JP6173259B2 - 光電変換装置および撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、導光部を有する光電変換装置に関する。

複数の光電変換部を有する画素を用いて、位相差方式により焦点検出を行う光電変換装置が知られている。また、１つの画素が複数の光電変換部を有する構成は、焦点検出のみならず、転送効率の向上による高速化やダイナミックレンジ拡大等、撮像システムの性能向上に有利な点が多い。

特許文献１には２つのフォトダイオードの有効受光領域を囲む間隙を層間膜に設ける形態が開示されている。また、特許文献１には２つのフォトダイオードの有効受光領域を囲む間隙に加えて、フォトダイオード間の間隙に沿った間隙を層間膜に設ける形態が開示されている。

特開２００９−１５８８００号公報

特許文献１の形態では、２つのフォトダイオードへ精度よく光を振り分けることができないという課題がある。

上記課題を解決するための手段は、複数の受光素子を有する光電変換装置であって、前記複数の受光素子のうちの少なくとも１つの受光素子は、前記複数の受光素子が配列された面に沿って並ぶ複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対応する集光部と、前記複数の光電変換部と前記集光部との間に設けられた導光部と、を有し、前記複数の受光素子が配列された前記面に沿って前記導光部を横切る或る平面内で、前記複数の光電変換部が並ぶ第１方向における前記導光部の幅が、前記第１方向に直交する第２方向における前記導光部の幅よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、複数の光電変換部への光の振り分けの精度を向上することができる。

光電変換装置を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 光電変換装置を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 撮像システムを例示する模式図。 最大幅について説明する模式図。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に説明する形態は、発明の一つの実施形態であって、これに限定されるものではない。なお、以下の説明および図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そして、共通する構成を複数の図面を相互に参照して説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。また、以下に説明しない部分に関しては、適当な技術を適用することができる。

図１（ａ）に画素増幅型のイメージセンサーとしての光電変換装置１０の概略を示す。図１（ａ）に示した光電変換装置１０は、１点鎖線で囲んだ領域である受光領域２１と、１点鎖線と２点鎖線の間の領域であり、受光領域２１の周辺の周辺領域２２とを有する。受光領域２１には、複数の受光素子１が行列状あるいは列状に配列されている。撮像によって画像を形成する際に各受光素子からの信号が画素を構成するため、受光領域を撮像領域や画素領域と呼ぶこともできる。互いに隣り合う受光素子の中心軸同士の間隔（画素ピッチ）は、典型的には、１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましく、２．０μｍ以下である場合に特に好適である。

周辺領域２２には垂直走査回路２６と、２つの読み出し回路２３と、２つの水平走査回路２４と、２つの出力アンプ２５を含む周辺回路が設けられている。周辺領域２２の読み出し回路２３は、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等で構成される。読み出し回路２３は、垂直走査回路２６によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等は、例えば、画素列又は複数の画素列毎に配置される。水平走査回路２４は、読み出し回路２３の信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ２５は、水平走査回路２４によって選択された列の信号を増幅して出力する。以上の構成は、光電変換装置１０の一つの構成例に過ぎず、これに限定されるものではない。読み出し回路２３と水平走査回路２４と出力アンプ２５とは、２系統の出力経路を構成し、受光領域２１を挟んで上下に１つずつ配置されているが、この構成に限ったものではない。

図１（ｂ）は受光素子１の一例を表す平面模式図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ｂ線における受光素子１の断面模式図である。単数の受光素子１は、半導体からなる基板１００の内部に設けられた複数の光電変換部１０１、１０２を備えている。複数の光電変換部１０１、１０２の間には両者の信号電荷を分離するための分離部１０９が設けられる。分離部１０９はＬＯＣＯＳやＳＴＩなどの絶縁体による絶縁分離でなされていてもよいし、光電変換部１０１、１０２の蓄積領域とは反対の導電型の半導体領域による接合分離でなされていてもよい。本例では接合分離を採用している。分離部１０９の分離性能は不完全であってもよく、複数の光電変換部１０１、１０２のどちらで生成された信号電荷が多いかを判別できる程度の分離性能があればよい。そのため、光電変換部１０１で生成れた信号電荷の一部が、光電変換部１０２で生成された信号電荷として検出部で検出されることは許容されうる。

複数の受光素子１の各々の光電変換部１０１、１０２は、共通の基板１００内に、撮像面となる基板１００の主面に沿って配列されている。撮像面に平行で２つの光電変換部１０１、１０２が分離部１０９を介して並ぶ方向をＸ方向とする。２つの光電変換部１０１、１０２が並ぶ方向は、光電変換部１０１を平面視した際の幾何学的重心Ｇ１と、光電変換部１０２を平面視した際の幾何学的重心Ｇ２とを結ぶ直線に平行な方向として定義できる。また、撮像面と平行で、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向とする。また、撮像面に垂直な方向をＺ方向とする。Ｚ方向はＸ方向およびＹ方向に直交する。典型的には、Ｘ方向は、受光領域２１において行列状に配列された受光素子１の行方向（１行が延在する方向）および列方向（１列が延在する方向）の一方で有り得る。また、典型的には、Ｙ方向は、受光領域２１において行列状に配列された受光素子１の行方向（行に沿った方向）および列方向（列に沿った方向）の他方で有り得る。

本例の光電変換部１０１、１０２は半導体からなる基板１００の内部に、不純物を導入することによって形成されたフォトダイオードである。フォトダイオードとしての光電変換部１０１、１０２は信号電荷を多数キャリアとし、信号電荷を蓄積する第１導電型の半導体領域（蓄積領域）と、第２導電型の半導体領域とのＰＮ接合によって形成される。光電変換部１０１、１０２の別の例としては、フォトゲートであってもよいし、ガラス等の絶縁体からなる基板の上にＭＩＳ型構造あるいはＰＩＮ型構造を有する半導体薄膜として形成されていてもよい。光電変換装置１０の受光領域２１には、受光素子１以外に、光電変換部１０１を１つだけ備える受光素子を含んでいても良い。

光電変換部１０１で得られた信号電荷は、ＭＯＳ構造を有する転送ゲート１０３を介して検出部１０５へ転送され、光電変換部１０２で得られた信号電荷は、ＭＯＳ構造を有する転送ゲート１０４を介して検出部１０６へ転送される。検出部１０５、１０６は例えば静電容量を形成する浮遊拡散部である。検出部１０５、１０６は増幅トランジスタ１０７、リセットトランジスタ１０８にそれぞれ接続されている。ここでは、光電変換部１０１、１０２毎に検出部を設けて、別々の光電変換部からパラレルに信号電荷を転送する構成を示したが、別々の光電変換部からシリアルに信号電荷を転送する場合は、共通の検出部を用いることもできる。

受光素子１を、図１（ａ）で示した光電変換装置１０の受光領域２１に複数配置することで、位相差検出方式によって撮像領域内にて焦点検出を可能としている。さらに位相差検出方法を用いて距離測定を行う撮像システム（カメラ）へ応用することができる。また、受光素子１から出力される複数の光電変換部１０１、１０２の信号を撮像信号として用いて、撮像も行うことができる。例えば、光電変換部１０１、１０２の信号を合算して、撮像信号とすることができる。このようにして、本実施形態の光電変換装置１０は、いわゆる像面位相差ＡＦを実現することができる。

