(57)【要約】      （修正有）【課題】積層型の構成を有する撮像装置において、消費電力をより低減することができる撮像装置、カメラシステム、ならびに駆動方法を提供する。【解決手段】撮像装置１００Ａは、対向電極１１、画素電極１２、および光電変換層１３を含む光電変換部１０を備える。電圧供給回路１５０は、対向電極１１および画素電極１２の一方に電圧を供給する。出力回路２０は、画素電極１２に接続され、画素電極１２の電位に応じた信号を出力する。検出回路１３０Ａは，出力回路２０からの信号のレベルを検出する。電圧供給回路１５０は、検出回路１３０Ａによって検出されたレベルが第１の閾値以上である場合に、対向電極１１と画素電極１２との間の電位差が第１の電位差となるように電極に電圧を印加し、第１の閾値以下である第２の閾値よりも低い場合に、電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように電極に電圧を印加する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部と、
前記第１電極および前記第２電極の一方に電圧を供給する電圧供給回路と、
前記第２電極に電気的に接続され、前記第２電極の電位に応じた信号を出力する出力回路と、
前記出力回路からの前記信号のレベルを検出する検出回路と
を備え、
前記光電変換部は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加されるバイアス電圧が第１電圧範囲にあるときの、前記バイアス電圧に対する前記光電変換部の光電変換効率の変化率が、前記バイアス電圧が前記第１電圧範囲よりも高い第２電圧範囲にあるときの、前記バイアス電圧に対する前記光電変換部の光電変換効率の変化率よりも大きい光電変換特性を有し、
前記電圧供給回路は、
前記検出回路によって検出された前記レベルが第１の閾値以上である場合に、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように前記第１電極および前記第２電極の一方に電圧を印加し、
前記検出回路によって検出された前記レベルが前記第１の閾値以下である第２の閾値よりも低い場合に、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差が前記第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように前記第１電極および前記第２電極の前記一方に電圧を印加する、撮像装置。
【請求項２】
前記電圧供給回路は、
前記検出回路によって検出された前記レベルが前記第１の閾値以上である場合に、前記第１電極および前記第２電極の前記一方に第１電圧を印加し、
前記検出回路によって検出された前記レベルが前記第２の閾値よりも低い場合に、前記第１電極および前記第２電極の前記一方に前記第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１電極および前記第２電極の前記一方に前記第１電圧が印加されている状態および前記第１電極および前記第２電極の前記一方に前記第２電圧が印加されている状態の両方において、前記第１電極の電位は、前記第２電極の電位よりも高い、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記バイアス電圧に対する前記光電変換部の光電変換効率のグラフにおいて、前記光電変換効率が０から立ち上がる点における第１接線と、前記バイアス電圧が動作時の最大値である点における第２接線との交点に対応するバイアス電圧の値をＶｔとしたとき、前記第１電圧範囲は、前記Ｖｔ未満の電圧範囲である、請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記バイアス電圧に対する前記光電変換部の光電変換効率のグラフにおいて、前記光電変換効率の値が０．０６となる点における第１接線と、前記バイアス電圧が動作時の最大値である点における第２接線との交点に対応するバイアス電圧の値をＶｔとしたとき、前記第１電圧範囲は、前記Ｖｔ未満の電圧範囲である、請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第２電圧範囲は、前記バイアス電圧の１Ｖの変化に対する前記光電変換効率の変化が１０％未満の電圧範囲である、請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第２電圧範囲は、前記光電変換効率が０．７以上の電圧範囲である、請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１電圧が供給されているときの前記光電変換部の光電変換効率である第１効率は、前記第２電圧が供給されているときの前記光電変換部の光電変換効率である第２効率よりも低い、請求項４から７のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１電圧は、前記第１電圧範囲内の電圧であり、
前記第２電圧は、前記第２電圧範囲内の電圧である、請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１電圧に対する前記第２電圧の比は、前記第１効率に対する前記第２効率の比よりも大きい、請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第１効率に対する前記第２効率の比は、１．２５以上１００以下である、請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第１電圧および前記第２電圧は、前記第２電圧範囲内の電圧である、請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記第１効率に対する前記第２効率の比は、１以上１．２５以下である、請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部と、
前記第１電極および前記第２電極の一方に電圧を供給する電圧供給回路と、
前記第２電極に電気的に接続され、前記第２電極の電位に応じた信号を出力する出力回路と
を有する撮像装置と、
前記光電変換部に入射する光量を検出する光量検出装置と
を備え、
前記光電変換部は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加されるバイアス電圧が第１電圧範囲にあるときの、前記バイアス電圧に対する前記光電変換部の光電変換効率の変化率が、前記バイアス電圧が前記第１電圧範囲よりも高い第２電圧範囲にあるときの、前記バイアス電圧に対する前記光電変換部の光電変換効率の変化率よりも大きい光電変換特性を有し、
前記電圧供給回路は、
前記光量検出装置によって検出された光量が第１の光量以上である場合に、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように前記第１電極および前記第２電極の一方に電圧を印加し、
前記光量検出装置によって検出された光量が前記第１の光量以下の第２の光量よりも小さい場合に、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差が前記第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように前記第１電極および前記第２電極の前記一方に電圧を印加する、カメラシステム。
【請求項１５】
第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部を有する撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換部に入射した光量が第１の光量以上である場合に、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように前記第１電極および前記第２電極の一方に電圧を印加し、
前記光電変換部に入射した光量が前記第１の光量以下である第２の光量よりも小さい場合に、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差が前記第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように前記第１電極および前記第２電極の前記一方に電圧を印加する、撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像装置およびカメラシステムに関する。本開示は、撮像装置の駆動方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置の分野において、フォトダイオードに代えて、読出し回路が形成された半導体基板の上方に光電変換層を配置した構成が知られている。このような構成は、積層型とも呼ばれる。例えば、下記の特許文献１は、読出し回路が形成された基板の上方に、画素電極および透明な対向電極に挟まれた有機光電変換層を有する撮像素子を開示している。動作時、対向電極には、所定の電圧が印加される。
【０００３】
下記の特許文献２は、光電変換層としての量子ドット層を有する撮像システムを開示している。また、特許文献２は、量子ドット層を挟む透明電極と画素電極との間に印加する電位差の変更によって量子ドット層のゲインを調節することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２２８６４８号公報
【特許文献２】米国特許第９０５４２４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
消費電力をより低減できると有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の限定的ではないある例示的な実施形態によれば、例えば、以下が提供される。
【０００７】
第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部と、前記第１電極および前記第２電極の一方に電圧を供給する電圧供給回路と、前記第２電極に電気的に接続され、前記第２電極の電位に応じた信号を出力する出力回路と、前記出力回路からの前記信号のレベルを検出する検出回路とを備え、前記光電変換部は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加されるバイアス電圧が第１電圧範囲にあるときの、前記バイアス電圧に対する前記光電変換部の光電変換効率の変化率が、前記バイアス電圧が前記第１電圧範囲よりも高い第２電圧範囲にあるときの、前記バイアス電圧に対する前記光電変換部の光電変換効率の変化率よりも大きい光電変換特性を有し、前記電圧供給回路は、前記検出回路によって検出された前記レベルが第１の閾値以上である場合に、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように前記第１電極および前記第２電極の一方に電圧を印加し、前記検出回路によって検出された前記レベルが前記第１の閾値以下である第２の閾値よりも低い場合に、前記第１電極と前記第２電極との間の電位差が前記第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように前記第１電極および前記第２電極の前記一方に電圧を印加する、撮像装置。
【０００８】
包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、システム、集積回路、方法またはコンピュータプログラムで実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路、方法およびコンピュータプログラムの任意の組み合わせによって実現されてもよい。
【０００９】
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。
【発明の効果】
【００１０】
本開示のある実施形態によれば、消費電力をより低減し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の第１の実施形態による撮像装置の例示的な構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す撮像装置１００Ａの例示的な回路構成を示す図である。
【図３Ａ】画素Ｐｘの例示的なデバイス構造を模式的に示す断面図である。
【図３Ｂ】電子を信号電荷として利用する場合の画素Ｐｘの動作を説明するための模式的な断面図である。
【図４】光電変換層１３の光電変換特性の典型例を示す図である。
【図５】第１電圧範囲および第２電圧範囲の具体的な範囲を決定する方法の一例を説明するための図である。
【図６】第１電圧範囲および第２電圧範囲の具体的な範囲を決定する方法の他の一例を説明するための図である。
【図７】第１電圧範囲および第２電圧範囲の具体的な範囲を決定する方法のさらに他の一例を説明するための図である。
【図８】撮像装置１００Ａの第１の例示的な動作を示す概略的なフローチャートである。
【図９】対向電極１１に第１電圧Ｖ１として２Ｖの電圧が印加されているときの、照度の変化に対する光電変換効率ηの変化を説明するための模式的な断面図である。
【図１０】対向電極１１に第１電圧Ｖ１として２Ｖの電圧が印加されているときの、照度の変化に対する光電変換効率ηの変化を説明するための模式的な断面図であり、不純物領域１１１に正孔が蓄積された状態を模式的に示す。
【図１１】光電変換部１０に入射する光量の変化に対する、出力回路２０からの信号のレベルの変化の典型例を模式的に示す図である。
【図１２】電圧供給回路１５０から電圧線１５２に第２電圧Ｖ２を印加することにより、電位差ΔＶを拡大させた状態を模式的に示す図である。
【図１３】対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加されているときの、光電変換部１０に入射する光量の変化に対する、出力回路２０からの信号のレベルの変化の典型例を模式的に示す図である。
【図１４】互いに隣接する２つの画素電極１２の間に第３電極１５を配置した構成を示す模式的な断面図である。
【図１５】対向電極１１側から見たときの、画素電極１２と第３電極１５との配置関係の一例を示す模式的な平面図である。
【図１６】第３電極１５に所定の電圧を印加することによる、実効的な光電変換効率のさらなる低下の機構を説明するための模式的な断面図である。
【図１７】対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加されているとき、および、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加されているときの、光電変換部１０に入射する光量の変化に対する、出力回路２０からの信号のレベルの変化の他の典型例を模式的に示す図である。
【図１８】第２の動作例における、高照度のもとでの画素Ｐｘの動作を説明するための模式的な断面図であり、対向電極１１に第１電圧Ｖ１として中間程度の大きさの６Ｖの電圧が印加された状態を示す図である。
【図１９】第２の動作例における、低照度のもとでの画素Ｐｘの動作を説明するための模式的な断面図であり、対向電極１１に第２電圧Ｖ２として１２Ｖの電圧が印加された状態を示す図である。
【図２０Ａ】第１の実施形態の変形例による撮像装置の例示的な回路構成を示す図である。
【図２０Ｂ】第１の実施形態の他の変形例による撮像装置の例示的な回路構成を示す図である。
【図２１Ａ】本開示の第２の実施形態によるカメラシステムの例示的な構成を概略的に示す図である。
【図２１Ｂ】本開示の第２の実施形態によるカメラシステムの他の例示的な構成を概略的に示す図である。
【図２２】本開示の第２の実施形態によるカメラシステムのさらに他の例示的な構成を概略的に示す図である。
【図２３】光量検出装置の変形例を示す図である。
【図２４】本開示の第２の実施形態によるカメラシステムのさらに他の例示的な構成を概略的に示す図である。
【図２５】第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングと、電圧の切り替えに伴う、検出回路１３０Ａによって取得される信号のレベルの変化との間の関係を説明するための図である。
【図２６】第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングの他の例を示す図である。
【図２７】第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングのさらに他の例を示す図である。
【図２８】電位差ΔＶの制御によるグローバルシャッタを適用したときの、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングと、電圧の切り替えに伴う、検出回路１３０Ａによって取得される信号のレベルの変化との間の関係を説明するための図である。
【図２９】第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングと、撮像装置１００Ａからの出力との間の関係の一例を説明するための図である。
【図３０】信号の読み出しのための行走査の期間の途中に第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えを実行した場合におけるマスク処理の適用例を示す図である。
【図３１】本開示の実施形態による撮像装置およびカメラシステムに適用可能な、自動露光設定における処理シーケンスの一例を説明するための図である。
【図３２】撮像領域Ｒｍに含まれる一部または全部の画素Ｐｘの光電変換部１０を含む領域を露光量の検出領域Ｒｄとして利用する例を説明するための模式的な平面図である。
【図３３】電圧供給回路から出力される電圧を検出された露光量に応じて変更させる処理の一例を示す図である。
【図３４】電圧供給回路から出力される電圧を検出された露光量に応じて変更させる処理の他の一例を示す図である。
【図３５】電圧供給回路から出力される電圧を検出された露光量に応じて変更させる処理のさらに他の一例を示す図である。
【図３６】露光量の増加に対する、検出回路１３０Ａの出力の変化の例を模式的に示す図である。
【図３７】リニアリティ補償処理の概要を模式的に示すブロック図である。
