JP2023167258A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画素が行列状に配列された撮像素子において、行方向と列方向とで焦点検出信号のＳ／Ｎ比が異なる場合に、行方向と列方向とで焦点検出の性能を近づけること。【解決手段】 第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向に行列状に配置された複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の各マイクロレンズに対して、前記各マイクロレンズを介して入射した光を光電変換するように構成された複数の光電変換部と、を有し、前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向および前記第２の方向の少なくともいずれかの方向に配置され、前記複数の光電変換部から読み出される信号に重畳するノイズの影響が、前記第１の方向よりも前記第２の方向の方が大きい場合に、前記複数の光電変換部の間の前記第１の方向の電荷クロストーク率が、前記第２の方向の電荷クロストーク率よりも高いことを特徴とする。【選択図】 図１２

Description

本発明は、複数の光電変換部を有する画素部が２次元配列された撮像素子及び当該撮像素子を搭載した撮像装置に関する。

従来より、撮像装置で行われる焦点検出方法の１つとして、撮像素子に形成された焦点検出用画素を用いて一対の瞳分割信号を取得し、位相差方式の焦点検出を行う、いわゆる撮像面位相差方式が知られている。

このような撮像面位相差方式の例として、１つの画素に対して、１つのマイクロレンズと複数に分割された光電変換部が形成された２次元撮像素子を用いた撮像装置が、特許文献１に開示されている。複数の光電変換部は、１つのマイクロレンズを介して撮像レンズの射出瞳の異なる領域を透過した光を受光するように構成され、瞳分割を行う。そして、個々の光電変換部の信号である位相差信号から像ずれ量を算出することで、位相差方式の焦点検出を行うことができる。また、画素毎に個々の光電変換部の信号を足し合わせることで、通常の画像信号を取得することができる。また、特許文献１には、画素における光電変換部間の分離障壁の高さが異なる複数種類の画素を配列することで、画素の飽和耐性を高めた構成が開示されている。

このようなイメージセンサでは、複数の光電変換部が画素内で横方向に並び、瞳分割方向が横方向である構成では、例えば、被写体が横方向のストライプ模様等の場合、視差が表れにくく、焦点検出精度が低下することがある。

これに対し、特許文献２には、各マイクロレンズに対する光電変換部の配置方向を２種類にし、瞳分割方向を２種類とすることで、焦点検出精度を向上させる技術が開示されている。また、特許文献２には、縦方向に隣接する光電変換部間を分離する構造と、横方向に隣接する光電変換部間を分離する構造とで、電荷を隣接する光電変換部に漏出させる強度を異ならせることが開示されている。この構造により、１つの光電変換部が蓄積できる電荷量を超えて受光した過飽和電荷を予め決められた方向に配置された異なる光電変換部へ漏出させて蓄積することで、１つの光電変換部が飽和した場合にも、横方向、もしくは縦方向の位相差方式の焦点検出が可能となる。

特開２０１７－２１２３５１号公報 特開２０１４－１０７８３５号公報

特許文献２では、瞳分割方向を行方向と列方向の２種類としている。ここで、例えば、行方向に瞳分割された画素数と列方向に瞳分割された画素数とが異なる場合等では、行方向の位相差信号と列方向の位相差信号のＳ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）が異なる。そのために、位相差方式の焦点検出性能が、行方向と列方向とで異なってしまう可能性がある。

しかしながら、特許文献２では、行方向と列方向とでＳ／Ｎ比が異なる場合について何ら開示されていないため、上記課題を解決することができない。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、画素が行列状に配列された撮像素子において、行方向と列方向とで焦点検出信号のＳ／Ｎ比が異なる場合に、行方向と列方向とで焦点検出の性能を近づけることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の撮像素子は、第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向に行列状に配置された複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の各マイクロレンズに対して、前記各マイクロレンズを介して入射した光を光電変換するように構成された複数の光電変換部と、を有し、前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向および前記第２の方向の少なくともいずれかの方向に配置され、前記複数の光電変換部から読み出される信号に重畳するノイズの影響が、前記第１の方向よりも前記第２の方向の方が大きい場合に、前記複数の光電変換部の間の前記第１の方向の電荷クロストーク率を、前記第２の方向の電荷クロストーク率よりも高くしたことを特徴とする。

本発明によれば、画素が行列状に配列された撮像素子において、行方向と列方向とで焦点検出信号のＳ／Ｎ比が異なる場合に、行方向と列方向とで焦点検出の性能を近づけることができる。

第１の実施形態に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係る撮像素子の全体構成の一例を概略的に示す図。 第１の実施形態に係る画素の等価回路図。 第１の実施形態に係る第１の配置を有する画素の構成を示す概略図。 第１の実施形態に係る第２の配置を有する画素の構成を示す概略図。 第１の実施形態に係る第１の配置を有する画素と部分瞳領域との関係を示す図。 第１の実施形態に係る第１の配置を有する画素の瞳強度分布の一例を示す概略図。 第１の実施形態に係る撮像素子のセンサー入射瞳を概略的に説明する図。 第１の実施形態に係る視差画像間の像ずれ量とデフォーカス量の概略関係を示す図。 第１の実施形態における画素、射出瞳、部分瞳領域の関係を概略的に示す図 第１の実施形態における射出瞳と瞳強度分布の関係を概略的に示す図 第１の実施形態における電荷クロストーク率分布と瞳強度分布の関係を概略的に示す図 第１の実施形態における画素の配置例を示す図。 第２の実施形態に係る第３の配置を有する画素の構成を示す概略図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

