JP2016092738A - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる複数の機能を有する撮像素子を提供する。
【解決手段】撮像素子であって、受光に応じた信号を出力するセンサが複数配された光電変換回路１１２と、光電変換回路の出力信号を受ける第１の信号処理回路と、光電変換回路の出力信号及び第１の信号処理回路の出力信号から分岐された信号の少なくとも一方を入力信号として受ける第２の信号処理回路（演算部）２２０と、を備える。第１の信号処理回路は、積層された複数の基板の少なくとも一つに設けられ、第２の信号処理回路２２０は、複数の基板のうち第１の信号処理回路が設けられた基板とは別の基板に設けられている。撮像素子において、第１の信号処理回路は、光電変換回路の出力信号に基づいて画像信号を生成する画像生成部１２０を含み、第２の信号処理回路は、時間的に変調された参照信号を用いて光電変換回路の出力信号に含まれる変調成分を検出する検出部２１０を含んでもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。

被写体を撮像する撮像素子に加えて、制御に用いる他の受光素子を備えた撮像装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００３−１０１８６７号公報

複数の受光素子を備えた装置は受光面積が多いので、装置全体の寸法が大きくなる。

本発明の第１の態様においては、受光に応じた信号を出力するセンサが複数配されたセンサアレイと、センサアレイの出力信号を受ける第１の信号処理回路と、センサアレイの出力信号および第１の信号処理回路の出力信号から分岐された信号の少なくとも一方を入力信号として受ける第２の信号処理回路と、を備え、第１の信号処理回路は、積層された複数の基板の少なくとも一つに設けられ、第２の信号処理回路は、複数の基板のうち第１の信号処理回路が設けられた基板とは別の基板に設けられている撮像素子が提供される。

本発明の第２の態様においては、上記の撮像素子と、撮像素子に像光を結像させる撮像光学系とを備えた撮像装置が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の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。

撮像素子１０１の模式的な分解斜視図である。 ＣＭＯＳセンサ部１１０の平面図である。 撮像素子１０１の部分断面図である。 撮像素子１０１のブロック図である。 検出部２１０の動作を説明する図である。 他の検出部２１０の動作を説明する図である。 検出部２１０の回路例を示す図である。 撮像装置３００の構造を示す模式図である。 他の検出部２１０の構造と動作を説明する図である。 撮像素子１０１の模式的な断面図である。 検出部２１０の配置を示す平面図である。 撮像素子６０１のブロック図である。 受光センサ６５１の回路図である 撮像素子６０２のブロック図である。 撮像素子８０３のブロック図である。 撮像素子６０３のブロック図である。 撮像素子６０４の模式的断面図である。 撮像素子８０１の模式的断面図である。 撮像素子６０５の模式的断面図である。 撮像素子６０６の模式的断面図である。 撮像素子６０７の模式的断面図である。 撮像素子６０８の模式的断面図である。 撮像素子８０２の模式的断面図である。 撮像素子６０９の模式的断面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。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、撮像素子１０１の模式的な分解斜視図である。撮像素子１０１は、互いに積層された第１基板１００および第２基板２００を備え、図１は、第１基板１００および第２基板２００を互いに離した状態で示す。

第１基板１００は、ＣＭＯＳセンサ部１１０、画像生成部１２０、および出力部１３０を有する。ＣＭＯＳセンサ部１１０は、制御回路１１１および光電変換回路１１２を有する。光電変換回路１１２は、フォトダイオード等の光電変換素子を含み、制御回路１１１の制御の下に、受光した入射光に応じた電気信号を出力する。

画像生成部１２０は、第１基板１００に設けられた第１の信号処理回路の一例である。画像生成部１２０が実行する処理は、ＣＭＯＳセンサ部１１０から受けた電気信号に基づいて、予め指定された様式に従った画像ファイルを生成する画像処理を含む。また、画像ファイルにおけるノイズの抑圧、ホワイトバランスの調整等の画像処理を併せて実行してもよい。これにより、光電変換回路１１２の受光面に形成された撮像対象像に応じた画像ファイルが生成される。

画像生成部１２０において生成された画像ファイルは、出力部１３０を通じて、外部の他の装置、例えば記憶装置、表示装置等に送出される。出力部１３０は、外部の装置に対するバッファを含むインターフェースとなる。

第２基板２００は、第１基板のＣＭＯＳセンサ部１１０が入射光を受光する面と反対側に配され、検出部２１０、演算部２２０および出力部２３０を有する。検出部２１０は、第２基板２００に設けられた第２の信号処理回路の一例である。

図示の検出部２１０は、ＣＭＯＳセンサ部１１０に含まれる受光センサの一部の出力信号を受けて、ＣＭＯＳセンサ部１１０への入射光に含まれる変調成分を検出する。演算部２２０は、検出した変調成分の信号振幅の変化、位相の変化等に基づいて、入射光の放射源または反射源に関する情報を算出する。

入射光の放射源または反射源は、入射光の変調成分を発生した光源の他、光源から照射された変調成分を反射した撮像対象等を意味し、第１基板１００の画像生成部１２０において生成される画像ファイルに含まれる撮像対象に対応する。演算部２２０の出力は、出力部２３０を通じて、外部の記憶装置、表示装置等に向かって出力される。出力部２３０は、外部の装置に対して接続するバッファを含むインターフェースとなる。

図２は、撮像素子１０１の第１基板１００におけるＣＭＯＳセンサ部１１０の電気的構造を示す平面図である。ＣＭＯＳセンサ部１１０は、フォトリソグラフィ技術により第１基板１００に形成されている。

ＣＭＯＳセンサ部１１０は、制御回路１１１および光電変換回路１１２を有する。光電変換回路１１２は、垂直駆動回路１１４、センサアレイ１１７、カラム信号処理回路１１８、および水平駆動回路１１９を有する。

