JP2014135451A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相差画素があることによる撮影画像の感度や解像度の低下を抑止する。
【解決手段】固体撮像装置１０は、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂと調光制御部６１，６２を備える。ハイブリッド画素４２ａは、フォトダイオードの入射面の一部を覆い、印加される電圧に応じて透過光量が変化する調光素子５５Ａと、フォトダイオードの入射面の残りの部分を覆い、印加される電圧に応じて透過光量が変化する調光素子５５Ｂを備える。ハイブリッド画素４２ｂは、ハイブリッド画素４２ａに対して調光素子５５Ａ，５５Ｂの位置を入れ替えた画素である。調光制御部は、調光素子５５Ｂにだけ電圧を印加して、調光素子５５Ａを透明にしたまま、調光素子５５Ｂを不透明にすることにより、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを一対の位相差画素として機能させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、焦点検出等に利用される非対称な画素を有する固体撮像装置に関する。

携帯電話機やスマートフォン等の携帯機器に搭載されるカメラモジュールやデジタルカメラにはオートフォーカス機能がほぼ標準的に搭載されている。オートフォーカス機能を実現するための方法は複数知られており、例えば、近年のカメラモジュールやデジタルカメラでは、像のコントラストが最大になるように焦点調節を行うコントラスト検出方式（いわゆるコントラストＡＦ）や、視差による位相差に基づいて焦点調節を行う位相差検出方式（以下、位相差ＡＦという）が多く用いられている。

位相差ＡＦには、例えば、特許文献１に記載の固体撮像装置のように、複数の画素が配列された受光領域内の所定箇所に、左右方向に非対称な形状に形成された焦点検出用画素（以下、位相差画素）を有する固体撮像装置が用いられる。そして、位相差画素が左右いずれかの方向から入射する光を選択的に受光することにより得られる信号に基づいて、位相差（視差）を算出し、位相差が小さくなるように撮像レンズを駆動することにより焦点調節を行う。また、特許文献１ではカラーフィルタを左右方向に非対称にすることで位相差画素を形成しているが、フォトダイオードの中心に対して開口を偏心して配置したり、層内レンズを非対称形状にしたりすることで位相差画素を形成するものも知られている。

また、位相差ＡＦに用いるような左右方向に非対称形状に形成された画素は、単眼の３Ｄ撮像装置にも用いられることがある。単眼３Ｄ撮像装置は、１つの固体撮像装置によって左右に視差のある立体視用の２枚の画像を同時に得る撮像装置であり、位相差画素と同様の非対称な画素が撮像領域の全面に配列され、１個のオンチップマイクロレンズに対して２つのフォトダイオードを設けることによって位相差画素が形成される（特許文献２）。

特開２０１２−００３００９号公報 国際公開２０１２／０２６２９２号パンフレット

上述のように、位相差画素は非対称な形状に形成されているので、通常の対称な形状の画素（以下、通常画素という）とは得られる信号が異なっている。このため、位相差ＡＦの後、被写体の画像を撮像する場合には、位相差画素の画素値をそのまま用いることができないので、位相差画素の画素値をゲイン補正して使用したり、周辺の通常画素を用いて補間により算出した画素値で代用したりする必要がある。このように、位相差画素の画素値をゲイン補正したり、補間により算出したりする場合、被写体の具体的態様やゲイン補正や補間の精度等によっては、位相差画素のある部分で感度や解像度が低下してしまう場合がある。

さらに、近年のカメラモジュールやデジタルカメラ等においては、動画の撮影や画素加算をする駆動モードが用意されている場合があるが、位相差画素を有する固体撮像装置では上述のように位相差画素があることによって画質が劣化してしまう場合があるので、これらの駆動モードを採用できない場合がある。このため、位相差ＡＦによる正確な焦点調節が可能になる代わりに、その他の利便性が損なわれてしまう場合がある。

また、位相差画素が全面に配置された３Ｄ撮像装置では、右目用の位相差画素と左目用の位相差画素からそれぞれ得られる信号を用いることにより位相差ＡＦを行うことができるが、３Ｄ撮像装置で２Ｄ画像を得る場合、右目用あるいは左目用の画像の一方のみを用いたり、左右の位相差画素の画素値を平均したり、合算する必要がある。しかし、これらの方法では得られる画像の画素数は、撮像領域に配列された画素数の半数であり、撮影画像の解像度が低くなってしまう。また、右目用あるいは左目用の画像は、全て位相差画素で得られた画素値を用いているので、全方向から均等に受光する通常の画素で撮像する場合と比較すれば感度が悪い。

本発明は、位相差ＡＦを行うことができる固体撮像装置でありながら、撮影画像の感度や解像度の低下を抑止する固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、第１ハイブリッド画素、第２ハイブリッド画素、調光制御部を備える。第１ハイブリッド画素は、被写体からの入射光を光電変換するフォトダイオードの入射面の一部を覆い、印加される電圧に応じて透過光量が変化する第１調光素子と、前記フォトダイオードの入射面の残りの部分を覆い、印加される電圧に応じて透過光量が変化する第２調光素子を備える。第２ハイブリッド画素は、第１ハイブリッド画素に対して第１調光素子と第２調光素子の位置を入れ替えた画素である。調光制御部は、第１調光素子と第２調光素子の少なくとも一方に電圧を印加して、第１調光素子または第２調光素子の一方を透明にし、他方を不透明にすることにより、第１ハイブリッド画素及び第２ハイブリッド画素を一対の位相差画素として機能させる。

第１調光素子及び第２調光素子は、一対の透明電極と、前記一対の透明電極の間に設けられ、透明な所定基材中に配向粒子が分散配置された層とを備えるものである。この場合、調光制御部は、一対の透明電極間に印加する電圧を調節して配向粒子の配向方向を変えることにより、第１調光素子及び第２調光素子の透過光量を調節する。

また、第１調光素子及び第２調光素子は、第１の透明電極と、酸化されることによって着色する酸化発色層と、酸化発色層の着色に関与するイオンを通す絶縁性のイオン導電層と、イオン導電層を介して還元されることによって着色する還元発色層と、第２の透明電極をこの順に積層して形成されるエレクトロクロミック素子にしても良い。この場合、調光制御部は、第１の透明電極及び第２の透明電極との間に印加する電圧を調節して、酸化発色層と還元発色層の着色を制御することにより、第１調光素子及び第２調光素子の透過光量を調節する

また、第１調光素子及び第２調光素子は、一対の透明電極と、高分子ネットワークの間隙に液晶分子が充填された構造を有する高分子液晶複合層と備えたものでも良い。この場合、調光制御部は、一対の透明電極間に印加する電圧を調節して配向粒子の配向方向を変えることにより、第１調光素子及び第２調光素子の透過光量を調節する。

また、第１調光素子及び第２調光素子は、第１の偏光板と、第１の透明電極と、液晶分子からなる液晶層と、第２の透明電極と、第２の偏光板とを備えたいわゆる液晶表示装置様のデバイスでも良い。この場合、調光制御部は、第１の透明電極と第２の透明電極とに印加する電圧を調節し、液晶分子の配向方向を制御することにより第１調光素子及び第２調光素子の透過光量を調節する。

複数の画素が配列された受光領域の少なくとも中央部と周辺部に第１ハイブリッド画素及び第２ハイブリッド画素が設けられている場合、中央部に対して所定の第１方向の周辺部に配置された第１ハイブリッド画素は、第１調光素子の面積が第２調光素子の面積よりも大きく、中央部に対して第１方向の周辺部に配置された第２ハイブリッド画素は、第１調光素子の面積が前記第２調光素子の面積よりも小さいことが好ましい。

また、中央部に対して第１方向と逆の方向の周辺部に配置された第１ハイブリッド画素は、第１調光素子の面積が第２調光素子の面積よりも小さく、中央部に対して第１方向と逆の方向の周辺部に配置された第２ハイブリッド画素は、第１調光素子の面積が第２調光素子の面積よりも大きいことが好ましい。

なお、赤色、緑色、青色の少なくとも２色以上に第１ハイブリッド画素及び第２ハイブリッド画素が含まれていても良い。

また、複数の画素が配列された受光領域にある全ての画素をハイブリッド画素にしてもよい。

第１ハイブリッド画素及び第２ハイブリッド画素が、フォトダイオードとして素子分離領域で複数に分けられた光電変換領域を有していても良い。この場合、第１調光素子及び第２調光素子は各光電変換領域に対応して設けられる。そして、１つの第１ハイブリッド画素または第２ハイブリッド画素に含まれる素子分離領域には、他の画素間と分離するための素子分離領域よりも添加物の量が多いことが好ましい。

本発明は、通常画素として使用可能であり、位相差ＡＦを行う場合に位相差画素として機能するハイブリ度画素を備えているので、位相差ＡＦを行うことができる固体撮像装置でありながら、撮影画像の感度や解像度の低下を抑止することができる。