基板１００の上には、絶縁膜１１０が設けられている。典型的には、絶縁膜１１０は透明である。絶縁膜１１０は一種類の材料からなる単層膜であってもよいが、典型的には絶縁膜１１０は互いに異なる材料からなる複数の層が積層された多層膜である。絶縁膜１１０のある層は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。また、ある層はＢＰＳＧ（硼燐珪酸塩ガラス）、ＰＳＧ（燐珪酸塩ガラス）、ＢＳＧ（硼珪酸塩ガラス）などの珪酸塩ガラスでも良い。また、絶縁膜１１０を構成する多層膜のうちある層は、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）または、炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる場合もある。絶縁膜１１０の内部には配線１２０を設けてもよい。配線１２０は、複数の配線層がプラグを介して接続された多層配線であってもよい。図１（ｂ）には、配線１２０を２層とした例を示したが、３層以上の多層配線としてもよい。配線１２０には銅やアルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ポリシリコンなどの導電材料を用いることができる。典型的な配線１２０は不透明であり、金属光沢を有している。

受光素子１は少なくとも１つの導光部１１１を有し、単数の導光部１１１が複数の光電変換部１０１、１０２の上に跨って設けられている。導光部１１１は、導光部１１１に入射した光を導光部１１１内に閉じ込めて、光電変換部１０１、１０２まで伝搬させる機能を有する。詳細は後述するが、導光部１１１は光電変換部１０１、１０２が並ぶＸ方向における最大幅が、Ｘ方向に直交するＹ方向における最大幅よりも大きい断面形状を有する。

導光部１１１は絶縁膜１１０で囲まれている。つまり、ＸＹ面内において導光部１１１の周囲に絶縁膜１１０が位置する。導光部１１１の屈折率を絶縁膜１１０の屈折率と異ならせることで、導光部１１１と絶縁膜１１０の界面での反射により、導光部１１１に入射した光を光電変換部１０１、１０２へ導くことができる。導光部１１１の屈折率を絶縁膜１１０の屈折率より高くすることで、全反射を生じさせることができるため、反射効率を向上することができる。

導光部１１１を、導光部１１１および絶縁膜１１０よりも屈折率の低い低屈折率領域（例えばエアギャップ）などで囲むことで、導光部１１１と低屈折率領域との界面での全反射により、導光部１１１に入射した光を光電変換部１０１、１０２へ導くことができる。また、導光部１１１の側面を金属などの反射体で囲むことで、金属反射により、導光部１１１に入射した光を光電変換部１０１、１０２へ導くことができる。低屈折率領域や反射体を設ける場合、導光部１１１の屈折率は絶縁膜１１０の屈折率と異なっていてもよいし、同じであってもよい。

導光部１１１の材料は、有機材料（樹脂）でもよいし、無機材料でもよい。樹脂としては、シロキサン系樹脂やポリイミド系樹脂等が挙げられる。無機材料としては、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、酸窒化シリコン（ＳｉｘＯｙＮｚ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）が好適である。導光部１１１は単一の材料で構成されていてもよいし、複数の材料で構成されていてもよい。

導光部１１１、絶縁膜１１０の材料として例示した材料の屈折率の大まかな値を挙げる。酸化シリコンは１．４〜１．５、酸窒化シリコンは１．６〜１．９、窒化シリコンは１．８〜２．３、酸化チタンは２．５〜２．７、ＢＳＧ、ＰＳＧ、ＢＰＳＧは１．４〜１．６である。上記した値は一例であって、同じ材料であっても、成膜方法を変更することによって、非化学量論的組成比や、材料密度が変化するため、屈折率を適宜設定することが可能である。なお、一般的な樹脂の屈折率は１．３〜１．６、高屈折率樹脂でも１．６〜１．８であるが、金属酸化物等の高屈折率無機材料を含有させることにより、実効的な屈折率を高くすることができる。樹脂に含有させる高屈折率無機材料としては、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウム等が挙げられる。

受光素子１の他の構成について説明するが、これらは適宜変更することができる。導光部１１１および絶縁膜１１０の上に渡って高屈折率膜１１３が設けられている。高屈折率膜１１３は絶縁膜１１０の屈折率よりも高い屈折率を有している。高屈折率膜１１３は導光部１１１と同じ材料で構成することもできる。その場合、高屈折率膜１１３と導光部１１１の境界が、絶縁膜１１０の上面の高さと同じ高さに位置するとみなすことができる。

高屈折率膜１１３の上には低屈折率膜１１４を挟んで層内レンズ１１５が設けられている。低屈折率膜１１４は層内レンズ１１５及び高屈折率膜１１３（あるいは導光部１１１）の少なくとも一方よりも低い屈折率を有する。低屈折率膜１１４は層内レンズ１１５と導光部１１１との距離を調節する機能、平坦化の機能、光の屈折による集光機能の少なくともいずれかを有し得る。層内レンズ１１５の上には平坦化膜１１６を介して波長選択部１１７が設けられている。波長選択部１１７はカラーフィルタやダイクロイックミラーであり、ベイヤー配列などに従って、受光領域２１の受光素子１毎に異なる波長透過特性を有している。波長選択部１１７の上にはマイクロレンズとして形成された集光部１１８が設けられている。複数の光電変換部１０１、１０２に、単数の導光部１１１、単数の層内レンズ１１５、単数の波長選択部１１７、単数の集光部１１８が対応する。

なお、以下の説明では、「絶縁膜１１０の屈折率」を絶縁膜１１０の大部分を成す材料の屈折率として説明する。また「導光部１１１の屈折率」を導光部１１１の大部分を成す材料の屈折率として説明する。導光部１１１を成す屈折率は、絶縁膜１１０の屈折率より大きい。本発明において単に屈折率という場合には絶対屈折率を意味している。屈折率は波長によって異なるが、少なくとも光電変換部１０１で信号電荷を生成し得る光の波長に対する屈折率である。典型的には、光電変換部で最も多く光電変換される光の波長を基準にすることが好ましい。光電変換装置１０がカラーフィルタ等の波長選択部を有している場合には、当該波長選択部を透過した光の波長、特に主透過波長を用いることがより好ましい。なお、波長選択部の選択性は不完全であってもよい。つまり、波長選択部にて選択された波長の透過率は１００％未満であってよいし、波長選択部にて選択されない波長の透過率は０％でなくてもよい。

図２（ａ）を用いて、導光部１１１の形状について詳細に説明する。図２（ａ）において［ＸＺ］と示したのはＸＺ面における受光素子１の断面図、［ＹＺ］と示したのはＹＺ面における受光素子１の断面図である。［ＸＹ１］と示したのは、Ｚ方向の位置（高さ）Ｚ１でのＸＹ面における受光素子１の断面図であり、［ＸＹ３］と示したのは、Ｚ方向の位置（高さ）Ｚ３でのＸＹ面における受光素子１の断面図である。ただし、ＸＹ面における断面図［ＸＹ１］、［ＸＹ２］では便宜的に光電変換部１０１、１０２および分離部１０９の位置を導光部１１１に重ねて示してある。Ｘ方向は上述したように複数の光電変換部１０１、１０２が並ぶ方向である。位置Ｚ２は、例えば導光部１１１のＺ方向における長さの半分の位置であり、例えば位置Ｚ２は第１配線層と第２配線層の間の位置である。位置Ｚ１は位置Ｚ２よりも基板１００から遠く、位置Ｚ３は位置Ｚ２よりも基板１００に近い。

