JP7019471B2 - 固体撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及び撮像システムに関する。

視界の中の物体の動きを検出するイメージセンサは、自動運転やロボットのためのセンサとして期待されている。動きの検出は、原理的には、短期間で複数の画像を撮影し、画像同士の比較をすることにより実現が可能である。しかしながら、画像同士を比較するには大規模な計算が必要であり、処理に時間を要する。特に前述の用途においては、動きを検知してから短時間で実際の対応を行う必要があるため、より高速に物体の動きを検出することが求められる。

非特許文献１には、より少ない計算量で高速に被写体の動きの算出が可能な固体撮像装置として、時間相関イメージセンサが提案されている。非特許文献１に記載されたセンサは、光キャリアを蓄積するコンデンサを１画素あたり複数設け、これらコンデンサにキャリアを分配して蓄積する。その分配比を１フレームの時間の中で変化しながら撮影して得た複数の画像を用いることで、動きベクトルを算出することができる。

非特許文献１に記載のデバイスでは、複数のコンデンサの各々がトランジスタを介して受光部に接続された構成となっており、トランジスタのゲート電位を制御することによって各コンデンサに流れ込む電流の量を制御している。

Shigeru Ando and Akira Kimachi, "Correlation Image Sensor: Two-Dimensional Matched Detection of Amplitude-Modulated Light", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.50, No.10, October 2003, pp.2059-2066.

しかしながら、非特許文献１に記載の構成は、被写体が明るく光キャリアが電流をなすほど多い場合には十分に動作し電荷の分配が可能であるが、被写体が暗く信号が離散的である場合にはノイズに支配される成分が大きくなりすぎ、適切な分配が行えなかった。

本発明の目的は、暗い被写体の撮影を行う場合であっても光電変換部で生成された光キャリアを複数の電荷蓄積部に適切に振り分けて蓄積しうる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、光の入射により電荷を生成する光電変換膜と、前記光電変換膜の一方の面側に配された第１の電極と、前記光電変換膜の他方の面側に配された複数の第２の電極と、を有する光電変換部と、前記複数の第２の電極の各々に接続された複数の電荷蓄積部と、前記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じた信号を出力する出力部と、前記複数の第２の電極の各々に印加する駆動電圧を個別に制御する制御部と、を有し、前記制御部は、１フレームの電荷の蓄積期間に、前記複数の第２の電極の各々が順に前記電荷に対して前記複数の第２の電極の中で最も低いポテンシャルとなるように、前記複数の第２の電極の各々に印加する前記駆動電圧を制御する固体撮像装置が提供される。

また、本発明の他の一観点によれば、光の入射により電荷を生成する光電変換膜と、前記光電変換膜の一方の面側に配された第１の電極と、前記光電変換膜の他方の面側に配された複数の第２の電極と、を有する光電変換部と、前記複数の第２の電極の各々に接続された複数の電荷蓄積部と、前記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じた信号を出力する出力部と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、１フレームの電荷の蓄積期間に、前記複数の第２の電極の各々が順に前記電荷に対して前記複数の第２の電極の中で最も低いポテンシャルとなるように、前記複数の第２の電極の各々に印加する駆動電圧を個別に制御する固体撮像装置の駆動方法が提供される。

本発明によれば、暗い被写体の撮影を行う場合であっても光電変換部で生成された光キャリアを複数の電荷蓄積部に適切に振り分けて蓄積することができる。

本発明の第１実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す断面図及び平面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動時における光電変換膜内のポテンシャル分布を示す図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置における画素の空間的な範囲を説明する図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す平面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第４実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す図である

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１乃至図６を用いて説明する。図１は、本実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す断面図及び平面図である。図４は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図５は、本実施形態による固体撮像装置の駆動時における光電変換膜内のポテンシャル分布を示す図である。図６は、本実施形態による固体撮像装置における画素の空間的な範囲を説明する図である。

はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図１乃至図３を用いて説明する。

本実施形態による固体撮像装置１００は、図１に示すように、画素領域１０と、垂直走査回路２０と、読み出し回路３０と、水平走査回路４０と、出力回路５０と、制御回路６０とを有している。

画素領域１０には、複数行及び複数列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素１２が設けられている。それぞれの画素１２は、入射光をその光量に応じた電荷に変換する光電変換部を含む。画素領域１０に配される画素アレイの行数及び列数は、特に限定されるものではない。また、画素領域１０には、入射光の光量に応じた信号を出力する画素１２のほかに、遮光されたオプティカルブラック画素や信号を出力しないダミー画素等の他の画素（図示せず）が配置されていてもよい。

画素領域１０の画素アレイの各行には、第１の方向（図１において横方向）に延在して、制御線１４が配されている。制御線１４は、第１の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線１４の延在する第１の方向は、行方向或いは水平方向と表記することがある。各行の制御線１４は、垂直走査回路２０に接続されている。なお、各行の制御線１４は、複数の信号線を含み得る。

画素領域１０の画素アレイの各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図１において縦方向）に延在して、出力線１６が配されている。出力線１６は、第２の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。出力線１６の延在する第２の方向は、列方向或いは垂直方向と表記することがある。各列の出力線１６は、読み出し回路３０に接続されている。なお、各列の出力線１６は、複数の信号線を含み得る。

垂直走査回路２０は、それぞれの画素１２から信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路を駆動するための制御信号を、画素アレイの行毎に設けられた制御線１４を介して画素１２に供給する制御部である。垂直走査回路２０は、シフトレジスタやアドレスデコーダを用いて構成することができる。画素１２から読み出された信号は、画素アレイの列毎に設けられた出力線１６を介して読み出し回路３０に入力される。

読み出し回路３０は、画素１２から読み出された信号に対して所定の処理、例えば、増幅処理や加算処理等の信号処理を実施する回路部である。読み出し回路３０は、信号保持部、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等を含み得る。読み出し回路３０は、必要に応じてＡ／Ｄ変換回路等を更に含んでもよい。

