WO2012086123A1 - 撮像装置 - Google Patents

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WO2012086123A1
WO2012086123A1 PCT/JP2011/006478 JP2011006478W WO2012086123A1 WO 2012086123 A1 WO2012086123 A1 WO 2012086123A1 JP 2011006478 W JP2011006478 W JP 2011006478W WO 2012086123 A1 WO2012086123 A1 WO 2012086123A1
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WO
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solid
imaging device
photoelectric conversion
unit
state imaging
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PCT/JP2011/006478
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勝紀 水野
松長　誠之
山本　孝大
Original Assignee
パナソニック株式会社
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Publication date
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    • H04N25/533—Control of the integration time by using differing integration times for different sensor regions
    • H—ELECTRICITY
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    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components

Definitions

  • the present invention relates to an imaging apparatus, and more particularly to an imaging apparatus capable of correcting exposure while suppressing deterioration (discontinuity) in dynamic resolution for each frame.
  • FIG. 14 shows an example of a functional block diagram showing the configuration of a video camera that is an imaging device.
  • This video camera includes a lens 302 and a diaphragm / mechanical shutter 303 on the light incident side of the solid-state image sensor 301, receives image data output from the light-entered solid-state image sensor 301, and performs correlated double sampling processing;
  • An analog signal processing unit 304 that performs A / D conversion processing for converting an analog signal into a digital signal, and analog processed digital imaging data (image signal) are received, and image processing is performed by performing signal processing such as RGB / YC conversion processing.
  • Digital signal processing unit 305 that generates image data, graphic I / F 306 for displaying captured image data digitally processed by digital signal processing unit 305 on a monitor, display 307 that displays captured image data, and digital processing Captured image data in JPEG format etc.
  • Compressed signal processing unit 308 for compressing, recording medium 309 for recording compressed captured image data, system control for inputting / outputting output data from analog signal processing unit 304 and digital signal processing unit 305, control signals, etc.
  • the system control unit 310 includes an electronic shutter drive unit (TG) 311 for controlling the electronic shutter operation of the solid-state imaging device 301, an exposure control driver 312 for controlling the aperture / mechanical shutter 303, and a lens.
  • the lens driver 313 is controlled in accordance with the captured image data input to the system control unit 310 including information on the exposure amount and the like.
  • FIG. 15 shows a flowchart of a typical exposure correction procedure using the video camera having the above configuration.
  • Incident light is received by the solid-state imaging device 301, and the image signal generated by the solid-state imaging device 301 by light reception is processed by the analog signal processing unit 304 and the digital signal processing unit 305 to generate captured image data.
  • the captured image data is input to the system control unit 310, and after the aperture / mechanical shutter 303 is controlled and rough exposure correction is performed in accordance with the input captured image data (step S11), the electronic shutter drive unit 311 performs the electronic control. Exposure correction is performed by adjusting the shutter speed (charge accumulation time) (step S12).
  • the aperture / mechanical shutter 303 when used, the cost is high. Therefore, the aperture / mechanical shutter 303 may not be mounted on the video camera, and the exposure correction in step S11 shown in FIG. Exposure correction may be performed only by adjusting the shutter speed.
  • Patent Document 2 an effect of suppressing change in dynamic resolution by generating reset control signals discretely is expected.
  • the discrete pulse generation circuit and the peripheral arithmetic circuit are separated from the solid-state imaging device. Since it is necessary, there are problems such as an increase in cost due to an increase in circuit scale and a reduction in size.
  • An object of the present invention is made in view of the above-described problems, and is to provide an imaging apparatus capable of correcting exposure while suppressing image quality defects.
  • an imaging device is an imaging device including a solid-state imaging device having a plurality of unit cells arranged in a matrix, and the unit cell includes a photoelectric conversion unit.
  • the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion film formed above a semiconductor substrate, a pixel electrode formed on a surface of the photoelectric conversion film on the semiconductor substrate side, and the pixel electrode of the photoelectric conversion film A transparent electrode formed on a surface opposite to the first electrode, and the imaging device further applies a sensitivity variable voltage for controlling the sensitivity of the solid-state imaging device between the pixel electrode and the transparent electrode.
