JP2017158159A - 撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高い測距精度と深い被写界深度を両立させた撮像装置を提供する。【解決手段】 画素電極は、第１の電極と、第１の方向で前記第１の電極と対向して配されている第２の電極と、第３の電極を有する。対向電極が、画素電極の上部に設けられており、光電変換層は、画素電極と対向電極とで挟持されるように配されている。所定の方向において、第３の電極の長さは、第１の電極の長さおよび第２の電極の長さよりも小さい。【選択図】 図２

Description

本発明は距離測定が可能な撮像装置に関する。
撮像装置として、光電変換層が基板の上に設けられた受光部を含む画素を備えた構成が知られている。特許文献１には、光電変換層として有機光電変換層を用いた撮像装置が記載されている。他方、撮影時のフォーカス調整を自動的に行うオートフォーカス（ＡＦ）機能を備える撮像装置が広く普及している。特許文献１にも、光電変換層とマイクロレンズとの間に入射光の一部を遮るための遮光膜が設け、位相差方式によって焦点検出を行うことが記載されている。この撮像面位相差方式は、レンズの瞳上の異なる領域（瞳領域）を通過した光束による視差画像の位相差から、三角測距の原理でデフォーカス量や被写体までの距離を求めるものである。
特開２０１４−６７９４８号公報
ところで、車載用のカメラでは、自立移動用の情報取得を目的として、高い測距精度を保ちつつ、撮像画像の全体にわたりピンボケしないように被写界深度を深くした撮像装置が望まれている。しかし、特許文献１に記載された構成では、高い測距精度と深い被写界深度を両立させるための素子構成について十分な検討がなされていない。そこで、本発明では、特許文献１と比較して、高い測距精度と深い被写界深度を両立させた撮像装置を提供することを目的とする。
本発明に係る撮像装置は、基板の上に２次元状に配列された複数の画素を有する撮像装置であって、前記基板の上に設けられ、第１の電極と、第１の方向で前記第１の電極と対向して配されている第２の電極と、第３の電極とを有する画素電極と、前記画素電極の上部に設けられた対向電極と、前記画素電極と前記対向電極とで挟持されるように配された光電変換層と、を有し、前記第１の方向において、前記第３の電極の幅は、前記第１の電極と前記第２の電極の間の距離よりも小さく、前記第１の方向に直交する方向である第２の方向において、前記第３の電極の長さは、前記第１の電極の長さおよび前記第２の電極の長さよりも小さいことを特徴とする。
本発明によれば、特許文献１と比較して、高い測距精度と深い被写界深度を両立させた撮像装置を提供することができる。
実施形態１を説明する図である。 実施形態１を説明する図である。 実施形態１を説明する図である。 実施形態１を説明する図である。 実施形態２を説明する図である。 実施形態３を説明する図である。 他の実施形態を説明する図である。 比較例について説明する図である。 本発明に係る実施形態を説明する図である。 本発明に係る実施形態を説明する図である。 他の実施形態を説明する図である。 他の実施形態を説明する図である。
図８において、符号７００は測距画素７００、符号７２０は撮像レンズの射出瞳、符号７３０は被写体を示したものである。なお、以下では、特許文献１とは異なり、光電変換層の下部に設けられている画素電極を分割した電極とすることにより、位相差検出を行う形態について説明する。
図中、ｘ方向を瞳分割方向とし、分割された射出瞳のそれぞれの領域を瞳領域７２１、７２２とする。瞳領域７２１を通過した光は、光電変換層のうち、電極７０１の上に位置する部分で電荷を発生させる。他方、瞳領域７２２を通過した光は、光電変換層のうち、電極７０２の上に位置する部分で電荷を発生させる。電極７０１によって捕集される信号電荷と、電極７０２によって捕集される信号電荷から２つの視差画像を取得し、三角測距の原理を用いて距離計測を可能としている。
通常、測距と撮像の両方が可能な画素は、電極７０１と７０２に対応する瞳領域７２１と７２２を合わせた領域が、瞳全面と等しくなるように構成されている。
しかしながら、測距精度の点からは、視差を大きくすることが求められるため、各視差に対応する瞳領域の重心間距離を長くとることが必要となる。
そこで、本発明では、瞳領域７２１と７２２の重心間距離を離すために、レンズの絞りを開いた状態、例えば開放Ｆ値、に設定して、瞳領域７２１と７２２との重心間距離（基線長）を大きくしている。また、瞳領域７２１と７２２と重心間距離を更に大きくするために、２つの電極を小さくした上で、２つの電極のそれぞれを画素の端部に配置している。図９はこのことを示したものであり、レンズの絞りを開いた状態で、電極８０１と８０２のそれぞれが画素の端部に配置されている。この結果、図９における瞳領域８２１と８２２との重心間距離は、図８における瞳領域７２１と７２２との重心間距離よりも長くなっている。