水平走査回路４０は、読み出し回路３０において処理された信号を列毎に順次、出力回路５０に転送するための制御信号を、読み出し回路３０に供給する回路部である。水平走査回路４０は、シフトレジスタやアドレスデコーダを用いて構成することができる。出力回路５０は、バッファアンプや差動増幅器などから構成され、水平走査回路４０によって選択された列の信号を増幅して出力するための回路部である。

制御回路６０は、垂直走査回路２０、読み出し回路３０及び水平走査回路４０に、それらの動作やタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。垂直走査回路２０、読み出し回路３０及び水平走査回路４０に供給する制御信号の一部又は総ては、固体撮像装置１００の外部から供給してもよい。

画素領域１０を構成する画素１２の各々は、例えば図２に示す画素回路により構成することができる。すなわち、画素領域１０を構成する画素１２の各々は、光電変換部ＰＣと、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣと、リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃと、増幅トランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂ，Ｍ２Ｃと、選択トランジスタＭ３Ａ，Ｍ３Ｂ，Ｍ３Ｃと、を含む。

光電変換部ＰＣは、光電変換膜１１０と、光電変換膜１１０の一方の面側に設けられた共通電極１２０と、光電変換膜１１０の他方の面側に設けられた複数の個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃと、を含む。光電変換部ＰＣが半導体基板の上に配される場合、一例では、共通電極１２０が上部電極であり、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃが下部電極である。

なお、光電変換部ＰＣの膜構成は、特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。例えば、光電変換部ＰＣは、共通電極１２０と光電変換膜１１０との間に配されたブロッキング層や、光電変換膜１１０と個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃとの間に配された絶縁層等を更に有してもよい。このブロッキング層は、共通電極１２０側から信号キャリアが流入するのを防止する機能を備える。また、絶縁層は、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃ側から光電変換膜１１０に信号キャリアが逆流するのを防止する機能を備える。

光電変換部ＰＣの個別電極１３０Ａは、電荷蓄積部ＣＡの一方のノード、リセットトランジスタＭ１Ａのソース、増幅トランジスタＭ２Ａのゲートに接続されている。増幅トランジスタＭ２Ａのソースは、選択トランジスタＭ３Ａのドレインに接続されている。選択トランジスタＭ３Ａのソースは、出力線１６Ａに接続されている。電荷蓄積部ＣＡの他方のノードは、駆動電圧Ｖ１を供給する電源１４０Ａに接続されている。

同様に、光電変換部ＰＣの個別電極１３０Ｂは、電荷蓄積部ＣＢの一方のノード、リセットトランジスタＭ１Ｂのソース、増幅トランジスタＭ２Ｂのゲートに接続されている。増幅トランジスタＭ２Ｂのソースは、選択トランジスタＭ３Ｂのドレインに接続されている。選択トランジスタＭ３Ｂのソースは、出力線１６Ｂに接続されている。電荷蓄積部ＣＢの他方のノードは、駆動電圧Ｖ２を供給する電源１４０Ｂに接続されている。

また、光電変換部ＰＣの個別電極１３０Ｃは、電荷蓄積部ＣＣの一方のノード、リセットトランジスタＭ１Ｃのソース、増幅トランジスタＭ２Ｃのゲートに接続されている。増幅トランジスタＭ２Ｃのソースは、選択トランジスタＭ３Ｃのドレインに接続されている。選択トランジスタＭ３Ｃのソースは、出力線１６Ｃに接続されている。電荷蓄積部ＣＣの他方のノードは、駆動電圧Ｖ３を供給する電源１４０Ｃに接続されている。

電源１４０Ａから供給される駆動電圧Ｖ１、電源１４０Ｂから供給される駆動電圧Ｖ２、電源１４０Ｃから供給される駆動電圧Ｖ３は、制御回路６０により或いは垂直走査回路２０を介して制御することができる。

リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃのドレインは、リセット電圧（電圧ＶＲＥＳ）を供給する信号線に接続されている。増幅トランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂ，Ｍ２Ｃのドレインは、電源電圧（ＶＤＤ）を供給する電源線に接続されている。光電変換部ＰＣの共通電極１２０は、電圧ＶＰＬを供給する信号線に接続されている。

リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃのゲートは、リセット信号線ＲＥＳに接続されている。選択トランジスタＭ３Ａのゲートは、選択信号線ＳＥＬＡに接続されている。選択トランジスタＭ３Ｂのゲートは、選択信号線ＳＥＬＢに接続されている。選択トランジスタＭ３Ｃのゲートは、選択信号線ＳＥＬＣに接続されている。リセット信号線ＲＥＳ及び選択信号線ＳＥＬＡ，ＳＥＬＢ，ＳＥＬＣが、図１に示した１本の制御線１４に相当する。また、出力線１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃが、図１に示した１本の出力線１６に相当する。

画素１２の構造について、図３を用いてより具体的に説明する。本実施形態による固体撮像装置１００は、図３（ａ）に示すように、半導体基板１５０に設けられる。画素１２の電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣの各々は、半導体基板１５０のＰ型半導体領域１５２内に設けられたＮ型半導体領域１５４と、絶縁膜１５６を介してＮ型半導体領域１５４に対向する電極１５８と、を含むＭＩＳ型容量により構成することができる。或いは、平板型や櫛歯型等の２つの金属電極を組み合わせたＭＩＭ型容量により構成することも可能である。画素１２の光電変換部ＰＣは、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣが設けられた半導体基板１５０の上に、配線部１６０を介して設けられる。光電変換部ＰＣは、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃが設けられた面が半導体基板１５０に対向するように、配線部１６０の上に配される。配線部１６０には、電荷蓄積部ＣＡの電極１５８Ａと個別電極１３０Ａとを接続する配線、電荷蓄積部ＣＢの電極１５８Ｂと個別電極１３０Ｂとを接続する配線、電荷蓄積部ＣＣの電極１５８Ｃと個別電極１３０Ｃとを接続する配線などが配される。配線部１６０は、絶縁膜内に複数の配線層が配された多層配線構造により構成される。

