JP2015056702A - 撮像装置、撮像装置の駆動方法、および、カメラ - Google Patents

撮像装置、撮像装置の駆動方法、および、カメラ Download PDF

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Abstract

【課題】高感度化と広ダイナミックレンジ化とを簡単な回路で、大型化することなく実現することが可能な撮像装置、撮像装置の駆動方法およびカメラを提供する。【解決手段】撮像装置としてのイメージセンサ１を、アレイ状に配列した複数の画素１０を複数行有する画素アレイ１０’と、各画素アレイ１０’に設けられた積分アンプ２０と、出力ライン２と、リセットライン３と、を備えて構成する。各画素１０を、電圧源Ｖｃｃ、電流増幅率を可変できるフォトトランジスタＰ、選択スイッチＳ、リセットスイッチＲを備えて構成する。画素１０ごとに、選択スイッチＳをオンして、フォトトランジスタＰで光エネルギーを受光しつつフォトトランジスタＰの信号電荷を読み出す。【選択図】図１

Description

本発明は、光照射時に光電流を出力するフォトトランジスタを備えた撮像装置、撮像装置の駆動方法、および、撮像装置を備えたカメラに関する。
近年、暗い場所でも撮像が可能な高感度な撮像装置として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサが開発されている。また、暗い場所と明るい場所とを同時に撮影できる広ダイナミックレンジのＣＭＯＳイメージセンサも開発されている。このＣＭＯＳイメージセンサには、光電変換素子として光子に対して電荷が１対１で出力されるフォトダイオードが用いられている。また、ＣＭＯＳイメージセンサは受光により発生する信号電荷をソースフォロア出力とすることで電圧に変換している。フォトダイオードは感度が低いため、光エネルギーにより発生する信号電荷を多くするために、読み出し時以外はフォトダイオードの接合容量等に信号電荷を蓄積させている。この信号電荷の蓄積により、読み出す信号電荷を大きくする方式を採用し、高感度化を達成している。また、広ダイナミックレンジ化については、蓄積機能を利用して、以下の方式により、高照度撮像に対応できるようにする技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
（１）蓄積時間を調整するグローバルシャッター方式で数枚の画像を撮影し合成する方式。
（２）フローティングディフュージョンとは別に、いくつかの容量をもつ方式。
（３）フォトダイオードとして容量を従来よりも大きなものを使用する方式。
上記方式の一例として、特許文献１には、フォトダイオードに高感度低照度側の小容量のフローティングディフュージョンと、低感度高照度側の大容量のフローティングディフュージョンとを接続して、画像取り込みモードに対応して、低照度側の出力と高照度側出力とを選択し、それぞれ出力する技術が開示されている。これにより、１／ｆノイズを小さくして広ダイナミックレンジ化を図っている。
また、光電変換素子として、光電流を増幅させる機能を有するフォトトランジスタを用いた技術も開発されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２では、フォトトランジスタに蓄積された信号電荷を、読み出し時にすべて放出できないために、フォトトランジスタとは別個に設けたバイポーラトランジスタのベースや容量に、フォトトランジスタに蓄積された信号電荷を転送し、その転送後に読み出す方式が開示されている。また、フォトトランジスタからの信号電荷の転送時期にフォトトランジスタに残存する蓄積電荷もリセットする方式としている。
しかしながら、従来技術のような蓄積方式では、光エネルギーが強い場合や蓄積時間が長いときには、発生する電荷量が多くなり、光電変換素子がもつ容量へ蓄積できる電荷量を超えて飽和してしまい、広いダイナミックレンジを得ることは困難である。これを解消するためには、容量を大きくする必要があり、それには光電変換素子の面積を大きくするか、または、画素ごとに別の場所に蓄積する容量を準備する必要があり、撮像装置が大きくなってしまう。また、光エネルギーの照射時間や、信号電荷の蓄積時間を変化させて、複数の画像を撮影して合成し、広ダイナミックレンジ化を図る場合、電荷を蓄積する機能と画像合成時の処理スピードが必要とされる。そのため、データ処理部分で回路設計が複雑となり、使用するデバイス性能の向上も求められる。従来は、このように高感度、広ダイナミックレンジ化を図るためには、回路が複雑となる、撮像装置が大きくなるという問題があった。
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、高感度化と広ダイナミックレンジ化とを簡単な回路で、大型化することなく実現することが可能な撮像装置および撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明に係る撮像装置は、受光した光エネルギーの強さに対して増幅率を変化させて光エネルギーを信号電荷に変換するフォトトランジスタ、を有する画素を少なくとも１つ備え、画素ごとに、フォトトランジスタで光エネルギーを受光しつつフォトトランジスタの信号電荷を読み出すことを特徴とする。
本発明によれば、高感度化と広ダイナミックレンジ化とを簡単な回路で、大型化することなく実現することが可能な撮像装置および撮像装置の駆動方法を得ることができる。
