JP7124849B2 - 固体撮像装置、撮像システムおよび距離計測方法 - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態(赤外光変換ブロックが2個の赤外光変換画素および2個の可視光変換画素により構成される場合の例)
2.第2の実施の形態(赤外光変換ブロックが4個の赤外光変換画素により構成される場合の例)
3.第3の実施の形態(赤外光変換ブロックが1個の赤外光変換画素および3個の可視光変換画素により構成される場合の例)
4.第4の実施の形態(ベイヤー配列におけるG画素の位置に赤外光変換画素が配置される場合の例)
5.第5の実施の形態(光電変換部に2個の電荷保持部が接続される場合の例)
[撮像システムの構成]
図1は、本技術の実施の形態における撮像システム1の構成例を示す図である。この撮像システム1は、レンズ10と、固体撮像装置20と、信号処理部30と、画像処理部40と、距離計測部50と、赤外光出射部60とを備える。
図2は、本技術の実施の形態における固体撮像装置20の構成例を示す図である。この固体撮像装置20は、画素アレイ部100と、垂直駆動部200と、水平転送部300と、アナログデジタル変換器(ADC:Analog Digital Converter)400とを備える。
図3は、本技術の第1の実施の形態における画素の構成例を示す図である。同図は、画素110、120、130および140ならびに信号生成部150および電荷保持部151の回路構成を表したものである。
同図に表した画素の動作について画素110を例に挙げて説明する。まず、OFGからオン信号が入力されるとオーバーフロードレイン112は導通し、光電変換部111のカソードにVddが印加される。これにより、光電変換部111に蓄積されていた電荷が排出される。その後、受光量に応じた電荷が新たに生成されて、光電変換部111に蓄積される。
図4は、本技術の第1の実施の形態における画素の配置例を示す図である。同図は、4つの変換ブロックの配置を表した平面図である。また、同図の左上の変換ブロックを図3において説明した画素等に対応させて説明する。ただし、オーバーフロードレイン112、123、132、143については、記載を省略している。同図に表したように、画素110、120、130および140の中央に電荷保持部151が配置されている。この電荷保持部151に対して各画素の電荷転送部113、122、133および142がそれぞれ隣接して配置され、これらの電荷転送部に対して光電変換部111、121、131および141が隣接して配置されている。信号生成部150は、これらの変換ブロック毎に隣接して配置される。同図に表した光電変換部111、121、131および141に対して被写体からの光が照射されると、光電変換が行われる。すなわち、光電変換部111等のうち、同図に示された領域が可視光等を受光する受光面に該当する。
図5は、本技術の第1の実施の形態における画素の構成例を示す模式図である。同図は、図4におけるA-A'線に沿う断面図である。画素110および140を例に挙げて説明する。同図の光電変換部111および141は、p型半導体領域517と、その内部に埋め込まれたn型半導体領域511および512によりそれぞれ構成される。これらの界面に形成されたpn接合部分において光電変換が行われ、受光量に応じた電荷が生成される。この際、生成された電荷のうち電子は、n型半導体領域511および512に蓄積される。光電変換部の上方にはカラーフィルタ119または149と平坦化膜503とマイクロレンズ501とが順に配置されている。平坦化膜503は、画素の表面を平坦にするものである。マイクロレンズ501は、画素に照射された光を光電変換部に集光させるレンズである。カラーフィルタ119および149の間には遮光膜502が配置されている。この遮光膜502は、隣接する画素から斜めに入射する光を遮光するものである。
図6は、本技術の第1の実施の形態における距離の計測方法を示す図である。同図の出射赤外光は、赤外光出射部60により出射された赤外光の波形を表している。また、反射赤外光は、出射赤外光が被写体により反射されて固体撮像装置20に入射した赤外光の波形を表している。固体撮像装置20のZ画素は、この反射赤外光を受光して赤外光信号に変換し、露光を行う。この際、2個のZ画素を使用してそれぞれ異なる露光期間を設定し赤外光信号を生成する。第1の露光期間および第2の露光期間は、この2個のZ画素に設定された露光期間の関係を表したものであり、2値化された波形の値「1」の期間が露光期間に該当する。
