JP6872707B2 - 撮像装置および画像取得装置 - Google Patents
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Description
電荷検出回路と、基板上に設けられた画素電極および補助電極と、電荷検出回路および画素電極と電気的に接続された電荷蓄積ノードと、画素電極および補助電極上に位置する光電変換層と、光電変換層上に位置する上部電極とを含む単位画素セルと、補助電極に対し、少なくとも2つの電圧を印加可能な電圧印加回路とを備えた撮像装置。
とができる。
単位画素セルを複数備え、複数の単位画素セルは、1次元または2次元に配列されている、項目1に記載の撮像装置。
電圧印加回路は、補助電極に対し、第1の電圧と第1の電圧よりも大きい第2の電圧とを選択的に印加する、項目1または2に記載の撮像装置。
電荷検出回路は、所定のタイミングで画素電極をリセット電圧に設定するためのリセットトランジスタを含み、リセット電圧は、第1の電圧よりも大きく、第2の電圧よりも小さい、項目3に記載の撮像装置。
電荷検出回路は、所定のタイミングで画素電極をリセット電圧に設定するためのリセットトランジスタを含み、リセット電圧は、第2の電圧よりも大きい、項目3に記載の撮像装置。
電荷検出回路は、所定のタイミングで画素電極をリセット電圧に設定するためのリセットトランジスタを含み、リセット電圧は、第1の電圧よりも小さい、項目3に記載の撮像装置。
第1の電圧および第2の電圧の少なくとも一方は負電圧である、項目3に記載の撮像装置。
光電変換層へ入射する単位面積あたり光の量を検出する光量検出回路をさらに備え、電
圧印加回路は、光量検出回路の検出結果に基づき電圧を印加する項目1から7のいずれかに記載の撮像装置。
補助電極に撮像時に印加した電圧の値を保持するメモリをさらに備える、項目1から8のいずれかに記載の撮像装置。
補助電極は、単位画素セルごとに分離されている、項目2に記載の撮像装置。
複数の単位画素セルは、第1の色のカラーフィルタを有する第1単位画素セルと、第2の色のカラーフィルタを有する第2単位画素セルとを含み、電圧印加回路は、第1単位画素セルの補助電極と第2単位画素セルの補助電極との間で異なる電圧を印加する、項目10に記載の撮像装置。
電圧印加回路は、1つのフレーム内において、補助電極に印加する電圧を切り替える、項目1から11のいずれかに記載の撮像装置。
電圧印加回路は、1つのフレーム内において、補助電極に印加する電圧を周期的に変化させる、項目12に記載の撮像装置。
照明装置をさらに備え、電圧印加回路は、補助電極に印加する電圧を照明装置の動作に応じて切り替える、項目1から13に記載の撮像装置。
補助電極に印加される電圧の切り替えに合わせて変化する電圧を上部電極に供給する制御線をさらに備える、項目12から14のいずれかに記載の撮像装置。
電圧印加回路は、指定されたF値に応じて異なる電圧を補助電極に印加する、項目1から15のいずれかに記載の撮像装置。
画素電極は、それぞれが補助電極に囲まれることにより空間的に分離された複数のサブ画素電極を含む、項目1から16のいずれかに記載の撮像装置。
複数の単位画素セルは、画素電極と補助電極との間に第1のギャップが形成された第1単位画素セルと、画素電極と補助電極との間に第1のギャップよりも大きい第2のギャップが形成された第2単位画素セルとを含む、項目2に記載の撮像装置。
補助電極は、複数のサブ補助電極を含み、複数のサブ補助電極の各々は、電圧印加回路との電気的接続を有する、項目1から18のいずれかに記載の撮像装置。
画像処理回路を備え、電圧印加回路は、少なくとも2つのフレームにおいて、異なる電圧を印加し、画像処理回路は、少なくとも2つのフレームの画像信号を合成し、合成した画像信号を出力する項目1から19のいずれかに記載の撮像装置。
複数の単位画素セルの各補助電極は互いに電気的に接続されている項目2および18に記載の撮像装置。
電圧印加回路は、2フレーム単位で電圧を変更する項目21に記載の撮像装置。
複数の単位画素セルは行および列の2次元に配列されており、少なくとも各行の単位画素セルの補助電極は、各行内において互いに電気的に接続されている項目2および18に記載の撮像装置。
複数の単位画素セルの補助電極は、n行(nは2以上の整数)ごとに群を形成し、各群内において、補助電極は互いに電気的に接続され、かつ、各群は、互いに電気的に分離している項目23に記載の撮像装置。
被写体を基準にして複数の異なる照射方向から、順次、照明光を出射し、照明光で被写体を照射する照明システムと、被写体を透過した照明光が入射する位置に配置され、異なる照射方向に応じて異なる複数の画像を取得する項目1から22のいずれかに記載の撮像装置と、複数の画像を合成して、複数の画像の各々よりも分解能の高い被写体の高分解能画像を形成する画像処理部とを備える画像取得装置。
