(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、可視光の波長領域の第１の光と、可視光以外の波長領域の第２の光とに分けて出射する光学系と、第１の光が入射する第１のセンサと、第２の光が入射する、第１のセンサとは機能が異なる第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、可視光の波長領域の第１の光と、可視光以外の波長領域の第２の光とに分けて出射する光学系と、
前記第１の光が入射する第１のセンサと、
前記第２の光が入射する、前記第１のセンサとは機能が異なる第２のセンサと
を有する光学モジュール。
【請求項２】
前記第１のセンサと前記第２のセンサとは、画素数が異なるセンサである請求項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または２に記載の光学モジュール。
【請求項４】
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１〜３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ＭＯＳ型の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６】
前記第２の光が、赤外線の波長領域の光である請求項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２の光が、紫外線の波長領域の光である請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学モジュール。
【請求項８】
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１〜７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】
撮像用センサにてオートフォーカス（auto focus; AF）を行うことができる。しかし、近年の撮像用センサの高画素化に伴い、ＡＦの高速応答性の悪化が問題となっている。
【０００３】
撮像用センサとは別のセンサを用いて、ＡＦを行うこともできる。ＡＦセンサを撮像用センサと別に設けることで、ＡＦの応答性は向上する。しかし撮像用センサとＡＦセンサとを異なる光学系に含ませて固体撮像装置を構成し、撮像用レンズ以外でＡＦの測距を行おうとすると、光軸の位置が異なり、レンズの特性も異なることになりやすい。このため、ＡＦの精度に問題が生じうる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２４８３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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】
【０００８】
本発明の一観点によれば、入射光を、可視光の波長領域の第１の光と、可視光以外の波長領域の第２の光とに分けて出射する光学系と、前記第１の光が入射する第１のセンサと、前記第２の光が入射する、前記第１のセンサとは機能が異なる第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】
【０００９】
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】
【００１０】
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。
【００１１】
実施例による光学モジュールは、撮像レンズ２１、赤外線（infrared-ray; IR）反射型ダイクロイックフィルタ２２、撮像センサ２３ａ、及びＩＲセンサ２３ｂを含んで構成される。
【００１２】
たとえば被写体からの光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、ＩＲ反射型ダイクロイックフィルタ２２に入射する。ＩＲ反射型ダイクロイックフィルタ２２は、光２０の成分のうち、可視光２０ａを透過し、赤外線２０ｂを反射する。可視光２０ａ及び赤外線２０ｂは、それぞれ撮像センサ（メインセンサ）２３ａ、及び、撮像センサ（メインセンサ）２３ａとは機能の異なるＩＲセンサ（サブセンサ）２３ｂに入射する。撮像センサ（メインセンサ）２３ａとＩＲセンサ（サブセンサ）２３ｂとは、感度をもつ波長の他にも、たとえば画素数や読み出し周波数（読み出し速度）が異なる。
【００１３】
撮像センサ２３ａは、たとえば多画素のＣＣＤ(charge coupled device  電荷結合素子)型カラー固体撮像素子である。ＩＲセンサ２３ｂは、たとえばシリコン（Ｓｉ）に吸収される波長領域の赤外線に感度をもつＣＣＤ型ＡＦセンサである。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。
【００１４】
なお、ＣＣＤ型は画素で発生した電荷をＣＣＤ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。
被写体からの光（光束）２０を２つの光束に分割するが、波長分割であり、全波長領域における分波ではない。可視光は、そのほとんどが撮像センサ２３ａに入射するため、撮像センサ２３ａにおける感度の低下を防止することができる。また、被写体から出射され、撮像レンズ２１を透過した同一光軸の光を分岐して撮像センサ２３ａとＩＲセンサ２３ｂ（ＡＦセンサ）に入射させているため、精度に問題が生じにくく、良好なＡＦ、良好な画像を得ることができる。更に、ＩＲを使用してＡＦを行うので、暗い場所における撮影においても、補助光なしのフォーカシングがより容易となる。
ＩＲセンサ２３ｂは、ＡＦセンサに限らず、たとえばＡＥ(auto exposure)センサでもよい。
分岐した可視光とＩＲ（可視光以外の波長領域の光）とを、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。
図２は、実施例の変形例を示す概略的な断面図である。
【００１５】
実施例においては、ＩＲ反射型ダイクロイックフィルタを用いてＩＲを可視光から分離したが、変形例においては、プリズムとダイクロイックフィルタを組み合わせて用いることで、入射光をＩＲと、複数の波長領域の可視光に分離する。
【００１６】
