本發(fā)明涉及攝像裝置。

背景技術：

近年來，提出了在ccd(chargecoupleddevice：電荷耦合器件)圖像傳感器及cmos(complementarymos：互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器等攝像裝置中實現(xiàn)較寬動態(tài)范圍的技術。例如，下述的專利文獻1公開了使用尺寸彼此不同的高靈敏度單元和低靈敏度單元的固體攝像裝置。下述的專利文獻2公開了以曝光期間彼此不同的方式進行兩次的電子快門動作，由此從各像素得到靈敏度不同的兩個信號的方法。在專利文獻2所記載的技術中，通過對每個像素選擇兩個信號中的任意一個信號，形成擴大了動態(tài)范圍的圖像。

【現(xiàn)有技術文獻】

【專利文獻】

【專利文獻1】日本特開2000－125209號公報

【專利文獻2】日本特開2011－040926號公報

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的問題

但是，在專利文獻1所記載的技術中，需要在攝像區(qū)域形成兩種攝像單元。另一方面，根據(jù)專利文獻2所記載的技術，雖然能夠使各攝像單元的構(gòu)造相同，但是需要分開設計用于取得高靈敏度的信號的曝光期間和用于取得低靈敏度的信號的曝光期間。因此，在高靈敏度和低靈敏度的兩個信號之間不能使曝光開始的定時及曝光期間的長度一致，因此有可能產(chǎn)生畫質(zhì)劣化。另外，需要對應兩個信號進行兩次的復位動作。

用于解決問題的手段

根據(jù)本發(fā)明的非限定性的某個示例性的實施方式提供以下技術。

一種攝像裝置，具有包括第1光電變換部、和檢測在所述第1光電變換部產(chǎn)生的電信號的第1信號檢測電路的第1攝像單元，所述第1信號檢測電路包括：第1晶體管，其源極及漏極中一方與所述第1光電變換部電連接；第1電容元件，其一端與所述第1晶體管的所述源極及所述漏極中另一方電連接，另一端被施加基準電位；以及第2晶體管，其柵極與所述第1光電變換部電連接，所述第1攝像單元在1幀期間內(nèi)依次輸出所述第1晶體管截止的狀態(tài)的信號即第1圖像信號和所述第1晶體管導通的狀態(tài)的信號即第2圖像信號。

概括性的或具體的方式也可由元件、器件、模塊、系統(tǒng)、集成電路、方法或者計算機程序?qū)崿F(xiàn)。另外，概括性的或具體的方式也可通過元件、器件、模塊、系統(tǒng)、集成電路、方法及計算機程序的任意組合來實現(xiàn)。

所公開的實施方式的追加性效果及優(yōu)點根據(jù)說明書及附圖得到明確。效果及/或優(yōu)點由在說明書及附圖中公開的各個實施方式或者特征單獨實現(xiàn)，為了得到這些效果及/或優(yōu)點中一個以上的效果及/或優(yōu)點，不一定需要上述全部要素。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供結(jié)構(gòu)更簡潔且能夠進行較寬動態(tài)范圍的攝影的攝像裝置。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的攝像裝置的示例性結(jié)構(gòu)的塊圖。

圖2是表示攝像單元10a的示例性電路結(jié)構(gòu)的電路示意圖。

圖3是用于說明第1實施方式的信號讀出動作的典型例的時序圖。

圖4是表示第1實施方式的攝像裝置的變形例的電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖5是表示本發(fā)明的第2實施方式的攝像裝置的示例性結(jié)構(gòu)的塊圖。

圖6是表示圖5所示的攝像單元10c的示例性電路結(jié)構(gòu)的電路示意圖。

圖7是表示靈敏度切換寄存器90的電路結(jié)構(gòu)的典型例的圖。

圖8是用于說明與基于曝光的電荷蓄積節(jié)點fd的電壓變化對應的攝像單元10c的靈敏度的切換的圖。

圖9是用于說明與基于曝光的電荷蓄積節(jié)點fd的電壓變化對應的攝像單元10c的靈敏度的切換的圖。

圖10是用于說明第2實施方式的信號讀出動作的典型例的時序圖。

圖11是表示對第0行第0列的攝像單元10c具有的靈敏度切換晶體管36的柵極施加的電壓bs00的變化、及對第0行第1列的攝像單元10c具有的靈敏度切換晶體管36的柵極施加的電壓bs01的變化的一例的時序圖。

圖12是表示第2實施方式的攝像裝置的變形例的電路示意圖。

圖13是表示攝像單元的變形例的電路示意圖。

圖14是表示攝像單元的另一變形例的電路示意圖。

圖15是表示攝像單元的又另一變形例的電路示意圖。

圖16是表示具有本發(fā)明的實施方式的攝像裝置的攝像機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例的塊圖。

標號說明

10p、10pc單元對；10a～10e攝像單元；11、12b光電變換部；21第1電容元件；22第2電容元件；23b第3電容元件；24復位晶體管；26、26b信號檢測晶體管；28、28b地址晶體管；32j、32bj反轉(zhuǎn)放大器；34、34b反饋晶體管；36～38靈敏度切換晶體管；80行掃描電路；82、82b列電路；84信號處理電路；90靈敏度切換寄存器；100、100a～100d攝像裝置；200攝像機系統(tǒng)；ai、abi第i行的地址控制線；bj第j列的靈敏度切換線；cmpj第j列的比較器；fc、fcb反饋電路；fd、fdb電荷蓄積節(jié)點；fi、fbi第i行的反饋控制線；rgj第j列的寄存器；ri第i行的復位控制線；sc、scb～sce信號檢測電路；sj、sbj輸出信號線。

具體實施方式

本發(fā)明的一個方式的概要如下所述。

[項目1]

一種攝像裝置，具有包括第1光電變換部、和檢測在所述第1光電變換部產(chǎn)生的電信號的第1信號檢測電路的第1攝像單元，

所述第1信號檢測電路包括：第1晶體管，其源極及漏極中一方與所述第1光電變換部電連接；第1電容元件，其一端與所述第1晶體管的所述源極及所述漏極中另一方電連接，另一端被施加基準電位；以及第2晶體管，其柵極與所述第1光電變換部電連接，

所述第1攝像單元在1幀期間內(nèi)依次輸出所述第1晶體管截止的狀態(tài)的信號即第1圖像信號和所述第1晶體管導通的狀態(tài)的信號即第2圖像信號。

根據(jù)項目1的結(jié)構(gòu)，在1幀期間中對各攝像單元的曝光是1次，能夠從各攝像單元單獨取得第1圖像信號和第2圖像信號。在各攝像單元中取得第1圖像信號用的曝光期間和取得第2圖像信號用的曝光期間相同，因而能夠進行抑制了畫質(zhì)劣化的產(chǎn)生的較寬動態(tài)范圍圖像的形成。

[項目2]

一種攝像裝置，具有分別包括第1光電變換部、和檢測在第1光電變換部產(chǎn)生的電信號的第1信號檢測電路的多個第1攝像單元，

第1信號檢測電路包括：第1晶體管，其源極及漏極中一方與第1光電變換部電連接；第1電容元件，其一端與所述第1晶體管的所述源極及所述漏極中另一方電連接，另一端被施加基準電位；以及第2晶體管，其柵極與第1光電變換部電連接，

在1幀期間內(nèi)，多個第1攝像單元中的一部分第1攝像單元輸出第1晶體管截止的狀態(tài)的信號即第1圖像信號，在從一部分第1攝像單元輸出第1圖像信號時，一部分第1攝像單元以外的一個以上的第1攝像單元輸出第1晶體管導通的狀態(tài)的信號即第2圖像信號。

根據(jù)項目2的結(jié)構(gòu)，在1幀期間中，從各攝像單元選擇性地讀出第1圖像信號及第2圖像信號任意一方，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更高速的動作。并且，能夠在取得第1圖像信號用的曝光期間和取得第2圖像信號用的曝光期間之間使其長度一致。

[項目3]

根據(jù)項目1所述的攝像裝置，所述攝像裝置還具有包括第2光電變換部、和檢測在所述第2光電變換部產(chǎn)生的電信號的第2信號檢測電路的第2攝像單元，

所述第2信號檢測電路包括：第3電容元件，其一端與所述第2光電變換部電連接，另一端被施加所述基準電位；以及第3晶體管，其柵極與所述第2光電變換部電連接。

[項目4]

根據(jù)項目1～3中任意一項所述的攝像裝置，第1信號檢測電路包括第2電容元件，其一端與所述第1光電變換部電連接，另一端與所述第1晶體管的所述源極及所述漏極中的所述另一方電連接，

第2電容元件的電容值小于第1電容元件的電容值。

根據(jù)項目4的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的噪聲消除。

[項目5]

根據(jù)項目1～4中任意一項所述的攝像裝置，所述攝像裝置還具有第1反饋電路，所述第1反饋電路形成使在第1光電變換部產(chǎn)生的電信號負反饋的反饋路徑。

根據(jù)項目5的結(jié)構(gòu)，能夠降低ktc噪聲。

[項目6]

根據(jù)項目5所述的攝像裝置，第1晶體管的源極及漏極中一方具有與第1光電變換部的連接，

第1反饋電路將在第1光電變換部產(chǎn)生的電信號負反饋給第1晶體管的源極及漏極中另一方。

根據(jù)項目6的結(jié)構(gòu)，與項目4的結(jié)構(gòu)一樣，能夠得到降低ktc噪聲的效果。

[項目7]

