CN108886591B - 摄像装置以及具备该摄像装置的摄像机系统 - Google Patents

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Abstract

摄像装置(100)，(i)在第一垂直扫描期间设置第一帧的曝光期间，在第二垂直扫描期间设置第一帧的读出期间之后，在第三垂直扫描期间设置第二帧的曝光期间之前的第一定时，变更所述雪崩光电二极管(APD)的倍增率，或者(ii)在第一垂直扫描期间设置第一帧的曝光期间之后，在第二垂直扫描期间同时设置第一帧的读出期间和第二帧的曝光期间之前的第二定时，变更所述雪崩光电二极管(APD)的倍增率。

Description

摄像装置以及具备该摄像装置的摄像机系统
技术领域
本申请涉及摄像装置以及具备该摄像装置的摄像机系统。
背景技术
近几年，在医疗、生物以及辐射测量等各种领域，有微弱光传感器的需求，用于正确地计测小到1光子的微弱光。目前作为微弱光传感器广泛使用光电倍增管(Photomultiplier Tube：PMT)。但是作为真空管装置的PMT，即使很小也是10mm×10mm的大小，多像素化很难。此外，利用PMT进行成像，通过在XY面内扫描被摄体等的方法，需要在集聚被摄体的各点的信息之后进行图像化的处理，所以实时的摄影较难。其中，为了同时实现微弱光传感器的多像素化和高速化，需要固体元件化。
能够检测1光子的微弱光的摄像装置，在受光元件多使用雪崩光电二极管。光子射入到雪崩光电二极管时，生成电子－空穴对。被生成的电子和空穴在各个高电场被加速，该电子和空穴不断地像雪崩一样地引起碰撞电离，生成新的电子－空穴对。通过该内部放大作用，能够提高灵敏度，所以要求微弱光检测的情况下，通常使用雪崩光电二极管。
雪崩光电二极管的动作模式有：以反向偏置电压低于击穿电压(breakdownvoltage)进行动作的线性模式、以及反向偏置电压在击穿电压以上进行动作的盖革模式。在线性模式中，消灭的(从高电解区域而来的)电子－空穴对的比率，比生成的电子－空穴对的比率大，所以雪崩现象自然地停止。输出电流与入射光量大致成比例，用于入射光量的测量。在盖革模式中，倍增率非常高，即使是单一光子入射，也能引起雪崩现象，所以被称为单光子雪崩二极管(SPAD∶Single Photon Avalanche Diode)。要使雪崩现象停止，需要将反向偏置电压降低为击穿电压以下。
例如，专利文献1涉及的光检测器具备：被设置为阵列状的所述的雪崩光电二极管、以及在CMOS图像传感器使用的读出电路，通过施加到雪崩光电二极管的电压，进行对倍增率的控制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1∶国际公布第2014/097519号
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1涉及的光检测器中，公开了能够控制雪崩现象中的倍增率，但是没有公开关于倍增率的控制定时等的详细内容。
本申请鉴于所述课题，其目的在于提供一种摄像装置以及具备该摄像装置的摄像机系统，实质上能够无缝地切换雪崩光电二极管的倍增率，从而能够同时摄影暗的区域和明亮的区域混在一起的场景。
用于解决课题的手段
本申请涉及的摄像装置，具备以矩阵状排列了多个像素的像素阵列、以及控制电路，所述像素阵列具备：雪崩光电二极管；电荷蓄积部，蓄积在所述雪崩光电二极管发生的信号电荷；复位晶体管，将所述电荷蓄积部初始化；传输晶体管，将所述雪崩光电二极管与所述电荷蓄积部连接；以及放大晶体管，将所述信号电荷转换为电压，所述控制电路，与所述雪崩光电二极管连接，(i)在第一垂直扫描期间设置第一帧的曝光期间，在第二垂直扫描期间设置第一帧的读出期间之后，在第三垂直扫描期间设置第二帧的曝光期间之前的第一定时，变更所述雪崩光电二极管的倍增率，或者(ii)在第一垂直扫描期间设置第一帧的曝光期间之后，在第二垂直扫描期间同时设置第一帧的读出期间和第二帧的曝光期间之前的第二定时，变更所述雪崩光电二极管的倍增率。
例如可以是，所述控制电路，对预先设定的阈值与包括所述像素阵列的图像传感器的输出值进行比较，根据比较结果，变更所述倍增率。
例如可以是，所述控制电路，针对所述多个像素的全部，同时变更所述倍增率。
例如可以是，所述控制电路，在所述第一定时变更所述倍增率的情况下，所述曝光期间，作为按每个行进行滚动驱动的时间而被决定。
例如可以是，所述控制电路，在所述第一定时变更所述倍增率的情况下，所述曝光期间，作为在所有像素同时进行全局驱动的时间而被决定。
