JP2024073899A - 撮像素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】ダイナミックレンジの拡大を図ることを可能にする。
【解決手段】本開示の撮像素子は、２次元的に配列された複数の単位画素と、複数の単位画素に向けて光を集光する集光層とを備え、複数の単位画素はそれぞれ、第１の感度を有する第１の画素部分と、第１の感度よりも低い第２の感度を有する第２の画素部分とを含み、集光層は、第１の屈折率を有する媒質と、媒質中に設けられ、それぞれが第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有すると共に、それぞれが光の波長よりも小さい幅を有し、第１の画素部分と第２の画素部分とに対応して配置された複数の構造体とを含む。
【選択図】図６

Description

本開示は、撮像素子に関する。
単位画素に対して、光を集光するレンズや微細構造体を配置した撮像素子がある（特許文献１参照）。一方、ダイナミックレンジの拡大を図る方法として、単位画素を感度の異なる複数の画素部分に分割する方法がある。
特開２００８－６６７０２号公報
単位画素を複数の画素部分に分割する画素構造において、光の集光にレンズを用いた場合、複数の画素部分の感度比がレンズの大きさによって制限されてしまう。このため、実現可能なダイナミックレンジの拡大に限界が生じる。
ダイナミックレンジの拡大を図ることが可能な撮像素子を提供することが望ましい。
本開示の一実施の形態に係る撮像素子は、２次元的に配列された複数の単位画素と、複数の単位画素に向けて光を集光する集光層とを備え、複数の単位画素はそれぞれ、第１の感度を有する第１の画素部分と、第１の感度よりも低い第２の感度を有する第２の画素部分とを含み、集光層は、第１の屈折率を有する媒質と、媒質中に設けられ、それぞれが第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有すると共に、それぞれが光の波長よりも小さい幅を有し、第１の画素部分と第２の画素部分とに対応して配置された複数の構造体とを含む。
本開示の一実施の形態に係る撮像素子では、複数の単位画素のそれぞれにおける第１の画素部分と第２の画素部分とに対応して、光の波長よりも小さい幅を有する複数の構造体が配置される。
比較例に係る撮像素子の第１の構成例を概略的に示す平面図である。 比較例に係る撮像素子の第２の構成例を概略的に示す平面図である。 比較例に係る撮像素子の第３の構成例を概略的に示す平面図である。 メタサーフェスの第１の構成例を示す説明図である。 メタサーフェスの第２の構成例を示す説明図である。 本開示の一実施の形態に係る撮像素子の第１の構成例を概略的に示す平面図である。 一実施の形態に係る撮像素子の第１の構成例を概略的に示す断面図である。 一実施の形態に係る撮像素子の第２の構成例を概略的に示す平面図である。 一実施の形態に係る撮像素子の第３の構成例を概略的に示す平面図である。 一実施の形態に係る撮像素子の第４の構成例を概略的に示す平面図である。 一実施の形態に係る撮像素子の第４の構成例を概略的に示す断面図である。 一実施の形態に係る撮像素子の第５の構成例を概略的に示す平面図である。 一実施の形態に係る撮像素子の第５の構成例を概略的に示す断面図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．比較例（図１～図３）
１．一実施の形態
１．１ 概要（図４、図５）
１．２ 構成例（図６～図１３）
１．３ 効果
２．応用例（図１４、図１５）
３．その他の実施の形態
＜０．比較例＞
図１は、比較例に係る撮像素子の第１の構成例を概略的に示す平面図である。
比較例に係る撮像素子は、２次元的に配列された複数の単位画素と、複数の単位画素に向けて光を集光する集光層とを備える。
図１では、複数の単位画素として、Ｒ（赤色）画素１００Ｒと、Ｇ（緑色）画素１００Ｇと、Ｂ（青色）画素１００Ｂとが配列された構成例を示している。複数の単位画素はそれぞれ、第１の感度を有する第１の画素部分（高感度画素１００Ｈ）と、第１の感度よりも低い第２の感度を有する第２の画素部分（低感度画素１００Ｌ）とを有する。高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌは互いに画素分離されている。低感度画素１００Ｌの面積は、高感度画素１００Ｈの面積よりも小さい。高感度画素１００Ｈの平面形状はＬ字状であり、低感度画素１００Ｌの平面形状は矩形状（例えば正方形状）とされている。
比較例に係る撮像素子は、集光層として、マイクロレンズ３０が２次元的に配列されたレンズアレイを備える。比較例に係る撮像素子では、図１のようにＬ字状の第１の画素部分と矩形状の第２の画素部分との２つを単位画素とし、全面に均等なサイズのマイクロレンズ３０を設けて各画素部分に入射光を集光する。これにより、第１の画素部分と第２の画素部分とに感度比をつけ、レンズの形状差による集光特性差の発生を回避しつつダイナミックレンジを向上できる。
図２は、比較例に係る撮像素子の第２の構成例を概略的に示す平面図である。図３は、比較例に係る撮像素子の第３の構成例を概略的に示す平面図である。
図１に示した画素構造において、感度比はマイクロレンズ３０の専有面積比で決まる。図１の第１の構成例では、感度比は約３倍で固定される。さらにダイナミックレンジを広くするためには、より大きい感度比をつける必要がある。感度比をつける方法として、図２に示した第２の構成例のようにマイクロレンズ３０のサイズを変える方法がある。しかしながら、図２に示した第２の構成例では、図示した点Ｐａ，Ｐｂが単位画素同士の境界、点Ｐｃが単位画素の中心に来る場合においてマイクロレンズ３０のサイズが最大となり、実現可能な感度比に限界がある。これに対し、図３に示した第３の構成例のように、マイクロレンズ３０の一部を単位画素同士の境界をまたぐように配置することで、マイクロレンズ３０のサイズを大きくすることができる。しかしながら、第３の構成例の場合においても、図示した点Ｐｄが単位画素の４角の位置、点Ｐｅが単位画素の中心に来る場合においてマイクロレンズ３０のサイズが最大となる。このため、第３の構成例の場合にも実現可能な感度比に限界がある。これらの理由から、集光層としてマイクロレンズ３０を用いる場合には、実現できるダイナミックレンジに限界がある。
