JP2022080378A - 光電変換装置、光電変換システム、移動体 - Google Patents

光電変換装置、光電変換システム、移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】光学中心が略同一となる２つの光電変換部によって構成される画素からなる画素領域では、画素領域外縁部の画素で入射光が画素中央に集光されないため、画素中央の光電変換部に対して無視できないシェーディングが生じる。【解決手段】複数の画素が並んだ画素領域を有する光電変換装置であって、複数の画素のうち第一の画素と、第一の画素よりも画素領域の端部に近い位置に配された第二の画素と、を有し、第一の画素と第二の画素のそれぞれは、第一の光電変換部と、第一の光電変換部を取り囲む第二の光電変換部と、第一の光電変換部及び第二の光電変換部で生じた電荷に基づく信号を処理する回路の配されたトランジスタ領域とを有し、第二の画素における、第一の光電変換部とトランジスタ領域との平面距離は、第一の画素における、第一の光電変換部とトランジスタ領域との平面距離よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、光電変換装置、この光電変換装置を備えた光電変換システム、移動体に関する。
特許文献１には１つの光電変換部の周囲を囲む形でこれより受光面積の大きい光電変換部が配置され、これら大小２つの光電変換部の信号を組み合わせることによって光電変換装置のダイナミックレンジを拡大する方法が提案されている。
米国特許出願公開第２０１８／０２６９２４５号明細書
光学中心が略同一となる２つの光電変換部によって構成される画素を複数個備える画素領域では、画素領域外縁部の画素で入射光が画素中央（受光面積小の光電変換部）に集光されないため、シェーディング（光量低下）が生じる。
本発明の一つの側面は、複数の画素が並んだ画素領域を有する光電変換装置であって、前記複数の画素のうち第一の画素と、前記第一の画素よりも画素領域の端部に近い位置に配された第二の画素と、を有し、前記第一の画素と前記第二の画素のそれぞれは、第一の光電変換部と、前記第一の光電変換部を取り囲む第二の光電変換部と、前記第一の光電変換部及び前記第二の光電変換部で生じた電荷に基づく信号を処理する回路の配されたトランジスタ領域とを有し、前記第二の画素における、前記第一の光電変換部と前記トランジスタ領域との平面距離は、前記第一の画素における、前記第一の光電変換部と前記トランジスタ領域との平面距離よりも大きいことを特徴とする。
本発明のその他の側面は、複数の画素を有する光電変換装置であって、前記複数の画素は、集光された光が斜め入射する、第一の光電変換部と前記第一の光電変換部を取り囲む第二の光電変換部とを備える画素を有し、前記第二の光電変換部の中心と前記第一の光電変換部の中心とが一致するとした場合に前記第一の光電変換部が受光する光量よりも大きい光量を前記第一の光電変換部が受光するように、前記第一の光電変換部の中心が前記第二の光電変換部の中心に対して偏心していることを特徴とする。
本発明によれば、シェーディングを軽減できる。
第一の実施形態に係る光電変換装置の概略図である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の画素回路の構成例である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の平面構造を模式的に示す図面である。 第一の実施形態に係る画素領域内でのマイクロレンズの集光を模式的に表す図面である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の画素領域全体の平面構造を模式的に示す図面である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の画素領域全体の平面構造を模式的に示す図面である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の画素領域全体の平面構造を模式的に示す図面である。 第一の実施形態に係る光電変換装置のカラーフィルターを含んだ平面構造を模式的に示す図面である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の転送ゲートを含んだ平面構造を模式的に示した図面である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の転送ゲートを含んだ平面構造を模式的に示した図面である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の平面構造を模式的に示す図面である。 第一の実施形態に係る光電変換装置の平面構造を模式的に示す図面である。 第二の実施形態にかかる撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 第三の実施形態にかかる撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。
（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態に係る光電変換装置およびその駆動方法について、図１から図８を用いて説明する。
