JP7154795B2 - 撮像装置、撮像システム、および移動体 - Google Patents

Description

本発明は撮像装置、撮像システム、および移動体に関する。

撮像装置の画素として、光電変換部からの信号を第１の増幅手段から出力して保持容量に保持し、保持容量に保持された電圧を第２の増幅手段から出力する構成が知られている。特許文献１には、画素に第１の増幅手段、第２の増幅手段、および保持容量を備えた構成の撮像装置が記載されている。特許文献１によれば、第１の増幅手段、第２の増幅手段はソースフォロア回路で構成され、保持容量の一方の端子は第１の増幅手段の出力側に接続されるとともに、他方の端子が固定電位とされる。

特開２００３－９００３号公報

特許文献１に記載された構成では、最適な画素回路動作を実現するための駆動方法について十分な検討がなされていない。

本発明は、従来よりも優れた性能を有する撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る撮像装置は、
光電変換部と、
前記光電変換部からの光電変換信号を蓄積する蓄積部と、
前記蓄積部の光電変換信号を出力する第１の増幅トランジスタと、
前記第１の増幅トランジスタの出力信号を保持容量の第１の端子に書き込むトランジスタと、
前記第１の端子がゲートに接続され、前記第１の端子の電圧に応じた電圧を出力する第２の増幅トランジスタと、
前記保持容量の第２の端子の電圧を切り替える制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記蓄積部をリセットした電位に対応した信号を第１読み出す第１期間と前記光電変換信号を読み出す第２期間において、前記第２の端子の電圧を第１の電圧とし、
前記第１の増幅トランジスタの出力信号を前記保持容量の第１の端子に書き込む期間および前記第２の増幅トランジスタが電圧を出力する期間を含む、前記第１期間および前記第２期間以外の期間において、前記第２の端子の電圧を第２の電圧とする、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも優れた性能を有する撮像装置を提供することができる。

実施形態１に係る撮像装置を説明する図である。 実施形態１に係る読み出し回路の構成例である。 実施形態１に係る画素回路の等価回路図の一例である。 実施形態１に係る画素回路の駆動について説明する図である。 比較例の駆動について説明する図である。 実施形態２に係る画素回路の等価回路図の一例である。 実施形態２に係る画素回路の駆動について説明する図である。 実施形態３に係る画素回路の等価回路図の一例である。 実施形態３に係る画素回路の駆動について説明する図である。 実施形態４に係る画素回路の等価回路図の一例である。 実施形態５に係る画素回路の等価回路図の一例である。 実施形態５に係る画素の断面図、および平面図の一例である。 実施形態６に係る撮像システムの構成例を表す図である。 実施形態７に係る撮像システムおよび移動体の構成例を表す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下で説明する図面において、同じ機能を有するものは同一の符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。

撮像装置は、光を電気信号に変換する画素を複数有する半導体デバイスであり、固体撮像素子やイメージセンサや光電変換装置とも呼ばれるものである。撮像装置には、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサなどが含まれる。以下では、本発明の好ましい適用例の一つとして、ＣＭＯＳイメージセンサに本発明を適用した場合の構成例を説明する。

＜実施形態１＞
（撮像装置の全体的構成）
図１は、本実施形態に係る撮像装置１００のブロック図である。撮像装置１００は、画素領域１２１と、垂直走査回路１２２と、２つの読み出し回路１２３と、２つの水平走査回路１２４と、２つの出力アンプ１２５を備えている。画素領域１２１以外の領域は周辺回路領域である。画素領域１２１には、複数の画素が２次元状に配列されている。周辺回路領域には、読み出し回路１２３、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等が設けられ、垂直走査回路１２２によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。水平走査回路１２４は、読み出し回路１２３から画素信号に基づく信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ１２５は、水平走査回路１２４によって選択された列の信号を増幅して出力する。以下では、信号電荷として電子を用いる構成を例示するが、信号電荷として正孔を用いることも可能である。

（読み出し回路）
図２は、図１に示した読み出し回路１２３の構成例を示す。図１と同じ符号は同じ部材である。図２において、読み出し回路１２３は、画素電極に対応した出力線４９１と、定電流回路１１３と、出力線４９１に対応した増幅回路２１１と、信号蓄積部１１６と、水平転送回路１１８を有する。また図２には、水平走査回路１２４と、出力アンプ１２５も記載されている。出力線４９１には、後述する画素回路に配置された第２の増幅トランジスタの負荷手段としての定電流回路１１３と、増幅回路２１１が接続され、増幅回路２１１の出力ノードには、信号蓄積部１１６が接続されている。

増幅回路２１１は画素回路からの光の照射量に応じたレベルの電圧（Ｓ信号）、ノイズレベルの電圧（Ｎ信号）を増幅させて、信号蓄積部１１６に出力する。信号蓄積部１１６は増幅回路２１１で増幅されたＳ信号、Ｎ信号をそれぞれ格納する。水平走査回路１２４によって信号蓄積部１１６に格納されたＳ信号、Ｎ信号を列毎に順に水平転送回路１１８へ出力し、出力アンプ１２５から信号処理回路（不図示）へ送信する。信号処理回路ではＳ信号とＮ信号の差分信号を生成する。

