JPWO2012086123A1

JPWO2012086123A1 - 撮像装置

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Publication number: JPWO2012086123A1
Application number: JP2012549606A
Authority: JP
Inventors: 勝紀水野; 松長　誠之; 誠之松長; 山本　孝大; 孝大山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2031-11-21
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Abstract

本発明は、行列状に配置された複数の単位セル（１５１）を有する固体撮像素子（１）を備える撮像装置であって、単位セル（１５１）は光電変換部（１１１）を有し、光電変換部（１１１）は、半導体基板（３１）の上方に形成された光電変換膜（４５）と、光電変換膜（４５）の半導体基板（３１）側の面に形成された単位セル電極（４６）と、光電変換膜（４５）の単位セル電極（４６）と反対側の面に形成された透明電極（４７）とを有し、撮像装置は、さらに、単位セル電極（４６）と透明電極（４７）との間に固体撮像素子（１）の感度を制御する感度可変用電圧を印加する印加電圧制御部（１２）と、固体撮像素子（１）からの撮像画像データの出力レベルを検出するシステム制御部（１０）と、システム制御部（１０）で検出された出力レベルに基づいて感度可変用電圧を変化させる露出補正制御部（１３）とを備える。

Description

本発明は、撮像装置に係り、特にフレーム毎の動解像度の劣化（不連続性）を抑えて露出補正させることが可能な撮像装置に関する。

従来から、光電変換により固体撮像素子に蓄積された電荷を放電させ、固体撮像素子の電荷蓄積時間を制御する、いわゆる電子シャッタ機能を用いる手法があった（例えば特許文献１〜３参照）。以下、従来技術である、電子シャッタ機能を有する撮像装置について述べる。

撮像装置であるビデオカメラの構成を示す機能ブロック図の一例を図１４に示す。

このビデオカメラは、固体撮像素子３０１の光入射側に、レンズ３０２及び絞り／メカシャッタ３０３を備えると共に、光入射された固体撮像素子３０１から出力される撮像データを受け取り、相関二重サンプリング処理、及びアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換処理を行うアナログ信号処理部３０４と、アナログ処理されたデジタルの撮像データ（画像信号）を受け取り、ＲＧＢ／ＹＣ変換処理などの信号処理を行って撮像画像データを生成するデジタル信号処理部３０５と、デジタル信号処理部３０５でデジタル処理された撮像画像データをモニタに表示するためのグラフィックＩ／Ｆ３０６と、撮像画像データを表示するディスプレイ３０７と、デジタル処理された撮像画像データをＪＰＥＧ形式等の撮像画像データに圧縮する圧縮信号処理部３０８と、圧縮された撮像画像データを記録する記録媒体３０９と、アナログ信号処理部３０４及びデジタル信号処理部３０５からの出力データや、制御信号等の入出力を行うシステム制御部３１０とを備える。

システム制御部３１０は、固体撮像素子３０１の電子シャッタ動作を制御するための電子シャッタ駆動部（ＴＧ）３１１と、絞り／メカシャッタ３０３を制御するための露光制御ドライバ３１２と、レンズを制御するためのレンズドライバ３１３とを、露出量等に関する情報を含むシステム制御部３１０に入力された撮像画像データに合わせて制御する。

上記構成のビデオカメラを用いた代表的な露出補正の手順のフローチャートを図１５に示す。

入射光は固体撮像素子３０１で受光され、受光により固体撮像素子３０１で生成された画像信号はアナログ信号処理部３０４及びデジタル信号処理部３０５で処理されて撮像画像データが生成される。撮像画像データはシステム制御部３１０に入力され、入力された撮像画像データに合わせて、絞り／メカシャッタ３０３が制御されて大まかな露出補正がされた後（ステップＳ１１）、電子シャッタ駆動部３１１の電子シャッタスピード（電荷蓄積時間）が調整されて露出補正が行われる（ステップＳ１２）。

ここで、絞り／メカシャッタ３０３を用いる場合は、高コストとなるので、絞り／メカシャッタ３０３はビデオカメラに搭載されないこともあり、図１５に示すステップＳ１１の露出補正が行われずに、ステップＳ１２の電子シャッタスピードの調整のみで露出補正が行われることもある。

特開平１−１１２８７７号公報特開平４−１６７７７９号公報特開平５−１６７０５６号公報

しかしながら、近年の高フレームレート化、高解像度化（フルＨＤ規格等）に対して、特許文献１〜３の露出補正に電子シャッタ機能を用いる手法では、フレーム毎に動解像度が変化し、撮像画の動き（動解像度）が不自然になる画質不良が発生するという課題がある。また、原理的に、映像出力されない電荷を蓄積する不要電荷蓄積時間が発生し、動画撮影時に動きのある被写体が不連続に映像出力される画質不良が発生するという課題もある。

ここで、特許文献２では、リセット制御信号を離散的に発生させることで、動解像度の変化を抑える効果が期待されているが、離散パルス発生回路や周辺演算回路が、固体撮像素子とは別に必要であるため、回路規模増大によるコストの増加、小型化できない等の問題がある。