図１は第一の実施形態に係る光電変換装置の概略図である。図２は第一の実施形態に係る光電変換装置の画素回路の構成例である。図３は第一の実施形態に係る光電変換装置の平面構造を模式的に示す図面である。図４は第一の実施形態に係る画素領域内でのマイクロレンズの集光を模式的に示す図面である。図５は第一の実施形態に係る光電変換装置の画素領域全体の平面構造を模式的に示す図面である。図６は第一の実施形態に係る光電変換装置の画素領域全体の平面構造を模式的に示す図面である。図７は第一の実施形態に係る光電変換装置のカラーフィルターを含んだ平面構造を模式的に示す図面である。図８と図９は第一の実施形態に係る光電変換装置の転送トランジスタを含んだ平面構造を模式的に示す図面である。図１０と図１１は第一の実施形態に係る光電変換装置の平面構造を模式的に示す図面である。
（光電変換装置の全体構成）
第一の実施形態に係る光電変換装置は、図１に示すように画素領域３０１と、タイミングジェネレーター３０２と、列信号処理回路３０３と、信号処理回路３０４とを有している。
画素領域３０１には複数の画素１００が複数行及び複数列にわたって並んだ画素マトリクスが形成されている。
画素領域３０１の画素マトリクスの各行には、行方向（図１において横方向）に延在して、制御信号線３０５が配されている。制御信号線３０５は、行方向に並ぶ画素１００にそれぞれ接続され、これら画素１００に共通の信号線をなしている。また、画素領域３０１の画素マトリクスの各列には、列方向（図１において縦方向）に延在して、垂直出力線２０９が配されている。垂直出力線２０９は、列方向に並ぶ画素１００にそれぞれ接続され、これら画素１００に共通の信号線をなしている。図１においては１本の垂直出力線が描かれているが、出力される信号に応じ複数本の垂直出力線が接続されていてもよい。
画素領域３０１を構成する画素１００の数は、特に限定されるものではない。例えば、一般的なデジタルカメラのように数千行×数千列の画素１００で画素領域３０１を構成してもよく、１行又は１列に並べた複数の画素１００で画素領域３０１を構成してもよい。
各行の制御信号線３０５はタイミングジェネレーター３０２に接続されている。画素１００から読み出された画素信号は、垂直出力線２０９を介して列信号処理回路３０３に入力される。列信号処理回路３０３は画素１００から読み出された画素信号を保持するメモリ等を含み得る。列信号処理回路３０３から出力される画素信号は信号処理回路３０４を介して列毎に順次出力される。
（画素の構成）
本実施形態に係る画素１００の構成と接続関係について説明する。図２は第一の実施形態の画素回路の等価回路図である。それぞれの画素１００は、図３に示すように光電変換部１０１と不図示のトランジスタ領域を有し、光電変換部１０１はフォトダイオード（以下「ＰＤ」とも表記する）１０２とＰＤ１０３を含む。
画素回路１０はＰＤ１０２とＰＤ１０３を有する。さらに転送トランジスタ２０１－１と２０１－２と、を含む。さらにオーバーフロー用トランジスタ２０５とＦＤ容量２０２、ゲインコントロールトランジスタ２０４、容量素子２０３、リセットトランジスタ２０６、ソースフォロワトランジスタ２０７、セレクトトランジスタ２０８を含んで構成される。これらのトランジスタの一部はトランジスタ領域に配される。
各素子の機能と接続について説明する。
ＰＤ１０２およびＰＤ１０３は、それぞれ、光電変換部の一例である。ＰＤ１０２とＰＤ１０３とのそれぞれに光が入射すると光電変換により電荷が発生し、ＰＤ１０２、ＰＤ１０３のそれぞれは、発生した電荷を信号電荷として蓄積する。ＰＤ１０２、ＰＤ１０３のアノードは接地電位に接続されている。ＰＤ１０２は転送トランジスタ２０１－１に接続され、ＰＤ１０３は転送トランジスタ２０１－２とオーバーフロー用トランジスタ２０５に接続されている。
転送トランジスタ２０１－１とソースフォロワトランジスタ２０７の入力ノード（ゲート）が電気的に接続され、転送トランジスタ２０１－２とソースフォロワトランジスタ２０７の入力ノードが電気的に接続されている。
転送トランジスタ２０１－１と２０１－２のゲートにはそれぞれ制御信号ＴＸ１、ＴＸ２が入力される。各制御信号がＨｉｇｈレベルのとき、ソースフォロワトランジスタ２０７の入力ノードに各フォトダイオードから信号電荷が転送される。
オーバーフロー用トランジスタ２０５は電源ＶＤＤとＰＤ１０３に接続される。オーバーフロー用トランジスタ２０５のゲートには制御信号ＯＦが入力される。オーバーフロー用トランジスタ２０５ではゲート電位に応じたポテンシャルバリアが形成される。制御信号ＯＦがＨｉｇｈレベルのとき、電源ＶＤＤにＰＤ１０３から信号電荷が転送される。制御信号ＯＦが中間電位ＬＭ１（Ｌｏｗ＜ＬＭ１＜Ｈｉｇｈ）以上のとき、電源ＶＤＤとＰＤ１０３の間のポテンシャルバリアが他の領域のバリアより低いレベルになることによって、電源ＶＤＤに余剰な電荷を排出することができる。電源ＶＤＤとＰＤ１０３の間のポテンシャルバリアは典型的には転送トランジスタ２０１－２のポテンシャルバリアよりも低くなる。
転送トランジスタ２０１－１と２０１－２、ゲインコントロールトランジスタ２０４、および、ソースフォロワトランジスタ２０７のゲートは、互いに接続され、１つのノードを構成している。この１つのノードを、フローティングディフュージョン（以降ＦＤ）ノードまたはＦＤ部と呼ぶことがある。
図２において、ＦＤ部の持つ容量が、ＦＤ容量２０２として表されている。ＦＤ容量２０２は、ＦＤ部を構成する配線の寄生容量成分やＦＤ部に接続されたトランジスタのゲートの寄生容量成分を含みうる。また、ＦＤ容量２０２は、ＦＤ部を構成する半導体領域のＰＮ接合容量成分、および、ＦＤ部に接続されたトランジスタのソースまたはドレインのＰＮ接合容量成分を含みうる。これらの容量成分に加えて、ＦＤ容量２０２は、ＰＩＰ容量、ＭＩＭ容量、ＭＯＳ容量などの容量素子によって構成されてもよい。これらの容量素子が配される場合には、当該容量素子の一端が、転送トランジスタ２０１－１、２０１－２、ゲインコントロールトランジスタ２０４、および、ソースフォロワトランジスタ２０７のゲートに接続される。
