JP7030929B2 - 撮像装置、撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置、撮像システムに関する。

複数行および複数列に渡って配された複数のユニットセルを備える撮像装置が知られている。

複数行のユニットセルで、同時に露光開始と露光終了を電子シャッタで制御するグローバル電子シャッタを行う撮像装置が提案されている。

特許文献１に記載の撮像装置は、グローバル電子シャッタを行う撮像装置において、画素が、光電変換部と、光電変換部が生成した信号が転送される浮遊拡散容量と、複数の信号保持部とを備える構成が記載されている。

特許文献１の撮像装置によれば、複数の信号保持部の一方と光電変換部との間の電気的経路を高インピーダンスとし、複数の信号保持部の他方と光電変換部との間の電気的経路を低インピーダンスとする。これにより、高インピーダンスの信号保持部には低感度の信号が保持され、低インピーダンスの信号保持部には高感度の信号が保持される。複数の信号保持部の一方が保持した低感度の信号と、複数の信号保持部の他方が保持した高感度の信号とを用いることにより、画像のダイナミックレンジを拡大することができるとされる。

特開２００６－２４６４５０号公報

特許文献１では、グローバル電子シャッタを行う撮像装置の画像のダイナミックレンジの拡大と、光電変換部が生成する信号に基づく信号をユニットセルの外部に出力する増幅部の入力ノードの容量値との関係について何ら検討されていない。

本発明は上記の課題を鑑みて為されたものであり、その一の態様は、光電変換部と、信号保持部と、入力ノードを備える増幅部と、前記光電変換部と前記信号保持部との間の電気的経路に設けられた第１転送部と、前記信号保持部と前記入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第２転送部とを各々が有する複数の組が、複数行及び複数列に渡って配されたセルアレイと、前記複数の組を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記第１転送部による前記光電変換部から前記信号保持部への信号の転送の開始と終了のそれぞれを、前記複数の組で同時とし、前記複数の組の少なくとも一部の組が、前記入力ノードの容量値を変更する容量変更部をさらに有し、前記光電変換部は、第１蓄積期間と、前記第１蓄積期間とは別の期間であって前記第１蓄積期間よりも短い第２蓄積期間とのそれぞれにおいて信号を蓄積し、前記容量変更部が前記入力ノードを第１容量値とした状態で、前記第１蓄積期間に対応する信号が前記第２転送部から前記入力ノードに転送され、
前記容量変更部が前記入力ノードを前記第１容量値よりも小さい第２容量値とした状態で、前記第２蓄積期間に対応する信号が前記第２転送部から前記入力ノードに転送されることを特徴とする撮像装置である。

また、別の一の態様は、光電変換部と、信号保持部と、第１容量値の第１入力ノードを備える第１増幅部と、前記第１容量値よりも大きい第２容量値の第２入力ノードを備える第２増幅部と、前記光電変換部と前記信号保持部との間の電気的経路に設けられた第１転送部と、前記信号保持部と前記第１入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第２転送部と、前記信号保持部と前記第２入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第４転送部と、を各々が有する複数の組が、複数行及び複数列に渡って配されたセルアレイを有し、前記第１転送部による、前記光電変換部から前記信号保持部への信号の転送の開始と終了のそれぞれを、前記複数の組で同時とする制御部をさらに有し、前記光電変換部は、第１蓄積期間と、前記第１蓄積期間とは別の期間であって前記第１蓄積期間よりも短い第２蓄積期間とのそれぞれにおいて信号を蓄積し、前記第１入力ノードに前記第１蓄積期間に対応する信号が転送され、前記第２入力ノードに前記第２蓄積期間に対応する信号が転送されることを特徴とする撮像装置である。

また、別の一の態様は、光電変換部と、信号保持部と、第１容量値の第１入力ノードを備える第１増幅部と、前記第１容量値よりも大きい第２容量値の第２入力ノードを備える第２増幅部と、前記光電変換部と前記信号保持部との間の電気的経路に設けられた第１転送部と、前記信号保持部と前記第１入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第２転送部と、前記信号保持部と前記第２入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第４転送部と、を各々が有する複数の組が、複数行及び複数列に渡って配されたセルアレイを有し、前記第１転送部による、前記光電変換部から前記信号保持部への信号の転送の開始と終了のそれぞれを、前記複数の組で同時とする制御部をさらに有し、前記光電変換部は、第１蓄積期間と、前記第１蓄積期間とは別の期間であって前記第１蓄積期間よりも短い第２蓄積期間とのそれぞれにおいて信号を蓄積し、前記第１入力ノードに前記第２蓄積期間に対応する信号が転送され、前記第２入力ノードに前記第１蓄積期間に対応する信号が転送されることを特徴とする撮像装置である。

本発明により、グローバル電子シャッタを行う撮像装置の画像のダイナミックレンジを、より好適に拡大することができる。

撮像装置の構成を示した図 ユニットセルの構成を示した図 ユニットセルの動作を示した図 ユニットセルの動作を示した図 光量、換算出力信号、入力ノードの容量値との関係を示した図 ユニットセルの構成を示した図 ユニットセルの構成を示した図 ユニットセルの構成を示した図 ユニットセルの構成を示した図 ユニットセルの構成を示した図 ユニットセルの動作を示した図 ユニットセルの動作を示した図 ユニットセルの構成を示した図 撮像システムの構成を示した図

以下、図面を参照しながら、各実施例を説明する。

以下の説明では、信号にノイズ成分が含まれる例を説明することがある。以下の説明では、この信号に含まれるノイズ成分をＮ成分と表記することがある。また、信号からＮ成分を差し引いた成分をＳ成分と表記することがある。

（実施例１）
（撮像装置の構成）
図１は、本実施例の撮像装置を示した図である。本実施例の撮像装置は、列信号線１０、ユニットセル２０を有する。ユニットセル２０は、セルアレイ１００において、複数行および複数列に渡って配されている。列信号線１０は、ユニットセル２０が配された列に対応して配されている。また、撮像装置は垂直走査回路１０１を有する。１行のユニットセル２０に、垂直走査回路１０１から共通の信号が供給されるように、行単位でユニットセル２０と垂直走査回路１０１とが制御線３０を介して接続されている。垂直走査回路１０１は、ユニットセル２０の蓄積期間を制御する制御部である。

撮像装置は、列回路部１０２、水平走査回路１０３、出力回路１０４を有する。列回路部１０２は、複数の列回路を備えている。複数の列回路の各々は、複数の列信号線１０の１つに対応して配置されている。複数の列回路の各々は、列信号線１０に出力された信号を増幅した信号を、出力回路１０４に出力する。

水平走査回路１０３は、列回路部１０２が備える複数の列回路を順次選択する。これより、複数の列回路の各々が保持した信号が、順次、出力回路１０４に出力される。出力回路１０４は、撮像装置の外部に信号を出力する。出力回路１０４の出力する信号は、撮像装置が出力する信号である。

撮像装置は、制御回路１０５をさらに有する。制御回路１０５は、垂直走査回路１０１、列回路部１０２、水平走査回路１０３のそれぞれに対し、駆動信号を供給する駆動線を介して接続されている。

（ユニットセルの構成）
図２は、ユニットセル２０の構成の詳細を示した図である。ユニットセル２０は、１つのフォトダイオード１を有する。フォトダイオード１は、入射光に対応する信号を生成する光電変換部である。フォトダイオード１は、接地配線１９に接続されている。さらにユニットセル２０は、第１転送スイッチ２、第２転送スイッチ４、第３転送スイッチ１２、第４転送スイッチ１４を有する。さらにユニットセル２０は、第１容量素子３、第２容量素子１３を有する。ここでは、第１容量素子３の容量値と、第２容量素子１３の容量値は等しい。

フォトダイオード１と第１容量素子３とは、第１転送スイッチ２を介して電気的に接続されている。また、フォトダイオード１と第２容量素子１３とは、第３転送スイッチ１２を介して電気的に接続されている。