図３（ｂ）は、配線部１６０の側から光電変換部ＰＣを見たときの、１つの画素１２の個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの平面的なレイアウトを示す平面図である。各々の画素１２は、図３（ｂ）に示すように、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを、それぞれ複数含みうる。図３（ｂ）には、７つの個別電極１３０Ａと、５つの個別電極１３０Ｂと、８つの個別電極１３０Ｃと、を含む光電変換部ＰＣを示しているが、各々の数は１つ以上であれば特に限定されるものではない。同じ種類の個別電極１３０は、配線部１６０において互いに接続され、共通の電極１５８に電気的に接続される。図３（ｂ）では、３種類の個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを六方格子状に配列した例を示しているが、個別電極１３０の種類や配列は、これに限定されるものではない。

図３（ｃ）は、配線部１６０の側から半導体基板１５０を見たときの、半導体基板１５０上における各素子の平面的なレイアウトを示す平面図である。図３（ｃ）には、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ、リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃ、増幅トランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂ，Ｍ２Ｃ、選択トランジスタＭ３Ａ，Ｍ３Ｂ，Ｍ３Ｃが配される領域を模式的に示している。電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣの容量値を十分に確保する観点から、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣの配置領域は相対的に大きな面積を占めることが望ましい。

固体撮像装置１００の画素１２に入射した光は、光電変換部ＰＣの光電変換膜１１０に吸収され、光電変換膜１１０内に光キャリア（電子正孔対）を発生させる。個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃ側が共通電極１２０側よりも高い電位に設定されていると、光電変換膜１１０で生成された電子は、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃによって収集され、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに蓄積される。このとき、電源１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃから電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに供給する駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を適宜制御することにより、光キャリアを収集する個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを任意に選択することができる。

リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃは、オンになることで電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣを電圧ＶＲＥＳに応じた所定の電圧にリセットする。電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣは、光電変換部ＰＣから転送された電荷を保持するとともに、その容量成分による電荷電圧変換によって、光電変換部ＰＣから転送された電荷の量に応じた電位差を両端子間に形成する。これにより、増幅トランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂ，Ｍ２Ｃのゲートには、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに蓄積された電荷の量に応じた電圧がそれぞれ印加される。増幅トランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂ，Ｍ２Ｃは、ドレインに電圧ＶＤＤが供給され、ソースに選択トランジスタＭ３Ａ，Ｍ３Ｂ，Ｍ３Ｃを介してバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより、増幅トランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂ，Ｍ２Ｃは、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに蓄積された電荷の量に応じた信号を、選択トランジスタＭ３Ａ，Ｍ３Ｂ，Ｍ３Ｃを介して出力線１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃにそれぞれ出力する。増幅トランジスタＭ２Ａ，Ｍ２Ｂ，Ｍ２Ｃ及び選択トランジスタＭ３Ａ，Ｍ３Ｂ，Ｍ３Ｃは、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに蓄積された電荷の量に応じた信号を出力する出力部を構成する。

次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図４を用いて説明する。図４は、１フレーム分の動作を示すタイミングチャートである。図４中、制御信号ＰＲＥＳは、リセット信号線ＲＥＳの電位である。信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３は、それぞれ出力線１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの電位である。駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、それぞれ電源１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃの出力電圧である。なお、信号電荷が電子の場合、光電変換部ＰＣの共通電極１２０に供給される電圧ＶＰＬは、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの電圧よりも低くなるように設定される。

まず、時刻ｔ０において、垂直走査回路２０は、制御信号ＰＲＥＳをハイ（Ｈｉ）レベルに制御し、リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃをオンにする。これにより、増幅部の入力ノードの電位を電圧ＶＲＥＳに応じた所定の電位にリセットし、出力線１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの電位をリセットレベルに設定する。なお、時刻ｔ０において、電荷蓄積部ＣＡの他方の電極に印加する駆動電圧Ｖ１、電荷蓄積部ＣＢの他方の電極に印加する駆動電圧Ｖ２及び電荷蓄積部ＣＣの他方の電極に印加する駆動電圧Ｖ３は、ロー（Ｌｏ）レベルである。

次いで、時刻ｔ１において、垂直走査回路２０は、制御信号ＰＲＥＳをローレベルに制御し、リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃをオフにする。これにより、増幅部の入力ノードのリセット状態は解除され、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣは光電変換部ＰＣで生成された電子を蓄積可能な状態となる。

同じく時刻ｔ１において、制御回路６０は、電源１４０Ａを制御し、駆動電圧Ｖ１をハイレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１がハイレベル、駆動電圧Ｖ２，Ｖ３がローレベルとなり、個別電極１３０Ａは、光キャリア（電子）に対して最低のポテンシャルとなる。その結果、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリア（電子）は、個別電極１３０Ａを介して収集され、電荷蓄積部ＣＡに蓄積される。信号ＯＵＴ１の信号レベルは、駆動電圧Ｖ１をハイレベルに設定することに伴って増加し、電荷蓄積部ＣＡへの光キャリアの蓄積が進行するに従って徐々に低下する。時刻ｔ１は、光キャリアの蓄積期間の開始時刻である。

次いで、時刻ｔ２において、制御回路６０は、電源１４０Ｂを制御し、駆動電圧Ｖ２を、駆動電圧Ｖ１と同じハイレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２がハイレベル、駆動電圧Ｖ３がローレベルとなり、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ａと個別電極１３０Ｂとを介して均等に収集され、電荷蓄積部ＣＡ及び電荷蓄積部ＣＢにそれぞれ蓄積される。信号ＯＵＴ２の信号レベルは、駆動電圧Ｖ２をハイレベルに設定することに伴って増加し、電荷蓄積部ＣＢへの光キャリアの蓄積に伴い、徐々に低下する。