【図３８】補正テーブルの一例を示す図である。
【図３９】撮像装置ごと、または、カメラシステムごとのリニアリティのずれの相違を説明するための図である。
【図４０】撮像装置ごと、または、カメラシステムごとの相違をキャンセルするリニアリティ補償処理の概要を模式的に示すブロック図である。
【図４１】サンプル１の撮像装置のメモリ１６２に格納される補正テーブルの一例を示す図である。
【図４２】サンプル２の撮像装置のメモリ１６２に格納される補正テーブルの一例を示す図である。
【図４３】メモリ１６２に格納される補正テーブルの他の一例を示す図である。
【図４４】図４３の補正テーブルに記述された出力値のプロットを示す図である。
【図４５】補間処理を含むリニアリティ補償処理の概要を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
特許文献１に記載されているように、積層型の構成において対向電極に印加される電圧には、電源電圧を上回る、比較的高い電圧が要求され得る。消費電力をより低減できると有益である。
【００１３】
本開示の一態様の概要は以下のとおりである。
【００１４】
［項目１］
第１電極、第２電極、および、第１電極と第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部と、
第１電極および第２電極の一方に電圧を供給する電圧供給回路と、
第２電極に電気的に接続され、第２電極の電位に応じた信号を出力する出力回路と、
出力回路からの信号のレベルを検出する検出回路と
を備え、
光電変換部は、第１電極と第２電極との間に印加されるバイアス電圧が第１電圧範囲にあるときの、バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率の変化率が、バイアス電圧が第１電圧範囲よりも高い第２電圧範囲にあるときの、バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率の変化率よりも大きい光電変換特性を有し、
電圧供給回路は、
検出回路によって検出されたレベルが第１の閾値以上である場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加し、
検出回路によって検出されたレベルが第１の閾値以下である第２の閾値よりも低い場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加する、撮像装置。
【００１５】
［項目２］
電圧供給回路は、
検出回路によって検出されたレベルが第１の閾値以上である場合に、第１電極および第２電極の一方に第１電圧を印加し、
検出回路によって検出されたレベルが第２の閾値よりも低い場合に、第１電極および第２電極の一方に第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、項目１に記載の撮像装置。
【００１６】
［項目３］
第１電極および第２電極の一方に第１電圧が印加されている状態および第１電極および第２電極の一方に第２電圧が印加されている状態の両方において、第１電極の電位は、第２電極の電位よりも高い、項目２に記載の撮像装置。
【００１７】
［項目４］
バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率のグラフにおいて、光電変換効率が０から立ち上がる点における第１接線と、バイアス電圧が動作時の最大値である点における第２接線との交点に対応するバイアス電圧の値をＶｔとしたとき、第１電圧範囲は、Ｖｔ未満の電圧範囲である、項目２または３に記載の撮像装置。
【００１８】
［項目５］
バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率のグラフにおいて、光電変換効率の値が０．０６となる点における第１接線と、バイアス電圧が動作時の最大値である点における第２接線との交点に対応するバイアス電圧の値をＶｔとしたとき、第１電圧範囲は、Ｖｔ未満の電圧範囲である、項目２または３に記載の撮像装置。
【００１９】
［項目６］
第２電圧範囲は、バイアス電圧の１Ｖの変化に対する光電変換効率の変化が１０％未満の電圧範囲である、項目２または３に記載の撮像装置。
【００２０】
［項目７］
第２電圧範囲は、光電変換効率が０．７以上の電圧範囲である、項目２または３に記載の撮像装置。
【００２１】
［項目８］
第１電圧が供給されているときの光電変換部の光電変換効率である第１効率は、第２電圧が供給されているときの光電変換部の光電変換効率である第２効率よりも低い、項目４から７のいずれか一項に記載の撮像装置。
【００２２】
［項目９］
第１電圧は、第１電圧範囲内の電圧であり、
第２電圧は、第２電圧範囲内の電圧である、項目８に記載の撮像装置。
【００２３】
［項目１０］
第１電圧に対する第２電圧の比は、第１効率に対する第２効率の比よりも大きい、項目９に記載の撮像装置。
【００２４】
［項目１１］
第１効率に対する第２効率の比は、１．２５以上１００以下である、項目１０に記載の撮像装置。
【００２５】
［項目１２］
第１電圧および第２電圧は、第２電圧範囲内の電圧である、項目８に記載の撮像装置。
【００２６】
［項目１３］
第１効率に対する第２効率の比は、１以上１．２５以下である、項目１２に記載の撮像装置。
【００２７】
［項目１４］
第１電極、第２電極、および、第１電極と第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部と、
第１電極および第２電極の一方に電圧を供給する電圧供給回路と、
第２電極に電気的に接続され、第２電極の電位に応じた信号を出力する出力回路と
を有する撮像装置と、
光電変換部に入射する光量を検出する光量検出装置と
を備え、
光電変換部は、第１電極と第２電極との間に印加されるバイアス電圧が第１電圧範囲にあるときの、バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率の変化率が、バイアス電圧が第１電圧範囲よりも高い第２電圧範囲にあるときの、バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率の変化率よりも大きい光電変換特性を有し、
電圧供給回路は、
光量検出装置によって検出された光量が第１の光量以上である場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加し、
光量検出装置によって検出された光量が第１の光量以下の第２の光量よりも小さい場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加する、カメラシステム。
【００２８】
［項目１５］
第１電極、第２電極、および、第１電極と第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部を有する撮像装置の駆動方法であって、
光電変換部に入射した光量が第１の光量以上である場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加し、
光電変換部に入射した光量が第１の光量以下である第２の光量よりも小さい場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加する、撮像装置の駆動方法。
【００２９】
［項目１６］
第１電極、第２電極、および、第１電極と第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部と、
第１電極および第２電極の一方に電気的に接続された電圧供給回路と、
第２電極に電気的に接続され、第２電極の電位に応じた信号を出力する出力回路と、
出力回路からの信号のレベルを検出する検出回路と
を備え、
第１電極と第２電極との間に印加されるバイアス電圧が第１電圧範囲にあるときの、バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率の変化率は、バイアス電圧が第１電圧範囲よりも高い第２電圧範囲にあるときよりも大きく、
電圧供給回路は、検出回路によって検出されたレベルが所定の閾値以上である場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加し、検出回路によって検出されたレベルが閾値よりも低い場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加する、撮像装置。
【００３０】
項目１６の構成によれば、照度の高い状況においては、第１電極と第２電極との間に印加されるバイアス電圧が縮小されるので、光電変換部の感度が低下する。換言すれば、電気的な制御によるＮＤフィルタ機能が実現される。また、このとき、消費電力低減の効果が期待できる。
【００３１】
［項目１７］
電圧供給回路は、検出回路によって検出されたレベルが閾値以上である場合に、第１電極および第２電極の一方に第１電圧を印加し、検出回路によって検出されたレベルが閾値よりも低い場合に、第１電極および第２電極の一方に第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、項目１６に記載の撮像装置。
【００３２】
項目１７の構成によれば、照度の高い状況においては、互いに異なる電圧のうち、相対的に低い第１電圧が電圧供給回路から光電変換部に選択的に印加される。そのため、照度によらずに光電変換部に１０Ｖ前後の比較的高い電圧を印加する構成と比較して、消費電力を低減することが可能になる。
【００３３】
［項目１８］
第１電極および第２電極の一方に第１電圧が印加されている状態および第１電極および第２電極の一方に第２電圧が印加されている状態の両方において、第１電極の電位は、第２電極の電位よりも高い、項目１７に記載の撮像装置。
【００３４】
項目１８の構成によれば、光電変換によって生じる電荷のうち正の電荷を第２電極によって収集でき、正孔を信号電荷として電荷蓄積領域に蓄積することができる。また、信号電荷の蓄積の継続によって電荷蓄積領域の電位が徐々に上昇するので、光電変換層にかかる実効的なバイアス電圧を第２電圧の値よりも小さくし得る。
【００３５】
［項目１９］
バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率のグラフにおいて、光電変換効率が０から立ち上がる点における第１接線と、バイアス電圧が動作時の最大値である点における第２接線との交点に対応するバイアス電圧の値をＶｔとしたとき、第１電圧範囲は、Ｖｔ未満の電圧範囲である、項目１７または１８に記載の撮像装置。
【００３６】
［項目２０］
バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率のグラフにおいて、光電変換効率の値が０．０６となる点における第１接線と、バイアス電圧が動作時の最大値である点における第２接線との交点に対応するバイアス電圧の値をＶｔとしたとき、第１電圧範囲は、Ｖｔ未満の電圧範囲である、項目１７または１８に記載の撮像装置。
【００３７】
［項目２１］
第２電圧範囲は、バイアス電圧の１Ｖの変化に対する光電変換効率の変化が１０％未満の電圧範囲である、項目１７または１８に記載の撮像装置。
【００３８】
［項目２２］
第２電圧範囲は、光電変換効率が０．７以上の電圧範囲である、項目１７または１８に記載の撮像装置。
【００３９】
項目２２の構成によれば、第１電極と第２電極との間に印加されるバイアス電圧の大きさと、ＩＳＯの数値との間の対応を付けやすい。
【００４０】
［項目２３］
第１電圧が供給されているときの光電変換部の光電変換効率である第１効率は、第２電圧が供給されているときの光電変換部の光電変換効率である第２効率よりも低い、項目１９から２２のいずれか一項に記載の撮像装置。
【００４１】
項目２３の構成によれば、相対的に低い第１電圧Ｖ１を光電変換部に印加して第１電極と第２電極との間の電位差を縮小することにより、画素の感度を低下させ得る。
【００４２】
［項目２４］
第１電圧は、第１電圧範囲内の電圧であり、
第２電圧は、第２電圧範囲内の電圧である、項目２３に記載の撮像装置。
【００４３】
項目２４の構成によれば、光量の増大に応じて信号のレベルが自動的に低下し得るので、照度の高い方向に関するダイナミックレンジ拡大の効果が得られる。
【００４４】
［項目２５］
第１電圧に対する第２電圧の比は、第１効率に対する第２効率の比よりも大きい、項目２４に記載の撮像装置。
【００４５】
［項目２６］
第１効率に対する第２効率の比は、１．２５以上である、項目２５に記載の撮像装置。
【００４６】
［項目２７］
第１電圧および第２電圧は、第２電圧範囲内の電圧である、項目２３に記載の撮像装置。
【００４７】
項目２７の構成によれば、高耐圧の素子が要求されないので信頼性を確保しやすいという利点が得られ、第１電圧の供給時には省電力および高速な駆動を期待できる。
【００４８】
［項目２８］
第１効率に対する第２効率の比は、１以上１．２５以下である、項目２７に記載の撮像装置。
【００４９】
［項目２９］
第２電極に電気的に接続された電荷蓄積部であって、第２電極によって収集された電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部をさらに備え、
電荷蓄積部の電位は、電荷蓄積部への電荷の蓄積に伴って高くなる、項目１６から２８のいずれか一項に記載の撮像装置。
【００５０】
項目２９の構成によれば、光電変換層にかかる実効的なバイアス電圧が照度に応じて変化することになる。したがって、電圧供給回路が第１電圧範囲の第１電圧を出力している状態においては、ダイナミックレンジ拡大の効果が得られる。また、第１電圧および第２電圧を第２電圧範囲から選んだ場合には、高耐圧の素子および素子分離領域が要求されないので、信頼性を確保しやすい。
【００５１】
［項目３０］
それぞれが光電変換部および出力回路を有する複数の画素を含み、
複数の画素は、第１画素および第１画素に隣接して配置された第２画素を含み、
第１画素の第２電極と第２画素の第２電極との間に位置し、かつ、第１画素の第２電極および第２画素の第２電極から電気的に絶縁された第３電極をさらに備える、項目１６から２９のいずれか一項に記載の撮像装置。
【００５２】
項目３０の構成によれば、第３電極の電位の調整により、２つの画素の境界付近で生じた電荷を第３電極によって優先的に収集することが可能である。その結果、実効的な光電変換効率をさらに低下させ、照度の高い方向に関するダイナミックレンジをさらに拡大させることが可能になる。
【００５３】
［項目３１］
第１電極、第２電極、および、第１電極と第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部を有する撮像装置と、
第１電極および第２電極の一方に電気的に接続された電圧供給回路と
を備え、
撮像装置は、
第２電極に電気的に接続され、第２電極の電位に応じた信号を出力する出力回路と、
出力回路からの信号のレベルを検出する検出回路と
をさらに有し、
第１電極と第２電極との間に印加されるバイアス電圧が第１電圧範囲にあるときの、バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率の変化率は、バイアス電圧が第１電圧範囲よりも高い第２電圧範囲にあるときよりも大きく、
電圧供給回路は、
検出回路によって検出されたレベルが所定の閾値以上である場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加し、
検出回路によって検出されたレベルが閾値よりも低い場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加する、カメラシステム。
【００５４】
項目３１の構成によれば、項目１６と同様の効果が得られる。
【００５５】
［項目３２］
電圧供給回路は、検出回路によって検出されたレベルが閾値以上である場合に、第１電極および第２電極の一方に第１電圧を印加し、検出回路によって検出されたレベルが閾値よりも低い場合に、第１電極および第２電極の一方に第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、項目３１に記載のカメラシステム。
【００５６】
項目３２の構成によれば、項目１７と同様の効果が得られる。
【００５７】
［項目３３］
第１電極、第２電極、および、第１電極と第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部を有する撮像装置と、
光電変換部に入射する光量を検出する光量検出装置と
を備え、
撮像装置は、
第２電極に電気的に接続され、第２電極の電位に応じた信号を出力する出力回路と、
第１電極および第２電極の一方に電気的に接続された電圧供給回路と
をさらに有し、
第１電極と第２電極との間に印加されるバイアス電圧が第１電圧範囲にあるときの、バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率の変化率は、バイアス電圧が第１電圧範囲よりも高い第２電圧範囲にあるときよりも大きく、
電圧供給回路は、
光量検出装置によって検出された光量が所定の光量以上である場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加し、
光量検出装置によって検出された光量が所定の光量よりも小さい場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加する、カメラシステム。
【００５８】
項目３３の構成によれば、項目１６と同様の効果が得られる。
【００５９】
［項目３４］
第１電極、第２電極、および、第１電極と第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部を有する撮像装置と、
第１電極および第２電極の一方に電気的に接続された電圧供給回路と、
光電変換部に入射する光量を検出する光量検出装置と
を備え、
第１電極と第２電極との間に印加されるバイアス電圧が第１電圧範囲にあるときの、バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率の変化率は、バイアス電圧が第１電圧範囲よりも高い第２電圧範囲にあるときよりも大きく、