また、ユニットセル２０は、第１増幅部７、第２増幅部１７、第１選択スイッチ８、第２選択スイッチ１８を有する。第１増幅部７の入力ノードである第１入力ノード５には、第１浮遊拡散容量ＦＤ１が接続されている。第２増幅部１７の入力ノードである第２入力ノード１５には、第２浮遊拡散容量ＦＤ２が接続されている。第２浮遊拡散容量ＦＤ２の容量値は、第１浮遊拡散容量ＦＤ１の容量値よりも大きい。第１浮遊拡散容量ＦＤ１、第２浮遊拡散容量ＦＤ２のそれぞれは、シリコン半導体層に不純物を拡散することによって形成された浮遊拡散部である。この第１入力ノード５と第２入力ノード１５との容量値の差は、第１浮遊拡散容量ＦＤ１と第２浮遊拡散容量ＦＤ２との容量値の差によってもたらすことができる。

第１容量素子３と第１浮遊拡散容量ＦＤ１とは、第２転送スイッチ４を介して電気的に接続されている。第２容量素子１３と第２浮遊拡散容量ＦＤ２とは、第４スイッチ１４を介して電気的に接続されている。

第１増幅部７と列信号線１０とは、第１選択スイッチ８を介して電気的に接続されている。また、第２増幅部１７と列信号線１０とは、第２選択スイッチ１８を介して電気的に接続されている。第１増幅部７と第２増幅部１７には、ともに電源電圧１１が供給される。

列信号線１０には、不図示の電流源が電気的に接続されている。第１選択スイッチ８がオン状態にある場合、第１増幅部７は、電源電圧１１と、列信号線１０に電気的に接続された電流源とでソースフォロワ回路を構成する。第２選択スイッチ１８がオン状態にある場合、第２増幅部１７は、電源電圧１１と、列信号線１０に電気的に接続された電流源とでソースフォロワ回路を構成する。図２では、列信号線１０に出力される信号を、信号Ｖｏｕｔ（ｐ）と表記している。末尾に付す（ｐ）は、列番号を示している。

また、ユニットセル２０は、第１リセットスイッチ６、第２リセットスイッチ１６を有する。第１リセットスイッチ６と、第２リセットスイッチ１６には、ともに電源電圧１１が供給される。第１リセットスイッチ６は、第１入力ノード５に接続されている。第２リセットスイッチ１６は、第２入力ノード１５に接続されている。

また、ユニットセル２０は、ＰＤリセットスイッチ９をさらに有する。ＰＤリセットスイッチ９には、電源電圧１１が供給されている。

本実施例では、光電変換部であるフォトダイオード１から、信号保持部の１つである第１容量素子３に信号を転送する第１転送部は、第１転送スイッチ２である。また、信号保持部の１つである第１容量素子３から、第１入力ノード５に信号を転送する第２転送部は、第２転送スイッチ４である。また、信号保持部の他の１つのである第２容量素子１３から、第２入力ノード１５に信号を転送する第３転送部は、第４転送スイッチ１４である。

本実施例では、１つのユニットセル２０が、光電変換部、第１転送部、第２転送部、第３転送部、第４転送部、第１信号保持部、第２信号保持部、第１増幅部、第２増幅部を有する１つの組である。

図１に示したように、ユニットセル２０と、垂直走査回路１０１とは制御線３０を介して電気的に接続されている。第１転送スイッチ２のゲートには、信号ｐＧＳ１（ｍ）が入力される。以下、ユニットセル２０に入力される信号の末尾に付す（ｍ）は、ｍ行目のユニットセル２０に入力される信号であることを指す。また、複数行のユニットセル２０に入力される信号を纏めて表記する場合には、（ｍ）を省略して表記する。

第２転送スイッチ４のゲートには、信号ｐＴＸ（ｍ）が入力される。第３転送スイッチ１２のゲートには、信号ｐＧＳ２（ｍ）が入力される。第４転送スイッチ１４のゲートには、信号ｐＴＸ２（ｍ）が入力される。

ＰＤリセットスイッチ９のゲートには、信号ｐＯＦＤ（ｍ）が入力される。

複数行のユニットセル２０のそれぞれに入力される信号ｐＧＳ１は、同じタイミングにアクティブレベルとなり、同じタイミングでノンアクティブレベルとなる。また、複数行のユニットセル２０のそれぞれに入力される信号ｐＧＳ２は、同じタイミングにアクティブレベルとなり、同じタイミングでノンアクティブレベルとなる。また、複数行のユニットセル２０のそれぞれに入力される信号ｐＯＦＤは、同じタイミングにアクティブレベルとなり、同じタイミングでノンアクティブレベルとなる。これにより、本実施例の撮像装置は、フォトダイオード１の信号蓄積開始タイミングおよび信号蓄積終了タイミングのそれぞれが全てのユニットセル２０で揃ったグローバル電子シャッタ動作を行う。

第１リセットスイッチ６のゲートには、信号ｐＲＥＳ１（ｍ）が入力される。第２リセットスイッチ１６のゲートには、信号ｐＲＥＳ２（ｍ）が入力される。

第１選択スイッチ８のゲートには、信号ｐＳＥＬ１（ｍ）が入力される。第２選択スイッチ１８のゲートには、信号ｐＳＥＬ２（ｍ）が入力される。

（撮像装置の動作）
次に、図３および図４を参照しながら、図１、図２に示した撮像装置の動作を説明する。

図３、図４は、ｎフレーム、ｎ＋１フレームにおける撮像装置の動作を示している。図３に示した時刻は、図４に示した時刻と対応している。

図４を参照する。図４に示した信号では、信号のＨｉｇｈレベルが、当該信号が入力されるスイッチがオン状態となるアクティブレベルである。一方、Ｌｏｗレベルが、当該信号が入力されるスイッチがオフ状態となるノンアクティブレベルである。

時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、垂直走査回路１０１は、全ての行のユニットセル２０に供給する信号ｐＯＦＤをアクティブレベルとする。これにより、フォトダイオード１で蓄積された信号が、電源電圧１１によってフォトダイオード１から排出されている。

時刻Ｔ１に、垂直走査回路１０１は、全ての行のユニットセル２０に供給する信号ｐＯＦＤをノンアクティブレベルとする。これにより、全てのユニットセル２０のフォトダイオード１が、信号の蓄積を同時に開始する電子シャッタ動作が行われる。

時刻Ｔ２に、垂直走査回路１０１は、全ての行のユニットセル２０に供給する信号ｐＧＳ１をアクティブレベルとする。そして時刻Ｔ３に、垂直走査回路１０１は、信号ｐＧＳ１をノンアクティブレベルとする。これにより、全てのユニットセル２０の第１容量素子３が、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの期間にフォトダイオード１が蓄積した信号を同時に保持する、グローバル転送動作が行われる。この時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの期間は、フォトダイオード１が信号を蓄積する第１蓄積期間である。

その後、垂直走査回路１０１は、信号ＰＳＥＬ１（ｍ）をアクティブレベルとし、ｍ行目の第１選択スイッチ８をオン状態とする。そして、垂直走査回路１０１は、信号ｐＲＥＳ１（ｍ）をアクティブレベルとした後、ノンアクティブレベルとして、第１入力ノード５の電位をリセットする。そして、垂直走査回路１０１は、信号ｐＴＸ１（ｍ）をアクティブレベルとした後、ノンアクティブレベルとする。これにより、第１浮遊拡散容量ＦＤ１には、第１容量素子３が保持していた信号が転送される。よって、第１増幅部７は、第１選択スイッチ８を介して、列信号線１０に、第１蓄積期間にフォトダイオード１が蓄積した信号に基づく信号を出力する。

その後、垂直走査回路１０１は、ｍ＋１行目のユニットセル２０に対して、ｍ行目のユニットセル２０と同じ動作を行う。このように、垂直走査回路１０１は、各行のユニットセル２０の、第１蓄積期間に対応する信号である第１光信号を順次、列信号線１０に読み出す。

