JP2006094263A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な画像データを得ることが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板上方に３つ積層される２つの透明電極膜によって挟まれた光電変換膜１３，１８，２３と、半導体基板に形成される信号読出回路３，５，７とを有し、光電変換膜１３，１８，２３の各々に蓄積される信号電荷に応じた信号を信号読出回路３，５，７によって外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像素子１００を含む撮像装置であって、光電変換膜１３，１８，２３は、２つの透明電極膜間に印加されるバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）によって信号電荷の流れ出す量を制御可能であり、この撮像装置は、２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧を制御して、光電変換膜１３，１８，２３の各々から流れ出す信号電荷の量を調節する信号電荷量調節手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上方に少なくとも１つ積層される２つの透明電極膜によって挟まれた光電変換膜と、前記半導体基板に形成される信号読出回路とを有し、前記光電変換膜に蓄積される信号電荷に応じた信号を前記信号読出回路によって外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像素子を含む撮像装置に関する。

近年、半導体基板表面部に多数の受光部（フォトダイオード）を集積すると共に各受光部上に赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色カラーフィルタを積層したＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサが著しく進歩し、現在では、数百万もの受光部（画素）を１チップ上に集積したイメージセンサがデジタルカメラに搭載されるようになっている。

従来のデジタルカメラは、低コスト化及びなめらかな動画撮影を可能にするために、メカニカルシャッタを用いずに、イメージセンサの基板上に設けられるオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）を利用して電子シャッタを実現しているものがある（例えば特許文献１参照）。電子シャッタは、フォトダイオードに蓄積された信号電荷をリセットする際に、約２０Ｖ程度の高電圧を基板に印加する事で、電荷の井戸に貯まった信号電荷を基板外に吐き出すことで実現される。又、従来のデジタルカメラは、イメージセンサから得られるＲＧＢ各色のデータに対し、各色毎に異なるホワイトバランスゲインを用いてホワイトバランス調整を行っている。又、撮影ＩＳＯ感度を設定可能なデジタルカメラも存在し、例えば、撮影ＩＳＯ感度が基準より２倍になった場合には、イメージセンサから得られるＲＧＢ各色のデータを２倍にして、撮影ＩＳＯ感度を上げるといった処理が行われている。

特開２００２−１８５８６４号公報

上記デジタルカメラの電子シャッタ機能は、基板に高電圧を印加するため、基板に設けられているＦＤＡ（フローティングディフージョンアンプ）の動作点が変化し、この結果、ＦＤＡから出力される信号電圧が上下に変化してしまうといった問題がある。又、上記デジタルカメラのホワイトバランス調整機能は、ＲＧＢ各色のデータに対するゲインを変化させることで、ＲＧＢの感度バランスを撮影シーン別に変化させているが、ＦＤＡから出力される信号電圧に含まれるノイズもゲイン倍されることになるため、ＳＮが劣化してしまうという問題もある。撮影ＩＳＯ感度設定についても同様に、ノイズが増幅されてＳＮが劣化してしまうという問題がある。これらの問題が生じると、良好な画像データが得にくい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、良好な画像データを得ることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、半導体基板上方に少なくとも１つ積層される２つの透明電極膜によって挟まれた光電変換膜と、前記半導体基板に形成される信号読出回路とを有し、前記光電変換膜に蓄積される信号電荷に応じた信号を前記信号読出回路によって外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像素子を含む撮像装置であって、前記光電変換膜は、前記２つの透明電極膜間に印加されるバイアス電圧によって前記信号電荷の流れ出す量を制御可能であり、前記２つの透明電極膜間に前記バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、前記２つの透明電極膜間に印加する前記バイアス電圧を制御して、前記光電変換膜から流れ出す前記信号電荷の量を調節する信号電荷量調節手段とを備える。

この構成により、光電変換膜から流れ出す信号電荷量の調節によって、例えば露光期間、非露光期間の切り替え、ホワイトバランス調整、及び撮影ＩＳＯ感度変更等の機能を実現することができ、良好な撮影画像データを得ることが可能となる。

本発明の撮像装置は、前記光電変換膜が、所定値より小さいバイアス電圧が印加されると前記信号電荷が流れ出る状態となり、前記所定値以上のバイアス電圧が印加されると前記信号電荷が流れ出ない状態となるものである。

本発明の撮像装置は、前記信号電荷量調節手段が、前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧を、前記所定値より小さいバイアス電圧と前記所定値以上のバイアス電圧とに交互に切り換え、少なくとも撮影露光期間中は、前記２つの透明電極膜間に印加すべきバイアス電圧を前記所定値より小さいバイアス電圧にする。

この構成により、電子シャッタ機能を実現することができる。

本発明の撮像装置は、前記信号電荷量調節手段が、前記２つの透明電極膜間に前記所定値より小さいバイアス電圧を印加する期間のうち、少なくとも前記撮影露光期間中に印加する前記バイアス電圧の値又は前記撮影露光期間を、前記光電変換膜で吸収される色に対するホワイトバランスゲインに応じて決定する。