センサアレイ１１７は、マトリックス状に配列された複数の受光センサ１１５、１１６を含む。受光センサ１１５の各々は、フォトダイオード等の受光素子を含み、受光素子に入射した入射光の強度に応じて受光素子が出力する電気信号をセンサアレイ１１７の外部に直接に出力する。これに対して、受光センサ１１６の各々は、フォトダイオード等の受光素子と、複数の素子、例えば４つのトランジスタを含み、イメージセンサにおける単位画素として機能する。

垂直駆動回路１１４は、センサアレイ１１７の配列の一辺に沿って配される。カラム信号処理回路１１８および水平駆動回路１１９は、垂直駆動回路１１４が配された辺と直交する辺に沿って配される。垂直駆動回路１１４は、図中水平に配された複数の駆動線の一端において、受光センサ１１６に行毎に接続される。垂直駆動回路１１４は、シフトレジスタを含み、接続された複数の駆動線を順次選択して、選択した駆動線に受光センサ１１５を駆動するパルス信号を供給する。これにより、受光センサ１１６は、行単位で順次垂直方向に選択走査される。

カラム信号処理回路１１８は、二重相関サンプリング回路、負荷トランジスタ、列選択トランジスタ等を含み、受光センサ１１６に対して列毎に接続される。水平駆動回路１１９は、例えばシフトレジスタにより形成され、カラム信号処理回路１１８における列選択トランジスタに接続される。水平駆動回路１１９は、カラム信号処理回路１１８の列選択トランジスタを順次駆動することにより、カラム信号処理回路１１８を通じて受光センサ１１６を列毎に順次選択走査する。

垂直駆動回路１１４により選択駆動された行において、水平駆動回路１１９により選択駆動された受光センサ１１６は、浮遊拡散層に蓄積された電荷に応じた電圧信号をカラム信号処理回路１１８に出力する。カラム信号処理回路１１８は、センサアレイ１１７の出力を受ける第１の信号処理回路の一例である。カラム信号処理回路１１８は、二重相関サンプリングによりパターンノイズの影響を除去した上で、受光センサ１１６への入射光強度に対応した電気信号を、画像生成部１２０に出力する。

なお、第１基板６１０においては、ＣＭＯＳセンサ部６３０のセンサアレイ１１７における受光センサ１１６により画像が電気信号化され、画像生成部１２０において画像ファイル化された上で、出力部１３０から外部に出力される。これに対して、センサアレイ１１７における受光センサ１１５は、受光素子の出力そのものを第１基板１００の外部に電気信号として直接に出力する。このため、受光センサ１１５は、垂直駆動回路１１４、センサアレイ１１７、カラム信号処理回路１１８、および水平駆動回路１１９等の周辺回路に接続されずに、第２基板２００の検出部２１０に接続される。

制御回路１１１は、撮像素子１０１自体の内部情報等を外部に提供すると共に、ＣＭＯＳセンサ部１１０の動作モードを指定する指令と、ＣＭＯＳセンサ部１１０の動作タイミングを指示するクロック信号とを外部から受ける。更に、制御回路１１１は、光電変換回路１１２の垂直駆動回路１１４、カラム信号処理回路１１８および水平駆動回路１１９の動作を制御する。

図３は、撮像素子１０１の物理的な構造を示す部分断面図である。撮像素子１０１は、図中下側の第２基板２００と、図中上側の第１基板１００と、第１基板１００の図中上側に更に積層された光学層５００とを備える。

撮像素子１０１の第１基板１００においては、ＣＭＯＳセンサ部１１０、画像生成部１２０および出力部１３０を形成する場合に支持基板１９８として用いられたＳｉ単結晶基板層が研磨により除去されている。これにより、当初は支持基板１９８の表面に形成されていた受光センサ１１５、１１６としてのフォトダイオード１９６が、第１基板の図中最上層に露出している。フォトダイオード１９６相互の間とフォトダイオード１９６の表面とは、絶縁膜１９７により平坦化されている。

光学層５００は、第１基板１００の図中上面に積層され、遮光層５１０、オンチップカラーフィルタ５４０およびオンチップレンズ５６０を有する。遮光層５１０およびオンチップカラーフィルタ５４０は、第１基板１００の絶縁膜１９７の表面に順次積層される。遮光層５１０およびオンチップカラーフィルタ５４０の各層は、平坦化層５２０、５３０、５５０により個別に平坦化して積層され、更に、最表面に、オンチップレンズ５６０が積層される。

第１基板１００は、当初、フォトダイオード１９６に積層して形成された多層配線層１９４および素子１９５を有する。多層配線層１９４は、それぞれ複数の導体層１９２および絶縁層１９３を含む。撮像素子１０１において、多層配線層１９４および素子１９５は、フォトダイオード１９６と第２基板２００との間に介在する。第１基板１００および第２基板２００は、接合パッド１９１、２９１を通じて電気的に接続される。

第２基板２００は、フォトダイオード１９６以外の要素について、第１基板と略対称的な層構造を有する。第２基板２００において、支持基板２９８は、撮像素子１０１全体の支持基板２９８として残されている。支持基板２９８の表面には、絶縁膜２９６、多層配線層２９４、および素子２９５を有する。多層配線層２９４は、それぞれ複数の導体層２９２および絶縁層２９３を含む。

更に、第２基板２００は、撮像素子１０１を外部に接続する場合に用いる実装パッド２９９を備えてもよい。実装パッド２９９は、支持基板２９８を貫通して形成されたＴＳＶ２９７を通じて、第２基板２００の多層配線層２９４に接続される。第２基板２００の出力部２３０は、第１基板１００を貫通して、図中上方に取り出す構造としてもよい。いずれにしても、撮像素子１０１においては、受光センサ１１５、１１６であるフォトダイオード１９６から出力された信号が、第１基板１００において分岐され、第１基板１００に形成された処理回路と、第２基板２００に形成された処理回路との双方に供給される。