D=S2×(S1+S2)×T/2
被写体までの距離Lは、次式により算出することができる。
L=D×c/2 ・・・(式1)
ただし、cは光速である。例えば、被写体との距離が10mの場合には、Dは約33nsとなる。この場合、Tを例えば、100ns(出射赤外光の変調周波数は10MHz)にすることにより距離を計測することができる。これら赤外光出射部60に対するパルス変調された赤外光の出力の制御および距離の算出は、図1において説明した距離計測部50により行われる。
図7は、本技術の第1の実施の形態における赤外光変換ブロックを例示する図である。同図の画素の配置は、図4において説明した画素の配置と同様である。同図の上側2つの赤外光変換ブロック620および630に配置されたZ画素(Za、Zb、ZcおよびZd)からなる画素群660により距離の計測が行われる。ZaおよびZcとZbおよびZdとは異なる赤外光変換ブロックに属しており、それぞれ異なる赤外光電荷保持部621および631に接続されている。図6において説明した第1の露光期間および第2の露光期間をZaおよびZcとZbおよびZdとに適用し、距離の計測を行う。一方、同図の可視光変換ブロック610は、可視光電荷保持部611を備えている。この、可視光変換ブロック610は、可視光による撮像の用に供される。
図9は、本技術の第1の実施の形態における撮像方法を示す図である。同図は可視光変換ブロック610における撮像方法を表した図であり、同図には入力信号と出力信号の関係が表されている。同図に記載された信号は、図3において説明した信号に対応する。このうち入力信号では、2値化された波形の値「1」の期間がオン信号の入力に該当する。また、可視光電荷保持部611以外の構成要素(電荷転送部やオーバーフロードレイン等)の符号は、図3において説明した構成要素と同じ符号を使用して説明する。
図10は、本技術の第1の実施の形態における距離の計測方法を示す図である。同図は、画素群660における距離の計測方法を表した図である。同図には、画素群660のZ画素における入力信号と、出射赤外光および反射赤外光と、赤外光電荷保持部621および631における保持電荷量との関係が表されている。なお、図7において説明した赤外光変換ブロック620および630の信号は、図3において説明した信号に対応する。すなわち、画素群660のZ画素のうち、ZaおよびZcの信号は、図3における画素120および140の信号にそれぞれ対応する。同様に、ZbおよびZdの信号は、図3における画素110および130の信号にそれぞれ対応する。赤外光電荷保持部621および631以外の構成要素の符号には、図3において説明した構成要素と同じ符号を用いて説明する。
図11は、本技術の第1の実施の形態における距離の計測処理手順の一例を示す図である。同図の処理は、撮像システム1において、距離の計測を行う際に実行される。図7において説明した符号を用いて処理の手順を説明する。
上述の実施の形態では、可視光画素としてR画素、G画素およびB画素の3画素により、可視光変換ブロックを構成していたが、白色光に対応するW画素を加えた4画素により構成してもよい。例えば、ベイヤー配列における2個のG画素のうちの1個の画素をW画素に置き換えた構成にすることができる。
上述の実施の形態では、2個のZ画素と2個の可視光画素とにより構成された赤外光変換ブロックを使用して距離の計測を行っていた。これに対し、本技術の第2の実施の形態では、4個のZ画素により構成された赤外光変換ブロックにより距離の計測を行う。これにより、Z画素に接続する信号線の本数を削減することができる。
図13は、本技術の第2の実施の形態における赤外光変換ブロックを例示する図である。同図の赤外光変換ブロック620は、全ての画素がZ画素により構成されている点で、図7において説明した赤外光変換ブロック620と異なる。すなわち、図7におけるZ画素による画素群660と赤外光変換ブロック620の画素とが一致した構成となっている。このため、同図の赤外光変換ブロック620のZ画素では、電荷転送部やオーバーフロードレインを4画素同時に動作させることができる。4個のZ画素を使用して赤外光信号を生成するため、Z画素の感度を高めることができ、距離計測の精度を向上させることができる。これ以外の固体撮像装置20および撮像システム1の構成は本技術の第1の実施の形態の固体撮像装置20および撮像システム1と同様であるため、説明を省略する。