＜第１の実施形態＞
［全体構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置は、撮像素子１と、全体制御・演算部２と、指示部３と、タイミング発生部４と、撮影レンズユニット５と、レンズ駆動部６と、信号処理部７と、表示部８と、記録部９と、を備えている。

撮影レンズユニット５は、被写体の光学像を撮像素子１に結像させる。図では１枚のレンズで表されているが、撮影レンズユニット５は、フォーカスレンズ、ズームレンズ等を含む複数のレンズと、絞りを含む。また、撮影レンズユニット５は、撮像装置の本体から着脱可能であってもよいし、本体に一体的に構成されていてもよい。

撮像素子１は、撮影レンズユニット５を介して入射する光を電気信号に変換して出力する。撮像素子１の各画素からは、位相差方式の焦点検出に用いることのできる瞳分割された瞳分割信号（以下、「位相差信号」と呼ぶ。）と、画素ごとの信号である画像信号とを取得可能に信号が読み出される。

信号処理部７は、撮像素子１から出力される信号に対して、補正処理等の所定の信号処理を行い、焦点検出に用いる位相差信号及び記録に用いる画像信号を出力する。

全体制御・演算部２は、撮像装置全体の統括的な駆動及び制御を行う。また、信号処理部７により処理された位相差信号を用いて焦点検出のための演算を行ったり、画像信号に対して、露出制御のための演算処理や、記録・再生用画像を生成するための現像、圧縮等の所定の信号処理を行ったりする。

レンズ駆動部６は、撮影レンズユニット５を駆動するものであり、全体制御・演算部２からの制御信号に従って、撮影レンズユニット５に対してフォーカス制御や、ズーム制御、絞り制御等を行う。

指示部３は、ユーザー等の操作により外部から入力される、撮影の実行指示、撮像装置の駆動モード設定、その他各種設定や選択等の入力を受け付け、全体制御・演算部２へ送信する。

タイミング発生部４は、全体制御・演算部２からの制御信号に従って、撮像素子１及び信号処理部７を駆動するためのタイミング信号を生成する。
表示部８は、プレビュー画像や再生画像、撮像装置の駆動モード設定等の情報を表示する。

記録部９には不図示の記録媒体が備えられ、記録用画像信号が記録される。記録媒体としては、例えばフラッシュメモリ等の半導体メモリ等が挙げられる。記録媒体は記録部９から着脱可能であってもよいし、内蔵されたものであってもよい。

［撮像素子］
図２は、図１に示す撮像素子１の全体構成の一例を概略的に示す図である。撮像素子１は、画素アレイ部２０１、垂直選択回路２０２、列回路２０３、水平選択回路２０４を含む。

画素アレイ部２０１には、複数の画素２０５が行列状に配置されている。垂直選択回路２０２の出力が画素駆動配線群２０７を介して画素２０５に入力されることにより、垂直選択回路２０２により選択された行の画素２０５の画素信号が、行単位で出力信号線２０６を介して列回路２０３に読み出される。出力信号線２０６は、各画素列毎もしくは複数の画素列毎に１つ、または各画素列毎に複数設けることが可能である。列回路２０３には複数の出力信号線２０６を介して並列に読み出された信号が入力され、信号の増幅やノイズ除去、Ａ／Ｄ変換等の処理を行い、処理した信号を保持する。水平選択回路２０４が、列回路２０３に保持された信号を、順次、ランダム、または同時に選択することで、選択された信号が、不図示の水平出力線と出力部を介して撮像素子１の外に出力される。

このように垂直選択回路２０２により選択した行の画素信号を撮像素子１の外に出力する動作を、垂直選択回路２０２で選択する行を変更しながら順次行うことで、撮像素子１から、２次元の撮像信号または位相差信号を読み出すことができる。

［画素回路・信号読み出し］
図３は、本実施形態の画素２０５の等価回路図である。
各画素２０５は、光電変換部である２つのフォトダイオード３０１（ＰＤＡ）及び３０２（ＰＤＢ）を有する。入射した光量に応じてＰＤＡ３０１により光電変換され、蓄積された信号電荷は、転送スイッチ（ＴＸＡ）３０３を介して、電荷蓄積部を構成するフローティングディフュージョン部（ＦＤ）３０５に転送される。また、ＰＤＢ３０２により光電変換され、蓄積された信号電荷は、転送スイッチ（ＴＸＢ）３０４を介してＦＤ３０５に転送される。リセットスイッチ（ＲＥＳ）３０６は、オンとなることで、ＦＤ３０５を定電圧源ＶＤＤの電圧にリセットする。また、ＲＥＳ３０６とＴＸＡ３０３及びＴＸＢ３０４を同時にオンとすることで、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２をリセットすることができる。

画素を選択する選択スイッチ（ＳＥＬ）３０７がＯＮとなることで、増幅トランジスタ（ＳＦ）３０８（電荷電圧変換部）は、ＦＤ３０５に蓄積された信号電荷を電圧に変換し、変換された信号電圧は画素から出力信号線２０６に出力される。また、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４、ＲＥＳ３０６、ＳＥＬ３０７のゲートは、それぞれ画素駆動配線群２０７と接続され、垂直選択回路２０２により制御される。

なお、以下の説明において本実施形態では、光電変換部で蓄積する信号電荷を電子とし、光電変換部をＮ型半導体で形成し、Ｐ型半導体で分離するものとしているが、信号電荷を正孔とし、光電変換部をＰ型半導体で形成し、Ｎ型半導体で分離しても良い。

