JP2019087996A - 撮像装置、およびカメラシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】耐光性を保持しつつ耐光性に優れた撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置２００は、第１画素および第２画素を備え、第１画素および第２画素のそれぞれは、第１電極、第２電極、第１電極と第２電極との間の光電変換層を含み、入射光を電荷に変換する光電変換部１０９と、第１電極に接続されたゲート電極を有し、電荷の量に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、光電変換層上に積層され、光電変換層に入射する光を減光する減光素子２１２と、を含み、第１画素の減光素子２１２の透過率は、第２画素の減光素子２１２の透過率と異なる。【選択図】図２

Description

本開示は、積層型の撮像装置、およびカメラシステムに関する。
撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどに広く用いられている。撮像装置としては、例えば、増幅型撮像装置、および電荷転送型撮像装置が知られている。増幅型撮像装置の例としては、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等のＭＯＳ型イメージセンサが挙げられる。電荷転送型撮像装置の例としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサが挙げられる。
イメージセンサにおいて、画質の観点から重視されているのが、光感度である。光感度が高いほど、わずかな入射光量でも高い信号振幅が得られるため、Ｓ／Ｎのよい高画質な画像を取得することが可能となる。この光感度を増加させるために様々な工夫が成されている。例えば、光を電気信号に変換する光電変換部の変換効率を上げることによって光感度を増加させることができる。
例えば、光電変換特性に優れた有機薄膜を、光電変換膜としてシリコン基板の上方に配置した、有機膜積層型の撮像装置がある（例えば、特許文献１）。このような光電変換膜を用いることにより、光感度を向上させることができる。
特開２０１１−１８１５９５号公報
撮像装置において、光電変換部の耐光性を高めることが求められている。
そこで、本開示では、耐光性を向上させた撮像装置、およびカメラシステムを提供する。
本開示の限定的ではない例示的な実施形態によれば、以下が提供される。
本開示の一態様に係る撮像装置は、第１画素および第２画素を備え、前記第１画素および前記第２画素のそれぞれは、第１電極、第２電極、前記第１電極と前記第２電極との間の光電変換層を含み、入射光を電荷に変換する光電変換部と、前記第１電極に接続されたゲート電極を有し、前記電荷の量に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、前記光電変換層上に積層され、前記光電変換層に入射する光を減光する減光素子と、を含み、前記第１画素の前記減光素子の透過率は、前記第２画素の前記減光素子の透過率と異なる。
図１は、典型的な有機膜積層型の撮像装置の概略断面図である。 図２は、実施の形態に係る撮像装置の概略断面図である。 図３は、実施の形態における減光素子の遮光度を変更した場合の、焼付き度合いの違いを説明する図である。 図４は、実施の形態に係る撮像装置の設置状態を説明する図である。 図５は、図４に示す撮像装置で外界を撮影したときの画像の一例である。 図６は、実施の形態に係る撮像装置の撮像領域を、半導体基板の表面に対し垂直な方向から見た図である。 図７は、実施の形態に係る撮像装置を、受光面が水平面に対して９０度になるように設置したときの、太陽の仰角を説明する図である。 図８は、太陽の仰角と、図７に示す撮像装置の受光面における太陽光の放射照度との関係を示すグラフである。 図９は、撮像領域のＹ軸方向における遮光度の変化を説明する図である。 図１０は、実施の形態に係る撮像装置の撮像領域を、半導体基板の表面に対し垂直な方向から見た図である。 図１１は、実施の形態に係る撮像装置における減光素子の配置位置の決定方法を示すフローチャートである。 図１２Ａは、実施の形態に係るカメラシステムの構成図である。 図１２Ｂは、実施の形態の変形例に係るカメラシステムの構成図である。
（本開示に至った知見）
典型的なＭＯＳ型イメージセンサは、フォトダイオードを光電変換部として用いる。そのようなＭＯＳ型イメージセンサは、シリコン基板に配置されたフォトダイオードと、フォトダイオードで変換された電気的信号を処理してデータ化するロジック回路部分とで構成されている。光感度を高めるためには、イメージセンサ全体の面積に対してフォトダイオードの面積が占める割合を大きくする必要がある。しかしながら、ロジック回路部分を除去することはできないため、フォトダイオードの面積を大きくすることには限界がある。そのため、光電変換部をシリコン基板から切り離し、シリコン基板の上方に配置する方法が検討されている。光電変換部をシリコン基板の上方に配置した場合、光電変換部の面積を増加させることができるため、光感度を高めることができる。例えば、光電変換特性に優れた有機薄膜をシリコン基板の上方に配置した、有機膜積層型の撮像装置がある（例えば、特許文献１）。このような構成により、光感度を向上させることができる。
