(57)【要約】【課題】感度が可変である積層型の撮像装置を提供する。【解決手段】本開示の撮像装置は、画素と、電圧印加回路とを有する。画素は、上部電極と、補助電極と、信号電荷として正孔を収集する画素電極と、補助電極および上部電極と画素電極との間に位置する光電変換層とを含む。電圧印加回路は、補助電極に対し、第１の電圧と第２の電圧とを選択的に印加可能である。第１の電圧および第２の電圧は、上部電極に印加される電圧よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部電極と、補助電極と、信号電荷として正孔を収集する画素電極と、前記補助電極および前記上部電極と前記画素電極との間に位置する光電変換層と、を含む画素と、
前記補助電極に対し、第１の電圧と第２の電圧とを選択的に印加可能な電圧印加回路と、
を備え、
前記第１の電圧および前記第２の電圧は、前記上部電極に印加される電圧よりも小さい、
撮像装置。
【請求項２】
上部電極と、補助電極と、信号電荷として電子を収集する画素電極と、前記補助電極および前記上部電極と前記画素電極との間に位置する光電変換層と、を含む画素と、
前記補助電極に対し、第１の電圧と第２の電圧とを選択的に印加可能な電圧印加回路と、
を備え、
前記第１の電圧および前記第２の電圧は、前記上部電極に印加される電圧よりも大きい、
撮像装置。
【請求項３】
前記単位画素セルを複数備え、前記複数の単位画素セルは、１次元または２次元に配列されている、請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の電圧および前記第２の電圧の少なくとも一方は負電圧である、請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光電変換層へ入射する単位面積あたり光の量を検出する光量検出回路をさらに備え、
前記電圧印加回路は、前記光量検出回路の検出結果に基づき電圧を印加する請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
画像処理回路を備え、
前記電圧印加回路は、少なくとも２つのフレームにおいて、異なる電圧を印加し、
前記画像処理回路は、前記少なくとも２つのフレームの画像信号を合成し、合成した画像信号を出力する請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数の単位画素セルの各補助電極は互いに電気的に接続されている請求項３に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記電圧印加回路は、２フレーム単位で電圧を変更する請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記複数の単位画素セルは行および列の２次元に配列されており、
少なくとも各行の単位画素セルの前記補助電極は、各行内において互いに電気的に接続されている請求項３に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記複数の単位画素セルの前記補助電極は、ｎ行（ｎは２以上の整数）ごとに群を形成し、各群内において、前記補助電極は互いに電気的に接続され、かつ、各群は、互いに電気的に分離している請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
被写体を基準にして複数の異なる照射方向から、順次、照明光を出射し、前記照明光で前記被写体を照射する照明システムと、
前記被写体を透過した前記照明光が入射する位置に配置され、前記異なる照射方向に応じて異なる複数の画像を取得する請求項１から１０のいずれかに記載の撮像装置と、
前記複数の画像を合成して、前記複数の画像の各々よりも分解能の高い前記被写体の高分解能画像を形成する画像処理部と、
を備える画像取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像装置および画像取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の撮像装置として積層型の撮像装置が提案されている。積層型の撮像装置では、半導体基板の最表面に光電変換膜が積層され、光電変換膜内において光電変換によって発生した電荷を電荷蓄積領域に蓄積する。撮像装置は、半導体基板内でＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）回路またはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ＭＯＳ）回路を用いてその蓄積された電荷を読み出す。例えば特許文献１は、そのような撮像装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１６４６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
撮像装置は、様々な環境下で使用される。例えば、監視用あるいは車載用の撮像装置は、明るさが大きく異なる撮影環境においても、高画質で撮影を行うことが求められる。このため、従来の積層型撮像装置では、感度を変えることのできる撮像装置が求められていた。本願の限定的ではないある例示的な一実施形態は、感度が可変である積層型の撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願の限定的ではないある例示的な一実施形態に係る撮像装置は、電荷検出回路と、基板上に設けられた画素電極および補助電極と、前記電荷検出回路および前記画素電極と電気的に接続された電荷蓄積ノードと、前記画素電極および補助電極上に位置する光電変換層と、前記光電変換層上に位置する上部電極とを含む単位画素セルと、前記補助電極に対し、少なくとも２つの電圧を印加可能な電圧印加回路とを備える。
【発明の効果】
【０００６】
本開示の一態様によれば感度の調節が可能な撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る撮像装置１０１の回路構成の一例を示す模式図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る撮像装置内の単位画素セルの断面の典型例を示す模式図である。
【図３】図３は、画素電極および補助電極の形状の一例を示す模式的な平面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、補助電極に感度調整電圧を印加した場合において光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の一例を示す模式的な断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、補助電極に感度調整電圧を印加した場合において光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の一例を示す模式的な平面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、補助電極に感度調整電圧を印加した場合において光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の他の一例を示す模式的な断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、補助電極に感度調整電圧を印加した場合において光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の他の一例を示す模式的な平面図である。
【図５】図５は、感度調整電圧と感度との間の例示的な関係を示す模式図である。
【図６Ａ】図６Ａは、補助電極に感度調整電圧Ｖ１を印加したときに光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の一例と、補助電極に感度調整電圧Ｖ２を印加したときに光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の一例とをあわせて示す模式的な平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、補助電極に感度調整電圧Ｖ１を印加したときに光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の他の一例と、補助電極に感度調整電圧Ｖ２を印加したときに光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の他の一例とをあわせて示す模式的な平面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、補助電極にＶ１＜０を満たす感度調整電圧Ｖ１を印加した場合において光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の一例を示す模式的な平面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、電子を信号電荷として用いた場合において、補助電極に感度調整電圧Ｖ１を印加したときに光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の一例と、補助電極に感度調整電圧Ｖ２を印加したときに光電変換層に形成される、電荷を捕捉するための領域の一例とをあわせて示す模式的な平面図である。
【図７】図７は、第１の実施形態に係る撮像装置の感度調整電圧およびリセットゲート電圧の変化のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図８】図８は、第１の実施形態に係る撮像装置の感度調整電圧およびリセットゲート電圧の変化のタイミングの他の一例を示すタイミングチャートである。
【図９】図９は、第１の実施形態に係る撮像装置の感度調整電圧およびリセットゲート電圧の変化のタイミングのさらに他の一例を示すタイミングチャートである。
【図１０】図１０は、フラッシュを有する撮像装置における動作の一例を説明するための図である。
【図１１】図１１は、第１の実施形態に係る撮像装置の感度調整電圧、上部電極の電圧およびリセットゲート電圧の変化のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第２の実施形態に係る撮像装置における画素電極および補助電極の平面構造の一例を示す模式図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、第２の実施形態に係る撮像装置の感度調整電圧およびリセットゲート電圧の変化のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、第２の実施形態に係る撮像装置の感度調整電圧およびリセットゲート電圧の変化のタイミングの他の一例を示すタイミングチャートである。
【図１３Ａ】図１３Ａは第２の実施形態に係る撮像装置における画素電極および補助電極の平面構造の他の一例を示す模式図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、第２の実施形態に係る撮像装置の感度調整電圧およびリセットゲート電圧の変化のタイミングのさらに他の一例を示すタイミングチャートである。
【図１４Ａ】図１４は、第３の実施形態に係る撮像装置の回路構成の一例を示す模式図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、第３の実施形態に係る撮像装置の他の構成の例を示す模式図である。
【図１５】図１５は、第３の実施形態に係る撮像装置のさらに他の構成の例を示す模式図である。
【図１６】図１６は、入力インターフェース７４を有する撮像装置における、画素電極および補助電極の配置の一例を示す平面図である。
【図１７】図１７は、第４の実施形態に係る撮像装置の回路構成の一例を示す模式図である。
【図１８】図１８は、第４の実施形態に係る撮像装置における画素電極および補助電極の配置の一例を示す平面図である。
【図１９】図１９は、第４の実施形態に係る撮像装置における画素電極および補助電極の配置の他の一例を示す平面図である。
【図２０】図２０は、画素電極５０および補助電極６１Ｅを含む単位画素セル１４Ｅと、電圧印加回路６０との間の電気的接続の一例を示す模式図である。
【図２１】図２１は、画素電極５０および補助電極６１Ｅを含む単位画素セル１４Ｅの断面の一例を示す模式図である。
【図２２】図２２は、第５の実施形態に係る撮像装置の回路構成の一例を示す模式図である。
【図２３】図２３は、第６の実施形態に係る撮像装置における画素電極および補助電極の配置の一例を示す平面図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、単位画素セル１４Ｇの光電変換層５１に形成される、電荷を捕捉するための領域５１Ａの一例を示す模式的な断面図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、サブ補助電極６１ａに第２の感度調整電圧が印加され、サブ補助電極６１ｄに第１の感度調整電圧が印加された状態における、電荷を捕捉するための領域５１Ａの一例を示す模式的な断面図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、第７の実施形態に係る画像取得装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、第７の実施形態に係る画像取得装置における照明システムの構成の一例を示す模式図である。
【図２６Ａ】図２６Ａは、補助電極に感度調整電圧Ｖｋを印加した場合において、画像取得装置により、画像を取得する例示的な手順を説明するための図である。
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、補助電極に感度調整電圧Ｖｋを印加した場合において、画像取得装置により、画像を取得する例示的な手順を説明するための図である。
【図２７】図２７は、補助電極に感度調整電圧Ｖｋを印加した場合における、撮影した複数の画像の画素配置の一例を示す模式図である。