本願の実施例１に係るイメージセンサ（撮像装置）の等価回路図である。 電流増幅率が可変のフォトトランジスタの一例を示すもので、（ａ）は当該フォトトランジスタの断面図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は不純物領域の拡散プロファイルを示すグラフである。 図２に示す随時読み出し方式かつ増幅率が可変のフォトトランジスタ、比較例１としての随時読み出し方式かつ増幅率が一定のフォトトランジスタ、および、比較例２としての蓄積読み出し方式のフォトダイオードの特性を示すグラフである。 図２に示すフォトトランジスタの電気特性を示すグラフである。 図２に示すフォトトランジスタの光学特性を示すグラフである。 実施例１に係るイメージセンサの駆動処理の動作を示すフローチャートである。 本願の実施例２に係るカメラのシステム構成の概要を示すブロック図である。
本願に係る撮像装置では、光電変換化素子として、光エネルギーの受光により発生する光電流を増幅する機能と、この電流増幅率を変化させる機能を有するフォトトランジスタを用いている。そしてフォトトランジスタでの受光を行いつつフォトトランジスタで増幅された信号電荷を、画素ごとに随時読み出す方式としている。
（実施例１）
＜イメージセンサの構成＞
以下、本願に係る撮像装置の一実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は本願の実施例１に係る撮像装置としてのイメージセンサ１の等価回路図である。この図１に示すように、実施例１に係るイメージセンサ１は、アレイ状に配置された複数の画素１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・）からなる画素アレイ１０’と、この画素アレイ１０’に１つ設けられた積分アンプ２０と、信号電荷の読み出し経路としての出力ライン２と、出力ライン２とは別個に設けられた迂回経路としてのリセットライン３と、を備えて構成される。なお、図１では、画素アレイ１０’と積分アンプ２０とは、１組（１行）のみ描かれているが、実施例１では、このような画素アレイ１０’と積分アンプ２０とを、複数組（複数行）配置している。これにより、行列方向に二次元に画素１０が配置されたイメージセンサ１を構成している。なお、画素１０の配置や数は、実施例１の構成に限定されることはなく、１つの画素１０のみを有する撮像装置、画素アレイ１０’を１行のみ有する撮像装置であってもよく、高感度化や広ダイナミックレンジ化等が可能な撮像装置を実現できる。
各画素１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・）は、電圧源Ｖｃｃ（Ｖｃｃ１，Ｖｃｃ２，Ｖｃｃ３，・・・）、フォトトランジスタＰ（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・）、信号電荷の読み出し手段（第１スイッチ）としての選択スイッチＳ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・）、および、迂回手段（第２スイッチ）としてのリセットスイッチＲ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，・・・）を備えて構成される。なお、図１では、各画素１０およびその構成部品の識別を容易とするため、符号の末尾に１０ａ，１０ｂ，１０ｃのようにアルファベット、または、アルファベットの末尾にＰ１，Ｐ２，Ｐ３のように数字を付して表示している。ただし、以下では、末尾のアルファベットまたは数字を省略して説明する。
フォトトランジスタＰは、図１に示すように、エミッタ領域Ｅ、ベース領域Ｂ、および、コレクタ領域Ｃを備えた縦型バイポーラ構造を有している。フォトトランジスタＰのコレクタ領域Ｃは、電圧源Ｖｃｃに接続されている。エミッタ領域Ｅは、選択スイッチＳとリセットスイッチＲとを切り替えることで、接続先が切り替わる。すなわち、選択スイッチＳをオンにし、リセットスイッチＲをオフにすることで、エミッタ領域Ｅは選択スイッチＳを介して出力ライン２に接続される。この出力ライン２には、積分アンプ２０が接続され、エミッタ領域Ｅからの信号電荷が積分アンプ２０に移送される。また、選択スイッチＳをオフにし、リセットスイッチＲをオンにすることで、エミッタ領域ＥはリセットスイッチＲを介してリセットライン３に接続される。これにより、フォトトランジスタＰ内部の蓄積電荷が、出力ライン２を迂回して、リセットライン３に導かれ、放電が行われる。このように、選択スイッチＳは、フォトトランジスタＰの信号電荷を読み出す読み出し手段として機能する。リセットスイッチＲは、フォトトランジスタＰ内部の蓄積電荷をリセットライン３側に迂回させて放電させる迂回手段として機能する。
以下、選択スイッチＳとリセットスイッチＲとのオン、オフのタイミングについて説明する。フォトトランジスタＰにより光エネルギーを受光し、発生する信号電荷を読み出す際には、選択スイッチＳをオンにし、リセットスイッチＲをオフにする。これにより、フォトトランジスタＰから出力される光電流は、出力ライン２を介して積分アンプ２０に随時移送される。また、実施例１では、このように選択スイッチＳをオンにしてフォトトランジスタＰから信号電荷を読み出す前に、リセットスイッチＲを用いて、フォトトランジスタＰ内部の蓄積電荷を、出力ライン２を迂回させてリセットライン３に導いている（迂回処理）。このリセットライン３を介して蓄積電荷を放電させることで、イメージセンサ１内部の飽和を防いでいる。
この迂回処理を行うには、選択スイッチＳをオフにした状態で、放電のために少なくとも予め設定された時間（以下、「放電時間」と呼ぶ）に渡って、リセットスイッチＲをオンにする。このとき、選択スイッチＳをオフにした後で、０以上の時間が経過した後に、リセットスイッチＲをオンにする。この動作により、フォトトランジスタＰがリセットライン３に接続され、フォトトランジスタＰ内部に蓄積していた信号電荷が、出力ライン２を迂回してリセットライン３に導かれ、リセット電位により放電される。なお、リセットスイッチＲをオンにする放電時間は、フォトトランジスタＰに蓄積された信号電荷が、リセットライン３を介して放電されるのに十分な長さに設定する。