＜１．一実施の形態＞
［１．１ 概要］
一実施の形態に係る撮像素子は、２次元的に配列された複数の単位画素と、複数の単位画素に向けて光を集光する集光層とを備える。複数の単位画素はそれぞれ、第１の感度を有する第１の画素部分と、第１の感度よりも低い第２の感度を有する第２の画素部分とを有する。
一実施の形態に係る撮像素子では、集光層としてメタサーフェスを用いる。図４は、メタサーフェスの第１の構成例を示す説明図である。図５は、メタサーフェスの第２の構成例を示す説明図である。
メタサーフェスは、媒質中に光の波長よりも小さい微細構造体を２次元的に配置し、媒質と微細構造体とによって実効的な屈折率に勾配を作ることで、光を偏向させる。例えば図４および図５に示したように、第１の屈折率を有する低屈折率材料からなる媒質４２と、媒質４２中に設けられ、それぞれが第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する高屈折率材料からなる複数の構造体４１とを含む。複数の構造体４１はそれぞれが、光の波長よりも小さい幅を有する。図４の第１の構成例では、複数の構造体４１の幅が左側から右側に行くに従い大きくなり、配置間隔が左側から右側に行くに従い小さくなることで、実効的な屈折率分布が左側から右側に行くに従い大きくなる。図５の第２の構成例では、複数の構造体４１の幅が中心から左側および右側に行くに従い小さくなり、配置間隔が中心から左側および右側に行くに従い大きくなることで、中心から左側および右側に行くに従い実効的な屈折率分布が小さくなる。入射光は実効的な屈折率分布に従い偏向する。
一実施の形態に係る撮像素子では、複数の構造体４１は、第１の画素部分と第２の画素部分とに対応して２次元的に配置される。集光層としてメタサーフェスを用いることで、画素の開口面積に左右されず感度比をつけることができる。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
［１．２ 構成例］
以下、一実施の形態に係る撮像素子の具体的な構成例を説明する。
（第１の構成例）
図６は、本開示の一実施の形態に係る撮像素子の第１の構成例を概略的に示す平面図である。図７は、一実施の形態に係る撮像素子の第１の構成例を概略的に示す断面図である。図６は、光の入射方向から見た画素構造の平面図であり簡素化のため複数の単位画素として４つの単位画素のみを示す。図７には、図６におけるＡ－Ａ線部分に相当する断面構造を示す。
図６には、複数の単位画素として、Ｒ画素１００Ｒと、Ｇ画素１００Ｇと、Ｂ画素１００Ｂとが配列された構成例を示す。複数の単位画素はそれぞれ、第１の感度を有する第１の画素部分（高感度画素１００Ｈ）と、第１の感度よりも低い第２の感度を有する第２の画素部分（低感度画素１００Ｌ）とを有する。高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌは互いに画素分離されている。低感度画素１００Ｌの面積は、高感度画素１００Ｈの面積よりも小さい。高感度画素１００Ｈの平面形状はＬ字状であり、低感度画素１００Ｌの平面形状は矩形状（例えば正方形状）とされている。
第１の構成例に係る撮像素子は、図７に示したように、受光層２０と、受光層２０に積層されたフィルタ層１０と、フィルタ層１０に積層された集光層４０とを備える。
受光層２０は、例えば半導体基板からなり、各単位画素の高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌとに対応するように２次元的に配列された複数の受光素子２１を有する。受光素子２１は、例えばＰＤ（フォトダイオード）からなる。受光素子２１は、入射光に応じた画素信号を出力する。複数の受光素子２１は、画素分離部２２によって画素分離されている。
フィルタ層１０は、複数の単位画素に対応して２次元的に配列された互いに色の異なる複数のカラーフィルタを有する。複数のカラーフィルタとしては、Ｒフィルタ１１Ｒ、Ｇフィルタ１１Ｇ、およびＢフィルタ１１Ｂを有する。なお、図７にはＧフィルタ１１Ｇのみが図示されている。フィルタ層１０には、複数の単位画素の境界部分、および高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌとの境界部分に対応する位置に、遮光膜１２が設けられている。複数のカラーフィルタと集光層４０との間には、平坦化膜（スペーサ膜）１３が設けられている。
集光層４０は、上述したメタサーフェスによって構成され、低屈折率材料からなる媒質４２と、高屈折率材料からなる複数の構造体４１とを含む。図６には、構造体４１が円柱状である場合の構成を示す。高屈折率材料からなる円柱状の構造体４１を、集光したい方向にかけて占有率が高くなるように配置し、その他の部分を低屈折率材料からなる媒質４２で埋めることにより集光層４０としてのメタサーフェスを形成する。複数の構造体４１のそれぞれの円柱の径や円柱同士の間隔は表面上の占有率を変えるために調整される。また円柱の高さも高感度画素１００Ｈに優先的に集光するために必要な光の偏向量に合わせて調整される。また、カラーフィルタごとに適切な円柱の配置を調整することも可能である。円柱状の高屈折率材料を覆う低屈折率材料の上には酸化膜等を用いて反射防止膜５０を形成してもよい。
なお、第１の構成例に係る撮像素子において、集光層４０における複数の構造体４１および複数の単位画素の数や配置は図示した例に限定されず、他の構成を取り得る。また、カラーフィルタの色の種類や数は図示した例に限定されず、他の構成を取り得る。
（第２の構成例）
図８は、一実施の形態に係る撮像素子の第２の構成例を概略的に示す平面図である。図８は、光の入射方向から見た画素構造の平面図であり簡素化のため複数の単位画素として４つの単位画素のみを示す。
第２の構成例に係る撮像素子は、上記第１の構成例に係る撮像素子と同様に、受光層２０と、受光層２０に積層されたフィルタ層１０と、フィルタ層１０に積層された集光層４０とを備える。
第２の構成例に係る撮像素子は、上記第１の構成例に係る撮像素子に対して、集光層４０における複数の構造体４１の形状および配置が異なっている。
第２の構成例に係る撮像素子では、複数の構造体４１の平面形状が線状のパターンを含む構成となっている。図８には、線状のパターンとしてリング状のパターンやＬ字状のパターンを含む構成例を示す。