この構成により、ホワイトバランス調整機能を実現することができる。

本発明の撮像装置は、前記信号電荷量調節手段が、前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧を、常に前記所定値より小さいバイアス電圧になるように制御し、少なくとも撮影露光期間中に前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧の値を、前記光電変換膜で吸収される色に対するホワイトバランスゲインに応じて決定する。

この構成により、ホワイトバランス調整機能を実現することができる。

本発明の撮像装置は、前記信号電荷量調節手段が、少なくとも前記撮影露光期間中に前記２つの透明電極膜間に印加する前記所定値より小さいバイアス電圧の値を、設定されている撮影ＩＳＯ感度に応じて変更する。

この構成により、撮影ＩＳＯ感度変更機能を実現することができる。

本発明の撮像装置は、前記信号電荷量調節手段が、前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧を、常に前記所定値より小さいバイアス電圧になるように制御し、少なくとも撮影露光期間中に前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧の値を、設定されている撮影ＩＳＯ感度に応じて変更する。

この構成により、撮影ＩＳＯ感度変更機能を実現することができる。

本発明によれば、良好な画像データを得ることが可能な撮像装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための光電変換膜積層型固体撮像素子１００の１画素分の断面模式図である。この実施形態では、光電変換膜を３層積層して、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３原色に対応する電気信号を取り出す構成、すなわち、カラー画像を撮像する構成になっているが、光電変換膜を１層だけ設け、単色例えば白黒の画像を撮像する構成でもよい。

図１において、ｎ型シリコン基板に形成されたＰウェル層１の表面部には、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域２と、赤色信号読出用のＭＯＳ回路３と、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域４と、緑色信号読出用のＭＯＳ回路５と、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域６と、青色信号読出用のＭＯＳ回路７とが形成されている。

各ＭＯＳ回路３，５，７は、半導体基板表面に形成されたソース用，ドレイン用の不純物領域と、ゲート絶縁膜８を介して形成されたゲート電極とから成る。これらのゲート絶縁膜８及びゲート電極の上部には絶縁膜９が積層されて平坦化される。この絶縁膜９の表面に遮光膜を形成する場合もあるが、遮光膜を形成した場合には遮光膜を絶縁する関係で更に絶縁膜１０を積層する。遮光膜は、多くの場合、金属薄膜で形成されるためである。遮光膜をこの場所に設けない場合には、図示の絶縁膜９，１０は一体でよい。

上述した色信号蓄積用の高濃度不純物領域２，４，６に蓄積された信号電荷量に応じた信号は、ＭＯＳ回路３，５，７によって読み出され、更に、図示は省略したが、半導体基板に形成された読み出し電極によって外部に取り出されるが、その構成は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサと同様である。

また、この例は、半導体基板に形成したＭＯＳ回路で信号電荷量に応じた信号を読み出す構成としたが、色信号蓄積用の高濃度不純物領域２，４，６の蓄積電荷を、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様に、垂直転送路に沿って移動させ、水平転送路に沿って外部に読み出す構成とすることもできる。

以上の構成は、従来のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの半導体プロセスによって製造され、以後に述べる構成を付加することで、光電変換膜積層型固体撮像素子を製造する。

図１に示す絶縁膜１０の上に、透明電極膜１１を形成する。この透明電極膜１１は、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域２に電極１２によって導通される。この電極１２は、透明電極膜１１及び高濃度不純物領域２以外とは電気的に絶縁される。そして、透明電極膜１１の上部に、赤色検出用の光電変換膜１３を形成し、更にその上部に透明電極膜１４を形成する。即ち、１対の透明電極膜１１，１４間に光電変換膜１３を挟む構成となっている。尚、最下層となる電極膜１１を不透明にして遮光膜を兼用させてもよい。

透明電極膜１４の上部には透明絶縁膜１５が形成され、その上部に、透明電極膜１６が形成される。この透明電極膜１６は、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域４に電極１７によって導通される。この電極１７は、透明電極膜１６及び高濃度不純物領域４以外とは電気的に絶縁される。透明電極膜１６の上部には緑色検出用の光電変換膜１８が形成され、その上部に、透明電極膜１９が形成される。即ち、１対の透明電極膜１６，１９間に光電変換膜１８を挟む構成となっている。

透明電極膜１９の上部には透明絶縁膜２０が形成され、その上部に、透明電極膜２１が形成される。この透明電極膜２１は、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域６に電極２２によって導通される。この電極２２は、透明電極膜２１及び高濃度不純物領域６以外とは電気的に絶縁される。透明電極膜２１の上部には青色検出用の光電変換膜２３が形成され、その上部に、透明電極膜２４が形成される。即ち、１対の透明電極膜２１，２４間に光電変換膜２３を挟む構成となっている。

