摄像装置的制作方法

本发明涉及摄像装置。

背景技术：

近年来，提出了在ccd(chargecoupleddevice：电荷耦合器件)图像传感器及cmos(complementarymos：互补金属氧化物半导体)图像传感器等摄像装置中实现较宽动态范围的技术。例如，下述的专利文献1公开了使用尺寸彼此不同的高灵敏度单元和低灵敏度单元的固体摄像装置。下述的专利文献2公开了以曝光期间彼此不同的方式进行两次的电子快门动作，由此从各像素得到灵敏度不同的两个信号的方法。在专利文献2所记载的技术中，通过对每个像素选择两个信号中的任意一个信号，形成扩大了动态范围的图像。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2000－125209号公报

【专利文献2】日本特开2011－040926号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

但是，在专利文献1所记载的技术中，需要在摄像区域形成两种摄像单元。另一方面，根据专利文献2所记载的技术，虽然能够使各摄像单元的构造相同，但是需要分开设计用于取得高灵敏度的信号的曝光期间和用于取得低灵敏度的信号的曝光期间。因此，在高灵敏度和低灵敏度的两个信号之间不能使曝光开始的定时及曝光期间的长度一致，因此有可能产生画质劣化。另外，需要对应两个信号进行两次的复位动作。

用于解决问题的手段

根据本发明的非限定性的某个示例性的实施方式提供以下技术。

一种摄像装置，具有包括第1光电变换部、和检测在所述第1光电变换部产生的电信号的第1信号检测电路的第1摄像单元，所述第1信号检测电路包括：第1晶体管，其源极及漏极中一方与所述第1光电变换部电连接；第1电容元件，其一端与所述第1晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接，另一端被施加基准电位；以及第2晶体管，其栅极与所述第1光电变换部电连接，所述第1摄像单元在1帧期间内依次输出所述第1晶体管截止的状态的信号即第1图像信号和所述第1晶体管导通的状态的信号即第2图像信号。

概括性的或具体的方式也可由元件、器件、模块、系统、集成电路、方法或者计算机程序实现。另外，概括性的或具体的方式也可通过元件、器件、模块、系统、集成电路、方法及计算机程序的任意组合来实现。

所公开的实施方式的追加性效果及优点根据说明书及附图得到明确。效果及/或优点由在说明书及附图中公开的各个实施方式或者特征单独实现，为了得到这些效果及/或优点中一个以上的效果及/或优点，不一定需要上述全部要素。

发明效果

根据本发明的实施方式，提供结构更简洁且能够进行较宽动态范围的摄影的摄像装置。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的摄像装置的示例性结构的块图。

图2是表示摄像单元10a的示例性电路结构的电路示意图。

图3是用于说明第1实施方式的信号读出动作的典型例的时序图。

图4是表示第1实施方式的摄像装置的变形例的电路结构的图。

图5是表示本发明的第2实施方式的摄像装置的示例性结构的块图。

图6是表示图5所示的摄像单元10c的示例性电路结构的电路示意图。

图7是表示灵敏度切换寄存器90的电路结构的典型例的图。

图8是用于说明与基于曝光的电荷蓄积节点fd的电压变化对应的摄像单元10c的灵敏度的切换的图。

图9是用于说明与基于曝光的电荷蓄积节点fd的电压变化对应的摄像单元10c的灵敏度的切换的图。

图10是用于说明第2实施方式的信号读出动作的典型例的时序图。

图11是表示对第0行第0列的摄像单元10c具有的灵敏度切换晶体管36的栅极施加的电压bs00的变化、及对第0行第1列的摄像单元10c具有的灵敏度切换晶体管36的栅极施加的电压bs01的变化的一例的时序图。

图12是表示第2实施方式的摄像装置的变形例的电路示意图。

图13是表示摄像单元的变形例的电路示意图。

图14是表示摄像单元的另一变形例的电路示意图。

图15是表示摄像单元的又另一变形例的电路示意图。

图16是表示具有本发明的实施方式的摄像装置的摄像机系统的结构例的块图。

标号说明

10p、10pc单元对；10a～10e摄像单元；11、12b光电变换部；21第1电容元件；22第2电容元件；23b第3电容元件；24复位晶体管；26、26b信号检测晶体管；28、28b地址晶体管；32j、32bj反转放大器；34、34b反馈晶体管；36～38灵敏度切换晶体管；80行扫描电路；82、82b列电路；84信号处理电路；90灵敏度切换寄存器；100、100a～100d摄像装置；200摄像机系统；ai、abi第i行的地址控制线；bj第j列的灵敏度切换线；cmpj第j列的比较器；fc、fcb反馈电路；fd、fdb电荷蓄积节点；fi、fbi第i行的反馈控制线；rgj第j列的寄存器；ri第i行的复位控制线；sc、scb～sce信号检测电路；sj、sbj输出信号线。

具体实施方式

本发明的一个方式的概要如下所述。

[项目1]

一种摄像装置，具有包括第1光电变换部、和检测在所述第1光电变换部产生的电信号的第1信号检测电路的第1摄像单元，

所述第1信号检测电路包括：第1晶体管，其源极及漏极中一方与所述第1光电变换部电连接；第1电容元件，其一端与所述第1晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接，另一端被施加基准电位；以及第2晶体管，其栅极与所述第1光电变换部电连接，

所述第1摄像单元在1帧期间内依次输出所述第1晶体管截止的状态的信号即第1图像信号和所述第1晶体管导通的状态的信号即第2图像信号。

根据项目1的结构，在1帧期间中对各摄像单元的曝光是1次，能够从各摄像单元单独取得第1图像信号和第2图像信号。在各摄像单元中取得第1图像信号用的曝光期间和取得第2图像信号用的曝光期间相同，因而能够进行抑制了画质劣化的产生的较宽动态范围图像的形成。

[项目2]

一种摄像装置，具有分别包括第1光电变换部、和检测在第1光电变换部产生的电信号的第1信号检测电路的多个第1摄像单元，

第1信号检测电路包括：第1晶体管，其源极及漏极中一方与第1光电变换部电连接；第1电容元件，其一端与所述第1晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接，另一端被施加基准电位；以及第2晶体管，其栅极与第1光电变换部电连接，

在1帧期间内，多个第1摄像单元中的一部分第1摄像单元输出第1晶体管截止的状态的信号即第1图像信号，在从一部分第1摄像单元输出第1图像信号时，一部分第1摄像单元以外的一个以上的第1摄像单元输出第1晶体管导通的状态的信号即第2图像信号。

根据项目2的结构，在1帧期间中，从各摄像单元选择性地读出第1图像信号及第2图像信号任意一方，因而能够实现更高速的动作。并且，能够在取得第1图像信号用的曝光期间和取得第2图像信号用的曝光期间之间使其长度一致。

[项目3]

根据项目1所述的摄像装置，所述摄像装置还具有包括第2光电变换部、和检测在所述第2光电变换部产生的电信号的第2信号检测电路的第2摄像单元，

所述第2信号检测电路包括：第3电容元件，其一端与所述第2光电变换部电连接，另一端被施加所述基准电位；以及第3晶体管，其栅极与所述第2光电变换部电连接。

[项目4]

根据项目1～3中任意一项所述的摄像装置，第1信号检测电路包括第2电容元件，其一端与所述第1光电变换部电连接，另一端与所述第1晶体管的所述源极及所述漏极中的所述另一方电连接，

第2电容元件的电容值小于第1电容元件的电容值。

根据项目4的结构，能够实现更有效的噪声消除。

[项目5]

根据项目1～4中任意一项所述的摄像装置，所述摄像装置还具有第1反馈电路，所述第1反馈电路形成使在第1光电变换部产生的电信号负反馈的反馈路径。

根据项目5的结构，能够降低ktc噪声。

[项目6]

根据项目5所述的摄像装置，第1晶体管的源极及漏极中一方具有与第1光电变换部的连接，

第1反馈电路将在第1光电变换部产生的电信号负反馈给第1晶体管的源极及漏极中另一方。

根据项目6的结构，与项目4的结构一样，能够得到降低ktc噪声的效果。

[项目7]