撮像装置は、第２電極に電気的に接続され、第２電極の電位に応じた信号を出力する出力回路をさらに有し、
電圧供給回路は、
光量検出装置によって検出された光量が所定の光量以上である場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加し、
光量検出装置によって検出された光量が所定の光量よりも小さい場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加する、カメラシステム。
【００６０】
項目３４の構成によれば、項目１６と同様の効果が得られる。
【００６１】
［項目３５］
光量検出装置は、出力回路からの信号のレベルを検出する光量検出回路を含む、項目３３または３４に記載のカメラシステム。
【００６２】
項目３５の構成によれば、画素から出力される信号のレベルの検出を通して、光電変換部に入射する光量に関する情報を得ることができる。
【００６３】
［項目３６］
電圧供給回路は、光量検出装置によって検出された光量が所定の光量以上である場合に、第１電極および第２電極の一方に第１電圧を印加し、光量検出装置によって検出された光量が所定の光量よりも小さい場合に第１電極および第２電極の一方に第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、項目３３から３５のいずれか一項に記載のカメラシステム。
【００６４】
項目３６の構成によれば、項目１７と同様の効果が得られる。
【００６５】
［項目３７］
第１電極および第２電極の一方に第１電圧が印加されている状態および第１電極および第２電極の一方に第２電圧が印加されている状態の両方において、第１電極の電位は、第２電極の電位よりも高い、項目３２または３６に記載のカメラシステム。
【００６６】
項目３７の構成によれば、項目１８と同様の効果が得られる。
【００６７】
［項目３８］
バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率のグラフにおいて、光電変換効率が０から立ち上がる点における第１接線と、バイアス電圧が動作時の最大値である点における第２接線との交点に対応するバイアス電圧の値をＶｔとしたとき、第１電圧範囲は、Ｖｔ未満の電圧範囲である、項目３２、３６または３７に記載のカメラシステム。
【００６８】
［項目３９］
バイアス電圧に対する光電変換部の光電変換効率のグラフにおいて、光電変換効率の値が０．０６となる点における第１接線と、バイアス電圧が動作時の最大値である点における第２接線との交点に対応するバイアス電圧の値をＶｔとしたとき、第１電圧範囲は、Ｖｔ未満の電圧範囲である、項目３２、３６または３７に記載のカメラシステム。
【００６９】
［項目４０］
第２電圧範囲は、バイアス電圧の１Ｖの変化に対する光電変換効率の変化が１０％未満の電圧範囲である、項目３２、３６または３７に記載のカメラシステム。
【００７０】
［項目４１］
第２電圧範囲は、光電変換効率が０．７以上の電圧範囲である、項目３２、３６または３７に記載のカメラシステム。
【００７１】
項目４１の構成によれば、項目２２と同様の効果が得られる。
【００７２】
［項目４２］
第１電圧が供給されているときの光電変換部の光電変換効率である第１効率は、第２電圧が供給されているときの光電変換部の光電変換効率である第２効率よりも低い、項目３８から４１のいずれか一項に記載のカメラシステム。
【００７３】
項目４２の構成によれば、項目２３と同様の効果が得られる。
【００７４】
［項目４３］
第１電圧は、第１電圧範囲内の電圧であり、
第２電圧は、第２電圧範囲内の電圧である、項目４２に記載のカメラシステム。
【００７５】
項目４３の構成によれば、項目２４と同様の効果が得られる。
【００７６】
［項目４４］
第１電圧に対する第２電圧の比は、第１効率に対する第２効率の比よりも大きい、項目４３に記載のカメラシステム。
【００７７】
［項目４５］
第１効率に対する第２効率の比は、１．２５以上である、項目４４に記載のカメラシステム。
【００７８】
［項目４６］
第１電圧および第２電圧は、第２電圧範囲内の電圧である、項目４２に記載のカメラシステム。
【００７９】
項目４６の構成によれば、項目２７と同様の効果が得られる。
【００８０】
［項目４７］
第１効率に対する第２効率の比は、１以上１．２５以下である、項目４６に記載のカメラシステム。
【００８１】
［項目４８］
第２電極に電気的に接続された電荷蓄積部であって、第２電極によって収集された電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部をさらに備え、
電荷蓄積部の電位は、電荷蓄積部への電荷の蓄積に伴って高くなる、項目３１から４７のいずれか一項に記載のカメラシステム。
【００８２】
項目４８の構成によれば、項目２９と同様の効果が得られる。
【００８３】
［項目４９］
撮像装置は、それぞれが光電変換部および出力回路を有する複数の画素を含み、
複数の画素は、第１画素および第１画素に隣接して配置された第２画素を含み、
撮像装置は、第１画素の第２電極と第２画素の第２電極との間に位置し、かつ、第１画素の第２電極および第２画素の第２電極から電気的に絶縁された第３電極をさらに備える、項目３１から４８のいずれか一項に記載のカメラシステム。
【００８４】
項目４９の構成によれば、項目３０と同様の効果が得られる。
【００８５】
［項目５０］
第１電極、第２電極、および、第１電極と第２電極との間に位置する光電変換層を含む光電変換部を有する撮像装置の駆動方法であって、
光電変換部に入射した光量が所定の光量以上である場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加し、光電変換部に入射した光量が所定の光量よりも小さい場合に、第１電極と第２電極との間の電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように第１電極および第２電極の一方に電圧を印加する、撮像装置の駆動方法。
【００８６】
項目５０の構成によれば、あたかもＮＤフィルタを挿入したような状態を電気的な制御によって実現し得る。
【００８７】
［項目５１］
光電変換部に入射した光量が所定の光量以上である場合に、第１電極および第２電極の一方に第１電圧を印加し、光電変換部に入射した光量が所定の光量よりも小さい場合に、第１電極および第２電極の一方に第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、項目５０に記載の撮像装置の駆動方法。
【００８８】
項目５１の構成によれば、項目１７と同様の効果が得られる。
【００８９】
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。また、図面が過度に複雑になることを避けるために、一部の要素の図示を省略することがある。
【００９０】
（第１の実施形態）
図１は、本開示の第１の実施形態による撮像装置の構成を概略的に示す。図１に示す撮像装置１００Ａは、それぞれが、半導体基板１１０に支持された光電変換部をその一部に含む複数の画素Ｐｘを有する。図１には表れていないが、半導体基板１１０は、各画素Ｐｘに対応して形成された複数の出力回路を有する。
【００９１】
複数の画素Ｐｘは、半導体基板１１０に例えば二次元に配列されることにより、撮像領域を形成する。画素Ｐｘの数および配置は、図１に示す例に限定されず、任意である。例えば、複数の画素Ｐｘを一次元に配列することにより、撮像装置１００Ａをラインセンサとして用い得る。
【００９２】
図面を参照して後に詳しく説明するように、各画素Ｐｘの光電変換部は、画素電極と、透光性の対向電極と、これらの電極の間に挟まれた光電変換層とを有する。典型的には、各画素Ｐｘに対応して複数の画素電極が撮像領域に配置されることに対して、対向電極は、複数の画素Ｐｘの間で連続した単一の電極層の形で設けられる。つまり、典型的には、対向電極の電位は、複数の画素Ｐｘの間で共通である。光電変換層についても同様に、連続した単一の光電変換構造が複数の画素Ｐｘの間で共有され得る。換言すれば、各画素Ｐｘの光電変換部は、複数の画素Ｐｘの間で連続した単一の透光性電極の一部および連続した単一の光電変換構造の一部を含む。
【００９３】
図１に例示する構成において、撮像装置１００Ａは、行信号線Ｒｉを介して各画素Ｐｘに接続された行走査回路１２０と、出力信号線Ｓｊを介して各画素Ｐｘに接続された検出回路１３０Ａとを含む。ここで、図１中の参照符号に付された下付きのｍおよびｎは、独立して、１以上の整数を表す。行信号線Ｒｉは、複数の画素Ｐｘの行ごとに設けられ、同一行に属する１以上の画素Ｐｘに電気的に接続されている。図１では、簡単のために、行走査回路１２０に接続される信号線として行信号線Ｒｉを代表的に示しているが、複数の画素Ｐｘの行ごとに２本以上の信号線が設けられることもあり得る。出力信号線Ｓｊは、複数の画素Ｐｘの列ごとに設けられ、同一列に属する１以上の画素Ｐｘの出力回路に電気的に接続されている。図示するように、出力信号線Ｓｊの各々は、検出回路１３０Ａに接続されている。
【００９４】
検出回路１３０Ａは、典型的には、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理、アナログ−デジタル変換などを行うための回路をその一部に含む。被写体の像を表現する画素信号は、検出回路１３０Ａの出力として撮像装置１００Ａの外部に読み出される。
【００９５】
ここでは、検出回路１３０Ａは、出力信号線Ｓｊを介して画素Ｐｘから読み出された出力信号のレベルを検出する機能も有する。この例では、検出回路１３０Ａに、参照線１３２が接続されている。参照線１３２には、動作時に所定の電圧Ｖｒｅｆが印加される。検出回路１３０Ａは、例えば、各列の画素Ｐｘからの出力信号のレベル、すなわち、各出力信号線Ｓｊの電圧レベルと、参照線１３２の電圧レベルとの比較結果を出力する１以上の比較器１３４を有し得る。電圧レベルの比較は、アナログ電圧の比較の形で実行されてもよいし、デジタル値の比較の形で実行されてもよい。
【００９６】
図１に例示する構成において、撮像装置１００Ａは、さらに、電圧供給回路１５０と、制御回路１６０とをさらに有する。電圧供給回路１５０は、例えば上述の対向電極に接続された電圧線１５２との接続を有することにより、各画素Ｐｘと電気的に接続されている。電圧供給回路１５０は、電圧線１５２を介して、撮像装置１００Ａの動作時に所定の電圧を各画素Ｐｘの光電変換部に供給する。
【００９７】
電圧供給回路１５０は、少なくとも、２以上の異なる電圧を切り替えて電圧線１５２に印加可能に構成される。電圧供給回路１５０から出力される電圧の変更は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。電圧供給回路１５０は、特定の電源回路に限定されず、バッテリーなどの電源から供給された電圧を所定の電圧に変換する回路であってもよいし、所定の電圧を生成する回路であってもよい。電圧供給回路１５０は、上述の行走査回路１２０の一部であってもよい。
【００９８】
制御回路１６０は、撮像装置１００Ａの、例えば外部から与えられる指令データ、クロックなどを受け取って撮像装置１００Ａ全体を制御する。制御回路１６０は、例えば１以上のプロセッサを含むマイクロコントローラによって実現され得る。制御回路１６０は、１以上のメモリを含み得る。図１に例示する構成において、制御回路１６０は、メモリ１６２をその一部に含む。メモリ１６２は、撮像装置１００Ａとは別個のチップまたはパッケージの形で設けられてもよい。
【００９９】
この例では、制御回路１６０に、画像処理回路１６４が電気的に接続されている。画像処理回路１６４は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＩＳＰ（Image Signal Processor）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などによって実現され得る
。画像処理回路１６４は、制御回路１６０の一部であってもよい。
【０１００】
典型的には、制御回路１６０は、タイミングジェネレータを有し、行走査回路１２０、検出回路１３０Ａ、電圧供給回路１５０などに駆動信号を供給する。図１中、制御回路１６０に向かって延びる矢印および制御回路１６０から延びる矢印は、それぞれ、制御回路１６０への入力信号および制御回路１６０からの出力信号を模式的に表現している。また、この例では、制御回路１６０は、各列の画素Ｐｘからの出力信号のレベルと、参照線１３２の電圧レベルとの比較結果を検出回路１３０Ａから受け取り、電圧レベルの比較結果に応じた駆動信号を電圧供給回路１５０に供給するように構成されている。
【０１０１】
電圧供給回路１５０は、制御回路１６０からの駆動信号に基づき、例えば検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルが参照線１３２の電圧レベル以上である場合には、光電変換部の対向電極と画素電極との間に印加される電位差が第１の電位差となるような電圧を電圧線１５２に印加する。検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルが参照線１３２の電圧レベルよりも低い場合には、対向電極と画素電極との間に印加される電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるような電圧を電圧線１５２に印加する。電圧供給回路１５０は、例えば、検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルが参照線１３２の電圧レベル以上である場合に、電圧線１５２に第１電圧Ｖ１を印加し、検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルが参照線１３２の電圧レベルよりも低い場合に、第１電圧Ｖ１よりも高い第２電圧Ｖ２を印加する。典型的には、光電変換部に対する照度が比較的に高い場合に、検出回路１３０Ａからの出力信号のレベルが参照線１３２の電圧レベル以上となる。つまり、本実施形態では、光電変換部に対する照度に応じて、光電変換部の、例えば対向電極に印加する電圧を変化させることにより、光電変換部の対向電極と画素電極との間に印加される電位差を制御している。
【０１０２】
検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルが参照線１３２の電圧レベル以上である場合に、例えば、相対的に低い第１電圧Ｖ１を電圧線１５２に印加する。このような形態では、照度の高い状況においては、光電変換部に供給される電圧を動的に低下させることになる。そのため、撮影時の環境によらずに光電変換部に１０Ｖ前後の比較的高い電圧を印加する構成と比較して、消費電力を低減することができる。他方、光電変換部に対する照度が比較的に低い場合には、相対的に高い第２電圧Ｖ２が光電変換部に印加されることになる。後に詳しく説明するように、画素Ｐｘの光電変換部は、対向電極と画素電極との間のバイアス電圧が増大するに従って光電変換効率が増大するような光電変換特性を有し得る。この場合、電圧線１５２を介して、相対的に高い第２電圧Ｖ２を光電変換部に印加して対向電極と画素電極との間の電位差を拡大させることにより、画素Ｐｘの感度を上昇させ得る。すなわち、暗い環境において画素Ｐｘの感度が上昇することとなり、高感度のもとでの撮影が可能になる。このように、本開示の実施形態によれば、照度に応じて、電気的な制御により感度が調整されるので、撮影時の環境に応じた感度のもとでの撮影を可能としながら、電力消費抑制の効果が得られる。
【０１０３】
上述の制御回路１６０の機能は、汎用の処理回路とソフトウェアとの組み合わせによって実現されてもよいし、このような処理に特化したハードウェアによって実現されてもよい。なお、図１に示す例では、行走査回路１２０、検出回路１３０Ａ、電圧供給回路１５０および制御回路１６０は、複数の画素Ｐｘが配置された半導体基板１１０に一体的に形成されている。例えば、制御回路１６０は、半導体基板１１０に形成された集積回路であり得る。各画素Ｐｘの出力回路が形成される半導体基板１１０にこれらの回路を配置することにより、各画素Ｐｘの出力回路の形成のプロセスと同様のプロセスを適用して、各画素Ｐｘの出力回路とともにこれらの回路を半導体基板１１０に一体的に形成することが可能になる。ただし、これらの回路の全部が、各画素Ｐｘの出力回路とともに半導体基板１１０に一体的に形成されることは、必須ではない。これらの回路の一部または全部が、各画素Ｐｘの出力回路が形成された半導体基板１１０とは異なる基板上に配置されることもあり得る。その場合、撮像装置１００Ａは、複数の画素Ｐｘが形成された半導体基板１１０、行走査回路１２０、検出回路１３０Ａ、電圧供給回路１５０および制御回路１６０が一体とされたパッケージの形で提供され得る。
【０１０４】
上述の例では、制御回路１６０は、各画素Ｐｘからの出力信号のレベルを検出回路１３０Ａによって検出し、参照線１３２の電圧レベルを基準とした比較により、光電変換部に入射する光量が所定の光量以上であるかを判定している。換言すれば、制御回路１６０は、参照線１３２の電圧レベルを閾値として利用した判定を実行する。しかしながら、光電変換部に入射する光量が所定の光量以上であるかの判定の方法は、この例に限定されない。
【０１０５】
例えば、検出回路１３０Ａは、アナログ−デジタル変換回路を含み、検出された出力信号線Ｓｊの電圧の大きさを表現するデジタル値のデータを制御回路１６０または画像処理回路１６４に出力するように構成されてもよい。この場合、光電変換部に入射する光量が所定の光量以上であるかを判定するための閾値は、例えばメモリ１６２に予め格納され得る。制御回路１６０は、例えば、検出回路１３０Ａから受け取ったデジタル値が、メモリ１６２に保持されている閾値以上である場合には、光電変換部に入射する光量が所定の光量以上であると判定する。さらに制御回路１６０は、対向電極と画素電極との間の電位差が相対的に小さい第１の電位差となるような電圧が電圧線１５２に印加されるような制御を実行する。例えば、制御回路１６０は、相対的に低い第１電圧Ｖ１が電圧線１５２に印加されるように電圧供給回路１５０を駆動させる。
【０１０６】
（画素Ｐｘの例示的な構成）
図２は、撮像装置１００Ａの例示的な回路構成を示す。図２では、図１に示す撮像領域に含まれる複数の画素Ｐｘから４つを取り出して模式的に示している。