【図２８Ａ】図２８Ａは、補助電極に感度調整電圧Ｖｈを印加した場合における、被写体を透過して、電荷を捕捉するための領域に入射する光線と、照明方向との関係の一例を示す模式図である。
【図２８Ｂ】図２８Ｂは、補助電極に感度調整電圧Ｖｈを印加した場合における、被写体を透過して、電荷を捕捉するための領域に入射する光線と、照明方向との関係の他の一例を示す模式図である。
【図２８Ｃ】図２８Ｃは、補助電極に感度調整電圧Ｖｈを印加した場合における、被写体を透過して、電荷を捕捉するための領域に入射する光線と、照明方向との関係のさらに他の一例を示す模式図である。
【図２９】図２９は、補助電極に感度調整電圧Ｖｈを印加した場合における、撮影した複数の画像の画素配置の一例を示す模式図である。
【図３０】図３０は、第７の実施形態に係る画像取得装置における照明システムの構成の他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示の一態様の概要は以下のとおりである。
【０００９】
［項目１］
電荷検出回路と、基板上に設けられた画素電極および補助電極と、電荷検出回路および画素電極と電気的に接続された電荷蓄積ノードと、画素電極および補助電極上に位置する光電変換層と、光電変換層上に位置する上部電極とを含む単位画素セルと、補助電極に対し、少なくとも２つの電圧を印加可能な電圧印加回路とを備えた撮像装置。
【００１０】
この構成によれば、異なる２以上の電圧を選択的にまたは同時に補助電極に印加するこ
とができる。
【００１１】
［項目２］
単位画素セルを複数備え、複数の単位画素セルは、１次元または２次元に配列されている、項目１に記載の撮像装置。
【００１２】
［項目３］
電圧印加回路は、補助電極に対し、第１の電圧と第１の電圧よりも大きい第２の電圧とを選択的に印加する、項目１または２に記載の撮像装置。
【００１３】
この構成によれば、補助電極に印加する電圧を第１の電圧と第２の電圧との間で切り替えることにより、補助電極が捕捉する信号電荷の量を制御することができる。そのため、補助電極に印加する電圧の切り替えにより、撮像装置の感度を調節したり混色を防止したりすることが可能となる。
【００１４】
［項目４］
電荷検出回路は、所定のタイミングで画素電極をリセット電圧に設定するためのリセットトランジスタを含み、リセット電圧は、第１の電圧よりも大きく、第２の電圧よりも小さい、項目３に記載の撮像装置。
【００１５】
この構成によれば、感度調整電圧による、画素電極へ移動し得る正孔が分布する領域のサイズの振り幅を広く設定できるという効果がある。
【００１６】
［項目５］
電荷検出回路は、所定のタイミングで画素電極をリセット電圧に設定するためのリセットトランジスタを含み、リセット電圧は、第２の電圧よりも大きい、項目３に記載の撮像装置。
【００１７】
この構成によれば、信号電荷が負電荷のとき、感度を優先した撮像と、感度を維持しつつ、色再現性の良好な撮像とを両立するという効果がある。
【００１８】
［項目６］
電荷検出回路は、所定のタイミングで画素電極をリセット電圧に設定するためのリセットトランジスタを含み、リセット電圧は、第１の電圧よりも小さい、項目３に記載の撮像装置。
【００１９】
この構成によれば、信号電荷が正電荷のとき、感度を優先した撮像と、感度を維持しつつ、色再現性の良好な撮像とを両立する、という効果がある。
【００２０】
［項目７］
第１の電圧および第２の電圧の少なくとも一方は負電圧である、項目３に記載の撮像装置。
【００２１】
この構成によれば、画素内のトランジスタを駆動する電圧に負電圧を用いる場合、この負電圧を発生させる発生回路を、補助電極に電圧を印加する電圧印加回路として用いることができ、周辺回路の規模を小さくしたり、周辺回路の構成を簡略にしたりすることができるという効果がある。
【００２２】
［項目８］
光電変換層へ入射する単位面積あたり光の量を検出する光量検出回路をさらに備え、電
圧印加回路は、光量検出回路の検出結果に基づき電圧を印加する項目１から７のいずれかに記載の撮像装置。
【００２３】
この構成によれば、光量検出回路の検出結果に基づいて補助電極に電圧が印加されるので、より適切な感度で撮影を行うことが可能となる。
【００２４】
［項目９］
補助電極に撮像時に印加した電圧の値を保持するメモリをさらに備える、項目１から８のいずれかに記載の撮像装置。
【００２５】
この構成によれば、撮影に用いた感度調整電圧の値を、画像データに付随する情報として残すことができる。
【００２６】
［項目１０］
補助電極は、単位画素セルごとに分離されている、項目２に記載の撮像装置。
【００２７】
この構成によれば、画素アレイにおける任意のパターンに応じた感度調整が可能となる。
【００２８】
［項目１１］
複数の単位画素セルは、第１の色のカラーフィルタを有する第１単位画素セルと、第２の色のカラーフィルタを有する第２単位画素セルとを含み、電圧印加回路は、第１単位画素セルの補助電極と第２単位画素セルの補助電極との間で異なる電圧を印加する、項目１０に記載の撮像装置。
【００２９】
この構成によれば、シーンに応じたホワイトバランス調整が可能となる。
【００３０】
［項目１２］
電圧印加回路は、１つのフレーム内において、補助電極に印加する電圧を切り替える、項目１から１１のいずれかに記載の撮像装置。
【００３１】
この構成によれば、画素アレイに含まれるすべての単位画素セルにおける露光期間を揃えることが可能となる。
【００３２】
［項目１３］
電圧印加回路は、１つのフレーム内において、補助電極に印加する電圧を周期的に変化させる、項目１２に記載の撮像装置。
【００３３】
この構成によれば、撮像装置に入射する光の周期的なチラツキの影響を除去することが可能となる。
【００３４】
［項目１４］
照明装置をさらに備え、電圧印加回路は、補助電極に印加する電圧を照明装置の動作に応じて切り替える、項目１から１３に記載の撮像装置。
【００３５】
この構成によれば、照明の光跡の影響を除去することができる。
【００３６】
［項目１５］
補助電極に印加される電圧の切り替えに合わせて変化する電圧を上部電極に供給する制御線をさらに備える、項目１２から１４のいずれかに記載の撮像装置。
【００３７】
この構成によれば、補助電極に印加される電圧の切り替えに合わせて上部電極に印加される電圧を変化させることにより、撮像装置における感度をより０に近づけることが可能である。したがって、補助電極に印加される電圧および上部電極に印加される電圧の変化をシャッタとして利用することが可能である。
【００３８】
［項目１６］
電圧印加回路は、指定されたＦ値に応じて異なる電圧を補助電極に印加する、項目１から１５のいずれかに記載の撮像装置。
【００３９】
この構成によれば、絞り機構を用いないＦ値制御が可能となる。
【００４０】
［項目１７］
画素電極は、それぞれが補助電極に囲まれることにより空間的に分離された複数のサブ画素電極を含む、項目１から１６のいずれかに記載の撮像装置。
【００４１】
この構成によれば、広入射角特性を維持したまま、撮像装置における感度を０に近づけることが可能となる。
【００４２】
［項目１８］
複数の単位画素セルは、画素電極と補助電極との間に第１のギャップが形成された第１単位画素セルと、画素電極と補助電極との間に第１のギャップよりも大きい第２のギャップが形成された第２単位画素セルとを含む、項目２に記載の撮像装置。
【００４３】
この構成によれば、異なる機能を有する画素を画素アレイ中に配置することが可能である。
【００４４】
［項目１９］
補助電極は、複数のサブ補助電極を含み、複数のサブ補助電極の各々は、電圧印加回路との電気的接続を有する、項目１から１８のいずれかに記載の撮像装置。
【００４５】
この構成によれば、画素電極へ移動し得る正孔が分布する領域を中心から偏らせた形状に変形することが可能になる。したがって、単位画素セルを位相差検出に利用でき、かつ、画素電極へ移動し得る正孔が分布する領域の形状を感度調整電圧を用いて柔軟に変更することが可能である。
【００４６】
［項目２０］
画像処理回路を備え、電圧印加回路は、少なくとも２つのフレームにおいて、異なる電圧を印加し、画像処理回路は、少なくとも２つのフレームの画像信号を合成し、合成した画像信号を出力する項目１から１９のいずれかに記載の撮像装置。
【００４７】
この構成によれば、コントラスト比の大きなシーンの画像を取得することができる。
【００４８】
［項目２１］
複数の単位画素セルの各補助電極は互いに電気的に接続されている項目２および１８に記載の撮像装置。
【００４９】
この構成によれば、補助電極に一括して感度調整電圧を印加することができるため、補助電極を駆動する配線を削減可能である。
【００５０】
［項目２２］
電圧印加回路は、２フレーム単位で電圧を変更する項目２１に記載の撮像装置。
【００５１】
この構成によれば、ローリングシャッタで撮影を行う場合にも、適切な画像信号を得ることができる。
【００５２】
［項目２３］
複数の単位画素セルは行および列の２次元に配列されており、少なくとも各行の単位画素セルの補助電極は、各行内において互いに電気的に接続されている項目２および１８に記載の撮像装置。
【００５３】
この構成によれば、ローリングシャッタで撮影を行う場合にも、フレームごとに、適切な画像信号を得ることができる。
【００５４】
［項目２４］
複数の単位画素セルの補助電極は、ｎ行（ｎは２以上の整数）ごとに群を形成し、各群内において、補助電極は互いに電気的に接続され、かつ、各群は、互いに電気的に分離している項目２３に記載の撮像装置。
【００５５】
この構成によれば、２行以上の補助電極が群を形成しているため、補助電極に印加する電圧信号の数は行数の１／ｎになる。よって電発印加回路の回路規模を小さくしたり、補助電極を駆動する配線数を少なくしたりすることができる。
【００５６】
［項目２５］
被写体を基準にして複数の異なる照射方向から、順次、照明光を出射し、照明光で被写体を照射する照明システムと、被写体を透過した照明光が入射する位置に配置され、異なる照射方向に応じて異なる複数の画像を取得する項目１から２２のいずれかに記載の撮像装置と、複数の画像を合成して、複数の画像の各々よりも分解能の高い被写体の高分解能画像を形成する画像処理部とを備える画像取得装置。
【００５７】
この構成によれば、１つの撮像装置によって得られる複数の低分解能画像を合成することにより、高分解能の画像を取得することができる。また、補助電極に印加する感度調整電圧を変更することによって分解能を変化させることができる。
【００５８】
以下、図面を参照しながら、本開示による実施形態を説明する。以下の実施形態では、光電変換によって生じた正孔−電子対のうち、正孔を信号電荷として検出する例を説明する。信号電荷は電子であってもよい。なお、本開示は、以下の実施形態に限定されない。また、本開示の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、一の実施形態と他の実施形態とを組み合わせることも可能である。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。また、重複する説明は省略する場合がある。
【００５９】
（第１の実施形態）
図１から図１１を参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
【００６０】
（撮像装置１０１の構造）
図１は、第１の実施形態に係る撮像装置１０１の回路構成の一例を模式的に示している。撮像装置１０１は、複数の単位画素セル１４と周辺回路とを備えている。
【００６１】
複数の単位画素セル１４は、半導体基板に２次元、すなわち行方向および列方向に配列
されて、感光領域（画素領域）を形成している。撮像装置１０１は、ラインセンサであってもよく、複数の単位画素セル１４は、１次元に配列されていてもよい。本願明細書では、行方向および列方向とは、行および列がそれぞれ延びる方向をいう。つまり、垂直方向が列方向であり、水平方向が行方向である。
【００６２】
各単位画素セル１４は、光電変換部１０と、増幅トランジスタ１１と、リセットトランジスタ１２と、アドレストランジスタ（行選択トランジスタ）１３とを含む。以下において詳細に説明するように、本実施形態では、光電変換部１０は画素電極５０および補助電極６１を含み、補助電極６１に印加する電圧を調整することによって、光電変換により生成した信号電荷の、画素電極５０に捕捉される量を調整する。つまり、撮像装置１０１の感度を調節する。
【００６３】
撮像装置１０１は、電圧印加回路６０を有する。電圧印加回路６０は、撮像装置１０１の動作時に、少なくとも、互いに異なる２つの電圧を同時にまたは選択的に補助電極６１に印加可能に構成されている。電圧印加回路６０は、補助電極６１に供給する電圧を変更可能な構成を有していればよく、電圧印加回路６０の回路構成は、特定の回路構成に限定されない。例えば、電圧印加回路６０は、不図示の電圧源から供給された電圧を所定の電圧に変換するような構成を有し得る。あるいは、電圧印加回路６０自体が、所定の電圧を発生するように構成されていてもよい。以下、電圧印加回路６０から補助電極６１に供給される電圧を感度調整電圧と呼ぶ。電圧印加回路６０は、撮像装置１０１を操作する操作者の指令、撮像装置１０１が備える他の制御回路等の指令に応じた感度調整電圧を、感度調整線２８を介して補助電極６１に供給する。電圧印加回路６０は、典型的には、周辺回路の一部として、感光領域外に設けられる。
【００６４】
画素電極５０は、増幅トランジスタ１１のゲート電極に接続されている。画素電極５０によって集められた信号電荷は、画素電極５０と増幅トランジスタ１１のゲート電極との間に位置する電荷蓄積ノード２４に蓄積される。本実施形態では信号電荷は、正孔であるが、信号電荷は電子であってもよい。
【００６５】
電荷蓄積ノード２４に蓄積された信号電荷は、信号電荷の量に応じた電圧として増幅トランジスタ１１のゲート電極に印加される。増幅トランジスタ１１は、この電圧を増幅する。信号電圧は、アドレストランジスタ１３によって、選択的に読み出される。リセットトランジスタ１２は、そのソースまたはドレイン電極が、画素電極５０に接続されており、電荷蓄積ノード２４に蓄積された信号電荷をリセットする。換言すると、リセットトランジスタ１２は、増幅トランジスタ１１のゲート電極および画素電極５０の電位をリセットする。
【００６６】