ゲインコントロールトランジスタ２０４は容量素子２０３の一方の端子とリセットトランジスタ２０６に接続される。ゲインコントロールトランジスタ２０４のゲートには制御信号ＧＣが入力される。容量素子２０３に電荷が蓄積された状態で制御信号ＧＣをＬｏｗレベルにし、ゲインコントロールトランジスタ２０４をオフにすることで、容量素子２０３はＦＤ容量２０２から分離される。また、制御信号ＧＣがＨｉｇｈレベル／Ｌｏｗレベルに切り替わり、ゲインコントロールトランジスタ２０４のオン／オフが切り替わることで、容量素子２０３をＦＤ容量の一部として扱うか否かを切り替えられ、電荷電圧変換のゲインを異ならせることができる。さらに、制御信号ＧＣが中間電位ＬＭ１（Ｌｏｗ＜ＬＭ１＜Ｈｉｇｈ）以上のとき、容量素子２０３とＰＤ１０３の間のポテンシャルバリアが他の領域のバリアより低いレベルになることで、容量素子２０３に余剰な電荷を排出することができる。典型的にはＦＤ容量２０２よりもポテンシャルバリアが低くなる。
リセットトランジスタ２０６およびソースフォロワトランジスタ２０７には電源ＶＤＤが接続される。リセットトランジスタ２０６のゲートには制御信号ＲＥＳが入力される。制御信号ＲＥＳがＨｉｇｈレベルのとき、リセットトランジスタ２０６がオンする。リセットトランジスタ２０６がオンすることで、ＰＤ１０２、ＰＤ１０３、ＦＤ部、および、容量素子２０３の一部または全部をリセットすることができる。
ソースフォロワトランジスタ２０７はセレクトトランジスタ２０８を介して垂直出力線２０９に接続される。セレクトトランジスタ２０８のゲートには制御信号ＳＥＬが入力される。制御信号ＳＥＬがＨｉｇｈレベルのとき、セレクトトランジスタ２０８がオンになり、ソースフォロワトランジスタ２０７と電流源でソースフォロワ回路が形成される。
ＰＤ１０２のアノード、および、ＰＤ１０３のアノードは、それぞれ接地電位に接続される。またＦＤ容量２０２および容量素子２０３のもう一方の端子はそれぞれ接地電位に接続されるものとして記載している。
ＰＤ１０３は、信号電荷である電子にとってポテンシャルが低い領域を含み、当該領域の周囲には信号電荷に対するポテンシャルバリアが形成される。すなわち、ＰＤ１０３のカソードには、局所的に電位が高い領域が存在する。そのため、発生した信号電荷はＰＤ１０３のカソードに蓄積される。信号電荷である電子が蓄積されることに伴い、ＰＤ１０３のカソード電位が下がる。その結果、ＰＤ１０３の周囲に形成されるポテンシャルバリアの高さは低くなる。
光電変換により発生した電荷のうち、フォトダイオードに蓄積可能な量を超えて過剰な電荷が発生する場合がある。ＰＤ１０３に大量の光が入射し過剰な電荷が発生したときには、ポテンシャルバリアの最も低いところから過剰な電荷が外にあふれ出す。
ＰＤ１０３とＦＤ部の間には転送トランジスタ２０１－２が存在し、ＦＤ部と容量素子２０３との間にはゲインコントロールトランジスタ２０４が存在する。転送トランジスタ２０１－２のゲート電位によって、転送トランジスタ２０１－２のゲートの直下の領域、すなわち、転送トランジスタ２０１－２のチャネル領域のポテンシャルバリアの高さを制御することができる。同様に、ゲインコントロールトランジスタ２０４のゲート電位ＧＣによって、ゲインコントロールトランジスタ２０４のゲートの直下の領域、すなわち、ゲインコントロールトランジスタ２０４のチャネル領域のポテンシャルバリアの高さを制御することができる。
フォトダイオードＰＤ１０３とＦＤ部の間のポテンシャルバリアがフォトダイオード周辺を囲むポテンシャルバリアの中で最も低くなるように転送トランジスタ２０１－２の制御信号ＴＸ２が制御される。このとき、ＰＤ１０３で発生した過剰な電荷は転送トランジスタ２０１－２を介して排出される。ゲインコントロールトランジスタ２０４がオフであれば、排出された過剰な電荷はＦＤ部に保持される。ゲインコントロールトランジスタ２０４に入力される制御信号ＧＣによって、ゲインコントロールトランジスタ２０４のオン、オフが制御される。ゲインコントロールトランジスタ２０４がオンであれば、排出された余剰な電荷はＦＤ部及び容量素子２０３に保持される。
図３～５を用いて本発明の画素の構造と画素への光の入射について説明する。
図３は画素を構成する光電変換部１０１の概略構成を示す模式図である。ＰＤ１０２の受光部の面積はＰＤ１０３の受光部の面積よりも小さく、ＰＤ１０２は周囲をＰＤ１０３に囲まれている。光電変換部１０１の光入射側には画素毎に集光機能を有するマイクロレンズ（図４参照）が設けてある。
本実施形態の図においてはＰＤ１０２の受光部とＰＤ１０３の受光部との面積の総和はいずれの画素でも等しくなっているが、面積の総和が他とは異なる画素を含む光電変換装置でも構わない。
図４は、図３に示した光電変換部を有する画素のそれぞれの、画素領域３０１の中央部と画素領域３０１の外縁部とのマイクロレンズの集光状態を模式的に示した図である。
画素領域３０１の中央部ではマイクロレンズを通した光線束は光電変換部１０１の中央部に集光される。ＰＤ１０２に入射する光量とＰＤ１０３に入射する光量との比はＰＤ１０２とＰＤ１０３との面積比と一致する。つまりＰＤ１０２とＰＤ１０３との面積比がＰＤ１０２とＰＤ１０３との入射光に対する感度比である。ＰＤ１０２とＰＤ１０３との面積比を１：ｎとしたとき、ダイナミックレンジを拡大した画像信号は、ＰＤ１０２で発生する電荷に基づく信号に感度比ｎを乗じ、ＰＤ１０３で発生する電荷に基づく信号を加えることで得られる。
しかし、画素領域３０１の外縁部ではマイクロレンズを通した光線束が画素領域中央から見て外側の位置（遠心方向の位置）にずれて集光される。そのため、ＰＤ１０２に入射する光量とＰＤ１０３に入射する光量との比がＰＤ１０２とＰＤ１０３との面積比である１：ｎではなくなる。
