センサ
【課題】被写体までの距離の計測の精度が悪くなるのを抑制することが可能なセンサを提供する。
【解決手段】このセンサ１００は、ＬＥＤ２から照射されて被写体により反射された反射光を検出することにより被写体までの距離を計測するための画素４２を備え、画素４２は、画素４２に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための高電界領域４２２ａを含む。
【解決手段】このセンサ１００は、ＬＥＤ２から照射されて被写体により反射された反射光を検出することにより被写体までの距離を計測するための画素４２を備え、画素４２は、画素４２に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための高電界領域４２２ａを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関し、特に、距離を計測するための画素を備えたセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、距離を計測するための画素を備えた撮像装置（センサ）が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１に開示された撮像装置は、画像を撮像するための画素と、被写体までの距離を計測するための画素とが備えられている。この撮像装置では、距離を計測するための画素によって、被写体に照射される光の被写体に当った反射光が検出される。この照射される光が発光した時から、反射光が検出された時までの間の時間を計測することにより、被写体までの距離の計測が可能となる。
【特許文献１】特開２００５−２９５３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に開示された撮像装置では、反射光が弱い場合など、距離を計測するための画素で検出される光（信号電荷）が十分でない場合に、被写体までの距離の計測の精度が悪くなるという問題点がある。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、被写体までの距離の計測の精度が悪くなるのを抑制することが可能なセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面におけるセンサは、光源から照射されて被写体により反射された反射光を検出することにより被写体までの距離を計測するための第１画素を備え、第１画素は、第１画素に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための第１電荷増加部を含む。
【０００７】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、被写体の画像を撮像するための第２画素をさらに備え、第２画素は、第２画素に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための第２電荷増加部を含み、第１画素と第２画素とは、実質的に同一の構造を有するように構成されている。
【０００８】
上記一の局面によるセンサにおいて、第１画素は、複数設けられており、複数の第１画素のうち、少なくとも２つの第１画素間において、第１電荷増加部によって増加された信号電荷が混合されるように構成されている。
【０００９】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第１画素は、複数設けられており、複数の第１画素のうち、少なくとも２つの第１画素間において、信号電荷が混合された後に、混合された信号電荷が衝突電離により増加されるように構成されている。
【００１０】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第１画素と第２画素とは、同一の基板上に形成するように構成されている。
【００１１】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第１画素には、透過する波長を選択することが可能なフィルタが設けられている。
【００１２】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第１画素の赤外線に対する感度は、第２画素の赤外線に対する感度よりも高くなるように構成されている。
【００１３】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第２画素によって撮像された被写体の画像から得られる被写体の輪郭の画像情報から、第１画素によって得られる被写体の輪郭近傍の距離情報が修正されるように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるセンサの全体構成を示した図である。図２は、本発明の第１実施形態によるセンサの画素の配置図である。図３は、本発明の第１実施形態による画素の断面図である。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態によるセンサ１００の構成について説明する。
【００１６】
第１実施形態によるセンサ１００は、図１に示すように、筒状の筐体１の側面１ａに複数のＬＥＤ２が配置されている。なお、ＬＥＤ２は、本発明の「光源」の一例である。また、ＬＥＤ２から被写体２００に照射された光の被写体２００からの反射光が透過するように筒状の筐体１の内部にレンズ３が配置されている。また、被写体２００の画像を撮像するための画素４１（図２参照）と、反射光を検出するための画素４２（図２参照）とが配置される撮像部４が筐体１の内部にレンズ３と対向するように配置されている。
【００１７】
また、図２に示すように、撮像部４には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１がマトリクス状に配置されている。なお、画素４１は、本発明の「第２画素」の一例である。ここで、第１実施形態では、撮像部４には、画素４１とともに距離を計測するための画素４２（Ｌ）が配置されている。なお、画素４２は、本発明の「第１画素」の一例である。ここで、第１実施形態では、画素４１と画素４２とは、後述する同一のシリコン基板４２１上に形成されるように構成されている。また、画素４２は、４つの画素４２が隣接するように配置されている。撮像部４は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた３つの画素４１と１つの画素４２との組が複数個配置されることによって構成されている。
【００１８】
また、図３に示すように、ｐ型のシリコン基板４２１の表面には、ｎ−型の不純物領域からなる転送チャネル４２２が形成されている。なお、転送チャネル４２２は、後述する信号電荷を増倍するための高電界領域４２２ａを含んでいる。また、転送チャネル４２２の端部には、ｎ＋型不純物領域からなるフローティングディフュージョン領域４２３が形成されている。フローティングディフュージョン領域４２３は、転送チャネル４２２の不純物濃度（ｎ−）よりも高い不純物濃度（ｎ＋）を有する。また、フローティングディフュージョン領域４２３は、転送された信号電荷を保持するとともに、この信号電荷を電圧に変換する機能を有する。また、転送チャネル４２２の上面上には、転送チャネル４２２と後述するフォトダイオード部４３４とを電気的に接続するための電極４２４が形成されている。また、フローティングディフュージョン領域４２３の上面上には、フローティングディフュージョン領域４２３に蓄積された信号電荷から変換される電圧を画素４２から読み出すための電極４２５が形成されている。また、転送チャネル４２２の上面上には、ゲート絶縁膜４２６が形成されている。また、ゲート絶縁膜４２６の上面上の所定領域には、所定の間隔を隔てて、転送ゲート電極４２７と、転送ゲート電極４２８と、転送ゲート電極４２９と、増倍ゲート電極４３０と、読出しゲート電極４３１とが、電極４２４側からフローティングディフュージョン領域４２３側に向かってこの順番に形成されている。
【００１９】
また、シリコン基板４２１の全面を覆うようにＳｉＯ２からなる層間絶縁膜４３２が形成されている。また、層間絶縁膜４３２の上面上には、電極４３３が形成されており、電極４２４を介して、シリコン基板４２１の転送チャネル４２２と電極４３３とが電気的に接続されている。
【００２０】
また、電極４２４および電極４３３の上面上には、リン（Ｐ）が添加されたｎ型半導体層４３４ａ、ｉ型半導体層４３４ｂおよびホウ素（Ｂ）が添加されたｐ型半導体層４３４ｃからなるフォトダイオード部４３４が形成されている。フォトダイオード部４３４は、入射光量に応じて信号電荷を生成する機能を有する。また、フォトダイオード部４３４の上面上には、透明電極４３５が形成されている。また、透明電極４３５には、電源４３６の一方端が接続されている。また、電源４３６の他方端は、接地されている。また、フローティングディフュージョン領域４２３に蓄積された信号電荷から電圧に変換された信号は、アンプ４３７に送られた後増幅されるように構成されている。また、フォトダイオード部４３４には、フォトダイオード部４３４に蓄積された電荷を消去するためのリセットトランジスタ４３８が接続されている。