時刻Ｔ４に、垂直走査回路１０１は、全ての行のユニットセル２０に供給する信号ｐＧＳ２をアクティブレベルとする。そして時刻Ｔ５に、垂直走査回路１０１は、信号ｐＧＳ２をノンアクティブレベルとする。これにより、全てのユニットセル２０の第２容量素子１３が、時刻Ｔ３から時刻Ｔ５までの期間にフォトダイオード１が蓄積した信号を同時に保持する、グローバル転送動作が行われる。この時刻Ｔ３から時刻Ｔ５までの期間は、フォトダイオード１が信号を蓄積する第２蓄積期間である。第２蓄積期間は、第１蓄積期間よりも長い期間である。また、第１蓄積期間と第２蓄積期間とは、重複している期間は全くない。

その後、垂直走査回路１０１は、信号ＰＳＥＬ２（ｍ）をアクティブレベルとし、ｍ行目の第２選択スイッチ１８をオン状態とする。そして、垂直走査回路１０１は、信号ｐＲＥＳ２（ｍ）をアクティブレベルとした後、ノンアクティブレベルとして、第２入力ノード１５の電位をリセットする。そして、垂直走査回路１０１は、信号ｐＴＸ２（ｍ）をアクティブレベルとした後、ノンアクティブレベルとする。これにより、第２浮遊拡散容量ＦＤ２には、第２容量素子１３が保持していた信号が転送される。よって、第２増幅部１７は、第２選択スイッチ１８を介して、列信号線１０に、第２蓄積期間にフォトダイオード１が蓄積した信号に基づく信号を出力する。

その後、垂直走査回路１０１は、ｍ＋１行目のユニットセル２０に対して、ｍ行目のユニットセル２０と同じ動作を行う。このように、垂直走査回路１０１は、各行のユニットセル２０の、第２蓄積期間に対応する信号である第２光信号を順次、列信号線１０に読み出す。

なお、垂直走査回路１０１は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの期間、全ての行のユニットセル２０に供給する信号ｐＯＦＤを再びアクティブレベルとする。これにより、先の時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの動作と同じく、全てのユニットセル２０のフォトダイオード１の信号がリセットされている。

以降、本実施例の撮像装置は、ｎ＋１フレームにおいても、ｎフレームと同じ動作を繰り返す。

（容量値と換算出力信号との関係）
本実施例の効果について、図５（ａ）～（ｄ）を参照しながら説明する。

図５（ａ）は、横軸にフォトダイオード１に入射する光量をとり、縦軸に、増幅部が出力する信号を浮遊拡散容量に入力される信号に換算した、換算出力信号をとったグラフである。

Ｎ（Ｃ１）、Ｎ（Ｃ２）、Ｎ（Ｃ３）はそれぞれ、増幅部の入力ノードのリセットを解除した時に増幅部が出力するノイズ信号の換算出力信号を示している。このノイズ信号の主成分は、ダークランダムノイズである。また、Ｓ（Ｃ１）、Ｓ（Ｃ２）、Ｓ（Ｃ３）はそれぞれ、増幅部の入力ノードにフォトダイオード１が生成した信号が転送された時に増幅部が出力する光信号の換算出力信号を示している。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のそれぞれは、浮遊拡散容量の容量値を示している。つまり、Ｓ（Ｃ１）、Ｎ（Ｃ１）は、浮遊拡散容量の容量値がＣ１である場合の光信号とノイズ信号とを表している。他のＳ（Ｃ２）、Ｎ（Ｃ２）、Ｓ（Ｃ３）、Ｎ（Ｃ３）も同様である。浮遊拡散容量の容量値は、
Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３
の関係にある。

浮遊拡散容量の容量値がＣ１の場合ではノイズ信号はＮ（Ｃ１）のレベルとなる。よって、光量Ｃ以下の光量では、光信号はノイズ信号に埋没するため、光信号を読み出すことができない。一方、浮遊拡散容量の容量値がＣ３の場合では、ノイズ信号はＮ（Ｃ３）のレベルとなる。よって、光量Ａよりも大きい光量であれば、光信号を読み出すことができる。

一方、浮遊拡散容量の容量値がＣ３の場合では、光信号はＳ（Ｃ３）で飽和する。したがって、光量Ｄ以上の光量では、光信号の正確なレベルを読み出すことができない。浮遊拡散容量の容量値がＣ１の場合では、容量値がＣ３よりも大きいため、光信号はＳ（Ｃ１）で飽和する。したがって、光量Ｆの光量まで、光信号の正確なレベルを読み出すことができる。

このように、浮遊拡散容量の容量値がＣ１の場合に、光信号として読み出せる光量は、光量Ｃから、光量Ｆまでとなる。一方、浮遊拡散容量の容量値がＣ３の場合に、光信号として読み出せる光量は、光量Ａから、光量Ｄまでとなる。したがって、低輝度の被写体の信号を読み出す場合には、浮遊拡散容量の容量値がＣ３の方がＣ１より好ましい。また、高輝度の被写体の信号を読み出す場合には、浮遊拡散容量の容量値がＣ１の方がＣ３よりも好ましい。

さらに図５（ｂ）～（ｄ）を用いて、フォトダイオード１の蓄積期間の長さと対応させて、浮遊拡散容量の容量値と換算出力信号との関係を説明する。ダイナミックレンジ（ＤＲ）は以下の式で定義される。
ダイナミックレンジ＝２０＊Ｌｏｇ（Ｓ／Ｎ）

なお、本明細書では、「＊」の記号は、乗算を意味する。また、単にＬｏｇと記載した場合の底数は１０である。

図５（ｂ）は、比較例として、浮遊拡散容量の容量値をＣ２として、フォトダイオード１の蓄積期間を第１蓄積期間（短秒蓄積期間）とした場合と、第２蓄積期間（長秒蓄積期間）とした場合とを示した図である。第２蓄積期間は、第１蓄積期間の１０倍の長さとする。

光量Ｇ以下の低輝度の被写体については、第２蓄積期間に対応する信号を用いる。一方、光量Ｇ以上の高輝度の被写体については、第１蓄積期間に対応する信号を用いる。撮像装置の外部に設けられた信号処理部は、第１蓄積期間に対応する信号と、第２蓄積期間に対応する信号との、信号のレンジを揃える処理を行う。第２蓄積期間は、第１蓄積期間の１０倍の長さであるため、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍することで、第２蓄積期間に対応する信号とのレンジが揃う。つまり、光量Ｇにおいて、第１蓄積期間に対応する換算出力信号量と、第２蓄積期間に対応する換算出力信号量がともにＳ（Ｃ２）となる。

図５（ｂ）では、第１蓄積期間と第２蓄積期間とで用いる浮遊拡散容量の容量値をＣ２としている。このため、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号は、Ｎ（Ｃ２）を１０倍した信号となる。よって、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号において含まれるＮ成分が１０＊Ｎ（Ｃ２）であるのに対し、第２蓄積期間に対応する信号に含まれるＮ成分がＮ（Ｃ２）となる。このため、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号と、第２蓄積期間に対応する信号とを用いて生成した画像において、１枚の画像の中で相対的に輝度が浮いた部分と、相対的に輝度が沈んだ部分とが生じる。これは、それぞれの信号に含まれるＮ成分の大きさの違いによって生じる。したがって、１枚の画像の中での輝度の浮き沈みを抑制するには、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号と、第２蓄積期間に対応する信号とのそれぞれに含まれるＮ成分の量の差を少なくすることが好ましい。