ところで、レンズの絞りを例えば開放Ｆ値に設定すると、被写界深度が浅くなり、撮像領域の全面でピントを合わせることが困難となる。このため、近いところから遠いところまでピンボケせずに撮影する必要がある車載用の撮像装置には望ましくない構成となってしまう。そこで、本発明では、撮像用に用いる光束が通過する瞳領域を光軸近傍に限定して小さくするために、ｘ方向およびｙ方向の両方で、電極の大きさを小さくしている。図１０はこのことを示したものであり、撮像画素９００の電極８０３が占める領域が小さくなっており、電極８０３は画素の中央付近に配されている。このように構成することによって、レンズの絞りを例えば開放Ｆ値に設定した場合であっても、被写界深度が浅くならない撮像装置を提供することができる。すなわち、高い測距精度と、深い被写界深度の両方を達成可能な撮像装置を提供することができる。以下、各実施形態について説明する。
（実施形態１）
（撮像装置の全体的構成）
図１は、本発明に係る測距画素および撮像画素を有する撮像装置１００のブロック図である。画素領域１２１と、垂直走査回路１２２と、２つの読み出し回路１２３と、２つの水平走査回路１２４と、２つの出力アンプ１２５を備えている。画素領域１２１以外の領域は周辺回路領域である。画素領域１２１には、多数の測距画素と撮像画素が２次元状に配列されている。周辺回路領域には、読み出し回路１２３、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等が設けられ、垂直走査回路１２２によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。水平走査回路１２４は、読み出し回路１２３から画素信号に基づく信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ１２５は、水平走査回路１２４によって選択された列の信号を増幅して出力する。信号電荷として電子を用いる構成を例示するが、信号電荷として正孔を用いることも可能である。
（各画素の素子構成）
図２（Ａ）は、測距画素８００の断面図であり、図２（Ｂ）は測距画素８００の平面図である。断面図で示した構成要素の一部を平面図では省略しており、断面図は平面図よりも抽象的に記載しているところもある。図２（Ａ）において、符号８１０は、半導体基板、配線層、読み出し回路等を模式的に示した部材である。部材８１０の上には、下部電極となる電極８０１（第１の電極）と電極８０２（第２の電極）が設けられている。電極８０１と電極８０２の上には、光電変換層８２０と、上部電極となる対向電極８３０が設けられている。光電変換層８２０は、電極８０１（８０２）と対向電極８３０とに挟持されるように配されている。対向電極８３０の上には、カラーフィルタ８４０とマイクロレンズ８５０が設けられている。
部材８１０は、複数の絶縁膜と配線を含む配線層を有する。絶縁膜を構成する層は、例えば酸化シリコン、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、窒化シリコン、炭化シリコンである。また、配線は、銅、アルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ポリシリコンなどの導電材料が用いられる。
電極８０１と８０２は、薄膜電極であり、ＩＴＯやアルミニウムなどの透明または不透明の導電性部材から形成される。電極８０１と８０２は、光電変換層８２０の各領域で発生した電荷を分離して捕集するためのものである。
光電変換層８２０は、入射光の光量に応じた電荷を発生する有機化合物を含む。光電変換層８２０と、電極８０１および８０２との間、あるいは、光電変換層８２０と、対向電極８３０との間に、電極から光電変換層８２０に電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けてもよい。
対向電極８３０は、電極８０１および８０２と対向する電極であり、光電変換層８２０を覆うように設けられている。対向電極８３０は、光電変換層８２０に電圧を印加し、光電変換層８２０に電界を生じさせるための電極である。対向電極８３０は光電変換層８２０よりも光の入射面側に設けられているため、対向電極８３０は入射光に対して透明なＩＴＯ等の導電性材料で構成される。
カラーフィルタ８４０は、Ｒ、Ｇ、Ｂ、あるいはＣ、Ｍ、Ｙの光を透過するフィルタである。カラーフィルタ８４０は、ＲＧＢあるいはＣＭＹの波長の光を透過する白色のフィルタやＩＲのフィルタであってもよい。特に、測距を行う場合には、色を識別する必要がないため、測距用の画素には白色のフィルタを用いれば、感度が向上する。カラーフィルタ８４０を複数種類用いて、カラーフィルタ間に段差ができる場合には、カラーフィルタ８４０の上に平坦化層を設けてもよい。