第２の構成例に係る撮像素子では、高屈折率材料からなる線状のパターンを含む構造体４１を、集光したい方向にかけて占有率が高くなるように配置し、その他の部分を低屈折率材料からなる媒質４２で埋めることにより集光層４０としてのメタサーフェスを形成する。高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌとに対応する平面位置において、線状のパターンは閉じたリング状であってもよいし、画素の開口中心部や画素間ではリング状のパターンよりも幅の大きい線状のパターンで形成してもよい。線状のパターンを含む複数の構造体４１の径や間隔は表面上の占有率を変えるために調整される。また複数の構造体４１の高さも高感度画素１００Ｈに優先的に集光するために必要な光の偏向量に合わせて調整される。また、カラーフィルタごとに適切な線状のパターンの配置を調整することも可能である。複数の構造体４１を覆う低屈折率材料の上には酸化膜等を用いて反射防止膜５０を形成してもよい。
なお、第２の構成例に係る撮像素子において、集光層４０における複数の構造体４１および複数の単位画素の数や配置は図示した例に限定されず、他の構成を取り得る。
その他の構成は、上記第１の構成例に係る撮像素子と略同様であってもよい。
（第３の構成例）
図９は、一実施の形態に係る撮像素子の第３の構成例を概略的に示す平面図である。図９は、光の入射方向から見た画素構造の平面図であり簡素化のため複数の単位画素として４つの単位画素のみを示す。
第３の構成例に係る撮像素子は、上記第１の構成例に係る撮像素子と同様に、受光層２０と、受光層２０に積層されたフィルタ層１０と、フィルタ層１０に積層された集光層４０とを備える。
第３の構成例に係る撮像素子は、上記第１の構成例に係る撮像素子に対して、集光層４０における複数の構造体４１の配置が異なっている。
第３の構成例に係る撮像素子では、複数の構造体４１の配置が、カラーフィルタの色に応じた配置とされている。図９には、Ｇ画素１００Ｇをより高感度にする目的で、上記第１の構成例に比べて、Ｒ画素１００ＲやＢ画素１００Ｂ上に入射する光の一部をＧ画素１００Ｇ側に集光するように、複数の構造体４１の配置が調整された例を示す。Ｇ画素１００Ｇ側に光をより多く集光するように、Ｇ画素１００Ｇに対応する位置において、Ｒ画素１００ＲやＢ画素１００Ｂに比べて複数の構造体４１を多く配置している。円柱状の高屈折率材料を覆う低屈折率材料の上には酸化膜等を用いて反射防止膜５０を形成してもよい。
なお、第３の構成例に係る撮像素子において、集光層４０における複数の構造体４１および複数の単位画素の数や配置は図示した例に限定されず、他の構成を取り得る。
その他の構成は、上記第１の構成例に係る撮像素子と略同様であってもよい。
（第４の構成例）
図１０は、一実施の形態に係る撮像素子の第４の構成例を概略的に示す平面図である。図１１は、一実施の形態に係る撮像素子の第４の構成例を概略的に示す断面図である。図１０は、光の入射方向から見た画素構造の平面図であり簡素化のため複数の単位画素として４つの単位画素のみを示す。図１１には、図１０におけるＡ－Ａ線部分に相当する断面構造を示す。
第４の構成例に係る撮像素子は、上記第１の構成例に係る撮像素子と同様に、受光層２０と、受光層２０に積層されたフィルタ層１０と、フィルタ層１０に積層された集光層４０とを備える。
第４の構成例に係る撮像素子は、上記第１の構成例に係る撮像素子に対して、複数の単位画素の形状が異なっている。第４の構成例では、各単位画素において、高感度画素１００Ｈの平面形状は八角形状であり、低感度画素１００Ｌの平面形状は矩形状（例えば正方形状）とされている。八角形状の高感度画素１００Ｈの１つの辺に低感度画素１００Ｌの１つの辺が隣接するように、高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌとが配置されている。
図１０には、上記第１の構成例に係る撮像素子と同様に、集光層４０における複数の構造体４１が円柱状である場合の構成を示す。高屈折率材料からなる円柱状の構造体４１を、集光したい方向にかけて占有率が高くなるように配置し、その他の部分を低屈折率材料からなる媒質４２で埋めることにより集光層４０としてのメタサーフェスを形成する。複数の構造体４１のそれぞれの円柱の径や円柱同士の間隔は表面上の占有率を変えるために調整される。また円柱の高さも高感度画素１００Ｈに優先的に集光するために必要な光の偏向量に合わせて調整される。また、カラーフィルタごとに適切な円柱の配置を調整することも可能である。円柱状の高屈折率材料を覆う低屈折率材料の上には酸化膜等を用いて反射防止膜５０を形成してもよい。
集光層４０としてマイクロレンズ３０を用いた場合、高感度画素１００Ｈの形状を八角形状にすると、低感度画素１００Ｌに配置するマイクロレンズ３０の径を小さくすることで感度比を大きくすることができる。しかしながら、マイクロレンズ３０を用いた場合、高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌとでレンズの高さが変わってしまう。このため、斜入射特性差が生まれ、感度比がＦ値で変化してしまう。これに対し、集光層４０としてメタサーフェスを用いた場合、高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌとで集光層４０を同じ高さで設計できるため、感度以外の集光特性差を小さくすることができる。
なお、第４の構成例に係る撮像素子において、集光層４０における複数の構造体４１および複数の単位画素の数や配置は図示した例に限定されず、他の構成を取り得る。また、カラーフィルタの色の種類や数は図示した例に限定されず、他の構成を取り得る。
その他の構成は、上記第１の構成例に係る撮像素子と略同様であってもよい。
（第５の構成例）
図１２は、一実施の形態に係る撮像素子の第５の構成例を概略的に示す平面図である。図１３は、一実施の形態に係る撮像素子の第５の構成例を概略的に示す断面図である。図１２は、光の入射方向から見た画素構造の平面図であり簡素化のため複数の単位画素として４つの単位画素のみを示す。図１３には、図１２におけるＡ－Ａ線部分に相当する断面構造を示す。
第５の構成例に係る撮像素子は、上記第４の構成例に係る撮像素子と同様に、受光層２０と、受光層２０に積層されたフィルタ層１０と、フィルタ層１０に積層された集光層４０とを備える。