固体撮像装置を示す説明図である。 カラーフィルタの配列を示す説明図である。 固体撮像装置の断面図である。 ハイブリッド画素の調光素子とその配線等を示す説明図である。 調光素子の概略的構成を示す断面図である。 固体撮像装置の作用を示す説明図である。 ４つの調光素子を用いる固体撮像装置を示す説明図である。 左右の視差を得る場合の説明図である。 上下の視差を得る場合の説明図である。 斜めの視差を得る場合の説明図である。 別の方法で斜めの視差を得る場合の説明図である。 左側が不透明にされるハイブリッド画素への入射光を表す断面図である。 右側が不透明にされるハイブリッド画素への入射光を表す断面図である。 通常画素に対するハイブリッド画素の感度比を表すグラフである。 ハイブリッド画素の位置に応じて調光素子の幅（面積）を調節する様子を示す説明図である。 ハイブリッド画素の位置に応じて調光素子の幅（面積）を調節した場合の感度比を表すグラフである。 ４つの調光素子を用いる場合に、ハイブリッド画素の位置に応じて調光素子の幅（面積）を調節する様子を示す説明図である。 ハイブリッド画素を赤色画素や青色画素にも設ける場合の説明図である。 全画素をハイブリッド画素にした例の説明図である。 全画素をハイブリッド画素にする別の例を示す説明図である。 １画素に２つのＰＤを設けた例を示す説明図である。 １画素の２つのＰＤ間をｐ＋＋にした例を示す説明図である。 ハニカム配列の固体撮像装置を示す説明図である。 別のハニカム配列の固体撮像装置を示す説明図である。 カラーフィルタがベイヤー配列の固体撮像装置を示す説明図である。 表面照射型の固体撮像装置の断面図である。 調光素子として用いるエレクトロクロミック素子の断面図である。 調光素子として用いるＰＮＬＣの断面図である。 調光素子として用いる液晶デバイスの断面図である。

［第１実施形態］
図１に示すように、固体撮像装置１０はＣＭＯＳ型イメージセンサであり、受光領域１１と垂直走査回路１３、水平走査回路１４、出力回路１６、制御回路１７等を備える。

受光領域１１は、複数の画素２１が水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）に沿って正方配列された領域である。受光領域１１には、撮像レンズによって被写体の像が結像され、各画素２１は光電変換により、入射光量に応じた電荷を蓄積する。ここでいう水平方向（左右方向）、垂直方向（上下方向）とは、撮像素子の受光面をＸ−Ｙ平面とみた場合のＸ軸方向を水平方向または左右方向とし、Ｙ軸を垂直方向または上下方向とするものである。

画素２１は、フォトダイオード（以下、ＰＤという）２２、リセットトランジスタ（以下、Ｔｒという）２３、アンプトランジスタ（以下、Ｔａという）２４、選択トランジスタ（以下、Ｔｓという）２５を備えている。Ｔｒ２３，Ｔａ２４，Ｔｓ２５は例えばｎ型のＭＯＳトランジスタである。また、各画素２１には、各画素２１には、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のいずれかの色のカラーフィルタ４１（図２参照）が設けられており、各画素２１は対応するカラーフィルタ４１の色の光を光電変換する。

なお、受光領域１１に配列されている画素２１は、通常画素とハイブリッド画素のいずれかである。通常画素は、水平方向及び垂直方向に対称に形成された画素であり、通常画素で蓄積された電荷に基づく撮像信号は撮影画像の形成に利用される。一方、ハイブリッド画素は、その構造等は後述するが、位相差ＡＦを行う場合に左右方向（水平方向）の視差を得るための位相差画素として機能するとともに、被写体の画像を撮影する場合には対称な通常画素として機能する画素である。通常画素とハイブリッド画素は、立体的構造（具体的には、調光素子５５Ａ，５５Ｂ（図３参照）の有無）が異なっているが、光電変換をし、その電荷を読み出すための基本的な電気的構成は同じである。このため、図１では通常画素とハイブリッド画素を区別せずに、受光領域１１内の画素を全て画素２１としている。

ＰＤ２２は光電変換により、入射光量に応じた電荷を生成する素子であり、アノードがグラウンドに接続されており、カソードがＴａ２４のゲート電極に接続されている。ＰＤ２２のカソードとＴａ２４のゲート電極の接続部分がフローティングディフュージョン（以下、ＦＤという）２６であり、ここにＰＤ２２で生成された電荷が蓄積される。

Ｔｒ２３は、ソース電極がＦＤ２６に接続され、ドレイン電極には電源電圧ＶＤＤ（図示しない）が印加される。また、Ｔｒ２３のゲート電極はリセット線２７に接続されている。Ｔｒ２３は、リセット線２６を介して垂直走査線１３からゲート電極にリセットパルスが印加されることによりオン状態になる。Ｔｒ２３がオン状態になると、ＦＤ２６に電源電圧ＶＤＤが印加され、ＦＤ２６に蓄積された電荷が破棄される。

Ｔａ２４は、ゲート電極がＦＤ２６に接続され、ドレイン電極には電源電圧ＶＤＤが印加されている。また、信号電圧が出力されるソース電極は、Ｔｓ２５のドレイン電極に接続されている。Ｔａ２４は、ＦＤ２６に蓄積された電荷量に応じた信号電圧をソース電極に出力する。

Ｔｓ２５は、ドレイン電極がＴａ２４のソース電極に接続され、ソース電極は信号線２８に接続されている。また、Ｔｓ２５のゲート電極は、行選択線２９に接続されている。Ｔｓ２５は、行選択線２９を介して垂直走査回路１３から選択パルスが入力されるとオン状態になり、Ｔａ２４から出力された信号電圧を信号線２８に出力する。

垂直走査回路１３は、画素２１の駆動回路であり、各行のリセット線２７と行選択線２９が接続されている。垂直走査回路１３は、選択された行のリセット線２７にリセットパルスを入力し、また、行選択線２９に選択パルスを入力してＴｒ２３やＴｓ２５の動作を制御することにより、前述のように各画素２１を動作させる。

水平走査回路１４は、各信号線２８上に設けられた列選択トランジスタ（Ｔｃ）３２のうち１つをオンにすることにより、信号電圧の読み出しを行う列を選択する。

信号線２８は、各画素２１からの信号電圧を読み出すための配線であり、画素２１の列毎に設けられている。また、信号線２８の末端には、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路３１と列選択トランジスタ３２が設けられている。ＣＤＳ回路３１は、制御回路１７から入力されるクロック信号に基づいて動作し、垂直走査回路１３によって選択された行選択線２９上の画素２１から、読み出しに伴うノイズが除去されるように電圧信号をサンプリングし、保持する。水平走査回路１４によって列選択トランジスタ３２がオンにされることによって、ＣＤＳ回路３１が保持する電圧信号は出力バスライン３３を介して出力回路１６に出力される。

出力回路１６は、ＣＤＳ３１から入力される電圧信号を増幅するアンプ３４と、アンプ３４で増幅された電圧信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路３５を備える。アンプ３４のゲインは可変であり、撮影モード等の設定に応じて適宜調節される。

制御回路１７は、垂直走査回路１３や水平走査回路１４等の各部と接続されており、固体撮像装置１０の各部を統括的に制御する。例えば、垂直走査回路１３や水平走査回路１４の動作は制御回路１７から入力されるクロック信号等の制御信号に基づいて動作する。また、ＣＤＳ３１の動作やアンプ３４のゲイン等も制御回路１７によって制御される。

図２に示すように、固体撮像装置１０のカラーフィルタ４１は、６×６画素の色配列を１単位とする長い周期性を有している。より詳しくは、カラーフィルタ４１は、３×３画素の色配列からなる２種類のサブユニット４１ａ，４１ｂをそれぞれ対角の位置に配置した配列である。第１サブユニット４１ａは、３×３画素の中央及び対角位置に緑色（Ｇ）フィルタが配置され、左右中央に青色（Ｂ）フィルタを、上下中央に赤色（Ｒ）フィルタが配置されたサブユニットである。第２サブユニット４１ｂは、３×３画素の中央及び対角位置にＧフィルタが配置されている点は第１サブユニット４１ａと同様であるが、ＢフィルタとＲフィルタが第１サブユニット４１ａとは逆になっており、左右中央にはＲフィルタが配置され、上下中央にはＢフィルタが配置される。

例えば、２×２画素の色配列を１単位としたベイヤー配列と比較すると、カラーフィルタ４１は長い周期性を有するので、固体撮像装置１０では光学的ローパスフィルタを用いなくてもモアレの発生を抑えることができる。また、カラーフィルタ４１を採用した固体撮像装置１０では、縦方向（垂直方向）及び横方向（水平方向）に必ずＲＧＢの画素が存在するので、偽色が抑えられ、正確な色再現が可能である。

ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂは、通常画素としても位相差画素としても機能する画素であり、例えば、右上の第１サブユニット４１ａと左上の第２サブユニット４１ｂの各左下のＧ画素に形成される。ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂ以外の画素は、上下左右の各方向から入射する光を均等に受光する通常画素４３である。