図15は、本技術の第2の実施の形態における撮像方法を示す図である。前述のように赤外光変換ブロック620の全てのZ画素の電荷転送部およびオーバーフロードレインに対して同じ信号が入力される。同図の第1の距離計測期間および第2の距離計測期間の操作はそれぞれ図10において説明した赤外光変換ブロック620および630における操作と同様であるため、説明を省略する。
上述の第1の実施の形態では、2個のZ画素と2個の可視光変換画素とにより構成された赤外光変換ブロックを使用して距離の計測を行っていた。これに対し、本技術の第3の実施の形態では、1個のZ画素と3個の可視光変換画素とにより構成された赤外光変換ブロックにより距離の計測を行う。これにより、反射赤外光の露光を4相に分けて行う方式の距離計測方法を使用することができる。
図16は、本技術の第3の実施の形態における赤外光変換ブロックを例示する図である。同図の赤外光変換ブロック620、630、640および650は、1個のZ画素と3個の可視光変換画素とにより構成されている点で、図7において説明した赤外光変換ブロック620および630と異なる。また、同図におけるZ画素による画素群660は、これら4個の赤外光変換ブロックにまたがって配置されるとともに、2つのラインにまたがって配置される。これ以外の固体撮像装置20および撮像システム1の構成は本技術の第1の実施の形態の固体撮像装置20および撮像システム1と同様であるため、説明を省略する。
図17は、本技術の第3の実施の形態における距離の計測方法を示す図である。同図に表した距離の計測方法では、正弦波により振幅変調された赤外光を出射し、反射赤外光の位相遅れを計測することにより、距離を計測する。同図におけるaは、これら出射赤外光および反射赤外光の関係を表したものである。出射赤外光を同図におけるaの正のx軸方向に取ると、反射赤外光は被写体との距離に応じて遅れた位相の波形となる。この遅れをφにより表すと、φは次式により表される。
φ=tan-1(q/r)
ただし、qは反射波の波高値を表し、rは90°進み位相における反射波の波高値を表している。
q=|(p1-p3)/2|
r=|(p2-p4)/2|
このように、p1およびp3と、p2およびp4とにおいてそれぞれの差分を算出することにより、反射赤外光以外の赤外光の影響を除去することができる。φは次式により算出することができる。
φ=tan-1|(p1-p3)/(p2-p4)|
図6において説明したDは、次のように算出することができる。
D=T×φ/2π
図18は、本技術の第3の実施の形態における撮像方法を示す図である。同図のZa、Zb、ZcおよびZdのそれぞれに、図17において説明した第1乃至第4の露光期間が設定された場合を想定する。まず、赤外光変換ブロック620、630、640および650のRSTにオン信号を入力し、赤外光電荷保持部621、631、641および651に保持されていた電荷を排出する(T1)。なお、以降の説明では、赤外光変換ブロックの名称を省略して記載する。
上述の第3の実施の形態では、画素群660のZ画素が隣接して配置されていた。これに対し、本技術の第4の実施の形態では、赤外光変換ブロックにおけるベイヤー配列のうちのG画素の位置にZ画素が配置される。これにより、デモザイク処理を容易にすることができる。
図19は、本技術の第4の実施の形態における赤外光変換ブロックを例示する図である。同図の赤外光変換ブロック620、630、640および650は、1個のZ画素と3個の可視光変換画素により構成されている。しかし、Z画素がそれぞれの光電変換ブロックのベイヤー配列におけるG画素の位置に配置されている点で、図16において説明した赤外光変換ブロック620、630、640および650と異なる。これ以外の固体撮像装置20および撮像システム1の構成は本技術の第3の実施の形態の固体撮像装置20および撮像システム1と同様であるため、説明を省略する。また、距離計測方法には、本技術の第3の実施の形態と同様に反射赤外光の露光を4相に分けて行う方式の距離計測方法を採用することができる。