第５の構成例に係る撮像素子では、上記第４の構成例に係る撮像素子と同様に、各単位画素において、高感度画素１００Ｈの平面形状は八角形状であり、低感度画素１００Ｌの平面形状は矩形状（例えば正方形状）とされている。ただし、第５の構成例に係る撮像素子では、上記第４の構成例に係る撮像素子に対して、集光層４０における複数の構造体４１の形状および配置が異なっている。
第５の構成例に係る撮像素子では、複数の構造体４１の平面形状が線状のパターンを含む構成となっている。図１２には、線状のパターンとしてリング状のパターンを含む構成例を示す。
第５の構成例に係る撮像素子では、高屈折率材料からなる線状のパターンを含む構造体４１を、集光したい方向にかけて占有率が高くなるように配置し、その他の部分を低屈折率材料からなる媒質４２で埋めることにより集光層４０としてのメタサーフェスを形成する。高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌとに対応する平面位置において、線状のパターンは閉じたリング状であってもよいし、画素の開口中心部や画素間ではリング状のパターンよりも幅の大きい線状のパターンで形成してもよい。また、複数の構造体４１として部分的に円柱状の構造体を形成してもよい。線状のパターンを含む複数の構造体４１の径や間隔は表面上の占有率を変えるために調整される。また複数の構造体４１の高さも高感度画素１００Ｈに優先的に集光するために必要な光の偏向量に合わせて調整される。また、カラーフィルタごとに適切な線状のパターンの配置を調整することも可能である。複数の構造体４１を覆う低屈折率材料の上には酸化膜等を用いて反射防止膜５０を形成してもよい。
その他の構成は、上記第４の構成例に係る撮像素子と略同様であってもよい。
［１．３ 効果］
以上説明したように、一実施の形態に係る撮像素子によれば、複数の単位画素のそれぞれにおける第１の画素部分（高感度画素１００Ｈ）と第２の画素部分（低感度画素１００Ｌ）とに対応して、光の波長よりも小さい幅を有する複数の構造体４１が配置される。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
また、一実施の形態に係る撮像素子によれば、集光層４０としてメタサーフェスを用いることで、高感度画素１００Ｈおよび低感度画素１００Ｌの配置や形状によらず、感度比を上げることができる。高感度画素１００Ｈに優先的に集光することが可能となり、量子効率を上げることができる。一方、低感度画素１００Ｌに入る光を少なくすることができるため、飽和光量が大きくなる。これらの効果が合わさりダイナミックレンジを拡大できる。
また、一実施の形態に係る撮像素子によれば、集光層４０としてマイクロレンズ３０を用いる場合と異なり、集光層４０の厚みを一定にできる。高感度画素１００Ｈと低感度画素１００Ｌとの間に生じる感度以外の集光特性差（分光や斜入射など）を低減できる。また、一実施の形態に係る撮像素子によれば、画素信号の転送ゲートに近い位置に集光することができる。これにより、転送路を短縮でき光電変換電荷の再結合による消失リスクを下げることができる。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。以降の他の実施の形態の効果についても同様である。
＜２．応用例＞
本開示に係る技術は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット、建設機械、農業機械（トラクター）などのいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図１４は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システム７０００の概略的な構成例を示すブロック図である。車両制御システム７０００は、通信ネットワーク７０１０を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図１４に示した例では、車両制御システム７０００は、駆動系制御ユニット７１００、ボディ系制御ユニット７２００、バッテリ制御ユニット７３００、車外情報検出ユニット７４００、車内情報検出ユニット７５００、及び統合制御ユニット７６００を備える。これらの複数の制御ユニットを接続する通信ネットワーク７０１０は、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）、ＬＡＮ（Local Area Network）又はＦｌｅｘＲａｙ（登録商標）等の任意の規格に準拠した車載通信ネットワークであってよい。
各制御ユニットは、各種プログラムにしたがって演算処理を行うマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータにより実行されるプログラム又は各種演算に用いられるパラメータ等を記憶する記憶部と、各種制御対象の装置を駆動する駆動回路とを備える。各制御ユニットは、通信ネットワーク７０１０を介して他の制御ユニットとの間で通信を行うためのネットワークＩ／Ｆを備えるとともに、車内外の装置又はセンサ等との間で、有線通信又は無線通信により通信を行うための通信Ｉ／Ｆを備える。図１４では、統合制御ユニット７６００の機能構成として、マイクロコンピュータ７６１０、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０、専用通信Ｉ／Ｆ７６３０、測位部７６４０、ビーコン受信部７６５０、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０、音声画像出力部７６７０、車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０及び記憶部７６９０が図示されている。他の制御ユニットも同様に、マイクロコンピュータ、通信Ｉ／Ｆ及び記憶部等を備える。
駆動系制御ユニット７１００は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット７１００は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。駆動系制御ユニット７１００は、ＡＢＳ（Antilock Brake System）又はＥＳＣ（Electronic Stability Control）等の制御装置としての機能を有してもよい。