図４は、撮像素子１０１のブロック図であり、第１基板１００のＣＭＯＳセンサ部１１０と、第２基板２００の検出部２１０との関係を示す。ＣＭＯＳセンサ部１１０は、更に、複数の受光センサ１１５、１１６を含むセンサアレイ１１７を有する。検出部２１０は、電流電圧変換部２１１、直流成分除去部２１２、乗算器２１３およびローパスフィルタ２１４を備える。

ＣＭＯＳセンサ部１１０において、センサアレイ１１７に入射光が入射すると、受光センサ１１５、１１６の各々は、入射光強度に応じて個別に電気信号を発生する。少なくとも一つの受光センサ１１５から出力された信号は、第２基板の検出部２１０に出力される。また、少なくとも一つの受光センサ１１６から出力された信号は、第１基板１００の画像生成部１２０に出力される。このように、センサアレイ１１７からの出力は分岐され、画像生成部１２０および検出部２１０の双方に入力される。

すなわち、受光センサ１１５および受光センサ１１６のそれぞれで信号が生成されて出力されること、換言すれば、センサアレイ１１７の内部で互いに異なる信号が生成されてセンサアレイ１１７から個別に出力されることも、分岐に含まれ、センサアレイ１１７から信号が出力された後にその信号が分岐する場合に限られない。従って、センサアレイ１１７からの出力信号には、複数の受光センサ１１５のそれぞれから出力された信号と、複数の受光センサ１１６のそれぞれから出力された信号とが含まれる。

電流電圧変換部２１１は、第１基板１００のＣＭＯＳセンサ部１１０においてセンサアレイ１１７に配された一部の受光センサ１１５の出力電流を電圧信号に変換する。直流成分除去部２１２は、電流電圧変換部２１１から受けた信号の直流成分および低周波成分を除去する。

乗算器２１３は、直流成分除去部２１２から受けた入力信号を、外部から供給された参照信号２１５と乗算する。ここで、参照信号２１５は、検出対象となる変調成分と同期して変調されている。これにより、入力信号のうち、参照信号２１５と同期した変調成分が選択的に増幅される。

更に、乗算器２１３の出力信号は、ローパスフィルタ２１４を通すことにより積分処理される。これにより、検出部２１０から出力される検出信号は、入射光の変調成分の位相または振幅（強度）を反映した信号レベルを有する信号となる。検出部２１０に接続された演算部２２０は、上記のような検出信号を受けて、例えば、入射の光源または反射源と撮像素子１０１との距離を算出する。このように、検出部２１０は、センサアレイ１１７の出力信号をロックイン検波により処理する。

図５は、図４に示した検出部２１０の動作を説明する図である。検出部２１０において、乗算器２１３には、入射光に含まれる、変調周波数ωｔで変調された変調成分に由来する変調された電気信号が入力される。また、乗算器２１３には、変調周波数ωｔで変調された参照信号が入力される。これにより、乗算器２１３からは、［ｃｏｓ（β−α）／２−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）／２が出力される。これをローパスフィルタ２１４で積分処理することにより、ｃｏｓ（α−β）／２に相当する信号が出力される。

図５の下部に示すように、検出する変調成分と、検出に用いる参照信号との間の位相差に応じて、検出部２１０が出力する直流信号の信号レベルは変化する。このため、変調信号の位相と参照信号の位相とを同期させることにより、センサアレイ１１７に入射した入射光に含まれる変調成分を検出できる。

また、上記のように、検出する変調成分と、検出に用いる参照信号との間に位相差がある場合は、検出部２１０からは位相差に対応した信号［ｃｏｓ（α−β）／２］が出力される。よって、演算部２２０は、上記位相差に基づいて、変調成分を含む入射光の、光源または反射源から撮像素子１０１までの飛行時間を算出できる。これにより、撮像素子１０１を、測距計として用いることができる。

図６は、検出部２１０の他の構成を示す図である。図示の検出部２１０は、変調成分に対する乗算器２１３およびローパスフィルタ２１４を２系統備える。一対の乗算器２１３においては、互いに直交する参照信号１［ｓｉｎ（ωｔ）］および参照信号２［ｃｏｓ（ωｔ））が入射光に対して乗算される。

一方の乗算器２１３からは、［｛ｃｏｓ（２ωｔ＋α）＋ｃｏｓ（α）｝／２］が、他方の乗算器２１３からは［｛ｓｉｎ（２ωｔ＋α）−ｓｉｎ（α）｝／２］が、それぞれ出力される。それぞれの出力は、ローパスフィルタ２１４の積分処理により積分処理され、検出部２１０からは［ｃｏｓ（α）／２］および［−ｓｉｎ（α）／２］が出力される。これらの値からｔａｎ（α）を算出して、変調信号に対する参照信号の位相差を直接に算出できる。

上記のような検出部２１０により、受光した入射光の変調成分と、参照光との位相差を検出して補正し、入射光の変調成分の検出感度を高くすることができる。また、位相差を直接に出力できるので、演算部２２０の負荷を低減して、撮像対象までの距離等を高速に算出できる。尚、検出部２１０は複数の受光センサ１１５のそれぞれに個別に設けてもよく、複数の受光センサ１１５に対して単一の検出部２１０を設けてもよい。

図７は、上記のような検出部２１０の回路例を示す図である。図示の検出部２１０は、変調成分を含む入射光を受光する受光素子に対して順次接続された乗算器２１３およびローパスフィルタ２１４を２系統備える。乗算器２１３の各々は、ドレインに受光素子の出力を受け、制御端子に参照信号１または参照信号２を受けるトランジスタにより形成される。ローパスフィルタは、トランジスタのソースに結合された容量素子により形成され、乗算器２１３の出力する電流により、乗算器２１３出力の積分値に比例した電荷を蓄積する。

ここで、参照信号１および参照信号２は、互いに位相が１８０°ずれている。よって、と、一対のローパスフィルタ２１４に蓄積された電荷をソースフォロワ等の画素アンプにより読み出して減算することにより、受光した変調成分の参照信号に対する位相ずれを検出できる。このようにして、図６に示した動作をする検出部２１０を、第２基板２００に形成して、一方の参照信号として供給された基準信号に対する変調成分の位相差を検出できる。