最上層には透明絶縁膜２５が設けられ、この実施形態では、この透明絶縁膜２５中に、この画素への入射光の入射範囲を制限する遮光膜２６が設けられる。本実施形態で最上層に遮光膜２６を設けたのは、画素間の混色をより一層低減するためである。均質な透明電極膜としては、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化インジウム（ＩｎＯ_２）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄膜を用いるが、これに限るものではない。その形成方法としては、レーザアブレージョン法，スパッタ法などがある。

透明電極膜１１、１６、２１には、それぞれ一定の電圧が印加されるようになっている。透明電極膜１４にはバイアス電圧Ｖｂ（Ｒ）が印加され、透明電極膜１９にはバイアス電圧Ｖｂ（Ｇ）が印加され、透明電極膜２４にはバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）が印加されるようになっている。

透明電極膜１１と透明電極膜１４の間には、一定の電圧とバイアス電圧Ｖｂ（Ｒ）との差の電圧が印加されているが、この差の電圧はバイアス電圧Ｖｂ（Ｒ）によって変化するため、以下では、透明電極膜１１と透明電極膜１４の間に印加される電圧のことを、バイアス電圧Ｖｂ（Ｒ）と同義として説明する。同様に、透明電極膜１６と透明電極膜１９の間に印加される電圧のことを、バイアス電圧Ｖｂ（Ｇ）と同義として説明し、透明電極膜２１と透明電極膜２４の間に印加される電圧のことを、バイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）と同義として説明する。

光電変換膜２３の材料としては、有機材料（例えば、Ｃ６／ＰＨＰＰＳ（coumarin 6 (C6)-doped poly(m-hexoxyphenyl)phenylsilane））を用いる。光電変換膜１８の材料としては、有機材料（例えば、Ｒ６Ｇ／ＰＭＰＳ（rhodamine 6G (R6G)-doped polymethylphenylsilane））を用いる。光電変換膜１３の材料としては、有機材料（例えば、ＺｎＰｃ（亜鉛フタロシアニン）／Ａｌｑ３（キノリノールアルミ錯体））を用いる。

図２は、有機材料からなる光電変換膜の特性を示す図である。
図２に示すように、有機材料からなる光電変換膜は、それを挟む２つの電極間に印加されるバイアス電圧が０に近づく程、内部を流れる光電変換電流は少なくなる。図１の例で説明すると、例えば、透明電極膜２４と透明電極膜２１との間にはバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）が印加されているが、このバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）を０Ｖに近づけるにしたがって、光電変換膜２３に蓄積された信号電荷は透明電極膜２１に流れ出ていかなくなる。つまり、光電変換膜１３、１８、２３は、それぞれ透明電極間に印加するバイアス電圧を制御することで、そこから流れ出ていく信号電荷量を調節することが可能である。本実施形態では、各光電変換膜が、透明電極間に印加されるバイアス電圧が所定値（＝０Ｖ）よりも小さいときを信号電荷が流れ出る状態とし、透明電極間に印加されるバイアス電圧が０Ｖ以上のときを信号電荷が流れ出ない状態とするが、この所定値は０Ｖでなくでも良く、信号電荷の流れ出る量が無視できる程小さくなるときの値であれば良い。

図３は、図１に示すＭＯＳ回路３，５，７の回路図である。このＭＯＳ回路は、Ｒ，Ｇ，Ｂ毎に３つのＦＥＴ素子で構成され、その回路構成は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いる回路と同じである。

従来のＣＭＯＳ型イメージセンサでは、半導体表面に「受光部」を設ける必要があったため、これらのＭＯＳ回路を半導体表面に製造する場合、受光部を広くする関係で狭い場所に製造しなければならなかった。しかし、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、「受光部」を半導体表面に設ける必要がないため、ＭＯＳ回路の製造は容易となる。また、配線スペースに余裕ができるため、図３ではＲ，Ｇ，Ｂのうちの１つをセレクト信号で選択しながら順次読み出す構成であるが、Ｒ，Ｇ，Ｂを一緒に読める配線接続にすることも容易となる。これは、読み出し回路を、ＭＯＳ回路ではなく、ＣＣＤ型イメージセンサの様に電荷転送路を設けるタイプでも同様である。

図１に示す構造は、１画素分であるが、これらの画素が半導体基板の表面側に縦横にアレイ状に設けられる。最も、一画素一画素に応じて光電変換膜を区分して積層する必要はなく、半導体基板の表面全面に光電変換膜を一枚構成で積層することができる。そして、一画素一画素は、各光電変換膜を挟む一対の透明電極のうちの一方を一画素一画素に分離して形成することで、画素を分離できる。