例如可以是，所述控制电路，在每隔2个垂直扫描期间，进行倍增率的变更，在每隔2个垂直扫描期间，交替地输出由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像。
例如可以是，所述控制电路，在每隔2个垂直扫描期间，进行倍增率的变更，合成由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像，并且输出该合成的1个图像。
例如可以是，所述控制电路，在所述第二定时变更所述倍增率的情况下，所述像素阵列进一步具备：存储元件，被设置在所述电荷蓄积部与所述放大晶体管之间；以及读出晶体管，被设置在所述电荷蓄积部与所述存储元件之间，所述曝光期间，在所有像素均相同，在所述曝光期间中，所述读出晶体管被截止，进行信号的读出。
例如可以是，所述控制电路，在每隔1个垂直扫描期间，进行倍增率的变更，所述摄像装置，在每隔1个垂直扫描期间，交替地输出由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像。
例如可以是，所述控制电路，在每隔1个垂直扫描期间，进行倍增率的变更，所述摄像装置，合成由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像，并且输出该合成的1个图像。
此外，本申请涉及的摄像装置，具备以矩阵状排列了多个像素的像素阵列、以及控制电路，所述像素阵列具有：雪崩光电二极管，被设置在阱区域；电荷蓄积部，蓄积在所述雪崩光电二极管发生的信号电荷；复位晶体管，将所述电荷蓄积部初始化；传输晶体管，将所述雪崩光电二极管与所述电荷蓄积部连接；以及放大晶体管，将所述信号电荷转换为电压，所述控制电路，以行单位控制所述复位晶体管的漏极电位、所述复位晶体管的栅极电位、所述传输晶体管的栅极电位、以及所述阱区域的电位。
例如可以是，所述控制电路，对预先设定的阈值与包括所述像素阵列的图像传感器的输出值进行比较，根据比较结果，变更所述信号电荷的倍增率。
例如可以是，所述雪崩光电二极管的曝光期间，按每个行而被决定，在所述曝光期间结束之后，按每个行读出像素信号，在所述读出期间结束之后，并且下一个曝光期间的开始之前，所述控制电路进行倍增率的变更。
例如可以是，所述摄像装置，在每隔1个垂直扫描期间，交替地输出由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像。
例如可以是，所述摄像装置，输出将由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像进行合成的1个图像。
此外，本申请涉及的摄像机系统，具备：本申请涉及的摄像装置；以及信号处理电路，与所述摄像装置连接，所述信号处理电路，根据来自所述摄像装置的输出进行照度检测，将基于所述照度检测的信号，输出到所述控制电路。
发明的效果
通过本申请，不论暗的环境下还是明亮的环境下都能摄像，预先准备用于暗的环境和用于明亮的环境的电压，通过摄像装置自动地无缝地切换电压，能够拍摄出从暗的被摄体到明亮的被摄体为止的动态范围广的图像。
附图说明
图1是表示第一实施方式涉及的摄像装置的电路方框图。
图2是第一实施方式涉及的摄像装置的截面图。
图3是与第一实施方式涉及的共同电极的电压切换有关的示意图。
图4是与第一实施方式涉及的共同电极的电压切换有关的示意图。
图5是与第一实施方式涉及的摄像装置的驱动例有关的示意图。
图6A是第一实施方式涉及的像素电路的曝光开始时的驱动时序图。
图6B是第一实施方式涉及的曝光结束时的驱动时序图。
图7是具备第一实施方式涉及的摄像装置的摄像机系统的示意图。
图8A是表示入射光子数和拍摄模式的切换例子的示意图。
图8B是表示入射光子数和拍摄模式的切换例子的示意图。
图9是与第一实施方式涉及的摄像装置的驱动例子有关的示意图。
图10是表示第一实施方式涉及的摄像装置的图像输出为止的序列例子的示意图。
图11是表示第一实施方式的变形例涉及的摄像装置的电路方框图。
图12是与第一实施方式的变形例涉及的摄像装置的驱动例子有关的示意图。
图13A是第一实施方式的变形例涉及的像素电路的曝光开始时的驱动时序图。
图13B是第一实施方式的变形例涉及的曝光结束时的驱动时序图。
图14是表示第一实施方式的变形例涉及的摄像装置的图像输出为止的序列例子的示意图。
图15是表示第二实施方式涉及的摄像装置的电路方框图。
图16是第二实施方式涉及的摄像装置的截面图。
图17是表示第二实施方式涉及的电压值的一例的图。
图18是具备第二实施方式涉及的摄像装置的摄像机系统的示意图。
图19是与被摄体照度有关的示意图。