そこで、本実施例では、上述したように、第１蓄積期間に対応する信号を、第１浮遊拡散容量ＦＤ１の容量値（Ｃ３）を用いて生成する。そして、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号を、第１浮遊拡散容量ＦＤ１よりも大きい容量値（Ｃ１）を有する第２浮遊拡散容量ＦＤ２を用いて生成する。これにより、第１蓄積期間に対応する信号は、Ｎ成分が相対的に少ない容量値Ｃ３で生成する。一方、第２蓄積期間に対応する信号は、Ｎ成分が相対的に多い容量値Ｃ１で生成する。これにより、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号のＮ成分と、第２蓄積期間に対応する信号のＮ成分との差は、図５（ｂ）で述べた例に比べて、小さくなる。よって、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号と、第２蓄積期間に対応する信号とを用いて生成した１枚の画像において、輝度の相対的な浮き沈みが生じにくくなる。

また、本実施例の撮像装置が有するさらなる効果を説明する。図５（ｂ）では、第２蓄積期間に対応する信号（低輝度）と、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号（高輝度）との切り替わりの光量は光量Ｇであった。一方、図５（ｃ）で説明した本実施例の撮像装置では、第２蓄積期間に対応する信号を、容量値Ｃ２よりも大きい容量値Ｃ３の浮遊拡散容量を用いて生成している。これにより、第２蓄積期間に対応する信号（低輝度）と、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号（高輝度）との切り替わりに光量が光量Ｇよりも大きい光量Ｉとなる。光量Ｉは光量Ｇよりも大きいため、光量Ｉの領域は、光量Ｇの領域に比べて、ダークランダムノイズの増加よりも、光ショットノイズの増加の方が支配的になる傾向がある。よって、ダークランダムノイズの増加が、より目立ちにくい領域に、第２蓄積期間に対応する信号と、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号とのつなぎ目を位置させることができる。これにより、本実施例の撮像装置は、図５（ｂ）に示した場合に比べて、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号と、第２蓄積期間に対応する信号とを用いて生成した１枚の画像において、輝度の相対的な浮き沈みが、より生じにくくなる効果を有している。

このように、本実施例の撮像装置は、第１蓄積期間に対応する信号を第１容量値の浮遊拡散容量を用いて生成する。そして、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号を第１容量値よりも大きい第２容量値の浮遊拡散容量を用いて生成する。これにより、本実施例の撮像装置は、第１蓄積期間に対応する信号を増幅した信号と、第２蓄積期間に対応する信号とを用いて生成した画像において、輝度の相対的な浮き沈みを生じにくくする効果を有する。

なお、本実施例では、第１容量素子３と、第２容量素子１３の容量値を同じとしていたが、異ならせるようにしても良い。

また、本実施例の撮像装置は、第１選択スイッチ８と、第２選択スイッチ１８とが同一の列信号線１０に接続されていた。他の例として、１列のユニットセル２０に対し複数の列信号線１０を設け、第１選択スイッチ８に複数の列信号線１０の一方が接続され、第２選択スイッチ１８に複数の列信号線１０の他方が接続されるようにしても良い。

なお、本実施例において、電子シャッタ動作とグローバル転送動作のそれぞれにおける同時性は、実用上問題のない程度であればよい。全てのユニットセル２０を完全に同時に駆動すると、駆動するドライバーに大きな負荷がかかる。この負荷を軽減するように、電子シャッタ動作、グローバル転送動作のそれぞれにおいて、複数のユニットセル２０の間で小さな時間差を設ける構成としてもよい。このような場合であっても、電子シャッタ動作とグローバル転送動作のそれぞれは、実質的に「同時」の関係の範疇にある。

（実施例２）
本実施例の撮像装置について、実施例１と異なる点を中心に説明する。

実施例１の撮像装置は、第１蓄積期間に対応する信号を第１容量値の浮遊拡散容量を用いて生成した。そして、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号を第１容量値よりも大きい第２容量値の浮遊拡散容量を用いて生成した。一方、本実施例の撮像装置は、第１蓄積期間に対応する信号を、第１容量値よりも大きい第２容量値の浮遊拡散容量を用いて生成する。そして、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号を第１容量値の浮遊拡散容量を用いて生成する。

本実施例の撮像装置の構成は、実施例１と同じとすることができる。実施例１と異なるのは、第１蓄積期間に生成した信号が、第２容量値の浮遊拡散容量ＦＤ２に転送される。そして、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に生成した信号が、第１容量値の浮遊拡散容量ＦＤ１に転送される点である。

本実施例の効果について説明する。

図５（ｄ）は、本実施例の効果を説明する図である。

図５（ｂ）の比較例では、第１蓄積期間と第２蓄積期間とで用いる浮遊拡散容量の容量値をＣ２としている。このため、第２蓄積期間に対応する信号のＳ成分の取りうる範囲の下限は、Ｎ（Ｃ２）によって圧迫されている。また、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号の取りうる範囲の上限は、容量値Ｃ２の浮遊拡散容量が飽和するレベルとなっている。

一方、本実施例の撮像装置は、第２蓄積期間に対応する信号を、第１容量値（Ｃ３）の浮遊拡散容量を用いて生成する。これにより、第２蓄積期間に対応する信号のＮ成分は、Ｎ（Ｃ２）よりも小さいＮ（Ｃ３）となる。これにより、容量値Ｃ２の浮遊拡散容量を用いて第２蓄積期間に対応する信号を生成した場合に比べて、第２蓄積期間に対応する信号のＳ成分の取りうる範囲の下限を拡大することができる。また、容量値Ｃ２の浮遊拡散容量を用いて第２蓄積期間に対応する信号を生成した場合に比べて、第２蓄積期間に対応する信号のＳ成分の取りうる範囲の下限を拡大することができる。また、第１蓄積期間に対応する信号を１０倍した信号の取りうる範囲は、Ｓ（Ｃ２）よりも大きいＳ（Ｃ１）となる。これにより、容量値Ｃ２の浮遊拡散容量を用いて第１蓄積期間に対応する信号を生成した場合に比べて、第１蓄積期間に対応する信号の取りうる範囲の上限を拡大することができる。

本実施例の撮像装置は、第１蓄積期間に対応する信号を第１容量値よりも大きい第２容量値の浮遊拡散容量を用いて生成する。そして、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号を第１容量値の浮遊拡散容量を用いて生成する。これにより、本実施例の撮像装置は、同一の容量値で第１蓄積期間および第２蓄積期間のそれぞれに対応する信号を生成する場合に比べて、第１蓄積期間に対応する信号の上限と、第２蓄積期間に対応する信号の下限とを拡大することができる。つまり、本実施例の撮像装置は、従来の撮像装置に比べて、第１蓄積期間に対応する信号と、第２蓄積期間に対応する信号のダイナミックレンジを拡大することができる。

（実施例３）
本実施例の撮像装置について、実施例１と異なる点を中心に説明する。

実施例１の撮像装置のユニットセル２０では、浮遊拡散容量ＦＤ１と浮遊拡散容量ＦＤ２の容量値を異ならせていた。本実施例の撮像装置は、浮遊拡散容量ＦＤ１と、浮遊拡散容量ＦＤ２の容量値を同じとしている。そして、本実施例の撮像装置のユニットセル２０は、一方の浮遊拡散容量に、容量を追加する容量追加スイッチが接続されている構成を有する。

図６は、本実施例の撮像装置の構成を示す図である。

本実施例の撮像装置のユニットセル２０は、入力ノード５と第１リセットスイッチ６との間にトランジスタ２１及びその制御線ｐＡＤＤ（ｍ）を設けた点が異なる。制御信号ｐＡＤＤ（ｍ）がＨｉｇｈレベルとなると、トランジスタ２１がオンする。これにより、入力ノード５に接続される容量は、浮遊拡散容量ＦＤ１と、トランジスタ２１が有する容量との合成容量となる。つまり、トランジスタ２１は、浮遊拡散容量ＦＤ１の容量値を変更する容量変更部である。この容量変更部の典型例として、本実施例では、容量追加トランジスタであるトランジスタ２１を用いる。

