JPS60152180A - 固体撮像デバイスを用いた撮影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 皮先斑Ｉ 本発明は撮影装置、とくに、撮像セルを非晶質半導体な
どの光導電層の積層構造とする固体撮像デバイスを用い
た撮影装置に関するものである。

貨」Ｌ挟Ｊ 固体撮像デバイスは、入射光の強度に応じた光電流を出
力する範囲、すなわちタイナミックレンジがあまり広く
ない。これＩ±、撮影条件の異なる様々な被写体を撮影
する場合に問題を生ずる。

たとえば、マイクロフィルムのコマを拡大してスクリー
ンに表示するマイクロフィルムリータの場合、撮像素子
として固体撮像デバイスを使用すると、表示に最適な画
像信号を得るには複雑で高度な信号処理回路を必要とし
ていた。　一般にマイクロフィルムには銀塩フィルム及
びジアゾフィルム等があるが、銀塩フィルムの場合多く
はネガ像であり、またジアゾフィルムの場合多くは銀塩
フィルムからの密着転写によるポジ像であるため、実際
のマイクロフィルムの中にはネガ像、ポジ像が混在して
いる。また、マイクロフィルムに記録された対象物にも
１文字等の書かれた原稿や中間調の写真などを含む様々
な階調をもった画像が含まれている。

したかって、このようなバラエティに富んだマイクロフ
ィルムの記録画像を固体撮像デバイスで撮影し、表示に
最適な画像信号を得るには、コントラストの硬軟はもと
より、陰画−陽画の変換（ネガポジ変換）をも含む信号
処理を行なわなければならない。この信号処理は、固体
撮像デフへイスの出力信号に対して行なわれるγ補正を
可変としたり、出力信号のレベルを反転するなどの複雑
な回路を必要とする。

さらには、−に記銀塩フィルムおよびジアゾフィルムで
は分光透過特性が異なるため、表示に最適な画像信号を
得るには固体撮像デバイスの分光感度特性を可変にする
必要がある。

また、上記の他、ファクシミリ等において様々な色の原
稿、印刷物を転送する際、例えば赤で書かれた文字を強
調したいとか、青い紙を白く出したいなどという要求が
あるが、撮像デへイスの分光感度特性を可変にすればこ
れらの要求を満たすことかで−９る。

ところで、撮像セルが非晶質半導体などの光導電１１り
の積層構造をなす固体撮像デバイスは、入射光に対する
光学開口率が大きく高感度であり、分光感度の設計自由
度が高くて感光波長領域が広く、シかもブルーミングを
効果的に抑制できるなどの特長がある。本発明は、この
ような撮像デバイスの特長に着目し、出力する画像信号
のコントラストおよびネガポジ（ＮＰ）反転などを含む
階調特性、さらには分光感度特性までも可変な撮影装置
を提供するものである。

なお本明細書において［出力特性Ｊとは、最も広義に解
釈するものとし、単なる光学濃度の差についてのみなら
ず、ＮＰ反転、分光感度特性をも包含するものである。

則−犯 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、複雑な回
路を必要とすることなく、出力する画像信号の出力特性
がＵ（変な固体撮像デバイスを用いた撮影装置を提供す
ることを目的とする。

魚豆二旦ｊ 本発明によれば、複数の撮像セルが半導体基板にで撮像
セル配列を形成している固体撮像デバイスと、複数の撮
像セルから順次映像信号を読み出す読出し手段とを含む
固体撮像デバイスを用いた撮影装置において、固体撮像
デバイスの各撮像セルは、半導体基板上に形成され光キ
ャリアを蓄積する接合部、この接合部に光キャリアを集
める金属層、この金属層の上に形成され入射光に応じた
光キャリアを発生する光導電層、および光導電層の上に
形成され光に透明な導電材料からなる透明電極層を有し
、撮影装置は、透明電極層にバイアス電圧を印加しバイ
アス電圧の値および極性のうちの少なくとも一方が可変
な電源手段を含み、電源手段によってバイアス電圧の値
および極性のうちの少なくとも一方を変えることで映像
信号の出力特性を調整可能とするものである。

本発明の１つの態様によれば、光導電層は、入射光のう
ち比較的長い波長の光が接合部に到達可能な程度に薄く
形成され、金属層は、接合部に対応する部分に少なくと
も部分的に光学的開口を有してもよい。