根据项目5或6所述的摄像装置，所述摄像装置还具有：

第2摄像单元，包括第2光电变换部、和检测在第2光电变换部产生的电信号的第2信号检测电路；以及

第2反馈电路，形成使在第2光电变换部产生的电信号负反馈的反馈路径，

第2信号检测电路包括：第3电容元件，其一端与第2光电变换部电连接，另一端被施加基准电位；以及第3晶体管，其栅极与第2光电变换部连接。

根据项目7的结构，可以提供能够对应更广的动态范围的摄像装置。

[项目8]

根据项目7所述的摄像装置，第2信号检测电路在第2光电变换部和所述第3电容元件的所述一端之间不包含晶体管。

[项目9]

一种摄像装置，具有包括第1光电变换部、和检测在所述第1光电变换部产生的电信号的第1信号检测电路的第1摄像单元，

所述第1信号检测电路包括：第1晶体管，其源极及漏极中一方与所述第1光电变换部电连接；第1电容元件，其一端与所述第1晶体管的所述源极及所述漏极中另一方电连接，另一端被施加基准电位；以及第2晶体管，其栅极与所述第1光电变换部电连接，

在1帧期间内，所述第1摄像单元根据在所述第1光电变换部产生的电信号的大小，选择性地输出所述第1晶体管截止的状态的信号即第1图像信号和所述第1晶体管导通的状态的信号即第2图像信号中任意一方。

[项目10]

根据项目9所述的摄像装置，所述摄像装置还具有与所述第1信号检测电路电连接的灵敏度切换电路，

所述第1信号检测电路还具有栅极与所述灵敏度切换电路连接、并与所述第1晶体管串联连接的第3晶体管，

所述灵敏度切换电路根据在所述第1晶体管截止的状态下检测出的信号的大小，使所述第3晶体管导通或者截止。

[项目11]

根据项目10所述的摄像装置，所述灵敏度切换电路包括比较器，用于比较在所述第1晶体管截止的状态下检测出的信号的大小和基准信号的大小。

下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。另外，下面说明的实施方式均用于示出概括性的或具体的示例。在下面的实施方式中示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置及连接方式、步骤、步骤的顺序等仅是一例，其主旨不是限定本发明。在本说明书中说明的各种方式能够在不产生矛盾的情况下相互组合。并且，关于下面的实施方式的构成要素中、没有在表示最上位概念的独立权利要求中记载的构成要素，作为任意的构成要素进行说明。在下面的说明中，对实质上具有相同功能的构成要素采用相同的参照标号示出，有时省略说明。

(第1实施方式)

图1表示本发明的第1实施方式的摄像装置的示例性结构。图1所示的摄像装置100a具有包括多个摄像单元10a的像素阵列pa和周边电路。摄像单元10a例如在半导体基板上呈二维状排列，由此形成摄像区域。在该例中，摄像单元10a配置成m行n列的矩阵状。

在图示的例子中，各摄像单元10a的中心位于正方形网格的网格点上。当然，摄像单元10a的配置不限于图示的例子，例如也可以将多个摄像单元10a配置成使各自的中心位于三角形网格、六边形网格等的网格点上。多个摄像单元10a也可以呈一维状排列。即，摄像单元10a的配置可能是m行1列或者1行n列。在这种情况下，能够将摄像装置100a用作线传感器(linesensor)。

在图1示例的结构中，周边电路包括行扫描电路80、列电路82、信号处理电路84、输出电路86及控制电路88。周边电路既可以配置在形成有像素阵列pa的半导体基板上，也可以是其一部分配置在另一基板上。

行扫描电路80具有与复位控制线ri和反馈控制线fi的连接。复位控制线ri及反馈控制线fi对应像素阵列pa的各行而设置。即，多个摄像单元10a中属于第i行的一个以上的摄像单元10a与复位控制线ri及反馈控制线fi连接。其中，i＝0～m-1，m为1以上的整数。

行扫描电路80具有与图1中未图示的地址控制线的连接。地址控制线与复位控制线ri及反馈控制线fi一样也对应像素阵列pa的各行而设置，与属于第i行的一个以上的摄像单元10a连接。行扫描电路80通过对地址控制线施加规定的电压，按照行单位选择摄像单元10a，进行信号电压的读出及后述的复位动作。行扫描电路80也被称为垂直扫描电路。

列电路82具有与对应像素阵列pa的各行而设置的输出信号线sj的连接。其中，j＝0～n-1，n为1以上的整数。多个摄像单元10a中属于第j列的一个以上的摄像单元10a与输出信号线sj连接，来自由行扫描电路80按照行单位选择的摄像单元10a的输出信号，通过输出信号线sj被读出到列电路82中。列电路82对从摄像单元10a读出的输出信号进行以相关双重采样为代表的杂音抑制信号处理、模拟-数字变换(ad变换)等。

信号处理电路84对从摄像单元10a取得的图像信号实施各种处理。在本说明书中，“图像信号”是指通过输出信号线sj读出的信号中被用于图像的形成的输出信号。详细情况将在后面进行说明，在第1实施方式中，执行来自被设为高灵敏度状态的摄像单元10a的图像信号(以下有时称为“高灵敏度信号”)的读出、和来自被设为低灵敏度状态的摄像单元10a的图像信号(以下有时称为“低灵敏度信号”)的读出。信号处理电路84根据这些高灵敏度信号及低灵敏度信号形成较宽动态范围图像。信号处理电路84的输出通过输出电路86被读出到摄像装置100a的外部。

控制电路88接收从摄像装置100a的例如外部提供的指令数据、时钟等，控制摄像装置100a整体。控制电路88典型地讲具有定时产生器，对行扫描电路80、列电路82等提供驱动信号。

图2表示摄像单元10a的示例性电路结构。图2将属于像素阵列pa的第i行的、第j列的摄像单元10a取出进行图示。如图2所示，摄像单元10a具有光电变换部11、和检测在光电变换部11产生的电信号的信号检测电路sc。

信号检测电路sc具有第1电容元件21、复位晶体管24及信号检测晶体管26。在该例中，信号检测电路sc包括地址晶体管28。典型地讲，复位晶体管24、信号检测晶体管26及地址晶体管28是形成于半导体基板的电场效应晶体管(fet)。以下只要没有特别说明，就以晶体管采用n沟道mos为例进行说明。另外，半导体基板不限于其整体是半导体的基板，也可以是在形成有摄像区域的一侧的表面设有半导体层的绝缘基板等。

光电变换部11接受光的入射，生成与照度对应的信号。在此，关于光电变换部11示例光电变换层11y被夹在像素电极11x和对置电极11z之间的构造。在这种情况下，典型地讲在形成有上述的复位晶体管24等的半导体基板上设有层间绝缘层，光电变换部11配置在该层间绝缘层上。即，摄像装置100a可以是在半导体基板的上部具有光电变换层的所谓层压型的摄像装置。下面，说明摄像装置100a是层压型的摄像装置的示例。当然，光电变换部11也可以是形成于半导体基板的光电二极管等。在这种情况下，也可以在光电变换部11和后述的电荷蓄积节点fd之间设置传输晶体管。在光电变换部11产生的电荷通过传输晶体管传输给电荷蓄积节点fd后，能够适用在以下的各实施方式中说明的动作。

在光电变换部11中，像素电极11x配置在覆盖上述的复位晶体管24等的层间绝缘层上。对每个摄像单元10a设有像素电极11x。典型地讲，各个摄像单元10a的像素电极11x在空间上与相邻的其它摄像单元10a的像素电极11x之间分开，由此与其它摄像单元10a的像素电极11x电分离。像素电极11x由铝、铜等金属、金属氮化物、或者通过掺杂不纯物被赋予了导电性的多晶硅等形成。

光电变换层11y由有机材料或者非晶硅等无机材料形成，通过光电变换而生成正及负的电荷(空穴-电子对)。典型地讲，光电变换层11y遍及多个摄像单元10a而形成。光电变换层11y也可以包括由有机材料构成的层和由无机材料构成的层。

隔着光电变换层11y与像素电极11x对置的对置电极11z是由ito等透明的导电性材料形成的电极，配置在光电变换层11y的两个主面中光入射的一侧。典型地讲，对置电极11z与光电变换层11y一样遍及多个摄像单元10a而形成。

在摄像装置100a进行动作时，对对置电极11z施加规定的电压vp。通过遍及多个摄像单元10a形成对置电极11z，能够对多个摄像单元10a统一施加电压vp。关于电压vp，也可以对由几个摄像单元10a构成的每个像素块提供不同的电压。通过对每个像素块提供不同的电压，能够使每个像素块的灵敏度不同。电压vp既可以由行扫描电路80(参照图1)供给，也可以由其它电源电路供给。