（画素回路）
図３は、各画素に対応して設けられた画素回路の等価回路図である。以下の説明では、
画素回路の各トランジスタとしてＮＭＯＳを使用した構成を説明するが、ＰＭＯＳを使用してもよい。

光電変換素子５１０は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する。第１ノードであるフローティングディフュージョン（以下ＦＤ）４２０は、光電変換素子５１０から電荷（光電変換信号）を受け取り電圧に変換する。ＦＤ４２０は、第１の増幅トランジスタ４３０のゲートに接続されている。第１ノードのＦＤ４２０には、リセットトランジスタ４１０を介して、リセット電位ＶＲＥＳが書き込めるように構成されている。ＦＤ４２０は、本発明における蓄積部の一例である。

第１の増幅トランジスタ４３０のソースは、トランジスタ４４０を介して、グランド電位に接続されている。また、第１の増幅トランジスタ４３０のドレインは、基準電位ＳＶＤＤに接続されている。第１の増幅トランジスタ４３０のソースは、トランジスタ４５０と、第２ノードであるメモリー（以下ＭＥＭ）４６０を介して、第２の増幅トランジスタ４７０のゲートに接続されている。

トランジスタ４５０は、第１の増幅トランジスタ４３０の出力信号を、保持容量Ｃの一方の端子（第１の端子）に書き込む。

第２の増幅トランジスタ４７０のドレインは、基準電位ＳＶＤＤに接続されている。第２の増幅トランジスタ４７０のソースは選択トランジスタ４８０を介して、出力線４９２に接続されている。第２の増幅トランジスタ４７０のゲート（入力端子）には、保持容量Ｃの第１の端子が接続され、その電圧に応じた信号を出力する。

第１の増幅トランジスタ４３０、第２の増幅トランジスタ４７０はＮＭＯＳソースフォロア回路を構成しており、入力電圧に応じた信号を出力する。

保持容量Ｃの一方の端子（第１の端子）は第２ノードのＭＥＭ４６０に接続され、他方の端子（第２の端子）には画素回路の外で電圧切り替え回路５００に接続される。保持容量Ｃは容量を形成できればいかなる構造でもよいが、Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ（以下ＭＩＭ）容量を用いると画素回路上に積層可能なのでレイアウト面積が縮小できる。また、保持容量Ｃの端子に電圧切り替え回路５００を接続して電圧を切り替える構成を実現しやすい。

リセットトランジスタ４１０、トランジスタ４４０、トランジスタ４５０、選択トランジスタ４８０のゲートには、図１の垂直走査回路１２２からの制御信号が行毎に共通に接続されて入力される。

電圧切り替え回路５００は垂直走査回路１２２に組み込まれ、電圧切り替え回路５００の出力も行毎に共通に各画素回路の保持容量Ｃの端子に接続される。電圧切り替え回路５００は電圧Ｖ１と電圧Ｖ２を切り替えて出力する（Ｖ１＞Ｖ２）。なお、電圧切り替え回路５００の出力は、各画素回路の保持容量Ｃの端子に個別に接続されてもよい。

（画素回路の駆動方法）
図４を用いて、図３の画素回路の駆動について説明する。図４において、ＰＳＥＬは選択トランジスタ４８０のゲートに入力される波形、ＰＢＩＡＳはトランジスタ４４０のゲートに入力される波形、ＰＲＥＳはリセットトランジスタ４１０のゲートに入力される波形である。また、ＰＳＨはトランジスタ４５０のゲートに入力される波形、ＰＶＣは保持容量Ｃの端子に入力される波形である。

ＦＤは第１ノード４２０の電位、ＳＦＯＵＴは第２の増幅トランジスタ４７０のソースの電位である。ＳＦＯＵＴの電位は第１ノード４２０の電位から第１の増幅トランジスタ４３０のゲートソース間電圧分だけ降下した電圧となっている。

ＭＥＭは第２ノード４６０の電位であり、ＰＯＵＴは出力線４９２の電位である。ＰＯＵＴの電位は第２ノードＭＥＭの電位から第２の増幅トランジスタ４３０のゲートソース間電圧分だけ降下した電圧となっている。

時刻ｔ０は、電荷蓄積が開始されている任意の時刻である。時刻ｔ１において、ＰＳＥＬとＰＢＩＡＳをＬｏｗレベル（Ｌレベル）からＨｉｇｈ（Ｈレベル）に変化させ、選択トランジスタ４８０とトランジスタ４４０をオンにする。

なお、保持容量Ｃの接続される第２ノードＭＥＭには、電荷蓄積前に予め第１ノードＦＤをリセットトランジスタでリセットした電位に対応したノイズレベルの電圧（Ｎ信号）として２．１Ｖが保持されている。第２の増幅トランジスタ４７０と選択トランジスタ４８０を介して、出力線４９２に１．７５Ｖが出力される。

ＰＢＩＡＳのＨレベルは、トランジスタ４４０が所望の電流値を出力する電流源として動作するように設定される。

時刻ｔ２において、ＰＶＣを電位Ｖ２から電位Ｖ１（Ｖ１＞Ｖ２）に変化させる。このとき容量結合によって、第２ノードＭＥＭの電位が２．７Ｖに上昇し、出力線ＰＯＵＴの電位は２．２５Ｖに上昇して出力される。このタイミングで読み出し回路１２３が出力線ＰＯＵＴの電位（Ｎ信号）を取り込む。

