JP6515999B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。

変調した照明光で照明し、反射光をロックイン検出することにより撮像対象を撮像する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２０１２−２０５２１７号公報

撮像素子の面積が拡大した場合に、素子内で信号の遅延、減衰等が生じて撮像品質が低下する場合がある。

本発明の第１の態様においては、予め定められた変調周波数で強度変調された変調成分を含む変調光信号を、撮像対象に反射させた後に受光して第１の電気信号を出力する第１の受光部と、変調光信号と同期して強度変調された参照光信号を受光して第２の電気信号を出力する第２の受光部と、第１の受光部を含む基板に積層される基板に設けられ、第２の電気信号を参照して、第１の電気信号から前記変調成分に対応する第３の電気信号を検出する検出部とを備え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、上記撮像素子と、撮像素子に撮像対象の像を形成する光学系とを備える撮像装置が供給される。

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。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得る。

撮像装置１０１を用いた撮影の模式図である。 検出部２３０の回路図である。 受光部２２０の領域レイアウトを例示する模式図である。 検出部２３０の動作を説明する図である。 検出部２３０の他の動作を説明する図である。 他の撮像装置１０２の模式図である。 撮像装置１０３の構造を示す模式図である。 撮像装置１０４の構造を示す模式図である。 撮像素子２０２の模式図である。 他の撮像装置１０５の模式図である。 撮像素子２０３の模式図である。 受光部２２０の領域レイアウトを例示する模式図である。

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、撮像装置１０１の構造を示す模式図である。撮像装置１０１は、レンズユニット１００およびカメラボディ２００を備える。

レンズユニット１００は、光学系１１０および導光部材１２０を有する。光学系１１０は、カメラボディ２００に配された撮像素子２０１に、撮像対象９９の光学像を形成する。

カメラボディ２００は、変調光信号発生部２１０および撮像素子２０１を有する。変調光信号発生部２１０は、図中左側に相当する撮像装置１０１の前方に向かって変調光信号３１０を発生する。変調光信号発生部２１０が発生する変調光信号３１０は、予め定められた変調周波数で強度変調された変調成分を含む。変調光信号発生部２１０から照射された変調光信号３１０は、撮像対象９９により反射された後、レンズユニット１００の光学系１１０を通じて、反射光３２０としてカメラボディ２００に入射する。

光学系１１０は、撮像対象９９に対して合焦した場合、撮像素子２０１における受光部２２０の受光面に、撮像対象９９の鮮明な光学像を形成する。よって、撮像装置１０１は、撮像素子２０１が出力する電気信号に基づいて、撮像対象９９の鮮明な像を取得できる。なお、撮像対象９９の像は、静止画および動画のいずれでもあり得る。

撮像素子２０１は、受光部２２０および検出部２３０を有する。受光部２２０は、レンズユニット１００の光学系１１０を通じて受光した反射光３２０を受光して、受光した反射光３２０の光強度に応じた電気信号を出力する。検出部２３０は、受光部２２０の出力に基づいて、撮像対象９９に関する情報を検出する。ここで、撮像対象９９に関して検出部２３０が検出する情報は、例えば、撮像対象９９の光学像であり得る。また、当該情報は、撮像装置１０１から撮像対象９９までの距離でもあり得る。

撮像装置１０１において、変調光信号発生部２１０が射出した光信号の一部は、導光部材１２０に反射されて、カメラボディ２００に直接に入射する。カメラボディ２００に入射した光信号は、撮像素子２０１の受光部２２０に入射する。導光部材１２０により変調光信号発生部２１０から撮像素子２０１に直接に入射した光信号に対して、撮像対象９９に反射された光信号は、撮像装置１０１と撮像対象９９との間の距離に応じて遅延して撮像素子２０１に入射する。

導光部材１２０は、高い反射率で光信号の光束の一部を反射する反射素子により形成してもよい。また、導光部材１２０は、照射された光信号の一部を反射して一部を透過するハーフミラーによっても形成してもよい。更に、導光部材１２０は、照射された光信号の一部帯域を反射するダイクロイックミラー等によって形成してもよい。また更に、導光部材１２０は、光ファイバ、光導波路等のライトガイド素子を用いて形成してもよい。

なお、いずれの場合も、導光部材１２０は光信号の光強度の一部を低下させる。よって、導光部材１２０は、撮像対象９９側から、変調光信号発生部２１０を直接に見通すことができない位置で光信号の光束に挿入されるように配置されることが好ましい。

このように、撮像装置１０１において、撮像素子２０１は、変調光信号発生部２１０が発生した変調光信号３１０の一部を、導光部材１２０を含む光路を通じて、参照光信号３３０として撮像素子２０１により受光する。よって、参照光信号３３０も、所与の変調周波数で強度変調された変調成分を含む。