駆動系制御ユニット７１００には、車両状態検出部７１１０が接続される。車両状態検出部７１１０には、例えば、車体の軸回転運動の角速度を検出するジャイロセンサ、車両の加速度を検出する加速度センサ、あるいは、アクセルペダルの操作量、ブレーキペダルの操作量、ステアリングホイールの操舵角、エンジン回転数又は車輪の回転速度等を検出するためのセンサのうちの少なくとも一つが含まれる。駆動系制御ユニット７１００は、車両状態検出部７１１０から入力される信号を用いて演算処理を行い、内燃機関、駆動用モータ、電動パワーステアリング装置又はブレーキ装置等を制御する。
ボディ系制御ユニット７２００は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット７２００は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット７２００には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット７２００は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
バッテリ制御ユニット７３００は、各種プログラムにしたがって駆動用モータの電力供給源である二次電池７３１０を制御する。例えば、バッテリ制御ユニット７３００には、二次電池７３１０を備えたバッテリ装置から、バッテリ温度、バッテリ出力電圧又はバッテリの残存容量等の情報が入力される。バッテリ制御ユニット７３００は、これらの信号を用いて演算処理を行い、二次電池７３１０の温度調節制御又はバッテリ装置に備えられた冷却装置等の制御を行う。
車外情報検出ユニット７４００は、車両制御システム７０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット７４００には、撮像部７４１０及び車外情報検出部７４２０のうちの少なくとも一方が接続される。撮像部７４１０には、ＴｏＦ（Time Of Flight）カメラ、ステレオカメラ、単眼カメラ、赤外線カメラ及びその他のカメラのうちの少なくとも一つが含まれる。車外情報検出部７４２０には、例えば、現在の天候又は気象を検出するための環境センサ、あるいは、車両制御システム７０００を搭載した車両の周囲の他の車両、障害物又は歩行者等を検出するための周囲情報検出センサのうちの少なくとも一つが含まれる。
環境センサは、例えば、雨天を検出する雨滴センサ、霧を検出する霧センサ、日照度合いを検出する日照センサ、及び降雪を検出する雪センサのうちの少なくとも一つであってよい。周囲情報検出センサは、超音波センサ、レーダ装置及びＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）装置のうちの少なくとも一つであってよい。これらの撮像部７４１０及び車外情報検出部７４２０は、それぞれ独立したセンサないし装置として備えられてもよいし、複数のセンサないし装置が統合された装置として備えられてもよい。
ここで、図１５は、撮像部７４１０及び車外情報検出部７４２０の設置位置の例を示す。撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６，７９１８は、例えば、車両７９００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部のうちの少なくとも一つの位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部７９１０及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部７９１８は、主として車両７９００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部７９１２，７９１４は、主として車両７９００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部７９１６は、主として車両７９００の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部７９１８は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図１５には、それぞれの撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲ａは、フロントノーズに設けられた撮像部７９１０の撮像範囲を示し、撮像範囲ｂ，ｃは、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部７９１２，７９１４の撮像範囲を示し、撮像範囲ｄは、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部７９１６の撮像範囲を示す。例えば、撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両７９００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
車両７９００のフロント、リア、サイド、コーナ及び車室内のフロントガラスの上部に設けられる車外情報検出部７９２０，７９２２，７９２４，７９２６，７９２８，７９３０は、例えば超音波センサ又はレーダ装置であってよい。車両７９００のフロントノーズ、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部に設けられる車外情報検出部７９２０，７９２６，７９３０は、例えばＬＩＤＡＲ装置であってよい。これらの車外情報検出部７９２０～７９３０は、主として先行車両、歩行者又は障害物等の検出に用いられる。
図１４に戻って説明を続ける。車外情報検出ユニット７４００は、撮像部７４１０に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像データを受信する。また、車外情報検出ユニット７４００は、接続されている車外情報検出部７４２０から検出情報を受信する。車外情報検出部７４２０が超音波センサ、レーダ装置又はＬＩＤＡＲ装置である場合には、車外情報検出ユニット７４００は、超音波又は電磁波等を発信させるとともに、受信された反射波の情報を受信する。車外情報検出ユニット７４００は、受信した情報に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット７４００は、受信した情報に基づいて、降雨、霧又は路面状況等を認識する環境認識処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット７４００は、受信した情報に基づいて、車外の物体までの距離を算出してもよい。
