JP6661617B2 - 光センサ及びカメラ - Google Patents

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Description

カメラは典型的に、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）又はＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）光センサなどの光センサを有しており、その上に、カメラによって撮像されるシーンからの光が、カメラの露光期間にわたって、カメラの光学系によってフォーカシング（焦点合わせ）されることで、シーンの画像が取得される。光センサは典型的に、カメラの光学系によって光センサ上にフォーカシングされた光を記録する行及び列をなす感光ピクセルのアレイを有する。これらのピクセル（画素）によって記録された光の量が決定され、シーンの画像を提供するために使用される。
光センサ内のピクセルは、光学系によって当該ピクセル上に結像されたシーンの領域からの入射光を、この入射光によって当該ピクセル内で生成された電子−正孔対によって提供される正又は負の電荷を蓄積することによって記録する。光によって生成される電子−正孔対からの電子又は正孔によって提供される電荷は、しばしば、“光電荷”として参照される。電子−正孔対は、ピクセルが有するフォトダイオードの空乏領域の中で生成されることができ、そして、電子又は正孔が、フォトダイオードに隣接した、ピクセルの蓄積領域に転送される。場合により“転送電圧”と称される電圧を、蓄積領域の上に位置する導電性の“転送”ゲートに印加することで、電子又は正孔がフォトダイオードから蓄積領域へと転送される。光センサ内のピクセルの蓄積領域に蓄積された光電荷は電圧に変換され、そして、ピクセル群によって提供される電圧のセット（組）を用いてシーンの画像を作り出し得る。光センサによって提供されるこの電圧セットは、光センサの“フレーム”として参照され得る。光センサが有する半導体材料のドーピング構造が、入射光によって生成された電子又は正孔のどちらを光センサ内のピクセルが蓄積するのかを決定する。通常、ピクセルは、電子−正孔対に由来する電子（従来から光電子としても参照されている）を蓄積することで入射光を記録する。
カメラの露光期間は一般的に、例えばカメラ光学系の焦点距離及びシーンから利用可能な光など、その下でシーンが撮像される所与の撮影条件で、カメラの光センサ内のピクセルがシーンの満足な画像を提供するのに十分な量の光を記録するように、制御可能である。例えば、光センサ内のピクセルが、薄暗く照らされたシーンの満足な画像を提供するのに十分な光を記録するため、カメラは有利には、比較的長い露光期間の間、シーンからの光を取得するように制御され得る。明るく照らされたシーンを撮像することには、比較的短い露光期間で十分であり得る。
一部の特殊目的のカメラは、露光期間について特別な制約を用いて動作することができる。例えば、飛行時間（ＴＯＦ）３次元（３Ｄ）測距カメラは、それが撮像するシーンの距離画像を取得する。距離画像は、シーン内のフィーチャ（造形物）までの距離を提供する。このカメラは、カメラからフィーチャまで、そしてカメラに戻るまで、光が往復するのにどれだけ長く要するかを決定することによって、撮像シーン内のフィーチャまでの距離を決定する。往復時間は、シーンを照らすように光のパルス群を送出し、フィーチャ群によって反射された送出光パルス内の光が、カメラからフィーチャへ、そしてカメラに戻るように伝播するのに、どれだけ長く要するかを測定することによって決定され得る。このカメラは、複数の異なる露光期間の各々の間にシーンからカメラに戻る送出光パルスからの光を記録することで、往復時間を決定するためのデータを取得し得る。それらの露光期間は、それらそれぞれの継続時間についての、及び光パルスの送出時間に対するそれらそれぞれのタイミングについての、比較的厳しい制約を満足する必要があり得る。
カメラ露光期間の継続時間は、一般に、入射光に対するカメラの光センサ内のピクセルの感度の関数である。高めの光感度によって特徴付けられるピクセルを有する光センサは、一般に、低めの光感度のピクセルを持つ光センサを用いてシーンを撮像するのに有利な光強度よりも低い、シーンからの光の強度で、シーンの満足な画像を取得するように動作可能である。入射光に対するピクセル感度は概して、ピクセル内のフォトダイオードのサイズが大きくなるにつれて上昇する。所与の露光期間で、大きめのフォトダイオードを持つピクセルは、小さめのフォトダイオードを持つピクセルよりも多くの光電荷を蓄積する。大きめのフォトダイオードを持つ光センサは、故に、小さめのフォトダイオードを持つピクセルを有するカメラよりも低い光強度で、シーンの満足な画像を提供することが可能であり得る。しかしながら、カメラの光センサ内のフォトダイオードがサイズ的に大きくなるにつれ、光センサの空間分解能、及びそれが作り出す画像の空間解像度が低下する。
本発明の一実施形態の一態様は、ピクセルに印加される電圧によって空間解像度が制御される感光ピクセルを有する光センサ（以下、“マルチモード光センサ”とも称する）を提供することに関する。一実施形態において、各“マルチモードピクセル”が、例えばＣＭＯＳ又はＣＣＤ技術などの好適技術を用いて製造された、例えばフォトダイオード又はフォトゲートなどの感光領域を有する。各感光領域が、該感光領域内で生成された光電荷を蓄積する複数の光電荷蓄積領域と関連付けられる。各光電荷蓄積領域は、それ自身の転送ゲート及び少なくとも１つのマイクロレンズと関連付けられる。所与の蓄積領域に付随する該少なくとも１つのマイクロレンズが、該マイクロレンズに入射する光を、ピクセルのその他の蓄積領域に対してよりもこの所与の蓄積領域に対して近い感光領域の領域に導き、そこで感光領域が光を電子−正孔対に変換する。以下、本明細書においては、提示の単純さのため、ピクセルの感光領域はフォトダイオードであると仮定する。
