JP5255790B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
入射光が撮像素子に入射して光電変換層で発生した電荷が電荷蓄積部に蓄積されると、電荷蓄積部の電位は図示のように上昇する。そして、露光終了後、MOS回路にて電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号が出力されると共に、電荷蓄積部の電荷がリセットされる。リセット動作後に光が入射しない場合、光電変換層で発生したキャリアが瞬時に電荷蓄積部に蓄積されるのであれば、リセット動作後に電荷蓄積部の電位は上昇しないはずである。しかし、光電変換層で発生したキャリアが電荷蓄積部に接続された電極に到達するまでには、ある程度の時間を要することがあるため、露光期間中に光電変換層で発生していたのに電荷蓄積部に移動しきれなかったキャリアが残像成分としてリセット後に電荷蓄積部に蓄積されてしまう。この残像成分が次の露光期間に電荷蓄積部に蓄積されるキャリアに混ざることで、画質が劣化してしまう。又、電荷蓄積部に残像成分があると、電荷蓄積部に接続されている電極の電位が上がるため、光電変換層に加わるバイアス電圧が相対的に低くなり、キャリア輸送性能が低下して感度が悪くなるといった問題も考えられる。尚、光電変換層内の残像成分は、時間が経過すると指数関数的に減少することが確認されている。
図1は、本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、メカニカルシャッタMSと、撮影レンズ1と、撮像素子5と、この両者の間に設けられた絞り2と、赤外線カットフィルタ3と、光学ローパスフィルタ4とを備える。
撮像素子5は、n型基板51とこの上に形成されたpウェル層52とからなる半導体基板上方に、下部電極56と、下部電極56上方に形成された光電変換層57と、光電変換層57上方に形成された上部電極58とを含む光電変換素子が、下部電極56を半導体基板側に向けて積層された構成となっている。
図3に示すように、上部電極58には、バイアス電圧を供給するバイアス電源65が接続され、下部電極56にはn+層53に相当するコンデンサ53が接続されている。コンデンサ53には、ソースフォロア回路の初段トランジスタ62が接続されると共に、リセットドレイン電源64がリセットトランジスタ63を介して接続されている。コンデンサ53に蓄積された電子は、ソースフォロア回路の初段トランジスタ62でその量に応じた信号電圧に変換され、増幅された後に、撮像素子5外部へと出力される。
図4は、撮像素子5のリセット動作を説明するタイミングチャートである。
メカニカルシャッタMSが開いている露光期間に入射した光に応じて光電変換層57で発生した電子がコンデンサ53に蓄積されると、コンデンサ53の電位は図示のように上昇する。そして、メカニカルシャッタMSが閉じて露光期間が終了すると、ソースフォロア回路にてコンデンサ53に蓄積された電子に応じた信号が出力されると共に、リセットトランジスタ63にリセット電圧の供給が開始され、リセット電圧の供給が上記一定期間継続して行われる。コンデンサ53内の電子はリセット電圧の供給開始と共にリセットドレイン電源64に掃き捨てられ、露光期間終了後に下部電極56に移動した残像電荷もリセットドレイン電源64へと掃き捨てられる。又、リセット電圧が供給されている間、コンデンサ53の電位はリセット直後の状態を維持する。上記一定期間経過後、リセット電圧の供給が停止されるが、この時点では残像電荷がコンデンサ53にほとんど移動してこないため、コンデンサ53の電位はほとんど変動しない。そして、その状態から次の露光期間が開始される。
第一実施形態では、リセット電圧の印加時間を制御することで下部電極56の電位を一定に保つことを実現したが、本実施形態では、信号読み出し部54の回路構成を工夫することで、これを実現している。第二実施形態で説明するデジタルカメラの全体構成とそれに搭載される撮像素子構成は図1,2と同様であり、図2に示す信号読み出し部54の構成と撮像素子駆動部10の機能のみが異なるものとなっている。以下、この信号読み出し部54の第二実施形態における構成について説明する。
図5に示す撮像素子の信号読み出し部54は、リセットトランジスタ63と、リセットドレイン電源64と、特許請求の範囲の電極電位固定手段として機能する反転増幅器66とを備える。上部電極58には、バイアス電圧を供給するバイアス電源65が接続され、下部電極56は反転増幅器66の反転入力端子に接続されている。反転増幅器66の非反転入力端子はリセットドレイン電源64に接続されている。反転増幅器66の反転入力端子と出力端子との間にはn+層53に相当するコンデンサ53が接続され、コンデンサ53の両端にはリセットトランジスタ63が接続されている。
