(57)【要約】【課題】容易に高解像度化を図ることができるイメージセンサを提供する。【解決手段】基板１０において第１のイメージャ１１と第２のイメージャ１２が同一面に形成され、第１のイメージャ１１に主光学系（２０）を通して被写体像が結像し、第１のイメージャ１１にはこの像を光電変換するための複数の画素が配列されている。第２のイメージャ１２には分割光学系（３０，４０）を通して被写体像が分割して結像し、第２のイメージャ１２には像を光電変換するための複数の画素が配列され、かつ、画素群と被写体像との相対位置関係が第１のイメージャ１１における画素群と被写体像との相対位置関係に比べてずれている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像（１００）を結像させるための主光学系（２０）と、
基板（１０）に形成され、前記主光学系（２０）を通して被写体像（１００）が結像し、この像を光電変換するための複数の画素（１１ａ）が配列された第１のイメージャ（１１）と、
前記主光学系（２０）から分岐しており、前記被写体像（１００）を分割して結像させるための分割光学系（３０，４０）と、
前記基板（１０）において前記第１のイメージャ（１１）の形成面と同一面に形成され、前記分割光学系（３０，４０）を通して前記被写体像（１００）が結像し、この像を光電変換するための複数の画素（１２ａ）が配列され、かつ、画素群と被写体像との相対位置関係が前記第１のイメージャ（１１）における画素群と被写体像との相対位置関係に比べてずれている第２のイメージャ（１２）と、
を備えたことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記主光学系（２０）から分岐する前記分割光学系（３０，４０）を複数設けるとともに、当該複数の分割光学系（３０，４０）毎の前記第２のイメージャ（１２）を同一の基板に設けてなる請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
車両（１）の車室内に設置され、自車の前方の車両を検出するためのものである請求項１または２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記自車の前方の車両とは、対向車であることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記自車の前方の車両とは、先行車であることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサの高解像度化を行おうとした場合、（ｉ）複数の画素を配列したイメージャにおける画素数自体を多くする方法と、（ｉｉ）画素ずらし等を用いる方法がある。
上記（ｉ）のイメージャの画素数を多くする方法においては、イメージャのチップサイズの大型化という問題点があり、大型化することによりコストアップを招く。また、画素サイズが小さくなることによりＳ／Ｎが悪くなってしまうとともに、低照度時における出力データがノイズに埋もれてしまい、低照度側の感度が悪化し、ダイナミックレンジが減少してしまうという問題点を有する。
【０００３】
一方、上記（ｉｉ）の画素ずらしを用いた方法（特許文献１等）では、光学系を通過してイメージャに到達する被写体像に対して、イメージャ自体を画素サイズの１／２だけ縦横方向に動かし、移動前と移動後の出力を処理することにより実際の画素数の４倍の解像度を作り出すことが可能となる。
【０００４】
この場合においては、画素サイズの１／２に相当する数μｍ程度でイメージャを動かす必要があり、その精度が高いことからコストアップを招いている。また、移動前の画像と移動後の画像とを足し合わせ、１枚の画像を構成するため、移動前、移動後のデータを保存するメモリが必要となる。さらに、移動前、移動後の画像は、同時間に撮影されたデータでないため画像とした際に違和感を生じる場合もある。また、１枚の画像を構成するにあたっての露光時間が短くなる。例えば、画素ずらしを行わない場合、３０ｆｐｓ、シャッターオープン状態で画像撮影を行った場合、１フレームあたりの露光時間は約３３ｍｓとなるが、画素ずらしを行う場合、１フレームが２枚の画像から構成されるため、３３ｍｓ中に２枚の画像を撮影する必要があり、１枚あたり１６．５ｍｓ以下の露光時間となってしまうという問題点もある。さらに、露光時間不足により、暗い被写体を撮影できなくなる可能性がある。
【０００５】
また、被写体像を分割し、その分割された像を、お互いに縦横１／２画素サイズずれて配置されたイメージャ上に入射させることにより画素ずらしを実現する方法もある（特許文献２等）。この場合、イメージャの実装精度を画素サイズに対応した数μｍ程度で行う必要があり、コストアップの要因となる。