位相差ＡＦを行うためにハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを位相差画素として機能させる場合、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの対から得られた視差がある電圧信号（あるいはこの電圧信号に基づく画素値）に基づいて合焦評価が行われる。そして、合焦評価の結果に応じてベストピントになるように撮像レンズの位置が自動調節される。また、被写体を撮像するためにハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを通常画素として機能させる場合、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの画素値は、他の通常画素４３と同様にゲイン補正や補間等によらず、そのまま撮影画像の生成に用いられる。

なお、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂは受光領域１１の全面に満遍なく設けられているが、複数あるカラーフィルタ４１の６×６画素の単位中に必ずハイブリッド画素４２ａ，４２ｂが設けられているわけではなく、受光領域１１の各画素２１をカラーフィルタ４１の６×６画素の単位でみた場合、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂが設けられていない単位もある。ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂが設けられている単位の場合には、上記箇所に設けられる。ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂが設けられていない単位においては、全てが通常画素４３である。

図３に示すように、固体撮像装置１０は、裏面照射（ＢＳＩ；ｂａｃｋ ｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）型のＣＭＯＳイメージセンサであり、支持基板５１、配線層５２、ｐ型半導体基板５３、調光層５４、カラーフィルタ４１、マイクロレンズ５７等で構成される。ｐ型半導体基板５３に対して配線層５２が設けられている側が固体撮像装置１０の「表面」であり、カラーフィルタ４１や調光層５４，マイクロレンズ５７が設けられている側が「裏面」である。固体撮像装置１０には、マイクロレンズ５７、カラーフィルタ４１、調光層５４を介して裏面側からＰＤ２２に光が入射される。すなわち、「裏面」が光の入射面である。

支持基板５１は、例えばシリコン基板であり、裏面照射型の固体撮像装置１０を製造する過程で、ｐ型半導体基板５３の裏面を露呈させ、ｐ型半導体基板５３を薄型化するために、配線層５２の表面に接合される。

配線層５２は、ｐ型半導体基板５３の表面に形成され、配線層５２内に設けられた配線５２ａによって、各画素２１（通常画素４３及びハイブリッド画素４２ａ，４２ｂ）を形成するトランジスタ（Ｔｒ２３，Ｔａ２４，Ｔｓ２５）や、各画素２１を駆動するための垂直走査回路１３，水平走査回路１４，出力回路１６，制御回路１７，ＣＤＳ３１等の各種回路、リセット線２７，信号線２８，行選択線２９、出力バスライン３３等の各種配線が形成される。

ＰＤ２２は、ｐ型半導体基板５３と、ｐ型半導体基板５３内に形成されたｎ型半導体領域のＰＮ接合によって形成される。ｐ型半導体基板５３は薄型化されており、破線で示すＰＤ２２の光電変換領域は、ｐ型半導体基板５３の裏面近傍にまで達している。ＰＤ２２が光電変換により生成した電荷は、配線層５２との界面近傍に蓄積される。なお、各ＰＤ２２は図示しない分離層（例えばｐ＋層）によって分離されている。

調光層５４は、ｐ型半導体基板５３の裏面側（入射面側）に設けられ、調光素子５５Ａ，５５Ｂと絶縁膜５６とからなる。調光素子５５Ａ，５５Ｂは、可視光の透過光量（透過率）を調節することができる素子であり、例えば、所定電圧が印加されている場合にはほぼ透明であり、印加する電圧を下げると徐々に不透明になり、電圧を印加しない状態にすると（あるいは調光素子５５Ａの電位をグラウンドにする等により電圧を印加しない状態にする）と、調光素子５５Ａ，５５Ｂの透過率はほぼ０％（〜数％程度）になる。調光素子５５Ａ，５５Ｂは、各々独立して制御できる状態で、ハイブリット画素４２ａ，４２ｂ上にＰＤ２２を覆って設けられている。調光素子５５Ａ，５５Ｂが透明な場合には、マイクロレンズ５７及びカラーフィルタ４１を介して入射する光は調光素子５５Ａ，５５Ｂを透過してＰＤ２２に到達する。調光素子５５Ａ，５５Ｂが不透明な場合には、入射光は調光素子５５Ａ，５５Ｂによって遮られ、少なくとも減光されてＰＤ２２に入射する。

また、調光素子５５Ａ，５５Ｂは、対になるハイブリッド画素４２ａとハイブリッド画素４２ｂとで左右対称に設けられている。具体的には、ハイブリッド画素４２ａは、ＰＤ２２の入射面の右側半分に調光素子５５Ａが設けられ、左側半分に調光素子５５Ｂが設けられる。一方、ハイブリッド画素４２ｂでは、ＰＤ２２の入射面の左側半分に調光素子５５Ａが設けられ、右側半分に調光素子５５Ｂが設けられる。

絶縁膜５６は、調光素子５５Ａ，５５Ｂとｐ型半導体基板５３の間を絶縁するとともに、調光素子５５Ａ，５５Ｂ上を平坦化する平坦化膜でもある。このため、通常画素４３上の調光層５４は絶縁膜５６のみで形成されている。絶縁膜５６は、例えば、ＢＰＳＧ等の透明で導電性のない材料で形成される。なお、絶縁膜５６は、調光素子５５Ａ，５５Ｂ下の絶縁膜と、調光素子５５Ａ，５５Ｂ間及び調光素子５５Ａ，５５Ｂ上の平坦化膜が一体化したものである。

カラーフィルタ４１は調光層５４上に、各色セグメントがＰＤ２２にそれぞれ対応するように設けられている。カラーフィルタ４１の色配列については前述の通りであり、マイクロレンズ５７によって集光される光束はカラーフィルタ４１を通ることによってＲ，Ｇ，Ｂのいずれかの色になってＰＤ２２に入射する。

マイクロレンズ５７は、各ＰＤ２２に対応するように、カラーフィルタ４１上に設けられており、形状は概ね半球である。マイクロレンズ５７は、入射光を対応するＰＤ２２に集光させる。なお、受光領域１１の中心においては、マイクロレンズ５７の中心はＰＤ２２の中心にほぼ一致しているが、受光領域１１の周辺部分にあるものほど主光線角度に応じて受光領域１１の中心方向にオフセットして配置（スケーリング）されている。これにより、受光領域１１の周辺部分において、ＰＤ２２に斜めに入射する光束も対応するＰＤ２２に効率良く集光される。

図４に示すように、固体撮像装置１０は、第１調光制御部６１、第２調光制御部６２、及びこれらと調光素子５５Ａ，５５Ｂをそれぞれ接続する配線６３、６４を有し、調光素子５５Ａと調光素子５５Ｂに印加する電圧をそれぞれ独立に制御できるようになっている。

第１調光制御部６１は、配線６３を介し、必要に応じて調光素子５５Ａに電圧を印加するための回路であり、制御部１７から入力される制御信号に基づいて調光素子５５Ａに電圧を印加するタイミングや印加する電圧の大きさを調節する。本実施形態においては、第１調光制御部６１は、位相差ＡＦを行う場合もその後被写体の撮像を行う場合も、調光素子５５Ａに印加する電圧を所定電圧に保つ。このため、調光素子５５Ａは常に透明な状態であり、入射光をほぼ全て透過させる。

第２調光制御部６２は、配線６４を介し、必要に応じて調光素子５５Ｂに電圧を印加するための回路であり、第１調光制御部６２と同様に、制御部１７から入力される制御信号に基づいて調光素子５５Ｂに電圧を印加するタイミングや印加する電圧の大きさを調節する。本実施形態では、第２調光制御部６２は、位相差ＡＦを行う場合に、調光素子５５Ｂに印加する電圧を零にして不透明な状態にし、調光素子５５Ｂの透過光量を下げる。一方、位相差ＡＦを行った後、被写体を撮像する場合、第２調光制御部６２は調光素子５５Ｂに所定電圧を印加して透明な状態にし、調光素子５５Ｂへの入射光を透過させる。

なお、第１調光制御部６１及び第２調光制御部６２は、制御部１７と同様に配線層５２の配線５２ａ等によって形成される。一方、第１調光制御部６１及び第２調光制御部６２と調光素子５５Ａ，５５Ｂをそれぞれ接続する配線６３，６４は、調光層５４内に、例えばポリシリコン等によって形成される。このため、第１調光制御部６１及び第２調光制御部６２と、配線６３，６４はｐ型半導体基板５３を貫通するビアホール（スルーホールとも言う。図示しない）を介して接続される。

図５に示すように、調光素子５５Ａは、例えば、ＳＰＤ（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｄｅｖｉｃｅ。懸濁粒子デバイスとも言う）であり、一対の透明電極７１ａ，７１ｂと、ＳＰＤ層７２からなる。透明電極７１ａ，７１ｂは、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）からなる。透明電極７１ａはｐ型半導体基板５３側に設けられた下部電極であり、透明電極７１ｂはカラーフィルタ４１及びマイクロレンズ５７側に設けられた上部電極である。第１調光制御部６１はこれらの透明電極７１ａ，７１ｂ間に所定電圧を印加することにより、ＳＰＤ層７２の透過光量を調節する。

