撮像素子、それを用いた撮像光学系および撮像装置
【課題】従来は、可視撮像センサと赤外撮像センサを有する撮像素子においてセンサに効率的に可視光を集光する機能が無いという問題があった。また、反射光学系では可視光と赤外光の結像位置が同じであるため撮像素子の同一面に可視撮像センサと赤外撮像センサを有する撮像素子と組み合わせる必要があるという問題があった。
【解決手段】基板と、前記基板の光照射面側に設けられ、可視光を電気信号に変換する可視撮像センサと、前記基板を挟んで前記可視撮像センサと対向する位置に設けられ、赤外光を電気信号に変換する赤外撮像センサと、前記可視撮像センサの光照射面側に設けられ、前記可視光を集光し、前記赤外光を透過する集光素子と、を備える撮像素子。
【解決手段】基板と、前記基板の光照射面側に設けられ、可視光を電気信号に変換する可視撮像センサと、前記基板を挟んで前記可視撮像センサと対向する位置に設けられ、赤外光を電気信号に変換する赤外撮像センサと、前記可視撮像センサの光照射面側に設けられ、前記可視光を集光し、前記赤外光を透過する集光素子と、を備える撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光の撮像と赤外光の撮像の機能を有する撮像素子と撮像光学系とそれを用いた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリコン基板の光入射面側に可視撮像センサと赤外撮像センサを設けた撮像素子が提案されている（特許文献１）。
【０００３】
また、シリコン基板の光入射面側に可視撮像センサ、基板を挟んだ反対面に赤外撮像センサを設けた撮像素子が提案されている（特許文献２）。
【０００４】
さらに、可視光と赤外光の撮像光学系として反射光学系を用いることが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８９４９２号公報
【特許文献２】特開２００４−１０３９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１、２に開示された撮像素子では、ショットキダイオードからなるセンサに効率的に可視光を集光することができない。
【０００７】
また、上記特許文献１に開示された反射光学系では可視光と赤外光の結像位置が同じであるため、撮像素子の一つの面に可視撮像センサと赤外撮像センサとを有する撮像素子が必要である。そのため、可視撮像センサや赤外撮像センサに効率良く可視光や赤外光を集光させることができない。そのため、撮像素子の感度が低くなってしまう。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、高感度で先鋭な画質を得られる撮像素子、撮像光学系および撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する撮像装置は、基板と、前記基板の光照射面側に設けられ、可視光を電気信号に変換する可視撮像センサと、前記基板を挟んで前記可視撮像センサと対向する位置に設けられ、赤外光を電気信号に変換する赤外撮像センサと、前記可視撮像センサの光照射面側に設けられ、前記可視光を集光し、前記赤外光を透過する集光素子と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高感度で先鋭な画質を得られる撮像素子、撮像光学系および撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る撮像素子の概略構成を示す断面図
【図２】実施の形態２に係る集光素子の断面図
【図３】実施の形態３に係る撮像装置の概略構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る撮像素子１００の概略構成を示す断面図である。撮像素子１００は、基板１０１と、レンズアレイ１０３と、可視撮像センサ１０４と、赤外撮像センサ１０５と、を備える。
【００１４】
基板１０１は、例えば、シリコンなどの透明な材料で形成されている。基板１０１の光照射面１０２側には、可視撮像センサ１０４が設けられている。また、基板１０１を挟んで可視撮像センサ１０４と対向する位置には、赤外撮像センサ１０５が設けられている。また、基板１０１の光照射面１０２側には、レンズアレイ１０３が設けられている。具体的には、レンズアレイ１０３は、可視撮像センサ１０４を覆うように設けられた絶縁層の上に設けられている。
【００１５】
レンズアレイ１０３は、集光素子の一例である。レンズアレイ１０３は、基板１０１の光照射面１０２側から入射する可視光と赤外光を透過するＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＦ２などの材料で形成されている。また、レンズアレイ１０３は、可視撮像センサ１０４の配置に合わせてアレイ状に形成されている。レンズアレイ１０３に入射した可視光は、レンズアレイ１０３を介して可視撮像センサ１０４上に集光される。これにより、可視撮像センサ１０４の高感度化が図られる。
【００１６】
可視撮像センサ１０４は、入射した可視光を電気信号に変換する機能を有しており、例えば、フォトダイオードで形成されている。
【００１７】
レンズアレイ１０３に入射した赤外光は、レンズアレイ１０３を透過し、基板１０１に一部吸収されながら赤外撮像センサ１０５に入射する。
【００１８】
