KR20210119999A - 촬상 장치 및 촬상 시스템 - Google Patents

촬상 장치 및 촬상 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20210119999A
KR20210119999A KR1020217024161A KR20217024161A KR20210119999A KR 20210119999 A KR20210119999 A KR 20210119999A KR 1020217024161 A KR1020217024161 A KR 1020217024161A KR 20217024161 A KR20217024161 A KR 20217024161A KR 20210119999 A KR20210119999 A KR 20210119999A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
semiconductor substrate
shielding film
imaging
pixel
Prior art date
Application number
KR1020217024161A
Other languages
English (en)
Inventor
소조 요코가와
히로키 하기와라
Original Assignee
소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤 filed Critical 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
Publication of KR20210119999A publication Critical patent/KR20210119999A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14629—Reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14623—Optical shielding
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4863—Detector arrays, e.g. charge-transfer gates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14607—Geometry of the photosensitive area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14636—Interconnect structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1464—Back illuminated imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14649—Infrared imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N5/369—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

대향하는 제1 면 및 제2 면을 가짐과 함께, 복수의 화소가 설치된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 제2 면 측에 설치되며 상기 복수의 화소마다 신호가 보내지는 배선층과, 상기 반도체 기판을 사이에 두고 상기 배선층에 대향하고, 또한, 상기 화소마다 이하의 식(1)을 만족하는 개구를 갖는 차광막과, 상기 복수의 화소마다 상기 반도체 기판의 상기 제1 면 측에 설치된, 상기 차광막의 상기 개구를 향하는 도파로를 구비한 촬상 장치. B < A ·····(1) 단, B는 각 화소에 있어서의 상기 개구의 면적이며, A는 각 화소에 있어서 상기 차광막으로 덮인 상기 제1 면의 면적이다.

Description

촬상 장치 및 촬상 시스템
본 개시는 반도체 기판 및 배선층을 갖는 촬상 장치 및 촬상 시스템에 관한 것이다.
최근, 근적외 영역의 파장의 광을 수광하는 촬상 장치의 개발이 진행되고 있다. 예를 들면, 이러한 촬상 장치는, 소정의 지점으로부터 대상까지의 거리 정보를 얻기 위한 측거(測距) 시스템 등에 적용된다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본특허공개 제2017-150893호 공보
이러한 촬상 장치에서는, 촬상 장치 내부에서의 광의 반사 및 회절이 촬상 정보에 영향을 미칠 우려가 있다.
따라서, 촬상 장치 내부에서의 광의 반사 및 회절에 기인하는 촬상 정보에의 영향을 억제하는 것이 가능한 촬상 장치 및 이 촬상 장치를 구비한 촬상 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 촬상 장치는, 대향하는 제1 면 및 제2 면을 가짐과 함께, 복수의 화소가 설치된 반도체 기판과, 반도체 기판의 제2 면 측에 설치되며 복수의 화소마다 신호가 보내지는 배선층과, 반도체 기판을 사이에 두고 배선층에 대향하고, 또한, 화소마다 이하의 식(1)을 만족하는 개구를 갖는 차광막과, 복수의 화소마다 반도체 기판의 제1 면 측에 설치된, 차광막의 개구를 향하는 도파로를 구비한 것이다.
B < A ·····(1)
단, B는 각 화소에 있어서의 개구의 면적이며, A는 각 화소에 있어서 차광막으로 덮인 제1 면의 면적이다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 촬상 시스템은, 상기 본 개시의 일 실시형태에 따른 촬상 장치와, 촬상 장치로부터의 신호가 입력되는 연산 처리부를 구비한 것이다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 촬상 장치 및 촬상 시스템에서는, 차광막의 개구가 식(1)을 만족하고 있다. 즉, 각 화소에서는, 차광막으로 덮인 영역의 면적이, 차광막의 개구의 면적보다 크게 되어 있다. 이에 따라, 반도체 기판과 배선층의 계면, 또는 배선층 내에서 반사된 광 및 회절된 광은, 차광막에 입사하여, 반도체 기판의 제1 면으로부터 반도체 기판의 외측으로 방사되기 어려워진다.
한편, 상기 내용은 본 개시의 일례이다. 본 개시의 효과는, 전술한 것에 한정되지 않고, 다른 상이한 효과이어도 되고, 또 다른 효과를 포함하고 있어도 된다.
도 1은 본 개시의 일 실시형태에 따른 촬상 장치의 주요 부분의 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 촬상 장치의 화소 회로의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 차광막 등의 평면 구성을 나타내는 모식도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 차광막 등의 평면 구성의 다른 예를 나타내는 모식도이다.
도 5는 도 1에 나타낸 온-칩 렌즈(on-chip lens)의 최소 집광 직경 부분에 대해 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 도 1에 나타낸 차광막 등의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 7은 비교예에 따른 촬상 장치의 주요 부분의 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 차광막 등의 평면 구성을 나타내는 모식도이다.
도 9는 도 1에 나타낸 촬상 장치의 작용에 대해 설명하기 위한 모식도이다.
도 10a는 도 7에 나타낸 촬상 장치의 흡수광 및 반사광을 나타내는 도면이다.
도 10b는 도 1에 나타낸 촬상 장치의 흡수광 및 반사광을 나타내는 도면이다.
도 11은 변형예 1에 따른 촬상 장치의 주요 부분의 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
도 12는 변형예 2에 따른 촬상 장치의 주요 부분의 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
도 13은 도 12에 나타낸 촬상 장치의 화소 회로의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 12에 나타낸 PD 등의 평면 구성을 나타내는 모식도이다.
도 15는 도 12에 나타낸 차광막의 평면 구성을 나타내는 모식도이다.
도 16은 도 12에 나타낸 화소의 구성의 다른 예를 나타내는 평면 모식도이다.
도 17은 도 16에 나타낸 화소의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 16에 나타낸 화소의 평면 구성의 다른 예를 나타내는 평면 모식도이다.
도 19는 도 18에 나타낸 화소의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 20a는 도 1 등에 나타낸 촬상 장치의 전체 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 20b는 도 20a에 나타낸 촬상 장치의 전체 구성의 다른 예(1)를 나타내는 모식도이다.
도 20c는 도 20a에 나타낸 촬상 장치의 전체 구성의 다른 예(2)를 나타내는 모식도이다.
도 21은 도 1 등에 나타낸 촬상 장치를 적용한 측거 시스템의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 22는 도 21에 나타낸 측거 시스템의 다른 예(1)를 나타내는 블록도(1)이다.
도 23은 도 21에 나타낸 측거 시스템의 다른 예(2)를 나타내는 블록도(2)이다.
도 24는 도 21에 나타낸 측거 시스템의 다른 예(3)를 나타내는 블록도(3)이다.
도 25a는 도 1 등에 나타낸 촬상 장치를 적용한 휴대형 전자 기기의 표면 구성의 일례를 나타내는 평면 모식도이다.
도 25b는 도 25a에 나타낸 전자 기기의 이면 구성의 일례를 나타내는 평면 모식도이다.
도 26은 도 1 등에 나타낸 촬상 장치의 사용예를 나타내는 도면이다.
도 27은 체내 정보 취득 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 28은 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 29는 카메라 헤드 및 CCU의 기능 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 30은 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 31은 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 일례를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 개시에 있어서의 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 한편, 설명하는 순서는 하기와 같다.
1. 실시형태(각 화소의 절반보다 큰 영역이 차광막으로 덮인 촬상 장치)
2. 변형예 1(분리 홈을 갖는 예)
3. 변형예 2(각 화소에 2개의 FD(Floating Diffusion)를 갖는 예)
4. 적용예
5. 응용예
<실시형태>
(촬상 장치(1)의 구성)
도 1은 본 개시의 일 실시형태에 따른 촬상 장치(촬상 장치(1))의 주요 부분의 단면 구성의 일례를 모식적으로 나타낸 것이다. 촬상 장치(1)는, 예를 들면 이면 조사형의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서이며, 예를 들면, 측거 시스템(후술하는 도 21의 측거 시스템(3) 등) 등에 적용된다. 이 촬상 장치(1)는, 예를 들면, 근적외 영역의 파장의 광을 수광하도록 구성되어 있다. 근적외 영역의 파장이란, 예를 들면, 파장 800nm 정도∼1100nm 정도이다.
촬상 장치(1)는, 반도체 기판(10), 배선층(20), 반사 방지막(31), 차광막(32), 도파로(36), 저굴절률 재료(37) 및 온-칩 렌즈(35)를 포함하고 있다. 반도체 기판(10)은, 수광면이 되는 제1 면(S1)과, 제1 면(S1)에 대향하는 제2 면(S2)을 가지고 있다. 배선층(20)은 반도체 기판(10)의 제2 면(S2) 측에 설치되고, 반도체 기판(10)에 적층되어 있다. 이 배선층(20)은 다층 배선층이며, 복수의 배선(21) 및 층간 절연막(22)을 포함하고 있다. 반도체 기판(10)의 제1 면(S1) 상에, 예를 들면, 반도체 기판(10) 측에서부터 반사 방지막(31), 차광막(32), 도파로(36) 및 온-칩 렌즈(35)가 이 순서로 설치되어 있다.
촬상 장치(1)는, 화소 영역(후술하는 도 20a∼도 20c의 화소 영역(110A))에, 복수의 화소(50)를 가지고 있다. 복수의 화소(50)는, 예를 들면, 행렬 형상으로 배치되어 있다. 도 1에는, 일 방향(X 방향)을 따라 늘어서는 4개의 화소(50)가 나타내어져 있다.
이하, 촬상 장치(1)의 각 구성요소에 대해 설명한다.
반도체 기판(10)은, 예를 들면 p형 실리콘(Si)에 의해 구성되어 있다. 반도체 기판(10)에는, 화소(50)마다 PD(11) 및 FD(12)가 설치되어 있다. 여기서는, PD(11)가 본 개시의 광전 변환부의 일 구체예에 대응하고, FD(12)가 본 개시의 제1 부유 확산 용량의 일 구체예에 대응한다.
PD(11)는, 화소(50)마다, 반도체 기판(10)(여기서는 Si 기판)의 두께 방향(Z 방향)으로 형성된, 예를 들면 n형 반도체 영역이다. 이 PD(11)는, 반도체 기판(10)의 제1 면(S1) 및 제2 면(S2) 근방에 설치된 p형 반도체 영역과, pn 접합을 가지고 있으며, 소위 pn 접합형 포토다이오드이다. FD(12)는, 반도체 기판(10) 내의 제2 면(S2) 근방에 설치되어 있다. 이 FD(12)는, 반도체 기판(10)의 p-웰층에 n형의 불순물을 고농도로 주입함으로써 형성된 n형 반도체 영역이다.
반도체 기판(10)의 제2 면(S2) 근방에는, 예를 들면, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터, 선택 트랜지스터 및 배출 트랜지스터 등(후술하는 도 2의 전송 트랜지스터(TG), 리셋 트랜지스터(RST), 증폭 트랜지스터(AMP), 선택 트랜지스터(SEL) 및 배출 트랜지스터(OFG))이 설치되어 있다. 이와 같은 트랜지스터는, 예를 들면 MOSEFT(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)이며, 화소(50)마다 화소 회로를 구성한다.
도 2는 화소 회로의 구성의 일례를 나타내고 있다.
PD(11)는, 애노드 전극이 부(負)측 전원(예를 들면, 그라운드)에 접속되어 있고, 수광한 광(입사광)을 그 광량에 따른 전하량의 광 전하로 광전 변환하여 그 광 전하를 축적한다. PD(11)의 캐소드 전극은, 전송 트랜지스터(TG)를 통해 증폭 트랜지스터(AMP)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(AMP)의 게이트 전극과 전기적으로 연결된 노드가 FD(12)이다.