図１は、典型的な有機膜積層型の撮像装置１００の概略断面図である。図１に示すように、典型的な有機膜積層型の撮像装置１００は、半導体基板１０１の上方に光電変換部１０９が配置されている。半導体基板１０１は、例えばシリコン基板である。光電変換部１０９は、画素電極１０２と、画素電極１０２上に配置された光電変換膜１０３と、光電変換膜１０３上に配置された透明電極１０４とから構成される。透明電極１０４上には、カラーフィルタ１０５が配置され、その上には、光を集光するためのマイクロレンズ１０６が配置される。さらに、マイクロレンズ１０６の上方には、素子を保護するためのカバーガラス１０７が配置される。
上述のように、光感度を高めるためには、光電変換部をシリコン基板の上方に配置する構造が有用である（特許文献１）。しかしながら、光電変換膜として有機薄膜を用いた積層型の撮像装置の場合、光電変換部における耐光性を高める工夫が求められる。例えば、太陽光などの強い光がレンズで集光されて光電変換部へと入射した場合、光電変換膜が不可逆的なダメージを受けてしまう可能性がある。例えば、光電変換膜の材料が化学変化することにより、光電変換膜の光感度が低下する場合がある。さらにダメージがひどい場合には、強い光が集中した部分の光電変換膜の材料が化学変化してしまい光電変換できなくなる現象、すなわち焼付き現象が発生し、画質の低下を引き起こしてしまう場合がある。
このような光電変換部へのダメージは、例えば、フォトダイオードのように、光電変換部がシリコン基板中に配置された従来の撮像装置でも発生し得る。しかしながら、有機薄膜を光電変換膜として用いる撮像装置では、特に太陽光による光電変換部へのダメージが、光電変換膜の材料によっては大きくなり得ると考えられる。
本開示は、上記のような耐光性の課題に鑑みてなされたものであり、光感度を保持しつつ耐光性に優れた、撮像装置、撮像装置における減光素子の配置位置の決定方法、およびカメラシステムを提供する。
本開示の一態様の概要は以下の通りである。
［項目１］
第１画素および第２画素を備え、前記第１画素および前記第２画素のそれぞれは、第１電極、第２電極、前記第１電極と前記第２電極との間の光電変換層を含み、入射光を電荷に変換する光電変換部と、前記第１電極に接続されたゲート電極を有し、前記電荷の量に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、前記光電変換層上に積層され、前記光電変換層に入射する光を減光する減光素子と、を含み、前記第１画素の前記減光素子の透過率は、前記第２画素の前記減光素子の透過率と異なる、撮像装置。
［項目２］
前記第２電極は、前記減光素子として機能し、前記第１画素の前記第２電極の透過率は、前記第２画素の前記第２電極の透過率と異なる、項目１に記載の撮像装置。
［項目３］
前記第１画素、前記第２画素のそれぞれは、前記第２電極上に位置し前記減光素子として機能するカラーフィルタを含み、前記第１画素の前記カラーフィルタの色は、前記第２画素の前記カラーフィルタの色と同じであり、前記第１画素の前記カラーフィルタの透過率は、前記第２画素の前記カラーフィルタの透過率と異なる、項目１または２に記載の撮像装置。
［項目４］
前記第１画素、前記第２画素のそれぞれは、前記第２電極上に位置し前記減光素子として機能するマイクロレンズを含み、前記第１画素の前記マイクロレンズの透過率は、前記第２画素の前記マイクロレンズの透過率と異なる、項目１から３のいずれかに記載の撮像装置。
［項目５］
前記第１画素、前記第２画素のそれぞれは、前記第２電極上に位置し前記減光素子として機能するカバーガラスを含み、前記第１画素の前記カバーガラスの透過率は、前記第２画素の前記カバーガラスの透過率と異なる、項目１から４のいずれかに記載の撮像装置。
［項目６］
前記第１画素、前記第２画素のそれぞれは、前記第２電極上に位置するカラーフィルタと、前記第２電極と前記カラーフィルタとの間に位置し、前記減光素子として機能する絶縁層と、を含み、前記第１画素の前記絶縁層の透過率は、前記第２画素の前記絶縁層の透過率と異なる、項目１から５のいずれかに記載の撮像装置。
［項目７］
前記第１画素、前記第２画素のそれぞれは、前記第２電極上に位置するカラーフィルタと、前記カラーフィルタ上に位置するマイクロレンズと、前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に位置し、前記減光素子として機能する絶縁層と、を含み、前記第１画素の前記絶縁層の透過率は、前記第２画素の前記絶縁層の透過率と異なる、項目１から６のいずれかに記載の撮像装置。
［項目８］
前記第１画素、前記第２画素のそれぞれは、前記カラーフィルタ上に位置するマイクロレンズと、前記マイクロレンズ上に位置するカバーガラスと、前記マイクロレンズと前記カバーガラスとの間に位置し、前記減光素子として機能する絶縁層と、を含み、前記第１画素の前記絶縁層の透過率は、前記第２画素の前記絶縁層の透過率と異なる、項目１から７のいずれかに記載の撮像装置。
［項目９］
前記光電変換層は、有機材料を含む、項目１から８のいずれかに記載の撮像装置。
［項目１０］
前記第１画素の前記減光素子を構成する材料は、前記第２画素の前記減光素子を構成する材料と異なる、項目１から９のいずれかに記載の撮像装置。
［項目１１］
レンズ光学系と、前記レンズ光学系を通過した光を受け信号を出力する、項目１から１０のいずれかに記載の撮像装置と、前記信号を処理する信号処理回路と、を備える、カメラシステム。
また、本開示の一態様の概要は以下の通りである。
本開示の一態様に係る撮像装置は、半導体基板と、複数の画素を含む画素部と、前記画素部に入射する光を減衰させる減光素子と、を備え、前記複数の画素のそれぞれは、前記半導体基板の上方に位置し、入射光を電荷に変換する光電変換部と、前記電荷を検出する電荷検出回路と、を備え、前記光電変換部は、有機材料を含む光電変換膜を有する。