複数の単位画素セル１４において上述した動作を選択的に行うため、撮像装置１０１は、電源配線２１と、垂直信号線１７と、アドレス信号線２６とリセット信号線２７を含み、これらの線が単位画素セル１４にそれぞれ接続されている。電源配線２１は、増幅トランジスタ１１のソースまたはドレイン電極に接続され、垂直信号線１７は、アドレストランジスタ１３のソースまたはドレイン電極に接続される。アドレス信号線２６はアドレストランジスタ１３のゲート電極に接続される。またリセット信号線２７は、リセットトランジスタ１２のゲート電極に接続される。
【００６７】
また、撮像装置１０１は、光電変換部１０に所定の電圧を印加するための光電変換部制御線１６を含む。光電変換部制御線１６を介して光電変換部１０に供給される電圧は、すべての光電変換部１０に共通であってもよい。光電変換部制御線１６を介して光電変換部１０に供給される電圧は、一定の大きさの電圧であってもよいし、後述するように、時間的に変化する電圧であってもよい。
【００６８】
図１に例示する構成において、周辺回路は、垂直走査回路１５と、水平信号読出し回路２０と、複数のカラム信号処理回路１９と、複数の負荷回路１８と、複数の反転増幅器２２とを含む。垂直走査回路１５は行走査回路とも称される。水平信号読出し回路２０は列走査回路とも称される。カラム信号処理回路１９は行信号蓄積回路とも称される。反転増幅器２２はフィードバックアンプとも称される。
【００６９】
垂直走査回路１５は、アドレス信号線２６およびリセット信号線２７に接続されており、各行に配置された複数の単位画素セル１４を行単位で選択し、信号電圧の読出しおよび画素電極５０の電位のリセットを行う。電源配線（ソースフォロア電源）２１は、各単位画素セル１４に所定の電源電圧を供給する。水平信号読出し回路２０は、複数のカラム信号処理回路１９に電気的に接続されている。カラム信号処理回路１９は、各列に対応した垂直信号線１７を介して、各列に配置された単位画素セル１４に電気的に接続されている。負荷回路１８は、各垂直信号線１７に電気的に接続されている。負荷回路１８と増幅トランジスタ１１とは、ソースフォロア回路を形成する。
【００７０】
複数の反転増幅器２２は、各列に対応して設けられている。反転増幅器２２の負側の入力端子は、対応した垂直信号線１７に接続されている。また、反転増幅器２２の出力端子は、各列に対応したフィードバック線２３を介して単位画素セル１４に接続されている。
【００７１】
垂直走査回路１５は、アドレス信号線２６によって、アドレストランジスタ１３のオンおよびオフを制御する行選択信号をアドレストランジスタ１３のゲート電極に印加する。これにより、読出し対象の行が走査され、選択される。選択された行の単位画素セル１４から垂直信号線１７に信号電圧が読み出される。また、垂直走査回路１５は、リセット信号線２７を介して、リセットトランジスタ１２のオンおよびオフを制御するリセット信号をリセットトランジスタ１２のゲート電極に印加する。これにより、リセット動作の対象となる単位画素セル１４の行が選択される。垂直信号線１７は、垂直走査回路１５によって選択された単位画素セル１４から読み出された信号電圧をカラム信号処理回路１９へ伝達する。
【００７２】
カラム信号処理回路１９は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理およびアナログ−デジタル変換（ＡＤ変換）などを行う。
【００７３】
水平信号読出し回路２０は、複数のカラム信号処理回路１９から水平共通信号線２９に信号を順次読み出す。
【００７４】
反転増幅器２２は、フィードバック線２３を介してリセットトランジスタ１２のドレイン電極に接続されている。したがって、反転増幅器２２は、アドレストランジスタ１３とリセットトランジスタ１２とが導通状態にあるときに、アドレストランジスタ１３の出力を負端子に受ける。増幅トランジスタ１１のゲート電位が所定のフィードバック電圧となるように、反転増幅器２２はフィードバック動作を行う。このとき、反転増幅器２２の出力電圧値は、０Ｖまたは０Ｖ近傍の正電圧である。フィードバック電圧とは、反転増幅器２２の出力電圧を意味する。
【００７５】
（単位画素セル１４のデバイス構造）
図２は、本実施形態に係る撮像装置１０１中の単位画素セル１４のデバイス構造の断面を模式的に示している。
【００７６】
単位画素セル１４は、半導体基板３１と、電荷検出回路２５と、光電変換部１０とを含む。半導体基板３１は、例えば、ｐ型シリコン基板である。電荷検出回路２５は、画素電
極５０によって捕捉された信号電荷を検出し、信号電圧を出力する。電荷検出回路２５は、増幅トランジスタ１１と、リセットトランジスタ１２と、アドレストランジスタ１３とを含み、半導体基板３１に形成されている。
【００７７】
増幅トランジスタ１１は、半導体基板３１に形成され、それぞれドレインおよびソースとして機能するｎ型不純物領域４１Ｃおよび４１Ｄと、半導体基板３１上に位置するゲート絶縁層３８Ｂとゲート絶縁層３８Ｂ上に位置するゲート電極３９Ｂとを含む。
【００７８】
リセットトランジスタ１２は、半導体基板３１に形成され、それぞれドレインおよびソースとして機能するｎ型不純物領域４１Ｂおよび４１Ａと、半導体基板３１上に位置するゲート絶縁層３８Ａとゲート絶縁層３８Ａ上に位置するゲート電極３９Ａとを含む。
【００７９】
アドレストランジスタ１３は、半導体基板３１に形成され、それぞれドレインおよびソースとして機能するｎ型不純物領域４１Ｄおよび４１Ｅと、半導体基板３１上に位置するゲート絶縁層３８Ｃとゲート絶縁層３８Ｃ上に位置するゲート電極３９Ｃとを含む。ｎ型不純物領域４１Ｄは、増幅トランジスタ１１とアドレストランジスタ１３とに共用されており、これにより、増幅トランジスタ１１とアドレストランジスタ１３とが直列に接続される。
【００８０】
半導体基板３１において、隣接する単位画素セル１４との間および増幅トランジスタ１１とリセットトランジスタ１２との間には素子分離領域４２が設けられている。素子分離領域４２によって、隣接する単位画素セル１４間の電気的な分離が行われる。また、電荷蓄積ノードで蓄積される信号電荷のリークが抑制される。
【００８１】
半導体基板３１の表面には層間絶縁層４３Ａ、４３Ｂおよび４３Ｃが積層されている。層間絶縁層４３Ａ中には、リセットトランジスタ１２のｎ型不純物領域４１Ｂと接続されたコンタクトプラグ４５Ａ、増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂと接続されたコンタクトプラグ４５Ｂ、およびコンタクトプラグ４５Ａとコンタクトプラグ４５Ｂとを接続する配線４６Ａが設けられている。これにより、リセットトランジスタ１２のｎ型不純物領域４１Ｂ（ドレイン）が増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂと電気的に接続されている。
【００８２】
光電変換部１０は、層間絶縁層４３Ｃ上に設けられている。光電変換部１０は、上部電極５２と、光電変換層５１と、画素電極５０と、補助電極６１とを含む。光電変換層５１は、上部電極５２と、画素電極５０および補助電極６１とによって挟まれている。画素電極５０および補助電極６１は、層間絶縁層４３Ｃ上に設けられている。上部電極５２は、例えば、ＩＴＯ等の導電性透明材料によって形成される。画素電極５０および補助電極６１は、アルミニウム、銅等の金属や不純物がドープされ導電性が付与されたポリシリコン等によって形成される。
【００８３】
図２には示していないが、単位画素セル１４は、光電変換部１０の上部電極５２上にマイクロレンズを有していてもよい。また、カラーフィルタを有していてもよい。
【００８４】
図３は、層間絶縁層４３Ｃの表面における画素電極５０および補助電極６１の形状の一例を示している。図３では、３行３列のマトリクス状に配置された９つの単位画素セルを示している。画素電極５０は、例えば四角形状を有する。本実施形態では、図３に示すように、画素電極５０は、矩形形状を有し、補助電極６１は、画素電極５０を囲むリング状の矩形形状を有する。画素電極５０と補助電極６１とは間隙を介して距離Ｌ１だけ離れている。この例では、図示する９つの単位画素セル１４の間で補助電極６１は一体的に形成されており、互いに電気的に接続されている。
【００８５】
本実施形態では、画素電極５０は、矩形であるが、画素電極５０は、円形または五角形以上の多角形形状を有していてもよい。また、本実施形態では、補助電極６１は画素電極５０を囲んでいるが、画素電極５０を囲んでいなくてもよい。
【００８６】
図２に例示するように、画素電極５０は、層間絶縁層４３Ｃ中に設けられたプラグ４７Ｃ、層間絶縁層４３Ｂ上に設けられた配線４６Ｃ、層間絶縁層４３Ｂ中に設けられたプラグ４７Ｂ、層間絶縁層４３Ａ上に設けられた配線４６Ｂおよび層間絶縁層４３Ａ中に設けられたプラグ４７Ａを介して、配線４６Ａに接続されている。また、補助電極６１は、層間絶縁層４３Ｃ中に設けられたプラグ４８を介して層間絶縁層４３Ｂ上に設けられた配線４９と接続されている。これらのプラグ、コンタクトプラグおよび配線は、アルミニウム、銅等の金属や不純物がドープされ導電性が付与されたポリシリコン等によって形成される。
【００８７】
本実施形態において、撮像装置１０１は、光電変換層５１における光電変換によって生成した正孔−電子対のうち、正孔を信号電荷として検出する。検出される信号電荷は、前述の電荷蓄積ノード２４（図１参照）に蓄積される。電荷蓄積ノード２４は、画素電極５０、ゲート電極３９Ｂ、ｎ型不純物領域４１Ｂおよびこれらを接続するプラグ４７Ａ、４７Ｂ、４７Ｃ、コンタクトプラグ４５Ａ、４５Ｂおよび配線４６Ｃ、４６Ｂ、４６Ａ（図２参照）を含む。
【００８８】
光電変換層５１は、層間絶縁層４３Ｃ上において、補助電極６１および画素電極５０を覆い、複数の単位画素セル１４全体にわたって連続的に形成されている。光電変換層５１は、例えば有機材料またはアモルファスシリコンから形成される。
【００８９】
図２には示していないが、周辺回路（ここでは、垂直走査回路１５、水平信号読出し回路２０、カラム信号処理回路１９、負荷回路１８および反転増幅器２２）も、半導体基板３１に形成される。
【００９０】
撮像装置１０１は、一般的な半導体製造プロセスを用いて製造することができる。特に半導体基板３１としてシリコン基板を用いる場合には、種々のシリコン半導体プロセスを利用することによって撮像装置１０１を製造することができる。
【００９１】
（撮像装置１０１の動作）
次に図１、図２および図４Ａから図４Ｄを参照しながら、撮像装置１０１の例示的な動作を説明する。以下に説明するように、信号電荷として正孔を利用する場合には、上部電極５２よりも画素電極５０および補助電極６１の電位を低く設定することにより、光電変換で発生した正孔を画素電極５０側へ集めることができる。
【００９２】
まず、上部電極５２に１０Ｖ程度の電圧を印加する。さらに、リセットトランジスタ１２をＯＮにし、その後ＯＦＦにすることによって、画素電極５０の電位をリセットする。リセットにより、画素電極５０を含む電荷蓄積ノード２４の電位が、初期値としてリセット電圧（例えば０Ｖ）に設定される。また、電圧印加回路６０から、例えばリセット電圧（ここでは０Ｖ）よりも低い第１の感度調整電圧を補助電極６１に印加する。ここでは、第１の感度調整電圧として−２Ｖの電圧を補助電極６１に印加する。
【００９３】
このように、上部電極５２よりも画素電極５０および補助電極６１の電位が低く設定されているので、光電変換層５１内において光電変換で発生した正孔は、補助電極６１および画素電極５０へ移動する。ここでは、画素電極５０の電圧よりも補助電極６１の電圧の方が低いので（画素電極５０と上部電極５２との間の電位差よりも、補助電極６１と上部
電極５２との電位差の方が大きいので）、生成した正孔は、画素電極５０よりも補助電極６１へ移動しやすい。その結果、光電変換層５１のうち、画素電極５０との重なりを有する部分を含む領域５１Ａ（図４Ａ参照）において発生する正孔は、主に画素電極５０へ移動し、信号電荷として検出される。他方、光電変換層５１のうち、補助電極６１との重なりを有する部分を含む領域５１Ｂ（図４Ａ参照）において発生する正孔は、主に補助電極６１へ移動する。これは、光電変換層５１に照射された光のうち、領域５１Ａに照射された光が検出されることを意味する。つまり、単位画素セル１４は、撮像面に入射した光のうち、領域５１Ａに入射した光を実質的に検出する。領域５１Ａは、光電変換層５１のうち、光電変換によって生成された信号電荷（ここでは正孔）が主として画素電極に収集されるような領域であり、領域５１Ｂは、光電変換層５１のうち、光電変換によって生成された信号電荷（ここでは正孔）が主として補助電極に収集されるような領域である。
【００９４】
図４Ｂは、領域５１Ａを画素電極５０および補助電極６１側から見た平面図である。この例では、領域５１Ａは、光電変換層５１と平行な平面において、画素電極５０よりも少し大きい第１の面積を有する。図４Ｂに示すように、撮像面の法線方向から見たときの領域５１Ａの形状および面積は、画素電極５０の形状および面積と必ずしも一致しない。また、後に詳しく説明するように、領域５１Ａの形状および／または面積は、画素電極５０、補助電極６１および上部電極５２に印加される電圧によって変化し得る。撮像面の法線方向から見たときの領域５１Ｂの形状および面積も、補助電極６１の形状および面積と必ずしも一致しない。図４Ａおよび図４Ｂは、あくまでも模式的に領域５１Ａを示しており、領域５１Ａと領域５１Ｂとの間に明確な境界が存在するわけではない。
【００９５】
補助電極６１に第１の感度調整電圧を印加した状態でフレームごとに信号電荷を蓄積し、蓄積した電荷および画素電極５０の電位のリセットを行う。これにより、光電変換層５１に入射する光を、第１の面積を有する領域５１Ａで検出することが可能である。
【００９６】
図４Ｃおよび図４Ｄは、電圧印加回路６０が第１の感度調整電圧よりも高い第２の感度調整電圧を補助電極６１に印加している例を示している。例えば、第２の感度調整電圧は５Ｖである。
【００９７】
この例においても第１の感度調整電圧を印加したときと同様に、光電変換層５１内において光電変換で発生した正孔は、補助電極６１および画素電極５０へ移動する。この例では、第２の感度調整電圧（ここでは５Ｖ）は、リセット電圧（ここでは０Ｖ）よりも高い。そのため、光電変換層５１で生成した正孔は、補助電極６１よりも画素電極５０に向かって移動しやすい。
【００９８】