通过对对置电极11z施加电压vp，能够由像素电极11x收集在光电变换层11y生成的空穴及电子中一方。在使用空穴作为信号电荷的情况下，使对置电极11z的电位高于像素电极11x即可。在使用空穴作为信号电荷的情况下，例如对对置电极11z施加约10v的电压作为电压vp。下面，关于信号电荷示例空穴。信号电荷也可以使用电子。

光电变换部11和信号检测电路sc通过设于层间绝缘层内的配线层电连接。如图2所示，在此是像素电极11x和信号检测晶体管26的栅极相连接。由像素电极11x收集的信号电荷被蓄积在像素电极11x和信号检测晶体管26的栅极之间的节点即电荷蓄积节点(也称为“悬浮扩散节点”)fd。因此，对信号检测晶体管26的栅极施加与在电荷蓄积节点fd蓄积的信号电荷的量对应的电压。

信号检测晶体管26的源极通过地址晶体管28与输出信号线sj连接。输出信号线sj具有与由上述的列电路82(参照图1)等构成的恒流源ccj的连接。信号检测晶体管26的漏极具有与电源配线(源极追随电源)的连接。由信号检测晶体管26和与输出信号线sj连接的恒流源ccj形成源极追随电路。在摄像装置100a进行动作时，信号检测晶体管26的漏极接受电源电压vdd(例如约3.3v)的供给，由此将施加给栅极的电压放大。换言之，信号检测晶体管26将通过光电变换部11生成的信号放大。

由信号检测晶体管26放大的电压通过地址晶体管28作为信号电压被选择性地读出。如图所示，地址晶体管28的栅极与在像素阵列pa的每行设置的地址控制线ai连接。地址控制线ai典型地讲与行扫描电路80(参照图1)连接，行扫描电路80通过控制施加给地址控制线ai的电压ad，能够控制地址晶体管28的导通及截止。

如上所述，信号检测电路sc具有第1电容元件21和复位晶体管24。复位晶体管24的源极及漏极中一方(典型地讲是漏极)与电荷蓄积节点fd连接，源极及漏极中另一方与第1电容元件21的一个电极连接。下面，为了便于说明，有时将复位晶体管24和第1电容元件21之间的节点称为“复位漏极节点rd”。

在摄像装置100a进行动作时，对第1电容元件21的另一个电极施加基准电位vr(例如0v)。基准电位vr既可以通过行扫描电路80(参照图1)来施加，也可以通过其它电源电路来施加。

第1电容元件21具有比较大的电容值c1。第1电容元件21既可以具有mis(metal-insulator-semiconductor)构造，也可以具有mim(metal-insulator-metal)构造。通过采用mim构造，容易得到更大的电容值。另外，在本说明书中，电容元件(capacitor)是指绝缘膜等电介质夹在电极之间的构造。本说明书中的“电极”不限于由金属形成的电极，可以更广地解释为包含多晶硅层等。本说明书中的“电极”可以是半导体基板的一部分。

在图2示例的结构中，信号检测电路sc还包括与复位晶体管24并联连接的第2电容元件22。另外，从将曝光的次数设为一次并单独取得低灵敏度信号和高灵敏度信号的角度考虑，第2电容元件22不是必须的。但是，通过与复位晶体管24并联地连接第2电容元件22，能够提高后述的噪声消除效果，因而从降低噪声的角度考虑，信号检测电路sc具有第2电容元件22时比较有利。

第2电容元件22的电容值c2小于第1电容元件21的电容值c1。电容值c2典型地讲与电容值c1相比足够小。第2电容元件22的电容值c2与第1电容元件21的电容值c1之比(c2/c1)例如约为1/10。第2电容元件22的构造可以是mis构造及mim构造中任意一种构造。第1电容元件21的构造和第2电容元件22的构造不需要一致。

复位晶体管24的栅极与行扫描电路80所连接的复位控制线ri连接。因此，行扫描电路80能够根据对施加给复位控制线ri的电压rst的控制，切换具有与复位控制线ri的连接的摄像单元10a的复位晶体管24的导通及截止。通过使复位晶体管24截止，在摄像单元10a中，能够在电荷蓄积节点fd和基准电位vr之间形成将第1电容元件21和第2电容元件22串联连接构成的电容电路。如后面所述，在第1实施方式中，在1帧期间中执行复位晶体管24截止的状态的信号的读出及复位晶体管24导通的状态的信号的读出。由此，能够依次取得高灵敏度信号和低灵敏度信号。另外，在本说明书中“依次”意味着不是同时。

在该例中，摄像装置100a具有反馈电路fc。反馈电路fc包括与输出信号线sj对应地在像素阵列pa的每列设置的反转放大器32j。反转放大器32j可以是上述的周边电路的一部分。

如图所示，反转放大器32j的反转输入端子与输出信号线sj连接，输出信号线sj具有与属于第j列的一个以上的摄像单元10a的连接。另一方面，非反转输入端子在摄像装置100a进行动作时接受规定的电压(例如1v或者1v附近的正电压)vref的供给。该电压vref被用作复位时的基准电压。反转放大器32j的输出端子与反馈线lj连接。

在图示的例子中，摄像单元10a具有源极及漏极中一方与复位漏极节点rd连接的反馈晶体管34。反馈线lj与反馈晶体管34的源极及漏极中另一方连接。如图所示，反馈晶体管34的栅极具有与行扫描电路80所连接的反馈控制线fi的连接。因此，行扫描电路80能够根据对施加给反馈控制线fi的电压fb的控制，切换反馈晶体管34的导通及截止。施加给反馈控制线fi的电压fb不限于高电平及低电平的电压，也可以包含倾斜电压(rampvoltage)。“倾斜电压”包括具有随着时间经过而大致增加或者大致减小的波形的电压。“倾斜电压”不限于呈直线状增加或者减小的电压，也可以是具有阶梯状的波形的电压、具有伴随着振动而增加或者减小的波形的电压等。

通过将反馈晶体管34和地址晶体管28导通，能够形成使在光电变换部11产生的电信号负反馈的反馈路径。即，反馈电路fc可以说是将在光电变换部11产生的电信号负反馈给复位晶体管24的源极及漏极中未与电荷蓄积节点fd连接的一侧的电路。由反馈晶体管34和反转放大器32j构成反馈电路fc的反馈路径的一部分。也可以将反转放大器32j称为反馈放大器。

通过形成反馈路径，能够执行后述的噪声消除。在该例中，使信号检测电路sc的输出负反馈的反馈电路fc包括频带控制电路40作为其一部分，频带控制电路40具有反馈晶体管34、第1电容元件21及第2电容元件22。在进行噪声消除时，第1电容元件21及反馈晶体管34作为rc滤波电路发挥作用。另外，反馈路径的形成是对具有与输出信号线sj的连接的一个以上的摄像单元10a中的一个摄像单元10a依次执行的。换言之，噪声消除是以行单位来执行的。

(第1实施方式的信号读出动作)

图3是用于说明第1实施方式的信号读出动作的典型例的时序图。在图3中，rstps表示指定像素阵列pa的各行的复位的开始的定时的电压脉冲。adi、rsti及fbi分别表示对第i行的地址控制线ai、复位控制线ri及反馈控制线fi施加的电压的变化。下面说明的动作是适用按照行单位进行曝光及信号的读出的所谓滚动快门的例子。在图3中，阴影线的矩形hr、lr及rr分别表示高灵敏度信号、低灵敏度信号及复位信号的读出的期间。双箭头nrc表示信号取得后的复位及噪声消除用的期间。关于复位及噪声消除的详细情况在后面进行说明。

在此关注第0行。在进行曝光及信号的读出之前，首先通过后述的复位动作将电荷蓄积节点fd的电荷复位。此时，通过执行后述的噪声消除，降低在复位时产生的ktc噪声。在复位及噪声消除之后开始曝光。在第0行的曝光期间，ad0、rst0及fb0都是低电平。即，属于第0行的摄像单元10a的地址晶体管28、复位晶体管24及反馈晶体管34都是截止的状态。另外，为了避免附图变复杂，在图3中未示出曝光前的复位及噪声消除、和之后的曝光期间。

