(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部入射光の一部を吸収してこの吸収された光を光電変換するとともに、その余の光を射出する第１の光電変換層と、
前記第１の光電変換層から射出された光の減光率を調整可能なアクティブＮＤフィルタ層と、
このアクティブＮＤフィルタ層から射出された光を光電変換する第２の光電変換層と、
前記外部入射光による照度が低照度の場合には、アクティブＮＤフィルタによる減光率を小さく設定し、前記外部入射光による照度が高照度の場合には、アクティブＮＤフィルタによる減光率を大きく設定するように調整するＮＤフィルタ印加電圧調整手段とを備えた撮像素子において、
前記第１の光電変換層が前記第２の光電変換層を兼ねており、前記アクティブＮＤフィルタを挟んで前記第１の光電変換層とは逆側に反射ミラーが配されており、前記第１の光電変換層から射出され、前記アクティブＮＤフィルタを透過した光が、前記反射ミラーにより反射され、この後、前記アクティブＮＤフィルタを再び透過し、前記第２の光電変換層としても機能する前記第１の光電変換層に入射した光の一部がこの第２の光電変換層において吸収されるように構成することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層の、光入射側とは逆側に複数の読み出し回路部が設けられており、
前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層の、前記読み出し回路部側に画素電極が設けられ、前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層の、前記画素電極とは逆側に対向電極が設けられた構成とすることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
【請求項３】
前記アクティブＮＤフィルタの上下両側に、このアクティブＮＤフィルタの減光率を調節するために所定の電圧を印加する電極膜が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の撮像素子。
【請求項４】
前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層が、R、G、Bの3色光の各々に対応する光電変換層を積層した構成とされていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の撮像素子。
【請求項５】
前記アクティブＮＤフィルタは、R、G、Bの3色光の各々に対応するアクティブＮＤフィルタを積層した構成とされていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の撮像素子。
【請求項６】
請求項１から５のうちいずれか記載の撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換層を備えた撮像素子および撮像装置に関し、特にダイナミックレンジを拡げるために層構成を改良した撮像素子および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、撮像センサーにおいてダイナミックレンジを向上させる方法として、種々の手法が提案されている。
例えば、カラー用撮像素子においては、青光、緑光、赤光の電磁波を各々吸収／光電変換し得る３層の光電変換層を積層したものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
その他、同一平面上に配列された多数の画素を有する固体撮像素子であって、各画素は、それぞれ複数の光電変換素子を含み、複数の光電変換素子は、半導体基板上方に積層された基板上光電変換素子と、半導体基板内に形成された基板内光電変換素子とを含み、各光電変換素子は、各々の光電変換感度に感度差が設けられるように構成されたものが知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０２８０６号公報
【特許文献２】特開２００７−２０１００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来技術では、高照度下での撮影においては白飛びを防ぐ効果を有してはいるが、高感度層と低感度層の感度の異なる層に分かれているため、低照度下では、異なる感度の層に分かれていない素子に比べ、相対的に感度やS/Nが低下してしま
い、撮影画像が黒つぶれしやすいという問題があった。
また、各層は異なる製造条件で製造されることになるため、製造時の各層の感度ばらつきには相関が無く、補正が複雑になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、高照度下で白飛びし難く、かつ低照度下で黒つぶれし難く、高ダイナミックレンジ撮影が可能な撮像素子および撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の目的を達成するため、本発明の撮像素子および撮像装置は以下のような構成とされている。
すなわち、本発明の撮像素子は、
外部入射光の一部を吸収してこの吸収された光を光電変換するとともに、その余の光を射出する第１の光電変換層と、
前記第１の光電変換層から射出された光の減光率を調整可能なアクティブＮＤフィルタ層と、
このアクティブＮＤフィルタ層から射出された光を光電変換する第２の光電変換層と、
前記外部入射光による照度が低照度の場合には、アクティブＮＤフィルタによる減光率を小さく設定し、前記外部入射光による照度が高照度の場合には、アクティブＮＤフィルタによる減光率を大きく設定するように調整するＮＤフィルタ印加電圧調整手段とを備えた撮像素子において、