次いで、時刻ｔ３において、制御回路６０は、電源１４０Ａを制御し、駆動電圧Ｖ１をローレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ２がハイレベル、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３がローレベルとなり、個別電極１３０Ｂは、光キャリアに対して最低のポテンシャルとなる。その結果、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｂを介して収集され、電荷蓄積部ＣＢに蓄積される。信号ＯＵＴ１の信号レベルは、駆動電圧Ｖ１をハイレベルからローレベルに制御することに伴って低下し、電荷蓄積部ＣＡに蓄積された光キャリアの量に相当するレベルだけ初期のリセットレベルよりも低くなる。

次いで、時刻ｔ４において、制御回路６０は、電源１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ３を、駆動電圧Ｖ２と同じハイレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ２，Ｖ３がハイレベル、駆動電圧Ｖ１がローレベルとなり、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｂと個別電極１３０Ｃとを介して均等に収集され、電荷蓄積部ＣＢ及び電荷蓄積部ＣＣにそれぞれ蓄積される。信号ＯＵＴ３の信号レベルは、駆動電圧Ｖ３をハイレベルに設定することに伴って増加し、電荷蓄積部ＣＣへの光キャリアの蓄積に伴い、徐々に低下する。

次いで、時刻ｔ５において、制御回路６０は、電源１４０Ｂを制御し、駆動電圧Ｖ２をローレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ３がハイレベル、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２がローレベルとなり、個別電極１３０Ｃは、光キャリアに対して最低のポテンシャルとなる。その結果、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｃを介して収集され、電荷蓄積部ＣＣに蓄積される。信号ＯＵＴ２の信号レベルは、駆動電圧Ｖ２をハイレベルからローレベルに制御することに伴って低下し、電荷蓄積部ＣＢに蓄積された光キャリアの量に相当するレベルだけ初期のリセットレベルよりも低くなる。

次いで、時刻ｔ６において、制御回路６０は、電源１４０Ａを制御し、駆動電圧Ｖ１を、駆動電圧Ｖ３と同じハイレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３がハイレベル、駆動電圧Ｖ２がローレベルとなり、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ａと個別電極１３０Ｃとを介して均等に収集され、電荷蓄積部ＣＡ及び電荷蓄積部ＣＣにそれぞれ蓄積される。

次いで、時刻ｔ７において、制御回路６０は、電源１４０Ａ，１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３をローレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がローレベルとなり、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃによる電荷の収集がされなくなる。時刻ｔ７は、光キャリアの蓄積期間の終了時刻である。この時点における信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３は、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣが蓄積する電荷量を反映している。

次いで、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３をローレベルに設定した後の時刻ｔ８において、信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３を読み出し回路３０を介して読み出すことにより、時刻ｔ１から時刻ｔ７の間に生成された光キャリアに基づく信号を出力することができる。

固体撮像装置１００をこのように駆動することにより、光電変換部ＰＣで生成された光キャリアを、３種類の電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに蓄積することができる。このとき、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３によって光電変換膜１１０内の電界を適宜制御することにより、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃが光キャリアに対して順に最も低いポテンシャルとなるように個別に制御することができる。これにより、光電変換部ＰＣで生成された光キャリアを、１フレームの時間の中で分配比を変化しながら３種類の電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに振り分けて蓄積することができる。

本実施形態による固体撮像装置では、光電変換部ＰＣで生じた電荷を、トランジスタを介さずに電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣへと転送するため、出力信号にトランジスタの動作等に起因するノイズ成分が重畳するのを防止することができる。これにより、被写体が暗く信号が離散的な場合においても、光電変換部ＰＣで生成された光キャリアを電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに適切に振り分けて蓄積することができる。

図５は、１つの画素１２の光電変換膜１１０内における等ポテンシャル（位置エネルギー）線の模式図である。

図５（ａ）は、図４のタイミングチャートの時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間における状態を示している。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は、駆動電圧Ｖ１がハイレベル、駆動電圧Ｖ２，Ｖ３がローレベルであり、光キャリアから見たポテンシャルは、個別電極１３０Ａ部が最も低く、個別電極１３０Ｂ，１３０Ｃ部が高くなる。このポテンシャル勾配により、光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、自然に電極１３０Ａ部へと集まる。

図５（ｂ）は、図４のタイミングチャートの時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間における状態を示している。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２がハイレベル、駆動電圧Ｖ３がローレベルであり、光キャリアから見たポテンシャルは、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ部が最も低く、個別電極１３０Ｃ部が高くなる。このポテンシャル勾配により、光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ａ部と個別電極１３０Ｂ部とに均等に集まり、どちらかに偏ることがない。光キャリアは、発生と同時に電界によって振り分けられるため、被写体が暗くても適切に振り分けることができる。

画素１２の空間的な範囲は、個別電極１３０間の接続状態や駆動態様に応じて動的に変化する。これは、各個別電極１３０の役割が、駆動時には電荷収集の役割と障壁形成の役割とに変化するからである。

例えば、図６（ａ）に示すように、個別電極１３０が各々独立している場合において、個別電極１３０Ｂに着目すると、その周囲の６つの個別電極１３０Ａ，１３０Ｃで囲まれた領域（点線で囲まれた領域）が、個別電極１３０Ｂの電荷収集範囲となる。この電荷収集範囲が、この瞬間における「画素」であるともいえる。同様に、個別電極１３０Ａ，１３０Ｃが最低ポテンシャルであるときの電荷収集範囲も定義することができる。この場合、電荷収集領域の範囲は、個別電極１３０の種類によって異なることになるが、被写体の像が画素の大きさに比べて十分に大きければ、この差は無視することができる。

