JP2016067034A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る撮像装置1の構成を示す図である。
図2を参照して、光電変換装置3は、画素アレイ10と、複数の負荷回路11と、複数のアンプQと、垂直走査部13と、制御部14と、水平走査部15と、セレクタ16と、出力部17とを備える。
図3を参照して、画素Pは、フォトダイオードPDと、読出回路Gと、スイッチSWBとを含む。フォトダイオードPDのカソードにはカソード電圧VKが印加され、フォトダイオードPDのアノードにはアノード電圧VAが印加される。
この発明の実施の形態2による光電変換装置は、図10に示すように、画素アレイ26を備える。画素アレイ26は、m行n列(ただし、m,nの各々は2以上の整数である)に配列されたm×n個の画素P11〜Pmnと、それぞれm行に対応して設けられた制御信号線群CL1〜CLmと、それぞれn列に対応して設けられた信号線SL1〜SLnとを含む。画素Pは、対応の制御信号線群CLを介して与えられる複数の信号によって制御され、入射光量に応じたレベルの画素電流と、入射光量がゼロの場合の画素電流に相当する基準電流とを対応の信号線SLに順次出力する。
ところで、通常のCMOSイメージセンサは、たとえば、複数の光電変換素子と、光電変換素子に対応して設けられ、対応の光電変換素子からの電荷を増幅する複数のアンプとを備える。そして、通常時は各アンプの出力を画素信号の生成に用い、低照度時は各アンプの出力を合成したものを画素信号の生成に用いることにより、低照度時でも良好な画像を得る。すなわち、各アンプの出力を合成することにより信号およびノイズを加算していくと、信号は倍で増えていき、ノイズは2乗平均で増えていく。このため、画素信号のS/N(Signal to Noise)比が良好になる。このような方法は、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサでも採用されている。
垂直走査部13は、まず、制御部14から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行1を選択し、選択した画素行1のスイッチSWB11,SWB12,SWB13,SWB14をオンする。また、垂直走査部13は、選択していない画素行に対応する各スイッチSWBをオフし、また、すべてのスイッチSWAをオフする。
次に、光電変換装置に入射する光の量が通常レベルより少ない低照度時について説明する。
図23を参照して、この変更例は、図19および図20に示す各画素電極ELをたとえば45度斜めに配置した構成である。
図24を参照して、2つの画素電極ELAは、矩形状に半周回し、かつ互いに対向している。また、2つの矩形状の画素電極ELBは、2つの画素電極ELAによって形成される空間に設けられ、互いに対向している。2つのスイッチSWAは、互いに対向する画素電極ELAおよびELB間にそれぞれ接続されている。
図25を参照して、各画素電極ELは、六角形の形状を有している。3つのスイッチSWAは、隣り合う画素電極EL間にそれぞれ接続されている。
図26を参照して、4つの画素電極ELAは、八角形の形状を有している。また、4つの画素電極ELBは、四角形の形状を有している。4つのスイッチSWAは、隣り合う画素電極ELAおよびELB間にそれぞれ接続されている。
図27を参照して、2つの画素電極ELAは、円状に半周回し、かつ互いに対向している。また、2つの半円状の画素電極ELBは、2つの画素電極ELAによって形成される空間に設けられ、互いに対向している。2つのスイッチSWAは、互いに対向する画素電極ELAおよびELB間にそれぞれ接続されている。
図28を参照して、矩形状の画素電極ELAと、画素電極ELAより小さい矩形状の画素電極ELBとが、画素行方向に交互に配置されている。
ところで、一般的な単板カラー化方式を採用する固体撮像装置は、たとえば、700nm(ナノメータ)〜1000nmの波長の近赤外領域における近赤外光を遮断するIRカットフィルタと、ベイヤー配列のRGBカラーフィルタとを備える。そして、昼間等の通常時はIRカットフィルタおよびRGBカラーフィルタを組み合わせてカラーカメラとして動作し、夜間等の低照度時はIRカットフィルタを光軸から取り外して白黒カメラとして動作する。
