(57)【要約】【課題】  高性能の光学モジュールを提供する。【解決手段】  入射光を、第１の可視光と、第２の可視光とを含む２以上の可視光に分けて出射する光学系と、第１の可視光が入射する第１のセンサと、第２の可視光が入射する、第１のセンサとは画素数が異なる第２のセンサとを有する光学モジュールを提供する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を、第１の可視光と、第２の可視光とを含む２以上の可視光に分けて出射する光学系と、
前記第１の可視光が入射する第１のセンサと、
前記第２の可視光が入射する、前記第１のセンサとは画素数が異なる第２のセンサと
を有する光学モジュール。
【請求項２】
前記第２のセンサの画素数が、前記第１のセンサの画素数の１／２以下である請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項３】
前記第２のセンサの画素数が、前記第１のセンサの画素数の１／４以下である請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項４】
前記第１のセンサと前記第２のセンサとは読み出し周波数が異なるセンサである請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学モジュール。
【請求項５】
前記第１または第２のセンサがＣＣＤ型のセンサである請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学モジュール。
【請求項６】
前記第１または第２のセンサがＭＯＳ型のセンサである請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学モジュール。
【請求項７】
前記第１のセンサが撮像用のセンサであり、前記第２のセンサがＡＥまたはＡＦ用のセンサである請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学モジュール、殊に多板式の光学モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、３板式カメラの構成の一部を示す概略的な断面図である。
【０００３】
白色光１０が、３色分離型のプリズム１５に入射する。白色光１０は、プリズム１５によって、赤色（Ｒ）光１１、緑色（Ｇ）光１２、及び青色（Ｂ）光１３に分解される。分解されたＲＧＢの光はそれぞれ固体撮像素子１１ｒ、１２ｇ、１３ｂに入射する。固体撮像素子１１ｒ、１２ｇ、１３ｂは、それぞれＲＧＢ信号に対応しており、各色の画像を得ることができる。ここで、固体撮像素子１１ｒ、１２ｇ、１３ｂは、機能を同じくする固体撮像素子であり、画素数、読み出し速度等において等価なものが使用される。
【０００４】
ＡＦ機能を搭載した電荷結合素子（charge coupled device; CCD）型の固体撮像装置においては、多画素化に伴って、高い読み出し周波数が必要とされている。しかし読み出し周波数をあげることは難しく、ＡＦに要求される高速フレームデータの取得が困難となっている。（たとえば、特許文献１参照。）
多板式の固体撮像装置においては、同じ解像度の単板式固体撮像装置と比較した場合、間引きもしくは加算により、実効読み出し周波数を落とすことができるが、それにも限界がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２９２３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、高性能の光学モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によれば、入射光を、第１の可視光と、第２の可視光とを含む２以上の可視光に分けて出射する光学系と、前記第１の可視光が入射する第１のセンサと、前記第２の可視光が入射する、前記第１のセンサとは画素数が異なる第２のセンサとを有する光学モジュールが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高性能の光学モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、実施例による光学モジュールの概略的な断面図である。
【００１０】
実施例による光学モジュールは、撮像レンズ２１、プリズム２２、スペーサ２３ａ，２３ｂ、撮像センサ２４ａ、及びＡＦ専用センサ２４ｂを含んで構成される。
【００１１】
