JP2015192125A - 固体撮像装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画素サイズよりも小さい解像度（超解像度）の撮影画像を得ることができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１００は、画素１１０毎に設けられた画素電極１０３と、画素電極１０３の上方に設けられ、入射光量に対応した電荷を生成する有機層１０５と、有機層１０５の上に設けられた対向電極１０６と、対向電極１０６の上に設けられた保護層１０７と、を備え、画素１１０の一辺の長さをＫ、画素電極１０３の一辺の長さをＰ、保護層１０７の厚さをｔｐ、有機層１０５の厚さをｔｏとすると、
ｔａｎ（３°）＜（Ｋ−Ｐ）／（Ｍ＋ｔｐ＋ｔｏ）＜ｔａｎ（１２°） （Ｍは定数）
の関係を満たす。
【選択図】図９

Description

本発明は、固体撮像装置及び撮像装置に関する。

撮像装置に使用される撮像素子には、多数の光電変換部が撮像面内に行および列状に配列された２次元イメージセンサが採用されている。光電変換部は、典型的には、半導体層または半導体基板に形成されたフォトダイオードであり、入射光を受けて電荷を生成する。

現在、入射光に応じて電荷を生成する有機材料などを含む光電変換膜を半導体基板上方に設けた光電変換膜積層型の固体撮像素子の構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子を用いたテレビジョンカメラに関する技術が開示されている。固体撮像素子によって取得される画像は、固体撮像素子に配置された多数の画素によって撮影された画像を重ね合わせたものである。光電変換膜積層型の固体撮像素子の構成では、光電変換効率の高い光電変換膜をＣＭＯＳ等の読み出し回路上部に配置することで、固体撮像素子の薄型化、高開口率化、高感度化を図ることができる。また、複数の固体撮像素子を用いることで、固体撮像装置の解像度を高めることができる。

特公平５−２０３３号公報

しかし、このように積層型の構成を用いて開口率を高めても、複数の画素の配列ピッチおよび配列密度は増加しないので、解像度は変化しない。そのため、複数の固体撮像素子を用いて高解像度画像を形成することは難しく、新しい高解像度化技術が求められている。

このような課題に鑑み、本開示は、画素サイズよりも小さい解像度（超解像度）の撮影画像を得ることができる固体撮像装置および撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、複数の画素を有する固体撮像装置であって、前記複数の画素毎に設けられた下部電極と、前記下部電極の上方に設けられ、入射光量に対応した電荷を生成する光電変換膜と、前記光電変換膜の上に設けられた上部電極と、前記上部電極の上に設けられた保護膜と、を備え、前記複数の画素のそれぞれの一辺の長さをＫ、前記下部電極の一辺の長さをＰ、前記保護膜の厚さをｔｐ、前記光電変換膜の厚さをｔｏとすると、ｔａｎ（３°）＜（Ｋ−Ｐ）／（Ｍ＋ｔｐ＋ｔｏ）＜ｔａｎ（１２°）（Ｍは定数）の関係を満たす。

この構成によれば、光の入射方向および入射角度を変更して撮影した複数の画像を重ね合わせることにより、画素サイズよりも小さい解像度（超解像度）の撮影画像を得ることができる固体撮像装置を実現することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、複数の画素を有する固体撮像装置であって、前記複数の画素毎に設けられた下部電極と、前記下部電極の上方に設けられ、入射光量に対応した電荷を生成する光電変換膜と、前記光電変換膜の上に設けられた上部電極と、前記上部電極の上に設けられた保護膜と、を備え、前記複数の画素のそれぞれの一辺の長さをＫ、前記下部電極の一辺の長さをＰ、前記保護膜の厚さをｔｐとすると、ｔａｎ（３°）＜（Ｋ−Ｐ）／（Ｍ＋ｔｐ）＜ｔａｎ（１２°）（Ｍは定数）の関係を満たす。

この構成によれば、光の入射方向および入射角度を変更して撮影した複数の画像を重ね合わせることにより、画素サイズよりも小さい解像度（超解像度）の撮影画像を得ることができる固体撮像装置を実現することができる。

また、前記Ｍは、前記保護膜の上面に配置される被写体の厚さｔｓであってもよい。

この構成によれば、保護膜の上面に配置される被写体の厚さｔｓをパラメータに追加することにより、被写体の厚さに対応させて超解像度の画像を得ることができる。

また、前記固体撮像装置は、前記下部電極間に、余剰電荷を排出するためのシールド電極を有し、前記シールド電極は、前記複数の画素が配置された画素部の周辺領域に、前記シールド電極の電位を制御するための配線に接続される接続部を有してもよい。

この構成によれば、画素部の周辺領域でのシールド電圧の低下を抑制することができる。

また、前記固体撮像装置は、前記下部電極間に、余剰電荷を排出するためのシールド電極を有し、前記シールド電極は、前記複数の画素が配置された画素部内に、前記シールド電極の電位を制御するための配線に接続される接続部を有してもよい。

この構成によれば、画素部内でのシールド電圧の低下を抑制することができる。

また、前記シールド電極は、前記下部電極と同一平面内に形成されていてもよい。

この構成によれば、上記したシールド電圧の低下を効率よく抑制することができる。

また、前記シールド電極は、前記下部電極を囲むように形成されていてもよい。

この構成によれば、上記したシールド電圧の低下を効率よく抑制することができる。

また、前記シールド電極は、前記下部電極と同一材料で形成されていてもよい。

この構成によれば、上記したシールド電圧の低下をより効率よく抑制することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る撮像装置は、上記した特徴を有する固体撮像装置を備えている。