【０１０７】
画素Ｐｘの各々は、光電変換部１０と、光電変換部１０に電気的に接続された出力回路２０とを含む。図２に例示する構成において、出力回路２０は、信号検出トランジスタ２２と、アドレストランジスタ２４と、リセットトランジスタ２６とを含む。信号検出トランジスタ２２、アドレストランジスタ２４およびリセットトランジスタ２６は、典型的には、半導体基板１１０に形成された電界効果トランジスタであり、以下では、ＮチャンネルＭＯＳをこれらトランジスタに用いた例を説明する。
【０１０８】
図２に模式的に示すように、光電変換部１０は、第１電極としての対向電極１１、第２電極としての画素電極１２、および、対向電極１１と画素電極１２とに挟まれた光電変換層１３とを含む。対向電極１１は、透光性を有する。なお、本明細書における「透光性」の用語は、光電変換層１３が吸収可能な波長の光の少なくとも一部を透過することを意味し、可視光の波長範囲全体にわたって光を透過することは必須ではない。
【０１０９】
図示するように、各画素Ｐｘの対向電極１１は、電圧線１５２との間に電気的な接続を有する。したがって、電圧供給回路１５０は、電圧線１５２を介して複数の画素Ｐｘの対向電極１１に一括して例えば第１電圧Ｖ１または第２電圧Ｖ２を選択的に印加可能である。図２では、複数の画素Ｐｘの対向電極１１ごとに電圧線１５２が接続されているように図示されている。しかし、典型的には、各画素Ｐｘの対向電極１１は、複数の画素Ｐｘの間で連続した単一の透光性の電極であり、電圧線１５２が複数本に分岐した配線である必要はない。
【０１１０】
他方、画素電極１２は、画素Ｐｘごとに電気的に分離して設けられる。図示するように、各画素Ｐｘの画素電極１２は、対応する出力回路２０の信号検出トランジスタ２２のゲートに接続される。信号検出トランジスタ２２のソースは、アドレストランジスタ２４を介して、対応する出力信号線Ｓｊに接続される。信号検出トランジスタ２２のドレインは、電源線３２に接続される。電源線３２は、動作時に３．３Ｖ程度の電源電圧ＶＤＤが印加されることによりソースフォロワ電源として機能する。
【０１１１】
アドレストランジスタ２４のゲートには、行信号線Ｒｉが接続される。行走査回路１２０は、行信号線Ｒｉに印加する電圧レベルの制御により、アドレストランジスタ２４のオンおよびオフを切り替えて、選択した行に属する画素Ｐｘから出力信号線Ｓｊに信号を読み出すことができる。
【０１１２】
この例では、出力回路２０は、リセットトランジスタ２６を含んでいる。リセットトランジスタ２６のドレインおよびソースの一方は、ノードＦＤに接続される。ノードＦＤは、光電変換部１０を信号検出トランジスタ２２のゲートに電気的に接続する。リセットトランジスタ２６のドレインおよびソースの他方は、リセット電圧線３６に接続される。リセット電圧線３６には、撮像装置１００Ａの動作時に所定のリセット電圧ＶＲＳＴが印加される。典型的には、図示するように、リセット信号線４６は、同一行に属する複数の画素Ｐｘのリセットトランジスタ２６のゲートに共通して接続される。
【０１１３】
この例では、リセット信号線４６は、行走査回路１２０との接続を有する。行走査回路１２０は、リセット信号線４６に印加する電圧レベルの制御により、複数の画素Ｐｘの行単位でリセットトランジスタ２６をオンする。これにより、リセットトランジスタ２６がオンとされた画素ＰｘのノードＦＤの電位は、ＶＲＳＴにリセットされ得る。電圧供給回路１５０から各画素Ｐｘの対向電極１１に印加される電圧をＶ１またはＶ２とすれば、リセットの直後における画素電極１２と対向電極１１との間に印加されるバイアス電圧は、（Ｖ１−ＶＲＳＴ）または（Ｖ２−ＶＲＳＴ）である。後述するように、本開示の実施形態では、（Ｖ１−ＶＲＳＴ）＞０および（Ｖ２−ＶＲＳＴ）＞０となるようにこれらの電圧の具体的な値が選ばれ得る。
【０１１４】
図３Ａは、画素Ｐｘの例示的なデバイス構造を示す。半導体基板１１０は、不純物領域１１１〜１１５と、素子分離領域１１６とを有する。素子分離領域１１６は、画素Ｐｘごとに設けられた出力回路２０を、画素Ｐｘ間で電気的に分離する。以下では、半導体基板１１０としてＰ型シリコン基板を例示する。不純物領域１１１〜１１５は、典型的には、Ｎ型の拡散領域である。半導体基板１１０は、表面に半導体層が設けられた絶縁基板などであってもよい。
【０１１５】
信号検出トランジスタ２２は、不純物領域１１１〜１１５のうち、不純物領域１１３および１１４と、半導体基板１１０上のゲート絶縁層２２ｇと、ゲート絶縁層２２ｇ上のゲート電極２２ｅとを含む。不純物領域１１３は、信号検出トランジスタ２２のドレイン領域として機能する。不純物領域１１４は、信号検出トランジスタ２２のソース領域として機能する。図示する構成において、アドレストランジスタ２４は、不純物領域１１４を信号検出トランジスタ２２と共有する。アドレストランジスタ２４は、半導体基板１１０上のゲート絶縁層２４ｇと、ゲート絶縁層２４ｇ上のゲート電極２４ｅと、不純物領域１１５とを含む。不純物領域１１５は、アドレストランジスタ２４のソース領域として機能する。
【０１１６】
リセットトランジスタ２６は、不純物領域１１１および１１２と、半導体基板１１０上のゲート絶縁層２６ｇと、ゲート絶縁層２６ｇ上のゲート電極２６ｅとを含む。図３Ａでは図示が省略されているが、不純物領域１１２には、上述のリセット電圧線３６が接続される。なお、信号検出トランジスタ２２のドレイン領域としての不純物領域１１３には、上述の電源線３２が接続される。アドレストランジスタ２４のソース領域としての不純物領域１１５には、上述の出力信号線Ｓｊが接続される。図３Ａに模式的に示すように、素子分離領域１１６は、リセットトランジスタ２６と信号検出トランジスタ２２との間にも設けられる。
【０１１７】
層間絶縁層５０は、半導体基板１１０に形成された信号検出トランジスタ２２、アドレストランジスタ２４およびリセットトランジスタ２６を覆う。各画素Ｐｘの光電変換部１０は、層間絶縁層５０によって支持される。層間絶縁層５０は、各々が例えば二酸化シリコンから形成された複数の絶縁層を含む。
【０１１８】
光電変換部１０の対向電極１１は、被写体からの光が入射する側に位置し、ＩＴＯなどの透明な導電性材料から形成される。上述したように、対向電極１１は、典型的には、複数の画素Ｐｘに跨って連続した単一の電極層の形で設けられる。対向電極１１の、光電変換層１３とは反対側の主面上には、カラーフィルタなどの光学フィルタ１４、マイクロレンズ１６などが配置され得る。
【０１１９】
対向電極１１と画素電極１２との間に位置する光電変換層１３は、有機材料またはアモルファスシリコンなどの無機材料から形成され、対向電極１１を介した光の入射を受けて励起子を発生させる。光電変換層１３は、有機材料から構成される層と無機材料から構成される層とを含んでいてもよい。対向電極１１と同様に、光電変換層１３は、典型的には、複数の画素Ｐｘに跨って連続した単一の光電変換構造の形で設けられる。
【０１２０】
画素電極１２は、光電変換層１３よりも半導体基板１１０の近くに位置し、隣接する他の画素Ｐｘの画素電極１２から空間的に分離されることにより、これらから電気的に分離されている。画素電極１２は、アルミニウム、銅などの金属、金属窒化物、または、不純物がドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンなどから形成され得る。
【０１２１】
各画素Ｐｘは、導電構造５２を層間絶縁層５０の内部に有する。導電構造５２は、信号検出トランジスタ２２などを含む出力回路２０に、画素電極１２を電気的に接続する。導電構造５２は、銅などの金属から形成されたビア、ポリシリコンから形成されたプラグなどを含み、図３Ａに模式的に示すように、画素電極１２と、半導体基板１１０に形成された不純物領域１１１とを互いに電気的に接続する。この導電構造５２は、画素電極１２を信号検出トランジスタ２２のゲート電極２２ｅにも接続されている。すなわち、出力回路２０は、信号検出トランジスタ２２を含むソースフォロワにより、画素電極１２の電位に応じた信号を、対応する出力信号線Ｓｊに出力する。
【０１２２】
動作時、電圧線１５２を介して電圧供給回路１５０から対向電極１１に所定の電圧が印加されることにより、図３Ａに模式的に示すように、対向電極１１と画素電極１２との間には、電位差ΔＶが印加される。ここでは、電圧供給回路１５０は、画素電極１２を基準として、画素電極１２の電位よりも対向電極１１の電位の方が高くなるような電圧を対向電極１１に印加する。画素電極１２の電位よりも対向電極１１の電位を高くすることにより、光の入射によって光電変換層１３中に生成される正および負の電荷のうち、正の極性を有する電荷、例えば、正孔を信号電荷として画素電極１２によって収集することができる。以下では、特に断りの無い限り、信号電荷として正孔を利用する例を説明する。なお、図３Ａに示す例では、光電変換層１３と画素電極１２との間に電子ブロッキング層１３ｅが配置されており、光電変換層１３から画素電極１２への電子の注入の抑制が図られている。電子ブロッキング層１３ｅが光電変換の機能を有していてもかまわない。
【０１２３】
本開示の典型的な実施形態では、電圧供給回路１５０から電圧線１５２に第１電圧Ｖ１が印加されている状態および電圧供給回路１５０から電圧線１５２に第２電圧Ｖ２が印加されている状態のいずれにおいても、対向電極１１の電位が画素電極１２の電位よりも高くなるような第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２が用いられる。なお、画素電極１２の電位は、リセットトランジスタ２６を介して供給される上述のリセット電圧ＶＲＳＴによって決まる。したがって、本開示の典型的な実施形態では、（Ｖ１−ＶＲＳＴ）＞０および（Ｖ２−ＶＲＳＴ）＞０である。リセット電圧ＶＲＳＴとしては、例えば０Ｖまたは０Ｖ付近の正電圧が用いられる。
【０１２４】
不純物領域１１１は、層間絶縁層５０中の導電構造５２に接続される。不純物領域１１１によって半導体基板１１０中に形成されるＰＮ接合は、画素電極１２によって収集された正電荷、例えば、正孔を一時的に蓄積する電荷蓄積容量として機能する。本開示の典型的な実施形態においては、信号電荷として正孔が用いられるので、不純物領域１１１への信号電荷の蓄積に伴って、電荷蓄積部としての不純物領域１１１の電位は、上昇する。
【０１２５】
画素電極１２よりも対向電極１１の電位が低くなるような電圧を対向電極１１に印加することにより、例えば電子を信号電荷として利用することももちろん可能である。図３Ｂは、電子を信号電荷として利用する場合の画素Ｐｘの動作を説明するための模式的な断面図である。画素電極１２によって負の電荷を収集する場合には、例えば、対向電極１１の電位よりも画素電極１２の電位の方が高くなるような電圧を対向電極１１に印加すればよい。図３Ｂに例示する構成では、光電変換層１３と画素電極１２との間に正孔ブロッキング層１３ｈが配置されることにより、光電変換層１３から画素電極１２への正孔の注入の抑制が図られている。
【０１２６】
この場合も、制御回路１６０は、例えば検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルが参照線１３２の電圧レベル以上である場合に、対向電極１１と画素電極１２との間に印加される電位差が第１の電位差となるように、電圧供給回路１５０から所定の電圧を出力させる。また、検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルが参照線１３２の電圧レベル未満である場合に、対向電極１１と画素電極１２との間に印加される電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるような電圧を電圧供給回路１５０から出力させる。なお、信号電荷として電子を蓄積する構成では、不純物領域１１１への信号電荷の蓄積に伴って、電荷蓄積部としての不純物領域１１１の電位は、低下することになる。
【０１２７】
（光電変換層の例示的な光電変換特性）
ここで、光電変換層１３の光電変換特性と、電圧供給回路１５０が電圧線１５２に供給する電圧との間の関係を説明する。以下では、特に断りの無い限り、信号電荷として正孔を利用する例を説明する。
【０１２８】
図４は、光電変換層１３の光電変換特性の典型例を示す。図４中、横軸は、対向電極１１と画素電極１２との間に印加される電位差ΔＶを表し、縦軸は、光電変換層１３の光電変換効率ηを表す。ここで、光電変換効率ηは、１つの画素Ｐｘについて、光電変換部１０に入射された光子数に対する、画素電極１２によって収集された電荷数の単位秒あたりの比を意味する。なお、電荷数は、電気素量を単位として測った数である。
【０１２９】
図４に例示するように、本開示の実施形態において、光電変換層１３における光電変換効率ηは、おおむね、対向電極１１と画素電極１２との間に印加される電位差ΔＶの増加に対して上に凸の曲線状に増加するような変化を示す。図４に示すような光電変換特性を有する光電変換層は、有機光電変換膜の形成に一般な適用される有機光電変換材料およびその組み合わせを用いることにより、実現可能である。
【０１３０】
図４に示す例において、光電変換効率ηは、電位差ΔＶが０〜３Ｖ程度の比較的低い電圧領域において電位差ΔＶの変化に対して比較的急峻な増大を示し、電位差ΔＶがおよそ３Ｖ以上の比較的高い電圧領域において電位差ΔＶの変化に対して比較的緩やかな増大を示している。本明細書において、対向電極１１と画素電極１２との間に印加される電位差ΔＶの変化に対して光電変換効率ηが比較的急峻な増大を示す電圧範囲を第１電圧範囲と呼び、電位差ΔＶの変化に対して光電変換効率ηが比較的緩やか増大を示す電圧範囲を第２電圧範囲と呼ぶ。
【０１３１】
第１電圧範囲は、対向電極１１と画素電極１２との間に印加される電位差ΔＶ、換言すれば、バイアス電圧に対する光電変換部１０の光電変換効率の変化率が、バイアス電圧が第２電圧範囲にあるときよりも大きな値を示す電圧範囲として定義することができる。第１電圧範囲および第２電圧範囲の具体的な範囲は、撮像装置１００Ａの用途、光電変換層１３の材料などによって異なり得るが、例えば以下のように定義可能である。対向電極１１と画素電極１２との間のバイアス電圧に対する光電変換部１０の光電変換効率ηのグラフにおいて、図４中に破線で示すように、光電変換効率ηが０から立ち上がる点における接線Ｔ１を引く。また、バイアス電圧のうち動作時の最大値に相当する点における接線Ｔ２を引く。これらの接線Ｔ１および接線Ｔ２の交点におけるバイアス電圧の値をＶｔとし、Ｖｔ未満の電圧範囲を第１電圧範囲とする。
【０１３２】
図４に示す例では、光電変換効率ηが０から立ち上がる電位差ΔＶの値は、０Ｖであり、動作時におけるバイアス電圧の最大値は、ΔＶ＝１２Ｖである。これらの点における接線の交点のＸ座標は、およそ３Ｖであり、したがって、図４に示すように、おおよそ０Ｖ以上３Ｖ未満の電圧領域を第１電圧範囲とし、おおよそ３Ｖ以上１２Ｖ以下の電圧領域を第２電圧範囲とすることができる。
【０１３３】
ただし、図５に例示するように、電位差ΔＶの比較的小さい領域において、光電変換効率ηが０から緩やかに立ち上がるような特性曲線が得られた場合、光電変換効率ηが０から立ち上がる点における接線Ｔ１と、バイアス電圧のうち動作時の最大値に相当する点における接線Ｔ２とが交わらないこともあり得る。このような場合には、光電変換効率ηのグラフにおいて、図５中に破線で示すように、光電変換効率ηの値が０．０６となる点Ｒにおける接線Ｔ３を引き、この接線Ｔ３と接線Ｔ２との交点を求める。そして、接線Ｔ３および接線Ｔ２の交点におけるバイアス電圧の値をＶｔとし、Ｖｔ未満の電圧範囲を第１電圧範囲としてもよい。
【０１３４】
なお、上述の光電変換効率ηの値０．０６は、バイアス電圧のうち動作時の最大値に相当する点における光電変換効率ηを１としたときの規格化された値である。デジタルカメラの分野では、シャッタスピードを落としての撮影などにおいて、デジタルカメラにＮＤフィルタが組み合わされることがある。光電変換効率ηの値０．０６によって実現される感度は、ＮＤ１６のフィルタを適用した場合におおよそ相当する。したがって、電位差ΔＶに対する光電変換効率ηのグラフにおいてＹ座標が０．０６である点Ｒにおける接線を用いてＶｔを求めることにより、例えばＮＤ２〜ＮＤ１６の範囲に相当する感度を電気的な制御によって実現し得る。
【０１３５】
あるいは、バイアス電圧の１Ｖの変化に対する、光電変換効率ηの変化が１０％未満であるような電圧範囲が第２電圧範囲であるとしてもよい。この場合、第２電圧範囲は、図６に示すように、グラフ上に第１の点Ｐ（ａ，ｂ）および第２の点Ｑ（ａ＋１，ｃ）をとったとき、光電変換効率ηの増分である（ｃ−ｂ）が（ｃ−ｂ）＜０．１＊ｂの関係を満たすような電圧範囲であるとして定められる。ここで、上述の関係式中の「＊」は、乗算を表す。
【０１３６】
そのほか、以下のように第１電圧範囲または第２電圧範囲を定めることもできる。例えば、対向電極１１と画素電極１２との間のバイアス電圧に対する光電変換部１０の光電変換効率ηのグラフにおいて、図７に示すように、光電変換効率ηが０．７以上となるような領域を第２電圧範囲としてもよい。なお、光電変換効率ηが０．７以上となるような領域が第２電圧範囲であると定義すると、ＩＳＯの数値との対応を付けやすいという利点がある。第１電圧範囲および第２電圧範囲の具体的な範囲は、撮像装置１００Ａの用途などに応じて適宜設定されればよい。
【０１３７】
本開示の典型的な実施形態では、上述の第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２として、光電変換部１０に第１電圧Ｖ１が供給されているときの光電変換効率ηが、光電変換部１０に第２電圧Ｖ２が供給されているときよりも低くなるような電圧を用いる。上述したように、光電変換層１３における光電変換効率ηは、典型的には、対向電極１１と画素電極１２との間に印加される電位差ΔＶの増加に対しておおむね単調に増加する。したがって、例えば、第１電圧Ｖ１として、第１電圧範囲内にある電圧を採用し、第２電圧Ｖ２として、第２電圧範囲にある電圧を採用することができる。以下、まず、第１電圧Ｖ１として、第１電圧範囲内にある電圧を用い、第２電圧Ｖ２として、第２電圧範囲にある電圧を用いたときの撮像装置１００Ａの動作例を説明する。
【０１３８】
（撮像装置１００Ａの第１の動作例）