本実施形態の導光部１１１は、基板１００に平行な平面（ＸＹ面）において、Ｘ方向の最大幅とＹ方向の最大幅とが異なった断面形状を有している。導光部１１１の断面形状を評価するための、基板１００に平行な面（ＸＹ面）は、導光部１１１を貫く平面であれば、Ｚ方向のどの位置（高さ）における面であってもよい。導光部１１１を横切る３つのＸＹ面のうち、位置Ｚ２よりも基板１００からより遠く、光が入射する側のＸＹ面の位置がＺ１であり、位置Ｚ２よりも基板１００に近く、光が出射する側のＸＹ面の位置がＺ３である。

ここで、所定方向における導光部１１１の「最大幅」を、図１０を用いて説明する。所定方向における導光部１１１の「最大幅」は、各々が所定方向に平行で、一端と他端の双方（両端）が導光部１１１の外周に位置する線分の長さの最大値（上限）である。図１０には、Ｚ方向のある高さにおいて、Ｚ方向に直交する所定方向を矢印Ｐで、導光部１１１の外周を実線Ｃで示している。一端と他端が導光部１１１の外周に位置する線分として、代表して４本の線分Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３、Ｓ４を示している。線分Ｓ１が、所定方向Ｐに平行であり、一端と他端の双方が導光部１１１の外周に位置する線分の内の最大の長さを有する線分である。そのため、所定方向Ｐにおける導光部１１１の最大幅はＳ１の長さで表される。線分Ｓ２は、一端と他端の双方が導光部１１１の外周に位置する線分の内の最大の長さを有する線分ではないため、線分Ｓ２の長さは、所定方向における導光部１１１の最大幅には相当しない。線分Ｓ３は、一端と他端の双方が導光部１１１の外周に位置する線分の内で最も長い線分ではあるが、所定方向Ｐに平行ではないため、線分Ｓ３の長さも、所定方向Ｐにおける導光部１１１の最大幅には相当しない。距離Ｄは一端と他端の双方が導光部１１１の外周に位置する線分の長さではないため、所定方向Ｐにおける導光部１１１の最大幅には相当しない。同様にして考えると、線分Ｓ１に直交し、両端が外周Ｃ上に位置する線分の内で最大の長さを有する線分Ｓ４の長さは、所定方向Ｐに直交する方向における導光部１１１の最大幅に相当する。

図２（ａ）に示すように、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅は、位置Ｚ１ではＷＸ１であり、位置Ｚ２ではＷＸ２であり、位置Ｚ３ではＷＸ３である。Ｙ方向における導光部１１１の最大幅は、位置Ｚ１ではＷＸ１であり、位置Ｚ２ではＷＸ２であり、位置Ｚ３ではＷＸ３である。導光部１１１は、基板１００に平行な平面（ＸＹ面）において、Ｘ方向の最大幅が、Ｙ方向の最大幅より大きい断面形状となっている。例えば、位置Ｚ１では最大幅ＷＸ１が最大幅ＷＹ１よりも大きくなっている（ＷＸ１＞ＷＹ１）。同様に、位置Ｚ２では最大幅ＷＸ２が最大幅ＷＹ２よりも大きくなっており（ＷＸ２＞ＷＹ２）、位置Ｚ３では最大幅ＷＸ３が最大幅ＷＹ３よりも大きくなっている（ＷＸ３＞ＷＹ３）。

導光部１１１のＸＹ面における断面形状は、基板１００からの距離により異なっていてもよい。本例の導光部１１１は、基板１００に平行な平面（ＸＹ面）において、Ｘ方向の最大幅とＹ方向の最大幅とが異なった断面形状を有している。例えば、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅について、位置Ｚ１における最大幅ＷＸ１が位置Ｚ２における最大幅ＷＸ２よりも大きく（ＷＸ１＞ＷＸ２）、位置Ｚ３における最大幅ＷＸ３が位置Ｚ２における最大幅ＷＸ２よりも小さい（ＷＸ２＞ＷＸ３）。また、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅について、位置Ｚ１における最大幅ＷＹ１が位置Ｚ２における最大幅ＷＹ２よりも大きく（ＷＹ１＞ＷＹ２）、位置Ｚ３における最大幅ＷＹ３が位置Ｚ２における最大幅ＷＹ２よりも小さい（ＷＹ２＞Ｗ３）。Ｚ方向の或る位置において、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅が、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅の±１％以上であれば、最大幅が異なっていると云える。十分な効果を得るためには、Ｚ方向の各位置において、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅が、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅の１．０５倍以上であることが好ましく、１．１０倍以上であることがより好ましい。Ｚ方向の各位置において、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅は、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅の１．５０倍以下であってもよく、１．２０倍以下であってもよい。

図２（ａ）の［ＸＹ１］と［ＸＹ２］との比較および［ＸＺ］、［ＹＺ］から理解されるように、導光部１１１のＸＹ面の断面積は、光が入射する方向から光電変換部１０１、１０２へ近づくにつれて徐々に小さくなっている。つまり、導光部１１１は基板１００へ向かって順テーパー形状となっている。また、位置Ｚ１と位置Ｚ２、位置Ｚ３における導光部１１１の断面はいずれにおいても、Ｘ方向の最大幅ＷＸ１、ＷＸ２、ＷＸ３が、Ｙ方向の最大幅ＷＹ１，ＷＹ２、ＷＹ３より大きい形状となっている。

例えば、位置Ｚ１において、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅ＷＸ１は０．３０ｕｍ〜１０ｕｍ程度、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅ＷＹ１は０．２５〜９ｕｍ程度である。位置Ｚ３において、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅ＷＸ２は０．２５〜９ｕｍ程度、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅ＷＹ２は０．２０〜８ｕｍ程度などである。位置Ｚ２においては位置Ｚ１における最大幅と位置Ｚ３における最大幅の間の値をとることができる。

ここで、光電変換部１０１、１０２で光電変換される光の波長λにおける導光部１１１の屈折率をｎ_１、導光部１１１の周囲に位置する部材である絶縁膜１１０の屈折率をｎ_０とする。また、導光部１１１をコア、絶縁膜１１０をクラッドとした光導波路構造の実効屈折率ｎ_ｅとする。なお、実効屈折率ｎ_ｅは式１で表され、一般的な光導波路構造では０．５０〜１．５である。

導光部１１１の位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３における、Ｙ方向の最大幅ＷＹ１，ＷＹ２ＷＹ３は、３×λ／ｎ_ｅ以下であることが好ましく、２×λ／ｎ_ｅ以下であることがより好ましい。特に、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅の最大値ＷＹＨが３×λ／ｎｅ以下であることが好ましく、２×λ／ｎ_ｅ以下であることがより好ましい。Ｙ方向における導光部１１１の最大幅の最大ＷＹＨは通常は、導光部１１１の上面で成立することになる。Ｙ方向における導光部１１１の最大幅を上記範囲に制限することが、Ｙ方向の導波モードの数を限定し、導光部１１１の内部でＹ方向に光が広がることを抑制する上で有効である。Ｙ方向における導光部１１１の最大幅を８００ｎｍ以下とすると、実用上、可視光のほとんどの波長（４００〜８００ｎｍ）に対して、３×λ／ｎ_ｅ以下を満たすことができる。なぜなら、実効屈折率ｎ_ｅが０．５と非常に低い場合でも、実効屈折率ｎ_ｅが１．５と非常に高い場合でも、３×λ／ｎ_ｅ以下を満たすからである。

