(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調光成分および背景光成分を含む入射光に応じた第１の電気信号を出力する光電変換部と、
前記第１の電気信号から前記変調光成分に対応する信号を減衰した第２の電気信号を出力するフィルタ部と、
前記第１の電気信号から前記第２の電気信号を減算することにより、前記第１の電気信号から前記背景光成分に対応した信号を低減する信号処理部と、
前記変調光成分に同期した基準信号に対する、前記背景光成分に対応した信号が低減された前記第１の電気信号の位相差を検出するロックイン増幅部と、
を備える光検出装置。
【請求項２】
前記光電変換部は、それぞれが前記第１の電気信号を出力する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子を有し、
前記フィルタ部は、前記第２の光電変換素子から出力された前記第１の電気信号から前記変調光成分に対応する信号を減衰し、
前記信号処理部は、前記第１の光電変換素子から出力された前記第１の電気信号から前記第２の電気信号を減算する請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記第２の光電変換素子が設けられた第１の基板と、
前記第１の基板に積層され、前記信号処理部が設けられた第２の基板とを有し、
前記フィルタ部は、前記第２の光電変換素子に電気的に接続され、前記第１の基板および前記第２の基板の少なくとも一方に形成された容量素子を有する請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記第１の基板は、前記第２の光電変換素子が設けられた受光基板と、前記受光基板に積層された接続基板とを有し、前記容量素子は、前記接続基板を貫通して設けられている請求項３に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子とは、共通の基板に配される請求項２から４のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記第１の光電変換素子が設けられた第１の基板と、前記第１の基板に積層され、前記第２の光電変換素子が設けられた第３の基板と備える請求項２から５のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第２の光電変換素子は、前記第１の基板を通じて前記入射光を受光する請求項６に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記第２の光電変換素子は、前記第１の光電変換素子を通じて前記入射光を受光する請求項６に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記光電変換部において前記入射光を受光する第１の光電変換素子と、前記フィルタ部において前記入射光を受光する第２の光電変換素子とが共通に配された第１の基板と、
前記光電変換部において前記入射光を受光する第１の光電変換素子と、前記フィルタ部において前記入射光を受光する第２の光電変換素子とが共通に配され、前記第１の基板に積層された第２の基板と、
を有する請求項１から８のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記第１の基板の前記第１の光電変換素子に対応する位置に、前記第２の基板の前記第２の光電変換素子が配され、
前記第１の基板の前記第２の光電変換素子に対応する位置に、前記第２の基板の前記第１の光電変換素子が配される請求項９に記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記第１の電気信号および前記第２の電気信号はそれぞれ電流信号であり、
前記信号処理部は、前記第１の電気信号の電流値から前記第２の電気信号の電流値を減算する請求項１から１０のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項１２】
前記信号処理部は、前記光電変換部に電気的に接続された第１のトランジスタと前記フィルタ部に電気的に接続された第２のトランジスタとを有するカレントミラー回路を有する請求項１１に記載の光検出装置。
【請求項１３】
前記フィルタ部は、前記フィルタ部に入射する前記変調光成分を光学的に低減する光学フィルタを含む請求項１から１２のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項１４】
前記光電変換部を、前記フィルタ部を介して前記信号処理部に接続された配線と、前記フィルタ部を介さずに前記信号処理部に接続された配線とのいずれか一方に選択的に接続する切替部を備える請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１５】
変調光成分および背景光成分を含む入射光に応じた第１の電気信号を出力する光電変換部と、
前記入射光のうち前記変調光成分を低減した第２の電気信号を出力するフィルタ部と、
前記第１の電気信号から前記第２の電気信号を減算することにより、前記第１の電気信号から前記背景光成分に対応した成分を低減する信号処理部と、
前記変調光成分に同期した基準信号に対する、前記背景光成分に対応した信号が低減された前記第１の電気信号の位相差を検出するロックイン増幅部と、
を備える光検出装置。
【請求項１６】
前記フィルタ部は、前記入射光から、前記変調光成分に対応した成分を、電気的に低減するフィルタを含む請求項１５に記載の光検出装置。
【請求項１７】
前記フィルタ部は、前記フィルタ部に入射する前記変調光成分を光学的に低減する光学フィルタを含む請求項１５に記載の光検出装置。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか一項に記載された光検出装置と、前記光検出装置に像光を結像させる結像光学系とを備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