また、図６（ｂ）は、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを、それぞれ３つずつ互いに電気的に接続し、１つの画素１２を９個の個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃにより構成した例である。個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを１つの電極ユニットと考えた場合、１つの画素１２は、３つの電極ユニットにより構成されていると考えることができる。この場合、互いに接続された３つの個別電極１３０Ｂの周囲の１２個の個別電極１３０Ａ，１３０Ｂで囲まれた領域（点線で囲まれた領域）が、個別電極１３０Ｂの電荷収集範囲となる。この電荷収集範囲が、この瞬間における「画素」であるともいえる。同様に、個別電極１３０Ａ，１３０Ｃが最低ポテンシャルであるときの電荷収集範囲も定義することができる。この場合、電荷収集範囲の大きさに対する動作間の差違を、相対的に小さくすることができる。

また、図６（ｃ）は、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを、それぞれ７つずつ互いに電気的に接続し、１つの画素１２を２１個の個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃにより構成した例である。個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを１つの電極ユニットと考えた場合、１つの画素１２は、７個の電極ユニットにより構成されていると考えることができる。ここでは図示を省略するが、この場合にも、電荷収集範囲の大きさに対する動作間の差違を、相対的に小さくすることができる。

本実施形態では、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを等間隔に配置する構成を示したが、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃは必ずしも等間隔に配置する必要はない。ただし、各個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを介した出力を等価に扱うことができるという観点からは、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃは等間隔に配置することが好ましい。個別電極１３０が４種類以上の場合も同様である。

また、本実施形態では、同じ種類の個別電極１３０が互いに最近接で隣り合わない構成としている。これは、図５に示したように、他の個別電極が、相互にポテンシャル障壁の役割と電荷収集電極の役割とを果たし合ううえで有効であるからである。しかしながら、同じ種類の個別電極１３０が最近接で隣接する構成を採用することも可能である。例えば、個々の個別電極１３０を、近接配置された２つ以上のブロックにより構成することが可能である。

また、本実施形態では、１つの画素１２に含まれる同じ種類の複数の個別電極１３０を１つの電荷蓄積部Ｃに電気的に接続するように構成しているが、同じ種類の複数の個別電極１３０をそれぞれ別の電荷蓄積部Ｃに接続するように構成してもよい。また、個別電極１３０の間にスイッチを設け、任意に接続と切り離しとを制御できる構成としてもよい。

また、本実施形態では、１つの画素１２中に３種類の個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを有する構成を示しているが、個別電極１３０の種類は３種類に限定されるものではない。個別電極１３０の種類は、３種類のみならず、２種類、４種類、６種類等であってもよい。

個別電極１３０の配置は、個別電極１３０の種類に応じて適宜選択することができる。例えば、２種類又は４種類の個別電極１３０を設ける場合には、２個又は４個の個別電極１３０を正方格子状に配置する方法をとり得る。３種類又は６種類の個別電極１３０を設ける場合には、本実施形態において示したように、３個又は６個の個別電極１３０を六方格子状に配置する方法をとり得る。これら配置は、同じ種類の個別電極１３０を等間隔に配置できる観点から好ましい。

また、本実施形態では、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を、ハイレベル、ローレベルの２種類としたが、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の設定レベルは、必ずしも２種類である必要はない。例えば、ハイレベル、ミドルレベル、ローレベルの３種類、或いは４種類以上の複数のレベルに設定するようにしてもよい。また、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、必ずしも直流電圧である必要はなく、交流電圧を用いてもよい。

このように、本実施形態によれば、暗い被写体の撮影を行う場合であっても光電変換部で生成された光キャリアを複数の出力に適切に振り分けることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図７を用いて説明する。第１実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。

第１実施形態では、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣを介して個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃに印加する駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のレベルを、ハイレベルとローレベルの２種類とした。しかしながら、デバイス構成によっては、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３をローレベルに制御したときに、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに蓄積された信号電荷が光電変換膜１１０に逆流する懸念がある。通常、光電変換部ＰＣにはこのような信号電荷の逆流を防止する膜構成が採用されるが、信号電荷の逆流を防止する能力には限界がある。本実施形態では、光電変換膜１１０への信号電荷の逆流が生じることのない固体撮像装置の駆動方法を説明する。

図７は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図７には、１フレーム分の動作を記載している。図７中、制御信号ＰＲＥＳは、リセット信号線ＲＥＳの電位である。駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、それぞれ電源１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃの出力電圧である。なお、信号電荷が電子の場合、光電変換部ＰＣの共通電極１２０に供給される電圧ＶＰＬは、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの電圧よりも低くなるように設定される。

まず、時刻ｔ０において、垂直走査回路２０は、制御信号ＰＲＥＳをハイレベルに制御し、リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃをオンにする。これにより、増幅部の入力ノードの電位を電圧ＶＲＥＳに応じた所定の電位をリセットし、出力線１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの電位をリセットレベルに設定する。なお、時刻ｔ０において、電荷蓄積部ＣＡの他方の電極に印加する駆動電圧Ｖ１、電荷蓄積部ＣＢの他方の電極に印加する駆動電圧Ｖ２及び電荷蓄積部ＣＣの他方の電極に印加する駆動電圧Ｖ３は、第１のレベルである。

次いで、時刻ｔ１において、垂直走査回路２０は、制御信号ＰＲＥＳをローレベルに制御し、リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃをオフにする。これにより、増幅部の入力ノードのリセット状態は解除され、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣは、光電変換部ＰＣで生成された電子を蓄積可能な状態となる。

同じく時刻ｔ１において、制御回路６０は、電源１４０Ａを制御し、駆動電圧Ｖ１を、第１のレベルよりも高い第２のレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１が第２のレベル、駆動電圧Ｖ２，Ｖ３が第１のレベルとなり、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリア（電子）は、個別電極１３０Ａを介して収集され、電荷蓄積部ＣＡに蓄積される。

