JP2016201776A

JP2016201776A - 撮像装置

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Publication number: JP2016201776A
Application number: JP2015082727A
Authority: JP
Inventors: 俊克堺; Toshikatsu Sakai; 北斗瀬尾; Hokuto Seo; 大竹　浩; Hiroshi Otake; 浩大竹; 友望高木; Yumi Takagi
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: JP6549882B2

Abstract

【課題】高感度で高性能な多重フォーカスの撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置１００は、撮像素子１１０と撮像素子１２０を含む。撮像素子１１０は、光電変換層１１１と信号読み出し部１１２を有する。撮像素子１２０は、カラーフィルタ１２１と撮像部１２２を有する。カラーフィルタ１２１はフィルタ部１２１Ｂ、１２１Ｇ、１２１Ｒを有し、その分光感度は光の三原色に対応している。光電変換層１１１は約５００〜約６００ｎｍの帯域の分光感度を有し、この分光感度は分光感度Ｇと分光感度Ｒの間に位置する。撮像素子１１０の光電変換層の吸収の主波長が撮像素子１２０の分光感度Ｇと分光感度Ｒが重なった部分に位置する有機光電変換材料を用いることにより、撮像素子１２０の感度が高い波長の光が撮像素子１１０に吸収されることなく透過するため、撮像装置１００の系全体で見た場合の光のロスが少なくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、被写体の像を撮像するとともに、レンズから被写体までの距離を計測することができる撮像装置に関する。

近年、高機能なカメラとして、従来の２次元画像だけではなく奥行き情報を取得することで、撮影後にピントを合わせられる任意焦点像画像や立体像の生成が可能なカメラが研究・開発されている。

このような画像を撮影するための方式の一つとして、レンズから被写体までの距離を計測する光学的技法として、レンズによる合焦位置を機構的にずらせて複数の被写体画像（多重フォーカス画像群）を撮影する方式が挙げられる。この方式では、いわゆるコントラストに基づく多重フォーカス法によりカメラと撮像される画像内の被写体との間の距離の測定を行うことが知られている。この場合、レンズによる合焦位置をずらす機構を設け、複数回の撮像動作を行う必要がある。

また、レンズによる合焦位置を機構的にずらせて複数の被写体画像（多重フォーカス画像群）を得る代わりに、複数のマイクロレンズにより複数の個眼像について合焦位置をずらせて撮像する複眼カメラ部を構成し、この複眼カメラ部により複数の被写体画像（多重フォーカス画像群）を得て、コントラストに基づく多重フォーカス法によりカメラと撮像される画像内の被写体との間の距離の測定を行う装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、レンズから被写体までの距離を計測する従来の測距装置として、入射光を分離する複数のプリズムで分光した光を複数の固体撮像素子で撮像し、合焦位置とレンズの焦点距離に基づいて被写体までの距離を計測する装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

例えば、従来の測距装置として、レンズによる合焦位置を機構的にずらせて複数の被写体画像（多重フォーカス画像群）を得る技法では、合焦位置が複数個所となるようにフォーカス駆動して、複数のフォーカス画像を取得することになるが、このフォーカス駆動には、ある程度の時間が必要なため動物体の撮像及びその被写体までの距離計測には適していないという問題がある。

また、複数のマイクロレンズにより複数の個眼像について合焦位置をずらせて撮像する複眼カメラ部を構成する技法では、焦点距離の同じ複数のマイクロレンズを精密に配置する必要があり、製造上の問題が生じやすくコスト的にも高価になりうる。

また、入射光をプリズム（或いはハーフミラー）で分光する技法では、カメラが大型化してしまうという問題がある。

これらの問題を解決する方式として、入射光のうち所定の光吸収率で光を吸収して光電変換し被写体の像を撮像する第１撮像素子と、第１撮像素子を透過した光を光電変換し当該被写体の像を撮像する第２撮像素子とを、予め定めた間隔でレンズの光軸上に配置することによって被写体画像（多重フォーカス画像群）を得る方式が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