ここでは、光電変換層１３における光電変換効率ηが、対向電極１１と画素電極１２との間に印加される電位差ΔＶの増加に対して、図４に示すような変化を示すとし、上述の接線Ｔ１および接線Ｔ２の交点におけるバイアス電圧の値Ｖｔが３Ｖであるとする。このとき、例えば、３Ｖ未満の電圧領域を第１電圧範囲とし、３Ｖ以上１２Ｖ以下の電圧領域を第２電圧範囲と定めると、例えば、２Ｖの電圧を第１電圧Ｖ１に用い、６Ｖの電圧を第２電圧Ｖ２に用い得る。
【０１３９】
第１電圧範囲および第２電圧範囲についてこのような定義を採用した場合、対向電極１１への第１電圧Ｖ１の印加時における光電変換効率ηの値に対する、対向電極１１への第２電圧Ｖ２の印加時における光電変換効率ηの比は、典型的には、１．２５以上１００以下である。この例では、対向電極１１への第１電圧Ｖ１の印加時における光電変換効率ηは、およそ０．５５であり、第２電圧Ｖ２の印加時における光電変換効率ηの値は、およそ０．８７であるので、これらのηの値についての比の値は、およそ１．５８である。なお、第１電圧Ｖ１に対する第２電圧Ｖ２の比の値（Ｖ２／Ｖ１）である３は、ηに関する上述の比の値１．５８よりも大きい。
【０１４０】
図８は、撮像装置１００Ａの第１の例示的な動作を示す概略的なフローチャートである。図８に示す例においては、まず、光電変換部１０に入射した光量が所定の光量以上であるか否かの判定を実行する（ステップＳ１）。例えば、出力回路２０から出力信号線Ｓｊに出力された信号のレベルを検出回路１３０Ａによって検出する。検出されたレベルが、閾値としての参照線１３２の電圧レベル以上である場合に、光電変換部１０に入射した光量が所定の光量以上であると判定することができる。出力回路２０からの信号のレベルの検出は、例えば、ユーザがレリーズボタンを半押ししたときに、一部の画素Ｐｘのアドレストランジスタ２４をオンとして、照度に応じた電圧を出力回路２０から出力させることによって実行されてもよい。あるいは、これから画像を取得しようとするフレームの例えば１つ前のフレームにおいて検出回路１３０Ａによって検出された信号のレベルを利用してもよい。
【０１４１】
もちろん、光電変換部１０に入射した光量が所定の光量以上であるか否かの判定の方法は、特定の方法に限定されず、種々の方法を採用し得る。例えば、検出回路１３０Ａによって検出された信号のレベルをアナログ−デジタル変換回路によってデジタル値に変換し、予めメモリ１６２に格納しておいた閾値との比較により、光電変換部１０に入射した光量が所定の光量以上であるか否かを判定してもよい。光電変換部１０に入射した光量が所定の光量以上であるか否かの判定は、例えば制御回路１６０、あるいは、画像処理回路１６４によって実行され得る。制御回路１６０は、半導体基板１１０に形成されたロジック回路を含んでいてもよい。光電変換部１０に入射した光量が所定の光量以上であるか否かの判定は、撮像装置１００Ａ外に配置された例えばＩＳＰによって実行されてもよい。
【０１４２】
光電変換部１０に入射した光量が所定の光量以上であると判定された場合、対向電極１１と画素電極１２との間の電位差が第１の電位差となるように光電変換部１０に電圧が印加される（ステップＳ２）。制御回路１６０は、電圧供給回路１５０に駆動信号を供給し、例えば、電圧供給回路１５０から電圧線１５２に第１電圧Ｖ１を印加させる。図４に示すように、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加された状態では、光電変換部１０の光電変換効率は、相対的に低く、したがって、撮像装置１００Ａの各画素Ｐｘは、相対的に感度が低下された状態となる。上述したように、光電変換部１０に入射した光量が所定の光量以上である場合とは、光電変換部１０に対する照度が高い場合に相当する。すなわち、この例では、光電変換部１０に対する照度が高い場合に自動的に画素Ｐｘの感度が低下されることになる。すなわち、あたかもＮＤフィルタを機械的に挿入したような状態が電気的な制御によって実現されるといえる。したがって、撮像装置１００Ａのユーザは、環境に適合した撮影をより容易に実行し得る。
【０１４３】
このように、電圧供給回路１５０から光電変換部１０に印加する電圧の制御により、電気的な制御によるＮＤフィルタ機能を実現することが可能になる。したがって、従来、複数のＮＤフィルタから適切な１つを選択して使用することが必要であった撮影シーンにおいても予め複数のＮＤフィルタを用意しておく必要が無くなり、撮影機材の簡易化の効果が得られる。本開示の実施形態によれば、従来のシリコンイメージセンサでは不可能であった感度の連続的な変更、すなわち、無段階制御も可能となり、シーンに応じた撮影の自由度を広げることができる。
【０１４４】
図９および図１０は、対向電極１１に第１電圧Ｖ１として２Ｖの電圧が印加されているときの、照度の変化に対する光電変換効率ηの変化を説明するための模式的な断面図である。動作時、対向電極１１と画素電極１２との間には、電位差ΔＶが印加される。リセット電圧ＶＲＳＴは、例えば０Ｖ付近の電圧であり、したがって、電圧供給回路１５０が第１電圧Ｖ１を供給している状態において、光電変換層１３は、図９に模式的に示すように、およそ２Ｖの電位差が印加された状態にある。
【０１４５】
光電変換層１３に光が入射して光電変換層１３の内部に電荷が生成されると、これらの電荷は、対向電極１１と画素電極１２との間の電場に従って移動する。図９に模式的に示すように、正の電荷は、導電構造５２を介して、電荷蓄積部としての不純物領域１１１に蓄積され、負の電荷は、対向電極１１を介して光電変換層１３から電圧線１５２に排出される。
【０１４６】
電圧供給回路１５０から第１電圧Ｖ１が供給されている状態、換言すれば、対向電極１１と画素電極１２との間の電位差ΔＶが相対的に小さい状態においては、光電変換によって生成される電荷対自体が少なく、正の電荷が画素電極１２に到達するまでに再結合が生じる確率も高い。また、正の電荷にとって、電子ブロッキング層１３ｅによって形成されるポテンシャル障壁を乗り越えにくくなる。そのため、同じ照度で比較した場合、対向電極１１と画素電極１２との間に比較的大きな電位差ΔＶを印加したときよりも不純物領域１１１に蓄積される信号電荷が少なくなる。つまり、画素Ｐｘの感度が低下された状態となる。
【０１４７】
不純物領域１１１への信号電荷の蓄積が継続すると、ここでは信号電荷として正の電荷を用いているので、不純物領域１１１の電位は、徐々に上昇する。そのため、光電変換層１３にかかる実効的なバイアス電圧は、第１電圧Ｖ１の実際の値よりも小さく、より多くの信号電荷が不純物領域１１１に蓄積されるほど、実効的なバイアス電圧が低下する。換言すれば、信号電荷が不純物領域１１１に蓄積されるにつれて、画素Ｐｘの感度は、低下する。
【０１４８】
ここで、図１０に矢印ｈνで模式的に示すように、電圧供給回路１５０から第１電圧Ｖ１が供給されている状態において光電変換部１０に対する照度が増大したとする。照度の増大により、不純物領域１１１に蓄積される信号電荷が増加すると、不純物領域１１１の電位が上昇することにより、光電変換層１３にかかる実効的なバイアス電圧が低下する。例えば、バイアス電圧が２Ｖから１Ｖ程度に低下したとすると、図４からわかるように、光電変換効率ηが０．５５から０．２８程度に低下することとなり、結果として画素Ｐｘの感度がさらに低下する。すなわち、電圧供給回路１５０から電圧線１５２に印加する電圧を一定としながら、光電変換層１３にかかる実効的なバイアス電圧を照度に応じて変化させることになり、結果としてダイナミックレンジ拡大の効果が得られる。第１電圧範囲にある第１電圧Ｖ１が電圧供給回路１５０から供給されている状態を感度可変モードと呼んでもよい。
【０１４９】
図１１は、光電変換部１０に入射する光量の変化に対する、出力回路２０からの信号のレベルの変化の典型例を模式的に示す。図１１から、光量が比較的少ない領域では、光量の変化に対して信号のレベルは直線状の変化を示し、リニアリティを確保できることがわかる。光量がさらに増大すると、光量の増大に対する信号のレベルの増大の程度が鈍り、光量の変化に対する信号のレベルの変化を示すグラフは、曲線状の変化を示すようになる。このように、光量の増大に応じて信号のレベルが自動的に低下するので、照度の高い方向に関するダイナミックレンジが拡大される。このことを利用して、光量の増大に応じて信号のレベルが直線状に変化する場合と比較して、照度の高い方向に関するダイナミックレンジを例えば２倍程度に拡大し得る。
【０１５０】
より照度の高い領域では、光量の変化に対する信号のレベルの変化を示すグラフの、直線からのはずれが拡大する。これは、電位差ΔＶが小さいほど、光電変換によって生成される電荷対の減少、再結合による電荷対の消滅の増大などの影響が現れやすくなるためである。
【０１５１】
しかしながら、図１１に示すような特性曲線を予め得ておくことにより、検出回路１３０Ａによって検出される信号のレベルに適当な補正を施すことが可能になる。例えば、光量に応じた補正係数を例えばテーブルの形で予めメモリ１６２に格納しておき、補正係数を乗じた形で各画素Ｐｘの画素値を決定してもよい。このような補正により、リニアリティを補償して、照度の高い方向に関するダイナミックレンジをさらに拡大することが可能になる。例えば、光量の増大に応じて信号のレベルが直線状に変化する場合と比較して、照度の高い方向に関するダイナミックレンジを３倍程度に拡大し得る。
【０１５２】
検出された信号のレベルに対する補正は、画像処理回路１６４によって実行され得る。画像処理回路１６４の機能は、上述の制御回路１６０と同様に、汎用の処理回路とソフトウェアとの組み合わせ、および、画像処理に特化したハードウェアのいずれによって実現されてもよい。検出された信号のレベルに対する補正が制御回路１６０によって実行されてもよい。
【０１５３】
再び図８を参照する。ステップＳ１において、光電変換部１０に入射した光量が所定の光量未満であると判定された場合、対向電極１１と画素電極１２との間の電位差が第１の電位差よりも大きい第２の電位差となるように光電変換部１０に電圧が印加される（ステップＳ３）。制御回路１６０は、電圧供給回路１５０に駆動信号を供給し、例えば、第１電圧Ｖ１よりも高い第２電圧Ｖ２を電圧供給回路１５０から電圧線１５２に印加させる。
【０１５４】
対向電極１１と画素電極１２との間の電位差ΔＶが拡大すると、光電変換層１３の内部の電場が増大し、図１２に模式的に示すように、画素電極１２によってより多くの正の電荷が収集されるようになる。すなわち、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加されているときの画素Ｐｘの感度は、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加された状態と比較して高い状態にある。ここでは、第２電圧Ｖ２として６Ｖの電圧が用いられている。図４を参照すればわかるように、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加された状態における光電変換効率は、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加された状態と比較して高い。図４に示す例では、このときの光電変換効率ηの値は、０．８７程度である。
【０１５５】
不純物領域１１１への信号電荷の蓄積の継続によって不純物領域１１１の電位が徐々に上昇する点は、対向電極１１に第１電圧Ｖ１を印加しているときと同じである。したがって、光電変換層１３にかかる実効的なバイアス電圧は、第２電圧Ｖ２の値よりも小さく、例えば５Ｖ程度になり得る。なお、画素電極１２の電位が対向電極１１の電位を上回ると画素電極１２による正の電荷の収集が起こらなくなるので、基本的に不純物領域１１１の電位が第２電圧Ｖ２の値を上回ることはない。
【０１５６】
図１３は、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加されているときの、光電変換部１０に入射する光量の変化に対する、出力回路２０からの信号のレベルの変化の典型例を模式的に示す。図１３には、対向電極１１に第１電圧Ｖ１として２Ｖの電圧が印加されているときの、光量の変化に対する出力信号のレベルの変化もあわせて示されている。図１３中のグラフＧ１は、図１１に示されたグラフと同じであり、対向電極１１に２Ｖが印加されているときの出力信号のレベルの変化を示している。他方、図１３中のグラフＧ２は、対向電極１１に６Ｖが印加されているときの出力信号のレベルの変化を示す。
【０１５７】
図１３からわかるように、第２電圧Ｖ２として例えば６Ｖの相対的に高い電圧が対向電極１１に印加されている状態では、出力回路２０からの信号のレベルは、光電変換部１０に入射する光量の変化に対して直線状の変化を示す。すなわち、この例では、電圧供給回路１５０から第２電圧Ｖ２が供給されるような、照度が低い環境では、照度の変化に対する信号出力のリニアリティが自然に確保できていることがわかる。
【０１５８】
このように、照度が比較的高い環境においては第１電圧範囲にある第１電圧Ｖ１を光電変換部１０に供給し、照度が比較的低い環境においては第２電圧範囲にある第２電圧Ｖ２を光電変換部１０に供給するように制御する。このような制御によれば、照度に変化に応じて感度を動的に変化させることができる。例えば、標準設定では、光電変換部１０に供給する電圧として第２電圧範囲にある第２電圧Ｖ２を用い、照度が比較的高い環境においては、光電変換部１０に供給する電圧として第１電圧範囲にある第１電圧Ｖ１を用いる。これにより、感度を自動的に低下させることが可能になる。さらに、照度が比較的高く、第１電圧範囲にある第１電圧Ｖ１が光電変換部１０に供給されている状態において、照度がさらに増大すると、不純物領域１１１への正孔の蓄積に伴い、電位差ΔＶが縮小する。その結果、光電変換効率ηが、より低下する方向に変化するので、照度の高い方向に関するダイナミックレンジをより拡大し得る。
【０１５９】
なお、図１４に例示するように、互いに隣接する２つの画素電極１２の間に第３電極１５を配置してもよい。以下に説明するように、第３電極１５の電位を制御することにより、照度の高い方向に関するダイナミックレンジをさらに拡大させることが可能である。
【０１６０】
図１４では、複数の画素Ｐｘの例えば行または列に沿って互いに隣接する２つの画素Ｐｘ１およびＰｘ２が示されている。また図１４では、第３電極１５が、画素Ｐｘ１の画素電極１２と画素Ｐｘ２の画素電極１２との間であって、かつこれらの画素電極１２と同層に配置されている。第３電極１５は、画素Ｐｘ１の画素電極１２および画素Ｐｘ２の画素電極１２から空間的に分離されることにより、これらの画素電極１２から電気的に分離されている。第３電極１５は、不図示の電源に接続されることによって撮像装置１００Ａの動作時に所定の電圧を印加可能に構成される。
【０１６１】
図１５は、対向電極１１側から見たときの、画素電極１２と第３電極１５との配置関係の一例を示す。この例では、画素Ｐｘ１および画素Ｐｘ２のそれぞれに、画素電極１２を取り囲む矩形状の第３電極１５が設けられている。なお、第３電極１５を画素Ｐｘごとに分離して配置することは必須ではない。例えば複数の画素Ｐｘの行ごとに、複数の画素Ｐｘに跨る単一の第３電極１５が設けられることもあり得る。また、複数の画素Ｐｘにわたってグリッド状の第３電極１５が配置されることもあり得る。
【０１６２】
対向電極１１よりも低い電位が与えられたとき、画素電極１２は、図１５に網掛けで模式的に示すように、光電変換層１３のうちおおよそ画素電極１２の直上に位置する領域Ｒ１にある正の電荷を収集する。同様に、第３電極１５は、対向電極１１よりも低い電位が与えられることにより、光電変換層１３のうちおおよそ第３電極１５の直上に位置する領域Ｒ２にある正の電荷を収集することができる。
【０１６３】
したがって、照度が高いときに、第３電極１５に例えばリセット電圧ＶＲＳＴ以下の電圧を印加して光電変換層１３のうち対向電極１１と第３電極１５との間に位置する部分に上述のΔＶ以上の電位差を印加することにより、図１６に模式的に示すように、画素Ｐｘの境界付近で生じた電荷を第３電極１５によって優先的に収集することが可能になる。その結果、画素電極１２に到達する電荷数が減少することととなり、実効的な光電変換効率をさらに低下させることができる。すなわち、照度の高い方向に関するダイナミックレンジをさらに拡大させることが可能である。また、各画素Ｐｘ上にカラーフィルタを配置した構成においては、混色抑制の効果も得られる。第３電極１５に印加される電圧は、電圧供給回路１５０から供給されてもよい。
【０１６４】
（撮像装置１００Ａの第２の動作例）
次に、撮像装置１００Ａの動作の第２の例を説明する。上述の第１の例では、第１電圧Ｖ１として、第１電圧範囲から選択された電圧を用い、第２電圧Ｖ２として、第２電圧範囲から選択された電圧を用いている。しかしながら、この例に限定されず、例えば、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２の両方を、第２電圧範囲から選択された電圧としてもよい。
【０１６５】
図４に示すように、第２電圧範囲における、光電変換部１０への入射光量の変化に対する信号のレベルの変化は、第１電圧範囲と比較して相対的に小さく、図４に示す例では、光電変換部１０は、第２電圧範囲において比較的にフラットな光電変換特性を示しているといえる。第２電圧範囲は、例えば、光電変換部１０への入射光量の変化に対する信号のレベルの変化が２５％以内の電圧領域であり得る。「入射光量の変化に対する信号のレベルの変化が２５％以内」とは、ＩＳＯに換算すると、隣接する２つのレベルの差の（１／３）に相当する変化である。
【０１６６】
第２電圧範囲内の電圧から第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２の具体的な値を選択することにより、リニアリティを確保しながら、照度に応じた感度のもとでの撮影が可能になる。例えば、第１電圧Ｖ１として例えば６Ｖの電圧を用い、第２電圧Ｖ２として１２Ｖの電圧を用いることができる。図４に示す例では、対向電極１１への第１電圧Ｖ１の印加時における光電変換効率ηは、およそ０．８７となり、第２電圧Ｖ２の印加時における光電変換効率ηの値は、およそ１．０となる。これらのηの値についての比の値は、およそ１．１５である。第２電圧範囲内の電圧から第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２の具体的な値を選択した場合において、対向電極１１への第１電圧Ｖ１の印加時における光電変換効率ηの値に対する、対向電極１１への第２電圧Ｖ２の印加時における光電変換効率ηの比は、１よりも大きく、１．２５以下であり得る。