実施例１の撮像装置では、浮遊拡散容量ＦＤ２の容量値を、浮遊拡散容量ＦＤ１の容量値よりも大きいものとしていた。これにより、入力ノード１５に接続された容量の容量値を、入力ノード５に接続された容量の容量値よりも大きくしていた。

一方、本実施例では、浮遊拡散容量ＦＤ１に、トランジスタ２１をオン状態として接続することによって、入力ノード５に接続された容量の容量値を、入力ノード１５に接続された容量の容量値よりも大きくする。これにより、実施例１ではフォトダイオード１から第２容量素子１３を介して浮遊拡散容量ＦＤ２に転送していた信号を、本実施例では、第１容量素子３を介して浮遊拡散容量ＦＤ１とトランジスタ２１との合成容量に転送する。また、実施例２ではフォトダイオード１から第１容量素子３を介して浮遊拡散容量ＦＤ１に転送していた信号を、本実施例では、第２容量素子１３を介して浮遊拡散容量ＦＤ２に転送する。これにより、実施例１と同じ効果を得ることができる。

また、本実施例の撮像装置は、撮影シーンに応じて、トランジスタ２１をオフ状態としたまま、ユニットセル２０から信号を読み出すことも可能である。

本実施例では、入力ノード５に対して容量変更部を設けていた。本実施例の撮像装置はこの例に限定されるものではなく、入力ノード１５に対しても、容量変更部を設けても良い。この場合には、入力ノード５に接続された容量追加トランジスタと、入力ノード１５に接続された容量追加トランジスタとの一方のみをオン状態とするようにすればよい。

なお、容量変更部として、本実施例では、第１リセットスイッチ６と入力ノード５との間の電気的経路に容量追加トランジスタを設けていた。他の例として、複数のノードを備える容量素子とスイッチとを設け、複数のノードの一方を、スイッチを介して入力ノード５に接続し、他方のノードに基準電位（たとえば接地電位）が与えられるようにした容量変更部を設けても良い。この場合には、スイッチをオン状態とすれば、容量素子の容量値が浮遊拡散容量ＦＤ１の容量値に追加されることとなる。

また、本実施例では、入力ノード５の容量値を、トランジスタ２１がオン状態の場合の容量値とオフ状態の容量値との２つとしていたが、入力ノード５の容量値に、さらに多くのバリエーションを持たせるようにしても良い。

（実施例４）
本実施例の撮像装置について、実施例３と異なる点を中心に説明する。

図７は、本実施例の撮像装置のユニットセル２０の構成を示した図である。実施例１のユニットセル２０は、第１容量素子３に対応した増幅部（第１増幅部７）と、第２容量素子１３に対応した増幅部（第２増幅部１７）とを有していた。本実施例の撮像装置のユニットセル２０は、第１容量素子３と第２容量素子１３とに対し、１つの増幅部２７が設けられている点である。増幅部２７は、選択スイッチ２８を介して列信号線１０に接続されている。

入力ノード２５には、容量追加トランジスタとして、実施例３と同じく、トランジスタ２１が接続されている。

本実施例では、１つのユニットセル２０が、光電変換部、第１転送部、第２転送部、第３転送部、第４転送部、第１信号保持部、第２信号保持部、増幅部を有する１つの組である。

本実施例のユニットセル２０は、第１容量素子３が保持した信号が、オン状態であるトランジスタ２１と浮遊拡散容量ＦＤの合成容量に転送される。一方、第２容量素子１３が保持した信号は、トランジスタ２１をオフ状態として、浮遊拡散容量ＦＤに転送される。第１容量素子３が保持する信号を、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号とし、第２容量素子１３が保持する信号を、第１蓄積期間に対応する信号とする。この動作により、実施例１と同じ効果を得ることができる。

一方、第１容量素子３が保持する信号を、第１蓄積期間に対応する信号とし、第２容量素子１３が保持する信号を、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号とする。この動作により、本実施例の撮像装置は、実施例２と同じ効果を得ることができる。

また、本実施例の撮像装置のユニットセル２０は、実施例１、実施例２で設けられていた複数の浮遊拡散容量と、複数の増幅部と、複数の選択スイッチとを、それぞれ１つずつとすることができる。これにより、本実施例の撮像装置のユニットセル２０は、回路面積を、実施例１、実施例２のそれぞれのユニットセルに比べて減らすことができる。この回路面積の減少分を、フォトダイオード１、第１容量素子３、第２容量素子１３の面積の増加に転用することができる。フォトダイオード１の面積を増加させた場合には、フォトダイオード１の感度と、信号の飽和量を増加させることができる。また、第１容量素子３、第２容量素子１３の面積を増加させた場合には、それぞれの信号の飽和量を増加させることができる。

（実施例５）
本実施例の撮像装置について、実施例４と異なる点を中心に説明する。

図８は本実施例の撮像装置のユニットセルの構成を示した図である。本実施例の撮像装置は、ユニットセル２０Ａ、２０Ｂを有する。ユニットセル２０Ａは、浮遊拡散容量ＦＤ１１、増幅部３７、選択スイッチ３８を有する。ユニットセル２０Ｂは、浮遊拡散容量ＦＤ２１、増幅部４７、選択スイッチ４８を有する。浮遊拡散容量ＦＤ１１の容量値は、浮遊拡散容量ＦＤ２１の容量値よりも大きい。入力ノード３５には、ユニットセル２０Ａ、２０Ｂのそれぞれの第２転送スイッチ４が接続されている。また、入力ノード４５には、ユニットセル２０Ａ、２０Ｂのそれぞれの第４転送スイッチ１４が接続されている。

本実施例では、１つのユニットセル２０が、光電変換部、第１転送部、第２転送部、第３転送部、第４転送部、第１信号保持部、第２信号保持部、増幅部を有する１つの組である。

本実施例の撮像装置は、ユニットセル２０Ａ、２０Ｂの第１容量素子３が保持する信号を、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号とする。また、ユニットセル２０Ａ、２０Ｂの第２容量素子１３が保持する信号を、第１蓄積期間に対応する信号とする。そして、浮遊拡散容量ＦＤ１１には、まずユニットセル２０Ａの第１容量素子３が保持する信号が転送される。そして、増幅部３７が、列信号線１０にユニットセル２０Ａの第１容量素子３が保持する信号に対応する信号を出力する。その後、ユニットセル２０Ａの第１リセットスイッチ６がオンすることで浮遊拡散容量ＦＤ１１の信号がリセットされる。そして、浮遊拡散容量ＦＤ１１には、ユニットセル２０Ｂの第１容量素子３が保持する信号が転送される。そして、増幅部３７が、列信号線１０にユニットセル２０Ｂの第１容量素子３が保持する信号に対応する信号を出力する。

浮遊拡散容量ＦＤ２１には、ユニットセル２０Ａの第２容量素子１３が保持する信号が転送される。そして、増幅部４７が、列信号線１０にユニットセル２０Ａの第２容量素子１３が保持する信号に対応する信号を出力する。その後、ユニットセル２０Ｂの第１リセットスイッチ６がオンすることで浮遊拡散容量ＦＤ２１の信号がリセットされる。そして、浮遊拡散容量ＦＤ２１には、ユニットセル２０Ｂの第２容量素子１３が保持する信号が転送される。そして、増幅部４７が、列信号線１０にユニットセル２０Ｂの第２容量素子１３が保持する信号に対応する信号を出力する。

これにより、本実施例の撮像装置は、実施例１と同じ効果を得ることができる。また、本実施例の撮像装置も、第１容量素子３が保持する信号を、第１蓄積期間に対応する信号とし、第２容量素子１３が保持する信号を、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号とすることができる。この動作により、本実施例の撮像装置は、実施例２と同じ効果を得ることができる。

