CN114270516A - 摄像元件和摄像装置 - Google Patents

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古川明
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美浓田拓
岩下博纪
丹羽孝仁
西田翔
石丸干朗
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Abstract

本发明降低了设置有相位差像素的摄像元件中的相位差检测误差，所述相位差像素通过设置由一对像素共用的片上透镜构造。该摄像元件包括像素、单独片上透镜、多个相位差像素、共用片上透镜以及像素电路。像素设置有对应于入射光进行光电转换的光电转换部，和传输通过光电转换产生的电荷的电荷传输部。单独片上透镜被设置在每个像素中，并单独地会聚入射光。相位差像素均设置有光电转换部和电荷传输部，并且彼此相邻地设置且检测相位差。共用片上透镜被设置为被多个相位差像素共用，并共同地会聚入射光。像素电路形成在半导体基板上并基于所传输的电荷生成图像信号。多个相位差像素的电荷传输部被设置在共用片上透镜与单独片上透镜之间的区域中。

Description

摄像元件和摄像装置
技术领域
本公开涉及一种摄像元件及摄像装置。具体地，本技术涉及一种检测被摄体的相位差的摄像元件和使用该摄像元件的摄像装置。
背景技术
以往，在背照式摄像元件(其中，来自被摄体的光照射在形成有诸如光电二极管等光电转换元件的半导体基板的背面侧)中，使用将由半导体基板背面侧光电转换产生的电荷传输至半导体基板正面侧的摄像元件。例如，使用如下的摄像元件，其布置有与半导体基板的背面侧相邻的有机光电转换膜，并通过使用贯通电极将有机光电转换膜中的光电转换产生的电荷传输到半导体基板的正面侧(例如，参见专利文献1)。由贯通电极传输的电荷被布置在半导体基板的正面侧的电路元件转换为图像信号。此外，贯通电极是作为入射光的光电转换单位的像素之间的区域并且被布置在像素之间。
此外，对于该摄像元件，还提出了相位差像素。这里，相位差像素是用于检测被摄体的相位差的像素。可以通过检测到的相位差来检测被摄体的焦点位置，并且适用于使摄像镜头聚焦的自动聚焦。相位差可以通过光瞳分割(pupil split)来检测。这种光瞳分割是一种通过布置一对像素来检测相位差的方法，这对像素分别将透射穿过摄像镜头的右侧和左侧的入射光转换为图像信号。可以通过检测基于通过摄像镜头的右侧传输的图像信号的图像与通过摄像镜头的左侧传输的图像信号的图像之间的相位差来检测焦点位置。用于光瞳分割的相位差像素可以由像素左侧或右侧遮光的像素构成。通过用被片上透镜聚光的入射光照射左侧或右侧被遮蔽的像素，能够对透射通过摄像镜头的右侧或左侧的入射光进行光电转换。然而，遮光使得相位差像素的图像信号的输出被减半。存在相位差的检测精度降低的问题。
因此，已经提出了通过为两个相邻像素共同布置片上透镜(共用片上透镜)来进行光瞳分割的方法。通过使用共用片上透镜在两个像素的像素之间会聚入射光，可以对透过摄像镜头的右侧和左侧的入射光进行光电转换。由于不进行像素的遮光，因此能够防止图像信号的输出降低。
引用列表
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/143531号
发明内容
要解决的技术问题
在上述现有技术中，使用共用片上透镜的光瞳分割方法存在相位差的检测精度降低的问题。由于共用片上透镜会聚像素之间的入射光，因此存在的问题是，当在像素之间布置有例如上述贯通电极等无助于光电转换的结构时，在一对相位差像素的各个图像信号之间产生差异，并且相位差检测的误差增大。
本公开是鉴于上述问题而完成的，并且其目的在于降低包含通过为一对像素共同地布置片上透镜而构成的相位差像素的摄像元件的相位差检测的误差。
技术问题的解决方案
本公开是为了解决上述问题而提出的，并且其第一方面是摄像元件，包括：像素，所述像素包括光电转换单元和电荷传输单元，所述光电转换单元被构造为根据入射光进行光电转换，所述电荷传输单元被构造为传输通过上述光电转换产生的电荷；单独片上透镜，所述单独片上透镜为每个上述像素布置并被构造用于单独地会聚上述入射光；多个相位差像素，所述相位差像素均包括上述光电转换单元和上述电荷传输单元，并且彼此相邻地布置以检测相位差；共用片上透镜，所述共用片上透镜是针对上述多个相位差像素共同布置的，并被构造用于共同会聚上述入射光；和像素电路，所述像素电路形成在半导体基板中，并被构造为基于被传输的上述电荷生成图像信号，其中，上述多个相位差像素的所述电荷传输单元被布置在上述共用片上透镜和上述单独片上透镜之间的区域。
此外，在所述第一方面，上述像素电路可以形成在上述半导体基板的正面侧。
此外，在所述第一方面，上述光电转换单元可以对入射到背面上的上述入射光进行光电转换，所述背面是形成在上述半导体基板上的并与上述正面不同的表面。
此外，在所述第一方面，上述电荷传输单元可以包括被构造为在上述半导体基板的厚度方向上传输电荷的垂直晶体管。
此外，在所述第一方面，上述光电转换单元可以包括与上述半导体基板的背面侧相邻地布置的光电转换膜。
此外，在所述第一方面，上述电荷传输单元可以包括贯通电极，所述贯通电极是贯通上述半导体基板的电极。
此外，在所述第一方面，还可以设置透过上述入射光中具有预定波长的光的滤色器。
此外，在所述第一方面，上述滤色器可以被布置在上述光电转换膜与上述单独片上电极和上述共同片上电极之间。
此外，在所述第一方面，上述滤色器可以被布置在上述光电转换膜与上述半导体基板之间。
此外，在所述第一方面，还包括设置布置在上述相位差像素的上述光电转换单元之间的分隔单元。
此外，本公开的第二方面是摄像装置，其包括：像素，所述像素包括光电转换单元和电荷传输单元，所述光电转换单元被构造为根据入射光进行光电转换，所述电荷传输单元被构造为传输通过所述光电转换产生的电荷；单独片上透镜，所述单独片上透镜为每个上述像素布置并被构造为单独会聚上述入射光；多个相位差像素，所述相位差像素均包括上述光电转换单元和上述电荷传输单元，并且彼此相邻地布置以检测相位差；共用片上透镜，所述共用片上透镜为上述多个相位差像素共同布置并被构造用于共同地会聚上述入射光；像素电路，所述像素电路形成在半导体基板中，并被构造为基于被传输的上述电荷生成图像信号，和处理电路，所述处理电路被构造为处理生成的上述图像信号，其中，上述多个相位差像素的上述电荷传输单元被布置在上述共用片上透镜与上述单独片上透镜之间的区域。
通过采用上述方面，具有电荷传输单元被布置在与平面图中布置有所述共用片上透镜的区域不同的区域中的效果。预期减小了所述电荷传输单元对所述共用片上透镜的聚光的影响。
附图说明
图1是示出根据本公开实施例的摄像元件的构造示例的图。
图2是示出根据本公开第一实施例的像素的构造示例的电路图。
图3是示出根据本公开第一实施例的像素的构造示例的剖视图。
图4是示出根据本公开第一实施例的像素阵列单元的构造示例的视图。
图5是示出根据本公开第一实施例的相位差像素的构造示例的剖视图。
图6是示出根据本公开第二实施例的相位差像素的构造示例的剖视图。
图7是示出根据本公开第三实施例的像素的构造示例的电路图。
图8是示出根据本公开第三实施例的像素的构造示例的剖视图。
图9是示出根据本公开第三实施例的像素阵列单元的构造示例的视图。
图10是示出根据本公开第四实施例的像素的构造示例的电路图。
图11是示出根据本公开第四实施例的像素的构造示例的剖视图。
图12是示出根据本公开第四实施例的像素阵列单元的构造示例的视图。
图13是示出根据本公开第五实施例的像素的构造示例的剖视图。
图14是示出根据本公开第六实施例的像素的构造示例的剖视图。
图15是示出根据本公开第七实施例的像素的构造示例的电路图。
图16是示出根据本公开第七实施例的像素的构造示例的剖视图。
图17是示出根据本公开第七实施例的像素阵列单元的构造示例的视图。
图18是示出作为可以应用本技术的摄像装置的示例的相机的示意性构造示例的框图。
图19是示出内窥镜手术系统的示意性构造的示例的视图。
图20是示出摄像头和CCU的功能构造的示例的框图。
图21是示出车辆控制系统的示意性构造的示例的框图。
图22是示出车外信息检测单元和摄像单元的安装位置的示例的说明图。
具体实施方式
以下，将参考附图说明用于实施本公开的实施方式(在下文中，称为实施例)。在以下附图中，相同或相似的部分由相同或相似的附图标记表示。此外，将按以下顺序说明实施例。
1.第一实施例
2.第二实施例
3.第三实施例
4.第四实施例
5.第五实施例
6.第六实施例
7.第七实施例
8.相机的应用示例
9.内窥镜手术系统的应用示例
10.移动体的应用示例
<1.第一实施例>
[摄像元件的构造]
图1是示出根据本公开实施例的摄像元件的构造示例的图。图中摄像元件1包括像素阵列单元2、垂直驱动单元3、列信号处理单元4和控制单元5。
