JP2005070014A - 固体撮像デバイス、この固体撮像デバイスを用いた撮像方法および装置並びに距離計測方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】画素ごとに、測定対象物体4に照射した測定光を取り込む距離画像撮像領域120と、測定対象物体4の画像を取り込む通常画像撮像領域130とを、波長感度特性に応じて、互いに最適な拡散層深さに形成する。赤外光を測定光とする場合、距離画像撮像領域120は、通常画像撮像領域130よりも深い部分に形成する。撮像デバイス上で、各波長に応じた感光領域の位置の対応付けを行なうことで、距離測定などにおける物理的な位置ずれの問題を解消する。距離測定部310は、位置情報画像をブランキング期間や通常画像撮像時に取得することで、カラー動画などの通常画像の撮像と3次元形状計測とのリアルタイム性を同時に、かつ1チップの撮像デバイスで実現する。
【選択図】図3
Description
図1は、本発明に係る撮像装置の第1実施形態を備えた距離測定システム(3次元計測システム)の構成を示す図である。撮像装置10は、3次元座標位置測定(3次元物体形状測定)に好適な距離測定装置用と、通常画像取得用の両方に使用される撮像装置となっている。
図2は、距離測定部310において、スリット光の識別情報と光学像の位置情報とに基づいて測定対象物体4の表面形状を特定する手法を説明する図である。ここで、図2(A)および図2(B)は、図1に示したミラー反射中心M(xm,ym,zm)から反射されたスリット光n(t)、それによって照射される測定対象物体4の表面上の点P(X,Y,Z)、およびその光学像I(x,0,zi)の間の幾何光学的関係をxy平面(図2(A))およびxz平面(図2(B))へ投影したものである。
図3は、撮像素子100の第1例の構成を示す図である。ここで、図3は1つのセル(画素)の断面構造を示している。この第1例の撮像素子100は、スリット光n(t)の識別情報tと撮像素子100の撮像部110上の光学像の位置情報を同時にラッチして記憶するとともに、通常光と測定光のそれぞれに対して適切な感応性を持つようにされた、非走査型撮像素子として好適なものとなっている。
図4は、撮像素子100の第2例の構成を示す図である。ここで、図4(A)は撮像素子100の断面概念図を示し、図4(B)は、撮像素子100の平面模式図を示す。この第2例の撮像素子100は、第1例と同様に、半導体基体表面102(撮像部110)が、複数の整列配置されて互いに独立した、距離画像撮像領域120を構成するフォトセンサ122と、通常画像撮像領域130を構成するフォトセンサ132によって構成されている。加えて、距離画像撮像領域120は、0.3〜2μmの深さに拡散層を形成して得られる通常画像撮像領域130よりもさらに深く、半導体基体表面102よりも深い領域(拡散層を2μm〜5μm)に形成しているのも、第1例と同様である。
図5は、撮像素子100の第3例の構成を示す図である。ここで、図5は、図3と同様に、1つのセル(画素)の断面構造を示している。この第3例の撮像素子100は、図3に示した第1例の撮像素子100に対して、その受光面側にp層を追加している点に特徴を有する。記憶保持部140や通常画像取得部320などについては、第1例と同様である。以下具体的に説明する
図示するように、第3例の撮像素子100は、N+ 型不純物領域からなるフォトセンサ132の表面側の電荷蓄積層上にさらに、P+型不純物(第2導電型の不純物)領域からなるP型拡散層(正孔蓄積層)134が積層された、いわゆるHAD(Hole Accumulated Diode)構造となっている。P型拡散層134の膜厚は、0.1μm程度とすればよい。なおHAD構造の詳細については、たとえば特許文献2,3などを参照するとよい。
図6は、撮像素子100の第4例の構成を示す図である。ここで、図6は、図3や図5と同様に、1つのセル(画素)の断面構造を示している。この第4例の撮像素子100は、図5に示したHAD構造を有する第3例の撮像素子100に対して、フォトセンサ132をなすP層132aの外周に他の半導体層を追加している点に特徴を有する。記憶保持部140や通常画像取得部320などについては、第1例あるいは第3例と同様である。以下具体的に説明する。
Claims (37)
- 画素に対応する受光部が複数配列されてなる固体撮像デバイスであって、
予め定められている定常帯域の波長に対する感光部分である定常波長帯感光領域と、それ以外の帯域の波長に対する感光部分である帯域外感光領域とが、前記画素ごとに領域分割して設けられた撮像部を備え、
前記定常波長帯感光領域にて得られる定常撮像信号と、前記帯域外感光領域にて得られる帯域外撮像信号とを区別して取り出し可能に構成されている