W=R+G+B+IR
Ye=R+G+IR
Cy=G+B+IR
Bk=IR
この関係に基づき、画像信号処理部4は、以下の式に従って、RGBカラー画像を得るための電気信号R、G,およびBを算出する。
G=W−R−B−Bk
より詳細には、Gは、以下のように導出される。
W−R−B−Bk
=ΔW+Cy+Ye−Bk
=−(R+G+B+IR)+(G+B+IR)+(R+G+IR)
=G+IR−IR
=G
R=W−Cy
より詳細には、Rは、以下のように導出される。
W−Cy
=R+G+B+IR−(G+B+IR)
=R
B=W−Ye
より詳細には、Bは、以下のように導出される。
W−Ye
=R+G+B+IR−(R+G+IR)
=B
すなわち、信号W,信号Ye,信号Cy,信号Bkは、それぞれIR(近赤外線領域)成分を含むが、これらのIR成分は相殺されるため、信号W,信号Ye,信号Cy,信号Bkに基づいて信号R、G,およびBを得ることができる。
Y=W+IR+Cy+IR+Ye+IR=2×R+3×G+2×B+3×IR
また、画像信号処理部4は、白黒画像を得るための信号B/Wを以下の式に従って算出する。
B/W=W+Cy+Ye+Bk=2×R+3×G+2×B+4×IR
図33は、レッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタの透過率を示す図である。
図34を参照して、太陽光は、可視光領域で光の強弱の時間変化が大きく、近赤外領域で光の強弱の時間変化が少なく、また、1000nm以上の波長では光の強弱の時間変化が非常に少ない。
ところで、イメージセンサには、有効撮像部と光学的黒部が設けられており、有効撮像部の画素で読み出された光電流は、光学的黒部の画素で読み出された黒電流に基づいて補正される。
なお、以上の実施の形態5では、本願発明がCIGS薄膜を用いた光電変換装置に適用された場合について説明したが、本願発明は、CIGS薄膜以外の化合物半導体薄膜や、有機半導体薄膜、光電変換薄膜、あるいは光電変換厚膜を用いた光電変換装置にも適用可能である。また、本願発明は、光電変換装置に限らず、フォトセンサやラインセンサにも適用可能である。
一般に、固体撮像素子では、シリコン基板においてフォトダイオードが形成され、シリコン基板における1画素分の画素領域において、フォトダイオードと、フォトダイオードからの電荷を読み出して電流を出力する読出回路を構成する複数のトランジスタとが配置される。そして、フォトダイオードの受光面積を確保するために、読出回路から出力された電流を増幅するアンプは画素領域外に配置される。
図46を参照して、画素Pは、フォトダイオードPDと、差動増幅器85と、キャパシタCと、スイッチSWGと、スイッチSWBとを含む。フォトダイオードPDのカソードにはカソード電圧VKが印加され、フォトダイオードPDのアノードにはアノード電圧VAが印加される。差動増幅器85、キャパシタC、およびスイッチSWGは、読出回路Gを構成する。
図47を参照して、差動増幅器85は、NチャネルMOSトランジスタM1,M2と、PチャネルMOSトランジスタM3,M4と、電流源ISと、出力回路86とを含む。
ところで、このような固体撮像装置では、受光量のダイナミックレンジを拡大するために、たとえば、光電変換素子からの電荷を蓄積する時間長の異なる複数の期間においてそれぞれ得られた電気信号を合成する方法が採用されている。
図51を参照して、画素アレイは、半導体基板21と、読出回路層22と、複数の画素電極ELAおよびELBと、CIGS薄膜23と、CdS(硫化カドミウム)層24と、透明電極25とを含む。
出力部17は、受光量がX1未満である場合には画素電極ELAからの電荷に基づく読出信号を選択し、受光量がX1以上である場合には画素電極ELAおよび画素電極ELBからの電荷に基づく読出信号を選択する。
図58を参照して、光電変換装置は、さらに、カラーフィルタCFを含む。
本実施の形態8は、実施の形態7に係る光電変換装置と比べて各画素電極が略同じサイズを有する光電変換装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態7に係る光電変換装置と同様である。