図1から図11を参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
図1は、第1の実施形態に係る撮像装置101の回路構成の一例を模式的に示している。撮像装置101は、複数の単位画素セル14と周辺回路とを備えている。
されて、感光領域(画素領域)を形成している。撮像装置101は、ラインセンサであってもよく、複数の単位画素セル14は、1次元に配列されていてもよい。本願明細書では、行方向および列方向とは、行および列がそれぞれ延びる方向をいう。つまり、垂直方向が列方向であり、水平方向が行方向である。
図2は、本実施形態に係る撮像装置101中の単位画素セル14のデバイス構造の断面を模式的に示している。
極50によって捕捉された信号電荷を検出し、信号電圧を出力する。電荷検出回路25は、増幅トランジスタ11と、リセットトランジスタ12と、アドレストランジスタ13とを含み、半導体基板31に形成されている。
次に図1、図2および図4Aから図4Dを参照しながら、撮像装置101の例示的な動作を説明する。以下に説明するように、信号電荷として正孔を利用する場合には、上部電極52よりも画素電極50および補助電極61の電位を低く設定することにより、光電変換で発生した正孔を画素電極50側へ集めることができる。
電極52との電位差の方が大きいので)、生成した正孔は、画素電極50よりも補助電極61へ移動しやすい。その結果、光電変換層51のうち、画素電極50との重なりを有する部分を含む領域51A(図4A参照)において発生する正孔は、主に画素電極50へ移動し、信号電荷として検出される。他方、光電変換層51のうち、補助電極61との重なりを有する部分を含む領域51B(図4A参照)において発生する正孔は、主に補助電極61へ移動する。これは、光電変換層51に照射された光のうち、領域51Aに照射された光が検出されることを意味する。つまり、単位画素セル14は、撮像面に入射した光のうち、領域51Aに入射した光を実質的に検出する。領域51Aは、光電変換層51のうち、光電変換によって生成された信号電荷(ここでは正孔)が主として画素電極に収集されるような領域であり、領域51Bは、光電変換層51のうち、光電変換によって生成された信号電荷(ここでは正孔)が主として補助電極に収集されるような領域である。
。図6Aは、補助電極61にV1<Vr<V2を満たす感度調整電圧V1およびV2を印加する場合における、画素電極50によって信号電荷が捕捉される領域を画素電極50および補助電極61側から見た平面図である。図6Aにおいて、領域51A1、51Ar、51A2は、それぞれ、補助電極61に、V1、Vr、V2の感度調整電圧を印加した場合における、画素電極50によって信号電荷(ここでは正孔)が捕捉される領域を模式的に示している。補助電極61にリセット電圧Vrを印加した場合、初期化された画素電極50と補助電極61とは同電位となる。このため、補助電極61にリセット電圧Vrが印加されたときにおける領域51Arの境界は、画素電極50と補助電極61のほぼ中間に位置する。
極61側から見た平面図である。
ある。
図7を参照して説明した動作では、補助電極61に印加する感度調整電圧を2フレーム単位で変化させている。しかしながら、感度調整電圧の切り替えは、2フレーム単位に限定されない。以下に説明するように、1フレーム単位での感度調整電圧の切り替えも可能である。
次に、図12Aから図13Bを参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
・・・、61nのそれぞれは、互いに電気的に分離している。
0Aとの接続を有する。電圧印加回路60Aは、補助電極行611、612、・・・、61nのそれぞれに対して個別に、少なくとも2つの感度調整電圧を供給可能に構成されてい
る。図12Aを参照して説明する以下の例では、補助電極行毎に異なるタイミングで、2つの感度調整電圧の切り替えを実行する。
印加する感度調整電圧の変化のタイミングを示している。
図14Aを参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
面積あたりの光の量を検出する。単位面積あたり光の量は照度であってもよい。
図14Bは、第3の実施形態に係る撮像装置の他の構成の例を示す。図14Bに示す撮像装置103Aは、フラッシュ72を有する。図14Bに例示する構成において、図10を参照して説明したように、フラッシュの発光タイミングに合わせて、撮像装置103Aの感度が一時的に低くなるような動作が実行されてもよい。例えば、電圧印加回路60Cが、フラッシュの発光タイミングに合わせて、撮像装置103Aの感度が一時的に低くなるような感度調整電圧を単位画素セル14に供給してもよい。