根據(jù)項目5或6所述的攝像裝置，所述攝像裝置還具有：

第2攝像單元，包括第2光電變換部、和檢測在第2光電變換部產(chǎn)生的電信號的第2信號檢測電路；以及

第2反饋電路，形成使在第2光電變換部產(chǎn)生的電信號負反饋的反饋路徑，

第2信號檢測電路包括：第3電容元件，其一端與第2光電變換部電連接，另一端被施加基準電位；以及第3晶體管，其柵極與第2光電變換部連接。

根據(jù)項目7的結(jié)構(gòu)，可以提供能夠?qū)鼜V的動態(tài)范圍的攝像裝置。

[項目8]

根據(jù)項目7所述的攝像裝置，第2信號檢測電路在第2光電變換部和所述第3電容元件的所述一端之間不包含晶體管。

[項目9]

一種攝像裝置，具有包括第1光電變換部、和檢測在所述第1光電變換部產(chǎn)生的電信號的第1信號檢測電路的第1攝像單元，

所述第1信號檢測電路包括：第1晶體管，其源極及漏極中一方與所述第1光電變換部電連接；第1電容元件，其一端與所述第1晶體管的所述源極及所述漏極中另一方電連接，另一端被施加基準電位；以及第2晶體管，其柵極與所述第1光電變換部電連接，

在1幀期間內(nèi)，所述第1攝像單元根據(jù)在所述第1光電變換部產(chǎn)生的電信號的大小，選擇性地輸出所述第1晶體管截止的狀態(tài)的信號即第1圖像信號和所述第1晶體管導通的狀態(tài)的信號即第2圖像信號中任意一方。

[項目10]

根據(jù)項目9所述的攝像裝置，所述攝像裝置還具有與所述第1信號檢測電路電連接的靈敏度切換電路，

所述第1信號檢測電路還具有柵極與所述靈敏度切換電路連接、并與所述第1晶體管串聯(lián)連接的第3晶體管，

所述靈敏度切換電路根據(jù)在所述第1晶體管截止的狀態(tài)下檢測出的信號的大小，使所述第3晶體管導通或者截止。

[項目11]

根據(jù)項目10所述的攝像裝置，所述靈敏度切換電路包括比較器，用于比較在所述第1晶體管截止的狀態(tài)下檢測出的信號的大小和基準信號的大小。

下面，參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式。另外，下面說明的實施方式均用于示出概括性的或具體的示例。在下面的實施方式中示出的數(shù)值、形狀、材料、構(gòu)成要素、構(gòu)成要素的配置及連接方式、步驟、步驟的順序等僅是一例，其主旨不是限定本發(fā)明。在本說明書中說明的各種方式能夠在不產(chǎn)生矛盾的情況下相互組合。并且，關于下面的實施方式的構(gòu)成要素中、沒有在表示最上位概念的獨立權(quán)利要求中記載的構(gòu)成要素，作為任意的構(gòu)成要素進行說明。在下面的說明中，對實質(zhì)上具有相同功能的構(gòu)成要素采用相同的參照標號示出，有時省略說明。

(第1實施方式)

圖1表示本發(fā)明的第1實施方式的攝像裝置的示例性結(jié)構(gòu)。圖1所示的攝像裝置100a具有包括多個攝像單元10a的像素陣列pa和周邊電路。攝像單元10a例如在半導體基板上呈二維狀排列，由此形成攝像區(qū)域。在該例中，攝像單元10a配置成m行n列的矩陣狀。

在圖示的例子中，各攝像單元10a的中心位于正方形網(wǎng)格的網(wǎng)格點上。當然，攝像單元10a的配置不限于圖示的例子，例如也可以將多個攝像單元10a配置成使各自的中心位于三角形網(wǎng)格、六邊形網(wǎng)格等的網(wǎng)格點上。多個攝像單元10a也可以呈一維狀排列。即，攝像單元10a的配置可能是m行1列或者1行n列。在這種情況下，能夠?qū)z像裝置100a用作線傳感器(linesensor)。

在圖1示例的結(jié)構(gòu)中，周邊電路包括行掃描電路80、列電路82、信號處理電路84、輸出電路86及控制電路88。周邊電路既可以配置在形成有像素陣列pa的半導體基板上，也可以是其一部分配置在另一基板上。

行掃描電路80具有與復位控制線ri和反饋控制線fi的連接。復位控制線ri及反饋控制線fi對應像素陣列pa的各行而設置。即，多個攝像單元10a中屬于第i行的一個以上的攝像單元10a與復位控制線ri及反饋控制線fi連接。其中，i＝0～m-1，m為1以上的整數(shù)。

行掃描電路80具有與圖1中未圖示的地址控制線的連接。地址控制線與復位控制線ri及反饋控制線fi一樣也對應像素陣列pa的各行而設置，與屬于第i行的一個以上的攝像單元10a連接。行掃描電路80通過對地址控制線施加規(guī)定的電壓，按照行單位選擇攝像單元10a，進行信號電壓的讀出及后述的復位動作。行掃描電路80也被稱為垂直掃描電路。

列電路82具有與對應像素陣列pa的各行而設置的輸出信號線sj的連接。其中，j＝0～n-1，n為1以上的整數(shù)。多個攝像單元10a中屬于第j列的一個以上的攝像單元10a與輸出信號線sj連接，來自由行掃描電路80按照行單位選擇的攝像單元10a的輸出信號，通過輸出信號線sj被讀出到列電路82中。列電路82對從攝像單元10a讀出的輸出信號進行以相關雙重采樣為代表的雜音抑制信號處理、模擬-數(shù)字變換(ad變換)等。

信號處理電路84對從攝像單元10a取得的圖像信號實施各種處理。在本說明書中，“圖像信號”是指通過輸出信號線sj讀出的信號中被用于圖像的形成的輸出信號。詳細情況將在后面進行說明，在第1實施方式中，執(zhí)行來自被設為高靈敏度狀態(tài)的攝像單元10a的圖像信號(以下有時稱為“高靈敏度信號”)的讀出、和來自被設為低靈敏度狀態(tài)的攝像單元10a的圖像信號(以下有時稱為“低靈敏度信號”)的讀出。信號處理電路84根據(jù)這些高靈敏度信號及低靈敏度信號形成較寬動態(tài)范圍圖像。信號處理電路84的輸出通過輸出電路86被讀出到攝像裝置100a的外部。

控制電路88接收從攝像裝置100a的例如外部提供的指令數(shù)據(jù)、時鐘等，控制攝像裝置100a整體?？刂齐娐?8典型地講具有定時產(chǎn)生器，對行掃描電路80、列電路82等提供驅(qū)動信號。

圖2表示攝像單元10a的示例性電路結(jié)構(gòu)。圖2將屬于像素陣列pa的第i行的、第j列的攝像單元10a取出進行圖示。如圖2所示，攝像單元10a具有光電變換部11、和檢測在光電變換部11產(chǎn)生的電信號的信號檢測電路sc。

信號檢測電路sc具有第1電容元件21、復位晶體管24及信號檢測晶體管26。在該例中，信號檢測電路sc包括地址晶體管28。典型地講，復位晶體管24、信號檢測晶體管26及地址晶體管28是形成于半導體基板的電場效應晶體管(fet)。以下只要沒有特別說明，就以晶體管采用n溝道m(xù)os為例進行說明。另外，半導體基板不限于其整體是半導體的基板，也可以是在形成有攝像區(qū)域的一側(cè)的表面設有半導體層的絕緣基板等。

光電變換部11接受光的入射，生成與照度對應的信號。在此，關于光電變換部11示例光電變換層11y被夾在像素電極11x和對置電極11z之間的構(gòu)造。在這種情況下，典型地講在形成有上述的復位晶體管24等的半導體基板上設有層間絕緣層，光電變換部11配置在該層間絕緣層上。即，攝像裝置100a可以是在半導體基板的上部具有光電變換層的所謂層壓型的攝像裝置。下面，說明攝像裝置100a是層壓型的攝像裝置的示例。當然，光電變換部11也可以是形成于半導體基板的光電二極管等。在這種情況下，也可以在光電變換部11和后述的電荷蓄積節(jié)點fd之間設置傳輸晶體管。在光電變換部11產(chǎn)生的電荷通過傳輸晶體管傳輸給電荷蓄積節(jié)點fd后，能夠適用在以下的各實施方式中說明的動作。

在光電變換部11中，像素電極11x配置在覆蓋上述的復位晶體管24等的層間絕緣層上。對每個攝像單元10a設有像素電極11x。典型地講，各個攝像單元10a的像素電極11x在空間上與相鄰的其它攝像單元10a的像素電極11x之間分開，由此與其它攝像單元10a的像素電極11x電分離。像素電極11x由鋁、銅等金屬、金屬氮化物、或者通過摻雜不純物被賦予了導電性的多晶硅等形成。

光電變換層11y由有機材料或者非晶硅等無機材料形成，通過光電變換而生成正及負的電荷(空穴-電子對)。典型地講，光電變換層11y遍及多個攝像單元10a而形成。光電變換層11y也可以包括由有機材料構(gòu)成的層和由無機材料構(gòu)成的層。

隔著光電變換層11y與像素電極11x對置的對置電極11z是由ito等透明的導電性材料形成的電極，配置在光電變換層11y的兩個主面中光入射的一側(cè)。典型地講，對置電極11z與光電變換層11y一樣遍及多個攝像單元10a而形成。