たとえば被写体からの光（可視光）２０が、撮像レンズ２１に入射する。光２０は、撮像レンズ２１により集光されて、プリズム２２に入射する。プリズム２２は、光（可視光）２０を光（可視光）２０ａと光（可視光）２０ｂとに分岐して出射する。分岐された光２０ａ及び２０ｂは、それぞれ撮像センサ（メインセンサ）２４ａ及びＡＦ専用センサ（サブセンサ）２４ｂに入射する。光２０ａと光２０ｂの光量比は、その用途に応じて変えることができる。
撮像センサ２４ａとＡＦ専用センサ２４ｂとは、画素数や読み出し周波数（読み出し速度）の異なるセンサであり、異なる機能を有する。撮像センサ２４ａは、直接的に被写体の撮影に用いられ、ＡＦ専用センサ２４ｂは、ＡＦ機能の実現に用いられる。
【００１２】
撮像センサ２４ａは、たとえば多画素のＣＣＤ型カラー固体撮像素子である。ＡＦ専用センサ２４ｂは、たとえば低画素数のＣＣＤ型モノクロ固体撮像素子である。両者ともに、ＣＣＤ型に限らず、ＭＯＳ型やハイブリッドのセンサを用いてもよい。  なお、ＣＣＤ型は画素で発生した電荷をＣＣＤ（電荷結合素子）で転送する。ＭＯＳ型は、画素で発生した電荷をＭＯＳトランジスタで増幅して出力する。
【００１３】
プリズム２２と撮像センサ２４ａとの間、プリズム２２とＡＦ専用センサ２４ｂとの間には、それぞれスペーサ２３ａ，２３ｂが形成されている。スペーサ２３ａ，２３ｂは、それぞれ撮像センサ２４ａ及びＡＦ専用センサ２４ｂを支持するとともに、それらを外的要因から保護する。
【００１４】
また、スペーサ２３ａ，２３ｂは、それぞれプリズム２２から分岐して出射し、撮像センサ２４ａ及びＡＦ専用センサ２４ｂに入射する光２０ａ，２０ｂの光路長の調整にも用いられる。
【００１５】
分岐した可視光を、それぞれ異なる機能を備えるセンサに入射させることで、異なる機能の実現を図ることができる。
【００１６】
また、異なるセンサで作成した画像（異なる解像度や色情報を用いて作成した画像）を、画像処理工程で合成することにより、たとえば物体認識に有効な画像を得ることができる。
【００１７】
実施例においては、撮像センサ２４ａと機能の異なるセンサとして、ＡＦ専用センサ２４ｂを用いたが、たとえばＡＥ(auto exposure)専用センサを用いることもできる。入射光を分岐させて一方を高画素数の撮像センサに、他方を低画素数のＡＦまたはＡＥセンサに入射させることにより、高画素数、高画質の画像データを得るとともに、ＡＦ、ＡＥが超高速、高感度でできるため、シャッタータイムラグを小さくすることが可能である。
【００１８】
なお、ＡＦ専用センサ２４ｂに代えて、ムービー専用センサを用いてもよい。
【００１９】
撮像センサ２４ａと機能の異なるセンサとしては、たとえば高感度低画素数のセンサを好ましく用いることができる。ＡＥ、ＡＦセンサに限らず、たとえば白黒センサを用いて、暗時の輝度情報を正確に拾うようにしてもよい。
【００２０】
また、たとえば１フレーム前の信号との差分データを出力する時間微分センサを用いることもできる。被写体の動きを予測することができるため、この場合も高品質の撮像が可能となる。
【００２１】
ＡＦセンサの画素数は、たとえば撮像センサ２４ａのそれの１／４以下である。
【００２２】
また、ＡＥセンサの画素数は、たとえば撮像センサ２４ａのそれの１／４以下である。
【００２３】
更に、ムービーセンサの画素数は、たとえば撮像センサ２４ａのそれの１／２以下である。
【００２４】
また、白黒センサの画素数は、たとえば撮像センサ２４ａのそれの１／２以下である。
【００２５】
更に、時間微分センサの画素数は、たとえば撮像センサ２４ａのそれの１／２以下である。
【００２６】
図２は、実施例の変形例を示す概略的な断面図である。
【００２７】
実施例においては、プリズムで光を分岐したが、変形例においては、ハーフミラー２５で光２０を分岐する。分岐した光２０ａ，２０ｂは、実施例と同様に、それぞれ撮像センサ（メインセンサ）２４ａ及びＡＦ専用センサ（サブセンサ）２４ｂに入射する。実施例と同様の効果が得られる。
【００２８】
なお、撮像センサに入射する光と、ＡＦセンサに入射する光との光量比が、たとえば９：１となるように、光を分岐させれば、両光が入射するセンサの画素数を同一とした場合であっても、高ダイナミックレンジの光学モジュールを作製することができる。
【００２９】
図３は、実施例の他の変形例を示す概略的な断面図である。
【００３０】
図３に示す変形例においては、プリズム２２で分岐された光は、多画素ＣＣＤセンサ２６、ムービー用高感度カラーセンサ２７、及びＡＥ・ＡＦ用ＣＭＯＳセンサ２８に入射する。
【００３１】
本例に示すように、分岐された光が入射するセンサは２つに限られず、３つ、またはそれより多くてもよい。更に、１つのセンサがＣＣＤ型で、他のセンサがＭＯＳ型というように、構造の異なるセンサを用いることも可能である。
【００３２】