本発明の目的は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、画質不良を抑えつつ露出補正のできる撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る撮像装置は、行列状に配置された複数の単位セルを有する固体撮像素子を備える撮像装置であって、前記単位セルは、光電変換部を有し、前記光電変換部は、半導体基板の上方に形成された光電変換膜と、前記光電変換膜の前記半導体基板側の面に形成された画素電極と、前記光電変換膜の前記画素電極と反対側の面に形成された透明電極とを有し、前記撮像装置は、さらに、前記画素電極と前記透明電極との間に前記固体撮像素子の感度を制御する感度可変用電圧を印加する電圧印加手段と、前記固体撮像素子からの撮像画像データの出力レベルを検出するレベル検出手段と、前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて前記感度可変用電圧を変化させる制御手段とを備えることを特徴とする。

ここで、前記固体撮像素子は、さらに、前記単位セルの列に対応して設けられ、対応する列の前記単位セルの信号電圧を伝達する垂直信号線を有し、前記単位セルは、さらに、増幅トランジスタ、選択トランジスタ及びリセットトランジスタを有し、前記増幅トランジスタは、前記垂直信号線と電源配線との間に挿入され、かつゲートが前記画素電極に接続され、前記リセットトランジスタは、前記画素電極と接続され、かつ前記画素電極の電位をリセットし、前記選択トランジスタは、前記増幅トランジスタと前記垂直信号線との間又は前記増幅トランジスタと前記電源配線との間に挿入されてもよい。

本態様によれば、積層型の固体撮像素子が用いられ、該固体撮像素子の感度を決める画素電極と透明電極との間の電圧が感度可変用電圧とされて可変とされる。従って、電荷蓄積時間を変化させずに、つまり電子シャッタ機能を用いることなく、感度可変用電圧を変化させて露出補正を行うことができるので、画質不良を抑えつつ露出補正を行うことができる。

また、前記単位セルは、さらに、定バイアストランジスタを有し、前記定バイアストランジスタは、前記画素電極と、前記増幅トランジスタのゲートとに接続され、かつゲートが定バイアス電源に接続されてもよい。

本態様によれば、感度可変用電圧の可変範囲を広くすることができるので、動解像度の変化を大きく抑えることができる。

また、前記制御手段は、さらに、前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて前記定バイアス電源の電圧を変化させてもよい。

本態様によれば、感度可変用電圧の可変範囲をさらに広くすることができるので、動解像度の変化をさらに大きく抑えることができる。

また、前記撮像装置は、さらに、前記固体撮像素子の電子シャッタ動作を制御する電子シャッタ制御手段を備え、前記制御手段は、さらに、前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて前記電子シャッタのタイミングを変化させることで、前記固体撮像素子への光の入射により前記光電変換膜で発生する電荷の蓄積時間を変化させ、前記制御手段は、前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて、前記蓄積時間を一定としたまま前記感度可変用電圧を変化させる第一の駆動モードと、前記蓄積時間と前記感度可変用電圧とを変化させる第二の駆動モードとのいずれを行うか決定してもよい。また、前記撮像装置は、さらに、前記固体撮像素子の電子シャッタ動作を制御する電子シャッタ制御手段を備え、前記制御手段は、さらに、前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて前記電子シャッタのタイミングを変化させることで、前記固体撮像素子への光の入射により前記光電変換膜で発生する電荷の蓄積時間を変化させてもよい。

本態様によれば、被写体の明るさに応じて感度可変用電圧と電荷蓄積時間とを調節し、露出補正を行うことができるので、自由度の高い露出補正を実現できる。

本発明に係る撮像装置によれば、画質不良を抑えつつ、被写体の条件に合わせて露出補正のできる撮像装置を実現できる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の構成を示す機能ブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の構成を示す回路図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の単位セルの構造を模式的に示す断面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の露出補正における駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。図５は、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の露出補正処理の処理手順を示すフローチャートである。図６Ａは、一般的な電子シャッタ機能による露出補正の結果の一例を示す図である。図６Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の露出補正の結果の一例を示す図である。図７は、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の露出補正の結果の一例を示す図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の構成を示す回路図である。図９は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子での光電変換膜の光電変換特性例を示す図である。図１０は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の光電変換部のポテンシャル図である。図１１は、本発明の第３の実施形態に係る撮像装置の構成を示す機能ブロック図である。図１２は、本発明の実施形態の比較例に係る固体撮像素子の構成を示す回路図である。図１３は、本発明の実施形態の比較例に係る撮像装置の電子シャッタ動作の駆動方法を示すタイミングチャートである。図１４は、従来のビデオカメラの構成の一例を示す機能ブロック図である。図１５は、従来の電子シャッタ機能による露出補正処理の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態における撮像装置について、図面を参照しながら説明する。