続いて、上述した構成を有する画素において、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２をリセット後、所定の電荷蓄積時間が経過した後にＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２から信号電荷を読み出す動作について説明する。まず、垂直選択回路２０２により選択された行のＳＥＬ３０７がオンとなり、ＳＦ３０８のソースと出力信号線２０６が接続されると、出力信号線２０６はＦＤ３０５の電圧に対応する電圧が読み出される状態となる。続いて、ＲＥＳ３０６がオン／オフされ、ＦＤ３０５の電位がリセットされる。その後、ＦＤ３０５の電圧変動を受けた出力信号線２０６が静定するまで待機し、静定した出力信号線２０６の電圧を信号電圧Ｎとして列回路２０３で取り込み、信号処理を行って保持する。

その後、ＴＸＡ３０３がオン／オフされ、ＰＤＡ３０１に蓄積されている信号電荷がＦＤ３０５に転送される。ＦＤ３０５の電圧は、ＰＤＡ３０１に蓄積していた信号電荷量に対応した分だけ低下する。その後、ＦＤ３０５の電圧変動を受けた出力信号線２０６が静定するまで待機し、静定した出力信号線２０６の電圧を信号電圧Ａとして列回路２０３で取り込み、信号処理を行って保持する。

その後、ＴＸＢ３０４がオン／オフされ、ＰＤＢ３０２に蓄積されている信号電荷がＦＤ３０５に転送される。ＦＤ３０５の電圧は、ＰＤＢ３０２に蓄積していた信号電荷量に対応した分だけ低下する。その後、ＦＤ３０５の電圧変動を受けた出力信号線２０６が静定するまで待機し、静定した出力信号線２０６の電圧を信号電圧（Ａ＋Ｂ）として列回路２０３で取り込み、信号処理を行って保持する。

このようにして取り込んだ信号電圧Ｎと信号電圧Ａとの差分から、ＰＤＡ３０１に蓄積されていた信号電荷量に応じた信号Ａを得ることができる。また、信号電圧Ａと信号電圧（Ａ＋Ｂ）との差分から、ＰＤＢ３０２に蓄積していた信号電荷量に応じた信号Ｂを得ることができる。この差分計算は、列回路２０３で行っても良いし、撮像素子１から出力した後に行っても良い。信号Ａと信号Ｂをそれぞれ用いることで位相差信号を得ることができ、信号Ａと信号Ｂを足し合わせることで撮像信号を得ることができる。または、差分計算を撮像素子１から出力した後に行う場合、信号電圧Ｎと信号電圧（Ａ＋Ｂ）との差分を取ることで、撮像信号を得るようにしてもよい。

また、信号電圧Ｎと信号電圧Ａとを読み出す駆動と同様の駆動を、ＰＤＡ３０１の代わりにＰＤＢ３０２に対して行うことで、信号電圧Ｎ、信号電圧Ａ、信号電圧Ｂをそれぞれ読み出すようにしても良い。その場合、信号電圧Ａと信号電圧Ｂからそれぞれ得られた信号Ａと信号Ｂをそのまま位相差信号として用いることができると共に、信号電圧Ａと信号電圧Ｂ、または信号Ａと信号Ｂを足し合わせることで、撮像信号を得ることができる。

[光電変換領域の構成]
・ｘ方向の位相差検出画素構造
図４は、本実施形態に係る画素２０５を構成する半導体領域の第１の配置を示す模式図であり、図４（ａ）は、斜視模式図、図４（ｂ）は平面視における位置関係を示す平面模式図である。なお、「平面視」とは、半導体基板のトランジスタのゲートが配されている側の面と平行な面（ｘｙ平面）に対して、ｚ方向または－ｚ方向から視ることを指す。また、「行」方向はｘ方向を指し、「列」方向はｙ方向を指し、「深さ」方向はｚ方向をさす。

図４（ａ）に示すように、第１の配置を有する画素２０５は、マイクロレンズ（ＭＬ）４０１、ＰＤＡ３０１、ＰＤＢ３０２、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４、ＦＤ３０５を含む。第１の配置において、ＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２は、ｘ方向に並べて、半導体基板であるＳｉ基板内に形成されており、ＭＬ４０１が配置されている側を基板の裏面側、ＴＸＡ３０３，３０４及びＦＤ３０５が配置されている側を基板の表面側とする。

ＭＬ４０１を介して入射した光の大部分はＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２の基板裏面側において光電変換される。ここで、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２内で発生した電荷が、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４に移動し易くなるように、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２内において、深さ方向に電子が受けるポテンシャルが減少するように、電位勾配が形成されている。

また、ＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２との間には、ポテンシャル障壁が形成されるように、ｐ型不純物濃度がＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２よりも高い分離領域４００が形成されている。これにより、発生した電荷が、ＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２との間で移動しにくいように電気的に分離されている。従って、本実施形態において、第１の配置におけるＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２の分割方向は、ｘ方向（第１の方向）である。

・ｙ方向の位相差検出画素構造
図５は、本実施形態に係る画素２０５を構成する半導体領域の第２の配置を示す模式図であり、図５（ａ）は、斜視模式図、図５（ｂ）は平面視における位置関係を示す平面模式図である。なお、「平面視」及びｘ、ｙ、ｚの定義は、図４と同様であるため、説明を省略する。

図５（ａ）に示すように、第２の配置を有する画素２０５は、ＭＬ４０１、ＰＤＡ３０１、ＰＤＢ３０２、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４、ＦＤ３０５を含む。第２の配置を有する画素２０５の基本的構成は、図４に示した第１の配置と同様であるが、ＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２がｙ方向に並ぶように配置されており、光電変換部の分離方向は、ｙ方向（第２の方向）である。