このように、画素部に入射する光を減衰させる減光素子を有することにより、光電変換部に入射する光量を低減することができるため、強い光により光電変換膜がダメージを受けることを抑制することができる。したがって、撮像装置の耐光性を向上させることができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置では、前記減光素子は、前記画素部の一部を覆ってもよい。
これにより、例えば、画素部のうち、強い光が入射する部分にのみ減光素子を配置することができる。このように、画素部のうち、強い光が入射する部分のみを減光素子で覆うため、強い光により光電変換膜がダメージを受けることを抑制しつつ、画素部に入射する光を効率よく光電変換することができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置では、前記減光素子は、第１透過率を有する第１領域と、前記第１透過率よりも低い第２透過率を有する第２領域と、を有し、前記第２領域は、前記画素部の一部を覆ってもよい。
これにより、第１領域よりも透過率の低い第２領域を、より強い光が入射する部分に配置することができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置では、前記画素部の前記一部は、前記画素部の前記一部以外の領域よりも多い光が入射する領域であってもよい。
このように、入射光量の大きい部分に減光素子を配置することにより、光電変換膜が受ける光ダメージを低減することができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置では、前記半導体基板に垂直な方向から見たとき、前記画素部の前記一部は、前記画素部の上方領域であってもよい。
このように、半導体基板の表面に垂直な方向から見たとき、画素部の一部が画素部の上方領域であるため、例えば、撮像装置を用いて屋外で撮影する場合、画素部の上方の領域に太陽光が入射し易くなる。したがって、強い光が入射しやすい領域に減光素子を配置することにより、光電変換膜が受ける光ダメージを低減することができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置では、前記第２領域は、前記半導体基板に垂直な方向から見たとき、上端部から下端部に近づくにつれて遮光率が徐々に低くなる第３領域を有してもよい。
例えば、撮像装置を用いて屋外で撮影する場合、画素部の上端部から下端部側に向かって太陽光の入射光量が減少する。そのため、減光素子の第２領域が、遮光率が徐々に変化する第３領域を有することにより、太陽光の入射光量に合わせて遮光率を調整することができる。したがって、第３領域において、画素部に入射する光量を一様にすることができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置では、前記減光素子は、前記半導体基板に垂直な方向から見たとき、前記画素部を左右に横切る境界線よりも上方に位置し、前記境界線は、前記撮像装置を用いて屋外で撮影したときに前記画素部に撮像される地平線に対応する位置にあってもよい。
このように、画素部の平面視において、画素部を左右に横切る境界線が、画素部に撮像される地平線に対応する位置にあることにより、画素部の境界線より上方に減光素子を配置すると、太陽光が入射しやすい領域に減光素子を配置することができる。そのため、光電変換膜が受ける光ダメージを低減することができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置では、前記境界線の位置は、前記撮像装置を水平面に対して所定の角度で取り付ける取り付け角度と、前記撮像装置が外界を撮影したときの視野角である鉛直方向の画角と、に依存して決定されてもよい。
このように、境界線の位置が撮像装置の設置状態によって決定されるため、撮像装置の設置状態に応じて減光素子の配置位置を決定することができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置では、前記境界線の位置は、前記半導体基板に垂直な方向から見たとき、前記画素部の縦幅に対する前記一部の領域の縦幅をａ、前記一部以外の領域の縦幅をｂ、前記取り付け角度をφ、前記画角をθとしたときに、式（１）を用いて算出することにより決定されてもよい。
これにより、撮像装置の設置状態に応じて、より細かく減光素子の配置位置を決定することができる。
また、本開示の一態様に係る撮像装置における減光素子の配置位置の決定方法は、複数の画素を含む画素部と、前記画素部に入射する光を減衰させる減光素子と、を備える撮像装置における前記減光素子の配置位置の決定方法であって、前記撮像装置で外界を撮影したときに前記画素部に撮像される地平線の位置を決定する工程と、前記半導体基板に垂直な方向から見たとき、前記地平線の位置に対応する、前記画素部を左右に横切る境界線よりも上方に減光素子を配置する工程と、を含む。
このように、画素部の平面視において、画素部を左右に横切る境界線が、画素部に撮像される地平線に対応する位置にあることにより、画素部の境界線より上方に減光素子を配置すると、太陽光が入射しやすい領域に減光素子を配置することができる。そのため、光電変換膜が受ける光ダメージを低減することができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置における減光素子の配置位置の決定方法は、前記地平線の位置を決定する工程では、前記撮像装置を水平面に対して所定の角度で取り付ける取り付け角度と、前記撮像装置が外界を撮影したときの視野角である鉛直方向の画角とに基づいて、前記地平線の位置を決定してもよい。