史」０飢１」級」 次に栃付図面を参照して本発明による固体撮像デバイス
を用いた撮影装置の実施例を詳細に説明する。

第１図を参照すると、非晶質半導体を光導電膜として使
用した固体撮像デバイスの例における１つの撮像セル１
０の構成が縦断面図で概念的に示されている。この例で
は、ｎ型シリコンｌ板１２の１つの主表面上に形成され
たｐ型エピタキシャル層１４に光キヤリア蓄積ダイオー
ドｌＢが形成されている。それらの上にさらに、図示の
ように、たとえばアルミニウムなどの金属からなる電極
層２０が絶縁材料層２１をはさんで形成されている。ま
た、多結晶層２２は絶縁材料層２３を介してＭＯＳスイ
ッチング素子４２を構成し、第２のアルミニウム層２４
は、ダイオード１６から映像信号を読み出す出力線を形
成している。

アルミニウム層２０の上にさらに、非晶質の半導体層２
６が形成され、これによって光導電膜が構成されている
。光導電膜としては、たとえば水素化非晶質シリコン（
ａ−Ｓｉ：Ｈ）の他に、Ｚｎ５ｅ−ＺｎＧｄＴｅ膜、Ｓ
ｅ−＾５−Ｔｅ膜などが使用される。高導電膜２８の厚
さは、従来のこの種の撮像デバイスより若干薄く、後述
のように、入射光４Ｂの一部がダイオード１Ｂのｐｎ接
合にまで到達し、光キャリアをそこで励起してフォトダ
イオードをしてこれを機能させる程度の厚さが有利であ
る。

光導電膜２Ｂの上には透明電極２８が形成され、これは
たとえばＩＴＯ（Ｉｎ２０３−９ｎ０２）などでよい。

透明電極２８の上には、必要に応じて色フィルタ３０が
形成される。

金属層２０は、ダイオード１６６ノ上方の部分８０が少
なくとも部分的に開口し、またはごく薄く形成されるの
が有利である。より詳細には、入射光４６の一部がこの
部分８０を通してダイオード１６のｐｎ接合部にまで到
達できるように、部分６０は光学的開口を形成している
。なお、本明細書において「光学的開口」とは、機械的
に開口している部分のみならず、光に対して透明または
半透明な部分や、光が入射可能な程度に層厚が薄い部分
をも含むものである。

このように、光導電膜２６の厚さが薄いこと、および金
属層２０に光学的開口ＢＯが形成されていることによっ
て、導電膜２６における光吸収係数の小さい波長、すな
わち赤色領域の長波長光は、ダイオード１６のｐｎ接合
部にまで到達し、そこで光キャリアを励起することがで
きる。

第２図を参照すると、第１図に示す１つの撮像セルｌＯ
の等価回路が示されている。これかられかるように、基
板１２が接地され、透明電極２８が直流電源４０によっ
て正または負にバイアスされる。電源４０は、図示のよ
うに正の極性で接続された直流電源６２と負の極性で接
続された直流電源６４とを有し、これらが切換え接点６
Ｂを通して択一的に透明電極２８に接続され、バイアス
電圧ＶＴをこれに供給する。電＠６２および６４は、図
からも明らかなように、その供給電圧の値がたとえば手
動にてｕｆ変である。このように、電源４０は、後の説
明からもわかるように、極性および電圧が可変であるこ
とによって、撮像デバイスの出力する映像信号のネガポ
ジ（ＮＰ）変換およびコントラスト調整などの階−調時
性を指示する手段を構成している。

蓄積ダイオード１６の陰極は、読出しスイッチ４２およ
び４３、ならびに負荷抵抗４５を介して映像電源４４に
接続される。スイッチ４２は概念的に接点の形で示され
ているが、第１図に示すＭＯＳスイッチング素子でよい
。スイッチ４３も同様である。実際には、撮像セルｌＯ
は多数、行列方向に配列されたアレイを構成しているの
で、１つの撮像セル１ｏに着目すると、等測的に水平行
選択用ＭＯＳスイッチング素子４２および垂直列選択用
ＭＯＳスイッチング素子４３が直列に接続された構成を
とっている。なお、このようなＭＯ３構造をとらないで
、たとえば電荷結合デバイス構造の電荷転送路の構成を
とってもよいことは言うまでもない。

このような撮像セルを非晶質半導体の積層構造とする固
体撮像デバイス１０において、スイッチ６Ｂを図示の接
続位置として透明電極２８に正の電圧を印加すると、す
なわちバイアス電圧ＶＴを正とすると、光導電膜２Ｂへ
の入射光４６によって膜２θ中で励起された光キャリア
のうち、電子４８が透明電極２８の方へ移送され、正孔
４９は、アルミニウム層２ｏに捕捉されて蓄積ダイオー
ド１Ｂへ移送され、そのｐｉ接合部に蓄積される。読出
しスイッチ４２および４３を閉じると、ダイオードＩ６
に蓄積されたキャリアに応じた電流が流れ、これが出力
映像信号として出力端子５０に出力される。