像素阵列单元2通过以二维格子形状布置像素100和相位差像素200来构造。这里，像素100产生对应于照射光的图像信号。该像素100包括根据照射光产生电荷的光电转换单元。此外，像素100还包括像素电路。该像素电路基于由光电转换单元产生的电荷产生图像信号。图像信号的产生由下文说明的垂直驱动单元3产生的控制信号控制。在像素阵列单元2中，信号线6和7被布置成XY矩阵。信号线6是传输像素100中的像素电路的控制信号的信号线，其针对像素阵列单元2的每一行布置，并且被布线为被布置在每一行中的像素100共用。信号线7是传输由像素100的像素电路产生的图像信号的信号线，其针对像素阵列单元2的每一列布置，并且被布线为被布置在每一列中的像素100共用。这些光电转换单元和像素电路形成在半导体基板中。
此外，相位差像素200是检测被摄体的相位差的像素。图中像素阵列单元2的阴影矩形表示相位差像素200。该相位差像素200进行光瞳分割，并且相邻的两个相位差像素200成对布置。与像素100类似，在相位差像素200中也布置有光电转换单元和像素电路，并且连接信号线6和7。
垂直驱动单元3为像素100和相位差像素200的像素电路产生控制信号。该垂直驱动单元3通过图中的信号线6将产生的控制信号传输到像素100。列信号处理单元4处理由像素100和相位差像素200产生的图像信号。该列信号处理单元4处理经由图中的信号线7从像素100传输的图像信号。列信号处理单元4中的处理对应于例如用于将像素100和相位差像素200中产生的模拟图像信号转换为数字图像信号的模数转换。列信号处理单元4处理后的图像信号作为摄像元件1的图像信号输出。控制单元5控制整个摄像元件1，该控制单元5通过产生和输出用于控制垂直驱动单元3和列信号处理单元4的控制信号来控制摄像元件1。控制单元5产生的控制信号分别通过信号线8和9传输到垂直驱动单元3和列信号处理单元4。注意，列信号处理单元4是权利要求中描述的处理电路的示例。
[像素的电路构造]
图2是图示根据本公开第一实施例的像素的构造示例的电路图。该图是示出像素100的构造示例的电路图。图中的像素100包括光电转换单元11、电荷传输单元12、电荷保持单元21以及MOS晶体管22至24。注意，在图中，假设电荷传输单元12是MOS晶体管。
光电转换单元11的阳极接地，并且阴极连接电荷传输单元12的源极。电荷传输单元12的漏极连接MOS晶体管22的源极、MOS的晶体管23的栅极和电荷保持单元21的一端。电荷保持单元21的另一端接地。MOS晶体管22和23的漏极共同连接到电源线Vdd，MOS晶体管23的源极连接到MOS晶体管24的漏极。MOS晶体管24的源极连接到信号线7。电荷传输单元12和MOS晶体管22和24的栅极分别连接到传输信号线TR、复位信号线RST和选择信号线SEL。注意，传输信号线TR、复位信号线RST和选择信号线SEL构成信号线6。
如上所述，光电转换单元11产生对应于照射光的电荷。作为该光电转换单元11，可以使用光电二极管。此外，电荷保持单元21和MOS晶体管22至24构成像素电路20。
电荷传输单元12是用于将通过光电转换单元11的光电转换产生的电荷传输至电荷保持单元21的晶体管。电荷传输单元12中的电荷的传输由传输信号线TR传输的信号控制。电荷保持单元21是保持电荷传输单元12传输的电荷的电容器。MOS晶体管23是产生基于电荷保持单元21中保持的电荷的信号的晶体管。MOS晶体管24是将由MOS晶体管23产生的信号作为图像信号输出到信号线7的晶体管。该MOS晶体管24由通过选择信号线SEL传输的信号控制。
MOS晶体管22是通过将电荷保持单元21中保持的电荷释放到电源线Vdd来复位电荷保持单元21的晶体管。该MOS晶体管22的复位由通过复位信号线RST传输的电荷控制，并在电荷传输单元12传输电荷之前执行。需要说明的是，在这样的复位时，光电转换单元11也可以通过电连接电荷传输单元12而被复位。以此方式，像素电路20将由光电转换单元11产生的电荷转换为图像信号。
注意，像素电路20是基于光电转换单元11产生且由电荷传输单元12传输的电荷产生图像信号的电路。注意，图中的电路构造也可以应用于相位差像素200。
[像素的构造]
图3是示出根据本公开第一实施例的像素的构造示例的剖视图。该图是示出像素100的构造示例的示意性剖视图。图中的像素100包括半导体基板110、布线区域130、固定电荷膜141、分隔单元142、遮光膜143、滤色器150、平坦化膜144和片上透镜181。
半导体基板110是形成有像素100的光电转换单元11、像素电路20的元件的扩散区域等的半导体基板。该半导体基板110可以包括例如硅(Si)。光电转换单元11和像素电路20的元件的扩散区域布置在形成于半导体基板110中的阱区域(well region)中。为了方便，假设图中的半导体基板110被构造在p型阱区域。通过在作为p型阱区域的半导体基板110中布置n型半导体区域，可以形成光电转换单元11等。半导体基板110内部的矩形表示n型半导体区域。在半导体基板110的正面侧，形成下文将说明的布线区域130。
光电转换单元11包括n型半导体区域111。具体地，由n型半导体区域111和周围的p型阱区域之间的界面处的pn结构成的光电二极管对应于光电转换单元11。当入射光照射时，在n型半导体区域111中发生光电转换。在通过该光电转换产生的电荷中，电子在n型半导体区域111中累积。注意，n型半导体区域111布置在半导体基板110的背面侧，并对照射在背面侧的入射光进行光电转换。这样的摄像元件1称为背照式摄像元件。
在半导体基板110的正面侧，形成有n型半导体区域112至115。此外，栅极电极122至124隔着栅极绝缘膜布置在半导体基板110的正面上。这些构成MOS晶体管22至24和电荷保持单元21，并构成像素电路20。
n型半导体区域112是构成电荷保持单元21的半导体区域。该n型半导体区域112被称为浮动扩散区域，并且保持由电荷传输单元12传输的电荷。此外，n型半导体区域112、n型半导体区域113和栅极电极122构成MOS晶体管22。n型半导体区域112和113分别对应于MOS晶体管22的源极和漏极。n型半导体区域112和113之间的栅极电极122附近的阱区域对应于MOS晶体管22的沟道区域。
此外，n型半导体区域113、n型半导体区域114和栅极电极123构成MOS晶体管23。n型半导体区域113和114分别对应于MOS晶体管23的漏极和源极。此外，n型半导体区域114、n型半导体区域115和栅极电极124构成MOS晶体管24。n型半导体区域114和115分别对应于MOS晶体管24的漏极和源极。
此外，电荷传输单元12为包括n型半导体区域111、n型半导体区域112和栅极电极121的MOS晶体管。n型半导体区域111和112分别对应电荷传输单元12的源极和漏极。栅极电极121形成为隔着栅极绝缘膜将电极埋入在形成于半导体基板110中的孔中的形状，并且布置在n型半导体区域111和112附近。通过施加到栅极电极121的栅极电压，在栅极电极121附近的阱区域中形成沟道，并且使n型半导体区域111和112进入导通状态。结果，在光电转换单元11的n型半导体区域111中累积的电荷被传输到作为浮动扩散的n型半导体区域112。被构造为以这种方式在垂直于半导体基板110的方向上传输电荷的晶体管被称为垂直晶体管。栅极绝缘膜可以包括例如氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)或高介电膜。栅极电极121可以包括例如金属或多晶硅。
布线区域130是与半导体基板110的正面侧相邻地布置且形成有形成于半导体基板110中的元件的布线的区域。在布线区域130中，布置有绝缘层131和布线层132。布线层132是包括诸如铜(Cu)等金属并且被构造用于将信号传输到形成在半导体基板110中的元件等的布线。绝缘层131使布线层132绝缘。该绝缘层131可以包括，例如，SiO2。此外，绝缘层131和布线层132可以被构造为多层。注意，在图中，栅极电极122至124与半导体基板110之间的绝缘层131被称为栅极氧化膜。此外，在布线层132、半导体区域、栅极电极122等之间通过接触插塞(contact plug)133连接。
固定电荷膜141形成在半导体基板110的背面侧的界面处，以钉扎半导体基板110的界面态。该固定电荷膜141包括具有负固定电荷的材料，并在半导体基板110的界面附近累积空穴。界面态被该累积的空穴钉扎。结果，能够减少由界面态引起的暗电流的影响。
分隔单元142被布置成围绕像素100的半导体基板110的壁形状，以分隔半导体基板110。此外，分隔单元142屏蔽来自相邻像素100的入射光。这个分隔单元142可以通过在形成于半导体基板110中的凹槽中布置诸如钨(W)等金属而构造。图中的分隔单元142隔着固定电荷膜141布置在形成于半导体基板110中的凹槽中。
遮光膜143设置于半导体基板110的背面侧以遮蔽入射光。该遮光膜设置在像素100的边界处并且遮蔽透过相邻像素100的滤色器150的光。结果，能够防止混色的发生。类似于分隔单元142，遮光膜143可以包括金属，例如W等。
滤色器150是透射入射光中的预定波长的光的滤光器。作为该滤色器150，例如，可以在像素100中布置透射红光、绿光和蓝光的各滤色器150。此外，还可以在像素100中布置透射红外光的滤色器150。
平坦化膜144是将像素100的形成有滤色器150的背面侧平坦化的膜。该平坦化膜144可以包括涂覆型绝缘材料。