在攝像裝置100a進行動作時，對對置電極11z施加規(guī)定的電壓vp。通過遍及多個攝像單元10a形成對置電極11z，能夠?qū)Χ鄠€攝像單元10a統(tǒng)一施加電壓vp。關于電壓vp，也可以對由幾個攝像單元10a構(gòu)成的每個像素塊提供不同的電壓。通過對每個像素塊提供不同的電壓，能夠使每個像素塊的靈敏度不同。電壓vp既可以由行掃描電路80(參照圖1)供給，也可以由其它電源電路供給。

通過對對置電極11z施加電壓vp，能夠由像素電極11x收集在光電變換層11y生成的空穴及電子中一方。在使用空穴作為信號電荷的情況下，使對置電極11z的電位高于像素電極11x即可。在使用空穴作為信號電荷的情況下，例如對對置電極11z施加約10v的電壓作為電壓vp。下面，關于信號電荷示例空穴。信號電荷也可以使用電子。

光電變換部11和信號檢測電路sc通過設于層間絕緣層內(nèi)的配線層電連接。如圖2所示，在此是像素電極11x和信號檢測晶體管26的柵極相連接。由像素電極11x收集的信號電荷被蓄積在像素電極11x和信號檢測晶體管26的柵極之間的節(jié)點即電荷蓄積節(jié)點(也稱為“懸浮擴散節(jié)點”)fd。因此，對信號檢測晶體管26的柵極施加與在電荷蓄積節(jié)點fd蓄積的信號電荷的量對應的電壓。

信號檢測晶體管26的源極通過地址晶體管28與輸出信號線sj連接。輸出信號線sj具有與由上述的列電路82(參照圖1)等構(gòu)成的恒流源ccj的連接。信號檢測晶體管26的漏極具有與電源配線(源極追隨電源)的連接。由信號檢測晶體管26和與輸出信號線sj連接的恒流源ccj形成源極追隨電路。在攝像裝置100a進行動作時，信號檢測晶體管26的漏極接受電源電壓vdd(例如約3.3v)的供給，由此將施加給柵極的電壓放大。換言之，信號檢測晶體管26將通過光電變換部11生成的信號放大。

由信號檢測晶體管26放大的電壓通過地址晶體管28作為信號電壓被選擇性地讀出。如圖所示，地址晶體管28的柵極與在像素陣列pa的每行設置的地址控制線ai連接。地址控制線ai典型地講與行掃描電路80(參照圖1)連接，行掃描電路80通過控制施加給地址控制線ai的電壓ad，能夠控制地址晶體管28的導通及截止。

如上所述，信號檢測電路sc具有第1電容元件21和復位晶體管24。復位晶體管24的源極及漏極中一方(典型地講是漏極)與電荷蓄積節(jié)點fd連接，源極及漏極中另一方與第1電容元件21的一個電極連接。下面，為了便于說明，有時將復位晶體管24和第1電容元件21之間的節(jié)點稱為“復位漏極節(jié)點rd”。

在攝像裝置100a進行動作時，對第1電容元件21的另一個電極施加基準電位vr(例如0v)?；鶞孰娢籿r既可以通過行掃描電路80(參照圖1)來施加，也可以通過其它電源電路來施加。

第1電容元件21具有比較大的電容值c1。第1電容元件21既可以具有mis(metal-insulator-semiconductor)構(gòu)造，也可以具有mim(metal-insulator-metal)構(gòu)造。通過采用mim構(gòu)造，容易得到更大的電容值。另外，在本說明書中，電容元件(capacitor)是指絕緣膜等電介質(zhì)夾在電極之間的構(gòu)造。本說明書中的“電極”不限于由金屬形成的電極，可以更廣地解釋為包含多晶硅層等。本說明書中的“電極”可以是半導體基板的一部分。

在圖2示例的結(jié)構(gòu)中，信號檢測電路sc還包括與復位晶體管24并聯(lián)連接的第2電容元件22。另外，從將曝光的次數(shù)設為一次并單獨取得低靈敏度信號和高靈敏度信號的角度考慮，第2電容元件22不是必須的。但是，通過與復位晶體管24并聯(lián)地連接第2電容元件22，能夠提高后述的噪聲消除效果，因而從降低噪聲的角度考慮，信號檢測電路sc具有第2電容元件22時比較有利。

第2電容元件22的電容值c2小于第1電容元件21的電容值c1。電容值c2典型地講與電容值c1相比足夠小。第2電容元件22的電容值c2與第1電容元件21的電容值c1之比(c2/c1)例如約為1/10。第2電容元件22的構(gòu)造可以是mis構(gòu)造及mim構(gòu)造中任意一種構(gòu)造。第1電容元件21的構(gòu)造和第2電容元件22的構(gòu)造不需要一致。

復位晶體管24的柵極與行掃描電路80所連接的復位控制線ri連接。因此，行掃描電路80能夠根據(jù)對施加給復位控制線ri的電壓rst的控制，切換具有與復位控制線ri的連接的攝像單元10a的復位晶體管24的導通及截止。通過使復位晶體管24截止，在攝像單元10a中，能夠在電荷蓄積節(jié)點fd和基準電位vr之間形成將第1電容元件21和第2電容元件22串聯(lián)連接構(gòu)成的電容電路。如后面所述，在第1實施方式中，在1幀期間中執(zhí)行復位晶體管24截止的狀態(tài)的信號的讀出及復位晶體管24導通的狀態(tài)的信號的讀出。由此，能夠依次取得高靈敏度信號和低靈敏度信號。另外，在本說明書中“依次”意味著不是同時。

在該例中，攝像裝置100a具有反饋電路fc。反饋電路fc包括與輸出信號線sj對應地在像素陣列pa的每列設置的反轉(zhuǎn)放大器32j。反轉(zhuǎn)放大器32j可以是上述的周邊電路的一部分。

如圖所示，反轉(zhuǎn)放大器32j的反轉(zhuǎn)輸入端子與輸出信號線sj連接，輸出信號線sj具有與屬于第j列的一個以上的攝像單元10a的連接。另一方面，非反轉(zhuǎn)輸入端子在攝像裝置100a進行動作時接受規(guī)定的電壓(例如1v或者1v附近的正電壓)vref的供給。該電壓vref被用作復位時的基準電壓。反轉(zhuǎn)放大器32j的輸出端子與反饋線lj連接。

在圖示的例子中，攝像單元10a具有源極及漏極中一方與復位漏極節(jié)點rd連接的反饋晶體管34。反饋線lj與反饋晶體管34的源極及漏極中另一方連接。如圖所示，反饋晶體管34的柵極具有與行掃描電路80所連接的反饋控制線fi的連接。因此，行掃描電路80能夠根據(jù)對施加給反饋控制線fi的電壓fb的控制，切換反饋晶體管34的導通及截止。施加給反饋控制線fi的電壓fb不限于高電平及低電平的電壓，也可以包含傾斜電壓(rampvoltage)?！皟A斜電壓”包括具有隨著時間經(jīng)過而大致增加或者大致減小的波形的電壓?！皟A斜電壓”不限于呈直線狀增加或者減小的電壓，也可以是具有階梯狀的波形的電壓、具有伴隨著振動而增加或者減小的波形的電壓等。

通過將反饋晶體管34和地址晶體管28導通，能夠形成使在光電變換部11產(chǎn)生的電信號負反饋的反饋路徑。即，反饋電路fc可以說是將在光電變換部11產(chǎn)生的電信號負反饋給復位晶體管24的源極及漏極中未與電荷蓄積節(jié)點fd連接的一側(cè)的電路。由反饋晶體管34和反轉(zhuǎn)放大器32j構(gòu)成反饋電路fc的反饋路徑的一部分。也可以將反轉(zhuǎn)放大器32j稱為反饋放大器。

通過形成反饋路徑，能夠執(zhí)行后述的噪聲消除。在該例中，使信號檢測電路sc的輸出負反饋的反饋電路fc包括頻帶控制電路40作為其一部分，頻帶控制電路40具有反饋晶體管34、第1電容元件21及第2電容元件22。在進行噪聲消除時，第1電容元件21及反饋晶體管34作為rc濾波電路發(fā)揮作用。另外，反饋路徑的形成是對具有與輸出信號線sj的連接的一個以上的攝像單元10a中的一個攝像單元10a依次執(zhí)行的。換言之，噪聲消除是以行單位來執(zhí)行的。

(第1實施方式的信號讀出動作)

圖3是用于說明第1實施方式的信號讀出動作的典型例的時序圖。在圖3中，rstps表示指定像素陣列pa的各行的復位的開始的定時的電壓脈沖。adi、rsti及fbi分別表示對第i行的地址控制線ai、復位控制線ri及反饋控制線fi施加的電壓的變化。下面說明的動作是適用按照行單位進行曝光及信號的讀出的所謂滾動快門的例子。在圖3中，陰影線的矩形hr、lr及rr分別表示高靈敏度信號、低靈敏度信號及復位信號的讀出的期間。雙箭頭nrc表示信號取得后的復位及噪聲消除用的期間。關于復位及噪聲消除的詳細情況在后面進行說明。