上述の、本技術の第4の実施の形態では、Z画素において生成された電荷は、1組の電荷転送部および電荷保持部により転送され、保持されていた。これに対し、本技術の第5の実施の形態では、2組の電荷転送部および電荷保持部を使用する。これにより、距離計測の精度を高めることができる。
図20は、本技術の第5の実施の形態における画素の配置例を示す図である。同図のZ画素(Za)である画素140は、電荷転送部144および電荷保持部155をさらに備える点で、図4において説明したZ画素140と異なる。なお、同図に表された他のZ画素(Zb、ZcおよびZd)についても同様である。
図21は、本技術の第5の実施の形態における画素の構成例を示す図である。同図は、赤外光変換ブロックのうち、Z画素140、信号生成部150ならびに電荷保持部151および155の回路構成を表したものである。
図22は、本技術の第5の実施の形態における撮像方法を示す図である。同図は、図20において説明した画素140における入力信号と出力信号との関係等を表したものである。
上述の本技術の第5の実施の形態では、ベイヤー配列のうちのG画素の位置にZ画素が配置される赤外光変換ブロックに対して、Z画素の電荷転送部と電荷保持部とを追加して距離の計測を行っていた。これに対し、本技術の第1の実施の形態におけるZ画素に電荷転送部と電荷保持部とをそれぞれ追加して距離の計測を行ってもよい。具体的には、図4において説明した画素120の光電変換部121および画素140の光電変換部141に電荷転送部を追加する。この追加した電荷転送部が共通に接続される電荷保持部をさらに備える構成にする。これにより、光電変換における感度のばらつき等の影響を低減することができるため、赤外光変換ブロックが2個の赤外光変換部と2個の可視光変換部とにより構成される場合において、距離計測の精度を向上させることができる。
(1)可視光を受光する受光面が配置されて前記受光した前記可視光の受光量に応じた電荷を生成する複数の可視光変換部と前記複数の可視光変換部によりそれぞれ生成された前記電荷をそれぞれ異なる期間に排他的に保持する可視光電荷保持部とを備える可視光変換ブロックと、
前記可視光変換部の前記受光面と略等しいサイズであるとともに赤外光を受光する受光面が配置されて前記受光した前記赤外光の受光量に応じた電荷を生成する複数の赤外光変換部と前記複数の赤外光変換部によりそれぞれ生成された前記電荷をまとめて同時に保持する赤外光電荷保持部とを備える赤外光変換ブロックと
を具備する固体撮像装置。
(2)前記可視光変換ブロックは、4個の前記可視光変換部と前記可視光電荷保持部とを備える前記(1)に記載の固体撮像装置。
(3)前記赤外光変換ブロックは、4個の前記赤外光変換部と前記赤外光電荷保持部とを備える前記(2)に記載の固体撮像装置。
(4)前記赤外光変換ブロックは、
2個の前記赤外光変換部と、
2個の前記可視光変換部と、
前記2個の赤外光変換部により生成された前記電荷を保持する際には前記2個の赤外光変換部によりそれぞれ生成された前記電荷をまとめて同時に保持し、前記2個の可視光変換部により生成された前記電荷を保持する際には前記2個の可視光変換部によりそれぞれ生成された前記電荷をそれぞれ異なる期間に排他的に保持する前記赤外光電荷保持部と
を備える
前記(2)に記載の固体撮像装置。
(5)前記可視光変換ブロックは、赤色光に応じた前記電荷を生成する前記可視光変換部である赤色光変換部と緑色光に応じた前記電荷を生成する前記可視光変換部である緑色光変換部と青色光に応じた前記電荷を生成する前記可視光変換部である青色光変換部とがベイヤー配列形状に配置された前記4個の可視光変換部と前記可視光電荷保持部とを備える前記(2)から(4)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(6)前記可視光変換ブロックは、赤色光に応じた前記電荷を生成する前記可視光変換部である赤色光変換部と緑色光に応じた前記電荷を生成する前記可視光変換部である緑色光変換部と青色光に応じた前記電荷を生成する前記可視光変換部である青色光変換部と白色光に応じた前記電荷を生成する前記可視光変換部である白色光変換部と前記可視光電荷保持部とを備える前記(2