この迂回処理が完了した後に、続いてフォトトランジスタＰでの光エネルギーの受光を開始し、変換された信号電荷の読み出し処理を行う。それには、リセットスイッチＲをオフにし、選択スイッチＳをオンにして、フォトトランジスタＰを出力ライン２に接続する。この場合、リセットスイッチＲをオフにした直後（例えば、数ナノ秒〜０．１マイクロ秒の後）に、選択スイッチＳをオンにする。このスイッチ切り替え後に、フォトトランジスタＰでの光エネルギーの受光を開始し、フォトトランジスタＰで受光しつつ増幅された信号電荷を、選択スイッチＳを介して随時読み出す。なお、リセットスイッチＲと選択スイッチＳとのスイッチ切り替えの際の時間間隔は、上記に限定されることはない。この切り替え時の時間間隔、更には、放電時間は、例えば、動画の場合では、フレームごとに送られてくる画像を処理する時間内に収まる時間で任意に設定することができる。
積分アンプ２０は、光電流が出力される出力ライン２に設けられている。積分アンプ２０は、フォトトランジスタＰから読み出した光電流を積分処理して、読み出し時間内で累積して電圧に変えて出力する。積分アンプ２０は、オペアアンプ２１と、抵抗２２と、コンデンサ２３と、積分アンプリセットスイッチＢ１と、を備えて構成される。積分アンプリセットスイッチＢ１は、コンデンサ２３に蓄積されている信号電荷を放電させる（リセット処理）、積分アンプ容量リセット手段として機能する。
＜イメージセンサの駆動方法＞
以下、上述のような構成の実施例１のイメージセンサ１の駆動処理（駆動方法）の動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。実施例１のイメージセンサ１は、例えば、制御部（図示せず）等から信号電荷の読み出し指示（スタート指示）を受けることで、図６のフローチャートに示されたステップＳ１〜Ｓ９の処理を実行する。実施例１のイメージセンサ１では、フォトトランジスタＰから信号電荷を読み出す前に、フォトトランジスタＰの内部に蓄積されている信号電荷を出力ライン２からリセットライン３側に迂回させて放電させるための迂回処理を行う。それには、各画素１０において、選択スイッチＳをオフにした後で、０以上の時間が経過した後に、リセットスイッチＲをオンにすることで、フォトトランジスタＰをリセットライン３に接続する（ステップＳ１）。これにより、フォトトランジスタＰの内部に残留していた信号電荷が、出力ライン２を迂回してリセットライン３に導かれ、リセット電位によって放電される。このリセット電位は、基準電圧（Ｖｒｅｆ）に相当する。このフォトトランジスタＰの内部の信号電荷の迂回処理により、イメージセンサ１の信号電荷の飽和を抑制することができる。
なお、フォトトランジスタＰの内部の信号電荷の放電は、予め設定された放電時間が経過するまで行う（ステップＳ２）。この放電時間は、フォトトランジスタＰのベース領域５２に蓄積された信号電荷が、リセットライン３を介して放電されるのに十分な長さに設定されている。そして、予め設定された放電時間が経過したら、放電が終了したとして、リセットスイッチＲをオフにし、選択スイッチＳをオンにする（ステップＳ３）。この場合、リセットスイッチＲをオフにした直後（例えば、数ナノ秒〜０．１マイクロ秒の後）に選択スイッチＳをオンにする。
このように、リセットスイッチＲをオフにし、選択スイッチＳをオンにして、迂回処理に続いて、フォトトランジスタＰによる光エネルギーの受光を開始する（ステップＳ４）。この光エネルギーの受光により、フォトトランジスタＰでは、光エネルギーが増幅されて信号電荷に変換される。そして、フォトトランジスタＰで光エネルギーを受光しつつフォトトランジスタＰで増幅された信号電荷を、選択スイッチＳにより光電流として随時読み出して出力ライン２を介して積分アンプ２０に移送する（ステップＳ５）。この積分アンプ２０にて、読み出し時間内で発生する光電流を累積して電圧に変換し、出力する（ステップＳ６）。この積分アンプ２０から出力される信号は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によってデジタル信号に変換されてイメージセンサ１から出力される。
最後に、積分アンプ２０のコンデンサ２３に残留している信号電荷を放電させるリセット処理を行うため、積分アンプ２０の積分アンプリセットスイッチＢ１をオンにする（ステップＳ７）。これにより、コンデンサ２３内の信号電荷を放電させることができる。この場合も、所定の放電時間を経過するまで放電を行い（ステップＳ８）、この所定の放電時間が経過したら、放電が終了したとして、積分アンプリセットスイッチＢ１をオフにする（ステップＳ９）。このリセット処理により、積分アンプ２０の信号電荷の飽和も抑制し、その後のイメージセンサ１での信号電荷の読み出しを良好に行うことができる。上記ステップＳ１〜Ｓ９の処理を、撮影された静止画ごと、または、動画のフレームごとに実行する。
＜フォトトランジスタの構成および特性＞