この構成によれば、光の入射方向および入射角度を変更して撮影した複数の画像を重ね合わせることにより、画素サイズよりも小さい解像度（超解像度）の撮影画像を得ることができる撮像装置を実現することができる。

本開示にかかる固体撮像装置および撮像装置によれば、画素サイズよりも小さい解像度（超解像度）の撮影画像を得ることができる。

固体撮像装置の構成を示す断面図 撮像装置における一画素と開口領域との関係を模式的に示す平面図 照明光を固体撮像装置の表面と垂直な方向から入射して画像を取得する撮像装置の概略構成図 照明光を固体撮像装置の表面と垂直な方向に対して所定の角度で入射して画像を取得する撮像装置の概略構成図 第１の実施形態に係る撮像装置の構成を示す概略図 試料片の構成を示す断面図 第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の構成を示す平面図 第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図 垂直光路断面積に対する斜め入射光路断面積の占める割合を示す図 第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図 第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図 第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図 第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図 第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図

（本開示の基礎となった知見）
本開示にかかる撮像装置の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見について説明する。

撮像装置に使用される撮像素子には、多数の光電変換部が撮像面内に行および列状に配列された２次元イメージセンサが採用されている。光電変換部は、典型的には、半導体層または半導体基板に形成されたフォトダイオードであり、入射光を受けて電荷を生成するものである。

２次元イメージセンサの解像度は、撮像面上における光電変換部の配列ピッチまたは配列密度に依存する。個々の光電変換部の配列ピッチは、可視光の波長程度まで短くなっているため、光電変換部の配列ピッチをさらに小さくして解像度をさらに向上させることは極めて困難である。

撮像素子によって取得される画像は、光電変換部を有する多数の画素によって撮影された複数の画像を重ね合わせたものである。各画素は、１つの光電変換部を含む単位領域によって区画されている。撮像面上には、光電変換部以外に、配線が占有する領域が存在するため、１つの光電変換部の受光面積Ａ２は、１つの画素の面積Ａ１よりも小さい。画素の面積Ａ１に対する受光面積Ａ２の比率（Ａ２／Ａ１）は、「開口率」と呼ばれている。

開口率（Ａ２／Ａ１）は、例えば、２５％程度の値をとり得る。開口率が小さいと、光電変換部において、光電変換に用いられる入射光量が少なくなるため、撮像素子が出力する画素信号の質が低下する。したがって、撮像面に対向するようにマイクロレンズアレイを配置し、個々のマイクロレンズが個々の光電変換部に対向し、集光する構成を採用すれば、受光面積Ａ２を実効的に拡大し、開口率（Ａ２／Ａ１）を高めて光電変換効率を１に近づけることが可能である。しかし、このように開口率（Ａ２／Ａ１）を高めても、画素の配列ピッチおよび配列密度は増加しないので、解像度は変化しない。

一方、入射光に応じて電荷を生成する有機材料などを含む光電変換膜を半導体基板上方に設けた光電変換膜積層型の固体撮像装置の構成が提案されている。この構成は、光電変換効率の高い光電変換膜をＣＭＯＳ等の読み出し回路上部に配置することで、撮像装置の薄型化、高い開口率、高感度化を図ることができる点で優れている。

しかし、このように積層型の構成を用いて開口率を高めても、画素の配列ピッチおよび配列密度は増加しないので、解像度は変化しない。また、複数の撮像装置を用いて高解像度画像を形成することは、各装置の性能や制御などの点から難しいといった問題がある。以下、詳細に説明する。

まず、撮像装置の基本的な構成の一例を説明する。図１は、基本的な構成の固体撮像装置の概略構成を示す断面図である。図２は、撮像装置における一画素と開口領域との関係を模式的に示す平面図である。図３Ａおよび図３Ｂは、複数の異なる光源方向から、順次、照明光を出射し、異なる光源方向に応じて異なる複数の画像を取得する撮像装置の概略構成図である。

図１に示すように、固体撮像装置１は、基板１０１と、絶縁層１０２と、画素電極１０３と、接続部１０４と、有機層１０５と、対向電極１０６と、保護層１０７と、読み出し回路１０８とを備える。

基板１０１は、シリコン等の半導体基板で構成されている。基板１０１上には、絶縁層１０２が形成されている。絶縁層１０２の表面には、複数の画素電極１０３が形成されている。

有機層１０５は、光電変換膜を少なくとも含んで構成されている。光電変換膜は、受光した光に応じて電荷を発生する光電変換材料で構成された層である。有機層１０５は、複数の画素電極１０３の上にこれらを覆って設けられている。

有機層１０５は、画素電極１０３の上では一定の膜厚となっているが、画素部以外（有効画素領域外）では膜厚が変化していても問題ない。なお、有機層１０５は、有機材料のみからなる層で構成されたものだけでなく、一部の層が無機材料を含む構成であるものであってもよい。

対向電極１０６は、画素電極１０３と対向する電極であり、有機層１０５上にこれを覆って設けられている。対向電極１０６は、有機層１０５に光を入射させるため、入射光に対して透明な導電性材料、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）で構成されている。

画素電極１０３は、画素電極１０３とそれに対向する対向電極１０６との間にある有機層１０５で発生した電荷を捕集するための電荷捕集用の電極である。

読み出し回路１０８は、複数の画素電極１０３の各々に対応して基板１０１に設けられており、対応する画素電極１０３で捕集された電荷に応じた信号を読み出すものである。

読み出し回路１０８は、基板１０１に形成されたＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタを含む回路で構成されており、絶縁層１０２内に配置された図示しない遮光層によって遮光されている。