ことを特徴とする固体撮像デバイス。 - 前記定常波長帯感光領域と前記帯域外感光領域とが、当該固体撮像デバイスの深さ方向に領域分割されている
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像デバイス。 - 前記定常帯域の波長は可視光領域の波長であり、かつ前記定常帯域以外の帯域の波長は、前記可視光よりも長波長のものであり、
前記帯域外感光領域は、前記定常波長帯感光領域よりも受光面に対してより深い部分に形成されている
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像デバイス。 - 前記定常波長帯感光領域と前記帯域外感光領域とが、前記画素ごとに、当該固体撮像デバイスの平面方向に領域分割されている
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像デバイス。 - 第1導電型の前記半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第2導電型の半導体層と
を備え、
前記撮像部は、前記第2導電型の半導体層上に形成された、前記第1導電型の不純物を含む電荷蓄積層を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像デバイス。 - 前記撮像部は、前記信号電荷蓄積層上に形成された第2導電型の不純物を含む正孔蓄積層を有する
ことを特徴とする請求項5に記載の固体撮像デバイス。 - 前記撮像部は、前記定常波長帯感光領域と前記帯域外感光領域とを囲むように、所定極性の不純物を含む拡散層を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像デバイス。 - 画素に対応する受光部が複数配列されてなる固体撮像デバイスを用いて所定の画像を撮像する撮像方法であって、
予め定められている定常帯域の波長に対する感光部分である定常波長帯感光領域と、それ以外の帯域の波長に対する感光部分である帯域外感光領域とが、画素ごとに領域分割して設けられているとともに、波長に応じた前記感光領域から撮像信号を区別して取り出し可能に構成されている固体撮像デバイスを使用し、
被写体に対する前記定常帯域の波長の電磁波の照射の元での前記定常波長帯感光領域からの撮像信号の読み出しと、前記定常帯域以外の波長の電磁波の前記被写体への照射の元での前記帯域外感光領域からの撮像信号の読み出しとを、前記定常波長帯感光領域からの撮像信号の読出サイクル内において、それぞれ異なるタイミングで行なう
ことを特徴とする撮像方法。 - 画素に対応する受光部が複数配列されてなる固体撮像デバイスを用いて所定の画像を撮像する撮像方法であって、
予め定められている定常帯域の波長に対する感光部分である定常波長帯感光領域と、それ以外の帯域の波長に対する感光部分である帯域外感光領域とが、画素ごとに領域分割して設けられているとともに、波長に応じた前記感光領域から撮像信号を区別して取り出し可能に構成されている固体撮像デバイスを使用し、
被写体に対する前記定常帯域の波長の電磁波の照射の元で前記定常波長帯感光領域から撮像信号を読み出している過程で、前記定常帯域以外の波長の電磁波を前記被写体に照射して前記帯域外感光領域から撮像信号を読み出す
ことを特徴とする撮像方法。 - 画素に対応する受光部が複数配列されてなる固体撮像デバイスを用いて所定の画像を撮像する撮像装置であって、
予め定められている定常帯域の波長に対する感光部分である定常波長帯感光領域と、それ以外の帯域の波長に対する感光部分である帯域外感光領域とが、画素ごとに領域分割して設けられているとともに、波長に応じた前記感光領域から撮像信号を区別して取り出し可能に構成されている撮像部を有する固体撮像デバイスと、
前記定常波長帯感光領域と前記帯域外感光領域とから、独立に撮像信号を取り出すための読出制御信号を前記画素ごとに与える読出駆動制御部と
を備え、
前記読出駆動制御部は、
被写体に対する前記定常帯域の波長の電磁波の照射の元で前記定常波長帯感光領域からの撮像信号の読み出しと、前記定常帯域以外の波長の電磁波を前記被写体に照射して前記帯域外感光領域からの撮像信号の読み出しとを、前記定常波長帯感光領域からの撮像信号の読出サイクル内において、それぞれ異なるタイミングで行なう
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記読出駆動制御部は、前記定常波長帯感光領域からの撮像信号の読み出しを行なうための駆動部と前記帯域外感光領域からの撮像信号の読み出しを行なうための駆動部とを、独立に有している
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。 - 前記固体撮像デバイスは、
第1導電型の前記半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第2導電型の半導体層と