片上透镜181是将入射光聚光的镜头。该片上透镜181形成为半球状，并将入射光会聚在半导体基板110的光电转换单元11(n型半导体区域111)上。图中的片上透镜181经由滤色器150会聚入射光150。片上透镜181可包括例如折射率为1.0至1.3的有机材料。请注意，片上透镜181是权利要求中说明的单独片上透镜的示例。
注意，在相位差像素200中，布置了稍后说明的共用片上透镜182来代替片上透镜181。相位差像素200的其他构造可以类似于像素100的构造。
[像素阵列单元的构造]
图4是示出根据本公开第一实施例的像素阵列单元的构造示例的视图。该图是示出像素阵列单元2中的像素100和相位差像素200的构造示例的平面图。图中长虚线矩形表示像素100，短虚线矩形表示相位差像素200。此外，在像素100和相位差像素200中，带有斜线阴影的矩形表示像素电路20的区域。该像素电路20中的矩形表示电荷保持单元21的n型半导体区域112。此外，具有网格阴影的矩形表示垂直晶体管的栅极电极121。与像素电路20和栅极电极121相邻的矩形表示光电转换单元11的n型半导体区域111。电荷传输单元12的栅极电极121设置在像素100等的角部，并且n型半导体区域111和像素电路20分别相邻地布置。
像素100中的单点划线的圆圈表示片上透镜181。此外，相位差像素200中单点划线的卵形表示共用片上透镜182。如图所示，为每个像素100布置片上透镜181，并且为相邻的两个相位差像素200共同布置共用片上透镜182。注意，共用片上透镜182的形状不限于该示例。例如，共用片上透镜182也可以形成为椭圆形。图中相邻的两个相位差像素200沿相邻的方向进行光瞳分割。在图中的像素阵列单元2中，对被摄体进行横向光瞳分割。
光电转换单元11的n型半导体区域111的电荷通过被构造为垂直晶体管的电荷传输单元12在平面图中被改变了90度的方向上传输。该电荷传输单元12布置在与相位差像素200中的共用片上透镜182不重叠的区域中。即，包括具有无助于光电转换的栅极电极121的垂直晶体管的电荷传输单元12在入射光照射的表面上被布置在共用片上透镜182与片上透镜181之间的区域中。结果，这能够消除电荷传输单元12对于相位差像素200中的共用片上透镜182对入射光的聚光的影响。这是因为电荷传输单元12的栅极电极121不遮蔽由共用片上透镜182会聚的入射光的光路。
[相位差像素的构造]
图5是示出根据本公开第一实施例的相位差像素的构造示例的剖视图。该图是示出相位差像素200的构造示例的剖视图，并且是沿图4中a-a'线截取的剖视图。
如上所述，共用片上透镜182被布置为两个相位差像素200的共用片上透镜。此外，共用片上透镜182在半导体基板110的背面附近在两个相位差像素200之间形成焦点。结果，已经通过摄像镜头左侧的来自被摄体的入射光进入右侧相位差像素200的光电转换单元11(n型半导体区域111)，并且通过摄像镜头右侧的入射光进入左侧相位差像素200的光电转换单元11。图中实线箭头表示通过摄像镜头左侧的入射光301，虚线箭头表示通过摄像镜头右侧的入射光302。以这种方式，通过将共用片上透镜182布置在相邻的两个相位差像素200中，可以进行光瞳分割，从并检测出相位差。
注意，已经通过在半导体基板110的背面附近的位于两个相位差像素200之间的焦点的来自被摄体的光进入n型半导体区域111并且被光电转换。当在入射光到达的n型半导体区域111的附近布置诸如电荷传输单元12的栅极电极121等无助于光电转换的结构时，会阻碍入射光的光电转换。此外，当在两个相位差像素200中不对称地布置这种结构时，两个相位差像素200之间会出现灵敏度差异，并且在图像信号输出中会出现差异。由于产生了并非由入射光的相位差导致的图像信号的差异，因此出现相位差检测的误差。
即使在无助于光电转换的结构布置在光电转换单元11的附近的情况下，通过将两个相位差像素200构造为完全对称，认为不会产生图像信号之间的差异。然而，完全对称地构造两个相位差像素200很困难。此外，在布置在像素阵列单元2的外围边缘部分的相位差像素200中，图像高度增加，并且入射光倾斜地进入相位差像素200。因此，无助于光电转换的结构的影响增大。因此，如上述图4中所示，具有作为无助于光电转换的结构的栅极电极121的电荷传输单元12被布置在与布置有共用片上透镜182的区域不同的区域中。结果，能够减小两个相位差像素200的图像信号的输出差异。同样，在这种情况下，通过对称地构造两个相位差像素200，能够进一步减小两个相位差像素200的图像信号的输出差异。
如上所述，根据本公开第一实施例的摄像元件1包括布置有共用片上透镜182的两个相位差像素200。在根据本公开第一实施例的摄像元件1中，具有作为无助于光电转换的结构的栅极电极121的电荷传输单元12被布置在共用片上透镜182与像素100的片上透镜181之间。结果，能够减小相位差像素200的图像信号的差异，并且能够减小相位差像素200的相位差检测的误差。
<2.第二实施例>
在上述第一实施例的摄像元件1中，两个相位差像素200彼此相邻地布置。另一方面，本公开第二实施例的摄像元件1与上述第一实施例的不同之处在于，在半导体基板110中在相邻的两个相位差像素200之间布置有分隔单元。
[相位差像素的构造]
图6是示出根据本公开第二实施例的相位差像素的构造示例的剖视图。与图5类似，该图是示出相位差像素200的构造示例的剖视图。与图5中描述的相位差像素200的不同之处在于，在半导体基板110中在两个相位差像素200之间布置了分隔单元142。
在图中的相位差像素200中，分隔单元142布置在半导体基板110的各个n型半导体区域111之间的阱区域中。因此，可以减少来自相邻的相位差像素200的入射光的泄漏和电荷的泄漏。
除此以外的摄像元件1的结构与本公开的第一实施例中描述的摄像元件1的结构类似，在此不再赘述。
如上所述，在根据本公开的第二实施例的摄像元件1中，通过在半导体基板110中在两个相位差像素200之间布置分隔单元142，能够减少入射光的泄漏等，并且能够减少产生图像信号的差异。能够进一步减少相位差检测的误差。
<3.第三实施例>
在上述第一实施例的摄像元件1中，针对每个像素100和相位差像素200布置像素电路20。另一方面，根据本公开第三实施例的摄像元件1与上述第一实施例的不同之处在于像素电路20由多个像素100等共享。
[像素的电路构造]
图7是示出根据本公开第三实施例的像素的构造示例的电路图。图中的像素100和相位差像素200与图2中描述的像素100和相位差像素200的不同之处在于像素电路20由多个像素100等共享。将使用像素100作为示例来说明电路构造。图中的像素100包括光电转换单元11和电荷传输单元12，并且像素电路20分开布置。该图表示其中像素电路20共同连接到四个像素100等(像素100a、100b和100c，以及相位差像素200a)的构造的示例。
像素100a、100b和100c和相位差像素200a的电荷传输单元12的漏极共同连接到像素电路20的电荷保持单元21。
通过依次向像素100a、100b、100c和相位差像素200a的各者的TR输入ON信号，由像素100a等的光电转换单元11产生的电荷依次传输至像素电路20。基于这些传输的电荷，能够依次产生图像信号。
[像素的构造]
图8是示出根据本公开第三实施例的像素的构造示例的剖视图。类似于图3，该图是示出像素100的构造示例的示意性剖视图。注意，在图中，附于附图标记的字符“a”和“b”对应于图7所示的不同像素100(像素100a和100b)。图中的像素100与图3中描述的像素100的不同之处在于以下几点。电荷保持单元21布置在像素100等之间。此外，多个电荷传输单元12(电荷传输单元12a和12b)共同连接到电荷保持单元21。即，电荷传输单元12a和12b的各自的栅极电极121a和121b靠近电荷保持单元21的n型半导体区域112布置。电荷保持单元21的n型半导体区域112构成了电荷传输单元12a和12b的共用漏极区域。注意，已经省略了除电荷保持单元21之外的像素电路20的说明。
[像素阵列单元的构造]
图9是示出根据本公开第三实施例的像素阵列单元的构造示例的视图。与图4类似，该图是示出像素阵列单元2中的像素100和相位差像素200的构造示例的平面图。与图4中描述的像素阵列单元2的不同之处在于：像素电路20布置在像素100等的外部区域中，并且是针对多个像素100中的各者而共同布置的。
像素电路20针对相邻的两行两列的像素100等共同布置。像素电路20的电荷保持单元21的n型半导体区域112布置在这四个像素100等的中央部。四个像素100等的这些栅极电极121靠近电荷保持单元21的n型半导体区域112布置。
同样地，在图中，栅极电极121布置在共用片上透镜182与片上透镜181之间。结果，能够减小两个相位差像素200的图像信号的输出差异。
由于除此以外的摄像元件1的结构与本公开的第一实施例中描述的摄像元件1的结构类似，在此不再赘述。
如上所述，在根据本公开第三实施例的摄像元件1中，像素电路20由多个像素100等共用。结果，能够简化像素100等的构造。
<4.第四实施例>
在上述第三实施例的摄像元件1中，光电转换单元11布置在像素100和相位差像素200的半导体基板110中。另一方面，根据本公开的第四实施例的摄像元件1与上述第一实施例的不同之处在于，还布置了被构造用于执行光电转换的光电转换膜。