図２（ａ）、（ｂ）には、導光部１１１のうち、Ｚ方向において分離部１０９に重なる部分である中間部１１９を示している。Ｚ方向の或る位置の平面内において、中間部１１９のＹ方向における長さ（幅）が、導光部１１１のＸ方向における最大幅よりも小さいことが好ましい。中間部１１９のＹ方向における幅は導光部１１１に入射した光を、複数の光電変換部１０１、１０２のいずれに振り分けるかを決定するにあたって、重要な要因となる。中間部１１９のＹ方向における幅を十分に小さくすることが、光の振り分け精度を向上する上で有効である。

また、Ｘ方向における導光部１１１の位置Ｚ３での最大幅ＷＸ３を、２つ並ぶ光電変換部１０１、１０２のＸ方向における最大幅の和より短くしている。このようにすることで、導光部１１１に入射した光を、低損失で光電変換部１０１または光電変換部１０２へ取り込めるようにしている。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の形態において斜めの角度（矢印）から導光部１１１へ入射した光Ｌが、導光部１１１内を伝搬する様子を示す。図２（ｂ）の［ＸＺ］、［ＹＺ］では、位置Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３における電場強度分布を点線で示している。また、図２（ｂ）の［ＸＹ１］、［ＸＹ３］では、位置Ｚ１，Ｚ３における電場強度の等高線を示している。図２（ｂ）の電場強度分布のモデルとなる光導波路構造は、例として、導光部１１１の屈折率を１．８２、絶縁膜１１０の屈折率を１．４６、Ｚ１におけるＹ方向の最大幅を１．０ｕｍ、Ｘ方向の最大幅を１．６ｕｍとしている。また、Ｚ３におけるＹ方向の最大幅を０．９５ｕｍ、Ｘ方向の最大幅を１．５５ｕｍとしている。ただし、上述したＸ方向とＹ方向の最大幅の関係を満足することで、この条件に限らず同様の電場強度分布を得ることができる。

波動光学的には、導光部１１１に入射した光は波打ちながら伝搬するため、導光部１１１内には電場強度分布が生じる。ここで、電場強度の大きいところが、確率的に光が多く存在していることを表している。このとき、導光部１１１を伝搬する光の形状（電場強度分布の形状）は、導光部１１１の形状に依存する。そして、導光部１１１の最大幅が広くなると、光が存在する確率が大きくなるため、最大幅が広がった方向に伝搬する光の量が増える。導光部１１１のＺ１、Ｚ２、Ｚ３における断面は、Ｘ方向の最大幅が、Ｙ方向の最大幅より大きい形状となっているため、Ｘ方向の方がＹ方向より相対的に光が多く伝搬する。

したがって、図２（ｂ）に示すように＋Ｘ成分と―Ｚ成分のベクトルをもつ入射光Ｌが斜めに入射した際、導光部１１１の入口付近である位置Ｚ１付近では、ＸＹ面において＋Ｘ側に偏った光となる。波動光学的には、斜めに入射した光は、０次や２次などの偶モードに加え、１次や３次などの奇モードと結合し伝搬する。斜入射光は、垂直入射光よりも奇モードと結合しやすい。ここで奇モードとは、ＸＺ面においてＺ軸に平行で、導光部１１１の中心を通る軸に対し、奇関数の電場振幅の形状をもつ導波モードのことをいい、偶関数の場合は偶モードという。そして、導光部１１１の最大幅が大きいほど、結合するモードの数は大きくなる。従って、Ｘ方向の成分を持って入射した光は、Ｘ方向に偏りやすくなる。導光部１１１の入口で＋Ｘ方向に偏った光は、そのまま＋Ｘ側に偏ったまま伝搬し、基板１００まで光が到達することになる。例えば、＋Ｘ成分と−Ｚ成分のベクトルをもつ角度から入射する光Ｌは、図２（ｂ）でＸ方向に２つ並ぶ光電変換部１０１、１０２のうち、＋Ｘ側に位置する光電変換部１０１へ主に入射する。同様に、図２（ａ）とはＸ方向において逆向きの、−Ｘ成分と−Ｚ成分のベクトルをもつ角度からの入射光の場合、その多くは光電変換部１０２に入射される。その結果、感度を維持しつつ、２つの光電変換部１０１、１０２へ精度良く光を振り分けることができる。

本例の導光部１１１のＸＹ面における断面積は、光が伝搬するにしたがって徐々に小さくなる形状である。光Ｌが入射する導光部１１１の位置Ｚ１において、位置Ｚ２よりも断面積を大きくする構成とすることで、多くの光Ｌを導光部１１１へ取り込むことが可能となる。また、光Ｌが出射する導光部１１１の位置Ｚ３において、位置Ｚ２よりも断面積を小さくする構成とすることで、基板１００表面に形成されている転送ゲートやトランジスタなどでの光Ｌの損失を低減することができる。その結果、更に感度を向上しながら、２つの光電変換部１０１、１０２に精度良く光を振り分けることができる。

また、本実施形態では単数の導光部１１１が複数の光電変換部１０１、１０２の上に跨っているため、十分な感度を得つつ、光の振り分け精度を高めることができる。逆に、複数の光電変換部の各々にのみ対応する導光部を、複数に分けて設ける場合には、次のような問題が生じる。１つは、複数の導光部間での反射による損失が生じてしまうことである。もう１つは、受光する光電変換部の振り分けが、光の入射角ではなく入射位置が支配的になってしまうことである。このことは、受光する光電変換部と、光の入射角度と関連性が低下してしまうということを意味するため、焦点検出の精度を上げる上で不利となる。

図２（ａ）、（ｂ）では、Ｚ方向のどの高さにおいてもＸ方向の最大幅がＹ方向の最大幅よりも大きい導光部１１１の例を説明した。しかし、Ｚ方向の少なくとも一部の位置において、Ｘ方向の最大幅がＹ方向の最大幅よりも大きい導光部１１１を有すればよい。逆に、Ｚ方向の一部の高さにおいては、Ｘ方向の最大幅がＹ方向の最大幅以下となるような導光部１１１を採用することもできる。図３（ａ）、（ｂ）では、導光部１１１のＸＺ面、ＹＺ面あるいはＸＹ面での断面が図２（ａ）、（ｂ）と異なる以外は、図２（ａ）、図２（ｂ）と同様の事項を示している。なお、図３（ａ）、（ｂ）の［ＸＹ１］、［ＸＹ２］には図２（ｂ）で示したような電場強度分布を示している。図３（ａ）では、導光部１１１のＸＺ面、ＹＺ面あるいはＸＹ面での断面図および電場強度分布が図２（ｂ）と異なる以外は、図２（ｂ）と同様の事項を示している。

図３（ａ）では、ＷＸ１＝ＷＹ１、ＷＸ２＞ＷＹ２、ＷＸ３＞ＷＹ３となっている。また、ＷＸ１＞ＷＸ２＞ＷＸ３、ＷＹ１＞ＷＹ２＞ＷＹ３となっている。例えば、ＷＸ１およびＷＹ１を１．６ｕｍとし、ＷＸ３を１．５５ｕｍ、ＷＹ３を０．９５ｕｍとしている。