保護層１０７は、例えばシリコン酸窒化膜で構成され、対向電極１０６上に、対向電極１０６を覆って形成されている。

また、固体撮像装置１００は、複数の画素１１０が行列状に配置された画素部１００ａを有する。複数の画素１１０は、基板１０１を光の入射側から平面視した状態で、２次元状に配列されている（図６参照）。なお、画素１１０は、画素電極１０３と、該画素電極１０３と対向する対向電極１０６と、画素電極１０３及び対向電極１０６に挟まれた有機層１０５とを含む光電変換素子と、読み出し回路１０８とを含む。

図２は、１つの画素１１０と、その画素１１０に含まれる画素電極１０３を模式的に示す平面図である。この例における各画素１１０のサイズは、Ｋ［μｍ］×Ｋ［μｍ］である。また、画素電極１０３のサイズ（≒光電変換領域のサイズ）は、Ｐ［μｍ］×Ｐ［μｍ］である。従って、１つの画素の面積はＡ１＝Ｋ×Ｋで表され、１つの画素電極１０３の面積はＡ２＝Ｐ×Ｐで表される。

一般的に、撮像装置には、被写体と撮像装置の撮像面との間にマイクロレンズが配置されるが、後に示す本開示にかかる光電変換膜積層型の撮像装置は、撮像装置の撮像面に被写体を直接接触するダイレクトイメージング用途であるので、個々の画素電極１０３（≒光電変換領域）に対応するマイクロレンズは設けられていない。このため、各画素１１０のうち、画素電極１０３（≒光電変換領域）のサイズ（Ｐ×Ｐの領域）を、画素のサイズＫ［μｍ］×Ｋ［μｍ］に対して大部分を占めるように形成すると、受光領域（Ｐ×Ｐの領域）以外の領域に入射した光も光電変換され、対向電極１０６と画素電極１０３との電界に沿って、画素電極１０３に取り込まれ、画素信号を形成する。これにより、光電変換膜積層型の固体撮像装置では、開口率（Ａ２／Ａ１）を高めて１に近づけることが可能である。

次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照しながら、複数の異なる光源方向から、順次、照明光を出射し、異なる光源方向に応じて異なる複数の画像を取得する撮像装置の概略構成について説明する。

図示されている撮像装置は、被写体（撮像対象）１１５ａを基準にして複数の異なる光源方向から、順次、照明光を出射し、その照明光で被写体１１５ａを照射する照明装置１１１と、被写体１１５ａを透過した照明光が入射する位置に配置され、異なる光源方向に応じて異なる複数の画像を取得する固体撮像装置１００とを備えている。また、この撮像装置１００は、異なる光源方向に応じて取得した複数の画像を合成する画像処理装置１２０を備えている。この画像処理装置１２０は、固体撮像装置１００から得た複数の画像の各々よりも解像度の高い前記被写体１１５ａの高解像度画像を形成する。画像処理装置１２０は、汎用または専用のコンピュータによって実現され得る。

固体撮像装置１００が第１の画像を取得する時（図３Ａ）、照明装置１１１は、照明光を被写体１１５ａに対して第１の方向から入射させる。また、固体撮像装置１００が第２の画像を取得する時（図３Ｂ）、照明装置１１１は、照明光を被写体１１５ａに対して第２の方向から入射させる。

被写体１１５ａに対する光線の入射方向が異なると、有機層１０５に入射する光線が被写体１１５ａを透過する領域が異なることになる。被写体１１５ａに対する照明光の入射方向を調整することにより、それぞれ、被写体１１５ａの異なる部分の像を得ることができる。異なる光源方向に応じて得られた異なる複数の画像を重ね合わせ処理することにより、画素サイズよりも小さい解像度（超解像度）の撮影画像を得ることができると考えられる。しかしながら、実際、超解像度の撮影画像を得るには、被写体１１５ａの膜厚ｔｓ、保護層１０７の膜厚ｔｐ、有機層１０５の膜厚ｔｏ、画素電極１０３のサイズＰ、画素サイズＫ、光源の照射角度θを適切に設定する必要がある。

そこで、以下、上記した超解像度の撮影画像を得るための固体撮像装置として、本開示にかかる固体撮像装置の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、本開示にかかる発明は、以下の実施形態に限定されない。また、本開示にかかる発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、一の実施形態と他の実施形態との組み合わせも可能である。

（第１の実施形態）
以下、図４〜図６を参照しながら、第１の実施形態にかかる固体撮像装置１００を備えた撮像装置１０について説明する。図４は、本実施形態にかかる撮像装置１０および照明装置２０の構成を示す断面図、図５は、試料片１１５の構成を示す断面図、図６は、本実施形態にかかる固体撮像装置１００の画素部１００ａの構成を示す平面図である。

図４に示すように、撮像装置１０は、固体撮像装置１００と、試料片１１５と、画像処理装置１２０とを備えている。照明装置２０は、撮像装置１０に対向する位置に配置されている。試料片１１５は、固体撮像装置１００の上面に載置される。

また、図５に示すように、固体撮像装置１００は、複数の画素１１０が行列状に配置された画素部１００ａを有している。なお、画素部１００ａについては、後に詳述する。

試料片１１５は、例えば、病理検体である細胞等で構成される被写体１１５ａをスライドガラス１１５ｂに貼付したものである。試料片１１５は、同図に示すように、被写体１１５ａが画素部１００ａに接触するように固体撮像装置１００上に載置される。なお、固体撮像装置１００で撮像可能な被写体１１５ａは、光線を透過することが可能な領域を少なくとも一部に含む物体であればよく、細胞等の生体検体でなくても、他の物質であってもよい。また、被写体１１５ａの形状は、プレート状に限定されず、粉末や液体であってもよい。