この多重フォーカスカメラにおいては、第１撮像素子及び第２撮像素子で撮像される被写体の像のボケ量の差が焦点距離、口径比（Ｆ値）、被写体からレンズまでの距離、レンズから第１撮像素子までの距離及びレンズから第２撮像素子までの距離に依存することを利用して、被写体からレンズまでの距離を演算する。所定の光吸収率で光を吸収して光電変換し被写体の像を撮像する第１撮像素子として、有機光電変換膜を光電変換部に採用することが提案されている。

特開２００９−２１６６００号公報特開平１１−３３７３１３号公報特開２０１３−２０５５１６号公報

ところで、従来技術では、第２撮像素子でカラー画像を撮影する場合において、第２撮像素子として配置されたＣＣＤ(Charge Coupled Device)又はＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサーや薄膜トランジスタ回路上に配設される、ベイヤー配列を有するカラーフィルターや有機光電変換材料と、第１撮像素子の有機光電変換材料との関係が考慮されていない。

このため、第１撮像素子の吸収波長帯によっては、第２撮像素子のカラーフィルターを透過する光量が大幅に減少し、第２撮像素子の感度の低下が生じる等の測距性能の観点における課題があった。

そこで、高感度で高性能な多重フォーカスの撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の撮像装置は、入射光のうちの所定割合の第１入射光を光電変換する第１光電変換部と、前記第１光電変換部から出力される第１撮像信号を読み出す第１読み出し部とを有し、前記第１光電変換部に入射する入射光のうちの前記第１入射光以外の第２入射光を透過する、第１撮像素子と、光の三原色に対応する第１分光感度、第２分光感度、及び第３分光感度を有し、前記第２入射光を透過するカラーフィルタと、前記カラーフィルタを透過した前記第２入射光を光電変換する第２光電変換部と、前記第２光電変換部から出力される第２撮像信号を読み出す第２読み出し部とを有する、第２撮像素子とを含み、前記第２撮像素子は、前記入射光の入射方向において、前記第１撮像素子から所定距離を隔てた位置に配置されており、前記第１分光感度の第１ピークの位置を表す第１波長、前記第２分光感度の第２ピークの位置を表す第２波長、及び前記第３分光感度の第３ピークの位置を表す第３波長は、この順に短波長側から長波長側に分布しており、前記第１入射光を吸収する前記第１光電変換部の分光感度のピークの位置を表す波長は、前記第１波長よりも長く、かつ、前記第２波長よりも短い、又は、前記第２波長よりも長く、かつ、前記第３波長よりも短い。

高感度で高性能な多重フォーカスの撮像装置を提供することができる。

撮像装置１００を示す図である。撮像装置１００の断面構造を示す図である。分光感度を示す図である。実施の形態の変形例による分光感度を示す図である。

以下、本発明の撮像装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、撮像装置１００を示す図である。

撮像装置１００は、撮像素子１１０と撮像素子１２０を含む。撮像素子１１０は、光電変換層１１１と信号読み出し部１１２を有する。光電変換層１１１は、信号読み出し部１１２の上に形成されている。撮像素子１２０は、カラーフィルタ１２１と撮像部１２２を有する。カラーフィルタ１２１は、撮像部１２２の上に形成されている。なお、光電変換層１１１の上には電極が形成されるが、図１では図示を省略する。

撮像素子１１０と撮像素子１２０は、矢印で示す光の入射方向において、図示しないホルダ等で保持されることにより、所定距離を隔てて配置されている。

カラーフィルタ１２１は、ベイヤー配列されるＢ(Blue)、Ｇ(Green)、Ｒ(Red)のフィルタ部１２１Ｂ、１２１Ｇ、１２１Ｒを有する。フィルタ部１２１Ｂ、１２１Ｇ、１２１Ｒは、撮像部１２２の各画素に対応して配置されている。