[像素的电路构造]
图10是示出根据本公开的第四实施例的像素的构造示例的电路图。图中的像素100和相位差像素200与图7中描述的像素100和相位差像素200的不同之处在于，还布置了光电转换单元并且多个像素电路20被多个像素100等共享。将使用像素100作为示例来描述电路构造。图中像素100还包括光电转换单元13和开关元件14，且布置有多个像素电路20。该图示出了其中两个像素电路20(像素电路20a和20b)共同连接到四个像素100等(像素100a、100b和100c，以及相位差像素200a)的构造的示例。
光电转换单元13是通过在第一电极和第二电极之间夹入光电转换膜而构成的光电转换单元。在图中，光电转换单元13被构造为两端子元件，并基于光电转换产生电荷。此外，类似于电荷传输单元12，开关元件14是被构造为传输由光电转换单元13产生的电荷的元件。开关元件14被构造为三端子元件，包括输入端子、输出端子和控制信号端子。类似于电荷传输单元12的MOS晶体管，当控制信号输入到控制信号端子时，输入端子和输出端子进入导通状态。如下文所述，光电转换单元13和开关元件14一体地被构造在像素100等中。图中，为了方便起见，光电转换单元13和开关元件14被单独示出。此外，图中的像素100等中还设置有电源线Vou。该电源线Vou为向光电转换单元13提供偏置电压的电源线。此外，信号线6还包括向开关元件14的控制信号端子传输控制信号的信号线TR2。相应地，为了区别，将用于传输控制信号到电荷传输单元12的栅极的信号线改为信号线TR1。
像素100a、100b和100c以及相位差像素200a的电荷传输单元12的漏极共同连接到像素电路20a的电荷保持单元21。进一步地，光电转换单元13的一端连接至电源线Vou，另一端连接至开关元件14的输入端子。开关元件14的控制信号端子连接至信号线TR2。像素100a、100b和100c以及相位差像素200a的开关元件14的输出端子共同连接到像素电路20b的电荷保持单元21。
通过依次向像素100a、100b和100c以及和相位差像素200a中的各者的TR1输入ON信号，由像素100a等的光电转换单元11产生的电荷被依次传输到像素电路20a，并产生图像信号。类似地，通过依次向像素100a、100b和100c以及相位差像素200a中的各者的TR2输入控制信号，由像素100a等的光电转换单元13产生的电荷被依次传输到像素电路20b，并且产生图像信号。
[像素的构造]
图11是示出根据本公开第四实施例的像素的构造示例的剖视图。与图8类似，该图是示出像素100的构造示例的示意性剖视图。注意，在图中，附于附图标记的字符“a”、“b”和“c”对应于如图10所示的不同的像素100(像素100a、100b和100c)。图中的像素100与图8中描述的像素100的不同之处在于以下几点。电荷传输单元12包括MOS晶体管。此外，多个电荷传输单元12(电荷传输单元12a和12b)共同连接到电荷保持单元21a。即，电荷保持单元21a的n型半导体区域112构成了电荷传输单元12a和12b的共用漏极区域。图中的栅极电极125a和125b对应于这些电荷传输单元12的栅极。电荷保持单元21a对应于图10中描述的像素电路20a的电荷保持单元21。进一步地，还设置有光电转换单元19以及用于传输光电转换单元19产生的电荷的贯通电极139。进一步地，光电转换单元19与片上透镜181之间设有高折射率膜151。
光电转换单元19设置在半导体基板110的背面侧。具体地，光电转换单元19设置在平坦化膜144的区域内。该光电转换单元19包括第一电极163、绝缘膜162、光电转换膜164、第二电极165和电荷累积电极161。光电转换单元19通过层叠电荷累积电极161、绝缘膜162、光电转换膜164和第二电极165而形成。第一电极163、光电转换膜164和第二电极165是针对多个像素100等共同布置的，并且电荷累积电极161和绝缘膜162被单独地布置在像素中100等中。此外，第一电极163连接至针对多个像素100共同布置的光电转换膜164的中央部。注意，绝缘膜162也可以是针对多个像素100等共同布置的。
光电转换膜164是包含有机光电转换膜并且被构造用于执行入射光的光电转换的膜。该光电转换膜164可以包括例如含有罗丹明染料、三聚氰胺染料、喹吖啶酮、酞菁染料、香豆素染料或三-8羟基喹啉Al等的有机光电转换材料。此外，光电转换膜164可被构造为吸收入射光中具有特定波长的光，以进行光电转换。
第二电极165是与光电转换膜164相邻布置的电极。该第二电极165可以包括例如氧化铟锡(ITO)。绝缘膜162是在光电转换膜164与电荷累积电极161之间进行绝缘的膜。该绝缘膜162可以包括例如SiO2。电荷累积电极161是隔着绝缘膜162层叠在光电转换膜164上并向光电转换膜164施加电压的电极。该电荷累积电极161可以包括例如ITO。由光电转换膜164产生的电荷被输出至第一电极163。
注意，第二电极165和光电转换膜164对应于图10中描述的光电转换单元13。绝缘膜162、电荷累积电极161和第一电极163对应于图10中描述的开关元件14。
此外，第二电极165对应于连接到图10中描述的电源线Vou(未示出)的端子。此外，第一电极163对应图10中的开关元件14的输出端子。此外，电荷累积电极161对应于开关元件14的控制信号端子。注意，电荷累积电极161和第一电极163分别连接到布线168和169。
在摄像元件的曝光期间，电压高于电源线Vou的电压的控制信号被施加到电荷累积电极161。然后，由光电转换膜164的光电转换产生的电荷的电子被吸引向电荷累积电极161，并累积在光电转换膜164的隔着绝缘膜162靠近电荷累积电极161的区域中。此后，当光电转换产生的电荷被传输时，低于电源线Vou的电压的控制信号被施加到电荷积累电极161。结果，累积在光电转换膜164中的电荷(电子)移动到第一电极163并从布线169输出。
所述贯通电极139为贯穿半导体基板110的电极。该贯通电极139是被构造用于从半导体基板110的背面侧将电荷传输至正面侧的电极。例如，可以通过在形成于半导体基板110中的通孔中嵌入诸如金属等导电材料来形成贯通电极139。图中的贯通电极139等将光电转换单元19的布线169与布线区域130中的布线层132连接。如上所述地由光电转换单元19产生并传输至第一电极163的电荷经由贯通电极139被传输至半导体基板的正面侧。这些传输的电荷通过布线层132和接触插塞133进一步传输到n型半导体区域116。该n型半导体区域116构成图10中描述的像素电路20b的电荷保持单元21b。
高折射率膜151是具有高折射率的膜。光电转换单元19靠近片上透镜181布置。通过布置该高折射率膜151，可以使入射光的会聚位置靠近光电转换单元19。例如，对于高折射率膜151，可以使用氮化硅(SiN)。注意，可以省略高折射率膜151。
由于光电转换单元19布置在片上透镜181与半导体基板110之间，所以具有未被光电转换单元19吸收的波长的光由半导体基板110的光电转换单元11进行光电转换。例如，可以采用光电转换单元19进行可见光的光电转换，并且光电转换单元11进行红外光的光电转换的构造。此外，例如还可以采用光电转换单元19进行短波长可见光的光电转换，并且光电转换单元11进行长波长可见光的光电转换的构造。
[像素阵列单元的构造]
图12是示出根据本公开第四实施例的像素阵列单元的构造示例的视图。与图4类似，该图是示出像素阵列单元2中的像素100和相位差像素200的构造示例的平面图。与图4中描述的像素阵列单元2的不同之处在于：像素电路20a和20b布置在像素100等的外部区域中，并且是针对多个像素100中的各者共同布置的，并且还布置了贯通电极139。
像素电路20a是针对相邻的两行两列的像素100等共同布置的。像素电路20a的电荷保持单元21的n型半导体区域112布置在这四个像素100等的中央部。类似地，像素电路20b是针对相邻的两行两列的像素100等共同布置的。与像素电路20b相连的贯通电极139布置在四个像素100等的中央部。
在该图中，贯通电极139被布置在共用片上透镜182和片上透镜181之间。贯通电极139对应于布置在半导体基板110中并且无助于光电转换的结构。通过将该贯通电极139布置在与布置有共用片上透镜182的区域不同的区域中，能够减小两个相位差像素200的图像信号的输出差异。
注意，像素100等的构造不限于该示例。例如，由光电转换膜构成的光电转换单元可以是其中省略了电荷累积电极161的两端子型。即使在这种情况下，贯通电极139仍被布置在共用片上透镜182与片上透镜181之间。
由于摄像元件1的除上述以外的构造与本公开的第一实施例中描述的摄像元件1的构造类似，在此不再赘述。
如上所述，在根据本公开第四实施例的摄像元件1中，作为无助于光电转换的结构的贯通电极139被布置在共用片上透镜182与像素100的片上透镜181之间。结果，能够减小相位差像素200的图像信号的差异，并且能够减小相位差像素200的相位差检测的误差。
<5.第五实施例>
在上述第四实施例的摄像元件1中，在半导体基板110的背面侧上布置有包括光电转换膜的光电光电转换单元19。另一方面，根据本公开的第五实施例的摄像元件1与上述第四实施例的不同之处在于，滤色器布置在片上透镜和光电转换单元19之间。