画像処理装置１２０は、汎用または専用のコンピュータにより構成されている。また、画像処理装置１２０は、コンピュータの機能ブロックから構成され、コンピュータプログラムで実現されてもよい。画像処理装置１２０は、固体撮像装置１００で撮影された複数の画像を重ね合わせて１枚の超解像度画像を生成する。この超解像度画像を、ディスプレイに表示する。また、画像処理装置１２０は、さらに、記憶装置を備える構成としてもよく、この超解像度画像データを記憶装置に記憶してもよい。また、画像処理装置１２０は、照明装置２０の照射方向および照射角度を制御する制御部を備えていてもよい。

照明装置２０は、光源２０ａ、２０ｂおよび２０ｃを備えている。照明装置２０は、光源２０ａ、２０ｂおよび２０ｃの出力を切り替えることにより、照明装置２０から出射される照明の角度および強度を調整する。例えば、図４に示すように、光源２０ａのみを用いた場合、照明装置２０から出射される光は、試料片１１５の上面に対してほぼ垂直に照射される。また、光源２０ｂのみを用いた場合、照明装置２０から出射される光は、試料片１１５の上面に対して、同図の右側から所定の角度で入射される。同様に、光源２０ｃのみを用いた場合、照明装置２０から出射される光は、試料片１１５の上面に対して、同図の左側から所定の角度で入射される。また、光源２０ａ、２０ｂおよび２０ｃのうちの複数個を組み合わせて使用することにより、光の照射領域および強度を調整することができる。

なお、照明装置２０において、各光源２０ａ、２０ｂおよび２０ｃは点光源であるが、撮像装置１０に対して十分離れており、被写体１１５ａに対しては平行光であると考えることができる。また、各光源２０ａ、２０ｂおよび２０ｃは点光源であってもよいし、面光源であってもよい。

また、照明装置２０は、本実施形態においては撮像装置１０とは別個に設けられているが、撮像装置１０に組み込まれた構成であってもよい。

図６は、本実施形態にかかる固体撮像装置１００における画素部１００ａの構成を示す平面図である。

図６に示すように、画素部１００ａには、複数の画素１１０が行列状に配置されている。複数の画素１１０は、それぞれ、画素電極１０３と、画素電極１０３と配線（図示せず）とを接続するための接続部１０４とを備えている。

画素１１０は、例えば、Ｋ［μｍ］×Ｋ［μｍ］の正方形の形状を有している。また、画素電極１０３は、例えば、Ｐ［μｍ］×Ｐ［μｍ］の、画素１１０と中心を同一とする正方形の形状を有している。画素電極１０３の中心には、接続部１０４が配置されている。接続部１０４には、画素１１０で光電変換された電気信号を画像処理装置１２０に出力するための配線（図示せず）が接続される。なお、配線は、図１に示した読出し回路１０８に組み込まれていてもよい。

図７は、本実施形態に係る固体撮像装置１００の構成を示す断面図である。詳細には、図７は、図６に示した画素部１００ａのＡＡ’線における断面図である。

図７に示すように、固体撮像装置１００は、図１に示した固体撮像装置１と同様、読出し回路１０８（図示せず）が形成された基板１０１（図示せず）の上に、絶縁層１０２と、有機層１０５と、対向電極１０６と、保護層１０７とを備えている。保護層１０７の上には、被写体１１５ａが保護層１０７に接触するように載置されている。また、絶縁層１０２には、上記した画素電極１０３と接続部１０４とが配置されている。絶縁層１０２、有機層１０５、対向電極１０６、保護層１０７の構成は、上記した固体撮像装置１におけるものと同様であるため、詳細な説明は省略する。

なお、画素電極１０３は、本実施形態における下部電極に相当する。また、有機層１０５は、本実施形態における光電変換膜に相当する。対向電極１０６は、本実施形態における上部電極に相当する。

以下、固体撮像装置１００における画像の撮影動作について説明する。

本実施形態にかかる撮像装置１０では、被写体１１５ａに対して複数の角度から複数回撮影することにより、撮影画像の超解像度化を図る。詳細には、照明装置２０から被写体１１５ａに所定の方向から所定の角度で光を照射しながら被写体１１５ａを撮影する。そして、光の照射方向および角度を変えて、複数回被写体１１５ａを撮影する。そして、撮影した複数の画像を重ね合わせて表示する。

このように、撮影時に光の照射方向および角度を変えることにより、複数の画素電極１０３の直上に配置された被写体１１５ａの情報だけでなく、複数の画素電極１０３の間に配置された被写体１１５ａの情報も得ることができる。したがって、画素サイズＫおよび画素電極サイズＰで決定される解像度より小さい超解像度の画像を得ることができる。

ここで、光の照射方向は、例えば、画素１１０の上面に対して垂直な方向と、画素１１０を平面視したときの画素１１０の正方形の形状の対角線方向（４方向）と、画素１１０の正方形の中心と各辺の中心とを結ぶ方向（４方向）と、の計９方向とする。

また、画素１１０の上面に対する光の照射角度（入射角度）については、以下の通りである。

図７に示すように、照明装置２０から被写体１１５ａの上面に対して垂直に光を入射した場合、画素電極１０３に取り込まれる電荷は、被写体１１５ａの厚さｔｓと画素電極１０３のサイズＰとで表される面積（断面積）ｔｓ×Ｐに対応する電荷量となる（紙面奥行き方向を考慮すると、体積：ｔｓ×Ｐ×Ｐになる）。