実質的に同じ適切な転送電圧がピクセルの全ての転送ゲートに同時に印加されるとき、転送電圧によってフォトダイオード内に生成される電界が、所与のマイクロレンズに入射する光からフォトダイオード内で生成された光電荷を、実質的に、該マイクロレンズに付随する蓄積領域のみに転送するよう作用する。各蓄積領域が、それに付随するマイクロレンズに入射する光の量に応じた光電荷を、ピクセル内のその他のマイクロレンズに入射する光の量とは実質的に独立に、蓄積する。故に、ピクセルは、オプションで数的にマイクロレンズ数に等しいとし得る複数のいっそう小さいピクセルとして動作する。これらの、より小さいピクセルは、ピクセルの生来の寸法に対して縮小された寸法を持ち、マイクロレンズ寸法と印加される転送電圧とによって実質的に決定される高められた空間解像度を伴う。ピクセルの全ての転送ゲートへの同じ転送電圧の印加を用いて動作しているとき、そのピクセルは高空間解像度モードで動作していると言い得る。
転送ゲートのうちの１つのみに転送電圧が印加されるとき、それに付随する蓄積領域が、フォトダイオードの実質的に全ての領域から光電荷を受け取り、ピクセルは、その生来寸法によって実質的に決定される空間解像度を持つ単一の非分割ピクセルとして動作する。ピクセル内の唯一の転送ゲートへの転送電圧の印加を用いて動作しているとき、そのピクセルは低空間解像度モードで動作していると言い得る。その転送ゲートのうちの全てよりは少ないが２つ以上に転送電圧を印加して動作している本発明の一実施形態に従ったピクセルは、中間の空間解像度モードで動作していると言い得る。
本発明の一実施形態において、フォトダイオード及びマイクロレンズは、光センサに対して垂直であり且つ実質的にフォトダイオードの中心にある軸の周りで、回転対称性を示すように構成される。一実施形態において、この回転対称性は、２以上の回数（次数）のものである。オプションで、この回転対称性の回数は４以上である。本発明の一実施形態において、マルチモードピクセルは、２つ以上の蓄積領域を有する。一実施形態において、マルチモードピクセルは、４つの蓄積領域を有する。
本発明の一実施形態の一態様は、光センサとコントローラとを有するカメラを提供することに関し、コントローラは、光センサの空間分解能を制御し、それによりカメラの空間解像度を制御するよう、光センサ内のピクセルの転送ゲートに印加される電圧を制御する。本発明の一実施形態において、コントローラは、カメラが撮影するシーンから利用可能な光に応じて電圧を制御する。オプションで、コントローラは、ピクセルの各々に届く光の強度を決定して、以下では写真とも称するシーンのコントラスト画像を取得するように、光センサ及び転送電圧を制御する。一実施形態において、カメラはＴＯＦ−３Ｄカメラであり、コントローラは、シーンの距離画像及びオプションでシーンの写真を取得するのに適した露光期間でカメラをＯＮ（オン）及びＯＦＦ（オフ）にシャッターするよう、光センサ及び転送電圧を制御する。
説明において、別の断りが述べられていない限り、例えば“実質的に”及び“約”などの、本発明の実施形態の１つ以上の特徴の条件又は関係性を修飾する副詞は、その条件又は特性が、意図される用途に関するその実施形態の動作にとって受け入れ可能である許容範囲内で規定されていることを意味するように理解される。別の断りが指し示されていない限り、明細書及び／又は請求項の中の用語“ｏｒ”は、排他的なｏｒではなく包含的なｏｒであると見なされるものであり、それが結合するアイテムのうちの少なくとも１つ又は何らかの組み合わせを指し示すものである。
この概要は、詳細な説明で更に後述される複数の概念の一部を簡略化した形態で紹介するために提示されるものである。この概要は、特許請求に係る事項の主要な特徴や本質的な特徴を特定することを意図したものではないし、特許請求に係る事項の範囲を限定するために使用されることを意図したものでもない。
以下にて、本発明の実施形態の非限定的な例が、この段落に続けてリストアップされる添付図面を参照して説明される。２つ以上の図に現れる相等しい機構は、概して、それらが現れる図の全てにおいて同じ参照符号を付される。図中の本発明の実施形態の所与の機構を表現するアイコン又はその他の図式的なしるしに付されるラベルは、その所与の機構を参照するために使用されることがある。図中に示される構成要素及び機構の寸法は、提示の簡便さ及び明瞭さのために選ばれたものであり、必ずしも縮尺通りに示されているわけではない。
本発明の一実施形態に従った、マルチモードピクセルを有するマルチモード光センサを模式的に示している。 本発明の一実施形態に従った、ピクセル内の全ての転送ゲートが転送電圧を与えられたときの、図１Ａに示したマルチモードピクセルにおける等電位線を模式的に示している。 本発明の一実施形態に従った、ピクセル内の転送ゲートのうちの異なる１つに転送電圧が与えられた状態での、図１Ａに示したマルチモードピクセルにおける等電位線を模式的に示している。 本発明の一実施形態に従った、ピクセル内の転送ゲートのうちの異なる１つに転送電圧が与えられた状態での、図１Ａに示したマルチモードピクセルにおける等電位線を模式的に示している。 本発明の一実施形態に従った、ピクセル内の転送ゲートのうちの異なる１つに転送電圧が与えられた状態での、図１Ａに示したマルチモードピクセルにおける等電位線を模式的に示している。 本発明の一実施形態に従った、ピクセル内の転送ゲートのうちの異なる１つに転送電圧が与えられた状態での、図１Ａに示したマルチモードピクセルにおける等電位線を模式的に示している。 本発明の一実施形態に従った、シーンを撮像してシーンの距離画像を取得するマルチモード光センサを有するＴＯＦ−３Ｄカメラを模式的に示している。 本発明の一実施形態に従った、図２Ａに示したシーンの撮像中のＴＯＦ−３Ｄカメラにおける、マルチモード光センサの動作及び露光期間のタイミング関係を例示するグラフである。 本発明の一実施形態に従った、図２Ａに示したシーンの撮像中のＴＯＦ−３Ｄカメラにおける、マルチモード光センサの動作及び露光期間のタイミング関係を例示するグラフである。 本発明の一実施形態に従った、図２Ａに示したシーンの撮像中のＴＯＦ−３Ｄカメラにおける、マルチモード光センサの動作及び露光期間のタイミング関係を例示するグラフである。 本発明の一実施形態に従った、図２Ａに示したシーンの撮像中のＴＯＦ−３Ｄカメラにおける、マルチモード光センサの動作及び露光期間のタイミング関係を例示するグラフである。 本発明の一実施形態に従った、図２Ａに示したシーンの距離画像を提供するために使用されるＴＯＦ−３Ｄカメラによって取得されるデータのグラフを示している。 本発明の一実施形態に従ったマルチモード光センサを有するスマートフォンを模式的に示している。