また、撮像素子２０１は、変調光信号３１０の他の一部を、撮像用の光学系１１０を含む光路を通じて、撮像対象９９に反射された反射光３２０として受光する。撮像素子２０１が受光する反射光３２０も、当初の変調光信号３１０と同様に、所与の変調周波数で強度変調された変調成分を含む。

反射光３２０および参照光信号３３０を受光した場合に、撮像素子２０１は、例えば、反射光３２０と参照光信号３３０との位相のずれに基づいて、撮像装置１０１と撮像対象９９との間の距離を算出する。また、撮像対象９９から射出されてレンズユニット１００に入射した光のうち、変調光信号３１０の反射光３２０を選択的に検出して、撮像対象９９の高感度光学像を形成する。

なお、変調光信号発生部２１０において発生した参照光信号３３０が撮像素子２０１に到達するまでにも時間がかかり、当初の変調光信号３１０と撮像素子２０１が受光する参照光信号３３０との間にも位相ずれは生じる。しかしながら、変調光信号発生部２１０、導光部材１２０、および撮像素子２０１の各々は撮像装置１０１に固定されているので、参照光信号３３０が撮像素子２０１に到達するまでの時間は既知となる。よって、算出された値を補正して、撮像対象９９までの距離を精度よく選出することができる。

図２は、撮像素子２０１の回路図である。撮像素子２０１は、基板を積層することにより一体化された受光部２２０および検出部２３０を有する。

受光部２２０は、第１の受光部としてのメインピクセル２２１と、第２の受光素子としてのサブピクセル２２２とを有する。メインピクセル２２１およびサブピクセル２２２は、共通の半導体基板に配されたフォトダイオードにより形成できる。

図３は、受光部２２０におけるレイアウトを例示する模式図である。受光部２２０において光信号を受光する受光面は、複数の受光領域２２９に分割できる。受光領域２２９の各々は、複数のメインピクセル２２１と複数のサブピクセル２２２とを各々が含む複数の受光領域２２９を有する。

受光領域２２９の各々において、メインピクセル２２１は、光学系１１０からの入射光が受光部２２０に照射される領域、例えば、受光部２２０の受光面において中央を含む領域に配される。これにより、メインピクセル２２１は、変調光信号発生部２１０から射出された変調光信号３１０が、撮像対象９９に反射された反射光３２０を受光して、反射光３２０の光強度に応じた電荷を発生する。

また、受光領域２２９の各々において、サブピクセル２２２は、光学系１１０からの入射光が受光部２２０に照射される領域を避けて、例えば、受光部２２０における周辺部に配される。導光部材１２０は、サブピクセル２２２が配された領域に絞って参照光信号３３０を導く。これにより、変調光信号発生部２１０から射出された変調光信号３１０が導光部材１２０に導かれた参照光信号３３０を受光して、参照光信号３３０の光強度に応じた電荷を発生する。

なお、図示の例においては、受光領域２２９の各々においても、受光部２２０全体においても、メインピクセル２２１の数とサブピクセル２２２の数が異なる。よって、撮像素子２０１においては、ひとつのサブピクセル２２２を、複数のメインピクセル２２１に対応付けてもよい。

また、図示の撮像素子２０１においては、複数のサブピクセル２２２から得られた信号のいずれかをメインピクセル２２１に対応付けてもよい。更に、サブピクセル２２２の全てが参照光信号３３０を受光しなかった場合であっても、一部のサブピクセル２２２が受光した参照光信号３３０を、全てのメインピクセル２２１が受光した反射光３２０の復調に用いてもよい。

再び図２を参照すると、検出部２３０は、一対の演算増幅器２３１、２３２と、位相制御部２３４、乗算器２３５、および積分器２３６とを有する。一方の演算増幅器２３１は、メインピクセル２２１に対して交流結合され、反転入力と出力とを、抵抗負荷を介して結合される。これにより、演算増幅器２３１は、メインピクセル２２１の出力信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器を形成する。よって、一方の演算増幅器２３１からは、撮像対象９９により反射された後に光学系１１０を通じて入射した反射光３２０の光強度に応じた第１の電気信号が出力される。

他方の演算増幅器２３２は、サブピクセル２２２に対して交流結合され、反転入力と出力とを抵抗負荷を介して結合される。これにより、演算増幅器２３２は、サブピクセル２２２の出力信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器を形成する。よって、他方の演算増幅器２３２からは、参照光信号３３０の光強度に応じた第２の電気信号が出力される。