以下、図２を用いて、電流増幅率が可変のフォトトランジスタＰの一例を説明する。また、図３、図４、図５を用いて、フォトトランジスタＰの特性について説明する。図２（ａ）は、フォトトランジスタＰの断面図、より詳細には、図２（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図であり、図２（ｂ）は、フォトトランジスタＰの平面図である。また、図２（ｃ）は、フォトトランジスタＰの不純物領域の拡散プロファイルを示すグラフである。この図２に示すフォトトランジスタＰは、上記実施例１のフォトトランジスタＰ（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・）として用いることができる。図３は、図２に示す電流増幅率が可変のフォトトランジスタＰ、比較例１の電流増幅率が一定のフォトトランジスタ、比較例２のフォトダイオードの特性を示すグラフである。図４、図５は、実施例１のフォトトランジスタＰの電気特性、光学特性をそれぞれ示すグラフである。
図２（ａ）には、電流増幅率が可変のフォトトランジスタＰの一例が例示されている。図２（ａ）に示すフォトトランジスタＰは、シリコン製の基板５０と、該基板５０の表面から内部にかけて酸化膜５４により絶縁され埋め込まれた電極（以下、「埋め込み電極」と呼ぶ）５５と、を有して構成される。また、基板５０は、埋め込み電極５５に沿って表面から順に、第１導電型の第１不純物領域としてのエミッタ領域５１、第２導電型の第２不純物領域としてのベース領域５２、および、第１導電型の第３不純物領域としてのコレクタ領域５３を備え、縦型バイポーラ構造のフォトトランジスタＰを構成している。埋め込み電極５５は、エミッタ領域５１、ベース領域５２を突き抜けてコレクタ領域５３まで到達し、エミッタ領域５１、ベース領域５２、および、コレクタ領域５３と、酸化膜５４を介して接している。フォトトランジスタＰは、さらに、エミッタ領域５１の表面に形成された層間絶縁膜５６と、この層間絶縁膜５６に形成されたコンタクトホール５７と、このコンタクトホール５７に埋め込まれたプラグ５８と、メタル配線５９と、等を備える。
図２（ｂ）に示すように、上記構成の複数のフォトトランジスタＰが行列方向に二次元にアレイ配置されている。また、アレイ配置されたこれらのフォトトランジスタＰは、コレクタ領域５３を共通とする構造であり、エミッタ領域５１側から光電流を取り出す構造としている。また、電極５５は、エミッタ領域５１とベース領域５２とを分離する構造となっている。フォトトランジスタＰの大きさは、電極５５で仕切られた区画の大きさで決まるために、ベース領域５２の横方向の距離を考慮しなくてよいので、フォトトランジスタＰを小さくすることができる。その結果、イメージセンサ１自体を小さくすることができる。
より詳細に説明すると、例えば、画素をアレイ配置した場合において、酸化膜の直下に作成する拡散型のバイポーラと比較した場合を考える。この拡散型のバイポーラでは、ベース領域深さを、例えば、１．５μｍとすると、横方向にも１．２μｍ程度広がる。そのため、隣接するベース領域間にはコレクタ領域を確保しなくてはならず、約４μｍ程度の画素間の距離が必要となる。これに対して、図２（ａ）のフォトトランジスタＰの埋め込み電極５５は、トレンチエッチング技術により、例えば、深さ約５μｍ×幅１μｍの溝を形成し、ポリシリコンをＣＶＤ装置で堆積して埋め込むことができる。したがって、画素１０間の距離は溝の幅できまり、ベース領域５２の横方向の拡散の幅を考慮しなくてよいので、画素１０のサイズを大幅に縮小できる。
また、埋め込み電極５５と、エミッタ領域（第１不純物領域）５１およびベース領域（第２不純物領域）５２とは、電気絶縁性の酸化膜（図２（ａ）のフォトトランジスタＰでは、膜厚１５ｎｍとする）５４で絶縁分離されている。埋め込み電極５５は、１０20ｃｍ-3以上の不純物濃度をもつＮ型ポリシリコンで、低い抵抗に形成されている。また、酸化膜５４を介して埋め込み電極５５と接するエミッタ領域５１（Ｎ＋）、ベース領域５２（Ｐ）、および、コレクタ領域５３（Ｎ−）は、縦型バイポーラ構造となる。
一般的に、バイポーラ型のトランジスタは、ベース領域をエミッタ領域側からコレクタ領域側にかけて高い不純物濃度から低い不純物濃度となるように濃度勾配を持たせている。このように不純物濃度分布に濃度勾配を持たせることで、ベース領域内の内部電界により周波数特性を向上させ、電流増幅率を向上させることができる。図２（ａ）のフォトトランジスタＰにおいても、エミッタ領域５１の不純物濃度が最も高く、このエミッタ領域５１よりもベース領域５２の不純物濃度が低く、このベース領域５２の濃度よりもコレクタ領域５３の不純物濃度が低くなるように形成されている。さらに、ベース領域５２は、エミッタ領域５１側からコレクタ領域５３に向かって、不純物濃度が次第に低くなるような濃度勾配で形成されている。
図２（ｃ）を用いてより詳細に説明すると、このフォトトランジスタＰの例では、例えば、エミッタ領域５１の不純物濃度は１０20ｃｍ-3である。また、ベース領域５２の不純物濃度は、エミッタ領域５１の直下では５×１０17ｃｍ-3であり、コレクタ領域５３側では５×１０15ｃｍ-3となるような濃度勾配となっている。埋め込み電極５５に電圧源Ｖｃｃからゲート電圧を変化させて印加することで、埋め込み電極５５付近のフォトトランジスタＰを構成する領域は、電界の影響を受ける。特に準中性領域であるベース領域５２の深さ方向の幅が変化する。その結果、バイポーラ型のフォトトランジスタＰの電流増幅率を変化させることができる。例えば、光エネルギーの強度が小さく、得られる光電流が小さい場合には、埋め込み電極５５に電流増幅率が大きくなるゲート電圧を印加し、出力される光電流を大きくして光エネルギーの強度に対して感度を高くすることができる。逆に、光エネルギーの強度が強くなり、得られる光電流が大きくなった場合には、埋め込み電極５５に電流増幅率が小さくなるゲート電圧を印加する。これにより、光エネルギーの強度に対する感度を低下させて、出力電流の飽和を防ぎ、光強度に応じた適切な光電流にすることができる。