図１Ａは、本発明の一実施形態に従った、好適な基板３１に形成されたピクセル３０（マルチモードピクセル３０とも称する）を有するマルチモード光センサ２０の一部の簡略化された上面図を模式的に示している。マルチモード光センサ２０は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ光センサとすることができ、例として、ピクセル３０が有するフォトダイオード（以下参照）に入射する光によって生成される電子−正孔対からの光電子を蓄積することでピクセルに入射する光の量を記録するＣＭＯＳ光センサであると仮定する。図１Ａ及び後続の図に示されるピクセル３０の機構は、必ずしもピクセル内の同一深さにあるものではない。これらの図は、マルチモード光センサ２０の頂面（これらの図の紙面内にあると仮定）上へのこれらの機構の図解的な投影を示しており、これらの機構の相対的な横方向の位置を指し示すものである。
各マルチモードピクセル３０は、オプションで、フォトダイオード３２と４つの光電子蓄積領域４１、４２、４３及び４４を有する。転送ゲート５０が、各蓄積領域４１、４２、４３及び４４の上に重なり、及びオプションで、フォトダイオード３２の小さい領域の上に重なる。ピクセル３０の構成要素は、オプションで、エピタキシャルｐドープ層（図示せず）が上に形成された高濃度ｎドープされたシリコン基板３１（図示せず）上に形成される。フォトダイオード３２は、上記ｐドープエピタキシャル層内に形成されたｎドープ領域のジャンクションに生成される空乏領域を有し得る。蓄積領域４１、４２、４３及び４４は、埋め込まれたｎドープチャネルの部分とし得る。蓄積領域４１、４２、４３及び４４の上に位置する転送ゲート５０は、例えば金属又はポリシリコンなどの様々な好適な導電材料のうちの何れかを用いて形成される。各ピクセル３０は、各蓄積領域４１、４２、４３及び４４に蓄積された光電荷の量の測定値を、ピクセル３０内のこれら蓄積領域のうちのその他のものに蓄積された光電荷の量とは独立に提供するように構成された読み出し（リードアウト）回路３４を有し得る。フォトダイオード３２は矩形のように示されているが、本発明の実施形態に従ったマルチモードピクセル内のフォトダイオードは、矩形以外の形状を有していてもよい。例として、フォトダイオードは、矩形以外の多角形形状を有していてもよいし、円形又は不規則形状であってもよい。
マイクロレンズ６０のアレイが、フォトダイオード３２の複数部分の上に重なる。オプションで、マイクロレンズのアレイは、所与の蓄積領域４１、４２、４３及び４４の各々に対してマイクロレンズ６０を有し、これが、当該マイクロレンズに入射する光を、その他の蓄積領域に対してよりもその所与の蓄積領域に対して近いフォトダイオード３２の領域に導く。図１Ａにおいて、マイクロレンズ６０内の星形のアイコン６２は、そのマイクロレンズ６０の焦点領域を表しており、そこにそのマイクロレンズ６０は光を導く。本発明の一実施形態において、図１Ａに示すように、マイクロレンズ６０のアレイは有利には、当該アレイがフォトダイオード３２の実質的全体の上に重なり、更にフォトダイオード３２の外側の領域の上にも重なり得るように構成される。オプションで、全てのマイクロレンズ６０が円形であり、同じ直径を持ち、且つ４回回転対称構成で配列される。
本発明の一実施形態において、マルチモード光センサ２０をＯＮ及びＯＦＦにシャッターするとともに、入射光に応答してピクセル３０内で生成された光電子をピクセルの選択された蓄積領域４１、…、４４に導くために、基板３１及び転送ゲート５０に印加される電圧を、コントローラ（図１Ａに示されず）が制御する。本発明の一実施形態において、コントローラは、基板３１に、電圧ＶＯＮを印加してマルチモード光センサ２０をＯＮにシャッターし、電圧ＶＯＦＦを印加してマルチモード光センサ２０をＯＦＦにシャッターする。
ＶＯＦＦは、コントローラによって転送ゲート５０に印加される転送電圧よりも正側の電圧であり、これが基板３１に印加されるとき、マルチモードピクセル３０内の光電子は基板３１に流れ出て、蓄積領域４１、…、４４の何れにも蓄積されずに廃棄される。ＶＯＮは、コントローラによって転送ゲート５０に印加される転送電圧“ＶＧ＋”よりも正側でない電圧であり、オプションで、共通グランド電圧である。コントローラが、基板３１にＶＯＮを印加するとともに、ピクセル３０の所与の蓄積領域４１、…、４４に付随する転送ゲート５０に転送電圧ＶＧ＋を印加するとき、フォトダイオード３２内で生成される光電子は基板３１に流れ出ない。転送電圧ＶＧ＋は、その転送ゲートに付随する蓄積領域の方に光電子をドリフトさせて該蓄積領域に蓄積させる力をフォトダイオード内の光電子に印加する電界を、フォトダイオード３２内に生成する。基板３１を電圧ＶＯＮに維持するとともに、ゲート５０に転送電圧ＶＧ＋を選択的に印加することにより、コントローラは、マルチモード光センサを有するカメラに、異なるシーケンス及びタイプの露光期間を提供するようにマルチモード光センサ２０を動作させ、シーンの画像を取得するための異なる空間分解能を該カメラに提供し得る。