一対の演算増幅器２３１、２３２の出力は、位相制御部２３４を介して乗算器２３５に入力される。乗算器２３５における乗算処理の出力は、積分器２３６において積分処理され、検出部２３０の出力とされる。位相制御部２３４は、演算増幅器２３２から乗算器２３５に入力する参照信号の位相を変化させる。

既に説明した通り、変調光信号発生部２１０が発生する変調光信号３１０は、予め定められた変調周波数で変調されている。また、参照光信号３３０は、変調光信号３１０の一部なので、上記変調周波数で変調された変調成分を含む。よって、参照光信号３３０から変調成分を復調して参照信号とすることにより、反射光３２０を同期検波できる。

更に、検出部２３０は、第１の受光部であるメインピクセル２２１と同じ受光領域２２９に配されたサブピクセル２２２から参照信号を取得して同期検波を実行する。こうして、検出部２３０からは撮像対象９９に関連した情報を含む第３の電気信号が出力される。

このように、撮像素子２０１においては、参照光信号３３０を受光するサブピクセル２２２から得られた信号により参照信号を供給するので、撮像素子２０１が大型型または高解像度化した場合であっても、参照信号の伝播経路の長さを、予め定めた距離よりも短い範囲に抑制できる。よって、受光部２２０が大型化し、あるいは、高解像度化した場合であっても、検出部２３０は、減衰および遅延が少ない参照信号を取得でき、精度の高い同期検波を実行できる。

図４は、撮像素子２０１の検出部２３０の動作を説明する図である。検出部２３０において、メインピクセル２２１を通じて演算増幅器２３１に入力される電気信号は、直流接続により直流成分が除去または低減されている。よって、乗算器２３５には、変調周波数ωｔで変調された、反射光３２０の変調成分ＡＳｉｎ（ωｔ＋α）に対応する電気信号が入力される。ここでαは、参照光信号３３０の位相を基準とした場合の、反射光３２０の位相のずれ量を示す。

検出部２３０において、サブピクセル２２２を通じて演算増幅器２３２に入力される電気信号は、交流接続により直流成分が除去または低減されている。よって、乗算器２３５には、反射光３２０と同期した変調周波数ωｔで変調された、参照光信号３３０の変動成分Ｓｉｎ（ωｔ）に対応する参照電気信号２３３が入力される。なお、参照光信号３３０が変調光信号発生部２１０から撮像素子２０１に達するまでに要した時間により生じた位相ずれは、補正により解消されているものとする。

乗算器２３５は、入力された反射光３２０の変調成分ＡＳｉｎ（ωｔ＋α）と、参照光信号３３０の変動成分Ｓｉｎ（ωｔ）との乗算結果［（Ａ／２）［Ｃｏｓ（２ωｔ＋α）＋Ｃｏｓ（α）］］を出力する。乗算器２３５の出力は、反射光３２０の２次の高調波［（Ａ／２）Ｃｏｓ（２ωｔ）］と直流信号［（Ａ／２）Ｃｏｓ（α）］とを含むことが判る。

よって、例えばローパスフィルタにより形成された積分器２３６で２次の高調波［（Ａ／２）Ｃｏｓ（２ωｔ）］を除去すると、直流信号［（Ａ／２）Ｃｏｓ（０）］が得られる。このように、検出部２３０は、変調光信号３１０の反射光３２０以外の光も含む入射光を受光して、変調光信号３１０に照明された撮像対象９９による反射光３２０を、選択的に増幅できる。

なお、検出部２３０が出力する電気信号の直流レベルは、反射光３２０と参照光信号３３０とに位相ずれが大きくなるに従って低下する。よって、乗算器２３５に入力する参照信号の位相を位相制御部２３４により変化させて反射光３２０と参照光信号３３０との位相ずれを解消すれば、反射光３２０を高い選択性の下に検出して増幅できる。

また、検出部２３０の出力レベルが最大になった状態の、位相制御部２３４による参照光信号３３０の位相補正量に基づいて、反射光３２０と参照光信号３３０との位相差が算出できる。当該位相差は、反射光３２０が、変調光信号発生部２１０から射出されてから撮像素子２０１に受光されるまでの時間に相当する。よって、反射光３２０と参照光信号３３０との位相差に基づいて、撮像装置１０１と撮像対象９９との距離を算出できる。撮像装置１０１においては、算出された撮像対象９９までの距離に応じて、レンズユニット１００の光学系１１０を、撮像対象９９に対して合焦させることができる。

図５は、検出部２３０の他の動作を説明する図である。図示の検出部２３０においては、乗算器２３５および積分器２３６による検出処理が２系統で実行される。ここで、一方の系統においては、位相制御部２３４により参照信号の位相が変更される。これにより、２つの処理系統においては、互いに直交する位相を有する参照信号［ｓｉｎ（ωｔ）］および［ｃｏｓ（ωｔ））により検出処理が実行される。