전송 트랜지스터(TG)는 PD(11)의 캐소드 전극과 FD(12)의 사이에 접속되어 있다. 전송 트랜지스터(TG)의 게이트 전극에는, 전송 펄스가 전송선을 통해 공급된다. 이에 의해, 전송 트랜지스터(TG)는 도통 상태로 되고, PD(11)에 의해 광전 변환된 광 전하가 FD(12)로 전송된다. PD(11)의 캐소드 전극에는, 전송 트랜지스터(TG)와 함께, 배출 트랜지스터(OFG)가 접속되어 있다.
리셋 트랜지스터(RST)는, 드레인 전극이 화소 전원(VDD)에, 소스 전극이 FD(12)에 각각 접속되어 있다. 리셋 트랜지스터(RST)의 게이트 전극에는, 리셋 펄스가 리셋선을 통해 공급된다. 이에 의해, 리셋 트랜지스터(RST)는 도통 상태로 되고, FD(12)의 전하를 화소 전원(VDD)에 배출함으로써 FD(12)가 리셋된다.
증폭 트랜지스터(AMP)는, 게이트 전극이 FD(12)에, 드레인 전극이 화소 전원(VDD)에 각각 접속되어 있다. 그리고, 증폭 트랜지스터(AMP)는, 리셋 트랜지스터(RST)에 의해 리셋된 후의 FD(12)의 전위를 리셋 신호로서 출력한다. 나아가, 증폭 트랜지스터(AMP)는, 전송 트랜지스터(TG)에 의해 신호 전하가 전송된 후의 FD(12)의 전위를 광축적 신호로서 출력한다.
선택 트랜지스터(SEL)는, 예를 들면, 드레인 전극이 증폭 트랜지스터(AMP)의 소스 전극에, 소스 전극이 수직 신호선(VSL)에 각각 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(SEL)의 게이트 전극에는, 선택 펄스가 선택선을 통해 공급된다. 이에 의해, 선택 트랜지스터(SEL)는 도통 상태로 되고, 화소(50)를 선택 상태로 하여 증폭 트랜지스터(AMP)로부터 공급되는 신호가 수직 신호선(VSL)에 출력된다.
도 2의 예에서는, 선택 트랜지스터(SEL)를, 증폭 트랜지스터(AMP)의 소스 전극과 수직 신호선(VSL)의 사이에 접속하는 회로 구성으로 하였지만, 선택 트랜지스터(SEL)를, 화소 전원(VDD)과 증폭 트랜지스터(AMP)의 드레인 전극의 사이에 접속하는 회로 구성을 취하는 것도 가능하다.
각 화소(50)의 회로 구성은, 전술한 화소 구성의 것에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 증폭 트랜지스터(AMP)와 선택 트랜지스터(SEL)를 겸용하는 트랜지스터를 포함하는 화소 구성 등이어도 되고, 그 화소 회로의 구성은 임의의 구성일 수 있다. 전송 트랜지스터(TG) 이외의 트랜지스터는, 복수의 화소(50) 사이에서 공유하는 것도 가능하다.
배선층(20)에 포함되는 복수의 배선(21)은, 상기 트랜지스터의 게이트 전극 외에, 예를 들면, 화소 회로 및 수직 신호선(VSL) 등을 구성하고 있다. 배선(21)은, 예를 들면, 화소(50)를 반복 단위로 하여 형성되어 있다. 층간 절연막(22)은, 예를 들면 SiO(산화실리콘)막 등에 의해 구성되어 있다.
반사 방지막(31)은, 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)을 덮고 있다. 반사 방지막(31)은, 예를 들면, 화소 영역 전체면에 걸쳐 설치되어 있다. 이 반사 방지막(31)은, 예를 들면, 질화실리콘(SiN), 산화알루미늄(Al2O3), 산화실리콘(SiO2), 산화하프늄(HfO2) 또는 산화탄탈(Ta2O5) 등에 의해 구성되어 있다.
반사 방지막(31) 상에 설치된 차광막(32)은, 근적외 영역의 파장의 광을 투과시키지 않는 특성을 갖는 것이다. 이러한 차광막(32)을 설치함으로써, 이웃하는 화소(50) 사이의 경사 입사광의 크로스토크에 의한 혼색을 억제하는 것이 가능해진다. 이 차광막(32)은, 각 화소(50)의 PD(11)에 대향하는 위치에 개구(32A)를 가지고 있다. 이 차광막(32)의 개구(32A)를 통해 PD(11)에 광이 입사하도록 되어 있다.
도 3은 차광막(32) 및 온-칩 렌즈(35)의 평면(XY 평면) 구성의 일례를 나타낸 것이다. 도 3에서는, 2행×2열의 4개의 화소(50)가 나타내어져 있다. 각 화소(50)는, 예를 들면, 1변의 크기가 P인 대략 정방형의 평면 형상을 가지고 있다. 이 각 화소(50)의 중앙부에, 차광막(32)의 개구(32A)가 설치되어 있다. 개구(32A)는, 예를 들면, 1변의 크기가 M인 대략 정방형의 평면 형상을 가지고 있다. 본 실시형태에서는, 이 개구(32A)를 갖는 차광막(32)이, 하기 식(1)을 만족하고 있다.
B < A ·····(1)
단, B는 각 화소(50)에 있어서의 개구(32A)의 면적이며, A는 각 화소(50)에 있어서 차광막(32)으로 덮인 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)의 면적이다.
예를 들면, 화소(50) 및 개구(32A)가 상기의 평면 형상을 가질 때, B=M2, A=P2-M2로 구해진다. 예를 들면, P가 10㎛일 때, M이 7㎛이라면, 식(1)이 만족된다. 이 때, 각 화소(50)의 면적(P2)에서 차지하는 면적 A의 비율은 51%로 된다. 상세한 것은 후술하지만, 이와 같이 차광막(32)이 식(1)을 만족함으로써, 반도체 기판(10)(제2 면(S2))과 배선층(20)의 계면, 또는 배선층(20)에서 반사된 광(후술하는 도 10의 반사광(RL))이, 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)으로부터 반도체 기판(10)의 외측(온-칩 렌즈(35) 측)으로 방사되기 어려워진다.
차광막(32)은, 나아가, 이하의 식(2)를 만족하는 것이 바람직하다.
A ≥ 0.75×(A+B)·····(2)
차광막(32)이 식(2)를 만족하는, 즉, 각 화소(50)의 면적(즉, 면적 A와 면적 B의 합)에서 차지하는 면적 A의 비율을 75% 이상으로 함으로써, 보다 효과적으로, 반사광(RL)의 반도체 기판(10)의 외측으로의 방출을 억제할 수 있다. 예를 들면, P가 10㎛일 때, M이 5㎛이라면, 각 화소(50)의 면적에서 차지하는 면적 A의 비율이 75%(A = 0.75×(A+B))로 된다.
도 4는 차광막(32) 및 온-칩 렌즈(35)의 평면 구성의 다른 예를 나타내고 있다. 차광막(32)의 개구(32A)의 평면 형상은, 예를 들면, 대략 팔각형 등의 다각형이어도 된다. 도시는 생략하지만, 개구(32A)는, 예를 들면 대략 타원 형상의 평면 형상을 가지고 있어도 된다.
도 5는 온-칩 렌즈(35)에 의해 집광된 광(광(L))과 차광막(32)의 관계를 나타내고 있다. 적층 방향(Z축 방향)에서는, 온-칩 렌즈(35)의 최소 집광 직경 부분(35F)에 차광막(32)이 배치되어 있는 것이 바람직하다. 최소 집광 직경 부분(35F)은, Z축 방향에 있어서, 온-칩 렌즈(35)의 집광 스폿 사이즈가 최소로 되는 부분이며, 가우스 빔(Gaussian beam) 광학에서의 빔 웨이스트(beam waist) 근방에 상당한다. 이와 같이, 차광막(32)을 최소 집광 직경 부분(35F)에 배치함으로써, 개구(32A)를 작게 하여도, 감도의 저하를 억제할 수 있다.
도 6은 차광막(32)의 단면 구성의 일례를, 반도체 기판(10) 및 반사 방지막(31)과 함께 나타낸 것이다. 차광막(32)은, 예를 들면, 반도체 기판(10)(또는 반사 방지막(31)) 측에서부터, 제1 차광막(32-1) 및 제2 차광막(32-2)을 포함하는 적층 구조를 가지고 있다. 제1 차광막(32-1)은, 예를 들면, 근적외 영역의 파장의 광에 대해 반사 특성을 가지고 있다. 이러한 제1 차광막(32-1)은, 예를 들면, 주성분으로서, 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 등의 도체 금속을 포함하고 있다. 제1 차광막(32-1)에 적층된 제2 차광막(32-2)은, 예를 들면, 근적외 영역의 파장의 광에 대해 반사 특성 및 흡수 특성의 양쪽 모두를 가지고 있다. 이러한 제2 차광막(32-2)은, 예를 들면, 주성분으로서, 텅스텐(W) 등을 포함하고 있다. 제2 차광막(32-2)은, 근적외 영역의 파장의 광에 대해 주로 흡수 특성을 가지고 있어도 된다. 이러한 제2 차광막(32-3)은, 예를 들면, 주성분으로서, 카본 블랙 등의 탄화 소재 또는 티탄 블랙 등을 포함하고 있다. 적어도, 제1 차광막(32-1)이 근적외 영역의 파장의 광에 대해 반사 특성을 가짐으로써, 반도체 기판(10)의 내부로부터 제1 면(S1)을 통해 반도체 기판(10)의 외부를 향하는 광(예를 들면, 후술하는 도 10의 반사광(RL))이 반사되어, 다시 반도체 기판(10)의 내부를 향한다. 만약, 제1 차광막(32-1)이 근적외 영역의 파장의 광에 대해 흡수 특성을 가지고 있다면, 이러한 반사광(RL)이 반도체 기판(10)의 내부(보다 구체적으로는, PD(11))로 되돌아가지 않으므로, 감도가 저하될 우려가 있다. 따라서, 제1 차광막(32-1)이 근적외 영역의 파장의 광에 대해 반사 특성을 가짐으로써, 감도의 저하를 억제할 수 있다. 차광막(32)은 단일 막에 의해 구성하도록 해도 되고, 또는 3층 이상의 적층막에 의해 구성하도록 해도 된다.
도파로(36)는, 예를 들면, 온-칩 렌즈(35)로부터 차광막(32)의 개구(32A)를 향하도록 설치되어 있다. 이 도파로(36)는, 예를 들면, 온-칩 렌즈(35)와 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)의 사이에, 화소(50)마다 설치되어 있다. 도파로(36)는, 온-칩 렌즈(35)에 의해 집광된 광(L)을 PD(11)(반도체 기판(10))로 가이드하기 위한 것이다. 이러한 도파로(36)를 설치함으로써, 감도를 향상시킬 수 있다.
도파로(36)는, 예를 들면, 저굴절률 재료(37)에 끼워지도록 형성되어 있다. 달리 말하면, 도파로(36)는 저굴절률 재료(37)에 둘러싸여 있다. 도파로(36)를 구성하는 재료의 굴절률은, 이 저굴절률 재료(37)의 굴절률보다 높게 되어 있다. 예를 들면, 도파로(36)는 질화실리콘(SiN), 저굴절률 재료(37)는 산화실리콘(SiO)에 의해 구성되어 있다.
온-칩 렌즈(35)는, 차광막(32)의 광 입사측에 설치되어 있다. 달리 말하면, 온-칩 렌즈(35)는, 차광막(32)을 사이에 두고 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)을 덮고 있다. 이 온-칩 렌즈(35)는 화소(50)마다 설치되어 있다. 온-칩 렌즈(35)에 입사한 광은, 화소(50)마다 PD(11)에 집광되도록 되어 있다. 이 온-칩 렌즈(35)의 렌즈계는, 화소(50)의 사이즈에 따른 값으로 설정되어 있다. 온-칩 렌즈(35)의 재료로서는, 예를 들면 유기 재료나 실리콘 산화막(SiO2) 등을 들 수 있다.