なお、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。また、以下において記述される数値は、すべて本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数値に制限されない。さらに、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。さらにまた、ＦＥＴのソース電極およびドレイン電極は同一の構造および機能である場合が殆どであり、明確に区別されないことも多いが、以下の説明では便宜上、信号が入力される電極をソース電極、出力される電極をドレイン電極と表記する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る撮像装置（ビデオカメラ）の構成を示す機能ブロック図を図１に示す。

本実施形態に係る撮像装置は、動画像や静止画像を撮像するカメラであって、固体撮像素子１の光入射側に、レンズ２及び絞り／メカシャッタ３を備えると共に、光入射された固体撮像素子１から出力される撮像データを受け取り、相関二重サンプリング処理、及びアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換処理を行うアナログ信号処理部４と、アナログ処理されたデジタルの撮像データ（画像信号）を受け取り、ＲＧＢ／ＹＣ変換処理などの信号処理を行って撮像画像データを生成するデジタル信号処理部５と、デジタル信号処理部５でデジタル処理された撮像画像データをモニタに表示するためのグラフィックＩ／Ｆ６と、撮像画像データを表示するディスプレイ７と、デジタル処理された撮像画像データをＪＰＥＧ形式等の所定の圧縮方式で圧縮する圧縮信号処理部８と、圧縮された撮像画像データを記録する記録媒体９とを備える。

固体撮像素子１は、光感度が可変ないわゆる感度可変型の固体撮像素子であり、例えば入射した光に応じて光電変換する光電変換膜（例えばアモルファスシリコン）を用いた積層型の固体撮像素子から構成される。

本実施形態に係る撮像装置は、アナログ信号処理部４及びデジタル信号処理部５からの出力データ、具体的には固体撮像素子１から出力される撮像画像データの出力レベルを検出し、また制御信号の出力を行うシステム制御部（レベル検出手段）１０を備える。

本実施形態の撮像装置は、固体撮像素子１の電子シャッタ動作を制御・駆動するための電子シャッタ駆動部（電子シャッタ制御手段）１１と、固体撮像素子１の感度を制御するための感度可変用電圧を固体撮像素子１に印加する印加電圧制御部（電圧印加手段）１２と、システム制御部１０の出力データに応じて、電子シャッタ駆動部１１と印加電圧制御部１２とを協働して制御するための露出補正制御部（制御手段）１３と、ＲＧＢの画像信号をシステム制御部１０から受信して自動焦点（ＡＦ）を行うためのレンズドライバ１５と、絞り／メカシャッタ３を制御するための露光制御ドライバ１４とを備える。

システム制御部１０は、アナログ信号処理部４及びデジタル信号処理部５からシステム制御部１０に入力された露出量等に関する情報を含む撮像画像データに合わせて、露出補正制御部１３とレンズドライバ１５と露光制御ドライバ１４とを制御する。

露出補正制御部１３は、システム制御部１０で検出された出力レベルに基づいて感度可変用電圧を変化させる。また、露出補正制御部１３は、システム制御部１０で検出された出力レベルに基づいて電子シャッタのタイミングを変化させることで、固体撮像素子１への光の入射により固体撮像素子１の光電変換膜で発生する電荷の蓄積時間を変化させる。露出補正制御部１３は、システム制御部１０で検出された出力レベルに基づいて、蓄積時間を一定としたまま感度可変用電圧を変化させる第一の駆動モードと、蓄積時間と感度可変用電圧とを変化させる第二の駆動モードとのいずれを行うか決定する。

なお、本実施形態に係る撮像装置では、例として、アナログ処理を行うアナログ信号処理部４を設けてあるが、固体撮像素子１からデジタル信号が出力される場合はこの限りではない。

本実施形態に係る撮像装置は、感度可変型の固体撮像素子１と、この固体撮像素子１を制御する印加電圧制御部１２と、電子シャッタ駆動部１１と印加電圧制御部１２とを協働で制御して露出補正を行う露出補正制御部１３とを備える点で図１４の撮像装置と大きく異なる。

図２及び図３を用いて、本実施形態に係る固体撮像素子１の詳細を説明する。

本実施形態に係る固体撮像素子１の構成を示す回路図を図２に示す。

固体撮像素子１は、図２に示すように、行列状に配置された複数の単位セル１５１と、単位セル１５１に種々のタイミング信号を供給する垂直走査部１５３と、アドレス制御線１２１と、カラム信号処理部１２２と、リセット制御線１２３と、電源配線１２５と、光電変換部制御線１３１と、単位セル１５１の列毎に設けられ、対応する列の単位セル１５１の信号電圧を伝達する垂直信号線１４１と、出力端子１４２と、単位セル１５１の信号を順次出力端子１４２へ読み出す水平信号読み出し部（水平走査部）１５５とを備えている。

なお、図２において、単位セル１５１は「２行２列」分だけを記載しているが、行数及び列数は任意に設定してよい。

単位セル１５１は、光電変換部１１１と、垂直信号線１４１と電源配線１２５との間に挿入され、ゲートが光電変換部１１１と接続された増幅トランジスタ１１３と、ドレインが光電変換部１１１と接続されたリセットトランジスタ１１７と、増幅トランジスタ１１３と直列に接続された選択トランジスタ１１５とを有し、その出力は垂直信号線１４１に接続されている。