これにより、一方の乗算器２３５からは、［｛ｃｏｓ（２ωｔ＋α）＋ｃｏｓ（α）｝／２］が、他方の乗算器２３５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、ローパスフィルタ等の積分器２３６により積分処理されて高調波成分が除去されるので、検出部２３０からは、［ｃｏｓ（α）／２］および［−ｓｉｎ（α）／２］がそれぞれ出力される。よって、これらの値から得られたｔａｎ（α）に基づいて、参照光信号３３０に対する反射光３２０の位相差を算出できる。

こうして算出された位相差は、反射光３２０が、撮像対象９９に反射されて受光部２２０に受光されるまでに要した時間に相当するので、撮像素子２０１を、撮像装置１０１と撮像対象９９との距離を測定する測距計として用いることができる。よって、撮像装置１０１においては、撮像素子２０１の出力に基づいて、レンズユニット１００の光学系１１０を合焦させることができる。

図６は、他の撮像装置１０２の模式図である。撮像装置１０２は、次に説明する部分を除くと、図１に示した撮像装置１０１と同じ構造を有する。撮像装置１０２において、撮像装置１０１と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。

撮像装置１０２は、撮像装置１０１から導光部材１２０を取り除き、参照光信号発生部２５０、導光部２６０、同期制御部２７０、および光吸収体２８０を備えた点において、撮像装置１０１と異なる構造を有する。なお、撮像装置１０２に設けられた撮像素子２０２も、撮像装置１０１の撮像素子２０１とは異なる構造を有するが、この相違点については図９を参照して後述する。

撮像装置１０２において、参照光信号発生部２５０は、変調光信号発生部２１０とは別個にカメラボディ２００の内部に配され、専ら参照光信号３３０を発生する。よって、参照光信号発生部２５０は、変調光信号発生部２１０が発生する変調光信号３１０とは、異なる帯域で参照光信号３３０を発生してもよい。

例えば、変調光信号発生部２１０が、可視光帯域の変調光信号３１０を発生し、参照光信号発生部２５０が、赤外帯域の参照光信号３３０を発生してもよい。また、例えば、変調光信号発生部２１０が、テラヘルツ帯域の変調光信号３１０を発生し、参照光信号発生部２５０が、赤外帯域または可視光帯域の参照光信号３３０を発生してもよい。

更に、参照光信号発生部２５０は、水分子による吸収帯域の波長を有する参照光信号３３０を発生してもよい。水分子は大気中に常に存在して吸収帯域の光を吸収しているので、大気中では、当該帯域に関して静謐な状態にある。よって、撮像素子２０２は、参照光信号発生部２５０が発生した参照光信号３３０を、高いＳＮ比で検出できる。同様の理由で、参照光信号発生部２５０は、酸素分子の吸収帯域の波長を有する参照光信号３３０を発生してもよい。

このように、参照光信号発生部２５０を変調光信号発生部２１０と分離することにより、参照光信号３３０の波長を、変調光信号３１０の波長と異なる帯域とすることができる。これにより、撮像素子２０１は、変調光信号３１０の反射光３２０と、参照光信号発生部２５０とを区別しやすくなり、それぞれに適した処理を実行できる。

また、撮像装置１０２において、参照光信号発生部２５０はカメラボディ２００の底部に配され、図中上方に向かって参照光信号３３０を放射する。参照光信号発生部２５０は、変調光信号発生部２１０と共通の同期制御部２７０により駆動される。これにより、参照光信号発生部２５０が発生する参照光信号３３０は、変調光信号発生部２１０が発生する変調光信号３１０と同期して強度変調される。

更に、撮像装置１０２は、導光部２６０を、カメラボディ２００の内側に備える。導光部２６０は、コリメートレンズ２６１、透明板２６２、および反射膜２６３を有する。

コリメートレンズ２６１は、撮像装置１０２に入射した反射光３２０の光路と、参照光信号発生部２５０との間に配される。コリメートレンズ２６１は、参照光信号発生部２５０から放射状に射出された参照光信号３３０を、図中下から上へと垂直に伝播する平行ビームに変換する。

透明板２６２は、コリメートレンズ２６１の図中上方に位置する。また、透明板２６２は、入射した反射光３２０の光路上であって、撮像素子２０２の前方に配される。更に、透明板２６２は、反射光３２０および参照光信号３３０のいずれに対しても傾いて配される。