在此關注第0行。在進行曝光及信號的讀出之前，首先通過后述的復位動作將電荷蓄積節(jié)點fd的電荷復位。此時，通過執(zhí)行后述的噪聲消除，降低在復位時產(chǎn)生的ktc噪聲。在復位及噪聲消除之后開始曝光。在第0行的曝光期間，ad0、rst0及fb0都是低電平。即，屬于第0行的攝像單元10a的地址晶體管28、復位晶體管24及反饋晶體管34都是截止的狀態(tài)。另外，為了避免附圖變復雜，在圖3中未示出曝光前的復位及噪聲消除、和之后的曝光期間。

通過曝光在包含電荷蓄積節(jié)點fd的信號電荷的蓄積區(qū)域(以下，有時稱為“電荷蓄積區(qū)域”)中蓄積與照度對應的信號電荷(此處為空穴)。在曝光期間結(jié)束后，行掃描電路80將ad0變更為高電平，使地址晶體管28導通。通過地址晶體管28導通，經(jīng)由信號檢測晶體管26將與所蓄積的電荷量對應的信號讀出到輸出信號線sj中。

在該例中，首先執(zhí)行復位晶體管24截止的狀態(tài)的信號的讀出。在復位晶體管24截止時，在光電變換部11和基準電位之間形成有將第1電容元件21和第2電容元件22串聯(lián)連接構(gòu)成的電容電路。如果將電荷蓄積節(jié)點fd的寄生電容的電容值設為cfd，復位晶體管24截止的狀態(tài)下的電荷蓄積區(qū)域整體的電容值表示為(cfd+(c1c2)/(c1+c2))。如上所述，第2電容元件22的電容值c2典型地講與第1電容元件21的電容值c1相比足夠小。因此，復位晶體管24截止的狀態(tài)下的信號電荷的蓄積區(qū)域整體的電容值大致為(cfd+c2)。

在第1實施方式中，在復位晶體管24截止的狀態(tài)下通過信號檢測晶體管26取得的圖像信號相當于上述的高靈敏度信號。另外，圖像信號的讀出期間可以包含列電路82(參照圖1)進行的ad變換用的期間。與高靈敏度信號對應的圖像數(shù)據(jù)(第1圖像數(shù)據(jù))暫且保存在緩沖存儲器中。緩沖存儲器例如配置在上述的列電路82內(nèi)或者信號處理電路84內(nèi)。

在第1實施方式中，在讀出復位晶體管24截止的狀態(tài)的圖像信號后，還執(zhí)行復位晶體管24導通的狀態(tài)的圖像信號的讀出。在讀出復位晶體管24導通的狀態(tài)的圖像信號后，行掃描電路80將rst0變更為高電平，使復位晶體管24導通。通過復位晶體管24導通，第1電容元件21經(jīng)由復位晶體管24與光電變換部11連接。通過第1電容元件21經(jīng)由復位晶體管24與光電變換部11連接，電荷蓄積區(qū)域整體的電容值從(cfd+c2)增大為(cfd+c1)。

在復位晶體管24導通后，圖像信號被讀出。此時，通過信號檢測晶體管26取得的圖像信號相當于上述的低靈敏度信號。如參照圖2可知，上述的高靈敏度信號的讀出是不伴隨從電荷蓄積節(jié)點fd取出信號電荷自身的非破壞性的讀出。另外，信號電荷在高靈敏度信號的讀出期間也蓄積，但圖像信號的讀出所需要的時間相對于曝光期間整體足夠短。因此，可以說在高靈敏度信號和低靈敏度信號之間曝光期間的長度相同。因此，在高靈敏度信號的讀出時和低靈敏度信號的讀出時之間，在電荷蓄積區(qū)域整體中蓄積的電荷量幾乎不變。

其中，低靈敏度信號的讀出時的電荷蓄積區(qū)域整體的電容值相比高靈敏度信號的讀出時增大。因此，信號檢測晶體管26的柵極電壓降低，成為相同的電荷蓄積量，但所輸出的信號電平降低。即，實現(xiàn)與降低攝像單元10a的靈敏度的狀態(tài)的攝影相同的狀態(tài)。例如，如果設(cfd+c2)：(cfd+c1)＝1:10，在復位晶體管24截止的狀態(tài)(相當于高靈敏度的狀態(tài))和復位晶體管24導通的狀態(tài)(相當于低靈敏度的狀態(tài))之間，能夠?qū)崿F(xiàn)10:1的靈敏度比。

在讀出復位晶體管24導通的狀態(tài)的低靈敏度信號后，再次執(zhí)行復位及噪聲消除。在該例中，通過將rst0及fb0變更為高電平，使復位晶體管24及反饋晶體管34導通，然后使復位晶體管24截止，由此執(zhí)行復位。在第1實施方式中，可以說復位晶體管24具有切換從攝像單元10a輸出高靈敏度信號及低靈敏度信號哪一方的功能、和開始電荷蓄積節(jié)點fd的復位的功能。

并且，在該例中，通過在復位晶體管24截止之后使電壓fb0從高電平降低至低電平，執(zhí)行噪聲消除。在執(zhí)行復位及噪聲消除后讀出輸出信號線sj的電壓，由此取得復位信號。復位信號的讀出期間可以包含ad變換用的期間。復位信號在列電路82(參照圖1)的相關雙重采樣中使用。相關雙重采樣也可以通過信號處理電路84執(zhí)行。

如圖3所示，上述一系列的動作是以行單位執(zhí)行的。通過最末行的復位信號的讀出的結(jié)束，1幀期間結(jié)束。在本說明書中，將“1幀期間”定義為從最初行(此處為第0行)的高靈敏度信號或者低靈敏度信號的讀出、到最末行(此處為第(m-1)行)的復位信號的讀出結(jié)束的期間。

另外，在圖3所示的例子中，在讀出低靈敏度信號后，使復位晶體管24暫且截止后再次導通。即，在此執(zhí)行諸如在1幀期間中使各個攝像單元10a的復位晶體管24導通兩次(也可以說截止兩次)的控制。這樣，也可以執(zhí)行諸如使各個攝像單元10a的復位晶體管24在1幀期間中至少兩次導通或者截止的控制?；蛘?，也可以讀出低靈敏度信號后不使復位晶體管24截止，而使反饋晶體管34導通，由此開始復位。復位晶體管24及反饋晶體管34的導通及截止是根據(jù)例如上述的控制電路88(參照圖1)的控制執(zhí)行的。

通過將與高靈敏度信號對應的圖像數(shù)據(jù)(第1圖像數(shù)據(jù))和與低靈敏度信號對應的圖像數(shù)據(jù)(第2圖像數(shù)據(jù))合成，能夠形成抑制了泛白及黑色失真的圖像(較寬動態(tài)范圍圖像)。將這樣的圖像的形成稱為“高動態(tài)范圍合成”。高動態(tài)范圍合成的具體方法能夠采用公知的方法。第1圖像數(shù)據(jù)和第2圖像數(shù)據(jù)的合成例如通過信號處理電路84執(zhí)行。另外，第1圖像數(shù)據(jù)和第2圖像數(shù)據(jù)的合成既可以按照行單位執(zhí)行，也可以按照幀單位執(zhí)行。如果執(zhí)行行單位的合成，能夠?qū)⒏哽`敏度信號的讀出和低靈敏度信號的讀出之間的時間差抑制為1h期間(1行的掃描所需要的時間)量的長度。

這樣，在第1實施方式中，各個攝像單元10a分別在1幀期間中依次輸出高靈敏度信號和低靈敏度信號。如根據(jù)上述的說明所明確的那樣，根據(jù)第1實施方式，能夠使在1幀期間中對各個攝像單元10a的曝光是1次，并且從各個攝像單元10a單獨取得高靈敏度信號和低靈敏度信號。換言之，不需要為分別取得高靈敏度信號和取得低靈敏度信號而設定合計2次的曝光期間。因此，抑制較寬動態(tài)范圍圖像中的畫質(zhì)劣化的產(chǎn)生。并且，能夠?qū)崿F(xiàn)動作的高速化。也不需要每當取得高靈敏度信號和低靈敏度信號時就進行復位動作。

另外，在關注于屬于相同行的各個攝像單元10a時，取得高靈敏度信號用的曝光期間的開始的定時和取得低靈敏度信號用的曝光期間的開始的定時一致，而且這些曝光期間的長度大致相同。因此，根據(jù)第1實施方式，能夠確保與高靈敏度信號對應的圖像數(shù)據(jù)和與低靈敏度信號對應的圖像數(shù)據(jù)之間的同時性。

(復位及噪聲消除)

在此，參照圖2及圖3詳細說明復位及噪聲消除的動作。如上所述，通過將復位晶體管24及反饋晶體管34設為導通，復位開始。根據(jù)圖2可知，通過將復位晶體管24及反饋晶體管34設為導通，電荷蓄積節(jié)點fd和反饋線lj通過復位晶體管24及反饋晶體管34而連接，并形成使反饋(此處是負反饋)光電變換部11的信號的反饋路徑。反饋晶體管34具有切換是否形成反饋路徑的功能。對與輸出信號線sj連接的攝像單元10a中、通過將地址控制線ai的電壓adi設為高電平而選擇的行的攝像單元10a，執(zhí)行反饋路徑的形成。

通過電荷蓄積節(jié)點fd和反饋線lj電連接，將輸出信號線sj的電壓收斂為施加給反轉(zhuǎn)放大器32j的非反轉(zhuǎn)輸入端子的電壓vref。電壓vref能夠使用電源電壓(例如3.3v)及接地(0v)范圍內(nèi)的任意大小的電壓。