また、車外情報検出ユニット７４００は、受信した画像データに基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等を認識する画像認識処理又は距離検出処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット７４００は、受信した画像データに対して歪補正又は位置合わせ等の処理を行うとともに、異なる撮像部７４１０により撮像された画像データを合成して、俯瞰画像又はパノラマ画像を生成してもよい。車外情報検出ユニット７４００は、異なる撮像部７４１０により撮像された画像データを用いて、視点変換処理を行ってもよい。
車内情報検出ユニット７５００は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット７５００には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部７５１０が接続される。運転者状態検出部７５１０は、運転者を撮像するカメラ、運転者の生体情報を検出する生体センサ又は車室内の音声を集音するマイク等を含んでもよい。生体センサは、例えば、座面又はステアリングホイール等に設けられ、座席に座った搭乗者又はステアリングホイールを握る運転者の生体情報を検出する。車内情報検出ユニット７５００は、運転者状態検出部７５１０から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。車内情報検出ユニット７５００は、集音された音声信号に対してノイズキャンセリング処理等の処理を行ってもよい。
統合制御ユニット７６００は、各種プログラムにしたがって車両制御システム７０００内の動作全般を制御する。統合制御ユニット７６００には、入力部７８００が接続されている。入力部７８００は、例えば、タッチパネル、ボタン、マイクロフォン、スイッチ又はレバー等、搭乗者によって入力操作され得る装置によって実現される。統合制御ユニット７６００には、マイクロフォンにより入力される音声を音声認識することにより得たデータが入力されてもよい。入力部７８００は、例えば、赤外線又はその他の電波を利用したリモートコントロール装置であってもよいし、車両制御システム７０００の操作に対応した携帯電話又はＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の外部接続機器であってもよい。入力部７８００は、例えばカメラであってもよく、その場合搭乗者はジェスチャにより情報を入力することができる。あるいは、搭乗者が装着したウェアラブル装置の動きを検出することで得られたデータが入力されてもよい。さらに、入力部７８００は、例えば、上記の入力部７８００を用いて搭乗者等により入力された情報に基づいて入力信号を生成し、統合制御ユニット７６００に出力する入力制御回路などを含んでもよい。搭乗者等は、この入力部７８００を操作することにより、車両制御システム７０００に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりする。
記憶部７６９０は、マイクロコンピュータにより実行される各種プログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、及び各種パラメータ、演算結果又はセンサ値等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでいてもよい。また、記憶部７６９０は、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス又は光磁気記憶デバイス等によって実現してもよい。
汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、外部環境７７５０に存在する様々な機器との間の通信を仲介する汎用的な通信Ｉ／Ｆである。汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、ＧＳＭ（登録商標）（Global System of Mobile communications）、ＷｉＭＡＸ（登録商標）、ＬＴＥ（登録商標）（Long Term Evolution）若しくはＬＴＥ－Ａ（LTE－Advanced）などのセルラー通信プロトコル、又は無線ＬＡＮ（Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）ともいう）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などのその他の無線通信プロトコルを実装してよい。汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、例えば、基地局又はアクセスポイントを介して、外部ネットワーク（例えば、インターネット、クラウドネットワーク又は事業者固有のネットワーク）上に存在する機器（例えば、アプリケーションサーバ又は制御サーバ）へ接続してもよい。また、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、例えばＰ２Ｐ（Peer To Peer）技術を用いて、車両の近傍に存在する端末（例えば、運転者、歩行者若しくは店舗の端末、又はＭＴＣ（Machine Type Communication）端末）と接続してもよい。
専用通信Ｉ／Ｆ７６３０は、車両における使用を目的として策定された通信プロトコルをサポートする通信Ｉ／Ｆである。専用通信Ｉ／Ｆ７６３０は、例えば、下位レイヤのＩＥＥＥ８０２．１１ｐと上位レイヤのＩＥＥＥ１６０９との組合せであるＷＡＶＥ（Wireless Access in Vehicle Environment）、ＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communications）、又はセルラー通信プロトコルといった標準プロトコルを実装してよい。専用通信Ｉ／Ｆ７６３０は、典型的には、車車間（Vehicle to Vehicle）通信、路車間（Vehicle to Infrastructure）通信、車両と家との間（Vehicle to Home）の通信及び歩車間（Vehicle to Pedestrian）通信のうちの１つ以上を含む概念であるＶ２Ｘ通信を遂行する。