(촬상 장치(1)의 동작)
이러한 촬상 장치(1)에서는, 예를 들면 이하와 같이 하여 신호 전하(예를 들면, 전자)가 취득된다. 광이, 온-칩 렌즈(35) 및 도파로(36) 등을 통과하여 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)에 입사하면, 광(근적외 영역의 파장의 광)은 각 화소(50)의 PD(11)에서 검출(흡수)되어, 광전 변환된다. PD(11)에서 발생된 전자-정공 쌍 중, 예를 들면, 전자는 FD(12)로 이동하여 축적되고, 정공은 p형 영역으로 이동하여 배출된다. FD(12)에 축적된 전자는, 화소(50)마다, 광축적 신호로서, 수직 신호선(VSL)에 출력된다.
(촬상 장치(1)의 작용 및 효과)
본 실시형태에서는, 차광막(32)의 개구(32A)가 식(1)을 만족하고 있다. 즉, 각 화소(50)에서는, 차광막(32)으로 덮인 영역의 면적(면적 A)이, 차광막(32)의 개구(32A)의 면적(면적 B)보다 크게 되어 있다. 이에 의해, 반도체 기판(10)과 배선층(20)의 계면, 또는 배선층(20) 내에서 반사된 광(후술하는 도 10 반사광(RL))은, 차광막(32)에 입사하여, 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)으로부터 반도체 기판(10)의 외측으로 방사되기 어려워진다. 이하, 이러한 작용 효과에 대해, 비교예를 사용하여 설명한다.
도 7 및 도 8은 비교예에 따른 촬상 장치(촬상 장치(100))의 주요 부분의 모식적인 구성을 나타내고 있다. 도 7은 촬상 장치(100)의 단면 구성을 나타내고 있으며, 촬상 장치(1)를 나타내는 도 1에 대응하고 있다. 도 8은 촬상 장치(100)의 평면 구성을 나타내고 있으며, 촬상 장치(1)를 나타내는 도 3에 대응하고 있다. 이 촬상 장치(100)에서는, 촬상 장치(1)와 마찬가지로, 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)이 광 입사면으로 되어 있고, 제2 면(S2)에 배선층(20)이 적층되어 있다. 즉, 촬상 장치(100)는 이면 조사형의 촬상 장치이다.
이면 조사형의 촬상 장치(100)는, 표면 조사형의 촬상 장치에 비해, 반사광(RL)이 생기기 쉽다. 이것은, 촬상 장치(100)가, 반도체 기판(10)의 제2 면(S2) 측에, 반도체 기판(10)(제2 면(S2))과 배선층(20)의 계면 및 배선층(20) 내의 배선(21)에 의한 계면(배선(21)과 층간 절연막(22)의 계면)을 갖기 때문이다.
온-칩 렌즈(35)에 의해 집광된 광(L)(근적외 영역의 파장의 광을 포함함)은, 제1 면(S1)으로부터 반도체 기판(10)의 내부로 입사한다. 예를 들면, 실리콘(Si)에 의해 구성된 반도체 기판(10)은, 가시영역의 파장의 광에 비해, 근적외 영역의 파장의 광에 대한 감도가 낮다(또는 양자효율이 낮다). 달리 말하면, 근적외 영역의 파장의 광에 대해 반도체 기판(10)은 반투명 상태이므로, 광(L)은 반도체 기판(10)의 두께 방향으로 깊이 진입한다. 이 광(L)이, 반도체 기판(10)과 배선층(20)의 계면 또는, 배선층(20) 내에서 반사되어, 반사광(RL)이 된다. 표면 조사형의 촬상 장치에서는, 반도체 기판의 제2 면 측에 이러한 계면이 존재하지 않는다. 따라서, 표면 조사형의 촬상 장치에서는, 제1 면으로부터 반도체 기판의 내부로 입사한 광은, 반도체 기판의 제2 면 측에서 반사되기 어렵다.
촬상 장치(100)에서는, 반도체 기판(10)의 제2 면(S2) 측에서 생긴 반사광(RL)이, 차광막(32)의 개구(32A)를 통해 제1 면(S1)으로부터 반도체 기판(10)의 외측으로 방사된다. 촬상 장치(100)의 각 화소(50)에서는, 차광막(32)으로 덮인 영역의 면적이, 차광막(32)의 개구(32A)의 면적보다 작게 되어 있다. 따라서, 개구(32A)를 통해, 많은 반사광(RL)이 제1 면(S1)으로부터 반도체 기판(10)의 외측으로 방출된다. 이 반도체 기판(10)의 외측으로 방출된 반사광(RL)은, 촬상 정보에 크게 영향을 미친다. 예를 들면, 반도체 기판(10)의 외측으로 방출된 반사광(RL)은, 플레어(flare) 또는 고스트(ghosting) 등의 원인으로 될 우려가 있다. 또한, 촬상 장치(1)를, 예를 들면 측거 시스템에 적용했을 때에는, 렌즈간, 또는 렌즈와 반도체 기판(10)의 사이에서 반사광(RL)의 다중 반사가 일어나서, 측거 오차의 원인으로 될 우려가 있다.
이러한 촬상 장치(100)에 대해, 본 실시형태의 촬상 장치(1)의 각 화소(50)에서는, 차광막(32)으로 덮인 영역의 면적(면적 A)이, 차광막(32)의 개구(32A)의 면적(면적 B)보다 크게 되어 있으므로, 반도체 기판(10)의 제2 면(S2) 측에서 반사광(RL)이 생겨도, 촬상 장치(100)에 비해, 제1 면(S1)으로부터 반도체 기판(10)의 외측으로 반사광(RL)이 방출되기 어렵다.
도 9는 촬상 장치(1)에서 생긴 반사광(RL)을 나타내고 있다. 촬상 장치(1)에서는, 반도체 기판(10)의 제2 면(S2) 측으로부터 제1 면(S1) 측을 향하는 반사광(RL)이, 차광막(32)에 입사하고, 예를 들면, 차광막(32)으로부터 다시 반도체 기판(10)의 내부를 향한다. 이와 같이, 촬상 장치(1)에서는, 반도체 기판(10)의 외측으로 반사광(RL)이 방사되기 어렵게 되어 있으므로, 반사광(RL)에 의한 촬상 정보에의 영향을 경감하여, 플레어 또는 고스트 등의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 촬상 장치(1)를, 예를 들면 측거 시스템에 적용했을 때에는, 측거 오차를 작게 할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는, 광학 시뮬레이션을 사용하여, 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)으로부터 반도체 기판(10)의 외측으로 방사되는 반사광(도 7, 도 8의 반사광(RL))과, 반도체 기판(10)에 흡수되는 광의 관계를 구한 것이다. 도 10a는 촬상 장치(100)의 결과, 도 10b는 촬상 장치(1)의 결과를 각각 나타내고 있다. 예를 들면, 파장 950nm에 대해, 촬상 장치(1, 100)의 결과를 비교한다. 이 때, 촬상 장치(100)에서는, 반도체 기판(10)에 흡수되는 광이 16%, 반도체 기판(10)의 외측으로 방사되는 반사광이 22%인 것에 반하여, 촬상 장치(1)에서는, 반도체 기판(10)에 흡수되는 광이 22%, 반도체 기판(10)의 외측으로 방사되는 반사광이 20%이다. 즉, 촬상 장치(1)에서는, 촬상 장치(100)에 비해, 흡수 및 반사의 양쪽 모두에서 개선이 확인되고 있다. 이 광학 시뮬레이션의 결과로부터도, 차광막(32)의 개구(32A)가 식(1)을 만족함으로써, 반도체 기판(10)의 외측으로 방출되는 반사광(RL)을 줄이고, 또한, 보다 효율적으로 근적외 영역의 파장의 광을 반도체 기판(10)에 흡수시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
나아가, 촬상 장치(1)에서는, 차광막(32)을 온-칩 렌즈(35)의 최소 집광 직경 부분(35F)에 배치함으로써, 개구(32A)를 작게 하더라도, 감도의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 촬상 장치(1)에서는 도파로(36)가 설치되어 있으므로, 촬상 장치(1)에 비해 감도를 향상시키는 것이 가능해진다.
이상과 같이, 본 실시형태의 촬상 장치(1)에서는, 차광막(32)의 개구(32A)가 식(1)을 만족하도록 했으므로, 반도체 기판(10)과 배선층(20)의 계면, 또는 배선층(20) 내에서 반사된 광(반사광(RL))이, 반도체 기판(10)의 외측으로 방출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 촬상 장치(1) 내부에서의 반사광(RL)에 기인하는 촬상 신호에의 영향을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 차광막(32)을 온-칩 렌즈(35)의 최소 집광 직경 부분(35F)에 배치함으로써, 감도의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 촬상 장치(1)에서는 도파로(36)가 설치되어 있으므로, 촬상 장치(1)에 비해 감도를 향상시키는 것이 가능해진다.
이하, 상기 실시형태의 변형예에 대해 설명하지만, 이후의 설명에서 상기 실시형태와 동일한 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 붙여 그 설명은 적절히 생략한다.
<변형예 1>
도 11은 상기 실시형태의 변형예 1에 따른 촬상 장치(촬상 장치(1A))의 주요 부분의 모식적인 단면 구성을 나타내고 있다. 도 11은 촬상 장치(1)를 나타내는 도 1에 대응하는 것이다. 촬상 장치(1A)에서는, 반도체 기판(10)에, 이웃하는 화소(50)를 분리하는 분리 홈(10T)이 설치되어 있다. 이러한 점을 제외하고, 변형예 1에 따른 촬상 장치(1A)는, 상기 실시형태의 촬상 장치(1)와 마찬가지의 구성을 가지며, 그 작용 및 효과도 마찬가지이다. 한편, 도 13에서는 도 1에 나타낸 PD(11) 및 FD(12)를 생략하여 나타내고 있다.
분리 홈(10T)은, 예를 들면, 제1 면(S1)으로부터 제2 면(S2)까지 반도체 기판(10)을 두께 방향으로 관통하여 설치되어 있다. 분리 홈(10T)은, 예를 들면, 격자 형상의 평면 형상을 가지고 있으며, 각 화소(50)를 둘러싸도록 배치되어 있다. 분리 홈(10T)에는, 예를 들면, 산화실리콘(SiO) 등의 절연 재료가 매립되어 있다. 이러한 분리 홈(10A)을 설치함으로써, 복수의 화소(50) 사이에서의 크로스토크의 발생을 억제할 수 있다.
분리 홈(10T)에는, 예를 들면 매립 차광부(13)가 설치되어 있다. 매립 차광부(13)는 차광 재료에 의해 구성되어 있고, 제2 면(S2)으로부터 분리 홈(10T)의 깊이 방향(Z축 방향)의 일부에 걸쳐 설치되어 있다. 매립 차광부(13)를 구성하는 차광 재료로서는, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 등의 금속 재료를 들 수 있다. 매립 차광부(13)의 깊이 방향의 크기(H)는, 이하의 식(3)을 만족하는 것이 바람직하다.
H > P/2×tan(a)·····(3)
단, P는 각 화소(50)의 1변의 크기이며, a는 상기 분리 홈(10T)에 대한 임계각이다.
a는 이하의 식(4)로 표현된다.
Figure pct00001
단, n1은 분리 홈(10T)의 굴절률, n2는 반도체 기판(10)의 굴절률이다.
예를 들면, 분리 홈(10T)에 산화실리콘(SiO)이 매립되고, 반도체 기판(10)이 결정 실리콘(Si)에 의해 구성되어 있을 때에는, n1이 약 1.45, n2가 약 3.7이기 때문에, 분리 홈(10T)에 대한 임계각(a)은 약 23°가 된다.