これにより、撮像装置の設置状態に応じて減光素子の配置位置を決定することができる。
例えば、本開示の一態様に係る撮像装置における減光素子の配置位置の決定方法では、前記境界線の位置は、前記半導体基板に垂直な方向から見たとき、前記画素部の縦幅に対する前記一部の領域の縦幅をａ、前記一部以外の領域の縦幅をｂ、前記取り付け角度をφ、前記画角をθとしたときに、式（１）を用いて算出することにより決定されてもよい。
これにより、撮像装置の設置状態に応じて、より細かく減光素子の配置位置を決定することができる。
また、本開示の一態様に係るカメラシステムは、半導体基板と、前記半導体基板の上方に位置し、入射光を電荷に変換する光電変換部と、前記電荷を検出する電荷検出回路と、を備える撮像装置と、前記撮像装置に入射する光を減衰させる減光素子と、を備え、前記光電変換部は、有機材料を含む光電変換膜を有する。
このような構成を有することにより、撮像装置に入射する光を減衰させることができるため、強い光により光電変換膜がダメージを受けることを抑制することができる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、工程、工程の順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。各図において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。
また、図面に示す各種の要素は、本開示の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比および外観などは実物とは異なり得る。
なお、本明細書において、撮像装置の受光側を「上方」とし、受光側と反対側を「下方」とする。各部材の「上面」、「下面」についても同様に、撮像装置の受光側に対向する面を「上面」とし、受光側と反対側に対向する面を「下面」とする。なお、「上方」、「下方」、「上面」および「下面」などの用語は、あくまでも部材間の相互の配置を指定するために用いており、撮像装置の使用時における姿勢を限定する意図ではない。
（実施の形態）
以下、本実施の形態に係る、撮像装置、撮像装置における減光素子の配置位置の決定方法、およびカメラシステムについて説明する。
［撮像装置］
まず、本実施の形態に係る撮像装置の構成について説明する。図２は、実施の形態に係る撮像装置２００の概略断面図である。
本実施の形態に係る撮像装置２００は、半導体基板１０１と、第１画素および第２画素などの複数の画素２１０を含む画素部２１１と、画素部２１１に入射する光を減衰させる減光素子２１２と、を備える。
複数の画素２１０のそれぞれは、半導体基板１０１の上方に位置し、入射光を電荷に変換する光電変換部１０９と、電荷を検出する電荷検出回路１０８と、を備える。
光電変換部１０９は、第１電極である画素電極１０２と、画素電極１０２上に配置された、光電変換層である光電変換膜１０３と、光電変換膜１０３上に配置された、第２電極である透明電極１０４とを有する。
また、透明電極１０４上にカラーフィルタ１０５が配置され、カラーフィルタ１０５上に平坦化膜２１４が配置され、その上にマイクロレンズ１０６が配置される。さらに、マイクロレンズ１０６の上方にカバーガラス１０７が配置され、カバーガラス１０７上に減光素子２１２が配置される。
本実施の形態では、減光素子２１２は、撮像装置２００の最上面であるカバーガラス１０７上に配置される。なお、減光素子２１２は、光電変換膜１０３の光ダメージを軽減するために設けられる。すなわち、減光素子２１２は光電変換膜１０３より上方に配置されていればよく、本実施の形態における減光素子２１２の配置位置に限定されない。また、減光素子２１２は、入射光を減衰させる、つまり、入射光の光強度を減少させることができればよい。減光素子２１２は、例えば、遮光膜であってもよく、遮光材料を撮像装置の各構成に配合したものであってもよい。遮光膜としては、例えば、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ、クロミック膜、または液晶膜であってもよい。
図２中の矢印は、減光素子２１２の配置可能な位置を示す。減光素子２１２が遮光膜である場合、減光素子２１２はカバーガラス１０７とマイクロレンズ１０６との間に配置されてもよい。例えば、透明樹脂層２１３の上または下に配置されてもよい。また、減光素子２１２は、マイクロレンズ１０６とカラーフィルタ１０５との間に配置されてもよい。例えば、平坦化膜２１４の上または下に配置されてもよい。また、減光素子２１２は、カラーフィルタ１０５と透明電極１０４との間に配置されてもよい。例えば、絶縁膜２１５、２１６、および２１７のいずれかの間に配置されてもよい。
なお、遮光材料を撮像装置２００の各構成に配合する場合、光電変換膜１０３より上方に配置されているカバーガラス１０７、透明樹脂層２１３、マイクロレンズ１０６、平坦化膜２１４、カラーフィルタ１０５、絶縁膜２１５、絶縁膜２１６、絶縁膜２１７および透明電極１０４の少なくとも１つに配合されるとよい。遮光材料は、例えば、クロム、インジウム等の光吸収材料であってもよい。遮光材料は、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、コールタール、黒色色素前駆体であってもよい。例えば、遮光材料を透明電極１０４に配合する場合、遮光材料としてインジウムを配合してもよい。遮光度を高めるためにインジウム量を増やすと、透明電極１０４の電気伝導度が高まる。透明樹脂層２１３、マイクロレンズ１０６、平坦化膜２１４、カラーフィルタ１０５、絶縁膜２１５、絶縁膜２１６、絶縁膜２１７を樹脂で形成する場合、遮光材料としてカーボンブラックを配合してもよい。透明樹脂層２１３、マイクロレンズ１０６、平坦化膜２１４、カラーフィルタ１０５、絶縁膜２１５、絶縁膜２１６、絶縁膜２１７および透明電極１０４を形成する時に、例えばマスクを用いて、段階的に遮光材料の配合比を変化さたり、膜厚を段階的に変化させてもよい。これにより、透過率が互いに異なる領域を形成することができる。遮光材料をカバーガラス１０７に配合する場合には、カバーガラス１０７の表面に金属薄膜または誘電体薄膜を製膜することにより透過率を調整してもよい。カバーガラス１０７の表面に製膜する金属薄膜または誘電体薄膜の膜厚を段階的に変化させることにより、透過率が互いに異なる領域を形成してもよい。