図４（Ａ）〜（Ｄ）を用いて、ＣＣＤ型及びＭＯＳ型カラー固体撮像素子の構成について説明する。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図であり、図４（Ｃ）は、ＭＯＳ型固体撮像素子を説明するための図である。更に、図４（Ｄ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域の一部の概略を示す断面図である。
【００３３】
図４（Ａ）を参照する。ＣＣＤ型固体撮像素子は、たとえば行列状に配置された複数の感光領域６２、複数の垂直ＣＣＤ６４、複数の垂直ＣＣＤ６４に電気的に結合された水平ＣＣＤ６６、及び水平ＣＣＤ６６の端部に設けられ、水平ＣＣＤ６６からの出力信号を増幅するアンプ６７を含んで構成される。なお、受光領域（画素配列領域）６１は感光領域６２及び垂直ＣＣＤ６４を含んで構成される。
【００３４】
感光領域６２は、感光素子、たとえばフォトダイオード及び読み出しゲートを含んで構成される。フォトダイオードは、入射した光量に応じて信号電荷を発生、蓄積する。蓄積された信号電荷は、読み出しゲートから垂直ＣＣＤ６４に読み出され、垂直ＣＣＤ６４内（垂直転送チャネル）を、全体として水平ＣＣＤ６６に向かう方向（垂直方向、列方向）に転送される。垂直ＣＣＤ６４の末端まで転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ６６内（水平転送チャネル）に１行ごとに転送され、水平ＣＣＤ６６内（水平転送チャネル）を、全体として垂直方向と交差する方向、たとえば水平方向（垂直方向と直交する方向、行方向）に転送された後、アンプ６７で電圧信号に変換され、増幅されて外部に取り出される。
【００３５】
なお、感光領域６２の配列は、図４（Ａ）に示したような行方向及び列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列されるテトラゴナル配列の他、行方向及び列方向に１つおきにたとえば１／２ピッチずつ位置をずらして配列されるハニカム配列がある。
【００３６】
図４（Ｂ）は、ハニカム配列されたＣＣＤ型固体撮像素子の概略的な平面図である。ハニカム配列とは、第１の正方行列的に配列された感光領域と、その格子間位置に第２の正方行列的に配列された感光領域とからなる感光領域の配列のことをいう。垂直ＣＣＤ６４（垂直転送チャネル）は感光領域６２の間を蛇行するように形成される。この場合も、信号電荷は垂直転送チャネルを全体として水平ＣＣＤ６６に向かう方向（垂直方向）に転送される。なお、ハニカム配列とはいうが、この構成における感光領域６２は多くの場合、八角形状である。
【００３７】
なお、図４（Ｃ）に、ＭＯＳ型固体撮像素子の受光領域の一部の等価回路を示す。光電変換素子６８で入射光量に応じて生成された信号電荷は、ＭＯＳトランジスタ６９で増幅されて出力される。読み出し後の電荷は、リセットトランジスタ７０を介して排出される。ＭＯＳ型固体撮像素子は、垂直ＣＣＤや水平ＣＣＤを備えず、画素ごとに電荷読み出し回路を有する。
【００３８】
図４（Ｄ）に、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域の一部の概略的な断面を示す。たとえばｎ型のシリコン基板である半導体基板８１に形成されたｐ型のウエル層８２に、ｎ型の不純物添加領域で構成される電荷蓄積領域７１（フォトダイオード）、及びその隣にｐ型の読み出しゲート７２を介して、複数の電荷蓄積領域７１に近接したｎ型領域の垂直転送チャネル７３が形成されている。読み出しゲート７２及び垂直転送チャネル７３上方にはゲート絶縁膜７４を介して、垂直転送電極７５が形成されている。隣り合う電荷蓄積領域７１間にはｐ型のチャネルストップ領域７６が形成されている。
【００３９】
チャネルストップ領域７６は、電荷蓄積領域７１、垂直転送チャネル７３等の電気的な分離を行うための領域である。ゲート絶縁膜７４は、半導体基板８１表面上に、たとえば熱酸化により形成された酸化シリコン膜を含む。垂直転送電極７５は、たとえばポリシリコンで形成される第１層垂直転送電極及び第２層垂直転送電極を含む。これらはアモルファスシリコンで形成することも可能である。垂直転送電極７５は、垂直転送チャネル７３及び読み出しゲート７２のポテンシャルを制御することによって、電荷蓄積領域７１に蓄積された電荷を垂直転送チャネル７３に読み出し、読み出された電荷を垂直転送チャネル７３の列方向に転送する。
【００４０】
垂直転送電極７５上には、たとえばポリシリコンの熱酸化により得られる絶縁性の酸化シリコン膜７７が形成されている。垂直ＣＣＤ６４は、垂直転送チャネル７３、及びその上方のゲート絶縁膜７４、垂直転送電極７５を含んで構成される。なお、水平ＣＣＤ６６も、水平転送チャネル、及びその上方のゲート絶縁膜、水平転送電極を含んで構成される。