然后，將復位晶體管24設為截止。通過將復位晶體管24設為截止，產(chǎn)生ktc噪聲。因此，在復位后的電荷蓄積節(jié)點fd的電壓中增加ktc噪聲。

如參照圖2可知，在反饋晶體管34導通的期間，形成了將電荷蓄積節(jié)點fd、信號檢測晶體管26、反饋晶體管34及第2電容元件22包含在其路徑中的反饋路徑的狀態(tài)繼續(xù)。在形成了反饋路徑時(也可以說是反饋晶體管34不截止時)，反饋晶體管34輸出的信號在由第2電容元件22和電荷蓄積節(jié)點fd的寄生電容形成的衰減電路中衰減。此時的衰減率b表示為b＝c2/(c2+cfd)。因此，如果將反饋電路fc的增益設為a，通過將復位晶體管24設為截止而產(chǎn)生的ktc噪聲被抑制為1/(1+a×b)倍。

在該例中，即將把復位晶體管24設為截止前(即將開始噪聲消除前)的輸出信號線sj的電壓，與施加給反轉(zhuǎn)放大器32j的非反轉(zhuǎn)輸入端子的電壓vref大致相等。這樣，通過使噪聲消除開始時的輸出信號線sj的電壓接近噪聲消除后的目標電壓vref，能夠在比較短的時間內(nèi)消除ktc噪聲。

其中，剛剛將復位晶體管24設為截止后的反饋控制線fi的電壓電平是高電平。因此，剛剛將復位晶體管24設為截止后的反饋晶體管34的動作頻帶是比較寬的頻帶。如果反饋晶體管34的動作頻帶較寬，則能夠快速抑制噪聲。

另外，其中在將復位晶體管24設為截止后，使反饋控制線fi的電壓電平從高電平緩慢降低至低電平。在以跨越反饋晶體管34的閾值電壓的方式，使反饋控制線fi的電壓電平從高電平朝向低電平緩慢降低時，反饋晶體管34從導通狀態(tài)緩慢變化為截止狀態(tài)。此時，隨著施加給反饋控制線fi的電壓fbi的下降，反饋晶體管34的電阻增加。在反饋晶體管34的電阻增加時，反饋晶體管34的動作頻帶變窄，要反饋的信號的頻率區(qū)域變窄。通過將反饋晶體管34的動作頻帶設為相比信號檢測晶體管26的動作頻帶足夠低的頻帶，能夠提高噪聲抑制效果。

在施加給反饋控制線fi的電壓fbi達到低電平時，反饋晶體管34截止。即，反饋路徑的形成被解除。在反饋晶體管34的動作頻帶是相比信號檢測晶體管26的動作頻帶足夠低的頻帶時，在反饋晶體管34產(chǎn)生的熱噪聲通過反饋電路fc被抑制為1/(1+a×b)^1/2倍。通過在反饋晶體管34的動作頻帶比信號檢測晶體管26的動作頻帶低的狀態(tài)下將反饋晶體管34設為截止，能夠降低殘存在電荷蓄積節(jié)點fd中的ktc噪聲。

這樣通過設置反饋電路fc，能夠降低ktc噪聲。因此，能夠得到抑制了噪聲的影響的較寬動態(tài)范圍圖像。并且，不僅將第1電容元件21用于取得與靈敏度不同的狀態(tài)對應的兩個信號(高靈敏度信號和低靈敏度信號)，而且也能夠有效地用于噪聲消除。另外，本領域人員可以容易理解，根據(jù)省略了第2電容元件22的電路結(jié)構(gòu)，也能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度信號和低靈敏度信號之間的切換本身。但是，通過使用具有足夠小的電容值的第2電容元件22，衰減率b能夠得到更大的值，因而能夠更有效地消除噪聲。

(第1實施方式的變形例)

圖4表示第1實施方式的攝像裝置的變形例。圖4所示的攝像裝置100b與參照圖1～圖3說明的攝像裝置100a的不同之處在于，攝像裝置100b除攝像單元10a以外，還具有靈敏度比攝像單元10a低的第2攝像單元10b。如以下說明的那樣，通過使用攝像單元10a和攝像單元10b，容易進行動態(tài)范圍更寬的場景的攝影。下面，將攝像單元10b稱為低靈敏度單元10b。

在圖4示例的結(jié)構(gòu)中，攝像單元10a和低靈敏度單元10b沿著行方向相鄰。在本說明書中，行方向是指行延伸的方向，列方向是指列延伸的方向。即，例如在圖1中，紙面中的垂直方向是列方向，紙面中的水平方向是行方向。在該例中，由在同一行中相鄰的攝像單元10a和低靈敏度單元10b構(gòu)成單元對10p。通過將多個單元對10p呈矩陣狀配置在例如半導體基板上，形成攝像裝置100b的攝像區(qū)域。圖4示出了攝像裝置100b的屬于像素陣列pa的第i行的單元對10p中的一個單元對10p即第j列的單元對10p的電路結(jié)構(gòu)的典型例。另外，也可以沿著列方向相鄰地配置攝像單元10a和低靈敏度單元10b，由此形成單元對10p。

低靈敏度單元10b概略地講具有與上述的攝像單元10a相似的結(jié)構(gòu)。如圖4所示，低靈敏度單元10b具有光電變換部12b、和檢測在光電變換部12b產(chǎn)生的電信號的信號檢測電路scb。

信號檢測電路scb具有連接于光電變換部12b和基準電位vr之間的第3電容元件23b、和信號檢測晶體管26b。在圖4所示的例子中，信號檢測電路scb還包括地址晶體管28b。地址晶體管28b連接于信號檢測晶體管26b的源極或者漏極中一方(此處指源極)、和列電路82(參照圖1)所連接的輸出信號線sbj之間。

光電變換部12b具有與攝像單元10a的光電變換部11相同的結(jié)構(gòu)。在此，關于光電變換部12b，與光電變換部11一樣示例光電變換層12y被夾在像素電極12x和對置電極12z之間的構(gòu)造。

像素電極12x典型地講配置在覆蓋信號檢測晶體管26b、地址晶體管28b等的層間絕緣層上。像素電極12x通過在空間上分離，而與相鄰的其它像素電極11x及像素電極12x電分離。另一方面，典型地講，低靈敏度單元10b的光電變換層12y和攝像單元10a的光電變換層11y分別是連續(xù)單一光電變換層的一部分。并且，典型地講，低靈敏度單元10b的對置電極12z和攝像單元10a的對置電極11z分別是連續(xù)的單一電極的一部分。

在攝像裝置100b進行動作時，與攝像單元10a的對置電極11z一樣，對低靈敏度單元10b的對置電極12z施加規(guī)定的電壓vp。通過對對置電極12z施加規(guī)定的電壓vp，能夠通過像素電極12x收集在光電變換層12y產(chǎn)生的正及負的電荷中一方。關于電壓vp，也可以對由幾個單元對10p構(gòu)成的每個像素塊供給不同的電壓。

如圖4所示，像素電極12x具有與信號檢測晶體管26b的柵極的連接。像素電極12x和信號檢測晶體管26b的柵極之間的節(jié)點即電荷蓄積節(jié)點fdb構(gòu)成蓄積信號電荷的電荷蓄積區(qū)域的至少一部分。因此，對信號檢測晶體管26b的柵極施加與在電荷蓄積節(jié)點fdb蓄積的信號電荷的量對應的電壓。

如圖4所示，低靈敏度單元10b具有一個電極與電荷蓄積節(jié)點fdb連接的第3電容元件23b。第3電容元件23b與攝像單元10a的第1電容元件21一樣具有比較大的電容值c3。典型地講，第3電容元件23b的電容值c3與第1電容元件21的電容值c1相同或者在第1電容元件21的電容值c1以上。在該例中，在光電變換部12b和第3電容元件23b之間沒有連接晶體管。

將電容值c3的具體的值設定成，使低靈敏度單元10b具有比復位晶體管24導通的狀態(tài)換言之低靈敏度狀態(tài)的攝像單元10a低的靈敏度。如后面所述，在攝像裝置100b中，將復位晶體管24截止的狀態(tài)的攝像單元10a、復位晶體管24導通的狀態(tài)的攝像單元10a及低靈敏度單元10b，分別用作靈敏度最高的單元、靈敏度中等的單元及靈敏度最低的單元。較寬動態(tài)范圍圖像的某個像素的亮度值是根據(jù)從由這些單元取得的、靈敏度彼此不同的3個圖像信號中選擇的一個圖像信號決定的。

信號檢測晶體管26b的源極或者漏極中未與地址晶體管28b連接的一側(cè)(此處是漏極)，與電源配線(源極追隨電源)連接，在攝像裝置100b進行動作時接受電源電壓vdd的供給。由信號檢測晶體管26b和與輸出信號線sj連接的恒流源ccbj形成源極跟隨電路。即，信號檢測晶體管26b將通過光電變換部12b生成的信號放大。

通過使地址晶體管28b導通，能夠?qū)⒂尚盘枡z測晶體管26b放大的信號讀出到具有與恒流源ccbj的連接的輸出信號線sbj中。如圖所示，地址晶體管28b的柵極與地址控制線abi連接。地址控制線abi典型地講與行掃描電路80(參照圖1)連接。通過控制施加給地址控制線abi的電壓adb，能夠以行單位選擇低靈敏度單元10b來讀出信號。地址控制線abi可以是與攝像單元10a的地址晶體管28的柵極所連接的地址控制線ai共用的信號線。