画素電極１０２は、例えば、金属、金属窒化物、または、導電性が付与されたポリシリコンから形成される電極である。画素電極１０２に用いられる金属の例としては、アルミニウム、銅が挙げられる。ポリシリコンに導電性を付与する方法としては、例えば、不純物をドープすることが挙げられる。画素電極１０２は、隣接する他の画素２１０の画素電極１０２から空間的に分離されることにより、他の画素２１０の画素電極１０２から電気的に分離されている。
透明電極１０４は、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（Ｆｌｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２などの透明導電性酸化物を用いることができる。
光電変換膜１０３は、例えば、キナクリドン、スズナフタロシアニンなどの有機材料を含む。光電変換膜１０３は、有機材料の他にアモルファスシリコンなどの無機半導体材料を含んでいてもよい。また、有機材料は、ｎ型有機半導体およびｐ型有機半導体のいずれか一方を含んでいてもよく、両方を含んでいてもよい。
電荷検出回路１０８は、画素電極１０２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１０８は、例えば、増幅トランジスタと、リセットトランジスタと、アドレストランジスタとを含む。電荷検出回路１０８は、例えば、半導体基板１０１に形成されている。増幅トランジスタのゲートは画素電極１０２に接続される。リセットトランジスタのソースまたはドレインの一方は画素電極１０２に接続される。
次に、減光素子２１２による光の減衰率と画素部２１１の焼付き度合いとの関係を説明する。ここで、減光素子２１２は、例えば、ＮＤフィルタである。図３は、実施の形態における減光素子２１２の遮光度を変更した場合の、得られる画像の違いを説明する図である。
図３に示すように、ＮＤフィルタで遮光していない場合、つまり、遮光度０％の場合は、画像の一部に黒い斑点が生じた。また、ＮＤフィルタを用いて光電変換膜への入射光量を１／２に減光した場合、つまり、遮光度５０％の場合は、画像の一部にグレーの斑点が生じた。ＮＤフィルタを用いて光電変換膜への入射光量を１／１０に減光した場合、つまり、遮光度９０％の場合は、画像の一部にうっすらと斑点が生じた。これらの結果から、ＮＤフィルタの遮光度を９０％まで高めると、撮像装置への焼付きが低減され、得られる画像に対する焼付きの影響が殆ど気にならない程度に小さくなることが分かった。このように、ＮＤフィルタの遮光度を高めて光電変換膜への入射光量を減光することにより、光電変換膜の光ダメージを低減することができ、得られる画像の焼付きの影響度合いを小さくすることができる。
以下、車載カメラおよび監視カメラ用途に撮像装置２００を用いた場合の、遮光性能を高めるための構造を示す。
図４は、実施の形態に係る撮像装置２００の設置状態を説明する図である。図４の角度θは、撮像装置２００の鉛直方向の視野角、すなわち鉛直方向の画角を示している。角度φは、撮像装置２００の取り付け角度、すなわち撮像装置２００の受光面と水平面とのなす角度を示している。水平面とは、例えば地面である。
図４に示すように、撮像装置２００は、水平面に対して取り付け角度がφとなるように設置される。このとき、撮像装置２００を用いて屋外で撮影すると、図５に示すように、遠方の地平線が画素部２１１によって撮像される。図５は、図４に示す撮像装置２００を用いて屋外で撮影したときの画像の一例である。以下、画素部２１１を撮像領域２１１と称する場合がある。
図５に示すように、撮像装置２００によって撮影されて画像には、遠方の地平線が写っている。地平線よりも上方の領域には、空が写っている。したがって、地平線より上方の領域を撮像する画素部２１１の一部には、太陽光が直接入射する場合がある。そのような部分に位置する光電変換膜１０３は、太陽光の影響を受ける可能性がある。
図６は、実施の形態に係る撮像装置２００の撮像領域２１１を、半導体基板１０１の表面に垂直な方向から見た図である。ここでは、撮像装置２００を、受光面が水平面に対して垂直になるように設置した場合について説明する。図６では、水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸で表している。また、Ｙｔｏｐは撮像領域２１１の最上辺であり、Ｙｂｏｔｔｏｍは撮像領域２１１の最下辺である。ここで、実際には、撮像装置の撮像領域２１１に結像する被写体像は、レンズ光学系により上下および左右が反転される。したがって、例えば地平線より上方にある太陽などの被写体像は、撮像領域２１１においては地平線の像よりも下方に現れる。しかし本明細書では、理解を容易にするため地平線よりも上方に位置する被写体が結像する領域を撮像領域２１１の上方領域と称し、地平線よりも下方に位置する被写体が結像する領域を撮像領域２１１の下方領域と称する。