この場合、ダイナミックレンジを拡大した画像信号を得るためには前述の光線束の集光位置のずれを考慮に入れた「シェーディング補正係数」を用いる補正が必要になる。具体的には、ＰＤ１０２で発生する電荷に基づく信号に感度比ｎを乗じた信号にさらにシェーディング補正係数を乗じ、ＰＤ１０３で発生する電荷に基づく信号を加える。上記シェーディング補正係数は、被写体像を形成するレンズ（光学系）からの光線束の傾き状態に応じて異なる値をとる。したがって、複数種のレンズ毎に上記シェーディング補正係数（またはシェーディング補正係数群）の値が変更されることがある。
図５は、第一の実施形態の画素領域３０１内の構成を示す説明図である。画素領域３０１の外縁部におけるマイクロレンズを通った光線束の集光位置ずれを考慮して、各画素において光電変換部１０１内のＰＤ１０２の面内位置を画素領域３０１の遠心方向にずらして配置しＰＤ１０２の位置と集光位置とを近づけるか一致させている。これにより、ＰＤ１０２とＰＤ１０３との双方にマイクロレンズを通った光が入射し、ダイナミックレンジを拡大した信号を得る際にシェーディング補正係数を用いた補正をすることなく計算することが可能となる。
このように本実施形のＰＤ１０２は、画素に対して偏心していない状態での受光光量に比べて大きな受光光量を得るために、光線束の集光位置に近づくように或いは光線束の集光位置に位置するように、画素領域３０１の遠心方向に、画素に対して偏心させてある。ＰＤ１０２の偏心率は、画素の配される位置が画素領域の端部に近付くにつれて高くなる。ここで受光光量とはすなわち光に対する感度であり、大きな受光光量を得ることで高感度になることができる。
図５では画素領域３０１内での各画素の位置に応じて画素毎にＰＤ１０２の相対位置が全て異なっている。このような配置では、ある方向に沿って配置された２つの画素それぞれのＰＤ１０３の中心と画素領域３０１中心との間の平面距離の差よりも、これらの画素それぞれのＰＤ１０２の中心と画素領域３０１中心との間の平面距離の差のほうが大きくなる。ここでＰＤ１０２、ＰＤ１０３、あるいは画素領域の中心とは例えば重心を指す。
ＰＤ１０２の配置はこれに限られず、例えば図６に示すように画素領域３０１を複数の副領域に分け、副領域毎にＰＤ１０２の各画素における相対位置を異ならせてもよい。このように画素マトリクスの構造を単純化することで製造工程の簡略化を図ることが可能である。
図６に示す構造をとる場合、ひとつの副領域内にある複数の画素のＰＤ１０２の相対位置は互いに同じであり、各副領域にはＰＤ１０２の位置が集光位置からずれている画素が含まれる。しかし、画素領域内の全画素にわたってＰＤ１０２の相対位置が同じ場合と比較すれば、ＰＤ１０２の集光位置からのずれは低減されている。また、図６では画素領域を９つの副領域に分割したが、副領域の分割数は求められる画質や工程に応じて任意に設定可能である。
ＰＤ１０２の配置の他の例として、図７に示すように画素領域中心部については各ＰＤ１０３の中心とＰＤ１０２の中心とを一致させてもよい。このとき、マイクロレンズによって集光される光線束の集光位置ずれが大きくなる画素領域外縁部に配置された画素のみＰＤ１０３の中心からＰＤ１０２の中心をずらしてＰＤ１０２の位置と集光位置とを近づけるか一致させてもよい。
この例では、画素領域中心部に位置する複数の光電変換部１０１のうち、一部の画素ではＰＤ１０２の位置が光線束の集光位置からずれ、シェーディングが発生する。
しかし、画素領域中心部の画素で発生するシェーディングは、画素領域外縁部で発生するシェーディングと比べ軽微である。したがって前述の通り、画素領域中心部の画素から得られる信号に関してはシェーディング補正係数による補正を行わなくとも画質に重大な問題は生じない。
このような構成により、より簡便な操作で十分な画質の画像を得ることが可能である。補正を行う必要がないため、消費電力を低減することが可能である。また、補正に要する回路が不要であるため画素構成の自由度が向上する。
画素領域中央部に位置する画素から得られる信号に関しては既存のシェーディング補正係数を用いた補正をすることも可能である。
例えば、シェーディングが比較的軽微な画素領域中央部については補正係数による補正を行う。一方、軽微なシェーディングに応じた補正係数による補正では十分な補正ができない画素領域外縁部については、シェーディングが発生しないよう集光位置に合わせてＰＤ１０２の位置をずらす。このような構成では、より高画質の画像を得ることができる。
ここで画素領域外縁部とは、例えば図７に示すように一点鎖線と破線とで囲まれた、画素領域の端部１０％の部分を指し、画素領域中心部とは画素領域の画素領域外縁部以外の部分（図７において一点鎖線の内側の領域）を指す。
図７の例では画素領域中心部を画素領域全体の相似形の領域とし、画素領域の面積の９０％にあたる面積を有し、領域の中心を同じくする部分として規定する。図７のように画素領域が矩形であれば、画素領域の長手方向の長さの９０％の長さと画素領域の短手方向の長さの９０％の長さの辺を有し、画素領域と中心を同じくする矩形の領域として画素領域中心部を規定してもよい。
本実施例では画素領域外縁部の範囲を画素領域の端部１０％としたが、画素領域中心部及び画素領域外縁部は求められる画質に応じて任意に設定可能である。画素領域外縁部をさらに複数に分割し、シェーディング補正を行う領域と、行わない領域とを入れ子状に設定してもよい。
また、本実施形態において、各画素のＰＤ１０２の中心を、ＰＤ１０３の中心に対して縦方向のみ、あるいは横方向のみなど一定の方向にのみずらして配置し、縦横両方向に交差する斜め方向にずらさない構成を採ってもよい。
いずれの場合も、画素に対し偏心させたＰＤ１０２の中心はＰＤ１０３の中心から画素領域３０１の遠心方向にずれて配置される。