時刻ｔ３において、ＰＶＣを電位Ｖ１から電位Ｖ２に変化させる。第２ノードＭＥＭの電位が２．１Ｖ、出力線ＰＯＵＴの電位は１．７５Ｖに戻る。

次に、時刻ｔ４において、ＰＳＨをＬレベルからＨレベルに変化させ、トランジスタ４５０をオンにする。この動作により、第１ノードＦＤ４２０で光の照射によって蓄積した電荷に対応した電圧（Ｓ信号）が第２ノードＭＥＭ４６０に転送される。光の照射がない場合（Dark）を破線、光の照射がある場合(Light)を実線で示している。

光の照射がない場合は、第１ノードＦＤの電位は２．７Ｖであり、第２の増幅トランジスタ４７０のソース電位ＳＦＯＵＴ、および第２ノードＭＥＭの電位は２．２Ｖとなる。出力線ＰＯＵＴの電位は１．８Ｖが出力される。

光の照射がある場合は、第１ノードＦＤの電位は０．８Ｖであり、第２の増幅トランジスタ４７０のソース電位ＳＦＯＵＴ、および第２ノードＭＥＭの電位は０．４５Ｖとなる。出力線ＰＯＵＴの電位は０．３５Ｖが出力される。

時刻ｔ５において、ＰＳＨをＨレベルからＬレベルに変化させ、トランジスタ４５０をオフにする。このときトランジスタ４５０のゲートと第２ノードＭＥＭ４６０の間の寄生容量のため、第２ノードＭＥＭ４６０の電位が降下する。光の照射がない場合は２．２Ｖから２．１Ｖとなり、出力線ＰＯＵＴの電位は１．７５Ｖとなる。光の照射がある場合は０．４５Ｖから０．４Ｖとなり、出力線ＰＯＵＴの電位は０．３Ｖとなる。

時刻ｔ６において、ＰＶＣを電位Ｖ２から電位Ｖ１（Ｖ１＞Ｖ２）に変化させる。光の照射がない場合は、容量結合によって、第２ノードＭＥＭの電位が２．７Ｖに上昇し、出力線ＰＯＵＴには２．２５Ｖが出力される。光の照射がある場合は、容量結合によって、
第２ノードＭＥＭの電位が０．９Ｖに上昇し、出力線ＰＯＵＴには０．８Ｖが出力される。このタイミングで読み出し回路１２３が出力線ＰＯＵＴの電位（Ｓ信号）を取り込む。

時刻ｔ７において、ＰＶＣを電位Ｖ１から電位Ｖ２に変化させる。光の照射がない場合は第２ノードＭＥＭの電位が２．１Ｖ、出力線ＰＯＵＴの電位は１．７５Ｖに戻る。光の照射がある場合は第２ノードＭＥＭの電位が０．４Ｖ、出力線ＰＯＵＴの電位は０．３Ｖに戻る。

次に、時刻ｔ８において、ＰＲＥＳをＬレベルからＨレベルに変化させ、リセットトランジスタ４１０をオンにする。これにより、第１ノードＦＤ４２０に、リセット電位ＶＲＥＳ（２．８Ｖ）が書き込まれる。

次に、時刻ｔ９において、ＰＲＥＳをＨレベルからＬレベルに変化させ、リセットトランジスタをオフにし、ＰＳＨをＬレベルからＨレベルに変化させ、トランジスタ４５０をオンにする。これにより、第１ノードＦＤ４２０に対応した電位であるノイズレベルの電位２．２Ｖが、第２ノードＭＥＭ４６０に転送される。

時刻ｔ１０において、ＰＳＨをＨレベルからＬレベルに変化させ、トランジスタ４５０をオフにする。このときトランジスタ４５０のゲートと第２ノードＭＥＭ４６０の間の寄生容量のため、第２ノードＭＥＭ４６０が降下する。これにより、ノイズレベルの電圧（Ｎ信号）として２．１Ｖが容量Ｃに保持される。

最後に、時刻ｔ１１において、ＰＳＥＬ、ＰＢＩＡＳのそれぞれをＨレベルからＬレベルに変化させ、選択トランジスタ４８０、トランジスタ４４０をオフにする。これにより、電荷蓄積が再開される。電荷蓄積の間は、容量Ｃにノイズレベルの電位が保持されている。

時刻ｔ０～ｔ１、ｔ１１～においては選択トランジスタ４８０がオフであり、画素回路が非選択状態である。この期間の出力線ＰＯＵＴの電位は斜線で示している。

このように、本実施形態において時刻ｔ２～ｔ３、時刻ｔ６～ｔ７においてＰＶＣの電位を電位Ｖ２から電位Ｖ１（Ｖ１＞Ｖ２）に変化させ、出力線ＰＯＵＴの電位を上昇させている。時刻ｔ２～ｔ３は、ＦＤ４２０をリセットした電位に対応する信号を読み出す期間であり、時刻ｔ６～ｔ７は、蓄積電荷に基づく光電変換信号を読み出す期間である。すなわち、電圧切り替え回路５００は、Ｓ信号とＮ信号を読み出す期間のみＰＶＣの電位をＶ１とし、それ以外の期間においてはＶ２に制御する。