通过曝光在包含电荷蓄积节点fd的信号电荷的蓄积区域(以下，有时称为“电荷蓄积区域”)中蓄积与照度对应的信号电荷(此处为空穴)。在曝光期间结束后，行扫描电路80将ad0变更为高电平，使地址晶体管28导通。通过地址晶体管28导通，经由信号检测晶体管26将与所蓄积的电荷量对应的信号读出到输出信号线sj中。

在该例中，首先执行复位晶体管24截止的状态的信号的读出。在复位晶体管24截止时，在光电变换部11和基准电位之间形成有将第1电容元件21和第2电容元件22串联连接构成的电容电路。如果将电荷蓄积节点fd的寄生电容的电容值设为cfd，复位晶体管24截止的状态下的电荷蓄积区域整体的电容值表示为(cfd+(c1c2)/(c1+c2))。如上所述，第2电容元件22的电容值c2典型地讲与第1电容元件21的电容值c1相比足够小。因此，复位晶体管24截止的状态下的信号电荷的蓄积区域整体的电容值大致为(cfd+c2)。

在第1实施方式中，在复位晶体管24截止的状态下通过信号检测晶体管26取得的图像信号相当于上述的高灵敏度信号。另外，图像信号的读出期间可以包含列电路82(参照图1)进行的ad变换用的期间。与高灵敏度信号对应的图像数据(第1图像数据)暂且保存在缓冲存储器中。缓冲存储器例如配置在上述的列电路82内或者信号处理电路84内。

在第1实施方式中，在读出复位晶体管24截止的状态的图像信号后，还执行复位晶体管24导通的状态的图像信号的读出。在读出复位晶体管24导通的状态的图像信号后，行扫描电路80将rst0变更为高电平，使复位晶体管24导通。通过复位晶体管24导通，第1电容元件21经由复位晶体管24与光电变换部11连接。通过第1电容元件21经由复位晶体管24与光电变换部11连接，电荷蓄积区域整体的电容值从(cfd+c2)增大为(cfd+c1)。

在复位晶体管24导通后，图像信号被读出。此时，通过信号检测晶体管26取得的图像信号相当于上述的低灵敏度信号。如参照图2可知，上述的高灵敏度信号的读出是不伴随从电荷蓄积节点fd取出信号电荷自身的非破坏性的读出。另外，信号电荷在高灵敏度信号的读出期间也蓄积，但图像信号的读出所需要的时间相对于曝光期间整体足够短。因此，可以说在高灵敏度信号和低灵敏度信号之间曝光期间的长度相同。因此，在高灵敏度信号的读出时和低灵敏度信号的读出时之间，在电荷蓄积区域整体中蓄积的电荷量几乎不变。

其中，低灵敏度信号的读出时的电荷蓄积区域整体的电容值相比高灵敏度信号的读出时增大。因此，信号检测晶体管26的栅极电压降低，成为相同的电荷蓄积量，但所输出的信号电平降低。即，实现与降低摄像单元10a的灵敏度的状态的摄影相同的状态。例如，如果设(cfd+c2)：(cfd+c1)＝1:10，在复位晶体管24截止的状态(相当于高灵敏度的状态)和复位晶体管24导通的状态(相当于低灵敏度的状态)之间，能够实现10:1的灵敏度比。

在读出复位晶体管24导通的状态的低灵敏度信号后，再次执行复位及噪声消除。在该例中，通过将rst0及fb0变更为高电平，使复位晶体管24及反馈晶体管34导通，然后使复位晶体管24截止，由此执行复位。在第1实施方式中，可以说复位晶体管24具有切换从摄像单元10a输出高灵敏度信号及低灵敏度信号哪一方的功能、和开始电荷蓄积节点fd的复位的功能。

并且，在该例中，通过在复位晶体管24截止之后使电压fb0从高电平降低至低电平，执行噪声消除。在执行复位及噪声消除后读出输出信号线sj的电压，由此取得复位信号。复位信号的读出期间可以包含ad变换用的期间。复位信号在列电路82(参照图1)的相关双重采样中使用。相关双重采样也可以通过信号处理电路84执行。

如图3所示，上述一系列的动作是以行单位执行的。通过最末行的复位信号的读出的结束，1帧期间结束。在本说明书中，将“1帧期间”定义为从最初行(此处为第0行)的高灵敏度信号或者低灵敏度信号的读出、到最末行(此处为第(m-1)行)的复位信号的读出结束的期间。

另外，在图3所示的例子中，在读出低灵敏度信号后，使复位晶体管24暂且截止后再次导通。即，在此执行诸如在1帧期间中使各个摄像单元10a的复位晶体管24导通两次(也可以说截止两次)的控制。这样，也可以执行诸如使各个摄像单元10a的复位晶体管24在1帧期间中至少两次导通或者截止的控制。或者，也可以读出低灵敏度信号后不使复位晶体管24截止，而使反馈晶体管34导通，由此开始复位。复位晶体管24及反馈晶体管34的导通及截止是根据例如上述的控制电路88(参照图1)的控制执行的。

通过将与高灵敏度信号对应的图像数据(第1图像数据)和与低灵敏度信号对应的图像数据(第2图像数据)合成，能够形成抑制了泛白及黑色失真的图像(较宽动态范围图像)。将这样的图像的形成称为“高动态范围合成”。高动态范围合成的具体方法能够采用公知的方法。第1图像数据和第2图像数据的合成例如通过信号处理电路84执行。另外，第1图像数据和第2图像数据的合成既可以按照行单位执行，也可以按照帧单位执行。如果执行行单位的合成，能够将高灵敏度信号的读出和低灵敏度信号的读出之间的时间差抑制为1h期间(1行的扫描所需要的时间)量的长度。

这样，在第1实施方式中，各个摄像单元10a分别在1帧期间中依次输出高灵敏度信号和低灵敏度信号。如根据上述的说明所明确的那样，根据第1实施方式，能够使在1帧期间中对各个摄像单元10a的曝光是1次，并且从各个摄像单元10a单独取得高灵敏度信号和低灵敏度信号。换言之，不需要为分别取得高灵敏度信号和取得低灵敏度信号而设定合计2次的曝光期间。因此，抑制较宽动态范围图像中的画质劣化的产生。并且，能够实现动作的高速化。也不需要每当取得高灵敏度信号和低灵敏度信号时就进行复位动作。

另外，在关注于属于相同行的各个摄像单元10a时，取得高灵敏度信号用的曝光期间的开始的定时和取得低灵敏度信号用的曝光期间的开始的定时一致，而且这些曝光期间的长度大致相同。因此，根据第1实施方式，能够确保与高灵敏度信号对应的图像数据和与低灵敏度信号对应的图像数据之间的同时性。

(复位及噪声消除)

在此，参照图2及图3详细说明复位及噪声消除的动作。如上所述，通过将复位晶体管24及反馈晶体管34设为导通，复位开始。根据图2可知，通过将复位晶体管24及反馈晶体管34设为导通，电荷蓄积节点fd和反馈线lj通过复位晶体管24及反馈晶体管34而连接，并形成使反馈(此处是负反馈)光电变换部11的信号的反馈路径。反馈晶体管34具有切换是否形成反馈路径的功能。对与输出信号线sj连接的摄像单元10a中、通过将地址控制线ai的电压adi设为高电平而选择的行的摄像单元10a，执行反馈路径的形成。

通过电荷蓄积节点fd和反馈线lj电连接，将输出信号线sj的电压收敛为施加给反转放大器32j的非反转输入端子的电压vref。电压vref能够使用电源电压(例如3.3v)及接地(0v)范围内的任意大小的电压。

然后，将复位晶体管24设为截止。通过将复位晶体管24设为截止，产生ktc噪声。因此，在复位后的电荷蓄积节点fd的电压中增加ktc噪声。

如参照图2可知，在反馈晶体管34导通的期间，形成了将电荷蓄积节点fd、信号检测晶体管26、反馈晶体管34及第2电容元件22包含在其路径中的反馈路径的状态继续。在形成了反馈路径时(也可以说是反馈晶体管34不截止时)，反馈晶体管34输出的信号在由第2电容元件22和电荷蓄积节点fd的寄生电容形成的衰减电路中衰减。此时的衰减率b表示为b＝c2/(c2+cfd)。因此，如果将反馈电路fc的增益设为a，通过将复位晶体管24设为截止而产生的ktc噪声被抑制为1/(1+a×b)倍。