さらに、この例では、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明した例における第１の感度調整電圧よりも高い第２の感度調整電圧が補助電極６１に印加されている。そのため、補助電極６１へ流れ込む正孔の量は、第１の感度調整電圧が補助電極６１に印加されている場合に比べて少ない。つまり、生成した正孔は、より画素電極５０へ移動しやすい。その結果、図４Ｃに模式的に示すように、画素電極５０へ移動し得る正孔が分布する領域５１Ｃは、第１の感度調整電圧が補助電極６１に印加されているときの領域５１Ａ（図４Ａ参照）に比べて大きくなる。また、補助電極６１へ移動し得る正孔が分布する領域５１Ｄは、第１の感度調整電圧が補助電極６１に印加されているときの領域５１Ｂ（図４Ａ参照）に比べて小さくなる。
【００９９】
図４Ｄは、領域５１Ｃを画素電極５０および補助電極６１側から見た平面図である。領域５１Ｃは、例えば、光電変換層５１と平行な平面において、第１の面積よりも大きい第２の面積を有する。
【０１００】
補助電極６１に第２の感度調整電圧を印加した状態でフレームごとに信号電荷を蓄積し、蓄積した電荷および画素電極５０の電位のリセットを行う。これにより、光電変換層５１に入射する光を、第２の面積を有する領域５１Ｃで検出することが可能である。
【０１０１】
このように、補助電極６１に第１の感度調整電圧を印加する場合には、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域５１Ａは相対的に小さく、第２の感度調整電圧を印加する場合には、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域５１Ｃは相対的に大きい。つまり、補助電極６１に第１の感度調整電圧を印加する場合には、撮像装置１０１の感度が相対的に低く、第２の感度調整電圧を印加する場合には感度が相対的に高い。このように補助電極６１に印加する感度調整電圧を変化させることによって、撮像装置１０１の感度を変えることができる。画素電極５０と補助電極６１との間の距離Ｌ１（図４Ａおよび図４Ｃ参照）が大きいほど、感度調整電圧を変更することによって調整可能な、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域（ここでは領域５１Ａ、５１Ｃ）のサイズの変化の範囲が大きくなる。
【０１０２】
図５は、信号電荷が正孔である場合における、補助電極に印加する感度調整電圧と撮像装置１０１の感度との間の関係を模式的に示している。図５に示すように、補助電極に印加する感度調整電圧を変化させると、感度も変化し、例えば感度調整電圧を大きくすると感度は増大する。このように本実施形態によれば、感度が可変である撮像装置が実現する。
【０１０３】
上記実施形態では、信号電荷は正孔であるが、信号電荷は電子であってもよい。この場合、画素電極５０および補助電極６１には、上部電極５２よりも高い電圧を印加し、光電変換により生成した電子を、画素電極５０および補助電極６１へ移動させる。信号電荷が電子である場合には、補助電極に印加する感度調整電圧が相対的に低い方が画素電極に電子が流れやすく、撮像装置の感度が高くなる。一方、補助電極に印加する感度調整電圧が相対的に高い方が補助電極に電子が流れやすく、撮像装置の感度が低くなる。
【０１０４】
このように、電圧印加回路６０から補助電極６１に印加する感度調整電圧を切り替えることによって、印加する感度調整電圧に応じて撮像装置１０１の感度を変えることが可能である。信号電荷として正孔を利用する場合、上部電極５２−補助電極６１間の電位差が上部電極５２−画素電極５０間の電位差よりも大きいと、撮像装置の感度は、相対的に低くなる。一方、上部電極５２−補助電極６１間の電位差が上部電極５２−画素電極５０間の電位差よりも小さいと、撮像装置の感度は、相対的に高くなる。なお、信号電荷として電子を利用する場合にも、この関係は成立する。例えば、上部電極５２−補助電極６１間の電位差が上部電極５２−画素電極５０の電位差よりも大きいと、撮像装置の感度は、相対的に低くなる。
【０１０５】
また、上述の図４Ａ〜図４Ｄを参照して説明した例では、補助電極６１に印加する感度調整電圧を、画素電極５０のリセット電圧よりも高い値と低い値との間で変化させているが、補助電極６１に印加する感度調整電圧を、画素電極５０のリセット電圧よりも高い範囲あるいは低い範囲で変化させても、撮像装置１０１の感度を変えることができる。例えば、信号電荷として正孔を利用し、かつ、画素電極５０のリセット電圧よりも低い範囲において感度調整電圧を変化させると、画素電極５０と補助電極６１との間の電位差が相対的に大きいほど、撮像装置の感度の低下の度合いは増大する。
【０１０６】
次に、図６Ａから図６Ｄを参照しながら、補助電極６１に印加する感度調整電圧の値と、それにより実現する撮像装置１０１の特徴をさらに説明する。
【０１０７】
まず、画素電極５０のリセット電圧をＶｒとし、信号電荷が正孔である場合を説明する
。図６Ａは、補助電極６１にＶ１＜Ｖｒ＜Ｖ２を満たす感度調整電圧Ｖ１およびＶ２を印加する場合における、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域を画素電極５０および補助電極６１側から見た平面図である。図６Ａにおいて、領域５１Ａ１、５１Ａｒ、５１Ａ２は、それぞれ、補助電極６１に、Ｖ１、Ｖｒ、Ｖ２の感度調整電圧を印加した場合における、画素電極５０によって信号電荷（ここでは正孔）が捕捉される領域を模式的に示している。補助電極６１にリセット電圧Ｖｒを印加した場合、初期化された画素電極５０と補助電極６１とは同電位となる。このため、補助電極６１にリセット電圧Ｖｒが印加されたときにおける領域５１Ａｒの境界は、画素電極５０と補助電極６１のほぼ中間に位置する。
【０１０８】
信号電荷が正孔である場合、補助電極６１に印加する電圧が小さい方が、補助電極６１に信号電荷である正孔が捕捉されやすくなり、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域は小さくなる。このため、感度調整電圧をＶｒに設定する場合を基準として、Ｖｒよりも小さい感度調整電圧Ｖ１を印加すれば、Ｖｒを印加したときにおける領域５１Ａｒよりも領域５１Ａ１を小さくすることができる。また、Ｖｒよりも大きい感度調整電圧Ｖ２を印加すれば、Ｖｒを印加したときにおける領域５１Ａｒよりも領域５１Ａ２を大きくすることができる。このように、リセット電圧Ｖｒよりも小さい感度調整電圧Ｖ１および大きい感度調整電圧Ｖ２を選択的に印加することによって、画素電極５０によって正孔が捕捉される領域の大きさを幅広く変化させることができ、感度の調整範囲が広い撮像装置１０１を実現することができる。
【０１０９】
図６Ｂは、補助電極６１にＶｒ＜Ｖ１＜Ｖ２を満たす感度調整電圧Ｖ１およびＶ２を印加する場合における、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域を画素電極５０および補助電極６１側から見た平面図である。感度調整電圧をＶｒに設定する場合を基準として、Ｖｒよりも大きい感度調整電圧Ｖ１を印加すれば、Ｖｒを印加したときにおける領域５１Ａｒよりも領域５１Ａ１を大きくすることができる。また、Ｖ１よりも大きい感度調整電圧Ｖ２を印加すれば、Ｖ１を印加したときにおける領域５１Ａ１よりも領域５１Ａ２をさらに大きくすることができる。したがって、Ｖｒ＜Ｖ１＜Ｖ２の関係を満たす感度調整電圧Ｖ１を補助電極６１に印加することによって、単位画素セル間の混色を抑制しながら、良好な感度もある程度確保することが可能である。また、感度調整電圧Ｖ２を補助電極６１に印加することによって、高い感度を実現することができる。
【０１１０】
図６Ｃは、補助電極６１にＶ１＜０を満たす感度調整電圧Ｖ１を印加する場合における、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域を画素電極５０および補助電極６１側から見た平面図である。感度調整電圧Ｖ１を負の値にすることによって、多くの正孔が補助電極６１に捕捉されるので、領域５１Ａ１は小さくなる。これにより、感度を低下させ、明るい環境においても白飛びが発生しにくい撮像装置を実現できる。なお、画素に設けられたトランジスタ（リセットトランジスタ１２、アドレストランジスタ１３など）を駆動（ＯＮおよびＯＦＦの切り替え）する電圧に負電圧を用いる場合、この負電圧を、補助電極６１に印加する感度調整電圧としても用いることができる。例えば、リセットトランジスタ１２のゲート電圧に負電圧を印加することによってリセットトランジスタ１２をＯＮまたはＯＦＦさせる場合、ゲート電圧の発生回路を、電圧印加回路６０として用いることができる。これにより、周辺回路の規模を小さくしたり、周辺回路の構成を簡略にしたりすることができる。
【０１１１】
信号電荷が電子である場合には、信号電荷が正孔である場合のＶ１、Ｖ２、Ｖｒの大小関係を逆転させればよい。例えば、補助電極６１にＶ１＜Ｖ２＜Ｖｒを満たす感度調整電圧Ｖ１およびＶ２を印加してもよい。図６Ｄは、信号電荷が電子であり、補助電極６１にＶ１＜Ｖ２＜Ｖｒを満たす感度調整電圧Ｖ１およびＶ２を印加する場合における、画素電極５０によって信号電荷（ここでは電子）が捕捉される領域を画素電極５０および補助電
極６１側から見た平面図である。
【０１１２】
信号電荷が電子である場合、補助電極６１に印加する電圧が低い方が、信号電荷（ここでは電子）が補助電極６１に捕捉されにくくなり、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域は大きくなる。このため、Ｖｒよりも低い感度調整電圧Ｖ２を印加すれば、Ｖｒを印加したときにおける領域５１Ａｒよりも領域５１Ａ２を大きくすることができる。また、Ｖ２よりもさらに低い感度調整電圧Ｖ１を印加すれば、Ｖ２を印加したときにおける領域５１Ａ２よりも領域５１Ａ１をさらに大きくすることができる。したがって、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖｒの関係を満たす感度調整電圧Ｖ２を補助電極６１に印加することによって、単位画素セル間の混色を抑制しながら、良好な感度もある程度確保することが可能である。また、感度調整電圧Ｖ１を補助電極６１に印加することによって、高い感度を実現することができる。
【０１１３】
次に、図１および図７を参照しながら、撮像装置１０１の例示的な駆動方法を説明する。図７は、撮像装置１０１において感度調整電圧を変化させる場合における、感度調整電圧の印加および露光のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【０１１４】
図７において、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２、・・・、ＲＳＴｎは、それぞれ、１、２、・・・、ｎ番目の行を構成しているリセットトランジスタ１２のゲート電極に印加するゲート電圧（以下、リセットゲート電圧と呼ぶことがある）のタイミングを示している。図１を参照して説明したように、撮像装置１０１は、例えば、行ごとに露光および信号の読出しを行う（ローリングシャッタ）。このため、リセットゲート電圧の印加によって、１フレームの期間中、各行の単位画素セル１４における電荷蓄積ノード２４のリセットが順次行われる。画素アレイの各行において、リセットゲート電圧の印加後、次のリセットゲート電圧が印加されるまでの期間が露光時間に相当する。
【０１１５】
図７に示す例では、第２フレームの開始のタイミングで、補助電極６１に印加する感度調整電圧ＳＳＶを変化させている。図３を参照して説明したように、ここでは、補助電極６１は、複数の単位画素セル１４にわたって連続的に形成されている。つまり、図３に例示する構成では、補助電極６１に印加する感度調整電圧は、行ごとではなく、全体として同一のタイミングで制御される。画素アレイ全体において感度調整電圧が同一のタイミングで制御されることに対し、画素の各行の露光開始のタイミングは、図７から分かるように、行ごとにずれている。そのため、補助電極６１に印加する感度調整電圧をどのタイミングで変化させても、露光時間中に感度調整電圧が変化してしまう。感度調整電圧を変化させたフレーム（ここで第２フレーム）では、行ごとに感度が異なり、また、露光期間の途中で感度調整電圧が変化するので、印加する感度調整電圧に対応する正しい感度で、入射する光を検出することはできない。したがって、感度調整電圧を変化させた第２フレームにおいて撮影された画像データは破棄する。次の第３フレームでは、露光開始からいずれの行においても、変更後の感度調整電圧が印加されているので、すべての行において、入射する光を正しい感度で検出することが可能である。
【０１１６】
このように、補助電極６１に印加する感度調整電圧を少なくとも２フレーム単位で変化させることによって、感度を変更した画像をフレーム単位で取得することが可能となる。したがって、本実施形態によれば、電圧印加回路から供給する感度調整電圧の値を変化させることにより、撮像装置の感度をフレーム単位で変化させることができる。よって、明るさが大きく変化する様々な環境下においても、高画質で撮影を行うことが可能な撮像装置を実現し得る。
【０１１７】
また、各単位画素セル１４の補助電極６１が互いに接続されており、補助電極６１に一括して感度調整電圧を印加することができるので、補助電極を駆動する配線を削減可能で
ある。
【０１１８】
なお、特開２００８−１１２９０７号公報および国際公開第２０１３／００１８０９号は、混色の防止のため、シールド電極を用いることを開示している。このような技術では、これらの技術的効果を得るために、シールド電極に印加する感度調整電圧は一定であることが好ましい。したがって、補助電極に印加する感度調整電圧によって、感度を調整するという本開示の技術は、これらの文献に開示された技術とは全く異なる思想に基づく。
【０１１９】
（第１の実施形態の変形例）
図７を参照して説明した動作では、補助電極６１に印加する感度調整電圧を２フレーム単位で変化させている。しかしながら、感度調整電圧の切り替えは、２フレーム単位に限定されない。以下に説明するように、１フレーム単位での感度調整電圧の切り替えも可能である。
【０１２０】
図８は、感度調整電圧の印加、露光および信号読出しのタイミングの他の一例を示すタイミングチャートである。図８に示す例では、電圧印加回路６０は、１フレームの間において感度調整電圧ＳＳＶをＶ０からＶｓに切り替え、さらに、一定時間の経過後に感度調整電圧ＳＳＶを再びＶ０に切り替えている。