一方、照明装置２０から被写体１１５ａの上面に対して斜めに光を入射した場合に、解像度が画素サイズＫよりも小さい超解像度を得るには、複数の画素電極１０３の間の被写体１１５ａの情報を画素電極１０３に取り込む必要がある。斜めに光を入射した際の被写体１１５ａ中の光路の断面積は、図７に示すように、Ｓ０＋Ｓ１＋Ｓ２になる（紙面奥行き方向を考慮すると、体積は（Ｓ０＋Ｓ１＋Ｓ２）×Ｐになる）。ここで、断面積Ｓ０は、図７に示すように、２つの画素電極１０３の間において光路の占める面積（断面積）、断面積Ｓ１およびＳ２は、同図に示す画素電極１０３の直上において光路の占める面積（断面積）を示している。

複数の画素電極１０３の間の被写体１１５ａの情報を得るには、断面積Ｓ０が大きくなるように入射角度θを設定する必要がある。

ここで、断面積Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２を、図７中に記載した寸法で計算すると、次のようになる。なお、以下の式（１）〜（９）においては、被写体１１５ａの膜厚をｔｓ、保護層１０７の膜厚をｔｐ、有機層１０５の膜厚をｔｏ、画素電極１０３のサイズ（一辺の長さ）をＰ、画素サイズ（一辺の長さ）をＫ、光源の照射角度をθとしている。また、対向電極１０６は、有機層１０５に対して保護膜としての機能を有するので、図７に示すように、保護層１０７の膜厚ｔｐには、対向電極１０６の膜厚も含めている。なお、対向電極１０６の膜厚は、例えば、０．０１μｍ程度である。

Ｓ０＝Ｐ×ｔｓ−Ｓ１−Ｓ２
ｕ１＝Ｐ−ｔｐ×ｔａｎθ
ｈ１＝Ｐ／ｔａｎθ−ｔｐ
Ｓ１＝（ｕ１×ｈ１）／２＝１／２×（Ｐ／√ｔａｎθ−ｔｐ×√ｔａｎθ）^２
ｕ２＝（ｔｓ＋ｔｐ）×ｔａｎθ−（Ｋ−Ｐ）
ｈ２＝ｔｓ＋ｔｐ−（Ｋ−Ｐ）／ｔａｎθ
Ｓ２＝（ｕ２×ｈ２）／２
＝１／２×（（Ｋ−Ｐ）／√ｔａｎθ）−（ｔｓ＋ｔｐ）×√ｔａｎθ）^２
…（１）

なお、一例として、ｔｓは４μｍ、ｔｐは１μｍ、ｔｏは０．５μｍ程度である。

図８は、垂直光路断面積に対する斜め光路断面積の占める割合を示す図である。図８において、横軸には光の入射角度を示している。縦軸には、斜め入射光路に占める成分の割合、すなわち、図７に示した、光を被写体１１５ａの上面に垂直に当てたときに画素電極１０３に照射される光路（垂直光路）の断面積Ｐ×ｔｓに対して、光を被写体１１５ａの上面に対して角度θで入射したときに画素電極１０３に照射される光路（斜め光路）のうちの画素電極１０３以外の部分の光路の断面積Ｓ０が占める割合を示す図である。

なお、本実施形態においては、光源に短波長を用いる場合を想定している。短波長の光とは、例えば、紫色波長から青色波長の可視光領域、すなわち、３８０〜５００ｎｍ程度の波長のことをいう。また、長波長の光とは、例えば、緑色波長から赤色波長の可視光領域、すなわち、５００〜７５０ｎｍ程度の波長のことをいう。光源に短波長を用いる場合には、光電変換は有機層１０５の表面で行われる為、有機層１０５の上面に照射された光の光電変換効率は１００％であるものとしている。すなわち、有機層１０５の表面で光電変換された電荷が全て画素電極１０３に伝達されるとして、有機層１０５の膜厚ｔｏを無視できる（ｔｏ＝０）ものとしている。また、有機層１０５から被写体１１５ａまでの距離をｔｐとするため、正確には、保護層１０７と対向電極１０６との膜厚をｔｐとしている。

図８において、実線で示される曲線Ａは、病理検体である被写体１１５ａの厚みｔｓをｔｓ＝４μｍ、保護層１０７の膜厚ｔｐをｔｐ＝１μｍ、画素サイズ（一辺の長さ）ＫをＫ＝０．９μｍ、画素電極１０３のサイズ（一辺の長さ）ＰをＰ＝０．４５μｍとしたときの、垂直光路断面積Ｐ×ｔｓに占める断面積Ｓ０の割合を示している。また、破線で示される曲線Ｂは、被写体１１５ａの厚みｔｓをｔｓ＝４μｍ、保護層１０７の膜厚ｔｐをｔｐ＝３．２μｍ、画素サイズ（一辺の長さ）ＫをＫ＝０．９μｍ、画素電極１０３のサイズ（一辺の長さ）ＰをＰ＝０．４５μｍとしたときの、垂直光路断面積Ｐ×ｔｓに占める断面積Ｓ０の割合を示している。また、破線で示される曲線Ｃは、被写体１１５ａの厚みｔｓをｔｓ＝４μｍ、保護層１０７の膜厚ｔｐをｔｐ＝１μｍ、画素サイズ（一辺の長さ）ＫをＫ＝０．９μｍ、画素電極１０３のサイズ（一辺の長さ）ＰをＰ＝０．３２μｍとしたときの、垂直光路断面積Ｐ×ｔｓに占める断面積Ｓ０の割合を示している。