赤外撮像センサ１０５は、入射した赤外光を電機信号に変換する機能を有しており、例えば、ショットキーダイオードで形成されている。また、エッチング技術により基板１０１内に中空構造を形成し、その中に設けられた熱抵抗素子や熱起電力素子を、赤外撮像センサ１０５としてもよい。
【００１９】
赤外光は、例えば、波長が３μｍから１４μｍの範囲の光である。赤外光は比較的波長が大きいため、必然的に解像度をあげにくい。そのため形成される赤外撮像センサ１０５の総数は少なくて済む。さらに、赤外撮像センサ１０５が有する撮像領域の面積は、可視撮像センサ１０４が有する撮像領域の面積よりも大きく形成されている。このような構成にすることで、赤外撮像センサ１０５の感度を高めることができる。
【００２０】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る集光素子２００の断面図である。集光素子２００は、同心構造の複数のゾーン領域から構成される。集光素子２００は、光軸２０１付近では可視光と赤外光とが共に透過するＣａＦ２が密に、外側のゾーン領域に向かうに従って疎へ変化していくことで、分布屈折率レンズ作用を有する。このとき、各ゾーンの幅２０２は可視光の波長と同程度かそれより小さくなっており、光が感じる有効屈折率は、そのゾーン領域内の高屈折率材料であるＣａＦ２と低屈折率材料である空気の体積比で決まっている。集光素子２００は、基板１０１の光照射面１０２側に設けられ、可視撮像センサ１０４に可視光を集光する。このような構成にすることで、可視撮像センサ１０４を従来よりも高感度化することができる。
【００２１】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係る撮像装置３０２の概略構成を示す断面図である。
【００２２】
撮像装置３０２は、撮像光学系３００と、実施の形態１に係る撮像素子１００を有する撮像部３０１とを備える。
【００２３】
撮像光学系３００は、第１レンズ３０３と、第２レンズ３０４と、第１レンズ３０３および第２レンズ３０４を保持する鏡筒３０５とを備える。
【００２４】
第１レンズ３０３はＺｎＳｅ、第２レンズ３０４はＺｎＳで形成されている。第１レンズ３０３と第２レンズ３０４は、可視光と赤外光を透過する。 撮像光学系３００は、各レンズ材料の波長分散作用により、赤外光の結像位置と前記可視光の結像位置とが、前記撮像素子の基板の厚さの分異ならせる光学機能を有している。具体的には、赤外光の結像位置は、撮像素子１００の基板の厚み相当分だけ可視光の結像位置より被写体側から離れる。
【００２５】
上述した撮像光学系３００と撮像素子１００を有する撮像部３０１とを組み合わせることで撮像装置３０２が形成される。このような撮像装置３０２は、従来よりも高感度で先鋭な画質を実現することができる。
【００２６】
赤外光は、例えば、波長が３μｍから１４μｍの範囲の光である。第１レンズ３０３および第２レンズ３０４を形成する材料は、被写体の種類や、撮像装置３０２を使用する目的に応じて適宜選択される。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る撮像素子、撮像光学系、撮像装置は、防犯用の監視カメラや車載用カメラ等に適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１００ 撮像素子
１０１ 基板
１０３ レンズアレイ
１０４ 可視撮像センサ
１０５ 赤外撮像センサ
２００ レンズアレイ
２０１ 光軸
２０２ ゾーン領域の幅
３００ 撮像光学系
３０１ 撮像部
３０２ 撮像装置
３０３ 第１レンズ
３０４ 第２レンズ
３０５ 鏡筒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光の撮像と赤外光の撮像の機能を有する撮像素子と撮像光学系とそれを用いた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリコン基板の光入射面側に可視撮像センサと赤外撮像センサを設けた撮像素子が提案されている（特許文献１）。
【０００３】
また、シリコン基板の光入射面側に可視撮像センサ、基板を挟んだ反対面に赤外撮像センサを設けた撮像素子が提案されている（特許文献２）。
【０００４】
さらに、可視光と赤外光の撮像光学系として反射光学系を用いることが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８９４９２号公報
【特許文献２】特開２００４−１０３９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１、２に開示された撮像素子では、ショットキダイオードからなるセンサに効率的に可視光を集光することができない。
【０００７】
また、上記特許文献１に開示された反射光学系では可視光と赤外光の結像位置が同じであるため、撮像素子の一つの面に可視撮像センサと赤外撮像センサとを有する撮像素子が必要である。そのため、可視撮像センサや赤外撮像センサに効率良く可視光や赤外光を集光させることができない。そのため、撮像素子の感度が低くなってしまう。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、高感度で先鋭な画質を得られる撮像素子、撮像光学系および撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する撮像装置は、基板と、前記基板の光照射面側に設けられ、可視光を電気信号に変換する可視撮像センサと、前記基板を挟んで前記可視撮像センサと対向する位置に設けられ、赤外光を電気信号に変換する赤外撮像センサと、前記可視撮像センサの光照射面側に設けられ、前記可視光を集光し、前記赤外光を透過する集光素子と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高感度で先鋭な画質を得られる撮像素子、撮像光学系および撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る撮像素子の概略構成を示す断面図