매립 차광부(13)의 깊이 방향의 크기(H)가, 상기 식(3)을 만족함으로써, 분리 홈(10T)에 임계각(a)보다 작은 각도로 입사한 반사광(RL)이, 이웃하는 화소(50)에 입사하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 보다 효과적으로 화소(50) 사이의 크로스토크의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
본 변형예의 촬상 장치(1A)도, 상기 실시형태의 촬상 장치(1)와 마찬가지로, 차광막(32)의 개구(32A)가 식(1)을 만족하고 있으므로, 반도체 기판(10)과 배선층(20)의 계면, 또는 배선층(20) 내에서 반사된 광은, 차광막(32)에 입사하여, 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)으로부터 반도체 기판(10)의 외측으로 방사되기 어려워진다. 또한, 화소(50) 사이를 구획하는 분리 홈(10T)이 설치되어 있으므로, 화소(50) 사이에서의 크로스토크의 발생이 보다 효과적으로 억제된다. 이에 의해, 예를 들면, 높은 공간 해상도에서의 적외선 화상 또는 측거 화상을 얻는 것이 가능해진다. 나아가, 분리 홈(10T)에, 깊이 방향의 크기(H)가 상기 식(3)을 만족하도록 매립 차광부(13)를 설치함으로써, 더욱 효과적으로 크로스토크의 발생을 억제할 수 있다.
<변형예 2>
도 12는 상기 실시형태의 변형예 2에 따른 촬상 장치(촬상 장치(1B))의 주요 부분의 모식적인 단면 구성을 나타내고 있다. 도 12는 1개의 화소(50)의 구성을 나타내는 것이다. 촬상 장치(1B)는, 각 화소(50)에, 1개의 PD(11)와, 2개의 전송 트랜지스터(전송 트랜지스터(TGA, TGB))와, 2개의 FD(FD(12A, 12B))가 설치되어 있다. 촬상 장치(1B)는, 예를 들면, 간접 ToF(Time of Flight) 방식을 이용한 측거 시스템에 바람직하게 사용된다. 간접 ToF 방식을 이용한 측거 시스템에서는, 어떤 위상에서 광원으로부터 조사된 액티브 광이 대상물에 맞아 반사된 광이, 촬상 장치(1B)에서 수광된다. 촬상 장치(1B)에서는, 이 광이 복수의 영역(FD(12A, 12B))으로 나누어지도록 되어 있다. 이러한 점을 제외하고, 변형예 2에 따른 촬상 장치(1B)는, 상기 실시형태의 촬상 장치(1)와 마찬가지의 구성을 가지며, 그 작용 및 효과도 마찬가지이다.
도 13은 각 화소(50)의 회로 구성의 일례를 나타낸 것이다. PD(11)의 캐소드 전극은, 전송 트랜지스터(TGA) 및 전송 트랜지스터(TGB)와, 배출 트랜지스터(OFG)에 접속되어 있다. 전송 트랜지스터(TGA)는, 증폭 트랜지스터(AMPA)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(AMPA)의 게이트 전극과 전기적으로 연결된 노드가 FD(12A)이다. 증폭 트랜지스터(AMPA)의 소스 전극에는, 선택 트랜지스터(SELA)의 드레인 전극이 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(SELA)가 도통 상태로 되면, 증폭 트랜지스터(AMPA)로부터 공급되는 신호가 수직 신호선(VSLA)에 출력된다. FD(12A)와 리셋 트랜지스터(RSTA)의 사이에는, 용량 스위칭 트랜지스터(FDGA) 및 부가 용량(CA)이 접속되어 있다.
전송 트랜지스터(TGB)는, 증폭 트랜지스터(AMPB)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(AMPB)의 게이트 전극과 전기적으로 연결된 노드가 FD(12B)이다. 증폭 트랜지스터(AMPB)의 소스 전극에는, 선택 트랜지스터(SELB)의 드레인 전극이 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(SELB)가 도통 상태로 되면, 증폭 트랜지스터(AMPB)로부터 공급되는 신호가 수직 신호선(VSLB)에 출력된다. FD(12B)와 리셋 트랜지스터(RSTB)의 사이에는, 용량 스위칭 트랜지스터(FDGB) 및 부가 용량(CB)이 접속되어 있다. 여기서는, 전송 트랜지스터(TGA, TGB)가 본 개시의 제1 전송 트랜지스터, 제2 전송 트랜지스터의 일 구체예에 대응하고, FD(12A, 12B)가 본 개시의 제1 부유 확산 용량, 제2 부유 확산 용량의 일 구체예에 대응한다.
도 14는 PD(11), 전송 트랜지스터(TGA, TGB) 및 배출 트랜지스터(OFG)의 평면(XY 평면) 구성의 일례를 나타내고 있다. PD(11)는, 예를 들면, 대략 팔각 형상의 평면 형상을 가지고 있으며, 전송 트랜지스터(TGA, TGB) 및 배출 트랜지스터(OFG)는, 예를 들면, PD(11)의 가장자리 근방에 배치되어 있다.
도 15는 차광막(32)의 평면 구성의 일례를 나타내고 있다. 차광막(32)의 개구(32A)는, 예를 들면, PD(11)의 평면 형상에 대응하고, 대략 팔각형의 평면 형상을 가지고 있다.
화소(50)는, 예를 들면 CAPD(Current Assisted Photonic Demodulator)의 화소 구조를 가지고 있어도 된다. 이러한 화소(50)는, 반도체 기판(10)에 전압 인가부를 가지고 있으며, 반도체 기판(10)에 직접 전압이 인가되도록 되어 있다. 이에 의해, 반도체 기판(10) 내에 전류가 발생하고, 반도체 기판(10) 내의 광범위한 영역을 고속으로 변조할 수 있다. (예를 들면, 일본특허공개 제2018-117117호 공보참조).
도 16 및 도 17은 촬상 장치(1B)의 화소(50)의 구성의 다른 예를 나타내고 있다. 도 16은 화소(50)의 평면 구성을 나타내고, 도 17은 화소(50)의 회로 구성을 나타내고 있다. 상기 도 12 및 도 13에는, FD(12A, 12B)에 신호 전하가 축적되는 경우를 나타내었지만, 도 16 및 도 17에 나타낸 바와 같이, MEM(Memory, 전하 축적부)에 신호 전하가 축적되도록 되어 있어도 된다. 이 때, 예를 들면, 각 화소(50)에는, 2개의 MEM(MEM-A, MEM-B)과, PD(11)로부터 MEM-A, MEM-B로 신호 전하를 전송하기 위한 전송 트랜지스터(VGA, VGB)가 설치되어 있다.
도 18은 도 16에 나타낸 화소(50)의 평면 구성의 다른 예를 나타내고, 도 19는 도 17에 나타낸 화소(50)의 회로 구성의 다른 예를 나타내고 있다. 이와 같이, 전송 트랜지스터(TGA, TGB) 각각으로부터 신호 전하가 보내지는 FD(도 17의 FDA, FDB)가, 공유되고 있어도 된다.
본 변형예의 촬상 장치(1B)도, 상기 실시형태의 촬상 장치(1)와 마찬가지로, 차광막(32)의 개구(32A)가 식(1)을 만족하고 있으므로, 반도체 기판(10)과 배선층(20)의 계면, 또는 배선층(20) 내에서 반사된 광은, 차광막(32)에 입사하여, 반도체 기판(10)의 제1 면(S1)으로부터 반도체 기판(10)의 외측으로 방사되기 어려워진다.
<촬상 장치(1) 등의 전체 구성>
도 20a, 도 20b 및 도 20c는, 도 1 등에 나타낸 촬상 장치(1, 1A, 1B)의 전체 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 촬상 장치(1, 1A, 1B)는, 예를 들면, 복수의 화소(50)가 설치된 화소 영역(110A)과, 제어 회로(110B)와, 로직 회로(110C)와, 구동 회로(110D)를 포함하고 있다. 화소 영역(110A), 제어 회로(110B), 로직 회로(110C) 및 구동 회로(110D)는, 도 20a에 나타낸 바와 같이, 단일 칩으로서 구성되어 있어도 되고, 도 20b 및 도 20c에 나타낸 바와 같이, 복수의 칩으로서 구성되어 있어도 된다.
<적용예>
도 21은 촬상 장치(1, 1A, 1B)가 적용되는 측거 시스템(3)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 측거 시스템(3)은, 예를 들면, 광원부(70), 광 확산 부재(71), 광원 구동부(72) 및 촬상 시스템(2)을 포함하고 있다. 촬상 시스템(2)은, 예를 들면, 렌즈군(81), 밴드패스 필터(82), 수광부(60), 제어부(61), A/D 변환부(62) 및 연산 처리부(63)를 포함하고 있다. 이 수광부(60)가, 상기 실시형태 등의 화소 영역(110A)에 의해 구성된다.
광원부(70)는, 예를 들면, 파장 700nm 내지 1100nm 정도의 범위의 적외광을 조사한다. 광원부(70)는, 레이저 광원 또는 LED(Light Emitting Diode) 광원 등을 포함하고 있다. 광원부(70)의 중심 파장은, 예를 들면, 850nm, 905nm 또는 940nm 등이다. 광원부(70)는, 제어부(61)에 의해 제어되는 광원 구동부(72)에 의해 구동된다.
광원부(70)이 조사하는 적외광의 파장은, 측거 시스템의 용도나 구성에 있어서 적절히 선택하면 된다. 예를 들면, 중심 파장으로서, 대략 850 나노미터, 대략 905 나노미터, 또는 대략 940 나노미터와 같은 값을 선택할 수 있다.
렌즈군(81) 및 밴드패스 필터(82)는, 수광부(60)의 수광면 측에 설치되어 있다. 렌즈군(81)에 의해 집광된 광은, 밴드패스 필터(82)에 입사한다. 이 밴드패스 필터(82)에서는, 소정의 파장 범위의 적외광이 선택적으로 투과하도록 되어 있다.
수광부(60)에서 얻어진 신호는 A/D 변환부(62)에 의해 디지털화되어, 연산 처리부(63)로 보내진다. 연산 처리부(63)에서는, 수광부(60)로부터의 데이터에 기초하여 대상물의 거리 정보가 산출되도록 되어 있다. 이러한 일련의 동작은, 예를 들면, 제어부(61)에 의해 제어된다.
수광부(60), A/D 변환부(62), 연산 처리부(63), 제어부(61), 및 광원 구동부(72)는, 예를 들면, 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판 상에 형성되어 있다.
연산 처리부(63)는, 예를 들면, 대상물의 반사광의 패턴에 기초하여 거리 정보를 얻는 것이어도 된다. 즉, 측거 시스템(3)은, 간접형 ToF 방식의 측거 시스템이어도 된다. 이 때, 예를 들면, 대상물에 대해 소정의 패턴으로 적외광이 조사되도록 되어 있다. 또는, 연산 처리부(63)는, 대상물의 반사광의 비행 시간에 기초하여 거리 정보를 얻는 것이어도 된다. 이 광의 비행 시간은, 예를 들면, TDC(Time Digital Converter)에 의해 측정된다. 즉, 측거 시스템(3)은, 직접형 ToF 방식의 측거 시스템이어도 된다.
도 21에 나타낸 측거 시스템(3)에서는, 광원부(70) 앞에 광 확산 부재(71)가 배치되어 있으며, 광 확산 부재(71)로부터 확산광이 조사된다. 광원부(70)는, 예를 들면, 수십 kHz∼수백 MHz의 주파수로 변조된다. 측거 시스템(3)에서는, 광원부(70)의 변조에 동기하여 반사광 성분을 검지함으로써 거리 정보를 얻을 수 있다.
