(57)【要約】  高強度光源からの放射線の透過を制限する電荷移動型の撮像センサ。本発明は露光または凝視時の電位飽和レベルに取り組むため飽和に達することはなく、より広いダイナミックレンジが提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素電極と、
感光材料の層と、
半導体材料の層と、
第２電極と、
動作時に前記半導体材料および前記感光材料間に電位差を加える手段と
を備えており、
前記感光材料の層は前記画素電極と前記半導体材料の層との間に配置されているため露光時の前記感光材料のフォトレジティビティ（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｔｉｖｉｔｙ）は減少しておりセンサのダイナミックレンジは拡大している、
撮像センサ。
【請求項２】
前記感光材料の層はドープポリビニルカルバゾール（ＰＶＫ）から成る、請求項１に記載の撮像センサ。
【請求項３】
前記感光材料の層はドープガリウムヒ素（ＧａＡＳ）から成る、請求項１に記載の撮像センサ。
【請求項４】
前記感光材料の層はドープ炭化ケイ素から成る、請求項１に記載の撮像センサ。
【請求項５】
前記感光材料の層はドープガリウムリン（ＧａＰ）から成る、請求項１に記載の撮像センサ。
【請求項６】
前記感光材料の層はドープビスマスシリコンオキサイド（ＢＳＯ）から成る、請求項１に記載の撮像センサ。
【請求項７】
前記感光材料の層はアンドープビスマスシリコンオキサイド（ＢＳＯ）から成る、請求項１に記載の撮像センサ。
【請求項８】
添付図面のうち図２および図４から図９を参照してここに実質的に説明する撮像センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電荷移動型の撮像センサに関し、より詳細には高強度光源からの放射線の透過を制限する電荷移動型の撮像センサに関する。
【０００２】
光学システムまたは装置に向けられた太陽光線、溶接アーク、自動車ヘッドライトまたはレーザ等の高強度光源により引き起こされる飽和およびブルーミング効果は一般的な問題である。該飽和およびブルーミング効果は画質の劣化またはユーザにとって状況認識の低下を引き起こし、しばしばセンサの画素配列に損傷を与える。
【０００３】
当技術分野において一般的に電荷移動型センサとして知られている多くの撮像センサは、光学像を電気パターンに変換することにより作動する。該電気パターンはしばしば複数の電荷キャリア、即ち負帯電電子または正帯電正孔の集合体という形態をとる。前記キャリアは感光材料内で作られ、材料内の電荷キャリアは光子の吸収により生成されてもよい。前記感光材料を所定時間光放射線に暴露すると、画像の各部内部で生成される電子または正孔の数が電子的に計数され、ユーザが観察することのできる写真に変換される。
【０００４】
前記感光材料の露光過度により、飽和またはブルーミング効果等の好ましくない効果がセンサ内部で生じる場合がある。画素センサにおいて、光エネルギーが画素セルを最大容量まで満たした場合、結果として飽和が起こり、しばしばブルーミングが生じる。ブルーミング現象は、光エネルギーにより画素が過剰に満たされた場合に起こり、電荷キャリアが一つの画素から隣の画素へ文字通り「溢れ出る」結果、高輝度光源が実際よりも大きく見えるようになる。レーザ自体がより小さく、安価で、利用しやすくなっている今日、特にレーザによる画素配列の飽和およびブルーミングは軍事的環境においても非軍事的環境においても共通の問題である。このため、同様に、センサへの光の透過を制限または濾過するために上記のシステムおよび装置に電気光学的保護手段（ＥＯＰＭ）を設ける必要が生じている。例えば米国特許第４６７０７６６号明細書等の先行技術は追加の光導電層を含有する撮像センサ構造を詳述している。米国特許第４６７０７６６号明細書の追加の光導電層の目的は、画素間の電荷の「ブルーミング」を防止すること、即ち追加の電荷が溢れ出るときに該電荷を除去することにある。前記先行技術は読出し時に飽和を原因とする過剰電荷を除去する。過剰電荷の除去は、ＭＯＳＦＥＴを用いて定期的に過剰電荷を取り除くことにより行われる。