JP2012070232A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光を透過する被写体以外が撮像できない
【解決手段】撮像装置は、シリコン、窒化ガリウムまたは砒化ガリウムなどの材料を含む半導体基板と、前記半導体基板に形成されたＣＭＯＳイメージセンサなどであって、複数の撮像素子と、前記撮像素子に隣接して、前記半導体基板に形成された発光ダイオードなどを含む発光素子と、前記複数の撮像素子の光路上に形成され、前記発光素子からの光を前記複数の撮像素子の光路に平行であって離間する方向へ方向付けするハーフミラーなどの光学素子とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置に関する。

特許文献１には、光源と、撮像素子と、撮像素子と被写体との間に配置されたピンホールを備える顕微鏡が開示されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特表２００８−５０１９９９号公報

しかしながら、上述の装置では、光源が、被写体を挟み撮像素子の反対側に配置されているので、光を透過する被写体以外は撮像できないといった課題がある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様の撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の撮像素子と、前記撮像素子に隣接して、前記半導体基板に形成された発光素子と、前記複数の撮像素子の光路上に形成され、前記発光素子からの光を前記複数の撮像素子の光路に平行であって離間する方向へ方向付けする光学素子とを備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

実施形態による撮像装置の全体斜視図である。 撮像部の全体斜視図である。 撮像部の分解斜視図である。 図３の一部拡大図である。 撮像部の縦断面図である。 撮像装置の制御系を説明するブロック図である。 高画質撮像モードを説明する図である。 遮光部材を備えた実施形態を説明する拡大斜視図である。 各発光素子が２個の撮像素子に光を照射する実施形態を説明する拡大斜視図である。 発光素子の光を拡散する拡散部材を備える実施形態を説明する斜視図である。 撮像素子がマトリックス状に配された撮像部の斜視図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、実施形態による撮像装置の全体斜視図である。図１に示すように、本実施形態による撮像装置１０は、ベース１２と、撮像部１４と、ＸＹ方向駆動部１６と、被写体保持部１８と、画像出力部２０と、制御部２２とを備えている。

ベース１２は、台状に形成されている。ベース１２の上面には、ＸＹ方向駆動部１６と、被写体保持部１８とが載置されている。これにより、ベース１２は、撮像部１４と、ＸＹ方向駆動部１６と、被写体保持部１８とを直接的または間接的に支持する。

ＸＹ方向駆動部１６は、撮像部１４の両端を保持しつつ、撮像部１４をＸＹ方向に移動させる。ＸＹ方向駆動部１６は、駆動力の発生源としてボイスコイルモータ等の小型モータ、または、ピエゾ素子を有する。ＸＹ方向駆動部１６は、制御部２２からの駆動信号によって制御される。

被写体保持部１８は、被写体ケース２４と、４本の脚部２６とを有する。被写体ケース２４は、撮像用の光を透過可能な材料によって構成されている。被写体ケース２４は、ＸＹ平面に水平な直方体形状に形成されている。被写体ケース２４には、被写体２８が配される中空状の被写体領域３０が形成されている。尚、被写体２８には、蛍光材料を含ませてもよい。４本の脚部２６は、被写体ケース２４の四隅の下面とベース１２の上面との間に配置されている。これにより、４本の脚部２６は、被写体ケース２４を撮像部１４の上方に指示する。

画像出力部２０は、制御部２２によって生成された画像を表示する。画像出力部２０の一例は、液晶ディスプレイである。制御部２２は、撮像装置１０の制御全般を司る。

図２は、撮像部の全体斜視図である。図３は、撮像部の分解斜視図である。図４は、図３の一部拡大図である。図５は、撮像部の縦断面図である。

図２、図３、図４及び図５に示すように、撮像部１４は、被写体領域３０の−Ｚ方向に配置されている。撮像部１４は、半導体基板３２と、発光素子アレイ３４と、撮像素子アレイ３６と、ピンホールアレイ３８と、光学素子４０とを備えている。

半導体基板３２は、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の半導体材料からなる。半導体基板３２は、発光素子アレイ３４及び撮像素子アレイ３６を形成するための基礎となるとともに、支持する。