도 22는 측거 시스템(3A)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 촬상 장치(1, 1A, 1B)는, 이러한 측거 시스템(3A)에 적용하도록 해도 된다. 측거 시스템(3A)도, 측거 시스템(3)과 마찬가지로, 반사광의 비행 시간에 기초하여 거리 정보를 얻는 것이다. 측거 시스템(3A)에 있어서, 광원부(70)의 광은 주사부(73)에 의해 주사된다. 이 주사에 동기하여 반사광 성분을 검지함으로써 거리 정보를 얻을 수 있다.
도 23은 측거 시스템(3B)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 촬상 장치(1, 1A, 1B)는, 이러한 측거 시스템(3B)에 적용하도록 해도 된다. 측거 시스템(3B)에서는, 대상물에 대해 소정의 패턴으로 적외광이 조사되도록 되어 있다. 이 측거 시스템(3B)의 연산 처리부(63)에서는, 대상물의 반사광의 패턴에 기초하여 거리 정보가 얻어지도록 되어 있다. 측거 시스템(3B)에 있어서, 광원부(70)의 광은 패턴 투영부(74)에 의해 공간적으로 불균일한 소정의 패턴으로 되어, 대상물에 대해 조사된다. 조도 패턴의 공간 분포 정보나, 대상물에 있어서의 패턴 이미지의 왜곡을 검지함으로써 거리 정보(또는, 시차(視差) 정보)를 얻을 수 있다.
도 24는 측거 시스템(3C)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 촬상 장치(1, 1A, 1B)는, 이러한 측거 시스템(3C)에 적용하도록 해도 된다. 측거 시스템(3C)은, 복수의 수광부(60)를 이격하여 배치함으로써, 입체 정보도 얻도록 구성되어 있다. 한편, 측거 시스템(3C)은, 측거 시스템(3)과 마찬가지로, 확산광을 조사하는 것이어도 되고, 측거 시스템(3A)과 마찬가지로, 광원 광을 주사하는 것이어도 되고, 측거 시스템(3B)과 마찬가지로, 소정의 패턴으로 적외광을 조사하는 것이어도 된다.
도 25a, 도 25b는, 상기 실시형태 등의 촬상 장치(1, 1A, 1B)가 적용된 휴대형 전자 기기의 평면 구성의 일례를 모식적으로 나타낸 것이다. 이 휴대형 전자 기기는, 예를 들면, 표시부, 프런트 카메라(90A, 90B), 리어 카메라(91A, 91B) 및 IR 광원을 포함하고 있다. 프런트 카메라(90A, 90B) 및 리어 카메라(91A, 91B)의 적어도 1개가 촬상 장치(1, 1A, 1B)에 의해 구성된다.
도 26은 상기 실시형태 등의 촬상 장치(1, 1A, 1B)의 사용예를 나타내는 도면이다.
상기 실시형태 등의 촬상 장치(1, 1A, 1B)는, 예를 들면, 이하와 같이, 가시광, 적외광, 자외광, X선 등의 광을 센싱하는 다양한 경우에 사용할 수 있다.
·디지털 카메라나, 카메라 기능을 가진 휴대기기 등의, 감상용으로 제공되는 화상을 촬영하는 장치.
·자동 정지 등의 안전 운전이나, 운전자의 상태의 인식 등을 위해, 자동차의 전방이나 후방, 주위, 차내 등을 촬영하는 차재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 측거(測距)를 행하는 측거 센서 등의, 교통용으로 제공되는 장치.
·사용자의 제스처를 촬영하여, 그 제스처에 따른 기기 조작을 행하기 위해, TV나, 냉장고, 에어컨 등의 가전에 제공되는 장치.
·내시경이나, 적외광의 수광에 의한 혈관 촬영을 행하는 장치 등의, 의료나 헬스케어용으로 제공되는 장치.
·방범 용도의 감시 카메라나, 인물 인증 용도의 카메라 등의, 보안용으로 제공되는 장치.
·피부를 촬영하는 피부 측정기나, 두피를 촬영하는 현미경 등의, 미용용으로 제공되는 장치.
·스포츠 용도 등을 위한 액션 카메라나 웨어러블 카메라 등의, 스포츠용으로 제공되는 장치.
·밭이나 작물의 상태를 감시하기 위한 카메라 등의, 농업용으로 제공되는 장치.
<체내 정보 취득 시스템에의 응용예>
나아가, 본 개시에 따른 기술(본 기술)은 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른 기술은 내시경 수술 시스템에 적용되어도 된다.
도 27은 본 개시에 따른 기술(본 기술)이 적용될 수 있는, 캡슐형 내시경을 사용한 환자의 체내 정보 취득 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
체내 정보 취득 시스템(10001)은 캡슐형 내시경(10100)과 외부 제어 장치(10200)로 구성된다.
캡슐형 내시경(10100)은, 검사 시에, 환자에 의해 삼켜진다. 캡슐형 내시경(10100)은, 촬상 기능 및 무선 통신 기능을 가지며, 환자로부터 자연 배출될 때까지의 동안, 위나 장 등의 장기 내부를 연동 운동 등에 의해 이동하면서, 해당 장기의 내부의 화상(이하, 체내 화상이라고도 함)을 소정의 간격으로 순차 촬상하고, 그 체내 화상에 대한 정보를 체외의 외부 제어 장치(10200)로 순차 무선 송신한다.
외부 제어 장치(10200)는, 체내 정보 취득 시스템(10001)의 동작을 통괄적으로 제어한다. 또한, 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형 내시경(10100)으로부터 송신되어 오는 체내 화상에 대한 정보를 수신하고, 수신한 체내 화상에 대한 정보에 기초하여, 표시 장치(도시하지 않음)에 해당 체내 화상을 표시하기 위한 화상 데이터를 생성한다.
체내 정보 취득 시스템(10001)에서는, 이와 같이 하여, 캡슐형 내시경(10100)이 삼켜지고 나서 배출될 때까지의 동안, 환자의 체내의 모습을 촬상한 체내 화상을 수시로 얻을 수 있다.
캡슐형 내시경(10100)과 외부 제어 장치(10200)의 구성 및 기능에 대해 보다상세하게 설명한다.
캡슐형 내시경(10100)은 캡슐형의 하우징(10101)을 가지며, 그 하우징(10101) 내에는, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 급전부(10115), 전원부(10116), 및 제어부(10117)가 수납되어 있다.
광원부(10111)는, 예를 들면 LED(light emitting diode) 등의 광원으로 구성되고, 촬상부(10112)의 촬상 시야에 대해 광을 조사한다.
촬상부(10112)는, 촬상 소자, 및 해당 촬상 소자의 전단에 설치되는 복수의 렌즈로 이루어지는 광학계로 구성된다. 관찰 대상인 체조직에 조사된 광의 반사광(이하, 관찰광이라고 함)은, 해당 광학계에 의해 집광되어, 해당 촬상 소자에 입사한다. 촬상부(10112)에서는, 촬상 소자에 있어서, 거기에 입사한 관찰광이 광전 변환되어, 그 관찰광에 대응한 화상 신호가 생성된다. 촬상부(10112)에 의해 생성된 화상 신호는, 화상 처리부(10113)에 제공된다.
화상 처리부(10113)는, CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등의 프로세서에 의해 구성되고, 촬상부(10112)에 의해 생성된 화상 신호에 대해 각종의 신호 처리를 행한다. 화상 처리부(10113)는, 신호 처리를 실시한 화상 신호를, RAW 데이터로서 무선 통신부(10114)에 제공한다.
무선 통신부(10114)는, 화상 처리부(10113)에 의해 신호 처리가 실시된 화상 신호에 대해 변조 처리 등의 소정의 처리를 행하고, 그 화상 신호를, 안테나(10114A)를 통해 외부 제어 장치(10200)로 송신한다. 또한, 무선 통신부(10114)는, 외부 제어 장치(10200)로부터, 캡슐형 내시경(10100)의 구동 제어에 관한 제어 신호를, 안테나(10114A)를 통해 수신한다. 무선 통신부(10114)는, 외부 제어 장치(10200)로부터 수신한 제어 신호를 제어부(10117)에 제공한다.
급전부(10115)는, 수전용의 안테나 코일, 해당 안테나 코일에 발생한 전류로부터 전력을 재생하는 전력 재생 회로, 및 승압 회로 등으로 구성된다. 급전부(10115)에서는, 이른바 비접촉 충전의 원리를 이용하여 전력이 생성된다.
전원부(10116)는 이차 전지에 의해 구성되고, 급전부(10115)에 의해 생성된 전력을 축전한다. 도 27에서는, 도면이 번잡해지는 것을 피하기 위해, 전원부(10116)로부터의 전력의 공급처를 나타내는 화살표 등의 도시를 생략하고 있지만, 전원부(10116)에 축전된 전력은, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 및 제어부(10117)에 공급되고, 이들의 구동에 사용될 수 있다.
제어부(10117)는 CPU 등의 프로세서에 의해 구성되고, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 및 급전부(10115)의 구동을, 외부 제어 장치(10200)로부터 송신되는 제어 신호에 따라 적절히 제어한다.
외부 제어 장치(10200)는, CPU, GPU 등의 프로세서, 또는 프로세서와 메모리 등의 기억 소자가 혼재된 마이크로컴퓨터 또는 제어 기판 등으로 구성된다. 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형 내시경(10100)의 제어부(10117)에 대해 제어 신호를, 안테나(10200A)를 통해 송신함으로써, 캡슐형 내시경(10100)의 동작을 제어한다. 캡슐형 내시경(10100)에서는, 예를 들면, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어 신호에 의해, 광원부(10111)에 있어서의 관찰 대상에 대한 광의 조사 조건이 변경될 수 있다. 또한, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어 신호에 의해, 촬상 조건(예를 들면, 촬상부(10112)에 있어서의 프레임 레이트, 노출값 등)이 변경될 수 있다. 또한, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어 신호에 의해, 화상 처리부(10113)에 있어서의 처리의 내용이나, 무선 통신부(10114)가 화상 신호를 송신하는 조건(예를 들면, 송신 간격, 송신 화상 수)이 변경되어도 된다.
또한, 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형 내시경(10100)으로부터 송신되는 화상 신호에 대해, 각종의 화상 처리를 실시하고, 촬상된 체내 화상을 표시 장치에 표시하기 위한 화상 데이터를 생성한다. 해당 화상 처리로서는, 예를 들면 현상 처리(디모자이크 처리), 고화질화 처리(대역 강조 처리, 초해상 처리, NR(Noise reduction) 처리 및/또는 손떨림 보정 처리 등), 및/또는 확대 처리(전자 줌 처리) 등, 각종의 신호 처리를 행할 수 있다. 외부 제어 장치(10200)는, 표시 장치의 구동을 제어하고, 생성한 화상 데이터에 기초하여 촬상된 체내 화상을 표시시킨다. 또는, 외부 제어 장치(10200)는, 생성한 화상 데이터를 기록 장치(도시하지 않음)에 기록시키거나, 인쇄 장치(도시하지 않음)에 인쇄 출력시켜도 된다.
이상, 본 개시에 따른 기술이 적용될 수 있는 체내 정보 취득 시스템의 일례에 대해 설명하였다. 본 개시에 따른 기술은, 이상 설명한 구성 가운데, 예를 들면, 촬상부(10112)에 적용될 수 있다. 이에 의해, 검출 정밀도가 향상한다.
<내시경 수술 시스템에의 응용예>
본 개시에 따른 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른 기술은, 내시경 수술 시스템에 적용되어도 된다.
도 28은 본 개시에 따른 기술(본 기술)이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 28에서는, 시술자(의사)(11131)가, 내시경 수술 시스템(11000)을 이용하여, 환자 침대(11133) 상의 환자(11132)에게 수술을 행하고 있는 모습이 도시되어 있다. 도시한 것처럼, 내시경 수술 시스템(11000)은, 내시경(11100)과, 기복 튜브(11111)나 에너지 처치구(11112) 등의 그 밖의 시술구(11110)와, 내시경(11100)을 지지하는 지지 암 장치(11120)와, 내시경을 이용한 수술을 위한 각종의 장치가 탑재된 카트(11200)로 구성된다.