【特許文献１】特開２００６−１２８７８０号公報
【特許文献２】特開２００５−３３３３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、容易に高解像度化を図ることができるイメージセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、被写体像を結像させるための主光学系と、基板に形成され、前記主光学系を通して被写体像が結像し、この像を光電変換するための複数の画素が配列された第１のイメージャと、前記主光学系から分岐しており、前記被写体像を分割して結像させるための分割光学系と、前記基板において前記第１のイメージャの形成面と同一面に形成され、前記分割光学系を通して前記被写体像が結像し、この像を光電変換するための複数の画素が配列され、かつ、画素群と被写体像との相対位置関係が前記第１のイメージャにおける画素群と被写体像との相対位置関係に比べてずれている第２のイメージャと、を備えたことを要旨とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、複数の画素が配列された第１のイメージャと、複数の画素が配列された第２のイメージャとを、同一の基板の同一面内に形成することにより、容易に高解像度化を図ることができる。
【０００９】
請求項２に記載のように、請求項１に記載のイメージセンサにおいて、前記主光学系から分岐する前記分割光学系を複数設けるとともに、当該複数の分割光学系毎の前記第２のイメージャを同一の基板に設けてなる構成とすると、高解像度化を図ることができる。
【００１０】
請求項３に記載のように、請求項１または２に記載のイメージセンサにおいて、車両の車室内に設置され、自車の前方の車両を検出する場合に適用すると、車両の追跡性に優れたものとなる。
【００１１】
請求項４に記載のように、請求項３に記載のイメージセンサにおいて、前記自車の前方の車両とは、対向車であると、対向車の追跡性に優れたものとなる。
請求項５に記載のように、請求項３に記載のイメージセンサにおいて、前記自車の前方の車両とは、先行車であると、先行車の追跡性に優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態においては車両用ライト制御装置に適用しており、図１（ａ）には全体の概略構成を示す。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、車両１の車室内において、ルームミラー２の裏面には車載用イメージセンサ（撮像装置）３が設置されている。この車載用イメージセンサ３により、夜間の運転中に車両１の進行方向における前方を撮像することができるようになっている。図１（ｂ）に示すように、車載用イメージセンサ３にはマイクロプロセッサ４が接続されている。マイクロプロセッサ４には図１（ａ）に示すようにライト制御用の電子制御装置（ＥＣＵ）５が接続され、電子制御装置５にてヘッドランプ６を制御することができるようになっている。
【００１４】
車載用イメージセンサ３により図２に示すように車両前方の進行方向が撮像され、その撮像データからマイクロプロセッサ４において画像処理が行われる。そして、図３に示すように先行車のテールランプ６６や対向車のヘッドランプ６８を検出する。つまり、車両前方に存在する車両（先行車６５、対向車６７）における光源、即ち、先行車のテールランプ６６や対向車のヘッドランプ６８を検出する。さらに、マイクロプロセッサ４は、前方の車両（先行車や対向車）の認識結果に基づいて電子制御装置５を介してヘッドランプ６をハイビーム／ロービームに制御するようになっている。即ち、先行車や対向車を検出するとヘッドランプ６をロービームし、また、先行車や対向車がいなくなるとヘッドランプ６をハイビームにする。
【００１５】
図４には、車載用イメージセンサ３の光学系の構成を示す。図５には車載用イメージセンサ３の電気的構成を示す。
図４において、車載用イメージセンサ３は、シリコン基板（チップ）１０と集光レンズ２０とハーフミラー３０とミラー４０を備えている。シリコン基板１０において、その一方の面に第１のイメージャ１１と第２のイメージャ１２が隣接して形成されている。第１のイメージャ１１において、図６に示すごとく、複数の画素（受光素子）１１ａが縦横に配列されている。また、第２のイメージャ１２についても、図６に示すごとく、複数の画素（受光素子）１２ａが縦横に配列されている。
【００１６】
図４において、集光レンズ２０により主光学系が構成され、この集光レンズ２０の光軸上には第１のイメージャ１１が配置され、車両前方の被写体（車両前方からの光）がレンズ２０を通してシリコン基板１０に形成した第１のイメージャ１１に結像することになる。