前記第１の光電変換層が前記第２の光電変換層を兼ねており、前記アクティブＮＤフィルタを挟んで前記第１の光電変換層とは逆側に反射ミラーが配されており、前記第１の光電変換層から射出され、前記アクティブＮＤフィルタを透過した光が、前記反射ミラーにより反射され、この後、前記アクティブＮＤフィルタを再び透過し、前記第２の光電変換層としても機能する前記第１の光電変換層に入射した光の一部がこの第２の光電変換層において吸収されるように構成することを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、上記「アクティブＮＤフィルタ」とは、減光率を調整しうるＮＤフィルタであり、例えば液晶と２色性色素によって構成される。
【００１０】
また、前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層の、光入射側とは逆側に複数の読み出し回路部が設けられ、さらに、前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層の、前記読み出し回路部側に画素電極が設けられ、前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層の、前記画素電極とは逆側に対向電極が設けられた構成とすることができる。
【００１１】
また、前記アクティブＮＤフィルタの上下両側に、このアクティブＮＤフィルタの減光率を調節するために所定の電圧を印加する電極膜が設けられた構成とすることができる。
また、前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層が、R、G、Bの3色光の各々に対応する光電変換層を積層した構成とすることができる。
【００１２】
ここで、上記および下記「積層した」とは、各層が直接積み上げられている場合のみならず、間に他の層を介在させる場合も含めるものとする。
また、前記アクティブＮＤフィルタは、R、G、Bの3色光の各々に対応するアクティブＮＤフィルタを積層した構成とすることができる。
さらに、本発明の撮像装置は、上記いずれかの撮像素子を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の撮像素子および撮像装置によれば、第１の光電変換層から射出された光の減光率を調節するアクティブＮＤフィルタを設け、このアクティブＮＤフィルタにおける減光率が、ＮＤフィルタ印加電圧調整手段によって高照度下では大きく、低照度下では小さくなるように調整し、この後、光電変換層で光電変換された信号値を合算するようにして最終的な信号値を得ることが可能である。
【００１４】
これにより、高照度下では、いわゆる白飛びを抑制することができるとともに、低照度下では、いわゆる黒つぶれを抑制することができるので、S/Nおよびダイナミックレンジ
の高い撮影を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】参考例１に係る撮像素子の概略を説明するための図である（光電変換層が２層タイプ、低照度時）。
【図２】参考例１に係る撮像素子の概略を説明するための図である（光電変換層が２層タイプ、高照度時）。
【図３】実施形態２に係る撮像素子の概略を説明するための図である（反射タイプ、低照度時）。
【図４】実施形態２に係る撮像素子の概略を説明するための図である（反射タイプ、高照度時）。
【図５】参考例３に係るカラー用撮像素子の層構成を説明するための図である（光電変換層が２層タイプ、アクティブＮＤフィルタが１つのタイプ）。
【図６】実施形態４に係るカラー用撮像素子の層構成を説明するための図である（反射タイプ、アクティブＮＤフィルタが１つのタイプ）。
【図７】参考例３の変形例１に係るカラー用撮像素子の層構成を説明するための図である（光電変換層がR、G、Bの各々について２層タイプ、アクティブＮＤフィルタがR光、G光、B光の各々に対応して１つずつ設けられているタイプ）。
【図８】参考例３の変形例２に係るカラー用撮像素子の層構成を説明するための図である（光電変換層がR、G、Bの各々について２層タイプ、アクティブＮＤフィルタがR光、G光、B光の各々に対応して１つずつ設けられているタイプ）。
【図９】従来技術に係るカラー用撮像素子の層構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る撮像素子および撮像装置について図面を用いて説明する。
【００１７】
＜参考例１＞
まず、参考例１に係る撮像素子について図１、２を用いて説明する。
図１および図２に示すように参考例１に係る撮像素子１０は、光透過型の信号読み出し回路部１５と複数の層（１２〜１４および１６等）を積層してなる光電変換用積層膜、ならびに印加電圧調整手段１８からなり、図面下方より、ガラス基板１３Ａ、絶縁層１４Ａ、下部有機光電変換膜１６Ａ、アクティブＮＤフィルタ１２、絶縁性透明基板であるガラス基板１３Ｂ、絶縁層１４Ｂ、上部有機光電変換膜１６Ｂを積層した構成とされている。
【００１８】
また、ガラス基板１３Ａ、Ｂ（透過率を１００％とする）上には各々、絶縁層１４Ａ、Ｂに内包されるようにして、上述した読み出し回路部１５が複数個設けられている。
上記ガラス基板１３Ａ、Ｂに替えて、透明なプラスチック、石英、サファイア等の基板を用いてもよいし、ガラス基板１３Ａに替えて不透明な基板や反射板を用いてもよい。
また、有機光電変換膜１６Ａ、Ｂとしては、入射光の一部を吸収・光電変換し、残りの成分は透過する半透明な材料を用いる。この材料には有機材料や半透明の薄い無機半導体が挙げられる。
【００１９】
