JP7113219B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
図1は、本開示の実施形態に係る撮像装置の例示的な回路構成を示す。図1に示す撮像装置100は、2次元に配列された複数の単位画素セル10を含む画素アレイ200を有する。図1は、単位画素セル10が2行2列のマトリクス状に配置された例を模式的に示している。撮像装置100における単位画素セル10の数および配置は、図1に示す例に限定されない。
図2は、単位画素セル10の例示的なデバイス構造を模式的に示す。図2に例示する構成では、上述の信号検出トランジスタ24、アドレストランジスタ26およびリセットトランジスタ28が、半導体基板20に形成されている。半導体基板20は、その全体が半導体である基板に限定されない。半導体基板20は、感光領域が形成される側の表面に半導体層が設けられた絶縁性基板などであってもよい。ここでは、半導体基板20としてP型シリコン(Si)基板を用いる例を説明する。
上述したように、光電変換層15に光を照射し、画素電極11と対向電極12との間にバイアス電圧を印加することにより、光電変換によって生じる正および負の電荷のうちの一方を画素電極11によって収集し、収集された電荷を電荷蓄積領域に蓄積することができる。本実施の形態では、以下に説明するような互いに吸収スペクトルの異なる光電変換膜を一定の条件のもとで積層した感光層15Aを光電変換部13に用いている。これによると、画素電極11と対向電極12との間の電位差によって、光電変換層15の波長感度特性、つまり、撮像波長範囲を切り替えることが可能となる。また、電荷蓄積領域に既に蓄積された信号電荷は、画素電極11と対向電極12との間の電位差を所定の電位差以下にすることで、光電変換層15を介して対向電極12へ移動することを抑制できる。また、画素電極11と対向電極12との間の電位差を所定の電位差以下にすれば、その後、電荷蓄積領域へ信号電荷がさらに蓄積されることを抑制できる。このことは、本発明者らが新しく見出した知見の1つである。つまり、光電変換層15に印加するバイアス電圧の大きさの制御により、複数の画素のそれぞれに転送トランジスタなどの素子を別途設けることなく、グローバルシャッタ機能を有し、また、撮像波長の電気的な切り換えが可能である。撮像装置100における動作の典型例は、後述する。
図4は、本開示の実施形態に係る撮像装置における動作の一例を説明するタイミングチャートである。図4において、部分(a)、(b)は同期信号の立ち下がりまたは立ち上がりのタイミング、部分(c)は光電変換層15に印加されるバイアス電圧の大きさの時間的変化、部分(d)は画素アレイ200(図1参照)の各行におけるリセットおよび露光のタイミング、を示している。より具体的には、図4において、部分(a)は垂直同期信号Vssの立ち下がりまたは立ち上がりのタイミングを示し、部分(b)は水平同期信号Hssの立ち下がりまたは立ち上がりのタイミングを示している。部分(c)は感度制御線42を介して電圧供給回路32から対向電極12に印加される電圧Vbの時間的変化を示している。さらに部分(d)は画素アレイ200の各行におけるリセットおよび露光のタイミングを示している。なお、感度制御線42を介して電圧供給回路32から対向電極12に印加される電圧Vbの時間的変化は、画素電極11の電位を基準としたときの対向電極12の電位の時間的変化に相当する。
以下に、本実施形態に係る撮像装置100において、赤外画像信号を抽出する方法について説明する。なお、以下では、便宜上可視光による撮像をRGBモード、可視光及び赤外光による撮像をRGB+IRモードと記述する。
11 画素電極
12 対向電極
13 光電変換部
14 信号検出回路
15 光電変換層
15A 感光層
15e 電子ブロッキング層
15h 正孔ブロッキング層
20 半導体基板
24 信号検出トランジスタ
26 アドレストランジスタ
32 電圧供給回路
41 電荷蓄積ノード
50 演算回路
100 撮像装置
150a 第一光電変換膜
150b 第二光電変換膜
200 画素アレイ
Claims (14)
- 画素電極、前記画素電極に電気的に接続された電荷蓄積領域、及び前記電荷蓄積領域に電気的に接続された信号検出回路を含む単位画素セルと、
前記画素電極に対向する対向電極と、
前記画素電極及び前記対向電極の間に配置され、
前記画素電極及び前記対向電極の間に第1電圧が印加されると、第1波長域の第1の光を第1電気信号に変換し、
前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第1電圧と異なる第2電圧が印加されると、前記第1波長域とは異なる第2波長域の第2の光を第2電気信号に変換する光電変換層と、
前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第1電圧が印加されることにより、前記第1電気信号に基づき、前記第1の光を用いて撮像された画像に相当する第1信号を取得し、