【００２１】
また、第１実施形態では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１の断面構造も画素４２の断面構造と同様であり、信号電荷を増倍するための高電界領域４１２ａを含んでいる。なお、高電界領域４１２ａは、本発明の「第２電荷増加部」の一例である。
【００２２】
図４は、本発明の第１実施形態によるセンサの画素の動作を説明するためのポテンシャル図である。次に、図１および図４を参照して、センサ１００の動作について説明する。
【００２３】
まず、図１に示すように、ＬＥＤ２から照射された光の被写体に当った反射光がレンズ３を介して撮像部４に入射する。撮像部４に配置される画素４２のフォトダイオード部４３４では、撮像部４に入射した光の光量に応じた信号電荷が生成される。これにより、フォトダイオード部４３４には、信号電荷が蓄積される。
【００２４】
次に、図４に示すように、転送ゲート電極４２７がオフ状態のときには、転送ゲート電極４２７下にＰＤ（フォトダイオード部４３４）分離障壁が形成されている。次に、転送ゲート電極４２７にクロック信号Φ１を供給して転送ゲート電極４２７をオン状態にするとともに、転送ゲート電極４２８にクロック信号Φ２を供給して転送ゲート電極４２８をオン状態にする。この後、転送ゲート電極４２７をオフ状態にする。これにより、フォトダイオード部４３４に蓄積された信号電荷が一時的蓄積井戸に転送される。
【００２５】
次に、増倍ゲート電極４３０にクロック信号Φ４を供給して増倍ゲート電極４３０をオン状態にする。ここで第１実施形態では、増倍ゲート電極４３０に高電圧が印加されて、電荷転送障壁と電荷集積井戸との界面に高電界領域４２２ａが形成される。なお、高電界領域４２２ａは、本発明の「第１電荷増加部」の一例である。その後、増倍ゲート電極４３０をオン状態にしたまま、転送ゲート電極４２８をオフ状態にすることによって、一時的蓄積井戸に蓄積された信号電荷が電荷転送障壁を越えて電荷集積井戸に転送される。これにより、転送された信号電荷が高電界による衝突電離によって増倍されるとともに、増倍された信号電荷が電荷集積井戸に蓄積される。なお、転送ゲート電極４２９には、クロック信号Φ３は常に供給されず、転送ゲート電極４２９はオフ状態のまま一定である。
【００２６】
次に、読出しゲート電極４３１をオン状態にするとともに、増倍ゲート電極４３０をオフ状態にする。これにより、電荷集積井戸に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン領域４２３に読み出される。この後、フローティングディフュージョン領域４２３に蓄積された信号電荷から電圧に変換された信号は、アンプ４３７によって増幅される。この後、増幅された信号が検出される。なお、１回の光の照射による反射光の信号は小さいので、光の照射と反射光の信号の検出とが複数回繰り返される。このとき、光の照射毎にリセットトランジスタ４３８によってフォトダイオード部４３４に蓄積された電荷のリセットが行われる。これにより、被写体２００の撮像と被写体２００までの距離の測定とが可能となる。
【００２７】
最後に、ＬＥＤ２から光が照射された時から信号が検出された時までの間の時間Ｔｄから、被写体２００までの距離Ｌが下記式（１）によって算出される。
【００２８】
Ｌ＝（１／２）ｃＴｄ ・・・・・（１）
ここで、ｃは、光の速度（３×１０８ｍ／秒）を示す。
【００２９】
第１実施形態では、上記のように、被写体２００までの距離を計測するための画素４２が信号電荷を衝突電離させて増倍するための高電界領域４２２ａを含むことによって、画素４２で検出される信号電荷の量が十分でない場合にも、信号電荷が高電界領域４２２ａによって増倍されるので、画素４２の感度を高くすることができる。これにより、被写体２００までの距離の計測の精度が悪くなるのを抑制することができる。また、信号電荷が高電界領域４２２ａによって増加されるので、画素４２から信号が読み出された後にアンプ４３７によって信号を増幅する増幅量を小さくすることができる。これにより、画素４２から信号が読み出される際に発生するノイズが画素４２から読み出される信号とともに増幅されるのを抑制することができる。
【００３０】
また、第１実施形態では、上記のように、画素４１は、画素４１に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増倍するための高電界領域４１２ａを含み、画素４１に含まれる高電界領域４１２ａと画素４２に含まれる高電界領域４２２ａとを、実質的に同一の構造を有するように構成することによって、画素４１の高電界領域４１２ａと画素４２の高電界領域４２２ａとが異なる構造を有する場合と異なり、センサ１００の制御が複雑になるのを抑制することができる。
【００３１】
また、第１実施形態では、上記のように、画素４１と画素４２とを、同一のシリコン基板４２１上に形成することによって、容易に、被写体２００の画像の撮像と被写体２００までの距離の計測とを同一のセンサ１００によって行うことができる。
【００３２】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態によるセンサの平面図である。図５を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、画素４２ｂに蓄積された信号電荷が混合されるセンサ１０１について説明する。
【００３３】
この第２実施形態によるセンサ１０１では、図５に示すように、距離を計測するための画素４２ｂが垂直方向に隣接している。なお、画素４２ｂは、本発明の「第１画素」の一例である。また、第２実施形態によるセンサ１０１は、図４に示す上記第１実施形態と同様に、フォトダイオード部４３４に蓄積された信号電荷が一時蓄積井戸に転送された後、電荷転送障壁と電荷集積井戸との界面に形成される高電界領域４２２ａにおいて増倍されるとともに、電荷集積井戸に蓄積されるように構成されている。
【００３４】
ここで、第２実施形態では、それぞれの画素４２ｂの電荷集積井戸に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン領域４２３ｂにおいて混合された後読み出されるように構成されている。この第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００３５】
第２実施形態では、上記のように、画素４２ｂは、垂直方向に隣接するように設けられており、隣接する２つの画素４２ｂ間において、高電界領域４２２ａによって増倍された信号電荷が混合されるように構成することによって、信号電荷をより増倍させることができるので、距離計測の感度をより高くすることができる。
【００３６】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態によるセンサの平面図である。図６を参照して、この第３実施形態では、上記第２実施形態と異なり、画素４２ｃに蓄積された信号電荷が混合された後に増倍されるセンサ１０２について説明する。
【００３７】
この第３実施形態によるセンサ１０２では、図６に示すように、距離を計測するための画素４２ｃが水平方向に隣接している。なお、画素４２ｃは、本発明の「第１画素」の一例である。ここで、第３実施形態では、隣接するそれぞれの画素４２ｃのフォトダイオード部４３４に蓄積された信号電荷が転送ゲート電極４５０を介して混合／増倍部４５１に転送されて混合された後、混合／増倍部４５１において信号電荷が衝突電離により増倍されるように構成されている。この後、増倍された信号電荷が読み出されるように構成されている。この第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００３８】
第３実施形態では、上記のように、画素４２ｃは、水平方向に隣接するように設けられており、隣接する２つの画素４２ｃ間において、信号電荷が混合された後に、混合された信号電荷が衝突電離により増倍されるように構成することによって、信号電荷をより増倍させることができるので、距離計測の感度をより高くすることができる。
【００３９】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態によるセンサの画素の配置図である。図７を参照して、この第４実施形態では、上記第１実施形態と異なり、赤外透過フィルタが設けられた画素４２ｄを備えるセンサ１０３について説明する。
【００４０】
この第４実施形態によるセンサ１０３の撮像部４ｄには、図７に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１ｄがマトリクス状に配置されている。なお、画素４１ｄは、本発明の「第２画素」の一例である。ここで、第４実施形態では、撮像部４ｄには、赤外線を選択的に透過させることが可能な赤外透過フィルタが設けられた距離を計測するための画素４２ｄ（Ｌ）が配置されている。なお、画素４２ｄは、本発明の「第１画素」の一例である。また、赤外透過フィルタは、本発明の「透過する波長を選択することが可能なフィルタ」の一例である。また、画素４２ｄは、４つの画素４２ｄが隣接するように配置されている。撮像部４ｄは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた３つの画素４１ｄと１つの画素４２ｄとの組が複数個配置されることによって構成されている。なお、被写体２００までの距離を計測するために光源からは赤外線が照射されるように構成されている。この第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００４１】