图20是表示第二实施方式涉及的摄像装置的行单位的拍摄模式的切换例子的示意图。
图21是与第二实施方式涉及的摄像装置的驱动例子有关的示意图。
图22是表示第二实施方式涉及的摄像装置的图像输出为止的序列例子的示意图。
具体实施方式
以下对本申请涉及的实施方式，利用附图详细说明。另外，以下说明的实施方式均表示本申请的优选的一个具体例子。以下的实施方式示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接形式、步骤、步骤的顺序等都是一个例子，主旨不是限制本申请。在以下实施方式的构成要素中，表示本发明的最上位概念的方案中没有记载的构成要素，作为构成更优选的方案的任意的构成要素来说明。
(第一实施方式)
首先一边参考图1一边说明本实施方式涉及的摄像装置100包含的单位像素电路。另外本说明书及图中，将浮动扩散简称为FD。本实施方式涉及的摄像装置100的像素电路110，将入射的光子用雪崩光电二极管接收，由接收的光子发生的电荷蓄积保持在FD上，将该状态的FD的电位，在源极跟踪电路放大并输出。
如图1所示，摄像装置100具备图像传感器101和控制电路102。图像传感器101包括：像素阵列103、垂直扫描电路104、相关双取样电路(CDS)105、水平扫描电路106、输出放大器107。像素阵列103包括被设置为矩阵状的多个像素电路110。各像素电路110包括，雪崩光电二极管APD、复位晶体管MRES、传输晶体管MTG、放大晶体管MSF、行选择晶体管MSEL、FD。
复位晶体管MRES，通过将FD的电位，设定为复位漏极电位VRSD，从而使FD初始化。传输晶体管MTG，连接雪崩光电二极管APD与FD。源极跟踪电路，由像素电源PIXVDD和放大晶体管MSF和负载晶体管MLG构成。该源极跟踪电路，将基于蓄积在FD的电荷的FD的电位进行放大并输出。使行选择晶体管MSEL接通，从而从垂直信号线SIGNAL输出像素信号。另外，即使没有行选择晶体管MSEL，也可以驱动本实施方式涉及的摄像装置100。
垂直扫描电路104，将控制复位晶体管MRES的复位信号RESET、控制传输晶体管MTG的传输信号TRAN、控制行选择晶体管MSEL的行选择信号SEL、以n行、n+1行、n+2行的顺序输出。
另外，在像素电路110，包括复位晶体管MRES和放大晶体管MSF的各种晶体管的任一种或者全部在单位像素内可以共用。
控制电路102，与雪崩光电二极管APD的阳极连接。控制电路102是电压开关(Voltage switch)，变更雪崩光电二极管APD的倍增率。在本实施方式中，控制电路102，向雪崩光电二极管APD输出用于不进行雪崩倍增而摄像的电压VPD、或者用于进行雪崩倍增而摄像的电压VAPD的任一种。前者称为非雪崩倍增模式，后者称为雪崩倍增模式。以下，可以将电压VPD及电压VAPD总称为电压VA。在本实施方式中，将电压VAPD与电压VPD的差假定为2V来进行说明。例如，电压VPD是－25V，电压VAPD是－27V。此外，雪崩光电二极管APD的阈电压VBD是例如－26V。在这里，|VPD|＜|VBD|，|VAPD|＞|VBD|。另外，控制电路102不仅限于电压VPD和电压VAPD的2种，按照用途可以具有3种以上的电源。
控制电路102的构成不仅限于本实施方式，可以是任何能够变更雪崩光电二极管APD的倍增率的构成。例如雪崩光电二极管APD与单一的电源连接，控制电路102，可以决定从该单一的电源提供到雪崩光电二极管APD的电压。此外，在本实施方式，控制电路102，另外被设置在图像传感器101的外侧，但是也可以被设置在图像传感器101内。
图2是图1表示的像素电路110的截面图。图中的共同电极121是金属电极。控制电路102向共同电极121施加所述的电压VAPD或电压VPD。光从截面图的下方(共同电极121的p+层122的相反一侧)射入。而且通过上述的电源施加，所述光以p+层122、p－层123的顺序被光电转换。此外，在p层124和n层125形成雪崩光电二极管APD。在n层125蓄积的电荷，之后经由传输晶体管MTG被传输到FD。另外，对于各半导体层的导电型，可以调换p型和n型。
如图3所示，从控制电路102经由共同电极121，向像素区域p+层122的全部提供电压VA。如图4所示，为了向像素阵列103整体均等地施加电压VA，优选的是从像素阵列103的4个方向(例如四角)施加电压VA。
接着利用图5来说明切换(变更)向雪崩光电二极管APD施加的电压VA的定时。图5是表示切换所有像素的电压，进行滚动曝光的情况下的驱动例子的图。在这个情况下，在曝光后输出所有像素的信号为止，不能切换电源，所以2个垂直扫描期间与1帧对应。