透明板２６２は、部分的に形成された反射膜２６３を有する。反射膜２６３は、例えば、屈折率が異なる誘電体材料を交互に堆積させて形成した誘電体多層膜により形成できる。透明板２６２において反射膜２６３が配された領域においては、透明板２６２に向かって照射された参照光信号３３０が高い効率で反射される。ただし、反射膜２６３が配された領域においても、参照光信号３３０とは異なる波長の光は、低損失で透過される。

図中下方から照射された参照光信号３３０が、透明板２６２の反射膜２６３により反射された場合、反射された参照光信号３３０は、伝播方向を図中水平に変えて、撮像素子２０２の受光部２２０に入射する。よって、透明板２６２における反射膜２６３の配置を、撮像素子２０２におけるサブピクセル２２２の配置に対応させておくことにより、参照光信号３３０を、サブピクセル２２２に選択的に入射させることができる。

なお、透明板２６２において、反射膜２６３が形成されていない領域においては、参照光信号３３０も、低損失で透過される。透明板２６２の図中下方に位置する参照光信号発生部２５０から照射された参照光信号３３０が透明板２６２に透過された場合、透過された参照光信号３３０は、図中上方に配された光吸収体２８０に吸収されて消滅する。光吸収体２８０は、誘電体多層膜、遮光線等により形成できる。

図７は、撮像装置１０３の構造を示す模式図である。撮像装置１０３は、次に説明する部分を除くと、図６に示した撮像装置１０２と同じ構造を有する。撮像装置１０３において、撮像装置１０２と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。

撮像装置１０３は、撮像装置１０２における光吸収体２８０に替えて、光吸収面２６４を備えた点において、異なる構造を有する。光吸収面２６４は、透明板２６２において、参照光信号発生部２５０に対向する面に形成される。光吸収面２６４は、例えば、各層の膜厚を調整した誘電体の多層膜により形成できる。なお、光吸収面２６４は、参照光信号３３０を反射する反射膜２６３が設けられていない領域に形成される。

これにより、撮像装置１０３においては、反射膜２６３により反射されない領域においては、参照光信号３３０が光吸収面２６４に吸収され、受光部２２０には到達しない。よって、受光部２２０においては、サブピクセル２２２が参照光信号３３０を受光する一方、メインピクセル２２１は、参照光信号３３０を受光しない。

図８は、撮像装置１０４の構造を示す模式図である。撮像装置１０４は、次に説明する部分を除くと、図６に示した撮像装置１０２と同じ構造を有する。撮像装置１０４において、撮像装置１０２と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。

撮像装置１０４は、導光部２６０において、撮像装置１０２の反射膜２６３および光吸収体２８０に替えて、カラーフィルタ２６５、２６７および反射膜２６６を有する点において固有の構造を有する。一方のカラーフィルタ２６５は、参照光信号発生部２５０および透明板２６２に配される。反射膜２６６は、透明板２６２において、参照光信号発生部２５０に対向する面に配される。他方のカラーフィルタ２６７は、受光部２２０において、サブピクセル２２２の表面に限って配される。

参照光信号発生部２５０側に配されたカラーフィルタ２６５は、予め定められた帯域以外の光信号を遮断する。よって、参照光信号発生部２５０が発生した参照光信号３３０は、カラーフィルタ２６５が透過する帯域に限って、透明板２６２に向かって照射される。

反射膜２６６は、参照光信号発生部２５０から透明板２６２に向かって照射された参照光信号を反射して受光部２２０に入射させる。なお、反射膜２６６は、誘電体多層膜等により形成され、上記カラーフィルタ２６５が透過する帯域に限って参照光信号３３０を反射するダイクロイックミラーであってもよい。

受光部２２０に配されたカラーフィルタ２６７は、先のカラーフィルタ２６５が透過する帯域に限って遮断する特性を有する。これにより、参照光信号３３０は、メインピクセル２２１には入射せず、サブピクセル２２２に限って入射する。なお、カラーフィルタ２６５が透過し、カラーフィルタ２６７が遮断する帯域は、赤外帯域であってもよく、受光部２２０においてメインピクセル２２１が受光する変調光信号と異なる帯域にしてもよい。

図９は、撮像装置１０２〜１０４のカメラボディ２００に配し得る撮像素子２０２の模式的断面図である。撮像素子２０２は、積層により一体化された第１基板４１０および第２基板４２０を有する。

第１基板４１０は、メインピクセル２２１およびサブピクセル２２２を含む受光部２２０を有する。メインピクセル２２１およびサブピクセル２２２は、第１基板４１０に交互に配される。換言すれば、サブピクセル２２２の各々は、対応するメインピクセル２２１の直近にそれぞれ配される。第１基板４１０には、メインピクセル２２１およびサブピクセル２２２以外の素子および回路が殆ど配されていないので、メインピクセル２２１およびサブピクセル２２２の開口率を拡げることができる。