また、ベース領域５２内の不純物濃度分布が、エミッタ領域５１側では高い不純物濃度であり、コレクタ領域５３側では低い不純物濃度となるよう濃度勾配を有している。そのため、埋め込み電極５５へのゲート電圧印加により、コレクタ領域５３側のベース領域５２で発生する空乏層は、埋め込み電極５５付近から内部まで広がり易くなり、均一な不純物濃度分布と比較して、電流増幅率の変化を大きくすることができる。
この電流増幅率の変化する領域は、図２（ａ）のフォトトランジスタＰの例では、埋め込み電極５５に隣接した領域である。このように埋め込み電極５５が画素１０の周囲長さ全体に存在しており、画素１０の面積を小さくすることで、埋め込み電極５５と隣接する縦型バイポーラの面積比率の割合を増やすことができる。このため、電流増幅率を変化させることができる電流域の範囲を、より高電流側に広げることができる。
また、埋め込み電極５５で区画された多数のフォトトランジスタＰを、２次元にアレイ配置し、エミッタ領域５１とコレクタ領域５３とを各々共通にして、単一の大面積のフォトトランジスタとしている。この構成により、大面積のフォトトランジスタＰでも、上記と同様の効果を得ることができる。
ここで、従来から用いられるフォトダイオードと図２（ａ）のフォトトランジスタＰとの電気特性を比較してみる。イメージセンサでは、一般的にフォトダイオードを用い、光電流でＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御して、ソースフォロアの電圧変換方式で出力する。図２（ａ）のフォトトランジスタＰは、それ自身が増幅作用があり、エミッタフォロア構成となり電流を取り扱う点が異なる。また、フォトトランジスタとフォトダイオードとが同じ面積の場合、フォトトランジスタは、フォトダイオードと比較して、得られる光電流は増幅率により大きくなる。また、フォトトランジスタでの光電流の増幅率は、フォトダイオードと異なり可変できる特性を有している。
図３に、図２（ａ）の電流増幅率が可変のフォトトランジスタＰ（図３では実施例１と表示）と、比較例１として電流増幅率が一定のフォトトランジスタと、比較例２として蓄積読み出し方式のフォトダイオードとの光電流の出力特性の概略を示した。比較例１のフォトトランジスタは、ゲート電極がなく、エミッタ領域、ベース領域、および、コレクタ領域の接合表面にバイアス電圧を印加することで、光電流を増幅させるバポーラ型のフォトトランジスタである。ここで、電流増幅率が可変の場合には、その電流増幅率が低照度域で大きくなり、高照度域では大きくならない特性がよい。このような特性は、人間の目の特性に近い。例えば、比較例１のように光の強さ（照度）に対して増幅率が一定のフォトトランジスタの場合には、図３に示すように、線形特性をもっている。比較例２のフォトダイオードと比較して、比較例１のフォトトランジスタは、その増幅率分だけ大きな信号電荷の出力を得ることができる。したがって、比較例２と比較すると、比較例１では、低照度域での信号電荷の出力は大きく、その結果、感度が大きくなる。
一方、比較例２のようなフォトダイオードでは、接合容量に電荷を蓄積することで、得られる信号電荷を大きくする手段をとっている。しかし、接合容量では、接合面積によって電荷の蓄積容量が決まっており、図３において点線で囲ったように、蓄積電荷が飽和して光エネルギーに対する感度が低下することがあり、ダイナミックレンジが狭くなる。また、出力される信号電荷（出力信号）を扱うＡ／Ｄ変換器は、３〜４桁程度の階調しか扱えないために、フォトトランジスタのように、蓄積電荷の飽和がない特性を有するものであっても、取り扱える領域が限定されてしまう。
これに対して、図２（ａ）のフォトトランジスタＰは、該フォトトランジスタＰ自身が、光電流の増幅機能を有するだけでなく、さらに、光エネルギーの強さに対して増幅率を可変することができる。このようなフォトトランジスタＰの場合には、光エネルギーの強さ７桁に対して、出力信号を３〜４桁の出力に圧縮することができ、Ａ／Ｄ変換器での扱いが容易となる。このため、複雑な回路を必要とせず、広ダイナミックレンジ特性を実現できる。したがって、増幅率が可変できる図２（ａ）のフォトトランジスタＰを用いて、信号電荷を随時読み出す方式とすることで、高感度、広ダイナミックレンジ特性を有するイメージセンサを実現することができる。
このような図２（ａ）のフォトトランジスタＰの特性について、図４、図５を用いて、より詳細に説明する。図４は、図２（ａ）のフォトトランジスタＰの電気特性を示すグラフであり、ゲート電圧をＶｇ＝０．０Ｖ〜１．０Ｖの間で変化させた場合のベース電流ＩＢに対する電流増幅率ｈＦＥを示している。図５は、図２（ａ）のフォトトランジスタＰの光学特性を示すグラフであり、ゲート電圧Ｖｇ＝０．０Ｖ〜０．７Ｖにおける、入力光の照度（ｌｕｘ）に対する光電流（コレクタ電流ＩC）の変化を示している。図４に示すように、図２（ａ）のフォトトランジスタＰでは、電流増幅率ｈＦＥは、対数スケールで変化している。また、図５に示すように、図２（ａ）のフォトトランジスタＰでは、広範囲な光の照度に対して、光電流はゲート電圧により、累乗特性で出力信号が３〜４桁の出力に圧縮されている。
図２（ａ）のフォトトランジスタＰの特性を生かしながら、イメージセンサでは、フォトトランジスタＰでの受光を行いつつ当該フォトトランジスタＰから出力する光電流を、随時読み出して信号処理する方式を採用している。これにより、イメージセンサ内部に信号電荷を蓄積させることなく、ダイナミックレンジを広げることが可能となる。なお、本願が上述した図２（ａ）フォトトランジスタＰの構成に限定されることはない。受光した光エネルギーの強さに対して増幅率を変化させて光エネルギーを信号電荷に変換する他の形態のフォトトランジスタを用いてもよく、高感度、広ダイナミックレンジを実現することができる。