首先在第一垂直扫描期间VSCAN1，根据从垂直扫描电路104输出的信号，以n行、n+1行、n+2行的顺序(滚动)，开始像素曝光。在所有行，换言之，在所有像素开始曝光时，就达到第一垂直消隐期间VBLK1。
接着在第二垂直扫描期间VSCAN2，根据从垂直扫描电路104输出的信号，以n行、n+1行、n+2行的顺序结束曝光，并且蓄积在像素的电荷由源极跟踪电路而被读出。在全部像素的读出结束时，就达到第二垂直消隐期间BLK2。
这时的第二垂直消隐期间BLK2，控制电路102，将施加到雪崩光电二极管APD的电压VA，切换为以雪崩倍增来动作的电压VAPD或以非雪崩倍增来动作的电压VPD。
在第三垂直扫描期间VSCAN3，进行与第一垂直扫描期间VSCAN1相同的动作，在第四垂直扫描期间VSCAN4，进行与第二垂直扫描期间VSCAN2相同的动作。之后，如后述一样按照场景，进行控制以在所希望的定时切换电压VA。曝光时间需要1个垂直扫描期间，读出还需要1个垂直扫描期间，所以像素信号的输出仅成为2个垂直扫描期间中的1个垂直扫描期间。
接着利用图6A以及图6B说明曝光开始时的复位操作以及曝光结束后的读出动作。
在图6A表示将像素信号的复位状态输出到垂直信号线SIGNAL的驱动例子。使复位晶体管MRES接通，从而FD被初始化。再此，在复位晶体管MRES接通的期间，传输晶体管MTG也接通，从而雪崩光电二极管APD也被初始化(耗尽化)。
图6B表示将像素信号的蓄积电荷信号输出到垂直信号线SIGNAL的驱动例子。通过复位晶体管MRES接通，从而FD的电位被初始化。之后，复位晶体管MRES截止的期间，传输晶体管MTG接通，从而在雪崩光电二极管APD蓄积的信号电荷被传输到FD。
相关双取样电路105检测图6A的复位电平与图6B的信号电平的差分ΔV。水平扫描电路106，以列的顺序向输出放大器107传输被除去该噪声的信号。输出放大器107，将该信号输出到外部。
利用图7表示的摄像机系统130的例子，说明施加到雪崩光电二极管APD的电压VA，设定为以雪崩倍增动作的电压VAPD，或非雪崩倍增动作的电压VPD的任一个。
摄像机系统130具备图像传感器101、控制电路102、模拟前端(AFE)131、信号处理电路132、时序产生器(TG)133。
图像传感器101，向模拟前端131输出像素信号SENS-OUT。模拟前端131包括CDS电路及AGC(增益控制放大器电路)，输出在从像素信号SENS-OUT检测的信号成分乘以增益的信号、即信号AFE-OUT。信号处理电路132是例如信号处理LSI，包括A/D部134、Y/C处理部135、编码部136、照度检测部137。A/D部134，将模拟信号的信号AFE-OUT转换为数字信号。Y/C处理部135，对由A/D部134获得的数字信号进行Y/C处理。编码部136通过编码由Y/C处理部135获得的信号，从而生成信号HDMI。照度检测部137，利用在Y/C处理部135获得的信号，检测照度。
具体而言，信号处理电路132通过比较信号AFE-OUT的亮度电平与预先设定在信号处理电路132的阈值电平，判断是以低照度拍摄还是以高照度拍摄。信号处理电路132，判断为以低照度摄像的情况下，输出电源切换电路控制信号VOL-CNTL，以在消隐期间，指示将电压VA切换为雪崩倍增模式动作的电压VAPD。此外信号处理电路132，在判断为以高照度摄像的情况下，输出电源切换电路控制信号VOL-CNTL，以在消隐期间，指示将电压VA切换为非雪崩倍增模式动作的电压VAPD。
作为一例，如图8A及图8B所示，向每1个像素射入2光子时的亮度电平，定义为0.1Lux的情况下，在像素信号SENS-OUT的输出电压比Switching level的电压低时，施加到雪崩光电二极管APD的电压VA，被设定为雪崩倍增来动作的电压VAPD。另一方面，在像素信号SENS-OUT的输出电压比Switching level的电压高时，控制电路102将以非雪崩倍增模式动作的电压VPD施加到雪崩光电二极管APD。
另外，不是以像素信号SENS-OUT的输出电压为基准来判断动作模式，而是根据针对图像传感器101的入射光照度或者光子数来判断动作模式也可以。在这个情况下，例如另外设置检测入射光照度或者光子数的装置，信号处理电路132，使用来自这个装置的检测结果，来输出电源切换电路控制信号VOL-CNTL。
作为另外的曝光方法，如图9所示可以全局进行曝光。利用图9说明切换所有像素的电压，采用所有像素同时的全局驱动的动作序列。在这个情况下，也在曝光后输出所有像素的信号为止不能切换电源，所以2个垂直扫描期间与1帧对应。