在圖4示例的結(jié)構(gòu)中，攝像裝置100b具有形成使在光電變換部12b產(chǎn)生的電信號負反饋的反饋路徑的反饋電路fcb。如圖所示，反饋電路fcb包括反轉(zhuǎn)放大器32bj，反轉(zhuǎn)放大器32bj的反轉(zhuǎn)輸入端子與輸出信號線sbj連接，輸出端子與反饋線lbi連接。反饋晶體管34b連接于反饋線lbi和電荷蓄積節(jié)點fdb之間。

反饋晶體管34b的柵極與反饋控制線fbi連接。通過控制施加給反饋控制線fbi的電壓fbb使反饋晶體管34b導通，能夠形成將反饋晶體管34b及反轉(zhuǎn)放大器32bj包含在其路徑的一部分中的反饋路徑。反饋控制線fbi可以是與攝像單元10a的反饋晶體管34的柵極所連接的反饋控制線fi相同的信號線。

低靈敏度單元10b的復位及噪聲消除中的反饋控制線fbi的電位的控制，與參照圖3說明的攝像單元10a的復位及噪聲消除中的反饋控制線fi的電位的控制大致相同。低靈敏度單元10b的復位是通過將反饋晶體管34b導通而開始的。例如，通過以使從高電平朝向低電平下降的方式控制反饋控制線fbi的電位，能夠縮小隨著反饋晶體管34b的截止而產(chǎn)生的ktc噪聲。另外，低靈敏度單元10b的靈敏度比處于低靈敏度狀態(tài)的攝像單元10a還低，因而低靈敏度單元10b中的ktc噪聲的影響比攝像單元10a中的ktc噪聲的影響小。因此，在低靈敏度單元10b中，進行比攝像單元10a強力的噪聲消除的必要性降低。在某個方式中，能夠省略反饋電路fcb。

低靈敏度單元10b中的信號的讀出的定時，與參照圖3說明的攝像單元10a中的信號的讀出的定時大致相同。但是，在1幀期間中從各個低靈敏度單元10b的圖像信號的讀出是1次。低靈敏度單元10b的靈敏度比處于低靈敏度狀態(tài)的攝像單元10a還低，因而下面為了便于說明，將能夠從低靈敏度單元10b得到的圖像信號稱為超低靈敏度信號。

在攝像裝置100b中，在對各個攝像單元10a和低靈敏度單元10b的一次曝光中，能夠取得高靈敏度信號、低靈敏度信號及超低靈敏度信號這3個信號。即，雖然攝像單元的種類是兩種，但是能夠得到與配置了高靈敏度、低靈敏度、更低靈敏度的3個單元時相同的效果。通過使用高靈敏度信號、低靈敏度信號及超低靈敏度信號執(zhí)行高動態(tài)范圍合成，即使是拍攝了具有更寬的廣角動態(tài)范圍的場景的情況下，也能夠形成抑制了泛白和黑色失真的圖像。

例如，使低靈敏度單元10b中的電荷蓄積節(jié)點fdb的寄生電容的電容值與攝像單元10a中的電荷蓄積節(jié)點fd的寄生電容的cfd相等，設c3＝c1＝cs。在這種情況下，低靈敏度單元10b中的電荷蓄積區(qū)域整體的電容值(cfd+cs)與復位晶體管24導通時的攝像單元10a的電荷蓄積區(qū)域整體的電容值(cfd+cs)相等。其中，在假設低靈敏度單元10b的光電變換部12b的像素電極12x的面積與攝像單元10a的光電變換部11的像素電極11x的面積之比為1:10時，低靈敏度單元10b與復位晶體管24導通時的攝像單元10a之間的靈敏度之比大致為1:10。其中，在攝像單元10a中，如果復位晶體管24導通時的電荷蓄積區(qū)域整體的電容值(cfd+cs)與截止時的電荷蓄積區(qū)域整體的電容值(cfd+c2)之比是10:1，則復位晶體管24導通時的攝像單元10a與截止時的攝像單元10a之間的靈敏度之比大致為1:10。其結(jié)果是，此時在低靈敏度單元10b、復位晶體管24導通時的攝像單元10a及復位晶體管24截止時的攝像單元10a之間能夠得到1:10:100的靈敏度比。因此，與不使用低靈敏度單元10b的情況相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更寬的動態(tài)范圍。另外，在攝像裝置100b進行動作時，通過在低靈敏度單元10b的對置電極12z和攝像單元10a的對置電極11z之間供給彼此不同的電壓，也可以使低靈敏度單元10b和攝像單元10a之間產(chǎn)生靈敏度差異。

在圖4示例的結(jié)構(gòu)中，攝像裝置100b具有反饋電路fcb，因而能夠降低對超低靈敏度信號的ktc噪聲的影響。另外，在攝像裝置100b中，通過低靈敏度單元10b取得超低靈敏度的圖像數(shù)據(jù)，通過能夠執(zhí)行更強力的噪聲消除的攝像單元10a取得高靈敏度的圖像數(shù)據(jù)和低靈敏度的圖像數(shù)據(jù)，因而能夠有效地形成低噪聲寬動態(tài)范圍圖像。

(第2實施方式)

圖5表示本發(fā)明的第2實施方式的攝像裝置的示例性結(jié)構(gòu)。圖5所示的攝像裝置100c與圖1所示的攝像裝置100a的主要的不同之處在于，攝像裝置100c的像素陣列pa還包括與靈敏度切換寄存器90連接的多個攝像單元10c。在該例中，靈敏度切換寄存器90配置在列電路82b內(nèi)。

多個攝像單元10c中屬于第i行的一個以上的攝像單元10c與圖1所示的攝像單元10a一樣，與對應像素陣列pa的各行而設置的復位控制線ri及反饋控制線fi連接。多個攝像單元10c中屬于第j列的一個以上的攝像單元10c與圖1所示的攝像單元10a一樣，與對應像素陣列pa的各列而設置的輸出信號線sj連接。其中，屬于第j列的一個以上的攝像單元10c也與對應像素陣列pa的各列而設置的靈敏度切換線bj連接。如圖所示，靈敏度切換線bj與列電路82b連接。

如后面詳細說明的那樣，在第2實施方式中，通過變更靈敏度切換線bj的電壓電平，切換從對應的攝像單元10c讀出高靈敏度信號及低靈敏度信號哪一方。靈敏度切換線bj的電壓電平是根據(jù)與通過輸出信號線sj讀出的電壓和參照電壓的比較而決定的。換言之，從各個攝像單元10c讀出圖像信號時的靈敏度，根據(jù)通過曝光而蓄積的信號電荷量而動態(tài)地變化。在1幀期間中從各個攝像單元10c讀出的圖像信號是高靈敏度信號及低靈敏度信號任意一方，因此在屬于同一行的攝像單元10c中能夠使曝光期間的長度在高靈敏度信號和低靈敏度信號之間一致。并且，在1幀期間中從各個攝像單元10c選擇性地讀出高靈敏度信號及低靈敏度信號任意一方，因而基本上不需要1幀量的高靈敏度的圖像數(shù)據(jù)和1幀量的低靈敏度的圖像數(shù)據(jù)之間的合成處理。

圖6表示攝像單元10c的示例性電路結(jié)構(gòu)。概略地講，攝像單元10c具有與參照圖2說明的攝像單元10a相同的結(jié)構(gòu)。即，攝像單元10c具有光電變換部11、和檢測在光電變換部11產(chǎn)生的電荷信號的信號檢測電路scc。但是，攝像單元10c的信號檢測電路scc在復位漏極節(jié)點rd包括靈敏度切換晶體管36。

靈敏度切換晶體管36連接于復位晶體管24的源極及漏極中未與光電變換部11連接的一側(cè)、和第1電容元件21的電極中在攝像裝置100c進行動作時不被施加基準電位的一側(cè)的電極之間。靈敏度切換晶體管36的柵極與對應的靈敏度切換線bj連接。例如，如果是屬于第0列的攝像單元10c的靈敏度切換晶體管36，其柵極與靈敏度切換線b0連接。

如已經(jīng)說明的那樣，在第1實施方式中，通過切換對復位晶體管24的柵極施加的電壓電平，在高靈敏度信號和低靈敏度信號之間切換應該從攝像單元10a讀出的圖像信號。在第1實施方式中依次讀出高靈敏度信號和低靈敏度信號。與此相對，在第2實施方式中，通過控制經(jīng)由靈敏度切換線bj對靈敏度切換晶體管36的柵極施加的電壓電平，選擇高靈敏度信號和低靈敏度信號任意一方，并在1幀期間中讀出該圖像信號。

圖7表示靈敏度切換寄存器90的電路結(jié)構(gòu)的典型例。如圖7示意地示出的那樣，靈敏度切換寄存器90包括由對應像素陣列pa的各列而設置的比較器cmpj、寄存器rgj及or門gtj構(gòu)成的多個組。在圖7中，代表性地示出了m個組中與第0列、第1列、第2列及第(m-1)列對應的4個組。為了便于說明，在圖7中也示出了像素陣列pa中包含的多個攝像單元10c中屬于某行的攝像單元10c。

如圖所示，靈敏度切換寄存器90中的各個比較器cmpj與參照電壓線50連接。參照電壓線50具有與未圖示的電壓源的連接，在攝像裝置100c進行動作時被施加規(guī)定的參照電壓ref。關于參照電壓ref，例如能夠使用成為在電荷蓄積節(jié)點fd中是否產(chǎn)生了電荷的溢出的判定基準的動作臨界電壓。