前記先行技術の問題は、飽和を防止するものではないことから光学的ダイナミックレンジ（低強度および高強度光にて光出力を提供する性能）が制限されていることにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４６７０７６６号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、センサのダイナミックレンジを大幅に拡大させ、高強度光照射からセンサを保護し、飽和を防止し、これに伴ってブルーミングを防止することが可能な電荷回収方法に依存する電荷移動型の撮像センサ用の新たなセンサ構造を提供することにある。
【０００７】
従って本発明は、
画素電極と、
感光材料の層と、
半導体材料の層と、
第２電極と、
動作時に前記半導体材料および前記感光材料間に電位差を加える手段と
を備えており、
前記感光材料の層は前記画素電極と前記半導体材料の層との間に配置されているため露光時の前記感光材料のフォトレジティビティ（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｔｉｖｉｔｙ）は減少しておりセンサのダイナミックレンジは拡大している、撮像センサを提供する。
【０００８】
個々の画素において、前記画素電極と前記半導体材料の層との間に前記感光材料の層を配置することにより、続いて感光層は特定の画素内に格納されている電荷に影響を与える場合がある。なぜなら前記画素電極および第２電極を介して前記感光材料と半導体材料との間に電位差が加えられた場合、感光性が半導体材料の層よりも低い感光材料の層を利用することにより、前記半導体材料の層内部で回収される電荷量は感光材料の瞬間的な抵抗率（ｒｅｓｉｔｉｖｉｔｙ）によって変化してもよい。前記感光材料の抵抗率は高強度放射線への暴露によって低下するため、半導体材料の層が高強度光に暴露されている間はセンサにより回収される電荷は低下してセンサは飽和しない。感光材料を通して加えられた電位差間に短絡回路が事実上作られるため、過剰電荷は電位差手段の画素電極に引き付けられて読み取られない。前記先行技術に優る利点は、本発明は露光または凝視時の電位飽和レベルに取り組むため飽和に達することはなく、より広いダイナミックレンジが提供されることにある。
【０００９】
研究対象の周波帯に適合している染料がドーパントになることができるドープポリビニルカルバゾール（ＰＶＫ）、可変量のアルミニウム、インジウムまたはその他の元素がドーパントになることができるドープガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の薄層、任意の遷移金属がドーパントになることができるドープ炭化ケイ素、ドープガリウムリン（ＧａＰ）またはドープもしくはアンドープのビスマスシリコンオキサイド（ＢＳＯ）を含む様々な材料が感光層に使用可能である。
【００１０】
当業者は、光画像の電荷パターンへの変換に依存する任意の撮像システムにこの種の変更を加えることが原則として可能であることを、理解するであろう。前記センサはカメラ、サーマルカメラ、液晶装置、暗視装置を含む。当業者は、別個の各カメラ技術は、提案された方法で機能することを可能にする適切な材料特性を有しており非常に細部にわたって適合する追加の光導電体を必要とするであろうことも、理解するであろう。
【００１１】
本発明がより充分に理解されることを目的として、添付図面を参照して以下に本発明の実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】シリコンフォトダイオードに基づく標準的な電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ画素の断面図である。
【図２】本発明に係るＣＣＤの断面図である。
【図３】光強度が増加する際の標準的な画素応答グラフを例示する。
【図４】本発明を用いた画素の応答グラフを例示する。
【図５】本発明に係る３画素ＣＣＤ実施形態の断面図である。
【図６】図５の実施形態に適用される駆動パルス波形を示す。
