイオードＰＤに入射される入射光量が少ない場合は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れるため、入射光量の積分値に対して線形的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに現れる。
【００４０】
又、撮像する被写体の輝度が高くフォトダイオードＰＤに入射される入射光量が多く、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧が高くなると、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作を行うため、入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに現れる。
【００４１】
この入射光量に対して線形的に又は自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ３で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタＣから流れて、キャパシタＣが放電される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧が、入射光量の積分値に対して線形的又は自然対数的に比例した電圧となる。そして、このキャパシタＣが積分動作を行うことで現れる映像信号を読み出すために、信号φＶＤの電圧値をＶｍとするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ６にパルス信号φＶを与える。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に応じたソース電流が、ＭＯＳトランジスタＴ６を介して出力信号線６へ流れる。
【００４２】
このようにして、ＭＯＳトランジスタＴ４がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６には映像信号が電圧信号として現れる。その後、信号φＶをハイにしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦにするとともに、信号φＶＤの電圧値をＶｈとする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ４，Ｔ６を介して出力される映像信号は、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲート電圧に比例した値となるため、フォトダイオードＰＤへの入射光量の積分値が線形的に又は自然対数的に変換された信号となる。
【００４３】
このとき、撮像時に対数変換動作に変わるときのＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に至るまでにＭＯＳトランジスタＴ２に流れ込む光電荷量が、全ての画素において等しくなる。このように、各画素における変換動作が対数変換動作に切り替わるときのフォトダイオードＰＤより発生する光電荷量が等しいので、各画素における変換動作が対数変換動作に切り替わるときのフォトダイオードＰＤに入射される入射光量も等しい。即ち、全ての画素において、その変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切り替わるときの被写体の輝度が等しいものとなり、ＭＯＳトランジスタＴ２の閾値電圧の差異による各画素の変換動作の切換への影響を低減することができる。
【００４４】
又、上述のように、ノイズ信号を読み出す際のキャパシタＣに与える電圧値をＶｌとし、映像信号を積分する際の電圧値Ｖｍよりも低くすることによって、オフセット値を（Ｖｌ−Ｖｍ）に比例した電圧値分低くすることができ、従来に比べて、オフセット値の占める割合を低くすることができる。
【００４５】
（３）撮影条件の切換
上述のようにリセット動作及び撮影動作が行われるとき、リセット時の信号φＶPSの電圧値ＶＨが高くなり、撮像時の信号φＶPSの電圧値ＶＬとの差を大きくするほど、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート・ソース間のポテンシャルの差が大きくなり、ＭＯＳトランジスタＴ２がカットオフ状態で動作する被写体輝度の割合が大きくなる。よって、図４のように、電圧値ＶＨが高いほど、線形変換する被写体輝度の割合が大きくなる。即ち、被写体の輝度範囲が狭いと電圧値ＶＨを高くし、又、被写体の輝度範囲が広いと電圧値ＶＨを低くする。
【００４６】
このように、リセット時の信号φＶPSの電圧値ＶＨを変化させることによって、線形変換動作と対数変換動作の切換を行う変極点を変化させるとき、図３及び図５のように、各信号の動作時間の長さを変化させることによって、フォトダイオードＰＤ及びキャパシタＣでの積分時間の長さを変化させ、各画素の感度を変化させることができる。即ち、被写体の輝度範囲が狭いと、図５のように各信号の動作時間を長くし、又、被写体の輝度範囲が広いと、図３のように各信号の動作時間を短くする。よって、図５の場合、図３に比べて、積分時間を２倍とするので、各画素におけるフレームレートが１／２倍となる。
【００４７】