また、アクティブＮＤフィルタ１２の上下両面には電極膜１２Ａ、Ｂが設けられており、これら両電極膜１２Ａ、Ｂの間に印加される電圧を印加電圧調整手段１８によって調整することにより、アクティブＮＤフィルタ１２の減光率（光吸収率）を調整することが可能である。
なお、この減光率（光吸収率）の調整は、外部入射光の照度を検出し、照度が低照度の場合には、印加電圧調整手段１８によって両電極膜１２Ａ、Ｂの間の印加電圧を調整し、液晶に印加する電圧を調整して液晶による遮光作用を小とし、アクティブＮＤフィルタ１２の減光率（光吸収率）が小さくなるように設定することで、入射光をロスなく使用することができる。
【００２０】
一方、外部入射光による照度が高照度の場合には、印加電圧調整手段１８によって両電極膜１２Ａ、Ｂの間の印加電圧を調整し、液晶に印加する電圧を調整して液晶による遮光作用を大とし、アクティブＮＤフィルタ１２の減光率（光吸収率）が大きくなるように設定する。
【００２１】
なお、照度を計測する照度計測手段としては種々の公知の照度計を用いることができ、例えば、硫化カドミウム光電池、シリコンフォトダイオード、ガリウムヒ素フォトダイオード等を用いることができる。また、撮像素子内の画素（受光部）を利用して照度を計測
してもよい。
アクティブＮＤフィルタ１２の具体的な構成としては、例えば、二色性色素と液晶からなるタイプのもの（ゲストホスト液晶）を用いる。二色性色素と液晶からなるタイプとは、液晶（ホスト）中に二色性色素（ゲスト）を溶解（添加）した液晶系である。二色性色素は、吸収異方性を有する色素であり、一般に細長い棒状の構造を有し、分子の長軸方向とほぼ同じ方向に光吸収軸を有するジアゾ、トリアゾ、アントラキノン系のものが知られている。
【００２２】
二色性色素は、吸光軸に平行な成分と垂直な成分の吸光度の比（二色性比、一般的なもので１０〜１２程度）が、その特性を示すパラメータとなる。
撮像素子１０の各画素内には、有機光電変換膜１６Ａ、Ｂで発生した光信号を外部に読み出したり、信号を増幅させるためのトランジスタおよびその配線が備えられている。
【００２３】
また、光透過型の信号読み出し回路部１５は、半導体層１５Ａ上にゲート絶縁膜１５Ｂおよびゲート電極膜１５Ｃが積層され、さらに信号を読み出すための信号読み出し線１５Ｄを備え、可視光に対して略透明な酸化物半導体TFTやSOI等を用いる。
このトランジスタに用いられる半導体材料は単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSiなどのシリコン系材料やIGZOやZnOなどの酸化物半導体、ペンタセンなどの有機半導体があげ
られる。回路部１５の光透過性を上げるという観点から、数十nmの薄いシリコンや酸化物半導体、透過性の高い有機半導体材料を用いることが望ましい。
【００２４】
次に読み出し回路部１５（各有機光電変換膜１６Ａ、Ｂの各々に対して読み出し回路部１５が複数個ずつ配設されるように形成されている）と接続される画素電極膜１７ＡＡ、１７ＢＡ上に有機光電変換膜１６Ａ、Ｂを積層する。有機光電変換膜１６Ａ、Ｂに光が吸収されることによって発生した電荷は、画素電極膜１７ＡＡ、１７ＢＡとトランジスタを通して外部に信号として出力される。また、有機光電変換膜１６Ａ、Ｂには、画素電極膜１７ＡＡ、１７ＢＡと対向するように対向電極膜１７ＡＢ、１７ＢＢが設けられ、これら対向する電極膜間にバイアス電圧が印加される。対向電極膜１７ＡＢ、１７ＢＢは光透過率が高い材料を用いることが望ましく、ITO、IZOなどの透明導電膜や数nm〜数十nm程度の薄いAl、Mg、Auなどの半透明金属膜を用いることができる。
【００２５】
このように構成された参考例１に係る撮像素子１０について、以下にその作用を説明する。
まず、図１（図２も同じ）に示すように、図１（図２も同じ）の紙面上方側から、入射光が光量α（図２では光量β）で上部有機光電変換膜１６Ｂに照射された場合、上部有機光電変換膜１６Ｂでは、α・ｆ（ｄ１）の光量が吸収され、α・（１‐ｆ（ｄ１））の光量が透過される。ここで、ｆ（ｄ１）は、上部有機光電変換膜１６Ｂの厚みｄ１（実際には、厚みの他に材質等もその要素になり得るが、ここでは便宜的に厚みのみを関数の要素として用いる：以下の各関数についても同様）に対する上部有機光電変換膜１６Ｂの光吸収率を表す関数である。
【００２６】
また、ｇ（ｄ２）を、アクティブＮＤフィルタ１２の厚みｄ２に対するアクティブＮＤフィルタ１２の減光率を表す関数とすると、このアクティブＮＤフィルタ１２を透過した光の光量は、α・（１‐ｆ（ｄ１））・（１−ｇ（ｄ２））ということになる。
次に、下部有機光電変換膜１６Ａの厚みｄ３に対する光吸収率を表す関数をｆ（ｄ３）とすると、下部有機光電変換膜１６Ａでの吸収光量ＱＡは、下式（１）となる。
【００２７】
ＱＡ＝α・（１‐ｆ（ｄ１））・（１−ｇ（ｄ２））・ｆ（ｄ３）………（１）
ここで、図１に示すように、入射光の照度が極めて低い場合においては、ＮＤフィルタ１２の両電極膜１２Ａ、Ｂ間に印加される電圧を、印加電圧調整手段（電圧可変手段）１
８により調整して、ＮＤフィルタ１２の減光率ｇ（ｄ２）が略０となるように、したがって、（１−ｇ（ｄ２））が１に近い値となるように調整する。
【００２８】
また、効率を上げるために下部有機光電変換膜１６Ａの厚みを大きくして、下部有機光電変換膜１６Ａの吸収係数であるｆ（ｄ３）を略１とした場合を想定する。
このようにした場合、上式（１）は、下式（１ａ）で近似される。
ＱＡ≒α・（１‐ｆ（ｄ１））………（１ａ）
したがって、２つの有機光電変換膜１６Ａ、Ｂの合計吸収光量ＱＴは、下式（２ａ）で近似される。
ＱＴ≒α・ｆ（ｄ１）＋α・（１‐ｆ（ｄ１））＝α………（２ａ）
【００２９】
次に、図２に示すように、照度が極めて高い場合においては、アクティブＮＤフィルタ１２の両電極膜１２Ａ、Ｂ間に印加される電圧を調整して、アクティブＮＤフィルタ１２の減光率ｇ（ｄ２）が１に近くなるように、したがって、（１−ｇ（ｄ２））が０に近い値、例えば０．１となるように調整する。