入射角度θが極端に小さい、或いは、大きい場合、垂直光路断面積Ｐ×ｔｓに占める断面積Ｓ０の割合が低下する。これまでの評価結果より、垂直光路断面積Ｐ×ｔｓに占める断面積Ｓ０の割合は、概ね６０％以上が必要であることがわかっている。したがって、図８において、垂直光路断面積Ｐ×ｔｓに占める断面積Ｓ０の割合が６０％以上であることを満たす入射角度θを求めると、入射角度θとしては５°より大きく１０°より小さいことが望ましいことがわかる。入射角度θは、被写体１１５ａの厚みｔｓと、保護層１０７の膜厚ｔｐと、画素サイズＫと、画素電極１０３のサイズＰとの関係で最適値が決まる。例えば、入射角度θを小さくすると、相対的に保護層１０７の膜厚ｔｐを厚くする必要がある。しかし、保護層１０７の膜厚ｔｐを厚くし過ぎると、有機層１０５に入射光が到達するまでに光が広がり、ぼけが発生する。また、入射角度θを大きくすると、隣接する画素電極１０３の上の被写体の情報（図７中のＳ２）の占める割合が大きくなり、隣接する画素電極１０３間の上の被写体の情報（図７中のＳ０）の占める割合が低下し、正確な情報が得られなくなる。

これらより、入射角度θは、これまでの評価結果に基づき、３°＜θ＜１２°望ましくは、５°＜θ＜１０°に設定するのが好ましい。垂直光路断面積Ｐ×ｔｓに占める断面積Ｓ０の割合を大きくするには、断面積Ｓ１が最小となるように被写体１１５ａの厚みｔｓ、保護層１０７の膜厚ｔｐ、画素サイズＫ、画素電極１０３のサイズＰの値を決定するよりも、断面積Ｓ２を最小となるように被写体１１５ａの厚みｔｓ、保護層１０７の膜厚ｔｐ、画素サイズＫ、画素電極１０３のサイズＰの値を決定する方が良い。式（１）より、ｔａｎθ＝（Ｋ−Ｐ）／（ｔｓ＋ｔｐ）のとき、Ｓ２は最小（Ｓ２＝０）となる。

以上より、被写体１１５ａの厚みｔｓ、保護層１０７の膜厚ｔｐ、画素サイズＫ、画素電極１０３のサイズＰの関係は、
ｔａｎ（３°）＜ｔａｎθ＝（Ｋ−Ｐ）／（ｔｓ＋ｔｐ）＜ｔａｎ（１２°）…（２）
望ましくは、
ｔａｎ（５°）＜ｔａｎθ＝（Ｋ−Ｐ）／（ｔｓ＋ｔｐ）＜ｔａｎ（１０°）…（３）
を満たしていることが好ましい。保護層１０７の上面に配置される被写体１１５ａの厚さｔｓをパラメータに追加することにより、被写体１１５ａの厚さに対応させて超解像度の画像を得ることができる。

ここで、被写体１１５ａの厚さｔｓは、予め定められた定数Ｍとしてもよい。この場合、式（２）および式（３）は、それぞれ以下のように示される。

ｔａｎ（３°）＜ｔａｎθ＝（Ｋ−Ｐ）／（Ｍ＋ｔｐ）＜ｔａｎ（１２°）…（４）
ｔａｎ（５°）＜ｔａｎθ＝（Ｋ−Ｐ）／（Ｍ＋ｔｐ）＜ｔａｎ（１０°）…（５）

式（４）および式（５）より、厚さがほぼ同一の被写体１１５ａの撮影を行う場合には、被写体１１５ａの正確な厚さがわからなくても、固体撮像装置１００の超解像度化を実現できる。

なお、本実施形態では、有機層１０５から被写体１１５ａまでの距離は、保護層１０７（正確には、保護層１０７および対向電極１０６）の膜厚ｔｐに等しいとしたが、これに限定されず、被写体１１５ａと保護層１０７の間に、例えば封入剤で構成される被写体支持部（図示せず）を用いる場合には、被写体支持部を含む膜厚をｔｐとすることが望ましい。

以上、本実施形態にかかる固体撮像装置１００の構成によれば、光の入射方向および入射角度を変更して撮影した複数の画像を重ね合わせることにより、超解像度化を実現することができる。

（第１の実施形態の変形例）
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。図９は本変形例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。

上記した第１の実施形態では、有機層１０５の上面に入射する光の波長の長短によって各パラメータの値を決定している。光が短波長（例えば、３８０〜５００ｎｍ程度の波長）である場合には、光は有機層１０５の上面から深い部分にまでは入射しないため、有機層１０５の上面に照射した光は、１００％の変換効率で電気信号に変換される。したがって、保護層１０７の下面に入射する光の波長の長短によって各パラメータの値を決定し、有機層１０５はないものとして扱うことができる。

しかし、光が長波長（例えば、５００〜７５０ｎｍ程度の波長）である場合には、光は有機層１０５の上面から深い部分にまで侵入するので、有機層１０５の厚さｔｏを無視することができない。そこで、以下、有機層１０５の厚さｔｏを含めて光の入射角度θについて説明する。

図９に示すように、本変形例に係る固体撮像装置１００では、光は有機層１０５の上面から深い部分にまで侵入する。したがって、有機層１０５の表面から深い部分においても光電変換が行われ、光電変換された電荷量が画素電極１０３に取り込まれる。