受光した光信号に含まれる背景成分を交流接続により除去してロックイン増幅器に入力をする回路がある（例えば、特許文献１参照）。
［特許文献１］  特表２００２−５０２９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
交流接続に用い得る容量素子の容量に対する制限により、増幅器の利得が不十分になる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１態様においては、変調光成分および背景光成分を含む入射光に応じた第１の電気信号を出力する第１の光電変換部と、入射光のうち変調光成分を低減した第２の電気信号を出力する第２の光電変換部と、第１の電気信号から変調光成分第２の電気信号を減算することにより、第１の電気信号から背景光成分に対応した成分を低減する信号処理部とを備える撮像素子が提供される。【０００５】
本発明の第２態様においては、上記撮像素子と、撮像素子に像光を結像させる結像光学系とを備えた撮像装置が提供される。【０００６】
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発明となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】撮像素子１０１の模式的断面図である。
【図２】ＣＭＯＳセンサ部１２９の模式的平面図である。
【図３】変調信号検出部２０１の回路図である。
【図４】背景光検出部２０９の等価回路を示す回路図である。
【図５】撮像装置３００の模式図である。
【図６】変調光検出部２１０の動作を説明する図である。
【図７】ロックイン増幅部２２０の動作を説明する図である。
【図８】ロックイン増幅部２２０の回路例を示す図である。
【図９】ロックイン増幅部２２０の動作を説明する図である。
【図１０】他の変調信号検出部２０２の部分的な模式図である。
【図１１】変調信号検出部２０２の異なる状態を示す模式図である。
【図１２】他の変調信号検出部２０３の部分的な模式図である。
【図１３】変調信号検出部２０４の模式図である。
【図１４】変調信号検出部２０４の他の状態を示す模式図である。
【図１５】変調信号検出部２０５の模式図である。
【図１６】他の撮像素子１０２の模式的断面図である。
【図１７】他の撮像素子１０３の模式的断面図である。
【図１８】他の撮像素子１０４の模式的断面図である。
【図１９】他の撮像素子１０５の模式的断面図である。
【図２０】ＣＭＯＳセンサ部１７９の模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記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。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。
【０００９】
図１は、撮像素子１０１の模式的断面図である。撮像素子１０１は、図中下から順に積層された、支持基板１６０、検出処理基板１５０、検出用受光基板１３０、接続基板１４０、撮像用受光基板１２０、および光学素子層１１０を備える。光学素子層１１０以外の基板は、それぞれフォトリソグラフィにより個別に製造された上で積層して接合されている。
【００１０】
支持基板１６０は、検出処理基板１５０を形成する場合の下地として用いられたものがそのまま残されている。ただし、用途に応じて、研磨等により当初よりも薄化されている場合がある。また、支持基板１６０を貫通するＴＳＶ、支持基板１６０の図中下面に配されたバンプ等が設けられる場合もある。
【００１１】
検出処理基板１５０は、素子層、配線層等を含む検出回路１５１を有する。検出回路１５１は、検出処理基板１５０の面方向に複数配置されている。接続基板１４０は、直下の検出処理基板１５０と直上の検出用受光基板１３０とを機械的に結合すると共に、電気的にも結合する。更に、接続基板１４０には、検出回路１５１に利用される容量素子、抵抗素子等の受動素子が組み込まれる場合がある。
【００１２】
検出用受光基板１３０は、複数の検出用受光素子１３１を有して光電変換部を形成する。検出用受光素子１３１の各々は、光学素子層１１０と撮像用受光基板１２０を透過して入射した入射光を受光して、入射光の強度に応じた電気信号を出力する。検出用受光素子１３１の各々は、接続基板１４０を貫通して形成された配線および素子を通じて検出処理基板１５０の検出回路１５１に接続されている。これにより、検出用受光素子１３１から出力された電気信号は、検出処理基板１５０の検出回路１５１に入力される。
【００１３】
撮像用受光基板１２０は、複数の撮像用受光素子１２１を有する。撮像素子１０１により画像を撮像する場合は、撮像用受光素子１２１が配列された面に、被写体の像が結ばれる。光学素子層１１０は、オンチップカラーフィルタ１１２、オンチップレンズ１１１等を含み、撮像用受光素子１２１に入射する入射光を予め光学的に処理する。光学素子層１１０は、他の基板が積層された後に、光学材料を堆積、加工して形成される。
【００１４】
図２は、撮像用受光素子１２１を含んで撮像用受光基板１２０に形成されたＣＭＯＳセンサ部１２９の模式的平面図である。ＣＭＯＳセンサ部１２９は、センサアレイ１２２、カラム信号処理回路１２３、および水平駆動回路１２４、および垂直駆動回路１２５を有し、外部から供給される制御信号に従って動作する。
【００１５】
センサアレイ１２２は、マトリックス状に配列された複数の撮像用受光素子１２１を含む。撮像用受光素子１２１の各々は、複数のトランジスタと共にイメージセンサにおける単位画素を形成する。
【００１６】