)から(4)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(7)前記赤外光変換ブロックは、前記複数の赤外光変換部と前記赤外光電荷保持部との間を同時に導通させて前記複数の赤外光変換部によりそれぞれ生成された前記電荷を前記赤外光電荷保持部に転送する赤外光電荷転送部をさらに備える前記(1)から(6)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(8)前記赤外光電荷保持部に保持された前記電荷に応じた信号を生成する赤外光信号生成部をさらに具備する前記(1)から(7)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(9)被写体に赤外光を出射する赤外光出射部と、
可視光を受光する受光面が配置されて前記受光した前記可視光の受光量に応じた電荷を生成する複数の可視光変換部と前記複数の可視光変換部によりそれぞれ生成された前記電荷をそれぞれ異なる期間に排他的に保持する可視光電荷保持部とを備える可視光変換ブロックと、
前記可視光変換部の前記受光面と略等しいサイズであるとともに前記出射されて前記被写体により反射された赤外光を受光する受光面が配置されて前記受光した前記赤外光の受光量に応じた電荷を生成する複数の赤外光変換部と前記複数の赤外光変換部によりそれぞれ生成された前記電荷をまとめて同時に保持する赤外光電荷保持部とを備える赤外光変換ブロックと、
前記赤外光電荷保持部に保持された前記電荷に応じた信号を生成する赤外光信号生成部と、
前記赤外光出射部における前記出射から前記赤外光変換ブロックの前記赤外光変換部における前記受光までの時間を前記生成された前記信号に基づいて計測することにより前記被写体との距離を計測する距離計測部と
を具備する撮像システム。
(10)被写体に赤外光を出射する赤外光出射手順と、
可視光を受光する受光面が配置されて前記受光した前記可視光の受光量に応じた電荷を生成する複数の可視光変換部と前記複数の可視光変換部によりそれぞれ生成された前記電荷をそれぞれ異なる期間に排他的に保持する可視光電荷保持部とを備える可視光変換ブロックにおける前記可視光変換部の前記受光面と略等しいサイズであるとともに前記出射されて前記被写体により反射された赤外光を受光する受光面が配置されて前記受光した前記赤外光の受光量に応じた電荷を生成する複数の赤外光変換部と前記複数の赤外光変換部によりそれぞれ生成された前記電荷をまとめて同時に保持する赤外光電荷保持部とを備える赤外光変換ブロックにおいて前記赤外光電荷保持部に保持された前記電荷に応じた信号を生成する赤外光信号生成手順と、
前記赤外光の出射から前記赤外ブロックの前記赤外光変換部における前記受光までの時間を前記生成された前記信号に基づいて計測することにより前記被写体との距離を計測する距離計測手順と
を具備する距離計測方法。
10 レンズ
20 固体撮像装置
30 信号処理部
40 画像処理部
50 距離計測部
60 赤外光出射部
100 画素アレイ部
110、120、130、140、160、170、180、190 画素
111、121、131、141、161、171、181、191 光電変換部
112、123、132、143 オーバーフロードレイン
113、122、133、142、144 電荷転送部
119、129、139、149 カラーフィルタ
150 信号生成部
151、155、159 電荷保持部
152~154、156~158 MOSトランジスタ
200 垂直駆動部
300 水平転送部
400 アナログデジタル変換器
610 可視光変換ブロック
611 可視光電荷保持部
620、630、640、650 赤外光変換ブロック
621、631、641、651 赤外光電荷保持部
Claims (6)
- 半導体基板に設けられた第1可視光光電変換部と、前記半導体基板に設けられ、前記第1可視光光電変換部と略等しい受光面積を有する第1赤外光光電変換部と、前記半導体基板内に設けられ、前記第1可視光光電変換部及び前記第1赤外光光電変換部で生成された電荷を保持する第1電荷保持部とを具備する第1光電変換ブロックと、
第2光電変換ブロックと
を備え、
前記第1光電変換ブロックは第2可視光光電変換部と
第2赤外光光電変換部とをさらに具備し、