【００４１】
垂直転送電極７５上方には、絶縁性の酸化シリコン膜７７を介して、たとえばタングステン（Ｗ）により遮光膜７９が形成されている。遮光膜７９には、電荷蓄積領域７１の上方に開口部７９ａが形成されている。遮光膜７９上には、窒化シリコン膜７８が形成されている。なお、窒化シリコン膜７８は必ずしも必要ではない。
【００４２】
入射光量に応じて電荷蓄積領域７１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート７２から垂直転送チャネル７３に読み出され、垂直転送電極７５へ印加される駆動信号（転送電圧）により、垂直転送チャネル７３内を転送される。遮光膜７９は、上述のように各電荷蓄積領域７１上方に開口部７９ａを有し、受光領域６１に入射する光が電荷蓄積領域７１以外の領域に入射するのを防止する。
【００４３】
遮光膜７９上方には、たとえばＢＰＳＧ(boro-phospho silicateglass)でつくられた平坦化層８３ａが形成され、その平坦な表面上に、たとえば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色のカラーフィルタ層８４が形成される。その上を平坦化するために、更に平坦化層８３ｂが形成される。平坦な表面を有する平坦化層８３ｂ上には、たとえばマイクロレンズ用のフォトレジストパタンを溶融、固化してマイクロレンズ８５が形成される。マイクロレンズ８５は、各電荷蓄積領域７１の上方に、たとえば微小な半球状の凸レンズが配列されたものである。マイクロレンズ８５は入射光を電荷蓄積領域７１に集光する。１つのマイクロレンズ８５で集束される光は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかの色のカラーフィルタ層８４を通して１つの電荷蓄積領域７１（フォトダイオード）に入射する。したがって、複数のフォトダイオードは、それぞれ上方に形成された赤（Ｒ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオード、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオード、青（Ｂ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオードの３種類のフォトダイオードを含む。
【００４４】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
多板式の光学モジュールに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例による光学モジュールの概略的な断面図である。
【図２】実施例の変形例を示す概略的な断面図である。
【図３】実施例の他の変形例を示す概略的な断面図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図であり、（Ｃ）は、ＭＯＳ型固体撮像素子を説明するための図であり、（Ｄ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域の一部の概略を示す断面図である。
【図５】３板式カメラの構成の一部を示す概略的な断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  白色光
１１  赤色光
１２  緑色光
１３  青色光
１１ｒ、１２ｇ、１３ｂ  固体撮像素子
１５  プリズム
２０、２０ａ、２０ｂ  光
２１  撮像レンズ
２２  プリズム
２３ａ，ｂ  スペーサ
２４ａ  撮像センサ
２４ｂ  ＡＦ専用センサ
２５  ハーフミラー
２６  多画素ＣＣＤセンサ
２７  ムービー用高感度カラーセンサ
２８  ＡＥ・ＡＦ用ＣＭＯＳセンサ
６１  受光領域
６２  感光領域
６４  垂直ＣＣＤ
６６  水平ＣＣＤ
６７  アンプ
６８  光電変換素子
６９  ＭＯＳトランジスタ
７０  リセットトランジスタ
７１  電荷蓄積領域
７２  読み出しゲート
７３  垂直転送チャネル
７４  ゲート絶縁膜
７５  垂直転送電極
７６  チャネルストップ領域
７７  シリコン酸化膜
７８  窒化シリコン膜
７９  遮光膜
７９ａ  開口部
８１  半導体基板
８２  ウエル層
８３ａ，ｂ  平坦化層
８４  カラーフィルタ層
８５  マイクロレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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