なお、第１基板４１０において、図中上面に相当する入射面には、光学材料層２４０が積層される。光学材料層２４０は、オンチップレンズ２４１を有し、メインピクセル２２１およびサブピクセル２２２に対する入射光の集光率を向上させる。

また、光学材料層２４０は、不要帯域の光信号が入射することを抑制するオンチップカラーフィルタ２４２を含んでもよい。例えば、メインピクセル２２１に対応する位置に、参照光信号３３０の帯域を遮断するフィルタを設けて、メインピクセル２２１の参照光信号３３０に対する実効的な感度を抑制してもよい。これにより、メインピクセル２２１に対して、参照光信号３３０がノイズとして検出されることを防止できる。

また、例えば、サブピクセル２２２に対応する位置に、参照光信号３３０の帯域以外の帯域を遮断するフィルタを設けてもよい。これにより、サブピクセル２２２にとってはノイズとなる、参照光信号３３０以外の光信号が入射することを防止できる。

第２基板４２０は、光学材料層２４０が積層された入射面と反対側において、第１基板４１０に積層される。第２基板４２０は複数の検出部２３０を有する。複数の検出部２３０の各々は、一組のメインピクセル２２１およびサブピクセル２２２に接続される。メインピクセル２２１およびサブピクセル２２２と検出部２３０とは、第１基板４１０および第２基板４２０の厚さ方向に形成された配線により接続されるので、第１基板４１０におけるメインピクセル２２１およびサブピクセル２２２の開口率が配線により低下することが防止される。

上記の撮像素子２０２において、参照光信号３３０は、全てのサブピクセル２２２に同時に到達する。よって、撮像素子２０２が多画素化または大型化した場合であっても、複数の検出部２３０相互の間で、参照光信号３３０の供給に遅延が生じることが防止される。また、参照光信号３３０は、複数の検出部２３０の全てに同じ信号レベルで到達するので、多画素化または大型化した場合であっても、参照信号の減衰による動作タイミングのばらつきは防止ささる。

このように、撮像素子２０２においては、参照光信号３３０を受光するサブピクセル２２２から得られた信号により参照信号を供給するので、撮像素子２０１が大型型または高解像度化した場合であっても、参照電気信号の伝播経路の長さを、予め定めた距離よりも短い範囲に抑制できる。よって、受光部２２０が大型化し、あるいは、高解像度化した場合であっても、検出部２３０は、減衰および遅延が少ない参照信号を取得でき、精度の高い同期検波を実行できる。

図１０は、また他の撮像装置１０５の模式図である。撮像装置１０５は、次に説明する部分を除くと、図１に示した撮像装置１０１と同じ構造を有する。撮像装置１０５において、撮像装置１０１と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。

撮像装置１０５は、撮像装置１０１から導光部材１２０を取り除き、参照光信号発生部２５０、同期制御部２７０、およびスラブ型光導波路２９０を備えた点において、撮像装置１０１と異なる構造を有する。なお、撮像装置１０５に設けられた撮像素子２０３も、撮像装置１０１の撮像素子２０１とは異なる構造を有するが、この相違点については図１１を参照して後述する。

撮像装置１０５において、参照光信号発生部２５０は、変調光信号発生部２１０とは別個にカメラボディ２００の内部に配され、専ら参照光信号３３０を発生する。よって、参照光信号発生部２５０は、変調光信号発生部２１０が発生する変調光信号３１０とは異なる帯域で参照光信号３３０を発生してもよい。これにより、撮像対象９９に反射された変調光信号３１０の反射光３２０と、検出部２３０における参照信号を生成する目的で受光する参照光信号３３０とを確実に区別できる。

撮像装置１０５において、参照光信号発生部２５０はカメラボディ２００の底部に配され、図中上方に向かって参照光信号３３０を放射する。参照光信号発生部２５０は、変調光信号発生部２１０と共通の同期制御部２７０により駆動される。これにより、参照光信号発生部２５０が発生する参照光信号３３０は、変調光信号発生部２１０が発生する変調光信号３１０と同期して強度変調される。参照光信号発生部２５０から射出された参照光信号３３０は、撮像素子２０３の図中前面に積層されたスラブ型光導波路２９０に、図中下端の端面から入射される。

図１１は、撮像装置１０５における撮像素子２０３の構造を示す模式図である。撮像素子２０３は、第１基板４１０および第２基板４２０に加えて、スラブ型光導波路２９０を有する第３基板４３０を積層した構造を有する。図１１には、撮像素子２０３において、第１基板４１０と第３基板４３０との接合面が開かれた状態が示される。