[像素的构造]
图13是示出根据本公开第五实施例的像素的构造示例的剖视图。与图11类似，该图是示出像素100的构造示例的示意性剖视图。图中的像素100与图11中的像素100的不同之处在于滤色器150布置在光电转换单元19的的第二电极165与高折射率膜151之间。
作为滤色器150，例如可以使用屏蔽红外光或紫外光的滤色器。该构造使得可以减少被构造为执行可见光成像的摄像元件中由于红外光等引起的误差。
摄像元件1的除上述以外的构造与本公开第四实施例所述的摄像元件1的构造类似，在此不再赘述。
如上所述，本公开的第五实施例的光电转换单元1通过在片上透镜181与光电转换单元19之间设置滤色器150，能够降低可见光的图像信号的误差。
<6.第六实施例>
在上述第五实施例的摄像元件1中，滤色器150设置在片上透镜181与光电转换单元19之间。另一方面，本公开的第六实施例的摄像元件1与上述第五实施例的不同之处在于，滤色器布置在光电转换单元19与半导体基板110之间。
图14是示出根据本公开第六实施例的像素的构造示例的剖视图。与图13类似，该图是示出像素100的构造示例的示意性剖视图。图中像素100与图13中的像素100的不同之处在于，滤色器150布置在平坦化膜144与固定电荷膜141之间。
图中的滤色器150设置在光电转换单元19与半导体基板110之间，并且透过光电转换单元19的光入射到图中的滤色器150上。因此，可以使用滤色器来屏蔽未被光电转换单元19吸收的光中的具有如下波长的光，所述波长不是半导体基板110的光电转换单元11的光电转换的目标。例如，当光电转换单元19吸收绿光以进行光电转换时，可以使用屏蔽绿光的滤色器150。该构造使得能够减少由半导体基板110的光电转换单元11产生的图像信号的误差。
摄像元件1的除上述以外的结构与本公开第五实施例所述的摄像元件1的结构类似，在此不再赘述。
如上所述，通过在光电转换单元19与半导体基板110之间布置滤色器150，根据本公开的第六实施例的光电转换单元1能够减少在半导体基板110的光电转换单元11中产生的图像信号的误差。
<7.第七实施例>
在上述第四实施例的摄像元件1中，光电转换单元11布置在半导体基板110中。另一方面，根据本公开的第七实施例的摄像元件1与上述第四实施例的不同之处在于，还设置有布置在半导体基板110上的光电转换单元。
[像素的电路构造]
图15是示出根据本公开的第七实施例的像素的构造示例的电路图。图中的像素100和相位差像素200与图10中描述的像素100和相位差像素200的不同之处在于还布置有光电转换单元。将使用像素100作为示例来描述电路构造。图中的像素100与图10中描述的像素100的不同之处在于，还设置了光电转换单元15和电荷传输单元16，并且还设置了像素电路20c。
与光电转换单元11类似，光电转换单元15包括形成在半导体基板110中的光电二极管。此外，电荷传输单元16包括类似于电荷传输单元12的MOS晶体管。此外，信号线6还包括信号线TR3，其将控制信号传输到电荷传输单元16的栅极。
光电转换单元15的阳极接地，并且阴极连接到电荷传输单元16的源极。电荷传输单元16的栅极连接到信号线TR3。像素100a、100b和100c以及相位差像素200a的电荷传输单元16的漏极共同连接到像素电路20c的电荷保持单元21c。
图16是示出根据本公开的第七实施例的像素的构造示例的剖视图。与图11类似，该图是像素10的构造示例的示意图。图中的像素100与图11中描述的像素100的不同之处在于还设置了光电转换单元15、电荷传输单元16以及滤色器150。
光电转换单元15设置在半导体基板110的背面附近。具体地，构成光电转换单元15的n型半导体区域117形成在半导体基板110的背面侧的浅区域中。另一方面，光电转换单元11的n型半导体区域111形成于半导体基板110的深区域中。即，n型半导体区域111布置在半导体基板110的正面附近。
布置在半导体基板110中的n型半导体区域118是构成像素电路20c的电荷保持单元21c的半导体区域。
电荷传输单元16与光电转换单元15的n型半导体区域117相邻地布置。该电荷传输单元16与图3中描述的电荷传输单元12类似地被构造为垂直晶体管。电荷传输单元16包括栅极电极126。电荷传输单元16将布置在半导体基板110的背面的光电转换单元15产生的电荷传输到布置在半导体基板110的正面侧的电荷保持单元21的半导体区域118。
由于包括光电转换膜的光电转换单元19布置在最靠近片上透镜181的区域中，因此能够采用通过吸收具有短波长的光(例如，蓝光)来执行光电转换的构造。由于光电转换单元15布置在距离半导体基板110的背面较浅的区域中，光电转换单元15对透过光电转换单元19的入射光中的波长相对较短的光(例如绿光)进行光电转换。另一方面，光电转换单元11布置距离半导体基板110的背面的较深的区域，并对到达半导体基板110的较深的区域的诸如红光、红外光等光进行光电转换。如上所述，图中的像素100可以对三个波长范围内的入射光进行光电转换，并产生对应于每种光的图像信号。
注意，作为滤色器150，可以使用屏蔽紫外光的滤色器。此外，当光电转换单元11仅进行红光的光电转换时，可以使用屏蔽红外光的滤色器150。
[像素阵列单元的构造]
图17是示出根据本公开的第七实施例的像素阵列单元的构造示例的视图。与图12类似，该图是示出像素阵列单元2中的像素100和相位差像素200的构造示例的平面图。与图12中描述的像素阵列单元2的不同之处在于进一步布置有像素电路20c并进一步布置有栅极电极126。
图中的像素电路20a布置在从图12中的像素电路20a偏移一个像素的位置处。像素电路20c布置在图12中布置像素电路20a的位置处。四个栅极电极126与该像素电路20c的电荷保持单元的n型半导体区域118相邻地布置。
像素电路20a、20b和20c的电荷保持单元21都共同连接到四个像素100等的光电转换单元11等。
如图所示，在共用片上透镜182与片上透镜181之间的区域内布置有无助于光电转换的贯通电极139和栅极电极126(电荷传输单元16)。此外，像素电路20a、20b和20c的电荷保持单元21都由四个像素100等共享并连接。如此一来，n型半导体区域112、贯通电极139和栅极电极126可以分别设置在四个像素100等的中心。结果，能够减小两个相位差像素200的图像信号的输出差异。
摄像元件1的除上述以外的构造与本公开第四实施例所述的摄像元件1的构造类似，在此不再赘述。
如上所述，在根据本公开的第七实施例的摄像元件1中，作为无助于光电转换的结构的具有栅极电极121的电荷传输单元16和贯通电极139被布置在共用片上透镜182与像素100的片上透镜181之间。结果，能够减小相位差像素200的图像信号的差异，并且能够减小相位差像素200的相位差检测的误差。
注意，第二实施例的相位差像素200的构造可以与第三至第七实施例的构造组合。即，分隔单元142可以布置在第三至第七实施例的相位差像素200之间的半导体基板110中。
<8.相机的应用示例>
根据本公开的技术(本技术)可以应用于各种产品。例如，本技术可以被实现为安装在诸如相机等摄像装置上的摄像元件。
图18是示出作为可以应用本技术的摄像装置的示例的相机的示意性构造示例的框图。图中的相机1000包括镜头1001、摄像元件1002、摄像控制单元1003、镜头驱动单元1004、图像处理单元1005、操作输入单元1006、帧存储器1007、显示单元1008、以及记录单元1009。
镜头1001是相机1000的摄像镜头。该镜头1001将来自被摄体的光会聚并使光进入下文将要说明的摄像元件1002以形成被摄体的图像。
摄像元件1002是拍摄由镜头1001收集的来自被摄体的光的半导体元件。该摄像元件1002产生与照射光对应的模拟图像信号，转换为数字图像信号并输出。
摄像控制单元1003控制摄像元件1002中的摄像。该摄像控制单元1003通过产生控制信号并将其输出到摄像元件1002来控制摄像元件1002。此外，摄像控制单元1003可以基于从摄像元件1002输出的图像信号在相机1000中执行自动聚焦。这里，自动聚焦是检测镜头1001的焦点位置并自动调整焦点位置的系统。作为该自动聚焦，还能够使用通过使用布置在摄像元件1002中的相位差像素来检测像平面相位差而检测焦点位置的方法(像平面相位差自动聚焦)。此外，还可以应用将图像的对比度最高的位置作为焦点位置的检测方法(对比度自动聚焦)。摄像控制单元1003基于检测到的焦点位置经由镜头驱动单元1004调整镜头1001的位置，并进行自动聚焦。注意，摄像控制单元1003可以包括例如配备有固件的数字信号处理器(DSP)。
镜头驱动单元1004基于摄像控制单元1003的控制来驱动镜头1001。该镜头驱动单元1004可以通过使用内置马达改变镜头1001的位置来驱动镜头1001。
图像处理单元1005处理由摄像元件1002产生的图像信号。该处理对应于例如产生每个像素的对应于红色、绿色和蓝色的图像信号之中颜色不足的图像信号的去马赛克、用于去除图像信号的噪声的降噪、图像信号的编码等。图像处理单元1005可以由例如配备有固件的微型计算机构成。