測位部７６４０は、例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）衛星からのＧＮＳＳ信号（例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からのＧＰＳ信号）を受信して測位を実行し、車両の緯度、経度及び高度を含む位置情報を生成する。なお、測位部７６４０は、無線アクセスポイントとの信号の交換により現在位置を特定してもよく、又は測位機能を有する携帯電話、ＰＨＳ若しくはスマートフォンといった端末から位置情報を取得してもよい。
ビーコン受信部７６５０は、例えば、道路上に設置された無線局等から発信される電波あるいは電磁波を受信し、現在位置、渋滞、通行止め又は所要時間等の情報を取得する。なお、ビーコン受信部７６５０の機能は、上述した専用通信Ｉ／Ｆ７６３０に含まれてもよい。
車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、マイクロコンピュータ７６１０と車内に存在する様々な車内機器７７６０との間の接続を仲介する通信インタフェースである。車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＮＦＣ（Near Field Communication）又はＷＵＳＢ（Wireless USB）といった無線通信プロトコルを用いて無線接続を確立してもよい。また、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、図示しない接続端子（及び、必要であればケーブル）を介して、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＨＤＭＩ（登録商標）（High-Definition Multimedia Interface）、又はＭＨＬ（Mobile High-definition Link）等の有線接続を確立してもよい。車内機器７７６０は、例えば、搭乗者が有するモバイル機器若しくはウェアラブル機器、又は車両に搬入され若しくは取り付けられる情報機器のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。また、車内機器７７６０は、任意の目的地までの経路探索を行うナビゲーション装置を含んでいてもよい。車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、これらの車内機器７７６０との間で、制御信号又はデータ信号を交換する。
車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０は、マイクロコンピュータ７６１０と通信ネットワーク７０１０との間の通信を仲介するインタフェースである。車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０は、通信ネットワーク７０１０によりサポートされる所定のプロトコルに則して、信号等を送受信する。
統合制御ユニット７６００のマイクロコンピュータ７６１０は、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０、専用通信Ｉ／Ｆ７６３０、測位部７６４０、ビーコン受信部７６５０、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０及び車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０のうちの少なくとも一つを介して取得される情報に基づき、各種プログラムにしたがって、車両制御システム７０００を制御する。例えば、マイクロコンピュータ７６１０は、取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット７１００に対して制御指令を出力してもよい。例えば、マイクロコンピュータ７６１０は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance System）の機能実現を目的とした協調制御を行ってもよい。また、マイクロコンピュータ７６１０は、取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行ってもよい。
マイクロコンピュータ７６１０は、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０、専用通信Ｉ／Ｆ７６３０、測位部７６４０、ビーコン受信部７６５０、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０及び車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０のうちの少なくとも一つを介して取得される情報に基づき、車両と周辺の構造物や人物等の物体との間の３次元距離情報を生成し、車両の現在位置の周辺情報を含むローカル地図情報を作成してもよい。また、マイクロコンピュータ７６１０は、取得される情報に基づき、車両の衝突、歩行者等の近接又は通行止めの道路への進入等の危険を予測し、警告用信号を生成してもよい。警告用信号は、例えば、警告音を発生させたり、警告ランプを点灯させたりするための信号であってよい。
音声画像出力部７６７０は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図１４の例では、出力装置として、オーディオスピーカ７７１０、表示部７７２０及びインストルメントパネル７７３０が例示されている。表示部７７２０は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。表示部７７２０は、ＡＲ（Augmented Reality）表示機能を有していてもよい。出力装置は、これらの装置以外の、ヘッドホン、搭乗者が装着する眼鏡型ディスプレイ等のウェアラブルデバイス、プロジェクタ又はランプ等の他の装置であってもよい。出力装置が表示装置の場合、表示装置は、マイクロコンピュータ７６１０が行った各種処理により得られた結果又は他の制御ユニットから受信された情報を、テキスト、イメージ、表、グラフ等、様々な形式で視覚的に表示する。また、出力装置が音声出力装置の場合、音声出力装置は、再生された音声データ又は音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して聴覚的に出力する。