図３（ａ）の形態では、位置Ｚ１に入射した光ＬはＸ方向およびＹ方向において偏っている。そして、光ＬがＺ１からＺ２，Ｚ２からＺ３に向かって伝搬していくにつれて光のＹ方向での偏りは小さくなり、Ｘ方向での偏りが顕著になる。そのため光Ｌの大半が光電変換部１０２で受光される。同様に光Ｌとは逆向きから入射した光は光電変換部１０１で受光される。このように光の振り分けの精度を向上できる。

図３（ｂ）では、ＷＸ１＞ＷＹ１、ＷＸ２＞ＷＹ２、ＷＸ３＝ＷＹ３となっている。また、ＷＸ１＞ＷＸ２＞ＷＸ３、ＷＹ１＞ＷＹ２＞ＷＹ３となっている。例えば、ＷＸ１を１．５ｕｍ、ＷＹ１を１．０ｕｍとし、ＷＸ３およびＷＹ３を０．９５ｕｍとしている。

図３（ｂ）の形態では、導光部１１１の入り口付近である位置Ｚ１に入射した光ＬはＸ方向に偏っている。そして光ＬがＺ１からＺ２，Ｚ２からＺ３に向かって光のＸ方向での偏りを維持して伝搬していく。波動光学的には、斜めに入射した光は、位置Ｚ１において、０次や２次などの偶モードに加え、１次や３次などの奇モードとも多く結合して、Ｘ方向に偏った光となる。奇モードは、導光部１１１内を奇モードのまま伝搬する。そのため、位置Ｚ３において導光部１１１の最大幅がＸ方向とＹ方向とで同じであっても、位置Ｚ３においてＸ方向に偏った光となる。そのため光Ｌの大半が光電変換部１０２で受光される。同様に光Ｌとは逆向きから入射した光は光電変換部１０１で受光される。このように光の振り分けの精度を向上できる。

比較のため、導光部１１１が、Ｚ方向のどの位置においてもＸ方向とＹ方向で同じ長さの最大幅の断面を有する場合を図４に示す。図４では、ＷＸ＝ＷＹ１、ＷＸ２＝ＷＹ２、ＷＸ３＝ＷＹ３となっている。この場合、導光部１１１を伝搬する光は、Ｙ方向に広がりやすくなり、Ｘ方向での偏りが小さくなる。そのため、Ｘ方向に並んだ光電変換部１０１、１０２の分離部１０９近傍へ入射する光の量が増え、光Ｌを精度良く振り分けることができなくなってしまう。図４の形態では、［ＹＸ３］において電場強度の等高線を示す点線の偏りが、［ＸＹ１］における偏りよりも小さいことが理解される。

例えば、＋Ｘ成分と−Ｚ成分のベクトルをもつ角度から入射する光Ｌは、光電変換部１０１にも光電変換部１０２にも大差なく入射してしまう。そのため、このように、光電変換部１０１と光電変換部１０２とへ適切に光Ｌを振り分けることができない。

本実施形態ではＸＹ面における導光部１１１の断面形状に関して、図３（ａ）のように、長方形の四隅を丸めたような形態に限らず発明の趣旨を逸脱しない範囲で、他の形状を適用できる。

本例の導光部１１１のＸＹ面の断面積は、＋Ｚ方向へ向かって徐々に大きくなる形状である。このようにすることで、配線１２０やゲート電極１０３、１０４（図１（ｃ）参照）での光の反射等を避けつつ、集光効率を向上することができる。ただし、＋Ｚ方向に向かって小さくなる形状でも良いし、ＹＹ面の断面積がＺ方向において変化しない形状でもよい。基板１００に平行なある面（ＸＹ面）において、導光部１１１のＸ方向の最大幅が、Ｙ方向の最大幅より大きい形状となっていれば、精度良く２つの光電変換部に光を振り分けることができる。また本例では、徐々に連続的に導光部１１１の断面の大きさが変わる構成としている。このようにすることで、導光部１１１内での光の損失を低減できる。ただし、ある高さで不連続的に急に断面の大きさが変わる形状でも良い。

図５（ａ）〜（ｏ）は、ＸＹ面のＺ１とＺ３における導光部１１１の断面形状の例を示している。

図５（ａ）に示すように、導光部１１１の断面形状は楕円形であってもよい。図５（ｂ）に示すように、導光部１１１の断面形状の長手方向が、複数の光電変換部が並ぶ方向（Ｘ方向）に対して傾いていてもよい。図５（ｃ）に示すように、導光部１１１のうち、分離部１０９ではなく光電変換部１０１、１０２の上に位置する部分は、Ｙ方向における最大幅がＸ方向における最大幅以上であってもよい。図５（ｄ）に示すように、導光部１１１は複数の導光部を合体させたような形状を呈していてもよい。図５（ｅ）に示すように、導光部１１１の断面形状は、多角形であってもよい。例えば、光が入射する側のＸＹ面のＺ１では図５（ａ）の形状で、基板１００側のＸＹ面のＺ３では図５（ｄ）の形状でとなっても良い。

図５（ｆ）〜（ｊ）に示すように、導光部１１１は、Ｚ方向における或る位置において、ＸＹ面における断面Ｙ方向における最大幅が、Ｘ方向における最大幅以上となるような断面形状を有していてもよい。具体的には、図５（ｆ）に示すように、導光部１１１の断面形状が円形であってもよい。図５（ｇ）に示すように、導光部１１１の断面形状が、Ｘ方向よりもＹ方向における最大幅が大きい角丸四辺形であってもよい。図５（ｈ）に示すように、導光部１１１の断面形状が十字形であってもよい。図５（ｉ）に示すように、各々が複数の光電変換部１０１，１０２を跨がない、複数の導光部１１２１、１１２２を有していてもよい。例えばＺ方向の或る位置における断面では図５（ｄ）のようであり、別の位置における断面では図５（ｉ）のような断面を有していてもよい。図５（ｊ）に示すように、導光部１１１の断面形状が正方形でもよい。例えばＺ方向の或る位置における断面では図５（ｅ）のようであり、別の位置における断面では図５（ｆ）のような断面を有していてもよい。その場合、図５（ｅ）と図５（ｆ）のようにＹ方向における最大幅が、Ｚ方向における高さによらず一定であってもよい。

図５（ｋ）に示すように、３つ以上の光電変換部１０１、１０２１、１０２２に跨って、単数の導光部１１１を設けてもよい。図５（ｌ）に示すように、各々が複数の光電変換部１０１、１０２に跨って配された複数の導光部１１１１、１１１２を１つの受光素子１に設けてもよい。図５（ｍ）に示すように、４つ以上の光電変換部１０１１、１０２１、１０１２、１０２２に跨って、単数の導光部１１１を設けてもよい。この場合、４つの光電変換部から選ばれる２つの光電変換部の組み合わせは６通りが考えられる。しかしこの６通りの組み合わせの全てにおいて、光電変換部が並ぶ方向における導光部１１１の最大幅が、並ぶ方向に直交する方向における導光部１１１の最大幅よりも大きいという関係を満たす必要はない。

１つの受光素子１が４つの光電変換部を有している場合、行方向に並ぶ光電変換部に振り分けることを重視すると、導光部１１１の断面は、行方向の最大幅が、列方向の最大幅より大きい形状とすれば良い。また、列方向に並ぶ光電変換部に振り分けることを重視する場合には、導光部１１１の断面は、行方向の最大幅が、列方向の最大幅より大きい形状とすれば良い。