図５で上述したように、地平線より上方の被写体像が結像する画素部２１１の領域Ａ２には、太陽光が直接入射する場合がある。光電変換膜１０３のうち太陽光が直接入射した部分では、例えば、不可逆的な化学変化が生じてしまう可能性がある。不可逆的な化学変化が生じた部分では、光が入射しても光電変換されなくなる現象、すなわち焼付き現象が生じ、画質の低下が引き起こされる。
このような影響を低減するために、撮像装置２００は、画素部２１１の一部が、例えば、遮光膜などの減光素子２１２で覆われてもよい。このとき、画素部２１１の一部は、半導体基板１０１の表面に垂直な方向から見たとき、画素部２１１の上方の領域Ａ２である。図５で上述したように、画素部２１１の領域Ａ２は、地平線より上方の被写体を撮像する。そのため、減光素子２１２は、半導体基板１０１の表面に垂直な方向から見たとき、画素部２１１を左右方向に横切る境界線Ｙａｂよりも上方に位置してもよい。なお、左右方向に横切る境界線Ｙａｂは、撮像装置２００で屋外を撮像したときに、画素部２１１に撮像される地平線に対応する位置にある。
境界線Ｙａｂの位置は、水平面に対する撮像装置２００取り付け角度φと、撮像装置２００の鉛直方向の画角θとに基づいて決定してもよい。具体的には、画素部２１１を左右方向に横切る境界線Ｙａｂの位置は、半導体基板１０１の表面に垂直な方向から見たとき、画素部２１１の縦幅に対する領域Ａ１の縦幅をａ、領域Ａ２の縦幅をｂ、取り付け角度をφ、鉛直方向の画角をθとしたときに、式（１）を用いて算出することにより決定されてもよい。
画素部２１１の領域Ａ２は、画素部２１１の領域Ａ１よりも多くの光が入射する領域である。本実施の形態では、画素部２１１全体が減光素子２１２で覆われてもよい。このとき、減光素子２１２は、第１透過率を有する第１領域と、第１透過率よりも低い第２透過率を有する第２領域と、を有し、第２領域が、画素部２１１の領域Ａ２を覆ってもよい。
次に、撮像装置２００から見た太陽の位置と光電変換膜１０３で受光する太陽光の放射照度との関係について説明する。図７は、実施の形態に係る撮像装置２００を、受光面が水平面に対して９０度になるように設置したときの太陽の仰角εを説明する図である。図７において、水平面は地面である。図８は、太陽の仰角εと、撮像装置２００の受光面における太陽光の放射照度との関係を示すグラフである。
図７に示すように、太陽の仰角εとは、撮像装置２００の受光面に対する法線と、撮像装置２００の受光面の中心と太陽とを結んだ直線とが成す角度である。
図８に示すように、太陽光の放射照度は、太陽の仰角εにより変化する。なお、太陽光の放射照度と太陽の仰角εとの関係は、撮像装置２００の取り付け角度φにより異なる。撮像装置２００を、その受光面が水平面に対して９０度になるように設置したとき、太陽光の放射照度は、太陽の仰角εが低角になるに従い透過する大気層の厚みが増加し大気による光の吸収が大きくなるため、太陽の仰角εが３０度のときに最大となる。
図８に示すように、太陽の仰角εにより太陽光の放射照度は変化する。例えば、太陽の仰角εが３０度の場合、レンズを通して撮像装置２００に集光される太陽光は、撮像領域２１１の最上辺Ｙｔｏｐ付近には大きい放射強度で入射し、境界線Ｙａｂ付近には最上辺Ｙｔｏｐ付近に比べて小さい放射強度で入射する。そのため、境界線Ｙａｂから撮像領域２１１の最上辺Ｙｔｏｐまでの領域Ａ２の遮光度を連続的に変化させてもよい。
図９は、減光素子２１２において、撮像領域２１１の領域Ａ２に対応する部分の遮光度をＹ軸方向に連続的に変化させた例を示す。図９に示すように、地平線よりも下方の被写体から撮像領域２１１に入射する光は、レンズ（図９にて不図示）を通して、画素部２１１を左右方向に横切る境界線Ｙａｂより下方に位置する領域Ａ１に集光される。また、地平線よりも上方の被写体から撮像領域２１１に入射する光は、レンズ（図９にて不図示）を通して、画素部２１１を左右方向に横切る境界線Ｙａｂより上方に位置する領域Ａ２に集光される。
領域Ａ１には、太陽光が直接入射することがないため、レンズを通して集光される外光はそのまま画素部２１１で受光される。太陽光のように強い光を受光しないため、領域Ａ１は、減光素子２１２で覆われていない。そのため、領域Ａ１の遮光度は０％である。なお、領域Ａ１は、減光素子２１２に覆われてもよい。その場合、減光素子２１２は、第１透過率を有する第１領域と、第１透過率よりも低い第２透過率を有する第２領域と、を有し、領域Ａ１は、第１領域で覆われてもよい。
一方、領域Ａ２には、太陽光が直接入射する場合がある。レンズを通して集光される外光は、レンズに入射する角度により画素部２１１の所定の領域に集光される。例えば、太陽の仰角εが３０度の場合、レンズに３０度の角度で入射する光は撮像領域２１１の最上辺Ｙｔｏｐ付近に集光される。言い換えると、撮像領域２１１の最上辺Ｙｔｏｐ付近に太陽が撮影される。一方、太陽の仰角εが３０度よりも小さくなるに従い、つまり、レンズに太陽光が入射する角度が小さくなるに従い、光は境界線Ｙａｂの近くに集光されるようになる。つまり、太陽の仰角εが０度から３０度にかけて大きくなるに従い、太陽光が集光される位置が境界線Ｙａｂから最上辺Ｙｔｏｐに向けて移動していく。また、太陽の仰角εが０度から３０度にかけて大きくなるに従い、太陽光の放射強度も大きくなる。そのため、領域Ａ２は、減光素子２１２で覆われている。また、このとき、減光素子２１２は、第１透過率を有する第１領域と、第１透過率よりも低い第２透過率を有する第２領域と、を有し、領域Ａ２は、第２領域で覆われている。