以上、実施例１のイメージセンサ１では、光電流を増幅して出力するフォトトランジスタＰを用いることで、光エネルギーの強度に対応して、増幅率を変化させることができ、高感度化と広ダイナミックレンジ化とを実現することができる。また、フォトトランジスタＰからの信号電荷の読み出し時には、その接合容量に信号電荷を蓄積させることなく、フォトトランジスタＰで受光を行いつつフォトトランジスタＰから出力する信号電荷を随時読み出してそのまま信号処理する方式としている。そのため、出力信号を大きくすることができるとともに、イメージセンサ１内部の蓄積電荷の飽和を防ぐことができ、容量を大きくする必要もなくなる。また、電荷を蓄積する方式ではなく、電流増幅率を可変できるフォトトランジスタＰを用いることで、画像データの合成処理が不要となる。以上より、高感度化と広ダイナミックレンジ化とを簡単な回路で実現することができ、大型化することなくコンパクトなイメージセンサ１を実現することができる。
実施例１ではさらに、フォトトランジスタＰから信号電荷を読み出す前に、リセットスイッチＲによりフォトトランジスタＰに蓄積している信号電荷を放電させている。この放電により、イメージセンサ１内部での信号電荷の蓄積が抑制され、増幅した光電流を画素１０ごとに読み出すことで、蓄積電荷の飽和の抑制効果を向上させることができる。そのため、光エネルギーに対する感度を低下させることなく、より高感度で、より広いダイナミックレンジ特性を実現することができる。
また、実施例１では、各画素１０から読み出した信号電荷を積分アンプ２０にて積分処理し、読み出し時間内で発生する電圧に変えて出力している。各画素１０のフォトトランジスタＰから随時発生し出力される光電流は、比較的変化が大きいが、この光電流の読み取りの間、積分アンプ２０にて信号電荷を累積して電圧に変換することで、安定した出力とすることができる。さらに、積分アンプ２０での信号電荷の出力後に、積分アンプ２０のコンデンサ２３に蓄積されている信号電荷を積分アンプリセットスイッチＢ１にて放電させている。このように、積分アンプ２０の残存電荷を放電（リセット）させることにより、積分アンプ２０での蓄積電荷の飽和も防ぎ、その後の信号電荷の出力時の安定性を更に向上させることができる。
また、イメージセンサは、その特性向上とともに、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話、スキャナなどの用途に幅広く使用されてきている。このようなイメージセンサは、さらなる特性向上が望まれており、そのひとつがダイナミックレンジを広くすることである。従来から用いられているイメージセンサのダイナミックレンジは、例えば３〜４桁（６０〜８０ｄＢ）程度にとどまっており、肉眼や銀塩フィルムに匹敵する５〜６桁（１００〜１２０ｄＢ）以上のダイナミックレンジをもつ高画質イメージセンサの実現が望まれている。
しかしながら、特許文献１、２等に記載の従来技術のような蓄積方式を用いると、ダイナミックレンジが広い場合に、光エネルギーが強い場合や蓄積時間が長いときには発生する電荷量が多くなる。そのため、光電変換素子がもつ容量への蓄積電荷が飽和することがある。これを解消するためには、容量を大きくする必要があり、光電変換素子の面積を大きくするか、または、画素ごとに別の場所に蓄積する容量を準備する必要があり、撮像装置自体が大きくなってしまうという問題がある。これに対して、実施例１では、このような問題を解決して、広ダイナミックレンジをもつ高画質なイメージセンサ１を実現することができる。
（実施例２）
次に、実施例２では、本願の撮像装置を備えたカメラ（例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等）の一例を、図７を参照して説明する。図７は、実施例２のカメラ１００のシステム構成の概要を示すブロック図である。この図７に示すように、実施例２のカメラ１００は、撮像光学系としての撮影レンズ１１０、固体撮像素子（本願の撮像装置）としてのイメージセンサ１２０、信号処理部１３０、操作部１４０、制御部（ＣＰＵ）１５０、表示部としての液晶モニタ（ＬＣＤ）１６０、駆動部１７０、メモリカード１８０等を備えて構成される。カメラ１００としては、例えば、静止画や動画を撮影する、いわゆるデジタルカメラやビデオカメラ等の他に、屋内外に固定して連続的に動画等を撮影する監視カメラ等が挙げられる。
撮像光学系としての撮影レンズ１１０は、ズームレンズ群、フォーカスレンズ群等の複数のレンズ群、絞りユニット等を有している。固体撮像素子としてのイメージセンサ１２０は、撮影レンズ１１０を通して入射される被写体光学像を受光面上に結像し、当該被写体光学像を電気的な画像信号（デジタル信号）に変換して出力する。このイメージセンサ１２０として、例えば、実施例１のイメージセンサ１を用いることができる。信号処理部１３０は、イメージセンサ１２０から出力される画像信号を信号処理（デジタル処理）して取り込み、表示や記録が可能な画像データに変換処理する。操作部１４０は、カメラ１００を作動させるための操作情報を入力する。この操作部１４０は、カメラに設けられた電源ボタン、レリーズボタン、撮影モード切換ボタン等から構成される。また、監視カメラ等の場合は、カメラ１００本体に操作部１４０を設けていてもよいし、カメラ１００に接続されたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）のマウスやキーボード等（以上、図示せず）を操作部１４０とし、これらを用いてカメラ１００に操作情報を入力してもよい。