なお、下部有機光電変換膜１６Ａの厚みは、上記図１の場合と同じであるから、下部有機光電変換膜１６Ａの吸収係数であるｆ（ｄ３）は略１とされる。
【００３０】
このようにした場合、前述した式（１）は、下式（１ｂ）で表される。なお、この場合、前述したように、入射光量はβ（＞α）とされる。
ＱＢ＝0.1・β・（１‐ｆ（ｄ１））………（１ｂ）
したがって、２つの有機光電変換膜１６Ａ、Ｂの合計吸収光量ＱＴは、下式（２ｂ）で近似される。
ＱＴ≒0.1・β・（１‐ｆ（ｄ１））＋β・ｆ（ｄ１）
＝β・（0.1＋0.9・ｆ（ｄ１））    ………（２ｂ）
【００３１】
ここで、低照度時の入射光量αの場合における、有機光電変換膜１６Ａ、Ｂの合計吸収光量ＱＴと、高照度時の入射光量βの場合における、有機光電変換膜１６Ａ、Ｂの合計吸収光量ＱＴが略等しくなる場合の、有機光電変換膜１６Ｂの吸収係数ｆ（ｄ１）の値を求める。
【００３２】
まず、上式（２ａ）と上式（２ｂ）との比較から、下式（３）が得られる。
α／β＝0.1＋0.9・ｆ（ｄ１）………（３）
また、上式（３）を展開すると、下式（３´）が得られる。
ｆ（ｄ１）＝（（α／β）−0.1）／ 0.9………（３´）
上式（３´）が成立するようにすれば、低照度時と高照度時の吸収光量ＱＴがほぼ同等となるので、低照度時の黒つぶれを抑制することができるとともに、高照度時の白飛びを抑制することができる。
【００３３】
もっとも、低照度時の黒つぶれを抑制し、かつ高照度時の白飛びを抑制することができる範囲はある程度の幅があるので、低照度時と高照度時の有機光電変換膜１６Ａ、Ｂにおける吸収光量ＱＴを一致させずともよく、両者の吸収光量ＱＴの差が小さくなるように設定することでもある程度の効果を奏することができる。
【００３４】
なお、実際に照射光量（入射光量）を検出する際には、有機光電変換膜１６Ａ、Ｂにより得られた信号値に対して、有機光電変換膜１６Ａ、Ｂの吸収率ｆ（ｄ１）、ｆ（ｄ３）や、アクティブＮＤフィルタ１２の減光率ｇ（ｄ２）等を画素毎に演算することによって真の照射光量（入射光量）を得ることができる。
【００３５】
＜実施形態２＞
次に、実施形態２に係る撮像素子について図３、４を用いて説明する。
この実施形態２は、上記参考例１と基本的な構成において同様であるが、有機光電変換膜１１６が、参考例１における上部有機光電変換膜１１６Ｂが下部有機光電変換膜１６Ａを兼用しており、最下部の支持基台の上表面にミラーが付設されて、反射ミラー付き支持基台１１１とされている点において相違する。
すなわち、実施形態２に係る撮像素子１１０は、光透過型の信号読み出し回路部１１５と複数の層（１１１〜１１４および１１６等）を積層してなる光電変換用積層膜からなり、図面下方より、反射ミラー付き支持基台１１１、アクティブＮＤフィルタ１１２、絶縁性透明基板であるガラス基板１１３、絶縁層１１４、有機光電変換膜１１６を積層した構成とされている。
【００３６】
上記反射ミラー付き支持基台１１１は、プラスチック等の基台上に、アルミニウム等の金属膜や、誘電体等を積層した反射膜を設けるようにしてもよい。
また、ガラス基板１１３（透過率を１００％とする）上には各々、絶縁層１１４に内包されるようにして、上述した読み出し回路部１１５が複数個設けられている。
また、上記ガラス基板１１３に替えて、透明なプラスチック、石英、サファイア等の基板を用いてもよい。
【００３７】
また、有機光電変換膜１１６としては、入射光の一部を吸収・光電変換し、残りの成分は透過する半透明な材料を用いる。この材料には有機材料や半透明の薄い無機半導体が挙げられる。
また、アクティブＮＤフィルタ１１２の上下両面には電極膜１１２Ａ、Ｂが設けられており、これら両電極膜１１２Ａ、Ｂの間に印加される電圧について、印加電圧調整手段１１８を調整することにより、アクティブＮＤフィルタ１１２の減光率（光吸収率）を調整することが可能である。
【００３８】
なお、この減光率（光吸収率）の調整は、外部入射光の照度を検出し、照度が低照度の場合には、印加電圧調整手段１１８によって両電極膜１１２Ａ、Ｂの間の印加電圧を調整し、液晶に印加する電圧を調整して液晶による遮光作用を小とすることで、入射光をロスなく使用し、アクティブＮＤフィルタ１１２の減光率（光吸収率）が小さくなるように設定する。
【００３９】
一方、外部入射光による照度が高照度の場合には、印加電圧調整手段１１８によって両電極膜１１２Ａ、Ｂの間の印加電圧を調整し、液晶に印加する電圧を調整して液晶による遮光作用を大として、アクティブＮＤフィルタ１１２の光透過率が小さくなる（減光率が大きくなる）ように設定する。
なお、照度を計測する照度計測手段としては種々の公知の照度計を用いることができ、例えば、硫化カドミウム光電池、シリコンフォトダイオード、ガリウムヒ素フォトダイオード等を用いることができる。また、撮像素子内の画素（受光部）を利用して照度を計測してもよい。
【００４０】
その具体的な構成としては、例えば、二色性色素と液晶からなるタイプのもの（ゲストホスト液晶）を用いる。二色性色素と液晶からなるタイプとは、液晶（ホスト）中に二色性色素（ゲスト）を溶解（添加）した液晶系である。二色性色素は、吸収異方性を有する色素であり、一般に細長い棒状の構造を有し、分子の長軸方向とほぼ同じ方向に光吸収軸を有するジアゾ、トリアゾ、アントラキノン系のものが知られている。
【００４１】
二色性色素は、吸光軸に平行な成分と垂直な成分の吸光度の比（二色性比、一般的なもので１０〜１２程度）が、その特性を示すパラメータとなる。
撮像素子１１０の各画素内には、有機光電変換膜１１６で発生した光信号を外部に読み