【０１２１】
この例において、電圧Ｖ０は、撮像装置１０１の感度をほぼ０とするほどに十分に低い電圧である。すなわち、補助電極６１に電圧Ｖ０が印加されている状態においては、光電変換層５１において生じた信号電荷（ここでは正孔）の大部分は、補助電極６１によって捕捉される。別の言い方をすれば、補助電極６１に電圧Ｖ０が印加されている状態においては、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域（例えば図４Ａおよび図４Ｂに示す領域５１Ａを参照）が十分に小さく、画素電極５０に捕捉される信号電荷は、わずかである。すなわち、補助電極６１に電圧Ｖ０を印加することによって、あたかも感光領域を遮光しているかのような状態を実現し得る。一方、電圧Ｖ０よりも適度に高い電圧Ｖｓを補助電極６１に印加することにより、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域を適度に拡大し、撮影に必要な感度を撮像装置１０１に持たせることができる。
【０１２２】
図８に示す例では、１フレーム内の一定期間において、補助電極６１に電圧Ｖｓを印加し、他の期間には電圧Ｖ０を印加している。そのため、画素電極５０による信号電荷の収集は、感度がほぼ０の、補助電極６１に電圧Ｖ０を印加している期間を除いて実行される。つまり、１フレームのうち補助電極６１に電圧Ｖｓが印加されている期間が、実効的な露光時間として信号電荷の蓄積に寄与する。
【０１２３】
このように、本実施形態によれば、補助電極６１に電圧Ｖｓを印加する期間によって、実効的な露光時間を調節することが可能である。図８に示すように、この実効露光時間は、全ての単位画素セル１４に共通であり得る。したがって、画素アレイに含まれるすべての単位画素セルにおける露光期間を揃えることが可能である。すなわち、感度調整電圧を１フレーム内において変化させることにより、信号電荷を蓄積するための容量素子等を画素内に別途設けることなく、いわゆるグローバルシャッタと同様の機能を実現し得る。
【０１２４】
図９は、感度調整電圧の印加、露光および信号読出しのタイミングのさらに他の一例を示すタイミングチャートである。図８を参照して説明したように、補助電極６１に適切な大きさの電圧Ｖ０を印加することにより、撮像装置１０１における感度をほぼ０に低下させ得る。つまり、補助電極６１に印加する感度調整電圧をシャッタの代わりに使用することが可能である。図８を参照して説明した例と同様に、この例においても、信号電荷の蓄積は、補助電極６１に電圧Ｖｓが印加されている期間に実行される。補助電極６１に電圧Ｖ０が印加されている期間は、画像の取得に実効的に寄与しない。
【０１２５】
図９に示す例では、電圧印加回路６０は、１フレームの間において感度調整電圧ＳＳＶをＶ０およびＶｓに周期的に切り替えている。したがって、実効露光期間と非露光期間とが周期的に繰り返される。例えば、周期的なチラつきを有する照明器具のもとで撮影を行う場合、補助電極６１に印加する電圧を周期的に変化させれば、照明器具の周期的なチラつきの影響をキャンセルし得る。
【０１２６】
図１０は、感度調整電圧の印加、露光および信号読出しのタイミングのさらに他の一例を示すタイミングチャートである。図１０は、フラッシュを有する撮像装置（例えば、後述する図１４Ｂ参照）における動作の一例を説明するための図である。図１０では、感度調整電圧ＳＳＶの変化および画素アレイの各行のリセットゲート電圧の変化とともに、フラッシュの発光タイミングが示されている。
【０１２７】
図１０に示す例では、第２フレームにおいてフラッシュ動作が実行されている。電圧印加回路６０は、フラッシュに同期して感度調整電圧ＳＳＶを変化させている。具体的には、電圧印加回路６０は、フラッシュの消灯期間には補助電極６１に電圧Ｖｓを印加し、フラッシュの点灯期間に、電圧Ｖｓよりも低い電圧Ｖｔを補助電極６１に印加している。すなわち、フラッシュの点灯期間において撮像装置の感度が低くなるような動作が実行されている。
【０１２８】
このように、フラッシュの点灯期間において撮像装置の感度が一時的に低下するように感度調整電圧ＳＳＶを変化させてもよい。フラッシュの点灯期間に撮像装置の感度を一時的に低下させることにより、白飛びの発生を抑制し得る。また、フラッシュの反射等の輝点の移動に起因する光跡の影響を除去し得る。電圧Ｖｔに代えて、撮像装置の感度をほぼ０にするような前述の電圧Ｖ０を補助電極６１に印加してもよい。
【０１２９】
図１１は、感度調整電圧の印加、露光および信号読出しのタイミングのさらに他の一例を示すタイミングチャートである。図１１では、感度調整電圧ＳＳＶの変化および画素アレイの各行のリセットゲート電圧の変化とともに、上部電極５２に印加される電圧の変化が示されている。以下に説明するように、感度調整電圧ＳＳＶの変化に合わせて、上部電極５２に印加する電圧の大きさを変化させてもよい。
【０１３０】
ここでは、図８を参照して説明した例と同様に、補助電極６１に電圧Ｖ０を印加する期間と、電圧Ｖｓを印加する期間とを１フレーム内に設けている。補助電極６１に電圧Ｖ０が印加されている期間における感度は、補助電極６１に電圧Ｖｓが印加されている期間における感度と比較して低い。しかしながら、感度調整電圧を調整するだけでは、撮像装置の感度を十分に低下できないことがある。
【０１３１】
図１１に示す例では、上部電極５２に印加する電圧を、光電変換部制御線１６（図１参照）を介して感度調整電圧の変化に合わせて変化させている。具体的には、補助電極６１に電圧Ｖｓが印加されている期間（実効露光期間）には、所定の電圧Ｖｐを上部電極５２に印加し、補助電極６１に電圧Ｖ０が印加されている期間には、電圧Ｖｐよりも低い電圧Ｖｑを上部電極５２に印加している。このように、実効露光期間以外の期間において上部電極５２の電位を低下させることにより、撮像装置１０１の感度をより低下させ得る。感度調整電圧に加えて上部電極５２の電圧を調整することにより、より効果的な電子シャッタ動作を実行し得る。上部電極５２に印加する電圧は、電圧印加回路６０または垂直走査回路１５から光電変換部制御線１６を介して供給されてもよい。
【０１３２】
（第２の実施形態）
次に、図１２Ａから図１３Ｂを参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
【０１３３】
本実施形態の撮像装置は、補助電極が行ごとに電気的に分離している点で第１の実施形態の撮像装置と異なる。補助電極および電圧印加回路以外の構成は第１の実施形態と同じであり得るので、主として、補助電極および電圧印加回路の説明を行う。
【０１３４】
図１２Ａは、本実施形態の撮像装置における補助電極の平面構造の一例を模式的に示している。本実施形態の撮像装置は、単位画素セル１４の補助電極６１が行ごとに電気的に接続された補助電極行６１1、６１2、・・・、６１nを含む。補助電極行６１1、６１2、
・・・、６１nのそれぞれは、互いに電気的に分離している。
【０１３５】
図示するように、補助電極行６１1、６１2、・・・、６１nの各々は、電圧印加回路６
０Ａとの接続を有する。電圧印加回路６０Ａは、補助電極行６１1、６１2、・・・、６１nのそれぞれに対して個別に、少なくとも２つの感度調整電圧を供給可能に構成されてい
る。図１２Ａを参照して説明する以下の例では、補助電極行毎に異なるタイミングで、２つの感度調整電圧の切り替えを実行する。
【０１３６】
図１２Ｂは、図１２Ａに示す構成における、感度調整電圧の印加、露光および信号読出しのタイミングを示すタイミングチャートの一例を示す。図１２Ｂにおいて、ＳＳＶ１、ＳＳＶ２、・・・、ＳＳＶｎは、それぞれ、補助電極行６１1、６１2、・・・、６１nに
印加する感度調整電圧の変化のタイミングを示している。
【０１３７】
本実施形態の撮像装置は、画素アレイの行ごとに、互いに異なるタイミングで感度調整電圧を変化させることができる。このため、図１２Ｂに示すように、画素アレイの各行において、例えば、リセットゲート電圧をハイレベルからローレベルに切り替えるタイミングに合わせて感度調整電圧を変化させることができる。これにより、画素の各行において、各フレーム内における感度調整電圧を一定にすることができる。つまり、各行において、フレーム単位で感度を変更することができる。
【０１３８】
本実施形態の撮像装置によれば、露光期間の途中における感度調整電圧の変化を回避し得るので、正しく撮影できないフレームが生じることなく、連続したフレーム撮影が可能であり、かつ、フレーム単位で感度を調整することが可能である。例えば、本実施形態の撮像装置は、フレーム単位で感度を調整することが可能であるので、明るさが急激に変化する撮影環境においても、明るさの変化に高速で対応し、感度を調節することが可能である。
【０１３９】
本実施形態の撮像装置は、電子シャッタによって露光時間を調整する駆動方法にも適用可能である。例えば、図１２Ｃに示すように、画素アレイの各行において、１フレームごとにリセットゲート電圧をハイレベルとし、かつ、フレーム期間中に、リセットゲート電圧を再びハイレベルとする期間をさらに設ける。これにより、１フレーム期間を非露光時間と、露光時間とに分割することが可能である。フレーム期間中においてリセットゲート電圧を再びハイレベルとするタイミングを変更することによって、露光時間を変化させることできる。
【０１４０】
このような電子シャッタによる露光時間の制御を適用する場合、図１２Ｃに示すように、感度調整電圧を非露光時間に変化させればよい。これにより、各行において露光期間の途中に感度調整電圧が変化することがなく、露光期間の全体にわたって一定の感度調整電圧を印加することができる。このため、正しく撮影できないフレームが生じることなく、連続したフレーム撮影が可能であり、かつ、フレーム単位で感度を調整することが可能な撮像装置が実現する。また、電子シャッタによって露光時間を調整することが可能である。
【０１４１】
図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して説明した例では、単位画素セル１４の補助電極は、各行において互いに電気的に接続されることによって補助電極行を構成しており、各補助電極行は、電気的に分離されている。しかしながら、補助電極は、１行ずつではなく、ｎ行（ｎは２以上の整数）を単位として群を形成していてもよい。各群内において、補助電極が互いに電気的に接続され、かつ、各群が互いに電気的に分離されていてもよい。
【０１４２】
図１３Ａは、画素アレイの２行を単位として１つの群を形成する補助電極の平面構造を模式的に示している。図１３Ａに例示する構成では、例えば、画素アレイの第１行に含まれる単位画素セル１４の補助電極と、第２行に含まれる単位画素セル１４の補助電極とが、１つの群を形成している。図示するように、この群に属する複数の補助電極は、一体的に形成されることにより、互いに電気的に接続されている。図１３Ａに例示する構成において、補助電極は、図１２Ａに示す補助電極行６１1と補助電極行６１2とが一体的に形成された構造を含むといってもよい。
【０１４３】
図示するように、画素アレイの２行を単位とする群の各々は、電圧印加回路６０Ｂに接続されている。電圧印加回路６０Ｂは、各群に対して個別に、少なくとも２つの感度調整電圧を供給可能に構成されている。
【０１４４】
図１３Ｂは、図１３Ａに示す電極構造を有する撮像装置において感度調整電圧を変化させる場合における、感度調整電圧の印加、露光および信号読出しのタイミングの一例を示すタイミングチャートである。この例では、感度調整電圧の切り替えは、２行ごとに実行される。図１３Ｂに示すように、ＳＳＶ１とＳＳＶ２、および、ＳＳＶ３とＳＳＶ４等のそれぞれの組における感度調整電圧の変化のタイミングは共通である。また、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２の組、ＲＳＴ３およびＲＳＴ４の組等の変化を参照すればわかるように、リセットゲート電圧も２行ごとに切り替えられる。したがって、電子シャッタも２行単位で制御される。
【０１４５】
なお、図１３Ｂでは、ＳＳＶ１およびＳＳＶ２等、画素アレイの各行に対応する補助電極行の電圧の変化を分離して示しているが、この例では２行の補助電極行が１つの群を形成しており、かつ、各群内で補助電極６１は互いに電気的に接続されている。そのため、実際には、ＳＳＶ１およびＳＳＶ２は共通の１つの信号でよい。ＲＳＴ１およびＲＳＴ２等、同一の群に属する補助電極行に対応する単位画素セル１４に供給するリセットゲート電圧信号も共通でよい。
【０１４６】
この形態の撮像装置によれば、画素アレイに供給すべき感度調整電圧の変化をｎ行を単位として共通化できるので、感度を調整するための信号の数を行数の１／ｎに削減できる。したがって、電発印加回路６０Ｂの回路規模を小さくしたり、回路を簡略にしたり、補助電極６１を駆動する配線数を少なくしたりすることができる。
【０１４７】
（第３の実施形態）
図１４Ａを参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
【０１４８】
本実施形態の撮像装置は、光量検出回路をさらに備えている点で第１の実施形態の撮像装置と異なる。光量検出回路以外の構成は第１の実施形態と同じであり得るので、主として、光量検出回路の説明を行う。
【０１４９】
図１４Ａは、本実施形態の撮像装置１０３の回路構成の一例を模式的に示している。撮像装置１０３は、第１の実施形態の撮像装置１０１の構成に加えて、光量検出回路７０をさらに有する。光量検出回路７０は、光検出素子を含み、光電変換部１０へ入射する単位
面積あたりの光の量を検出する。単位面積あたり光の量は照度であってもよい。
【０１５０】
光量検出回路７０は、単位面積あたりの光の量に関する検出信号を電圧印加回路６０Ｃへ出力する。電圧印加回路６０Ｃは、検出信号に応じた感度調整電圧を各単位画素セル１４の補助電極６１に印加する。例えば、信号電荷が正孔であり、光電変換層の単位面積あたりに入射する光の量が多いことによって検出信号が大きい場合、電圧印加回路６０Ｃは、比較的低い感度調整電圧を単位画素セル１４に供給する。補助電極６１に比較的低い電圧が印加されることにより、第１の実施形態で説明したように、撮像装置１０３の感度は低下する。よって、白飛びが抑制された高画質の画像を得ることができる。
【０１５１】