第j列的比較器cmpj與對應的輸出信號線sj連接。比較器cmpj對輸出信號線sj的電壓和參照電壓ref進行比較，將其結(jié)果回送給對應的寄存器rgj。例如，在輸出信號線sj的電壓超過參照電壓ref的情況下，比較器cmpj輸出高電平的信號。

寄存器rgj暫時保存輸出信號線sj的電壓和參照電壓ref的比較結(jié)果。例如，在輸出信號線sj的電壓超過參照電壓ref的情況下設定“1”，在輸出信號線sj的電壓低于參照電壓ref的情況下設定“0”。另外，在圖7示例的結(jié)構(gòu)中，各個寄存器rgj也與寄存器復位信號線52連接。通過對寄存器復位信號線52供給規(guī)定的信號，能夠?qū)⒏鱾€寄存器rgj復位成初始狀態(tài)。例如，通過將施加給寄存器復位信號線52的電壓rgrst設為低電平，將在各個寄存器rgj保存的比較結(jié)果復位成“0”。

or門gtj將在寄存器rgj保存的比較結(jié)果、與復位信號線54的電壓電平的邏輯和輸出給靈敏度切換線bj，復位信號線54提供用于指定像素陣列pa的各行的復位的開始的定時的電壓脈沖。例如，在圖7中由于在寄存器rg0保存“0”，因而在復位信號線54的電壓電平是低電平時，對應的靈敏度切換線b0的電壓電平成為低電平。由于靈敏度切換線b0的電壓電平是低電平，因而屬于第0列的一個以上的攝像單元10c中的靈敏度切換晶體管36截止。此時，光電變換部11和第1電容元件21通過第2電容元件22而連接(參照圖6)，攝像單元10c處于高靈敏度的狀態(tài)。即，在靈敏度切換線bj的電壓電平是低電平時，從對應的攝像單元10c讀出高靈敏度信號。

另一方面，由于在寄存器rg1保存“1”，因而對應的靈敏度切換線b1的電壓電平成為高電平。因此，屬于第1列的一個以上的攝像單元10c中的靈敏度切換晶體管36導通。在復位晶體管24導通時，光電變換部11和第1電容元件21通過復位晶體管24及靈敏度切換晶體管36而連接(參照圖6)，電荷蓄積區(qū)域整體的電容值增大。因此，從屬于第1列的一個以上的攝像單元10c讀出的圖像信號成為低靈敏度信號。這樣，在靈敏度切換線bj的電壓電平是高電平時，從對應的攝像單元10c讀出低靈敏度信號。

圖8及圖9是用于說明與基于曝光的電荷蓄積節(jié)點fd的電壓變化對應的攝像單元10c的靈敏度的切換的圖。圖8及圖9分別示意地示出圖7所示的第0列及第1列的曝光時間(信號電荷蓄積的時間)、與電荷蓄積節(jié)點fd的電壓(也可以說是所蓄積的信號電荷量或者信號檢測晶體管26的柵極電壓)之間的關系。圖8及圖9所示的曲線圖的橫軸及縱軸分別表示曝光時間ta及電荷蓄積節(jié)點fd的電壓vfd。橫軸中的ts及te分別表示曝光的開始及結(jié)束的定時，縱軸中的vth表示上述的動作臨界電壓。曲線圖中的雙箭頭exp表示曝光期間。

如圖8所示，在第0列的攝像單元10c中，電荷蓄積節(jié)點fd的電壓vfd在整個曝光期間exp中低于動作臨界電壓vth。因此，對應的靈敏度切換線b0的電壓電平是低電平。因此，在第0列，將與電壓vfd對應的圖像信號直接輸出給輸出信號線s0。換言之，從攝像單元10c讀出高靈敏度信號。另一方面，在第1列的攝像單元10c中，如圖9所示，從曝光期間中的某個時刻起，電荷蓄積節(jié)點fd的電壓vfd超過動作臨界電壓vth。因此，對應的靈敏度切換線b1的電壓電平成為高電平，靈敏度切換晶體管36導通。

在復位晶體管24導通時靈敏度切換晶體管36導通，由此光電變換部11和第1電容元件21通過靈敏度切換晶體管36而連接。如果復位晶體管24和靈敏度切換晶體管36任意一方截止，則電荷蓄積區(qū)域整體的電容值是(cfd+c2)，如果復位晶體管24和靈敏度切換晶體管36雙方導通，則電荷蓄積區(qū)域整體的電容值是(cfd+c1)。因此，通過在復位晶體管24導通時使靈敏度切換晶體管36從截止變?yōu)閷?，電荷蓄積區(qū)域整體的電容值從(cfd+c2)增大至(cfd+c1)。例如，在假設(cfd+c2)：(cfd+c1)＝1:10時，通過使靈敏度切換晶體管36導通，如向下的箭頭示意地示出的那樣，電壓vfd下降至約(1/10)。即，從攝像單元10c讀出低靈敏度信號。

圖10是用于說明第2實施方式的信號讀出動作的典型例的時序圖。在圖10中，rgrst表示施加給寄存器復位信號線52的電壓的變化。bsi表示通過靈敏度切換線bj施加給屬于第i行的攝像單元10c的靈敏度切換晶體管36的柵極的電壓的變化。adi、rsti及fbi與圖3一樣分別表示對第i行的地址控制線abi、復位控制線ri及反饋控制線fi施加的電壓的變化。在圖10中，陰影線的矩形rr與圖3一樣表示復位信號的讀出的期間。雙箭頭nrc表示信號取得后的復位及噪聲消除用的期間。

關注第0行。在進行曝光及信號的讀出之前，首先執(zhí)行上述的復位及噪聲消除。在復位及噪聲消除之后開始曝光。在此處所說明的動作例中，假設在曝光前對各列的寄存器rgj設定“0”作為初始值。

在第0行的曝光期間中，ad0、rst0及fb0都是低電平。即，屬于第0行的攝像單元10a的地址晶體管28、復位晶體管24及反饋晶體管34都是截止的狀態(tài)。并且，由于對各列的寄存器rgj設定了“0”，因而各列的靈敏度切換線bj的電壓電平是低電平，靈敏度切換晶體管36也是截止的狀態(tài)。

在通過曝光向電荷蓄積區(qū)域的信號電荷的蓄積結(jié)束后，使第0行的地址晶體管28導通。由此，與所蓄積的電荷量對應的信號被讀出到各列的輸出信號線sj中。靈敏度切換寄存器90中的比較器cmpj將對應的列的輸出信號線sj的電壓和參照電壓ref進行比較，將其結(jié)果回送給對應的寄存器rgj(參照圖7)。通過該比較，例如對第0列的寄存器rg0設定“0”，對第1列的寄存器rg1設定“1”。在圖10中，用箭頭cp表示的帶有向右下降的斜線的期間，表示各輸出信號線sj的電壓和參照電壓ref的比較用的期間。

通過各輸出信號線sj的電壓和參照電壓ref的比較，對與像素陣列pa的各列對應設置的靈敏度切換線bj施加的電壓，根據(jù)在對應的寄存器rgj保存的值而變化。在該例中，對第0列的寄存器rg0設定“0”。因此，對第0行第0列的靈敏度切換線b0施加的電壓仍是低電平的狀態(tài)(圖10的電壓bs0的曲線圖中的下側(cè)的虛線)。另一方面，對第1列的寄存器rg1設定“1”，因而對第0行第1列的靈敏度切換線b1施加的電壓切換為高電平(圖10的電壓bs0的曲線圖中的上側(cè)的虛線)。

在比較輸出信號線sj的電壓和參照電壓ref后，從攝像單元10c執(zhí)行圖像信號的讀出。在圖10中，陰影線的矩形sr表示從攝像單元10c的圖像信號的讀出期間。圖像信號的讀出是在rst0變更為高電平的狀態(tài)下即復位晶體管24導通的狀態(tài)下執(zhí)行的。

圖11表示對第0行第0列的攝像單元10c具有的靈敏度切換晶體管36的柵極施加的電壓bs00的變化、及對第0行第1列的攝像單元10c具有的靈敏度切換晶體管36的柵極施加的電壓bs01的變化的一例。在圖11中，電壓bs00及電壓bs01的曲線分別表示在選擇第0行時施加給第0列的靈敏度切換線b0的電壓的變化及施加給第1列的靈敏度切換線b1的電壓的變化的典型例。

在此，在進行圖像信號的讀出時，施加給靈敏度切換線b0的電壓bs00是低電平。因此，對于第0行第0列的攝像單元10c，執(zhí)行靈敏度切換晶體管36截止的狀態(tài)即高靈敏度的狀態(tài)的信號的讀出。即，從第0行第0列的攝像單元10c讀出高靈敏度信號。另一方面，在此，在進行圖像信號的讀出時，對靈敏度切換線b01施加高電平的電壓。因此，對于第0行第1列的攝像單元10c，執(zhí)行靈敏度切換晶體管36導通的低靈敏度狀態(tài)的信號的讀出。即，讀出低靈敏度信號。換言之，在從第0行第0列的攝像單元10c讀出高靈敏度信號時，第0行第1列的攝像單元10c輸出低靈敏度信號。這樣，在第2實施方式中，即使是在屬于同一行的攝像單元10c之間，關于讀出高靈敏度信號和低靈敏度信號哪一方也可能因列而異。