光電変換部１１１は、増幅トランジスタ１１３のゲート及びリセットトランジスタ１１７のドレインと、光電変換部制御線１３１との間に挿入されている。光電変換部１１１は、入射光を光電変換し、入射光の光量に応じた信号電荷を生成及び蓄積する。

選択トランジスタ１１５のゲートは、アドレス制御線１２１を介して垂直走査部１５３と接続されている。なお、選択トランジスタ１１５は、増幅トランジスタ１１３と垂直信号線１４１との間に挿入されているが、増幅トランジスタ１１３と電源配線１２５との間に挿入されてもよい。

リセットトランジスタ１１７のゲートは、リセット制御線１２３を介して垂直走査部１５３と接続されている。アドレス制御線１２１及びリセット制御線１２３は行ごとに設けられている。光電変換部制御線１３１は、全単位セル１５１に共通となっている。垂直信号線１４１は、カラム信号処理部１２２を介して水平信号読み出し部１５５と接続されている。

カラム信号処理部１２２は、相関２重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理及びアナログ／デジタル変換等を行う。

本実施形態の固体撮像素子１における単位セル１５１の構成を示す断面図を図３に示す。

単位セル１５１では、図３に示すように、シリコンからなる半導体基板３１に増幅トランジスタ１１３、選択トランジスタ１１５及びリセットトランジスタ１１７が形成されている。

増幅トランジスタ１１３は、ゲート電極４１と、ドレインである拡散層５１と、ソースである拡散層５２とを有し、光電変換膜４５に光が入射することで発生した光電荷に応じた信号を垂直信号線１４１に読み出させる。

選択トランジスタ１１５は、ゲート電極４２と、ドレインである拡散層５２と、ソースである拡散層５３とを有している。増幅トランジスタ１１３のソースと選択トランジスタ１１５のドレインとは、共通の拡散層５２である。

リセットトランジスタ１１７は、ゲート電極４３と、ドレインである拡散層５４と、ソースである拡散層５５とを有している。拡散層５１と拡散層５４とは素子分離領域３３により分離されている。リセットトランジスタ１１７は、増幅トランジスタ１１３のゲートつまり単位セル電極（画素電極）４６の電位をリセット（初期化）する。

半導体基板３１の上には、単位セル１５１の各トランジスタを覆うように絶縁膜３５が形成されている。絶縁膜３５の上には光電変換部１１１が形成されている。

光電変換部１１１は、半導体基板３１の上方に形成され、単位セル電極４６及びこれに対向する透明電極４７との間に挟まれたアモルファスシリコン等からなる光電変換膜４５と、光電変換膜４５の下面（光電変換膜４５の半導体基板３１側の面）に形成された単位セル電極４６と、光電変換膜４５の上面（光電変換膜４５の単位セル電極４６と反対側の面）に形成された透明電極４７とを有している。

単位セル電極４６は、コンタクト３６を介して増幅トランジスタ１１３のゲート電極４１及びリセットトランジスタ１１７のソースである拡散層５４と接続されている。単位セル電極４６と接続された拡散層５４は蓄積ダイオードとして機能する。

上記構造の固体撮像素子１に被写体からの光が入射すると、光が光電変換膜４５に吸収され、吸収された光量に応じた正孔電子対（光電荷）が発生する。透明電極４７に正電圧を印加した場合は、発生された正孔電子対のうちの電子は透明電極４７側に移送され、透明電極４７と接続された電源（図示せず）に流れる。一方、正孔は拡散層５４側に移送されここに蓄積される。

なお、本実施形態の固体撮像素子１では、例として透明電極４７に正電圧を印加し、正孔をキャリアとして記載しているが、透明電極４７に負電圧を印加し、電子をキャリアとしても良い。

ここで、光入射によって光電変換膜４５内で発生する正孔電子対は、この光電変換膜４５内で再結合する場合がある。そこで、本実施形態の固体撮像素子１では、単位セル電極４６と透明電極４７との間に所望の制御電圧（感度可変用電圧）を印加する手段としての配線（光電変換部制御線１３１）が設けられる。この配線を通して、図１に示す印加電圧制御部１２が単位セル電極４６と透明電極４７との間の感度可変用電圧を調整し、光電変換膜４５内における電位勾配が制御される。これにより、正孔電子対に電離した正孔が単位セル電極４６に、電子が透明電極４７に速やかに移動して再結合が抑制され、電位勾配の制御によって固体撮像素子１の感度調整が可能となる。

本実施形態の撮像装置は、上記構造の固体撮像素子１を用い、さらに露出補正制御部１３によって、電子シャッタ駆動部１１と印加電圧制御部１２とを協働して制御することで、露出調節（露出補正）をすることができる。例として、本実施形態の撮像装置を用いた露出調節の駆動方法を図４に示す。