図８は、撮像素子１０１を備えた撮像装置３００の構造を示す模式図である。撮像装置３００は、撮像素子１０１を備えたカメラボディ３２０に、撮像光学系３１０、照射部３３０、合焦機構３４０、および合焦制御部３５０を備える。

照射部３３０は、予め定められた基準信号に同調した変調周波数で変調された変調光を撮像対象３９０に向かって照射する。照射された変調光は撮像対象３９０により反射された反射光として、撮像対象の像光と共に撮像光学系３１０を通じて撮像素子１０１に入射する。

撮像対象３９０が反射した変調光が撮像素子１０１に受光されると、撮像素子１０１の検出部２１０は、入射した反射光と上記基準信号と位相差に基づいて、照射部３３０から撮像対象３９０に反射された後に撮像素子１０１に受光されるまでの時間を測定検出する。これにより、演算部２２０は、撮像素子１０１と撮像対象３９０との距離を算出する。

合焦制御部３５０は、撮像素子１０１の第２基板２００の出力部２３０から、撮像対象３９０と撮像素子１０１との距離に関連する情報を取得して、当該距離に位置する撮像対象に対して撮像光学系を合焦させる合焦条件を算出する。更に、合焦制御部３５０は、合焦機構３４０を駆動して、撮像光学系３１０を撮像対象３９０に合焦させる。

撮像光学系３１０が撮像対象３９０に対して合焦した場合、撮像素子の撮像面には、撮像対象像が形成される。ここで、撮像素子１０１の撮像面とは、撮像素子１０１において、センサアレイ１１７を形成する受光センサ１１６が配列された平面を意味する。よって、撮像素子１０１のセンサアレイ１１７において入射光を電気信号に変換した上で、第１画像生成部１２０において画像ファイルを生成することにより、撮像対象３９０の鮮明な画像を撮像できる。

図９は、撮像素子１０１における検出部２１０の他の構成を示すブロック図である。図示の検出部２１０は、参照信号１の撮像対象３９０による反射光を検出する第１の系統と、参照信号Ａと異なる変調周波数を有する参照信号Ｂの撮像対象３９０による反射光を検出する第２の系統とを備える。例えば、参照信号Ａに対して、参照信号Ｂは低い変調周波数を有する。

これにより、反射光の位相のずれにより撮像対象３９０と撮像素子１０１との距離を算出する場合の周期性が、第１の系統と第２の系統とで異なっているので、第２の系統により検出した長周期の距離を前提として、第１の系統による高精度な距離を算出して、絶対的な距離を算出できる範囲の拡大と、検出距離の精度とを両立させることができる。

更に、参照信号Ａの変調成分の波長をλ１、参照信号Ａによる第１の変調成分の測距精度をδ２、参照信号Ｂによる第２の変調成分の測距値をΔ２とし、任意の自然数をｎとした場合に、第１の変調周波数および第２の変調周波数として、式［Δ２−δ２＜ｎ・λ１＜Δ２＋δ２］となるｎが一意に決まる組み合わせを選択してもよい。これにより、１回の測距動作により、撮像素子１０１から撮像対象３９０までの距離が決まるので、短時間で測距動作を完了できる。

図１０は、上記のような一連の撮像素子１０１の模式的断面図である。回路の平面的な寸法に関して、検出部２１０の寸法は、個々の受光センサ１１６の寸法よりも大きい。しかしながら、撮像素子１０１においては、受光センサを第１基板１００に配し、検出部２１０を第２基板２００に配して、第１基板１００および第２基板２００を積層した構造を有する。これにより、センサアレイ１１７における受光センサ１１５、１１６の密度を低下させることなく、また、面積を拡大することなく、第２処理回路を備えた撮像素子１０１を形成できる。

図１１は、撮像素子１０１における、第１基板１００のセンサアレイ１１７と、第２基板の検出部２１０との位置関係を示す模式的平面図である。図示のように、検出部２１０の回路面積は、センサアレイ１１７における受光センサ１１５のひとつよりも広い回路面積を有する。

このため、検出部２１０を第１基板１００のセンサアレイ１１７に形成した場合は、画像形成に用いる受光センサ１１６のいくつかを取り除かなければならない。これに対して、撮像素子１０１においては、センサアレイ１１７を有する第１基板１００と、検出部２１０を有する第２基板２００とを積層しているので、受光センサ１１６の密度を低下させることなく、検出部２１０を実装できる。

また、センサアレイ１１７は、検出部２１０に接続された受光センサ１１６を複数備える。これにより、撮像素子１０１は、撮像領域内に複数の合焦領域を有する撮像素子１０１を形成できる。

なお、上記の例では、受光センサ１１５と検出部２１０とが対で接続されている。しかしながら、次に説明するように、複数の受光センサ１１５と単一の検出部２１０を接続することもできる。また、単一の受光センサ１１５に対して複数の検出部２１０を結合することもできる。

また、上記の撮像素子１０１では、第１基板１００に第１処理回路としての画像生成部１２０を配し、第２基板２００に第２処理回路としての検出部２１０を設けた。しかしながら、第１基板１００に検出部２１０を設けて、第２基板に画像生成部１２０を設けてもよいことはもちろんである。更に、例えば、画像生成部１２０について、一部を第１基板１００に配し、他の一部を第２基板２００に配してもよい。同様に、検出部２１０についても、一部を第１基板１００に配し、他の一部を第２基板２００に配するように振り分けてもよい。

図１２は、他の撮像素子６０１における電気的な接続を示すブロック図である。撮像素子６０１は、互いに積層された第１基板６１０および第２基板６２０を備える。

第１基板６１０は、ＣＭＯＳセンサ部６３０および第１処理回路６４０を有する。ＣＭＯＳセンサ部６３０は、単一種類の受光センサ６５１を複数含むセンサアレイ６５０を有する。第２基板６２０は、第２処理回路６６０を有する。