画素領域内の画素から全部が一直線上には無い３つの画素を画素群として選択したときを考える。上記遠心方向にずれた配置のため、画素群の各画素のＰＤ１０３の中心同士を結んでできる三角形の面積は、該画素群のＰＤ１０２の中心同士を結んだ三角形の面積よりも小さくなるような画素群を複数有する。
図８は、第一の実施形態の画素のカラーフィルター配置及び遮光部の配置を示している。
本実施形態では、各画素はそれぞれ１色のカラーフィルターを光電変換部の光入射側に有している。ベイヤー配列に配置された二行二列のカラーフィルターと画素とをひとつの繰り返し単位として複数配置することにより、カラーフィルターは画素領域に配列される。
本実施形態ではさらに、遮光部６０１によって画素領域を光が入射する画素と光が入射しない遮光画素とに分けている。このとき、遮光部６０１に覆われた遮光画素においてもカラーフィルターを配置し、光が入射する画素と連続性を持たせた構成としている。このような構成を取ることで、各画素１００のＰＤ１０２の中心がＰＤ１０３の中心からずらしてある画素領域内で生じる暗時のシェーディングを、遮光部６０１に覆われた遮光画素から得られる情報で補正することができる。ここで暗時のシェーディングとは遮光された画素で発生する暗電流を指す。より具体的には遮光画素で取得した信号を遮光画素以外の画素から得られる光電変換信号から減算することによって、暗電流に起因するノイズを除去または小さくできる。
本実施形態では隣接する画素が互いに異なる色に対応したカラーフィルターを有する場合を示した。しかし、例えば互いに隣接する二行二列の四画素毎に同色のカラーフィルターを配置する、いわゆるクワッドベイヤー配列など、複数の画素毎に１色のカラーフィルターを配してもかまわない。
図９は第一の実施形態に係る光電変換装置のトランジスタを含んだ平面構造を模式的に示している。画素領域中央部分、画素領域右下側の部分、両部分の中間点のそれぞれでの画素の光電変換部１０１の平面図を並べている。図９では画素が備えるトランジスタの代表的な例として、転送トランジスタが備える転送ゲート７０２、７０２を示している。トランジスタ領域に含まれるトランジスタは、転送トランジスタとは別のトランジスタであってもよい。例えば、図２に示した、トランジスタ２０４～２０８のいずれか、あるいは複数のトランジスタを組み合わせた領域とすることもできる。
各画素は半導体基板に形成され、半導体基板は光電変換部１０１を含む半導体層と配線を含む配線層を有する。図９の例では、ＰＤ１０２の電荷を転送する転送トランジスタが備える転送ゲート７０２と、ＰＤ１０３の電荷を転送する転送トランジスタが備える転送ゲート７０３との各画素における相対位置を画素領域全体で変更しない。つまり転送ゲート７０３のＰＤ１０３に対する相対位置は各画素を二分する線７０４における断面においても各画素間で互いに同一である。より具体的には不図示の画素分離部によって規定される画素の端部から転送ゲートまでの距離が各画素間で互いに同一となる。なお、この画素分離部は絶縁分離で形成されてもよい。この絶縁分離とはＬＯＣＯＳ（ＬＯＣａｌ Ｏｘｉｄｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）、ＤＴＩ（Ｄｅｅｐ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等によって形成される。また、画素分離部とは、光電変換部が信号電荷として蓄積する電荷とは反対の極性の電荷を主たるキャリアとする、反対導電型の半導体領域で形成されてもよい。さらに言えば、画素分離部は絶縁分離と、反対導電型の半導体領域による分離とを組み合わせて形成されても良い。
隣り合う画素同士の転送ゲート７０３の間隔は、同一行に配された複数の画素において一定である。同様に、隣り合う画素同士の転送ゲート７０２の間隔は、同一行に配された複数の画素において一定である。また、１画素の中における、転送ゲート７０３と転送ゲート７０２の間隔もまた、同一行に配された複数の画素において一定である。なお、図９では同一行の画素の構成について説明したが、さらに複数行の画素においても図９に示した画素の構成を適用しても良い。また、画素領域の全体に渡って図９に示した画素の構成を適用しても良い。図９において光電変換部の端部とは光電変換部１０１の外周部であり、光電変換部１０１外周部と線７０４との交点から転送ゲートまでの線７０４に沿った距離を比較する。この場合、図２の画素回路に含まれるＭＯＳや配線の少なくとも転送ゲートと接続される部分について全ての画素で同一に作成することができるため、画素部のＭＯＳ設計及び配線設計が容易である。
図１０は、第一の実施形態に係る光電変換装置のトランジスタを含んだ平面構造を模式的に示している。画素領域中央部分、画素領域右下側の部分、両部分の中間点のそれぞれでの画素の光電変換部１０１の平面図を並べている。図１０の例では、転送ゲート７０２の位置はＰＤ１０２の配置される位置に応じて変化する。したがって転送ゲート７０２の位置は画素領域内における画素の位置に応じて異なる。
また、例えば画素領域を複数の副領域に分けて副領域毎に転送ゲート７０２のＰＤ１０２に対する相対位置を異ならせることができる。
図１０に示す平面構造の場合、図２の画素回路に含まれるＭＯＳや配線は転送ゲートの位置に応じて変更することになる。しかし、画素内のＰＤ１０２の相対位置に制限がなくなり、ＰＤ１０２を、マイクロレンズからの光線束の集光位置と同じ位置や同集光位置に近い位置といった所望の位置に配置することができる。
図１１と図１２は双方とも、第一の実施形態の画素構成の変形例を示す模式図である。