また、光電変換層の単位面積あたりに入射する光の量が少ないことによって検出信号が小さい場合、電圧印加回路６０Ｃは、比較的高い感度調整電圧を単位画素セル１４に供給する。補助電極６１に比較的高い感度調整電圧が印加されることにより、撮像装置１０３の感度が高くなる。よって、黒つぶれが抑制された高画質の画像を得ることができる。
【０１５２】
このように本実施形態の撮像装置によれば、感度が自動的に調整され、環境の明るさに応じた適切な感度で撮影を行うことが可能となる。
【０１５３】
（第３の実施形態の変形例）
図１４Ｂは、第３の実施形態に係る撮像装置の他の構成の例を示す。図１４Ｂに示す撮像装置１０３Ａは、フラッシュ７２を有する。図１４Ｂに例示する構成において、図１０を参照して説明したように、フラッシュの発光タイミングに合わせて、撮像装置１０３Ａの感度が一時的に低くなるような動作が実行されてもよい。例えば、電圧印加回路６０Ｃが、フラッシュの発光タイミングに合わせて、撮像装置１０３Ａの感度が一時的に低くなるような感度調整電圧を単位画素セル１４に供給してもよい。
【０１５４】
図１５は、第３の実施形態に係る撮像装置のさらに他の構成の例を示す。図１５に示す撮像装置１０３Ｂは、入力インターフェース７４を有する。図１５に例示する構成において、入力インターフェース７４は、ユーザからの入力を受け付ける。ここでは、入力インターフェース７４は、少なくとも、ユーザからのＦ値の入力を受け付け可能に構成されている。入力インターフェース７４の例は、ボタン、ダイアル、タッチスクリーンなどである。
【０１５５】
例えば図４Ｂおよび図４Ｄを参照しながら既に説明したように、本開示の実施形態によれば、補助電極６１に印加する感度調整電圧を変化させることによって、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域（例えば図４Ｂに示す領域５１Ａおよび図４Ｄに示す領域５１Ｃを参照）の大きさを変化させることができる。すなわち、各単位画素セル１４において信号電荷の生成に寄与する領域の大きさを感度調整電圧の値に応じて変更することが可能である。図４Ｂおよび図４Ｄを比較すればわかるように、図４Ｂに示す領域５１Ａは、図４Ｄに示す領域５１Ｃよりも小さく、領域５１Ａの境界は、領域５１Ｃの境界よりも内側に位置する。図４Ｂに示すように、光電変換層に形成される、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域（例えば領域５１Ａ）が比較的小さく、したがって撮像装置の感度が低く調整された状態では、その領域の中心から離れた位置に入射する光線は画像の形成に寄与しない。つまり、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域を小さくした状態は、カメラの絞りを小さくした状態に相当する。このことは、感度調整電圧を用いて、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域の大きさを変化させることにより、Ｆ値を制御し得ることを意味する。
【０１５６】
図１５を参照する。図１５に例示する構成において、電圧印加回路６０Ｄは、入力インターフェース７４からの入力に応じた感度調整電圧を画素アレイに供給する。例えば、入
力インターフェース７４を介してＦ値として第１の値が指定されたとき、電圧印加回路６０Ｄは、補助電極６１に第１の感度調整電圧（例えば−２Ｖ）を印加する。入力インターフェース７４を介してＦ値として第１の値よりも小さな第２の値が指定されたとき、電圧印加回路６０Ｄは、補助電極６１に第２の感度調整電圧（例えば５Ｖ）を印加する。補助電極６１に第２の感度調整電圧が印加されることにより、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域は、補助電極６１に第１の感度調整電圧が印加されたときよりも拡大する。画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域が拡大することにより、カメラの絞りを大きくした状態と同様の状態が実現する。
【０１５７】
このように、本開示の実施形態によれば、感度調整電圧を調整することによってＦ値を制御し得る。感度調整電圧を利用したＦ値の制御は、絞り機構を設ける必要がないので、Ｆ値を連続的に変化させることも可能である。なお、この例では、入力インターフェース７４に対するユーザの操作に基づいて感度調整電圧を変更することにより、Ｆ値を制御している。しかしながら、Ｆ値の制御は、上述の例に限定されない。例えば、光量検出回路の検出結果に基づいて感度調整電圧の値を決定し、自動でＦ値の制御を実行してもよい。
【０１５８】
図１６は、入力インターフェース７４を有する撮像装置における、画素電極および補助電極の配置の一例を示す。図１６は、画素アレイ中の複数の単位画素セルのうちの９つを抜き出して例示している。
【０１５９】
図１６に示す単位画素セル１４Ｂの各々における画素電極５０Ｂは、９つのサブ画素電極５０ａ〜５０ｉを含む。サブ画素電極５０ａ〜５０ｉは、同一の増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂ（図２参照）に接続されることにより、互いに電気的に接続されている。すなわち、撮像装置の動作時、１つの単位画素セル１４Ｂ中のサブ画素電極５０ａ〜５０ｉの電位は、共通である。なお、本開示の撮像装置において、着目した画素電極がいずれの単位画素セルに属する電極であるかは、その画素電極がいずれの増幅トランジスタのゲート電極に接続されているかによって決められる。つまり、ある画素電極が第１の増幅トランジスタのゲート電極に接続されており、他のある画素電極が第２の増幅トランジスタのゲート電極に接続されているならば、これら２つの画素電極は、互いに異なる単位画素セルに属する電極として区別される。
【０１６０】
この例では、サブ画素電極５０ａ〜５０ｉは、空間的に分離して配置されており、サブ画素電極５０ａ〜５０ｉの各々を補助電極６１Ｂが取り囲んでいる。また、この例では、複数の単位画素セル１４Ｂの間において、補助電極６１Ｂは、互いに電気的に接続されている。もちろん、単位画素セル１４Ｂにおけるサブ画素電極の数、形状および配置は、図１６に示す例に限定されない。補助電極６１Ｂの形状も、図１６に示す例に限定されない。
【０１６１】
上述したように、本開示の実施形態によれば、感度調整電圧を変化させることにより、光電変換層５１中における、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域の大きさを変化させることが可能である。画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域の大きさが変化することに伴って、撮像装置の感度は変化する。つまり、感度調整電圧を用いて撮像装置の感度を制御することが可能である。
【０１６２】
ただし、感度調整電圧を変更することに伴う、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域の大きさの変化が極端であると、その領域の大きさの変化に伴って、意図しないＦ値の変化が生じる可能性がある。これは、光電変換層５１中における、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域の大きさの変化が、カメラの絞りの大きさを変化させることと同様の効果を生じさせることによる。
【０１６３】
図１６に例示する構成では、補助電極６１Ｂによって空間的に分離された複数のサブ画素電極５０ａ〜５０ｉを単位画素セル１４Ｂ内に設けている。これにより、互いに分離された複数のサブ領域を、サブ画素電極５０ａ〜５０ｉに対応させて単一の単位画素セル１４Ｂ内に形成することが可能である。これらのサブ領域は、サブ画素電極５０ａ〜５０ｉによって信号電荷が捕捉される領域である。感度調整電圧を変化させると、単位画素セル１４Ｂ内に形成された複数のサブ領域の各々の大きさが変化する。したがって、感度調整電圧の変化に伴って撮像装置の感度が変化する。
【０１６４】
このとき、感度調整電圧の変化に伴う、複数のサブ領域の各々における大きさの変化は、一般に、単位画素セル１４内に単一の画素電極を設けた構成における、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域（例えば図４Ｂに示す領域５１Ａを参照）の大きさの変化よりも小さい。つまり、単位画素セル１４Ｂの各々において複数のサブ領域を形成することにより、感度調整電圧を変化させることによる感度調整の効果を得ながら、信号電荷が捕捉される、複数のサブ領域の各々における大きさの変化の範囲を縮小できる。したがって、感度調整電圧を変化させることによる感度調整の効果を維持しながら、意図しないＦ値の変化を抑制することが可能である。
【０１６５】
なお、各単位画素セル１４中の画素電極５０を分割することなく、画素電極５０と補助電極６１との間の距離Ｌ１（例えば図３参照）を縮小することによっても、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域の大きさの変化の範囲を縮小することは可能である。しかしながら、単純に距離Ｌ１を縮小するだけでは、個々の単位画素セル１４における、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域の大きさの変化の範囲として十分な範囲を確保することが困難であるので、十分な感度調整効果を得にくい。
【０１６６】
（第４の実施形態）
図１７を参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
【０１６７】
本実施形態の撮像装置は、画像処理回路をさらに備えている点で第１の実施形態の撮像装置と異なる。また、電圧印加回路は、２以上の異なる感度調整電圧を画素アレイに供給する。画像処理回路および電圧印加回路以外の構成は第１の実施形態と同様であり得るので、主として、これらの回路の説明を行う。
【０１６８】
図１７は、本実施形態の撮像装置の回路構成の一例を模式的に示している。図１７に示す撮像装置１０４は、第１の実施形態の撮像装置１０１の構成に加えて、画像処理回路７１をさらに有する。本実施形態の撮像装置１０４は、感度を異ならせて複数回、同一のシーンの撮影を行い、感度の異なる画像を合成する。異なる感度のもとで取得された複数の画像を合成することにより、白飛びおよび黒潰れの無い、コントラスト比の大きなシーンの画像を生成する。このような撮影方法は、ハイダイナミックレンジ合成と呼ばれる。
【０１６９】
ここでは、電圧印加回路６０は、例えばＶｄ１＞Ｖｄ２＞・・・＞Ｖｄｍ（ｍは２以上の整数）の関係を有する２以上の感度調整電圧を各単位画素セル１４に逐次供給する。
【０１７０】
撮像装置１０４は、Ｖｄ１、Ｖｄ２、・・・、Ｖｄｍの感度調整電圧が印加された状態で、それぞれ、撮影を行い、水平信号読出し回路２０から画像処理回路７１へ、撮影によって取得された画像信号Ｇ１、Ｇ２、・・・、Ｇｍを出力する。例えば、あるフレームでは、感度調整電圧としてＶ１が印加された状態で撮影を行い、次のフレームでは、Ｖｄ２〜Ｖｄｍから選択された１つが感度調整電圧として印加された状態で撮影を行う。
【０１７１】
例えば、信号電荷が正孔である場合、感度調整電圧が高いほど、撮像装置１０４の感度は高く、感度調整電圧が低いほど、撮像装置１０４の感度は低くなる。このため、少なく
とも、相対的に感度が低く、白飛びが少ない画像の信号と、相対的に感度が高く、黒潰れが少ない画像の信号とが、画像処理回路７１へ出力される。画像処理回路７１は、例えばこれらの２つの画像を合成した合成画像を生成し、出力する。感度を変えて取得された２以上の画像の合成方法は、特定の方法に限定されず、ハイダイナミックレンジ合成に用いられる種々の信号処理方法を適用し得る。
【０１７２】
得られた合成画像は、輝度の高い部分および輝度の低い部分であっても、白飛びまたは黒潰れの発生が抑制されている。このように本実施形態の撮像装置によれば、撮影装置のダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【０１７３】
（第４の実施形態の変形例）
図１８は、第４の実施形態に係る撮像装置における画素電極および補助電極の配置の一例を示す。図１８は、画素アレイ中の複数の単位画素セルのうちの９つを抜き出して例示している。以下に説明するように、機能の異なる単位画素セルを画素アレイ中に混在させておいてもよい。
【０１７４】
図１８に例示する構成では、画素電極５０Ｃを含む単位画素セル１４Ｃと、画素電極５０Ｃよりも小さな面積を有する画素電極５０Ｄを含む単位画素セル１４Ｄとが行ごとに交互に配置されている。図１８では、画素アレイの奇数行に単位画素セル１４Ｃが配置され、画素アレイの偶数行に単位画素セル１４Ｄが配置されている。図示するように、単位画素セル１４Ｃが配置された行（ここでは奇数行）および単位画素セル１４Ｄが配置された行（ここでは偶数行）には、それぞれ、画素電極５０Ｃを取り囲むように形成された補助電極行６１Cおよび画素電極５０Ｄを取り囲むように形成された補助電極行６１Dが形成されている。
【０１７５】
単位画素セル１４Ｃの画素電極５０Ｃと補助電極行６１Cとの間には、間隙が形成され
ており、その大きさ（画素電極５０Ｃと補助電極行６１Cとの間の距離）は、Ｌｃである
。また、単位画素セル１４Ｄの画素電極５０Ｄと補助電極行６１Dとの間には、間隙が形
成されており、その大きさ（画素電極５０Ｄと補助電極行６１Dとの間の距離）は、Ｌｄ
である。図１８に模式的に示すように、ここでは、距離Ｌｄは、距離Ｌｃよりも大きい。そのため、例えば補助電極行６１Cおよび補助電極行６１Dに同一の感度調整電圧を印加した場合であっても、単位画素セル１４Ｃに形成される、画素電極５０Ｃによって信号電荷が捕捉される領域の大きさと、単位画素セル１４Ｄに形成される、画素電極５０Ｄによって信号電荷が捕捉される領域の大きさとは、互いに異なる。すなわち、この例では、共通の感度調整電圧を印加した場合であっても、画素電極によって信号電荷が捕捉される領域の大きさは、奇数行と偶数行との間で異なる。換言すれば、感光領域のうち、単位画素セル１４Ｃに着目したときの感度と、単位画素セル１４Ｄに着目したときの感度とは、互いに異なっている。
【０１７６】
このような電極構造を有する撮像装置において、例えば、補助電極行６１Cおよび補助