ここで、センサアレイ６５０の出力は分岐され、第１処理回路６４０と第２処理回路６６０とに、並列的に接続されている。これにより、第１基板１００の第１処理回路６４０と、第２基板２００の第２処理回路６６０は、センサアレイ６５０の出力を常時受ける。図１２に示す例において、センサアレイ６５０と第１処理回路との間に例えば増幅回路のような処理回路を設けてもよく、この場合、当該処理回路から出力された信号が分岐して第１処理回路６４０および第２処理回路６６０にそれぞれ出力される。

図１３は、撮像素子６０１のセンサアレイ６５０に含まれるひとつの受光センサ６５１の電気的な構造を示す回路図である。受光センサ６５１の各々は、ひとつの受光素子３１１および容量素子３１６と、読み出しトランジスタ３１２、リセットトランジスタ３１３、増幅トランジスタ３１４、および行選択トランジスタ３１５を含む４つのトランジスタとを有する。

読み出しトランジスタ３１２は、制御回路１１１からの読み出しパルスを制御端子に受けると、浮遊拡散層に形成された容量素子３１６に受光素子３１１の信号電荷を転送する。これにより容量素子３１６に生じた電位の変化が、増幅トランジスタ３１４によるソースフォロワで検知出力される。

なお、ＣＭＯＳセンサ部６３０のカラム信号処理回路１１８においては、リセットトランジスタ３１３により容量素子３１６がドレイン電圧にリセットされた状態におけるソースフォロワの検知出力と、容量素子読み出しトランジスタ３１２により受光素子３１１の信号電荷が転送された状態におけるソースフォロワの検知出力の差分を外部に出力する。これにより、ＣＭＯＳセンサ部６３０から出力される信号からは、受光センサ６５１で生じた固定パターンノイズが除去される。

更に、受光センサ６５１は、増幅トランジスタ３１４のソース端子に接続されたもうひとつの増幅トランジスタ３１７を有する。増幅トランジスタ３１７のソース端子は、第２基板２００の第２処理回路６６０に接続される。これにより、第２処理回路６６０は、適切な増幅率で調整された受光センサ６５１の出力を、第１処理回路６４０と並列に受けることができる。また、上記の構造により、第２処理回路６６０を、センサアレイ６５０の受光センサ６５１ひとつひとつに対応して設けることができる。

図１４は、他の撮像素子６０２における電気的な接続を示すブロック図である。撮像素子６０２は、次に説明する部分を除くと、図１２に示した撮像素子６０１と同じ構造を有する。両者で共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

撮像素子６０２は、第１処理回路６４０および第２処理回路６６０と、センサアレイ６５０との間に切り替え部６７０を備える。撮像素子６０２においても、センサアレイ６５０は一種類の受光センサ６５１を備えるが、センサアレイ６５０の出力は、切り替え部６７０により、第１処理回路６４０および第２処理回路６６０のいずれかに選択的に接続される。

これにより、第１処理回路６４０および第２処理回路６６０のそれぞれは、時分割的に分岐され、センサアレイ６５０の受光センサ６５１を使用できる。また、上記の構造により、第２処理回路６６０を、センサアレイ６５０の受光センサ６５１ひとつひとつに対応して設けることができる。

尚、図１２および図１４に示す例では、センサアレイ６５０から信号が出力された後にその信号が分岐する例を示したが、図１５に示す撮像素子８０３のように、受光センサ６５１が、第１処理回路６４０に出力される信号及び第２処理回路６６０に出力される信号をそれぞれ生成し、それら生成された信号がセンサアレイ６５０から個別に出力されていてもよく、これもセンサアレイ６５０の出力信号が分岐することに含まれる。図１５の受光センサ６５１には、例えば図１３に示すものが用いられる。従って、図１５の例では、センサアレイ６５０からの出力信号には、複数の受光センサ６５１のそれぞれから第１処理回路６４０に出力された信号と、複数の受光センサ６５１のそれぞれから第２処理回路６６０に出力された信号とが含まれる。

図１６は、他の撮像素子６０３における電気的な接続を示すブロック図である。撮像素子６０３は、次に説明する部分を除くと、図１２に示した撮像素子６０１と同じ構造を有する。よって、両者で共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

撮像素子６０３においては、センサアレイ６５０が、第１基板６１０の第１処理回路６４０に信号を供給する受光センサ６５１と、第２基板６２０の第２処理回路６６０に信号を供給する受光センサ６５１とを備える。これにより、センサアレイ６５０において出力信号が分岐され、第１処理回路６４０および第２処理回路６６０にそれぞれ供給される。

すなわち、図１６に示す例では、複数の受光センサ６５１のうち少なくとも一つの受光センサ６５１で第１処理回路６４０に出力される信号が生成され、少なくとも一つの他の受光センサ６５１で第２処理回路６６０に出力される信号が生成され、それぞれ個別にセンサアレイ６５０から出力される。従って、センサアレイ６５０からの出力信号は、少なくとも一つの受光センサ６５１から第１処理回路６４０に出力される信号と、他の少なくとも一つの受光センサ６５１から第２処理回路６６０に出力される信号とを含む。また、センサアレイ６５０の出力信号が分岐するとは、本実施例のようにセンサアレイ６５０からの出力系統が複数あり、その一つが第１処理回路６４０に出力され、他の一つが第２処理回路６６０に出力されることを含む。

撮像素子６０３は、センサアレイ６５０において第２処理回路に接続して使用される複数の受光センサ６５１のいずれかを、単一の第２処理回路６６０に対して選択的に接続する選択部６８０を備える。これにより、単一の第２処理回路６６０を、複数の受光センサ６５１と組み合わせて使用できるので、複数の測距領域のひとつを選択して使用する場合に、実装する第２処理回路６６０の数を削減できる。