第４実施形態では、上記のように、画素４２ｄには、赤外線を選択的に透過させることが可能な赤外透過フィルタが設けられていることによって、被写体２００までの距離を計測するために赤外線だけを選択的に透過させることができるので、距離の計測に不必要な、たとえば可視光線が画素４２ｄに入射するのを抑制することができる。これにより、距離の計測の精度を高めることができる。
【００４２】
（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態によるセンサの画素の配置図である。図９は、光の波長と分光感度との関係を示す図である。図８および図９を参照して、この第５実施形態では、上記第１実施形態と異なり、バンドパスフィルタが設けられた画素４２ｅを備えるセンサ１０４について説明する。
【００４３】
この第５実施形態によるセンサ１０４の撮像部４ｅには、図８に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１ｅがマトリクス状に配置されている。なお、画素４１ｅは、本発明の「第２画素」の一例である。ここで、第５実施形態では、撮像部４ｅには、画素４１ｅとともに、約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光を選択的に透過させることが可能なバンドパスフィルタが設けられた距離を計測するための画素４２ｅ（Ｌ）が配置されている。なお、画素４２ｅは、本発明の「第１画素」の一例である。また、バンドパスフィルタは、本発明の「透過する波長を選択することが可能なフィルタ」の一例である。
【００４４】
また、図９に示すように、可視光線（Ｒ、ＧおよびＢ）は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長を有している。これに対して、バンドパスフィルタは、約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光を選択的に透過させることが可能である。このように、バンドパスフィルタは、可視光線の波長と重ならない波長を透過できるように構成されている。
【００４５】
また、図８に示すように、画素４２ｅは、４つの画素４２ｅが隣接するように配置されている。撮像部４ｅは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた３つの画素４１ｅと１つの画素４２ｅとの組が複数個配置されることによって構成されている。なお、被写体２００までの距離を計測するために光源から約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光が照射されるように構成されている。この第５実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００４６】
第５実施形態では、上記のように、画素４２ｅには、約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光を選択的に透過させることが可能なバンドパスフィルタが設けられていることによって、被写体２００までの距離を計測するために約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光だけを選択的に透過させることができるので、距離の計測に不必要な、たとえば可視光線が画素４２ｅに入射するのを抑制することができる。これにより、距離の計測の精度を高めることができる。
【００４７】
（第６実施形態）
図１０は、本発明の第６実施形態によるセンサの画素の配置図である。図１１は、光の波長と分光感度との関係を示す図である。図１０および図１１を参照して、この第６実施形態では、上記第１実施形態と異なり、赤外感度が高い画素４２ｆを備えるセンサ１０５について説明する。
【００４８】
この第６実施形態によるセンサ１０５では、図１０に示すように、撮像部４ｆには赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１ｆがマトリクス状に配置されている。なお、画素４１ｆは、本発明の「第２画素」の一例である。ここで、第６実施形態では、撮像部４ｆには、赤外線に対する感度が画素４１ｆよりも高い画素４２ｆが配置されている。なお、画素４２ｆは、本発明の「第１画素」の一例である。
【００４９】
また、図１１に示すように、画素４１ｆは、可視光線（約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）に対する感度が高くなるように構成されている。また、画素４２ｆは、波長が約７００ｎｍよりも長い赤外線に対して感度が高くなるように構成されている。具体的には、画素４１ｆのフォトダイオード部４３４（図４参照）をシリコンからなる半導体から形成するとともに、画素４２ｆをゲルマニウム（Ｇｅ）などのシリコンよりバンドギャップが小さく長波長まで光電変換することが可能な材料を含む半導体から形成する。
【００５０】
また、画素４２ｆは、図１０に示すように、４つの画素４２ｆが隣接するように配置されている。また、撮像部４ｆは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた３つの画素４１ｆと１つの画素４２ｆとの組が複数個配置されることによって構成されている。なお、被写体２００までの距離を計測するために光源からは赤外線が照射されるように構成されている。この第６実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００５１】
第６実施形態では、上記のように、画素４２ｆの赤外線に対する感度は、画素４１ｆの赤外線に対する感度よりも高くなるように構成することによって、被写体２００までの距離を計測するための光を赤外線にすることにより、画素４２ｆによって行われる被写体２００までの距離の計測の精度を高めることができる。
【００５２】
（第７実施形態）
図１２は、本発明の第７実施形態による被写体の輪郭近傍の距離情報の修正の方法を説明するための図である。図１２を参照して、この第７実施形態では、上記第１実施形態と異なり、被写体２００の輪郭近傍の距離情報が修正されるセンサ１０６について説明する。
【００５３】
この第７実施形態によるセンサ１０６では、図１２に示すように、撮像部４ｇに配置される赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１ｇによって撮像された被写体２００のカラー画像から、被写体２００の輪郭の画像情報を抽出する。なお、画素４１ｇは、本発明の「第２画素」の一例である。
【００５４】
ここで、第７実施形態では、被写体２００の輪郭の画像情報から、被写体までの距離を計測するための画素４２ｇによって得られる被写体２００の輪郭近傍の距離情報が修正されるように構成されている。なお、画素４２ｇは、本発明の「第１画素」の一例である。また、被写体２００の輪郭近傍の距離情報は、一般には、被写体２００の輪郭の画像情報よりも不正確である。また、第７実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００５５】
図１３は、本発明の第７実施形態による被写体の輪郭近傍の距離情報の修正の方法を説明するための図である。次に、図１３を参照して、被写体２００の輪郭近傍の距離情報の修正の方法について説明する。
【００５６】
まず、画素４１ｇによって被写体２００の画像を撮像する。次に、被写体２００の輪郭を画像の色の濃度が急激に変化する部分の関数の変化分を取り出す微分演算により抽出する。具体的には、画素４１ｇが配置される撮像部４ｇの座標（ｘ，ｙ）における色の濃度の勾配を表す１次微分の値が大きさと方向を持つベクトル量によって下記式（２）のように表現される。
【００５７】
Ｇ（ｘ，ｙ）＝（ｆｘ，ｆｙ） ・・・・・（２）
ここで、ｆｘは、ｘ方向の微分、ｆｙは、ｙ方向の微分を示す。ｆｘおよびｆｙは、それぞれ、下記式（３）および下記式（４）によって算出される。
【００５８】
ｆｘ＝ｆ（ｘ＋１、ｙ）−ｆ（ｘ、ｙ） ・・・・・（３）
ｆｙ＝ｆ（ｘ、ｙ＋１）−ｆ（ｘ、ｙ） ・・・・・（４）
【００５９】
また、微分値が分かれば、輪郭の強さが、下記式（５）によって算出される。
【００６０】
（ｆｘ２＋ｆｙ２）１／２ ・・・・・（５）
【００６１】
また、輪郭の方向は、下記式（６）のベクトルの向きによって表される。
【００６２】
（ｆｘ，ｆｙ） ・・・・・（６）
【００６３】
なお、輪郭の方向は、輪郭の色の濃度変化の暗い方から明るい方に向いたものとなる。
【００６４】