光電変換層１１１は、フィルタ部１２１Ｂ、１２１Ｇ、１２１Ｒに合わせてマトリクス状に配置される画素領域を有する。図１には光電変換層１１１の画素領域をフィルタ部１２１Ｂ、１２１Ｇ、１２１Ｒと同様に示す。

図２は、撮像装置１００の断面構造を示す図である。

撮像素子１１０は、ガラス製支持基板２０上に、単結晶シリコン層により半導体島領域３１が構成された透明なＴＦＴ(Thin Film Transistor)６０によって構成される信号読み出し回路部を有する。

ＴＦＴ６０（信号読み出し回路部）は、ガラス製支持基板２０上に形成される絶縁膜２２の内部に形成される半導体島領域３１及びソース・ドレイン領域３２、ゲート絶縁膜２１、ゲート電極４１、信号読み出し線４２、及び絶縁膜２３を有する。絶縁膜２２、２３、画素電極４３、及び対向電極４４は、可視光透過率の高い材料で形成すればよい。

これらのうち、対向電極４４には、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、ＩＺＯ(Indium Zinc Oxide)等の透明導電膜や、数ｎｍ〜数十ｎｍの薄いＡｌ、Ｍｇ、Ａｕ、Ａｇ製の導電膜を用いればよい。

なお、ガラス製支持基板２０と絶縁膜２２の間に埋め込み酸化膜を形成してもよい。また、ＴＦＴ６０の代わりに透明なＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を形成してもよい。

また、ガラス製支持基板２０の代わりに、光透過性の高いプラスチック、石英、サファイア等で作製した基板を用いてもよい。

また、ＴＦＴ６０の代わりに、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン系材料、ＩＧＺＯ（In（インジウム）、Ga（ガリウム）、Zn（亜鉛）、O（酸素）を含む透明な酸化物半導体）又はＺｎＯ（酸化亜鉛）等の酸化物半導体、又は、ペンタセン等の有機半導体で透明なトランジスタを作製してもよい。

信号読み出し回路部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。

撮像素子１１０は、ＴＦＴ６０（信号読み出し回路部）の画素電極４３上に、光電変換層１１１と対向電極４４を形成して構成される。

光電変換層１１１は、有機材料製の光電変換層であり、図１に示す光電変換層１１１である。光電変換層１１１は、画素電極４３の上に有機光導電膜を積層することによって作製される。

ガラス製支持基板２０、絶縁膜２２、ＴＦＴ６０、及び対向電極４４は、図１に示す信号読み出し部１１２に相当する。

このような撮像素子１１０では、画素電極４３と対向電極４４の間にバイアス電圧が印加した状態で光電変換層１１１に光が吸収されると、光電変換層１１１に電荷が発生し、画素電極４３とＴＦＴ６０を介して外部に撮像信号として出力される。

このような光電変換層１１１と信号読み出し部１１２を組み合わせたアレイ状の光検出素子を形成することにより、高精度、高速度な撮像信号の検出が可能となる。

撮像素子１２０として、単結晶シリコン製の厚さ５μｍ程度のフォトダイオード１３１及び信号読み出し回路部１３２で構成されたＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)撮像デバイスを採用した。

撮像素子１２０は、シリコン基板１３０、フォトダイオード１３１、信号読み出し回路部１３２、絶縁膜１３３、及びカラーフィルタ１２１を有する。シリコン基板１３０、フォトダイオード１３１、信号読み出し回路部１３２、及び絶縁膜１３３は、図１に示す撮像部１２２に相当する。なお、上述したように、フォトダイオード１３１と信号読み出し回路部１３２は、ＣＭＯＳによって構成される。