次いで、時刻ｔ２において、制御回路６０は、電源１４０Ｂを制御し、駆動電圧Ｖ２を、駆動電圧Ｖ１と同じ第２のレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２が第２のレベル、駆動電圧Ｖ３が第１のレベルとなり、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ａと個別電極１３０Ｂとを介して均等に収集され、電荷蓄積部ＣＡ及び電荷蓄積部ＣＢにそれぞれ蓄積される。

次いで、時刻ｔ３において、制御回路６０は、電源１４０Ｂ，１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ２を第２のレベルよりも高い第３のレベルに設定するとともに、駆動電圧Ｖ３を第２のレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ２が第３のレベル、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３が第２のレベルとなり、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｂを介して収集され、電荷蓄積部ＣＢに蓄積される。

次いで、時刻ｔ４において、制御回路６０は、電源１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ３を、駆動電圧Ｖ２と同じ第３のレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ２，Ｖ３が第３のレベル、駆動電圧Ｖ１が第２のレベルとなり、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｂと個別電極１３０Ｃとを介して均等に収集され、電荷蓄積部ＣＢ及び電荷蓄積部ＣＣにそれぞれ蓄積される。

次いで、時刻ｔ５において、制御回路６０は、電源１４０Ａ，１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ１を第３のレベルに設定するとともに、駆動電圧Ｖ３を第３のレベルよりも高い第４のレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ３が第４のレベル、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２が第３のレベルとなり、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｃを介して収集され、電荷蓄積部ＣＣに蓄積される。

次いで、時刻ｔ６において、制御回路６０は、電源１４０Ａを制御し、駆動電圧Ｖ１を、駆動電圧Ｖ３と同じ第４のレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３が第４のレベル、駆動電圧Ｖ２が第３のレベルとなり、光電変換部ＰＣにて生成された光キャリアは、個別電極１３０Ａと個別電極１３０Ｃとを介して均等に収集され、電荷蓄積部ＣＡ及び電荷蓄積部ＣＣにそれぞれ蓄積される。

次いで、時刻ｔ７において、制御回路６０は、電源１４０Ｂを制御し、駆動電圧Ｖ２を、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３と同じ第４のレベルに設定する。この時点における信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３は、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣが蓄積する電荷量を反映している。

次いで、時刻ｔ８において、信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３を読み出すことにより、時刻ｔ１から時刻ｔ７の間に生成された光キャリアに基づく信号を出力することができる。

このように、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法では、１フレームの電荷の蓄積期間の間に、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のレベルを下げることなく段階的に増加していく。光キャリアに対するポテンシャルの観点から言い換えると、１フレームの電荷の蓄積期間の間に、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの光キャリアに対するポテンシャルが段階的に減少するように、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を制御している。駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、レベルを下げることなく段階的に増加していくため、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに蓄積された信号電荷が光電変換膜１１０に逆流することはない。

したがって、本実施形態によれば、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣに蓄積された信号電荷の逆流を防止しつつ、第１実施形態と同様の効果を実現することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図８乃至図１０を用いて説明する。第１及び第２実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図８は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図９は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す平面図である。図１０は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。

第１及び第２実施形態による固体撮像装置では、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを、光電変換部ＰＣの駆動電極として及び光キャリアを出力する電極として利用しているが、これら役割を別の電極が担うように構成してもよい。本実施形態では、光電変換部ＰＣの駆動電極と光キャリアの出力用の電極とを別の電極で構成した固体撮像装置について説明する。

はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図８及び図９を用いて説明する。

本実施形態による固体撮像装置１００は、図８に示すように、各画素１２の光電変換部ＰＣが、電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃを更に有している。電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃは、それぞれ電源１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃに接続されている。電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣの他方のノードは、基準電圧ノードに接続されている。電荷蓄積部ＣＡは、容量として光キャリアを蓄積できればよいため、必ずしもＭＩＳ構造やＭＩＭ構造の容量である必要はなく、寄生容量であってもよい。その他の構成は、第１実施形態による固体撮像装置１００と同様である。電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃは、図９に示すように、各々が個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを囲うように配されている。図９において点線で囲った領域は、１単位画素領域を示している。

なお、電荷排出電極１３２は、個別電極１３０と同様、光電変換膜１１０中の光キャリアを収集する役割を有しており、個別電極１３０と電荷排出電極１３２とは同等の機能を備えた１つの電極ユニットと捉えることもできる。そのため、本明細書では、個別電極１３０と電荷排出電極１３２とを、１つの電極（第２の電極）として扱うことがある。この場合において、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃは、電荷収集電極と表記することがある。

次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図１０を用いて説明する。図１０は、１フレーム分の動作を示すタイミングチャートである。図１０中、制御信号ＰＲＥＳは、リセット信号線ＲＥＳの電位である。信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３は、それぞれ出力線１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの電位である。駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、それぞれ電源１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃの出力電圧である。なお、信号電荷が電子の場合、光電変換部ＰＣの共通電極１２０に供給される電圧ＶＰＬは、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの電圧よりも低くなるように設定される。

本実施形態では、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が、ハイレベル、ローレベル、ハイレベルとローレベルトの間のミドル（Ｍｉｄ）レベルの３種類のレベルをとり得るものとする。ハイレベルの電圧は、個別電極１３０の周囲の光電変換膜１１０内で発生した光キャリアのほとんどが電荷排出電極１３２に流れ込むような電圧である。ミドルレベルの電圧は、個別電極１３０に流れ込む光キャリアの量と電荷排出電極１３２に流れ込む光キャリアの量との比が１：１になるような電圧である。また、１つの画素の光電変換膜１１０内に発生する光キャリアは空間的に均一であることを前提とする。光電変換膜１１０内の電界の分布は電荷排出電極１３２の電位と個別電極１３０の電位との関係によって決まるため、両者の関係が同じ場合はどの個別電極１３０においても出力される光キャリアは同じになる。