在该例中，即将把复位晶体管24设为截止前(即将开始噪声消除前)的输出信号线sj的电压，与施加给反转放大器32j的非反转输入端子的电压vref大致相等。这样，通过使噪声消除开始时的输出信号线sj的电压接近噪声消除后的目标电压vref，能够在比较短的时间内消除ktc噪声。

其中，刚刚将复位晶体管24设为截止后的反馈控制线fi的电压电平是高电平。因此，刚刚将复位晶体管24设为截止后的反馈晶体管34的动作频带是比较宽的频带。如果反馈晶体管34的动作频带较宽，则能够快速抑制噪声。

另外，其中在将复位晶体管24设为截止后，使反馈控制线fi的电压电平从高电平缓慢降低至低电平。在以跨越反馈晶体管34的阈值电压的方式，使反馈控制线fi的电压电平从高电平朝向低电平缓慢降低时，反馈晶体管34从导通状态缓慢变化为截止状态。此时，随着施加给反馈控制线fi的电压fbi的下降，反馈晶体管34的电阻增加。在反馈晶体管34的电阻增加时，反馈晶体管34的动作频带变窄，要反馈的信号的频率区域变窄。通过将反馈晶体管34的动作频带设为相比信号检测晶体管26的动作频带足够低的频带，能够提高噪声抑制效果。

在施加给反馈控制线fi的电压fbi达到低电平时，反馈晶体管34截止。即，反馈路径的形成被解除。在反馈晶体管34的动作频带是相比信号检测晶体管26的动作频带足够低的频带时，在反馈晶体管34产生的热噪声通过反馈电路fc被抑制为1/(1+a×b)^1/2倍。通过在反馈晶体管34的动作频带比信号检测晶体管26的动作频带低的状态下将反馈晶体管34设为截止，能够降低残存在电荷蓄积节点fd中的ktc噪声。

这样通过设置反馈电路fc，能够降低ktc噪声。因此，能够得到抑制了噪声的影响的较宽动态范围图像。并且，不仅将第1电容元件21用于取得与灵敏度不同的状态对应的两个信号(高灵敏度信号和低灵敏度信号)，而且也能够有效地用于噪声消除。另外，本领域人员可以容易理解，根据省略了第2电容元件22的电路结构，也能够实现高灵敏度信号和低灵敏度信号之间的切换本身。但是，通过使用具有足够小的电容值的第2电容元件22，衰减率b能够得到更大的值，因而能够更有效地消除噪声。

(第1实施方式的变形例)

图4表示第1实施方式的摄像装置的变形例。图4所示的摄像装置100b与参照图1～图3说明的摄像装置100a的不同之处在于，摄像装置100b除摄像单元10a以外，还具有灵敏度比摄像单元10a低的第2摄像单元10b。如以下说明的那样，通过使用摄像单元10a和摄像单元10b，容易进行动态范围更宽的场景的摄影。下面，将摄像单元10b称为低灵敏度单元10b。

在图4示例的结构中，摄像单元10a和低灵敏度单元10b沿着行方向相邻。在本说明书中，行方向是指行延伸的方向，列方向是指列延伸的方向。即，例如在图1中，纸面中的垂直方向是列方向，纸面中的水平方向是行方向。在该例中，由在同一行中相邻的摄像单元10a和低灵敏度单元10b构成单元对10p。通过将多个单元对10p呈矩阵状配置在例如半导体基板上，形成摄像装置100b的摄像区域。图4示出了摄像装置100b的属于像素阵列pa的第i行的单元对10p中的一个单元对10p即第j列的单元对10p的电路结构的典型例。另外，也可以沿着列方向相邻地配置摄像单元10a和低灵敏度单元10b，由此形成单元对10p。

低灵敏度单元10b概略地讲具有与上述的摄像单元10a相似的结构。如图4所示，低灵敏度单元10b具有光电变换部12b、和检测在光电变换部12b产生的电信号的信号检测电路scb。

信号检测电路scb具有连接于光电变换部12b和基准电位vr之间的第3电容元件23b、和信号检测晶体管26b。在图4所示的例子中，信号检测电路scb还包括地址晶体管28b。地址晶体管28b连接于信号检测晶体管26b的源极或者漏极中一方(此处指源极)、和列电路82(参照图1)所连接的输出信号线sbj之间。

光电变换部12b具有与摄像单元10a的光电变换部11相同的结构。在此，关于光电变换部12b，与光电变换部11一样示例光电变换层12y被夹在像素电极12x和对置电极12z之间的构造。

像素电极12x典型地讲配置在覆盖信号检测晶体管26b、地址晶体管28b等的层间绝缘层上。像素电极12x通过在空间上分离，而与相邻的其它像素电极11x及像素电极12x电分离。另一方面，典型地讲，低灵敏度单元10b的光电变换层12y和摄像单元10a的光电变换层11y分别是连续单一光电变换层的一部分。并且，典型地讲，低灵敏度单元10b的对置电极12z和摄像单元10a的对置电极11z分别是连续的单一电极的一部分。

在摄像装置100b进行动作时，与摄像单元10a的对置电极11z一样，对低灵敏度单元10b的对置电极12z施加规定的电压vp。通过对对置电极12z施加规定的电压vp，能够通过像素电极12x收集在光电变换层12y产生的正及负的电荷中一方。关于电压vp，也可以对由几个单元对10p构成的每个像素块供给不同的电压。

如图4所示，像素电极12x具有与信号检测晶体管26b的栅极的连接。像素电极12x和信号检测晶体管26b的栅极之间的节点即电荷蓄积节点fdb构成蓄积信号电荷的电荷蓄积区域的至少一部分。因此，对信号检测晶体管26b的栅极施加与在电荷蓄积节点fdb蓄积的信号电荷的量对应的电压。

如图4所示，低灵敏度单元10b具有一个电极与电荷蓄积节点fdb连接的第3电容元件23b。第3电容元件23b与摄像单元10a的第1电容元件21一样具有比较大的电容值c3。典型地讲，第3电容元件23b的电容值c3与第1电容元件21的电容值c1相同或者在第1电容元件21的电容值c1以上。在该例中，在光电变换部12b和第3电容元件23b之间没有连接晶体管。

将电容值c3的具体的值设定成，使低灵敏度单元10b具有比复位晶体管24导通的状态换言之低灵敏度状态的摄像单元10a低的灵敏度。如后面所述，在摄像装置100b中，将复位晶体管24截止的状态的摄像单元10a、复位晶体管24导通的状态的摄像单元10a及低灵敏度单元10b，分别用作灵敏度最高的单元、灵敏度中等的单元及灵敏度最低的单元。较宽动态范围图像的某个像素的亮度值是根据从由这些单元取得的、灵敏度彼此不同的3个图像信号中选择的一个图像信号决定的。

信号检测晶体管26b的源极或者漏极中未与地址晶体管28b连接的一侧(此处是漏极)，与电源配线(源极追随电源)连接，在摄像装置100b进行动作时接受电源电压vdd的供给。由信号检测晶体管26b和与输出信号线sj连接的恒流源ccbj形成源极跟随电路。即，信号检测晶体管26b将通过光电变换部12b生成的信号放大。

通过使地址晶体管28b导通，能够将由信号检测晶体管26b放大的信号读出到具有与恒流源ccbj的连接的输出信号线sbj中。如图所示，地址晶体管28b的栅极与地址控制线abi连接。地址控制线abi典型地讲与行扫描电路80(参照图1)连接。通过控制施加给地址控制线abi的电压adb，能够以行单位选择低灵敏度单元10b来读出信号。地址控制线abi可以是与摄像单元10a的地址晶体管28的栅极所连接的地址控制线ai共用的信号线。

在图4示例的结构中，摄像装置100b具有形成使在光电变换部12b产生的电信号负反馈的反馈路径的反馈电路fcb。如图所示，反馈电路fcb包括反转放大器32bj，反转放大器32bj的反转输入端子与输出信号线sbj连接，输出端子与反馈线lbi连接。反馈晶体管34b连接于反馈线lbi和电荷蓄积节点fdb之间。