第２の配置においても、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２内で発生した電荷がＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４へ移動し易くするように、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２内において、深さ方向に電子が受けるポテンシャルが減少するように、電位勾配が形成されている。また、第２の配置においても、第１の配置と同様に、ＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２との間に、ｐ型不純物濃度がＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２より高い分離領域５００が形成されている。これにより、発生した電荷が、ＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２との間で移動しにくいように電気的に分割されている。

なお、本実施形態では、ＭＬ４０１とＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２との間に不図示のカラーフィルタが配置されているものとする。一例として、ベイヤー配列のカラーフィルタの場合、主に赤の波長の光を透過するＲフィルタ、主に緑の波長を透過するＧフィルタと、主に青の波長を透過するＢフィルタにより構成される。２×２の画素単位では、左上にＲフィルタ、右上にＧフィルタ、左下にＧフィルタ、右下にＢフィルタが配置される

・電荷クロストーク率分布
ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２で発生した電荷の大部分は、各ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２内で蓄積されるが、ＰＤＡ３０１からＰＤＢ３０２に、または、ＰＤＢ３０２からＰＤＡ３０１に移動し、蓄積されることがある。このようなＰＤＡ３０１からＰＤＢ３０２へ、もしくはＰＤＢ３０２からＰＤＡ３０１へ電荷が移動する現象のことを、「電荷クロストーク」と呼ぶ。電荷クロストークが起きる割合（以下、「電荷クロストーク率」と呼ぶ。）は、平面視において、分離領域４００及び５００に近い程高い。また、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２では、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４に向けて電荷が移動し易くなるように深さ方向に電位勾配を付けているため、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４までの移動距離が短い程、電荷クロストーク率は小さくなる。すなわち、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２内において、同一のｘ座標、ｙ座標では、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４までの距離が近い位置の方が、ＭＬ４０１に近い位置よりも、電荷クロストーク率が小さくなる。以下の説明において、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２内におけるクロストーク率の分布のことを「電荷クロストーク率分布」と呼ぶ。この電荷クロストーク率分布は、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２内の深さ方向の電位勾配が急峻であるほど、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２全体に亘って小さくなる。

また、電荷クロストークは、隣接画素間に対しても起こり得る。隣接画素間で発生する電荷クロストークは、撮像信号における解像度低下等の要因である。そのため、隣接画素間の電荷クロストーク率は、ＰＤＡ３０１からＰＤＢ３０２へもしくはＰＤＢ３０２からＰＤＡ３０１への電荷クロストーク率より低くすることが望ましい。具体的には、例えば、隣接画素間を絶縁体で分離したり、ポテンシャル障壁の高さを高くすることで、電荷クロストーク率を低く抑えたりすることができる。

・ｘ方向の位相差検出方法
続いて、全体制御・演算部２において、位相差信号からデフォーカス量を算出する演算について説明する。

まず、図６から図９を参照して、本実施形態におけるｘ方向の位相差検出方式の焦点検出について説明する。本実施形態におけるｘ方向の位相差検出方式の焦点検出では、第１の配置を有する画素２０５から得られる位相差信号からｘ方向の像ずれ量を算出し、変換係数を用いてデフォーカス量に変換する。

図６は、第１の配置を有する画素２０５の図４（ｂ）に示すＡ－Ａ’断面図、及び、撮像素子１の撮像面６００からｚ軸負方向に距離Ｄｓだけ離れた位置の瞳面を示している。なお、ｘ、ｙ、ｚは、撮像面６００における座標軸を示し、ｘｐ、ｙｐ、ｚｐは、瞳面における座標軸を示している。

ＭＬ４０１を介して、瞳面と撮像素子１の受光面は略共役関係となっている。そのため、部分瞳領域６０１を通過した光束はＰＤＡ３０１で受光される。また、部分瞳領域６０２を通過した光束はＰＤＢ３０２で受光される。このように、瞳面をｘ方向に分割している場合の瞳分割方向はｘ方向である。そのため、瞳強度分布の分割方向位置依存性は、図７に例示したような形状となる。図７において、ＰＤＡ３０１に対応する瞳強度分布が７０１であり、ＰＤＢ３０２に対応する瞳強度分布が７０２である。

次に、図８を参照して、撮像素子１のセンサー入射瞳について説明する。本実施形態の撮像素子１では、２次元の平面上の像高座標に応じて、各画素２０５のＭＬ４０１は、撮像素子１の中心方向へ連続的にシフトされて配置されている。つまり、各ＭＬ４０１は、像高が高くになるにつれ、撮像素子１の中心方向へ偏心するように配置されている。なお、撮像素子１の中心と撮像光学系の光軸は、撮像光学系または撮像素子１を駆動することで手振れ等によるブレの影響を低減する機構によって変化するが、略一致する。これにより、撮像素子１から距離Ｄｓ（入射瞳距離）だけ離れた位置の瞳面において、撮像素子１の各像高座標に配置された各画素の第１瞳強度分布７０１及び第２瞳強度分布７０２が、概ね、一致するように構成される。つまり、撮像素子１から距離Ｄｓだけ離れた位置の瞳面において、撮像素子１の全ての画素の第１瞳強度分布７０１と第２瞳強度分布７０２が、概ね、一致するように構成されている。本実施形態では、第１瞳強度分布７０１及び第２瞳強度分布７０２を、撮像素子１の「センサー入射瞳」と呼ぶ。