制御部（ＣＰＵ）１５０は、操作部１４０から入力される操作情報に基づいて、ＲＯＭ（図示せず）に記憶された制御プログラムを実行してカメラ１００全体のシステム制御等を行う。表示部としての液晶モニタ（ＬＣＤ）１６０は、信号処理部１３０で生成された画像データを表示する。この液晶モニタ１６０としては、カメラ１００の本体に設けられたものや、カメラ１００が接続されたＰＣに設けられたもの等が挙げられる。駆動部１７０は、撮影レンズ１１０のフォーカスレンズ群、ズームレンズ群、シャッタユニット等を駆動する。メモリカード１８０は、信号処理部１３０で生成された画像データを記録する。
上述のような構成のカメラ１００における動作を説明する。撮影者が操作部１４０の電源ボタンや撮影モード切換ボタン等を操作することで、撮影が開始される。この際、カメラ１００のモニタリング機能によって液晶モニタ１６０には、撮影画像（動画）が表示されている。撮影者は、カメラ１００やＰＣの液晶モニタ１６０に表示された撮影画像を視認しながら撮影を行うことができる。そして、撮影者が操作部１４０のレリーズボタン等を操作することにより、静止画の撮影や、動画の撮影が開始される。撮影レンズ１１０から入射される被写体像は、イメージセンサ１２０の受光面上に結像され、イメージセンサ１２０では、図１に示す各画素１０で受光した光エネルギーを、フォトトランジスタＰで信号電荷に変換する。
このフォトトランジスタＰで光エネルギーを受光しつつ変換された信号電荷を随時読み出すことで、フォトトランジスタＰに信号電荷を蓄積させることなく、増幅された信号電荷を読み出すことができる。また、撮像される静止画ごと、または、動画のフレームごとに、フォトトランジスタＰから信号電荷を読み出す前に、リセットスイッチＲを用いた迂回処理が行われる。この迂回処理によって、フォトトランジスタＰ内に蓄積された信号電荷が、出力ライン２を迂回してリセットライン３を介して放電される。また、この迂回処理に続いてフォトトランジスタＰで光エネルギーを受光しつつ読み出された信号電荷は、図１に示す積分アンプ２０によって積分処理（累積）され、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によってデジタル信号に変換されて出力される。イメージセンサ１２０から出力されたデジタル信号は、信号処理部１３０により取り込まれてデジタル処理が行われ、表示や記録が可能な画像データに変換処理される。この信号処理部１３０で生成された画像データは、制御部１５０の制御により、液晶モニタ１６０に表示されるとともに、メモリカード１８０に記録される。
以上のように、実施例２のカメラ１００では、実施例１のイメージセンサ１２０（１）を用いて、光エネルギーを受光しつつ信号電荷を随時読み出す方式としている。これにより、当該イメージセンサ１２０の内での信号電荷の飽和を抑制することができる。また、画像データの合成処理が不要となり、回路の複雑化等を抑制することができる。そのため、イメージセンサ１２０の高感度化と広ダイナミックレンジ化とを、簡単な回路で実現することができ、大型化することなくコンパクトなカメラ１００を実現することができる。また、低照度側から高照度側まで、広範囲に渡って高感度化や広ダイナミックレンジ化が可能となることから、本願の撮像装置は、光エネルギーの強い昼間から光エネルギーの弱い夜間に渡って連続して動画を撮影する監視カメラに好適に用いることができる。
また、実施例２では、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等に撮像装置を適用しているが、本願が実施例の形態に限定されることはない。例えば、カメラ付き携帯電話、カメラ付き携帯情報端末（ＰＤＡ）等の電子機器、または、原稿を読み取るスキャナ、ファクシミリ、複合機（ＭＦＰ）等の画像形成装置等の電子機器に適用することも可能である。いずれの場合でも、電流増幅率を可変とするフォトトランジスタで光エネルギーを受光しつつ信号電荷を読み出すことで、高感度化と広ダイナミックレンジ化とを簡単な回路で実現することができ、大型化することなくコンパクトな電子機器を得ることができる。
以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、上記実施例は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記各実施例の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは勿論である。
１，１２０ イメージセンサ（撮像装置、固体撮像素子）
２ 出力ライン（読み出し経路） ３ リセットライン（迂回経路）
１０ 画素 ２０ 積分アンプ ２１ オペアアンプ ２２ 抵抗
２３ コンデンサ ５０ 基板
５１，Ｅ エミッタ領域（第１導電型の第１不純物領域）
５２，Ｂ ベース領域（第２導電型の第２不純物領域）
５３，Ｃ コレクタ領域（第１導電型の第３不純物領域）
５４ 酸化膜 ５５ 電極 １１０ 撮影レンズ（撮像光学系）
１３０ 信号処理部 １６０ 液晶モニタ（表示部）
Ｂ１ 積分アンプリセットスイッチ
Ｐ（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・） フォトトランジスタ
Ｒ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，・・・） リセットスイッチ（第２スイッチ）
Ｓ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・） 選択スイッチ（第１スイッチ）
Ｖｃｃ（Ｖｃｃ１，Ｖｃｃ２，Ｖｃｃ３，・・・） 電圧源
特許第３９８４８１４号公報 特開平５−２３６１９６号公報

Claims (12)