図５（ｎ）に示すように、２つの光電変換部１０１１、１０２１に跨って配された導光部１１１１と、２つの光電変換部１０１２、１０２２に跨って配された導光部１１１２と、を１つの受光素子１が備える形態でもよい。図５（ｏ）に示すように、受光素子１は複数の光電変換部１０１１、１０２１に跨って配された単数の導光部１１１を有している。それに加えて、単数の光電変換部１０１２にのみ配された単数の導光部１１２１と、単数の光電変換部１０２２にのみ配された単数の導光部１１２２を有している。

図５（ｐ）に示すように、光電変換部１０１、１０２から検出部１０５、１０６への転送方向は非平行であってもよい。図５（ｑ）に示すように、光電変換部１０１、１０２から検出部１０５、１０６への転送の向きは互いに逆であってもよい。図５（ｒ）に示すように、単数の転送ゲート１０３を複数の光電変換部１０１、１０２および対応する複数の検出部１０５、１０６に対して共通に設けてもよい。図５（ｓ）に示すように、単数の検出部１０５を複数の光電変換部１０１、１０２および対応する複数の転送ゲート１０３、１０４に対して共通に設けてもよい。

本例のように導光部１１１の上方（＋Ｚ側）に、集光部１１８を配置する場合、光電変換装置１０の受光領域の周辺付近では、集光部１１８の光軸を分離部１０９に対してずらす構成としても良い。その例を図６に示す。図６の［０］は受光領域２１を示している。図６の［１］、［２］、［３］はそれぞれ、受光領域２１の、上下左右の中央付近、上下の中央で右端付近、対角方向の端付近における、集光部１１８と導光部１１１と光電変換部１０１、１０２の位置関係を示している。光電変換装置１０の中央付近から周辺付近へ向かって、入射する光Ｌの角度は斜めになっていく。集光部１１８の配列を光電変換装置１０の中心方向に向かって徐々にずらす構成とすることで、光電変換装置１０の中央付近から周辺付近の全ての領域で、感度を向上することができる。また、更に精度良く２つの光電変換部１０１、１０２それぞれに振り分けることも可能となる。焦点検出性能を有する固体撮像装置の場合、焦点検出性能も向上させることができる。

例えば、複数の受光素子１は、受光領域２１の中央部に位置する第１受光素子１Ａと、受光領域２１の周辺部に位置する第２受光素子１Ｂ、第３受光素子１Ｃとを含む。中央部とは、受光領域２１を３行３列の９区画に分割した際の、２行目２列目に該当する区画であり、周辺部とは中央部以外の８区画を意味する。第２受光素子１Ｂは例えば２行目３列目に位置し、第３受光素子１Ｃは例えば１行目３列目に位置する。第１受光素子１Ａの集光部１１８の光軸Ｏ１と第２受光素子１Ｂの集光部１１８の光軸Ｏ２との距離ＤＯは、第１受光素子１Ａの導光部１１１の重心Ｍ１と第２受光素子１Ｂの導光部１１１の重心Ｍ２との距離ＤＭよりも小さい（ＤＭ＜ＤＯ）。第１受光素子１Ａと第３受光素子１Ｃとの関係においても同様である。つまり、第１受光素子１Ａの集光部１１８の光軸と第３受光素子１Ｃの集光部１１８の光軸との距離は、第１受光素子１Ａの導光部１１１の重心Ｍ１と第３受光素子１Ｃの導光部１１１の重心との距離よりも小さい。

図６では、集光部１１８を光電変換装置１０の中央部の方向へ向かってずらす構成としているが、全体的に同じ方向（例えば＋Ｙ方向）へ平行移動させる構成としても良い。例えば、転送ゲートから遠ざかるようにずらすことで、転送ゲートで損失される割合を低減でき、更に感度を向上することができる。また、集光部１１８だけなく導光部１１１をずらす構成としても同様の効果を得ることができる。また、導光部１１１と共に光電変換部をずらす構成としても同様の効果を得ることができる。

図７に示すように、導光部１１１はその内部に屈折率分布を有していてもよい。図７では導光部１１１は第１部分１２１と第２部分１２２を有している。Ｘ方向において、第２部分１２２が第１部分１２１の−Ｘ側と＋Ｘ側に位置している。つまり、Ｘ方向において、第１部分１２１が第２部分１２２に挟まれた形態となっている。第１部分１２１はその少なくとも一部が分離部１０９の上に位置し、第２部分１２２はその少なくとも一部が光電変換部１０１、１０２の上に位置する。

第１部分１２１と第２部分１２２は異なる屈折率を有している。第１部分１２１の屈折率を第２部分１２２の屈折率よりも高くしてもよいし、第１部分１２１の屈折率を第２部分１２２の屈折率よりも低くしてもよい。特に、外側の第２部分１２２の屈折率を内側の第１部分１２１の屈折率よりも高くすることにより、光電変換部１０１、１０２への光の振り分け精度を向上することができる。波動光学的には、屈折率が高い領域に光は集中しやすいと考えることができる。導光部１１１の屈折率は、Ｘ方向において、導光部１１１の中心付近より、周辺付近の方が大きい構成となっている。そのため、導光部１１１へ入射した光は、Ｘ方向に偏りやすくなる。導光部１１１の入口付近の位置Ｚ１でＸ方向に偏った光は、導光部１１１の出口付近の位置Ｚ３までＸ方向に偏った形状の光として伝搬する。その結果、Ｘ方向に並んだ光電変換部に１０１、１０２に、精度良く振り分けられる。

第１部分１２１の幅と第２部分１２２の幅の少なくとも一方は、Ｚ方向の位置によって異なっていてもよい。図７の［ＸＹ１］に示す様に、位置Ｚ１ではＸ方向における第１部分１２１の幅がＷＸ１１、第２部分１２２の幅がＷＸ１２である。これに対して、図７の［ＸＹ３］に示す様に、位置Ｚ３ではＸ方向における第１部分１２１の幅がＷＸ３１、第２部分１２２の幅がＷＸ３２である。そして、ＷＸ１１＜ＷＸ３１、ＷＸ１２＞ＷＸ３２の関係がなりなっている。図７の［ＸＹ１］に示す様に、位置Ｚ１ではＹ方向における第１部分１２１の幅がＷＹ１１、第２部分１２２の幅がＷＸＹ２である。これに対して、図７の［ＸＹ３］に示す様に、位置Ｚ３ではＹ方向における第１部分１２１の幅がＷＹ３１、第２部分１２２の幅がＷＹ３２である。そして、ＷＹ１１＜ＷＹ３１、ＷＹ１２＞ＷＹ３２の関係がなりなっている。図７の例では、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれにおいても、第１部分１２１の幅は光電変換部１０１、１０２に近づくほど連続的に大きくなっている。また、第２部分１２２の幅が光電変換部１０１、１０２に近づくほど連続的に小さくなっている。しかし、段階的に、第１部分１２１や第２部分１２２の幅が変化していてもよい。