내시경(11100)은, 선단으로부터 소정 길이의 영역이 환자(11132)의 체강 내로 삽입되는 경통(11101)과, 경통(11101)의 기단에 접속되는 카메라 헤드(11102)로 구성된다. 도시하는 예에서는, 경성의 경통(11101)을 갖는 이른바 경성경으로서 구성되는 내시경(11100)을 도시하고 있지만, 내시경(11100)은, 연성의 경통을 갖는 이른바 연성경으로서 구성되어도 된다.
경통(11101)의 선단에는, 대물 렌즈가 끼워진 개구부가 설치되어 있다. 내시경(11100)에는 광원 장치(11203)가 접속되어 있고, 해당 광원 장치(11203)에 의해 생성된 광이, 경통(11101)의 내부로 연장 설치되는 라이트 가이드에 의해 해당 경통의 선단까지 도광되고, 대물 렌즈를 통해 환자(11132)의 체강 내의 관찰 대상을 향해 조사된다. 또한, 내시경(11100)은, 직시경이어도 되고, 사시경 또는 측시경이어도 된다.
카메라 헤드(11102)의 내부에는 광학계 및 촬상 소자가 설치되어 있으며, 관찰 대상으로부터의 반사광(관찰광)은 해당 광학계에 의해 해당 촬상 소자에 집광된다. 해당 촬상 소자에 의해 관찰광이 광전 변환되어, 관찰광에 대응하는 전기 신호, 즉 관찰상에 대응하는 화상 신호가 생성된다. 해당 화상 신호는, RAW 데이터로서 카메라 컨트롤 유닛(CCU： Camera Control Unit)(11201)에 송신된다.
CCU(11201)는, CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등에 의해 구성되며, 내시경(11100) 및 표시 장치(11202)의 동작을 총괄적으로 제어한다. 또한, CCU(11201)는, 카메라 헤드(11102)로부터 화상 신호를 수취하고, 그 화상 신호에 대해, 예를 들면 현상 처리(디모자이크 처리) 등의, 해당 화상 신호에 기초하는 화상을 표시하기 위한 각종의 화상 처리를 실시한다.
표시 장치(11202)는, CCU(11201)로부터의 제어에 의해, 해당 CCU(11201)에 의해 화상 처리가 실시된 화상 신호에 기초하는 화상을 표시한다.
광원 장치(11203)는, 예를 들면 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원으로 구성되고, 시술부 등을 촬영할 때의 조사광을 내시경(11100)에 공급한다.
입력장치(11204)는, 내시경 수술 시스템(11000)에 대한 입력 인터페이스이다. 유저는, 입력장치(11204)를 통해, 내시경 수술 시스템(11000)에 대해 각종의 정보의 입력이나 지시 입력을 행할 수 있다. 예를 들면, 유저는, 내시경(11100)에 의한 촬상 조건(조사광의 종류, 배율 및 초점 거리 등)을 변경하는 취지의 지시 등을 입력한다.
처치구 제어 장치(11205)는, 조직의 소작, 절개 또는 혈관의 봉지 등을 위한 에너지 처치구(11112)의 구동을 제어한다. 기복 장치(11206)는, 내시경(11100)에 의한 시야의 확보 및 시술자의 작업 공간의 확보의 목적으로, 환자(11132)의 체강을 부풀어 오르게 하기 위해, 기복 튜브(11111)를 통해 해당 체강 내로 가스를 보낸다. 레코더(11207)는, 수술에 관한 각종의 정보를 기록 가능한 장치이다. 프린터(11208)는, 수술에 관한 각종의 정보를, 텍스트, 화상 또는 그래프 등 각종의 형식으로 인쇄 가능한 장치이다.
또한, 내시경(11100)에 시술부를 촬영할 때의 조사광을 공급하는 광원 장치(11203)는, 예를 들면 LED, 레이저 광원 또는 이들의 조합에 의해 구성되는 백색 광원으로부터 구성할 수 있다. RGB 레이저 광원의 조합에 의해 백색 광원이 구성되는 경우에는, 각 색(각 파장)의 출력 강도 및 출력 타이밍을 고정밀도로 제어할 수 있기 때문에, 광원 장치(11203)에 있어서 촬상 화상의 화이트 밸런스의 조정을 행할 수 있다. 또한, 이 경우에는, RGB 레이저 광원 각각으로부터의 레이저광을 시분할로 관찰 대상에 조사하고, 그 조사 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어함으로써, RGB 각각에 대응한 화상을 시분할로 촬상하는 것도 가능하다. 해당 방법에 따르면, 해당 촬상 소자에 컬러 필터를 설치하지 않아도, 컬러 화상을 얻을 수 있다.
또한, 광원 장치(11203)는, 출력하는 광의 강도를 소정의 시간마다 변경하도록 그 구동이 제어되어도 된다. 그 광의 강도의 변경의 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어하여 시분할로 화상을 취득하고, 그 화상을 합성함으로써, 이른바 흑색 결함 및 노출 과다가 없는 고다이나믹 레인지의 화상을 생성할 수 있다.
또한, 광원 장치(11203)는, 특수광 관찰에 대응한 소정의 파장 대역의 광을 공급할 수 있게 구성되어도 된다. 특수광 관찰에서는, 예를 들면, 체조직에 있어서의 광의 흡수의 파장 의존성을 이용하여, 통상의 관찰 시에 있어서의 조사광(즉, 백색광)에 비해 협대역의 광을 조사함으로써, 점막 표층의 혈관 등의 소정의 조직을 높은 콘트라스트로 촬영하는, 이른바 협대역 광관찰(Narrow Band Imaging)이 이루어진다. 또는, 특수광 관찰에서는, 여기광을 조사함으로써 발생하는 형광에 의해 화상을 얻는 형광 관찰이 이루어져도 된다. 형광 관찰에서는, 체조직에 여기광을 조사하고 해당 체조직으로부터의 형광을 관찰(자가 형광 관찰)하거나, 또는 인도시아닌그린(ICG) 등의 시약을 체조직에 국부적으로 주입함과 함께 해당 체조직에 그 시약의 형광 파장에 대응한 여기광을 조사하여 형광상을 얻는 것 등을 행할 수 있다. 광원 장치(11203)는, 이와 같은 특수광 관찰에 대응한 협대역광 및/또는 여기광을 공급 가능하게 구성될 수 있다.
도 29는, 도 28에 나타내는 카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)의 기능 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
카메라 헤드(11102)는, 렌즈 유닛(11401)과, 촬상부(11402)와, 구동부(11403)와, 통신부(11404)와, 카메라 헤드 제어부(11405)를 갖는다. CCU(11201)는, 통신부(11411)와, 화상 처리부(11412)와, 제어부(11413)를 갖는다. 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201)는, 전송 케이블(11400)에 의해 서로 통신 가능하게 접속되어 있다.
렌즈 유닛(11401)은, 경통(11101)과의 접속부에 설치되는 광학계이다. 경통(11101)의 선단으로부터 받아들여진 관찰광은, 카메라 헤드(11102)까지 도광되어, 해당 렌즈 유닛(11401)에 입사한다. 렌즈 유닛(11401)은, 줌 렌즈 및 포커스 렌즈를 포함하는 복수의 렌즈가 조합되어 구성된다.
촬상부(11402)를 구성하는 촬상 소자는, 1개(이른바 단판식)이어도 되고, 복수(이른바 다판식)이어도 된다. 촬상부(11402)가 다판식으로 구성되는 경우에는, 예를 들면, 각 촬상 소자에 의해 RGB 각각에 대응하는 화상 신호가 생성되고, 이들이 합성됨으로써 컬러 화상을 얻을 수 있어도 된다. 또는, 촬상부(11402)는, 3D(Dimensional) 표시에 대응하는 오른쪽 눈용 및 왼쪽 눈용 화상 신호를 각각 취득하기 위한 한 쌍의 촬상 소자를 갖도록 구성되어도 된다. 3D 표시가 행해짐으로써, 시술자(11131)는 시술부에 있어서의 생체 조직의 안쪽으로의 깊이를 보다 정확하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 또한, 촬상부(11402)가 다판식으로 구성되는 경우에는, 각 촬상 소자에 대응하여, 렌즈 유닛(11401)도 복수 계통 설치될 수 있다.
또한, 촬상부(11402)는, 반드시 카메라 헤드(11102)에 설치되지 않아도 된다. 예를 들면, 촬상부(11402)는, 경통(11101)의 내부에, 대물 렌즈의 바로 뒤에 설치되어도 된다.
구동부(11403)는, 액추에이터에 의해 구성되며, 카메라 헤드 제어부(11405)로부터의 제어에 의해, 렌즈 유닛(11401)의 줌 렌즈 및 포커스 렌즈를 광축을 따라 소정의 거리만큼 이동시킨다. 이에 의해, 촬상부(11402)에 의한 촬상 화상의 배율 및 초점이 적절히 조정될 수 있다.
통신부(11404)는, CCU(11201)와의 사이에서 각종의 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11404)는, 촬상부(11402)로부터 얻은 화상 신호를 RAW 데이터로서 전송 케이블(11400)을 통해 CCU(11201)에 송신한다.
또한, 통신부(11404)는, CCU(11201)로부터, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하여, 카메라 헤드 제어부(11405)에 공급한다. 해당 제어 신호에는, 예를 들면, 촬상 화상의 프레임 레이트를 지정하는 취지의 정보, 촬상 시의 노출값을 지정하는 취지의 정보, 및/또는 촬상 화상의 배율 및 초점을 지정하는 취지의 정보 등, 촬상 조건에 관한 정보가 포함된다.
또한, 상기의 프레임 레이트나 노출값, 배율, 초점 등의 촬상 조건은, 유저에 의해 적절히 지정되어도 되고, 취득된 화상 신호에 기초하여 CCU(11201)의 제어부(11413)에 의해 자동적으로 설정되어도 된다. 후자의 경우에는, 이른바 AE(Auto Exposure) 기능, AF(Auto Focus) 기능 및 AWB(Auto White Balance) 기능이 내시경(11100)에 탑재되어 있게 된다.
카메라 헤드 제어부(11405)는, 통신부(11404)를 통해 수신한 CCU(11201)로부터의 제어 신호에 기초하여, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어한다.
통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)와의 사이에서 각종의 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)로부터, 전송 케이블(11400)을 통해 송신되는 화상 신호를 수신한다.
또한, 통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)에 대해, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 송신한다. 화상 신호나 제어 신호는, 전기 통신이나 광 통신 등에 의해 송신할 수 있다.
화상 처리부(11412)는, 카메라 헤드(11102)로부터 송신된 RAW 데이터인 화상 신호에 대해 각종의 화상 처리를 실시한다.
제어부(11413)는, 내시경(11100)에 의한 시술부 등의 촬상, 및 시술부 등의 촬상에 의해 얻어지는 촬상 화상의 표시에 관한 각종의 제어를 행한다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다.
또한, 제어부(11413)는, 화상 처리부(11412)에 의해 화상 처리가 실시된 화상 신호에 기초하여, 시술부 등이 찍힌 촬상 화상을 표시 장치(11202)에 표시시킨다. 이 때, 제어부(11413)는, 각종의 화상 인식 기술을 이용하여 촬상 화상 내에 있어서의 각종의 물체를 인식해도 된다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 촬상 화상에 포함되는 물체의 에지의 형상이나 색 등을 검출함으로써, 겸자 등의 시술구, 특정한 생체 부위, 출혈, 에너지 처치구(11112)의 사용 시의 미스트(mist) 등을 인식할 수 있다. 제어부(11413)는, 표시 장치(11202)에 촬상 화상을 표시시킬 때에, 그 인식 결과를 이용하여, 각종의 수술 지원 정보를 해당 시술부의 화상에 중첩 표시시켜도 된다. 수술 지원 정보가 중첩 표시되어, 시술자(11131)에게 제시됨으로써, 시술자(11131)의 부담을 경감하는 것이나, 시술자(11131)가 확실히 수술을 진행시키는 것이 가능하게 된다.