垂直駆動回路１２５は、センサアレイ１２２の配列の一辺に沿って配される。カラム信号処理回路１２３および水平駆動回路１２４は、垂直駆動回路１２５が配された辺と直交する辺に沿って配される。垂直駆動回路１２５は、図中水平に配された複数の駆動線の一端において、撮像用受光素子１２１に行毎に接続される。
【００１７】
垂直駆動回路１２５は、シフトレジスタを含み、接続された複数の駆動線を順次選択して、選択した駆動線に撮像用受光素子１２１を駆動するパルス信号を供給する。これにより、撮像用受光素子１２１は、行単位で順次垂直方向に選択走査される。
【００１８】
カラム信号処理回路１２３は、二重相関サンプリング回路、負荷トランジスタ、列選択トランジスタ等を含み、撮像用受光素子１２１に対して列毎に接続される。水平駆動回路１２４は、例えばシフトレジスタにより形成され、カラム信号処理回路１２３における列選択トランジスタに接続される。水平駆動回路１２４は、カラム信号処理回路１２３の列選択トランジスタを順次駆動することにより、カラム信号処理回路１２３を通じて撮像用受光素子１２１を列毎に順次選択走査する。
【００１９】
垂直駆動回路１２５により選択駆動された行において、水平駆動回路１２４により選択駆動された撮像用受光素子１２１は、浮遊拡散層に蓄積された電荷に応じた電圧信号をカラム信号処理回路１２３に出力する。カラム信号処理回路１２３は、二重相関サンプリングによりパターンノイズの影響を除去した上で、撮像用受光素子１２１への入射光強度に対応した電気信号を出力する。これにより、センサアレイ１２２の受光面に形成された光像を反映した電気信号が生成され、記憶装置、表示装置等の外部の装置に出力される。
【００２０】
図３は、撮像素子１０１における変調信号検出部２０１の構成を示す回路図である。変調信号検出部２０１は、変調光検出部２１０およびロックイン増幅部２２０を備える。
【００２１】
変調光検出部２１０は、検出用受光基板１３０に配されたメインピクセル１３４およびサブピクセル１３２を含む検出用受光素子１３１と、接続基板１４０に配されたフィルタ部１４２と、検出処理基板１５０に配された一対のトランジスタ２１１、２１２とを含み、撮像素子１０１に対する入射光に含まれる変調光成分を検出する。変調光成分は、予め定められた周波数で強度が変動する。サブピクセル１３２およびメインピクセル１３４は、共通の検出用受光基板１３０に配されてもよい。
【００２２】
サブピクセル１３２は、フォトダイオード等の光電変換素子により形成され、受光した入射光の強度に応じた電流を流す。フィルタ部１４２は、例えば、検出用受光基板１３０と検出処理基板１５０とを電気的に接続する目的で積層された接続基板１４０を貫通して形成されたＴＳＶの寄生容量を容量素子として利用して形成され、一端をサブピクセル１３２に接続される。
【００２３】
フィルタ部１４２は、予め設定された帯域成分を遮断または低減させる。フィルタ部１４２は、ポリシリコン等により接続基板１４０に形成した高抵抗または高容量のＴＳＶ、素子を含んでもよい。一方のトランジスタ２１１は、フィルタ部１４２の他端にドレインを接続される。また、トランジスタ２１１は、ドレインとゲートとを短絡されている。
【００２４】
メインピクセル１３４は、フォトダイオード等の光電変換素子により形成され、受光した入射光の強度に応じた電流を流す。他方のトランジスタ２１２のドレインは、メインピクセル１３４の出力と、ロックイン増幅部２２０の入力に接続される。また、トランジスタ２１２のゲートは、一方のトランジスタ２１１のゲートに接続される。なお、一対のトランジスタ２１１、２１２のゲートの間には寄生容量２１３が存在する。
【００２５】
図４は、背景光検出部２０９の等価回路を示す回路図である。背景光検出部２０９は、図３に点線で囲って示すように、変調光検出部２１０の一部をなし、撮像素子１０１に対する入射光に含まれる背景光成分を検出する。ここで、背景光成分は、変調光成分以外の光成分であり、変調光成分の周波数とは異なる周波数で変動する光成分を含む。背景光成分は、太陽、照明器具等を光源とする環境光に由来し、撮像素子１０１に対して、光源から直接に入射するものと、被写体等に反射された後に入射するものとが含まれる。
【００２６】
背景光検出部２０９は、サブピクセル１３２、およびトランジスタ２１１に加えてフィルタ部１４２をなす素子を含んで形成される。背景光検出部２０９において、サブピクセル１３２は電流源として機能し、トランジスタ２１１によりカレントミラー回路が形成される。
【００２７】
再び図３を参照すると、撮像素子１０１の変調信号検出部２０１におけるロックイン増幅部２２０は、検出処理基板１５０に配された演算増幅器２２１、乗算器２２２、および積分器２２３を有する。演算増幅器２２１は、変調光検出部２１０の出力を反転入力に受ける。また、演算増幅器２２１の非反転入力および出力は抵抗素子により結合される。これにより、演算増幅器２２１は電流電圧変換器として動作する。
【００２８】
乗算器２２２は、演算増幅器２２１の出力と参照信号２２４とを乗算するミキサをなす。乗算器２２２に入力される参照信号２２４は、検出対象となる変調された光信号の変調周波数と同じ変調周波数で変調されている。積分器２２３は、例えばローパスフィルタにより形成され、乗算器２２２の出力信号を積分処理する。こうして、変調光検出部２１０が受光した光信号のうち、参照信号２２４の周波数と同じ周波数で変調された変調光成分が変調信号検出部２０１から出力される。これにより、撮像素子１０１が受光した入射光に含まれる変調光成分の、参照信号２２４との位相差または振幅（強度）を反映した信号が得られる。
【００２９】
図５は、撮像素子１０１を備えた撮像装置３００の模式図である。撮像装置３００は、撮像レンズ３１０、カメラボディ３２０、および照射部３３０を備える。
【００３０】