ＳＰＤ層７２は、透明な樹脂７２ａにマイクロカプセル７２ｂが分散配置された層である。樹脂７２ａは例えば紫外線硬化樹脂からなり、マイクロカプセル７２ｂには配向粒子７２ｃ（例えば液晶分子）が封入されている。ＳＰＤ層７２の上下を挟み込む透明電極７１ａ，７１ｂに所定電圧が印加されている場合、図５（Ａ）に示すように、各々の配向粒子７２ｃの配向方向がほぼ整列され、入射光は調光素子５５Ａを透過する。一方、図５（Ｂ）に示すように、透明電極７１ａ，７１ｂに電圧が印加されていない場合、各々の配向粒子７１ａ，７１ｂの配向方向はほぼランダムになる。このため、透明電極７１ａ，７１ｂ間に電圧が印加されていない場合、調光素子５５Ａへの入射光は配向粒子７２ｃに散乱されるので、調光素子５５Ａは不透明な状態になる。透明電極７１ａ，７１ｂに印加する電圧を零電圧と所定電圧との間で調節することによって、配向粒子７２ｃの配向方向の整列度合いを調節し、調光素子５５Ａの不透明度を調節することができる。なお、図５では調光素子５５Ａを示したが、調光素子５５Ｂの構造も調光素子５５Ａと同じである。

以下、上述のように構成される固体撮像措置１０の作用を説明する。図６（Ａ）に示すように、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの調光素子５５Ａ，５５Ｂにともに所定電圧を印加する場合、調光素子５５Ａ，５５Ｂは透明である。このため、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂへの入射光７１は、調光素子５５Ａ，５５Ｂを透過してＰＤ２２に到達する。したがって、調光素子５５Ａ，５５Ｂに所定電圧を印加する場合、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂは通常画素４３として機能する。

一方、図６（Ｂ）に示すように、調光素子５５Ａに所定電圧を印加しつつ、調光素子５５Ｂに印加する電圧を零にすると、調光素子５５Ａは透明であるが、調光素子５５Ｂは不透明になる。このため、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂへの入射光７１は不透明な調光素子５５Ｂによって一部が遮られ、透明な調光素子５５Ａの部分だけを透過し、ＰＤ２２に到達する。ＰＤ２２に到達した光は電子に変換され、前述のように信号電圧として出力され、その信号電圧は入射光の位相差成分に応じた位相差信号となる。したがって調光素子に印加する電圧を制御することで、ハイブリッド画素は位相差画素として機能する。

ハイブリッド画素４２ａの場合、右側（X方向正側）に調光素子５５Ａが配置され、左側（Ｘ方向負側）に調光素子５５Ｂが配置されているので、入射光７１のうち右側半分７２ａが選択的にＰＤ２２到達する。このため、調光素子５５Ａを透明にし、調光素子５５Ｂを不透明にすることにより、ハイブリッド画素４２ａは右側からの光束を選択的に受光する位相差画素として機能する。これに対してハイブリッド画素４２ｂの場合、右側に調光素子５５Ｂが配置され、左側に調光素子５５Ａが配置されているので、ハイブリッド画素４２ａとは逆に、入射光７１のうち左側半分７２ｂが選択的にＰＤ２２に到達する。このため、ハイブリッド画素４２ａと同様に、調光素子５５Ａを透明にし、調光素子５５Ｂを不透明にする場合、ハイブリッド画素４２ｂは左側からの光束を選択的に受光する位相差画素として機能する。

上述のように、固体撮像装置１０は、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの調光素子５５Ａ，５５Ｂの透過光量を各々独立に調節することによって、位相差ＡＦを行う場合にはハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを位相差画素として機能させ、位相差ＡＦ後に被写体を撮像する場合にはハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを通常画素４３として機能させることができる。

特に、固体撮像装置１０は、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂ自体が通常画素としても機能するので、被写体の撮像をする場合にハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの画素値をそのまま撮影画像の生成に使用することができる。このため、従来の位相差画素が設けられた固体撮像装置で撮像する場合のように、位相差画素の画素値を補間やゲインの調節等によって、撮影画像に使用可能なものに補正する必要がないので、撮影画像の感度や解像度の低下がない。また、固体撮像装置１０には、位相差画素を設けたことによる駆動モードの制限等もなく、従来、位相差画素を有する固体撮像装置では使用できなかった動画の撮影や画素加算をする駆動モードも固体撮像値１０では使用可能である。

なお、上述の第１実施形態では、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを左右方向に二分するように調光素子５５Ａ，５５Ｂを設け、位相差ＡＦを行う場合に、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂで左右方向の視差に関する情報を得ているが、調光素子５５Ａ，５５Ｂを設ける方向は任意である。例えば、上下方向に調光素子５５Ａ，５５Ｂを並べて設けることにより、位相差ＡＦを行う場合にハイブリッド画素４２ａ，４２ｂで上下方向の視差に関する情報を得るようにしても良い。また、斜め４５度方向（あるいは１３５度方向）に調光素子５５Ａ，５５Ｂを並べて設けることにより、位相差ＡＦを行う場合にハイブリッド画素４２ａ，４２ｂで斜め方向の視差に関する情報を得るようにしても良い。

なお、上述の第１実施形態では、調光素子５５Ａに所定電圧を印加して透明にしたまま調光素子５５Ｂに印加する電圧を零にして不透明にし、ハイブリッド画素４２ａを右側からの光束を選択的に受光する位相差画素として機能させ、ハイブリッド画素４２ｂを左側からの光束を選択的に受光する位相差画素として機能させるが、これとは逆に、調光素子５５Ａに印加する電圧を零にして不透明にし、調光素子５５Ｂに所定電圧を印加して透明性を保つようにしても良い。この場合、ハイブリッド画素４２ａは左側からの光束を選択的に受光する位相差画素として機能し、ハイブリッド画素４２ｂは右側からの光束を選択的に受光する位相差画素として機能する。このように、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂをそれぞれ左側，右側からの光束を選択的に受光する位相差画素にする場合も、これらのハイブリッド画素４２ａ，４２ｂから得られる信号に基づいて上述と同様に位相差ＡＦを行うことができる。

なお、上述の第１実施形態では、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを位相差画素として機能させる場合に、調光素子５５Ａに所定電圧を印加して透明にし、調光素子５５Ｂを零電圧にして不透明にしているが、調光素子５５Ｂに印加する電圧が調光素子５５Ａのものよりも低ければ、調光素子５５Ａ，５５Ｂに印加する電圧は任意である。例えば、調光素子５５Ａに所定電圧よりも低い電圧を印加し、調光素子５５Ｂは零電圧にするのではなく、調光素子５５Ａに印加する電圧よりも低い範囲内で電圧を印加しても良い。すなわち、調光素子５５Ａと調光素子５５Ｂとで透過光量が異なっていれば、これらから左右の視差に関する情報を得ることができるので、調光素子５５Ａ，５５ｂに印加する電圧の大きさ自体は任意に設定することができる。但し、上述の第１実施形態のように、調光素子５５Ａに所定電圧を印加して最も透過光量が大きくなるようにし、調光素子５５Ｂを零電圧にして最も透過光量が小さくなるようにする場合に、視差の情報が最も正確になる。このため、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを位相差画素として機能させる場合、調光素子５５Ａには所定電圧を印加し、調光素子５５Ｂは零電圧にすることが好ましい。

なお、上述の第１実施形態では、カラーフィルタ４１の６×６画素の単位において、右上の第１サブユニット４１ａの左下Ｇ画素と、左上の第２サブユニット４１ｂの左下Ｇ画素をハイブリッド画素４２ａ，４２ｂにしたが、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂにするＧ画素の位置は任意である。例えば、右上の第１サブユニット４１ａの中央のＧ画素と、左上の第２サブユニット４１ｂの中央のＧ画素をそれぞれハイブリッド画素４２ａ，４２ｂにしてもよい。

［第２実施形態］
なお、上述の第１実施形態では、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂに２つの調光素子５５Ａ，５５Ｂを設けたが、図７に示す固体撮像装置８０のように、ハイブリッド画素に、独立に透過光量を制御可能な４つの調光素子を設けても良い。

固体撮像装置８０では、カラーフィルタ４１の６×６画素の単位のなかに、４つのハイブリッド画素８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄを有する。

ハイブリッド画素８２ａは右上の第１サブユニット４１ａの左下Ｇ画素であり、４つの調光素子８５Ａ，８５Ｂ，８５Ｃ，８５Ｄが各々に透過光量を調節する。ハイブリッド画素８２ａの場合、調光素子８５Ａ，８５Ｂ，８５Ｃ，８５Ｄはそれぞれ右上，左上，左下，右下に設けられる。