まず、時刻ｔ０において、垂直走査回路２０は、制御信号ＰＲＥＳをハイレベルに制御し、リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃをオンにする。これにより、増幅部の入力ノードの電位を電圧ＶＲＥＳに応じた所定の電位にリセットし、出力線１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの電位をリセットレベルに設定する。なお、時刻ｔ０において、電荷蓄積部ＣＡの他方の電極に印加する駆動電圧Ｖ１、電荷蓄積部ＣＢの他方の電極に印加する駆動電圧Ｖ２及び電荷蓄積部ＣＣの他方の電極に印加する駆動電圧Ｖ３は、ローレベルである。

次いで、時刻ｔ１において、垂直走査回路２０は、制御信号ＰＲＥＳをローレベルに制御し、リセットトランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ１Ｃをオフにする。これにより、増幅部の入力ノードのリセット状態は解除され、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣは、光電変換部ＰＣで生成された電子を蓄積可能な状態となる。

同じく時刻ｔ１において、制御回路６０は、電源１４０Ｂ，１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ２，Ｖ３をハイレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１がローレベルとなり、駆動電圧Ｖ２，Ｖ３がハイレベルとなる。個別電極１３０Ａの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ａを介して収集され、電荷蓄積部ＣＡに蓄積される。一方、個別電極１３０Ｂ，１３０Ｃの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、電荷排出電極１３２Ｂ，１３２Ｃを介して排出される。このとき、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの周囲で発生する光電変換膜１１０内の光キャリアは同じ量であるから、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの各々を介して出力される信号の比は、１００：０：０となる。

次いで、時刻ｔ２において、制御回路６０は、電源１４０Ａ，１４０Ｂを制御し、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２をミドルレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２がミドルレベル、駆動電圧Ｖ３がハイレベルとなる。個別電極１３０Ａの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ａを介して収集され、電荷蓄積部ＣＡに蓄積される。また、個別電極１３０Ｂの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｂを介して収集され、電荷蓄積部ＣＢに蓄積される。一方、個別電極１３０Ｃの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、電荷排出電極１３２Ｃを介して排出される。このとき、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの各々を介して出力される信号の比は、５０：５０：０となる。なお、このとき個別電極１３０Ｃは、光キャリアに対して最低のポテンシャルとなる。

次いで、時刻ｔ３において、制御回路６０は、電源１４０Ａ，１４０Ｂを制御し、駆動電圧Ｖ１をハイレベル、駆動電圧Ｖ２をローレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３がハイレベル、駆動電圧Ｖ２がローレベルとなる。個別電極１３０Ｂの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｂを介して収集され、電荷蓄積部ＣＢに蓄積される。一方、個別電極１３０Ａ，１３０Ｃの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｃを介して排出される。このとき、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの各々を介して出力される信号の比は、０：１００：０となる。

次いで、時刻ｔ４において、制御回路６０は、電源１４０Ｂ，１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ２，Ｖ３をミドルレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１がハイレベル、駆動電圧Ｖ２，Ｖ３がミドルレベルとなる。個別電極１３０Ｂの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｂを介して収集され、電荷蓄積部ＣＢに蓄積される。また、個別電極１３０Ｃの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｃを介して収集され、電荷蓄積部ＣＣに蓄積される。一方、個別電極１３０Ａの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、電荷排出電極１３２Ａを介して排出される。このとき、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの各々を介して出力される信号の比は、０：５０：５０となる。なお、このとき個別電極１３０Ａは、光キャリアに対して最低のポテンシャルとなる。

次いで、時刻ｔ５において、制御回路６０は、電源１４０Ｂ，１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ２をハイレベル、駆動電圧Ｖ３をローレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２がハイレベル、駆動電圧Ｖ３がローレベルとなる。個別電極１３０Ｃの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｃを介して収集され、電荷蓄積部ＣＣに蓄積される。一方、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｂを介して排出される。このとき、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの各々を介して出力される信号の比は、０：０：１００となる。

次いで、時刻ｔ６において、制御回路６０は、電源１４０Ａ，１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３をミドルレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ２がハイレベル、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３がミドルレベルとなる。個別電極１３０Ａの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ａを介して収集され、電荷蓄積部ＣＡに蓄積される。また、個別電極１３０Ｃの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、個別電極１３０Ｃを介して収集され、電荷蓄積部ＣＣに蓄積される。一方、個別電極１３０Ｂの周囲の光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは、電荷排出電極１３２Ｂを介して排出される。このとき、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの各々を介して出力される信号の比は、５０：０：５０となる。なお、このとき個別電極１３０Ｂは、光キャリアに対して最低のポテンシャルとなる。

次いで、時刻ｔ７において、制御回路６０は、電源１４０Ａ，１４０Ｃを制御し、駆動電圧Ｖ１，Ｖ３をハイレベルに設定する。これにより、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がハイレベルとなり、光電変換膜１１０内で生成された光キャリアは電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃを介して排出され、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃによる電荷の収集がされなくなる。時刻ｔ７は、光キャリアの蓄積期間の終了時刻である。この時点における信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３は、電荷蓄積部ＣＡ，ＣＢ，ＣＣが蓄積する電荷量を反映している。

このように、本実施形態による固体撮像装置１００は、光電変換膜１１０で生成された光キャリアの総量を分配するのではないため、第１実施形態による固体撮像装置とは出力される光キャリアの絶対量は異なるが信号比は同じになる。したがって、本実施形態による固体撮像装置においても、第１実施形態による固体撮像装置と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃを、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを囲うドーナツ形状としたが、電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃの形状はこれに限定されるものではない。電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃは、少なくとも個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃに流れ込む光キャリアを制御することができればよく、形状は特に限定されるものではない。電荷排出電極１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃの各々は、複数のブロックに分かれていてもよい。

また、本実施形態では、１つの画素１２が３種類の個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃを備えた例を示したが、個別電極１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの各々が複数のブロックに分かれていてもよい。この場合、これら複数のブロックから出力された光キャリアを加算して電荷蓄積部に出力するように、これら複数のブロックは、配線部１６０にて互いに電気的に接続すればよい。