なお、領域Ａ２は、一様な遮光度の減光素子２１２で覆われてもよく、連続的に遮光度が変化する減光素子２１２で覆われていてもよい。図１０は、撮像装置２００の撮像領域２１１を、半導体基板１０１の表面に垂直な方向から見た図である。
図１０に示すように、本実施の形態に係る撮像装置２００では、第２領域は、半導体基板１０１の表面に垂直な方向から見たとき、上端部から下端部に近づくにつれて遮光率が徐々に低くなる第３領域を有している。領域Ａ２では、図８で示すように太陽の仰角εによって放射照度および太陽光の入射位置が変化する。そのため、領域Ａ２では、放射照度および太陽光の入射位置に対応して遮光度を変化させる。例えば、撮像領域２１１の最上辺Ｙｔｏｐ付近には、大きい放射強度で太陽光が入射するため、最上辺Ｙｔｏｐ付近の遮光度を高くする。一方、例えば、境界線Ｙａｂ付近には、最上辺Ｙｔｏｐ付近と比較して小さい放射強度で太陽光が入射するため、境界線Ｙａｂ付近の遮光度を最上辺Ｙｔｏｐ付近よりも小さくする。それにより、光感度を保持しつつ耐光性に優れた撮像装置を提供することが可能となる。
［減光素子の配置位置の決定方法］
次に、本実施の形態に係る撮像装置２００における減光素子２１２の配置位置の決定方法について説明する。図１１は、本実施の形態に係る撮像装置２００における減光素子２１２の配置位置の決定方法を示すフローチャートである。
本実施の形態に係る撮像装置２００における減光素子２１２の配置位置の決定方法は、複数の画素２１０を含む画素部２１１と、画素部２１１に入射する光を減衰させる減光素子２１２と、を備える撮像装置２００における減光素子２１２の配置位置の決定方法であって、撮像装置２００を用いて屋外で撮影したときに画素部２１１に撮像される地平線の位置を決定する工程（ステップＳ１）と、半導体基板１０１の表面に垂直な方向から見たとき、地平線の位置に対応する、画素部２１１を左右方向に横切る境界線Ｙａｂよりも上方に減光素子２１２を配置する工程（ステップＳ２）と、を含む。
より詳細には、ステップＳ１の地平線の位置を決定する工程では、水平面に対する撮像装置２００の取り付け角度φと、撮像装置２００の鉛直方向の画角θとに基づいて、地平線の位置を決定する。
より具体的には、地平線の位置に対応する、画素部２１１を左右方向に横切る境界線Ｙａｂの位置は、半導体基板１０１の表面に垂直な方向から見たとき、画素部２１１における境界線Ｙａｂより上の領域の縦幅をａ、境界線Ｙａｂより下の領域の縦幅をｂ、取り付け角度をφ、画角をθとしたときに、式（１）を用いて算出することにより決定される。
これにより、撮像装置２００の設置状態に応じて、より細かく減光素子２１２の配置位置を決定することができる。
なお、上記方法は、後述するカメラシステムのシステムコントローラによって実施されてもよい。システムコントローラは、カメラシステムの外部にあってもよい。
［カメラシステム］
以下、本実施の形態に係るカメラシステムについて説明する。図１２Ａは、本実施の形態に係るカメラシステム３００の構成図である。
カメラシステム３００は、レンズ光学系３０１と、撮像装置２００と、システムコントローラ３０３と、カメラ信号処理部３０２とを備えている。レンズ光学系３０１は、例えば、オートフォーカス用レンズ、ズーム用レンズおよび絞りを含んでいてもよい。レンズ光学系３０１は、撮像装置２００の受光面に光を集光する。撮像装置２００として、上述した実施の形態に係る撮像装置２００を広く用いることができる。システムコントローラ３０３は、カメラシステム３００全体を制御する。システムコントローラ３０３は、例えばマイクロコンピュータによって実現され得る。カメラ信号処理部３０２は、撮像装置２００からの出力信号を処理する信号処理回路として機能する。カメラ信号処理部３０２は、例えばガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、およびホワイトバランスなどの処理を行う。カメラ信号処理部３０２は、例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などによって実現され得る。本実施の形態に係るカメラシステム３００によれば、上述の実施の形態に係る撮像装置２００を利用することによって、光電変換部の耐光性を向上させることができる。その結果、光電変換部の焼付きを抑制することができ、画質の良好な画像を取得できる。
続いて、本実施の形態の変形例に係るカメラシステムについて説明する。図１２Ｂは、本実施の形態の変形例に係るカメラシステム４００の構成図である。本変形例では、実施の形態に係るカメラシステム３００と異なる構成について説明する。
本変形例に係るカメラシステム４００は、撮像装置１００（図１参照）の外部に減光素子４１２を有する点で、カメラシステム３００と異なる。撮像装置１００は、図１で上述したように、減光素子２１２を有していない。
具体的には、本変形例に係るカメラシステム４００は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１の上方に位置し、入射光を電荷に変換する光電変換部１０９と、電荷を検出する電荷検出回路１０８と、を備える撮像装置１００と、撮像装置１００に入射する光を減衰させる減光素子４１２と、を備え、光電変換部１０９は、有機材料を含む光電変換膜１０３を有する。
このような構成を有することにより、本変形例に係るカメラシステム４００では、撮像装置１００に入射する光を減衰させることができるため、強い光により光電変換膜がダメージを受けることを抑制することができる。
以上、本開示に係る撮像装置、撮像装置における減光素子の配置位置の決定方法およびカメラシステムについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲に含まれる。