撮像レンズ３１０は、撮像素子１０１を収容したカメラボディ３２０に装着される。撮像レンズ３１０を被写体３９０に対して合焦させた場合、撮像素子１０１の撮像用受光基板１２０におけるＣＭＯＳセンサ部１２９の撮像面に被写体像が形成される。よって、ＣＭＯＳセンサ部１２９が出力する電気信号を記録することにより被写体３９０を撮像できる。なお、撮像とは、被写体３９０の静止画の記録動作および動画の記録動作の少なくとも一方を含む。
【００３１】
照射部３３０は、予め定められた変調周波数で変調された変調光３３１を被写体３９０に向かって照射する。被写体３９０に照射された変調光３３１は、被写体３９０により反射された後、撮像装置３００の撮像素子１０１に反射光として入射する。
【００３２】
撮像装置３００において、撮像素子１０１は、照射部３３０から照射した変調光３３１を受光した場合に、受光した変調光３３１が、照射部３３０から射出されてから変調光検出部２１０に検出されるまでの時間を測定する。これにより、被写体３９０と撮像素子１０１との距離を算出できる。更に、撮像装置３００は、算出された距離に応じて、撮像レンズ３１０を合焦させることができる。
【００３３】
なお、図示の被写体３９０が置かれた環境において、被写体３９０は、部屋の照明器具３８０から照射された照明光３８１により照明されている。また、撮像装置３００による被写体３９０の撮像が昼間である場合は、直接または間接に、太陽光も被写体３９０に照射される。このため、撮像装置３００においては、照射部３３０から照射された変調光３３１の成分とは異なる、照明光３８１、太陽光等の背景光成分も撮像素子１０１に入射する。
【００３４】
ここで、背景光成分に含まれ得る太陽光は、変調光成分の変調周波数よりも長い周期とはいえ、不断に変動する場合もある。また、照明光３８１は、交流電源の周波数に依存して周期的に変動する場合もある。更に、被写体３９０の周囲で動くものがある場合は、それが光源ではないとしても、被写体３９０に照射される光の強さに変動を生じる。このため、変調成分と背景光成分とが共に撮像素子１０１に入射すると、変調光検出部２１０による変調光成分の検出精度に影響を与える場合がある。
【００３５】
図６は、変調光検出部２１０の動作を説明する図である。一対の検出用受光素子１３１には、変調光３３１と照明光３８１等の背景光とを含む入射光が入射する。よって、図中に示すノードＡおよびノードＤには、変調光３３１に対応した変調成分と、照明光３８１に対応する背景光成分との両方の成分に応じて変化する電流信号が流れる。
【００３６】
サブピクセル１３２の出力には、フィルタ部１４２が接続されている。このため、フィルタ部１４２を経たトランジスタ２１１のドレインに接続されたノードＢには、変調成分が除去または低減された波形の電流が流れる。
【００３７】
一対のトランジスタ２１１、２１２はカレントミラー回路を形成しているので、トランジスタ２１２のドレインに接続されたノードＣにも、変調成分が取り除かれた電流が流れる。これにより、メインピクセル１３４とトランジスタ２１２との間から取り出されたノードＥには、背景光成分が低減または取り除かれた波形の電流信号が出力される。
【００３８】
このように、撮像素子１０１の変調光検出部２１０においては、サブピクセル１３２を含む背景光検出部２０９において、入射光に対応する電流信号から変調成分に対応する電流信号を低減した電気信号を出力する。更に、カレントミラー回路により、メインピクセル１３４の出力する電流信号から、背景光検出部２０９の出力する電流信号を減算する。
【００３９】
これにより、変調信号検出部２０１のロックイン増幅部２２０に、入射光に対応し、且つ、背景光に対応した背景光成分を除去または減少させた電流信号を入力できる。なお、このように変調光検出部２１０の作用に鑑みて、サブピクセル１３２およびメインピクセル１３４の受光面積比と、トランジスタ２１１、２１２のサイズ比とを揃えることが好ましい。これにより、変調光検出部２１０の出力から背景光成分を精度よく除去または低減できる。
【００４０】
図７は、ロックイン増幅部２２０の動作を説明する図である。上記の通り、ロックイン増幅部２２０への入力信号からは背景光成分が除去または低減されている。よって、乗算器２２２には、変調光３３１の変調周波数ωｔで変調された変調成分が入力される。
【００４１】
乗算器２２２に入力される参照信号２２４は、変調光３３１と同じ変調周波数ωｔで変調されている。よって、乗算器２２２からは、［ｃｏｓ（β−α）／２−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）／２が出力される。これを積分器２２３で処理することにより、ｃｏｓ（α−β）／２に相当する信号が出力される。
【００４２】
これにより、変調光検出部２１０に入射した変調光３３１と参照信号２２４との位相差に応じて、積分器２２３の出力する直流信号の信号レベルが変化する。よって、信号レベルに対応する位相差に基づいて、照射部３３０から被写体３９０で反射されて撮像素子１０１に到達するまでの変調光３３１の飛行時間を算出できる。
【００４３】
このように、撮像素子１０１の変調信号検出部２０１は、撮像素子１０１と被写体３９０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３００においては、変調信号検出部２０１の出力に基づいて撮像レンズ３１０を合焦させることができる。更に、撮像素子１０１は、撮像用受光基板１２０に配されたＣＭＯＳセンサ部１２９により被写体３９０を撮像できる。
【００４４】
図８は、ロックイン増幅部２２０の回路例を示す図である。図示の回路は、変調光ロックイン増幅部２２０が検出した変調成分をドレインに受ける一対のトランジスタと、各トランジスタのソースに接続された一対の容量素子とを備える。トランジスタは、ゲートに参照信号２２４を受けて、変調成分と参照信号とを乗算する乗算器２２２を形成する。容量素子は、ローパスフィルタとして機能して、乗算器２２２の出力の積分値に比例した電荷を蓄積する積分器２２３を形成する。
【００４５】