なお、全ての画素が単一の入射瞳距離を有する構成とする必要はなく、例えば像高８割までの画素の入射瞳距離を略一致させる構成としてもよいし、あえて行ごとまたは検出領域ごとに異なる入射瞳距離を有するように画素を構成してもよい。

図９に、視差画像間の像ずれ量とデフォーカス量の概略関係図を示す。撮像面６００に本実施形態の撮像素子１（不図示）が配置され、図６と同様に、撮影レンズユニット５の射出瞳が、部分瞳領域６０１と部分瞳領域６０２に２分割される。

デフォーカス量ｄは、被写体の結像位置から撮像面までの距離を大きさ｜ｄ｜とし、被写体の結像位置が撮像面より被写体側にある前ピン状態を負（ｄ＜０）、被写体の結像位置が撮像面より被写体の反対側にある後ピン状態を正（ｄ＞０）として定義する。被写体の結像位置が撮像面にある合焦状態はｄ＝０である。図９では、物体面９０１にある被写体が合焦状態（ｄ＝０）となり、物体面９０２にある被写体が前ピン状態（ｄ＜０）となる例を示している。前ピン状態（ｄ＜０）と後ピン状態（ｄ＞０）を合わせて、デフォーカス状態（｜ｄ｜＞０）とする。

前ピン状態（ｄ＜０）では、物体面９０２にある被写体からの光束のうち、部分瞳領域６０１（６０２）を通過した光束は、一度、集光した後、光束の重心位置Ｇ１（Ｇ２）を中心として幅Γ１（Γ２）に広がり、撮像面６００でボケた像となる。ボケた像は、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２により受光され、視差画像が生成される。よって、生成される視差画像には、重心位置Ｇ１（Ｇ２）に、物体面９０２にある被写体の像が幅Γ１（Γ２）にボケた被写体像となる。

被写体像のボケ幅Γ１（Γ２）は、デフォーカス量ｄの大きさ｜ｄ｜が増加するのに伴い、概ね、比例して増加していく。同様に、視差画像間の被写体像の像ずれ量ｐ（＝Ｇ２－Ｇ１）の大きさ｜ｐ｜も、デフォーカス量ｄの大きさ｜ｄ｜が増加するのに伴い、概ね、比例して増加していく。後ピン状態（ｄ＞０）でも、視差画像間の被写体像の像ずれ方向が前ピン状態と反対となるが、同様である。合焦状態（ｄ＝０）では、視差画像間の被写体像の重心位置が一致（ｐ＝０）し、像ずれは生じない。

したがって、ＰＤＡ３０１及びＰＤＢ３０２の信号を用いて得られる２つの位相差信号において、視差画像のデフォーカス量の大きさが増加するのに伴い、２つの位相差信号間のｘ方向の像ずれ量の大きさが増加する。この関係性から、視差画像をｘ方向にずらしながら相関演算することにより算出した像ずれ量をデフォーカス量に変換することで、位相差検出方式の焦点検出を行う。

・ｙ方向の位相差検出方法
本実施形態におけるｙ方向（第２の方向）の位相差検出方法は、上述した第１の配置を有する画素２０５からの信号を用いたｘ方向（第１の方向）の位相差検出方法と同様の方法を用いることができる。すなわち、第１の配置を有する画素２０５の代わりに、第２の配置を有する画素２０５からの信号を用いて、ｙ方向（第２の方向）の位相差検出を行う。

・変換係数
像ずれ量からデフォーカス量に変換する際に乗算する係数を変換係数と呼ぶ。この変換係数は、概ね、瞳強度分布７０１と瞳強度分布７０２の重心間距離に反比例する。変換係数が大きいと、変換係数が小さい場合と比較して、小さい像ずれ量から大きいデフォーカス量を算出するため、位相差信号のノイズの影響を受けやすく、位相差検出性能が低下する可能性がある。すなわち、瞳強度分布７０１と瞳強度分布７０２の重心距離が長い程、位相差信号のノイズの影響が低減される。

ここで、図１０、図１１を用いて、撮影レンズユニット５の瞳領域が絞りによって制限された場合の変換係数について説明する。図１０は、図６に示した、部分瞳領域６０１、６０２、第１の配置を有する画素２０５のＡ－Ａ’断面図に、絞りにより絞られた射出瞳１００１を重ねた模式図であり、射出瞳１００１が部分瞳領域６０１と６０２により分割されている。

図１１は、このような場合において、絞りにより絞られていない場合の第１瞳強度分布７０１及び第２瞳強度分布７０２のうち、射出瞳１００１に対応した、受光される光束の第１部分瞳強度分布７１１及び第２部分瞳強度分布７１２を示す。この場合、第１部分瞳強度分布７１１及び第２部分瞳強度分布７１２の重心間の距離に応じて変換係数が決まるため、瞳強度分布が交差している領域７１３におけるグラフ上での傾きが大きい程、重心間距離が長くなり、変換係数が小さくなる。すなわち、射出瞳１００１によって制限された瞳強度分布が交差している領域の傾きが大きいほど、変換係数が小さくなるため、位相差信号のノイズの影響が小さくなる。

［電荷クロストーク率］
・電荷クロストーク率分布と変換係数との関係
次に、図１２を用いて、電荷クロストーク率の大小と瞳強度分布との関係について説明する。電荷クロストークは、ＰＤＡ３０１で発生した電荷がＰＤＢ３０２に移動、または、ＰＤＢ３０２で発生した電荷がＰＤＡ３０１に移動して蓄積される現象のことである。すなわち、電荷クロストーク率が小さい場合、電荷クロストーク率が大きい場合と比較して、ＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２の信号の混ざりが小さくなる。図１２は電荷クロストーク率が大きい場合の第１瞳強度分布７０１及び第２瞳強度分布７０２と、電荷クロストーク率分布が小さい場合の第１瞳強度分布７２１及び第２瞳強度分布７２２（１点鎖線）を比較した図である。電荷クロストーク率が小さい場合、瞳強度分布が交差している領域７１３におけるグラフ上の傾きが大きくなる。