例として、図１Ｂは、ピクセルが有する全ての転送ゲート５０にコントローラが同時に同じＶＧ＋を与える高空間解像度モードで動作しているマルチモードピクセル３０を模式的に示している。転送ゲート５０の陰影付けは、転送ゲートが転送電圧ＶＧ＋によって帯電されることを指し示している。各転送ゲート５０を帯電させる転送電圧は、蓄積領域に隣接するフォトダイオード３２の部分から蓄積領域に光電子を引き付ける電界を、フォトダイオード３２内に生成する。蓄積領域４１、４２、４３、４４が、その蓄積領域の転送ゲート５０が転送電圧を与えられるときに、そこから光電子を集めるフォトダイオード３２の部分は、フォトダイオードの“収集領域”として参照され得る。蓄積領域４１、４２、４３、４４の収集領域内の等高線７０は、等電位面を表しており、以下では、生成される電界の“等電位面”又は“等電位線”とも称する。フォトダイオード３２内の或る位置における電界の向きは、その位置での等電位面７０に垂直であり、電界の強さは、その位置での等電位同士間の距離に反比例する。図１Ｂ中の“フィールド”矢印７１が、帯電された転送ゲート５０によってフォトダイオード３２内の様々な位置に生成される電界の向きを模式的に指し示している。
図１Ｂに示した、蓄積領域４１、…、４４、転送ゲート５０、及び同一転送電圧ＶＧ＋による転送ゲート５０の同時帯電の構成では、蓄積領域４１、４２、４３、４４のそれぞれの収集領域は、実質的に同じ形状及びサイズであり、隣接し合う収集領域内の電界は、実質的に互いの鏡像である。所与の蓄積領域４１、４２、４３、４４の収集領域は、その所与の蓄積領域に付随するマイクロレンズ６０の下にあるフォトダイオード３２の部分を有する。加えて、所与の蓄積領域の収集領域は、付随するマイクロレンズが上に重なってはいないが、他の蓄積領域のマイクロレンズに対してよりも付随するマイクロレンズに対して近いフォトダイオード３２の領域を有し得る。所与の蓄積領域４１、４２、４３、４４の付随するマイクロレンズ６０に対して近い、その蓄積領域の収集領域に含められるフォトダイオード３２の上記領域は、収集領域の周辺領域として参照され得る。
各蓄積領域４１、４２、４３、４４によって、その付随する収集領域から集められる光電子は、その収集領域の上に位置するマイクロレンズ６０によって収集領域に向けられる光、及びその収集領域の周辺領域に入射する光によって生成される。しかしながら、上述のように、また、図１Ａ及び１Ｂに示されるマイクロレンズ６０の構成によって指し示されるように、マイクロレンズ６０は、フォトダイオード３２の外側のピクセル３０の領域の上に重なっている。所与の蓄積領域４１、４２、４３、４４に付随するマイクロレンズ６０は、その収集領域よりも実質的に大きいとし得るピクセル３０の領域から、その蓄積領域の収集領域に、光を集めて導き得る。ピクセル３０が有する各蓄積領域４１、４２、４３、４４及び付随するマイクロレンズ６０は、故に、ピクセル３０よりも小さく、且つ付随するマイクロレンズの寸法によって実質的に決定される寸法を持った、独立したピクセルとして動作し得る。
図１Ｃは、コントローラが、基板３１に電圧ＶＯＮを印加するとともに蓄積領域４１に付随する転送ゲート５０のみに転送電圧ＶＧ＋を印加する低空間解像度モードで動作しているピクセル３０を模式的に示している。蓄積領域４２、４３、４４に付随する転送ゲート５０は、フローティングであり、あるいはＶＯＮに帯電され得る。蓄積領域４１に付随する転送ゲート５０に印加された転送電圧ＶＧ＋は、フォトダイオード３２内の実質的にあらゆる場所で生成される電子−正孔対によって提供される光電子について、それを蓄積領域４１に移動させるように作用する電界を生成する。等電位線７０は、生成される電界の構成を示しており、フィールド矢印７１は、フォトダイオード３２内の様々な位置における電界の向きを模式的に指し示している。この低解像度モードにおいて、マルチモードピクセル３０は、ピクセルの生来の寸法によって実質的に決定される空間分解能を持ち、ピクセルに入射する光の強度は、（オプションで読み出し回路３４によって提供される）蓄積領域４１に蓄積された光電子の量の指標に応じて決定され得る。
なお、図１Ｃに模式的に示した低空間解像度モードで動作するとき、マルチモードピクセル３０は、ピクセルが高空間解像度モードで動作することによって提供される空間解像度に対して約１／４の乏しさの空間解像度をもたらす。しかしながら、同じ強度の入射光及び同じ露光期間で、低空間解像度モードで動作するピクセル３０は、フォトダイオード３２内で生成される光電子を蓄えるのに使用される蓄積領域４１、４２、４３、又は４４の中で、高解像度モードで動作するときにピクセルが行うものの約４倍の多さの光電子を集める。故に、蓄積領域４１、４２、４３又は４４に蓄積される特定の最小数の光電子が、ショット雑音の有利な大きさによって特徴付けられる場合、ピクセル３０は、ピクセルが高空間解像度モードでの最小動作を提供するための強度よりも約１／４の低さの入射光の強度で上記最小数を提供する。結果として、マルチモード光センサ２０は有利には、低照度の条件下でシーンを撮像するために使用されるときに低空間解像度モードで動作され得る。
図１Ｄ、１Ｅ及び１Ｆは、図１Ｃに示した低空間解像度モードと同様の低空間解像度モードで動作しているピクセル３０を模式的に示しているが、それぞれ蓄積領域４２、４３及び４４に付随する転送ゲート５０に転送電圧ＶＧ＋が印加されている。
数値例として、マルチモード光センサ２０は、約１５μｍ（マイクロメートル）以下のピッチによって特徴付けられるマルチモードピクセル３０を有し得る。各マルチモードピクセル３０は、約８μｍに等しい最大横方向寸法を持つフォトダイオード３２を有し得る。約１０μｍ又は約７μｍのピッチを持つピクセル３０に関し、フォトダイオード３２は、それぞれ、約６μｍ又は４．５μｍの最大横方向寸法を持ち得る。本発明の一実施形態に従ったマルチモードピクセルのフィルファクタは約７０％以上であり得る。
図２Ａは、本発明の一実施形態に従った、シーン１３０の距離画像を取得するように動作している、図１Ａ−１Ｆに示したマルチモード光センサ２０と同様のマルチモード光センサ２０を有するＴＯＦ−３Ｄカメラ１２０を模式的に示している。物体１３１及び１３２を有するシーン１３０が模式的に示されている。