【００１７】
このようにして、主光学系（２０）により被写体像を結像させることができ、第１のイメージャ１１において主光学系（２０）を通して図６に示すように被写体像１００が結像し、この像が複数の画素（受光素子）１１ａにて光電変換される。
【００１８】
一方、図４において、集光レンズ２０の光軸上において、集光レンズ２０と第１のイメージャ１１との間にはハーフミラー３０が配置され、このハーフミラー３０と離間してミラー４０が配置されている。このハーフミラー３０とミラー４０により、主光学系（２０）での被写体像１００を光学的に分割して結像させる分割光学系が構成されている。即ち、分割光学系は主光学系（２０）から分岐しており、被写体像１００を分割して結像させることができるようになっている。ミラー４０の光軸上には第２のイメージャ１２が配置されている。そして、車両前方の被写体（車両前方からの光）がレンズ２０を通してハーフミラー３０で分岐しミラー４０を通してシリコン基板１０に形成した第２のイメージャ１２に結像する。
【００１９】
このようにして、第２のイメージャ１２において分割光学系（３０，４０）を通して図６に示すように被写体像１００が結像し、この像が複数の画素（受光素子）１２ａにて光電変換される。
【００２０】
ここで、画素群と被写体像との相対関係として、第２のイメージャ１２においては、第１のイメージャ１１における画素群と被写体像との相対位置関係に比べてずれている。具体的には、被写体像１００は図６において左右に離間して結像し、この像に対し、第２のイメージャ１２の画素群は第１のイメージャ１１の画素群に比べ画素サイズｔの半分（ｔ／２）だけ縦横にずれている。つまり、イメージャ１１，１２において画素を構成する受光素子の縦横の寸法をｔとしたときに、イメージャ１１とイメージャ１２とは、互いに縦横にｔ／２だけ縦横にずれている（１／２ピクセルずれて配置されている）。
【００２１】
図７には、１／２ピクセルずれたイメージャ１１，１２に被写体像１００が結像する状況を示す。図７では対向車を撮像している。
なお、図４における分割光学系を構成するための光学機器としてハーフミラー３０とミラー４０を用いたが、一般的なカメラに用いられているプリズム、ビームスプリッター等といったものを用いてもよいが、樹脂製品に反射膜等を蒸着、もしくは塗布したものを用いてもよい。
【００２２】
図５において、イメージャ１１，１２、および、イメージャを駆動させるための縦シフトレジスタ５０，５１、横シフトレジスタ５２、タイミングジェネレータ５３、ＣＤＳ回路（相関二重サンプリング回路）５４，５５を有している。
【００２３】
図５の縦シフトレジスタ５０，５１について、タイミングジェネレータ５３によりシフトレジスタ５０，５１の各パラレル出力がイメージャ１１，１２に入力され、かつ、イメージャ１１，１２を同時に駆動できる構造となっている。図５の横シフトレジスタ５２もイメージャ１１，１２が同時のタイミングで撮像できるようになっている。
【００２４】
このようにして、２つのイメージャ１１，１２は、図５のシフトレジスタ５０，５１，５２によって同期して動作し、同じタイミングで画素信号を出力する。画素信号は、ＡＤ変換された後、メモリに格納されることが望ましい。もしくは、直接画像処理を行うＣＰＵ、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等に入力させてもよい。また、画素信号データをメモリに格納しておき、そのメモリ内のデータをＡＬＵ等の演算器により画素ごとの平均化、２値化といった画像処理を行った後に、ＣＰＵに入力させるようにすると、ＣＰＵの負荷軽減を図ることが可能となる。
【００２５】
このように、イメージャ１１，１２が同時のタイミングで撮像し、かつ各イメージャにおける画素群と被写体像との相対関係として画素サイズの半分だけずらしていることにより、イメージャ単体の画素数に対して４倍の画素数に相当する画像を得ることが可能となる。詳しくは、図８のような撮像対象に対し、イメージャ１１では図９のように結像されて電気信号に変換される。そして、イメージャ１１からの信号とイメージャ１２からの信号により、図１０に示す光電変換後の画像が得られる。
【００２６】
また、２つのイメージャにおける画素群と被写体像との相対関係として画素サイズの半分だけずらし、一方のイメージャに対し他方のイメージャで補間するため、単体のイメージャの場合に被写体像が画素間ピッチ位置にきた場合に発生する画像の消失（画素またぎ）の発生する頻度が減少する利点もある。詳しくは、被写体像が画素間ピッチに存在する場合、画像として消失してしまう（画素またぎ）ことがあるが、本実施形態の画素ずらしを採用することにより、画素またぎの発生頻度を減少させることが可能となる。