発光素子アレイ３４は、半導体基板３２の−Ｙ側の端部に設けられている。発光素子アレイ３４は、半導体基板３２の＋Ｚ面上に半導体製造プロセスによって形成された数個から数千個の発光素子４２を有する。尚、発光素子４２の数は限定されるものではない。発光素子４２は、発光ダイオードを有する。発光素子４２は、例えば、Ｘ方向に約１０μｍの幅を有する。発光素子４２は、平面視において、長方形状に形成されている。複数の発光素子４２は、Ｘ方向に沿って一直線上に配列されている。発光素子４２は、発光層４４と、一対のクラッド層４６及びクラッド層４８とを有する。発光層４４は、各発光素子４２に注入された電荷によって光を発光する。一対のクラッド層４６、４８は、発光層４４の＋Ｚ側面及び−Ｚ側面に設けられている。一対のクラッド層４６、４８は、発光層４４で発光された光をＸＹ平面内に閉じ込める。発光層４４の＋Ｙ側の面以外の面は、鏡面構造を有する。一方、発光層４４の＋Ｙ側の面は、光を出射可能に構成されている。これにより、発光素子４２は、発光層４４で発光された光をクラッド層４６とクラッド層４８との間に閉じ込めつつ、＋Ｙ方向へと照射する。

撮像素子アレイ３６は、半導体基板３２の＋Ｙ側の端部に設けられている。撮像素子アレイ３６は、発光素子４２の光の照射方向に配置されている。撮像素子アレイ３６は、半導体基板３２上の＋Ｚ面上に半導体製造プロセスによって形成され、発光素子４２と隣接する複数の撮像素子５０を有する。これにより、発光素子４２及び撮像素子５０は、半導体基板３２の同一面上に形成されることになる。各撮像素子５０は、各発光素子４２の＋Ｙ方向に配置されている。即ち、撮像素子５０と発光素子４２は、一対一の関係であって、同じ数配列されている。これにより、各発光素子４２が、１個の撮像素子５０に光を照射することになる。撮像素子アレイ３６の一例は、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサであって、撮像素子５０は、それらの画素である。ここの撮像素子５０は、平面視において、例えば、一辺が約１０μｍの正方形状に形成されている。撮像素子５０の＋Ｚ面には、光を受光するための受光面５２が形成されている。撮像素子５０は、被写体２８が反射した光を受光面５２によって受光する。そして、撮像素子５０は、受光面５２での受光量に応じた電気信号に変換して出力する。

ピンホールアレイ３８は、撮像素子アレイ３６の＋Ｚ側の面、即ち、被写体領域３０側の面に形成されている。ピンホールアレイ３８は、撮像素子５０の＋Ｚ側の面に直接形成されている。これにより、ピンホールアレイ３８は、撮像素子アレイ３６と一体化される。ピンホールアレイ３８は、複数のピンホール５４が形成された遮光部５６を有する。遮光部５６は、光を遮蔽可能な材料からなる。遮光部５６は、平面視において、撮像素子アレイ３６と略同じ形状の長方形状に形成されている。遮光部５６は、一定の厚みを有する板状の材料によって構成してもよく、透明な板状部材の一面に形成された薄膜によって構成してもよい。例えば、遮光部５６を撮像素子５０の＋Ｚ面にスピンコート法等によって形成した酸化シリコン膜の＋Ｚ面に形成された金属薄膜によって構成してもよい。この場合、フォトリソグラフィー及びエッチング等によって、所定の領域の金属薄膜を除去して、ピンホール５４を形成できる。

複数のピンホール５４は、Ｘ方向に延びる撮像素子アレイ３６の中心線に沿って配置されている。ピンホール５４のピッチは、撮像素子５０のピッチと同じである。これにより、各撮像素子５０に１個のピンホール５４が対応することになる。各ピンホール５４は、平面視において、円形状に形成されている。ピンホール５４は、撮像素子５０の受光面５２よりも小さい。撮像素子５０の一辺が約１０μｍの正方形状である場合、ピンホール５４の直径は、約１μｍである。ピンホール５４は、Ｚ方向において、遮光部５６を貫いている。ピンホール５４は、光を透過可能に構成されている。ピンホール５４は、空間としてもよく、光を透過可能な材料等によって埋設されていてもよい。