図１１において、画素１００の光電変換部１０１がＰＤ１０２とＰＤ１０３からなる構成は図３と同様であるが、ＰＤ１０２の形状は四角形である。ＰＤ１０２の外周部がＰＤ１０３の外周部と相似形となっているため、面積比の算出及び面積比に応じた信号処理が容易である。
また、図１２が示す変形例は、ＰＤ１０２が円形であり、ＰＤ１０３が円環状である。そのため図１１の例同様、信号処理が容易である。
図１１と図１２に示す通り、本実施形態の画素の平面構造は図３に示す形に限られない。
図３、図１１および図１２に示す、ＰＤ１０２（第一の光電変換部）とこれを取り囲むＰＤ１０３（第二の光電変換部）とはどちらも一つの光電変換部より成るものであるが、それぞれ互いに独立した２以上の光電変換部で構成することも可能である。
例えば、ＰＤ１０２（第一の光電変換部）を取り囲むＰＤ１０３（第二の光電変換部）を、ＰＤ１０２を取り囲む第三の光電変換部（ＰＤ）とこの第三の光電変換部を囲む第四の光電変換部（ＰＤ）とから構成することも可能である。
また、これら「取り囲む光電変換部」は一周連続した１つの光電変換部に限らず、周方向に複数の光電変換部（例えば円弧状の光電変換部）を並べてほぼ環状とした光電変換部の形態も採りうる。
なお、ＰＤ１０２とＰＤ１０３との面積比は画素領域全体にわたって一定である場合に限られない。例えばＰＤ１０２への入射光量が減少する画素領域外縁部では画素領域中心部と比べＰＤ１０２の面積を大きくし、更に本実施形態を適用することで、シェーディングの軽減を図ってもかまわない。
光電変換装置において、第一実施形態の構成を取ることにより、一部又は全画素のＰＤからの光電変換信号に対してシェーディング補正係数を用いた補正をすることなく、ダイナミックレンジを拡大した信号を作成することができる。
以上説明した実施形態の光電変換装置は、ＰＤ１０２とＰＤ１０３とを共通の一の半導体基板に配置し、回路をこの半導体基板を含む複数の半導体基板に配置して、それらの基板を貼り合わせた積層構造として構成してもよい。
（第２の実施形態）
本実施形態による光電変換システムについて、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施形態による光電変換システムの概略構成を示すブロック図である。
上記第１実施形態で述べた光電変換装置は、種々の光電変換システムに適用可能である。適用可能な光電変換システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、光電変換システムに含まれる。図１３には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。
図１３に例示した光電変換システムは、光電変換装置の一例である撮像装置１００４、被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズ１００２を有する。さらにレンズ１００２を通過する光量を可変にするための絞り１００３、レンズ１００２の保護のためのバリア１００１を有する。レンズ１００２及び絞り１００３は、撮像装置１００４に光を集光する光学系である。撮像装置１００４は、上記のいずれかの実施形態の光電変換装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を電気信号に変換する。
光電変換システムは、また、撮像装置１００４より出力される出力信号の処理を行うことで画像を生成する画像生成部である信号処理部１００７を有する。信号処理部１００７は、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部１００７は、撮像装置１００４が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置１００４とは別の半導体基板に形成されていてもよい。
光電変換システムは、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部１０１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）１０１３を有する。更に光電変換システムは、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体１０１２、記録媒体１０１２に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）１０１１を有する。なお、記録媒体１０１２は、光電変換システムに内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
更に光電変換システムは、各種演算を行いデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１００９、撮像装置１００４と信号処理部１００７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１００８を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、光電変換システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された出力信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。
撮像装置１００４は、撮像信号を信号処理部１００７に出力する。信号処理部１００７は、撮像装置１００４から出力される撮像信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。光電変換システムは、この画像データを用いて、画像を生成する。