図１７は、撮像素子６０４の模式的断面図である。撮像素子６０４は、互いに積層された第１基板７１０、第２基板７２０、および第３基板７３０を有する。第２基板７２０は、第１基板７１０が入射光を受光する側に対して反対側に積層される。第３基板７３０は、第２基板７２０に対して、第１基板７１０と反対の側に積層される。換言すれば、第３基板７３０も、第１基板７１０が入射光を受光する側に対して反対側に積層される。

第１基板７１０は、図中最上層に位置し、ＣＭＯＳセンサ部１１０および画像生成部１２０を有する。更に、第１基板７１０の図中上面には、光学層５００が積層される。第１基板７１０において、ＣＭＯＳセンサ部１１０の出力は、第１基板７１０自体の画像生成部と、第２基板７２０および第３基板７３０の検出部２１０とに、それぞれ分岐して供給される。

第２基板７２０および第３基板７３０は、それぞれが、検出部２１０および演算部２２０を有する。検出部２１０の各々は、第１基板７１０の受光センサ１１５に接続され、受光した入射光の変調成分を検出する。ここで、第２基板７２０の検出部２１０は、第３基板７３０の検出部２１０よりも、変調周波数が高い変調成分を検出する。このような構造により、図９に示したように、異なる周波数の変調成分により撮像対象３９０までの距離を検出する撮像素子６０４を形成できる。

なお、第２基板７２０および第３基板７３０の積層順序は入れ換えることもできる。しかしながら、信号周波数の高い第２基板７２０を、受光する第１基板７１０に近づけることにより、変調成分の減衰を抑制して、実効的な検出感度を向上できる。

図１８は、他の撮像素子８０１の模式的断面図である。なお、撮像素子８０１は、次に説明する部分を除くと、図１７に示した撮像素子６０４と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

撮像素子８０１は、第２基板７２０と第３基板７３０との間に、第６基板７６０を備える点において、撮像素子６０４と異なる構造を有する。第６基板７６０は、それ自体を厚さ方向に貫通するＴＳＶ７６１を備え、第２基板７２０と第３基板７３０とを電気的に接続する。また、第６基板７６０にも素子または回路７６２を設けて、他の基板における処理の一部を受け持たせてもよい。更に、第６基板７６０を設けることにより、容量素子等のように、特性が寸法に依存する素子を、撮像素子８０１に設けやすくなる。

図１９は、撮像素子６０５の模式的断面図である。撮像素子６０５は、次に説明する部分を除くと、図１７に示した撮像素子６０４と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

撮像素子６０５においては、第２基板７２０の検出部２１０と第３基板の検出部２１０とが、互いに異なる受光センサ１１５に接続されている。これにより、第１基板７１０の受光センサ１１５において発生した信号は、第１基板７１０自体と、第２基板７２０および第３基板７３０の検出部２１０とに、それぞれ分岐して供給される。検出部２１０が接続された受光センサ１１５は、互いに隣接または近接している。これにより、受光センサ１１５の各々における配線密度を抑制して、信頼性の高い撮像素子６０５を形成できる。

なお、撮像素子６０５がカラー画像を撮像するものである場合は、検出部２１０が接続された隣接する、または近接する受光センサ１１５は、互いに色が異なるオンチップカラーフィルタ５４０を通じて入射光を受光する。互いに積層された第１基板７１０、第２基板７２０、および第３基板７３０を有する。よって、検出対象となる変調成分は、透過するオンチップカラーフィルタ５４０の色に応じて、異なる色にしてもよい。

なお、上記の撮像素子６０４、６０５は、いずれも、一対の検出部２１０を備え、変調周波数の異なる変調成分を個々に検出する。しかしながら、単一の検出部２１０を設け、検出する変調周波数を時分割で切り替えて、変調周波数が異なる複数の変調成分を検出する撮像素子を形成することもできる。

図２０は、撮像素子６０６の模式的断面図である。撮像素子６０６は、次に説明する部分を除くと、図１７に示した撮像素子６０４と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

撮像素子６０６は、互いに積層された第１基板７１０および第２基板７２０を有する。第１基板７１０は、受光センサ１１５を有し、更に、光学層５００を有する。第１基板７１０において発生した電気信号は、第１基板７１０自体の画像生成部と、第２基板の検出部２１０とに分岐して供給される。第２基板７２０は、検出部２１０を有する。これらの点において、撮像素子６０４の構造は、図４に示した撮像素子１０１の構造と共通する。

ここで、撮像素子６０４においては、第２基板に形成された検出部２１０が、カラー画素ひとつ分のオンチップカラーフィルタ５４０と同じ面積で形成されている。これにより、撮像素子６０４においては、１カラー画素毎に検出部２１０が設けられる。よって、撮像素子６０４は、カラー画像と同等の解像度で、画素毎に距離情報を有する画像を取得できる。なお、検出する変調成分を赤外帯域にすることにより、受光する入射光に対するオンチップカラーフィルタ５４０の影響を殆ど解消できる。

図２１は、撮像素子６０７の模式的断面図である。撮像素子６０７は、次に説明する部分を除くと、図１７に示した撮像素子６０４と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

撮像素子６０７は、第１基板７１０の図中下面に順次積層された、第３基板７３０、第２基板７２０、および第４基板７４０を有する。第１基板７１０は、ＣＭＯＳセンサ部１１０を有するが、画像生成部１２０は有していない。一方、第２基板７２０は、画像生成部１２０を有し、検出部２１０を有していない。

また、第２基板７２０は、第１基板７１０が入射光を受光する側に対して反対側に積層される。第４基板７４０は、第２基板７２０に対して、第１基板７１０と反対の側に積層される。換言すれば、第４基板７４０も、第１基板７１０が入射光を受光する側に対して反対側に積層される。