また、実施例３の撮像装置では、ユニットセル２０は、容量追加トランジスタを備えていた。本実施例の撮像装置のユニットセル２０Ａ、２０Ｂは容量追加トランジスタを備えずに、実施例１、実施例２の効果を得ることができる。このように、本実施例の撮像装置のユニットセル２０Ａ、２０Ｂは、実施例３の撮像装置のユニットセル２０に対して回路面積を減らすことができる効果を有する。この回路面積の減少分を、フォトダイオード１、第１容量素子３、第２容量素子１３の面積の増加に転用することができる。フォトダイオード１の面積を増加させた場合には、フォトダイオード１の感度と、信号の飽和量を増加させることができる。また、第１容量素子３、第２容量素子１３の面積を増加させた場合には、それぞれの信号の飽和量を増加させることができる。

（実施例６）
本実施例の撮像装置について、実施例５と異なる点を中心に説明する。

図９は、本実施例の撮像装置のユニットセル２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの構成を示した図である。

実施例５の撮像装置のユニットセル２０Ａ、２０Ｂでは、ユニットセル２０Ｂの第２転送スイッチ４が、ユニットセル２０Ａの入力ノード３５に配線（第１配線）を介して接続されていた。また、ユニットセル２０Ａの第４転送スイッチ１４が、ユニットセル２０Ｂの入力ノード４５に配線（第２配線）を介して接続されていた。この接続関係の場合、ユニットセル２０Ａとユニットセル２０Ｂとで、第１配線と第２配線とが並走する箇所が存在する。このレイアウトの場合、並走する第１配線と第２配線とによって存在する寄生容量による、入力ノードに転送される信号の信号精度の低下が生じる場合がある。また、寄生容量の容量値を下げるために、第１配線と第２配線との距離を離すように配置すれば、ユニットセルの回路面積が増加する。

本実施例の撮像装置はユニットセル２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを有する。ユニットセル２０Ｃは、浮遊拡散容量ＦＤ３１、入力ノード５５、増幅部５７、選択スイッチ５８を有する。

ユニットセル２０Ｄは、浮遊拡散容量ＦＤ４１、入力ノード６５、増幅部６７、選択スイッチ６８を有する。

ユニットセル２０Ｅは、浮遊拡散容量ＦＤ５１、入力ノード７５、増幅部７７、選択スイッチ７８を有する。

浮遊拡散容量ＦＤ３１、ＦＤ５１の容量値は等しい。また、浮遊拡散容量ＦＤ４１の容量値は、浮遊拡散容量ＦＤ３１、ＦＤ５１よりも大きい。

ユニットセル２０Ｃの第２転送スイッチ４は、ユニットセル２０Ｄの入力ノード６５に接続されている。ユニットセル２０Ｄの第４転送スイッチ１４は、ユニットセル２０Ｅの入力ノード７５に接続されている。

つまり、複数のユニットセル２０のうちの一部の１つのユニットセルである第１ユニットセルとしてユニットセル２０Ｄがある。また、複数のユニットセル２０のうちの他の一部の１つのユニットセルである第２ユニットセルとしてユニットセル２０Ｃがある。また、複数のユニットセル２０のうちの他の一部の１つのユニットセルである第３ユニットセルとしてユニットセル２０Ｅがある。その第１ユニットセルの第２転送部である第２転送スイッチ４と、第２ユニットセルの第２転送部である第２転送スイッチ４とが、第１ユニットセルの入力ノードである入力ノード６５に接続されている。また、第１ユニットセルの第４転送部である第４転送スイッチ１４と、第３ユニットセルの第４転送部である第４転送スイッチ１４とが、第３ユニットセルの入力ノードである入力ノード７５に接続されている。そして、第２ユニットセル、第１ユニットセル、第３ユニットセルの順に、他のユニットセルを間に介さずに配されている。

この構成により、複数のユニットセルの一方のユニットセルの転送スイッチと、他方のユニットセルの入力ノードとを接続する配線同士が並走しないように構成することができる。これにより、実施例５の撮像装置では存在していた、第１配線と第２配線とが並走することによって生じていた寄生容量を、低減することができる。これにより、本実施例の撮像装置は、入力ノードに転送される信号の信号精度の低下を生じにくくすることができる。

（実施例７）
本実施例の撮像装置について、実施例４と異なる点を中心に説明する。

図１０は、本実施例の撮像装置のユニットセル２０Ｆの構成を示した図である。実施例４の撮像装置にユニットセル２０は、第２容量素子１３、第３転送スイッチ１２、第４転送スイッチ１４を有していた。本実施例の撮像装置のユニットセル２０Ｆは、第２容量素子１３、第３転送スイッチ１２、第４転送スイッチ１４を有しない構成としている。

ユニットセル２０Ｆは、トランジスタ８１、第１転送スイッチ８２、容量素子８３、第２転送スイッチ８４、入力ノード８５、選択スイッチ８８、浮遊拡散容量ＦＤ６１を有する。トランジスタ８１は容量追加トランジスタである。

また、本実施例では、実施例２と同じく、第１蓄積期間に対応する信号を第１容量値よりも大きい第２容量値の入力ノードに転送し、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号を第１容量値の入力ノードに転送する。

図１１は、図１０に示した撮像装置の動作を示した図である。ｎフレームと、ｎフレームに続くｎ＋１フレームの動作とを示している。

時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの期間、フォトダイオード１は信号を蓄積する。この信号を信号ＰＤ１（ｎ）とする。また、時刻Ｔ３から時刻Ｔ５までの期間、フォトダイオード１は信号を蓄積する。この信号を信号ＰＤ２（ｎ）とする。

時刻Ｔ３に、信号ＰＤ１（ｎ）が、容量素子８３に転送される。その後、容量素子８３が保持した信号ＰＤ１（ｎ）は、トランジスタ８１をオン状態として、トランジスタ８１と、浮遊拡散容量ＦＤ６１との合成容量に転送される。垂直走査回路１０１は、各行の選択スイッチ８８を順次オン状態として、各行の増幅部８７から信号ＰＤ１（ｎ）に対応する信号を出力させる。

時刻Ｔ５に、信号ＰＤ２（ｎ）が、容量素子８３に転送される。その後、容量素子８３が保持した信号ＰＤ２（ｎ）は、トランジスタ８１をオフ状態として、浮遊拡散容量ＦＤ６１に転送される。垂直走査回路１０１は、各行の選択スイッチ８８を順次オン状態として、各行の増幅部８７から信号ＰＤ２（ｎ）に対応する信号を出力させる。

時刻Ｔ６以降は、時刻Ｔ１以降の動作が繰り返される。

図１２を用いて、図１１で説明した動作の詳細を説明する。図１２に示した時刻は、図１１で示した時刻に対応している。

時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、垂直走査回路１０１は、信号ｐＯＦＤを、全ての行のユニットセル２０ＦにおいてＨｉｇｈレベルとしている。

時刻Ｔ１に、垂直走査回路１０１が信号ｐＯＦＤを、全ての行のユニットセル２０Ｆにおいて、Ｌｏｗレベルとする。これにより、全ての行のフォトダイオード１が信号の蓄積を開始する。

時刻Ｔ２に、垂直走査回路１０１は、信号ｐＧＳ１を、全ての行のユニットセル２０Ｆにおいて、Ｈｉｇｈレベルとする。その後、時刻Ｔ３に、垂直走査回路１０１は、信号ｐＧＳ１を、全ての行のユニットセル２０Ｆにおいて、Ｌｏｗレベルとする。これにより、全てのユニットセル２０Ｆの容量素子８３は、信号ＰＤ１（ｎ）を保持する。時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの期間が、フォトダイオード１が信号を蓄積する第１蓄積期間である。

時刻Ｔ３に、垂直走査回路１０１は、信号ｐＡＤＤを、全ての行のユニットセル２０Ｆにおいて、Ｈｉｇｈレベルとする。これにより、全てのユニットセル２０Ｆのトランジスタ８１が、入力ノード８５に接続された状態となる。