例えば、Ｆｒａｍｅ（フレーム）１の電荷蓄積及びその電荷の読み出しを終えてＦｒａｍｅ２の電荷蓄積及びその電荷の読み出しに移行する際に、図４のｔ２で固体撮像素子１に印加される感度可変用電圧、つまり光電変換部制御線１３１に印加される感度可変用電圧のみが印加電圧制御部１２より変化される。これによって、電荷蓄積時間を変化させずに、つまり図４のｔ１〜ｔ２の電荷蓄積時間１５６と図４のｔ２〜ｔ３の電荷蓄積時間１５７とを同じにして、固体撮像素子１の蓄積電荷量を制御して露出調節できる。

また、Ｆｒａｍｅ３の電荷蓄積及びその電荷の読み出しにおいて、電子シャッタ駆動部１１により電子シャッタ位置を図４のｔ３からｔ４変化させる。これによって、電荷蓄積時間を変化させて、つまりｔ３〜ｔ５の電荷蓄積時間を図４のｔ４〜ｔ５の電荷蓄積時間１５８に変化させて、固体撮像素子１の蓄積電荷量を制御して露出調節できる。

本実施形態に係る撮像装置が実行する図４の駆動方法を用いた露出補正制御部１３による露出補正処理の処理手順を示すフローチャートを図５に示す。

露出補正開始の後に、ステップＳ１において、得られた撮像画像データの出力値と、所望の標準露出設定値との差分を示す差分データを算出する。ここで、標準露出設定値は任意に設定できる値である。

次に、ステップＳ２において、得られた差分データが、所定の設定範囲内（設定値以下）であるか否かを判定する。得られた差分データが所定の設定範囲内であると判定された場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、得られた撮像画像データが出力される。

次に、ステップＳ２において得られた差分データが所定の設定範囲内でないと判定された場合（ステップＳ２でＮＯ）、ステップＳ３に進み、得られた差分データが固体撮像素子１によって感度補正が可能な範囲内であるか否かを判定する。

次に、得られた差分データが感度補正可能な範囲内である場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、ステップＳ４に進み、印加電圧制御部１２により、撮像画像データの出力値が標準露出設定値に近づく様に（差分が少なくなる様に）、固体撮像素子１の光電変換部制御線１３１に印加される感度可変用電圧を制御する。

次に、得られた差分データが感度補正可能な範囲内でない場合（ステップＳ３でＮＯ）、ステップＳ５に進み、印加電圧制御部１２により、撮像画像データの出力値が標準露出設定値に近づく様に、固体撮像素子１の光電変換部制御線１３１に印加される感度可変用電圧を制御する。

次に、ステップＳ６に進み、ステップＳ５で変化された感度可変用電圧を印加電圧標準設定値にセットする。この印加電圧標準設定値は任意に設定できる値である。

次に、ステップＳ７に進み、電子シャッタ駆動部１１により、固体撮像素子１の電子シャッタのタイミング（リセットトランジスタ１１７が導通状態になるタイミング）を調節し、撮像画像データの出力値が標準露出設定値に近づく様に制御する。

次に、ステップＳ４またはステップＳ７の後に、ステップＳ８に進み、撮像画像データの出力値と標準露出設定値との差分が所定の設定範囲内（設定値以下）であるか否かを判定する。差分が所定の設定範囲内である場合（ステップＳ８でＹＥＳ）、この撮像画像データを出力する。差分が所定の設定範囲内でない場合（ステップＳ８でＮＯ）、露出補正を初めからやり直す。

なお、図５で示したステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７のフロー順番は、別の順番で並べられても良く、更には同時でも良い。また、ステップＳ６は、場合によっては必須ではない。

一般的な電子シャッタ機能による露出補正の結果の一例を図６Ａに示し、図５の処理手順による露出補正の結果の一例を図６Ｂに示す。ここで、図５のステップＳ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７と、図６ＢのステップＳ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７とはそれぞれ対応している。

一般的な電子シャッタ機能による露出補正では、被写体の環境が高輝度に変化していく際に、その高輝度時の撮像画像データの出力値つまり出力データ（Ｖｈｉｇｈ）を標準露出設定値に近づけるために、図６Ａに示すｐ７、ｐ６、ｐ５、ｐ４、ｐ３、ｐ２、ｐ１と順次電子シャッタ位置を連続的に変化させて露出補正を行う。そのため、１Ｆｒａｍｅ毎に動解像度が変化するというような非常に見苦しい画面になることがある。

これに対して、図５の露出補正では、ステップＳ４及びＳ５においては、印加電圧制御部１２によって感度を連続的に調節して補正を行う。そして、ステップＳ６及びＳ７においては、印加電圧を標準設定値にセットし、電子シャッタ駆動部１１によって電子シャッタ位置を調節して補正を行う。具体的には、図６Ｂに示すように、ｐ７、ｐ５、ｐ３と順次電子シャッタ位置を変化させることで露出補正を行う。しかし、ｐ７からｐ５、ｐ５からｐ３へ電子シャッタ位置を変化させる際は、ステップＳ４及びＳ５を経ているため、ｐ４とｐ６の電子シャッタ位置をスキップでき、電子シャッタ位置が連続的に変化することを回避できる。よって、図５の露出補正では、一般的な露出補正と比較して、電子シャッタ位置を連続的に変化させる必要がなくなるため、動解像度の変化を格段と抑えることができる。