  • the solid-state imaging device further includes a vertical signal line that is provided corresponding to the column of the unit cells and transmits a signal voltage of the unit cell of the corresponding column
  • the unit cell further includes: An amplification transistor, a selection transistor, and a reset transistor, wherein the amplification transistor is inserted between the vertical signal line and a power supply wiring, a gate is connected to the pixel electrode, and the reset transistor is connected to the pixel electrode
  • the selection transistor may be inserted between the amplification transistor and the vertical signal line, or between the amplification transistor and the power supply line.
  • a stacked solid-state imaging device is used, and the voltage between the pixel electrode and the transparent electrode that determines the sensitivity of the solid-state imaging device is set as a sensitivity variable voltage and is variable. Therefore, exposure correction can be performed by changing the sensitivity variable voltage without changing the charge accumulation time, that is, without using the electronic shutter function, so that exposure correction can be performed while suppressing image quality defects.
  • the unit cell may further include a constant bias transistor, the constant bias transistor may be connected to the pixel electrode and the gate of the amplification transistor, and the gate may be connected to a constant bias power source.
  • variable range of the sensitivity variable voltage can be widened, so that the change in dynamic resolution can be greatly suppressed.
  • control means may further change the voltage of the constant bias power source based on the output level detected by the level detection means.
  • variable range of the sensitivity variable voltage can be further widened, the change in dynamic resolution can be further suppressed.
  • the imaging apparatus further includes an electronic shutter control unit that controls an electronic shutter operation of the solid-state imaging device, and the control unit further includes the electronic shutter based on an output level detected by the level detection unit.
  • the control means is based on the output level detected by the level detection means Determining whether to perform the first drive mode in which the voltage for varying sensitivity is changed while keeping the accumulation time constant, or the second drive mode in which the accumulation time and voltage for varying sensitivity are changed. May be.
  • the imaging apparatus further includes an electronic shutter control unit that controls an electronic shutter operation of the solid-state imaging device, and the control unit further includes the electronic shutter based on an output level detected by the level detection unit.
  • the charge accumulation time generated in the photoelectric conversion film due to the incidence of light on the solid-state imaging device may be changed by changing the timing of.
  • exposure correction can be performed by adjusting the voltage for changing sensitivity and the charge accumulation time according to the brightness of the subject, so that exposure correction with a high degree of freedom can be realized.
  • the imaging apparatus of the present invention it is possible to realize an imaging apparatus that can correct exposure according to the condition of the subject while suppressing image quality defects.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the unit cell of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a timing chart for explaining a driving method in exposure correction of the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure of exposure correction processing of the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating an example of a result of exposure correction by a general electronic shutter function.
  • FIG. 6B is a diagram illustrating an example of a result of exposure correction of the imaging device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a result of exposure correction of the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion film in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a potential diagram of the photoelectric conversion unit of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a functional block diagram showing a configuration of an imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a circuit diagram illustrating a configuration of a solid-state imaging device according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a timing chart illustrating a method for driving the electronic shutter operation of the imaging apparatus according to the comparative example of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a functional block diagram showing an example of the configuration of a conventional video camera.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a processing procedure of exposure correction processing by a conventional electronic shutter function.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the imaging apparatus (video camera) according to the first embodiment of the present invention.
  • the imaging apparatus is a camera that captures a moving image or a still image, and includes a lens 2 and a diaphragm / mechanical shutter 3 on the light incident side of the solid-state image sensor 1, and a light-entered solid-state image sensor.
  • an analog signal processing unit 4 that receives the imaging data output from 1 and performs correlated double sampling processing and A / D conversion processing for converting an analog signal into a digital signal, and analog processed digital imaging data (image signal) ) And performs signal processing such as RGB / YC conversion processing to generate captured image data, and a graphic for displaying captured image data digitally processed by the digital signal processing unit 5 on a monitor I / F 6, display 7 for displaying captured image data, and digitally processed captured image data in JPEG format or the like
  • the solid-state imaging device 1 is a so-called variable sensitivity solid-state imaging device with variable light sensitivity.