即ち、被写体全体の輝度値が低く、その輝度範囲が狭くなる場合は、コントラストを良好に撮影するために、電圧値ＶＨを最も高くして図４の点線のように線形変換させる範囲を広くするとともに、図５のように各信号の動作時間を長くして感度を高くする。又、その輝度値がやや高くなった場合、図３のように各信号の動作時間を短くする。更に、その輝度範囲が広くなった場合、電圧値ＶＨを中間の値として図４の１点鎖線のように線形変換させる範囲をやや狭くする。又、被写体全体の輝度値が高く、又、その輝度範囲が広くなる場合は、電圧値ＶＨを最も低くして図４の実線のように線形変換させる範囲を更に狭くするとともに、図３のように各信号の動作時間を短くする。即ち、本実施形態において、リセット時の信号φＶPSの電圧値ＶＨを３段階に変化させるとともに、各信号の動作時間を２段階に変化させる場合、被写体全体の輝度値及びその輝度範囲に応じて、６段階に変化させることができる。
【００４８】
３．撮像装置の構成
上述のように、各画素が動作する固体撮像素子を備えた撮像装置について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態における撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
【００４９】
図６の撮像装置は、図１のような構成の固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００内の補正回路９から出力されるノイズ除去された映像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１０１と、Ａ／Ｄ変換部１０１で変換された映像信号に対して画像処理を施す画像処理部１０２と、固体撮像素子１００内の各画素に与える信号φＶPSの電圧ＶＨの値と各信号の動作時間とを設定して固体撮像素子１００を制御する主制御部１０３とを備える。そして、Ａ／Ｄ変換部１０１と画像処理部１０２のそれぞれには、固体撮像素子１００から各画素に与える信号φＶPSの電圧ＶＨの値と各信号の動作時間とが画素制御情報として与えられる。
【００５０】
このようにして、Ａ／Ｄ変換部１０１及び画像処理部１０２に、固体撮像素子１００より画素制御情報が与えられると、まず、Ａ／Ｄ変換部１０１では、固体撮像素子１００より出力される映像信号のダイナミックレンジの上限と下限が設定される。即ち、各画素に与えられる各信号の動作時間が長く設定されるとき、そのダイナミックレンジを広くするとともに、ダイナミックレンジの下限を高くする。このとき、Ａ／Ｄ変換部１０１から出力される映像信号の変極点となる値が、各信号の動作時間の長さに関わらず等しい値となるように設定されるようにされるものとする。
【００５１】
又、画像処理部１０２では、信号φＶPSの電圧ＶＨの値より、Ａ／Ｄ変換部１０１より出力される映像信号の変極点となる値を認識し、この変極点となる値よりも低い映像信号については線形変換された映像信号として画像処理を施すとともに、変極点となる値よりも高い映像信号については対数変換された映像信号として画像処理を施す。
【００５２】
尚、本実施形態において、Ａ／Ｄ変換部１０１において、映像信号の変極点を各信号の動作時間の長さに関わらず等しい値となるように設定するものとしたが、このように設定されないものとしても構わない。このとき、画像処理部１０２において、各信号の動作時間も認識され、それぞれの場合における変極点となる値が確認され、与えられる映像信号の値と変極点となる値とを比較して、線形変換された映像信号に対する画像処理と対数変換された映像信号に対する画像処理とを切り換えるようにする。
【００５３】
又、本実施形態において、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタを用いて各画素が構成されるようにしたが、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いて構成されるようにしても構わない。このとき、各素子の極性が逆になるため、固体撮像装置に設けられる定電流源７−１〜７−ｍについても、図７のように、図１と逆の極性となる。このように各ブロック内の素子が極性が逆となること以外、ラインや各ブロックの関係については、図１の固体撮像装置と同様となる。
【００５４】
又、このときの各画素を構成するＭＯＳトランジスタはＮチャネルとなり、図８のように表される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６及びキャパシタＣの接続関係及び各素子の役割が、図２と同一であるとともに、各素子が、図８の場合と逆の極性に応じた動作を行う。即ち、信号φＶＤの電圧値を、映像信号及びノイズ信号の積分時において最も低いＶａとし、映像信号読み出し時において中間値となるＶｂとし、ノイズ信号読み出し時において最も高いＶｃとする。
【００５５】
このように、各画素を構成するＭＯＳトランジスタをＮチャネルとしたときに各画素に与えられる信号φＶPS，φＶＤ，φＳ，φＲＳ，φＶを変化させるタイミングが、図９のように表される。即ち、信号φＶPS,φＳ，φＲＳ，φＶにおけるハイ、ローの関係が、図３と逆とすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ５，Ｔ６の動作タイミングを同一のタイミングとすることができる。
【００５６】