本開示に係る撮像装置は、デジタルカメラおよび車載カメラ等のカメラに利用できる。
１００ 撮像装置
１０１ 半導体基板
１０２ 画素電極
１０３ 光電変換膜
１０４ 透明電極
１０５ カラーフィルタ
１０６ マイクロレンズ
１０７ カバーガラス
１０８ 電荷検出回路
１０９ 光電変換部
２００ 撮像装置
２１０ 画素
２１１ 画素部（撮像領域）
２１２ 減光素子
２１３ 透明樹脂層
２１４ 平坦化膜
２１５、２１６、２１７ 絶縁膜
３００ カメラシステム
３０１ レンズ光学系
３０２ カメラ信号処理部
３０３ システムコントローラ
４００ カメラシステム
４１２ 減光素子

Claims (11)

  1. 第１画素および第２画素を備え、
    前記第１画素および前記第２画素のそれぞれは、
    第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間の光電変換層を含み、入射光を電荷に変換する光電変換部と、
    前記第１電極に接続されたゲート電極を有し、前記電荷の量に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、
    前記光電変換層上に積層され、前記光電変換層に入射する光を減光する減光素子と、
    を含み、
    前記第１画素の前記減光素子の透過率は、前記第２画素の前記減光素子の透過率と異なる、
    撮像装置。
  2. 前記第２電極は、前記減光素子として機能し、
    前記第１画素の前記第２電極の透過率は、前記第２画素の前記第２電極の透過率と異なる、
    請求項１に記載の撮像装置。
  3. 前記第１画素および前記第２画素のそれぞれは、前記第２電極上に位置し前記減光素子として機能するカラーフィルタを含み、
    前記第１画素の前記カラーフィルタの色は、前記第２画素の前記カラーフィルタの色と同じであり、
    前記第１画素の前記カラーフィルタの透過率は、前記第２画素の前記カラーフィルタの透過率と異なる、
    請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
  4. 前記第１画素および前記第２画素のそれぞれは、前記第２電極上に位置し前記減光素子として機能するマイクロレンズを含み、
    前記第１画素の前記マイクロレンズの透過率は、前記第２画素の前記マイクロレンズの透過率と異なる、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像装置。
  5. 前記第１画素および前記第２画素のそれぞれは、前記第２電極上に位置し前記減光素子として機能するカバーガラスを含み、
    前記第１画素の前記カバーガラスの透過率は、前記第２画素の前記カバーガラスの透過率と異なる、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の撮像装置。
  6. 前記第１画素および前記第２画素のそれぞれは、
    前記第２電極上に位置するカラーフィルタと、
    前記第２電極と前記カラーフィルタとの間に位置し、前記減光素子として機能する絶縁層と、
    を含み、
    前記第１画素の前記絶縁層の透過率は、前記第２画素の前記絶縁層の透過率と異なる、
    請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の撮像装置。
  7. 前記第１画素および前記第２画素のそれぞれは、
    前記第２電極上に位置するカラーフィルタと、
    前記カラーフィルタ上に位置するマイクロレンズと、
    前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に位置し、前記減光素子として機能する絶縁層と、
    を含み、
    前記第１画素の前記絶縁層の透過率は、前記第２画素の前記絶縁層の透過率と異なる、
    請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の撮像装置。
  8. 前記第１画素および前記第２画素のそれぞれは、
    前記カラーフィルタ上に位置するマイクロレンズと、
    前記マイクロレンズ上に位置するカバーガラスと、
    前記マイクロレンズと前記カバーガラスとの間に位置し、前記減光素子として機能する絶縁層と、
    を含み、
    前記第１画素の前記絶縁層の透過率は、前記第２画素の前記絶縁層の透過率と異なる、
    請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の撮像装置。
  9. 前記光電変換層は、有機材料を含む、
    請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の撮像装置。
  10. 前記第１画素の前記減光素子を構成する材料は、前記第２画素の前記減光素子を構成する材料と異なる、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の撮像装置。
  11. レンズ光学系と、
    前記レンズ光学系を通過した光を受け信号を出力する、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の撮像装置と、
    前記信号を処理する信号処理回路と、
    を備える、
    カメラシステム。
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