撮像素子２０３において、受光部２２０を有する第１基板４１０と、検出部２３０を有する第２基板４２０とを積層した図中右側の部分は、図１に示した撮像素子２０１と略同じ構造を有する。撮像素子２０３は、図中右側に示すスラブ型光導波路２９０を有する第３基板４３０を更に積層した点において独特の構造を有する。

第３基板４３０は、支持基板２９４の一方の面に形成されたクラッド領域２９１、コア領域２９２、およびグレーティング２９３を含むスラブ型光導波路２９０を有する。スラブ型光導波路２９０は、撮像素子２０３において、第１基板４１０に対向する。

スラブ型光導波路２９０において、コア領域２９２はクラッド領域２９１よりも高い屈折率を有して、入射した光信号を高効率に伝播させる。スラブ型光導波路２９０は、石英ガラス、シリコン、高純度ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエーテル系樹脂、およびそれらを重水素化またはフッ素化した基板の一部に屈折率を変化させるドーパントを注入して形成される。グレーティング２９３は、コア領域２９２の表面に形成された回折素子であり、光誘起屈折率変化、機械加工等により形成できる。

図１２は、撮像装置１０５における受光部２２０の領域レイアウトの例を示す図である。図示の例では、受光部２２０において、メインピクセル２２１とサブピクセル２２２とが対になって複数の受光領域２２９を形成する。複数の受光領域２２９は、受光部２２０の受光面にマトリックス状に配置される。

再び図１１を参照すると、撮像素子２０３におけるグレーティング２９３は、第１基板４１０におけるサブピクセル２２２の配置に対応した位置において、第３基板４３０の表面に形成される。グレーティング２９３の各々においては、光信号を伝播させる媒質の屈折率が周期的に変化し、コア領域２９２を伝播する光信号の一部が、第３基板４３０の表面から外部に放射される。

このような構造により、撮像素子２０３においては、第３基板４３０のコア領域２９２の一端から入射されてコア領域２９２を伝播する参照光信号３３０が、グレーティング２９３の各々を通じてサブピクセル２２２の各々に注入される。なお、撮像装置１０５において、撮像対象９９により反射されて入射した反射光３２０は、撮像素子２０３の表面に略直交して伝播する。よって、反射光３２０が撮像素子２０３のメインピクセル２２１に入射することが、スラブ型光導波路２９０により妨げられることはない。

上記構造を有する撮像素子２０３において、参照光信号３３０は、全てのサブピクセル２２２に同時に到達するので、撮像素子２０３が多画素化または大型化した場合であっても、検出部２３０の各々において参照光信号３３０の供給に遅延が生じることが防止される。また、参照光信号３３０は、複数の検出部２３０の全てに同じ信号レベルで到達するので、多画素化または大型化した場合であっても、参照信号の減衰による動作タイミングのばらつきは防止ささる。

更に、撮像素子２０３において、メインピクセル２２１の各々はサブピクセル２２２と隣接して配されているが、メインピクセル２２１の前方にはグレーティング２９３が配されていない。よって、参照光信号３３０が、メインピクセル２２１にノイズとして入射することが防止される。

検出部２３０は、第１の受光部であるメインピクセル２２１と同じ受光領域２２９に配されたサブピクセル２２２から参照信号を取得して同期検波を実行できる。このように、撮像素子２０３においては、参照光信号３３０を受光するサブピクセル２２２から得られた信号により参照信号を供給するので、撮像素子２０１が大型型または高解像度化した場合であっても、参照電気信号の伝播経路の長さを、予め定めた距離よりも短い範囲に抑制できる。よって、受光部２２０が大型化し、あるいは、高解像度化した場合であっても、検出部２３０は、減衰および遅延が少ない参照信号を取得でき、精度の高い同期検波を実行できる。

なお、上記の撮像装置１０１〜１０５は、いずれも、変調光信号３１０と参照光信号３３０を発生する変調光信号発生部２１０および参照光信号発生部２５０の少なくとも一方を備えていた。しかしながら、変調光信号３１０を発生する変調光信号発生部２１０を撮像装置１０１、〜１０５の外部に設け、撮像装置１０１、〜１０５は、参照光信号３３０を変調光信号３１０に同期させる場合に用いる同期信号の供給を受ける構造としても、上記の撮像装置１０１、〜１０５と同じ機能を形成できる。