次に、画素４１ｇによって撮像された被写体２００の画像から抽出された輪郭に基づいて、画素４２ｇから得られる輪郭近傍の距離情報を修正する。具体的には、画素４１ｇによって撮像された被写体２００の画像から抽出された輪郭近傍の画素４２ｇについて、図１３に示すように、輪郭近傍の画素４２ｇと、輪郭近傍の画素４２ｇの周囲に配置される画素４２ｇとによって計測された距離情報の平均値を計算して、輪郭近傍の画素４２ｇの距離情報とする。
【００６５】
第７実施形態では、上記のように、画素４１ｇによって撮像された被写体２００の画像から得られる被写体２００の輪郭の画像情報から、画素４２ｇによって得られる被写体２００の輪郭近傍の距離情報が修正されるように構成することによって、画素４１ｇによって撮像された被写体２００の画像から得られる被写体２００の色情報および輪郭の画像情報により、被写体２００の輪郭位置が得られるので、画素４２ｇによって得られる被写体２００の輪郭付近のノイズ処理を効率よく行うことができる。これにより、画素４２ｇによって得られる被写体２００の輪郭の距離情報の精度を高めることができる。
【００６６】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６７】
たとえば、上記第１実施形態および第４実施形態〜第６実施形態では、４つの距離を計測するための画素が隣接するように配置される例を示したが、本発明はこれに限らず、距離を計測するための画素は隣接していなくてもよい。
【００６８】
また、上記第２実施形態では、信号電荷が混合される距離を計測するための画素が垂直方向に隣接する例を示したが、本発明はこれに限らず、信号電荷が混合される画素が水平方向または斜め方向に隣接していてもよい。また、隣接する２つの距離を計測するための画素間において信号電荷が混合される例を示したが、本発明はこれに限らず、３つ以上の距離を計測するための画素間において信号電荷が混合されてもよい。
【００６９】
また、上記第３実施形態では、信号電荷が混合される距離を計測するための画素が水平方向に隣接する例を示したが、本発明はこれに限らず、信号電荷が混合される距離を計測するための画素が垂直方向または斜め方向に隣接していてもよい。また、隣接する２つの距離を計測するための画素間において信号電荷が混合される例を示したが、本発明はこれに限らず、３つ以上の距離を計測するための画素間において信号電荷が混合されてもよい。
【００７０】
また、上記第１実施形態〜第７実施形態では、画像を撮像するための画素にＲＧＢのカラーフィルタが設けられる例を示したが、本発明はこれに限らず、図１４に示す変形例のように、撮像部４ｈに距離を計測するための画素４２ｈ（Ｌ）を配置するとともに、白黒（ＢＷ）のフィルタを設けた画像を撮像するための画素４１ｈを配置してもよい。
【００７１】
また、上記第１実施形態〜第７実施形態では、画像を撮像するための画素と距離を計測するための画素とが混在する例を示したが、本発明はこれに限らず、図１５に示す変形例のように、撮像部４ｉを領域Ａおよび領域Ｂに分割し、領域Ａに画像を撮像するための画素４１ｉを配置するとともに、領域Ｂに距離を計測するための画素４２ｉを配置するようにしてもよい。
【００７２】
また、上記第１実施形態および第４実施形態〜第６実施形態では、４つの距離を計測するための画素が隣接するように配置される例を示したが、本発明はこれに限らず、図１６に示す変形例のように、４つの画像を撮像するための画素４１ｊの中心近傍に１つの距離を計測するための画素４２ｊを配置してもよい。
【００７３】
また、上記第４実施形態では、距離を計測するための画素に赤外透過フィルタを設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、距離を計測するための画素に赤外透過フィルタ以外の可視光線を透過しないフィルタを設けてもよい。
【００７４】
また、上記第５実施形態では、距離を計測するための画素に約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光を選択的に透過させることが可能なバンドパスフィルタを設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、距離を計測するための画素に可視光線を透過しないとともに、約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長以外の波長を透過するフィルタを設けてもよい。
【００７５】
また、上記第６実施形態では、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む半導体からフォトダイオード部を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ゲルマニウム（Ｇｅ）以外のシリコンよりバンドギャップが小さく長波長まで光電変換することが可能な材料を含む半導体からフォトダイオード部を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態によるセンサの全体構成を示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるセンサの画素の配置図である。
【図３】本発明の第１実施形態による画素の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるセンサの画素の動作を説明するためのポテンシャル図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるセンサの平面図である。
【図６】本発明の第３実施形態によるセンサの平面図である。
【図７】本発明の第４実施形態によるセンサの画素の配置図である。
【図８】本発明の第５実施形態によるセンサの画素の配置図である。
【図９】光の波長と分光感度との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施形態によるセンサの画素の配置図である。
【図１１】光の波長と分光感度との関係を示す図である。
【図１２】本発明の第７実施形態による被写体の輪郭近傍の距離情報の修正の方法を説明するための図である。
【図１３】本発明の第７実施形態による被写体の輪郭近傍の距離情報の修正の方法を説明するための図である。
【図１４】本発明の第１実施形態〜第７実施形態の変形例によるセンサの画素の配置図である。
【図１５】本発明の第１実施形態〜第７実施形態の変形例によるセンサの画素の配置図である。
【図１６】本発明の第１実施形態および第４実施形態〜第６実施形態の変形例によるセンサの画素の配置図である。
【符号の説明】
【００７７】
２ ＬＥＤ（光源）
４１、４１ｄ〜４１ｊ 画素（第２画素）
４２、４２ｂ〜４２ｊ 画素（第１画素）
２００ 被写体
４１２ａ 高電界領域（第２電荷増加部）
４２２ａ 高電界領域（第１電荷増加部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関し、特に、距離を計測するための画素を備えたセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、距離を計測するための画素を備えた撮像装置（センサ）が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１に開示された撮像装置は、画像を撮像するための画素と、被写体までの距離を計測するための画素とが備えられている。この撮像装置では、距離を計測するための画素によって、被写体に照射される光の被写体に当った反射光が検出される。この照射される光が発光した時から、反射光が検出された時までの間の時間を計測することにより、被写体までの距離の計測が可能となる。
【特許文献１】特開２００５−２９５３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に開示された撮像装置では、反射光が弱い場合など、距離を計測するための画素で検出される光（信号電荷）が十分でない場合に、被写体までの距離の計測の精度が悪くなるという問題点がある。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、被写体までの距離の計測の精度が悪くなるのを抑制することが可能なセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面におけるセンサは、光源から照射されて被写体により反射された反射光を検出することにより被写体までの距離を計測するための第１画素を備え、第１画素は、第１画素に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための第１電荷増加部を含む。
【０００７】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、被写体の画像を撮像するための第２画素をさらに備え、第２画素は、第２画素に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための第２電荷増加部を含み、第１画素と第２画素とは、実質的に同一の構造を有するように構成されている。