図62を参照して、上記のようなスイッチSWKの設定により、スイッチSWKを介して互いに電気的に接続され、かつ読出回路Gに接続された画素電極を含む3つの画素電極のグループAと、読出回路Gに接続された1つの画素電極を含むグループBとがつくられる。グループAおよびBは、スイッチSWKを介して互いに電気的に接続されていない。
図67を参照して、この変更例における画素アレイは、CIGS薄膜23の延在方向におけるサイズが略同じである9つの画素電極ELからなる画素電極群を複数含む。各画素電極群の9つの画素電極ELは、CIGS薄膜23の表面において互いに近接して設けられている。また、これらの画素電極群は、カラーフィルタCFの同一画素かつ同一色に対応する領域ごとに設けられている。また、画素アレイは、複数のスイッチSWKを含む。
ところで、従来の第1のイメージセンサでは、CIGS薄膜の表面に透明電極が形成され、CIGS薄膜の裏面に複数の画素電極が形成されている。CIGS薄膜に光が照射されると、光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。CIGS薄膜に発生した電子−正孔対のうちの正孔すなわち正電荷は、画素電極を介して読出回路に流れる。
カラー画像および近赤外(Near Infrared:NIR)画像を得るための従来の撮像装置は、たとえば、可視光と近赤外光とを分離する分光フィルタ機能を有するプリズムと、このプリズムを通過した可視光に基づいてカラー画像を生成するカラー撮像部と、このプリズムを通過した近赤外光に基づいて近赤外画像を生成する近赤外撮像部とを備える。このような構成は、2板撮像方式と呼ばれている。
図76を参照して、撮像装置100は、光電変換部101と、画像信号処理部102と、表示部103と、制御部104と、レンズ105と、記憶部111〜114と、発光素子X1〜X4とを備える。発光素子X1〜X4は、たとえばLED(Light Emitting Diode)である。
Claims (14)
- 白色光を被写体に照射するための白色発光素子と、
カラーフィルタを含み、前記被写体からの光を受けるためのカラーフィルタ部と、
化合物半導体により形成され、前記カラーフィルタ部を通過した光を電荷に変換するための光電変換膜と、
前記光電変換膜の表面のうち、前記カラーフィルタ部と反対側の表面において前記カラーフィルタに対応して設けられ、前記光電変換膜によって変換された電荷を受けるための複数の電極と、
前記電極に対応して設けられ、対応の電極が受けた電荷に基づいて読み出し信号を出力するための複数の読み出し回路と、
前記白色発光素子から前記被写体に光を照射した場合に前記複数の読み出し回路から出力される前記読み出し信号に基づいてカラー画像信号を生成し、少なくとも前記白色発光素子から前記被写体に光を照射していない場合に前記複数の読み出し回路から出力される前記読み出し信号に基づいて白黒画像信号を生成するための画像信号処理部とを備え、
前記画像信号処理部は、カラー画像において表示可能な色を選択し、前記白黒画像信号を前記選択色と黒の画像を示す擬似カラー画像信号に変換し、前記カラー画像信号および前記擬似カラー画像信号に基づいて1つの画像を示す合成画像信号を生成する撮像装置。 - 前記撮像装置は、さらに、
近赤外領域における波長を有する光を前記被写体に照射するための近赤外発光素子を備え、
前記画像信号処理部は、前記白色発光素子から前記被写体に光を照射した場合に前記複数の読み出し回路から出力される前記読み出し信号に基づいてカラー画像信号を生成し、前記白色発光素子から前記被写体に光を照射していない場合であって前記近赤外発光素子から前記被写体に光を照射したときに前記複数の読み出し回路から出力される前記読み出し信号に基づいて白黒画像信号を生成する請求項1に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、
近赤外領域における互いに異なる波長を有する光を前記被写体に照射するための近赤外発光素子を複数備え、