ハイブリッド画素８２ｂは左上の第２サブユニット４１ｂの左下Ｇ画素であり、ハイブリッド画素８２ａと同様に４つの調光素子８５Ａ，８５Ｂ，８５Ｃ，８５Ｄを有する。但し、ハイブリッド画素８２ｂは、調光素子８５Ａ〜８５Ｄの配置がハイブリッド画素８２ａと異なっており、ハイブリッド画素８２ａのものと水平方向に左右対称に配置される。すなわち、ハイブリッド画素８２ｂでは、調光素子８５Ａは左上に、調光素子８５Ｂは右上に、調光素子８５Ｃは右下に、調光素子８５Ｄは左下にそれぞれ配置される。

また、ハイブリッド画素８２ｃは左下の第１サブユニット４１ａの左下Ｇ画素であり、ハイブリッド画素８２ｄは右下の第２サブユニット４１ｂの左下Ｇ画素である。そして、これらもハイブリッド画素８２ａ，８２ｂと同様に４つの調光素子８５Ａ〜８５Ｄを有する。但し、これらの配列が異なっている。

ハイブリッド画素８２ｃの調光素子８５Ａ〜８５Ｄはそれぞれ、左下，右下，右上，左上に配置される。すなわち、ハイブリッド画素８２ｃは、調光素子８５Ａ〜８５Ｄの配置が同列上方にあるハイブリッド画素８２ｂと上下対称である。また、ハイブリッド画素８２ａのものと比較すれば、ハイブリッド画素８２ｃの調光素子８５Ａ〜８５Ｄの配列は、斜め方向（約１３５度方向）に対称である。

また、ハイブリッド画素８２ｄの調光素子８５Ａ〜８５Ｄは、それぞれ右下，左下，左上，右上に配置され、同列上方にあるハイブリッド画素８２ａのものに対して上下対称な配列になっている。また、ハイブリッド画素８２ｂのものと比較すれば、ハイブリッド画素８２ｄの調光素子８５Ａ〜８５Ｄの配列は、斜め方向（約４５度方向）に対称な配列である。

これらのハイブリッド画素８２ａ〜８２ｄは、各画素間に設けられた配線８９ａ，８９ｂ，８９ｃ，８９ｄを介して、第１調光制御部９１，第２調光制御部９２，第３調光制御部９３，第４調光制御部９４にそれぞれ接続される。配線８９ａ〜８９ｄは、第１実施形態と同様にポリシリコン等を用いて調光層５４に設けられる。第１〜第４調光制御部９１〜９４は、配線８９ａ〜８９ｄを介し、必要に応じて調光素子８５Ａ〜８５Ｄにそれぞれ独立に電圧を印加するための回路である。第１〜第４調光制御部９１〜９４は、第１実施形態と同様に配線層５２の配線５２ａ等により形成され、配線８９ａ〜８９ｄとは図示しないビアホールを通じて接続される。また、第１〜第４調光制御部９１〜９４は、制御部１７から入力される制御信号に基づいて調光素子８５Ａ〜８５Ｄに電圧を印加するタイミングや印加する電圧の大きさをそれぞれ調節する。

上述のように構成される固体撮像装置８０は、図８（Ａ）に示すように、調光素子８５Ａ〜８５Ｄに全て所定電圧を印加する場合、調光素子８５Ａ〜８５Ｄは全て透明なので各ハイブリッド画素８２ａ〜８２ｄは通常画素４３として機能する。このため、調光素子８５Ａ〜８５Ｄに所定電圧を印加して被写体を撮像することにより、ハイブリッド画素８２ａ〜８２ｄの画素値をゲイン補正等せずにそのまま用いて被写体の画像を生成することができる。

一方、調光素子８５Ａと調光素子８５Ｄに所定電圧を印加して透明にし、調光素子８５Ｂと調光素子８５Ｃを零電圧にして不透明にすると、入射光７１が透過可能な領域は調光素子８５Ａ，８５Ｄに対応する領域９６Ｒ，９６Ｌに制限される。すなわち、カラーフィルタ４１の６×６画素の単位でみたときに、右側にある２つのハイブリッド画素８２ａ，８２ｄでは、入射光７１が透過可能な領域が右側半分の領域９６Ｒに制限されるので、これらは右側から入射する光束を選択的に受光して光電変換をする位相差画素として機能する。一方、左側にある２つのハイブリッド画素８２ｂ，８２ｃでは、入射光７１が透過可能な領域が左側半分の領域９６Ｌに制限されるので、これらは左側から入射する光束を選択的に受光して光電変換をする位相差画素として機能する。

したがって、調光素子８５Ａと調光素子８５Ｄに所定電圧を印加して透明にし、調光素子８５Ｂと調光素子８５Ｃを零電圧にして不透明にすることにより、固体撮像装置８０は、左右の視差に基づいた位相差ＡＦを行うことができる。なお、合焦評価は、例えば、ハイブリッド画素８２ａとハイブリッド画素８２ｂの対や、ハイブリッド画素８２ｄとハイブリッド画素８２ｃの対から得られる信号に基づいて行われる。

図９に示すように、調光素子８５Ａと調光素子８５Ｂに所定電圧を印加して透明にし、調光素子８５Ｃと調光素子８５Ｄを零電圧にして不透明にすると、入射光７１が透過可能な領域は調光素子８５Ａ，８５Ｂに対応する領域９６Ｕ，９６Ｄに制限される。すなわち、カラーフィルタ４１の６×６画素の単位でみたときに、上側にある２つのハイブリッド画素８２ａ，８２ｂでは、入射光７１が透過可能な領域が上側半分の領域９６Ｕに制限されるので、これらは上側から入射する光束を選択的に受光して光電変換する位相差画素として機能する。一方、下側にある２つのハイブリッド画素８２ｃ，８２ｄでは、入射光７１が透過可能な範囲が下側半分の領域９６Ｄに制限されるので、これらは下側から入射する光束を選択的に受光して光電変換する位相差画素として機能する。

したがって、調光素子８５Ａと調光素子８５Ｂに所定電圧を印加して透明にし、調光素子８５Ｃと調光素子８５Ｄを零電圧にして不透明にすることにより、固体撮像装置８０は上下の視差に基づいた位相差ＡＦを行うことができる。また、例えば、地平線等、上下方向に変化があるが左右方向に変化が少ない被写体の場合、前述のように左右の視差に基づいて位相差ＡＦを精度良く行えないが、このような被写体を撮像する場合、固体撮像装置８０は透明電極８５Ａ〜８５Ｄに印加する電圧のパターンを変化させることにより、容易に上下方向の視差に基づく位相差ＡＦに切り換えを行うことも可能である。

また、遮光膜等によって非対称性をつくりだしている従来の固体撮像装置で、左右方向と上下方向の視差に関する情報を両方とも得られるようにする場合、左右方向の視差を検出する位相差画素と、上下方向の視差を検出する位相差画素を予め配置しておかなければならない。このため、左右方向あるいは上下方向の一方向の視差だけを得られるようにする場合の２倍の位相差画素を予め設けなければならないので、ゲイン補正や補間をしなければならない画素が倍増し、感度や解像度の劣化はさらに顕著になりやすい。この従来の固体撮像装置と比較すると、固体撮像装置８０では、左右方向と上下方向の示唆に関する情報を任意に得ることができるうえに、被写体を撮像する場合にはハイブリッド画素８２ａ〜８２ｄは通常画素として機能するので、感度や解像度の劣化が特に少ない撮影画像を得ることができる。

なお、上下方向の視差に基づいて位相差ＡＦを行う場合、合焦評価は、例えば、ハイブリッド画素８２ａとハイブリッド画素８２ｄの対や、ハイブリッド画素８２ｂとハイブリッド画素８２ｃの対から得られる信号に基づいて行われる。

図１０に示すように、固体撮像装置８０では、調光素子８５Ａに所定電圧を印加して透明にし、調光素子８５Ｂ〜８５Ｄを零電圧にして不透明にすることによって、入射光７１が透過可能な領域を調光素子８５Ａに対応する領域９６ＵＲ，９６ＵＬ，９６ＤＬ，９６ＤＲに制限することもできる。この場合、ハイブリッド画素８２ａ〜８２ｄは、それぞれ右上，左上，左下，右下の方向から入射する光束を選択的に受光して光電変換をする位相差画素として機能する。このため、例えば、ハイブリッド画素８２ａとハイブリッド画素８２ｃの対や、ハイブリッド画素８２ｂとハイブリッド画素８２ｄの対から得られる信号に基づいて位相差ＡＦを行うことにより、斜め方向の視差に基づく位相差ＡＦを行うことができる。

なお、図１０では調光素子８５Ａだけを透明にしているが、図１１に示すように、調光素子８５Ａ，８５Ｂ，８５Ｄに所定電圧を印加して透明にし、調光素子８５Ｃだけを零電圧にして不透明にしても良い。この場合、各ハイブリッド画素８２ａ〜８２ｄが入射光７１を透過可能な領域は、Ｌ字型の領域９７ＵＲ，９７ＵＬ，９７ＤＬ，９７ＤＲに狭窄される。この場合にも、前述と同様にハイブリッド画素８２ａとハイブリッド画素８２ｃの対や、ハイブリッド画素８２ｂとハイブリッド画素８２ｄの対から得られる信号に基づいて位相差ＡＦを行うことにより、斜め方向の示唆に基づく位相差ＡＦを行うことができる。また、例えば、調光素子８５Ａ所定電圧を印加して透明にし、調光素子８５Ｃを零電圧にして不透明にするとともに、調光素子８５Ｂ，８５Ｄには中間的な電圧を印加して半透明にするような場合も同様である。