従って、電荷クロストーク率が小さい第１瞳強度分布７２１及び第２瞳強度分布７２２の方が、電荷クロストーク率が大きい第１瞳強度分布７０１及び第２瞳強度分布７０２よりも、射出瞳１００１によって制限された瞳強度分布が交差している領域の傾きが大きい。すなわち、電荷クロストーク率が小さい方が、変換係数が小さくなり、位相差信号のノイズの影響も小さくなる。

・位相差信号のノイズ
位相差信号のノイズには、光そのものの揺らぎである光ショットノイズや、ＳＦ３０８や列回路２０３等で信号に重畳する読み出し回路ノイズ等がある。光電変換により生成される電荷が十分に多い領域では、光ショットノイズは、概ね、信号電荷数の平方根となる。また、読み出し回路ノイズは、概ね、信号電荷量とは関係なく一定の値となる。そのため、光電変換により生成される電荷が多いほど、Ｓ／Ｎ比が高く、位相差信号のノイズが小さくなる。

図１３は、本実施形態の画素アレイ部２０１における、第１の配置を有する画素２０５と、第２の配置を有する画素２０５の配列例を８行４列分、示した図である。ここでは、ベイヤー配列を構成するＲフィルタで覆われたＲ画素と、Ｇフィルタで覆われた２つのＧ画素と、Ｂフィルタで覆われたＢ画素とからなる２×２の画素単位をベースとして説明する。２×２の画素単位のうち、Ｒ画素と、Ｇ画素のうちの１つと、Ｂ画素が瞳をｘ方向に分割する第１の配置を有する画素２０５であり、Ｇ画素の残り１つが瞳をｙ方向に分割する第２の配置を有する画素２０５である。

図１３から分かるように、１行に含まれる、第１の配置を有する画素２０５の数の方が、１列に含まれる第２の配置を有する画素２０５の数よりも多いため、ｘ方向の位相差信号の方が、ｙ方向の位相差信号よりも、多くの光に基づいた信号となる。そのため、位相差信号のＳ／Ｎ比は、ｘ方向の位相差信号の方が、ｙ方向の位相差信号よりも高くなる。

また、図３に示す構成において、ＦＤ３０５を構成する拡散層とＳＦ３０８は、距離が近い程、それらを接続する配線（以下、「ＦＤ配線」と呼ぶ。）が短く、ＦＤ３０５の容量が小さくなる。ＦＤ３０５の容量が小さいと、電荷電圧変換ゲインが大きくなるため、後段で重畳するノイズ抑制効果が大きくなり、低ノイズとなる。ここで、第１の配置を有する画素２０５と、第２の配置を有する画素２０５とで、ＦＤ３０５を構成する拡散層と、ＳＦ３０８までの距離やＳＦ３０８のサイズを揃えることが難しい場合、位相差信号にのるノイズの大きさが異なることになる。

例えば、撮像素子１に配列される、第１の配置を有する画素２０５の数と第２の配置を有する画素２０５の数が異なる場合、通常、数が多い方のＦＤ３０５を構成する拡散層とＳＦ３０８とを接続する配線が優先的に短くなるようにする。そのため、第１の配置を有する画素２０５の数の方が多い場合、第２の配置を有する画素２０５から得られる位相差信号に乗るノイズの方が大きくなる。すなわち、位相差信号のＳ／Ｎ比は、ｘ方向の方が、ｙ方向よりも高くなる。

・位相差信号のノイズと電荷クロストーク率と位相差検出性能との関係
上述したように、像ずれ量からデフォーカス量に変換する変換係数が小さい方が、ノイズの影響を受けにくく、また、電荷クロストーク率が小さい方が、変換係数を小さくすることができる。

そこで、本実施形態では、第１の配置を有する画素２０５の電荷クロストーク率よりも、第２の配置を有する画素２０５の電荷クロストーク率を小さくする。このようにすることで、相対的にｙ方向の位相差信号をノイズの影響を受けにくくして位相差焦点検出性能を向上させることで、ｘ方向の位相差検出性能と概ね揃える。

第１の配置を有する画素２０５と第２の配置を有する画素２０５とで電荷クロストーク率を異ならせるために、ＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２の分離領域４００及び５００における例えばｐ型不純物濃度が異なるように、イオン注入プロセスを行う。これにより、本実施形態の撮像素子１を実現することができる。本実施形態の場合、第１の配置を有する画素２０５の分離領域４００の不純物濃度を薄く、第２の配置を有する画素の分離領域５００の不純物濃度を濃くする。つまり、第１の配置を有する画素２０５の分離領域４００の不純物濃度と、第２の配置を有する画素２０５の分離領域５００の不純物濃度との大小関係が、ノイズの影響の大小関係と同じになるようにする。

このような電荷クロストーク率の調整は、光電変換部の分離領域の幅を異ならせることにより行ってもよい。本実施形態の場合、第１の配置を有する画素２０５の分離領域４００の幅を狭く、第２の配置を有する画素２０５の分離領域５００の幅を広くする。つまり、第１の配置を有する画素の分離領域４００の幅と、第２の配置を有する画素の分離領域５００の幅の大小関係が、ノイズの影響の大小関係と同じになるようにする。