  • the solid-state imaging device 1 is a stacked solid-state imaging device using a photoelectric conversion film (for example, amorphous silicon) that performs photoelectric conversion according to incident light. Composed.
  • a photoelectric conversion film for example, amorphous silicon
  • the imaging apparatus detects the output level of the output data from the analog signal processing unit 4 and the digital signal processing unit 5, specifically, the output level of the captured image data output from the solid-state imaging device 1, and the control signal. Is provided with a system control unit (level detection means) 10.
  • the image pickup apparatus includes an electronic shutter drive unit (electronic shutter control means) 11 for controlling and driving an electronic shutter operation of the solid-state image sensor 1 and a sensitivity variable for controlling the sensitivity of the solid-state image sensor 1.
  • the applied voltage control unit (voltage application unit) 12 that applies a voltage to the solid-state imaging device 1 and the electronic shutter drive unit 11 and the applied voltage control unit 12 are controlled in cooperation according to output data of the system control unit 10.
  • An exposure correction control section (control means) 13 for receiving, a lens driver 15 for receiving an RGB image signal from the system control section 10 to perform autofocus (AF), and a diaphragm / mechanical shutter 3 And an exposure control driver 14.
  • the system control unit 10 includes an exposure correction control unit 13, a lens driver 15, and the like in accordance with captured image data including information on the exposure amount and the like input from the analog signal processing unit 4 and the digital signal processing unit 5 to the system control unit 10.
  • the exposure control driver 14 is controlled.
  • the exposure correction control unit 13 changes the sensitivity variable voltage based on the output level detected by the system control unit 10. Further, the exposure correction control unit 13 changes the timing of the electronic shutter based on the output level detected by the system control unit 10, so that the photoelectric conversion film of the solid-state image sensor 1 is incident upon the incidence of light on the solid-state image sensor 1. The accumulation time of the electric charge generated in is changed. Based on the output level detected by the system control unit 10, the exposure correction control unit 13 is configured to change the sensitivity variable voltage while keeping the accumulation time constant, the accumulation time, and the sensitivity variable voltage. It is determined which of the second drive modes to change the is performed.
  • the analog signal processing unit 4 that performs analog processing is provided as an example, but this is not the case when a digital signal is output from the solid-state imaging device 1.
  • the imaging apparatus cooperates with a variable sensitivity solid-state imaging device 1, an applied voltage control unit 12 that controls the solid-state imaging device 1, an electronic shutter drive unit 11, and an applied voltage control unit 12. It differs greatly from the image pickup apparatus of FIG. 14 in that it includes an exposure correction control unit 13 that controls and corrects exposure.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram showing the configuration of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment.
  • the solid-state imaging device 1 includes a plurality of unit cells 151 arranged in a matrix, a vertical scanning unit 153 that supplies various timing signals to the unit cells 151, an address control line 121, a column A vertical signal provided for each column of the signal processing unit 122, the reset control line 123, the power supply wiring 125, the photoelectric conversion unit control line 131, and the unit cell 151, and transmits the signal voltage of the unit cell 151 of the corresponding column.
  • a line 141, an output terminal 142, and a horizontal signal reading unit (horizontal scanning unit) 155 that sequentially reads the signal of the unit cell 151 to the output terminal 142 are provided.
  • the unit cell 151 describes only “2 rows and 2 columns”, but the number of rows and the number of columns may be arbitrarily set.
  • the unit cell 151 is inserted between the photoelectric conversion unit 111, the vertical signal line 141, and the power supply wiring 125, the gate is connected to the photoelectric conversion unit 111, and the drain is connected to the photoelectric conversion unit 111.
  • the reset transistor 117 and the selection transistor 115 connected in series with the amplification transistor 113, and the output thereof is connected to the vertical signal line 141.