第２ノードＭＥＭにおける電圧変化量ΔＶｍｅｍは、ＰＶＣの電圧変化量ΔＶｃ、第２ノードＭＥＭにおける寄生容量Ｃｘ、保持容量Ｃを用いて、
ΔＶｍｅｍ ＝ ΔＶｃ×Ｃ／（Ｃ＋Ｃｘ）
と表すことができる。この関係より、ＰＶＣの電圧変化量ΔＶｃを決定することで、第２ノードＭＥＭにおける電圧変化量を最適な値に設定することが可能ある。

ＰＶＣの電位を変えない場合、出力線ＰＯＵＴは０．３Ｖと低くなり、所望の回路動作が行われない可能性がある。例えば、図２の定電流回路１１３に印加される電圧が０．３Ｖとなるので定電流が保証できない。これに対して、ＰＶＣの電位を電位Ｖ２から電位Ｖ１に変化させ、出力線ＰＯＵＴの電位を０．８Ｖに上昇させることで、定電流回路１１３の誤動作を回避し、読み出し回路１２３は出力線ＰＯＵＴの電位を正確に取り込むことができる。

本実施形態の画素回路において各トランジスタはＮＭＯＳを使用した構成を示しているが、ＰＭＯＳを使用してもよい。その場合、第１の増幅トランジスタ４３０、第２の増幅トランジスタ４７０はＰＭＯＳソースフォロア回路を構成する。駆動パルスはＨレベルとＬレベルが反転する。電圧切り替え回路５００から出力される電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の関係もＶ１＜Ｖ２となる。

画素回路を構成するトランジスタをＮＭＯＳ、あるいはＰＭＯＳのどちらか一方の導電型のトランジスタのみを使用することでレイアウト面積を縮小することが可能である。

（比較例）
図５を用いて、ＰＶＣの電位を変化させず、一定で動作させた場合の比較例を示す。

時刻ｔ０は、電荷蓄積が開始されている任意の時刻である。時刻ｔ１において、ＰＳＥＬとＰＢＩＡＳをＬｏｗレベル（Ｌレベル）からＨｉｇｈ（Ｈレベル）に変化させ、選択トランジスタ４８０とトランジスタ４４０をオンにする。

なお、保持容量Ｃの接続される第２ノードＭＥＭには、電荷蓄積前に予め第１ノードＦＤをリセットトランジスタでリセットした電位に対応したノイズレベルの電圧（Ｎ信号）として２．１Ｖが保持されている。第２の増幅トランジスタ４７０と選択トランジスタ４８０を介して、出力線４９２に１．７５Ｖが出力される。このタイミングで読み出し回路１２３が出力線ＰＯＵＴの電位（Ｎ信号）を取り込む。

ＰＢＩＡＳのＨレベルは、トランジスタ４４０が所望の電流値を出力する電流源として動作するように設定される。

次に、時刻ｔ２において、ＰＳＨをＬレベルからＨレベルに変化させ、トランジスタ４５０をオンにする。この動作により、第１ノードＦＤ４２０で光の照射によって蓄積した電荷に対応した電圧（Ｓ信号）が第２ノードＭＥＭ４６０に転送される。光の照射がない場合（Dark）を破線、光の照射がある場合(Light)を実線で示している。

光の照射がない場合は、第１ノードＦＤの電位は２．７Ｖであり、第２の増幅トランジスタ４７０のソース電位ＳＦＯＵＴ、および第２ノードＭＥＭの電位は２．２Ｖとなっている。出力線ＰＯＵＴの電位は１．８Ｖが出力される。

光の照射がある場合は、第１ノードＦＤの電位は１．３Ｖであり、第２の増幅トランジスタ４７０のソース電位ＳＦＯＵＴ、および第２ノードＭＥＭの電位は１．０Ｖとなっている。出力線ＰＯＵＴの電位は０．９Ｖが出力される。

時刻ｔ３において、ＰＳＨをＨレベルからＬレベルに変化させ、トランジスタ４５０をオフにする。このときトランジスタ４５０のゲートと第２ノードＭＥＭ４６０の間の寄生容量のため、第２ノードＭＥＭ４６０の電位が降下する。光の照射がない場合は２．２Ｖから２．１Ｖとなり、出力線ＰＯＵＴの電位は１．７５Ｖとなる。光の照射がある場合は１．０Ｖから０．９Ｖとなり、出力線ＰＯＵＴの電位は０．８Ｖとなる。

次に、時刻ｔ４において、ＰＲＥＳをＬレベルからＨレベルに変化させ、リセットトランジスタ４１０をオンにする。これにより、第１ノードＦＤ４２０に、リセット電位ＶＲＥＳ（２．８Ｖ）が書き込まれる。

次に、時刻ｔ５において、ＰＲＥＳをＨレベルからＬレベルに変化させ、リセットトランジスタをオフにし、ＰＳＨをＬレベルからＨレベルに変化させ、トランジスタ４５０を
オンにする。これにより、第１ノードＦＤ４２０に対応した電位であるノイズレベルの電位２．２Ｖが、第２ノードＭＥＭ４６０に転送される。