さらに、基板裏面側から基板表面側への光電変換部内での電荷収集のための電位勾配を、第１の配置を有する画素２０５と第２の配置を有する画素２０５で異ならせることにより、第１の配置を有する画素２０５と第２の配置を有する画素２０５の電荷クロストーク率を調整しても良い。この場合、第１の配置を有する画素２０５の電位勾配を第２の配置を有する画素の電位勾配よりも緩やかに、つまりこの急峻さの大小関係が、ノイズの影響の大小関係と同じになるようにする。

また、上述した、分離領域の不純物濃度及び幅、更に、電解勾配を組み合わせて、第１の方向の電荷クロストーク率が第２の方向の電荷クロストーク率よりも高くなるように調整しても良い。

また、上述した例では、撮像素子１の製造時に、第１の配置を有する画素２０５と第２の配置を有する画素２０５の電荷クロストーク率を調整する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものでは無く、製造後に調整できる構成としても良い。その場合、例えば、ＰＤＡ３０１とＰＤＢ３０２の分離領域４００，５００に電極部を配置し、分離領域４００，５００の電位を制御することで、電荷クロストーク率を調整してもよい。その場合、第１の配置を有する画素２０５の分離領域４００にかける電位を第２の配置を有する画素２０５の分離領域５００にかける電位よりも低くする、つまり電位の大小関係が、幅Ｈと高さＶの大小関係と逆になるようにする。なお、電極部としては制御配線に連結されたDeep Trench Isolation（ＤＴＩ）を用いることができる。

また、上述した例では、全ての画素２０５が第１の配置または第２の配置を有するものとして説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、画素２０５の一部を第１の配置または第２の配置として、離散的に配置してもよい。

上記の通り第１の実施形態によれば、画素が行列状に配列された撮像素子から得られる、ｘ方向とｙ方向とでノイズ量が異なる信号を用いて像面位相差方式の焦点検出を行う場合に、ｘ方向とｙ方向とで焦点検出の性能を近づけることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１４は、本実施形態における撮像素子１の第３の配置を有する画素２０５の構成を示す。

第３の配置では、図１４に示すように、画素２０５を４つのフォトダイオード（ＰＤ）１１０１～１１０４により構成する。以下、ＰＤＡ１１０１、ＰＤＢ１１０２、ＰＤＣ１１０３、ＰＤＤ１１０４と記す。図１４（ａ）は、本実施形態の画素の斜視図、図１４（ｂ）は、ＭＬ４０１側（基板裏面側）から見た平面視における位置関係を示す平面模式図であり、本実施形態では転送スイッチ等は省略している。なお、「平面視」及びｘ、ｙ、ｚの定義は、図４と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態において、第１の方向をｘ方向、第２の方向をｙ方向とすることにより、直交する２つの方向における位相差検出を、同一構成の画素で行うことが可能となる。

ＰＤＡ１１０１とＰＤＣ１１０３の信号の和（信号Ａ）と、ＰＤＢ１１０２とＰＤＤ１１０４の信号の和（信号Ｂ）を用いることでｘ方向の位相差検出を、ＰＤＡ１１０１とＰＤＢ１１０２の信号の和（信号Ｃ）と、ＰＤＣ１１０３とＰＤＤ１１０４の信号の和（信号を用いることでｙ方向の位相差検出を行うことができる。つまり、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、信号Ａと信号Ｂに司る光電変換部間の電荷クロストーク率と信号Ｃと信号Ｄに司る光電変換部間の電荷クロストーク率の大小関係が、ノイズの影響の大小関係と一致するように、画素が構成されている。電荷クロストーク率の調整に関しては、第１の実施形態と同様に、分離領域１１０５及び分離領域１１０６の不純物濃度、幅の調整や、光電変換部内の電位勾配の調整、電極による電位制御により行う。

上記の通り第２の実施形態によれば、各画素が２方向に分割された複数の光電変換部を有する場合にも、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜まとめ＞
本実施形態の開示は、以下の構成を含む。

（構成１）
第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向に行列状に配置された複数のマイクロレンズと、
前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の各マイクロレンズに対して、前記各マイクロレンズを介して入射した光を光電変換するように構成された複数の光電変換部と、を有し、
前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向および前記第２の方向の少なくともいずれかの方向に配置され、
前記複数の光電変換部から読み出される信号に重畳するノイズの影響が、前記第１の方向よりも前記第２の方向の方が大きい場合に、前記複数の光電変換部の間の前記第１の方向の電荷クロストーク率を、前記第２の方向の電荷クロストーク率よりも高くしたことを特徴とする撮像素子。

（構成２）
前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向または前記第２の方向に配置された２つの光電変換部であることを特徴とする構成１に記載の撮像素子。

（構成３）
前記複数の光電変換部は、前記第１の方向及び前記第２の方向に配置された４つの光電変換部であることを特徴とする構成１に記載の撮像素子。

（構成４）
前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の不純物濃度を、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の不純物濃度よりも低くしたことを特徴とする構成１乃至３のいずれかに記載の撮像素子。

（構成５）
前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の幅を、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の幅よりも短くしたことを特徴とする構成１乃至４のいずれかに記載の撮像素子。

（構成６）
前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部において、光が入射する側から、光電変換して得られた電荷を蓄積する領域までの電位勾配を、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部における電位勾配よりも緩やかにしたことを特徴とする構成１乃至５のいずれかに記載の撮像素子。

（構成７）
前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の電位を制御する電極を更に有し、
前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の電位を、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の電位よりも低くしたことを特徴とする構成１乃至６のいずれかに記載の撮像素子。