【０１６７】
図１７は、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加されているとき、および、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加されているときの、光電変換部１０に入射する光量の変化に対する、出力回路２０からの信号のレベルの変化の典型例を模式的に示す。図１７中のグラフＧ２は、対向電極１１に第１電圧Ｖ１として６Ｖの電圧が印加されているときの出力信号のレベルの変化を示しており、図１３に示されたグラフＧ２と同じである。図１７中のグラフＧ３は、対向電極１１に第２電圧Ｖ２として１２Ｖの電圧が印加されているときの出力信号のレベルの変化を示す。図１７には、対向電極１１に２Ｖの電圧が印加されているときの、光量の変化に対する出力信号のレベルの変化も破線のグラフＧ１としてあわせて示されている。
【０１６８】
図１７の例において、第１電圧Ｖ１として６Ｖの電圧が対向電極１１に印加されている状態、および、第２電圧Ｖ２として１２Ｖの相対的に高い電圧が対向電極１１に印加されている状態のいずれにおいても、出力回路２０からの信号のレベルは、光電変換部１０に入射する光量の変化に対して直線状の変化を示している。すなわち、電圧供給回路１５０から第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２のいずれを供給した場合であっても、照度の変化に対する信号出力のリニアリティを確保し得ることがわかる。
【０１６９】
ここで説明する例において、標準設定のもとで電圧線１５２に印加する電圧として第１電圧Ｖ１を用いる点は、第１の例と共通である。また、第２の例における動作フローも、図８を参照して説明したフローと共通であり得る。すなわち、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量であるか否かの判定をまず実行し、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上、換言すれば、高照度の場合には、電圧供給回路１５０から光電変換部１０に第１電圧Ｖ１を印加し、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量未満、換言すれば、低照度の場合には、電圧供給回路１５０から光電変換部１０に第２電圧Ｖ２を印加する。
【０１７０】
図１８は、高照度のもとでの画素Ｐｘの動作を説明するための模式的な断面図である。光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上である場合には、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加される。ここでは、中間程度の大きさの６Ｖの電圧が対向電極１１に印加される。既に説明したように、露光に伴い、電荷蓄積部としての不純物領域１１１に蓄積される正孔が増加するので、不純物領域１１１の電位は次第に上昇する。したがって、光電変換層１３にかかる実効的なバイアス電圧は、第１電圧Ｖ１の値よりも小さく、例えば５Ｖ程度になり得る。このことを言い換えると、不純物領域１１１の電位は、基本的に第１電圧Ｖ１として用いられた６Ｖの電圧を上回ることはない。そのため、高耐圧の素子および素子分離領域を要求されず、高い信頼性を確保し得る。
【０１７１】
図１９は、低照度のもとでの画素Ｐｘの動作を説明するための模式的な断面図である。光電変換部１０に入射する光量が所定の光量未満である場合には、相対的に高い第２電圧Ｖ２が対向電極１１に印加される。ここでは、１２Ｖの電圧が対向電極１１に印加される。図４を参照すればわかるように、このときの光電変換効率ηの値は、対向電極１１への第１電圧Ｖ１の印加時よりも高い。換言すれば、画素Ｐｘの感度が、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加されているときよりも高くなる。したがって、低照度のもとでの撮影に適する。第２電圧範囲内の第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２のうち、相対的に高い第２電圧Ｖ２が電圧供給回路１５０から供給されている状態を高感度モードと呼んでもよい。
【０１７２】
上述したように、露光に伴って不純物領域１１１の電位は次第に上昇し、光電変換層１３にかかる実効的なバイアス電圧は、第２電圧Ｖ２の値よりも小さくなる。したがって、光電変換層１３にかかる実効的なバイアス電圧は、例えば１１Ｖ程度になり得る。高照度のときと同様に、この場合も、不純物領域１１１の電位は、基本的に第２電圧Ｖ２を上回ることはない。すなわち、対向電極１１と画素電極１２との間の電位差ΔＶを比較的大きな値としながらも、不純物領域１１１に印加される電場の増大を抑えることができる。また、そもそも低照度であるので、電荷の蓄積に伴う不純物領域１１１の電位の上昇も比較的小さく、不純物領域１１１とその外側の領域との間に形成されるＰＮ接合、信号検出トランジスタ２２のゲート絶縁層２２ｇなどに極端に高い耐圧が要求されない。したがって信頼性を確保しやすい。
【０１７３】
この第２の例では、標準設定のもとでは電圧線１５２に相対的に低い第１電圧Ｖ１が印加されるので、通常の撮影における電力消費を抑えることができる。なお、相対的に低い第１電圧Ｖ１を標準設定において用いることは、標準設定において第２電圧Ｖ２を用いる場合と比較して、省電力であるだけでなく、動作の高速化にも有利である。以下、この点を説明する。
【０１７４】
例えば特許第６２０２５１２号公報は、光電変換層を挟む対向電極と画素電極との間に印加する電位差を０Ｖに近づけることにより、画素の感度を実質的に０として、グローバルシャッタを実現する技術を開示している。このような技術を適用する場合、露光時に対向電極に印加する電圧と、画素の感度を０として電子的にシャッタを閉じた状態とする時に対向電極に印加する電圧との差が大きいと、電圧の切り替えに要する時間が長くなる。これに対し、露光時とシャッタ時との間で対向電極に印加する電圧の差が小さいと、電圧の切り替えに要する時間が短縮され、より高速にシャッタ動作を実行することが可能になる。また、露光の終了、すなわち、対向電極に印加する電圧をほぼ０Ｖに低下させてから信号の読み出しまでに要する期間を短縮できるので、上述の第２の例による駆動は、電気的なグローバルシャッタの適用に特に有利である。特許第６２０２５１２号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
【０１７５】
（変形例）
図２０Ａは、第１の実施形態の変形例による撮像装置の例示的な回路構成を示す。図１を参照して説明した撮像装置１００Ａの構成と比較して、図２０Ａに示す撮像装置１００Ｂは、検出回路１３０Ａに代えて検出回路１３０Ｂを有する。検出回路１３０Ｂは、比較器１３４を有しない。
【０１７６】
検出回路１３０Ｂは、例えば、アナログ−デジタル変換回路を含み、検出された出力信号線Ｓｊの電圧の大きさを表現するデジタル値のデータを制御回路１６０に出力する。制御回路１６０は、検出回路１３０Ｂからの入力に基づき、各画素Ｐｘの出力回路２０から出力された信号のレベルが所定のレベル以上であるか否かの判定を実行する。判定の基準となる閾値は、例えばメモリ１６２に予め格納され得る。制御回路１６０は、例えば、検出回路１３０Ｂから受け取ったデジタル値が、メモリ１６２に保持されている閾値以上である場合には、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上であると判定し、相対的に低い第１電圧Ｖ１が電圧線１５２に印加されるように電圧供給回路１５０を駆動させる。このような構成によれば、検出回路内に比較器１３４を配置した場合と比較して、半導体基板１１０において検出回路１３０Ｂの占める面積を縮小することが可能である。なお、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上であるか否かの判定は、画像処理回路１６４によって実行されてもよい。
【０１７７】
上述の各例では、光電変換部１０の対向電極１１に印加する電圧を、照度に応じて第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間で切り替えている。しかしながら、印加電圧の切り替えの対象は、対向電極１１に限定されず、以下に説明するように、画素電極１２に対して印加する電圧を２つの電圧の間で切り替えてもよい。
【０１７８】
図２０Ｂは、第１の実施形態の他の変形例による撮像装置の例示的な回路構成を示す。図２０Ｂに示す撮像装置１００Ｃの回路構成と、図２を参照して説明した撮像装置１００Ａの回路構成との間の主な相違点は、撮像装置１００Ｃでは、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２を供給する電圧供給回路１５０がリセット電圧線３６に接続されている点である。すなわち、この例では、リセット電圧ＶＲＳＴとして少なくとも２つの互いに異なる電圧がリセット電圧線３６に選択的に供給される。なお、図２０Ｂに例示する構成において、電圧線１５２には、第２の電圧供給回路１５４が接続されている。第２の電圧供給回路１５４は、基本的に、露光時、一定の電圧を電圧線１５２に供給する。なお、電圧供給回路１５４は、電圧供給回路１５０とは独立した別個の部品であってもよいし、電圧供給回路１５０および１５４のそれぞれが、単一の電圧供給回路の一部であってもよい。
【０１７９】
図２０Ｂにおいて不図示の制御回路１６０は、例えば、画像を取得しようとするフレームの開始前に、検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルに基づき、光電変換部１０に対する照度が所定の照度以上であるか否かの判定を実行する。光電変換部１０に対する照度が例えば所定の照度未満である場合、制御回路１６０は、例えば、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２のうち相対的に低い第１電圧Ｖ１をリセット電圧ＶＲＳＴとしてリセット電圧線３６に印加されるように電圧供給回路１５０を駆動する。各画素Ｐｘは、第１電圧Ｖ１に基づき、光電変換部１０のリセット、換言すれば、画素電極１２および電荷蓄積部としての不純物領域１１１の電位のリセットを実行する。
【０１８０】
ここでは、電圧供給回路１５０は、第１電圧Ｖ１として例えば１Ｖの電圧をリセット電圧線３６に供給する。したがって、リセットの実行後の各画素Ｐｘの画素電極１２の電位は、１Ｖである。このとき、電圧供給回路１５４は、電圧線１５２を介して各画素Ｐｘの対向電極１１に例えば６Ｖの電圧を印加する。すなわち、このときの対向電極１１と画素電極１２との間の電位差ΔＶは、５Ｖである。
【０１８１】
他方、光電変換部１０に対する照度が所定の照度以上である場合、つまり、高照度の環境では、電圧供給回路１５０から、相対的に高い第２電圧Ｖ２がリセット電圧線３６に供給される。例えば、第２電圧Ｖ２として例えば４Ｖの電圧を用いた場合、リセット電圧線３６に第１電圧Ｖ１が印加されていた状態と比較して、対向電極１１と画素電極１２との間の電位差ΔＶが２Ｖに縮小する。すなわち、より低い感度のもとでの撮影が可能になる。
【０１８２】
この例においても、第１電圧Ｖ１として第１電圧範囲の電圧を用い、第２電圧Ｖ２として第２電圧範囲の電圧を用いることは、必須ではない。上述の第２の例と同様に、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２として、ともに第２電圧範囲の電圧を用いてもかまわない。
【０１８３】
なお、ここでは、光電変換部１０に対する照度が所定の照度未満である場合に第１電圧Ｖ１がリセット電圧線３６に印加され、照度が所定の照度以上である場合に相対的に高い第２電圧Ｖ２がリセット電圧線３６に印加される例を説明したが、照度に対する印加電圧の関係は、この例に限定されない。光電変換部１０に対する照度が所定の照度未満である場合に第２電圧Ｖ２がリセット電圧線３６に印加され、照度が所定の照度以上である場合に相対的に低い第１電圧Ｖ１がリセット電圧線３６に印加されるように電圧供給回路１５０を駆動してもよい。このとき、第２電圧Ｖ２よりも高い電圧が対向電極１１に供給されてもよい。
【０１８４】
（第２の実施形態）
図２１Ａは、本開示の第２の実施形態によるカメラシステムの例示的な構成を概略的に示す。図２１Ａに示すカメラシステム２００Ｄは、概略的には、撮像装置１００Ｄと、電圧供給回路１５０Ｄとを含む。
【０１８５】
図１に示す撮像装置１００Ａと比較して、図２１Ａに示す撮像装置１００Ｄは、各々が光電変換部１０および出力回路２０を有する複数の画素Ｐｘと、各画素Ｐｘの出力回路２０に電気的に接続された検出回路１３０Ａとを含む点で共通する。図２１Ａに例示する構成において、出力回路２０および検出回路１３０Ａは、ともに半導体基板１１０に形成されている。光電変換部１０、出力回路２０および検出回路１３０Ａは、これらが一体とされたパッケージの形で提供され得る。
【０１８６】
図２１Ａに例示する構成において、電圧供給回路１５０Ｄは、例えば光電変換部１０、出力回路２０および検出回路１３０Ａを含むパッケージとは別個の要素として、例えばチップまたはパッケージの形でカメラシステム２００Ｄ内に配置される。例えば、電圧供給回路１５０Ｄは、画素Ｐｘが配置される半導体基板１１０とは異なる基板上に形成され得る。ただし、電圧供給回路１５０Ｄが各画素Ｐｘの対向電極１１および画素電極１２の一方に電気的に接続されている点は、第１の実施形態と同様である。
【０１８７】
カメラシステム２００Ｄにおける動作は、第１の実施形態と同様であり得る。例えば、検出回路１３０Ａは、各画素Ｐｘの出力回路２０から出力される信号のレベルを検出する。電圧供給回路１５０Ｄは、制御回路１６０からの駆動信号に基づき、検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルが所定の電圧レベル以上である場合には、電圧線１５２に第１電圧Ｖ１を印加する。検出回路１３０Ａによって検出された出力信号のレベルが所定の電圧レベルよりも低い場合には、電圧線１５２に、第１電圧Ｖ１よりも高い第２電圧Ｖ２を印加する。
【０１８８】
このように、複数の画素Ｐｘが形成された半導体基板１１０、行走査回路１２０、検出回路１３０Ａ、電圧供給回路１５０Ｄおよび制御回路１６０の全てが、例えばチップまたはパッケージの形で一体とされることは、必須ではない。これらの要素の一部が他のパッケージまたは基板に配置されていてもよく、そのようなカメラシステムの構成によっても、第１の実施形態による撮像装置と同様の機能を発揮させることができる。
【０１８９】
図２１Ｂは、本開示の第２の実施形態によるカメラシステムの他の例示的な構成を概略的に示す。図２１Ａに示すカメラシステム２００Ｄと、図２１Ｂに示すカメラシステム２００Ｅとの間の主な相違点は、カメラシステム２００Ｅが、撮像装置１００Ｄに代えて撮像装置１００Ｅを有する点である。撮像装置１００Ｄと比較して、撮像装置１００Ｅは、検出回路１３０Ａに代えて検出回路１３０Ｂを有し、この例では、検出回路１３０Ｂの出力が画像処理回路１６４に入力されている。
【０１９０】
図２１Ｂに例示する構成において、画像処理回路１６４は、検出回路１３０Ｂの出力信号を受けて、検出回路１３０Ｂからの出力信号に基づき、所定の閾値との比較を実行する。すなわち、画像処理回路１６４は、検出回路１３０Ｂからの入力と、例えばメモリ１６２に格納された閾値との比較を行うことにより、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上であるか否かの判定を実行する。判定結果に示すデータは、例えば電圧供給回路１５０Ｄに渡される。
【０１９１】
各画素Ｐｘの出力回路２０から出力された信号のレベルが所定のレベル以上である、換言すれば、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上である、と判定された場合、電圧供給回路１５０Ｄは、相対的に低い第１電圧Ｖ１を電圧線１５２に供給する。光電変換部１０に入射する光量が所定の光量未満であると判定された場合には、電圧供給回路１５０Ｄは、第２電圧Ｖ２を電圧線１５２に供給する。
【０１９２】
図２１Ｂに例示するような構成によれば、電圧供給回路１５０Ｄおよび画像処理回路１６４が、撮像装置１００Ｅとは別個の要素、例えば、別チップまたは別パッケージの形でカメラシステム２００Ｅ内に配置されるので、使用する電圧レベルおよび／または電圧の入力タイミングの設計の自由度が向上し、より柔軟な制御が可能になる。したがって、より高い電圧の使用またはチップサイズの増大を回避し得るという利点が得られる。
【０１９３】
図２２は、本開示の第２の実施形態によるカメラシステムのさらに他の例示的な構成を概略的に示す。図２２に示すカメラシステム２００Ｆは、概略的には、撮像装置１００Ｆと、光量検出装置１３０Ｆとを含む。
【０１９４】
撮像装置１００Ｆは、各々が光電変換部１０および出力回路２０を有する複数の画素Ｐｘと、各画素Ｐｘの光電変換部１０に電気的に接続された電圧供給回路１５０と、を含む点で図１に示す撮像装置１００Ａと共通する。撮像装置１００Ｆは、出力回路２０に電気的に接続された検出回路１３０Ｂをさらに含む。検出回路１３０Ｂは、各画素Ｐｘの出力回路２０から出力される信号のレベルを検出する点で上述の検出回路１３０Ａと共通するものの、ここでは、検出回路１３０Ｂは、検出された信号のレベルと、所定の閾値との比較を実行する機能を有しておらず、主に、雑音抑圧信号処理、アナログ−デジタル変換などの機能を担う。なお、この例では、電圧供給回路１５０は、図１に例示する構成と同様に、対向電極１１との接続を有する電圧線１５２に接続され、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２を選択的に対向電極１１に供給可能に構成されている。
【０１９５】