また、上記の撮像装置１０１、〜１０５における撮像素子２０１、２０２、２０３は、ひとつの基板にメインピクセル２２１とサブピクセル２２２とが混在する構造を有していた。しかしながら、メインピクセル２２１およびサブピクセル２２２を、個別の基板に形成して、それらの基板を積層することにより撮像素子を形成してもよい。これにより、変調光信号３１０および参照光信号３３０のそれぞれに最適化した受光素子でメインピクセル２２１およびサブピクセル２２２を形成できる。

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、請求の範囲の記載から明らかである。

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。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。

９９ 撮像対象、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 撮像装置、１００ レンズユニット、１１０ 光学系、１２０ 導光部材、２００ カメラボディ、２０１、２０２、２０３ 撮像素子、２１０ 変調光信号発生部、２２０ 受光部、２２１ メインピクセル、２２２ サブピクセル、２２９ 受光領域、２３０ 検出部、２３１、２３２ 演算増幅器、２３３ 参照電気信号、２３４ 位相制御部、２３５ 乗算器、２３６ 積分器、２４０ 光学材料層、２４１ オンチップレンズ、２４２ オンチップカラーフィルタ、２５０ 参照光信号発生部、２６０ 導光部、２６１ コリメートレンズ、２６２ 透明板、２６３、２６６ 反射膜、２６４ 光吸収面、２６５、２６７ カラーフィルタ、２７０ 同期制御部、２８０ 光吸収体、２９０ スラブ型光導波路、２９１ クラッド領域、２９２ コア領域、２９３ グレーティング、２９４ 支持基板、３１０ 変調光信号、３２０ 反射光、３３０ 参照光信号、４１０ 第１基板、４２０ 第２基板、４３０ 第３基板

Claims (16)

1. 予め定められた変調周波数で強度変調された変調成分を含む変調光信号を、撮像対象に反射させた後に受光して第１の電気信号を出力する第１の受光部と、
   前記変調光信号と同期して強度変調された参照光信号を受光して第２の電気信号を出力する第２の受光部と、
   を有する受光領域を複数備え、
   前記複数の受光領域のそれぞれに接続され、前記第２の電気信号を参照して、前記第１の電気信号から、前記変調成分に対応する第３の電気信号を検出する複数の検出部をさらに備え、
   前記複数の検出部の各々は、接続された前記受光領域の前記第２の受光部から取得した前記第２の電気信号を参照して、前記接続された受光領域に配された前記第１の受光部から取得した前記第１の電気信号に基づいて前記第３の電気信号を出力する撮像素子。
2. 前記検出部は、
   前記第１の電気信号および前記第２の電気信号を乗算する乗算部と、
   前記乗算部の出力を濾波するローパスフィルタと
   を有する請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記変調光信号を発生する変調光信号発生部と、前記参照光信号を発生する参照光信号発生部とを個別に備える請求項１または２に記載の撮像素子。
4. 前記変調光信号および前記参照光信号を含む光信号を発生する光信号発生部と、前記光信号の一部を前記第２の受光部に導く導光部とを更に備える請求項１または２に記載の撮像素子。
5. 前記第１の受光部および前記第２の受光部は、互いに異なる受光帯域を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像素子。
6. 前記第２の受光部は、前記参照光信号の波長に対して、前記第１の受光部よりも高い感度を有する請求項５に記載の撮像素子。
7. 前記第２の受光部は、水分子の吸収帯域に含まれる波長を有する参照光信号を受光する請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像素子。
8. 前記参照光信号を前記第２の受光部に導入する光信号導入部を有する請求項１から７のいずれか一項に記載の撮像素子。
9. 前記第１の受光部の近傍に配され、前記変調光信号および前記参照光信号のうちから前記参照光信号を前記第２の受光部に選択的に導入する導入部を有する請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像素子。
10. 前記導入部は、前記参照光信号を前記第２の受光部に導き、前記参照光信号以外の光信号を前記第２の受光部に対して遮断する光学素子を有する請求項９に記載の撮像素子。
11. 前記参照光信号を前記第２の受光部に導くスラブ型光導波路を有する請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像素子。
12. 前記スラブ型光導波路は、前記第２の受光部に対応して配置されたグレーティングを有
    する請求項１１に記載の撮像素子。
13. 前記第１の受光部が配された第１の基板と、
    前記検出部が配され、前記第１の基板に積層された第２の基板と
    を備える請求項１に記載の撮像素子。
14. 請求項１から１３までのいずれか一項に記載の撮像素子と、前記撮像素子に前記撮像対象の像を形成する光学系とを備える撮像装置。
15. 前記第１の受光部が受光する前記変調光信号を発生する光信号発生部を更に備える請求項１４に記載の撮像装置。
16. 前記第２の受光部が受光する前記参照光信号を発生する参照信号発生部を更に備える請求項１４または１５に記載の撮像装置。

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