【図２】実施の形態２に係る集光素子の断面図
【図３】実施の形態３に係る撮像装置の概略構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る撮像素子１００の概略構成を示す断面図である。撮像素子１００は、基板１０１と、レンズアレイ１０３と、可視撮像センサ１０４と、赤外撮像センサ１０５と、を備える。
【００１４】
基板１０１は、例えば、シリコンなどの透明な材料で形成されている。基板１０１の光照射面１０２側には、可視撮像センサ１０４が設けられている。また、基板１０１を挟んで可視撮像センサ１０４と対向する位置には、赤外撮像センサ１０５が設けられている。また、基板１０１の光照射面１０２側には、レンズアレイ１０３が設けられている。具体的には、レンズアレイ１０３は、可視撮像センサ１０４を覆うように設けられた絶縁層の上に設けられている。
【００１５】
レンズアレイ１０３は、集光素子の一例である。レンズアレイ１０３は、基板１０１の光照射面１０２側から入射する可視光と赤外光を透過するＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＦ２などの材料で形成されている。また、レンズアレイ１０３は、可視撮像センサ１０４の配置に合わせてアレイ状に形成されている。レンズアレイ１０３に入射した可視光は、レンズアレイ１０３を介して可視撮像センサ１０４上に集光される。これにより、可視撮像センサ１０４の高感度化が図られる。
【００１６】
可視撮像センサ１０４は、入射した可視光を電気信号に変換する機能を有しており、例えば、フォトダイオードで形成されている。
【００１７】
レンズアレイ１０３に入射した赤外光は、レンズアレイ１０３を透過し、基板１０１に一部吸収されながら赤外撮像センサ１０５に入射する。
【００１８】
赤外撮像センサ１０５は、入射した赤外光を電機信号に変換する機能を有しており、例えば、ショットキーダイオードで形成されている。また、エッチング技術により基板１０１内に中空構造を形成し、その中に設けられた熱抵抗素子や熱起電力素子を、赤外撮像センサ１０５としてもよい。
【００１９】
赤外光は、例えば、波長が３μｍから１４μｍの範囲の光である。赤外光は比較的波長が大きいため、必然的に解像度をあげにくい。そのため形成される赤外撮像センサ１０５の総数は少なくて済む。さらに、赤外撮像センサ１０５が有する撮像領域の面積は、可視撮像センサ１０４が有する撮像領域の面積よりも大きく形成されている。このような構成にすることで、赤外撮像センサ１０５の感度を高めることができる。
【００２０】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る集光素子２００の断面図である。集光素子２００は、同心構造の複数のゾーン領域から構成される。集光素子２００は、光軸２０１付近では可視光と赤外光とが共に透過するＣａＦ２が密に、外側のゾーン領域に向かうに従って疎へ変化していくことで、分布屈折率レンズ作用を有する。このとき、各ゾーンの幅２０２は可視光の波長と同程度かそれより小さくなっており、光が感じる有効屈折率は、そのゾーン領域内の高屈折率材料であるＣａＦ２と低屈折率材料である空気の体積比で決まっている。集光素子２００は、基板１０１の光照射面１０２側に設けられ、可視撮像センサ１０４に可視光を集光する。このような構成にすることで、可視撮像センサ１０４を従来よりも高感度化することができる。
【００２１】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係る撮像装置３０２の概略構成を示す断面図である。
【００２２】
撮像装置３０２は、撮像光学系３００と、実施の形態１に係る撮像素子１００を有する撮像部３０１とを備える。
【００２３】
撮像光学系３００は、第１レンズ３０３と、第２レンズ３０４と、第１レンズ３０３および第２レンズ３０４を保持する鏡筒３０５とを備える。
【００２４】
第１レンズ３０３はＺｎＳｅ、第２レンズ３０４はＺｎＳで形成されている。第１レンズ３０３と第２レンズ３０４は、可視光と赤外光を透過する。 撮像光学系３００は、各レンズ材料の波長分散作用により、赤外光の結像位置と前記可視光の結像位置とが、前記撮像素子の基板の厚さの分異ならせる光学機能を有している。具体的には、赤外光の結像位置は、撮像素子１００の基板の厚み相当分だけ可視光の結像位置より被写体側から離れる。
【００２５】
上述した撮像光学系３００と撮像素子１００を有する撮像部３０１とを組み合わせることで撮像装置３０２が形成される。このような撮像装置３０２は、従来よりも高感度で先鋭な画質を実現することができる。
【００２６】