［第３実施形態］
なお、上述の第１，第２実施形態では、ハイブリッド画素の受光領域１１内の配置による影響に言及しなかったが、主光線角度は受光領域１１の中央部から周辺部にかけて大きくなることが一般的であり、周辺部の画素には斜めに光が入射する。このため、前述のようにマイクロレンズ５７の配置はスケーリングされており、斜めに入射する光を効率良くＰＤ２２に集光させることができるようになっている。より具体的には、マイクロレンズ５７は、対称な構造の通常画素４３のＰＤ２２への光の入射効率に基づいてスケーリングされる。

一方、位相差画素として機能させる場合のハイブリッド画素は、入射光７１が透過可能な領域が制限されるので、実質的に非対称な構造の画素になるが、このような非対称構造を有する画素は、光が斜めに入射することによる感度の低下度合いが通常画素４３よりも大きい。このため、通常画素４３に合わせてマイクロレンズ５７をスケーリングするだけでは、位相差画素として機能させる場合のハイブリッド画素の感度は低下してしまうので、受光領域１１の周辺部にあるハイブリッド画素（位相差画素）を用いて位相差ＡＦを行うと、正確性に欠けてしまう場合がある。

具体的には、図１２に示すように、受光領域１１の中央部と周辺部でハイブリッド画素４２ａを比較すると、中央部のハイブリッド画素４２ａＣでは主光線角度が小さく、ほぼ正面から光が入射する。このため、調光素子５５Ｂを不透明にすると、例えば、入射光のうち右側の光束１０１Ｒの約２／３程度、左側の光束１０１Ｌの約１／３が透明な調光素子５５Ａを透過する。すなわち、全体としては、入射光の約１／２程度の光がＰＤ２２に入射する。

また、受光領域１１の周辺部にあるハイブリッド画素４２ａＲ，４２ａＬでは、主光線角度が大きく、斜めに光が入射する。このため、調光素子５５Ｂを不透明にすると、右側（Ｘ方向正側）の周辺部にあるハイブリッド画素４２ａＲでは、右側の光束１０１Ｒの約２／３、左側の光束１０１Ｌの約２／３が調光素子５５Ａを透過するので、全体としては入射光の約２／３程度の光がＰＤ２２に入射する。また、左側（Ｘ方向負側）の周辺部にあるハイブリッド画素４２ａＬでは、右側の光束１０１Ｒの約１／３、左側の光束１０１Ｌの約１／３が調光素子５５Ａを透過するので、全体としては入射光の約１／３程度の光がＰＤ２２に入射する。

また、図１３に示すように、調光素子５５Ａ，５５Ｂの配置が逆順になっているハイブリッド画素４２ｂのうち、受光領域１１の中央部にあるハイブリッド画素４２ｂＣは、調光素子５５Ｂが不透明になると、入射光の約１／２程度の光がＰＤ２２に入射する。しかし、受光領域１１の右側の周辺部にあるハイブリッド画素４２ｂＲでは、入射光の約１／３がＰＤ２２に入射し、受光領域１１の左側の周辺部にあるハイブリッド画素４２ｂＬでは入射光の約２／３がＰＤ２２に入射する。なお、図１２及び図１３では、簡単のためマイクロレンズ５７をスケーリングしていないが、マイクロレンズ５７をスケーリングしている場合もこの傾向は同様である。

したがって、図１４に示すように、受光領域１１の周辺部では、通常画素４３に対するハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの各感度はアンバランスになる。特に位相差画素として機能させる場合、受光領域１１の周辺部でハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの感度が低いと、位相差ＡＦの演算に十分な信号を得ることが難しくなり、感度が十分な中央部でしか位相差ＡＦを行うことができない場合もある。

そこで、図１５に示すように、調光素子５５Ａ，５５Ｂの幅（Ｘ方向の長さ）を変えて、これらの各面積をハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの位置に応じて調節することが好ましい。具体的には、受光領域１１の右側に配置されるハイブリッド画素４２ａＲでは、中央部のハイブリッド画素４２ａＣの調光素子５５Ｂの幅Ｗ_０よりも調光素子５５Ｂの幅Ｗ_１を伸ばし（Ｗ_１＞Ｗ_０）、中央部のハイブリッド画素４２ａＣの調光素子５５Ａの幅Ｗ_０よりも調光素子５５Ａの幅Ｗ_２を縮める（Ｗ_２＜Ｗ_０）。また、受光領域１１の右側に配置されるハイブリッド画素４２ｂＲでは、調光素子５５Ａの幅をＷ_１にし、調光素子５５Ａの幅をＷ_２にする。左側の周辺部にあるハイブリッド画素４２ａＬ，４２ｂＬではこの逆である。こうすると、図１６に示すようにハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの感度を均一化され、周辺部のハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを用いた場合でも正確な位相差ＡＦを行うことができる。

なお、ここでは第１実施形態のハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを例にしたが、第２実施形態のハイブリッド画素８２ａ〜８２ｄのように４つの透明電極８５Ａ〜８５Ｄを用いる場合には、図１７に示すように、調光素子８５Ａ〜８５Ｄの面積を調節すれば良い。図１７では、調光素子８５Ａにだけ符号を付しているが、各ハイブリッド画素８２ａ〜８２ｄのその他の調光素子８５Ｂ〜８５Ｄの位置は前述の通りである（図７参照）。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、Ｇ画素をハイブリッド画素にしたが、図１８に示すように、Ｒ画素やＢ画素にもハイブリッド画素にしても良い。もちろん、ハイブリッド画素を全てＲ画素に形成してもよいし、ハイブリッド画素を全てＢ画素に形成しても良い。また、Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれか２種にだけハイブリッド画素を設けても良い。

但し、例えばＲ，Ｇ，Ｂのうち２色以上にハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを形成する場合、色毎に周辺部１１ｂにおける感度の低下量が異なるので、色毎に調光素子５５Ａ，５５Ｂの面積の拡大率（縮小率）を変えることが好ましい。色毎に調光素子５５Ａ，５５Ｂの面積の拡大率を変えると、通常画素４３の感度に対して各色のハイブリッド画素の感度を均一化することができるので、色毎のシェーディング補正等を行う必要がなく、簡便に正確な位相差ＡＦを行うことができる。なお、各色の調光素子５５Ａ，５５Ｂの拡大率（縮小率）は、カラーフィルタの特性等に応じて決める。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、受光領域１１内の一部の画素をハイブリッド画素にしているが、ハイブリッド画素は通常画素としても機能するので、図１９に示すように、受光領域１１内の全ての画素をハイブリッド画素にしても良い。従来の位相差画素を含む固体撮像装置では、位相差画素が予め所定位置に設けられているため、位相差画素が含まれないエリアの被写体には位相差ＡＦによって焦点を合わせることができない。しかし、上述のように受光領域１１内の画素を全てハイブリッド画素にしておけば、任意の箇所の被写体に対して位相差ＡＦで焦点を合わせることができる。

なお、図１９では、右側に調光素子５５Ａが配置されたハイブリッド画素４２ａと、左側に調光素子５５Ａが配置されたハイブリッド画素４２ｂを混在させているが、図２０に示すように、例えば全画素を、右側に調光素子５５Ａが配置されたハイブリッド画素４２ａにしても良い。この場合、例えばあるフレームでは調光素子５５Ａに所定電圧を印加して透明にし、調光素子５５Ｂを零電圧にして不透明にして、全画素で右側からの光束を選択的に受光して撮像をし、次のフレームでは調光素子５５Ａを零電圧にして不透明にし、調光素子５５Ｂに所定電圧を印加して透明にして、全画素で左側からの光束を選択的に受光して撮像をする。こうすると、１フレーム目で得た画素値と２フレーム目で得た画素値を用いて位相差ＡＦを行うことができる。また、１フレーム目で得た画像を右目用画像、２フレーム目で得た画像を左目用画像とすれば、立体視用の画像を得ることもできる。すなわち、２Ｄ撮影（全画素を通常画素として機能させた場合）と３Ｄ撮影を容易に切り換えることができ、かつ、２Ｄ撮影画像の解像度も３Ｄ撮影画像の解像度も全画素を使用した高解像度画像である。