前記画像信号処理部は、各前記近赤外発光素子から前記被写体に光を照射した場合に前記複数の読み出し回路から出力される前記読み出し信号に基づいて複数の白黒画像信号を生成し、
前記画像信号処理部は、カラー画像において表示可能な色を前記白黒画像信号ごとに選択し、各前記白黒画像信号を対応の前記選択色と黒の画像を示す複数の擬似カラー画像信号に変換し、前記カラー画像信号および前記複数の擬似カラー画像信号に基づいて1つの画像を示す画像信号を生成する請求項2に記載の撮像装置。 - 前記画像信号処理部は、各前記白黒画像信号を前記カラーフィルタの互いに異なる透過色と黒の画像を示す複数の擬似カラー画像信号に変換する請求項3に記載の撮像装置。
- 前記画像信号処理部は、前記擬似カラー画像信号が示す画像において前記選択色である部分に対応する前記カラー画像信号が示す画像における部分を前記選択色とした画像を示す合成画像信号を生成する請求項1から4のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記画像信号処理部が選択する色は変更可能である請求項1から5のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記画像信号処理部は、前記白黒画像信号を前記カラーフィルタの透過色と黒の画像を示す擬似カラー画像信号に変換する請求項1から6のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記画像信号処理部は、カラー画像において表示可能な色であって前記カラー画像信号が示す画像において存在しない色を検索し、前記白黒画像信号を前記検索した色と黒の画像を示す擬似カラー画像信号に変換する請求項1から7のいずれかに記載の撮像装置。
- 白色光を被写体に照射するための白色発光素子と、
近赤外領域における第1の波長を有する光を前記被写体に照射するための第1の近赤外発光素子と、
近赤外領域における第2の波長を有する光を前記被写体に照射するための第2の近赤外発光素子と、
カラーフィルタを含み、前記被写体からの光を受けるためのカラーフィルタ部と、
化合物半導体により形成され、前記カラーフィルタ部を通過した光を電荷に変換するための光電変換膜と、
前記光電変換膜の表面のうち、前記カラーフィルタ部と反対側の表面において前記カラーフィルタに対応して設けられ、前記光電変換膜によって変換された電荷を受けるための複数の電極と、
前記電極に対応して設けられ、対応の電極が受けた電荷に基づいて読み出し信号を出力するための複数の読み出し回路と、
前記白色発光素子から前記被写体に光を照射した場合に前記複数の読み出し回路から出力される前記読み出し信号に基づいて輝度信号を生成し、前記第1の近赤外発光素子から前記被写体に光を照射した場合に前記複数の読み出し回路から出力される前記読み出し信号に基づいて第1の白黒画像信号を生成し、前記第2の近赤外発光素子から前記被写体に光を照射した場合に前記複数の読み出し回路から出力される前記読み出し信号に基づいて第2の白黒画像信号を生成するための画像信号処理部とを備え、
前記画像信号処理部は、前記第1の白黒画像信号と前記輝度信号との差を示す信号、前記第2の白黒画像信号と前記輝度信号との差を示す信号および前記輝度信号を1つの画像を示す合成画像信号として生成する撮像装置。 - 前記画像信号処理部は、
前記第1の白黒画像信号を反転した信号と前記輝度信号との差を示す信号、前記第2の白黒画像信号を反転した信号と前記輝度信号との差を示す信号および前記輝度信号を前記合成画像信号として生成する請求項9に記載の撮像装置。 - 前記光電変換膜は、Cu(Inx,Ga(1−x))Se2(0≦x≦1)である請求項1から10のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記撮像装置は、さらに、
前記複数の電極と反対側の前記光電変換膜の表面に設けられた透明電極を備える請求項11に記載の撮像装置。 - 前記透明電極は、ZnOを含む請求項12に記載の撮像装置。
- 前記複数の電極は、Moを含む請求項11に記載の撮像装置。
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