ところで本実施例でＩよ前述のように、光導電膜２６は
、長波長の入射光が光学開口６ｏを通ってダイオード１
６まで到達可能なようにある程度薄く構成されている。

すなわち、長い波長の光はど、つまり赤色領域に近い光
はど多くダイオード１６に入射して光キャリアを励起す
る。それ以外の波長領域の光は、主として導電膜２６中
において光キャリアを励起する。これは、非晶質シリコ
ンは、主として約８００ｎｍ程度以下の短波長域の光を
吸収し、ｐｎ接合の光応答域はそのピーク位置の中心が
これより長波長城にあるという性質を有効に利用するも
のである。

光導電膜２Ｂにおいて励起されたキャリアは、たとえば
バイアス電圧ＶＴが正であれば、そのうち正孔４８がこ
れによってダイオード１Ｂに向って走行するが、他の電
荷と再結合しないでそれが走行できる距＃１は、周知の
ように、キャリアの移動度にと寿命時間でとバイアス電
圧ＶＴの作る電界Ｅとの積で決まる。したがって、電界
Ｅが強いほど走行桁＃】が長い。

これは、電界Ｅが強いほどダイオード１８に到達する正
孔の量が多くなることを意味する。したがって、バイア
ス電圧ＶＴを可変とすることによって、入用光４６によ
って導電膜２６中に励起されたキャリアのうちダイオー
ドｌθに到達するものの割合を変えることができる。す
なわち、長波□長光以外の波長領域の入射光について、
撮像セル１０の入射光感度特性を変えることができる。

つまり、青（Ｂ）および緑（Ｇ）の波長領域については
、バイアス電圧ＶＴを変えることによって感度を可変と
する波長選択性が実現される。この波長選択性のある感
度可変機能については、バイアス電圧ＶＴを負にした場
合も、上記の説明において正孔と電子が入れ換わるだけ
で同じである。

しかし、バイアス電圧ＶＴを負にした場合は、光キャリ
アのうち正孔と１［子の役割が入れ換わる点に注意すべ
きである。つまり、撮像セル１０への入射光４θの強度
が同じでも、バイアス電圧ＶＴがｉｎのときとは出力５
０から取り出される信号電流の極性が反転しているため
、これによってＮＰ反転機能を実現することができる。

第３図を参照してより具体的に説明すると、ダイオード
１６のｐｎ接合部で入射光によって励起された光キャリ
アによる電流■は１点線２００で示すようにバイアス電
圧ＶＴに依存しない。しかし光導電１１１２Ｂ中で入射
光によって励起された光キャリアによる電流Ｉは、一点
鎖線２０２，２０４および２０６で示すようにバイアス
電圧ＶＴに依存し、バイアス°屯圧が大きいほどその変
化の割合が大きい、つまり感度が高い。したがって、結
果としての総和の出力電流Ｉは、同図に実線２１０，２
１２および２１４で示すようになる。このように、バイ
アス電圧ＶＴに応じて撮像セル１０としての感度を可変
とすることができる。

／ヘイアス電圧ＶＴをある程度低くすれば、すなわち、
光導電ｒＩｒＡ２Ｂ中で励起される光電流の絶対値がダ
イオード１６で励起される光電流（点線２００）のそれ
よりも小さくなるように低くすれば、総和の出力電流■
は方向が反転す′る。これは、同図においてバイアス電
流ＶＴがＯのとき、導電膜２Ｂ中で励起される光電流が
一点鎖１１２０Ｂで示されるようにＯであり、総和の出
力電流はダイオード１８で励起される光電流のみであっ
て反対方向に流れることからも明らかであろう。

また、バイアス電圧ＶＴの極性を反転すれば、ダイオー
ド１６のｐｎ接合部で励起された光電流Ｉについては変
化ないが、光導電膜２６中で励起された光゛上流Ｉは、
一点鎖線２０８で示すように向きが反対になる。したが
って、結果としての総和の出力電流■は、同図に実線２
１６で示すように反転される。