【０００８】
上記一の局面によるセンサにおいて、第１画素は、複数設けられており、複数の第１画素のうち、少なくとも２つの第１画素間において、第１電荷増加部によって増加された信号電荷が混合されるように構成されている。
【０００９】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第１画素は、複数設けられており、複数の第１画素のうち、少なくとも２つの第１画素間において、信号電荷が混合された後に、混合された信号電荷が衝突電離により増加されるように構成されている。
【００１０】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第１画素と第２画素とは、同一の基板上に形成するように構成されている。
【００１１】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第１画素には、透過する波長を選択することが可能なフィルタが設けられている。
【００１２】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第１画素の赤外線に対する感度は、第２画素の赤外線に対する感度よりも高くなるように構成されている。
【００１３】
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第２画素によって撮像された被写体の画像から得られる被写体の輪郭の画像情報から、第１画素によって得られる被写体の輪郭近傍の距離情報が修正されるように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるセンサの全体構成を示した図である。図２は、本発明の第１実施形態によるセンサの画素の配置図である。図３は、本発明の第１実施形態による画素の断面図である。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態によるセンサ１００の構成について説明する。
【００１６】
第１実施形態によるセンサ１００は、図１に示すように、筒状の筐体１の側面１ａに複数のＬＥＤ２が配置されている。なお、ＬＥＤ２は、本発明の「光源」の一例である。また、ＬＥＤ２から被写体２００に照射された光の被写体２００からの反射光が透過するように筒状の筐体１の内部にレンズ３が配置されている。また、被写体２００の画像を撮像するための画素４１（図２参照）と、反射光を検出するための画素４２（図２参照）とが配置される撮像部４が筐体１の内部にレンズ３と対向するように配置されている。
【００１７】
また、図２に示すように、撮像部４には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１がマトリクス状に配置されている。なお、画素４１は、本発明の「第２画素」の一例である。ここで、第１実施形態では、撮像部４には、画素４１とともに距離を計測するための画素４２（Ｌ）が配置されている。なお、画素４２は、本発明の「第１画素」の一例である。ここで、第１実施形態では、画素４１と画素４２とは、後述する同一のシリコン基板４２１上に形成されるように構成されている。また、画素４２は、４つの画素４２が隣接するように配置されている。撮像部４は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた３つの画素４１と１つの画素４２との組が複数個配置されることによって構成されている。
【００１８】
また、図３に示すように、ｐ型のシリコン基板４２１の表面には、ｎ−型の不純物領域からなる転送チャネル４２２が形成されている。なお、転送チャネル４２２は、後述する信号電荷を増倍するための高電界領域４２２ａを含んでいる。また、転送チャネル４２２の端部には、ｎ＋型不純物領域からなるフローティングディフュージョン領域４２３が形成されている。フローティングディフュージョン領域４２３は、転送チャネル４２２の不純物濃度（ｎ−）よりも高い不純物濃度（ｎ＋）を有する。また、フローティングディフュージョン領域４２３は、転送された信号電荷を保持するとともに、この信号電荷を電圧に変換する機能を有する。また、転送チャネル４２２の上面上には、転送チャネル４２２と後述するフォトダイオード部４３４とを電気的に接続するための電極４２４が形成されている。また、フローティングディフュージョン領域４２３の上面上には、フローティングディフュージョン領域４２３に蓄積された信号電荷から変換される電圧を画素４２から読み出すための電極４２５が形成されている。また、転送チャネル４２２の上面上には、ゲート絶縁膜４２６が形成されている。また、ゲート絶縁膜４２６の上面上の所定領域には、所定の間隔を隔てて、転送ゲート電極４２７と、転送ゲート電極４２８と、転送ゲート電極４２９と、増倍ゲート電極４３０と、読出しゲート電極４３１とが、電極４２４側からフローティングディフュージョン領域４２３側に向かってこの順番に形成されている。
【００１９】
また、シリコン基板４２１の全面を覆うようにＳｉＯ２からなる層間絶縁膜４３２が形成されている。また、層間絶縁膜４３２の上面上には、電極４３３が形成されており、電極４２４を介して、シリコン基板４２１の転送チャネル４２２と電極４３３とが電気的に接続されている。
【００２０】
また、電極４２４および電極４３３の上面上には、リン（Ｐ）が添加されたｎ型半導体層４３４ａ、ｉ型半導体層４３４ｂおよびホウ素（Ｂ）が添加されたｐ型半導体層４３４ｃからなるフォトダイオード部４３４が形成されている。フォトダイオード部４３４は、入射光量に応じて信号電荷を生成する機能を有する。また、フォトダイオード部４３４の上面上には、透明電極４３５が形成されている。また、透明電極４３５には、電源４３６の一方端が接続されている。また、電源４３６の他方端は、接地されている。また、フローティングディフュージョン領域４２３に蓄積された信号電荷から電圧に変換された信号は、アンプ４３７に送られた後増幅されるように構成されている。また、フォトダイオード部４３４には、フォトダイオード部４３４に蓄積された電荷を消去するためのリセットトランジスタ４３８が接続されている。
【００２１】
また、第１実施形態では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１の断面構造も画素４２の断面構造と同様であり、信号電荷を増倍するための高電界領域４１２ａを含んでいる。なお、高電界領域４１２ａは、本発明の「第２電荷増加部」の一例である。
【００２２】
図４は、本発明の第１実施形態によるセンサの画素の動作を説明するためのポテンシャル図である。次に、図１および図４を参照して、センサ１００の動作について説明する。
【００２３】
まず、図１に示すように、ＬＥＤ２から照射された光の被写体に当った反射光がレンズ３を介して撮像部４に入射する。撮像部４に配置される画素４２のフォトダイオード部４３４では、撮像部４に入射した光の光量に応じた信号電荷が生成される。これにより、フォトダイオード部４３４には、信号電荷が蓄積される。
【００２４】
次に、図４に示すように、転送ゲート電極４２７がオフ状態のときには、転送ゲート電極４２７下にＰＤ（フォトダイオード部４３４）分離障壁が形成されている。次に、転送ゲート電極４２７にクロック信号Φ１を供給して転送ゲート電極４２７をオン状態にするとともに、転送ゲート電極４２８にクロック信号Φ２を供給して転送ゲート電極４２８をオン状態にする。この後、転送ゲート電極４２７をオフ状態にする。これにより、フォトダイオード部４３４に蓄積された信号電荷が一時的蓄積井戸に転送される。
【００２５】
次に、増倍ゲート電極４３０にクロック信号Φ４を供給して増倍ゲート電極４３０をオン状態にする。ここで第１実施形態では、増倍ゲート電極４３０に高電圧が印加されて、電荷転送障壁と電荷集積井戸との界面に高電界領域４２２ａが形成される。なお、高電界領域４２２ａは、本発明の「第１電荷増加部」の一例である。その後、増倍ゲート電極４３０をオン状態にしたまま、転送ゲート電極４２８をオフ状態にすることによって、一時的蓄積井戸に蓄積された信号電荷が電荷転送障壁を越えて電荷集積井戸に転送される。これにより、転送された信号電荷が高電界による衝突電離によって増倍されるとともに、増倍された信号電荷が電荷集積井戸に蓄積される。なお、転送ゲート電極４２９には、クロック信号Φ３は常に供給されず、転送ゲート電極４２９はオフ状態のまま一定である。
【００２６】
次に、読出しゲート電極４３１をオン状態にするとともに、増倍ゲート電極４３０をオフ状態にする。これにより、電荷集積井戸に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン領域４２３に読み出される。この後、フローティングディフュージョン領域４２３に蓄積された信号電荷から電圧に変換された信号は、アンプ４３７によって増幅される。この後、増幅された信号が検出される。なお、１回の光の照射による反射光の信号は小さいので、光の照射と反射光の信号の検出とが複数回繰り返される。このとき、光の照射毎にリセットトランジスタ４３８によってフォトダイオード部４３４に蓄積された電荷のリセットが行われる。これにより、被写体２００の撮像と被写体２００までの距離の測定とが可能となる。