操作输入单元1006接收来自相机1000的用户的操作输入。作为该操作输入单元1006，例如，可以使用按钮或触摸面板。操作输入单元1006接收到的操作输入被传输到摄像控制单元1003和图像处理单元1005。此后，开始根据操作输入的处理，例如拍摄被摄体等。
帧存储器1007是存储作为一个画面的图像信号的帧的存储器。该帧存储器1007由图像处理单元1005控制并且在图像处理的过程中保持帧。
显示单元1008显示由图像处理单元1005处理的图像。例如，液晶面板可以用作该显示单元1008。
记录单元1009记录由图像处理单元1005处理的图像。例如，存储卡或硬盘可以用作该记录单元1009。
上面已经描述了可以应用本公开的相机。本技术可以应用于上述构造中的摄像元件1002。具体地，可以将图1中描述的摄像元件1应用于摄像元件1002。通过将摄像元件1应用于摄像元件1002，可以减少相位差检测中的误差，并且防止执行自动聚焦时图像的图像质量劣化。相机1000是权利要求中描述的摄像装置的示例。图像处理单元1005是权利要求中描述的处理电路的示例。
注意，这里，已经将相机描述为示例，但是根据本公开的技术可以应用于例如监控设备等。此外，除了诸如相机的电子设备之外，本公开还可以应用于半导体模块形式的半导体设备。具体地，根据本公开的技术还可以应用于作为半导体模块的摄像模块，其中，图18中的摄像元件1002和摄像控制单元1003被封装在一个封装体中。
<9.内窥镜手术系统的应用示例>
根据本公开的技术可以应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以应用于内窥镜手术系统。
图19是示出可以应用根据本公开的技术的内窥镜手术系统的示意性构造的示例的视图。
图19示出了操作者(医生)11131通过使用内窥镜手术系统11000对病床11133上的患者11132进行手术的状态。如图所示，内窥镜手术系统11000包括：内窥镜11100；诸如气腹管11111和能量治疗器具11112等其他手术工具11110；支撑内窥镜11100的支撑臂设备11120；以及安装有用于内窥镜手术的各种设备的推车11200。
内窥镜11100包括镜筒11101，该镜筒具有从其远端起预定长度的区域以插入患者11132的体腔中；以及连接到该镜筒11101的近端的摄像头11102。在该示例中，示出了被构造为具有刚性镜筒11101的所谓刚性内窥镜的内窥镜11100，但是内窥镜11100可以被构造为具有柔性镜筒的所谓柔性内窥镜。
在镜筒11101的远端，设置了装配有物镜的开口。内窥镜11100与光源设备11203连接，并且由光源设备11203产生的光通过在镜筒11101内部延伸的光导被引入到镜筒的远端，并且经由物镜朝着患者11132的体腔中的观察目标照射。注意，内窥镜11100可以是前视内窥镜、或者可以是斜视内窥镜或侧视内窥镜。
在摄像头11102内部，设置有光学系统和摄像元件，并且来自观察目标的反射光(观察光)被光学系统会聚在摄像元件上。观察光由摄像元件进行光电转换，并且产生对应于观察光的电信号，换言之，产生对应于观察图像的图像信号。图像信号被传输到相机控制单元(CCU)11201作为RAW数据。
CCU 11201由中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)等构造，并且整体地控制内窥镜11100和显示设备11202的动作。此外，CCU 11201从摄像头11102接收图像信号，并对图像信号应用各种类型的图像处理以基于图像信号显示图像，例如显影处理(去马赛克处理)等。
在CCU 11201的控制下，显示设备11202基于经过CCU 11201的图像处理的图像信号来显示图像。
例如，光源设备11203由诸如发光二极管(LED)等光源构成，将拍摄手术部位等图像时的照射光提供给内窥镜11100。
输入设备11204是针对内手术镜手术系统11000的输入接口。用户可以通过输入设备11204向内窥镜手术系统11000输入各种类型的信息和输入指令。例如，用户输入指令等以改变内窥镜11100的摄像条件(照射光的类型、放大率、焦距等)。
治疗工具控制设备11205控制能量治疗工具11112的驱动，用于组织的烧灼、切割、血管的密封等。气腹器11206通过气腹管11111将气体送入体腔，以对患者11132的体腔进行充气，从而确保内窥镜11100的视野并确保操作者的工作空间。记录器11207是能够记录关于手术的各种类型的信息的设备。打印机11208是能够以诸如文本、图像和图表等各种形式打印与手术有关的各种类型的信息的设备。
注意，向内窥镜11100提供用于拍摄手术部位的图像的照射光的光源设备11203可以包括例如由LED构成的白色光源、激光光源或其组合。在白色光源由RGB激光光源的组合构成的情况下，由于可以高精度地控制每种颜色(每种波长)的输出强度和输出时序，所以光源设备11203可以调整捕获图像的白平衡。此外，在这种情况下，还可以通过将来自每个RGB激光源的激光以时分方式照射观察目标，并与照射时序同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动，从而以时分方式拍摄对应于每个RGB的图像。根据该方法，可以在不为摄像元件设置滤色器的情况下获得彩色图像。
此外，可以控制光源设备11203的驱动以每隔预定时间改变要输出的光的强度。通过与光强变化的时序同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动，以时分方式获取图像，并且组合这些图像，可以产生没有所谓的黑色缺陷和白色溢出的高动态范围的图像。
此外，光源设备11203可以被构造为提供与特殊光观察相对应的预定波长带的光。在特殊光观察中，例如，进行所谓的窄带成像，其中通过利用身体组织中光吸收的波长依赖性，用与正常观察时的照射光(即白光)相比的窄带光照射预定组织，以高对比度对例如粘膜表层中的血管等预定组织成像。可替代地，在特殊光的观察中，可以执行通过使用照射激发光而产生的荧光来获取图像的荧光观察。在荧光观察中，可以用激发光照射身体组织并观察来自身体组织的荧光(自发荧光观察)，或者将诸如吲哚菁绿(ICG)等试剂局部注入身体组织中，并用对应于试剂的荧光波长的激发光照射身体组织以获得荧光图像等。光源设备11203可以被构造为提供与这种特殊光观察相对应的窄带光和/或激发光。
图20是示出图19中所示的摄像头11102和CCU 11201的功能构造的示例的框图。
摄像头11102包括镜头单元11401、摄像单元11402、驱动单元11403、通信单元11404和摄像头控制单元11405。CCU 11201具有通信单元11411、图像处理单元11412和控制单元11413。摄像头11102和CCU 11201通过传输电缆11400双向连接。
镜头单元11401是设置在与镜筒11101的连接部的光学系统。从镜筒11101的末端入射的观察光被引导至摄像头11102，并被引入到镜头单元11401中。通过组合包括变焦镜头和聚焦镜头的多个镜头来构造镜头单元11401。
摄像单元11402包括摄像元件。摄像单元11402中包括的摄像元件的数量可以是一个(所谓的单板型)或多个(所谓的多板型)。例如，在摄像单元11402被构造为多板型的情况下，各个摄像元件可以分别产生对应于RGB的图像信号，并且可以通过合成它们来获得彩色图像。可选择的，摄像单元11402可以具有一对摄像元件，用于分别获取对应于三维(3D)显示的右眼和左眼的图像信号。进行3D显示使得操作者11131可以更准确地掌握手术部位的生物组织的深度。注意，在摄像单元11402被构造为多板型的情况下，还设置对应于各个摄像元件的多个系统的镜头单元11401。
此外，摄像单元11402可以不必设置在摄像头11102中。例如，摄像单元11402可以设置在镜筒11101内紧接物镜的后方。
驱动单元11403由致动器构成，在摄像头控制单元11405的控制下将镜头单元11401的变焦镜头和聚焦镜头沿光轴移动预定距离。通过该构造，可以适当地调整由摄像单元11402所拍摄图像的放大率和焦点。
通信单元11404由用于在与CCU 11201之间交换各种类型的信息的通信设备构造。通信单元11404通过传输电缆11400将从摄像单元11402获得的图像信号传输到CCU 11201作为RAW数据。
另外，通信单元11404从CCU 11201接收用于控制摄像头11102的驱动的控制信号，并提供给摄像头控制单元11405。控制信号包括关于摄像条件的信息，例如指定拍摄图像的帧频的信息、指定摄像时的曝光值的信息、指定拍摄图像的放大率和焦点的信息等。
注意，上述诸如帧率、曝光值、放大率或焦点等摄像条件可以由用户适当指定，或者可以由CCU 11201的控制单元11413基于获取的图像信号自动设置。在后一种情况下，所谓的自动曝光(AE)功能、自动聚焦(AF)功能和自动白平衡(AWB)功能被安装在内窥镜11100中。
摄像头控制单元11405基于经由通信单元11404从CCU 11201接收的控制信号来控制摄像头11102的驱动。
通信单元11411由用于与摄像头11102交换各种类型的信息的通信设备构成。通信单元11411从摄像头11102接收经由传输电缆11400传输的图像信号。