第１基板７１０および第２基板７２０の間に挟まれた第３基板７３０は、第１基板７１０に配された受光センサ１１６の受光帯域よりも波長が長い赤外帯域に対して高い感度を有する受光センサ７３１を備える。そのような受光センサ７３１としては、ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体により形成した受光センサ７３１を例示できる。より波長が長い赤外光は、第１基板７１０および光学層５００をよく透過するので、第３基板７３０の受光センサ７３１は、赤外帯域の変調成分を効率よく受光できる。

第４基板７４０は、受光センサ７３１により受光した赤外帯域の変調成分を検出する検出部７４１を備える。検出部７４１は、第２基板７２０を貫通して、第３基板７３０の受光センサ７３１に接続される。なお、第２基板７２０の検出部２１０は、第３基板７３０を貫通して第１基板７１０の受光センサ１１５に接続される。

上記のような構造により、受光センサ１１５を第１基板７１０に高密度に配置できるので、撮像素子６０７は高品質な画像を撮像できる。また、赤外帯域の変調成分により測距するので、霧等の影響を受けにくい。

図２２は、また他の撮像素子６０８の模式的断面図である。撮像素子６０８は、次に説明する部分を除くと、図２１に示した撮像素子６０７と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

撮像素子６０８は、第３基板７３０および第４基板の間に、第５基板７５０を積層されている点において、撮像素子６０７と異なる構造を有する。第５基板７５０も、第３基板７３０に対して、第１基板７１０と反対の側に積層されており、第１基板７１０が入射光を受光する側に対して反対側に積層される。また、第５基板７５０は、画像生成部１２０を有し、第３基板７３０の受光センサ７３１により受光した赤外帯域の画像を生成する。

上記のような構造により、撮像素子６０８は、受光センサ１１５を第１基板７１０に高密度に配置して高解像な画像を撮像できると共に、赤外帯域における画像も撮像できる。更に、赤外帯域の変調成分を検出して撮像対象３９０までの測距もできる。よって、撮像素子６０８を用いることにより、撮像環境が暗い場合であっても、撮像対象情報を取得できる。

図２３は、また他の撮像素子８０２の模式的断面図である。撮像素子８０２は、次に説明する部分を除くと、図２２に示した撮像素子６０８と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

撮像素子８０２は、第１基板７１０および第３基板７３０に続いて、２枚の第４基板７４０が積層されている点において、図２２に示した撮像素子６０８と異なる構造を有する。２枚の第４基板７４０は、それぞれが検出部２１０を有し、第３基板７３０において分岐された受光センサ７３１の出力を、双方の検出部２１０が受ける。

ここで、一対の検出部２１０は、互いに異なる変調周波数の変調成分を検出する。よって、例えば、図９を参照して説明したように、一方の検出部２１０により高精度な距離を算出し、他方の検出部により絶対的な距離を算出できる範囲を拡大するといった検出動作を実行できる。

なお、第３基板７３０において、互いに異なる検出部２１０に接続されて異なる変調周波数の電気信号を検出部２１０に供給する受光センサ７３１は、センサアレイ１１７において、例えば交互に配列してもよい。更に、例えば、センサアレイ１１７における奇数行と偶数行で分けて配列してもよいし、市松模様をなすように配置してもよい。

図２４は、また他の撮像素子６０９の模式的断面図である。撮像素子６０９は、次に説明する部分を除くと、図２１に示した撮像素子６０７と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

撮像素子６０９は、図２１に示した撮像素子６０７に対して、第２基板７２０および第４基板７４０の間に積層された、第７基板７７０を更に備える。第７基板７７０は、背景画像検出回路７７２を有し、第３基板の受光センサ７３１が赤外帯域の入射光を受光して生成した電気信号を受けて、撮像対象３９０の背景画像を生成する。このように、撮像素子６０９においては、受光センサ７３１が赤外線を受光して発生した電気信号が、第３基板７３０において分岐され、第６基板の背景画像検出回路７７２と、第４基板７４０の検出部２１０とに供給される。

上記のような構造により、受光センサ１１５を高密度に配置できる。また、撮像素子６０９においては、第７基板７７０の背景画像検出回路７７２で検出した背景画像信号を、第５基板７５０が第３基板７３０から受ける信号から減算して、背景画像信号の影響を排除できる。これにより、第４基板７４０の検出部２１０において直流成分除去部２１２を省くことができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明した。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得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。

１００、６１０、７１０ 第１基板、１０１、６０１、６０２、６０３、６０４、６０５、６０６、６０７、６０８、６０９、８０１、８０２、８０３ 撮像素子、１１０、６３０ ＣＭＯＳセンサ部、１１１ 制御回路、１１２ 光電変換回路、１１４ 垂直駆動回路、１１５、１１６、６５１、７３１ 受光センサ、１１７、６５０ センサアレイ、１１８ カラム信号処理回路、１１９ 水平駆動回路、１２０ 画像生成部、１３０、２３０ 出力部、１９１、２９１ 接合パッド、１９２、２９２ 導体層、１９３、２９３ 絶縁層、１９４、２９４ 多層配線層、１９５、２９５ 素子、１９６ フォトダイオード、１９７、２９６ 絶縁膜、１９８、２９８ 支持基板、２００、６２０、７２０ 第２基板、２１０、７４１ 検出部、２１１ 電流電圧変換部、２１２ 直流成分除去部、２１３ 乗算器、２１４ ローパスフィルタ、２１５ 参照信号、２２０ 演算部、２９７、７６１ ＴＳＶ、２９９ 実装パッド、３００ 撮像装置、３１０ 撮像光学系、３１１ 受光素子、３１２ 読み出しトランジスタ、３１３ リセットトランジスタ、３１４、３１７ 増幅トランジスタ、３１５ 行選択トランジスタ、３１６ 容量素子、３２０ カメラボディ、３３０ 照射部、３４０ 合焦機構、３５０ 合焦制御部、３９０ 撮像対象、５００ 光学層、５１０ 遮光層、５２０、５３０、５５０ 平坦化層、５４０ オンチップカラーフィルタ、５６０ オンチップレンズ、６４０ 第１処理回路、６６０ 第２処理回路、６７０ 切り替え部、６８０ 選択部、７３０ 第３基板、７４０ 第４基板、７５０ 第５基板、７６０ 第６基板、７６２ 素子または回路、７７０ 第７基板、７７２ 背景画像検出回路