光電変換膜から対応する高濃度不純物領域２等に信号電荷を移動させる方法としては、通常のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの受光素子から信号を取り出す手法に準じた手法を採用してもよい。例えば、一定量のバイアス電荷を高濃度不純物領域２等（蓄積ダイオード）に注入して（リフレッシュモード）おき、光入射によって一定の電荷を蓄積（光電変換モード）した後、信号電荷を読み出すという方法である。

図４は、本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図４のデジタルカメラは、撮像部１０１と、アナログ信号処理部１０２と、Ａ／Ｄ変換部１０３と、駆動部１０４と、ストロボ１０５と、デジタル信号処理部１０６と、圧縮／伸張処理部１０７と、表示部１０８と、システム制御部１０９と、内部メモリ１１０と、メディアインタフェース１１１と、記録メディア１１２と、操作部１１３とを備える。デジタル信号処理部１０６、圧縮／伸張処理部１０７、表示部１０８、システム制御部１０９、内部メモリ１１０、及びメディアインタフェース１１１は、システムバス１１４に接続されている。

撮像部１０１は、撮影レンズや絞り等の光学系と図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子１００によって被写体の撮影を行うものであり、アナログの撮像信号を出力する。アナログ信号処理部１０２は、撮像部１０１で得られた撮像信号に所定のアナログ信号処理を施す。Ａ／Ｄ変換部１０３は、アナログ信号処理部２で処理後のアナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部１０３の出力は、いわゆるＲＡＷ画像データとしてデジタル信号処理部１０６に送られる。ＲＡＷ画像データは、撮像部１０１からの撮像信号の形式のままデジタル化したデジタル画像データである。

撮影に際しては、駆動部１０４を介して光学系及び光電変換膜積層型固体撮像素子１００の制御が行われる。光電変換膜積層型固体撮像素子１００は、操作部１１３の一部であるレリーズボタン（図示せず）の操作によるレリーズスイッチ（図示せず）オンを契機として、所定のタイミングで、駆動部１０４からの駆動信号によって駆動される。駆動部１０４は、システム制御部１０９によって所定の駆動信号を出力する。

駆動部１０４は、透明電極膜２１と透明電極膜２４の間にバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）を印加するＢバイアス制御部１１５と、透明電極膜１９と透明電極膜１６の間にバイアス電圧Ｖｂ（Ｇ）を印加するＧバイアス制御部１１６と、透明電極膜１１と透明電極膜１４の間にバイアス電圧Ｖｂ（Ｒ）を印加するＲバイアス制御部１１７とを含んでいる。Ｂバイアス制御部１１５は、システム制御部１０９の制御によって、バイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）を制御して、光電変換膜２３から流れ出す信号電荷の量を調節する。Ｇバイアス制御部１１６は、システム制御部１０９の制御によって、バイアス電圧Ｖｂ（Ｇ）を制御して、光電変換膜１８から流れ出す信号電荷の量を調節する。Ｒバイアス制御部１１７は、システム制御部１０９の制御によって、バイアス電圧Ｖｂ（Ｒ）を制御して、光電変換膜１３から流れ出す信号電荷の量を調節する。Ｂバイアス制御部１１５、Ｇバイアス制御部１１６、及びＲバイアス制御部１１７は、それぞれ特許請求の範囲のバイアス電圧印加手段と信号電荷量調節手段に該当する。

デジタル信号処理部１０６は、Ａ／Ｄ変換部１０３からのデジタル画像データに対して、操作部１１３によって設定された動作モードに応じたデジタル信号処理を行う。デジタル信号処理部１０６が行う処理には、黒レベル補正処理（ＯＢ処理）、リニアマトリクス補正処理、ガンマ補正処理、画像合成処理、同時化処理、及びＹ／Ｃ変換処理等が含まれる。デジタル信号処理部１０６は、例えばＤＳＰで構成される。

圧縮／伸張処理部１０７は、デジタル信号処理部１０６で得られたＹ／Ｃデータに対して圧縮処理を施すとともに、記録メディア１１２から得られた圧縮画像データに対して伸張処理を施す。

表示部１０８は、例えばＬＣＤ表示装置を含んで構成され、撮影されてデジタル信号処理を経た画像データに基づく画像を表示する。記録メディアに記録された圧縮画像データを伸張処理して得た画像データに基づく画像の表示も行う。また、撮影時のスルー画像、デジタルカメラの各種状態、操作に関する情報の表示等も可能である。

内部メモリ１１０は、例えばＤＲＡＭであり、デジタル信号処理部１０６やシステム制御部１０９のワークメモリとして利用される他、記録メディアに１１２に記録される撮影画像データを一時的に記憶するバッファメモリや表示部１０８への表示画像データのバッファメモリとしても利用される。メディアインタフェース１１１は、メモリカード等の記録メディア１１２との間のデータの入出力を行うものである。

システム制御部１０９は、所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成され、撮影動作を含むデジタルカメラ全体の制御を行う。