ここで、一対の乗算器２２２に入力される参照信号１および参照信号２は、互いに位相が１８０°ずれている。よって、一対の積分器２２３に蓄積された電荷をソースフォロワ等の画素アンプにより読み出して減算することにより、受光した変調成分の参照信号に対する位相ずれを検出できる。これにより、図示のロックイン増幅部２２０は、変調成分に同期した基準信号に対する変調成分の位相差を検出できる。
【００４６】
図９は、上記ロックイン増幅部２２０の動作を説明する図である。図示のロックイン増幅部２２０は、変調成分に対する乗算器２２２および積分器２２３を２系統備える。一対の乗算器２２２においては、互いに直交する参照信号１［ｓｉｎ（ωｔ）］および参照信号２［ｃｏｓ（ωｔ））が、入射光の変調成分に対して乗算される。
【００４７】
一方の乗算器２２２からは、［｛ｃｏｓ（２ωｔ＋α）＋ｃｏｓ（α）｝／２］が、他方の乗算器２２２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、積分器２２３の積分処理により積分処理されるので、ロックイン増幅部２２０の出力からは［ｃｏｓ（α）／２］および［−ｓｉｎ（α）／２］が出力される。これらの値からｔａｎ（α）を算出して、変調信号に対する参照信号の位相差が直接に算出される。
【００４８】
上記のようなロックイン増幅部２２０により、受光した入射光の変調成分と、参照光との位相差を検出して補正し、入射光の変調成分の検出感度を高くすることができる。また、位相差を直接に出力できるので、演算部の負荷を低減して、撮像対象までの距離等を高速に算出できる。尚、ロックイン増幅部２２０は複数の検出用受光素子１３１または複数のメインピクセル１３４のそれぞれに個別に設けてもよく、複数の検出用受光素子１３１または複数のメインピクセル１３４に対して単一のロックイン増幅部２２０を設けてもよい。
【００４９】
図９の例において、参照信号１が入力される乗算器２２２およびこの乗算器２２２に接続された積分器２２３の少なくとも一方を有する検出部と、参照信号２が入力される乗算器２２２およびこの乗算器２２２に接続された積分器２２３の少なくとも一方を有する検出部とを、それぞれ別の基板に設けて互いに積層してもよく、それぞれを同一の基板上に設けてもよい。
【００５０】
また、図９の例において、ロックイン増幅部２２０は、参照信号１の被写体３９０による反射光を検出する上記検出部を含む第１の系統と、参照信号２と異なる変調周波数を有する参照信号２の被写体３９０による反射光を検出する上記検出部を含む第２の系統とを備えてもよい。例えば、参照信号１に対して、参照信号２は低い変調周波数を有する。これにより、反射光の位相のずれにより被写体３９０と撮像素子１０１との距離を算出する場合の周期性が、第１の系統と第２の系統とで異なっているので、第２の系統により検出した長周期の距離を前提として、第１の系統による高精度な距離を算出して、絶対的な距離を算出できる範囲の拡大と、検出距離の精度とを両立させることができる。
【００５１】
二つの検出部を別の基板に設けて積層する場合は、参照信号１が入力される検出部が設けられた基板を、参照信号１の変調周波数よりも変調周波数が低い参照信号２が入力される検出部が設けられた基板よりも撮像用受光基板１２０に近い層に配置される。また、これらの検出部を同一の基板に設けてもよい。
【００５２】
更に、参照信号１の変調成分の波長をλ１、参照信号１による第１の変調成分の測距精度をδ２、参照信号２による第２の変調成分の測距値をΔ２とし、任意の自然数をｎとした場合に、第１の変調周波数および第２の変調周波数として、式［Δ２−δ２＜ｎ・λ１＜Δ２＋δ２］となるｎが一意に決まる組み合わせを選択してもよい。これにより、１回の測距動作により、撮像素子１０１から被写体３９０までの距離が決まるので、短時間で測距動作を完了できる。
【００５３】
また、上記した例において、参照信号１と参照信号２とをそれぞれ距離検出のために用いた例を示したが、これに代えて、参照信号１および参照信号２の一方を距離検出用に用いて、他方を画像形成用に用いてもよく、二つの参照信号をそれぞれ画像形成用に用いてもよい。
【００５４】
図１０は、他の変調信号検出部２０２の部分的な模式図である。変調信号検出部２０２は、次に説明する部分を除くと、図３に示した変調信号検出部２０１と同じ構造を有する。また、変調信号検出部２０２は、撮像素子１０１において変調信号検出部２０１を代替できる。よって、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。
【００５５】
変調信号検出部２０２は、複数の開閉器２３１、２３２、２３３を有する点において変調信号検出部２０１と異なる。第１の開閉器２３１は、サブピクセル１３２の出力と、メインピクセル１３４の出力との間に配され、両者を結合または切断する。図示の状態では、開閉器２３１は切断されている。
【００５６】
第２の開閉器２３２は、サブピクセル１３２の出力とフィルタ部１４２の入力端との間に配され、両者を結合または切断する。図示の状態では、開閉器２３２は結合されている。なお、第１の開閉器２３１の一端は、第２の開閉器２３２との間に接続されている。よって、第２の開閉器２３２の開閉状態にかかわらず、第１の開閉器２３１の一端は、サブピクセル１３２の出力に接続される。
【００５７】
第３の開閉器２３３は、トランジスタ２１１のドレインおよびゲートの間に配され、両者を結合または切断する。図示の状態では、開閉器２３２は結合されている。開閉器２３１、２３２、２３３は、制御信号により個別に開閉できる。
【００５８】
開閉器２３１、２３２、２３３が図示の状態にある場合、変調信号検出部２０２の各要素は、図３に示した変調信号検出部２０１と同じように接続されている。よって、変調信号検出部２０２は、変調信号検出部２０１と全く同じように動作する。
【００５９】