電極行６１Dに同一の感度調整電圧を印加した状態で被写体の撮影を行う。撮影後、例え
ば画像処理回路７１（図１７参照）は、各単位画素セルからの出力に基づいて、被写体の画像を構築する。
【０１７７】
このとき、画像処理回路７１は、単位画素セル１４Ｃから出力された画像信号を用いて第１の画像を構成するとともに、単位画素セル１４Ｄから出力された画像信号を用いて第２の画像を構成することが可能である。この例では、補助電極行６１Cおよび補助電極行
６１Dに同一の感度調整電圧を印加した状態であっても、単位画素セル１４Ｃに形成され
る、画素電極５０Ｃによって信号電荷が捕捉される領域の大きさと、単位画素セル１４Ｄに形成される、画素電極５０Ｄによって信号電荷が捕捉される領域の大きさとは、互いに
異なっているので、第１の画像および第２の画像は、互いに異なる感度のもとで取得された画像であるといえる。つまり、画素電極と補助電極（ここでは補助電極行）との間のギャップの大きさの異なる画素を画素アレイ中に混在させておくことにより、異なる感度のもとで撮影された画像を一度に取得することができる。
【０１７８】
このように、図１８に例示する構成によれば、異なる感度のもとで撮影された画像を一度に取得することができる。そのため、例えばハイダイナミックレンジ合成をより高速に実行することが可能である。
【０１７９】
補助電極行６１Cおよび補助電極行６１Dは、図１８に例示するように空間的に分離されることにより互いに電気的に分離されていてもよいし、一体として形成されることにより互いに電気的に接続されていてもよい。補助電極行６１Cおよび補助電極行６１Dを互いに電気的に分離することにより、補助電極行６１Cおよび補助電極行６１Dにそれぞれ独立して異なる感度調整電圧を印加してもよい。補助電極行６１Cおよび補助電極行６１Dを一体として形成した場合には、電圧印加回路６０と画素アレイとの間の配線数を削減し得る。
【０１８０】
図１８に例示する構成では、補助電極が行ごとに分離されている。しかしながら、補助電極の構成は、この例に限定されず、例えば、補助電極が単位画素セルごとに分離されていてもよい。
【０１８１】
図１９は、第４の実施形態に係る撮像装置における画素電極および補助電極の配置の他の一例を示す。図１９に例示する構成において、単位画素セル１４Ｅの各々は、画素電極５０と、補助電極６１Ｅとを含んでいる。図１９に示す例では、画素電極５０と補助電極６１Ｅとの間の距離は、図１９に示す９つの単位画素セル１４Ｅの間で同じである。
【０１８２】
図示するように、この例では、互いに隣接する単位画素セル１４Ｅ間に空隙が設けられることにより、補助電極６１Ｅが、画素アレイ中の他の補助電極６１Ｅから電気的に分離されている。このような構成によれば、画素アレイ中の補助電極６１Ｅの各々に独立して異なる感度調整電圧を印加することが可能である。画素アレイ中の補助電極６１Ｅの各々に独立して異なる感度調整電圧を印加することにより、画素アレイにおける任意のパターンに応じた感度の調整が可能となる。
【０１８３】
図２０は、画素電極５０および補助電極６１Ｅを含む単位画素セル１４Ｅと、電圧印加回路６０との間の電気的接続の一例を示す。図２０に示す撮像装置１０４Ｅは、画素アレイの各行において、各単位画素セル１４Ｅに対応した感度調整線２８を有している。具体的には、各単位画素セル１４Ｅの補助電極６１Ｅと、電圧印加回路６０とが、互いに異なる感度調整線２８によって接続されている。各補助電極６１Ｅと電圧印加回路６０とを、互いに異なる感度調整線２８によって接続することにより、各補助電極６１Ｅに独立して異なる感度調整電圧を印加することができる。なお、同一の行に属する単位画素セル１４Ｅに供給する感度調整電圧の値を共通とし、画素アレイの奇数行と偶数行との間で互いに異なる感度調整電圧を印加すれば、図１８を参照して説明した動作と同様の動作を実行することも可能である。
【０１８４】
図２１は、単位画素セル１４Ｅの断面の一例を模式的に示す。図２１は、図１９に示すＡ−Ａ’線断面図に相当し、行方向に沿って並ぶ３つの単位画素セルを模式的に示している。
【０１８５】
図２１に例示する構成において、図の中央に示す単位画素セル１４Ｅｂは、上部電極５２に関して光電変換層５１とは反対側に、カラーフィルタ７５ｂを有する。ここでは、カラーフィルタ７５ｂは、青色の光を透過するフィルタである。図示するように、単位画素
セル１４Ｅｂの右側および左側には、単位画素セル１４Ｅｇが配置されている。これらの２つの単位画素セル１４Ｅｇの各々は、上部電極５２に関して光電変換層５１とは反対側に、カラーフィルタ７５ｇを有する。ここでは、カラーフィルタ７５ｇは、緑色の光を透過するフィルタである。図示するように、カラーフィルタ（ここではカラーフィルタ７５ｂおよび７５ｇ）上には、マイクロレンズ７６が配置され得る。
【０１８６】
図２１に示す単位画素セル１４Ｅｂおよび単位画素セル１４Ｅｇの各々は、画素電極５０および補助電極６１Ｅを有する。そのため、電圧印加回路６０（図２０参照）は、異なる感度調整電圧を各単位画素セルの補助電極６１Ｅに個別に印加することが可能である。ここでは、電圧印加回路６０は、カラーフィルタが透過する光の色に応じて、互いに異なる感度調整電圧を各単位画素セルの補助電極６１Ｅに供給する。例えば、電圧印加回路６０は、カラーフィルタ７５ｂを有するＢ画素の補助電極６１Ｅに、感度調整電圧として第１の電圧を印加し、カラーフィルタ７５ｇを有するＧ画素の補助電極６１Ｅに、感度調整電圧として第１の電圧とは異なる第２の電圧を印加する。また、電圧印加回路６０は、赤色の光を透過するカラーフィルタを有するＲ画素（図２１において不図示）の補助電極６１Ｅに、第１および第２の電圧とは異なる第３の電圧を印加する。
【０１８７】
このように、例えば、カラーフィルタが透過する光の色に応じて、互いに異なる感度調整電圧を各単位画素セルの補助電極６１Ｅに供給することにより、各色に対する感度を個別に設定することが可能である。すなわち、感度調整電圧を調整することによって、取得する画像のホワイトバランスを調整することができる。
【０１８８】
ここで注目すべきは、撮影によって得られた画像データにおける各色のゲインの調整ではなく、撮影時点における各色の感度を変更する点である。撮影によって得られた画像データにおける各色のゲインを調整する従来の手法では、ゲインの変更に伴って、各色のノイズのレベルもそれぞれ異なった率で増幅されてしまう。これに対し、本実施形態によれば、撮像時における感度を色ごとに任意に変更できるので、各色のノイズレベルがそれぞれ異なった率で増幅されることに起因する画像全体における色の変化を抑制し得る。したがって、本実施形態によれば、撮影時の環境（例えば朝方であるかあるいは夕方であるか）の違いまたは光源の違いに応じたホワイトバランスをより容易に実現し得る。
【０１８９】
（第５の実施形態）
図２２を参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
【０１９０】
本実施形態の撮像装置は、メモリをさらに備えている点で第１の実施形態の撮像装置と異なる。メモリ以外の構成は第１の実施形態と同じであり得るので、主として、メモリの説明を行う。
【０１９１】
図２２は、本実施形態の撮像装置の回路構成の一例を模式的に示している。図２２に示す撮像装置１０５は、第１の実施形態の撮像装置１０１の構成に加えて、メモリ７８をさらに有する。
【０１９２】
メモリ７８は、撮影時において補助電極６１に印加されていた感度調整電圧の情報（典型的には感度調整電圧の値）を例えば電圧印加回路６０Ｆから受け取り、一時的に保持する。撮影時に使用された感度調整電圧の情報は、取得された画像信号に対応付けられ、画像信号または画像データとともに読み出される。
【０１９３】
撮影時に使用した感度調整電圧の値をメモリ７８に保持することにより、撮影時のシーンに関する情報を撮影後に提供することが可能になる。言い換えれば、どのような感度のもとで撮影が行われたかという情報を撮影後に利用することができる。例えば、ある画像
に対応付けられた感度調整電圧の値から、その画像が、暗い環境で撮影されて得られた画像なのか、感度調整電圧を制御することによって感度が低くされた状態で撮影されて得られた画像なのかを区別することが可能である。
【０１９４】
感度調整電圧の値は、前述のハイダイナミックレンジ合成において利用することもできる。例えば、画像処理回路７１（図１７参照）は、感度を変えて得られた複数の画像のそれぞれに対応付けられた感度調整電圧に関する情報を利用して、これらの画像の撮影時の感度の高さ（露出の大きさといってもよい）の順序を判定することができる。画像処理回路７１は、撮影時の感度の高さの順序に基づいて複数の画像の合成を実行することができる。
【０１９５】
なお、複数の異なる感度調整電圧を画素アレイに同時に印加して撮影を行った場合には、どの単位画素セルにどのような大きさの感度調整電圧を印加したかの情報をメモリ７８に保持してもよい。メモリ７８は、撮像装置１０５の内部に配置されていてもよいし、撮像装置１０５の外部に配置されていてもよい。あるいは、メモリ７８は、撮像装置１０５の本体から取り外し可能に構成されていてもよい。メモリ７８としては、ＲＡＭ、ハードディスクなどの公知の記憶装置を用いることができる。
【０１９６】
（第６の実施形態）
図２３、図２４Ａおよび図２４Ｂを参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
【０１９７】
図２３は、第６の実施形態に係る撮像装置における画素電極および補助電極の配置の一例を示す。図２３に例示する構成において、単位画素セル１４Ｇの各々は、画素電極５０と、画素電極５０を取り囲むように配置された補助電極６１Ｇとを含んでいる。図示するように、補助電極６１Ｇは、空間的に互いに分離されたサブ補助電極６１ａ〜６１ｄを含んでいる。ここでは、サブ補助電極６１ａ〜６１ｄは、矩形状の画素電極の各辺に沿って配置されている。
【０１９８】
サブ補助電極６１ａ〜６１ｄの各々は、電圧印加回路６０（例えば図２０参照）との電気的接続を有することにより、互いに独立した感度調整電圧を印加可能に構成されている。つまり、この例では、撮像装置の動作時、単位画素セル１４Ｇの各々において、サブ補助電極６１ａ〜６１ｄの電位が独立して制御される。以下に詳細に説明するように、単位画素セル中に複数のサブ補助電極を配置し、複数のサブ補助電極の各々における電圧を制御することにより、単位画素セルに位相差検出の機能を付与することが可能である。
【０１９９】
図２４Ａは、単位画素セル１４Ｇの光電変換層５１に形成される領域５１Ａの一例を示す。上述したように、領域５１Ａは、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域である。図２４Ａは、図２３に示すＢ−Ｂ’線断面図に相当する。簡単のため、図２４Ａでは、図２３に示す９つの単位画素セルのうち、中央の１つの模式的な断面を示している。
【０２００】
図２４Ａは、サブ補助電極６１ａに第１の感度調整電圧（例えば−２Ｖ）が印加され、サブ補助電極６１ｄに第２の感度調整電圧（例えば５Ｖ）が印加された状態における領域５１Ａを模式的に示している。なお、ここでは、サブ補助電極６１ｂおよびサブ補助電極６１ｃには、共通の電圧が印加されていると仮定する。
【０２０１】
図２４Ａに示す状態においては、サブ補助電極６１ａの電位は、サブ補助電極６１ｄの電位よりも低く、サブ補助電極６１ａは、サブ補助電極６１ｄと比較して、より多くの信号電荷（ここでは正孔）を捕捉する。つまり、図２４Ａに模式的に示すように、サブ補助電極６１ａ上に形成される領域５１Ｂａは、サブ補助電極６１ｄ上に形成される領域５１
Ｂｄよりも大きい。そのため、このときの領域５１Ａは、図において右側に偏った形状を有する。
【０２０２】
図２４Ｂは、サブ補助電極６１ａに第２の感度調整電圧が印加され、サブ補助電極６１ｄに第１の感度調整電圧が印加された状態における領域５１Ａを模式的に示している。図２４Ｂに示す状態においては、サブ補助電極６１ａ上に形成される領域５１Ｂａよりも、サブ補助電極６１ｄ上に形成される領域５１Ｂｄの方が大きい。そのため、このときの領域５１Ａは、図において左側に偏った形状を有する。
【０２０３】
このように、サブ補助電極６１ａおよび６１ｄの電位を独立して制御することにより、光電変換層５１内において領域５１Ａをサブ補助電極６１ａまたは６１ｄに向けて延ばすことが可能である。同様にして、サブ補助電極６１ａおよび６１ｄの電位を共通とした状態でサブ補助電極６１ｂおよび６１ｃの電位を調整すれば、図２３における上方または下方に向けて領域５１Ａを延ばすことが可能である。また、例えば、サブ補助電極６１ａおよび６１ｂに第１の感度調整電圧を印加し、サブ補助電極６１ｃおよび６１ｄに第２の感度調整電圧を印加すれば、図２３における右上の方向に向けて領域５１Ａを延ばすことが可能である。このように、サブ補助電極６１ａ〜６１ｄの電位を独立して制御することにより、光電変換層５１内において領域５１Ａを任意の方向に向かって延ばすことが可能である。
【０２０４】
例えば、画素アレイ中のある画素における領域５１Ａを図２４Ａに示すように右側に延ばし、その画素の左側に隣接する画素における領域５１Ａを図２４Ｂに示すように左側に延ばせば、これらの画素の組を位相差ＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）用の画素として利用することが可能である。言うまでもないが、４つのサブ補助電極６１ａ〜６１ｄに共通の感度調整電圧を印加すれば、単位画素セル１４Ｇを上述の他の実施形態と同様に機能させ得る。
【０２０５】
図２４Ａおよび図２４Ｂから明らかなように、本実施形態では、撮像用の単位画素セルおよび位相差ＡＦ用の単位画素セルのデバイス構造は、共通である。そのため、画素アレイ中に別途位相差ＡＦ用の画素を配置したり、撮像装置に別途位相差ＡＦ用のセンサを配置することなく、位相差ＡＦを実現し得る。本実施形態によれば、サブ補助電極に印加する感度調整電圧の制御により、画素アレイ中の任意の単位画素セルを位相差ＡＦ用の画素として機能させ得るので、より柔軟な運用が可能である。
【０２０６】
なお、単位画素セル中のサブ補助電極の数、配置および形状は、図２３に示す例に限定されず、任意に設定可能である。本実施形態において、「単位画素セル」は、感光領域の繰り返し構造を構成する最小単位であって、かつ、少なくとも１つの画素電極を含む構造であると言える。