前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第2電圧が印加されることにより、前記第2電気信号に基づき、前記第2の光を用いて撮像された画像に相当する第2信号を取得し、
前記第1信号と前記第2信号とを用いて所定の演算を行うことにより、前記第1波長域および前記第2波長域の何れとも異なる第3波長域の第3の光を用いて撮像された画像に相当する第3信号を生成する演算回路と、を備える
撮像装置。 - 前記画素電極及び前記対向電極の間に、前記第1電圧または前記第2電圧を選択的に供給可能な電圧供給回路をさらに備える、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記演算回路は、前記第1信号から、前記第2信号にゲインを乗算することにより得られた信号を減算することにより、前記第3信号を生成する、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記ゲインは、
前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第2電圧が印加された場合の前記光電変換層
の量子効率に対する、前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第1電圧が印加された場合の前記光電変換層の量子効率の比に相当する、
請求項3に記載の撮像装置。 - 前記ゲインは、
前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第2電圧が印加された場合の前記光電変換層の量子効率に対する、前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第1電圧が印加された場合の前記光電変換層の量子効率の比と、
前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第2電圧が印加されている時間である第2露光時間に対する、前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第1電圧が印加されている時間である第1露光時間の比と、の積に相当する、
請求項3に記載の撮像装置。 - 前記第1露光時間は、前記第2露光時間より短い、
請求項5に記載の撮像装置 - 前記演算回路は、前記第1信号に第1ゲインを乗算することにより得られた第4信号から、前記第2信号に前記第1ゲインと異なる第2ゲインを乗算することにより得られた第5信号を減算することにより、前記第3信号を生成する、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第2ゲインに対する前記第1ゲインの比は、
前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第1電圧が印加された場合の前記光電変換層の量子効率に対する、前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第2電圧が印加された場合の前記光電変換層の量子効率の比に相当する、
請求項7に記載の撮像装置。 - 前記第2ゲインに対する前記第1ゲインの比は、
前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第1電圧が印加された場合の前記光電変換層の量子効率に対する、前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第2電圧が印加された場合の前記光電変換層の量子効率の比と、
前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第1電圧が印加されている時間である第1露光時間に対する、前記画素電極及び前記対向電極の間に前記第2電圧が印加されている時間である第2露光時間の比と、の積に相当する、
請求項7に記載の撮像装置。 - 前記第1露光時間は、前記第2露光時間より短い、
請求項9に記載の撮像装置。 - 前記光電変換層は、複数の光電変換膜を含む、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記複数の光電変換膜のうち少なくとも1つは、有機材料を含む、
請求項11に記載の撮像装置。 - 前記第1波長域は可視波長域および赤外波長域であり、
前記第2波長域は可視波長域であり、
前記第3波長域は赤外波長域である、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、
前記単位画素セルを含む複数の単位画素セルを備え、
前記対向電極は前記複数の単位画素セルにまたがって設けられ、
前記第1電圧および前記第2電圧は前記複数の単位画素セルに一括して印加され、
グローバルシャッタ機能を有する、
請求項1から13のいずれか1項に記載の撮像装置。
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