出したり、信号を増幅させるためのトランジスタおよびその配線が備えられている。
また、光透過型の信号読み出し回路部１１５は、半導体層１１５Ａ上にゲート絶縁膜１１５Ｂおよびゲート電極膜１１５Ｃが積層され、さらに信号を読み出すための信号読み出し線１１５Ｄを備え、可視光に対して略透明な酸化物半導体TFTやSOI等を用いる。
【００４２】
このトランジスタに用いられる半導体材料は単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSiなどのシリコン系材料やIGZOやZnOなどの酸化物半導体、ペンタセンなどの有機半導体があげ
られる。回路部１１５の光透過性を上げるという観点から、数十nmの薄いシリコンや酸化物半導体、透過性の高い有機半導体材料を用いることが望ましい。
【００４３】
次に、画素電極膜１１７Ａ上に有機光電変換膜１１６を積層する。有機光電変換膜１１６に光が吸収されることによって発生した電荷は、画素電極膜１１７Ａとトランジスタを通して外部に信号として出力される。また、有機光電変換膜１１６には、画素電極膜１１７Ａと対向するように対向電極膜１１７Ｂが設けられ、画素電極膜１１７Ａとの間にバイアス電圧が印加される。対向電極膜１１７Ｂは光透過率が高い材料を用いることが望ましく、ITO、IZOなどの透明導電膜や数nm〜数十nm程度の薄いAl、Mg、Auなどの半透明金属膜を用いることができる。
【００４４】
このように構成された実施形態２に係る撮像素子１１０について、以下にその作用を説明する。
まず、図３（図４も同じ）に示すように、図３（図４も同じ）の紙面上方側から、入射光が光量α（図４では光量β）で有機光電変換膜１１６に照射された場合、有機光電変換膜１１６では、α・ｆ（ｄ１）の光量が吸収され、α・（１‐ｆ（ｄ１））の光量が透過される。ここで、ｆ（ｄ１）は、有機光電変換膜１１６の厚みｄ１に対する有機光電変換膜１１６の光吸収率を表す関数である。
また、ｇ（ｄ２）を、アクティブＮＤフィルタ１１２の厚みｄ２に対するアクティブＮＤフィルタ１１２の減光率を表す関数とすると、このアクティブＮＤフィルタ１１２を透過し、反射ミラー付き支持基台１１１の反射ミラーに到達した光の光量は、α・（１‐ｆ（ｄ１））・（１−ｇ（ｄ２））ということになる。
【００４５】
次に、この反射ミラー付き支持基台１１１の反射ミラーで反射され、再度、アクティブＮＤフィルタ１１２を、紙面の下方から上方に透過した光の光量は、α・（１‐ｆ（ｄ１））・（１−ｇ（ｄ２））２ということになる。
【００４６】
さらにガラス基板１１３を透過し、絶縁層１１４を透過し、有機光電変換膜１１６に入射することになり、この有機光電変換膜１１６での吸収光量ＱＡは、下式（４）となる。
ＱＡ＝α・（１‐ｆ（ｄ１））・（１−ｇ（ｄ２））２・ｆ（ｄ１）………（４）
【００４７】
ここで、図３に示すように、入射光の照度が極めて低い場合においては、アクティブＮＤフィルタ１１２の両電極膜１１２Ａ、Ｂ間に印加される電圧を調整して、アクティブＮＤフィルタ１１２の減光率ｇ（ｄ２）が略０となるように、したがって、（１−ｇ（ｄ２））は略１となるように調整する。
このようにした場合、上式（４）は、下式（４ａ）で近似される。
ＱＡ≒α・（１‐ｆ（ｄ１））・ｆ（ｄ１）………（４ａ）
【００４８】
有機光電変換膜１６で、最初に吸収された吸収光量ＱＡは、α・ｆ（ｄ１）で表されるから、有機光電変換膜１６の１回目と２回目の入射による合計吸収光量ＱＴは、下式（５ａ）で表される。
ＱＴ≒α・ｆ（ｄ１）＋α・（１‐ｆ（ｄ１））・ｆ（ｄ１）
＝α（２‐ｆ（ｄ１））・ｆ（ｄ１）………（５ａ）
【００４９】
次に、図４に示すように、照度が極めて高い場合においては、アクティブＮＤフィルタ１１２の両電極膜１１２Ａ、Ｂ間に印加される電圧を調整して、アクティブＮＤフィルタ１１２の減光率ｇ（ｄ２）が１に近くなるように、したがって、（１−ｇ（ｄ２））が０に近い値、例えば０．１となるように調整する。
【００５０】
このようにした場合、前述した式（４）は、下式（４ｂ）で表される。なお、この場合、前述したように、入射光量はβとされる。
ＱＢ＝0.01・β・（１‐ｆ（ｄ１））・ｆ（ｄ１）………（４ｂ）
【００５１】
したがって、１回目と２回目の有機光電変換膜１１６への入射による、この有機光電変換膜１１６における合計吸収光量ＱＴは、下式（５ｂ）で近似される。
ＱＴ≒0.01・β・（１−ｆ（ｄ１））・ｆ（ｄ１）＋β・ｆ（ｄ１）
＝0.01・β・ｆ（ｄ１）−0.01・β・（ｆ（ｄ１））２＋β・ｆ（ｄ１）
＝1.01・β・ｆ（ｄ１）−0.01・β・（ｆ（ｄ１））２
＝β・ｆ（ｄ１）（1.01−0.01・ｆ（ｄ１））………（５ｂ）
【００５２】
なお、実際に入射光量を検出する際に、有機光電変換膜１１６により得られた信号値に対して、有機光電変換膜１１６の吸収率ｆ（ｄ１）や、アクティブＮＤフィルタ１１２の減光率ｇ（ｄ２）等を画素毎に演算することによって真の照射光量（入射光量）を得ることになる。
【００５３】
＜参考例３＞
次に、参考例３に係る撮像素子３１０について図５を用いて説明する。
この参考例３に係る撮像素子３１０は、上述した参考例１に係る撮像素子１０の態様を、カラー用に適応させたものである。
まず、図９を用いて、従来からの一般的なカラー用撮像素子１０１０について説明する。
図９に示すように撮像素子１０１０は、光透過型の信号読み出し回路部１０１５と複数の層（１０１３、１０１４、１０１６Ｒ、Ｇ、Ｂ等）を積層してなる光電変換用積層膜からなり、図面下方より、ガラス基板１０１３、Ｒ用光電変換膜１０１６Ｒ、Ｇ用光電変換膜１０１６Ｇ、Ｂ用光電変換膜１０１６Ｂを積層してなる。
【００５４】
また、各光電変換膜１０１６Ｒ、Ｇ、Ｂの紙面下側には画素電極膜１０１７ＡＲ、ＡＧ、ＡＢが、各光電変換膜１０１６Ｒ、Ｇ、Ｂの紙面上側には対向電極膜１０１７ＢＲ、ＢＧ、ＢＢが、各々設けられている。