【００２７】
最後に、ＬＥＤ２から光が照射された時から信号が検出された時までの間の時間Ｔｄから、被写体２００までの距離Ｌが下記式（１）によって算出される。
【００２８】
Ｌ＝（１／２）ｃＴｄ ・・・・・（１）
ここで、ｃは、光の速度（３×１０８ｍ／秒）を示す。
【００２９】
第１実施形態では、上記のように、被写体２００までの距離を計測するための画素４２が信号電荷を衝突電離させて増倍するための高電界領域４２２ａを含むことによって、画素４２で検出される信号電荷の量が十分でない場合にも、信号電荷が高電界領域４２２ａによって増倍されるので、画素４２の感度を高くすることができる。これにより、被写体２００までの距離の計測の精度が悪くなるのを抑制することができる。また、信号電荷が高電界領域４２２ａによって増加されるので、画素４２から信号が読み出された後にアンプ４３７によって信号を増幅する増幅量を小さくすることができる。これにより、画素４２から信号が読み出される際に発生するノイズが画素４２から読み出される信号とともに増幅されるのを抑制することができる。
【００３０】
また、第１実施形態では、上記のように、画素４１は、画素４１に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増倍するための高電界領域４１２ａを含み、画素４１に含まれる高電界領域４１２ａと画素４２に含まれる高電界領域４２２ａとを、実質的に同一の構造を有するように構成することによって、画素４１の高電界領域４１２ａと画素４２の高電界領域４２２ａとが異なる構造を有する場合と異なり、センサ１００の制御が複雑になるのを抑制することができる。
【００３１】
また、第１実施形態では、上記のように、画素４１と画素４２とを、同一のシリコン基板４２１上に形成することによって、容易に、被写体２００の画像の撮像と被写体２００までの距離の計測とを同一のセンサ１００によって行うことができる。
【００３２】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態によるセンサの平面図である。図５を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、画素４２ｂに蓄積された信号電荷が混合されるセンサ１０１について説明する。
【００３３】
この第２実施形態によるセンサ１０１では、図５に示すように、距離を計測するための画素４２ｂが垂直方向に隣接している。なお、画素４２ｂは、本発明の「第１画素」の一例である。また、第２実施形態によるセンサ１０１は、図４に示す上記第１実施形態と同様に、フォトダイオード部４３４に蓄積された信号電荷が一時蓄積井戸に転送された後、電荷転送障壁と電荷集積井戸との界面に形成される高電界領域４２２ａにおいて増倍されるとともに、電荷集積井戸に蓄積されるように構成されている。
【００３４】
ここで、第２実施形態では、それぞれの画素４２ｂの電荷集積井戸に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン領域４２３ｂにおいて混合された後読み出されるように構成されている。この第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００３５】
第２実施形態では、上記のように、画素４２ｂは、垂直方向に隣接するように設けられており、隣接する２つの画素４２ｂ間において、高電界領域４２２ａによって増倍された信号電荷が混合されるように構成することによって、信号電荷をより増倍させることができるので、距離計測の感度をより高くすることができる。
【００３６】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態によるセンサの平面図である。図６を参照して、この第３実施形態では、上記第２実施形態と異なり、画素４２ｃに蓄積された信号電荷が混合された後に増倍されるセンサ１０２について説明する。
【００３７】
この第３実施形態によるセンサ１０２では、図６に示すように、距離を計測するための画素４２ｃが水平方向に隣接している。なお、画素４２ｃは、本発明の「第１画素」の一例である。ここで、第３実施形態では、隣接するそれぞれの画素４２ｃのフォトダイオード部４３４に蓄積された信号電荷が転送ゲート電極４５０を介して混合／増倍部４５１に転送されて混合された後、混合／増倍部４５１において信号電荷が衝突電離により増倍されるように構成されている。この後、増倍された信号電荷が読み出されるように構成されている。この第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００３８】
第３実施形態では、上記のように、画素４２ｃは、水平方向に隣接するように設けられており、隣接する２つの画素４２ｃ間において、信号電荷が混合された後に、混合された信号電荷が衝突電離により増倍されるように構成することによって、信号電荷をより増倍させることができるので、距離計測の感度をより高くすることができる。
【００３９】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態によるセンサの画素の配置図である。図７を参照して、この第４実施形態では、上記第１実施形態と異なり、赤外透過フィルタが設けられた画素４２ｄを備えるセンサ１０３について説明する。
【００４０】
この第４実施形態によるセンサ１０３の撮像部４ｄには、図７に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１ｄがマトリクス状に配置されている。なお、画素４１ｄは、本発明の「第２画素」の一例である。ここで、第４実施形態では、撮像部４ｄには、赤外線を選択的に透過させることが可能な赤外透過フィルタが設けられた距離を計測するための画素４２ｄ（Ｌ）が配置されている。なお、画素４２ｄは、本発明の「第１画素」の一例である。また、赤外透過フィルタは、本発明の「透過する波長を選択することが可能なフィルタ」の一例である。また、画素４２ｄは、４つの画素４２ｄが隣接するように配置されている。撮像部４ｄは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた３つの画素４１ｄと１つの画素４２ｄとの組が複数個配置されることによって構成されている。なお、被写体２００までの距離を計測するために光源からは赤外線が照射されるように構成されている。この第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００４１】
第４実施形態では、上記のように、画素４２ｄには、赤外線を選択的に透過させることが可能な赤外透過フィルタが設けられていることによって、被写体２００までの距離を計測するために赤外線だけを選択的に透過させることができるので、距離の計測に不必要な、たとえば可視光線が画素４２ｄに入射するのを抑制することができる。これにより、距離の計測の精度を高めることができる。
【００４２】
（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態によるセンサの画素の配置図である。図９は、光の波長と分光感度との関係を示す図である。図８および図９を参照して、この第５実施形態では、上記第１実施形態と異なり、バンドパスフィルタが設けられた画素４２ｅを備えるセンサ１０４について説明する。
【００４３】
この第５実施形態によるセンサ１０４の撮像部４ｅには、図８に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１ｅがマトリクス状に配置されている。なお、画素４１ｅは、本発明の「第２画素」の一例である。ここで、第５実施形態では、撮像部４ｅには、画素４１ｅとともに、約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光を選択的に透過させることが可能なバンドパスフィルタが設けられた距離を計測するための画素４２ｅ（Ｌ）が配置されている。なお、画素４２ｅは、本発明の「第１画素」の一例である。また、バンドパスフィルタは、本発明の「透過する波長を選択することが可能なフィルタ」の一例である。
【００４４】
また、図９に示すように、可視光線（Ｒ、ＧおよびＢ）は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長を有している。これに対して、バンドパスフィルタは、約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光を選択的に透過させることが可能である。このように、バンドパスフィルタは、可視光線の波長と重ならない波長を透過できるように構成されている。
【００４５】
また、図８に示すように、画素４２ｅは、４つの画素４２ｅが隣接するように配置されている。撮像部４ｅは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた３つの画素４１ｅと１つの画素４２ｅとの組が複数個配置されることによって構成されている。なお、被写体２００までの距離を計測するために光源から約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光が照射されるように構成されている。この第５実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００４６】