この場合、第１の実施形態での式（１）、（２）および（３）について、パラメータｔｐをｔｐ＋ｔｏと置き換えるとよい。したがって、被写体１１５ａの厚みｔｓ、保護層１０７の膜厚ｔｐ、有機層１０５の厚さｔｏ、画素サイズ（一辺の長さ）Ｋ、画素電極１０３のサイズ（一辺の長さ）Ｐの関係は、
ｔａｎ（３°）＜ｔａｎθ＝（Ｋ−Ｐ）／（ｔｓ＋ｔｐ＋ｔｏ）＜ｔａｎ（１２°）…（６）
望ましくは、
ｔａｎ（５°）＜ｔａｎθ＝（Ｋ−Ｐ）／（ｔｓ＋ｔｐ＋ｔｏ）＜ｔａｎ（１０°）…（７）
を満たしていることが好ましい。

また、上記した第１の実施形態と同様、被写体１１５ａの厚さｔｓは、予め定められた定数Ｍとしてもよい。この場合、式（６）および式（７）は、それぞれ以下のように示される。

ｔａｎ（３°）＜ｔａｎθ＝（Ｋ−Ｐ）／（Ｍ＋ｔｐ＋ｔｏ）＜ｔａｎ（１２°）…（８）
ｔａｎ（５°）＜ｔａｎθ＝（Ｋ−Ｐ）／（Ｍ＋ｔｐ＋ｔｏ）＜ｔａｎ（１０°）…（９）

式（８）および式（９）より、厚さがほぼ同一の被写体１１５ａの撮影を行う場合には、被写体１１５ａの正確な厚さがわからなくても、固体撮像装置１００の超解像度化を実現できる。

以上、本変形例にかかる固体撮像装置１００の構成によれば、光源に長波長を用いる場合であっても、光の入射方向および入射角度を変更して撮影した複数の画像を重ね合わせることにより、超解像度化を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は、本実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す平面図である。図１１は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。図１１は、図１０に示す固体撮像装置のＢＢ’線における断面図である。

本実施形態にかかる固体撮像装置と第１の実施形態にかかる固体撮像装置との違いは、本実施形態にかかる固体撮像装置は、複数の画素電極１０３の間に、シールド電極１０９を備えている点である。

図１０に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置は、隣接する画素電極１０３の間に、余剰電荷を排出するためのシールド電極１０９を有している。シールド電極１０９は、画素電極１０３の間に格子状に配置されている。つまり、図１１に示すように、シールド電極１０９は、画素電極１０３を囲むように画素電極１０３と同一平面内に形成されている。シールド電極１０９は、例えば、画素電極１０３と同一の導電性の材料で形成されている。

シールド電極１０９は、複数の画素１１０が配置された画素部１００ａ（図５参照）の周辺の領域に接続部２０４を有している。図１０に示すように、接続部２０４は、シールド電極１０９の電位を制御するための配線２１０に接続されている。配線２１０は、シールド電位制御用端子に繋がっており、シールド電極１０９の電位を所定の値にするための電圧が印加される。

以上の構成により、シールド電極１０９上で光電変換された余剰な電荷は、画素電極１０３に取り込まれるのを防止される。シールド電極１０９上で光電変換された余剰な電荷は、シールド電極１０９を通して排出される為、撮影画像の解像度を向上することができる。したがって、撮影画像が、ノイズとなる余剰電荷の影響を受けるのを抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について、図１２および図１３を用いて説明する。図１２は、本実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す平面図である。図１３は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。図１２は、第３の実施形態にかかる固体撮像装置を説明するための平面図である。図１３は、図１２に示す固体撮像装置のＣＣ’線における断面図である。

本実施形態にかかる固体撮像装置と第２の実施形態にかかる固体撮像装置との違いは、本実施形態にかかる固体撮像装置が、複数の画素電極１０３の間に配置されたシールド電極３０９に接続部３０４を備えている点である。

図１２に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置は、隣接する画素電極１０３の間に、余剰電荷を排出するためのシールド電極３０９を有している。シールド電極３０９は、第２の実施形態に示した固体撮像装置のシールド電極１０９と同様、画素電極１０３の間に格子状に配置されている。つまり、図１３に示すように、シールド電極３０９は、画素電極１０３を囲むように画素電極１０３と同一平面内に形成されている。また、シールド電極３０９は、例えば、画素電極１０３と同一の導電性の材料で形成されている。

シールド電極３０９は、図１２に示すように、複数の画素１１０が配置された画素部１００ａ（図５参照）内に接続部３０４を有している。接続部３０４は、シールド電極３０９の電位を制御するための配線３１０に接続されている。配線３１０は、シールド電位制御用端子に繋がっており、シールド電極３０９の電位を所定の値にするための電圧が印加されている。

この構成により、第２の実施形態と同様に、本実施形態にかかる固体撮像装置において、シールド電極３０９上で光電変換された余剰電荷は、画素電極１０３に取り込まれるのを防止される。シールド電極３０９上で光電変換された余剰な電荷は、シールド電極３０９を通して排出される。さらに、本実施形態では、画素１１０毎に接続部３０４が形成されている為、画素部１００ａ内においてシールド電極３０９の抵抗による電圧降下の影響によるシェーディングの発生を抑制することができる。

シールド電極３０９の材料に低抵抗且つ厚膜を用いる場合にはシェーディングは問題とならないが、積層型有機センサでは、画素電極１０３及びシールド電極３０９の上部に光電変換膜である有機層１０５が設けられる為、平坦性が要求される。すなわち、画素電極１０３及びシールド電極３０９の間を絶縁層１０２で埋設した後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などによって表面を平坦化するが、画素電極１０３及びシールド電極３０９の膜厚が厚いと、画素電極１０３とシールド電極３０９の間の絶縁層１０２の上面が後退し、段差が発生し易くなる。