力インターフェース74を介してF値として第1の値が指定されたとき、電圧印加回路60Dは、補助電極61に第1の感度調整電圧(例えば−2V)を印加する。入力インターフェース74を介してF値として第1の値よりも小さな第2の値が指定されたとき、電圧印加回路60Dは、補助電極61に第2の感度調整電圧(例えば5V)を印加する。補助電極61に第2の感度調整電圧が印加されることにより、画素電極50によって信号電荷が捕捉される領域は、補助電極61に第1の感度調整電圧が印加されたときよりも拡大する。画素電極50によって信号電荷が捕捉される領域が拡大することにより、カメラの絞りを大きくした状態と同様の状態が実現する。
図17を参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
とも、相対的に感度が低く、白飛びが少ない画像の信号と、相対的に感度が高く、黒潰れが少ない画像の信号とが、画像処理回路71へ出力される。画像処理回路71は、例えばこれらの2つの画像を合成した合成画像を生成し、出力する。感度を変えて取得された2以上の画像の合成方法は、特定の方法に限定されず、ハイダイナミックレンジ合成に用いられる種々の信号処理方法を適用し得る。
図18は、第4の実施形態に係る撮像装置における画素電極および補助電極の配置の一例を示す。図18は、画素アレイ中の複数の単位画素セルのうちの9つを抜き出して例示している。以下に説明するように、機能の異なる単位画素セルを画素アレイ中に混在させておいてもよい。
ており、その大きさ(画素電極50Cと補助電極行61Cとの間の距離)は、Lcである
。また、単位画素セル14Dの画素電極50Dと補助電極行61Dとの間には、間隙が形
成されており、その大きさ(画素電極50Dと補助電極行61Dとの間の距離)は、Ld
である。図18に模式的に示すように、ここでは、距離Ldは、距離Lcよりも大きい。そのため、例えば補助電極行61Cおよび補助電極行61Dに同一の感度調整電圧を印加した場合であっても、単位画素セル14Cに形成される、画素電極50Cによって信号電荷が捕捉される領域の大きさと、単位画素セル14Dに形成される、画素電極50Dによって信号電荷が捕捉される領域の大きさとは、互いに異なる。すなわち、この例では、共通の感度調整電圧を印加した場合であっても、画素電極によって信号電荷が捕捉される領域の大きさは、奇数行と偶数行との間で異なる。換言すれば、感光領域のうち、単位画素セル14Cに着目したときの感度と、単位画素セル14Dに着目したときの感度とは、互いに異なっている。
電極行61Dに同一の感度調整電圧を印加した状態で被写体の撮影を行う。撮影後、例え
ば画像処理回路71(図17参照)は、各単位画素セルからの出力に基づいて、被写体の画像を構築する。
61Dに同一の感度調整電圧を印加した状態であっても、単位画素セル14Cに形成され
る、画素電極50Cによって信号電荷が捕捉される領域の大きさと、単位画素セル14Dに形成される、画素電極50Dによって信号電荷が捕捉される領域の大きさとは、互いに
異なっているので、第1の画像および第2の画像は、互いに異なる感度のもとで取得された画像であるといえる。つまり、画素電極と補助電極(ここでは補助電極行)との間のギャップの大きさの異なる画素を画素アレイ中に混在させておくことにより、異なる感度のもとで撮影された画像を一度に取得することができる。
セル14Ebの右側および左側には、単位画素セル14Egが配置されている。これらの2つの単位画素セル14Egの各々は、上部電極52に関して光電変換層51とは反対側に、カラーフィルタ75gを有する。ここでは、カラーフィルタ75gは、緑色の光を透過するフィルタである。図示するように、カラーフィルタ(ここではカラーフィルタ75bおよび75g)上には、マイクロレンズ76が配置され得る。
図22を参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
に対応付けられた感度調整電圧の値から、その画像が、暗い環境で撮影されて得られた画像なのか、感度調整電圧を制御することによって感度が低くされた状態で撮影されて得られた画像なのかを区別することが可能である。
図23、図24Aおよび図24Bを参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
Bdよりも大きい。そのため、このときの領域51Aは、図において右側に偏った形状を有する。
図25Aから図30を参照しながら、本実施形態に係る画像取得装置を説明する。
、光源81aから81iを用いたそれぞれ1回の撮影の画像よりも分解能の高い被写体の高分解能画像を形成する。