ここで、撮像素子１１０に用いた光電変換層１１１は、約５００〜６００ｎｍの光を主に吸収して光電変換し、それ以外の帯域の光は透過する。

また、撮像素子１２０に用いた単結晶シリコン製の厚さ５μｍ程度のフォトダイオードは、光電変換層１１１を透過した光を吸収して光電変換する。

撮像装置１００は、撮像素子１１０で波長約５００〜約６００ｎｍの可視域の光を光電変換し、撮像素子１１０を透過した光を撮像素子１２０で光電変換する。

図３は、分光感度を示す図であり、図３（Ａ）は、カラーフィルタ１２１は、ベイヤー配列されるフィルタ部１２１Ｂ、１２１Ｇ、１２１Ｒの分光感度を示し、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に、光電変換層１１１の分光感度を追加した図である。

図３（Ａ）には、フィルタ部１２１Ｂ、１２１Ｇ、１２１Ｒの分光感度をＢ、Ｇ、Ｒで示す。撮像部１２２のフォトダイオード１３１は、図３（Ａ）に示す全帯域の光を光電変換することができる。このため、撮像素子１２０は、図３（Ａ）に示す３つの分光感度を有する。これら３つの分光感度は、光の三原色に対応している。

図３（Ｂ）に示すように、光電変換層１１１は、約５００〜約６００ｎｍの帯域の分光感度１１１Ａを有する。分光感度１１１Ａは、分光感度Ｇと分光感度Ｒの間に位置し、分光感度Ｇと分光感度Ｒの交点を与える波長と、吸収ピークの波長が等しい。また、分光感度Ｇと分光感度Ｒの交点における分光感度Ｇと分光感度Ｒの吸収量と、分光感度１１１Ａの吸収ピークにおける吸収量とが等しい。

このように、分光感度Ｇと分光感度Ｒの間に位置する分光感度１１１Ａを有する光電変換層１１１としては、例えば、アントラキノン、又は、アゾベンゼン系色素のような有機光電変換膜がある。

光電変換層１１１の分光感度１１１Ａは、吸収ピークが分光感度Ｇの吸収ピーク（約５３０ｎｍ）よりも長波長側で、分光感度Ｒの吸収ピーク（約６００ｎｍ）よりも短波長側に位置すればよい。吸収ピークが重なると、撮像素子１２０の感度が低くなりすぎるおそれがあるからである。

換言すれば、光電変換層１１１の分光感度１１１Ａのピークの位置を表す波長は、分光感度Ｇのピークの位置を表す波長よりも長く、かつ、分光感度Ｒのピークの位置を表す波長よりも短ければよい。

なお、ここでは、分光感度１１１Ａの吸収ピークの波長が、分光感度Ｇと分光感度Ｒの交点を与える波長と等しい場合について説明するが、分光感度１１１Ａの吸収ピークの波長は、分光感度Ｇと分光感度Ｒの間に位置していれば、分光感度Ｇと分光感度Ｒの交点を与える波長と一致していなくてもよい。

また、分光感度Ｇと分光感度Ｒの交点における分光感度Ｇと分光感度Ｒの吸収量と、分光感度１１１Ａの吸収ピークにおける吸収量とが等しい場合について説明するが、分光感度１１１Ａの吸収ピークにおける吸収量は、交点における分光感度Ｇと分光感度Ｒの吸収量よりも多くてもよく、少なくてもよい。分光感度１１１Ａの吸収ピークにおける吸収量と、交点における分光感度Ｇと分光感度Ｒの吸収量とのバランスは、撮像素子１１０と１２０の感度に影響をもたらすため、撮像素子１１０と１２０の感度のバランスを考慮した上で適切なバランスに設定すればよい。

撮像素子１１０の光電変換層１１１として、吸収の主波長が、撮像素子１２０の分光感度Ｇと分光感度Ｒが重なった部分に位置する有機光電変換材料を用いることにより、撮像素子１２０の感度が高い波長の光が撮像素子１１０に吸収されることなく透過するため、撮像装置１００の系全体で見た場合の光のロスが少なくなる。

以上のような構成を有する撮像装置１００は、撮像素子１１０及び撮像素子１２０で撮像される被写体の像のボケ量に差が生じる。これは、撮像素子１１０と撮像素子１２０とで被写体までの距離が異なるからである。