光量検出装置１３０Ｆは、例えば単一のチップまたはパッケージの形で提供される撮像装置１００Ｆとは別個の要素としてカメラシステム２００Ｆ内に配置される。光量検出装置１３０Ｆは、例えばフォトダイオードＰＤをその一部に含み、複数の画素Ｐｘから形成される撮像領域に入射する光量を検出する。光量検出装置１３０Ｆは、例えば、フォトダイオードなどの光電変換要素と、照度センサＩＣとを含む公知の照度センサモジュールであり得る。
【０１９６】
図２２に例示する構成において、制御回路１６０は、例えば、光量検出装置１３０Ｆからの出力に基づき、撮像領域に配置された光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上であるか否かを判定する。制御回路１６０は、さらに、第１の実施形態と同様に、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上であるか否かの判定結果に応じて、電圧供給回路１５０から電圧線１５２に第１電圧Ｖ１を供給させるか、あるいは、第２電圧Ｖ２を供給させるかを決定する。電圧供給回路１５０は、制御回路１６０からの駆動信号に基づき、例えば、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上である場合には、電圧線１５２に第１電圧Ｖ１を印加する。光電変換部１０に入射する光量が所定の光量よりも小さい場合には、電圧線１５２に、第１電圧Ｖ１よりも高い第２電圧Ｖ２を印加する。
【０１９７】
図２３は、光量検出装置の変形例を示す。図２２を参照して説明した例と比較して、図２３に示すカメラシステム２００Ｇは、フォトダイオードＰＤに代えて光量検出回路１３８を含む光量検出装置１３０Ｇを有する。
【０１９８】
図２３に例示する構成において、光量検出回路１３８は、参照線１３２の電圧レベルに対する、出力信号線Ｓｊの電圧レベルの比較結果を出力する比較器１３４を含む。すなわち、この例では、光量検出回路１３８は、出力回路２０からの出力信号のレベルを検出し、参照線１３２の電圧レベルとの比較を行う。比較結果は、制御回路１６０に返され、制御回路１６０は、光量検出回路１３８による検出結果に基づき、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上であるか否かを判定する。
【０１９９】
このように、照度センサモジュールなどによる光量の直接的な測定に代えて、画素Ｐｘから出力される信号のレベルの検出を通して、光電変換部１０に入射する光量に関する情報を得てもよい。例えば、撮像領域に配置された複数の画素Ｐｘの一部または全部を照度センサとして機能させてもよい。光量検出装置１３０Ｇによる、画素Ｐｘからの出力信号の取得は、有線の方式でなされてもよいし、無線の方式でなされてもよい。
【０２００】
図２４は、本開示の第２の実施形態によるカメラシステムのさらに他の例示的な構成を概略的に示す。図２４に示すカメラシステム２００Ｈは、概略的には、各々が光電変換部１０および出力回路２０を有する複数の画素Ｐｘを含む撮像装置１００Ｈと、電圧供給回路１５０Ｄと、光量検出装置１３０Ｆとを含む。
【０２０１】
この例では、電圧供給回路１５０Ｄおよび光量検出装置１３０Ｆが、撮像装置１００Ｈとは別個の要素として撮像装置１００Ｈの外側に設けられている。制御回路１６０は、図２２を参照して説明した例と同様に、光量検出装置１３０Ｆによって検出された光量に基づき、光電変換部１０に入射する光量が所定の光量以上であるか否かを判定する。制御回路１６０は、判定結果に応じて、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２のいずれかを電圧供給回路１５０Ｄから電圧線１５２に印加させる。
【０２０２】
光量検出装置１３０Ｆに代えて、図２３に示す光量検出装置１３０Ｇを適用してもよい。すなわち、各画素Ｐｘの出力回路２０から出力される信号のレベルを得て、出力回路２０からの信号のレベルと、所定の閾値との比較結果に基づき、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２のいずれが電圧供給回路１５０Ｄから出力されるかを決定してもよい。
【０２０３】
（電圧切り替えのタイミングと後段における処理）
次に、電圧線１５２に印加する電圧の切り替えのタイミングに応じた補正処理を説明する。以下に説明するように、検出回路１３０Ａ、１３０Ｂによって検出される信号レベルに対して、電圧線１５２に印加する電圧の切り替えのタイミングに応じた補正を適用してもよい。以下では、上述の撮像装置１００Ａを例にとって補正処理の具体例を説明するが、撮像装置１００Ｂ、１００Ｃ、カメラシステム２００Ｄ〜２００Ｈに対しても同様の補正処理を適用可能であることは言うまでもない。
【０２０４】
図２５は、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングと、電圧の切り替えに伴う、検出回路１３０Ａによって取得される信号のレベルの変化との間の関係を説明するための図である。図２５中、最上段のタイミングチャートは、垂直同期信号ＶＤのパルスの立ち上がりを示し、その下のタイミングチャートは、水平同期信号ＨＤのパルスの立ち上がりを示す。さらにその１つ下のタイミングチャートは、電圧線１５２から対向電極１１に印加される電圧ＶＩＴＯの変化を示している。
【０２０５】
図２５中、２段目に示すタイミングチャートにおいて、あるパルスの立ち上がりから次のパルスの立ち上がりまでの期間が、１つの水平走査期間である１Ｈに対応する。この１Ｈ期間に、複数の画素Ｐｘのうち、ある１つの行に属する画素Ｐｘからの信号の読み出しが実行される。図２５では、水平方向に延びる矩形により、複数の画素Ｐｘの各行における動作を模式的に表現している。図２５中、白色の矩形は、信号電荷の蓄積の期間、すなわち、露光期間を表している。網掛けの矩形は、検出回路１３０Ａによる、出力信号線Ｓｊの電圧レベルの読み出しの期間を表している。簡単のため、ここでは、複数の画素Ｐｘの行数が５行であるとし、第０行から第４行までの動作を模式的に図示している。図２５中、Ｒ０からＲ４が、第０行から第４行にそれぞれ対応する。
【０２０６】
図２５中、最下段の両矢印は、フレーム期間を模式的に示している。各フレームの開始のタイミングは、垂直同期信号ＶＤのパルスの立ち上がりのタイミングである。図２５に示す例において、電圧供給回路１５０は、ｊ番目のフレーム期間の途中の時刻ｔｃで、対向電極１１に対して供給する電圧を第２電圧Ｖ２から相対的に低い第１電圧Ｖ１に切り替えている。より詳細には、ｊ番目のフレーム期間のうち、各行の露光期間において、電圧線１５２に印加する電圧を第１電圧Ｖ１に切り替えている。
【０２０７】
図２５中、ハッチングの付された矩形は、ｊ番目のフレーム期間に含まれる露光期間のうち、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加されている期間を模式的に示している。図２５からわかるように、ローリングシャッタの適用時、各行の露光期間中に第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えを実行すると、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加された状態で信号電荷の蓄積が実行される期間と、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加された状態で信号電荷の蓄積が実行される期間とが１フレーム期間内に混在し得ることになる。さらに、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加された状態で信号電荷の蓄積が実行される期間の長さと、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加された状態で信号電荷の蓄積が実行される期間の長さとの比は、複数の画素Ｐｘの行ごとに異なり得る。
【０２０８】
そのため、図２５に示すような動作のもとでは、電圧の切り替えが実行されるフレーム期間以外のフレーム期間には電圧の切り替えの影響が生じないという利点が得られる。しかしその反面、電圧の切り替えが実行されるフレーム期間に取得された画素信号に基づく画像に垂直シェーディングが生じ得る。すなわち、行ごとに明度のバラつきが生じ得る。しかしながら、電圧の切り替えに起因するこのような垂直シェーディングは、以下に説明するような処理によって補正可能である。
【０２０９】
画素Ｐｘから出力される信号のレベルは、おおむね、画素Ｐｘにおける感度と、その画素Ｐｘに対する露光期間の長さとの積に比例する。ここで、本開示の典型的な実施形態における光電変換部１０は、図４を参照して説明したように、対向電極１１と画素電極１２との間の電位差ΔＶの変化によって光電変換効率ηが変化するような光電変換特性を有し得る。換言すれば、画素Ｐｘにおける感度は、電圧供給回路１５０から電圧線１５２に供給される電圧に応じて変化する。電位差ΔＶの変化によって各画素Ｐｘの光電変換効率ηがどのように変化するかに関する情報は、実測などによって予め得ておくことができる。したがって、まず、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加された状態で信号電荷の蓄積が実行される期間の長さＴ１と、その期間における画素Ｐｘの感度Ｓ１との積を算出する。次に、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加された状態で信号電荷の蓄積が実行される期間の長さＴ２と、その期間における画素Ｐｘの感度Ｓ２との積を算出する。そして、これらの和である（Ｔ１＊Ｓ１＋Ｔ２＊Ｓ２）が各行で均等となるような補正係数を、例えば信号レベルを表現するデジタル値に乗じる。以上により、画像への電圧の切り替えの影響をキャンセルすることが可能である。すなわち、図２５中にハッチングの付された矩形で示す期間が長くなるに従って、より大きなゲインをかければよい。
【０２１０】
このような補正の処理は、例えば、上述の画像処理回路１６４または制御回路１６０によって実行され得る。補正係数は、（Ｔ１＊Ｓ１＋Ｔ２＊Ｓ２）の大きさに応じて決定され、予めメモリ１６２などに格納されていてもよい。
【０２１１】
図２６は、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングの他の例を示す。図２６中、太い斜線のハッチングが付された矩形は、リセットトランジスタ２６をオンとしてノードＦＤから電荷を排出する、いわゆる電子シャッタのための期間を表現している。図２６は、ｊ番目のフレーム期間の信号電荷蓄積の開始前に行単位で電子シャッタを行った場合の例である。この例では、図２６中に両矢印ｅｘで模式的に示すように、電子シャッタの終了から信号の読み出しの開始までの期間が、ｊ番目のフレーム期間の露光期間に相当する。
【０２１２】
図２６に示すように、電子シャッタの走査期間中に第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えを実行した場合も、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加された状態で信号電荷の蓄積が実行される期間の長さＴ１と、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加された状態で信号電荷の蓄積が実行される期間の長さＴ２との間の比が複数の画素Ｐｘの行の間で異なり得る。
【０２１３】
しかしながら、このような動作を適用した場合も、電位差ΔＶに対する光電変換効率ηの値は、既知であり、かつ、制御回路１６０は、電子シャッタのタイミング、第２電圧Ｖ２から第１電圧Ｖ１に切り替えたタイミングおよび信号の読み出しのタイミングに関する情報を得ることができる。したがって、図２５を参照して説明した例と同様に、（Ｔ１＊Ｓ１＋Ｔ２＊Ｓ２）が各行で均等となるような補正を適用することができ、画像中への垂直シェーディングの発生を回避し得る。
【０２１４】
図２７は、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングのさらに他の例を示す。図２７は、図２７中に両矢印ｒｄで模式的に示す、ｊ番目のフレーム期間における信号の読み出しのための行走査の期間の途中に第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えを実行する動作例である。
【０２１５】
図２７中、Ｒ４におけるハッチングの付された矩形は、ｊ番目のフレーム期間に含まれる露光期間のうち、対向電極１１に第１電圧Ｖ１が印加されている期間を模式的に示している。また、図２７中、Ｒ０、Ｒ１におけるハッチングの付された矩形は、（ｊ＋１）番目のフレーム期間に含まれる露光期間のうち、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加されている期間を模式的に示している。図２７を参照すればわかるように、あるフレーム期間における信号の読み出し期間に第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えを実行した場合、電圧の切り替えによる感度変調は、次のフレーム期間の信号電荷の蓄積にも影響を与える。この場合も、（Ｔ１＊Ｓ１＋Ｔ２＊Ｓ２）が各行で均等となるような補正をｊ番目のフレーム期間と、（ｊ＋１）番目のフレーム期間とに適用することにより、画像中への垂直シェーディングの発生を回避し得る。
【０２１６】
図２８は、電位差ΔＶの制御によるグローバルシャッタを適用したときの、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングと、電圧の切り替えに伴う、検出回路１３０Ａによって取得される信号のレベルの変化との間の関係を説明するための図である。図２８に示す例では、（ｊ−１）番目のフレーム期間に関する信号の読み出しの終了後から、ｊ番目のフレーム期間に関する信号の読み出しの開始までの期間に、選択的に第２電圧Ｖ２が対向電極１１に印加されている。また、ｊ番目のフレーム期間に関する信号の読み出しの終了後から、（ｊ＋１）番目のフレーム期間に関する信号の読み出しの開始までの期間に、選択的に第１電圧Ｖ１が対向電極１１に印加されている。さらに、（ｊ＋１）番目のフレーム期間に関する信号の読み出しの終了後から、（ｊ＋２）番目のフレーム期間に関する信号の読み出しの開始までの期間に、選択的に第１電圧Ｖ１が対向電極１１に印加されている。その他の期間においては、電位差ΔＶが実質的に０Ｖとなるように、対向電極１１の電位が０Ｖ近傍の正の電位とされる。
【０２１７】
図２８は、上述の特許第６２０２５１２号公報に記載されているような、電気的なグローバルシャッタを適用したときの動作例である。図２８中、白色の矩形で表された期間が、信号電荷の実質的な蓄積の期間、すなわち、露光期間に相当する。この例では、（ｊ＋１）番目のフレーム期間中に、第２電圧Ｖ２から第１電圧Ｖ１への切り替えが実行されているといえるが、対向電極１１の電位が０Ｖ近傍の電位とされている期間には実質的に信号電荷の蓄積が生じないので、対向電極１１に印加する電圧の切り替えに起因する垂直シェーディングの発生はない。したがって、上述の補正処理は、不要である。このように、撮像装置の動作モードによっては、補正処理が不要となる。そのため、上述の補正処理があらゆる場合に適用される必要はなく、必要に応じて実行されればよい。第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えに応じた補正処理を実行するか否かを、撮像装置の動作モードまたはユーザの指令などに基づき切り替えられるようにしておいてもよい。
【０２１８】
また、十分に高いフレームレートのもとで撮影を実行する場合にも、（Ｔ１＊Ｓ１＋Ｔ２＊Ｓ２）が各行で均等となるような補正を省略し得る。図２９は、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えのタイミングと、撮像装置１００Ａからの出力との間の関係の一例を説明するための図である。図２９中、電圧ＶＩＴＯの変化を示すチャートの下側に描かれた矩形は、検出回路１３０Ａによって検出された信号レベルに基づく画像データの有効および無効を模式的に示す。
【０２１９】
図２５を参照して説明した例と同様に、図２９に示す例では、ｊ番目のフレーム期間の各行の露光期間中に第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えを実行している。そのため、補正処理を行わない場合には、ｊ番目のフレーム期間に取得された画素信号に基づく画像に、電圧の切り替えに起因する垂直シェーディングが生じ得る。
【０２２０】
しかしながら、フレームレートが十分に高い場合には、図２９に模式的に示すように、電圧の切り替えに起因する垂直シェーディングの発生する可能性のあるフレーム期間、つまりこの例ではｊ番目のフレーム期間に取得された画素信号を無効なデータとして破棄したとしても、その影響は小さいといえる。このように、フレームレートが十分に高い場合には、垂直シェーディングの発生する可能性のあるフレーム期間に取得された画素信号を無効なデータとして破棄し、他のフレーム期間に取得された画素信号を有効なデータとして選択的に取得してもよい。本明細書では、垂直シェーディングの発生する可能性のあるフレーム期間に取得された画素信号を無効なデータとして破棄する処理をマスク処理と呼ぶ。このようなマスク処理は、（Ｔ１＊Ｓ１＋Ｔ２＊Ｓ２）が各行で均等となるような補正を実行する回路を実装するための領域の確保が難しい場合にも有効である。
【０２２１】
図３０は、信号の読み出しのための行走査の期間の途中に第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えを実行した場合におけるマスク処理の適用例を示す。図２７を参照して説明したように、あるフレーム期間における信号の読み出し期間に第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えを実行した場合、電圧の切り替えによる感度変調は、次のフレーム期間の信号電荷の蓄積にも影響を与える。したがって、ｊ番目の信号の読み出しのための行走査の期間の途中に第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の切り替えを実行した場合には、図３０に模式的に示すように、ｊ番目のフレーム期間に取得された画素信号および（ｊ＋１）番目のフレーム期間に取得された画素信号を無効なデータとしてマスク処理の対象としてもよい。