  1. 受光した光エネルギーの強さに対して増幅率を変化させて前記光エネルギーを信号電荷に変換するフォトトランジスタ、を有する画素を少なくとも１つ備え、
    前記画素ごとに、前記フォトトランジスタで前記光エネルギーを受光しつつ前記フォトトランジスタの前記信号電荷を読み出すことを特徴とする撮像装置。
  2. 前記画素内に、前記フォトトランジスタに蓄積された前記信号電荷を読み出し経路とは別個の迂回経路に導く迂回手段を、さらに備え、
    前記フォトトランジスタから前記信号電荷を読み出す前に、前記迂回手段により、前記フォトトランジスタに蓄積された前記信号電荷を、前記読み出し経路を迂回させて前記迂回経路に導くことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
  3. 前記画素は、
    前記フォトトランジスタの前記信号電荷を読み出して前記読み出し経路に導く第１スイッチと、
    前記信号電荷を前記迂回経路に導く迂回手段としての第２スイッチと、を備え、
    前記画素ごとに、前記第１スイッチをオフにし、前記第２スイッチをオンにして、前記フォトトランジスタの前記信号電荷を、前記読み出し経路を迂回させて前記迂回経路に導いた後に、前記第２スイッチをオフにし、前記第１スイッチをオンにして、前記フォトトランジスタにより前記光エネルギーを受光しつつ前記フォトトランジスタの前記信号電荷を読み出すことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
  4. 前記フォトトランジスタは、基板と、該基板の表面から内部にかけて酸化膜により絶縁され埋め込まれた電極と、を有し、
    前記基板は、前記電極に沿って、表面側から順に、
    第１導電型の第１不純物領域と、
    前記第１導電型の第１不純物領域よりも濃度の低い第２導電型の第２不純物領域と、
    前記第２導電型の第２不純物領域よりも濃度の低い第１導電型の第３不純物領域と、を備えてなり、
    前記第２不純物領域は、前記第１不純物領域側から前記第３不純物領域側に向かって不純物濃度が次第に低くなるような濃度勾配を有し、
    前記電極は、前記第１不純物領域、前記第２不純物領域、および、前記第３不純物領域と前記酸化膜を介して接しており、
    前記電極への電圧印加により、前記フォトトランジスタが前記信号電荷の増幅率を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像装置。
  5. 複数の前記画素がアレイ状に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
  6. オペアアンプと、抵抗と、コンデンサと、を有する積分アンプを、さらに備え、
    前記フォトトランジスタの前記信号電荷を、前記積分アンプにより読み出すことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像装置。
  7. 前記積分アンプの前記コンデンサに蓄積されている前記信号電荷を放電させる積分アンプ容量リセット手段を、さらに備え、
    前記積分アンプにより前記フォトトランジスタの前記信号電荷を読み出した後に、前記積分アンプ容量リセット手段により、前記コンデンサに蓄積されている前記信号電荷を放電させることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
  8. 光エネルギーを受光し信号電荷に変換するフォトトランジスタを有する画素を少なくとも１つ備えた撮像装置の駆動方法であって、
    前記画素ごとに、前記フォトトランジスタにより前記光エネルギーを受光し、受光した前記光エネルギーの強さに対して増幅率を変化させて前記光エネルギーを信号電荷に変換させる受光ステップと、
    前記受光ステップを実行しつつ前記フォトトランジスタの前記信号電荷を読み出す読み出しステップと、を有することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
  9. 前記フォトトランジスタに蓄積された前記信号電荷を迂回させる迂回ステップを、さらに有し、
    前記迂回ステップを実行した後に、続いて前記フォトトランジスタによる前記受光ステップを開始し、当該受光ステップを実行しつつ前記読み出しステップを実行することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置の駆動方法。
  10. 前記読み出しステップで前記画素ごとに読み出した前記フォトトランジスタの前記信号電荷を、オペアアンプと、抵抗と、コンデンサと、を有する積分アンプにより累積して電圧に変換するステップを、さらに有することを特徴とする請求項８または９に記載の撮像装置の駆動方法。
  11. 前記積分アンプで前記信号電荷を累積して電圧に変換するステップの後に、前記コンデンサに蓄積されている前記信号電荷を放電させるステップを、さらに有することを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置の駆動方法。
  12. 撮像光学系と、
    前記撮像光学系によって結像される被写体光学像を電気的な画像信号に変換する固体撮像素子と、
    前記固体撮像素子から読み出した画像信号を信号処理する信号処理部と、
    前記信号処理部から出力した画像データを表示する表示部と、を有し、
    前記固体撮像素子として、請求項１〜７のいずれか一項に記載の撮像装置を用いたことを特徴とするカメラ。
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