【００２７】
また、画素ずらしを用いて高解像度化を行うことにより、画素数アップによる高解像度化によりも画素間ピッチにおける画像消失（画素またぎ）の発生が軽減される。これにより、被写体（本実施形態では前方の車両）を追跡している際に被写体を見失う頻度が少なくなる。つまり、画素ずらしを行うことにより、画素間ピッチが狭くなるため、車両を見失う頻度が少なくなる。
【００２８】
また、同一基板上に２つのイメージャを配置することにより画素ずらしを容易に行うことが可能となる、つまり、通常の画素ずらしを用いたデバイスでは、イメージャを複数配置はするが、２つのイメージャは別基板上に形成されているため実装時においての位置合わせに困難が伴う。これに対し、本実施形態では、複数のイメージャ１１，１２を、半導体プロセスを用いて同一基板上に形成し、その際にイメージャ毎で画素ずらしを行えるように配置することで、従来に比べ、画素ずらしの際の実装精度を緩和でき、コストダウンを図ることができる。
【００２９】
また、通常、高解像度化を行おうとした場合は、イメージャの画素数を増加させるのが普通でそのままだとイメージャサイズが大きくなってしまうため、画素サイズを小さくして対応する場合が多い。特に、車載用のイメージセンサの場合、高Ｓ／Ｎ、高ダイナミックレンジが要求されるが、これらの特性は画素サイズの大きさが効いてくる。この場合、Ｓ／Ｎが悪化してしまうという欠点がある。
【００３０】
本実施形態の画素ずらしを採用することにより、画素サイズを小さくすることなく、高解像度化、高ダイナミックレンジの維持が行えるという利点がある。詳しくは、本実施形態の構造を採用することにより、画素サイズの大きさを小さくすることなく高解像度化ができ、高ダイナミックレンジ対応、高Ｓ／Ｎのイメージセンサを構成することができる。
【００３１】
画素ずらしのためにアクチュエータ等によってイメージャ自体を１／２ピクセル分微小に動かす方式があり、このイメージャを移動させる方式の画素ずらしの場合、車両の振動等で１／２ピクセル以上動いてしまう可能性がある。本実施形態の方式を採用することにより、車両の振動等に対しても耐えうる構造となる。
【００３２】
一般的な複数イメージャの配置による画素ずらしでは、一方のイメージャに対し、他方のイメージャは垂直に配置もしくは、ある程度の角度を持って配置される。このような構成の場合、センサ自体を収納する筺体が大きくなるとともに配置するのも困難な形状となってしまう。配置が困難なことから実装精度に高度な要求がなされコストアップにつながる。これに対し、本実施形態の方式を採用することにより、イメージャ同士を垂直に配置もしくは、ある程度の角度を持って配置する必要がないことから、実装工程上でコストダウンにつながる。
【００３３】
次に、自車の前方の車両（対向車、先行車）を検出した際のヘッドランプの光軸の調整について言及する。
まず、対向車を検出する場合について説明する。
【００３４】
ヘッドランプの光軸を変更可能な車両において、図１１に示すように、対向車を検出（認識）すると、自車のヘッドランプの光軸を対向車から離れる方向に（自車の走行車線側）に振る。このように照射方向を変更することにより、自車のドライバーの視認性を確保しつつ、対向車のドライバーの視認性も確保することができる。ここで、対向車を検出する際に、画素ずらしにより、図１０のごとく対向車のヘッドランプを高精度に検出でき、対向車の追跡性に優れたものとなる。また、図１１において、対向車がいない場合、自車の前方に対して広い範囲をヘッドランプで照らすことにより、自車のドライバーの視認性を広範囲にわたり確保することができる。
【００３５】
先行車を検出する場合について説明する。
自車のヘッドランプの光軸を変更可能な車両において、先行車のテールランプを検出することにより先行車検出を行い、図１２に示すように、先行車を検出すると、自車のヘッドランプの光軸を下向きにする。特に、イメージャにより先行車と自車との間の距離を概算し、自車のヘッドランプの光軸を下向きに、かつ、先行車のドライバーに眩しさを感じさせない程度まで調整する（自車のヘッドランプの光の照射範囲を先行車より手前に変更する）。このように、先行車を検出すると自車のヘッドランプの光軸を下向きにすることにより、自車のドライバーの視認性確保のみならず先行車のドライバーの視認性も確保することができる。ここで、先行車を検出する際に、画素ずらしにより、図１０を用いて説明したように先行車のテールランプを高精度に検出でき、先行車の追跡性に優れたものとなる。