【０２２２】
上述のマスク処理は、必要に応じて実行されればよく、マスク処理を実行するか否かを切り替え可能であると有益である。マスク処理は、例えば制御回路１６０に配置されたロジック回路、または、画像処理回路１６４などによって実行され得る。検出回路１３０Ａ中のアナログ−デジタル変換回路などによってデータの選別が実行されてもよい。
【０２２３】
（自動露光設定における、検出された露光量の電位差ΔＶへの反映）
上述の電圧供給回路１５０、１５０Ｄ、１５４が対向電極１１または画素電極１２に供給可能な電圧が、第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２の二値に制限される必要はない。電圧供給回路１５０、１５０Ｄ、１５４は、三値以上の電圧のいずれかを例えば撮影時の環境に応じて選択的に電圧線１５２に印加可能に構成されていてもよい。例えば、以下に説明するように、電圧供給回路１５０、１５０Ｄまたは１５４が、露光量、換言すれば、光電変換部１０に対する照度に応じて、三値以上の電圧を切り替えて電圧線１５２に印加するように構成されてもよい。
【０２２４】
図３１は、本開示の実施形態による撮像装置およびカメラシステムに適用可能な、自動露光設定における処理シーケンスの一例を説明するための図である。図３１に示すグラフは、フレーム期間ごとの露光量の変化の例を示している。
【０２２５】
図３１の縦軸に示す露光量は、例えば、以下のようにして算出可能である。図３２に模式的に示すように、複数の画素Ｐｘの光電変換部１０を含む領域を撮像領域Ｒｍとし、撮像領域Ｒｍのうち１以上の画素Ｐｘの光電変換部１０を含む任意の領域を検出領域Ｒｄとする。このとき、図３１の縦軸に示す露光量は、検出領域Ｒｄに位置する画素Ｐｘの出力回路２０からの信号のレベルをフレーム期間ごとに検出することによって算出可能である。例えば、検出領域Ｒｄに位置する画素Ｐｘの出力回路２０からの信号のレベルの平均値を露光量に対応させることができる。検出回路１３０Ａまたは１３０Ｂによって信号レベルを検出することに代えて、光量検出装置１３０Ｆまたは１３０Ｇなどによってフレーム期間ごとの露光量を見積もってもよい。
【０２２６】
図３３は、検出された露光量に応じて、電圧供給回路から出力される電圧を変更させる処理の一例を示す。図３３は、フレーム期間ごとの露光量の変化のグラフと、電圧線１５２から対向電極１１に印加される電圧ＶＩＴＯの変化を示すグラフとをあわせて１つの図に示している。図３３の上段に示すグラフは、図３１に示すグラフと同じである。図３３に示す例では、あるフレーム期間において所定の閾値Ｅｘ１を超える露光量が検出された場合に、電圧供給回路１５０から出力される電圧を、より低い電圧に切り替えている。
【０２２７】
図３３に示す例において、例えば３番目のフレーム期間に注目すると、取得された露光量がある値Ｅｘ１を上回っている。そのため、電圧供給回路１５０は、電圧線１５２に供給する電圧を、第２電圧Ｖ２からより低い第３電圧Ｖ３に切り替えている。したがって、次の４番目のフレーム期間では、相対的に低い第３電圧Ｖ３が対向電極１１に印加された状態で信号電荷の蓄積が実行される。光電変換部１０が例えば図４に示すような光電変換特性を有する場合には、光電変換部１０に印加される電圧の低下に伴い、画素Ｐｘの感度が低下する。したがって、露出オーバーを回避し得る。
【０２２８】
なお、この例では、４番目のフレーム期間に取得された露光量がまだ閾値Ｅｘ１を上回っている。したがって、電圧供給回路１５０は、電圧線１５２に供給する電圧をさらに低下させ、光電変換部１０に第４電圧Ｖ４を印加する。５番目のフレーム期間に取得された露光量がまだ閾値Ｅｘ１を上回る場合には、図３３に示すように、電圧供給回路１５０は、さらに低い第５電圧Ｖ５を電圧線１５２に印加する。この例では６番目のフレーム期間に取得された露光量が閾値Ｅｘ１以下であるので、７番目のフレーム期間では、対向電極１１に印加される電圧は、第５電圧Ｖ５のままである。上述の第１電圧Ｖ１は、第２電圧Ｖ２よりも低い第３電圧Ｖ３〜第５電圧Ｖ５のいずれかであり得る。
【０２２９】
このように、１つ前のフレーム期間に取得された露光量の多寡が次のフレーム期間における光電変換効率に反映されるように、電圧供給回路１５０から出力される電圧を多段階または連続的に切り替えてもよい。さらに、あるフレーム期間において所定の閾値Ｅｘ２未満の露光量が検出された場合に、電圧供給回路１５０から出力される電圧を、より高い電圧に切り替えているような処理を実行してもよい。
【０２３０】
図３４は、電圧供給回路から出力される電圧を検出された露光量に応じて変更させる処理の他の一例を示す。図３３と同様に、図３４においても、フレーム期間ごとの露光量の変化のグラフと、電圧線１５２から対向電極１１に印加される電圧ＶＩＴＯの変化を示すグラフとがあわせて１つの図に示されている。
【０２３１】
図３４に示す例では、あるフレーム期間において所定の閾値Ｅｘ２を下回る露光量が検出された場合に、電圧供給回路１５０から出力される電圧を、より高い電圧に切り替えている。図３４に示す例において、例えば３番目のフレーム期間に取得された露光量は、ある値Ｅｘ２未満である。そのため、電圧供給回路１５０は、電圧線１５２に供給する電圧を、第５電圧Ｖ５から第４電圧Ｖ４に上昇させている。４番目のフレーム期間に取得された露光量も閾値Ｅｘ２を下回っているので、電圧供給回路１５０は、電圧線１５２に供給する電圧を、より高い第３電圧Ｖ３に変更する。５番目のフレーム期間に取得された露光量も閾値Ｅｘ２を下回る場合には、電圧供給回路１５０は、さらに高い第２電圧Ｖ２を電圧線１５２に印加する。この例では６番目のフレーム期間に取得された露光量が閾値Ｅｘ２と閾値Ｅｘ１との間にあるので、７番目のフレーム期間では、対向電極１１に第２電圧Ｖ２が印加される。
【０２３２】
電圧供給回路１５０から出力される電圧の上昇の判定基準となる第２の閾値Ｅｘ２を設定することにより、露光量の不足に起因する画質の劣化を回避し得る。第２の閾値は、第１の閾値と同じであってもよく、第１の閾値以下であってもよい。なお、図３１〜図３４に示す例では、直前のフレーム期間に取得された露光量と閾値との比較結果に応じて次のフレーム期間に対向電極１１または画素電極１２に印加する電圧を決定しているが、２以上の比較結果に基づいて、対向電極１１または画素電極１２に印加する電圧を決定してもよい。
【０２３３】
図３５は、電圧供給回路から出力される電圧を検出された露光量に応じて変更させる処理のさらに他の一例を示す。図３５は、１つ前のフレーム期間に取得された露光量が閾値Ｅｘ１を超えることが２回連続した場合に、電圧供給回路１５０から出力される電圧を、より低い電圧に切り替えている。
【０２３４】
例えば３番目のフレーム期間に注目すると、取得された露光量が閾値Ｅｘ１を上回っている。この時点では、電圧供給回路１５０から出力される電圧の切り替えを実行しない。この例では、４番目のフレーム期間に取得された露光量は、閾値Ｅｘ１を上回っていない。そのため、電圧供給回路１５０から出力される電圧は、第２電圧Ｖ２のままとされる。
【０２３５】
次に露光量が閾値Ｅｘ１を超えるのは、７番目のフレーム期間である。この時点においても、電圧供給回路１５０から出力される電圧の切り替えを実行しない。この例では、続く８番目〜１０番目のフレーム期間に取得された露光量は、いずれも閾値Ｅｘ１を超えている。したがって、８番目のフレーム期間における露光量の取得後、９番目のフレーム期間における露光量の取得後および１０番目のフレーム期間における露光量の取得後に、電圧供給回路１５０から出力される電圧が順次に低下される。
【０２３６】
このように、１つ前のフレーム期間に取得された露光量が閾値を超えるか、または、閾値を下回ることが複数回連続した場合に、電圧供給回路１５０から出力される電圧を、より低い電圧、または、より高い電圧に切り替えてもよい。このような処理によれば、例えば、カメラのストロボを焚いたとき、周期的に明滅を繰り返す光源のもとで撮影を行ったときなどに、露出オーバーの画像または露出が低すぎる画像が取得されてしまう可能性を低減し得る。
【０２３７】
（光電変換部１０に印加する電圧に応じたリニアリティの補正）
図３６は、露光量の増加に対する検出回路１３０Ａの出力の変化の例を模式的に示す。図３６中、実線Ｌ１は、第２電圧範囲にある電圧を対向電極１１に印加している場合に得られる、一定照度のもとでの露光期間の増大、すなわち、露光量の増加に対する検出回路１３０Ａの出力の例示的な変化を示す。破線Ｌ２は、第２電圧範囲内、かつ、より低い電圧を対向電極１１に印加している場合に得られる出力の変化を示している。図３６中、破線Ｌ３は、第１電圧範囲にある電圧を対向電極１１に印加している場合に得られる、露光量の増加に対する検出回路１３０Ａの出力の例示的な変化を示す。
【０２３８】
図１１を参照して説明したように、対向電極１１と画素電極１２との間に印加される電位差ΔＶの変化に対する光電変換層１３における光電変換効率ηの変化は、直線状にならないことがある。そのため、対向電極１１または画素電極１２に印加する電圧の大きさによっては、露光期間の増加に対して検出回路１３０Ａの出力が比例的に増加しないことがあり得る。特に、電位差ΔＶが小さいと、このような傾向が現れやすい。図３６に示す例では、対向電極１１または画素電極１２に印加する電圧が比較的に大きい場合に対応する、実線Ｌ１によって示されるグラフは、直線状である。対向電極１１または画素電極１２に印加する電圧が相対的に小さい場合に対応する、破線Ｌ２、Ｌ３によって示されるグラフは、露光量が増加するにつれて直線からの外れが拡大している。
【０２３９】
そこで、例えば、検出回路１３０Ａからの出力を補正することにより、露光期間の増加に対する検出回路１３０Ａの出力の直線からのずれを補正してもよい。図３７は、リニアリティ補償処理の概要を模式的に示す。例えば、電圧供給回路１５０から出力可能な電圧値ごとに、検出回路１３０Ａからの出力を適当なデジタル値に変換するためのテーブルを用意してもよい。
【０２４０】
この例では、電圧供給回路１５０から出力可能な電圧に対応した３つの補正テーブル１〜３がメモリ１６２に保持されている。例えば、制御回路１６０は、検出回路１３０Ａからの例えばアナログ−デジタル変換後の出力を受け取り、電圧供給回路１５０から光電変換部１０に対して印加されている電圧の具体的な値に応じて補正テーブルを適用する。図３７中のセレクタ１６５は、電圧供給回路１５０から光電変換部１０に供給されている電圧の値に応じて、補正テーブル１〜３のいずれを適用するか、あるいは、補正テーブルを適用しないかを選択する回路である。補正後の出力は、画像処理回路１６４に渡され、例えばガンマ処理などが施される。
【０２４１】
図３８は、補正テーブルの一例を示す。図３８に示す補正テーブルでは、検出回路１３０Ａからの出力であるデジタル値ごとの、リニアリティ補償後のデジタル値が記述されている。例えば検出回路１３０Ａからセンサ出力としてＮが入力されると、制御回路１６０は、Ｘを画像処理回路１６４に出力する。なお、図３６のグラフＬ１のように、電圧供給回路１５０から光電変換部１０に印加する電圧として、リニアリティの補償が不要な電圧が選択されている場合には、検出回路１３０Ａからセンサ出力は、そのまま画像処理回路１６４に渡される。
【０２４２】
このようなリニアリティ補償処理の適用により、図３６に示すように、グラフＬ２で示される特性を、図３６中に実線の直線Ａ２で示すように補正し、グラフＬ３で示される特性を、実線の直線Ａ３で示すように補正し得る。リニアリティ補償処理は、画像処理回路１６４によって実行されてもよい。ガンマ補正前の出力に対するテーブルを用意することに代えて、直線からのずれを考慮したγの値を用いてガンマ補正を実行してもよい。あるいは、テーブルによるデジタル値の変換に代えて、検出回路１３０Ａからセンサ出力に適当な係数を乗じることにより、リニアリティを補償してもよい。
【０２４３】
なお、上述したようなリニアリティのずれは、撮像装置ごと、または、カメラシステムごとに異なり得る。図３９は、撮像装置ごと、または、カメラシステムごとのリニアリティのずれの相違を説明するための図である。図３９中、破線Ｍ１は、ある撮像装置に関する、露光量の増加に対する検出回路１３０Ａの出力の例示的な変化を示し、破線Ｍ２は、他のある撮像装置に関する、露光量の増加に対する検出回路１３０Ａの出力の例示的な変化を示す。これらの撮像装置の間で、露光量の増加に対する検出回路１３０Ａの出力が、例えば図３９に直線Ｍ１２で示すように一致していると有益である。
【０２４４】
図４０は、撮像装置ごと、または、カメラシステムごとの相違をキャンセルするリニアリティ補償処理の概要を模式的に示す。例えばサンプル１の撮像装置と、サンプル２の撮像装置とがある場合、テスタなどを用いて、サンプル１、２のそれぞれについて図４に示すような光電変換特性に関するデータを予め取得しておく。さらに、取得したデータに基づいてサンプルごとの補正値を算出し、例えばテーブルの形で補正値をメモリ１６２に格納する。図４０は、例えばサンプル１におけるリニアリティ補償処理の概要を示しており、サンプル１の撮像装置のメモリ１６２には、電圧供給回路１５０から出力可能な電圧値ごとに、検出回路１３０Ａからの出力を適当なデジタル値に変換するための補正テーブル１１〜１３が書き込まれる。なお、メモリ１６２は、典型的には不揮発性メモリである。
【０２４５】
図４１は、サンプル１の撮像装置のメモリ１６２に格納される補正テーブルの一例を示し、図４２は、サンプル２の撮像装置のメモリ１６２に格納される補正テーブルの一例を示す。このような補正テーブルを適用した場合、例えば検出回路１３０Ａからのセンサ出力Ｎに対して、サンプル１の撮像装置の制御回路１６０からはデジタル値Ｘが出力されることに対し、サンプル２の撮像装置の制御回路１６０からはデジタル値Ｙが出力される。このような、撮像装置ごと、または、カメラシステムごとに適応されたリニアリティ補償処理の適用により、図３９の例に示すように、撮像装置ごと、または、カメラシステムごとの個体差による光電変換特性の差異の影響をキャンセルし得る。
【０２４６】
上述したように、光電変換特性に関するデータに基づいて算出される補正値は、電圧供給回路１５０から出力可能な電圧値ごとに用意され得る。ただし、予め想定されていた露光時間を超えて露光が実行されたり、電圧供給回路１５０から出力される電圧に、予め想定されていなかった電圧が含まれたりすることもあり得る。
【０２４７】
図４３は、メモリ１６２に格納される補正テーブルの他の一例を示し、図４４は、図４３の補正テーブルに記述された出力値のプロットを示す。図４４中、白丸は、電圧供給回路１５０から光電変換部１０に電圧Ｖａが印加されているときに適用される補正値に関するプロットを示し、白い三角は、電圧供給回路１５０から光電変換部１０に電圧Ｖｂが印加されているときに適用される補正値に関するプロットを示す。また、白い矩形は、電圧供給回路１５０から光電変換部１０に電圧Ｖｃが印加されているときに適用される補正値に関するプロットを示す。
【０２４８】
例えば図４３の補正テーブルにおいてＰ１３の値が予め得られていなかった場合には、例えば補正値Ｐ１１と補正値Ｐ１２とから、線形補間によってＰ１３の値を算出し得る。また、例えば、予め想定されていなかった電圧を電圧供給回路１５０から電圧線１５２に印加させる場合には、補正テーブルに記述されている離散値から、露光量の増加に対して検出回路１３０Ａの出力の特性を示す直線を算出し得る。図４４に例示するように、直線Ｐｔを表すパラメタを算出しておけば、例えば、ｔ２およびｔ３の間の露光量かつＶｂおよびＶｃの間の電圧が光電変換部１０に印加されているときの補正値を事後的に算出してリニアリティの補償に適用し得る。
【０２４９】
図４５は、補間処理を含むリニアリティ補償処理の概要を模式的に示す。図４５に例示するように、制御回路１６０は、このような線形補間を実行する補間処理回路１６６をその一部に含み得る。
【産業上の利用可能性】
【０２５０】
本開示の実施形態は、光検出装置、イメージセンサなどに適用可能であり、例えば、本開示の撮像装置またはカメラシステムを、デジタル一眼レフカメラ、デジタルミラーレス一眼カメラなどのデジタルスチルカメラまたはデジタルビデオカメラに用い得る。あるいは、例えば放送用途の業務用カメラ、医療用カメラまたは監視用カメラなどを含む種々のカメラシステムまたはセンサシステムに利用可能である。光電変換層の材料を適切に選択することにより、赤外線を利用した画像の取得も可能である。赤外線を利用した撮像を行う撮像装置は、例えば、セキュリティカメラ、車両に搭載されて使用されるカメラなどに用いることができる。車両搭載用カメラは、例えば、車両が安全に走行するための、制御装置に対する入力として利用され得る。あるいは、車両が安全に走行するための、オペレータの支援に利用され得る。
【符号の説明】
【０２５１】
１０    光電変換部
１１    対向電極
１２    画素電極
１３    光電変換層
１５    第３電極
２０    出力回路
２２    信号検出トランジスタ
２４    アドレストランジスタ
２６    リセットトランジスタ
３２    電源線
３６    リセット電圧線
１００Ａ〜１００Ｆ、１００Ｈ    撮像装置
１１０    半導体基板
１１１〜１１５    不純物領域
１２０    行走査回路
１３０Ａ、１３０Ｂ    検出回路
１３０Ｆ、１３０Ｇ    光量検出装置
１３２    参照線
１３４    比較器
１３８    光量検出回路
１５０、１５０Ｄ、１５４    電圧供給回路
１５２    電圧線
１６０    制御回路
１６２    メモリ
１６４    画像処理回路
１６６    補間処理回路
２００Ｄ〜２００Ｈ    カメラシステム
Ｐｘ、Ｐｘ１、Ｐｘ２    画素
Ｓｊ    出力信号線
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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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２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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