Claims (18)

1. 受光に応じた信号を出力するセンサが複数配されたセンサアレイと、
   前記センサアレイの出力信号を受ける第１の信号処理回路と、
   前記センサアレイの前記出力信号および前記第１の信号処理回路の出力信号から分岐された信号の少なくとも一方を入力信号として受ける第２の信号処理回路と、
   を備え、
   前記第１の信号処理回路は、積層された複数の基板の少なくとも一つに設けられ、前記第２の信号処理回路は、前記複数の基板のうち前記第１の信号処理回路が設けられた基板とは別の基板に設けられている撮像素子。
2. 前記第１の信号処理回路は、前記センサアレイの出力信号に基づいて画像信号を生成する画像生成部と、時間的に変調された参照信号を用いて前記入力信号に含まれる変調成分を検出する検出部とのいずれか一方を含み、
   前記第２の信号処理回路は、前記画像生成部および前記検出部の他方を含む
   請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記検出部は、前記センサアレイに配される前記センサのひとつひとつに対応して設けられた複数の検出回路を含む請求項２に記載の撮像素子。
4. 前記検出部は、それぞれが複数の前記センサを含んで形成された複数のセンサ群のひとつひとつに対応して設けられた複数の検出回路を含む請求項２に記載の撮像素子。
5. 前記検出部は、前記参照信号として供給された基準信号に対する、前記変調成分の位相差を検出する請求項２から４のいずれか一項に記載の撮像素子。
6. 前記検出部は、前記センサアレイに含まれる第１のセンサの出力信号を受け、前記画像生成部は、前記センサアレイに含まれる、前記第１のセンサと異なる第２のセンサの出力信号を受ける、請求項２から５のいずれか一項に記載の撮像素子。
7. 前記センサアレイの出力信号を、前記画像生成部および前記検出部のいずれかに選択的に出力する切り替え回路を有する請求項２から５のいずれか一項に記載の撮像素子。
8. 前記検出部は、前記画像生成部が出力信号を受ける前記センサと同じセンサの出力信号を受ける請求項２から５のいずれか一項に記載の撮像素子。
9. 前記第２の信号処理回路は、前記センサアレイの出力信号から分岐された信号に基づいて静止画信号を生成する静止画画像生成部を含み、
   前記第２の信号処理回路が形成された基板に積層され、前記センサアレイから出力された前記センサの前記出力信号から分岐された信号に基づいて動画データを生成する動画画像生成部を含む第３信号処理回路を有する第３基板を更に備える請求項１に記載の撮像素子。
10. 前記第２の信号処理回路が形成された基板は、第１の変調周波数で変調された第１の変調成分を検出する第１の検出部を有し、
    前記第２の信号処理回路が形成された前記基板に積層され、前記第１の変調周波数と異なる第２の変調周波数で変調された第２の変調成分を検出する第２の検出部を有する他の基板を更に有する請求項１に記載の撮像素子。
11. 前記第１の変調周波数は、前記第２の変調周波数よりも高く、
    前記第２の信号処理回路が設けられた前記基板は、前記他の基板よりも、前記第１の信号処理回路が設けられた前記基板により近い層に積層される
    請求項１０に記載の撮像素子。
12. 前記第２の信号処理回路が設けられた基板は、第１の変調周波数で変調された第１の変調成分を検出する第１の検出部と、前記第１の変調周波数と異なる第２の変調周波数で変調された第２の変調成分を検出する第２の検出部とを有する請求項１に記載の撮像素子。
13. 
    前記第１の検出部の出力に基づいて、前記第１の変調成分を含む第１の変調光を照射された照射対象までの測距値を算出する第１の測距部と、
    
    前記第２の検出部の出力に基づいて、前記第２の変調成分を含む第２の変調光を照射された照射対象までの測距値を算出する第２の測距部と
    を更に備え、前記第１の変調成分の波長をλ１、前記第２の変調成分による測距精度をδ２、前記第２の変調成分による測距値をΔ２とし、任意の自然数をｎとした場合に、
    前記第１の変調周波数および前記第２の変調周波数として、式［Δ２−δ２＜ｎ・λ１＜Δ２＋δ２］となるｎが一意に決まる組み合わせを選択する請求項１０から１２のいずれか一項に記載の撮像素子。
14. 前記センサアレイは、第１の受光帯域を受光し、
    前記第１の信号処理回路が設けられた前記基板に積層され、前記第１の受光帯域と異なる第２の受光帯域を受光する第２のセンサアレイを有する第４基板を更に備える請求項１から１３までのいずれか一項に記載の撮像素子。
15. 前記第２の受光帯域は、前記第１の受光帯域の波長より長い波長を有する請求項１４に記載の撮像素子。
16. 前記第１の受光帯域は可視光帯域に含まれ、
    前記第２の受光帯域は赤外帯域に含まれる
    請求項１５に記載の撮像素子。
17. 請求項１から１６のいずれか一項に記載された撮像素子と、前記撮像素子に像光を結像させる撮像光学系とを備えた撮像装置。
18. 予め定められた基準信号と同期して変調された変調光信号を撮像対象に照射する照射部と、
    前記撮像対象により反射された前記変調光信号の反射光を受光した前記センサの少なくとも一部の出力信号と、前記基準信号との位相差を、前記第１の信号処理回路および信号前記第２の信号処理回路の少なくとも一方により検出する検出部と、
    前記第１の信号処理回路および前記第２の信号処理回路の前記少なくとも一方の検出結果に基づいて前記撮像光学系の合焦条件を算出する算出部と
    を備える請求項１７に記載の撮像装置。

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