第１部分１２１と第２部分１２２の材料は化学量論的組成が異なる材料で構成しても良いし、化学量論的組成が同じ材料で構成しても良い。材料は、有機材料（樹脂）でもよいし、無機材料でもよい。樹脂としては、シロキサン系樹脂やポリイミド等が挙げられる。無機材料としては、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＸＮＹ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）が好適である。例えば、第１部分１２１を樹脂で、第２部分１２２を窒化シリコンで構成することができる。また、第１部分１２１を低密度の窒化シリコンで構成し、第２部分１２２を高密度の窒化シリコンで構成することもできる。

なお、化学量論的組成が同じである材料とは、化学量論的組成からずれた材料や、結晶性、材料密度、添加物（主材料より少ない）の濃度、不純物（１ｗｔ％以下）およびその濃度が異なっている材料が含まれる。例えば、窒化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｎ＝３：４であるが、化学量論的組成比が同じである範囲内において、実際のＳｉとＮの比が互いに異なる材料同士も同じ材料とみなす。また、例えば、単結晶シリコンとポリシリコン（多結晶シリコン）は同じ材料とみなす。なお、化学量論的組成が異なる材料は同じ材料ではない。例えば、一酸化チタン（ＴｉＯ）と二酸化チタン（ＴｉＯ２）はいずれも酸素とチタンの化合物（チタン酸化物）ではあるが、化学量論的には異なる材料である。

屈折率分布において、第１部分１２１と第２部分１２２の境界を明確に観察できる場合もあるが、明確に観察できない場合もある。例えば、導光部１１１１の中心軸から絶縁膜１１０へ向かって、屈折率が緩やかに変化している場合には、第１部分１２１と第２部分１２２の境界は明確に観察できない可能性がある。このような場合には、次のようにして、第１部分１２１と第２部分１２２の境界を決めることができる。すなわち、導光部１１１中の屈折率の最高値と最小値の中間値（（最高値＋最低値）／２）を求める。そして、導光部１１１内の屈折率分布において、当該中間値となる点を結んだ線を、第１部分１２１と第２部分１２２の境界に定めることができる。また、上記中間値を導光部１１１の屈折率とみなすことができる。第２部分１２２の屈折率が第１部分１２１の屈折率よりも高い場合、第１部分１２１は屈折率が最小である部分を含み、第２部分１２２は屈折率が最大である部分を含む。

図８（ａ）〜（ｊ）を用いて、導光部１１１が有する屈折率分布の例を示す。ここでは、第１部分１２１を低屈折率部分、第２部分１２２を高屈折率部分として説明するが、屈折率の高低関係は逆でもよい。図８（ａ）の形態では第２部分１２２が、Ｚ方向の下部において、第１部分１２１と光電変換部１０１、１０２の間に位置しており、導光部１１１の下面（光の出射面）は全て第２部分１２２で構成されている。図８（ｂ）の形態では第２部分１２２は導光部１１１の下端まで延在せず、導光部１１１の下部は第２部分１２２のみで構成されている。図８（ｃ）の形態では、第１部分１２１の幅は光電変換部１０１、１０２に近づくほど小さくなっている。また、第２部分１２２の幅は一定である。図８（ｃ）の形態では、図８（ｄ）の形態では、第２部分１２２の幅が光電変換部１０１、１０２に近づくほど大きくなっている。図８（ｅ）の形態では、第１部分１２１が、Ｚ方向の上部において、第２部分１２２と光電変換部１０１、１０２の間に位置しており、導光部１１１の上面（光の入射面）は全て第２部分１２２で構成されている。

図８（ｆ）のように、第１部分１２１の幅はＸ方向よりもＹ方向において大きくてもよいし、図８（ｇ）のように、第１部分１２１の幅はＸ方向とＹ方向とで同じであってもよい。図８（ｈ）の形態のように、導光部１１１は高屈折率部分である第２部分１２２を介して互いに分離した、低屈折率部分として複数の第１部分１２１を有していてもよい。第１部分１２１が第２部分１２２で囲まれることには限定されず、図８（ｉ）の形態のようにＸ方向のみにおいて挟まれていてもよいし、図８（ｊ）の形態のようにＹ方向のみにおいて挟まれていてもよい。

図９（ａ）は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、撮影機能付き情報端末等の撮像システム１０００の構成を示している。撮像システム１０００には、被写体像を結像する撮像光学系１１としての撮像レンズが装着される。この撮像レンズを含む撮像光学系１１は、レンズ制御部１２によってフォーカス位置が制御される。絞りシャッタ１３は、絞りシャッタ制御部１４と接続され、その開口径を変化させて（絞り値を可変として）光量調節を行う絞り機能と、静止画撮影時に開閉動作することで露光秒時を制御するシャッタ機能とを備えている。撮像光学系１１の像空間には、撮像光学系１１により結像された被写体像を光電変換する光電変換装置１０の撮像面が配置される。光電変換装置１０は、単数または複数の光電変換部を有する受光素子が水平方向にｍ個、垂直方向にｎ個配され、これらの固体撮像素子に対してベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタが配置されて２次元単板カラーセンサが構成される。

コントローラ１５はカメラＣＰＵであり、カメラの種々の動作の制御を司る。カメラＣＰＵは、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータおよび通信インターフェイス回路等を有する。カメラＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮影光学系の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理および記録等の一連の撮影動作を実行させる。カメラＣＰＵは、演算手段に相当する。

デバイス制御部１６は、光電変換装置１０の動作を制御するとともに、光電変換装置１０から出力された画素信号（撮像信号）をＡ／Ｄ変換してカメラＣＰＵに送信する。画像処理部１７は、Ａ／Ｄ変換された撮像信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成し、さらに画像信号に対してＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示部１８は、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像および焦点検出時の合焦状態等を表示する。操作スイッチ１９は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。記録媒体２０は撮影済み画像を記録するものであり、着脱可能であってもよい。

以下に、２つの光電変換部１０１、１０２を有する受光素子１における、焦点検出の方法（瞳分割）を説明する。図９（ｂ）に示す撮像光学系の射出瞳３１について、Ｘ方向を瞳分割方向とし、分割された射出瞳のそれぞれの領域を瞳領域３２、３３とする。瞳領域３２、３３を通過した光束を、２つの光電変換部１０１、１０２それぞれに割り当てている。本例に示す、Ｘ方向に２つの光電変換部１０１、１０２を有する受光素子１においては、Ｘ方向に瞳分割を行う瞳分割機能を有する。具体的には、−Ｘ側に位置する光電変換部１０１は、図９（ｂ）における＋Ｘ側の瞳領域３３を通過した光束Ｗ２（２点鎖線で示す）を受光する。また、＋Ｘ側に位置する光電変換部１０２は、図９（ｂ）における−Ｘ側の瞳領域３２を通過した光束Ｗ１（１点鎖線で示す）を受光する。

なお、ここではＸ方向に輝度分布を有した被写体に対する焦点検出を行うための構成について説明したが、Ｙ方向に光電変換部１０１が並ぶ固体撮像素子の場合には、同様の構成を、Ｙ方向にも適用でき、Ｙ方向に焦点検出も行うこともできる。

以上、説明した実施形態は、本発明の思想を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。

１ 受光素子
１０ 光電変換装置
１０１ 光電変換部
１０２ 光電変換部
１０９ 分離部
１１１ 導光部

Claims (27)