又、図３における信号φＶＤの電圧値Ｖｈ，Ｖｍ，Ｖｌそれぞれを与えるタイミングと、図９における信号φＶＤの電圧値Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃそれぞれ与えるタイミングとを同一とすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６を逆極性としたときのキャパシタＣの動作状態を、各タイミングにおいて本実施形態の場合と同様の状態にすることができる。更に、リセット時の信号φＶPSの値ＶＬを低くすることによって、変極点の値を低くし、線形変換動作を行う範囲を広くすることができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によると、被写体の輝度によって、固体撮像素子内に設けられた各画素内のトランジスタのポテンシャル状態と積分時間とを調整することができるので、被写体の撮影条件の選択の自由度が大きく拡大される。よって、コントラストや階調性の良好な画像を撮影できる撮影条件を選択することができる。特に、積分時間を長くするとともに第１状態から第２状態へ切り替わる変極点となる値を高輝度側とすることで、暗部での感度を高くすることができるとともに、そのコントラストを良好なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。
【図２】図１の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図３】図２の画素の動作を示すタイミングチャート。
【図４】被写体の輝度と固体撮像素子の出力との関係を示すグラフ。
【図５】図２の画素のフレームレートを変化させたときの動作を示すタイミングチャート。
【図６】図１の固体撮像素子を備えた撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図７】固体撮像装置の構成を示すブロック回路図。
【図８】図７の固体撮像装置内の画素の構成を示す回路図。
【図９】図８の画素の動作を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１ 垂直走査回路
２ 水平走査回路
３−１〜３−ｎ ライン
４−１〜４−ｎ ライン
５−１〜５−ｎ ライン
６−１〜６−ｍ 出力信号線
７−１〜７−ｍ 定電流源
８−１〜８−ｍ 選択回路
９ 補正回路
１０ 電源ライン
Ｇ11〜Ｇmn 画素
ＰＤ フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ６ ＭＯＳトランジスタ
Ｃ キャパシタ
Claims (6)
- 入射光量に応じた電気信号を出力する感光素子と該感光素子からの電気信号が与えられるトランジスタと該トランジスタからの電気信号を積分する積分回路とを有するとともに、被写体が比較的低輝度側において入射光量に応じた電気信号を線形変換して出力する第１状態と被写体が比較的高輝度側において入射光量に応じた電気信号を対数変換して出力する第２状態との間で自動的に切換可能な複数の画素より成る固体撮像素子を有する撮像装置において、
リセット時において前記トランジスタに与えるバイアス電圧の値を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換えることによって、リセット直後の前記トランジスタのポテンシャル状態を変化させるものであって、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記画素の動作状態が第１状態から第２状態に切り替わる変極点となる値を高輝度側に遷移させるバイアス調整部を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記バイアス調整部は、前記被写体の輝度範囲が狭くなると、撮像時のバイアス電圧値とリセット時のバイアス電圧値との電圧差を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記各画素における積分時間を前記固体撮像素子によって撮像される被写体の輝度分布の状態に応じて複数段階に切り換える積分時間調整部を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記被写体の輝度範囲が狭くなると、前記積分時間調整部によって積分時間を長くすることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
- 前記固体撮像素子から出力される電気信号に対して画像処理を施す画像処理部を有し、
該画像処理部において、前記バイアス調整部による前記固体撮像素子の設定状態に応じて、前記固体撮像素子から出力される電気信号に施す画像処理方法を切り換えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記固体撮像素子から出力される電気信号に対して画像処理を施す画像処理部を有し、該画像処理部において、前記バイアス調整部及び前記積分時間調整部による前記固体撮像素子の設定状態に応じて、前記固体撮像素子から出力される電気信号に施す画像処理方法を切り換えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の撮像装置。
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