時刻Ｔ３の後、垂直走査回路１０１はｍ行目のユニットセル２０Ｆに出力する信号ｐＳＥＬ１（ｍ）をＨｉｇｈレベルとする。信号ｐＳＥＬ（ｍ）をＨｉｇｈレベルとしている期間に、垂直走査回路１０１は、信号ｐＲＥＳ（ｍ）をＨｉｇｈレベルとした後、Ｌｏｗレベルとする。これにより、浮遊拡散容量ＦＤ８５の信号がリセットされる。

信号ｐＲＥＳ（ｍ）がＬｏｗレベルとなった後、垂直走査回路１０１は、信号ｐＴＸ１（ｍ）をＨｉｇｈレベルとした後、Ｌｏｗレベルとする。これにより、トランジスタ８１と浮遊拡散容量ＦＤ８５との合成容量に、信号ＰＤ１（ｎ）が転送される。これにより、増幅部８７は、信号ＰＤ１（ｎ）に対応する信号を、列信号線１０に出力する。

その後、垂直走査回路１０１は、信号ｐＳＥＬ（ｍ）をＬｏｗレベルとする。続いて信号ｐＳＥＬ（ｍ＋１）をＨｉｇｈレベルとする。以降、垂直走査回路１０１は、各行のユニットセル２０Ｆから、信号ＰＤ１（ｎ）に対応する信号を順次読み出す動作を行う。

時刻Ｔ４に、垂直走査回路１０１は、信号ｐＡＤＤを、全ての行のユニットセル２０Ｆにおいて、Ｌｏｗレベルとする。

また、時刻Ｔ４に垂直走査回路１０１は、信号ｐＧＳ１を、全ての行のユニットセル２０Ｆにおいて、Ｈｉｇｈレベルとする。その後、時刻Ｔ５に、垂直走査回路１０１は、信号ｐＧＳ１を、全ての行のユニットセル２０Ｆにおいて、Ｌｏｗレベルとする。これにより、全てのユニットセル２０Ｆの容量素子８３は、信号ＰＤ２（ｎ）を保持する。時刻Ｔ３から時刻Ｔ５までの期間が、フォトダイオード１が信号を蓄積する第２蓄積期間である。第２蓄積期間は、第１蓄積期間よりも長い期間である。

時刻Ｔ５の後、垂直走査回路１０１はｍ行目のユニットセル２０Ｆに出力する信号ｐＳＥＬ１（ｍ）をＨｉｇｈレベルとする。信号ｐＳＥＬ（ｍ）をＨｉｇｈレベルとしている期間に、垂直走査回路１０１は、信号ｐＲＥＳ（ｍ）および信号ｐＡＤＤ（ｍ）をＨｉｇｈレベルとした後、Ｌｏｗレベルとする。これにより、浮遊拡散容量ＦＤ８５の信号がリセットされる。

信号ｐＲＥＳ（ｍ）、信号ｐＡＤＤ（ｍ）がＬｏｗレベルとなった後、垂直走査回路１０１は、信号ｐＴＸ１（ｍ）をＨｉｇｈレベルとした後、Ｌｏｗレベルとする。これにより、浮遊拡散容量ＦＤ８５に、信号ＰＤ２（ｎ）が転送される。これにより、増幅部８７は、信号ＰＤ２（ｎ）に対応する信号を、列信号線１０に出力する。

その後、垂直走査回路１０１は、信号ｐＳＥＬ（ｍ）をＬｏｗレベルとする。続いて信号ｐＳＥＬ（ｍ＋１）をＨｉｇｈレベルとする。以降、垂直走査回路１０１は、各行のユニットセル２０Ｆから、信号ＰＤ２（ｎ）に対応する信号を順次読み出す動作を行う。

これにより、本実施例の撮像装置は、実施例２の撮像装置と同じ効果を得ることができる。さらに本実施例の撮像装置のユニットセル２０Ｆは、実施例４の撮像装置のユニットセル２０に対して、第３転送スイッチ１２、第２容量素子１３、第４転送スイッチ１４を有しない構成とすることができる。これにより、本実施例のユニットセル２０Ｆは、実施例４のユニットセル２０よりも回路面積を減らすことができる。この回路面積の減少分を、フォトダイオード１、容量素子８３の面積の増加に転用することができる。フォトダイオード１の面積を増加させた場合には、フォトダイオード１の感度と、信号の飽和量を増加させることができる。また、容量素子８３の面積を増加させた場合には、信号の飽和量を増加させることができる。

なお、本実施例では、第１蓄積期間に対応する信号を第１容量値よりも大きい第２容量値の入力ノードに転送し、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号を第１容量値の入力ノードに転送した。本実施例は、実施例１と同じように、第１蓄積期間に対応する信号を第１容量値の入力ノードに転送し、第１蓄積期間よりも長い第２蓄積期間に対応する信号を第１容量値よりも大きい第２容量値の入力ノードに転送するようにしてもよい。この場合には、本実施例の撮像装置は、実施例１と同じ効果を得ることができる。

（実施例８）
本実施例の撮像装置について、実施例６と異なる点を中心に説明する。

図１３は、本実施例の撮像装置のユニットセル２０の構成を示した図である。本実施例の撮像装置はユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎを有する。ユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎのそれぞれは複数のフォトダイオード１ａ、１ｂを有する。さらに、ユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎのそれぞれは第１転送スイッチ２ａ、２ｂを有する。また、ユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎのそれぞれは第２転送スイッチ４ａ、４ｂを有する。ユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎのそれぞれは第３転送スイッチ１２ａ、１２ｂを有する。ユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎのそれぞれは第４転送スイッチ１４ａ、１４ｂを有する。また、ユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎのそれぞれは第１容量素子３ａ、３ｂを有する。また、ユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎのそれぞれは第２容量素子１３ａ、１３ｂを有する。また、ユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎのそれぞれは入力ノード８５を有する増幅部８７と、入力ノード９５を有する増幅部９７とを有する。また、また、ユニットセル２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎのそれぞれは選択スイッチ８８、９８を有する。

本実施例では、１つのユニットセル２０が、光電変換部、第１転送部、第２転送部、第３転送部、第４転送部、第１信号保持部、第２信号保持部、増幅部を有する１つの組を、２つ備えている点で実施例６の撮像装置と異なる。また、不図示であるが、１つのユニットセルに対し、１つのマイクロレンズが設けられている。したがって、フォトダイオード１ａ、１ｂには、１つのマイクロレンズを透過した光が入射する。

第１転送スイッチ２ａ、２ｂには、垂直走査回路１０１から、信号ｐＧＳ１（ｍ）が入力される。第２転送スイッチ４ａ、４ｂには、垂直走査回路１０１から、信号ｐＴＸ（ｍ）が入力される。第３転送スイッチ１２ａ、１２ｂには、垂直走査回路１０１から、信号ｐＧＳ２（ｍ）が入力される。第４転送スイッチ１４ａ、１４ｂには、垂直走査回路１０１から、信号ｐＴＸ２（ｍ）が入力される。選択スイッチ８８には、垂直走査回路１０１から信号ｐＳＥＬ１（ｍ）が入力される。また、選択スイッチ９８には、垂直走査回路１０１から信号ｐＳＥＬ２（ｍ）が入力される。

この例においても、入力ノード８５の容量値と、入力ノード９５の容量値とを異ならせるようにすればよい。これにより、実施例６の撮像装置と同じ効果を得ることができる。

（実施例９）
本実施例は、上述した各実施例の撮像装置を有する撮像システムに関する。

撮像システムとして、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーや監視カメラなどがあげられる。図１４に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラに撮像装置を適用した場合の模式図を示す。

図１４に例示した撮像システムは、レンズの保護のためのバリア１５０１、被写体の光学像を撮像装置１５０４に結像させるレンズ１５０２、レンズ１５０２を通過する光量を可変にするための絞り１５０３を有する。レンズ１５０２、絞り１５０３は撮像装置１５０４に光を集光する光学系である。また、図１４に例示した撮像システムは撮像装置１５０４より出力される出力信号の処理を行う出力信号処理部１５０５を有する。出力信号処理部１５０５は必要に応じて各種の補正、圧縮を行って信号を出力する動作を行う。