なお、ガラス基板１０１３および各光電変換膜１０１６Ｒ、Ｇ、Ｂの間には絶縁層１０１４が設けられている。また、各光電変換膜１０１６Ｒ、Ｇ、Ｂの間に配される絶縁層１０１４のうち、下層は読み出し回路部１０１５のベース部として機能し、上層は読み出し回路部１０１５を内包する機能を有するが、同一の絶縁膜形成材料によって構成してもよい。
【００５５】
このように構成された一般的なカラー用撮像素子１０１０では、Ｒ光はＲ用光電変換膜１０１６Ｒにおいて、Ｇ光はＧ用光電変換膜１０１６Ｇにおいて、Ｂ光はＢ用光電変換膜１０１６Ｇにおいて、各々受光されるが、いずれの光電変換膜１０１６Ｒ、Ｇ、Ｂにおいても、入射光の光量がそのまま（実際には若干減光される）受光されることになるので、ダイナミックレンジが狭く、照射光量（入射光量）が高い場合には白飛びが生じやすい、という問題があった。
【００５６】
そこで、参考例３のカラー用撮像素子３１０においては、第１の組の光電変換膜３１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢおよび第２の組の光電変換膜３１６ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの間にアクティブＮＤフィルタ３１２を設け、このアクティブＮＤフィルタ３１２による減光率を、照射光量（入射光量）が低い場合には小さく、また照射光量（入射光量）が高い場合には大きく設定することにより、下方に位置する第１の組の光電変換膜３１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢでの光照射割合を変化させるようにしているから、上述した白飛びの問題を解決することができる。
【００５７】
参考例３に係る撮像素子３１０の具体的な層構成を、図５に基づき説明すると、図面下方より、ガラス基板３１３Ａ、下部Ｒ用光電変換膜３１６ＡＲ、下部Ｇ用光電変換膜３１６ＡＧ、下部Ｂ用光電変換膜３１６ＡＢ、アクティブＮＤフィルタ３１２、ガラス基板３１３Ｂ、上部Ｒ用光電変換膜３１６ＢＲ、上部Ｇ用光電変換膜３１６ＢＧ、上部Ｂ用光電変換膜３１６ＢＢが積層されている。
【００５８】
また、各光電変換膜３１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの紙面下側には画素電極膜３１７ＡＲ１、ＡＧ１、ＡＢ１、ＡＲ２、ＡＧ２、ＡＢ２が、各光電変換膜３１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの紙面上側には対向電極膜３１７ＢＲ１、ＢＧ１、ＢＢ１、ＢＲ２、ＢＧ２、ＢＢ２が、各々設けられており、また、アクティブＮＤフィルタ３１２の紙面上下両側には電極膜３１２Ａ、Ｂが設けられている。
【００５９】
なお、ガラス基板３１３Ａ、Ｂおよび各光電変換膜３１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの間には絶縁層３１４Ａ、Ｂ、Ｃが設けられている。また、各光電変換膜３１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢの間に配される絶縁層３１４、および各光電変換膜ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの間に配される絶縁層３１４のうち、下層は読み出し回路部３１５のベース部として機能し、上層は読み出し回路部３１５を内包する機能を有するが、同一の絶縁膜形成材料によって構成してもよい。
【００６０】
＜実施形態４＞
次に、実施形態４に係る撮像素子４１０について図６を用いて説明する。
この実施形態４に係る撮像素子４１０は、上述した実施形態２に係る撮像素子１１０の態様を、カラー用に適応させたものであり、上記参考例３と基本的な構成において同様であるが、１組の光電変換膜４１６Ｒ、４１６Ｇ、４１６Ｂが、参考例３における第１の組の光電変換膜３１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢが第２の組の光電変換膜３１６ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの機能を兼用しており、また、最下部の支持基台の上表面にミラーが付設されて、反射ミラー付き支持基台４１１とされている点において相違する。
【００６１】
この実施形態４においても、上記参考例３と同様に、図９に示すような従来技術の問題点、すなわち、照射光量（入射光量）が高い場合には白飛びが生じやすい、という問題を解決することができる。
すなわち、実施形態４のカラー用撮像素子４１０においては、光透過型の信号読み出し回路部４１５と複数の層（４１１〜４１４および４１６Ｒ、Ｇ、Ｂ、４１７ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、４１７ＢＲ、ＢＧ、ＢＢ等）を積層してなる光電変換用積層膜からなり、Ｒ、Ｇ、Ｂ光電変換膜４１６Ｒ、Ｇ、Ｂと反射ミラー付き支持基台４１１の間にアクティブＮＤフィルタ４１２を設け、このアクティブＮＤフィルタ４１２による減光率を、照射光量（入射光量）が低い場合には小さく、また照射光量（入射光量）が高い場合には大きく設定することにより、下方に位置するＲ、Ｇ、Ｂ光電変換膜４１６Ｒ、Ｇ、Ｂでの光照射割合を変化させるようにしているから、上述した白飛びの問題を解決することができる。
【００６２】
実施形態４に係る撮像素子４１０の具体的な層構成を、図６に基づき説明すると、図面下方より、反射ミラー付き支持基台４１１、アクティブＮＤフィルタ４１２、ガラス基板４１３、Ｒ用光電変換膜４１６Ｒ、Ｇ用光電変換膜４１６Ｇ、Ｂ用光電変換膜４１６Ｂが