反馈晶体管34b的栅极与反馈控制线fbi连接。通过控制施加给反馈控制线fbi的电压fbb使反馈晶体管34b导通，能够形成将反馈晶体管34b及反转放大器32bj包含在其路径的一部分中的反馈路径。反馈控制线fbi可以是与摄像单元10a的反馈晶体管34的栅极所连接的反馈控制线fi相同的信号线。

低灵敏度单元10b的复位及噪声消除中的反馈控制线fbi的电位的控制，与参照图3说明的摄像单元10a的复位及噪声消除中的反馈控制线fi的电位的控制大致相同。低灵敏度单元10b的复位是通过将反馈晶体管34b导通而开始的。例如，通过以使从高电平朝向低电平下降的方式控制反馈控制线fbi的电位，能够缩小随着反馈晶体管34b的截止而产生的ktc噪声。另外，低灵敏度单元10b的灵敏度比处于低灵敏度状态的摄像单元10a还低，因而低灵敏度单元10b中的ktc噪声的影响比摄像单元10a中的ktc噪声的影响小。因此，在低灵敏度单元10b中，进行比摄像单元10a强力的噪声消除的必要性降低。在某个方式中，能够省略反馈电路fcb。

低灵敏度单元10b中的信号的读出的定时，与参照图3说明的摄像单元10a中的信号的读出的定时大致相同。但是，在1帧期间中从各个低灵敏度单元10b的图像信号的读出是1次。低灵敏度单元10b的灵敏度比处于低灵敏度状态的摄像单元10a还低，因而下面为了便于说明，将能够从低灵敏度单元10b得到的图像信号称为超低灵敏度信号。

在摄像装置100b中，在对各个摄像单元10a和低灵敏度单元10b的一次曝光中，能够取得高灵敏度信号、低灵敏度信号及超低灵敏度信号这3个信号。即，虽然摄像单元的种类是两种，但是能够得到与配置了高灵敏度、低灵敏度、更低灵敏度的3个单元时相同的效果。通过使用高灵敏度信号、低灵敏度信号及超低灵敏度信号执行高动态范围合成，即使是拍摄了具有更宽的广角动态范围的场景的情况下，也能够形成抑制了泛白和黑色失真的图像。

例如，使低灵敏度单元10b中的电荷蓄积节点fdb的寄生电容的电容值与摄像单元10a中的电荷蓄积节点fd的寄生电容的cfd相等，设c3＝c1＝cs。在这种情况下，低灵敏度单元10b中的电荷蓄积区域整体的电容值(cfd+cs)与复位晶体管24导通时的摄像单元10a的电荷蓄积区域整体的电容值(cfd+cs)相等。其中，在假设低灵敏度单元10b的光电变换部12b的像素电极12x的面积与摄像单元10a的光电变换部11的像素电极11x的面积之比为1:10时，低灵敏度单元10b与复位晶体管24导通时的摄像单元10a之间的灵敏度之比大致为1:10。其中，在摄像单元10a中，如果复位晶体管24导通时的电荷蓄积区域整体的电容值(cfd+cs)与截止时的电荷蓄积区域整体的电容值(cfd+c2)之比是10:1，则复位晶体管24导通时的摄像单元10a与截止时的摄像单元10a之间的灵敏度之比大致为1:10。其结果是，此时在低灵敏度单元10b、复位晶体管24导通时的摄像单元10a及复位晶体管24截止时的摄像单元10a之间能够得到1:10:100的灵敏度比。因此，与不使用低灵敏度单元10b的情况相比，能够实现更宽的动态范围。另外，在摄像装置100b进行动作时，通过在低灵敏度单元10b的对置电极12z和摄像单元10a的对置电极11z之间供给彼此不同的电压，也可以使低灵敏度单元10b和摄像单元10a之间产生灵敏度差异。

在图4示例的结构中，摄像装置100b具有反馈电路fcb，因而能够降低对超低灵敏度信号的ktc噪声的影响。另外，在摄像装置100b中，通过低灵敏度单元10b取得超低灵敏度的图像数据，通过能够执行更强力的噪声消除的摄像单元10a取得高灵敏度的图像数据和低灵敏度的图像数据，因而能够有效地形成低噪声宽动态范围图像。

(第2实施方式)

图5表示本发明的第2实施方式的摄像装置的示例性结构。图5所示的摄像装置100c与图1所示的摄像装置100a的主要的不同之处在于，摄像装置100c的像素阵列pa还包括与灵敏度切换寄存器90连接的多个摄像单元10c。在该例中，灵敏度切换寄存器90配置在列电路82b内。

多个摄像单元10c中属于第i行的一个以上的摄像单元10c与图1所示的摄像单元10a一样，与对应像素阵列pa的各行而设置的复位控制线ri及反馈控制线fi连接。多个摄像单元10c中属于第j列的一个以上的摄像单元10c与图1所示的摄像单元10a一样，与对应像素阵列pa的各列而设置的输出信号线sj连接。其中，属于第j列的一个以上的摄像单元10c也与对应像素阵列pa的各列而设置的灵敏度切换线bj连接。如图所示，灵敏度切换线bj与列电路82b连接。

如后面详细说明的那样，在第2实施方式中，通过变更灵敏度切换线bj的电压电平，切换从对应的摄像单元10c读出高灵敏度信号及低灵敏度信号哪一方。灵敏度切换线bj的电压电平是根据与通过输出信号线sj读出的电压和参照电压的比较而决定的。换言之，从各个摄像单元10c读出图像信号时的灵敏度，根据通过曝光而蓄积的信号电荷量而动态地变化。在1帧期间中从各个摄像单元10c读出的图像信号是高灵敏度信号及低灵敏度信号任意一方，因此在属于同一行的摄像单元10c中能够使曝光期间的长度在高灵敏度信号和低灵敏度信号之间一致。并且，在1帧期间中从各个摄像单元10c选择性地读出高灵敏度信号及低灵敏度信号任意一方，因而基本上不需要1帧量的高灵敏度的图像数据和1帧量的低灵敏度的图像数据之间的合成处理。

图6表示摄像单元10c的示例性电路结构。概略地讲，摄像单元10c具有与参照图2说明的摄像单元10a相同的结构。即，摄像单元10c具有光电变换部11、和检测在光电变换部11产生的电荷信号的信号检测电路scc。但是，摄像单元10c的信号检测电路scc在复位漏极节点rd包括灵敏度切换晶体管36。

灵敏度切换晶体管36连接于复位晶体管24的源极及漏极中未与光电变换部11连接的一侧、和第1电容元件21的电极中在摄像装置100c进行动作时不被施加基准电位的一侧的电极之间。灵敏度切换晶体管36的栅极与对应的灵敏度切换线bj连接。例如，如果是属于第0列的摄像单元10c的灵敏度切换晶体管36，其栅极与灵敏度切换线b0连接。

如已经说明的那样，在第1实施方式中，通过切换对复位晶体管24的栅极施加的电压电平，在高灵敏度信号和低灵敏度信号之间切换应该从摄像单元10a读出的图像信号。在第1实施方式中依次读出高灵敏度信号和低灵敏度信号。与此相对，在第2实施方式中，通过控制经由灵敏度切换线bj对灵敏度切换晶体管36的栅极施加的电压电平，选择高灵敏度信号和低灵敏度信号任意一方，并在1帧期间中读出该图像信号。

图7表示灵敏度切换寄存器90的电路结构的典型例。如图7示意地示出的那样，灵敏度切换寄存器90包括由对应像素阵列pa的各列而设置的比较器cmpj、寄存器rgj及or门gtj构成的多个组。在图7中，代表性地示出了m个组中与第0列、第1列、第2列及第(m-1)列对应的4个组。为了便于说明，在图7中也示出了像素阵列pa中包含的多个摄像单元10c中属于某行的摄像单元10c。

如图所示，灵敏度切换寄存器90中的各个比较器cmpj与参照电压线50连接。参照电压线50具有与未图示的电压源的连接，在摄像装置100c进行动作时被施加规定的参照电压ref。关于参照电压ref，例如能够使用成为在电荷蓄积节点fd中是否产生了电荷的溢出的判定基准的动作临界电压。

第j列的比较器cmpj与对应的输出信号线sj连接。比较器cmpj对输出信号线sj的电压和参照电压ref进行比较，将其结果回送给对应的寄存器rgj。例如，在输出信号线sj的电压超过参照电压ref的情况下，比较器cmpj输出高电平的信号。