1. 複数の受光素子を有する光電変換装置であって、
   前記複数の受光素子のうちの少なくとも１つの受光素子は、
   前記複数の受光素子が配列された面に沿って並ぶ複数の光電変換部と、
   前記複数の光電変換部に対応する集光部と、
   前記複数の光電変換部と前記集光部との間に設けられ、絶縁膜で囲まれた導光部と、を有し、
   前記導光部の屈折率は前記絶縁膜の屈折率よりも高く、
   前記複数の受光素子が配列された前記面に沿って前記導光部を横切る或る平面内で、前記複数の光電変換部が並ぶ第１方向における前記導光部の幅が、前記第１方向に直交する第２方向における前記導光部の幅よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。
2. 複数の受光素子を有する光電変換装置であって、
   前記複数の受光素子のうちの少なくとも１つの受光素子は、
   前記複数の受光素子が配列された面に沿って並ぶ複数の光電変換部と、
   前記複数の光電変換部に対応する集光部と、
   前記複数の光電変換部と前記集光部との間に設けられた導光部と、を有し、
   前記導光部の材料は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化チタンまたは樹脂であり、
   前記複数の受光素子が配列された前記面に沿って前記導光部を横切る或る平面内で、前記複数の光電変換部が並ぶ第１方向における前記導光部の幅が、前記第１方向に直交する第２方向における前記導光部の幅よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。
3. 複数の受光素子を有する光電変換装置であって、
   前記複数の受光素子のうちの少なくとも１つの受光素子は、
   前記複数の受光素子が配列された面に沿って並ぶ複数の光電変換部と、
   前記複数の光電変換部に対応する集光部と、
   前記複数の光電変換部と前記集光部との間に設けられた導光部と、を有し、
   前記複数の受光素子が配列された前記面に沿って前記導光部を横切る或る平面内で、前記複数の光電変換部が並ぶ第１方向における前記導光部の幅が、前記第１方向に直交する第２方向における前記導光部の幅よりも大きく、
   前記或る平面内での前記第２方向における前記導光部の前記幅が、前記第２方向における前記複数の光電変換部の幅よりも小さいことを特徴とする光電変換装置。
4. 前記導光部の屈折率は前記導光部の周囲に位置する絶縁膜の屈折率よりも高いこと、
   および、
   前記導光部の材料は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化チタンまたは樹脂であること、
   の少なくとも一方を満たす、請求項３に記載の光電変換装置。
5. 前記或る平面に平行であって前記或る平面と前記複数の光電変換部との間にて前記導光部を横切る別の平面内で、前記第１方向における前記導光部の幅が前記第２方向における前記導光部の幅よりも大きく、
   前記別の平面内での前記第２方向における前記導光部の前記幅が、前記或る平面内での前記第２方向における前記幅より小さい、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. 前記別の平面内での前記第１方向における前記導光部の前記幅が、前記或る平面内での前記第１方向における前記幅より小さい、請求項５に記載の光電変換装置。
7. 前記１つの受光素子は、前記集光部と前記導光部との間に設けられた、前記複数の光電変換部に対応する波長選択部を有し、
   前記或る平面内における前記導光部の屈折率をｎ_１、前記導光部を取り囲む絶縁部材の屈折率をｎ_０、前記波長選択部の主透過波長をλ、前記或る平面内での前記第２方向における前記導光部の幅をＷＹとして、ＷＹ≦３×λ／√（ｎ_１ ^２−ｎ_０ ^２）、または、ＷＹ≦２×λ／√（ｎ_１ ^２−ｎ_０ ^２）が成り立つ、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記導光部は屈折率分布を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記或る平面内での前記第１方向における前記導光部の前記幅が、前記或る平面内での前記第２方向における前記導光部の前記幅の１．０５倍以上である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 前記或る平面内での前記第１方向における前記導光部の前記幅が、前記或る平面内での前記第２方向における前記導光部の前記幅の１．５０倍以下である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
11. 前記或る平面内での前記第１方向における前記導光部の前記幅が、前記或る平面内での前記第２方向における前記導光部の前記幅の１．２０倍以下である、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
12. 前記或る平面内での前記導光部の形状が、楕円形または角丸四角形である、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
13. 前記１つの受光素子は、前記集光部と前記導光部との間に位置するレンズを有する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
14. 前記導光部よりも屈折率の低い膜が、前記レンズと前記導光部との間に設けられている、請求項１３に記載の光電変換装置。
15. 前記導光部と同じ材料からなる膜が、前記或る平面に垂直な方向において、前記導光部を取り囲む絶縁部材に重なっている、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
16. 前記少なくとも１つの受光素子は、前記複数の受光素子が配列された受光領域の中央部に位置する第１受光素子と、前記受光領域の周辺部に位置する第２受光素子とを含み、前記第１受光素子の前記集光部の重心と前記第２受光素子の前記集光部の重心との距離は、前記第１受光素子の前記導光部の重心と前記第２受光素子の前記導光部の重心との距離よりも小さい、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
17. 前記複数の光電変換部は第１光電変換部と第２光電変換部を含み、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部との間には半導体領域で構成された分離部が設けられている、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
18. 前記複数の光電変換部は第１光電変換部と第２光電変換部を含み、前記第１方向における前記第１光電変換部の幅は、前記第２方向における前記第２光電変換部の幅よりも小さい、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
19. 前記複数の光電変換部は第１光電変換部と第２光電変換部を含み、前記第１方向における前記第１光電変換部の幅と、前記第１方向における前記第２光電変換部の幅と、前記第１方向における前記第１光電変換部と前記第２光電変換部との間の距離と、の和が、前記或る平面での前記第１方向における前記導光部の前記幅よりも大きい、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
20. 前記複数の受光素子は行方向および列方向に配列されており、前記第１方向は前記行方向および前記列方向の一方であり、前記第２方向は前記行方向および前記列方向の他方である、請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
21. 前記１つの受光素子が有する前記集光部は、複数のマイクロレンズのうちの単数のマイクロレンズであり、前記単数のマイクロレンズの前記第１方向における幅は、前記或る平面内での前記第１方向における前記導光部の前記幅よりも大きい、請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
22. 前記或る平面に平行であって前記或る平面と前記別の平面との間の平面が複数の配線層の間に位置し、前記第１方向および前記第２方向に垂直な第３方向における前記導光部の長さが、前記或る平面と前記別の平面との間の位置において二等分される、請求項５または６に記載の光電変換装置。
23. 前記導光部の光の入口では、前記第１方向における前記導光部の幅が前記第２方向における前記導光部の幅よりも大きい、請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の光電変換置。
24. 前記導光部の光の出口では、前記第１方向における前記導光部の幅が前記第２方向における前記導光部の幅よりも大きい、請求項２３に記載の光電変換置。
25. 前記複数の受光素子が配列された前記面に沿って前記導光部を横切る平面内で、前記第１方向における前記導光部の幅が、前記第２方向における前記導光部の幅よりも大きい関係が、前記第１方向および前記第２方向に垂直な第３方向におけるどの位置でも満たされる、請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
26. 前記複数の受光素子が配列された前記面に沿って前記導光部を横切る平面内での前記導光部の面積が、前記導光部の光の入口から出口まで徐々に小さくなる、請求項１乃至２５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
27. 請求項１乃至２６のいずれか１項に記載の光電変換装置を備え、前記光電変換装置から得られた、前記複数の光電変換部で生成された電荷に基づく信号を用いて、撮像および位相差検出方式による焦点検出を行う撮像システム。

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