ＴＯＦ−３Ｄカメラ１２０は、非常に模式的に表されたものであり、シーン１３０をマルチモード光センサ２０上に結像するレンズ１２１によって表されたレンズ系を有する。オプションで、ＴＯＦ−３Ｄカメラは、オプションでＩＲ（赤外）光のパルスでシーン１３０を照らすように制御可能な、例えばレーザ若しくはＬＥＤ又はレーザ及び／又はＬＥＤのアレイなどの光源１２６を有する。コントローラ１２４が、光源１２６のパルス動作と、光源１２６によって放たれた光パルスからシーン内のフィーチャによって反射された光を用いたマルチモード光センサ２０によるシーン１３０の撮像とを制御する。コントローラ１２４はオプションで、マルチモード光センサをＯＮ及びＯＦＦにシャッターするために、それぞれ、ＶＯＮ及びＶＯＦＦを適用する。コントローラは、異なる露光期間において、異なる光電荷蓄積領域４１、４２、４３及び４４に付随する転送ゲート５０に選択的に転送電圧ＶＧ＋を印加して、シーン１３０をマルチモード光センサ２０上に結像させる。シーン１３０内のフィーチャまでの距離を決定するためのデータを取得してシーンの距離画像を得るために、これら異なる露光期間は、シーン１３０を照らすように光源１２６が光パルスを送出する時間に対して時間を決められる。
本発明の一実施形態において、データ及びそれによるシーン１３０内のフィーチャまでの距離を取得するため、コントローラ１２４は、マルチモード光センサ２０をＯＮにするとともに、矩形パルス１４１のトレイン１４０によって図２Ａに模式的に表された光パルスのトレインでシーン１３０を照らすように光源１２６を制御する。シーン１３０内のフィーチャが、送出された光パルストレイン１４０からの光を、反射光パルストレインにてＴＯＦ−３Ｄカメラに反射し返す。例として、図２Ａは、物体１３２及び１３１それぞれのフィーチャＡ及びＢによって反射された光パルス１４６及び１４８をそれぞれ有する反射光パルストレイン１４５及び１４７を模式的に示している。例えば反射光パルストレイン１４５内の反射光パルス１４６又は反射光パルストレイン１４７内の反射光パルス１４８などの、反射光パルストレイン内の各反射光パルスは、送出光パルス１４１のものと実質的に同じパルス形状及び幅を持つ。同一の反射光パルストレイン内の反射パルスの繰り返し周期は、送出光パルストレイン１４０内の送出光パルス１４１の繰り返し周期と実質的に同じである。光パルス１４１、１４６及び１４８は、オプションで約１０−３０ｎｓ（ナノ秒）の間の、パルス幅“τ”を有し得る。
各送出光パルス１４１の送出後の所定の遅延の後、コントローラ１２４は、マルチモード光センサ２０の露光期間を決定する電圧設定をマルチモード光センサ２０に与え、その露光期間の間、マルチモード光センサ２０は、シーン１３０内のフィーチャによって送出光パルスから反射された光パルスの光を記録する。一実施形態において、コントローラ１２４は、少なくとも１つの蓄積領域４１、４２，４３又は４４に付随する転送ゲート５０に転送電圧ＶＧ＋を印加するとともに、露光期間のタイミング及び継続時間を決定する電圧ＶＯＮ及びＶＯＦＦをマルチモード光センサ２０の基板３１（図１Ａ）に印加する。露光期間の間、マルチモード光センサ２０のピクセル３０に入射した光によって生成された光電子が、その蓄積領域に関して転送ゲート５０が転送電圧によって帯電されているそのピクセルの少なくとも１つの蓄積領域４１、４２、４３又は４４に、ドリフトして、そこに蓄積される。
所与のピクセル３０が、当該所与のピクセル上に結像された、シーン１３０内のフィーチャによって送出光パルス１４１から反射された反射光パルスから、露光期間中に記録する光の量は、露光期間と反射光パルスとの畳み込み（コンボリューション）に実質的に比例する。この畳み込みは、送出光パルス１４１の送出の時間と露光期間との間の所定の遅延、撮像されるフィーチャのＴＯＦ−３Ｄカメラ１２０からの距離、反射光パルスの形状及び露光期間の関数である。
本発明の一実施形態において、コントローラ１２４は、３つの異なるタイプの露光期間に間にシーン１３０のフィーチャによって反射された反射光パルスの光を記録するように、マルチモード光センサ２０を制御する。図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄそれぞれのグラフ１８１、１８２及び１８３は、光源１２６によって送出される光パルスとピクセル３０の露光期間とを模式的に表したものを示している。これらのグラフは、３つのタイプの露光期間、及び、露光期間と送出光パルス１４１との間の時間的関係を例示している。
図２Ｂに示されるグラフ１８１は、“二重露光期間”として参照する２つの順次の構成露光期間をオプションで有する第１タイプの露光期間を例示している。このグラフは、“照射”というラベルが付されたグラフ線１９１に沿った、時間Ｔ０に送出される送出光パルス１４１と、グラフ線１９２に沿った、蓄積領域４１、４２、４３又は４４の転送ゲート５０にコントローラ１２４によって印加される電圧と、“基板”というラベルが付されたグラフ線１９３に沿った、マルチモード光センサ２０の基板３１に印加される電圧とを模式的に示している。この複合的な露光期間の間に光電子を蓄積するよう、コントローラ１２４はオプションで、グラフ線１９２に沿って示される転送電圧ＶＧ＋を、ピクセル３０の蓄積領域４１に付随する転送ゲート５０のみに印加する。転送電圧ＶＧ＋は、光パルス１４１の送出に先立って印加され得る。図２Ｂ中の挿絵１９５は、ピクセル３０と、ピクセルの蓄積領域４１に付随する転送ゲート５０とを模式的に示しており、蓄積領域４１に付随する転送ゲート５０は、光電荷蓄積領域４１の転送ゲート５０のみに転送電圧ＶＧ＋が印加されることを図形的に指し示すために陰影付けることによって区別されている。グラフ線１９２も、蓄積領域４１の転送ゲート５０のみが転送電圧ＶＧ＋を与えられることを指し示すために、４１−ＶＧ＋なるラベルを付されている。コントローラ１２４は、光パルス１４１の送出に先立って基板３１に電圧ＶＯＦＦを印加する。基板３１上にＶＯＦＦが維持される限り、マルチモード光センサ２０内のピクセル３０のフォトダイオード３２に入射する光によって生成される光電子は、基板３１に流れ出て、マルチモード光センサ内のピクセルの何れの蓄積領域によっても蓄積されない。