なお、撮像素子１０１において、検出用受光基板１３０は、撮像用受光基板１２０を通じて入射した入射光を電気信号に変換する。よって、撮像装置３００において照射部３３０が照射する変調光３３１は、撮像用受光基板１２０を透過しやすい帯域であることが好ましい。このような観点から、照射部３３０が被写体３９０に照射する変調光３３１は、赤外帯域であってもよい。
【００６０】
また、変調光３３１として赤外線を用いた場合、メインピクセル１３４およびサブピクセル１３２を、ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体により形成した受光素子を用いて感度を向上させることができる。既に説明したように、撮像素子１０１は、個別に作製された支持基板１６０、検出処理基板１５０、検出用受光基板１３０、接続基板１４０、撮像用受光基板１２０、および光学素子層１１０を積層して形成されるので、検出用受光基板１３０の基板材料が、他の基板と異なっていても差し支えない。
【００６１】
図１１は、図１０に示した変調信号検出部２０２の異なる状態を示す模式図である。図示の状態において、第１の開閉器２３１は結合されている。また、第２の開閉器２３２および第３の開閉器２３３は、いずれも切断されている。
【００６２】
これにより、図示の変調信号検出部２０２においては、サブピクセル１３２およびメインピクセル１３４の両方が一方のトランジスタ２１２のドレインに接続され、他方のトランジスタ２１１は、サブピクセル１３２およびメインピクセル１３４のいずれからも切断された状態になる。
【００６３】
上記のような変調信号検出部２０２は、次のように動作する。まず、開閉器２３１、２３２、２３３を図１０に示した状態にして、変調成分および背景光成分を含む入射光を受光する。これにより、既に変調信号検出部２０１について説明した通り、ロックイン増幅部２２０に、背景光成分を除去または低減した電気信号が入力される状態になる。
【００６４】
次に、制御信号により、開閉器２３１、２３２、２３３を図１１に示した状態にする。このとき、トランジスタ２１１、２１２の間に存在する寄生容量２１３が背景光検出部２０９により充電されているので、トランジスタ２１１が切り離されても、トランジスタ２１２のゲート電圧はクランプされ、ロックイン増幅部２２０に入力される電気信号から背景光成分が除去または低減される状態が維持される。一方、変調信号検出部２０２全体としては、サブピクセル１３２およびメインピクセル１３４の両方により入射光を受光するので、受光面積が拡がり、感度が向上する。
【００６５】
なお、開閉器２３１、２３２、２３３の接続を、予め定められた周期で図１０に示した状態にすることにより、トランジスタ２１２のゲート電圧を更新して、背景光成分の除去を実態に則したものとすることができる。背景光成分の変動周期は長いので、このように間欠的な更新でも、背景光成分を有効に除去できる。
【００６６】
図１２は、他の変調信号検出部２０３の部分的な模式図である。変調信号検出部２０３は、次に説明する部分を除くと、図３に示した変調信号検出部２０１と同じ構造を有する。また、変調信号検出部２０３は、撮像素子１０１において変調信号検出部２０１を代替できる。よって、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。
【００６７】
変調信号検出部２０３は、サブピクセル１３２を含む単一の背景光検出部２０９に対して複数のメインピクセル１３４が接続されている点で変調信号検出部２０１と異なる。複数のメインピクセル１３４の各々には、トランジスタ２１２とロックイン増幅部２２０とが接続される。背景光検出部２０９のトランジスタ２１１のゲートは、複数のトランジスタ２１２のゲートに接続される。これにより、撮像素子１０１全体としては、背景光検出部２０９の数を減じて、検出処理基板１５０の回路規模を削減できる。
【００６８】
図３から図１１に示す例では、メインピクセル１３４およびサブピクセル１３２の二つのピクセルを用いた例を示したが、サブピクセル１３２を用いなくてもよい。この場合、メインピクセル１３４から出力された電流を示す電気信号をオペアンプおよび抵抗を有する電流電圧変換回路により電圧に変換した後、電圧を示す電気信号を分岐する。分岐した一方は、ローパスフィルタのようなフィルタ部を介して背景光成分に対応する電圧値を抽出する。分岐した他方は、フィルタ部を介さない信号の電圧値すなわち変調光成分および背景光成分の両方を含む電圧値とし、この電圧値から背景光成分に対応する電圧値をオペアンプを用いて差し引くことにより、変調光成分に対応する電圧値を示す電気信号を抽出する。
【００６９】
図１３は、変調信号検出部２０４の模式図である。変調信号検出部２０４は、次に説明する部分を除くと、図３に示した変調信号検出部２０１と同じ構造を有する。また、変調信号検出部２０４は、撮像素子１０１において変調信号検出部２０１を代替できる。よって、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。
【００７０】
変調信号検出部２０４は、サブピクセル１３２およびメインピクセル１３４に換えて、単一の検出用受光素子１３１と、切り替え部１３６および開閉器２３４とを有する。切り替え部１３６は、検出用受光素子１３１の出力を、トランジスタ２１１、２１２のいずれかのドレインに選択的に接続する。開閉器２３４は、背景光検出部２０９側に配されたトランジスタ２１１のドレインおよびゲートの間を結合または切断する。
【００７１】
図示の状態において、切り替え部１３６は、検出用受光素子１３１の出力をトランジスタ２１１に接続している。また、開閉器２３４は、トランジスタ２１１のドレインおよびゲートを短絡させている。よって、トランジスタ２１１には、フィルタ部１４２により変調成分が除去または低減された電流が流れる。これにより、トランジスタ２１１とカレントミラー回路を形成するトランジスタ２１２にも、変調成分が低減された電流が流れる。また、トランジスタ２１１、２１２の間の寄生容量２１３が充電される。