このように、本実施形態によれば、上記のいずれかの実施形態の光電変換装置（撮像装置）を適用した光電変換システムを実現することができる。
（第３の実施形態）
本実施形態の光電変換システム及び移動体について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施形態の光電変換システム及び移動体の構成を示す図である。
図１４（ａ）は、車載カメラに関する光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム３００は、撮像装置３１０を有する。撮像装置３１０は、上記のいずれかの実施形態に記載の光電変換装置（撮像装置）である。光電変換システム３００は、撮像装置３１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部３１２と、光電変換システム３００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部３１４を有する。また、光電変換システム３００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部３１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部３１８と、を有する。ここで、視差取得部３１４や距離取得部３１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部３１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
光電変換システム３００は車両情報取得装置３２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光電変換システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御部ＥＣＵ３３０が接続されている。また、光電変換システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御部ＥＣＵ３３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光電変換システム３００で撮像する。図１４（ｂ）に、車両前方（撮像範囲３５０）を撮像する場合の光電変換システムを示した。車両情報取得装置３２０が、光電変換システム３００ないしは撮像装置３１０に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。
上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、光電変換システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
（変形実施形態）
本発明は、上記各実施形態に限らず、上記各実施形態の変形例である種々の変形実施形態を採ることが可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態に含まれる。
また、上記第２実施形態、第３実施形態に示した光電変換システムは、光電変換装置を適用しうる光電変換システム例を示したものであって、本発明の光電変換装置を適用可能な光電変換システムは図１２及び図１３に示した構成に限定されるものではない。
なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
１０１ 画素
１０２ 第一の光電変換部
１０３ 第二の光電変換部

Claims (22)

  1. 複数の画素が並んだ画素領域を有する光電変換装置であって、
    前記複数の画素のうち第一の画素と、
    前記第一の画素よりも画素領域の端部に近い位置に配された第二の画素と、を有し、
    前記第一の画素と前記第二の画素のそれぞれは、第一の光電変換部と、前記第一の光電変換部を取り囲む第二の光電変換部と、前記第一の光電変換部及び前記第二の光電変換部で生じた電荷に基づく信号を処理する回路の配されたトランジスタ領域とを有し、
    前記第二の画素における、前記第一の光電変換部と前記トランジスタ領域との平面距離は、前記第一の画素における、前記第一の光電変換部と前記トランジスタ領域との平面距離よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記第一の画素と前記第二の画素のそれぞれは、前記第一の光電変換部から電荷を転送する転送ゲートを有し、
    前記第一の光電変換部と前記トランジスタ領域との平面距離は、前記第一の光電変換部と前記第一の転送ゲートとの平面距離であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 複数の画素を有する光電変換装置であって、
    前記複数の画素は、集光された光が斜め入射する、第一の光電変換部と前記第一の光電変換部を取り囲む第二の光電変換部とを備える画素を有し、
    前記第二の光電変換部の中心と前記第一の光電変換部の中心とが一致するとした場合に前記第一の光電変換部が受光する光量よりも大きい光量を前記第一の光電変換部が受光するように、前記第一の光電変換部の中心が前記第二の光電変換部の中心に対して偏心していることを特徴とする光電変換装置。
  4. 前記複数の画素が並んだ画素領域を有し、
    画素の配される位置が前記画素領域の端部に近くなるにつれ前記偏心の偏心率が上がることを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