首先在第一垂直扫描期间VSCAN1，从垂直扫描电路104向所有像素输出信号，从而开始像素的曝光。之后，所有像素的曝光结束之后达到第一垂直消隐期间BLK1。
接着在第二垂直扫描期间VSCAN2，根据从垂直扫描电路104输出的信号，以n行、n+1行、n+2行的顺序蓄积在像素的电荷，由源极跟踪电路被读出。在全部的像素的读出结束时，达到第二垂直消隐期间BLK2。
在这时的第二垂直消隐期间BLK2，控制电路102，将施加到雪崩光电二极管APD的电压VA，切换为以雪崩倍增动作的电压VAPD或以非雪崩倍增动作的电压VPD。
在第三垂直扫描期间VSCAN3，进行与第一垂直扫描期间VSCAN1相同的动作，在第四垂直扫描期间VSCAN4，进行与第二垂直扫描期间VSCAN2相同的动作。之后，如后述一样按照场景，在所希望的定时切换电压VA的方式进行控制。曝光时间需要1个垂直扫描期间，读出还需要1个垂直扫描期间，所以像素信号的输出仅成为2个垂直扫描期间中的1个垂直扫描期间。与滚动曝光比较时，在全局即所有像素同时曝光从而保持被摄体的同时性。从而，对高速移动物体进行摄像时的被摄体变形被消除。
在本实施方式，雪崩倍增模式的图像和非雪崩倍增模式的图像被交替地输出到2个垂直扫描期间中的1个垂直扫描期间。图10是表示切换所有像素的电压，进行滚动曝光或者全局曝光的情况下的序列例子的图。在摄像装置100的1个垂直扫描期间是1/60秒的情况下，以1/30秒钟的动作，输出雪崩倍增模式的图像，也以1/30秒钟的动作，输出非雪崩倍增模式的图像。由于交替地输出两个模式的图像，从而被输出的图像，根据人眼的动态视敏度有可能识别为宽动态范围的图像，但是在静止图像中分别是不同的图像，每一个图像本身不能成为宽动态范围的图像。
于是在本实施方式中，雪崩倍增模式的图像和非雪崩倍增模式的图像通过在帧存储器相加从而生成1个图像，将被生成的图像以1/15秒间隔输出。作为摄像装置100的1个垂直扫描期间的1/60秒的4倍的时间进行摄像，但是能够输出宽动态范围的图像。
(第一实施方式的变形例)
此外，在全局曝光中，如图11表示的像素电路110A一样地设置存储元件MEM，从而能够缩短切换雪崩倍增模式和非雪崩倍增模式进行拍摄时的摄像时间。
图11是本变形例涉及的摄像装置100A的电路图。在图11表示的电路图中，除了存储元件MEM之外还追加了如下，用于复位所有像素的FD的ALLRESET信号、ALLRESET晶体管MALLRES、从FD向存储元件MEM传输信号的MEMTRAN信号、读出晶体管MREAD。
图12是表示切换所有像素的电压，进行全局曝光的情况下的驱动例子的图。在像素内设置存储元件MEM，从而能够完全分开来自存储器的读出动作和曝光动作，如图12所示读出在1个垂直扫描期间之前曝光的图像的同时，针对与1个垂直扫描期间之前的曝光模式不同的模式进行曝光。例如在第二垂直扫描期间VSCAN2中，一边读出雪崩倍增模式下曝光的图像，一边以非雪崩倍增模式进行曝光。在第三垂直扫描期间VSCAN3中，一边读出非雪崩倍增模式下曝光的图像，一边以雪崩倍增模式进行曝光。
图13A表示对蓄积在FD及雪崩光电二极管APD的像素信号进行复位的驱动例子。ALLRESET晶体管接通，FD被初始化，在ALLRESET晶体管接通的期间，所有像素的传输晶体管MTG也接通，从而雪崩光电二极管APD也被初始化(耗尽化)。之后，曝光开始，在雪崩光电二极管APD开始光电转换。
图13B表示读出蓄积在雪崩光电二极管APD的像素信号的驱动例子。ALLRESET晶体管MALLRES接通，所有像素的FD被初始化。之后所有像素的传输晶体管MTG接通，向FD传输像素信号。之后所有像素的读出晶体管MREAD接通，向存储元件MEM传输像素信号。之后，垂直扫描电路104，将控制复位晶体管MRES的复位信号RESET、以及控制行选择晶体管MSEL的行选择信号SEL，按照n行、n+1行、n+2行的顺序输出。
相关双取样电路105，通过检测在行选择信号SEL接通紧之后输出到垂直信号线SIGNAL的电压，与之后复位晶体管MRES接通，并存储元件MEM被初始化时输出的电压之间的差ΔV，从而获得信号成分。水平扫描电路106，将获得的信号以列的顺序传输到输出放大器107，输出放大器107，将被传输的信号输出到外部。
图14是表示切换所有像素的电压，进行全局曝光的情况下的序列例子的图。通过如图14表示的驱动，能够在1个垂直扫描期间输出1个图像，所以运动图像的帧速率比之前的滚动驱动，提高2倍。
(第二实施方式)