マイクロレンズ８５０は、樹脂などの材料を用いて形成される。測距と撮像で最適なマイクロレンズの形状が異なる場合には、測距用の画素と撮像用の画素に設けるマイクロレンズの形状を異ならしめてもよい。図２（Ｂ）に示すように、平面視において、電極８０１は画素Ｐ（第１の画素）の一方の端部に配され、電極８０２は画素Ｐの他方の端部に配されている。ｘ方向（第１の方向）において、電極８０１と電極８０２は対向して配されており、ｘ方向が位相差検出方向となる。電極８０１と電極８０２から得られる信号に基づいて、距離計測が行われる。なお、例えば１つのマイクロレンズが設けられている領域が１画素であると画定することもできる。
図２（Ｃ）は、撮像画素９００の断面図であり、図２（Ｄ）は撮像画素９００の平面図である。図２（Ｄ）に示すように、電極８０３（第３の電極）は、画素Ｐ（第２の画素）の中央部に設けられている。電極８０３も、光電変換層８２０の各領域で発生した電荷を分離して捕集するためのものであり、透明または不透明の導電性部材から形成される。
図２（Ｂ）と図２（Ｄ）を比較すると、ｘ方向に直交する方向であるｙ方向（第２の方向）に関して、電極８０３の長さは、電極８０１および電極８０２の長さよりも小さい。例えば、ｙ方向において、電極８０３の長さは、電極８０１および電極８０２の長さに対して、１／３以下である。また、ｘ方向に関して、電極８０３の幅は、電極８０１と電極８０２との距離よりも小さい。例えば、ｘ方向において、電極８０３の幅は、画素Ｐの幅に対して１／３以下であり、電極８０１と電極８０２の間の距離は、画素Ｐの幅に対して１／２以上である。また、電極８０３の面積は、電極８０１の面積と電極８０２の面積の和よりも小さい。このような構成により、電極８０３に対応した瞳領域を光軸近傍に限定し、瞳領域を小さくすることができる。
さらに、ｘ方向に関して、電極８０１と電極８０２の幅は、電極８０３の幅よりも小さい。すなわち、電極８０１と電極８０２は、画素の両端に寄った構成となっている。これにより、電極８０１と電極８０２に対応した瞳領域の重心間距離を広げることができる。例えば、ｘ方向において、電極８０１と電極８０２の幅は、画素Ｐの幅に対して、１／４以下である。
図２（Ｂ）および図２（Ｄ）において、符号２００はマイクロレンズ８５０の外縁を示すものであり、電極８０１と電極８０２には共通のマイクロレンズが設けられている。マイクロレンズと各電極の関係について、図３を用いて説明を行う。
図３は、画素領域１２１に配されているマイクロレンズを模式的に示すものである。ｘ方向（第１の方向）には、マイクロレンズが１次元的に複数配されている。これをマイクロレンズ群という。また、第１の方向に直交するｙ方向（第２の方向）に沿って、複数のマイクロレンズ群が配されることにより、２次元的に複数のマイクロレンズが配されている。これをマイクロレンズアレイという。複数のマイクロレンズのそれぞれは、外縁２００を有する。また、複数のマイクロレンズのそれぞれは、中心を有する。これらのマイクロレンズは、第１の端部と、中心を挟んでｘ方向に配された第２の端部を有する。複数のマイクロレンズには、平面視において、複数の電極が重なるように配置されている。例えば、図３において、符号３２０、符号３６０、符号３８０は、マイクロレンズの第１の端部に重なるように配置された第１の電極を模式的に示したものである。また、符号３１０、符号３５０、符号３９０は、マイクロレンズの第２の端部に重なるように配置された第２の電極を模式的に示したものである。さらに、符号３３０、符号３４０、符号３７０、符号４００は、マイクロレンズの中心に重なるように配置された第３の電極を模式的に示したものである。このように、各マイクロレンズには、マイクロレンズの各位置に対応して、第１の電極、第２の電極、第３の電極の少なくともいずれか一つが配置されている。
以上説明した構成によれば、高い測距精度と深い被写界深度の両方を達成可能な撮像装置を提供することができる。
（実施形態１の変形例）
図４は、本実施形態の変形例を示したものである。図４（Ａ）は、測距画素８００の平面図である。本図に示すように、測距画素８００の電極８０１、８０２は、矩形である必要はなく、楕円形であってもよい。また、図４（Ｂ）と（Ｃ）は、撮像画素９００の平面図である。これらの図に示すように、撮像画素９００の電極８０３は、矩形や楕円形であってもよい。また、電極８０３は五角形や八角形などの多角形であってもよい。
（実施形態２）
図５は、測距画素である第１の画素４１０と、第２の画素４２０の構成例を示したものである。第１の画素４１０には第１のマイクロレンズ（不図示）が設けられ、第２の画素４２０には第２のマイクロレンズ（不図示）が設けられている。実施形態１では、１つの測距画素は２つの電極を有していたが、図５に示すように、第１の画素４１０と、第２の画素４２０とに、それぞれ電極を１つ有する形態であってもよい。
（実施形態３）