寄存器rgj暂时保存输出信号线sj的电压和参照电压ref的比较结果。例如，在输出信号线sj的电压超过参照电压ref的情况下设定“1”，在输出信号线sj的电压低于参照电压ref的情况下设定“0”。另外，在图7示例的结构中，各个寄存器rgj也与寄存器复位信号线52连接。通过对寄存器复位信号线52供给规定的信号，能够将各个寄存器rgj复位成初始状态。例如，通过将施加给寄存器复位信号线52的电压rgrst设为低电平，将在各个寄存器rgj保存的比较结果复位成“0”。

or门gtj将在寄存器rgj保存的比较结果、与复位信号线54的电压电平的逻辑和输出给灵敏度切换线bj，复位信号线54提供用于指定像素阵列pa的各行的复位的开始的定时的电压脉冲。例如，在图7中由于在寄存器rg0保存“0”，因而在复位信号线54的电压电平是低电平时，对应的灵敏度切换线b0的电压电平成为低电平。由于灵敏度切换线b0的电压电平是低电平，因而属于第0列的一个以上的摄像单元10c中的灵敏度切换晶体管36截止。此时，光电变换部11和第1电容元件21通过第2电容元件22而连接(参照图6)，摄像单元10c处于高灵敏度的状态。即，在灵敏度切换线bj的电压电平是低电平时，从对应的摄像单元10c读出高灵敏度信号。

另一方面，由于在寄存器rg1保存“1”，因而对应的灵敏度切换线b1的电压电平成为高电平。因此，属于第1列的一个以上的摄像单元10c中的灵敏度切换晶体管36导通。在复位晶体管24导通时，光电变换部11和第1电容元件21通过复位晶体管24及灵敏度切换晶体管36而连接(参照图6)，电荷蓄积区域整体的电容值增大。因此，从属于第1列的一个以上的摄像单元10c读出的图像信号成为低灵敏度信号。这样，在灵敏度切换线bj的电压电平是高电平时，从对应的摄像单元10c读出低灵敏度信号。

图8及图9是用于说明与基于曝光的电荷蓄积节点fd的电压变化对应的摄像单元10c的灵敏度的切换的图。图8及图9分别示意地示出图7所示的第0列及第1列的曝光时间(信号电荷蓄积的时间)、与电荷蓄积节点fd的电压(也可以说是所蓄积的信号电荷量或者信号检测晶体管26的栅极电压)之间的关系。图8及图9所示的曲线图的横轴及纵轴分别表示曝光时间ta及电荷蓄积节点fd的电压vfd。横轴中的ts及te分别表示曝光的开始及结束的定时，纵轴中的vth表示上述的动作临界电压。曲线图中的双箭头exp表示曝光期间。

如图8所示，在第0列的摄像单元10c中，电荷蓄积节点fd的电压vfd在整个曝光期间exp中低于动作临界电压vth。因此，对应的灵敏度切换线b0的电压电平是低电平。因此，在第0列，将与电压vfd对应的图像信号直接输出给输出信号线s0。换言之，从摄像单元10c读出高灵敏度信号。另一方面，在第1列的摄像单元10c中，如图9所示，从曝光期间中的某个时刻起，电荷蓄积节点fd的电压vfd超过动作临界电压vth。因此，对应的灵敏度切换线b1的电压电平成为高电平，灵敏度切换晶体管36导通。

在复位晶体管24导通时灵敏度切换晶体管36导通，由此光电变换部11和第1电容元件21通过灵敏度切换晶体管36而连接。如果复位晶体管24和灵敏度切换晶体管36任意一方截止，则电荷蓄积区域整体的电容值是(cfd+c2)，如果复位晶体管24和灵敏度切换晶体管36双方导通，则电荷蓄积区域整体的电容值是(cfd+c1)。因此，通过在复位晶体管24导通时使灵敏度切换晶体管36从截止变为导通，电荷蓄积区域整体的电容值从(cfd+c2)增大至(cfd+c1)。例如，在假设(cfd+c2)：(cfd+c1)＝1:10时，通过使灵敏度切换晶体管36导通，如向下的箭头示意地示出的那样，电压vfd下降至约(1/10)。即，从摄像单元10c读出低灵敏度信号。

图10是用于说明第2实施方式的信号读出动作的典型例的时序图。在图10中，rgrst表示施加给寄存器复位信号线52的电压的变化。bsi表示通过灵敏度切换线bj施加给属于第i行的摄像单元10c的灵敏度切换晶体管36的栅极的电压的变化。adi、rsti及fbi与图3一样分别表示对第i行的地址控制线abi、复位控制线ri及反馈控制线fi施加的电压的变化。在图10中，阴影线的矩形rr与图3一样表示复位信号的读出的期间。双箭头nrc表示信号取得后的复位及噪声消除用的期间。

关注第0行。在进行曝光及信号的读出之前，首先执行上述的复位及噪声消除。在复位及噪声消除之后开始曝光。在此处所说明的动作例中，假设在曝光前对各列的寄存器rgj设定“0”作为初始值。

在第0行的曝光期间中，ad0、rst0及fb0都是低电平。即，属于第0行的摄像单元10a的地址晶体管28、复位晶体管24及反馈晶体管34都是截止的状态。并且，由于对各列的寄存器rgj设定了“0”，因而各列的灵敏度切换线bj的电压电平是低电平，灵敏度切换晶体管36也是截止的状态。

在通过曝光向电荷蓄积区域的信号电荷的蓄积结束后，使第0行的地址晶体管28导通。由此，与所蓄积的电荷量对应的信号被读出到各列的输出信号线sj中。灵敏度切换寄存器90中的比较器cmpj将对应的列的输出信号线sj的电压和参照电压ref进行比较，将其结果回送给对应的寄存器rgj(参照图7)。通过该比较，例如对第0列的寄存器rg0设定“0”，对第1列的寄存器rg1设定“1”。在图10中，用箭头cp表示的带有向右下降的斜线的期间，表示各输出信号线sj的电压和参照电压ref的比较用的期间。

通过各输出信号线sj的电压和参照电压ref的比较，对与像素阵列pa的各列对应设置的灵敏度切换线bj施加的电压，根据在对应的寄存器rgj保存的值而变化。在该例中，对第0列的寄存器rg0设定“0”。因此，对第0行第0列的灵敏度切换线b0施加的电压仍是低电平的状态(图10的电压bs0的曲线图中的下侧的虚线)。另一方面，对第1列的寄存器rg1设定“1”，因而对第0行第1列的灵敏度切换线b1施加的电压切换为高电平(图10的电压bs0的曲线图中的上侧的虚线)。

在比较输出信号线sj的电压和参照电压ref后，从摄像单元10c执行图像信号的读出。在图10中，阴影线的矩形sr表示从摄像单元10c的图像信号的读出期间。图像信号的读出是在rst0变更为高电平的状态下即复位晶体管24导通的状态下执行的。

图11表示对第0行第0列的摄像单元10c具有的灵敏度切换晶体管36的栅极施加的电压bs00的变化、及对第0行第1列的摄像单元10c具有的灵敏度切换晶体管36的栅极施加的电压bs01的变化的一例。在图11中，电压bs00及电压bs01的曲线分别表示在选择第0行时施加给第0列的灵敏度切换线b0的电压的变化及施加给第1列的灵敏度切换线b1的电压的变化的典型例。

在此，在进行图像信号的读出时，施加给灵敏度切换线b0的电压bs00是低电平。因此，对于第0行第0列的摄像单元10c，执行灵敏度切换晶体管36截止的状态即高灵敏度的状态的信号的读出。即，从第0行第0列的摄像单元10c读出高灵敏度信号。另一方面，在此，在进行图像信号的读出时，对灵敏度切换线b01施加高电平的电压。因此，对于第0行第1列的摄像单元10c，执行灵敏度切换晶体管36导通的低灵敏度状态的信号的读出。即，读出低灵敏度信号。换言之，在从第0行第0列的摄像单元10c读出高灵敏度信号时，第0行第1列的摄像单元10c输出低灵敏度信号。这样，在第2实施方式中，即使是在属于同一行的摄像单元10c之间，关于读出高灵敏度信号和低灵敏度信号哪一方也可能因列而异。