将施加到雪崩光电二极管APD的电压VA，固定为以非雪崩倍增来动作的电压VPD，使像素下阱电位变化，对施加到雪崩光电二极管APD的两端的电压进行切换，从而能够切换雪崩倍增模式和非雪崩倍增模式。这是利用了使阱电位发生变化时，雪崩光电二极管APD的阴极侧的电压，与其成比例地变化。如果雪崩光电二极管APD的阴极侧和阳极侧的电位差超过击穿VB电压时，能够使雪崩光电二极管APD迁移到雪崩倍增模式。
图15是本实施方式涉及的摄像装置100B的电路图。图16是本实施方式涉及的摄像装置100B的截面图。参考这些图，对本实施方式涉及的摄像装置100B的动作进行说明。本实施方式与第一实施方式的主要的不同点是，控制电路102B，针对作为复位漏极电压VRSD被提供的电压VB与作为阱电压PWCON被提供的电压VC，分别进行切换来变化。
控制电路102B，在雪崩倍增模式动作的情况下，向电压VB提供电压VRSH，向电压VC提供电压VWH，在非雪崩倍增模式动作的情况下，向电压VB提供电压VRSL，向电压VC提供电压VWL。另外，在本实施方式，如图17所示，假定该电压差为2V，电压VRSH是5V，电压VRSL是3V，电压VWH是2V，电压VWL是0V。此外，在行扫描时各行独立地改变电压，所以在图像传感器101B，向各电压的供应源插入驱动能力高的缓冲电路141～144。
控制电路102B，以雪崩倍增模式动作的情况下，使阱电压PWCON设定为电压VWH，向作为驱动电路的缓冲电路144的电源提供电压VWH。另外，复位漏极电位VRSD被设定为电压VRSH。此时的脉冲信号的复位信号RESET与传输信号TRAN的接通时的脉冲高度，因为向作为该驱动电路的缓冲电路142及143的电源提供电压VRSH，从而与电压VRSH同等。相同地，复位漏极电压VRSD的接通时的脉冲高度，因为电压VRSH提供到该缓冲电路141的电源，从而与电压VRSH同等。向雪崩光电二极管APD的阴极施加电压VWH，作为一方的端子的阳极侧的电压，被固定为电压VPD。从而，这个电位差超过击穿，相当于电压VAPD从而移动到雪崩动作。
以非雪崩倍增模式动作的情况下，控制电路102B，将阱电压PWCON设定为电压VWL的同时，将复位漏极电压VRSD设定为电压VRSL。此时作为脉冲信号的复位信号RESET和传输信号TRAN的接通时的脉冲高度，因为向该缓冲电路142及143的电源提供电压VRSL，从而与电压VRSL同等。相同地，复位漏极电压VRSD的接通时的脉冲高度，因为向该缓冲电路141的电源提供电压VRSL，从而与电压VRSL同等。相同地，阱电压PWCON的接通时的脉冲高度，因为向该缓冲电路144的电源提供电压VWL，从而与电压VWL同等。此外，向雪崩光电二极管APD的阴极施加通常电压VRSL。另一方面，阳极侧的端子被固定为电压VPD，因为这个电位差相当于电压VPD，从而移动到非雪崩动作模式。
图18是进行雪崩动作模式和非雪崩动作模式的切换的摄像机系统130B的例子的示意图。模拟前端131，通过从图像传感器101B输出的像素信号SENS-OUT检测出的信号成分乘以增益，从而生成信号AFE-OUT。信号处理电路132，通过对信号AFE-OUT的亮度电平和信号处理电路132预先设定的阈值电平进行比较，判断是以低照度拍摄，还是以高照度拍摄。在信号处理电路132判断为以低照度拍摄的情况下，输出电源切换电路控制信号VOL-CNTL，该电源切换电路控制信号VOL-CNTL指示向电压VB提供以雪崩倍增来动作的电压VRSH，并且向电压VC提供电压VWH。
作为一例，如图19所示，将低照度和高照度的境界定义为0.1Lux时，入射光的照度比0.1Lux低时，向电压VB提供雪崩倍增模式的电压VRSH，向电压VC提供电压VWH。入射光的照度比0.1Lux高时，向电压VB提供以非雪崩倍增模式动作的电压VRSL，向电压VC提供电压VWL。
图20是用于说明切换每个行的电压，进行滚动驱动的情况的示意图。为了向各像素行提供共同的电压VB和电压VC，需要驱动能力。
如图20所示，在本实施方式，像素阵列103包含的二维设置的多个像素中，针对行方向的像素，共用复位漏极电压VRSD、复位信号RESET以及传输信号TRAN，阱电压PWCON也被共用。在行方向上设置的布线上存在寄生电容C和布线电阻R，所以根据该时间常数，信号传播延迟。因此，在每个行设置缓冲电路141～144，从而抑制延迟。通过这个构成，能够比第一实施方式更高速地输出图像。
图21是按照每个行切换电压，进行滚动驱动的情况下的驱动例子的图。如图21所示，雪崩光电二极管APD的曝光时间的开始及结束，按每个行的顺序扫描来决定。在曝光时间结束之后，雪崩光电二极管APD的信号按每个行的顺序扫描来读出。在读出时间的结束紧之后，控制电路102B能够变更各行的倍增率。另外，在图21表示了动作的中途。