光学素子４０は、ピンホールアレイ３８の＋Ｚ側の面に、即ち、被写体領域３０側の面に設けられている。光学素子４０は、直角三角形柱形状の素子本体部５８を有する。素子本体部５８は、光を透過可能な材料からなる。素子本体部５８の頂点のうち、直角の頂点は、ピンホールアレイ３８の＋Ｙ側の端部に配置されている。これにより、素子本体部５８の傾斜面は、発光素子アレイ３４と対向する。傾斜面には、ハーフミラー６０が形成されている。ハーフミラー６０は、ＸＹ平面から４５°傾斜している。ハーフミラー６０は、光の一部を透過可能な厚みに形成された金属薄膜からなる。ハーフミラー６０は、発光素子４２から照射された光の一部を、被写体領域３０が配されている＋Ｚ方向に反射する。これにより、光学素子４０は、発光素子４２からの光を複数の撮像素子５０に平行であって離間する方向へと方向付けする。ハーフミラー６０は、被写体２８によって反射された光の一部を透過する。これにより、被写体２８によって反射された光が、ピンホールアレイ３８へと達する。ピンホールアレイ３８に達した光のうち、一部の光はピンホール５４を透過して撮像素子５０に受光される。これにより、光学素子４０は、複数の撮像素子５０の光路上に形成されることになる。

図６は、撮像装置の制御系を説明する図である。次に、撮像装置１０の制御系について説明する。

制御部２２は、コンピュータ等からなる。図６に示すように、制御部２２は、各発光素子４２と、各撮像素子５０と、画像出力部２０と、ＸＹ方向駆動部１６と接続されている。

詳細には、制御部２２は、撮像素子５０から出力される撮像信号を受信する。これにより、制御部２２は、受信した撮像信号に基づいて、被写体２８の画像を生成する。制御部２２は、撮像信号に基づいて生成した画像信号を画像出力部２０に送信する。画像出力部２０は、画像信号に基づいて、画像を表示する。

制御部２２は、発光素子４２にオン・オフ信号を送信する。これにより、発光素子４２のオン・オフ信号が切り替えられる。制御部２２は、ＸＹ方向駆動部１６に駆動信号を送信する。これにより、制御部２２は、ＸＹ方向駆動部１６を制御して、撮像部１４をＸ方向及びＹ方向に移動させる。

次に、撮像部１４の製造方法について説明する。まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy ）法等の半導体製造プロセスによって、半導体基板３２の一面に複数の発光素子４２を含む発光素子アレイ３４を形成する。次に、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法等の半導体製造プロセスによって、複数の撮像素子５０を有する撮像素子アレイ３６を形成する。

この後、撮像素子アレイ３６の撮像素子５０の上面にシリコン酸化膜を形成する。次に、シリコン酸化膜の上面にフォトリソグラフィー技術によってレジスト膜を形成する。この後、金属薄膜を蒸着した後、レジスト膜とともに、レジスト膜状の金属薄膜を除去する。これにより、複数のピンホール５４が形成された遮光部５６を有するピンホールアレイ３８が撮像素子アレイ３６上に完成する。この後、別工程によって製造された光学素子４０をピンホールアレイ３８上に設置する。これにより、撮像部１４が完成する。

次に、上述した撮像装置１０の撮像動作を説明する。撮像動作は、通常撮像モード、高画質撮像モードに分けて説明する。

通常撮像モードでは、制御部２２は、発光素子アレイ３４の各発光素子４２にオン信号を送信する。これにより、発光素子４２は、光を照射する。照射された光は、＋Ｙ方向に進行して、光学素子４０のハーフミラー６０に達する。光の一部は、ハーフミラー６０によって＋Ｚ方向に反射される。この後、被写体２８が存在しない領域に達した光は、＋Ｚ方向へと進行続ける。一方、被写体２８に達した光は、被写体２８によって−Ｚ方向に反射される。

−Ｚ方向に進行した光の一部は、ハーフミラー６０を透過して、素子本体部５８を−Ｚ方向へと導光する。この後、素子本体部５８を通過して、ピンホールアレイ３８の遮光部５６に達した光は、遮光部５６によって斜行される。一方、素子本体部５８を通過して、ピンホール５４に達した光は、ピンホール５４を通過して撮像素子５０の受光面５２に達する。

撮像素子５０は、受光面５２にて受光した受光量に応じた電気信号である撮像信号を制御部２２へと出力する。この後、制御部２２は、ＸＹ方向駆動部１６を制御して、撮像部１４を撮像素子５０のピッチの長さである１０μｍＹ方向に移動させる。次に、上述した同じ動作を繰り返すことにより、撮像素子５０が画像を撮像して、撮像信号を制御部２２へと送信する。

制御部２２は、受信した撮像信号を合成して、画像を生成する。この後、制御部２２は、生成した画像を画像信号として、画像出力部２０に出力する。画像出力部２０は、受信した画像信号に基づいて、画像を表示する。尚、画像生成は、撮像動作と平行して実行してもよい。