在讀出圖像信號后，在電壓脈沖rstps的上升(或者下降)的定時，執(zhí)行上述的復位及噪聲消除。如參照圖7可知，在此各列的or門gtj將供給電壓脈沖rstps的復位信號線54作為一方的輸入。因此，通過使電壓脈沖rstps成為高電平，能夠與在寄存器rgj保存的比較結(jié)果無關地將各列的攝像單元10c的靈敏度切換晶體管36導通。即，在復位的開始時使靈敏度切換晶體管36導通，能夠通過復位晶體管24及靈敏度切換晶體管36向電荷蓄積節(jié)點fd供給反饋晶體管34的輸出。在噪聲消除后，取得復位信號(圖10所示的期間rr)。

上述的一系列的動作是以行單位執(zhí)行的。例如如圖11所示，在該例中，在圖像信號的讀出和復位動作之間，施加給寄存器復位信號線52的電壓rgrst被切換為高電平。因此，在從攝像單元10c讀出圖像信號后，能夠?qū)⒏骷拇嫫鱮gj復位成初始狀態(tài)。即，能夠使屬于某行的、某列的攝像單元10c的圖像信號的讀出時的靈敏度、與屬于某行的下一行的、該列的攝像單元10c的圖像信號的讀出時的靈敏度彼此不同。例如，有時從第0行第0列的攝像單元10c讀出高靈敏度信號，有時從第1行第0列的攝像單元10c讀出低靈敏度信號。

由從各攝像單元10c得到的圖像信號形成最終的圖像。在第2實施方式中，處于在所得到的圖像中混合存在對應高靈敏度信號的像素和對應低靈敏度信號的像素的狀態(tài)。例如，當在被攝體中存在亮度特別高的部分時，在對應該部分的攝像單元10c中讀出圖像信號時的靈敏度自動降低。即，不需進行1幀量的高靈敏度的圖像數(shù)據(jù)和1幀量的低靈敏度的圖像數(shù)據(jù)的合成，即可形成較寬動態(tài)范圍圖像。因此，根據(jù)第2實施方式，不需要幀存儲器、線存儲器等緩沖存儲器，即可進行較寬動態(tài)范圍圖像的場景的攝影。根據(jù)需要，也可以在對應高靈敏度信號的像素和對應低靈敏度信號的像素之間進行亮度電平的校正。在攝像裝置100c中，表示所讀出的圖像信號是高靈敏度信號或者低靈敏度信號的信息存儲在各寄存器rgj中，因而行單位的亮度的校正也比較容易進行。

這樣，在第2實施方式中，根據(jù)在寄存器rgj中存儲的數(shù)據(jù)，以列單位動態(tài)地調(diào)整在圖像信號的讀出時的攝像單元10c的靈敏度。即，在1幀期間中，從各個攝像單元10c根據(jù)照度選擇性地讀出高靈敏度信號和低靈敏度信號任意一方。在第2實施方式中，雖然需要輸出信號線sj的電壓和參照電壓ref的比較，但是從各個攝像單元10c伴隨有ad變換的圖像信號的讀出是每1幀期間1次，因而與在1幀期間兩次讀出圖像信號的情況相比，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的動作。另外，如參照圖8～圖11說明的動作例所明確的那樣，根據(jù)第2實施方式，在像素陣列pa的同一行中，在取得高靈敏度信號用的曝光期間和取得低靈敏度信號用的曝光期間之間能夠使其長度一致。

另外，包含靈敏度切換晶體管36的各晶體管的導通及截止也可以根據(jù)例如上述的控制電路88(參照圖1)的控制來執(zhí)行。例如，也可以執(zhí)行如下的控制：在1幀期間中，使像素陣列pa中的一部分的攝像單元10c的靈敏度切換晶體管36導通，使剩余的攝像單元10c的靈敏度切換晶體管36截止。

(第2實施方式的變形例)

圖12表示第2實施方式的攝像裝置的變形例。圖12所示的攝像裝置100d與參照圖4說明的攝像裝置100b一樣，具有靈敏度比攝像單元10c低的第2攝像單元10b(低靈敏度單元10b)。在圖12示例的結(jié)構(gòu)中，由沿著行方向相鄰的攝像單元10c和低靈敏度單元10b構(gòu)成單元對10pc。通過將多個單元對10pc呈矩陣狀配置在例如半導體基板上，形成攝像裝置100d的攝像區(qū)域。

在攝像裝置100d中，將靈敏度切換晶體管36截止的狀態(tài)的攝像單元10c、靈敏度切換晶體管36及復位晶體管24導通的狀態(tài)的攝像單元10c、和低靈敏度單元10b，分別用作靈敏度最高的單元、靈敏度中等程度的單元、靈敏度最低的單元。在1幀期間中，從各個攝像單元10c按照曝光時的照度讀出高靈敏度信號及低靈敏度信號任意一方。另一方面，從各個低靈敏度單元10b讀出超低靈敏度信號。

根據(jù)從攝像單元10c取得的高靈敏度信號及低靈敏度信號任意一方、和從低靈敏度單元10b取得的超低靈敏度信號，合成較寬動態(tài)范圍圖像。根據(jù)圖12示例的結(jié)構(gòu)，在1幀期間從各個攝像單元10c讀出的圖像信號是高靈敏度信號及低靈敏度信號任意一方，因而能夠更快速地取得動態(tài)范圍更寬的場景的圖像數(shù)據(jù)。

(其它變形例)

圖13及圖14表示攝像單元的變形例。圖13所示的攝像單元10d具有信號檢測電路scd，信號檢測電路scd包括通過靈敏度切換晶體管37與電荷蓄積節(jié)點fd連接的電容元件39。如圖所示，電容元件39連接于靈敏度切換晶體管37的源極及漏極中一方和基準電位vr之間。通過控制靈敏度切換晶體管37的柵極電壓gci，能夠以行單位或者列單位切換在讀出圖像信號時的攝像單元10d的靈敏度。例如，通過使靈敏度切換晶體管37導通，能夠從攝像單元10d讀出低靈敏度信號。

如圖14示出的攝像單元10e的信號檢測電路sce所示，也可以在電荷蓄積節(jié)點fd和電容元件39之間還配置第2靈敏度切換晶體管38。例如，通過以行單位及列單位分別控制靈敏度切換晶體管38的柵極電壓gli和靈敏度切換晶體管37的柵極電壓gci，能夠在讀出圖像信號時更靈活地進行來自攝像單元10d的靈敏度的切換。另外，從像素的微細化的角度考慮，在第1電容元件21和第2電容元件22之外不另外設置電容元件39，而兼用噪聲消除用的電容元件和靈敏度調(diào)制用的電容元件比較有利。

另外，本發(fā)明包括上述所有的實施方式，包括使用在半導體基板形成的光電二極管的情況。圖15所示的攝像單元10f是在第1實施方式的圖2中使用光電二極管作為光電變換部11的一例。圖15所示的攝像單元10f與圖2所示的攝像單元10a的不同之處在于，在光電二極管11和電荷蓄積節(jié)點fd之間具有傳輸晶體管60、以及不具有反饋電路fc和第2電容元件c2。并且，在圖15所示的攝像單元10f中，對晶體管61的源極及漏極中未與第1電容元件21連接的一方施加規(guī)定的復位電壓。

在攝像單元10f中，在對傳輸晶體管60的柵極供給電壓脈沖時，在光電二極管11蓄積的電荷通過傳輸晶體管60傳輸給電荷蓄積節(jié)點fd。傳輸后的動作除有關反饋的動作以外，與在第1實施方式中說明的動作基本相同。

圖16表示具有本發(fā)明的實施方式的攝像裝置的攝像機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例。圖16所示的攝像機系統(tǒng)200具有透鏡光學系統(tǒng)201、攝像裝置100、攝像機信號處理部202、系統(tǒng)控制器203。上述的攝像裝置100a～100d都能夠用作攝像裝置100。

透鏡光學系統(tǒng)201包括例如自動聚焦用透鏡、變焦用透鏡及光圈。透鏡光學系統(tǒng)201使光會聚于攝像裝置100的攝像面。攝像機信號處理部202作為對來自攝像裝置100的輸出信號進行處理的信號處理電路發(fā)揮作用。攝像機信號處理部202執(zhí)行例如伽瑪校正、顏色插補處理、空間插補處理及自動白平衡等處理，并輸出圖像數(shù)據(jù)(或者信號)。攝像機信號處理部202例如由dsp(digitalsignalprocessor：數(shù)字信號處理器)等實現(xiàn)。系統(tǒng)控制器203控制攝像機系統(tǒng)200整體。系統(tǒng)控制器203例如由微處理器實現(xiàn)。通過對攝像裝置100應用上述的實施方式，對于各攝像單元將曝光期間設為1次，即可取得靈敏度不同的圖像信號，能夠更容易拍攝具有較寬動態(tài)范圍的場景。

另外，上述的復位晶體管24、信號檢測晶體管26、26b、地址晶體管28、28b、反饋晶體管34、34b及靈敏度切換晶體管36～38分別既可以是n溝道m(xù)os，也可以是p溝道m(xù)os。這些晶體管不需要全部統(tǒng)一為n溝道m(xù)os或者p溝道m(xù)os任意一方。晶體管也可以使用fet以外的雙極晶體管。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明的攝像裝置應用于例如圖像傳感器、數(shù)碼相機等。本發(fā)明的攝像裝置能夠用于醫(yī)療用攝像機、機器人用攝像機、安保攝像機、搭載于車輛使用的攝像機等。