操作部１１３は、デジタルカメラ使用時の各種操作を行うものである。

図４に示すデジタルカメラは、光電変換膜積層型固体撮像素子１００の各光電変換膜を挟む透明電極間に印加するバイアス電圧を各々独立に制御することによって、電子シャッタ機能、ホワイトバランス調整機能、撮影ＩＳＯ感度変更機能の３つの機能を実現することができる。以下、各機能について説明する。

＜電子シャッタ機能＞
光電変換膜積層型固体撮像素子１００は、各光電変換膜を挟む透明電極間に０Ｖより小さいバイアス電圧を印加した場合のみ、各光電変換膜に蓄積される信号電荷が流れ出す。このため、露光期間（被写体を撮影する期間、スルー画像表示用の撮影期間も含む）のみ０Ｖより小さいバイアス電圧を印加し、それ以外の非露光期間は０Ｖ以上のバイアス電圧を印加して、露光期間及び非露光期間を交互に切り換えることで、電子シャッタ機能を実現することができる。露光期間のうち、ユーザからの撮影指示（レリーズボタン押下）に応じて開始される露光期間（以下、撮影露光期間という）は、撮影準備時に得られる撮像信号によって決定された露出値に基づく値としても良いし、或いは、ユーザにより設定された値としても良い。自動で撮影露光期間を決める場合、撮影露光期間はシステム制御部１０９によって決定され、決定された撮影露光期間に応じて、駆動部１０４が０Ｖより小さいバイアス電圧を印加する期間を制御する。

本実施形態の電子シャッタ機能によれば、従来のように、基板に対して高電圧を印加せずに電子シャッタ機能を実現することができるため、基板に設けられているＦＤＡの動作点が変化することはなく、ＦＤＡから出力される撮像信号を安定させることができ、良好な画像データを得ることができる。又、メカニカルシャッタが不要となるため、デジタルカメラの製造コストを下げることができる。

＜ホワイトバランス調整機能＞
従来のデジタルカメラでは、ＲＧＢ各色に対するホワイトバランスゲインを決定し、決定したホワイトバランスゲインを各色の撮像信号に乗じることで、各色の撮像信号量を調節してホワイトバランス調整を行っている。一方、本実施形態のデジタルカメラでは、ＲＧＢ各色に対するホワイトバランスゲインを事前に決定しておき、このホワイトバランスゲインに応じて、撮影露光期間に印加すべきバイアス電圧の値を各色毎に決定することで、各光電変換膜から流れ出る信号電荷量を調節して、ホワイトバランス調整機能を実現する。具体的には、Ｂバイアス制御部１１５、Ｇバイアス制御部１１６、及びＲバイアス制御部１１７が、それぞれ、各色に対応するホワイトバランスゲインに応じて、撮影露光期間中に印加するバイアス電圧の値を決定し、決定した値のバイアス電圧を、撮影露光期間中、透明電極間に印加する制御を行う。ホワイトバランスゲインは、撮影準備時に得られる撮像信号によってシステム制御部１０９が決定した値としても良いし、或いは、ユーザによって予め設定された値としても良い。

本実施形態のホワイトバランス調整機能によれば、撮像信号をゲイン倍することなくホワイトバランス調整を行うことができるため、ノイズが増幅されることがなくなり、ＳＮの劣化しない良好な画像データを得ることが可能となる。

尚、撮影露光期間中に印加するバイアス電圧の値を制御する代わりに、バイアス電圧Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）の値は全て同一とし、バイアス電圧Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）それぞれの印加時間（撮影露光期間）を制御して、各光電変換膜から流れ出る信号電荷量を調節することも可能である。この場合は、Ｂバイアス制御部１１５、Ｇバイアス制御部１１６、及びＲバイアス制御部１１７が、それぞれ、各色に対応するホワイトバランスゲインに応じて各バイアス電圧の印加時間を決定すれば良い。

＜撮影ＩＳＯ感度変更機能＞
従来のデジタルカメラでは、撮影ＩＳＯ感度を、基準となる撮影ＩＳＯ感度に対して２倍に変更したとすると、撮影して得られたＲＧＢ各色の撮像信号をアンプによって２倍にするといった処理を行っている。一方、本実施形態のデジタルカメラでは、撮影ＩＳＯ感度を、基準となる撮影ＩＳＯ感度に対して２倍に変更する場合、撮影によって得られるＲＧＢ各色の撮像信号をアンプによって２倍に増幅するのではなく、各光電変換膜を挟む透明電極間に撮影露光期間中に印加するバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）それぞれの値を２倍にして、各光電変換膜から得られる信号電荷量を一律２倍にする処理を行うことで、撮影ＩＳＯ感度を変更する。本実施形態のデジタルカメラは、撮影ＩＳＯ感度が基準に対して２倍になったときはバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）をそれぞれ２倍にし、撮影ＩＳＯ感度が基準に対して１／２倍になったときはバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）をそれぞれ１／２倍にするといった制御を、Ｂバイアス制御部１１５、Ｇバイアス制御部１１６、及びＲバイアス制御部１１７が行う。撮影ＩＳＯ感度は、撮影準備時に得られる撮像信号によってシステム制御部１０９が決定した値としても良いし、或いは、ユーザによって予め設定された値としても良い。