以上、図面を用いて説明したように、本発明の実施形態に係る撮像装置は、電圧を印加すると感度が変化することを特徴とする固体撮像素子１と、固体撮像素子１に光が入射することで発生した光電荷の蓄積時間を制御する電子シャッタ駆動部１１と、固体撮像素子１に感度可変用電圧を印加する印加電圧制御部１２と、固体撮像素子１の出力レベルを検出するシステム制御部１０と、システム制御部１０の出力に基づいて電荷蓄積時間と感度可変用電圧とを制御する露出補正制御部１３とを備える。そして、露出補正制御部１３は被写体の明るさに応じて、固体撮像素子１に加える印加電圧と電子シャッタの駆動を調節するためのものであり、固体撮像素子１に加える感度可変用電圧によって感度を調節することにより、電子シャッタを連続的に変化させることなく露出補正を実現することができる。

また、本発明の実施形態に係る撮像装置は、システム制御部１０の出力に応じて電荷蓄積時間を一定としたまま感度可変用電圧を変化させる第一の駆動モードと、システム制御部１０の出力に応じて電荷蓄積時間と感度可変用電圧とを変化させる第二の駆動モードとを切り換え、固体撮像素子１から出力される画像信号を制御する露出補正制御部１３を備える。これにより、動解像度の不自然な変化を抑えた露出補正が可能となる。

なお、図６Ａ及び図６Ｂでは、例として、高輝度時から出力を下げていき、標準露出設定値に近づくように露出補正を行っているが、低輝度時から出力を上げていき、標準露出設定値に近づくように露出補正を行ってもよい。

また、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１は感度が可変する、いわゆる感度可変型固体撮像素子であれば、構造が図２及び図３に限定されるものではない。

例えば、図２及び図３の固体撮像素子１では、例えばアモルファスシリコン等の光電変換膜４５を用いた感度可変素子を用いているが、光電変換膜４５への許容印加電圧が更に高く、感度可変範囲の広い例えばアモルファスセレン等の光電変換膜４５を用いてもよい。このような固体撮像素子１を用いることで、印加電圧による感度可変範囲が更に広くなり、例えば図７に示す様に、高輝度時の出力データ（Ｖｈｉｇｈ）を標準露出設定値に近づける際に、ｐ７からｐ４に電子シャッタ位置を変更するのみで良く、動解像度の変化をより一層抑えた露出補正を実現することができる。

また、図２及び図３の固体撮像素子１では、単位セル１５１は、ＭＯＳ型イメージセンサで用いられる３トランジスタ構成の信号読出回路を例として図示しているが、４トランジスタ構成の信号読出回路としてもよい。

また、図２及び図３の固体撮像素子は、信号読出手段として従来のＭＯＳ型イメージセンサで用いる３トランジスタ構成や４トランジスタ構成の信号読出回路を用いたが、信号読出手段として、従来のＣＣＤ型イメージセンサで用いるレジスタでなる電荷転送路を用いる構成としても良い。また、信号電荷蓄積部をダイオードで構成したが、キャパシタで信号電荷蓄積部を構成することも可能である。また、ＣＣＤ型の固体撮像素子を用いてもよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の撮像装置は、固体撮像素子１の構成が第１の実施形態の撮像装置と異なる。図８を用いて、本実施形態に係る固体撮像素子１の詳細を説明する。

本実施形態に係る固体撮像素子１の構成を示す回路図を図８に示す。なお、図８において、単位セル１５１は「２行２列」分だけを記載しているが、行数及び列数は任意に設定してよい。

本実施形態の固体撮像素子１は、図８に示すように、ゲートが定バイアス制御線１４６を介して定バイアス電源１４５と接続された定バイアストランジスタ１４４を単位セル１５１がさらに有するという点で第１の実施形態の固体撮像素子１と異なる。定バイアストランジスタ１４４は光電変換膜４５（単位セル電極４６）に接続され、増幅トランジスタ１１３のゲート及びリセットトランジスタ１１７のドレインと接続されている。第１の実施形態の構成で、動解像度の変化を抑えた露光補正が可能となるが、この構成によりさらに動解像度の変化を抑えることができる。その理由について以下で詳述する。

第１の実施形態の固体撮像素子１を駆動中の光電変換部１１１のポテンシャル図を図１０に示す。

例えば、キャリアを電子とした場合、光電変換膜４５で発生した電子は、透明電極４７と単位セル電極４６との間に発生する電位勾配に従って、拡散層５４に蓄積される。拡散層５４に電荷が蓄積されると、図１０に示すように拡散層５４の電位が下がるため（図１０では上へ移行するため）、単位セル電極４６と透明電極４７との間に発生する電位勾配が緩やかになる。従って、光電変換膜４５に加わる電圧が下がる、つまり、固体撮像素子１を駆動中に、光電変換膜４５に加わる電圧が変化する。