このように、バイアス電圧ＶＴの債をある程度低くし、
またはその極性を反転することで総和の出力電流の方向
を変え、これによってＮＰ反転機能が達成される。

次に、第４図および第５図を参照して本発明による分光
感度特性可変の撮像装置の基本的原理を説明する。第４
図は、ダイオードＩ６のｐｎ接合部および光導電層２６
において入射光４６により励起されて発生する光キヤリ
ア量の分光感度特性を概念的に示すグラフである。ダイ
オード１６のｐｎ接合部の分光感度特性（点線’２２０
）は前述した通りバイアス電圧ＶＴに関係なく一定であ
る。また光導電層２６の分光感度特性もやはりバイアス
電圧ＶＴに関係なく一定であるが、バイアス電圧ＶＴが
小の場合（実線２２２）と大の場合（一点鎖線２２４）
では前述した通り絶対量が異なる。このためダイオード
！６のｐｎ接合部で発生する光キャリアと光導゛重層２
６で発生する光キャリアの和として取り出される出力電
流Ｉの分光感度特性は、前記バイアス電圧ＶＴの値によ
って異なる。

第５図は第４図に示したダイオード１６のｐｎ接合部お
よび光導電層２Ｇの分光感度特性に基づいた出力電流Ｉ
の分光感度特性を示すグラフである。バイアス電圧ＶＴ
が０のときは出力電流Ｉダイオード１６のｐｉ接合部の
分光感度特性に二数する（点線２３０）が、バイアス電
圧ＶＴが小の場合（実線２３２）と人の場合（一点鎖線
２３４）では第５図に示すように分光感度特性が異なっ
てくる。すなわちバイアス電圧ＶＴの値を変えることに
よって分光感度特性を自由に設定することが可能である
。

第６図を参照すると、本発明による撮影装置をマイクロ
フィルムリーグに適用した実施例が示されている。その
主要部をなす固体撮像デバイス＋００は、第１図に示す
ような撮像セル１０が行列アレイ状に配列された撮像セ
ルアレイ１０２と、垂直シフトレジスタＩ０４と、水平
シフトレジスタ１０８とを有し、これらが１つのチップ
に形成されている。撮像セルアレイ１０２は、たとえば
、垂直方向Ｖに２４２行の水平走査線、水平方向Ｈに２
５８個の画素が配列され、したがってシフトレジスタ＋
０４および１０ｆｉもこれに対応したレジスタ段が用意
されている・ 垂直シフトレジスタ１０４の各し・′ンスタ段１０８は
、対応する水平行選択線＋１０を駆動するもので、各選
択線＋１０はスイッチ４２のゲート２２に接続されてい
る。スイッチ４２は、スイッチ４３と同様に本実施例で
は第７図に示すようなＭＯＳスイッチで構成されている
が、図の複雑化を避けるため、第６図では丸い記号で示
されている。そのソース０ドレーン路は、一方がタイオ
ード１６に接続され、他方は垂直線すなわち映像信号読
出し線２４に接続されている。

垂直線２４は、８０５２インチ４３の、ソース−トレー
ン路を通して各垂直列が共通に映像信号出力端子５０に
接続されている。ＭＯＳスイ、チ４３のゲート１１２は
、水平シフトレジスタｌ０ｆｌの対応するレジスタ段＋
１４に接続されている。

なお、第６図に示した説明のための実施例は、各撮碌セ
ルＩＯが単純に格子状に配列された白黒撮像デバイスの
場合を示している。本発明の原理の理解にはこれで十分
であるが、本発明はカラー撮像デバイスの場合にも効果
的に適用できることは言うまでもない。

ところで、本装置は、撮像デバイス１００の撮像セルア
レイ！０２に被写体＋４０の像を結像させる撮像レンズ
１１８を有する。被写体１４０は本実施例ではマイクロ
フィルムであり、たとえばその１コマが撮像レンズＩＩ
８にて撮影される。　′読出し１ノ制御回路１２Ｂは、
基準発振器＋３０の発生する基準クロックから様々なタ
イミング信号を形成して固体撮影デバイス１００を駆動
する回路である。読出し制御回路１２８は、信号線１３
２によって垂直シフトレジスタ１０４に歩進クロックφ
Ｖを、信号線＋３４によって駆動パルスＴＶをそれぞれ
供給し、信号線１３８によって水平シフトレジスタ１０
Ｂに歩進クロックφＨを、信号線１３６によって駆動パ
ルスＴＦＩをそれぞれ供給する。

本実施例では、標準テレビジョン方式の信号速度で出力
端子５０から映像信号を出力させる。したがって歩進ク
ロックφＶは、垂直シフトレジスタ１０４の各段１（１
８を１水平走査（ＩＨ）期間ごとに歩進させるクロック
であり、歩進クロックφＨは、水平シフトレジスタ１０
８の各段目４を１画素ａｌｌＪＩごとに歩進させるクロ
ックである。これらのクロックφＶおよびφＨは、同図
では単一の信号線で示されているが、実際には２相クロ
ツクが有利に使用される。