本実施形態では、生成される光キャリアが画素内で空間的に均一であると仮定したが、不均一の場合も想定される。このような場合、上記のように個別電極１３０や電荷排出電極１３２を複数のブロックに分けて細分化し、空間的に均等に並べることによって、光電変換膜１１０内の発生キャリア量のばらつきによる出力信号の誤差を低減することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像システムについて、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。

上記第１乃至第３実施形態で述べた固体撮像装置１００は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図１１には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

図１１に例示した撮像システム２００は、撮像装置２０１、被写体の光学像を撮像装置２０１に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズ２０２の保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、撮像装置２０１に光を集光する光学系である。撮像装置２０１は、第１乃至第３実施形態で説明した固体撮像装置１００であって、レンズ２０２により結像された光学像を画像データに変換する。

撮像システム２００は、また、撮像装置２０１より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、撮像装置２０１が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換を行う。また、信号処理部２０８はその他、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部２０８の一部であるＡＤ変換部は、撮像装置２０１が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置２０１とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置２０１と信号処理部２０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

撮像システム２００は、さらに、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。さらに撮像システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、撮像システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

さらに撮像システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、撮像装置２０１と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム２００は少なくとも撮像装置２０１と、撮像装置２０１から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。

撮像装置２０１は、撮像信号を信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、撮像装置２０１から出力される撮像信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。信号処理部２０８は、撮像信号を用いて、画像を生成する。

第１乃至第３実施形態による固体撮像装置１００を適用することにより、ノイズの少ない良質な画像を取得しうる撮像システムを実現することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。

図１２（ａ）は、車載カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム３００は、撮像装置３１０を有する。撮像装置３１０は、上記第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の固体撮像装置１００である。撮像システム３００は、撮像装置３１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部３１２と、撮像システム３００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部３１４を有する。また、撮像システム３００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部３１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部３１８と、を有する。ここで、視差取得部３１４や距離取得部３１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部３１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

撮像システム３００は車両情報取得装置３２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ３３０が接続されている。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ３３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム３００で撮像する。図１２（ｂ）に、車両前方（撮像範囲３５０）を撮像する場合の撮像システムを示した。車両情報取得装置３２０が、撮像システム３００ないしは撮像装置３１０に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。

上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

また、上記実施形態では、光電変換膜１１０で生じた光キャリアのうち電子を収集する例を示したが、正孔を収集するように構成してもよい。この場合、共通電極１２０と個別電極１３０とに印加する電圧の大小関係や、Ｐ型半導体領域１５２及びＮ型半導体領域１５４の導電型を逆にすればよい。

また、上記第４及び第５実施形態に示した撮像システムは、本発明の光電変換装置を適用しうる撮像システム例を示したものであり、本発明の光電変換装置を適用可能な撮像システムは図１１及び図１２に示した構成に限定されるものではない。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

ＰＣ…光電変換部
ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ…電荷蓄積部
１１０…光電変換膜
１２０…共通電極
１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃ…個別電極（電荷収集電極）
１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ…電荷排出電極

Claims (14)

1. 光の入射により電荷を生成する光電変換膜と、前記光電変換膜の一方の面側に配された第１の電極と、前記光電変換膜の他方の面側に配された複数の第２の電極と、を有する光電変換部と、
   前記複数の第２の電極の各々に接続された複数の電荷蓄積部と、
   前記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じた信号を出力する出力部と、
   前記複数の第２の電極の各々に印加する駆動電圧を個別に制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、１フレームの電荷の蓄積期間に、前記複数の第２の電極の各々が順に前記電荷に対して前記複数の第２の電極の中で最も低いポテンシャルとなるように、前記複数の第２の電極の各々に印加する前記駆動電圧を制御する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記制御部は、前記電荷蓄積部を介して前記第２の電極に印加される前記駆動電圧を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記制御部は、前記複数の第２の電極の各々に印加する前記駆動電圧を、第１のレベルと、前記第１のレベルと異なる第２のレベルとに切り替える
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記制御部は、前記蓄積期間において、前記複数の第２の電極のうちの一の第２の電極の前記電荷に対するポテンシャルが段階的に減少するように、前記一の第２の電極に印加する前記駆動電圧を制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
5. 前記複数の第２の電極の各々は、電荷収集電極と、電荷排出電極と、を含み、
   前記電荷蓄積部は、前記電荷収集電極に接続されており、
   前記制御部は、前記電荷排出電極に印加される前記駆動電圧を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記電荷排出電極は、前記電荷収集電極の周囲を囲むように設けられている
   ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 前記複数の第２の電極は、少なくとも３つの第２の電極を有し、前記３つの第２の電極が等間隔に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記光電変換部は、前記複数の第２の電極を各々が含む複数の電極ユニットを有し、
   前記複数の電極ユニットは、対応する前記複数の第２の電極の各々が互いに電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記複数の電極ユニットは、最近接する２つの前記第２の電極に異なる前記駆動電圧が印加されるように配列されている
   ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置。
10. 前記複数の第２の電極は、六方格子状に配列された３個又は６個の前記第２の電極である
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 前記複数の第２の電極は、正方格子状に配列された４個の前記第２の電極である
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 光の入射により電荷を生成する光電変換膜と、前記光電変換膜の一方の面側に配された第１の電極と、前記光電変換膜の他方の面側に配された複数の第２の電極と、を有する光電変換部と、前記複数の第２の電極の各々に接続された複数の電荷蓄積部と、前記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に応じた信号を出力する出力部と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    １フレームの電荷の蓄積期間に、前記複数の第２の電極の各々が順に前記電荷に対して前記複数の第２の電極の中で最も低いポテンシャルとなるように、前記複数の第２の電極の各々に印加する駆動電圧を個別に制御する
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
13. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と
    を有することを特徴とする撮像システム。
14. 移動体であって、
    請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。

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