  • the photoelectric conversion unit 111 is inserted between the gate of the amplification transistor 113, the drain of the reset transistor 117, and the photoelectric conversion unit control line 131.
  • the photoelectric conversion unit 111 photoelectrically converts incident light, and generates and accumulates signal charges corresponding to the amount of incident light.
  • the gate of the selection transistor 115 is connected to the vertical scanning unit 153 via the address control line 121.
  • the selection transistor 115 is inserted between the amplification transistor 113 and the vertical signal line 141, but may be inserted between the amplification transistor 113 and the power supply wiring 125.
  • the gate of the reset transistor 117 is connected to the vertical scanning unit 153 via the reset control line 123.
  • the address control line 121 and the reset control line 123 are provided for each row.
  • the photoelectric conversion unit control line 131 is common to all unit cells 151.
  • the vertical signal line 141 is connected to the horizontal signal reading unit 155 via the column signal processing unit 122.
  • the column signal processing unit 122 performs noise suppression signal processing represented by correlated double sampling, analog / digital conversion, and the like.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the unit cell 151 in the solid-state imaging device 1 of the present embodiment.
  • an amplification transistor 113, a selection transistor 115, and a reset transistor 117 are formed on a semiconductor substrate 31 made of silicon.
  • the amplification transistor 113 includes a gate electrode 41, a diffusion layer 51 as a drain, and a diffusion layer 52 as a source, and a signal corresponding to the photocharge generated by the incidence of light on the photoelectric conversion film 45 is vertical.
  • the signal line 141 is read out.
  • the selection transistor 115 includes a gate electrode 42, a diffusion layer 52 that is a drain, and a diffusion layer 53 that is a source.
  • the source of the amplification transistor 113 and the drain of the selection transistor 115 are a common diffusion layer 52.
  • the reset transistor 117 includes a gate electrode 43, a diffusion layer 54 that is a drain, and a diffusion layer 55 that is a source.
  • the diffusion layer 51 and the diffusion layer 54 are separated by the element isolation region 33.
  • the reset transistor 117 resets (initializes) the potential of the gate of the amplification transistor 113, that is, the unit cell electrode (pixel electrode) 46.
  • An insulating film 35 is formed on the semiconductor substrate 31 so as to cover each transistor of the unit cell 151.
  • a photoelectric conversion unit 111 is formed on the insulating film 35.
  • the photoelectric conversion unit 111 is formed above the semiconductor substrate 31, and includes a photoelectric conversion film 45 made of amorphous silicon or the like sandwiched between the unit cell electrode 46 and the transparent electrode 47 facing the unit cell electrode 46, and the photoelectric conversion film 45.
  • the unit cell electrode 46 formed on the lower surface (the surface of the photoelectric conversion film 45 on the semiconductor substrate 31 side) and the upper surface of the photoelectric conversion film 45 (the surface opposite to the unit cell electrode 46 of the photoelectric conversion film 45). And a transparent electrode 47.
  • the unit cell electrode 46 is connected to the gate electrode 41 of the amplification transistor 113 and the diffusion layer 54 which is the source of the reset transistor 117 via the contact 36.
  • the diffusion layer 54 connected to the unit cell electrode 46 functions as a storage diode.
  • the solid-state imaging device 1 When light from a subject enters the solid-state imaging device 1 having the above structure, the light is absorbed by the photoelectric conversion film 45, and a hole electron pair (photocharge) corresponding to the absorbed light amount is generated.
  • a positive voltage is applied to the transparent electrode 47, electrons in the generated hole electron pair are transferred to the transparent electrode 47 side and flow to a power source (not shown) connected to the transparent electrode 47.
  • the holes are transferred to the diffusion layer 54 side and accumulated therein.
  • a positive voltage is applied to the transparent electrode 47 as an example and holes are described as carriers.
  • a negative voltage is applied to the transparent electrode 47 and electrons are used as carriers. good.