赤外光は、例えば、波長が３μｍから１４μｍの範囲の光である。第１レンズ３０３および第２レンズ３０４を形成する材料は、被写体の種類や、撮像装置３０２を使用する目的に応じて適宜選択される。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る撮像素子、撮像光学系、撮像装置は、防犯用の監視カメラや車載用カメラ等に適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１００ 撮像素子
１０１ 基板
１０３ レンズアレイ
１０４ 可視撮像センサ
１０５ 赤外撮像センサ
２００ レンズアレイ
２０１ 光軸
２０２ ゾーン領域の幅
３００ 撮像光学系
３０１ 撮像部
３０２ 撮像装置
３０３ 第１レンズ
３０４ 第２レンズ
３０５ 鏡筒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の光照射面側に設けられ、可視光を電気信号に変換する可視撮像センサと、
前記基板を挟んで前記可視撮像センサと対向する位置に設けられ、赤外光を電気信号に変換する赤外撮像センサと、
前記可視撮像センサの光照射面側に設けられ、前記可視光を集光し、前記赤外光を透過する集光素子と、
を備える撮像素子。
【請求項２】
前記集光素子は、アレイ状に形成されたレンズアレイである、
請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記集光素子は、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＦ２のうちいずれか一つの材料で形成されている、請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記集光素子は、前記可視光と前記赤外光を透過する材料で可視光の波長と同程度かそれより小さな線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組合せによって構成されている、
請求項１に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記赤外撮像センサは、前記可視撮像センサより大面積である、
請求項１記載の撮像素子。
【請求項６】
請求項１に記載の撮像素子に前記可視光および赤外光を結像される光学系であって、
前記可視光および赤外光を前記撮像素子に結像させるレンズを備え、
前記レンズは、
前記赤外光の結像位置と前記可視光の結像位置とが、前記撮像素子の基板の厚さの分異ならせる光学機能を有する
撮像光学系。
【請求項７】
前記赤外光は波長が３μｍから１４μｍの光である、
請求項１記載の撮像素子。
【請求項８】
前記赤外光は波長が３μｍから１４μｍの光である、
請求項６に記載の撮像光学系。
【請求項９】
請求項１に記載の撮像素子と、請求項６に記載の撮像光学系と、
を備える撮像装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板の光照射面側に設けられ、可視光を電気信号に変換する可視撮像センサと、
前記基板を挟んで前記可視撮像センサと対向する位置に設けられ、赤外光を電気信号に変換する赤外撮像センサと、
前記可視撮像センサの光照射面側に設けられ、前記可視光を集光し、前記赤外光を透過する集光素子と、
を備える撮像素子。
【請求項２】
前記集光素子は、アレイ状に形成されたレンズアレイである、
請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記集光素子は、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＦ２のうちいずれか一つの材料で形成されている、請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記集光素子は、前記可視光と前記赤外光を透過する材料で可視光の波長と同程度かそれより小さな線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組合せによって構成されている、
請求項１に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記赤外撮像センサは、前記可視撮像センサより大面積である、
請求項１記載の撮像素子。
【請求項６】
請求項１に記載の撮像素子に前記可視光および赤外光を結像される光学系であって、
前記可視光および赤外光を前記撮像素子に結像させるレンズを備え、
前記レンズは、
前記赤外光の結像位置と前記可視光の結像位置とが、前記撮像素子の基板の厚さの分異ならせる光学機能を有する
撮像光学系。
【請求項７】
前記赤外光は波長が３μｍから１４μｍの光である、
請求項１記載の撮像素子。
【請求項８】
前記赤外光は波長が３μｍから１４μｍの光である、
請求項６に記載の撮像光学系。
【請求項９】
請求項１に記載の撮像素子と、請求項６に記載の撮像光学系と、
を備える撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１５９６８１（Ｐ２０１１−１５９６８１Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８１５０（Ｐ２０１０−１８１５０）
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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