本実施形態の撮影ＩＳＯ感度変更機能によれば、従来のようにアンプのゲイン値を変えて撮影ＩＳＯ感度を変更するのではなく、バイアス電圧の値を制御して撮影ＩＳＯ感度を変更することができる。このため、ノイズが増幅されることがなくなり、ＳＮの劣化しない良好な画像データを得ることが可能となる。

上述した３つの機能は、それぞれ独立に実行しても良いし、組み合わせて実行しても良い。以下、デジタルカメラの動作について説明する。
図５は、電子シャッタ機能とホワイトバランス調整機能とを組み合わせて実行するデジタルカメラの光電変換膜積層型固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図である。
ユーザにより撮影露光期間が設定され、各色に対するホワイトバランスゲインが設定された状態で、レリーズボタンの押下により静止画撮影指示がなされると、図５に示すように、Ｂバイアス制御部１１５は、ユーザによって設定された青色に対するホワイトバランスゲインに応じた値（０Ｖより小さい値）のバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）を、ユーザによって設定された撮影露光期間だけ透明電極膜２１、２４間に印加する。Ｇバイアス制御部１１６は、ユーザによって設定された緑色に対するホワイトバランスゲインに応じた値（０Ｖより小さい値）のバイアス電圧Ｖｂ（Ｇ）を、ユーザによって設定された撮影露光期間だけ透明電極膜１６、１９間に印加する。Ｒバイアス制御部１１７は、ユーザによって設定された赤色に対するホワイトバランスゲインに応じた値（０Ｖより小さい値）のバイアス電圧Ｖｂ（Ｒ）を、ユーザによって設定された撮影露光期間だけ透明電極膜１１、１４間に印加する。
これにより、ホワイトバランス調整のなされたＲＧＢ各色の撮像信号が撮像部１０１から出力されるため、ＳＮの劣化しない良好な画像データが記録メディア１１２に記録される。

尚、図５の例において、撮影指示が行われる前及び撮影後に、表示部１０８にスルー画像を表示させる場合には、図６に示すように、撮影露光期間の直前と直後は、Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）をそれぞれ０Ｖ（又はそれ以上）にし、撮影露光期間中は、Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）をそれぞれホワイトバランスゲインに応じた値にし、スルー画像を表示するための露光期間中は、Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）をそれぞれ０Ｖより小さい所定値にする制御を行えばよい。図６の例では、撮影露光期間に印加するバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）のみを、ホワイトバランスゲインに応じた値にしているが、撮影露光期間以外の露光期間に印加するバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）も、ホワイトバランスゲインに応じた値にしてしまっても良い。

図５、６に示したように、少なくとも撮影露光期間中は、Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）をそれぞれホワイトバランスゲインに応じた値に制御することで、良好な撮影画像データを得ることができる。

図５の例では、バイアス電圧の値を制御してホワイトバランス調整を行っているが、バイアス電圧の印加時間（撮影露光時間）を制御してホワイトバランス調整を行う例について図７を用いて説明する。
図７は、電子シャッタ機能とホワイトバランス調整機能とを組み合わせて実行するデジタルカメラにおける光電変換膜積層型固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図である。
ユーザによりホワイトバランスゲインが設定された状態で、レリーズボタンの押下により静止画撮影指示がなされると、図７に示すように、Ｂバイアス制御部１１５は、０Ｖより小さい所定値のバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）を、ユーザによって設定された青色に対するホワイトバランスゲインに応じた時間だけ透明電極膜２１、２４間に印加する。Ｇバイアス制御部１１６は、バイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）と同じ値のバイアス電圧Ｖｂ（Ｇ）を、ユーザによって設定された緑色に対するホワイトバランスゲインに応じた時間だけ透明電極膜１６、１９間に印加する。Ｒバイアス制御部１１７は、バイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）と同じ値のバイアス電圧Ｖｂ（Ｒ）を、ユーザによって設定された赤色に対するホワイトバランスゲインに応じた時間だけ透明電極膜１１、１４間に印加する。
これにより、ホワイトバランス調整のなされたＲＧＢ各色の撮像信号が撮像部１０１から出力されるため、ＳＮの劣化しない良好な画像データが記録メディア１１２に記録される。