被写体の像のボケ量に差が焦点距離、口径比（Ｆ値）、被写体から撮像素子１１０の入射側に配置されるレンズまでの距離、レンズから撮像素子１１０までの距離、及び、レンズから撮像素子１２０までの距離に依存することを利用して、被写体からレンズまでの距離を演算により求めることができる。

従って、撮像装置１００は、距離情報を含む画像を取得できる多重フォーカスカメラとして利用することができる。

以上、実施の形態によれば、高感度で高性能な多重フォーカスの撮像装置１００を提供することができる。

なお、以上では、光電変換層１１１は、分光感度Ｇと分光感度Ｒとの間に位置する分光感度１１１Ａを有する形態について説明したが、分光感度Ｂと分光感度Ｇとの間に位置する分光感度を有していてもよい。

図４は、実施の形態の変形例による分光感度を示す図である。

図４に示すように、光電変換層１１１は、約５００〜約６００ｎｍの帯域の分光感度１１１Ａに加えて、約４３０〜約５２０ｎｍの帯域の分光感度１１１Ｂを有していてもよい。分光感度１１１Ｂは、分光感度Ｂと分光感度Ｇの間に位置し、分光感度Ｂと分光感度Ｇの交点を与える波長と、吸収ピークの波長が等しい。また、分光感度Ｂと分光感度Ｇの交点における分光感度Ｂと分光感度Ｇの吸収量と、分光感度１１１Ｂの吸収ピークにおける吸収量とが等しい。

このように、分光感度Ｂと分光感度Ｇの間に位置する分光感度１１１Ｂを有する光電変換層の材料としては、例えば、ジオキサジンジオキサジン、キナクリドン、ペリレン、インジゴイド、アントラキノン、キサンテン系色素のような有機光電変換膜がある。

光電変換層１１１が２つの分光感度１１１Ａと１１１Ｂを有するようにするためには、分光感度１１１Ａを実現するアントラキノン、又は、アゾベンゼン系色素の有機光電変換膜と、分光感度１１１Ｂを実現するジオキサジンジオキサジン、キナクリドン、ペリレン、インジゴイド、アントラキノン、又は、キサンテン系色素のような有機光電変換膜とを重ねて２層構造の光電変換層１１１を形成すればよい。

また、重ねて形成する代わりに、分光感度１１１Ａを実現する有機光電変換膜材料と、分光感度１１１Ｂを実現する有機光電変換膜材料とを混合した材料で光電変換層１１１を形成してもよい。

光電変換層１１１の分光感度１１１Ｂは、吸収ピークが分光感度Ｂの吸収ピーク（約４３０ｎｍ）よりも長波長側で、分光感度Ｇの吸収ピーク（約５３０ｎｍ）よりも短波長側に位置すればよい。吸収ピークが重なると、撮像素子１２０の感度が低くなりすぎるおそれがあるからである。

換言すれば、光電変換層１１１の分光感度１１１Ｂのピークの位置を表す波長は、分光感度Ｂのピークの位置を表す波長よりも長く、かつ、分光感度Ｇのピークの位置を表す波長よりも短ければよい。

なお、ここでは、分光感度１１１Ｂの吸収ピークの波長が、分光感度Ｂと分光感度Ｇの交点を与える波長と等しい場合について説明するが、分光感度１１１Ｂの吸収ピークの波長は、分光感度Ｂと分光感度Ｇの間に位置していれば、分光感度Ｂと分光感度Ｇの交点を与える波長と一致していなくてもよい。

また、分光感度Ｂと分光感度Ｇの交点における分光感度Ｂと分光感度Ｇの吸収量と、分光感度１１１Ｂの吸収ピークにおける吸収量とが等しい場合について説明するが、分光感度１１１Ｂの吸収ピークにおける吸収量は、交点における分光感度Ｂと分光感度Ｇの吸収量よりも多くてもよく、少なくてもよい。分光感度１１１Ｂの吸収ピークにおける吸収量と、交点における分光感度Ｂと分光感度Ｇの吸収量とのバランスは、撮像素子１１０と１２０の感度に影響をもたらすため、撮像素子１１０と１２０の感度のバランスを考慮した上で適切なバランスに設定すればよい。