光電変換層57で発生した電子がコンデンサ53に蓄積されると、この蓄積電子により、コンデンサ53の両端に電子量とコンデンサ容量に依存して電位差が発生する。反転増幅器66の反転入力端子と出力端子との間にコンデンサ53があるため、この電位差に応じた信号電圧が反転増幅器66で反転増幅されて撮像素子5外部へと出力される。信号出力後、露光期間開始直前にリセットトランジスタ63がオンになり、コンデンサ53に蓄積された電子はリセットされ、反転増幅器66の出力端子はリセットドレイン電源64の電位に落ち着く。下部電極56が反転増幅器66の反転入力端子に接続されているために、撮像素子5の動作期間中、下部電極56の電位はリセットドレイン電源64の電位に常に固定されている。
図6は、本発明の第三実施形態であるデジタルカメラに搭載される撮像素子の等価回路図である。図6において図5と同じ構成及び対応する構成には同一符号を付してある。
図6に示す撮像素子は、図5に示した撮像素子の反転増幅器66の反転入力端子と出力端子の間に、コンデンサ53に対して並列にコンデンサ70とスイッチ71で構成される直列回路を設けた構成となっている。スイッチ71は、一端が反転増幅器66の反転入力端子に接続され、他端がコンデンサ70の一端に接続されている。コンデンサ70の他端には反転増幅器66の出力端子が接続されている。
撮影モードに設定され、ユーザによって事前撮影が指示されると(ステップS1)、システム制御部11は撮像素子駆動部10を介してスイッチ71をオフの状態とし(ステップS2)、この指示に応じて事前撮影を実行するための制御を行う(ステップS3)。事前撮影が行われると、光電変換層57で発生した電子がコンデンサ53に蓄積される。そして、システム制御部11が、撮像素子5の全画素のうち、事前撮影によってコンデンサ53に蓄積された電荷がコンデンサ53の容量を超えた画素があるか否かを判定し(ステップS4)、蓄積電荷量がコンデン53の容量を超えてしまう画素があった場合にのみ(ステップS4:YES)、スイッチ71をオンにする制御を行う(ステップS5)。
10 撮像素子駆動部
53 電荷蓄積部(コンデンサ)
54 信号読み出し部
55 ビアプラグ
56 下部電極
57 光電変換層
58 上部電極
62 ソースフォロアの初段トランジスタ
63 リセットトランジスタ
64 リセットドレイン電源
65 バイアス電源
66 反転増幅器
Claims (3)
- 半導体基板上方に積層された光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を蓄積する前記半導体基板内に形成された電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を外部に出力する信号読み出し部とを含む画素を多数有する撮像素子を有する撮像装置であって、
前記光電変換素子が、前記半導体基板上方に形成された下部電極と、前記下部電極上方に形成された光電変換層と、前記光電変換層上方に形成された上部電極とを含み、
前記電荷蓄積部は前記下部電極又は前記上部電極と電気的に接続されており、
前記信号読み出し部は、前記電荷蓄積部に蓄積されている電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て手段と、前記撮像素子の露光期間が終了してから次の露光期間が開始されるまでの期間のうちの連続した少なくとも一定期間、前記電荷蓄積部に接続された前記下部電極又は前記上部電極の電位を一定に保つ電極電位固定手段とを備え、
前記一定期間が、前記電荷蓄積部に蓄積可能な最大量の電荷が前記電荷蓄積部に蓄積された状態で前記電荷掃き捨て手段によって前記最大量の電荷を掃き捨てるために最低限必要な時間よりも長い時間であり、
前記電極電位固定手段が、前記撮像素子を等価回路で表したときに、前記電荷蓄積部に接続された前記下部電極又は前記上部電極に反転入力端子が直接接続され、固定電位に非反転入力端子が接続され、前記反転入力端子と出力端子との間に前記電荷蓄積部に相当するコンデンサが接続された差動増幅器であって、前記撮像素子の動作期間中前記電位を常に前記固定電位に保つものである撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置であって、
前記反転入力端子と前記出力端子との間に、前記コンデンサに対して並列に接続された直列回路を備え、
前記直列回路は、前記反転入力端子に接続されるスイッチと、前記スイッチに接続される別のコンデンサとで構成される撮像装置。 - 請求項2記載の撮像装置であって、
本撮影の前に行われる事前撮影によって前記コンデンサに蓄積された電荷が当該コンデンサの容量を超えた場合にのみ、前記スイッチをオンにして前記反転入力端子と前記別のコンデンサとを接続する制御を行うスイッチ制御手段を備える撮像装置。
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