  • the hole-electron pairs generated in the photoelectric conversion film 45 by light incidence may be recombined in the photoelectric conversion film 45. Therefore, in the solid-state imaging device 1 of the present embodiment, wiring (photoelectric conversion unit control line 131) as means for applying a desired control voltage (sensitivity variable voltage) between the unit cell electrode 46 and the transparent electrode 47 is provided. Provided. Through this wiring, the applied voltage control unit 12 shown in FIG. 1 adjusts the sensitivity variable voltage between the unit cell electrode 46 and the transparent electrode 47, and the potential gradient in the photoelectric conversion film 45 is controlled.
  • the imaging apparatus uses the solid-state imaging device 1 having the above-described structure, and further controls the exposure by controlling the electronic shutter driving unit 11 and the applied voltage control unit 12 in cooperation by the exposure correction control unit 13. (Exposure compensation).
  • FIG. 4 shows an exposure adjustment driving method using the imaging apparatus of the present embodiment.
  • the charge accumulation time of the solid-state imaging device 1 is changed without changing the charge accumulation time, that is, the charge accumulation time 156 from t1 to t2 in FIG. 4 and the charge accumulation time 157 from t2 to t3 in FIG. You can control the exposure.
  • the electronic shutter drive unit 11 changes the electronic shutter position from t3 to t4 in FIG. Accordingly, the charge accumulation time is changed, that is, the charge accumulation time from t3 to t5 is changed to the charge accumulation time 158 from t4 to t5 in FIG. it can.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure of exposure correction processing by the exposure correction control unit 13 using the driving method of FIG. 4 executed by the imaging apparatus according to the present embodiment.
  • step S1 difference data indicating a difference between the output value of the obtained captured image data and a desired standard exposure setting value is calculated.
  • the standard exposure setting value is a value that can be arbitrarily set.
  • step S2 it is determined whether or not the obtained difference data is within a predetermined set range (below the set value).
  • the obtained captured image data is output.
  • step S2 when it is determined that the difference data obtained in step S2 is not within the predetermined setting range (NO in step S2), the process proceeds to step S3, and the obtained difference data can be corrected for sensitivity by the solid-state imaging device 1. It is determined whether it is within a range.
  • step S3 when the obtained difference data is within the sensitivity-correctable range (YES in step S3), the process proceeds to step S4, and the applied voltage control unit 12 causes the output value of the captured image data to approach the standard exposure setting value. Similarly (so that the difference is reduced), the sensitivity variable voltage applied to the photoelectric conversion unit control line 131 of the solid-state imaging device 1 is controlled.
  • step S3 when the obtained difference data is not within the sensitivity-correctable range (NO in step S3), the process proceeds to step S5, and the applied voltage control unit 12 causes the output value of the captured image data to approach the standard exposure setting value.
  • the sensitivity variable voltage applied to the photoelectric conversion unit control line 131 of the solid-state imaging device 1 is controlled.
  • step S6 the sensitivity variable voltage changed in step S5 is set to the applied voltage standard setting value.
  • This applied voltage standard setting value is a value that can be arbitrarily set.
  • step S7 the electronic shutter driving unit 11 adjusts the timing of the electronic shutter of the solid-state imaging device 1 (the timing at which the reset transistor 117 becomes conductive), and the output value of the captured image data is the standard exposure setting value. Control to get closer to.
  • step S8 it is determined whether or not the difference between the output value of the captured image data and the standard exposure setting value is within a predetermined setting range (below the setting value). If the difference is within a predetermined setting range (YES in step S8), the captured image data is output. If the difference is not within the predetermined setting range (NO in step S8), the exposure correction is performed again from the beginning.
  • steps S5, S6, and S7 shown in FIG. 5 may be arranged in a different order, or may be simultaneous. Further, step S6 is not essential in some cases.
  • FIG. 6A An example of the result of exposure correction by a general electronic shutter function is shown in FIG. 6A, and an example of the result of exposure correction by the processing procedure of FIG. 5 is shown in FIG. 6B.
  • steps S4, S5, S6, and S7 in FIG. 5 correspond to steps S4, S5, S6, and S7 in FIG. 6B, respectively.