此外，通信单元11411将用于控制摄像头11102的驱动的控制信号发送到摄像头11102。图像信号和控制信号可以通过电信、光通信等传输。
图像处理单元11412对作为从摄像头11102发送的RAW数据的图像信号进行各种类型的图像处理。
控制单元11413进行各种类型的控制，该控制与通过内窥镜11100对手术部位等摄影相关、并与通过手术部位的摄影等得到的拍摄图像的显示相关。例如，控制单元11413产生用于控制摄像头11102的驱动的控制信号。
此外，控制单元11413基于经过图像处理单元11412的图像处理的图像信号，使显示设备11202显示其中示出手术部位等的捕获图像。此时，控制单元11413通过使用各种图像识别技术来识别捕获图像中的各种对象。例如，通过检测包括在捕获图像中的对象的边缘的形状、颜色等，控制单元11413可以识别手术器械，例如镊子、特定的活体部位、出血、使用能量治疗工具11112时的雾等。当使显示设备11202显示拍摄的图像时，控制单元11413可以使用识别结果在手术部位的图像上叠加并显示各种类型的手术支持信息。通过叠加显示手术支持信息并呈现给操作者11131，可以减轻操作者11131的负担并且允许操作者11131可靠地进行手术。
连接摄像头11102和CCU 11201的传输电缆11400是对应于电信号通信的电信号电缆、对应于光通信的光纤、或者其复合电缆。
这里，尽管在所示的示例中，通过使用传输电缆11400以有线通信来执行通信，但是摄像头11102与CCU 11201之间的通信可以通过无线通信来执行。
上面已经说明了可以应用根据本公开的技术的内窥镜手术系统的一个示例。根据本公开的技术可以应用于上述构造中的摄像头11102的摄像单元11402。具体地，可以将图1中的摄像元件1应用于摄像单元10402。例如，通过将根据本公开的技术应用于摄像单元10402，能够获得更清晰的手术部位的图像，从而使得操作者能够可靠地检查手术部位。
注意，这里，已经将内窥镜手术系统作为示例进行了描述，但是根据本公开的技术可以应用于其他，例如显微手术系统等。
<10.移动体的应用示例>
根据本公开的技术可以应用于各种产品。例如，根据本公开的技术能够以将被装备到诸如汽车、电动汽车、混合动力汽车、摩托车、自行车、个人移动体、飞机、无人机、船只、机器人等任何移动体的设备来实现。
图21是示出车辆控制系统的示意性构造示例的框图，车辆控制系统是可以应用根据本公开的技术的移动体控制系统的示例。
车辆控制系统12000包括通过通信网络12001相互连接的多个电子控制单元。在图21所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。此外，作为集成控制单元12050的功能构造，示出了微型计算机12051、声音/图像输出单元12052和车载网络接口(I/F)12053。
驱动系统控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动系统相关的设备的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作如下设备的控制装置：诸如内燃机或驱动马达等产生车辆的驱动力的驱动力产生设备；用于将驱动力传递至车轮的驱动力传递机构；调节车辆的转向角度的转向机构；和产生车辆制动力的制动设备等。
车身系统控制单元12020根据各种程序控制车身上安装的设备的操作。例如，车身系统控制单元12020用作用于无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗设备或诸如前照灯、倒车灯、刹车灯、转变指示器和雾灯等各种灯的控制设备。在这种情况下，车身系统控制单元12020可以输入无线电波或从代替钥匙的便携式设备发送的各种开关的信号。车身系统控制单元12020接收输入的这些无线电波或信号，并控制车辆的门锁设备、电动车窗设备、灯等。
车外信息检测单元12030检测关于装备有车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，在车外信息检测单元12030上连接有摄像单元12031。车外信息检测单元12030使摄像单元12031拍摄车辆外部的图像，并接收所拍摄的图像。车外信息检测单元12030可以基于所接收的图像对人、车辆、障碍物、标志、道路表面上的字母等物体执行检测处理或距离检测处理。
摄像单元12031是接收光并且输出与接收的光的光量相对应的电信号的光学传感器。摄像单元12031可以输出电信号作为图像或可以输出电信号作为距离测量信息。另外，由摄像单元12031接收的光可以是可见光，或者红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测车辆内部的信息。车内信息检测单元12040例如与检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测单元12041连接。驾驶员状态检测单元12041可以包括例如对驾驶员进行拍摄的相机，并且基于从驾驶员状态检测单元12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳程度或专注程度，或者可以判断驾驶员是否睡着。
根据车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的车辆内外信息，微型计算机12051可以操作驱动力产生设备、转向机构或制动设备的控制目标值，并向驱动系统控制单元12010输出控制指令。例如，微型计算机12051可以执行协同控制，以实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)功能，该功能包括车辆的的碰撞避免或撞击减轻、基于车辆间距的跟随驾驶、定速巡航、车辆碰撞预警、车辆偏离车道预警等。
此外，通过控制驱动力产生设备、转向机构、制动设备等，基于通过车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的车辆周围的信息，微型计算机12051可以进行协同控制以用于例如以自动驾驶为目的的自主行驶，而不依赖于驾驶员的操作。
另外，微型计算机12051可以基于车外信息检测单元12030获得的车辆外部的信息将控制命令输出到车身系统控制单元12020。例如，微型计算机12051可以根据车外信息检测单元12030检测到的前车或对向来车的位置来控制前照灯，并进行用于防眩目的协同控制，例如切换远光灯到近光灯。
声音/图像输出单元12052将声音或图像中的至少一者的输出信号传输到能够在视觉上或听觉上将信息通知给车辆的乘员或车辆的外部的输出设备。在图21的示例中，音频扬声器12061、显示单元12062和仪表盘12063被示为输出设备。显示单元12062可以例如包括车载显示器或平视显示器。
图22是示出摄像单元12031的安装位置的示例的图。
在图22中，作为摄像单元12031，车辆12100包括摄像单元12101、12102、12103、12104和12105。
摄像单元12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100的前鼻、后视镜、后保险杠或后门、挡风玻璃的上部等。设置在前鼻的摄像单元12101和设置在车舱内的挡风玻璃的上部的摄像单元12105主要获得车辆12100的前部的图像。设置在后视镜的摄像单元12102和12103主要获得车辆12100侧面的图像。设置在后保险杠或后门上的摄像单元12104主要获得车辆12100后的图像。摄像单元12101和12105获取的前方图像主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、红绿灯、交通标志、车道等。
注意，图22示出了摄像单元12101至12104的图像拍摄范围的示例。摄像范围12111表示设置在前鼻部的摄像单元12101的摄像范围，摄像范围12112和12113表示分别设置在后视镜处的摄像单元12102和12103的摄像范围，摄像范围12114表示设置在后保险杠或后门处的摄像单元12104的摄像范围。例如，通过叠加由摄像单元12101至12104捕获的图像数据，可以获得从上方观看的车辆12100的俯视图像。
摄像单元12101至12104中的至少一个可以具有获取距离信息的功能。例如，摄像单元12101至12104中的至少一个可以是包括多个摄像元件的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的摄像元件。
例如，基于从摄像单元12101到12104获得的距离信息，通过获取到摄像范围12111到12114内每个立体物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，微型计算机12051可以提取特别是在车辆12100的行驶路线上的并且以预定速度(例如，0km/h或更高)在与车辆12100基本相同的方向上行驶的的最靠近的立体物体作为前车。此外，微型计算机12051可以预先设置要确保的与前方车辆的车间距离，并且执行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随开始控制)等。由此，能够不依赖于驾驶员的操作而进行以自动行驶等为目的的协同控制。