時刻ｔ６において、ＰＳＨをＨレベルからＬレベルに変化させ、トランジスタ４５０をオフにする。このときトランジスタ４５０のゲートと第２ノードＭＥＭ４６０の間の寄生容量のため、第２ノードＭＥＭ４６０が降り下げられる。これにより、ノイズレベルの電圧（Ｎ信号）として２．１Ｖが容量Ｃに保持される。

最後に、時刻ｔ７において、ＰＳＥＬ、ＰＢＩＡＳのそれぞれをＨレベルからＬレベルに変化させ、選択トランジスタ４８０、トランジスタ４４０をオフにする。これにより、電荷蓄積が再開される。電荷蓄積の間は、容量Ｃにノイズレベルの電位が保持されている。

時刻ｔ０～ｔ１、ｔ７～においては選択トランジスタ４８０がオフであり、画素回路が非選択状態である。また、この期間の出力線ＰＯＵＴの電位は斜線で示す。

前提として出力線ＰＯＵＴの電位が０．８Ｖの場合を回路動作の下限電圧とする。０．８Ｖより低い電位では、図２の定電流回路１１３は所望の回路動作ができず定電流が保証できない。上記の説明によれば、図５における時刻ｔ３～ｔ４の間でＳ信号を取り込む。光の照射がある場合は、出力線ＰＯＵＴの電位は０．８Ｖであり、光の照射がない場合は１．７５Ｖとなり、電位差は０．９５Ｖである。これに対して、実施形態１における図４によれば、光の照射がある場合は０．８Ｖであり、光の照射がない場合は２．２５Ｖとなっており、電位差は１．４５Ｖである。すなわち信号を読み出す期間において、容量Ｃの端子電圧を電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替えて、信号電圧をシフトすることによってダイナミックレンジを５３％拡大することができる。

＜実施形態２＞
図６は、本実施形態における画素回路の等価回路図である。実施形態１では、従来例と比較してダイナミックレンジの拡大を達成しているが、本実施形態では、トランジスタ数の削減を行う。

本実施形態が実施形態１の図３と異なる点は、選択トランジスタ４８０がなく、第２の増幅トランジスタのソースが出力線４９２に直接接続していることと、電圧切り替え回路５０１が電圧Ｖ２と電圧Ｖ３を切り替えて出力することである（Ｖ２＞Ｖ３）。

図７を用いて、図６の画素回路の駆動について説明する。

時刻ｔ０は、電荷蓄積が開始されている任意の時刻である。このとき、ＰＶＣは電位Ｖ３となっており、第２ノードＭＥＭの電位は０．３Ｖになっている。このとき、第２の増幅トランジスタ４７０は非駆動状態となっており、画素回路は非選択状態である。

時刻ｔ１において、ＰＶＣを電位Ｖ３から電位Ｖ２に変化させる。このとき容量結合によって、第２ノードＭＥＭの電位は０．３Ｖから２．１Ｖに上昇する。このとき、第２の増幅トランジスタは駆動状態となり、出力線ＰＯＵＴの電位は１．７５Ｖが出力される。

以降、時刻t７まで（比較例）における図５を用いて説明した動作と同様であるため説
明を省略する。

最後に、時刻ｔ７において、ＰＢＩＡＳをＨレベルからＬレベルに変化させ、トランジスタ４４０をオフにし、ＰＶＣを電位Ｖ２から電位Ｖ３に変化させる。第２ノードＭＥＭ
の電位は２．１Ｖから０．３Ｖに下降する。このとき、第２の増幅トランジスタ４７０は非駆動状態となっており、画素回路は非選択状態である。これにより、電荷蓄積が再開される。電荷蓄積の間は、容量Ｃにノイズレベルの電位が保持されている。

時刻ｔ０～ｔ１、ｔ７～においては第２の増幅トランジスタ４７０は非駆動状態となっており、画素回路が非選択状態である。この期間の出力線ＰＯＵＴの電位は斜線で示している。

このように本実施形態によれば、実施形態１の図３に示した選択トランジスタ４８０が無くても、容量Ｃの端子電圧を電圧Ｖ２と電圧Ｖ３で切り替えることによって、画素回路の選択状態と非選択状態を制御することができる。すなわち、選択画素については容量Ｃ端子電圧を電圧Ｖ２として第２の増幅トランジスタ４７０を駆動状態にし、非選択画素について容量Ｃの端子電圧を電圧Ｖ３として第２の増幅トランジスタ４７０を非駆動状態に切り替える。このように、選択トランジスタ４８０が不要となるので、トランジスタ数を削減することができる。

上述したように、本実施形態の画素回路において各トランジスタにＮＭＯＳの代わりにＰＭＯＳを使用してもよい。ＰＭＯＳを使用した場合、駆動パルスのＨレベルとＬレベルが反転するとともに、電圧切り替え回路５０１から出力される電圧Ｖ２と電圧Ｖ３の関係もＶ２＜Ｖ３となる。