遅延時間Ｔ１後、コントローラ１２４は、二重露光期間のうちの第１の構成露光期間において、そしてその後に再び、二重露光期間のうちの第２の構成露光期間における遅延時間Ｔ４に、マルチモード光センサ２０の基板３１に電圧ＶＯＮ（グラフ線１９３）を印加して光を記録する。オプションで、これらの構成露光期間は、送出光パルスのものに等しい継続時間を有し、例として、Ｔ４−Ｔ１は、約６ｎｓ以上且つ約３０ｎｓ以下とし得る。コントローラ１２４が基板３１にＶＯＮを印加する構成露光期間の各々の間、送出光パルス１４１から反射された光パルスの光によってピクセル３０のフォトダイオード３２内のあらゆる場所で生成された光電子が、ピクセルの蓄積領域４１にドリフトし、その中に蓄積される。所与のピクセル３０の蓄積領域４１が、当該所与のピクセル上に結像された、シーン１３０内のフィーチャによって送出光パルス１４１から反射された光パルスから、二重露光期間中に蓄積する光の量は、二重露光期間と反射光パルスとの畳み込みに実質的に比例する。本発明の一実施形態において、コントローラ１２４は、パルストレイン１４０内の複数の光パルス１４１の各々に関する二重露光期間の間、光電子を蓄積するようにマルチモード光センサ２０を制御する。
図２Ｃのグラフ１８２は、本発明の一実施形態に従った、３つの露光期間のうちの第２タイプの露光期間を模式的に例示している。第２タイプの露光期間では、コントローラ１２４は、オプションで、蓄積領域４２に付随する転送ゲート５０のみに転送電圧を印加する。図２Ｃにおいて、グラフ１８２中のグラフ線１９２は、４２−ＶＧ＋なるラベルを付されており、挿絵１９５は、蓄積領域４２の転送ゲート５０のみが転送電圧ＶＧ＋を与えられることを指し示すために陰影付けられた蓄積領域４２の転送ゲート５０を示している。コントローラ１２４は、シーン１３０を照らすように光パルス１４１が送出される時間Ｔ０後の時間Ｔ２に第２タイプの露光期間を開始するように、マルチモード光センサ２０の基板３１に電圧ＶＯＮ及びＶＯＦＦを印加する（グラフ線１９３）。オプションで、Ｔ２は、Ｔ１よりも遅延時間ΔＴ１２だけ後であり、且つＴ４よりも先である。例として、ΔＴ１２は、約２ｎｓ以上且つ約１０ｎｓ以下とし得る。第２タイプの露光期間の間、送出光パルス１４１（グラフ線１９１）から反射された光パルスの入射光によって生成された光電子が、蓄積領域４２内に蓄積される。本発明の一実施形態において、コントローラ１２４は、パルストレイン１４０内の複数の光パルス１４１の各々に関する第２タイプの露光期間の間、光電子を蓄積するようにマルチモード光センサ２０を制御する。
図２Ｄのグラフ１８３は、本発明の一実施形態に従った、３つの露光期間のうちの第３タイプの露光期間を模式的に例示している。第３タイプの露光期間は、オプションで、第２タイプの露光と同様であるが、Ｔ４よりも先であり且つＴ２よりも時間ΔＴ２３の期間だけ後であるとし得る時間Ｔ３に開始する。例として、ΔＴ２３は、約２ｎｓ以上且つ約１０ｎｓ以下とし得る。第３タイプの露光期間では、コントローラ１２４は、オプションで、蓄積領域４３に付随する転送ゲート５０のみに転送電圧を印加する。図２Ｄにおいて、グラフ１８３中のグラフ線１９２は、４３−ＶＧ＋なるラベルを付されており、挿絵１９５は、蓄積領域４３の転送ゲート５０のみが転送電圧ＶＧ＋を与えられることを指し示すために陰影付けられた蓄積領域４３の転送ゲート５０を示している。第３タイプの露光期間の間、送出光パルス１４１から反射された光パルスの入射光によって生成された光電子が、蓄積領域４３内に蓄積される。本発明の一実施形態において、コントローラ１２４は、パルストレイン１４０内の複数の光パルス１４１の各々に関する第３タイプの露光期間の間、光電子を蓄積するようにマルチモード光センサ２０を制御する。
本発明の一実施形態において、コントローラ１２４は、ＴＯＦ−３Ｄカメラ１２０に到達する背景光の量を決定するために、シーンが光パルスで照らされないときの或る露光期間中にシーン１３０を撮像するよう、マルチモード光センサ２０を制御する。オプションで、コントローラ１２４は、図２Ｅ中のグラフ１８４に模式的に例示されるように、マルチモード光センサ２０を動作させ、電圧ＶＯＮによって決定される露光期間の間、蓄積領域４４に光電荷を蓄積するよう、光電荷蓄積領域４４の転送ゲート５０のみに転送電圧ＶＧ＋を印加する。
蓄積領域４１、４２、４３及び４４内での光電荷の蓄積後、コントローラ１２４は、マルチモード光センサ２０のフレームを取得することで、各マルチモードピクセル３０の蓄積領域４１、４２、４３及び４４に蓄積された光電子の量の指標を提供する電圧を得る。コントローラ１２４は、各ピクセル３０の蓄積領域４１、４２、４３及び４４に蓄積された光電子の測定量を、そのピクセルの蓄積領域４４に蓄積された光電子の測定量に応じた、背景光によって蓄積領域に蓄積された光電子に関して補正する。ピクセル３０の蓄積領域４１、４２及び４３に関する補正された指標は、それぞれ、二重露光期間、第２タイプの露光期間、及び第３タイプの露光期間の間に送出光パルス１４１からピクセル上に結像された、シーン１３０内のフィーチャによって反射された光パルスの上記畳み込みに比例する。コントローラ１２４は、これらの畳み込みの指標を用いて、ＴＯＦ−３Ｄカメラ１２０からフィーチャまでの距離を決定する。
例えば、物体１３２のフィーチャＡ（図２Ａ）が結像されるピクセル１３０の蓄積領域４１、４２及び４３に関する補正された指標は、二重、第２タイプ、及び第３タイプの露光期間の、反射光パルス１４６との畳み込みの指標を提供する。コントローラ１２４は、これらの指標を用いて、ＴＯＦ−３Ｄカメラ１２０からのフィーチャＡの距離を決定し得る。