被写体からの光２０は、撮像レンズ２１で集光され、プリズム３０に入射する。プリズム３０は複数の光出射面を有し、各光出射面には、ＩＲ透過ダイクロイックフィルタ３１、赤色（Ｒ）光透過ダイクロイックフィルタ３２、緑色（Ｇ）光透過ダイクロイックフィルタ３３、及び、青色（Ｂ）光透過ダイクロイックフィルタ３４が配置されている。
【００１７】
プリズム３０に入射した光２０からは、まず、ＩＲ透過ダイクロイックフィルタ３１によって、ＩＲのみが分離される。続いて、反射を繰り返しながら、緑色（Ｇ）光透過ダイクロイックフィルタ３３、赤色（Ｒ）光透過ダイクロイックフィルタ３２、及び、青色（Ｂ）光透過ダイクロイックフィルタ３４によって、それぞれ緑色（Ｇ）光、赤色（Ｒ）光、及び、青色（Ｂ）光が分離される。分離された赤外線、緑色（Ｇ）光、赤色（Ｒ）光、及び、青色（Ｂ）光は、それぞれ、ＡＦ・顔抽出センサ３５、緑色（Ｇ）光用センサ３７、赤色（Ｒ）光用センサ３６、及び、青色（Ｂ）光用センサ３８に入射する。
【００１８】
ＡＦ・顔抽出センサ３５は、遠赤外線の波長領域の光に感度をもつ遠赤外センサである。被写体からの光２０に含まれる波長１０μｍ付近の光を検出すると、３００Ｋ近傍の温度の対象物を検出できるので、人物画像における顔の位置を温度検出により特定し、顔の位置に焦点を合わせるＡＦを行う。顔の抽出を、可視光ではなく遠赤外線の波長領域の光を用いて行うことにより、誤検出率を低下させることができる。
【００１９】
ＡＦ・顔抽出センサ３５としては、波長１０μｍ付近の光に感度をもつＧｅ：Ｇａ、ＩｎＧａＡｓ、マイクロボロメータ等を用いることができる。また、撮像レンズ２１は、波長１０μｍ付近の光を高い透過率で透過するイルトラン（Ｉｒｔｒａｎ）等で形成することができる。
【００２０】
遠赤外センサを用いれば、撮影における人物抽出のみならず、温度検出による追尾撮影等を効果的に行うことができる。
【００２１】
赤、緑、青色光用センサ３６、３７、３８は、それぞれ赤、緑、青色光信号に対応しており、各色の画像を生成する。
【００２２】
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、ＡＦ・顔抽出センサ３５がＭＯＳ型で、他のセンサがＣＣＤ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。
【００２３】
なお、本実施例においては、赤外線（ＩＲ）、緑色（Ｇ）光、赤色（Ｒ）光、青色（Ｂ）光の順（緑度寄与を重視する順序の一例）に分離したが、分離する順序はこれに限定されない。赤外線（ＩＲ）、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光の順（波長の長い順）、赤外線（ＩＲ）、青色（Ｂ）光、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光の順（一般的な光源の可視光量の少ない順）、等、分離の順序が異なってもよい。
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。
【００２４】
図３に示す変形例においては、撮像レンズ２１で集光された、被写体からの光２０が、プリズム３０に入射する。プリズム３０の一出射面には、ＩＲ透過ダイクロイックフィルタ３１が配置されており、光２０に含まれるＩＲはこれを透過して、ＩＲセンサ４１に入射する。光２０の他の成分は反射される。
【００２５】
反射されたＩＲ以外の成分の光は、紫外線(ultraviolet-ray; UV)透過ダイクロイックフィルタ４０に入射する。紫外線の波長領域の光は、これを透過して、ＵＶセンサ４３に入射する。残余の成分は反射される。
【００２６】
残余の成分は、プリズム３０の他の出射面に配置された可視光透過ダイクロイックフィルタ３９に入射する。可視光の波長領域の光は、これを透過し、たとえば撮像センサである可視光センサ４２に入射する。
【００２７】
本変形例においては、可視光以外の波長領域の光として、ＩＲに加え、ＵＶも利用する。このように、利用する可視光以外の波長領域の光はＩＲに限られない。
【００２８】
なお、本変形例においては、赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）、可視光の順に分離したが、分離する順序はこれに限定されず、他にも、紫外線（ＵＶ）、赤外線（ＩＲ）、可視光の順でもよい。紫外線（ＵＶ）はエネルギが強いため、早めに分離することが望ましいであろう。
【００２９】
実施例及び変形例による光学モジュールにおいては、可視光の光ロスを抑制しつつ、可視光以外の波長領域の光を高効率で使用することができる。
【００３０】
ＩＲ、ＵＶ等の可視光以外の波長領域の光に感度をもつセンサを使用することで、撮影における感度低下を防止しつつ、撮影機能以外の機能を実現することができる。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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】
【００４４】
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】
【００４５】
【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】
【００４６】
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  光
２０ａ  可視光
２０ｂ  赤外線
２１  撮像レンズ
２２  ＩＲ反射型ダイクロイックフィルタ
２３ａ  撮像センサ
２３ｂ  ＩＲセンサ
３０  プリズム
３１  ＩＲ透過ダイクロイックフィルタ
３２  赤色（Ｒ）光透過ダイクロイックフィルタ
３３  緑色（Ｇ）光透過ダイクロイックフィルタ
３４  青色（Ｂ）光透過ダイクロイックフィルタ
３５  ＡＦ・顔抽出センサ
３６  赤色（Ｒ）光用センサ
３７  緑色（Ｇ）光用センサ
３８  青色（Ｂ）光用センサ
３９  可視光透過ダイクロイックフィルタ
４０  ＵＶ透過ダイクロイックフィルタ
４１  ＩＲセンサ
４２  可視光センサ
４３  ＵＶ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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