＜実施形態３＞
図８は、本実施形態における画素回路の等価回路図である。本実施形態では、電圧切り替え回路５０２の電圧を３レベルとすることで、実施形態１のダイナミックレンジ拡大と、実施形態２のトランジスタ数削減の両方を達成する。

本実施形態では、実施形態２の図６と同様に、選択トランジスタ４８０がなく、第２の増幅トランジスタのソースが出力線４９２に直接接続している。また、本実施形態では、電圧切り替え回路５０２が電圧Ｖ１と電圧Ｖ２と電圧Ｖ３を切り替えて出力する構成となっている。（Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３）。これにより、本実施形態は、実施形態１と実施形態２を合わせた動作を行う。

図９は、図８の画素回路の駆動について説明する図である。以下、実施形態２との相違点を主に説明する。

時刻ｔ２において、ＰＶＣを電位Ｖ２から電位Ｖ１に変化させることで、第２ノードＭＥＭの電位は２．１Ｖから２．７Ｖに上昇する。出力線ＰＯＵＴの電位は２．２５Ｖに上昇して出力される。このタイミングで読み出し回路１２３が出力線ＰＯＵＴの電位（Ｎ信号）を取り込む。

また、時刻ｔ６において、ＰＶＣを電位Ｖ２から電位Ｖ１（Ｖ１＞Ｖ２）に変化させることで、光の照射がない場合は、容量結合によって、第２ノードＭＥＭの電位が2.7Vに上昇し、出力線ＰＯＵＴには２．２５Ｖが出力される。光の照射がある場合は、容量結合によって、第２ノードＭＥＭの電位が０．９Ｖに上昇し、出力線ＰＯＵＴには０．８Ｖが出力される。このタイミングで読み出し回路１２３が出力線ＰＯＵＴの電位（Ｓ信号）を取り込む。

時刻ｔ０～ｔ１、ｔ７～においては、ＰＶＣを電位Ｖ２から電位Ｖ３に変化させており、第２ノードＭＥＭの電位は２．１Ｖから０．３Ｖに下降する。このとき、第２の増幅トランジスタ４７０は非駆動状態となっており、画素回路は非選択状態である。

このように本実施形態によれば、信号を読み出す期間において、容量Ｃの端子電圧を電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替えて、信号電圧をシフトすることによってダイナミックレンジを拡大できる。さらに、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３で切り替えることによって第２の増幅トランジスタ４７０の駆動状態と非駆動状態を切り替え、画素回路の選択状態と非選択状態を制御することができるので、トランジスタ数を削減することができる。

上述したように、本実施形態の画素回路において各トランジスタにＮＭＯＳの代わりにＰＭＯＳを使用してもよい。ＰＭＯＳを使用した場合、駆動パルスのＨレベルとＬレベルが反転するとともに、電圧切り替え回路５０２から出力される電圧Ｖ１と電圧Ｖ２と電圧Ｖ３の関係はＶ１＜Ｖ２＜Ｖ３となる。

（実施形態４）
図１０は、本実施形態における画素回路の等価回路図である。実施形態３の図８と比較してリセットトランジスタ４１０が配置されない構成となっている。蓄積動作を行うときは、光電変換素子５１０に印加する電圧ＶＰＤの電圧を逆バイアス状態として印加する。一方、リセットする場合は、電圧ＶＰＤを切り替えて順バイアス状態とすることで、光電変換素子５１０から電流を流し、第１ノードＦＤ４２０を所望の電圧にリセットすることができる。

ここでは、実施形態３との組み合わせについて説明したが、本実施形態は、実施形態１（図３）や実施形態２（図６）と組み合わせて実現してもよい。

このように、電圧切り替え回路５０２を用いたダイナミックレンジの拡大やトランジスタ数の削減を実現する手法は、リセットトランジスタ４１０が配置されていない構成に対しても適用できる。

（実施形態５）
図１１は本実施形態における画素回路の等価回路図である。実施形態３の図８に対して光電変換部５１０として光電変換膜を配置した構成である。光電変換膜は画素回路が形成された半導体基板上に積層されている。

図１２（Ａ）は、本実施形態における画素８００の断面図であり、図１２（Ｂ）は画素８００のある高さにおける平面図である。図１２（Ａ）において、部材８１０は、半導体基板、配線層、読み出し回路等を模式的に示している。部材８１０の上には、画素電極８０１が設けられている。

画素電極８０１の上には、光電変換層８２０と、上部電極となる対向電極８３０が設けられている。光電変換層８２０は、画素電極８０１と、対向電極８３０とに挟持されるように配されている。対向電極８３０の上には、カラーフィルタ８４０とマイクロレンズ８５０が設けられている。

部材８１０は、複数の絶縁膜と配線を含む配線層を有する。絶縁膜を構成する層は、例えば酸化シリコン、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、窒化シリコン、炭化シリコンである。また、配線は、銅、アルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ポリシリコンなどの導電材料が用いられる。

画素電極８０１は、薄膜電極であり、ＩＴＯやアルミニウムなどの透明または不透明の導電性部材から形成される。画素電極８０１は、光電変換層８２０の各領域で発生した電荷を分離して捕集するためのものである。