카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)를 접속하는 전송 케이블(11400)은, 전기 신호의 통신에 대응한 전기 신호 케이블, 광통신에 대응한 광섬유, 또는 이들의 복합 케이블이다.
여기서, 도시하는 예에서는, 전송 케이블(11400)을 이용하여 유선으로 통신이 이루어지고 있었지만, 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201) 사이의 통신은 무선으로 이루어져도 된다.
이상, 본 개시에 따른 기술이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 일례에 대해 설명하였다. 본 개시에 따른 기술은, 이상 설명한 구성 가운데, 촬상부(11402)에 적용될 수 있다. 촬상부(11402)에 본 개시에 따른 기술을 적용함으로써, 검출 정밀도가 향상된다.
한편, 여기서는, 일례로서 내시경 수술 시스템에 대해 설명하였지만, 본 개시에 따른 기술은, 그 밖에, 예를 들면, 현미경 수술 시스템 등에 적용되어도 된다.
<이동체에의 응용예>
본 개시에 따른 기술은 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른 기술은 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동이륜차, 자전거, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇, 건설 기계, 농업 기계(트랙터) 등 중 어떠한 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현되어도 된다.
도 30은 본 개시에 따른 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 일례인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성예를 나타내는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은 통신 네트워크(12001)를 거쳐 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 30에 나타낸 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은 구동계 제어 유닛(12010), 보디계 제어 유닛(12020), 차외 정보 검출 유닛(12030), 차내 정보 검출 유닛(12040), 및 통합 제어 유닛(12050)을 구비한다. 또한, 통합 제어 유닛(12050)의 기능 구성으로서, 마이크로컴퓨터(12051), 음성 화상 출력부(12052), 및 차재 네트워크 I/F(Interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은 각종 프로그램에 따라 차량의 구동계에 관련하는 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 구동계 제어 유닛(12010)은, 내연기관 또는 구동용 모터 등의 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력 발생 장치, 구동력을 차륜에 전달하기 위한 구동력 전달 기구, 차량의 타각을 조절하는 스티어링 기구, 및 차량의 제동력을 발생시키는 제동 장치 등의 제어 장치로서 기능한다.
보디계 제어 유닛(12020)은 각종 프로그램에 따라 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 보디계 제어 유닛(12020)은 키리스 엔트리(keyless entry) 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 장치, 또는 헤드 램프, 백 램프, 브레이크 램프, 깜빡이 또는 안개등 등의 각종 램프의 제어장치로서 기능한다. 이 경우, 보디계 제어 유닛(12020)에는, 키를 대체하는 휴대기로부터 발신되는 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 보디계 제어 유닛(12020)은 이들 전파 또는 신호의 입력을 수신하여, 차량의 도어록 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차외 정보 검출 유닛(12030)은 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량의 외부의 정보를 검출한다. 예를 들면, 차외 정보 검출 유닛(12030)에는, 촬상부(12031)가 접속된다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은 촬상부(12031)에 차 밖의 화상을 촬상시키고, 촬상된 화상을 수신한다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 수신한 화상에 기초하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면 상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행해도 된다.
촬상부(12031)는 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 따른 전기 신호를 출력하는 광 센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 측거의 정보로서 출력할 수도 있다. 또한, 촬상부(12031)가 수광하는 광은 가시광이어도 되고, 적외선 등의 비가시광이어도 된다.
차내 정보 검출 유닛(12040)은, 차내의 정보를 검출한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)에는, 예를 들면, 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는, 예를 들면, 운전자를 촬상하는 카메라를 포함한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)은, 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력되는 검출 정보에 기초하여 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출해도 되고, 운전자가 졸고 있지 않은지를 판별해도 된다.
마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차내외의 정보에 기초하여, 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치의 제어 목표값을 연산하여, 구동계 제어 유닛(12010)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량의 충돌 회피 또는 충격 완화, 차간거리에 기초하는 추종 주행, 차속 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 차선 일탈 경고 등을 포함하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차량 주위의 정보에 기초하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함으로써, 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득되는 차외의 정보에 기초하여, 보디계 제어 유닛(12020)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)으로 검지한 선행차 또는 대향차의 위치에 따라 헤드 램프를 제어하여, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 눈부심 방지를 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
음성 화상 출력부(12052)는, 차량의 탑승자 또는 차외에 대해, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력장치로 음성 및 화상 중 적어도 일방의 출력 신호를 송신한다. 도 30의 예에서는, 출력장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062) 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되고 있다. 표시부(12062)는, 예를 들면, 온 보드 디스플레이 및 헤드 업 디스플레이 중 적어도 하나를 포함하고 있어도 된다.
도 31은 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 나타내는 도면이다.
도 31에서는, 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104 및 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들면, 차량(12100)의 프런트 노즈, 사이드 미러, 리어범퍼, 백 도어 및 차실내의 프런트 글래스의 상부 등의 위치에 설치된다. 프런트 노즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실내의 프런트 글래스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 전방의 화상을 취득한다. 사이드 미러에 구비되는 촬상부(12102, 12103)는, 주로 차량(12100)의 측방의 화상을 취득한다. 리어범퍼 또는 백 도어에 구비되는 촬상부(12104)는, 주로 차량(12100)의 후방의 화상을 취득한다. 차실내의 프런트 글래스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 선행 차량 또는 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 이용된다.
또한, 도 31에는 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 일례가 도시되어 있다. 촬상 범위(12111)는, 프런트 노즈에 설치된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타낸다. 촬상 범위(12112, 12113)는, 각각 사이드 미러에 설치된 촬상부(12102, 12103)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12114)는, 리어범퍼 또는 백 도어에 설치된 촬상부(12104)의 촬상 범위를 나타낸다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)로 촬상된 화상 데이터가 중첩됨으로써, 차량(12100)을 상방으로부터 본 부감 화상을 얻을 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는 거리 정보를 취득하는 기능을 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는 복수의 촬상 소자로 이루어지는 스테레오 카메라여도 되고, 위상차 검출용의 화소를 가지는 촬상 소자여도 된다.
예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어지는 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에 있어서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대속도)를 구함으로써, 특히 차량(12100)의 진행로 상에 있는 가장 가까운 입체물로, 차량(12100)과 대략 같은 방향으로 소정의 속도(예를 들면, 0km/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 선행차와의 사이에서 미리 확보해야 하는 차간거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함함)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함함) 등을 행할 수 있다. 이와 같이 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 바탕으로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 이륜차, 보통 차량, 대형차량, 보행자, 전신주 등 그 외의 입체물로 분류하여 추출하고, 장애물의 자동 회피에 이용할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량(12100) 주변의 장애물을, 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로컴퓨터(12051)는, 각 장애물과의 충돌 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하여, 충돌 리스크가 설정값 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황일 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통해 드라이버에 경보를 출력하거나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통해 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는, 적외선을 검출하는 적외선 카메라여도 된다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지 아닌지를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들면, 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에 있어서의 특징점을 추출하는 절차와, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행하여 보행자인지 아닌지를 판별하는 절차에 의해 행해진다. 마이크로컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하여, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는, 당해 인식된 보행자에게 강조를 위한 사각형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(12052)는, 보행자를 나타내는 아이콘 등을 원하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어해도 된다.
이상, 본 개시에 따른 기술이 적용될 수 있는 차량 제어 시스템의 일례에 대해 설명하였다. 본 개시에 따른 기술은, 이상 설명한 구성 가운데, 촬상부(12031)에 적용될 수 있다. 촬상부(12031)에 본 개시에 따른 기술을 적용함으로써, 보기 더 쉬운 촬영 화상을 얻을 수 있기 때문에, 드라이버의 피로를 경감하는 것이 가능해진다.
이상, 실시형태 및 변형예를 들어 설명하였지만, 본 개시 내용은 상기 실시형태 등에 한정되는 것이 아니고, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시형태에서 설명한 촬상 장치, 촬상 시스템 및 측거 시스템의 구성은 일례이며, 또 다른 구성요소를 구비하고 있어도 된다. 또한, 각 층의 재료나 두께도 일례이며, 전술한 것에 한정되는 것이 아니다.
상기 실시형태 등에서 설명한 효과는 일례이며, 다른 효과이어도 되고, 또 다른 효과를 포함하고 있어도 된다.
한편, 본 개시는, 이하와 같은 구성이어도 된다. 이하의 구성을 갖는 촬상 장치 및 촬상 시스템에 의하면, 차광막의 개구가 식(1)을 만족하도록 했으므로, 반도체 기판과 배선층의 계면, 또는 배선층 내에서 반사된 광 및 회절된 광이, 반도체 기판의 외측으로 방출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 촬상 장치 내부에서의 광의 반사에 기인하는 촬상 정보에의 영향을 억제하는 것이 가능해진다.
(1)
대향하는 제1 면 및 제2 면을 가짐과 함께, 복수의 화소가 설치된 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 제2 면 측에 설치되며 상기 복수의 화소마다 신호가 보내지는 배선층과,
상기 반도체 기판을 사이에 두고 상기 배선층에 대향하고, 또한, 상기 화소마다 이하의 식(1)을 만족하는 개구를 갖는 차광막과,
상기 복수의 화소마다 상기 반도체 기판의 상기 제1 면 측에 설치된, 상기 차광막의 상기 개구를 향하는 도파로
를 구비한 촬상 장치.
B < A ·····(1)
단, B는 각 화소에 있어서의 상기 개구의 면적이며, A는 각 화소에 있어서 상기 차광막으로 덮인 상기 제1 면의 면적이다.
(2)
상기 복수의 화소마다 설치됨과 함께, 상기 차광막을 사이에 두고 상기 반도체 기판을 덮는 온-칩 렌즈를 더 구비하고,
상기 온-칩 렌즈의 최소 집광 직경 부분에 상기 차광막이 설치되어 있는, 상기 (1)에 기재된 촬상 장치.
(3)
상기 차광막은 이하의 식(2)를 만족하는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 촬상 장치.
A≥ 0.75×(A+B)·····(2)
(4)
상기 반도체 기판은,
이웃하는 상기 화소를 분리하는 분리 홈과,
상기 분리 홈의 깊이 방향의 일부에 설치된 매립 차광부를 더 구비하는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(5)
상기 매립 차광부의 상기 깊이 방향의 크기(H)는 이하의 식(3)을 만족하는, 상기 (4)에 기재된 촬상 장치.
H > P/2×tan(a)·····(3)
단, P는 각 화소의 1변의 크기이며, a는 상기 분리 홈에 대한 임계각이다.
(6)
상기 도파로를 구성하는 재료의 굴절률은, 상기 도파로의 주위를 구성하는 재료의 굴절률보다 높게 되어 있는, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(7)
상기 차광막은 금속을 포함하는, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(8)
상기 차광막은, 상기 반도체 기판 측으로부터 제1 차광막 및 제2 차광막을 이 순서로 포함하는 적층 구조를 갖는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(9)
상기 제1 차광막은, 근적외 영역의 파장의 광을 반사시키는 재료를 포함하는, 상기 (8)에 기재된 촬상 장치.
(10)
상기 제2 차광막은, 근적외 영역의 파장의 광을 흡수하는 재료를 포함하는, 상기 (8) 또는 (9)에 기재된 촬상 장치.