なお、図１４に示した例において、通信ネットワーク７０１０を介して接続された少なくとも二つの制御ユニットが一つの制御ユニットとして一体化されてもよい。あるいは、個々の制御ユニットが、複数の制御ユニットにより構成されてもよい。さらに、車両制御システム７０００が、図示されていない別の制御ユニットを備えてもよい。また、上記の説明において、いずれかの制御ユニットが担う機能の一部又は全部を、他の制御ユニットに持たせてもよい。つまり、通信ネットワーク７０１０を介して情報の送受信がされるようになっていれば、所定の演算処理が、いずれかの制御ユニットで行われるようになってもよい。同様に、いずれかの制御ユニットに接続されているセンサ又は装置が、他の制御ユニットに接続されるとともに、複数の制御ユニットが、通信ネットワーク７０１０を介して相互に検出情報を送受信してもよい。
以上説明した車両制御システム７０００において、本開示の撮像素子は、撮像部７４１０、および撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６，７９１８に適用することができる。
＜３．その他の実施の形態＞
本開示による技術は、上記一実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
以下の構成の本技術によれば、複数の単位画素のそれぞれにおける第１の画素部分と第２の画素部分とに対応して、光の波長よりも小さい幅を有する複数の構造体が配置される。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
（１）
２次元的に配列された複数の単位画素と、
前記複数の単位画素に向けて光を集光する集光層と
を備え、
前記複数の単位画素はそれぞれ、第１の感度を有する第１の画素部分と、前記第１の感度よりも低い第２の感度を有する第２の画素部分と
を含み、
前記集光層は、
第１の屈折率を有する媒質と、
前記媒質中に設けられ、それぞれが前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有すると共に、それぞれが光の波長よりも小さい幅を有し、前記第１の画素部分と前記第２の画素部分とに対応して配置された複数の構造体と
を含む
撮像素子。
（２）
前記第２の画素部分の面積は、前記第１の画素部分の面積よりも小さい
上記（１）に記載の撮像素子。
（３）
前記第１の画素部分の平面形状はＬ字状であり、
前記第２の画素部分の平面形状は矩形状である
上記（２）に記載の撮像素子。
（４）
前記集光層の前記構造体は、円柱状である
上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（５）
前記集光層の前記構造体は、平面形状が線状のパターンを含む構成とされている
上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（６）
前記複数の単位画素に対応して２次元的に配列された互いに色の異なる複数のカラーフィルタ、をさらに備え、
前記複数の構造体の配置が、前記カラーフィルタの色に応じた配置とされている
上記（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の撮像素子。
１０…フィルタ層、１１Ｒ…Ｒ（赤色）フィルタ、１１Ｇ…Ｇ（緑色）フィルタ、１１Ｂ…Ｂ（青色）フィルタ、１２…遮光膜、１３…平坦化膜（スペーサ膜）、２０…受光層（半導体基板）、２１…受光素子（ＰＤ（フォトダイオード））、２２…画素分離部、３０…マイクロレンズ、４０…集光層、４１…構造体（高屈折率材料）、４２…媒質（低屈折率材料）、５０…反射防止膜、１００Ｒ…Ｒ（赤色）画素（単位画素）、１００Ｇ…Ｇ（緑色）画素（単位画素）、１００Ｂ…Ｂ（青色）画素（単位画素）、１００Ｈ…高感度画素（第１の画素部分）、１００Ｌ…低感度画素（第２の画素部分）、７４１０…撮像部、７９１０，７９１２，７９１４，７９１６，７９１８…撮像部、
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，Ｐｅ…点。
。

Claims (6)

  1. ２次元的に配列された複数の単位画素と、
    前記複数の単位画素に向けて光を集光する集光層と
    を備え、
    前記複数の単位画素はそれぞれ、第１の感度を有する第１の画素部分と、前記第１の感度よりも低い第２の感度を有する第２の画素部分と
    を含み、
    前記集光層は、
    第１の屈折率を有する媒質と、
    前記媒質中に設けられ、それぞれが前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有すると共に、それぞれが光の波長よりも小さい幅を有し、前記第１の画素部分と前記第２の画素部分とに対応して配置された複数の構造体と
    を含む
    撮像素子。
  2. 前記第２の画素部分の面積は、前記第１の画素部分の面積よりも小さい
    請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記第１の画素部分の平面形状はＬ字状であり、
    前記第２の画素部分の平面形状は矩形状である
    請求項２に記載の撮像素子。
  4. 前記集光層の前記構造体は、円柱状である
    請求項１に記載の撮像素子。
  5. 前記集光層の前記構造体は、平面形状が線状のパターンを含む構成とされている
    請求項１に記載の撮像素子。
  6. 前記複数の単位画素に対応して２次元的に配列された互いに色の異なる複数のカラーフィルタ、をさらに備え、
    前記複数の構造体の配置が、前記カラーフィルタの色に応じた配置とされている
    請求項１に記載の撮像素子。
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