光電変換層８２０は、入射光の光量に応じた電荷を発生する有機化合物を含む。光電変換層８２０と、画素電極８０１との間、あるいは、光電変換層８２０と、対向電極８３０との間に、電極から光電変換層８２０に電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けてもよい。

対向電極８３０は、画素電極８０１と対向する電極であり、光電変換層８２０を覆うように設けられている。対向電極８３０は、光電変換層８２０に電圧を印加し、光電変換層８２０に電界を生じさせるための電極である。対向電極８３０は光電変換層８２０よりも光の入射面側に設けられているため、対向電極８３０は入射光に対して透明なＩＴＯ等の導電性材料で構成される。

カラーフィルタ８４０は、Ｒ、Ｇ、Ｂ、あるいはＣ、Ｍ、Ｙの光を透過するフィルタである。カラーフィルタ８４０は、ＲＧＢあるいはＣＭＹの波長の光を透過する白色のフィルタやＩＲのフィルタであってもよい。特に、測距を行う場合には、色を識別する必要がないため、測距用の画素には白色のフィルタを用いれば、感度が向上する。カラーフィルタ８４０を複数種類用いて、カラーフィルタ間に段差ができる場合には、カラーフィルタ８４０の上に平坦化層を設けてもよい。

マイクロレンズ８５０は、樹脂などの材料を用いて形成される。例えば１つのマイクロレンズが設けられている領域が１画素であると画定することもできる。図１２（Ｂ）には、マイクロレンズ８５０の外縁２００を示している。

本実施形態によれば、光電変換部として光電変換膜を配置することで受光面積を大きくすることができるので高感度化が可能である。またカラーフィルタと光電変換膜の間に光を遮る配線がないため良好な入射角度特性が得られる。

（実施形態６）
本発明の実施形態６による撮像システムについて、図１３を用いて説明する。図１３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。

上記実施形態１～５で述べた撮像装置は、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としては、特に限定されるものではないが、例えば、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、医療用カメラなどの各種の機器が挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置（光電変換装置）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１３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。

撮像システム３０００は、図１３に示すように、撮像装置１０００、撮像光学系３０２０、ＣＰＵ３１００、レンズ制御部３１２０、撮像装置制御部３１４０を備える。撮像システム３０００は、画像処理部３１６０、絞りシャッター制御部３１８０、表示部３２００、操作スイッチ３２２０、記録媒体３２４０を備える。

撮像光学系３０２０は、被写体の光学像を形成するための光学系であり、レンズ群、絞り３０４０等を含む。絞り３０４０は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なう機能を備えるほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッターとしての機能も備える。レンズ群及び絞り３０４０は、光軸方向に沿って進退可能に保持されており、これらの連動した動作によって変倍機能（ズーム機能）や焦点調節機能を実現する。撮像光学系３０２０は、撮像システムに一体化されていてもよいし、撮像システムへの装着が可能
な撮像レンズでもよい。

撮像光学系３０２０の像空間には、その撮像面が位置するように撮像装置１０００が配置されている。撮像装置１０００は、実施形態１～５で説明した撮像装置であり、ＣＭＯＳセンサ（画素部）とその周辺回路（周辺回路領域）とを含んで構成される。撮像装置１０００は、複数の光電変換部を有する画素が２次元配置され、これらの画素に対してカラーフィルタが配置されることで、２次元単板カラーセンサを構成している。撮像装置１０００は、撮像光学系３０２０により結像された被写体像を光電変換し、画像信号や焦点検出信号として出力する。

レンズ制御部３１２０は、撮像光学系３０２０のレンズ群の進退駆動を制御して変倍操作や焦点調節を行うためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成されている。絞りシャッター制御部３１８０は、絞り３０４０の開口径を変化して（絞り値を可変として）撮影光量を調節するためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成される。

ＣＰＵ３１００は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内の制御装置であり、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を含む。ＣＰＵ３１００は、ＲＯＭ等に記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮像光学系３０２０の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理、記録等の一連の撮影動作を実行する。ＣＰＵ３１００は、信号処理部でもある。

撮像装置制御部３１４０は、撮像装置１０００の動作を制御するとともに、撮像装置１０００から出力された信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ３１００に送信するためのものであり、それら機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。Ａ／Ｄ変換機能は、撮像装置１０００が備えていてもかまわない。画像処理部３１６０は、Ａ／Ｄ変換された信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成する処理装置であり、その機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。表示部３２００は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示装置であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態等を表示する。操作スイッチ３２２０は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。記録媒体３２４０は、撮影済み画像等を記録するためのものであり、撮像システムに内蔵されたものでもよいし、メモリカード等の着脱可能なものでもよい。