(11)
상기 제1 차광막은 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 포함하고,
상기 제2 차광막은 텅스텐(W), 카본 블랙 또는 티탄 블랙을 포함하는, 상기 (8) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(12)
상기 반도체 기판에, 상기 복수의 화소마다 설치된 광전 변환부와,
복수의 상기 광전 변환부 각각에 접속된 제1 전송 트랜지스터와,
상기 제1 전송 트랜지스터를 통해 상기 광전 변환부로부터 전송된 신호 전하를 축적하는 제1 부유 확산 용량을 더 구비하는, 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(13)
상기 제1 전송 트랜지스터와 함께, 복수의 상기 광전 변환부 각각에 접속된 제2 전송 트랜지스터와,
상기 제1 전송 트랜지스터 및 상기 제2 전송 트랜지스터 중, 상기 제2 전송 트랜지스터를 통해 상기 광전 변환부로부터 전송된 신호 전하를 선택적으로 축적하는 제2 부유 확산 용량을 더 구비하는, 상기 (12)에 기재된 촬상 장치.
(14)
상기 반도체 기판은 실리콘 기판인, 상기 (1) 내지 (13) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(15)
촬상 장치와,
상기 촬상 장치로부터의 신호가 입력되는 연산 처리부를 구비하고,
상기 촬상 장치는,
대향하는 제1 면 및 제2 면을 가짐과 함께, 복수의 화소가 설치된 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 제2 면 측에 설치되며 상기 복수의 화소마다 신호가 보내지는 배선층과,
상기 반도체 기판을 사이에 두고 상기 배선층에 대향하고, 또한, 상기 화소마다 이하의 식(1)을 만족하는 개구를 갖는 차광막과,
상기 복수의 화소마다 상기 반도체 기판의 상기 제1 면 측에 설치된, 상기 차광막의 상기 개구를 향하는 도파로를 포함하는 촬상 시스템.
B < A ·····(1)
단, B는 각 화소에 있어서의 상기 개구의 면적이며, A는 각 화소에 있어서 상기 차광막으로 덮인 상기 제1 면의 면적이다.
본 출원은, 일본 특허청에 있어서 2019년 2월 6일에 출원된 일본특허출원번호 2019-019629호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이며, 이 출원의 모든 내용을 참조에 의해 본 출원에 원용한다.
당업자라면, 설계상의 요건이나 다른 요인에 따라, 다양한 수정, 콤비네이션, 서브 콤비네이션, 및 변경을 생각해낼 수 있지만, 이들은 첨부된 청구범위나 그 균등물의 범위에 포함된다는 것이 이해된다.

Claims (15)

  1. 대향하는 제1 면 및 제2 면을 가짐과 함께, 복수의 화소가 설치된 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 제2 면 측에 설치되며 상기 복수의 화소마다 신호가 보내지는 배선층과,
    상기 반도체 기판을 사이에 두고 상기 배선층에 대향하고, 또한, 상기 화소마다 이하의 식(1)을 만족하는 개구를 갖는 차광막과,
    상기 복수의 화소마다 상기 반도체 기판의 상기 제1 면 측에 설치된, 상기 차광막의 상기 개구를 향하는 도파로를 구비한, 촬상 장치.
    B < A ·····(1)
    (단, B는 각 화소에 있어서의 상기 개구의 면적이며, A는 각 화소에 있어서 상기 차광막으로 덮인 상기 제1 면의 면적이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 화소마다 설치됨과 함께, 상기 차광막을 사이에 두고 상기 반도체 기판을 덮는 온-칩 렌즈(on-chip lens)를 더 구비하고,
    상기 온-칩 렌즈의 최소 집광 직경 부분에 상기 차광막이 설치되어 있는, 촬상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차광막은 이하의 식(2)를 만족하는, 촬상 장치.
    A ≥ 0.75×(A+B)·····(2)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판은,
    이웃하는 상기 화소를 분리하는 분리 홈과,
    상기 분리 홈의 깊이 방향의 일부에 설치된 매립 차광부를 더 구비하는, 촬상 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 매립 차광부의 상기 깊이 방향의 크기(H)는 이하의 식(3)을 만족하는, 촬상 장치.
    H > P/2×tan(a)·····(3)
    (단, P는 각 화소의 1변의 크기이며, a는 상기 분리 홈에 대한 임계각이다)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도파로를 구성하는 재료의 굴절률은, 상기 도파로의 주위를 구성하는 재료의 굴절률보다 높게 되어 있는, 촬상 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 차광막은 금속을 포함하는, 촬상 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 차광막은, 상기 반도체 기판 측으로부터 제1 차광막 및 제2 차광막을 이 순서로 포함하는 적층 구조를 갖는, 촬상 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 차광막은, 근적외 영역의 파장의 광을 반사시키는 재료를 포함하는, 촬상 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 차광막은, 근적외 영역의 파장의 광을 흡수하는 재료를 포함하는, 촬상 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 차광막은 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 포함하고,
    상기 제2 차광막은 텅스텐(W), 카본 블랙 또는 티탄 블랙을 포함하는, 촬상 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판에, 상기 복수의 화소마다 설치된 광전 변환부와,
    복수의 상기 광전 변환부 각각에 접속된 제1 전송 트랜지스터와,
    상기 제1 전송 트랜지스터를 통해 상기 광전 변환부로부터 전송된 신호 전하를 축적하는 제1 부유 확산 용량을 더 구비하는, 촬상 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전송 트랜지스터와 함께, 복수의 상기 광전 변환부 각각에 접속된 제2 전송 트랜지스터와,
    상기 제1 전송 트랜지스터 및 상기 제2 전송 트랜지스터 중, 상기 제2 전송 트랜지스터를 통해 상기 광전 변환부로부터 전송된 신호 전하를 선택적으로 축적하는 제2 부유 확산 용량을 더 구비하는, 촬상 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판인, 촬상 장치.
  15. 촬상 시스템으로서,
    촬상 장치와,
    상기 촬상 장치로부터의 신호가 입력되는 연산 처리부를 구비하고,
    상기 촬상 장치는,
    대향하는 제1 면 및 제2 면을 가짐과 함께, 복수의 화소가 설치된 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 제2 면 측에 설치되며 상기 복수의 화소마다 신호가 보내지는 배선층과,
    상기 반도체 기판을 사이에 두고 상기 배선층에 대향하고, 또한, 상기 화소마다 이하의 식(1)을 만족하는 개구를 갖는 차광막과,
    상기 복수의 화소마다 상기 반도체 기판의 상기 제1 면 측에 설치된, 상기 차광막의 상기 개구를 향하는 도파로를 포함하는, 촬상 시스템.
    B < A ·····(1)
    (단, B는 각 화소에 있어서의 상기 개구의 면적이며, A는 각 화소에 있어서 상기 차광막으로 덮인 상기 제1 면의 면적이다)
KR1020217024161A 2019-02-06 2020-01-23 촬상 장치 및 촬상 시스템 KR20210119999A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019019629A JP2020126961A (ja) 2019-02-06 2019-02-06 撮像装置および撮像システム
JPJP-P-2019-019629 2019-02-06
PCT/JP2020/002238 WO2020162196A1 (ja) 2019-02-06 2020-01-23 撮像装置および撮像システム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210119999A true KR20210119999A (ko) 2021-10-06

Family

ID=71947556

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217024161A KR20210119999A (ko) 2019-02-06 2020-01-23 촬상 장치 및 촬상 시스템

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220102411A1 (ko)
EP (1) EP3923331A4 (ko)
JP (1) JP2020126961A (ko)
KR (1) KR20210119999A (ko)
TW (1) TW202040807A (ko)
WO (1) WO2020162196A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWM621242U (zh) * 2021-03-18 2021-12-11 神盾股份有限公司 光感測陣列模組與光收發裝置
JP2023079834A (ja) * 2021-11-29 2023-06-08 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子及び電子機器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017150893A (ja) 2016-02-23 2017-08-31 ソニー株式会社 測距モジュール、測距システム、および、測距モジュールの制御方法

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1187677A (ja) * 1997-09-12 1999-03-30 Nikon Corp 固体撮像素子及び光電変換特性測定方法
JPH1197655A (ja) * 1997-09-18 1999-04-09 Toshiba Corp 固体撮像素子
JP3927696B2 (ja) * 1998-08-05 2007-06-13 キヤノン株式会社 撮像装置
US20090189055A1 (en) * 2008-01-25 2009-07-30 Visera Technologies Company Limited Image sensor and fabrication method thereof
JP5736755B2 (ja) * 2010-12-09 2015-06-17 ソニー株式会社 固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器
JP5710510B2 (ja) * 2012-01-12 2015-04-30 株式会社東芝 固体撮像装置
JP2013207053A (ja) * 2012-03-28 2013-10-07 Sony Corp 固体撮像素子、電子機器
JP2014011304A (ja) * 2012-06-29 2014-01-20 Toshiba Corp 固体撮像装置
US8530266B1 (en) * 2012-07-18 2013-09-10 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor having metal grid with a triangular cross-section
US9355345B2 (en) * 2012-07-23 2016-05-31 Microsoft Technology Licensing, Llc Transparent tags with encoded data
US9478574B2 (en) * 2012-09-19 2016-10-25 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensor pixels with light guides and light shield structures
JP2015186007A (ja) * 2014-03-24 2015-10-22 キヤノン株式会社 撮像装置及び撮像装置の駆動方法
US10192917B2 (en) * 2016-06-30 2019-01-29 Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas Backside illuminated photosensor element with light pipe and light mirror structures
JP6691101B2 (ja) 2017-01-19 2020-04-28 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子
US10469775B2 (en) * 2017-03-31 2019-11-05 Semiconductor Components Industries, Llc High dynamic range storage gate pixel circuitry
JP2018200955A (ja) * 2017-05-26 2018-12-20 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システム、および、移動体
JP2018206837A (ja) * 2017-05-31 2018-12-27 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法、並びに電子機器
WO2018235416A1 (ja) * 2017-06-21 2018-12-27 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 撮像素子及び固体撮像装置
US10269844B2 (en) * 2017-06-27 2019-04-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Structure and formation method of light sensing device
JP6930870B2 (ja) 2017-07-20 2021-09-01 トヨタホーム株式会社 耐火壁構造及び耐火壁構造の施工方法
US20210374378A1 (en) * 2018-10-11 2021-12-02 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Imaging device and authentication device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017150893A (ja) 2016-02-23 2017-08-31 ソニー株式会社 測距モジュール、測距システム、および、測距モジュールの制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020162196A1 (ja) 2020-08-13
JP2020126961A (ja) 2020-08-20
US20220102411A1 (en) 2022-03-31
EP3923331A4 (en) 2022-04-27
TW202040807A (zh) 2020-11-01
EP3923331A1 (en) 2021-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11923385B2 (en) Solid-state imaging device and solid-state imaging apparatus
JPWO2018043654A1 (ja) 固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器
US20240038788A1 (en) Solid-state imaging device
CN111656769B (zh) 固体摄像器件和摄像装置
US20230094219A1 (en) Light receiving element, optical device, and electronic apparatus
JP2022093359A (ja) 測距素子
US11049895B2 (en) Solid-state imaging element, electronic device, and fabrication method
US20220120868A1 (en) Sensor and distance measurement apparatus
US12002825B2 (en) Solid-state imaging device and electronic apparatus with improved sensitivity
WO2020162196A1 (ja) 撮像装置および撮像システム
US20240006443A1 (en) Solid-state imaging device, imaging device, and electronic apparatus
US20220278153A1 (en) Imaging device
US20230387166A1 (en) Imaging device
US20240088191A1 (en) Photoelectric conversion device and electronic apparatus
US20240030252A1 (en) Solid-state imaging device and electronic apparatus
US20230261028A1 (en) Solid-state imaging device and electronic apparatus
US20230117904A1 (en) Sensor package, method of manufacturing the same, and imaging device
CN110998849B (zh) 成像装置、相机模块和电子设备
WO2023234069A1 (ja) 撮像装置および電子機器
US11887950B2 (en) Solid-state imaging device and electronic apparatus
US20220344390A1 (en) Organic cis image sensor
JP2023096630A (ja) 光検出装置および電子機器