図１４に例示した撮像システムはさらに、画像データを一時的に記憶する為のバッファメモリ部１５０６、外部コンピュータ等と通信する為の外部インターフェース部１５０７を有する。さらに撮像システムは、撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１５０９、記録媒体１５０９に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部１５０８を有する。さらに撮像システムは、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御演算部１５１０、撮像装置１５０４と出力信号処理部１５０５に各種タイミング信号を出力するタイミング供給部１５１１を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置１５０４と、撮像装置１５０４から出力された出力信号を処理する出力信号処理部１５０５とを有すればよい。

撮像装置１５０４として、実施例８の撮像装置を用いた場合には、出力信号処理部１５０５は、フォトダイオード１ａが蓄積した信号に対応する信号と、フォトダイオード１ｂが蓄積した信号に対応する信号とを用いて、位相差検出方式のデフォーカス量の検出を行うことができる。全体制御演算部１５１０は、検出されたデフォーカス量を用いて、光学系を駆動して被写体にピントを合わせる動作を行うことができる。

出力信号処理部１５０５は、撮像装置１５０４が形成された第１の半導体基板とは別の第２の半導体基板に設けられている。この第１の半導体基板と第２の半導体基板とはそれぞれ別々のチップとしても良いし、積層して１つのチップとしても良い。

以上のように、本実施例の撮像システムは、撮像装置１５０４を適用して撮像動作を行うことが可能である。

なお、上記実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。また、これまで述べた各実施例を種々組み合わせて実施することができる。

１ フォトダイオード
２ 第１転送スイッチ
３ 第１容量素子
４ 第２転送スイッチ
５、１５ 入力ノード
６、１６ 第１リセットスイッチ
７、１７ 増幅部
８、１８ 選択スイッチ
９ 第２リセットスイッチ
１０ 列信号線
１１ 電源電圧
１２ 第３転送スイッチ
１３ 第２容量素子
１４ 第４転送スイッチ
ＦＤ１、ＦＤ２ 浮遊拡散容量

Claims (10)

1. 光電変換部と、信号保持部と、入力ノードを備える増幅部と、前記光電変換部と前記信号保持部との間の電気的経路に設けられた第１転送部と、前記信号保持部と前記入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第２転送部とを各々が有する複数の組が、複数行及び複数列に渡って配されたセルアレイと、
   前記複数の組を制御する制御部とを有し、
   前記制御部は、前記第１転送部による前記光電変換部から前記信号保持部への信号の転送の開始と終了のそれぞれを、前記複数の組で同時とし、
   前記複数の組の少なくとも一部の組が、前記入力ノードの容量値を変更する容量変更部をさらに有し、
   前記光電変換部は、第１蓄積期間と、前記第１蓄積期間とは別の期間であって前記第１蓄積期間よりも短い第２蓄積期間とのそれぞれにおいて信号を蓄積し、
   前記容量変更部が前記入力ノードを第１容量値とした状態で、前記第１蓄積期間に対応する信号が前記第２転送部から前記入力ノードに転送され、
   前記容量変更部が前記入力ノードを前記第１容量値よりも小さい第２容量値とした状態で、前記第２蓄積期間に対応する信号が前記第２転送部から前記入力ノードに転送されることを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の組のうちの第１組が、前記容量変更部を備え、
   前記複数の組のうちの第２組の前記第２転送部と、前記第１組の前記入力ノードおよび前記容量変更部とが接続されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記複数の組の各々が、
   第２信号保持部と、
   前記光電変換部と前記第２信号保持部との間の電気的経路に設けられた第３転送部と、
   前記第２信号保持部と前記入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第４転送部とをさらに有し、
   前記光電変換部が前記第１蓄積期間に蓄積した信号が、前記第１転送部を介して前記信号保持部に転送され、
   前記光電変換部が前記第２蓄積期間に蓄積した信号が、前記第３転送部を介して前記第２信号保持部に転送されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 光電変換部と、信号保持部と、第１容量値の第１入力ノードを備える第１増幅部と、前記第１容量値よりも大きい第２容量値の第２入力ノードを備える第２増幅部と、前記光電変換部と前記信号保持部との間の電気的経路に設けられた第１転送部と、前記信号保持部と前記第１入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第２転送部と、前記信号保持部と前記第２入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第４転送部と、を各々が有する複数の組が、複数行及び複数列に渡って配されたセルアレイを有し、
   前記第１転送部による、前記光電変換部から前記信号保持部への信号の転送の開始と終了のそれぞれを、前記複数の組で同時とする制御部をさらに有し、
   前記光電変換部は、第１蓄積期間と、前記第１蓄積期間とは別の期間であって前記第１蓄積期間よりも短い第２蓄積期間とのそれぞれにおいて信号を蓄積し、
   前記第１入力ノードに前記第１蓄積期間に対応する信号が転送され、
   前記第２入力ノードに前記第２蓄積期間に対応する信号が転送されることを特徴とする撮像装置。
5. 光電変換部と、信号保持部と、第１容量値の第１入力ノードを備える第１増幅部と、前記第１容量値よりも大きい第２容量値の第２入力ノードを備える第２増幅部と、前記光電変換部と前記信号保持部との間の電気的経路に設けられた第１転送部と、前記信号保持部と前記第１入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第２転送部と、前記信号保持部と前記第２入力ノードとの間の電気的経路に設けられた第４転送部と、を各々が有する複数の組が、複数行及び複数列に渡って配されたセルアレイを有し、
   前記第１転送部による、前記光電変換部から前記信号保持部への信号の転送の開始と終了のそれぞれを、前記複数の組で同時とする制御部をさらに有し、
   前記光電変換部は、第１蓄積期間と、前記第１蓄積期間とは別の期間であって前記第１蓄積期間よりも短い第２蓄積期間とのそれぞれにおいて信号を蓄積し、
   前記第１入力ノードに前記第２蓄積期間に対応する信号が転送され、
   前記第２入力ノードに前記第１蓄積期間に対応する信号が転送されることを特徴とする撮像装置。
6. 前記複数の組の各々は、前記第２入力ノードに接続された容量変更部を備え、
   前記容量変更部が、前記第２入力ノードの容量値を、前記第２容量値を含む複数の容量値から前記第２容量値を選択することによって、前記第２入力ノードの容量値が前記第２容量値となることを特徴とする請求項４または５に記載の撮像装置。
7. 前記複数の組の各々は、前記第２入力ノードに接続された容量変更部を備え、
   前記第１入力ノードと前記第２入力ノードのそれぞれは、シリコン半導体層に不純物を拡散させることによって形成された浮遊拡散部を備え、
   前記第１入力ノードの前記浮遊拡散部と、前記第２入力ノードの前記浮遊拡散部とは同じ容量値であり、
   前記容量変更部が、前記第２入力ノードの前記浮遊拡散部に別の容量を接続することによって、前記第２入力ノードの容量値が前記第２容量値となることを特徴とする請求項４または５に記載の撮像装置。
8. 前記第１入力ノードと前記第２入力ノードのそれぞれは、シリコン半導体層に不純物を拡散させることによって形成された浮遊拡散部を備え、
   前記第１容量値と前記第２容量値の差は、前記第１入力ノードの前記浮遊拡散部の容量値と、前記第２入力ノードの前記浮遊拡散部の容量値との差であることを特徴とする請求項４または５に記載の撮像装置。
9. 前記セルアレイに、前記複数の組を各々が有する複数のユニットセルが複数行および複数列に渡って配され、
   前記複数のユニットセルのそれぞれに対し、１つのマイクロレンズが対応して設けられていることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置が出力する信号を処理することによって画像を生成する信号処理部とを有することを特徴とする撮像システム。

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