【００７２】
図１４は、変調信号検出部２０４の他の状態を示す模式図である。図示の状態は、図１３に示した状態に続いて、制御信号により切り替え部１３６および開閉器２３４を切り替えている。これにより、検出用受光素子１３１の出力は、ロックイン増幅部２２０の入力とトランジスタ２１２のドレインとに接続される。また、トランジスタ２１１のドレインおよびゲートの間は切断される。よって、フィルタ部１４２およびトランジスタ２１１は、検出用受光素子１３１から切り離される。しかしながら、寄生容量２１３が既に充電されているので、トランジスタ２１１が切り離されても、トランジスタ２１２のゲート電圧はクランプされ、ロックイン増幅部２２０に入力される電気信号から背景光成分が除去または低減される状態が維持される。
【００７３】
図１５は、また他の変調信号検出部２０５の模式図である。変調信号検出部２０５は、次に説明する部分を除くと、図３に示した変調信号検出部２０１と同じ構造を有する。また、変調信号検出部２０５は、撮像素子１０１において変調信号検出部２０１を代替できる。よって、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。
【００７４】
変調信号検出部２０５は、サブピクセル１３２が光学フィルタ１３８を有する点において、変調信号検出部２０１と異なる。光学フィルタ１３８は、サブピクセル１３２への入射光のうちの変調光成分の波長の光を遮断または低減する特性を有する。よって、入射光を受光したサブピクセル１３２から出力される電流信号は、変調光成分が既に低減されている。
【００７５】
これにより、フィルタ部１４２を省略することができる。ただし、光学フィルタ１３８と、電気的なフィルタであるフィルタ部１４２とを併用してもよいことはもちろんである。これにより、光学フィルタ１３８または電気的なフィルタ部１４２単独では得られない急峻な遮断特性で、変調光成分を低減させることができる。
【００７６】
光学フィルタ１３８は、例えば、撮像素子１０１におけるオンチップカラーフィルタ１１２に組み込んでもよい。また、変調光３３１として、オンチップカラーフィルタ１１２に除去される帯域の変調光３３１を用いてもよい。
【００７７】
また、光学フィルタとして、入射する変調光３３１を透過する部材に塗布した蓄光塗料を用いてもよい。蓄光塗料は、特定帯域の入射光を蓄積することにより、実質的にローパスフィルタとして作用する。
【００７８】
図１６は、他の撮像素子１０２の模式的断面図である。撮像素子１０２は、次に説明する部分を除くと、図１に示した撮像素子１０１と同じ構造を有する。よって、共通する要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００７９】
撮像素子１０２は、検出用受光基板１３０を２枚の備える点で、撮像素子１０１と異なる。２枚の検出用受光基板１３０は、互いに積層され、撮像用受光基板１２０および接続基板１４０の間に配される。
【００８０】
２枚の検出用受光基板１３０の各々は、間隔をおいて配置された複数の検出用受光素子１３１を有する。検出用受光基板１３０の各々における検出用受光素子１３１の配置間隔は互いに等しいが、検出用受光素子１３１の位置は、一方の検出用受光基板１３０と他方の検出用受光基板１３０との間でずれている。よって、２枚の検出用受光基板１３０が積層された場合、検出用受光素子１３１の各々が、他の検出用受光素子１３１に対して入射光を遮ることがなく、図中下側の検出用受光基板１３０の検出用受光素子１３１は、図中上側の検出用受光基板１３０を通じて入射光を受光する。
【００８１】
撮像素子１０２において、図中上側に配された一方の検出用受光基板１３０に配された検出用受光素子１３１は、検出処理基板１５０の検出回路１５１に対して、メインピクセル１３４として接続される。また、図中下側に配された他方の検出用受光基板１３０に配された検出用受光素子１３１は、検出処理基板１５０の検出回路１５１に対して、サブピクセル１３２として接続される。これにより、変調光３３１の検出に寄与するメインピクセル１３４に対する入射効率を向上させることができる。
【００８２】
このように、撮像素子１０２においては、第１の光電変換部としてのメインピクセル１３４と、第２の変換部としてのサブピクセル１３２とを、それぞれ別の基板に設けた上で積層して、それぞれが入射光を受光してもよい。
【００８３】
図１７は、また他の撮像素子１０３の模式的断面図である。撮像素子１０３は、次に説明する部分を除くと、図１に示した撮像素子１０１と同じ構造を有する。よって、共通する要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００８４】
撮像素子１０３は、検出用受光基板１３０を２枚の備える点で、図１６に示した撮像素子１０２と同じ構造を有する。また、図中上側の検出用受光基板１３０にメインピクセル１３４が配され、図中下側の検出用受光基板１３０にサブピクセル１３２が形成されている点でも、図１６に示した撮像素子１０２と同じ構造を有する。
【００８５】
一方、撮像素子１０３は、２枚の検出用受光基板１３０の各々において、メインピクセル１３４およびサブピクセル１３２が略隣接して配されている点で、撮像素子１０２と異なっている。これにより、撮像素子１０３においては、メインピクセル１３４およびサブピクセル１３２が、受光する入射光の入射方向について重なって配置される。よって、メインピクセル１３４およびサブピクセル１３２は、互いに同じ位置で入射光を受光する。
【００８６】
このように、撮像素子１０３においては、サブピクセル１３２が、メインピクセル１３４を透過した入射光を受光してもよい。これにより、メインピクセル１３４およびサブピクセル１３２は、撮像用受光素子１２１と同じ密度で配される。よって、撮像素子１０３においては、画素枚に距離情報を有する画像を撮像できる。