【図７】電圧Ｖ１が印加された場合の図５の実施形態および電荷キャリアの位置を示す。
【図８】電圧Ｖ２が印加された場合の図５の実施形態および電荷キャリアの位置を示す。
【図９】電圧Ｖ３が印加された場合の図５の実施形態および電荷キャリアの位置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は単一ＣＣＤ画素１の代表的な断面を示す。該ＣＣＤ画素１は、絶縁層２と、ｎ型ドープシリコン層４ａおよびｐ型ドープシリコン層４ｂを備えた半導体材料３とを用いて構成されている。前記絶縁層２および半導体材料３は２つの電極５および６間に挟まれている。電圧供給部（図示せず）により画素電極５は正に帯電され、第２電極６は負に帯電されている。入射光７が電荷キャリア８に変換される結果、正帯電画素電極５に引き付けられる負帯電電子から成る電荷パターン９が生じる。該電荷パターン９は続いてシリコン表面に変調電圧を印加することによりシリコンから「読み出される」。このため電子は増幅回路（図示せず）を介して効果的に読出電子回路内に流れ込む。前記正帯電画素電極５は高強度光源に対向する側に配置されている。
【００１４】
図２は単一ＣＣＤ画素１０内で使用される、提案されている本発明の代表的な断面を示す。図１と共通の特徴はすべて示されている。絶縁層２は感光材料１１の層に置き換えられている。高強度光が無いとき、感光材料１１の抵抗率は高く、画素は通常の挙動を示す。画素を高強度光１２に暴露すると、感光材料１１の抵抗率は低下して、シリコン層４ａと画素電極５との間に有効な電気接触を引き起こす。画素電極５の極性は、材料からの負帯電電子の損失をもたらすであろう。このようにして光により画素内部で生成されることが可能な最大電子数が人工的に制限され、ＣＣＤのダイナミックレンジは大幅に拡大する。
【００１５】
図３は標準的な画素応答グラフを示す。或るレベル（飽和レベル）を超えると出力は飽和して、入力が増加しても増加しなくなる。
【００１６】
図４は本発明を原因とした変調（飽和不可能）画素の応答グラフを示す。通常飽和レベルを超えてもセンサの応答は直線形を維持している。感光層を含むことにより画素の感度は低減し、変調直線の勾配は小さくなる可能性がある。
【００１７】
図５は３画素ＣＣＤ実施形態５０の断面図である。破線内部の領域により単一画素５１が示されている。前記３画素実施形態５０はｎ型シリコン５３およびｐ型シリコン５４を有した半導体材料上に形成された感光層５２を備えている。層５２，５３および５４は半導体基板５５上に構成されており、該基板５５は底面に適用された電極５６を有しており、この場合該電極５６はアースに接続されている。３画素電極５７ａ，５７ｂ，５７ｃはそれぞれ電圧５８（Ｖ１）、５９（Ｖ２）および６０（Ｖ３）と、感光層５２に取り付けられている各画素電極とに接続されている。図６は図５の実施形態に適用される駆動パルス波形を示す。パルス波とは前記画素電極５７ａ，５７ｂ，５７ｃに供給される正電圧である。
【００１８】
図７は電圧Ｖ１が印加された場合の電荷キャリアの位置および図５の実施形態を示す。図８は電圧Ｖ２が印加された場合の電荷キャリアの位置および図５の実施形態を示し、矢符６２は電荷キャリアの移動方向を示す。図９は電圧Ｖ３が印加された場合の電荷キャリアの位置および図５の実施形態を示す。画像構築時、一つの画素電極をアースを基準とした高電位に保持する。この高電位部位の下では電荷が構築される。装置を読み出すには、各３画素電極の電圧を変動させて電荷を装置から読出チャネル（図示せず）内に「流し込む」。しかしながら任意の画素の領域が光エネルギーに過度に暴露された場合、前記半導体材料５４と画素電極との間には短絡回路が事実上存在するため、過度露出領域に最も近い画素電極は過剰電荷を回収する。このため、本発明は過剰電荷構築を防止することから画素の飽和が避けられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【国際調査報告】
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