なお、調光素子５５Ａ，５５Ｂは所定電圧を印加した場合に透明であるが、その透明度は可視光を１００％透過する透明度ではない場合がある。このため、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂにだけ調光素子５５Ａ，５５Ｂを設けておくと、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを通常画素として機能させるために調光素子５５Ａ，５５Ｂを透明にしたとしても、これらが設けられていない通常画素４３よりも感度が低くなってしまう場合がある。このため、全ての画素に調光素子５５Ａ，５５Ｂを設け、通常画素として機能させる場合の全画素の感度を揃えておくようにしても良い。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、１画素に１つのＰＤ２２が設けられているが、図２１に示すように、２つのＰＤ２２に対してカラーフィルタ４１の色セグメントやマイクロレンズ７５を１つ設け、１画素に２つのＰＤ２２が含まれるようにし、各画素は２つのＰＤ２２で発生した電荷の合計値に比例する電圧信号を出力するようにしてもよい。この場合、ハイブリッド画素１４２ａでは、一方のＰＤ２２上に調光素子５５Ａを設け、他方のＰＤ２２上に調光素子５５Ｂを設ける。調光素子５５Ａに所定電圧を印加して透明にし、調光素子５５Ｂを零電圧にして不透明にすれば、ハイブリッド画素１４２ａを位相差画素として機能させることができる。第２実施形態のように４つの調光素子８５Ａ〜８５Ｄを用いる場合には、１画素に４つのＰＤ２２が含まれるようにすればよい。このように、１画素に複数のＰＤ２２を含むようにすると、各ＰＤ２２が独立しているので、各ＰＤ２２間での電荷の移動がなく、ノイズが少ないのでさらに正確な位相差ＡＦを行うことができる。

このように、１画素に複数のＰＤ２２を含むようにする場合には、図２２に示すように、画素間等の素子分離領域１５１をｐ＋で形成した上で、さらにＰＤ２２間の素子分離領域１５２をより添加物が多いｐ＋＋で形成することが好ましい。こうすると、素子分離領域１５２のポテンシャルが通常の素子分離領域１５１よりも高くなるので、２つのＰＤ２２間の電荷の移動をより確実に防止することができる。また、同じく図２２に示すように、ＰＤ２２毎に、ＦＤ２６と読み出しゲート１５３を設け、２つのＰＤ２２の電荷を混合せず、ＰＤ２２毎に電荷の読み出しを行うようにすればさらによい。

なお、図２２では、１画素に２つのＰＤ２２を設けた場合を例にしたが、第１〜第３実施形態のように、１つの通常画素４３に１つのＰＤ２２を設ける場合においても、ハイブリッド画素にする画素だけ、上述のようにＰＤ２２を２つに分割しておいてもよい。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、固体撮像装置１０の画素が正方配列されているが、画素の配列は任意である。例えば、画素配列を図２３及び図２４のようにハニカム配列にしても良い。また、画素配列をハニカム配列にする場合のカラーフィルタの色配列は任意であるが、例えば、図２３及び図２４の色配列にすることができる。図２３の色配列は、Ｇ画素の列と、Ｒ画素及びＢ画素が２個ずつ交互に並んだ列を斜め４５度方向に交互に配置した例である。

また、上述の第１〜第３実施形態では、固体撮像装置１０の画素が正方配列している場合に、６×６画素を単位としたカラーフィルタ４１を用いたが、カラーフィルタ４１の色配列は任意である。例えば、画素を正方配列にする場合には、図２５に示すように、破線で囲む２×２画素を上下左右に並べたいわゆるベイヤー配列にしてもよい。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、位相差画素として機能させる場合に対になるハイブリッド画素が同じ行（第２実施形態では同じ行かつ同じ列）に設けられているが、対になる２つのハイブリッド画素は異なる行（列）に設けられていても良い。

なお、上述の実施形態では、３つのトランジスタＴｒ２３，Ｔａ２４，Ｔｓ２５で画素を構成しているが（図１参照）、画素２１（通常画素４３及び位相差画素４２ａ，４２ｂ）は、入射光を各々光電変換し、撮影画像の形成や位相差ＡＦに必要な信号を出力することができればよく、トランジスタの数等は任意である。例えば、画素２１は、ＰＤ２２とＦＤの間に転送用のトランジスタを設け、４つのトランジスタを用いて構成されていても良い。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、ｐ型半導体基板５３の裏面に調光層５４を設けているが、調光素子によって透過光量の分布を形成することができれば、調光層５４の積層順は任意である。例えば、カラーフィルタ４１とマイクロレンズ５７の間に調光層５４を設けても良い。但し、調光素子とＰＤ２２の距離が近いほど制御性が良いので、上述の第１〜第３実施形態のように調光層５４はｐ型半導体基板５３上に直接設けられていることが好ましい。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、固体撮像装置１０がＣＭＯＳイメージセンサであるが、固体撮像装置１０はＣＣＤ型イメージセンサでもよい。また、上述の第１〜第３実施形態では、固体撮像装置１０が裏面照射型であるが、図２６に示すように、固体撮像装置１０は表面照射（ＦＳＩ；ｆｒｏｎｔ ｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）型のイメージセンサでもよい。表面照射型イメージセンサは、ｐ型半導体基板５３上に配線層５２、カラーフィルタ４１、マイクロレンズ５７がこの順に積層された構造を有し、配線層５２を介して表面側からＰＤ２２に光が入射するタイプのイメージセンサである。表面照射型の場合、調光層５４は、例えばｐ型半導体基板５３と配線層５２の間（ｐ型半導体基板５３の表面上）に設ければよい。但し、調光層５４の調光素子５５Ａ，５５Ｂによって透過光量の分布を形成することができれば、表面照射型の場合でも、調光層５４をＰＤ２２の下（ｐ型半導体基板５３の裏面側）に設けても良い。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、調光素子としてＳＰＤを用いたが、透過光量を調節できるものであればＳＰＤ以外のものを代わりに用いても良い。例えば、図２７に示すエレクトロクロミック素子１７０をＳＰＤの代わりに調光素子として用いることができる。エレクトロクロミック素子１７０は、印加する電圧を制御することにより色が変化する素子であり、例えば、下部電極１７１，酸化発色層１７２，イオン導電層１７３，還元発色層１７４，上部電極１７５をこの順に積層して形成される。

下部電極１７１及び上部電極１７５は、いずれも透明電極であり、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなる。下部電極１７１及び上部電極１７５にはＳｎＯ_２やＩｎ_２Ｏを用いても良い。

酸化発色層１７２は、もともと透明であるが、酸化されることによって発色する層であり、例えば酸化イリジウムからなる。酸化発色層１７２には、イリジウム、ニッケル、クロム、バナジウム、ルテニウム、ロジウム等の酸化物あるいは水酸化物を用いることができる。酸化発色層１７２に酸化イリジウムを用いる場合、着色時には灰色になる。

イオン導電層１７３は、絶縁膜であるが、酸化発色層１７２と還元発色層１７４の着色に関与するイオンの良導体（あるいは供給体）である。イオン導電層１７３は例えば五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）で形成される。イオン導電層１７３には、ケイ素、チタン、アルミニウム、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、ランタン等の酸化物やフッ化マグネシウムを用いることもできる。

還元発色層１７４は、もともと透明であるが、還元されることによって発色する層であり、例えば、酸化タングステン（ＷＯ_３）からなる。酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）を用いることもできる。還元発色層１７４に酸化タングステンを用いる場合、着色時には青色になる。

上述のように構成冴えるエレクトロクロミック素子１７０は、下部電極１７１及び上部電極１７５に電圧を印加すると、酸化発色層１７２及び還元発色層１７４がそれぞれ酸化，還元され、着色し、不透明になる。

また、図２８（Ａ）及び図２８（Ｂ）に示すように、高分子と液晶の複合デバイス１８０を調光素子として用いることもできる。高分子液晶複合デバイス１８０は、例えば、対向する２枚の透明電極１８１ａ，１８１ｂ間に高分子と液晶の複合層１８２を配置して形成される。透明電極１８１ａ，１８１ｂは例えばＩＴＯからなる。複合層１８２は、網目状の高分子ネットワーク１８３の間隙に、ほぼ連続的に液晶分子１８４が充填されて形成される。

そして、図２８（Ａ）に示すように、透明電極１８１ａ，１８１ｂ間に電圧を印加されると、液晶分子１８４の配向方向が整列され、入射光７１が透過する透明な状態になる。一方、図２８（Ｂ）に示すように、透明電極１８１ａ，１８ｂ間に電圧を印加しない場合には、液晶分子１８４は周辺の高分子ネットワーク１８３に応じてほぼランダムに配向し、入射光７１を散乱する。すなわち、透明電極１８１ａ，１８ｂ間に電圧を印加しない場合、高分子液晶複合デバイス１８０は不透明な状態になる。

なお、図２８では、いわゆるＰＮＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）を示したが、高分子中に液晶分子１８４が不連続に分布したいわゆるＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）も同様に調光素子として用いることができる。