図７は、高画質撮像モードを説明する図である。高画質撮像モードでは、制御部２２は、ＸＹ方向駆動部１６を制御して、撮像素子５０のピッチの長さである１０μｍ以下の距離、撮像部１４を移動させる。そして、撮像素子５０が、各場所で画像を撮像して撮像信号を出力することにより分解能を向上させる。図７に示すように、例えば、制御部２２が、ＸＹ方向駆動部１６を制御して、撮像部１４をＸ方向またはＹ方向に約３μｍ移動させる。これにより、ピンホール５４は、約３μｍずつ距離を移動して、図７の実線で示す位置から点線で示す８個所を移動する。撮像素子５０が、これら９個所で画像を撮像して撮像信号を制御部２２へと送信する。これにより、制御部２２は、９倍の分解能の画像を生成して、画像出力部２０へと送信する。

上述したように撮像装置１０は、半導体基板３２の同一面上に発光素子アレイ３４の発光素子４２及び撮像素子アレイ３６の撮像素子５０を形成している。これにより、被写体２８が反射した発光素子４２からの光を撮像することができる。この結果、光を透過しない被写体２８を撮像することができる。また、撮像装置１０は、半導体基板３２上に発光素子４２及び撮像素子５０を形成している。これにより、撮像装置１０の撮像部１４を小型化することができる。また、発光素子４２と撮像素子５０との位置合わせ等の工程を省略することができるので、製造工程を簡略化することができる。

図８は、遮光部材を備えた実施形態を説明する拡大斜視図である。図８に示すように、本実施形態の撮像部１１４では、撮像素子５０と、隣接する撮像素子５０との間に遮光部材６４が設けられている。遮光部材６４は、光を遮光可能な材料からなる。遮光部材６４は、半導体基板３２に立設されている。遮光部材６４は、少なくとも撮像素子５０のＸ側の両側面を覆うように構成されている。遮光部材６４は、撮像素子５０よりも高い。

これにより、Ｚ方向から傾斜して進行する光が、隣接する撮像素子５０に受光されることを抑制できる。この結果、本実施形態では、より鮮明な画像を生成することができる。

図９は、各発光素子が２個の撮像素子に光を照射する実施形態を説明する拡大斜視図である。図９に示すように、本実施形態の撮像部２１４では、１個の発光素子２４２が、２個の撮像素子５０に光を照射する。尚、１個の発光素子２４２が、３個以上の複数の撮像素子５０に光を照射するように構成してもよい。これにより、本実施形態では、発光素子２４２の数を減少させることができる。

図１０は、発光素子の光を拡散する拡散部材を備える実施形態を説明する斜視図である。図１０に示すように、本実施形態による撮像部３１４は、１個の発光素子３４２と、拡散部材３６６とを有する。

発光素子３４２は、半導体基板３２の＋Ｘ側の端部に配置されている。発光素子３４２は、＋Ｙ方向と−Ｘ方向へと光を照射可能に構成されている。

拡散部材３６６は、発光素子３４２の−Ｘ側の端面から半導体基板３２の−Ｘ側の端面まで延びるように設けられている。拡散部材３６６は、発光素子３４２からの光を透過可能な材料からなる。拡散部材３６６は、気泡または金属粉等を分散させることによって光を拡散可能に構成されている。これにより、拡散部材３６６は、＋Ｘ側の端面から入射した発光素子３４２からの光が内部で拡散される。拡散部材３６６は、＋Ｚ側、−Ｘ側、及び、−Ｙ側の面に反射膜が形成されている。これにより、拡散部材３６６は、＋Ｚ側、−Ｘ側、及び、−Ｙ側の面から光が漏れることを抑制できる。この結果、拡散部材３６６は、発光素子３４２からの光を拡散により均一化して、＋Ｙ方向へと照射する。拡散部材３６６から照射された光は、ハーフミラー６０に達した後、被写体２８に反射されて、撮像素子５０に受光される。

図１１は、撮像素子がマトリックス状に配された撮像部の斜視図である。図１１に示すように、本実施形態による撮像部４１４では、撮像素子５０が半導体基板４３２上にマトリックス状に配されている。本実施形態では、Ｘ方向に延びる撮像素子５０の各列に対応して、１個の発光素子３４２と、１個の拡散部材３６６が設けられている。