このようにして、実施形態１～５による撮像装置１０００を適用した撮像システム３０００を構成することにより、高性能の撮像システムを実現することができる。

（実施形態７）
本発明の実施形態７による撮像システム及び移動体について、図１４Ａ及び図１４Ｂを用いて説明する。図１４Ａ及び図１４Ｂ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１４Ａは、車載カメラに関する撮像システム４０００の一例を示したものである。撮像システム４０００は、撮像装置４１００を有する。撮像装置４１００は、上述の実施形態に記載の撮像装置のいずれかである。撮像システム４０００は、画像処理部４１２０と、視差取得部４１４０と、距離取得部４１６０と、衝突判定部４１８０と、を有する。画像処理部４１２０は、撮像装置４１００により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う処理装置である。視差取得部４１４０は、撮像装置４１００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）の算出を行う処理装置である。距離取得部４１６０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処理装置である。衝突判定部４１８０は、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処理装置である。ここで、視差取得部４１４０や距離取得部４１６０は、対象物までの距離情報等の情報を取得する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４１８０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。上述の処理装置は、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基づいて演算を行う汎用のハードウェアによって実現されてもよい。また、処理装置はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、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４０００は、車両情報取得装置４２００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４０００は、衝突判定部４１８０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ＥＣＵ４３００が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ４３００は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム４０００は、衝突判定部４１８０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４４００とも接続されている。例えば、衝突判定部４１８０の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ４３００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４４００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４０００で撮像する。図１４Ｂに、車両前方（撮像範囲４５００）を撮像する場合の撮像システム４０００を示した。車両情報取得装置４２００は、撮像システム４０００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。上述の実施形態の撮像装置を撮像装置４１００として用いることにより、本実施形態の撮像システム４０００は、測距の精度をより向上させることができる。

以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自動車等の車両に限らず、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（輸送機器）に適用することができる。移動体（輸送機器）における移動装置はエンジン、モーター、車輪、プロペラなどの各種の駆動源である。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。

（その他の実施形態）
撮像装置は、画素が設けられた第１半導体チップと、読み出し回路（増幅器）が設けられた第２半導体チップとを積層した構造（チップ積層構造）を有していてもよい。第２半導体チップにおける読み出し回路（増幅器）は、それぞれ、第１半導体チップの画素列に対応した列回路とすることができる。また、第２半導体チップにおける読み出し回路（増幅器）は、それぞれ、第１半導体チップの画素あるいは画素ブロックに対応したマトリックス回路とすることもできる。第１半導体チップと第２半導体チップとの接続は貫通電極（ＴＳＶ）、銅（Ｃｕ）等の金属の直接接合によるチップ間配線、チップ間のマイクロバンプによる接続などを採用することができる。

なお、上記実施例は、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。また、これまで述べた各実施例を種々組み合わせて実施することができる。

１００ 撮像装置
４２０ 第１ノードＦＤ（フローティングディフュージョン）
４３０ 第１の増幅トランジスタ
４５０ トランジスタ
４６０ 第２ノードＭＥＭ
４７０ 第２の増幅トランジスタ
５００ 電圧切り替え回路
５１０ 光電変換素子

Claims (11)

1. 光電変換部と、
   前記光電変換部からの光電変換信号を蓄積する蓄積部と、
   前記蓄積部の光電変換信号を出力する第１の増幅トランジスタと、
   前記第１の増幅トランジスタの出力信号を保持容量の第１の端子に書き込むトランジスタと、
   前記第１の端子がゲートに接続され、前記第１の端子の電圧に応じた電圧を出力する第２の増幅トランジスタと、
   前記保持容量の第２の端子の電圧を切り替える制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記蓄積部をリセットした電位に対応した信号を第１読み出す第１期間と前記光電変換信号を読み出す第２期間において、前記第２の端子の電圧を第１の電圧とし、
   前記第１の増幅トランジスタの出力信号を前記保持容量の第１の端子に書き込む期間および前記第２の増幅トランジスタが電圧を出力する期間を含む、前記第１期間および前記第２期間以外の期間において、前記第２の端子の電圧を第２の電圧とする、
   ことを特徴とする、撮像装置。
2. それぞれ前記光電変換部、前記蓄積部、前記第１の増幅トランジスタ、前記トランジスタ、および前記第２の増幅トランジスタを含む複数の画素が、２次元状に配置されている、
   請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御手段は、選択画素については前記第２の端子の電圧を第２の電圧とすることによって前記第２の増幅トランジスタを駆動状態とし、非選択画素について前記第２の端子の電圧を第３の電圧とすることによって、前記第２の増幅トランジスタは非駆動状態とする、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記第１の増幅トランジスタと前記第２の増幅トランジスタはＮＭＯＳソースフォロア回路であり、
   前記第１の電圧は前記第２の電圧より大きい、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記第１の増幅トランジスタと前記第２の増幅トランジスタはＮＭＯＳソースフォロア回路であり、
   前記第３の電圧は前記第２の電圧より小さい、
   ことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
6. 前記第１の増幅トランジスタと前記第２の増幅トランジスタはＰＭＯＳソースフォロア回路であり、
   前記第１の電圧は前記第２の電圧より小さい、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記第１の増幅トランジスタと前記第２の増幅トランジスタはＰＭＯＳソースフォロア回路であり、
   前記第３の電圧は前記第２の電圧より大きい、
   ことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
8. 前記保持容量の第２の端子は、行毎に共通に接続され、
   前記制御手段は、行毎に前記保持容量の第２の端子の電圧を切り替える、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記光電変換部は、画素電極、光電変換膜、上部電極を備える、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記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。
11. 移動体であって、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    移動装置と、
    前記撮像装置から出力される信号から情報を取得する処理装置と、
    前記情報に基づいて前記移動装置を制御する制御装置と、
    を有することを特徴とする移動体。

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