例として、シーン１３０内のフィーチャを撮像する所与のピクセル３０の光電荷蓄積領域４１、４２及び４３に関して決定された畳み込みを、それぞれ、Ｃ４１、Ｃ４２及びＣ４３とする。Ｃ４１、Ｃ４２及びＣ４３の値を、図２Ｆのグラフ１８５に、該グラフの横座標に沿って示したセンチメートル（ｃｍ）単位でのフィーチャの距離の関数として示す。このグラフの縦座標は、任意単位で目盛り付けられている。所与のピクセル上で撮像されたフィーチャの距離は、その所与のピクセルに関して決定されたＣ４１、Ｃ４２及びＣ４３の値から求められ得る。グラフ１８５は、Ｃ４１＊、Ｃ４２＊及びＣ４３＊によって表された決定値を示している。このグラフから、これらの決定値が、約１２５ｃｍに等しい撮像フィーチャの距離に対する値と最も適合することが分かる。
本発明の一実施形態において、マルチモード光センサ２０と同様の光センサが、本発明の一実施形態に従ったシーンの写真を取得するように動作するカメラに含められ得る。例として、図３は、本発明の一実施形態に従ったマルチモード光センサ２０を持つカメラ２０２を有するスマートフォン２００を模式的に示している。図３は、シーン３００を撮像するために使用されているスマートフォンカメラ２０２を模式的に示している。
本発明の一実施形態において、スマートフォン２００内のコントローラ（図示せず）が、スマートフォンカメラ２０２によってシーン３００から収集される光の強度の指標と強度閾値とに応じて、高空間解像度モード又は低空間解像度モードで動作するようにマルチモード光センサ２０を制御する。収集される光の強度は、スマートフォン２００が有する何らかの好適な光メータ及び／又はアプリケーション（図示せず）によって決定され得る。光の強度が強度閾値よりも高い場合、コントローラは、高空間解像度モードで動作するようにマルチモード光センサ２０を制御して、シーン３００を撮像し得る。収集される光の強度が強度閾値よりも低い場合、コントローラは、低空間解像度モードで動作するようにマルチモード光センサ２０を制御して、シーン３００を撮像し得る。
故に、本発明の一実施形態に従って、基板上に形成された複数の感光ピクセルを持つマルチモード光センサが提供され、各ピクセルは、その中で入射光が光電荷キャリアを生成する感光領域と、前記感光領域内で生成された光電荷キャリアを蓄積する複数の蓄積領域と、前記複数の蓄積領域の各蓄積領域に付随する転送ゲートであり、前記感光領域内の光電荷を該蓄積領域にドリフトさせるように帯電可能な転送ゲートと、前記複数の蓄積領域の各蓄積領域に対して少なくとも１つのマイクロレンズを有するマイクロレンズのアレイであり、該少なくとも１つのマイクロレンズは、該少なくとも１つのマイクロレンズに入射する光を、前記複数の蓄積領域のうちの他の蓄積領域に対してよりも該蓄積領域に対して近い前記感光領域の領域に導く、マイクロレンズのアレイとを有する。
オプションで、前記マイクロレンズのアレイは、各蓄積領域に対して単一のマイクロレンズを有する。代わりに、あるいは加えて、前記マイクロレンズのアレイは回転対称性を示す。オプションで、前記回転対称性は、前記複数の蓄積領域の個数に等しい回数を持つ。本発明の一実施形態において、前記複数の蓄積領域の個数は２である。発明の一実施形態において、前記複数の蓄積領域の個数は４以上である。
本発明の一実施形態において、当該マルチモード光センサは、蓄積領域に付随する転送ゲートを帯電させることで前記感光領域内で生成された光電荷を該蓄積領域にドリフトさせるコントローラを有する。オプションで、前記コントローラは、１つの蓄積領域のみの転送ゲートを転送電圧で帯電させることで、前記感光領域内の実質的にあらゆる位置で生成された光電荷を前記１つの蓄積領域にドリフトさせる。代わりに、あるいは加えて、前記コントローラは、各蓄積領域に付随する転送ゲートを同時に同じ転送電圧で帯電させることで、或る蓄積領域に対して最も近い前記感光領域内の位置で生成された光電荷を該蓄積領域にドリフトさせる。
本発明の一実施形態において、前記コントローラは、前記基板を帯電させることで、当該光センサをオン及びオフにシャッターする。
本発明の一実施形態において、前記感光領域はフォトダイオードを有する。一実施形態において、前記感光領域はフォトゲートを有する。
本発明の一実施形態において、さらに、シーンを撮像して前記シーン内のフィーチャまでの距離を決定する飛行時間（ＴＯＦ）３次元（３Ｄ）カメラが提供され、当該ＴＯＦ−３Ｄカメラは、前記シーンを照らすように光パルスのトレインを送出する光源と、前記送出された光パルスから前記フィーチャによって反射された光を受ける本発明の一実施形態に従ったマルチモード光センサと、各光パルスの後に前記光センサをオン及びオフにシャッターし、複数の異なる露光期間から選択された露光期間の間、前記フィーチャによって反射された前記光パルスからの光によって前記マルチモード光センサ内のピクセルのフォトダイオード内で生成された光電荷を蓄積させるコントローラとを有し、前記コントローラは、異なる蓄積領域内に、異なる露光期間の間に生成された光電荷を蓄積させるように、異なる蓄積領域の転送ゲートを帯電させ、異なる蓄積領域内に蓄積された光電荷の量を前記マルチモード光センサの同じフレームから決定し、前記量を用いて前記シーン内のフィーチャまでの距離を決定する。
オプションで、前記異なる露光期間は、前記光パルスのトレイン内の光パルスが送出された時間の後の異なる時間に開始する露光期間を有する。加えて、あるいは代わりに、前記異なる露光期間は、異なる継続時間を持つ露光期間を有し得る。前記異なる露光期間は、異なる形状を持つ露光期間を有し得る。
本発明の一実施形態において、前記複数の異なる露光期間の個数は２以上である。オプションで、前記複数の蓄積領域の個数は、前記複数の異なる露光期間の個数以上である。