在非雪崩动作模式中，在第一垂直扫描期间VSCAN1开始曝光，在第二垂直扫描期间VSCAN2开始读出。在雪崩动作模式中，在第二垂直扫描期间VSCAN2开始曝光，在第一垂直扫描期间VSCAN1开始读出。从而，不会像第一实施方式那样曝光时间需要1个垂直扫描期间，读出还需要1个垂直扫描期间。这样，按每个行输出信号之后，能够马上切换电源，所以帧速率仍然可以是1个垂直扫描期间。
在本实施方式，以雪崩倍增动作时获得的图像、和以非雪崩倍增模式动作时获得的图像交替地以1个垂直扫描期间进行切换并输出。图22是表示按每个行切换电压，进行滚动曝光的情况的序列例子的图。在摄像装置100B的1个垂直扫描期间是1/60秒的情况下，以1/60秒钟的动作输出雪崩倍增模式的图像，也以1/60秒钟的动作输出非雪崩倍增模式的图像。通过交替地输出两个模式的图像，从而作为宽动态范围的运动图像来识别。进而为了合成两个模式的图像来生成一张图像，雪崩倍增模式的图像和非雪崩倍增模式的图像在帧存储器相加，将获得的图像以1/30秒输出。
以上说明了实施方式涉及的摄像装置以及摄像机系统，但是本申请不限于该实施方式。
此外，所述实施方式涉及的摄像装置或者摄像机系统包含的各个处理部，典型的是用集成电路LSI来实现。这些可以分别单片化，也可以包括一部分或者全部的方式单片化。
此外，集成电路化不限于LSI，可以用专用电路或者通用处理器来实现。也可以使用在LSI制造后可编程的FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、或者可重构LSI内部的电路单元的连接以及设定的可重构处理器。
此外，所述实施方式涉及的摄像机系统的功能的一部分，可以用CPU等处理器执行的程序来实现。
此外，在所述截面图等，在各构成要素的边角部及边部用直线来记载，但是本发明还包括根据制造上的理由，边角部及边部为曲线。
此外，所述采用的数字，均为具体地说明本申请而示出的例子，本申请不被例示的数字所限制。并且通过高/低来表示的逻辑电平或者通过接通/截止来表示的开关状态是具体地说明本申请的示例，通过对被示例的逻辑电平或者开关状态进行不同的组合，也可以获得同等的结果。
此外，方框图的功能块的分割是一例，可以将多个功能块作为一个功能块来实现，或者将一个功能块分割为多个，或者可以将一部分的功能移到其他的功能块。此外可以将具有类似的功能的多个功能块的功能，用单一的硬件或者软件并行或者分时地处理。
以上基于实施方式对一个或多个方案所涉及的摄像装置进行了说明，不过本发明并非受上述的实施方式所限。在不超出本申请的宗旨的范围内，对本实施方式实施本领域技术人员想出的各种变形的方案，组合不同实施方式的构成要素而构筑的方案，可以包含在一个或多个方案的范围内。
产业上的可利用性
本申请涉及的摄像装置，在室外使用的情况下，适合于需要宽动态范围的监控摄像机或者车载摄像机等。在室内使用的情况下，适合于荧光观察或者工厂内的监控等。此外，在医疗领域中将本申请涉及的摄像装置使用在内窥镜时，只用小规模光源就可以，所以能够开发更小型化的摄像机。进而，在数字X线摄影等中使用的X线摄像机，能够用更少的X线照射就能进行拍摄，所以能够减轻患者的辐射量。
符号说明
100，100A，100B 摄像装置
101，101B 图像传感器
102，102B 控制电路
103 像素阵列
104 垂直扫描电路
105 相关双取样电路
106 水平扫描电路
107 输出放大器
110，110A 像素电路
121 共同电极
122 p+层
123 p－层
124 p层
125 n层
130，130B 摄像机系统
131 模拟前端
132 信号处理电路
133 时序产生器
134 A/D部
135 Y/C处理部
136 编码部
137 照度检测部
141，142，143，144 缓冲电路
APD 雪崩光电二极管
MALLRES ALLRESET 晶体管
MEM 存储元件
MLG 负载晶体管
MSF 放大晶体管
MTG 传输晶体管
MREAD 读出晶体管
MRES 复位晶体管
MSEL 选择晶体管
SIGNAL 垂直信号线

Claims (16)

1.一种摄像装置，具备以矩阵状排列了多个像素的像素阵列、以及控制电路，
所述像素阵列具备：
雪崩光电二极管；
电荷蓄积部，蓄积在所述雪崩光电二极管发生的信号电荷；
复位晶体管，将所述电荷蓄积部初始化；
传输晶体管，将所述雪崩光电二极管与所述电荷蓄积部连接；以及
放大晶体管，将所述信号电荷转换为电压，
所述控制电路，
与所述雪崩光电二极管连接，