  5. 前記第二の光電変換部の入射光に対する感度は前記第一の光電変換部の入射光に対する感度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  6. 前記第二の光電変換部の受光面の面積は、前記第一の光電変換部の受光面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  7. 第一の光電変換部で生じた信号に、第一の光電変換部と第二の光電変換部との感度比に応じた値を乗じた信号と、第二の光電変換部で生じた信号との和を画像信号とすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  8. 前記画素のそれぞれは集光機能を有するマイクロレンズを有し、
    前記第一の光電変換部と前記第二の光電変換部とは、同一の前記マイクロレンズに集光された光が入射するように配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  9. 前記複数の画素の各々は、前記第一の光電変換部の電荷を転送する転送ゲートを有し、
    前記複数の画素は各画素を二分する断面において画素の端部から前記転送ゲートまでの距離が互いに同一の画素を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  10. 前記複数の画素のそれぞれは半導体層と配線層とを有し、
    前記複数の画素の前記配線層のうち前記転送ゲートに接続される部分が互いに同一の構造を有することを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
  11. 前記複数の画素のそれぞれはカラーフィルターを有し、
    二行二列に配される四画素からなる配列を繰り返して配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  12. 遮光部と、前記遮光部によって遮光された遮光画素とを有し、
    前記遮光画素が前記第一の画素にあたることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  13. 前記遮光部が、前記画素領域における前記複数の画素の四画素からなる配列のうち少なくとも一つを覆っていることを特徴とする請求項１２に記載の光電変換装置。
  14. 前記第二の光電変換部は、第三の光電変換部と、前記第三の光電変換部を囲む第四の光電変換部とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  15. 前記第一の光電変換部の中心が前記画素の中心に対して偏心している画素において、
    前記第一の光電変換部は、その中心が前記斜め入射する光が集光する領域内に位置するように配置してあることを特徴とする請求項３乃至請求項１４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  16. 前記画素領域は半導体基板に形成され、
    前記半導体基板を含む複数の半導体基板を積層して構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  17. 請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力された信号に対して処理を行う処理装置と、
    を有することを特徴とする光電変換システム。
  18. 請求項１７に記載の光電変換システムと、該光電変換システムの前記光電変換装置に被写体の光学像を結像させるレンズと、を有することを特徴とするデジタルカメラ。
  19. 請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の光電変換装置を備える移動体であって、
    前記光電変換装置が出力する信号を用いて前記移動体の移動を制御する制御部を有することを特徴とする移動体。
  20. 他の半導体基板に積層するための半導体基板であって、
    複数の画素が並んだ画素領域と、前記複数の画素のうち第一の画素と、前記第一の画素よりも画素領域の端部に近い位置に配された第二の画素と、を有し、
    前記第一の画素と前記第二の画素のそれぞれは、第一の光電変換部と、前記第一の光電変換部を取り囲む第二の光電変換部と、前記第一の光電変換部及び前記第二の光電変換部で生じた電荷に基づく信号を処理する回路の配されたトランジスタ領域とを有し、
    前記第二の画素における、前記第一の光電変換部と前記トランジスタ領域との平面距離は、前記第一の画素における、前記第一の光電変換部と前記トランジスタ領域との平面距離よりも大きいことを特徴とする半導体基板。
  21. 前記第一の画素と前記第二の画素のそれぞれは、前記第一の光電変換部から電荷を転送する転送ゲートを有し、
    前記第一の光電変換部と前記トランジスタ領域との平面距離は、前記第一の光電変換部と前記第一の転送ゲートとの平面距離であることを特徴とする請求項２０に記載の半導体基板。
  22. 他の半導体基板に積層するための半導体基板であって、
    複数の画素を有し、
    前記複数の画素は、集光された光が斜め入射する、第一の光電変換部と前記第一の光電変換部を取り囲む第二の光電変換部とを備える画素を有し、
    前記第二の光電変換部の中心と前記第一の光電変換部の中心とが一致するとした場合に前記第一の光電変換部が受光する光量よりも大きい光量を前記第一の光電変換部が受光するように、前記第一の光電変換部の中心が前記第二の光電変換部の中心に対して偏心していることを特徴とする半導体基板。
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