本実施形態では、各列に設けられた発光素子３４２が光を照射すると、一部の光は＋Ｙ方向へと照射されるとともに、残りの光は−Ｘ方向へと照射される。−Ｘ方向に照射された光は、拡散部材３６６の内部を導光しつつ、拡散される。光は、拡散部材３６６の＋Ｙ側の面から出射されて、＋Ｙ方向へと進行する。この後、光はハーフミラー６０によって、被写体２８が配された＋Ｚ方向へと反射される。そして、被写体２８に反射された光は、撮像素子５０によって受光されて、画像が生成される。これにより、本実施形態では、各発光素子３４２は、Ｘ方向に延びる複数の領域に配された複数の撮像素子５０に光を照射する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

また、上述した実施形態における材料、形状、数等は適宜変更してもよい。上述した実施形態の何れかを組み合わせてもよい。

発光素子が複数の異なる色、例えば３色の異なる色を発光可能に構成してもよい。例えば、赤色の光を発光する発光素子と、緑色の光を発光する発光素子と、青色の光を発光する発光素子を周期的に配列してもよい。この場合、撮像素子アレイは、複数の撮像素子を含む。複数の撮像素子には、発光素子が照射する赤色の光を受光して電気信号に変更する撮像素子と、発光素子が照射する緑色の光を受光して電気信号に変換する撮像素子と、発光素子が照射する青色の光を受光して電気信号に変換する撮像素子とが含まれる。これらの撮像素子は、周期的に配列されている。尚、各撮像素子にそれぞれが受光しない色の光を遮光するカラーフィルターを受光面に設けてもよい。

また、発光素子が白色光を照射する場合、撮像素子に、フォビオン（Ｆｏｖｅｏｎ）方式のように三層の受光層を設けて、各受光層で異なる色の光を受光するように構成してもよい。例えば、最上層の受光層で最も吸収されやすい青色の光を受光して、次の受光層で緑色の光を受光して、最下層の受光層で最も吸収されにくい赤色の光を受光するように構成してもよい。

更に、発光素子が３色の異なる色の光を時分割で発光するように構成してもよい。例えば、赤色、緑色、青色の順に発光素子が光を発光して、それぞれの光を撮像素子によって撮像してもよい。これにより、カラーの画像を得ることができる。

光学素子は、ハーフミラーに代えて、プリズム、または、偏光ビームスプリッター等のビームスプリッターによって構成してもよい。

また、ピンホールアレイの各ピンホールと被写体領域との間にレンズを設けてもよい。レンズは、スポットとピンホールとを共役にすることが好ましい。これにより、光学素子によってピンホールアレイと被写体との距離が大きくなっても、撮像素子が受光できる光を増大させることができる。

１０ 撮像装置
１２ ベース
１４ 撮像部
１６ ＸＹ方向駆動部
１８ 被写体保持部
２０ 画像出力部
２２ 制御部
２４ 被写体ケース
２６ 脚部
２８ 被写体
３０ 被写体領域
３２ 半導体基板
３４ 発光素子アレイ
３６ 撮像素子アレイ
３８ ピンホールアレイ
４０ 光学素子
４２ 発光素子
４４ 発光層
４６ クラッド層
４８ クラッド層
５０ 撮像素子
５２ 受光面
５４ ピンホール
５６ 遮光部
５８ 素子本体部
６０ ハーフミラー
６４ 遮光部材
１１４ 撮像部
２１４ 撮像部
２４２ 発光素子
３１４ 撮像部
３４２ 発光素子
３６６ 拡散部材
４１４ 撮像部
４３２ 半導体基板

Claims (8)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板に形成された複数の撮像素子と、
   前記複数の撮像素子に隣接して、前記半導体基板に形成された発光素子と、
   前記複数の撮像素子の光路上に形成され、前記発光素子からの光を前記複数の撮像素子の光路に平行であって離間する方向へ方向付けする光学素子と
   を備えた撮像装置。
2. 前記発光素子は、前記複数の撮像素子に光を照射する
   請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記発光素子は、複数の領域に配された前記複数の撮像素子に光を照射する
   請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記発光素子は、１個の撮像素子に光を照射する
   請求項１に記載の撮像装置。
5. 一の撮像素子と隣接する他の撮像素子との間に設けられた遮光部材を
   更に備えた請求項１〜４の何れかに記載の撮像装置。
6. 前記発光素子は、３色の異なる色の光を発光する
   請求項１〜５の何れかに記載の撮像装置。
7. 前記複数の撮像素子は、前記発光素子の第１の色の光を受光して電気信号に変換する撮像素子と、前記発光素子の第２の色の光を受光して電気信号に変換する撮像素子と、前記発光素子の第３の色の光を受光して電気信号に変換する撮像素子と
   を含む請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記発光素子は、３色の異なる色を時分割して照射する
   請求項６または７に記載の撮像装置。