積層されている。
また、各光電変換膜４１６Ｒ、Ｇ、Ｂの紙面下側には画素電極膜４１７ＡＲ、ＡＧ、ＡＢが、各光電変換膜４１６Ｒ、Ｇ、Ｂの紙面上側には対向電極膜４１７ＢＲ、ＢＧ、ＢＢが、各々設けられており、また、アクティブＮＤフィルタ４１２の紙面上下両側には電極膜４１２Ａ、Ｂが設けられている。
【００６３】
なお、ガラス基板４１３および各光電変換膜４１６Ｒ、Ｇ、Ｂの間には絶縁層４１４が設けられている。また、各光電変換膜４１６Ｒ、Ｇ、Ｂの間に配される絶縁層４１４のうち、下層は読み出し回路部４１５のベース部として機能し、上層は読み出し回路部４１５を内包する機能を有するが、同一の絶縁膜形成材料によって構成してもよい。
【００６４】
＜変形例＞
以下、上記参考例の変形例について説明する。各参考例の変形例としては種々の層構成のものを採用しうるが、ここでは例として、参考例３の変形例１および変形例２について説明する。なお、変形例１は図７を用いて、また、変形例２は図８を用いて説明する。
【００６５】
（変形例１）
この変形例１は、図７に示すように、図５に示す参考例３と比べて、各色光ごとにアクティブＮＤフィルタ５１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢが設けられている。
具体的には、Ｒ用ＮＤフィルタ５１２ＦＲは２つのＲ用光電変換膜５１６ＡＲ、ＢＲの間に設けられ、Ｇ用ＮＤフィルタ５１２ＦＧは２つのＧ用光電変換膜５１６ＡＧ、ＢＧの間に設けられ、Ｂ用ＮＤフィルタ５１２ＦＢは２つのＢ用光電変換膜５１６ＡＢ、ＢＢの間に設けられており、いずれも第２の組の光電変換膜５１６ＢＲ、ＢＧ、ＢＢよりも紙面下方に配設されるようになっている。これにより、第２の組の各光電変換膜５１６ＢＲ、ＢＧ、ＢＢには、ＮＤフィルタ５１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢによって減光されない状態で入射光が入射するように設定されるとともに、第１の組の光電変換膜５１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢには、各色光に対応するＮＤフィルタ５１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢによって所定の関数にしたがって減光された状態の入射光が入射するように設定される（減光率が０％を含む）。なお、第１の組の光電変換膜５１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢのいずれにおいても、全てのＮＤフィルタ５１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢを通過した光が入射される。
【００６６】
すなわち、変形例１に係るカラー用撮像素子５１０の具体的な層構成を、図７に基づき説明すると、図面下方より、ガラス基板５１３Ａ、下部Ｒ用光電変換膜５１６ＡＲ、Ｒ用ＮＤフィルタ５１２ＦＲ、下部Ｇ用光電変換膜５１６ＡＧ、Ｇ用ＮＤフィルタ５１２ＦＧ、下部Ｂ用光電変換膜５１６ＡＢ、Ｂ用ＮＤフィルタ５１２ＦＢ、ガラス基板５１３Ｂ、上部Ｒ用光電変換膜５１６ＢＲ、上部Ｇ用光電変換膜５１６ＢＧ、上部Ｂ用光電変換膜５１６ＢＢが積層されている。
【００６７】
また、各光電変換膜５１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの紙面下側には画素電極膜５１７ＡＲ１、ＡＧ１、ＡＢ１、ＡＲ２、ＡＧ２、ＡＢ２が、各光電変換膜５１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの紙面上側には対向電極膜５１７ＢＲ１、ＢＧ１、ＢＢ１、ＢＲ２、ＢＧ２、ＢＢ２が、各々設けられており、また、アクティブＮＤフィルタ５１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢの紙面上下両側には電極膜５１２Ａ、Ｂが設けられている。
【００６８】
なお、ガラス基板５１３Ａ、Ｂおよび各光電変換膜５１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの間には絶縁層５１４Ａ、Ｂ、Ｃが設けられている。また、各々の光電変換膜５１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢの間に配される絶縁層５１４Ａ、および各々の光電変換膜ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの間に配される絶縁層５１４Ｂのうち、下層は読み出し回路部５１５のベース部として機能し、上層は読み出し回路部５１５を内包する機能を有するが、同一の絶縁膜形
成材料によって構成してもよい。
【００６９】
（変形例２）
図８に示すように、この変形例２は、上記変形例１のものと同様に、図５に示す参考例３と比べて、各色光ごとにＮＤフィルタ６１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢが設けられている点で一致するが、上記変形例１のものとは、ＮＤフィルタ６１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢの配設位置において若干異なっている。