尚、図７の例において、撮影指示が行われる前及び撮影後に、表示部１０８にスルー画像を表示させる場合には、図８に示すように、撮影露光期間の直前と直後のみ、Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）をそれぞれ０Ｖ（又はそれ以上）にし、撮影露光期間を含む露光期間中は、Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）を０Ｖより小さい所定値にする制御を行えばよい。

図９は、電子シャッタ機能のみを実行するデジタルカメラにおける光電変換膜積層型固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図である。
ユーザにより撮影露光期間が設定され、レリーズボタンの押下により静止画撮影指示がなされると、図９に示すように、Ｂバイアス制御部１１５は、０Ｖより小さい所定値のバイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）を、ユーザによって設定された撮影露光期間だけ透明電極膜２１、２４間に印加する。Ｇバイアス制御部１１６は、バイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）と同じ値のバイアス電圧Ｖｂ（Ｇ）を、ユーザによって設定された撮影露光期間だけ透明電極膜１６、１９間に印加する。Ｒバイアス制御部１１７は、バイアス電圧Ｖｂ（Ｂ）と同じ値のバイアス電圧Ｖｂ（Ｒ）を、ユーザによって設定された撮影露光期間だけ透明電極膜１１、１４間に印加する。これにより、信号電荷が流れ出る状態と流れ出ない状態とを切り換えて電子シャッタ機能を実現することができる。

尚、図９の場合は、撮像部１０１から得られる撮像信号に対して、従来のデジタルカメラと同様の手法でホワイトバランス調整処理を行えば良い。

又、図９の例において、撮影指示が行われる前及び撮影後に、表示部１０８にスルー画像を表示させる場合には、図１０に示すように、撮影露光期間の直前と直後のみ、Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）をそれぞれ０Ｖ（又はそれ以上）にし、撮影露光期間を含む露光期間中は、Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ）を０Ｖより小さい所定値にする制御を行えばよい。

図５〜１０で示した駆動シーケンスが、基準となる撮影ＩＳＯ感度におけるものとすると、ユーザにより、撮影ＩＳＯ感度が基準に対して例えば２倍に設定された場合、Ｂバイアス制御部１１５、Ｇバイアス制御部１１６、及びＲバイアス制御部１１７は、それぞれ図５〜１０における撮影露光期間中に印加すべき各バイアス電圧の値を２倍にする制御を行う。これにより、撮像部１０１からは図５〜図１０で示した例の２倍の量の撮像信号が出力されることになり、撮影ＩＳＯ感度を上げることができる。尚、図５〜１０における撮影露光期間中に限らず、露光期間中に印加すべき各バイアス電圧の値を２倍にする制御を行っても良い。少なくとも撮影露光期間中に印加すべきバイアス電圧の値を撮影ＩＳＯ感度に応じて変更すれば、撮影ＩＳＯ感度変更機能を実現することができる。

尚、上記ホワイトバランス調整機能による効果は、本実施形態のデジタルカメラのような電子シャッタ機能を有していなくとも得ることができる。例えば、従来からある電子シャッタ又はメカニカルシャッタを用いて撮影露光期間、非露光期間の切り替え制御を行い、撮影露光期間において各光電変換膜から流れ出す信号電荷量を、ホワイトバランスゲインに応じて制御しても良い。この場合、Ｂバイアス制御部１１５、Ｇバイアス制御部１１６、及びＲバイアス制御部１１７は、デジタルカメラが撮影モードに設定されている間、０Ｖより小さい所定値のバイアス電圧の印加を常に行っておく。そして、少なくとも撮影露光期間中（電子シャッタ及びメカニカルシャッタが開いている期間）のバイアス電圧の値は、ホワイトバランスゲインに応じて決定した値とすれば良い。

又、上記撮影ＩＳＯ感度変更機能による効果は、本実施形態のデジタルカメラのような電子シャッタ機能を有していなくとも得ることができる。例えば、従来からある電子シャッタ又はメカニカルシャッタを用いて撮影露光期間、非露光期間の切り替え制御を行い、撮影露光期間において各光電変換膜から流れ出す信号電荷量を、設定された撮影ＩＳＯ感度に応じて制御しても良い。この場合、Ｂバイアス制御部１１５、Ｇバイアス制御部１１６、及びＲバイアス制御部１１７は、デジタルカメラが撮影モードに設定されている間、０Ｖより小さい所定値のバイアス電圧の印加を常に行っておく。そして、少なくとも撮影露光期間中（電子シャッタ及びメカニカルシャッタが開いている期間）のバイアス電圧の値は、撮影ＩＳＯ感度に応じて決定した値とすれば良い。