11 増幅トランジスタ
12 リセットトランジスタ
13 アドレストランジスタ
14、14B〜14E、14Eg、14Eb、14G 単位画素セル
15 垂直走査回路
16 光電変換部制御線
17 垂直信号線
18 負荷回路
19 カラム信号処理回路
20 水平信号読出し回路
21 電源配線
22 反転増幅器
23 フィードバック線
24 電荷蓄積ノード
26 アドレス信号線
27 リセット信号線
28 感度調整線
31 半導体基板
38A、38B、38C ゲート絶縁層
39A、39B、39C ゲート電極
41A〜41E n型不純物領域
42 素子分離領域
43A、43B、43C 層間絶縁層
45A、45B コンタクトプラグ
46A、46B、46C 配線
47A、47B、47C、48 プラグ
49 配線
50、50B〜50D 画素電極
50a〜50i サブ画素電極
51 光電変換層
51A、51B、51Ba、51Bd、51C、51D 領域
52 上部電極
60、60A〜60D、60F 電圧印加回路
61、61B、61E、61G 補助電極
611〜61n、61C、61D 補助電極行
61a〜61d サブ補助電極
70 光量検出回路
71 画像処理回路
72 フラッシュ
74 入力インターフェース
75b、75g カラーフィルタ
76 マイクロレンズ
78 メモリ
80 被写体
81 照明システム
83 平行光光源
81A〜81I 領域
81a〜81i 光源
82 機構
82A ゴニオ機構
82B 回転機構
90 画像処理部
101、103、103A、103B、104、104E、105 撮像装置
100 撮像装置
106 画像取得装置
Claims (11)
- 上部電極と、補助電極と、信号電荷として正孔を収集する画素電極と、前記補助電極および前記上部電極と前記画素電極との間に位置する光電変換層と、を含む画素と、
前記補助電極に対し、第1の電圧と第2の電圧とを選択的に印加可能な電圧印加回路と、
を備え、
前記第1の電圧および前記第2の電圧は、前記上部電極に印加される電圧よりも小さく、異なるフレームにおいて印加される、
撮像装置。 - 上部電極と、補助電極と、信号電荷として電子を収集する画素電極と、前記補助電極および前記上部電極と前記画素電極との間に位置する光電変換層と、を含む画素と、
前記補助電極に対し、第1の電圧と第2の電圧とを選択的に印加可能な電圧印加回路と、
を備え、
前記第1の電圧および前記第2の電圧は、前記上部電極に印加される電圧よりも大きく、異なるフレームにおいて印加される、
撮像装置。 - 前記画素を複数備え、前記複数の画素は、1次元または2次元に配列されている、請求項1または2に記載の撮像装置。
- 前記第1の電圧および前記第2の電圧の少なくとも一方は負電圧である、請求項1から3のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記光電変換層へ入射する単位面積あたり光の量を検出する光量検出回路をさらに備え、
前記電圧印加回路は、前記光量検出回路の検出結果に基づき電圧を印加する、請求項1から4のいずれかに記載の撮像装置。 - 画像処理回路をさらに備え、
前記電圧印加回路は、少なくとも2つのフレームにおいて、異なる電圧を印加し、
前記画像処理回路は、前記少なくとも2つのフレームの画像信号を合成し、合成した画像信号を出力する、請求項1から5のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記複数の画素の各補助電極は、互いに電気的に接続されている、請求項3に記載の撮像装置。
- 前記電圧印加回路は、2フレーム単位で電圧を変更する、請求項7に記載の撮像装置。
- 前記複数の画素は、行および列の2次元に配列されており、
少なくとも各行の画素の前記補助電極は、各行内において互いに電気的に接続されている、請求項3に記載の撮像装置。 - 前記複数の画素の前記補助電極は、n行(nは2以上の整数)ごとに群を形成し、各群内において、前記補助電極は、互いに電気的に接続され、かつ、各群は、互いに電気的に分離している、請求項9に記載の撮像装置。
- 被写体を基準にして複数の異なる照射方向から、順次、照明光を出射し、前記照明光で前記被写体を照射する照明システムと、
前記被写体を透過した前記照明光が入射する位置に配置され、前記異なる照射方向に応じて異なる複数の画像を取得する請求項1から10のいずれかに記載の撮像装置と、
前記複数の画像を合成して、前記複数の画像の各々よりも分解能の高い前記被写体の高分解能画像を形成する画像処理部と、
を備える画像取得装置。
Priority Applications (1)
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