例如，基于从摄像单元12101至12104获得的距离信息，微型计算机12051可将关于立体物体的立体物体数据分类为两轮车、普通车、大型车、行人、电线杆等，以提取并用于自动避障。例如，微型计算机12051将车辆12100附近的障碍物区分为车辆12100的驾驶员能够视觉识别的障碍物和难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051可以确定表示与每个障碍物碰撞风险程度的碰撞风险，并且当碰撞风险值等于或大于设定值并且存在碰撞可能性时，可以通过音频扬声器12061或显示单元12062向驾驶员输出警告，或通过驾驶系统控制单元12010执行强制减速或避免转向，来执行用于避免碰撞的驾驶辅助。
摄像单元12101至12104中的至少一个可以是检测红外线的红外相机。例如，微型计算机12051可以通过确定在由摄像单元12101至12104拍摄的图像中是否存在行人来识别行人。例如，行人的这种识别是通过下述步骤进行的：在由作为红外相机的摄像单元12101至12104拍摄的图像中提取特征点的步骤；以及对表示物体轮廓的一系列特征点执行图案匹配处理并且确定所述物体是否是行人的步骤。当微型计算机12051判定在摄像单元12101至12104所拍摄的图像中有行人并识别出行人时，声音/图像输出单元12052控制显示单元12062叠加并显示用于强调所识别行人的正方形轮廓线。此外，声音/图像输出单元12052可以控制显示单元12062在期望位置显示代表行人等的图标。
上面已经说明了可以应用根据本公开的技术的车辆控制系统的示例。根据本公开的技术可以应用于上述构造中的摄像单元12031等。具体地，可以将图1中的摄像元件1应用于摄像单元12031等。通过将根据本公开的技术应用于摄像单元12031等，能够获得更清晰的拍摄图像，从而能够减少驾驶员的疲劳。
最后，上述实施例中的各者的说明均是本公开的示例，并且本公开不限于上述实施例。为此，无需多言地，即使除了上述各个实施例之外，也可以在不脱离根据本公开的技术思想的情况下根据设计等进行各种修改。
此外，本说明书中描述的效果仅是示例而不是为了限制。此外，可能存在其他效果。
此外，上述实施例中的附图是示意性的，各个单元的尺寸比例等不一定与实际一致。此外，自然地，即使在附图之间，也包括其中它们的关系或尺寸比可能彼此不同的部分。
注意，本技术还可以具有以下构造。
(1)一种摄像元件，所述摄像元件包括：
像素，所述像素包括光电转换单元和电荷传输单元，所述光电转换单元被构造用于根据入射光进行光电转换，所述电荷传输单元被构造用于传输由所述光电转换产生的电荷；
单独片上透镜，所述单独片上透镜是针对每个所述像素布置的，并且被构造用于单独地会聚所述入射光；
多个相位差像素，所述相位差像素分别包括所述光电转换单元和所述电荷传输单元，并且所述相位差像素彼此相邻地布置以检测相位差；
共用片上透镜，所述共用片上透镜是针对所述多个相位差像素共同布置的，并且被构造用于共同地会聚所述入射光；和
像素电路，所述像素电路形成在半导体基板中，并被构造用于基于被传输的所述电荷产生图像信号，其中，
所述多个相位差像素的所述电荷传输单元被布置在所述共用片上透镜和所述单独片上透镜之间的区域中。
(2)根据上述(1)的摄像元件，其中，所述像素电路形成在所述半导体基板的正面侧。
(3)根据上述(2)的摄像元件，其中，所述光电转换单元对入射到背面上的所述入射光进行光电转换，所述背面是形成在所述半导体基板上的且与所述正面不同的表面。
(4)根据上述(3)的摄像元件，其中，所述电荷传输单元包括被构造用于在所述半导体基板的厚度方向上传输电荷的垂直晶体管。
(5)根据上述(2)的摄像元件，其中，所述光电转换单元包括与所述半导体基板的背面侧相邻地布置的光电转换膜。
(6)根据上述(5)的摄像元件，其中，所述电荷传输单元包括贯通电极，所述贯通电极是贯通所述半导体基板的电极。
(7)根据上述(5)的摄像元件，还包括滤色器，所述滤色器透过所述入射光中具有预定波长的光。
(8)根据上述(7)的摄像元件，其中，所述滤色器被布置在所述光电转换膜与所述单独片上透镜和所述共用片上透镜之间。
(9)根据上述(7)的摄像元件，其中，所述滤色器被布置在所述光电转换膜与所述半导体基板之间。
(10)根据上述(1)至(9)中任一项的摄像元件，还包括布置在所述相位差像素的所述光电转换单元之间的分隔单元。
(11)一种摄像装置，所述摄像装置包括：
像素，所述像素包括光电转换单元和电荷传输单元，所述光电转换单元被构造为根据入射光进行光电转换，所述电荷传输单元被构造为传输由所述光电转换产生的电荷；
单独片上透镜，所述单独片上透镜是针对每个所述像素布置的，并且被构造用于单独地会聚所述入射光；
多个相位差像素，所述相位差像素分别包括所述光电转换单元和所述电荷传输单元，并且所述相位差像素彼此相邻地布置以检测相位差；
共用片上透镜，所述共用片上透镜是针对所述多个相位差像素共同布置的，并且被构造用于共同地会聚所述入射光；
像素电路，所述像素电路形成在半导体基板中，并被构造用于基于被传输的所述电荷生成图像信号；以及
处理电路，所述处理电路被构造用于处理生成的所述图像信号，其中，
所述多个相位差像素的所述电荷传输单元被布置在所述共用片上透镜与所述单独片上透镜之间的区域中。
附图标记的列表
1 摄像元件
2 像素阵列单元
4 列信号处理单元
11,13,15,19 光电转换单元
12,12a,12b,16 电荷传输单元
14 开关元件
20,20a,20b,20c 像素电路
21,21a,21b,21c 电荷保持单元
100,100a,100b,100c 像素
110 半导体基板
121,121a,121b,122至124,125a,125b,126 栅极电极
139 贯通电极
142 分隔单元
150 滤色器
151 高折射率膜
161 电荷累积电极
162 绝缘膜
163 第一电极
164 光电转换膜
165 第二电极
181 片上透镜
182 共用片上透镜
200,200a 相位差像素
1000 相机
1002 摄像元件
1005 图像处理单元
10402,12031,12101至12105 摄像单元

Claims (11)

1.一种摄像元件，所述摄像元件包括：
像素，所述像素包括光电转换单元和电荷传输单元，所述光电转换单元被构造用于根据入射光进行光电转换，所述电荷传输单元被构造用于传输由所述光电转换产生的电荷；
单独片上透镜，所述单独片上透镜是针对每个所述像素布置的，并且被构造用于单独地会聚所述入射光；
多个相位差像素，所述相位差像素分别包括所述光电转换单元和所述电荷传输单元，并且所述相位差像素彼此相邻地布置以检测相位差；
共用片上透镜，所述共用片上透镜是针对所述多个相位差像素共同布置的，并且被构造用于共同地会聚所述入射光；和
像素电路，所述像素电路形成在半导体基板中，并被构造用于基于被传输的所述电荷生成图像信号，其中，
所述多个相位差像素的所述电荷传输单元被布置在所述共用片上透镜和所述单独片上透镜之间的区域中。
2.如权利要求1所述的摄像元件，其中，所述像素电路形成在所述半导体基板的正面侧。
3.如权利要求2所述的摄像元件，其中，所述光电转换单元对入射到背面上的所述入射光进行光电转换，所述背面是形成在所述半导体基板上的且与所述正面不同的表面。
4.如权利要求3所述的摄像元件，其中，所述电荷传输单元包括被构造用于在所述半导体基板的厚度方向上传输电荷的垂直晶体管。
5.如权利要求2所述的摄像元件，其中，所述光电转换单元包括与所述半导体基板的背面侧相邻地布置的光电转换膜。
6.如权利要求5所述的摄像元件，其中，所述电荷传输单元包括贯通电极，所述贯通电极是贯通所述半导体基板的电极。
7.如权利要求5所述的摄像元件，还包括滤色器，所述滤色器透过所述入射光中具有预定波长的光。
8.如权利要求7所述的摄像元件，其中，所述滤色器被布置在所述光电转换膜与所述单独片上透镜和所述共用片上透镜之间。
9.如权利要求7所述的摄像元件，其中，所述滤色器被布置在所述光电转换膜与所述半导体基板之间。
10.如权利要求1所述的摄像元件，还包括布置在所述相位差像素的所述光电转换单元之间的分隔单元。
11.摄像装置，所述摄像装置包括：
像素，所述像素包括光电转换单元和电荷传输单元，所述光电转换单元被构造为根据入射光进行光电转换，所述电荷传输单元被构造为传输由所述光电转换产生的电荷；
单独片上透镜，所述单独片上透镜是针对每个所述像素布置的，并且被构造用于单独地会聚所述入射光；
多个相位差像素，所述相位差像素分别包括所述光电转换单元和所述电荷传输单元，并且所述相位差像素彼此相邻地布置以检测相位差；
共用片上透镜，所述共用片上透镜是针对所述多个相位差像素共同布置的，并且被构造用于共同地会聚所述入射光；
像素电路，所述像素电路形成在半导体基板中，并被构造用于基于被传输的所述电荷生成图像信号；以及
处理电路，所述处理电路被构造用于处理生成的所述图像信号，其中，
所述多个相位差像素的所述电荷传输单元被布置在所述共用片上透镜与所述单独片上透镜之间的区域中。
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