を備え、
前記撮像部は、前記第2導電型の半導体層上に形成された、前記第1導電型の不純物を含む電荷蓄積層を有する
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。 - 前記撮像部は、前記信号電荷蓄積層上に形成された第2導電型の不純物を含む正孔蓄積層を有する
ことを特徴とする請求項12に記載の撮像装置。 - 前記撮像部は、前記定常波長帯感光領域と前記帯域外感光領域とを囲むように、所定極性の不純物を含む拡散層を有する
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。 - 画素に対応する受光部が複数配列されてなる固体撮像デバイスを用いて所定の画像を撮像する撮像装置であって、
予め定められている定常帯域の波長に対する感光部分である定常波長帯感光領域と、それ以外の帯域の波長に対する感光部分である帯域外感光領域とが、画素ごとに領域分割して設けられているとともに、波長に応じた前記感光領域から撮像信号を区別して取り出し可能に構成されている撮像部を有する固体撮像デバイスと、
前記定常波長帯感光領域と前記帯域外感光領域とから、独立に撮像信号を取り出すための読出制御信号を前記画素ごとに与える読出駆動制御部であって、前記定常波長帯感光領域からの撮像信号の読み出しを行なうための駆動部と前記帯域外感光領域からの撮像信号の読み出しを行なうための駆動部とを独立に有している読出駆動制御部と
を備え、
前記読出駆動制御部は、
被写体に対する前記定常帯域の波長の電磁波の照射の元で前記定常波長帯感光領域から撮像信号を読み出している過程で、前記定常帯域以外の波長の電磁波を前記被写体に照射して前記帯域外感光領域から撮像信号を読み出す
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記固体撮像デバイスは、
第1導電型の前記半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第2導電型の半導体層と
を備え、
前記撮像部は、前記第2導電型の半導体層上に形成された、前記第1導電型の不純物を含む電荷蓄積層を有する
ことを特徴とする請求項15に記載の撮像装置。 - 前記撮像部は、前記信号電荷蓄積層上に形成された第2導電型の不純物を含む正孔蓄積層を有する
ことを特徴とする請求項16に記載の撮像装置。 - 前記撮像部は、前記定常波長帯感光領域と前記帯域外感光領域とを囲むように、所定極性の不純物を含む拡散層を有する
ことを特徴とする請求項15に記載の撮像装置。 - 測定対象物体の表面に測定光を投射し、前記測定対象物体からの反射光が撮像面を構成する画素を通過するタイミングを検出して、前記測定対象物体までの距離を測定する距離測定方法であって、
可視光帯域の波長に対する感光部分である可視光感光領域と、それ以外の帯域の波長に対する感光部分である帯域外感光領域とが、画素ごとに領域分割して設けられているとともに、波長に応じた前記感光領域から撮像信号を区別して取り出し可能に構成されている固体撮像デバイスを使用し、
前記測定光に対する反射光を前記帯域外感光領域にて受光することで前記測定対象物体までの距離を測定する
ことを特徴とする距離測定方法。 - 前記測定対象物体からの反射光としての前記可視光を前記可視光感光領域にて受光することで前記測定対象物体の濃淡値または色を表す通常画像を取得し、
求めた前記測定対象物体までの距離に基づいて、前記通常画像を加工する
ことを特徴とする請求項19に記載の距離測定方法。 - 前記測定光を前記測定対象物体の表面に沿って走査し、
前記測定光による前記測定対象物体の表面の光学像を前記固体撮像デバイスの受光面上に結像させ、
前記測定光の走査にともなって前記撮像面上に結像する前記光学像の位置情報を前記帯域外感光領域にて画素ごとの光検出信号としてリアルタイムで検出し、
この光検出時に前記測定光の走査方向を示す識別情報を画素ごとに記憶し、
前記測定光の走査中に得られる前記位置情報と前記識別情報の組合せとに基づいて、前記測定対象物体の形状を求める
ことを特徴とする請求項19に記載の距離測定方法。 - 前記測定対象物体の表面にスリット光を投射し、前記測定対象物体からの反射光に対応した光検出信号を前記帯域外感光領域にて検知する
ことを特徴とする請求項19に記載の距離測定方法。 - 前記帯域外感光領域が、前記可視光感光領域よりも受光面に対してより深い部分に形成されている前記固体撮像デバイスを使用し、
前記測定光として前記可視光よりも長波長のものを使用する
ことを特徴とする請求項19に記載の距離測定方法。 - 前記測定対象物体からの前記可視光帯域の反射光を前記可視光感光領域にて受光する通常撮像信号の読み出しと、前記測定光を前記測定対象物体に照射することによる前記帯域外感光領域からの撮像信号の読み出しとを、前記可視光感光領域からの撮像信号の読出サイクル内において、それぞれ異なるタイミングで行なう