以上のように、撮像装置１００の撮像素子１１０が２つの分光感度１１１Ａ及び１１１Ｂを有する場合は、分光感度１１１Ａのみの場合よりも、さらに撮像素子１１０の感度が上がるため、より高感度で高性能な多重フォーカスの撮像装置１００を提供することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の撮像装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００撮像装置
１１０撮像素子
１２０撮像素子
１１１光電変換層
１１１Ａ、１１１Ｂ分光感度
１１２信号読み出し部
２０ガラス製支持基板
２１ゲート絶縁膜
２２絶縁膜
２３絶縁膜
３１半導体島領域
３２ソース・ドレイン領域
４１ゲート電極
４２信号読み出し線
４３画素電極
４４対向電極
６０ＴＦＴ
１２１Ｂ、１２１Ｇ、１２１Ｒフィルタ部
１３１フォトダイオード
１３２信号読み出し回路部
１３３絶縁膜

Claims

入射光のうちの所定割合の第１入射光を光電変換する第１光電変換部と、前記第１光電変換部から出力される第１撮像信号を読み出す第１読み出し部とを有し、前記第１光電変換部に入射する入射光のうちの前記第１入射光以外の第２入射光を透過する、第１撮像素子と、
光の三原色に対応する第１分光感度、第２分光感度、及び第３分光感度を有し、前記第２入射光を透過するカラーフィルタと、前記カラーフィルタを透過した前記第２入射光を光電変換する第２光電変換部と、前記第２光電変換部から出力される第２撮像信号を読み出す第２読み出し部とを有する、第２撮像素子と
を含み、
前記第２撮像素子は、前記入射光の入射方向において、前記第１撮像素子から所定距離を隔てた位置に配置されており、
前記第１分光感度の第１ピークの位置を表す第１波長、前記第２分光感度の第２ピークの位置を表す第２波長、及び前記第３分光感度の第３ピークの位置を表す第３波長は、この順に短波長側から長波長側に分布しており、
前記第１入射光を吸収する前記第１光電変換部の分光感度のピークの位置を表す波長は、前記第１波長よりも長く、かつ、前記第２波長よりも短い、又は、前記第２波長よりも長く、かつ、前記第３波長よりも短い、撮像装置。
前記第１光電変換部の分光感度のピークの位置を表す波長は、前記第１分光感度と前記第２分光感度の交点の波長、又は、前記第２分光感度と前記第３分光感度の交点の波長に対応する、請求項１記載の撮像装置。
前記第１光電変換部は、前記分光感度を有する有機材料製の第１光電変換部である、請求項１又は２記載の撮像装置。
前記第１光電変換部は、前記第１波長よりも長く、かつ、前記第２波長よりも短い波長にピークを有する分光感度と、前記第２波長よりも長く、かつ、前記第３波長よりも短い波長にピークを有する分光感度との２つの分光感度を有する、請求項１乃至３のいずれか一項記載の撮像装置。
前記第１光電変換部は、
前記第１波長よりも長く、かつ、前記第２波長よりも短い波長にピークを有する分光感度を持つ第１有機材料製の第１光電変換部と、
前記第２波長よりも長く、かつ、前記第３波長よりも短い波長にピークを有する分光感度を持つ第２有機材料製の第１光電変換部と
を重ね合わせた第１光電変換部である、
又は、
前記第１波長よりも長く、かつ、前記第２波長よりも短い波長にピークを有する分光感度を持つ第１有機材料製と、前記第２波長よりも長く、かつ、前記第３波長よりも短い波長にピークを有する分光感度を持つ第２有機材料製とを混合して作製した第１光電変換部である、請求項４記載の撮像装置。