図６（Ａ）および（Ｂ）は、測距用の電極８０１と８０２、撮像用の電極８０３の全てを画素Ｐに配置した形態を示した断面図と平面図である。実施形態１および２では、測距画素と撮像画素とは別の画素であり、測距画素の中央部には、電極が設けられていなかった。しかし、本実施形態のように、測距用の構成と撮像用の構成を１つの画素に設けることも可能である。また、１つの画素に両方の構成を備えている場合において、図５（Ｃ）に示すように、撮像用の電極８０３の形状を踏襲するように、測距用の電極８０１と８０２が弧状に湾曲した形状を有していてもよい。
図７は、図６（Ｃ）に示した構成例を用いて、ＨＤＲの機能を発揮する例を説明する図である。図７（Ａ）および（Ｂ）において、電極８０３は、画素回路に接続されており、電極８０１と８０２は、電圧が可変な電源に接続されている。この電源の電圧を制御することによって、光電変換層８２０内の電荷が捕集できる領域を制御することが可能である。すなわち、信号電荷としてホールを用いた場合、電源の電圧を高くしたときには、図７（Ａ）に示すように、電荷捕集領域６１０は拡大する。一方、電源の電圧を低くしたとき、図７（Ｂ）に示すように、電荷捕集領域６２０は縮小する。これを利用すれば、第１の画素では、拡大した電荷捕集領域６１０からの信号電荷を取得し、第２の画素では、縮小した電荷捕集領域６２０からの信号電荷を取得できる。第１の画素と第２の画素で取得した信号電荷から生成した画像を合成すれば、ダイナミックレンジが拡大した画像を取得することも可能となる。
（その他の実施形態）
〈撮像システムの実施形態〉
本実施形態は、上記実施形態で説明した測距画素および撮像画素を含む撮像装置を用いた、撮像システムの実施形態である。撮像システムとしては、例えば車載カメラがある。
図１１は、撮像システム１の構成を示している。撮像システム１には、撮像光学系１１である撮像レンズが装着される。撮像光学系１１は、レンズ制御部１２によって焦点位置を制御する。絞り１３は、絞りシャッタ制御部１４と接続され、絞りの開口径を変化させて光量調節を行う。撮像光学系１１の像空間には、撮像光学系１１により結像された被写体像を取得するために撮像装置１０の撮像面が配置される。ＣＰＵ１５はコントローラであり、カメラの種々の動作の制御を司る。ＣＰＵ１５は、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータおよび通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１５は、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、被写体との距離測定、撮影光学系の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理および記録等の一連の撮影動作を実行させる。ＣＰＵ１５は、信号処理手段に相当する。撮像装置制御部１６は、撮像装置１０の動作を制御するとともに、撮像装置１０から出力された画素信号（撮像信号）をＣＰＵ１５に送信する。画像処理部１７は、撮像信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成する。画像信号は液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示部１８に出力される。操作スイッチ１９によってＣＰＵ１５が操作され、着脱可能な記録媒体２０に撮影済み画像が記録される。
＜車載撮像システムの実施形態＞
図１２は、車載カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム１０００は、本発明に係る測距画素および撮像画素を有する。撮像システム１０００は、撮像装置１０１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部１０３０と、撮像システム１０００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部１０４０を有する。また、撮像システム１０００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部１０５０と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部１０６０と、を有する。
ここで、視差算出部１０４０や距離計測部１０５０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部１０６０はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