ことを特徴とする請求項19に記載の距離測定方法。 - 前記測定対象物体からの前記可視光帯域の反射光を前記可視光感光領域にて受光することで通常撮像信号を読み出している過程で、前記測定光を前記測定対象物体に照射して前記帯域外感光領域から撮像信号を読み出す
ことを特徴とする請求項19に記載の距離測定方法。 - 測定対象物体の表面に測定光を投射し、前記測定対象物体からの反射光が撮像面を構成する画素を通過するタイミングを検出して、前記測定対象物体までの距離を測定する距離測定システムであって、
可視光帯域の波長に対する感光部分である可視光感光領域と、それ以外の帯域の波長に対する感光部分である帯域外感光領域とが、画素ごとに領域分割して設けられているとともに、波長に応じた前記感光領域から撮像信号を区別して取り出し可能に構成されている撮像部を有する固体撮像デバイスと、
前記可視光感光領域と前記帯域外感光領域とから、独立に撮像信号を取り出すための読出制御信号を前記画素ごとに与える読出駆動制御部と、
前記読出駆動制御部による制御の元で読み出される前記帯域外感光領域からの撮像信号に基づいて、前記測定対象物体までの距離を測定する距離測定部と
を備えたことを特徴とする距離測定システム。 - 前記測定対象物体からの反射光としての前記可視光を前記可視光感光領域にて受光することで前記測定対象物体の濃淡値または色を表す通常画像を取得する通常画像取得部と、
前記距離測定部が求めた前記測定対象物体までの距離に基づいて、前記通常画像取得部が取得した前記通常画像を加工する画像加工処理部と
を備えたことを特徴とする請求項26に記載の距離測定システム。 - 前記距離測定部と前記通常画像取得部とが、前記固体撮像デバイスとともに共通の半導体基板上に形成されている
ことを特徴とする請求項27に記載の距離測定システム。 - 測定光を所定の走査制御下で前記測定対象物体の表面に向けて偏向走査する偏向照射部と、
前記偏向照射部によって偏向された測定光の偏向位置をリアルタイムで検出し、その情報を測定光の走査方向を示す識別情報として出力する識別情報検出部と、
前記測定光の偏向に応じて前記固体撮像デバイスの各画素の前記帯域外感光領域からの光応答出力をトリガとして、このときの測定光の識別情報を保持する記憶部と
を備え、
前記距離測定部は、前記測定光の走査中に得られる前記位置情報と前記識別情報の組合せとに基づいて、前記測定対象物体の形状を求める
ことを特徴とする請求項26に記載の距離測定システム。 - 前記識別情報検出部と、前記記憶部と、前記距離測定部とが、前記固体撮像デバイスとともに共通の半導体基板上に形成されている
ことを特徴とする請求項26に記載の距離測定システム。 - 前記偏向照射部は、前記測定対象物体の表面にスリット光を投射する
ことを特徴とする請求項26に記載の距離測定システム。 - 前記固体撮像デバイスは、前記帯域外感光領域が、前記可視光感光領域よりも受光面に対してより深い部分に形成されており、
前記偏向照射部は、前記測定光として前記可視光よりも長波長のものを前記測定対象物体の表面に投射する
ことを特徴とする請求項26に記載の距離測定システム。 - 前記測定対象物体に対する前記可視光の照射の元での前記可視光感光領域からの撮像信号の読み出しと、前記測定光を前記測定対象物体に照射の元での前記帯域外感光領域からの撮像信号の読み出しとを、前記可視光感光領域からの撮像信号の読出サイクル内において、それぞれ異なるタイミングで行なう
ことを特徴とする請求項26に記載の距離測定システム。 - 前記測定対象物体に対する前記可視光の照射の元で前記可視光感光領域から撮像信号を読み出している過程で、前記測定光を前記測定対象物体に照射して前記帯域外感光領域から撮像信号を読み出す
ことを特徴とする請求項26に記載の距離測定システム。 - 前記固体撮像デバイスは、
第1導電型の前記半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第2導電型の半導体層と
を備え、
前記撮像部は、前記第2導電型の半導体層上に形成された、前記第1導電型の不純物を含む電荷蓄積層を有する
ことを特徴とする請求項26に記載の距離測定システム。 - 前記撮像部は、前記信号電荷蓄積層上に形成された第2導電型の不純物を含む正孔蓄積層を有する
ことを特徴とする請求項35に記載の距離測定システム。 - 前記撮像部は、前記定常波長帯感光領域と前記帯域外感光領域とを囲むように、所定極性の不純物を含む拡散層を有する
ことを特徴とする請求項26に記載の距離測定システム。
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