  • the applied voltage control unit 12 continuously adjusts the sensitivity to perform the correction.
  • the applied voltage is set to a standard setting value, and the electronic shutter drive unit 11 adjusts the electronic shutter position to perform correction.
  • exposure correction is performed by sequentially changing the electronic shutter position with p7, p5, and p3.
  • steps S4 and S5 since steps S4 and S5 are performed, the electronic shutter positions of p4 and p6 can be skipped, and the electronic shutter position changes continuously. Can be avoided. Therefore, in the exposure correction of FIG. 5, it is not necessary to continuously change the electronic shutter position as compared with general exposure correction, so that the change in the dynamic resolution can be remarkably suppressed.
  • the sensitivity changes when a voltage is applied, and light is incident on the solid-state imaging element 1.
  • An electronic shutter driving unit 11 that controls the accumulation time of the photocharge generated by this, an applied voltage control unit 12 that applies a sensitivity variable voltage to the solid-state imaging device 1, and a system control that detects the output level of the solid-state imaging device 1.
  • Unit 10 and an exposure correction control unit 13 that controls the charge accumulation time and the sensitivity variable voltage based on the output of the system control unit 10.
  • the exposure correction control unit 13 adjusts the applied voltage applied to the solid-state image sensor 1 and the driving of the electronic shutter according to the brightness of the subject.
  • the sensitivity is controlled by the sensitivity variable voltage applied to the solid-state image sensor 1. By adjusting the exposure correction, exposure correction can be realized without continuously changing the electronic shutter.
  • the imaging apparatus includes a first drive mode in which the sensitivity variable voltage is changed while the charge accumulation time is constant according to the output of the system control unit 10, and the output of the system control unit 10.
  • the exposure correction control unit 13 that controls the image signal output from the solid-state image sensor 1 by switching between the second drive mode for changing the charge accumulation time and the sensitivity variable voltage according to the above is provided. This makes it possible to perform exposure correction while suppressing unnatural changes in dynamic resolution.
  • the output is decreased from the time of high luminance and exposure correction is performed so as to approach the standard exposure setting value, but the output is increased from the time of low luminance and standard exposure is performed. Exposure correction may be performed so as to approach the set value.
  • the structure of the solid-state imaging device 1 according to the embodiment of the present invention is not limited to that shown in FIGS. 2 and 3 as long as the sensitivity is variable, that is, a so-called variable sensitivity solid-state imaging device.
  • a sensitivity variable element using a photoelectric conversion film 45 such as amorphous silicon is used.
  • the allowable applied voltage to the photoelectric conversion film 45 is higher and the sensitivity variable.
  • a photoelectric conversion film 45 such as amorphous selenium having a wide range may be used.
  • the sensitivity variable range by the applied voltage is further widened. For example, as shown in FIG. 7, when the output data (Vhigh) at high luminance is brought close to the standard exposure setting value, It is only necessary to change the electronic shutter position from p7 to p4, and it is possible to realize exposure correction that further suppresses the change in dynamic resolution.
  • the unit cell 151 is illustrated as an example of a signal readout circuit having a three-transistor configuration used in a MOS type image sensor, but as a signal readout circuit having a four-transistor configuration. Also good.
  • the solid-state imaging device shown in FIGS. 2 and 3 uses a signal readout circuit having a three-transistor configuration or a four-transistor configuration used in a conventional MOS image sensor as a signal readout means.
  • a charge transfer path including a register used in the image sensor may be used.
  • the signal charge storage unit is configured by a diode, but the signal charge storage unit may be configured by a capacitor. Further, a CCD type solid-state imaging device may be used.
  • the imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention is different from the imaging apparatus according to the first embodiment in the configuration of the solid-state imaging device 1. Details of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing the configuration of the solid-state imaging device 1 according to this embodiment.
  • the unit cell 151 describes only “2 rows and 2 columns”, but the number of rows and the number of columns may be arbitrarily set.