さらに、図２９に示すように、ポピュラーな液晶表示装置とほぼ同様の構成を有する液晶デバイス１９０を、ＳＰＤの代わりに調光素子として用いても良い。液晶デバイス１９０は、偏光板１９１、下部電極１９２、配向膜１９３、液晶層１９４、配向膜１９５、上部電極１９６、偏光板１９７等をこの順に積層して形成される。偏光板１９１と偏光板１９７は透過軸が互いに垂直になるように、いわゆるクロスニコル配置されている。配向膜１９３，１９５は、下部電極１９２及び上部電極１９６間に電圧が印加されていない場合に、液晶層１９４の液晶分子１９４ａの配向方向をほぼ垂直方向に整える。下部電極１９２及び上部電極１９６は透明電極であり、例えばＩＴＯで形成される。

上述のように構成される液晶デバイス１９０は、図２９（Ａ）に示すように、一対の電極１９２，１９６間に電圧を印加して液晶分子１９４ａを回転させ、水平方向に配向させると、偏光板１９７を透過した入射光は、液晶分子１９４ａの複屈折性により、偏光板１９１を透過する偏光面を有するようになる。このため、電極１９２，１９６間に電圧を印加した場合、液晶デバイス１９０は透明な状態になる。一方、図２９（Ｂ）に示すように、電極１９２，１９６間に電圧を印加しない場合、液晶分子１９４ａは配向膜１９３，１９５によってほぼ垂直方向に配向する。このため、偏光板１９７を透過した入射光は、液晶分子１９４ａの複屈折性作用を受けないので、対向する偏光板１９１を透過することができない。すなわち、電極１９２，１９６間に電圧を印加しない場合、液晶デバイス１９０は不透明な状態になる。

なお、図２９では、いわゆるＶＡ型液晶を示したが、ＴＮ型、ＩＰＳ型、ＭＶＡ型、ＯＣＢ型等、他の形式の液晶を用いても良い。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、原色系のカラーフィルタ４１を用いているが、補色系のカラーフィルタを用いても良い。また、カラーフィルタには無色（透明）な色セグメントが含まれていてもよく、ハイブリッド画素がこの無色画素に形成されていてもよい。

なお、上述の第１実施形態では左右方向の視差を得る位相差画素として機能するハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを設け、第２実施形態では上下左右，及び斜め方向の視差を得る位相差画素として機能するハイブリッド画素８２ａ〜８２ｄを設けたが、上下方向と左右方向の視差を得る場合には、第１実施形態のハイブリッド画素４２ａ，４２ｂと、ハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを９０度回転して上下方向の視差を得られるようにしたハイブリッド画素を任意に配置しておいてもよい。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、全てのハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの調光素子５５Ａに所定電圧を印加して透明にする等、複数のハイブリッド画素の同じ調光素子に一律に同じ電圧を印加するが、全てのハイブリッド画素の調光素子に印加する電圧を画素毎に制御できるようにしても良い。特に、全画素をハイブリッド画素にする場合（図１９，図２０参照）に、各画素の透明電極を個別に制御できるようにしてあると、２Ｄ撮影と３Ｄ撮影の切り換えが容易である。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、調光素子が１つのハイブリッド画素に２以上設けられているが、ハイブリッド画素に設ける電極は１つでも良い。例えば、第１実施形態のハイブリッド画素４２ａ，４２ｂの場合、常に透明にしておく調光素子５５Ａをなくし、調光素子５５Ｂだけを設けてもよい。この場合、調光素子５５Ｂを零電圧にして不透明にすれば、調光素子が設けられていない部分（第１実施形態で調光素子５５Ａがある部分）だけ入射光７１を透過させることができる。このため、調光素子５５Ｂを零電圧にして不透明にすることでハイブリッド画素４２ａ，４２ｂをそれぞれ右光束用位相差画素、左光束用位相差画素として機能させることを予め定めている場合には、上述のように、不透明に制御する調光素子だけを設けてもよい。被写体や撮影の状況等に応じてハイブリッド画素４２ａ，４２ｂを右光束用位相差画素、左光束用位相差画素として機能させたり、逆にハイブリッド画素４２ａ，４２ｂをそれぞれ左光束用位相差画素、右光束用位相差画素として機能させたりする場合には、第１〜第３実施形態のように２以上の調光素子を設けておくことが好ましい。

なお、上述の第１〜第３実施形態では、受光領域１１内に満遍なくハイブリッド画素が複数設けられているが、位相差ＡＦを行うためにはハイブリッド画素は少なくとも２個あればよい。３以上のハイブリッド画素を設ける場合には、ハイブリッド画素の個数や配置の分布は任意である。

本発明の固体撮像装置１０は、位相差ＡＦを行うものであれば任意の撮像装置に用いることができる。特に、第３実施形態の調光素子５５Ａの面積を周辺部１１ｂで拡大したものは、薄型のデジタルカメラ、携帯電話機やＰＤＡ、スマーフォトン等に搭載されるカメラユニット等、周辺部で主光線角度が大きくなりやすい薄型，小型のものに特に好適である。

１０，８０ 固体撮像装置
１１ 受光領域
２１ 画素
４２ａ，４２ｂ，８２ａ〜８２ｄ ハイブリッド画素
４３ 通常画素
５４ 調光層
５５Ａ，５５Ｂ，８５Ａ〜８５Ｄ 調光素子

Claims (10)

1. 被写体からの入射光を光電変換するフォトダイオードの入射面の一部を覆い、印加される電圧に応じて透過光量が変化する第１調光素子と、前記フォトダイオードの入射面の残りの部分を覆い、印加される電圧に応じて透過光量が変化する第２調光素子とを有する第１ハイブリッド画素と、
   前記第１ハイブリッド画素に対して前記第１調光素子と前記第２調光素子の位置を入れ替えた第２ハイブリッド画素と、
   前記第１調光素子と前記第２調光素子の少なくとも一方に電圧を印加して、前記第１調光素子または前記第２調光素子の一方を透明にし、他方を不透明にすることにより、前記第１ハイブリッド画素及び前記第２ハイブリッド画素を一対の位相差画素として機能させる調光制御部と、
   を備える固体撮像装置。
2. 前記第１調光素子及び前記第２調光素子は、一対の透明電極と、前記一対の透明電極の間に設けられ、透明な所定基材中に配向粒子が分散配置された層とを備え、
   前記調光制御部は、前記一対の透明電極間に印加する電圧を調節して前記配向粒子の配向方向を変えることにより、前記第１調光素子及び前記第２調光素子の透過光量を調節する請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１調光素子及び前記第２調光素子は、第１の透明電極と、酸化されることによって着色する酸化発色層と、前記酸化発色層の着色に関与するイオンを通す絶縁性のイオン導電層と、前記イオン導電層を介して還元されることによって着色する還元発色層と、第２の透明電極をこの順に積層して形成されるエレクトロクロミック素子であり、
   前記調光制御部は、前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極との間に印加する電圧を調節して、前記酸化発色層と前記還元発色層の着色を制御することにより、前記第１調光素子及び前記第２調光素子の透過光量を調節する請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記第１調光素子及び前記第２調光素子が、一対の透明電極と、高分子ネットワークの間隙に液晶分子が充填された構造を有する高分子液晶複合層と備え、
   前記調光制御部は、前記一対の透明電極間に印加する電圧を調節して前記配向粒子の配向方向を変えることにより、前記第１調光素子及び前記第２調光素子の透過光量を調節する請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１調光素子及び前記第２調光素子は、第１の偏光板と、第１の透明電極と、液晶分子からなる液晶層と、第２の透明電極と、第２の偏光板とを備え、
   前記調光制御部は、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とに印加する電圧を調節し、前記液晶分子の配向方向を制御することにより前記第１調光素子及び前記第２調光素子の透過光量を調節する請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 複数の画素が配列された受光領域の少なくとも中央部と周辺部に前記第１ハイブリッド画素及び前記第２ハイブリッド画素が設けられ、
   前記中央部に対して所定の第１方向の前記周辺部に配置された前記第１ハイブリッド画素は、前記第１調光素子の面積が前記第２調光素子の面積よりも大きく、前記中央部に対して前記第１方向の前記周辺部に配置された前記第２ハイブリッド画素は、前記第１調光素子の面積が前記第２調光素子の面積よりも小さい請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記中央部に対して前記第１方向と逆の方向の周辺部に配置された前記第１ハイブリッド画素は、前記第１調光素子の面積が前記第２調光素子の面積よりも小さく、前記中央部に対して前記第１方向と逆の方向の前記周辺部に配置された前記第２ハイブリッド画素は、前記第１調光素子の面積が前記第２調光素子の面積よりも大きい請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 赤色、緑色、青色の少なくとも２色以上に前記第１ハイブリッド画素及び前記第２ハイブリッド画素を含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 複数の画素が配列された受光領域にある全ての画素が前記第１ハイブリッド画素または前記第２ハイブリッド画素である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記第１ハイブリッド画素及び前記第２ハイブリッド画素は前記フォトダイオードとして素子分離領域で複数に分けられた光電変換領域を有し、
    前記第１調光素子及び前記第２調光素子は各前記光電変換領域に対応して設けられ、
    １つの前記第１ハイブリッド画素または前記第２ハイブリッド画素に含まれる前記素子分離領域には、他の画素間と分離するための素子分離領域よりも添加物の量が多い請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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