第５実施形態では、上記のように、画素４２ｅには、約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光を選択的に透過させることが可能なバンドパスフィルタが設けられていることによって、被写体２００までの距離を計測するために約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光だけを選択的に透過させることができるので、距離の計測に不必要な、たとえば可視光線が画素４２ｅに入射するのを抑制することができる。これにより、距離の計測の精度を高めることができる。
【００４７】
（第６実施形態）
図１０は、本発明の第６実施形態によるセンサの画素の配置図である。図１１は、光の波長と分光感度との関係を示す図である。図１０および図１１を参照して、この第６実施形態では、上記第１実施形態と異なり、赤外感度が高い画素４２ｆを備えるセンサ１０５について説明する。
【００４８】
この第６実施形態によるセンサ１０５では、図１０に示すように、撮像部４ｆには赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１ｆがマトリクス状に配置されている。なお、画素４１ｆは、本発明の「第２画素」の一例である。ここで、第６実施形態では、撮像部４ｆには、赤外線に対する感度が画素４１ｆよりも高い画素４２ｆが配置されている。なお、画素４２ｆは、本発明の「第１画素」の一例である。
【００４９】
また、図１１に示すように、画素４１ｆは、可視光線（約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）に対する感度が高くなるように構成されている。また、画素４２ｆは、波長が約７００ｎｍよりも長い赤外線に対して感度が高くなるように構成されている。具体的には、画素４１ｆのフォトダイオード部４３４（図４参照）をシリコンからなる半導体から形成するとともに、画素４２ｆをゲルマニウム（Ｇｅ）などのシリコンよりバンドギャップが小さく長波長まで光電変換することが可能な材料を含む半導体から形成する。
【００５０】
また、画素４２ｆは、図１０に示すように、４つの画素４２ｆが隣接するように配置されている。また、撮像部４ｆは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた３つの画素４１ｆと１つの画素４２ｆとの組が複数個配置されることによって構成されている。なお、被写体２００までの距離を計測するために光源からは赤外線が照射されるように構成されている。この第６実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００５１】
第６実施形態では、上記のように、画素４２ｆの赤外線に対する感度は、画素４１ｆの赤外線に対する感度よりも高くなるように構成することによって、被写体２００までの距離を計測するための光を赤外線にすることにより、画素４２ｆによって行われる被写体２００までの距離の計測の精度を高めることができる。
【００５２】
（第７実施形態）
図１２は、本発明の第７実施形態による被写体の輪郭近傍の距離情報の修正の方法を説明するための図である。図１２を参照して、この第７実施形態では、上記第１実施形態と異なり、被写体２００の輪郭近傍の距離情報が修正されるセンサ１０６について説明する。
【００５３】
この第７実施形態によるセンサ１０６では、図１２に示すように、撮像部４ｇに配置される赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられた画素４１ｇによって撮像された被写体２００のカラー画像から、被写体２００の輪郭の画像情報を抽出する。なお、画素４１ｇは、本発明の「第２画素」の一例である。
【００５４】
ここで、第７実施形態では、被写体２００の輪郭の画像情報から、被写体までの距離を計測するための画素４２ｇによって得られる被写体２００の輪郭近傍の距離情報が修正されるように構成されている。なお、画素４２ｇは、本発明の「第１画素」の一例である。また、被写体２００の輪郭近傍の距離情報は、一般には、被写体２００の輪郭の画像情報よりも不正確である。また、第７実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００５５】
図１３は、本発明の第７実施形態による被写体の輪郭近傍の距離情報の修正の方法を説明するための図である。次に、図１３を参照して、被写体２００の輪郭近傍の距離情報の修正の方法について説明する。
【００５６】
まず、画素４１ｇによって被写体２００の画像を撮像する。次に、被写体２００の輪郭を画像の色の濃度が急激に変化する部分の関数の変化分を取り出す微分演算により抽出する。具体的には、画素４１ｇが配置される撮像部４ｇの座標（ｘ，ｙ）における色の濃度の勾配を表す１次微分の値が大きさと方向を持つベクトル量によって下記式（２）のように表現される。
【００５７】
Ｇ（ｘ，ｙ）＝（ｆｘ，ｆｙ） ・・・・・（２）
ここで、ｆｘは、ｘ方向の微分、ｆｙは、ｙ方向の微分を示す。ｆｘおよびｆｙは、それぞれ、下記式（３）および下記式（４）によって算出される。
【００５８】
ｆｘ＝ｆ（ｘ＋１、ｙ）−ｆ（ｘ、ｙ） ・・・・・（３）
ｆｙ＝ｆ（ｘ、ｙ＋１）−ｆ（ｘ、ｙ） ・・・・・（４）
【００５９】
また、微分値が分かれば、輪郭の強さが、下記式（５）によって算出される。
【００６０】
（ｆｘ２＋ｆｙ２）１／２ ・・・・・（５）
【００６１】
また、輪郭の方向は、下記式（６）のベクトルの向きによって表される。
【００６２】
（ｆｘ，ｆｙ） ・・・・・（６）
【００６３】
なお、輪郭の方向は、輪郭の色の濃度変化の暗い方から明るい方に向いたものとなる。
【００６４】
次に、画素４１ｇによって撮像された被写体２００の画像から抽出された輪郭に基づいて、画素４２ｇから得られる輪郭近傍の距離情報を修正する。具体的には、画素４１ｇによって撮像された被写体２００の画像から抽出された輪郭近傍の画素４２ｇについて、図１３に示すように、輪郭近傍の画素４２ｇと、輪郭近傍の画素４２ｇの周囲に配置される画素４２ｇとによって計測された距離情報の平均値を計算して、輪郭近傍の画素４２ｇの距離情報とする。
【００６５】
第７実施形態では、上記のように、画素４１ｇによって撮像された被写体２００の画像から得られる被写体２００の輪郭の画像情報から、画素４２ｇによって得られる被写体２００の輪郭近傍の距離情報が修正されるように構成することによって、画素４１ｇによって撮像された被写体２００の画像から得られる被写体２００の色情報および輪郭の画像情報により、被写体２００の輪郭位置が得られるので、画素４２ｇによって得られる被写体２００の輪郭付近のノイズ処理を効率よく行うことができる。これにより、画素４２ｇによって得られる被写体２００の輪郭の距離情報の精度を高めることができる。
【００６６】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６７】
たとえば、上記第１実施形態および第４実施形態〜第６実施形態では、４つの距離を計測するための画素が隣接するように配置される例を示したが、本発明はこれに限らず、距離を計測するための画素は隣接していなくてもよい。
【００６８】
また、上記第２実施形態では、信号電荷が混合される距離を計測するための画素が垂直方向に隣接する例を示したが、本発明はこれに限らず、信号電荷が混合される画素が水平方向または斜め方向に隣接していてもよい。また、隣接する２つの距離を計測するための画素間において信号電荷が混合される例を示したが、本発明はこれに限らず、３つ以上の距離を計測するための画素間において信号電荷が混合されてもよい。
【００６９】
また、上記第３実施形態では、信号電荷が混合される距離を計測するための画素が水平方向に隣接する例を示したが、本発明はこれに限らず、信号電荷が混合される距離を計測するための画素が垂直方向または斜め方向に隣接していてもよい。また、隣接する２つの距離を計測するための画素間において信号電荷が混合される例を示したが、本発明はこれに限らず、３つ以上の距離を計測するための画素間において信号電荷が混合されてもよい。
【００７０】
また、上記第１実施形態〜第７実施形態では、画像を撮像するための画素にＲＧＢのカラーフィルタが設けられる例を示したが、本発明はこれに限らず、図１４に示す変形例のように、撮像部４ｈに距離を計測するための画素４２ｈ（Ｌ）を配置するとともに、白黒（ＢＷ）のフィルタを設けた画像を撮像するための画素４１ｈを配置してもよい。
【００７１】
また、上記第１実施形態〜第７実施形態では、画像を撮像するための画素と距離を計測するための画素とが混在する例を示したが、本発明はこれに限らず、図１５に示す変形例のように、撮像部４ｉを領域Ａおよび領域Ｂに分割し、領域Ａに画像を撮像するための画素４１ｉを配置するとともに、領域Ｂに距離を計測するための画素４２ｉを配置するようにしてもよい。