【０２０７】
（第７の実施形態）
図２５Ａから図３０を参照しながら、本実施形態に係る画像取得装置を説明する。
【０２０８】
本実施形態に係る画像取得装置は、被写体を撮像装置の光電変換部に近接させ、被写体を透過した光を光電変換部によって検出する。被写体を透過する光の照射方向を異ならせることによって、同一の画素に被写体の異なる部分を透過した光を検出させ、得られた複数の画像信号を合成することによって、分解能の高い画像を得る。
【０２０９】
図２５Ａは、本開示の第７の実施形態に係る画像取得装置の構成を模式的に示している。図２５Ａに示す画像取得装置１０６は、照明システム８１と、撮像装置１００と、画像処理部９０とを有する。
【０２１０】
撮像装置１００には、第１の実施形態から第６の実施形態の撮像装置のいずれを使用することも可能である。本実施形態では、例えば第１の実施形態の撮像装置１０１を用いる。図２５Ｂは、照明システム８１の構成の一例を模式的に示している。照明システム８１は、例えば、２次元に配列された、光源８１ａ〜８１ｉを含む。
【０２１１】
図２６Ａは、照明システム８１、および、撮像装置１０１の光電変換部１０近傍の構成を模式的に示している。図２６Ａに示すように、被写体８０は、光電変換部１０の上部電極５２から、例えば距離Ｌ２を隔てて配置される。距離Ｌ２は、典型的には１ｍｍ以下であり、例えば０．１μｍ程度以上１０μｍ程度以下である。被写体８０は、光電変換部１０に対して平行に配置される。ここでは、光電変換部１０の上部電極５２上にはマイクロレンズ等の集光光学素子は配置されていない。被写体８０は、例えば、プレパラート上に保持された光透過性の試料（細胞、剥切した組織など）である。
【０２１２】
照明システム８１は、光電変換部１０から十分に離れた位置に配置されている。図２６Ａでは、光源８１ａ〜８１ｉのうち、光源８１ａ〜８１ｃの３つが示されている。光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃのうち、光源８１ａは、撮像装置１０１の２次元に配置された複数の単位画素セル１４の中央近傍上に配置される。これに対して、光源８１ｂ、８１ｃは中央近傍上から離れて位置している。光源８１ａ、８１ｂ、８１ｃは、典型的にはそれぞれ点光源であるが、光電変換部１０から十分に離れているので、被写体８０に、平行光である照明光を照射する。図２６Ａに示すように、光源８１ａは、光電変換部１０上の被写体８０に対して垂直な方向から照明光を被写体８０に照射する。一方、図２６Ｂに示すように、光源８１ｂは、被写体８０の法線方向に対して斜め方向から被写体８０に照明光を照射する。光源８１ｃについても同様である。このように、照明システム８１は、被写体８０を基準にして複数の異なる照射方向から、順次、照明光を出射し、照明光で被写体８０を照射する。
【０２１３】
次に、画像取得装置１０６によって、被写体８０の画像を取得する手順を説明する。
【０２１４】
まず、補助電極６１に所定の感度調整電圧Ｖｋを印加する。第１の実施形態で説明したように、補助電極６１に感度調整電圧を印加することによって、光電変換層５１のうち、補助電極６１との重なりを有する部分を含む領域５１Ｂで生成した信号電荷は補助電極６１へ移動する。また、光電変換層５１のうち、画素電極５０との重なりを有する部分を含む領域５１Ａで生成した信号電荷が画素電極５０によって検出される。つまり、領域５１Ａの大きさが画素サイズを規定する。
【０２１５】
次に、光源８１ａを点灯させ照明光を被写体８０に照射する。被写体８０を透過した照明光は、光電変換部１０に入射する。上述したように、光電変換部１０に入射する光のうち、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域５１Ａに入射する照明光が、実質的に検出される。つまり、被写体８０のうち、光電変換層５１に形成された領域５１Ａの直上に位置する領域８０Ａが選択的に撮影される。
【０２１６】
次に、図２６Ｂに示すように、光源８１ｂを点灯させ、照明光を被写体８０に照射する。光源８１ｂからの照明光は、被写体８０の法線に対して斜めに入射する。このため、光電変換層５１の領域５１Ａの直上に位置する、被写体８０の領域８０Ａではなく、光電変換層５１の領域５１Ａの斜め上に位置する領域８０Ｂを透過した光が、領域５１Ａに入射する。図２６Ｂから分かるように、被写体８０の領域８０Ａを透過した照明光は、光電変換層５１の領域５１Ｂに入射する。このため、光源８１ｂを点灯させた場合には、被写体の領域８０Ｂが選択的に撮影される。
【０２１７】
以降、図２５Ｂに示す照明システム８１の光源８１ｇおよび光源８１ｈを用いて同様に撮影を行う。図２７は、被写体８０の模式的な平面図であって、光源８１ａ、８１ｂ、８１ｇ、８１ｈによって撮影される領域８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｇ、８０Ｈを示している。図２６Ｂに示すように、光電変換層５１の領域５１Ａは、領域８０Ａの下に位置している。図２６Ｂにおいて矢印で模式的に示すように、光源８１ｂ、８１ｇおよび８１ｈを用いることによって、被写体８０の領域８０Ｂ、８０Ｇおよび８０Ｈを透過した光を光電変換層５１の領域５１Ａで検出することができる。このため、光源８１ａ、８１ｂ、８１ｇおよび８１ｈを用いた４回の撮影により、被写体８０のすべての領域を撮影し得る。つまり、照明方向を変えながら行う４回の撮影により、被写体８０のうち、１つの単位画素セル１４に対応する領域Ｐｘに含まれ、かつ、互いに異なる領域８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｇおよび８０Ｈ（図２７参照）を透過した光を領域５１Ａで順次検出することができる。
【０２１８】
画像処理部９０は、例えば１以上のプロセッサを含み、光源８１ａ、８１ｂ、８１ｇおよび８１ｈを用いた撮影によってそれぞれ得られた画像信号を合成する。このとき、図２７に示す配列と合致するように、画像信号を再配列する。これによって、光源８１ａ、８１ｂ、８１ｇおよび８１ｈのそれぞれを用いた１回の撮影の画像よりも分解能の高い被写体の高分解能画像を形成する。
【０２１９】
画像取得装置１０６では、画素に対応する、光電変換層５１の領域５１Ａの大きさが、撮影する被写体の分解能を決定し、領域５１Ａを小さくする方が撮影画像の分解能を高められる。以下、領域５１Ａを小さくした場合における被写体８０の画像取得を図２８Ａ〜図２８Ｃおよび図２９を参照して説明する。
【０２２０】
まず、補助電極６１に所定の感度調整電圧Ｖｈを印加する。画素に対応する、光電変換層５１の領域５１Ａが小さくなるように、信号電荷が正孔である場合、感度調整電圧Ｖｈは上述のＶｋよりも低く設定する。これにより、図２８Ａに示すように、光電変換層５１の領域５１Ａは、図２６Ａおよび図２６Ｂに示す状態よりも小さくなる。
【０２２１】
次に、光源８１ａを点灯させ、照明光を被写体８０に照射する。これにより、被写体８０の領域８０Ａが撮影される。
【０２２２】
次に、図２８Ｂに示すように、光源８１ｂを点灯させ、照明光を被写体８０に照射する。光源８１ｂからの照明光は、被写体８０の法線に対して斜めに入射する。光源８１ｂを点灯させた場合には、被写体の領域８０Ｂが撮影される。
【０２２３】
次に、図２８Ｃに示すように、光源８１ｃを点灯させ、照明光を被写体８０に照射する。同様に、光源８１ｃからの照明光は、被写体８０の法線に対して斜めに入射する。光源８１ｃを点灯させた場合には、被写体の領域８０Ｃが撮影される。
【０２２４】
以降、図２５Ｂに示す照明システム８１の光源８１ｄから光源８１ｉを用いて同様に撮影を行う。図２９は、被写体８０の模式的な平面図であって、光源８１ａから８１ｉからの照明光を用いてそれぞれ撮影される領域８０Ａから８０Ｉを示している。図２８Ｂおよび図２８Ｃにおいて矢印で模式的に示すように、光源８１ｂから８１ｉを用いることによって、被写体８０の領域８０Ｂから８０Ｉを透過した光を光電変換層５１の領域５１Ａで検出することができる。このため、光源８１ａから８１ｉを用いた９回の撮影により、被写体８０のすべての領域を撮影し得る。つまり、被写体の異なる部分を透過した光を領域５１Ａに順次検出させることができる。
【０２２５】
画像処理部９０は、光源８１ａから８１ｉを用いた撮影によってそれぞれ得られた画像信号を、図２９に示す配列に合致するようにして、再配列および合成する。これによって
、光源８１ａから８１ｉを用いたそれぞれ１回の撮影の画像よりも分解能の高い被写体の高分解能画像を形成する。
【０２２６】
なお、感度調整電圧を変化させても、単位画素セル１４の大きさは変化せず、画素ピッチも変化しない。しかし、実効的な画素の大きさに相当する領域５１Ａのサイズを変化させることができる。画像取得装置１０６では、領域５１Ａの大きさが分解能を決定するので、領域５１Ａのサイズが小さくなるように感度調整電圧の値を決定し、印加することにより、高分解能の画像を取得することができる。例えば、図２７に示す例では、領域５１Ａを単位画素セル１４の１／４の大きさに調整することにより、領域５１Ａの大きさを単位画素セル１４の大きさと同等としたときの４倍の分解能で画像を取得している。図２９に示す例では、領域５１Ａを単位画素セル１４の１／９の大きさに調整することにより、領域５１Ａの大きさを単位画素セル１４の大きさと同等としたときの９倍の分解能で画像を取得している。
【０２２７】
このように、本実施形態の画像取得装置によれば、補助電極６１に印加する感度調整電圧を変化させることによって、光電変換層５１中における、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域５１Ａのサイズを変化させることができる。よって、分解能を変化させることが可能であり、領域５１Ａのサイズを小さくすることによって、より高分解能の画像を取得することが可能である。
【０２２８】
なお、本実施形態において、照明システム８１は、複数の光源を備え、光源の位置によって、被写体に複数の異なる照射方向から照明光を照射している。しかし、照明システムは、１つの光源を備え、被写体が支持された撮像装置の向きを異ならせてもよい。例えば図３０に示すように、照明システムは、平行光光源８３と、被写体の姿勢を変化させる機構８２とによって構成されていてもよい。機構８２は、例えば、ゴニオ機構８２Ａと回転機構８２Ｂとによって構成され得る。ゴニオ機構８２Ａは、撮像装置１０１と被写体８０とを支持している。この照明システムによれば、機構８２によって、被写体８０の平行光光源８３に対する姿勢を異ならせることできる。よって被写体８０は、被写体８０を基準にして複数の異なる方向から平行光光源８３の照明光を受けることができる。
【０２２９】
また、補助電極６１に印加する感度調整電圧を変化させることによって、光電変換層５１中における、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域５１Ａのサイズを変化させることは、上記画像取得装置に有用なだけでなく、撮像装置としても有用である。すなわち、領域５１Ａのサイズを小さくすることによって、互いに隣接する画素の領域５１Ａ同士の距離が大きくなって混色を抑制することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０２３０】
本開示による撮像装置および画像取得装置は、デジタルカメラ、イメージセンサ等の撮像装置に有用である。
【符号の説明】
【０２３１】
１０    光電変換部
１１    増幅トランジスタ
１２    リセットトランジスタ
１３    アドレストランジスタ
１４、１４Ｂ〜１４Ｅ、１４Ｅｇ、１４Ｅｂ、１４Ｇ    単位画素セル
１５    垂直走査回路
１６    光電変換部制御線
１７    垂直信号線
１８    負荷回路
１９    カラム信号処理回路
２０    水平信号読出し回路
２１    電源配線
２２    反転増幅器
２３    フィードバック線
２４    電荷蓄積ノード
２６    アドレス信号線
２７    リセット信号線
２８    感度調整線
３１    半導体基板
３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ    ゲート絶縁層
３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ    ゲート電極
４１Ａ〜４１Ｅ    ｎ型不純物領域
４２    素子分離領域
４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ    層間絶縁層
４５Ａ、４５Ｂ    コンタクトプラグ
４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ    配線
４７Ａ、４７Ｂ、４７Ｃ、４８    プラグ
４９    配線
５０、５０Ｂ〜５０Ｄ    画素電極
５０ａ〜５０ｉ    サブ画素電極
５１    光電変換層
５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｂａ、５１Ｂｄ、５１Ｃ、５１Ｄ    領域
５２    上部電極
６０、６０Ａ〜６０Ｄ、６０Ｆ    電圧印加回路
６１、６１Ｂ、６１Ｅ、６１Ｇ    補助電極
６１1〜６１n、６１C、６１D    補助電極行
６１ａ〜６１ｄ    サブ補助電極
７０    光量検出回路
７１    画像処理回路
７２    フラッシュ
７４    入力インターフェース
７５ｂ、７５ｇ    カラーフィルタ
７６    マイクロレンズ
７８    メモリ
８０    被写体
８１    照明システム
８３    平行光光源
８１Ａ〜８１Ｉ    領域
８１ａ〜８１ｉ    光源
８２    機構
８２Ａ    ゴニオ機構
８２Ｂ    回転機構
９０    画像処理部
１０１、１０３、１０３Ａ、１０３Ｂ、１０４、１０４Ｅ、１０５    撮像装置
１００    撮像装置
１０６    画像取得装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２９】
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【図３０】
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