また、第１の実施形態の固体撮像素子１の光電変換膜４５の光電変換特性例を図９に示す。図９に示すように、光電変換膜４５の印加電圧が変化すると、光電変換特性が変化する、つまり固体撮像素子１を駆動中に、光電変換膜４５に加わる電圧が変化すると光電変換効率が変化する領域Ｘや領域Ｚがある。よって、領域Ｙのみでなく、領域Ｘや領域Ｚを用いて固体撮像素子１を駆動する際に、駆動中も光電変換膜４５に加わる電圧を一定に保つ、つまり光電変換特性を一定に保つ必要が出てくる。

そこで、単位セル１５１を、定バイアストランジスタ１４４を加えた構成とすることで、固体撮像素子１を駆動中の光電変換効率の変動を抑制することができる。定バイアストランジスタ１４４に定バイアス電源１４５から、定バイアス制御線１４６を介して一定のバイアスを加えることで、蓄積部（拡散層５４）の電位が一定に保たれるため、信号が蓄積されても単位セル電極４６の電位を一定に保つことができ、光電変換膜４５に加わる電圧を一定に保つことができる。よって、固体撮像素子１に印加する感度可変用電圧の可変範囲を広くすることができ、上記第１の実施形態に比べ、さらに動解像度の変化を抑えて露出補正をすることができる。

なお、本実施形態の固体撮像素子１において、定バイアス制御線１４６は、定バイアス電源１４５と定バイアストランジスタ１４４のゲートとを接続するものであれば図８の構成に限定されない。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る撮像装置（ビデオカメラ）の構成を示す機能ブロック図を図１１に示す。

本実施形態の撮像装置は、システム制御部１０の出力に応じて定バイアス電源１４５の電圧を変化させるバイアス印加電圧制御部１６をさらに備えるという点で第２の実施形態の撮像装置と異なる。露出補正制御部１３は、システム制御部１０で検出された出力レベルに基づいてバイアス印加電圧制御部１６を制御して定バイアス電源１４５の電圧を変化させる。第２の実施形態の構成で、動解像度の変化を抑えて露出補正をすることができるが、この構成によりさらに動解像度の変化を抑えて露出補正をすることができる。

本実施形態の撮像装置は、定バイアストランジスタ１４４に接続された定バイアス電源１４５が供給する電圧を可変とすることで、光電変換膜４５に加わる電圧を制御することができる。バイアス印加電圧制御部１６を印加電圧制御部１２と併用することで、光電変換膜４５に加える感度可変用電圧の範囲が更に広くなる構成となり、動解像度の変化をより一層抑えた露出補正を実現することができる。

（比較例）
以下、図１２及び図１３を参照に本発明の実施形態の比較例に係る撮像装置について説明する。

本比較例に係る撮像装置が備える固体撮像素子の回路構成図を図１２に示す。

この固体撮像素子では、光電変換部２１０にて光電変換された信号は、垂直走査部２１３によって選択された単位セル２１２の選択トランジスタ２１７を通って出力アンプ２１８に出力される。出力アンプ２１８で増幅された信号は、読み出し制御線２１１を介して供給される読み出し信号によって制御される読み出しトランジスタ２１６を通って出力される。また、出力アンプ２１８にて増幅された信号は、必要に応じて、リセット制御線２１４を介して供給されるリセット信号によって制御されるリセットトランジスタ２１５を通ってリセットされる。この読み出し信号とリセット信号とを調節することで、上記の電子シャッタ動作による露出調節が行われる。なお、選択トランジスタ２１７は、垂直制御線２１９を介して供給される選択信号によって制御される。

本比較例に係る撮像装置の電子シャッタ動作の駆動方法を示すタイミングチャートを図１３に示す。

本比較例に係る撮像装置では、図１３より、単位セル２１２へ入力される読み出し信号とリセット信号との位相をずらすことにより電荷蓄積時間２２３を制御することができる。

しかし、本比較例に係る撮像装置は、Ｆｒａｍｅ２で行われているように、露出調整のためにリセット信号のパルス位置をｔ２からｔ３に変更すると、Ｆｒａｍｅ２の期間内の電荷蓄積時間２２４（図１３のｔ３〜ｔ４の時間）がＦｒａｍｅ１の時間内の電荷蓄積時間２２３（図１３のｔ１〜ｔ２の時間）と比べて相対的に短くなる（ｔ１〜ｔ２よりもｔ３〜ｔ４が短くなる）。その結果、光電変換部２１０で発生し、選択トランジスタ２１７を通って出力アンプ２１８で増幅され、図１３のｔ２〜ｔ３の不要電荷蓄積時間２２５に蓄積された電荷は、読み出しトランジスタ２１６を経由して映像出力されず、リセットトランジスタ２１５を経由してリセットされるため、動画撮影時に動きのある被写体が不連続に映像出力される。よって、従来の電子シャッタ機能を露出補正として用いる場合、特に露光時間を連続して可変にして用いようとすると、それぞれの露光時間における動解像度の差がそのまま画面上に現われ、１Ｆｒａｍｅ毎に動解像度が不自然に変化するという画面劣化が生じる。