第６図において透明電極２８への接続端子が符号１４２
で示されているが、これに可変電源４０が接続される。

電源４０は、たとえば第２図に示すような構成をとり、
正負両極性のＱｆ変直流電圧ＶＴを透明電極２８に供給
することができる。したがって、電源回路４０の出力電
圧ＶＴのレベルや極性を変えることによって、Ｈｉｆ述
した１１ｆ変コントラスト機能およびＮＰ反転機能が実
現される。

なお、ここで説明した実施例は本発明を説明するための
ものであって１本発明は必ずしもこれに限定されるもの
ではなく、本発明の精神を逸脱することなく当業者が可
能な変形および修ＩＦは本発明の範囲に含まれる。たと
えば１図示の実施例ではダイオード１６のｐｎ接合部に
長波長光のみが選択的に入射され、分光感度特性がＩ′
Ｉｆ変となるように構成されているが、たとえば全波長
域の光がこれに入射可能なようにダイオード１６の上方
の光導電層を除去して全波長の光を透過させる光学開口
を設けてもよい。

汰−１ このように本発明によれば、固体撮像デバイスの光導電
層に印加する電圧の大きさを変えることによって出力映
像信号のコントラストを可変とし、またその極性を変え
ることによって出力映像信号のレベルを反転してＩＩＩ
Ｐ変換を行なっている。

したがって、従来のように複雑で高度な構成のγＪｌｉ
　ｊＥ回路やＮＰ変換回路を固体撮像デバイスの出力側
に設ける必要はない。

また、赤色光がｐｎ接合部に到達可能な程度に光導電膜
を薄く形成した場合は、出力映像信号の分光感度特性を
可変とすることができる。

本発明による撮影装置を、たとえばマイクロフィルムリ
ーグやファクシミリ等に用いられるラインセンサ　など
に適用すれば、様々な条件で記録された画像を常に適切
な表示状態の映像として再生することができる。

４　図面（７）　ｌ１ｉＴ　’ｌｊ　す説明第１図は、
非晶質半導体を光導電膜として使用した固体撮像デバイ
スの例における１つの撮像セルの構成を概念的に示す縦
断面図、 第２図は第１図に示す１つの撮像セルの等価回路を示す
概念的回路図、 第３図は本発明の基本原理を説明するためのグラフ、 第４１４および第５１４は本発明の詳細な説明するため
のグラフ。

第６図は本発明による撮゛影装置をマイクロフィルＪ・
リーグに適用した実施例を示すプロンク図。

第７図は第６図に使用されている回路黄素記５）の説明
図である。

＝！Ｐ　）の　−１の′Ｊ１ １０、、、撮像セル １８、、、光キヤリア蓄積ダイオード ２ｆｔ、、、光導電膜 ２８、、、透明電極 ４０、、、可変電源回路 ４２．４３．　、選択スイッチ ８２．８４．　、可変直流電源 ６Ｇ、、、切換えスイッチ １００、、、固体撮像デバイス ＋０２．、、撮像セルアレイ １０４．１０６．シフトレジスタ １２８、、、読出し制御回路 ＋４０．、、グイクロフィルム 特許出願人　富士写真フィルム株式会社泰２図 箪２７　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の撮像セルか半導体基板ヒで撮像セル配列を形
   成している固体撮像デバイスと、該複数の撮像セルから
   順次映像信号を読み出す読出し手段とを含む固体撮像デ
   バイスを用いた撮影装置において、 該固体撮像デバイスの各撮像セルは、前記半導体基板上
   に形成され光キャリアを蓄積する接合部と、該接合部に
   光キャリアを集める金属層と、該金属層の上に形成され
   入射光に応した光キャリアを発生する光導電層と、該光
   導電層の上に形成され光に透明な導電材料からなる透明
   電極層とを有し、 該撮影装置は、該透明電極層にバイアス電圧を印加し、
   該バイアス電圧の値および極性のうちの少なくとも一方
   が可変な電源手段を含み、該電源手段によって該バイア
   ス電圧の値および極性のうちの少なくとも一方を変える
   ことで前記映像信号の出力特性を調整可能とすることを
   特徴とする固体撮像デバイスを用いた撮影装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記光
   導電層は、入射光のうち比較的長い波長の光か前記接合
   部に到達可能な程度に薄く形成され。 前記金属層は、該接合部に対応する部分に少なくとも部
   分的に光学的開口を有することを特徴とする撮影装置。