【００８７】
図１８は、他の撮像素子１０４の模式的断面図である。撮像素子１０４は、次に説明する部分を除くと、図１７に示した撮像素子１０３と同じ構造を有する。よって、共通する要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００８８】
撮像素子１０４においては、２枚の検出用受光基板１３０の各々が、交互に配されたサブピクセル１３２とメインピクセル１３４を有する。また、上側の検出用受光基板１３０と下側の検出用受光基板１３０では、サブピクセル１３２およびメインピクセル１３４の配置が１ピクセル分ずれている。これにより、撮像素子１０４においては、メインピクセル１３４とサブピクセル１３２との積層の上下関係が交互に入れ替わる。
【００８９】
このように、撮像素子１０４においては、メインピクセル１３４とサブピクセル１３２とが、２枚の検出用受光基板１３０のそれぞれに混在する。また、撮像素子１０４においては、メインピクセル１３４およびサブピクセル１３２が、互いに対応する同じ位置において入射光を受光する。これにより、サブピクセル１３２がメインピクセル１３４を通じて受光することにより生じる、サブピクセルとメインピクセル１３４との受光効率の不平衡を解消できる。
【００９０】
図１９は、他の撮像素子１０５の模式的断面図である。撮像素子１０５は、次に説明する部分を除くと、図１に示した撮像素子１０１と同じ構造を有する。よって、共通する要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００９１】
撮像素子１０５は、撮像用受光基板１２０と検出用受光基板１３０とが統合された統合受光基板１７０を備える点において撮像素子１０５と異なる。これにより、撮像素子１０５を形成する基板の層数が削減され、製造コストも低減される。
【００９２】
図２０は、統合受光基板１７０に形成されたＣＭＯＳセンサ部１７９における受光素子の配置を示す模式的平面図である。なお、統合受光基板１７０のＣＭＯＳセンサ部１７９は、次に説明する部分を除くと図２に示したＣＭＯＳセンサ部１２９と同じ構造を有する。よって、共通する要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００９３】
統合受光基板１７０のＣＭＯＳセンサ部１７９においては、撮像用受光素子１２１と、サブピクセル１３２およびメインピクセル１３４を含む検出用受光素子１３１とが１枚の基板に繰り返し配列されてセンサアレイ１２２を形成する。ここで、撮像用受光素子１２１は、カラム信号処理回路１２３、水平駆動回路１２４、および垂直駆動回路１２５に接続されて、撮像用のＣＭＯＳセンサを形成する。
【００９４】
一方、検出用受光素子１３１は、受光素子の出力を直接に検出処理基板１５０の検出回路１５１に出力する。このため、検出用受光素子１３１は、統合受光基板１７０上のカラム信号処理回路１２３、水平駆動回路１２４、および垂直駆動回路１２５には接続されない。
【００９５】
なお、上記の例では、サブピクセル１３２およびメインピクセル１３４を専ら変調光検出用に用いている。しかしながら、変調光検出部２１０においてメインピクセル１３４に接続されたゲートの接続をＧＮＤ電圧に切り替え、ロックイン増幅部２２０の参照信号２２４を直流電圧に切り替えることにより、メインピクセル１３４を撮像用受光素子１２１の一部として使用することもできる。
【００９６】
この場合、メインピクセル１３４である撮像用受光素子１２１からの信号を、画像形成のための処理回路を有する画像生成部と検出回路１５１を有する検出部との両方に出力してもよく、画像生成部と検出部とに選択的に出力してもよい。メインピクセル１３４からの出力先を切り替えるために切替部を設けてもよい。また、上記画像生成部と上記検出部とを互いに異なる基板に設け、それらを積層してもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
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、前の処理による出力を後の処理で用いない限り、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。
【符号の説明】
【００９９】
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  撮像素子、１１０  光学素子層、１１１  オンチップレンズ、１１２  オンチップカラーフィルタ、１２０  撮像用受光基板、１２１  撮像用受光素子、１２２  センサアレイ、１２３  カラム信号処理回路、１２４  水平駆動回路、１２５  垂直駆動回路、１２９、１７９  ＣＭＯＳセンサ部、１３０  検出用受光基板、１３１  検出用受光素子、１３２  サブピクセル、１３４  メインピクセル、１３６  切り替え部、１３８  光学フィルタ、１４０  接続基板、１４２  フィルタ部、１５０  検出処理基板、１５１  検出回路、１６０  支持基板、１７０  統合受光基板、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５  変調信号検出部、２０９  背景光検出部、２１０  変調光検出部、２１１、２１２  トランジスタ、２１３  寄生容量、２２０  ロックイン増幅部、２２１  演算増幅器、２２２  乗算器、２２３  積分器、２２４  参照信号、２３１、２３２、２３３、２３４  開閉器、３００  撮像装置、３１０  撮像レンズ、３２０  カメラボディ、３３０  照射部、３３１  変調光、３８１  照明光、３８０  照明器具、３９０  被写体
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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