【００３６】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）図４，６で示したように、被写体像１００を結像させるための主光学系（２０）と、シリコン基板１０に形成され、主光学系（２０）を通して被写体像１００が結像し、この像を光電変換するための複数の画素１１ａが配列された第１のイメージャ１１と、主光学系（２０）から分岐しており、被写体像１００を分割して結像させるための分割光学系（３０，４０）と、シリコン基板１０において第１のイメージャ１１の形成面と同一面に形成され、分割光学系（３０，４０）を通して被写体像１００が結像し、この像を光電変換するための複数の画素１２ａが配列され、かつ、画素群と被写体像との相対位置関係が第１のイメージャ１１における画素群と被写体像との相対位置関係に比べてずれている第２のイメージャ１２と、を備えた。このように、同一のシリコン基板１０の同一面内に２つのイメージャ１１，１２を形成したので、容易に高解像度化を図ることができる。
【００３７】
（２）図６で示したように、第２のイメージャ１２における画素群と被写体像との相対位置関係として、第１のイメージャ１１における画素群と被写体像との相対位置関係に対し、画素群の形成面での縦方向と横方向の両方にずらしたので、高解像度化を図ることができる。
【００３８】
（３）図１（ａ）で示したように、本実施形態のイメージセンサ３は、車両１の車室内に設置され、自車の前方の車両を検出するためのものであるので、画素ずらしを行って画素間ピッチが狭くして図１０に示すように検出対象の車両の移動時においてランプの情報が画素間ピッチに埋もれてしまうことなく車両を追跡することができる。即ち、対向車の追跡性および先行車の追跡性に優れたものとなる。
【００３９】
なお、前記実施形態は以下のように変更してもよい。
図４ではシリコン基板１０における一方の面に第１のイメージャ１１と第２のイメージャ１２を作り込んだ構成としたが、これに代わり、基板上面に半導体プロセスを用いて２つのイメージャを集積化して並設する構成としてもよい。
【００４０】
上述した例ではイメージャ１１，１２を同一のシリコン基板１０に形成する場合について述べたが、形成するイメージャは２つ以上でもよい。つまり、主光学系（２０）から分岐する分割光学系（３０，４０）を複数設けるとともに、当該複数の分割光学系（３０，４０）毎の第２のイメージャ１２を同一の基板に設けてなる構成としてもよい。２つ以上の場合、画素ずらし量は、そのイメージャ数がｘ個の場合、１／ｘ画素サイズ分だけずらすようにする。
【００４１】
そして、イメージャの数が増えるほど高解像度化が行える。特に、上述したように車載用の夜間時における先行車、対向車検出用のカメラセンサとして用いた場合、先行車、対向車のヘッドランプ、テールランプを検出することにより各車両の判別を行うわけであるが、検出対象の車両も移動しているため、移動時において、ランプの情報が画素間ピッチに埋もれやすく車両を追跡しにくくなりやすいが、イメージャの数を増やすことにより高解像度化を図って車両の追跡性を向上することができる。
【００４２】
また、これまでの説明では、イメージセンサは、車両１の車室内に設置され、自車の前方の車両を検出するためのものであったが、これに限るものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（ａ）は本実施形態における車両用ライト制御装置の全体の概略構成図、（ｂ）はイメージセンサおよびマイクロプロセッサについての構成図。
【図２】車両前方の状況を示す図。
【図３】画像処理後の画像を示す図。
【図４】車載用イメージセンサの光学系の構成図。
【図５】車載用イメージセンサの電気的構成図。
【図６】第１のイメージャと第２のイメージャの位置関係を示す平面図。
【図７】第１のイメージャと第２のイメージャにおける結像状態を示す平面図。
【図８】被写体を示す平面図。
【図９】単一のイメージャでの結像図。
【図１０】画素ずらしを行った後の結像図。
【図１１】対向車がある場合のヘッドランプの照射方向の変更動作を説明するための道路走行状態を示す図。
【図１２】先行車がある場合のヘッドランプの照射方向の変更動作を説明するための道路走行状態を示す図。
【符号の説明】
【００４４】
１…車両、１０…シリコン基板、１１…第１のイメージャ、１１ａ…画素、１２…第２のイメージャ、１２ａ…画素、２０…集光レンズ、３０…ハーフミラー、４０…ミラー、１００…被写体像。
【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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