【００７２】
また、上記第１実施形態および第４実施形態〜第６実施形態では、４つの距離を計測するための画素が隣接するように配置される例を示したが、本発明はこれに限らず、図１６に示す変形例のように、４つの画像を撮像するための画素４１ｊの中心近傍に１つの距離を計測するための画素４２ｊを配置してもよい。
【００７３】
また、上記第４実施形態では、距離を計測するための画素に赤外透過フィルタを設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、距離を計測するための画素に赤外透過フィルタ以外の可視光線を透過しないフィルタを設けてもよい。
【００７４】
また、上記第５実施形態では、距離を計測するための画素に約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長を有する光を選択的に透過させることが可能なバンドパスフィルタを設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、距離を計測するための画素に可視光線を透過しないとともに、約８８０ｎｍ〜約９３０ｎｍの波長以外の波長を透過するフィルタを設けてもよい。
【００７５】
また、上記第６実施形態では、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む半導体からフォトダイオード部を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ゲルマニウム（Ｇｅ）以外のシリコンよりバンドギャップが小さく長波長まで光電変換することが可能な材料を含む半導体からフォトダイオード部を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態によるセンサの全体構成を示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるセンサの画素の配置図である。
【図３】本発明の第１実施形態による画素の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるセンサの画素の動作を説明するためのポテンシャル図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるセンサの平面図である。
【図６】本発明の第３実施形態によるセンサの平面図である。
【図７】本発明の第４実施形態によるセンサの画素の配置図である。
【図８】本発明の第５実施形態によるセンサの画素の配置図である。
【図９】光の波長と分光感度との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施形態によるセンサの画素の配置図である。
【図１１】光の波長と分光感度との関係を示す図である。
【図１２】本発明の第７実施形態による被写体の輪郭近傍の距離情報の修正の方法を説明するための図である。
【図１３】本発明の第７実施形態による被写体の輪郭近傍の距離情報の修正の方法を説明するための図である。
【図１４】本発明の第１実施形態〜第７実施形態の変形例によるセンサの画素の配置図である。
【図１５】本発明の第１実施形態〜第７実施形態の変形例によるセンサの画素の配置図である。
【図１６】本発明の第１実施形態および第４実施形態〜第６実施形態の変形例によるセンサの画素の配置図である。
【符号の説明】
【００７７】
２ ＬＥＤ（光源）
４１、４１ｄ〜４１ｊ 画素（第２画素）
４２、４２ｂ〜４２ｊ 画素（第１画素）
２００ 被写体
４１２ａ 高電界領域（第２電荷増加部）
４２２ａ 高電界領域（第１電荷増加部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から照射されて被写体により反射された反射光を検出することにより前記被写体までの距離を計測するための第１画素を備え、
前記第１画素は、前記第１画素に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための第１電荷増加部を含む、センサ。
【請求項２】
前記被写体の画像を撮像するための第２画素をさらに備え、
前記第２画素は、前記第２画素に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための第２電荷増加部を含み、
前記第１画素と前記第２画素とは、実質的に同一の構造を有するように構成されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記第１画素は、複数設けられており、
前記複数の第１画素のうち、少なくとも２つの前記第１画素間において、前記第１電荷増加部によって増加された信号電荷が混合されるように構成されている、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第１画素は、複数設けられており、
前記複数の第１画素のうち、少なくとも２つの前記第１画素間において、信号電荷が混合された後に、混合された信号電荷が衝突電離により増加するように構成されている、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記第１画素と前記第２画素とは、同一の基板上に形成するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記第１画素には、透過する波長を選択することが可能なフィルタが設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記第１画素の赤外線に対する感度は、前記第２画素の赤外線に対する感度よりも高くなるように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記第２画素によって撮像された前記被写体の画像から得られる前記被写体の輪郭の画像情報から、前記第１画素によって得られる前記被写体の輪郭近傍の距離情報が修正されるように構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１】
光源から照射されて被写体により反射された反射光を検出することにより前記被写体までの距離を計測するための第１画素を備え、
前記第１画素は、前記第１画素に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための第１電荷増加部を含む、センサ。
【請求項２】
前記被写体の画像を撮像するための第２画素をさらに備え、
前記第２画素は、前記第２画素に蓄積される信号電荷を衝突電離させて増加するための第２電荷増加部を含み、
前記第１画素と前記第２画素とは、実質的に同一の構造を有するように構成されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記第１画素は、複数設けられており、
前記複数の第１画素のうち、少なくとも２つの前記第１画素間において、前記第１電荷増加部によって増加された信号電荷が混合されるように構成されている、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第１画素は、複数設けられており、
前記複数の第１画素のうち、少なくとも２つの前記第１画素間において、信号電荷が混合された後に、混合された信号電荷が衝突電離により増加するように構成されている、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記第１画素と前記第２画素とは、同一の基板上に形成するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記第１画素には、透過する波長を選択することが可能なフィルタが設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記第１画素の赤外線に対する感度は、前記第２画素の赤外線に対する感度よりも高くなるように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記第２画素によって撮像された前記被写体の画像から得られる前記被写体の輪郭の画像情報から、前記第１画素によって得られる前記被写体の輪郭近傍の距離情報が修正されるように構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−２６８１１２（Ｐ２００８−２６８１１２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１４１３３（Ｐ２００７−１１４１３３）
【出願日】平成１９年４月２４日（２００７．４．２４）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２４日（２００７．４．２４）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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