(i)在第一垂直扫描期间设置第一帧的曝光期间，在第二垂直扫描期间设置第一帧的读出期间之后，在第三垂直扫描期间设置第二帧的曝光期间之前的第一定时，变更所述雪崩光电二极管的倍增率，或者(ii)在第一垂直扫描期间设置第一帧的曝光期间之后，在第二垂直扫描期间同时设置第一帧的读出期间和第二帧的曝光期间之前的第二定时，变更所述雪崩光电二极管的倍增率。
2.如权利要求1所述的摄像装置，
所述控制电路，对预先设定的阈值与包括所述像素阵列的图像传感器的输出值进行比较，根据比较结果，变更所述倍增率。
3.如权利要求1或者2所述的摄像装置，
所述控制电路，针对所述多个像素的全部，同时变更所述倍增率。
4.如权利要求1或者2所述的摄像装置，
所述控制电路，在所述第一定时变更所述倍增率的情况下，
所述曝光期间按每个行而被决定。
5.如权利要求1或者2所述的摄像装置，
所述控制电路，在所述第一定时变更所述倍增率的情况下，
所述曝光期间，在所有像素均相同。
6.如权利要求1或者2所述的摄像装置，
所述控制电路，在每隔2个垂直扫描期间，进行倍增率的变更，
在每隔2个垂直扫描期间，交替地输出由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像。
7.如权利要求1或者2所述的摄像装置，
所述控制电路，在每隔2个垂直扫描期间，进行倍增率的变更，
合成由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像，并且输出该合成的1个图像。
8.如权利要求1或者2所述的摄像装置，
所述控制电路，在所述第二定时变更所述倍增率的情况下，
所述像素阵列进一步具备：
存储元件，被设置在所述电荷蓄积部与所述放大晶体管之间；以及
读出晶体管，被设置在所述电荷蓄积部与所述存储元件之间，
所述曝光期间，在所有像素均相同，
在所述曝光期间中，所述读出晶体管被截止，进行信号的读出。
9.如权利要求8所述的摄像装置，
所述控制电路，在每隔1个垂直扫描期间，进行倍增率的变更，
所述摄像装置，在每隔1个垂直扫描期间，交替地输出由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像。
10.如权利要求8所述的摄像装置，
所述控制电路，在每隔1个垂直扫描期间，进行倍增率的变更，
所述摄像装置，合成由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像，并且输出该合成的1个图像。
11.一种摄像装置，具备以矩阵状排列了多个像素的像素阵列、以及控制电路，
所述像素阵列具有：
雪崩光电二极管，被设置在阱区域；
电荷蓄积部，蓄积在所述雪崩光电二极管发生的信号电荷；
复位晶体管，将所述电荷蓄积部初始化；
传输晶体管，将所述雪崩光电二极管与所述电荷蓄积部连接；以及
放大晶体管，将所述信号电荷转换为电压，
所述控制电路，以行单位控制所述复位晶体管的漏极电位、所述复位晶体管的栅极电位、所述传输晶体管的栅极电位、以及所述阱区域的电位，
所述控制电路，
与所述雪崩光电二极管连接，
(i)在第一垂直扫描期间设置第一帧的曝光期间，在第二垂直扫描期间设置第一帧的读出期间之后，在第三垂直扫描期间设置第二帧的曝光期间之前的第一定时，变更所述雪崩光电二极管的倍增率，或者(ii)在第一垂直扫描期间设置第一帧的曝光期间之后，在第二垂直扫描期间同时设置第一帧的读出期间和第二帧的曝光期间之前的第二定时，变更所述雪崩光电二极管的倍增率。
12.如权利要求11所述的摄像装置，
所述控制电路，对预先设定的阈值与包括所述像素阵列的图像传感器的输出值进行比较，根据比较结果，变更所述信号电荷的倍增率。
13.如权利要求11所述的摄像装置，
所述雪崩光电二极管的曝光期间，按每个行而被决定，
在所述曝光期间结束之后，按每个行读出像素信号，
在所述读出期间结束之后，并且下一个曝光期间的开始之前，所述控制电路进行所述信号电荷的倍增率的变更。
14.如权利要求11或者12所述的摄像装置，
所述摄像装置，在每隔1个垂直扫描期间，交替地输出由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像。
15.如权利要求11或者12所述的摄像装置，
所述摄像装置，输出将由倍增率不同的所述信号电荷构成的2个图像进行合成的1个图像。
16.一种摄像机系统，具备：
权利要求1至15的任一项记载的摄像装置；以及
信号处理电路，与所述摄像装置连接，
所述信号处理电路，根据来自所述摄像装置的输出进行照度检测，将基于所述照度检测的信号，输出到所述控制电路。
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