その結果、有機層１０５の膜厚が局所的に不均一になり、上記した段差部分、すなわち、画素電極１０３のエッジ部部分において、膜クラックなどに起因するリーク増加あるいは残像などの問題が発生する。これら加工面から、画素電極１０３及びシールド電極３０９の導電体の膜厚は薄くすることが望ましい。この場合、シールド電極３０９のシート抵抗は高くなる。高画素数になる程、シールド電極３０９のサイズは大きくなる為、シールド電極３０９における電圧（シールド電位）の低下は大きくなる。これに対し、本実施形態にかかる固体撮像装置によれば、画素部１００ａ内でのシールド電圧の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態にかかる固体撮像装置を説明する上で、画素１１０内でシールド電位制御用端子に繋がっている配線３１０に接続する接続部３０４は、各画素１１０の四隅に配置されるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、画素サイズＫが大きい画素の場合、各画素１１０内の接続部３０４の個数を増やしても構わない。また、画素サイズＫが小さい画素の場合、各画素１１０に接続部３０４を配置する必要はなく、例えば、数〜数十画素毎に接続部３０４を配置しても構わない。

以上、実施形態に係る固体撮像装置について説明したが、固体撮像装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態に対して、本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、固体撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

たとえば、上記したように、固体撮像装置１００を備えた撮像装置１０は、本発明に含まれる。撮像装置１０は、図４に示したように、固体撮像装置１００以外に、画像処理装置を備えていてもよい。また、照明装置や他の構成を備えていてもよい。

また、上記した実施形態では、光の照射方向は、画素１１０の上面に対して垂直な方向と、画素１１０を平面視したときの画素１１０の正方形の形状の対角線方向（４方向）と、画素１１０の正方形の中心と各辺の中心とを結ぶ方向（４方向）と、の計９方向としたが、光の照射方向はこれらの方向に限らず他の方向から行ってもよい。また、照射方向は９方向に限らず、被写体に応じて適宜方向を増減させてもよい。

また、上記実施の形態およびその変形例は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本発明に係る固体撮像装置及び撮像装置は、超解像度（解像度が画素サイズより小さい）画像を取得することができ、医療用コンタクトイメージング等に有用である。

１、１００ 固体撮像装置
１０ 撮像装置
２０、１１１ 照明装置
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 光源
１００ａ 画素部
１０１ 半導体基板
１０２ 絶縁層
１０３ 画素電極（下部電極）
１０４、２０４、３０４ 接続部
１０５ 有機層（光電変換膜）
１０６ 対向電極（上部電極）
１０７ 保護層（保護膜）
１０８ 読み出し回路
１０９、３０９ シールド電極
１１０ 画素
１１５ 試料片
１１５ａ 被写体
１１５ｂ スライドガラス
１２０ 画像処理装置
２１０、３１０ 配線

Claims (9)

1. 複数の画素を有する固体撮像装置であって、
   前記複数の画素毎に設けられた下部電極と、
   前記下部電極の上方に設けられ、入射光量に対応した電荷を生成する光電変換膜と、
   前記光電変換膜の上に設けられた上部電極と、
   前記上部電極の上に設けられた保護膜と、を備え、
   前記複数の画素のそれぞれの一辺の長さをＫ、前記下部電極の一辺の長さをＰ、前記保護膜の厚さをｔｐ、前記光電変換膜の厚さをｔｏとすると、
   ｔａｎ（３°）＜（Ｋ−Ｐ）／（Ｍ＋ｔｐ＋ｔｏ）＜ｔａｎ（１２°） （Ｍは定数）
   の関係を満たす
   固体撮像装置。
2. 複数の画素を有する固体撮像装置であって、
   前記複数の画素毎に設けられた下部電極と、
   前記下部電極の上方に設けられ、入射光量に対応した電荷を生成する光電変換膜と、
   前記光電変換膜の上に設けられた上部電極と、
   前記上部電極の上に設けられた保護膜と、を備え、
   前記複数の画素のそれぞれの一辺の長さをＫ、前記下部電極の一辺の長さをＰ、前記保護膜の厚さをｔｐとすると、
   ｔａｎ（３°）＜（Ｋ−Ｐ）／（Ｍ＋ｔｐ）＜ｔａｎ（１２°） （Ｍは定数）
   の関係を満たす
   固体撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像装置であって、
   前記Ｍは、前記保護膜の上面に配置される被写体の厚さｔｓである
   固体撮像装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置であって、
   前記固体撮像装置は、前記下部電極間に、余剰電荷を排出するためのシールド電極を有し、
   前記シールド電極は、前記複数の画素が配置された画素部の周辺領域に、前記シールド電極の電位を制御するための配線に接続される接続部を有する
   固体撮像装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置であって、
   前記固体撮像装置は、前記下部電極間に、余剰電荷を排出するためのシールド電極を有し、
   前記シールド電極は、前記複数の画素が配置された画素部内に、前記シールド電極の電位を制御するための配線に接続される接続部を有する
   固体撮像装置。
6. 請求項４または５に記載の固体撮像装置であって、
   前記シールド電極は、前記下部電極と同一平面内に形成されている
   固体撮像装置。
7. 請求項６に記載の固体撮像装置であって、
   前記シールド電極は、前記下部電極を囲むように形成されている
   固体撮像装置。
8. 請求項４〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置であって、
   前記シールド電極は、前記下部電極と同一材料で形成されている
   固体撮像装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えた
   撮像装置。

Images