（構成８）
前記複数の光電変換部により光電変換された電荷を信号に変換して出力する出力手段を更に有することを特徴とする構成１乃至７のいずれかに記載の撮像素子。

（構成９）
第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向に行列状に配置された複数のマイクロレンズと、
前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の各マイクロレンズに対して、前記各マイクロレンズを介して入射した光を光電変換するように構成された複数の光電変換部と、を有し、
前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向および前記第２の方向の少なくともいずれかの方向に配置され、
前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部の数が、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部の数よりも多く、前記複数の光電変換部の間の前記第１の方向の電荷クロストーク率を、前記第２の方向の電荷クロストーク率よりも高くしたことを特徴とする撮像素子。

（構成１０）
第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向に行列状に配置された複数のマイクロレンズと、
前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の各マイクロレンズに対して、前記各マイクロレンズを介して入射した光を光電変換するように構成された複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部ごとに備えられた複数のフローティングデフュージョン部と、
前記複数の光電変換部から前記フローティングデフュージョン部に転送された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と
を有し、
前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向および前記第２の方向の少なくともいずれかの方向に配置され、
前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部に対応する前記フローティングデフュージョン部を構成する拡散層から前記電荷電圧変換部までの配線の長さが、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部に対応する前記フローティングデフュージョン部を構成する拡散層から前記電荷電圧変換部までの配線の長さよりも短く、前記複数の光電変換部の間の前記第１の方向の電荷クロストーク率を、前記第２の方向の電荷クロストーク率よりも高くしたことを特徴とする撮像素子。

（構成１１）
構成１乃至１０のいずれかに記載の撮像素子と、
前記撮像素子から出力された信号を処理する処理手段と
を有することを特徴とする撮像装置。

（構成１２）
前記処理手段は、前記信号に基づいて、像面位相差方式の焦点検出を行うことを特徴とする構成１１に記載の撮像装置。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１：撮像素子、２：全体制御・演算部、７：信号処理部、２０１：画素アレイ部、２０２：垂直選択回路、２０３：列回路、２０４：水平選択回路、２０５：画素、２０６：出力信号線、２０７：画素駆動配線群、３０１，３０２：フォトダイオード、３０３，３０４：転送スイッチ、３０５：フローティングディフュージョン部、４００，５００：分離領域、７２１：第１瞳強度分布、７２２：第２瞳強度分布

Claims (12)

1. 第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向に行列状に配置された複数のマイクロレンズと、
   前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の各マイクロレンズに対して、前記各マイクロレンズを介して入射した光を光電変換するように構成された複数の光電変換部と、を有し、
   前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向および前記第２の方向の少なくともいずれかの方向に配置され、
   前記複数の光電変換部から読み出される信号に重畳するノイズの影響が、前記第１の方向よりも前記第２の方向の方が大きい場合に、前記複数の光電変換部の間の前記第１の方向の電荷クロストーク率を、前記第２の方向の電荷クロストーク率よりも高くしたことを特徴とする撮像素子。
2. 前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向または前記第２の方向に配置された２つの光電変換部であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記複数の光電変換部は、前記第１の方向及び前記第２の方向に配置された４つの光電変換部であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
4. 前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の不純物濃度を、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の不純物濃度よりも低くしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
5. 前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の幅を、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の幅よりも短くしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
6. 前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部において、光が入射する側から、光電変換して得られた電荷を蓄積する領域までの電位勾配を、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部における電位勾配よりも緩やかにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
7. 前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の電位を制御する電極を更に有し、
   前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の電位を、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部の間を分離する分離領域の電位よりも低くしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
8. 前記複数の光電変換部により光電変換された電荷を信号に変換して出力する出力手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
9. 第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向に行列状に配置された複数のマイクロレンズと、
   前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の各マイクロレンズに対して、前記各マイクロレンズを介して入射した光を光電変換するように構成された複数の光電変換部と、を有し、
   前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向および前記第２の方向の少なくともいずれかの方向に配置され、
   前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部の数が、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部の数よりも多く、前記複数の光電変換部の間の前記第１の方向の電荷クロストーク率を、前記第２の方向の電荷クロストーク率よりも高くしたことを特徴とする撮像素子。
10. 第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向に行列状に配置された複数のマイクロレンズと、
    前記複数のマイクロレンズの少なくとも一部の各マイクロレンズに対して、前記各マイクロレンズを介して入射した光を光電変換するように構成された複数の光電変換部と、
    前記複数の光電変換部ごとに備えられた複数のフローティングデフュージョン部と、
    前記複数の光電変換部から前記フローティングデフュージョン部に転送された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と
    を有し、
    前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部ごとに前記第１の方向および前記第２の方向の少なくともいずれかの方向に配置され、
    前記第１の方向に配置された前記複数の光電変換部に対応する前記フローティングデフュージョン部を構成する拡散層から前記電荷電圧変換部までの配線の長さが、前記第２の方向に配置された前記複数の光電変換部に対応する前記フローティングデフュージョン部を構成する拡散層から前記電荷電圧変換部までの配線の長さよりも短く、前記複数の光電変換部の間の前記第１の方向の電荷クロストーク率を、前記第２の方向の電荷クロストーク率よりも高くしたことを特徴とする撮像素子。
11. 請求項１乃至３、９、１０のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記撮像素子から出力された信号を処理する処理手段と
    を有することを特徴とする撮像装置。
12. 前記処理手段は、前記信号に基づいて、像面位相差方式の焦点検出を行うことを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。

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