本発明の一実施形態において、さらに、シーンを撮像して前記シーン内の写真を取得するカメラが提供され、当該カメラは、前記シーンからの光を受ける本発明の一実施形態に従ったマルチモード光センサと、前記シーンから当該カメラに到達する光の強度を決定する光メータと、前記光メータによる光の強度の指標に応じて伝送ゲートの帯電を制御するコントローラとを有する。オプションで、前記コントローラは、光強度閾値に応じて前記転送ゲートの帯電を制御する。測定された強度が前記閾値よりも低い場合、前記コントローラは、１つの蓄積領域のみの転送ゲートを転送電圧で帯電させ得る。測定された強度が前記閾値よりも高い場合、前記コントローラは、各蓄積領域に付随する転送ゲートを同時に同じ転送電圧で帯電させ得る。
本出願の明細書及び請求項において、動詞“有する”、“含む”及び“持つ”の各々、並びにこれらの活用形は、その動詞の１つ以上の目的語が必ずしも、その動詞の１つ以上の対象の構成要素、要素又は部分の完全なる列挙ではないことを指し示すために使用される。
本出願における発明の実施形態の説明は、例として提供されたものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。説明された実施形態は、それらの全てが本発明の全ての実施形態に必要とされるわけではない様々な特徴を有する。一部の実施形態は、それらの特徴のうちの一部のみ、又はそれらの特徴の可能な組み合わせを使用する。説明された本発明の実施形態の変形、及び説明された実施形態にて言及された特徴の様々な組み合わせを有する本発明の実施形態が可能である。

Claims (15)

  1. 基板上に形成された複数のピクセルを持つ光センサであって、各ピクセルが、
    その中で入射光が光電荷キャリアを生成する感光領域と、
    前記感光領域内で生成された光電荷キャリアを蓄積する複数の蓄積領域と、
    前記複数の蓄積領域の各蓄積領域に付随する転送ゲートであり、該転送ゲートに転送電圧が印加されることにより、前記感光領域内の光電荷を該蓄積領域にドリフトさせるように帯電可能な転送ゲートと、
    前記複数の蓄積領域の各蓄積領域に対して少なくとも１つのマイクロレンズを有するマイクロレンズのアレイであり、該少なくとも１つのマイクロレンズは、該少なくとも１つのマイクロレンズに入射する光を、前記複数の蓄積領域のうちの他の蓄積領域に対してよりも該蓄積領域に対して近い前記感光領域の領域に導く、マイクロレンズのアレイと
    を有する、
    光センサ。
  2. 前記マイクロレンズのアレイは、各蓄積領域に対して単一のマイクロレンズを有する、請求項１に記載の光センサ。
  3. 前記マイクロレンズのアレイは回転対称性を示す、請求項１又は２に記載の光センサ。
  4. 前記回転対称性は、前記複数の蓄積領域の個数に等しい回数を持つ、請求項３に記載の光センサ。
  5. 前記複数の蓄積領域の個数は２以上である、請求項１乃至４の何れかに記載の光センサ。
  6. 蓄積領域に付随する転送ゲートを帯電させることで、前記感光領域内で生成された光電荷を該蓄積領域にドリフトさせるコントローラ、を有する請求項１乃至５の何れかに記載の光センサ。
  7. 前記コントローラは、１つの蓄積領域のみの転送ゲートを転送電圧で帯電させることで、前記感光領域内の実質的にあらゆる位置で生成された光電荷を前記１つの蓄積領域にドリフトさせる、請求項６に記載の光センサ。
  8. 前記コントローラは、各蓄積領域に付随する転送ゲートを同時に同じ転送電圧で帯電させることで、或る蓄積領域に対して最も近い前記感光領域内の位置で生成された光電荷を該蓄積領域にドリフトさせる、請求項６又は７に記載の光センサ。
  9. 前記コントローラは、前記基板を帯電させることで、当該光センサをオン及びオフにシャッターする、請求項６乃至８の何れかに記載の光センサ。
  10. シーンを撮像して前記シーン内のフィーチャまでの距離を決定する飛行時間（ＴＯＦ）３次元（３Ｄ）カメラであって、当該ＴＯＦ−３Ｄカメラは、
    前記シーンを照らすように光パルスのトレインを送出する光源と、
    前記送出された光パルスから前記フィーチャによって反射された光を受ける請求項１乃至５の何れかに記載の光センサと、
    各光パルスの後に前記光センサをオン及びオフにシャッターし、複数の異なる露光期間から選択された露光期間の間、前記フィーチャによって反射された前記光パルスからの光によって前記光センサ内のピクセルのフォトダイオード内で生成された光電荷を蓄積させるコントローラと
    を有し、
    前記コントローラは、異なる蓄積領域内に、異なる露光期間の間に生成された光電荷を蓄積させるように、異なる蓄積領域の転送ゲートを帯電させ、異なる蓄積領域内に蓄積された光電荷の量を前記光センサの同じフレームから決定し、前記量を用いて前記シーン内のフィーチャまでの距離を決定する、
    ＴＯＦ−３Ｄカメラ。
  11. 前記異なる露光期間は、前記光パルスのトレイン内の光パルスが送出された時間の後の異なる時間に開始する露光期間を有する、請求項１０に記載のＴＯＦ−３Ｄカメラ。
  12. 前記異なる露光期間は、異なる継続時間を持つ露光期間を有する、請求項１０又は１１に記載のＴＯＦ−３Ｄカメラ。
  13. 前記複数の異なる露光期間の個数は２以上であり、前記複数の蓄積領域の個数は、前記複数の異なる露光期間の個数以上である、請求項１０乃至１２の何れかに記載のＴＯＦ−３Ｄカメラ。
  14. シーンを撮像して前記シーン内の写真を取得するカメラであって、
    前記シーンからの光を受ける請求項８に記載の光センサと、
    前記シーンから当該カメラに到達する光の強度を決定する光メータと、
    を有し、前記コントローラは、前記光メータによる光の強度の指標に応じて前記転送ゲートの帯電を制御する、カメラ。
  15. 前記コントローラは、光強度閾値に応じて前記転送ゲートの帯電を制御する、請求項１４に記載のカメラ。
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