具体的には、Ｒ用ＮＤフィルタ６１２ＦＲは２つのＲ用光電変換膜６１６ＡＲ、ＢＲの間に設けられ、Ｇ用ＮＤフィルタ６１２ＦＧは２つのＧ用光電変換膜６１６ＡＧ、ＢＧの間に設けられ、Ｂ用ＮＤフィルタ６１２ＦＢは２つのＢ用光電変換膜６１６ＡＢ、ＢＢの間に設けられており、いずれも第１の組の光電変換膜６１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢよりも紙面上側に配設されるようになっている。これにより、第２の組の光電変換膜６１６ＢＲ、ＢＧ、ＢＢには、ＮＤフィルタ６１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢによって減光されない状態で入射光が入射するように設定されるとともに、第１の組の光電変換膜６１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢには、各色光に対応するＮＤフィルタ６１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢによって所定の関数にしたがって減光された状態の入射光が入射するように設定される（減光率が０％を含む）。なお、第１の組の光電変換膜６１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢのいずれにおいても、全てのＮＤフィルタ６１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢを通過した光が入射する。
【００７０】
すなわち、変形例２に係る撮像素子６１０の具体的な層構成を、図８に基づき説明すると、図面下方より、ガラス基板６１３Ａ、下部Ｒ用光電変換膜６１６ＡＲ、下部Ｇ用光電変換膜６１６ＡＧ、下部Ｂ用光電変換膜６１６ＡＢ、Ｒ用ＮＤフィルタ６１２ＦＲ、ガラス基板６１３Ｂ、上部Ｒ用光電変換膜６１６ＢＲ、Ｇ用ＮＤフィルタ６１２ＦＧ、上部Ｇ用光電変換膜６１６ＢＧ、Ｂ用ＮＤフィルタ６１２ＦＢ、上部Ｂ用光電変換膜６１６ＢＢが積層されている。
【００７１】
また、各光電変換膜６１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの紙面下方には画素電極膜６１７ＡＲ１、ＡＧ１、ＡＢ１、ＡＲ２、ＡＧ２、ＡＢ２が、各光電変換膜６１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの紙面上側には対向電極膜６１７ＢＲ１、ＢＧ１、ＢＢ１、ＢＲ２、ＢＧ２、ＢＢ２が、各々設けられており、また、アクティブＮＤフィルタ６１２ＦＲ、ＦＧ、ＦＢの紙面上下両側には電極膜６１２Ａ、Ｂが設けられている。
【００７２】
なお、ガラス基板６１３Ａ、Ｂおよび各光電変換膜６１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢ、ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの間には絶縁層６１４Ａ、Ｂ、Ｃが設けられている。また、各々の光電変換膜６１６ＡＲ、ＡＧ、ＡＢの間に配される絶縁層６１４Ａ、Ｂ、および各々の光電変換膜ＢＲ、ＢＧ、ＢＢの間に配される絶縁層６１４Ａ、Ｂのうち、下層は読み出し回路部６１５のベース部として機能し、上層は読み出し回路部６１５を内包する機能を有するが、同一の絶縁膜形成材料によって構成してもよい。
【００７３】
本発明の撮像素子および撮像装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１０、１１０、３１０、４１０、５１０、６１０、１０１０      撮像素子
１２、１１２、３１２、４１２、５１２ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ、６１２ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ
アクティブＮＤフィルタ
１２Ａ，Ｂ、１１２Ａ，Ｂ、３１２Ａ，Ｂ、４１２Ａ，Ｂ、５１２Ａ，Ｂ、
６１２Ａ，Ｂ                                     電極膜
１３Ａ，Ｂ、１１３、３１３Ａ，Ｂ、４１３、５１３Ａ，Ｂ、６１３Ａ，Ｂ、１０１３
ガラス基板
１４Ａ，１４Ｂ、１１４、３１４Ａ，Ｂ，Ｃ、４１４、５１４Ａ，Ｂ，Ｃ、
６１４Ａ，Ｂ，Ｃ、１０１４                       絶縁層
１５、１１５、３１５、４１５、５１５、６１５、１０１５      読み出し回路部
１５Ａ、１１５Ａ      半導体層
１５Ｂ、１１５Ｂ      ゲート絶縁層
１５Ｃ、１１５Ｃ      ゲート電極膜
１５Ｄ、１１５Ｄ      信号読み出し線
１６Ａ，Ｂ、１１６、３１６ＡＲ，ＡＧ，ＡＢ，ＢＲ，ＢＧ，ＢＢ、
４１６Ｒ，Ｇ，Ｂ、５１６ＡＲ，ＡＧ，ＡＢ，ＢＲ，ＢＧ，ＢＢ、
６１６ＡＲ，ＡＧ，ＡＢ，ＢＲ，ＢＧ，ＢＢ、１０１６Ｒ，Ｇ，Ｂ
有機光電変換膜
１７ＡＡ，ＢＡ、１１７Ａ、３１７ＡＲ１，ＡＧ１，ＡＢ１，ＡＲ２，ＡＧ２、ＡＢ２、４１７ＡＲ，ＡＧ，ＡＢ、５１７ＡＲ１，ＡＧ１，ＡＢ１，ＡＲ２，ＡＧ２、ＡＢ２、６１７ＡＲ１，ＡＧ１，ＡＢ１，ＡＲ２，ＡＧ２、ＡＢ２、１０１７ＡＲ，ＡＧ，ＡＢ
画素電極膜
１７ＡＢ，ＢＢ、１１７Ｂ、３１７ＢＲ１，ＢＧ１，ＢＢ１，ＢＲ２，ＢＧ２，ＢＢ２、４１７ＢＲ，ＢＧ，ＢＢ、５１７ＢＲ１，ＢＧ１，ＢＢ１，ＢＲ２，ＢＧ２，ＢＢ２、６１７ＢＲ１，ＢＧ１，ＢＢ１，ＢＲ２，ＢＧ２，ＢＢ２、１０１７ＢＲ，ＢＧ，ＢＢ
対向電極膜
１８、１１８      印加電圧調整手段
１１１、４１１      反射ミラー付き支持基台
【図１】
0006700051.tif 000002
【図２】
0006700051.tif 000003
【図３】
0006700051.tif 000004
【図４】
0006700051.tif 000005
【図５】
0006700051.tif 000006
【図６】
0006700051.tif 000007
【図７】
0006700051.tif 000008
【図８】
0006700051.tif 000009
【図９】
0006700051.tif 000010