以上、本発明の撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本発明は、撮像装置に有用であり、特に放送用ビデオカメラ等の撮像装置及び高解像度での動画像撮影を目的とする映像装置等に有効である。

１、３０１固体撮像素子
２、３０２レンズ
３、３０３絞り／メカシャッタ
４、３０４アナログ信号処理部
５、３０５デジタル信号処理部
６、３０６グラフィックＩ／Ｆ
７、３０７ディスプレイ
８、３０８圧縮信号処理部
９、３０９記録媒体
１０、３１０システム制御部
１１、３１１電子シャッタ駆動部
１２印加電圧制御部
１３露出補正制御部
１４、３１２露光制御ドライバ
１５、３１３レンズドライバ
１６バイアス印加電圧制御部
３１半導体基板
３３素子分離領域
３５絶縁膜
３６コンタクト
４１、４２、４３ゲート電極
４５光電変換膜
４６単位セル電極
４７透明電極
５１、５２、５３、５４、５５拡散層
１１１、２１０光電変換部
１１３増幅トランジスタ
１１５、２１７選択トランジスタ
１１７、２１５リセットトランジスタ
１２１アドレス制御線
１２２カラム信号処理部
１２３、２１４リセット制御線
１２５電源配線
１３１光電変換部制御線
１４１垂直信号線
１４２出力端子
１４４定バイアストランジスタ
１４５定バイアス電源
１４６定バイアス制御線
１５１、２１２単位セル
１５３、２１３垂直走査部
１５５水平信号読み出し部
１５６、１５７、１５８、２２３、２２４電荷蓄積時間
２１１読み出し制御線
２１６読み出しトランジスタ
２１８出力アンプ
２１９垂直制御線
２２５不要電荷蓄積時間

Claims

行列状に配置された複数の単位セルを有する固体撮像素子を備える撮像装置であって、
前記単位セルは、光電変換部を有し、
前記光電変換部は、半導体基板の上方に形成された光電変換膜と、前記光電変換膜の前記半導体基板側の面に形成された画素電極と、前記光電変換膜の前記画素電極と反対側の面に形成された透明電極とを有し、
前記撮像装置は、さらに、
前記画素電極と前記透明電極との間に前記固体撮像素子の感度を制御する感度可変用電圧を印加する電圧印加手段と、
前記固体撮像素子からの撮像画像データの出力レベルを検出するレベル検出手段と、
前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて前記感度可変用電圧を変化させる制御手段とを備える
撮像装置。
前記固体撮像素子は、さらに、前記単位セルの列に対応して設けられ、対応する列の前記単位セルの信号電圧を伝達する垂直信号線を有し、
前記単位セルは、さらに、増幅トランジスタ、選択トランジスタ及びリセットトランジスタを有し、
前記増幅トランジスタは、前記垂直信号線と電源配線との間に挿入され、かつゲートが前記画素電極に接続され、
前記リセットトランジスタは、前記画素電極と接続され、かつ前記画素電極の電位をリセットし、
前記選択トランジスタは、前記増幅トランジスタと前記垂直信号線との間又は前記増幅トランジスタと前記電源配線との間に挿入される
請求項１に記載の撮像装置。
前記単位セルは、さらに、定バイアストランジスタを有し、
前記定バイアストランジスタは、前記画素電極と、前記増幅トランジスタのゲートとに接続され、かつゲートが定バイアス電源に接続される
請求項２に記載の撮像装置。
前記制御手段は、さらに、前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて前記定バイアス電源の電圧を変化させる
請求項３に記載の撮像装置。
前記撮像装置は、さらに、前記固体撮像素子の電子シャッタ動作を制御する電子シャッタ制御手段を備え、
前記制御手段は、さらに、前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて前記電子シャッタのタイミングを変化させることで、前記固体撮像素子への光の入射により前記光電変換膜で発生する電荷の蓄積時間を変化させ、
前記制御手段は、前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて、前記蓄積時間を一定としたまま前記感度可変用電圧を変化させる第一の駆動モードと、前記蓄積時間と前記感度可変用電圧とを変化させる第二の駆動モードとのいずれを行うか決定する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記撮像装置は、さらに、前記固体撮像素子の電子シャッタ動作を制御する電子シャッタ制御手段を備え、
前記制御手段は、さらに、前記レベル検出手段で検出された出力レベルに基づいて前記電子シャッタのタイミングを変化させることで、前記固体撮像素子への光の入射により前記光電変換膜で発生する電荷の蓄積時間を変化させる
請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。