撮像システム１０００は車両情報取得装置１３１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ１４１０と接続されている。また、撮像システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置１４２０とも接続されている。例えば、衝突判定部１０６０の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ１４１０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１４２０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施形態では車両の周囲、例えば前方または後方を撮像システム１０００で撮像する。図１２（Ｂ）に、車両前方を撮像する場合の撮像システムを示した。また、上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
８００ 測距画素
８０１ 第１の電極
８０２ 第２の電極
８０３ 第３の電極
９００ 撮像画素

Claims (10)

  1. 基板の上に２次元状に配列された複数の画素を有する撮像装置であって、
    前記基板の上に設けられ、第１の電極と、第１の方向で前記第１の電極と対向して配されている第２の電極と、第３の電極とを有する画素電極と、
    前記画素電極の上部に設けられた対向電極と、
    前記画素電極と前記対向電極とで挟持されるように配された光電変換層と、を有し、
    前記第１の方向において、前記第３の電極の幅は、前記第１の電極と前記第２の電極の間の距離よりも小さく、
    前記第１の方向に直交する方向である第２の方向において、前記第３の電極の長さは、前記第１の電極の長さおよび前記第２の電極の長さよりも小さいことを特徴とする撮像装置。
  2. 前記第１の方向において、前記第１の電極および前記第２の電極の幅は、前記第３の電極の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
  3. 前記第１の電極と前記第２の電極に対応した共通のマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
  4. 前記第１の電極に対応して設けられたマイクロレンズと、前記第２の電極に対応して設けられたマイクロレンズは、別のマイクロレンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
  5. 前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第３の電極とに対応した共通のマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
  6. 前記第１の電極と前記第２の電極は矩形であり、前記第３の電極は円形であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
  7. 前記第１の電極と前記第２の電極は弧状に湾曲した部分を有し、前記第３の電極は円形であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
  8. 前記第３の電極の面積は、前記第１の電極の面積と前記第２の電極の面積の和よりも小さいことを特徴する請求項１から７のいずれかに記載の撮像装置。
  9. 半導体基板と、
    第１の方向に沿って複数のマイクロレンズが配されることによって構成されたマイクロレンズ群が、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って複数配されたマイクロレンズアレイと、
    前記マイクロレンズアレイと前記半導体基板との間に配された光電変換層を有する撮像装置であって、
    前記半導体基板の上に設けられ、第１の電極と、前記第１の方向で前記第１の電極と対向して配されている第２の電極と、第３の電極とを有する画素電極と、
    前記画素電極とともに前記光電変換層を挟持する対向電極とを有し、
    前記マイクロレンズは、
    第１の端部と、
    前記第１の端部に対し、前記マイクロレンズの中心を挟んで前記第１の方向に配された第２の端部と、を有し、
    前記第１の電極は前記第１の端部に重なるように配置され、
    前記第２の電極は前記第２の端部に重なるように配置され、
    前記第３の電極は前記マイクロレンズの中心に重なるように配置されており、
    前記第１の方向において、前記第３の電極の幅は、前記第１の電極と前記第２の電極の間の距離よりも小さく、
    前記第２の方向において、前記第３の電極の長さは、前記第１の電極の長さおよび前記第２の電極の長さよりも小さいことを特徴とする撮像装置。
  10. 移動体であって、
    請求項１から９のいずれかに記載の撮像装置と、
    前記撮像装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、を有することを特徴とする移動体。
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