前記第2光電変換ブロックは、
第4可視光光電変換部及び第5可視光光電変換部と、
第3赤外光光電変換部及び第4赤外光光電変換部と、
前記第4可視光光電変換部及び前記第5可視光光電変換部と前記第3赤外光光電変換部及び前記第4赤外光光電変換部で生成された電荷を保持する第3電荷保持部とを具備し、
前記第1光電変換ブロックと前記第2光電変換ブロックは、前記第1赤外光光電変換部及び前記第2赤外光光電変換部と前記第3赤外光光電変換部及び前記第4赤外光光電変換部とが隣接するように設けられていること
を特徴とする固体撮像装置。 - 前記第1光電変換ブロックの前記第1赤外光光電変換部及び前記第2赤外光光電変換部は第1の露光開始時間で露光を開始し、
前記第2光電変換ブロックの前記第3赤外光光電変換部及び前記第4赤外光光電変換部は、前記第1の露光開始時間とは異なる第2の露光開始時間で露光を開始するように構成された
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記第1電荷保持部に保持された電荷に応じた信号を生成するトランジスタをさらに備えた請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記半導体基板に設けられ、前記第1可視光光電変換部と前記第1赤外光光電変換部の間にあって、断面視で前記第1電荷保持部の直上に設けられた画素分離領域を有する
前記請求項1記載の固体撮像装置。 - 赤外光出射部と、半導体基板に設けられた第1可視光光電変換部と、前記半導体基板に設けられ前記第1可視光光電変換部と略等しい受光面積を有する第1赤外光光電変換部と、前記半導体基板内に設けられ前記第1可視光光電変換部及び前記第1赤外光光電変換部で生成された電荷を保持する第1電荷保持部と、を具備する第1光電変換ブロックと、
第2光電変換ブロックと、
前記赤外光出射部から出射された光が前記第1赤外光光電変換部で受光されるまでの時間を前記第1電荷保持部に保持された電荷に基づいて計測し、距離を算出する距離計測部と
を備え、
前記第1光電変換ブロックは第2可視光光電変換部と
第2赤外光光電変換部とをさらに具備し、
前記第2光電変換ブロックは、
第4可視光光電変換部及び第5可視光光電変換部と、
第3赤外光光電変換部及び第4赤外光光電変換部と、
前記第4可視光光電変換部及び前記第5可視光光電変換部と前記第3赤外光光電変換部及び前記第4赤外光光電変換部で生成された電荷を保持する第3電荷保持部とを具備し、
前記第1光電変換ブロックと前記第2光電変換ブロックは、前記第1赤外光光電変換部及び前記第2赤外光光電変換部と前記第3赤外光光電変換部及び前記第4赤外光光電変換部とが隣接するように設けられていること
を特徴とする撮像システム。 - 赤外光出射部と、
半導体基板に設けられた第1可視光光電変換部と、前記半導体基板に設けられ前記第1可視光光電変換部と略等しい受光面積を有する第1赤外光光電変換部と、前記半導体基板内に設けられ前記第1可視光光電変換部及び前記第1赤外光光電変換部で生成された電荷を保持する第1電荷保持部とを具備する第1光電変換ブロックと、
第2光電変換ブロックと
を備え、
前記第1光電変換ブロックは第2可視光光電変換部と
第2赤外光光電変換部とをさらに具備し、
前記第2光電変換ブロックは、
第4可視光光電変換部及び第5可視光光電変換部と、
第3赤外光光電変換部及び第4赤外光光電変換部と、
前記第4可視光光電変換部及び前記第5可視光光電変換部と前記第3赤外光光電変換部及び前記第4赤外光光電変換部で生成された電荷を保持する第3電荷保持部とを具備し、
前記第1光電変換ブロックと前記第2光電変換ブロックは、前記第1赤外光光電変換部及び前記第2赤外光光電変換部と前記第3赤外光光電変換部及び前記第4赤外光光電変換部とが隣接するように設けられていること
を特徴とする固体撮像装置において、
前記赤外光出射部から出射された光が前記第1赤外光光電変換部、前記第2赤外光光電変換部、前記第3赤外光光電変換部および前記第4赤外光光電変換部で受光されるまでの時間を前記第1電荷保持部および前記第3電荷保持部のそれぞれに保持された電荷に基づいて計測し、距離を算出する距離計測方法。
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