在读出图像信号后，在电压脉冲rstps的上升(或者下降)的定时，执行上述的复位及噪声消除。如参照图7可知，在此各列的or门gtj将供给电压脉冲rstps的复位信号线54作为一方的输入。因此，通过使电压脉冲rstps成为高电平，能够与在寄存器rgj保存的比较结果无关地将各列的摄像单元10c的灵敏度切换晶体管36导通。即，在复位的开始时使灵敏度切换晶体管36导通，能够通过复位晶体管24及灵敏度切换晶体管36向电荷蓄积节点fd供给反馈晶体管34的输出。在噪声消除后，取得复位信号(图10所示的期间rr)。

上述的一系列的动作是以行单位执行的。例如如图11所示，在该例中，在图像信号的读出和复位动作之间，施加给寄存器复位信号线52的电压rgrst被切换为高电平。因此，在从摄像单元10c读出图像信号后，能够将各寄存器rgj复位成初始状态。即，能够使属于某行的、某列的摄像单元10c的图像信号的读出时的灵敏度、与属于某行的下一行的、该列的摄像单元10c的图像信号的读出时的灵敏度彼此不同。例如，有时从第0行第0列的摄像单元10c读出高灵敏度信号，有时从第1行第0列的摄像单元10c读出低灵敏度信号。

由从各摄像单元10c得到的图像信号形成最终的图像。在第2实施方式中，处于在所得到的图像中混合存在对应高灵敏度信号的像素和对应低灵敏度信号的像素的状态。例如，当在被摄体中存在亮度特别高的部分时，在对应该部分的摄像单元10c中读出图像信号时的灵敏度自动降低。即，不需进行1帧量的高灵敏度的图像数据和1帧量的低灵敏度的图像数据的合成，即可形成较宽动态范围图像。因此，根据第2实施方式，不需要帧存储器、线存储器等缓冲存储器，即可进行较宽动态范围图像的场景的摄影。根据需要，也可以在对应高灵敏度信号的像素和对应低灵敏度信号的像素之间进行亮度电平的校正。在摄像装置100c中，表示所读出的图像信号是高灵敏度信号或者低灵敏度信号的信息存储在各寄存器rgj中，因而行单位的亮度的校正也比较容易进行。

这样，在第2实施方式中，根据在寄存器rgj中存储的数据，以列单位动态地调整在图像信号的读出时的摄像单元10c的灵敏度。即，在1帧期间中，从各个摄像单元10c根据照度选择性地读出高灵敏度信号和低灵敏度信号任意一方。在第2实施方式中，虽然需要输出信号线sj的电压和参照电压ref的比较，但是从各个摄像单元10c伴随有ad变换的图像信号的读出是每1帧期间1次，因而与在1帧期间两次读出图像信号的情况相比，能够实现高速的动作。另外，如参照图8～图11说明的动作例所明确的那样，根据第2实施方式，在像素阵列pa的同一行中，在取得高灵敏度信号用的曝光期间和取得低灵敏度信号用的曝光期间之间能够使其长度一致。

另外，包含灵敏度切换晶体管36的各晶体管的导通及截止也可以根据例如上述的控制电路88(参照图1)的控制来执行。例如，也可以执行如下的控制：在1帧期间中，使像素阵列pa中的一部分的摄像单元10c的灵敏度切换晶体管36导通，使剩余的摄像单元10c的灵敏度切换晶体管36截止。

(第2实施方式的变形例)

图12表示第2实施方式的摄像装置的变形例。图12所示的摄像装置100d与参照图4说明的摄像装置100b一样，具有灵敏度比摄像单元10c低的第2摄像单元10b(低灵敏度单元10b)。在图12示例的结构中，由沿着行方向相邻的摄像单元10c和低灵敏度单元10b构成单元对10pc。通过将多个单元对10pc呈矩阵状配置在例如半导体基板上，形成摄像装置100d的摄像区域。

在摄像装置100d中，将灵敏度切换晶体管36截止的状态的摄像单元10c、灵敏度切换晶体管36及复位晶体管24导通的状态的摄像单元10c、和低灵敏度单元10b，分别用作灵敏度最高的单元、灵敏度中等程度的单元、灵敏度最低的单元。在1帧期间中，从各个摄像单元10c按照曝光时的照度读出高灵敏度信号及低灵敏度信号任意一方。另一方面，从各个低灵敏度单元10b读出超低灵敏度信号。

根据从摄像单元10c取得的高灵敏度信号及低灵敏度信号任意一方、和从低灵敏度单元10b取得的超低灵敏度信号，合成较宽动态范围图像。根据图12示例的结构，在1帧期间从各个摄像单元10c读出的图像信号是高灵敏度信号及低灵敏度信号任意一方，因而能够更快速地取得动态范围更宽的场景的图像数据。

(其它变形例)

图13及图14表示摄像单元的变形例。图13所示的摄像单元10d具有信号检测电路scd，信号检测电路scd包括通过灵敏度切换晶体管37与电荷蓄积节点fd连接的电容元件39。如图所示，电容元件39连接于灵敏度切换晶体管37的源极及漏极中一方和基准电位vr之间。通过控制灵敏度切换晶体管37的栅极电压gci，能够以行单位或者列单位切换在读出图像信号时的摄像单元10d的灵敏度。例如，通过使灵敏度切换晶体管37导通，能够从摄像单元10d读出低灵敏度信号。

如图14示出的摄像单元10e的信号检测电路sce所示，也可以在电荷蓄积节点fd和电容元件39之间还配置第2灵敏度切换晶体管38。例如，通过以行单位及列单位分别控制灵敏度切换晶体管38的栅极电压gli和灵敏度切换晶体管37的栅极电压gci，能够在读出图像信号时更灵活地进行来自摄像单元10d的灵敏度的切换。另外，从像素的微细化的角度考虑，在第1电容元件21和第2电容元件22之外不另外设置电容元件39，而兼用噪声消除用的电容元件和灵敏度调制用的电容元件比较有利。

另外，本发明包括上述所有的实施方式，包括使用在半导体基板形成的光电二极管的情况。图15所示的摄像单元10f是在第1实施方式的图2中使用光电二极管作为光电变换部11的一例。图15所示的摄像单元10f与图2所示的摄像单元10a的不同之处在于，在光电二极管11和电荷蓄积节点fd之间具有传输晶体管60、以及不具有反馈电路fc和第2电容元件c2。并且，在图15所示的摄像单元10f中，对晶体管61的源极及漏极中未与第1电容元件21连接的一方施加规定的复位电压。

在摄像单元10f中，在对传输晶体管60的栅极供给电压脉冲时，在光电二极管11蓄积的电荷通过传输晶体管60传输给电荷蓄积节点fd。传输后的动作除有关反馈的动作以外，与在第1实施方式中说明的动作基本相同。

图16表示具有本发明的实施方式的摄像装置的摄像机系统的结构例。图16所示的摄像机系统200具有透镜光学系统201、摄像装置100、摄像机信号处理部202、系统控制器203。上述的摄像装置100a～100d都能够用作摄像装置100。

透镜光学系统201包括例如自动聚焦用透镜、变焦用透镜及光圈。透镜光学系统201使光会聚于摄像装置100的摄像面。摄像机信号处理部202作为对来自摄像装置100的输出信号进行处理的信号处理电路发挥作用。摄像机信号处理部202执行例如伽玛校正、颜色插补处理、空间插补处理及自动白平衡等处理，并输出图像数据(或者信号)。摄像机信号处理部202例如由dsp(digitalsignalprocessor：数字信号处理器)等实现。系统控制器203控制摄像机系统200整体。系统控制器203例如由微处理器实现。通过对摄像装置100应用上述的实施方式，对于各摄像单元将曝光期间设为1次，即可取得灵敏度不同的图像信号，能够更容易拍摄具有较宽动态范围的场景。

另外，上述的复位晶体管24、信号检测晶体管26、26b、地址晶体管28、28b、反馈晶体管34、34b及灵敏度切换晶体管36～38分别既可以是n沟道mos，也可以是p沟道mos。这些晶体管不需要全部统一为n沟道mos或者p沟道mos任意一方。晶体管也可以使用fet以外的双极晶体管。

产业上的可利用性

本发明的摄像装置应用于例如图像传感器、数码相机等。本发明的摄像装置能够用于医疗用摄像机、机器人用摄像机、安保摄像机、搭载于车辆使用的摄像机等。