又、本実施形態では、基板上方に３つの光電変換膜が積層される固体撮像素子を例にして説明したが、基板上にシリコンからなる光電変換素子を設け、その基板上方に有機材料からなる光電変換膜を積層して、３色を検出することができるようにした構造の固体撮像素子であっても、良好な画像データを得ることができる。この構造の場合、シリコンからなる光電変換素子には、従来からある電子シャッタ機能、ホワイトバランス調整機能、及び撮影ＩＳＯ感度変更機能を適用し、有機材料からなる光電変換膜には、本実施形態で説明した電子シャッタ機能、ホワイトバランス調整機能、及び撮影ＩＳＯ感度変更機能を適用する。このようにすることで、少なくとも、有機材料からなる光電変換膜からの撮像信号については、ノイズの少ないものを得ることができるようになる。

又、図５〜１０では、静止画撮影時の動作を説明したが、動画撮影時も同様の処理を行うことで、良好な動画像データを得ることができる。尚、動画撮影時ではホワイトバランスゲインがリアルタイムに変化するため、ホワイトバランス調整処理においては、バイアス電圧値や撮影露光期間を、ホワイトバランスゲインの変化に合わせてリアルタイムに変更する制御を行う必要がある。

本発明の実施形態を説明するための光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図 有機材料からなる光電変換膜の特性を示す図 図１に示すＭＯＳ回路の回路図 本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの概略構成を示す図 電子シャッタ機能とホワイトバランス調整機能とを組み合わせて実行するデジタルカメラにおける光電変換膜積層型固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図 電子シャッタ機能とホワイトバランス調整機能とを組み合わせて実行するデジタルカメラにおける光電変換膜積層型固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図 電子シャッタ機能とホワイトバランス調整機能とを組み合わせて実行するデジタルカメラにおける光電変換膜積層型固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図 電子シャッタ機能とホワイトバランス調整機能とを組み合わせて実行するデジタルカメラにおける光電変換膜積層型固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図 電子シャッタ機能のみを実行するデジタルカメラにおける光電変換膜積層型固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図 電子シャッタ機能のみを実行するデジタルカメラにおける光電変換膜積層型固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図

符号の説明

１００ 光電変換膜積層型固体撮像素子
１３，１８，２３ 光電変換膜
１１，１４，１６，１９，２１，２４ 透明電極膜
３，５，７ ＭＯＳ回路（信号読出回路）
Ｖｂ（Ｂ），Ｖｂ（Ｇ），Ｖｂ（Ｒ） バイアス電圧

Claims (7)

1. 半導体基板上方に少なくとも１つ積層される２つの透明電極膜によって挟まれた光電変換膜と、前記半導体基板に形成される信号読出回路とを有し、前記光電変換膜に蓄積される信号電荷に応じた信号を前記信号読出回路によって外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像素子を含む撮像装置であって、
   前記光電変換膜は、前記２つの透明電極膜間に印加されるバイアス電圧によって前記信号電荷の流れ出す量を制御可能であり、
   前記２つの透明電極膜間に前記バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、
   前記２つの透明電極膜間に印加する前記バイアス電圧を制御して、前記光電変換膜から流れ出す前記信号電荷の量を調節する信号電荷量調節手段とを備える撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置であって、
   前記光電変換膜は、所定値より小さいバイアス電圧が印加されると前記信号電荷が流れ出る状態となり、前記所定値以上のバイアス電圧が印加されると前記信号電荷が流れ出ない状態となるものである撮像装置。
3. 請求項２記載の撮像装置であって、
   前記信号電荷量調節手段は、前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧を、前記所定値より小さいバイアス電圧と前記所定値以上のバイアス電圧とに交互に切り換え、少なくとも撮影露光期間中は、前記２つの透明電極膜間に印加すべきバイアス電圧を前記所定値より小さいバイアス電圧にする撮像装置。
4. 請求項３記載の撮像装置であって、
   前記信号電荷量調節手段は、前記２つの透明電極膜間に前記所定値より小さいバイアス電圧を印加する期間のうち、少なくとも前記撮影露光期間中に印加する前記バイアス電圧の値又は前記撮影露光期間を、前記光電変換膜で吸収される色に対するホワイトバランスゲインに応じて決定する撮像装置。
5. 請求項２記載の撮像装置であって、
   前記信号電荷量調節手段は、前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧を、常に前記所定値より小さいバイアス電圧になるように制御し、少なくとも撮影露光期間中に前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧の値を、前記光電変換膜で吸収される色に対するホワイトバランスゲインに応じて決定する撮像装置。
6. 請求項３〜５のいずれか記載の撮像装置であって、
   前記信号電荷量調節手段は、少なくとも前記撮影露光期間中に前記２つの透明電極膜間に印加する前記所定値より小さいバイアス電圧の値を、設定されている撮影ＩＳＯ感度に応じて変更する撮像装置。
7. 請求項２記載の撮像装置であって、
   前記信号電荷量調節手段は、前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧を、常に前記所定値より小さいバイアス電圧になるように制御し、少なくとも撮影露光期間中に前記２つの透明電極膜間に印加するバイアス電圧の値を、設定されている撮影ＩＳＯ感度に応じて変更する撮像装置。

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