  • the solid-state imaging device 1 of the present embodiment is the first in that the unit cell 151 further includes a constant bias transistor 144 whose gate is connected to a constant bias power source 145 via a constant bias control line 146. This is different from the solid-state imaging device 1 of the first embodiment.
  • the constant bias transistor 144 is connected to the photoelectric conversion film 45 (unit cell electrode 46), and is connected to the gate of the amplification transistor 113 and the drain of the reset transistor 117.
  • FIG. 10 shows a potential diagram of the photoelectric conversion unit 111 that is driving the solid-state imaging device 1 of the first embodiment.
  • FIG. 9 shows an example of photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion film 45 of the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment.
  • the photoelectric conversion characteristics change, that is, when the voltage applied to the photoelectric conversion film 45 changes while the solid-state imaging device 1 is driven, the photoelectric conversion efficiency changes.
  • the unit cell 151 have a configuration in which the constant bias transistor 144 is added, fluctuations in photoelectric conversion efficiency during driving of the solid-state imaging device 1 can be suppressed.
  • the potential of the storage unit (diffusion layer 54) is kept constant.
  • the potential of the unit cell electrode 46 can be kept constant, and the voltage applied to the photoelectric conversion film 45 can be kept constant. Therefore, the variable range of the sensitivity variable voltage applied to the solid-state imaging device 1 can be widened, and exposure correction can be performed while suppressing a change in dynamic resolution as compared with the first embodiment.
  • the constant bias control line 146 is not limited to the configuration of FIG. 8 as long as it connects the constant bias power supply 145 and the gate of the constant bias transistor 144.
  • FIG. 11 is a functional block diagram showing the configuration of an imaging apparatus (video camera) according to the third embodiment of the present invention.
  • the imaging apparatus of this embodiment is different from the imaging apparatus of the second embodiment in that it further includes a bias application voltage controller 16 that changes the voltage of the constant bias power supply 145 according to the output of the system controller 10.
  • the exposure correction control unit 13 controls the bias application voltage control unit 16 based on the output level detected by the system control unit 10 to change the voltage of the constant bias power source 145.
  • the imaging apparatus of the present embodiment can control the voltage applied to the photoelectric conversion film 45 by making the voltage supplied by the constant bias power supply 145 connected to the constant bias transistor 144 variable.
  • the bias applied voltage control unit 16 together with the applied voltage control unit 12, the range of the sensitivity variable voltage applied to the photoelectric conversion film 45 is further widened, and exposure correction that further suppresses changes in dynamic resolution is realized. can do.
  • FIG. 12 shows a circuit configuration diagram of a solid-state imaging device included in the imaging apparatus according to this comparative example.
  • the signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit 210 is output to the output amplifier 218 through the selection transistor 217 of the unit cell 212 selected by the vertical scanning unit 213.
  • the signal amplified by the output amplifier 218 is output through the read transistor 216 controlled by the read signal supplied via the read control line 211.
  • the signal amplified by the output amplifier 218 is reset through a reset transistor 215 controlled by a reset signal supplied via the reset control line 214 as necessary.
  • the selection transistor 217 is controlled by a selection signal supplied via the vertical control line 219.
  • FIG. 13 shows a timing chart showing the driving method of the electronic shutter operation of the imaging apparatus according to this comparative example.
  • the charge accumulation time 223 can be controlled by shifting the phases of the read signal and the reset signal input to the unit cell 212 from FIG.
  • the charge accumulation time 224 within the period of Frame 2 (Time from t3 to t4) is relatively shorter than the charge accumulation time 223 (time from t1 to t2 in FIG. 13) within the time of Frame1 (t3 to t4 are shorter than t1 to t2).
  • the charge generated in the photoelectric conversion unit 210, amplified by the output amplifier 218 through the selection transistor 217, and accumulated in the unnecessary charge accumulation time 225 from t2 to t3 in FIG. 13 passes through the read transistor 216.
  • the present invention is useful for an image pickup apparatus, and is particularly effective for an image pickup apparatus such as a broadcast video camera and a video apparatus for shooting a moving image at a high resolution.

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

撮像装置
　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 (6)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
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