JP7170100B2 - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

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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。
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。
このようなイメージセンサにおいて、特許文献１には、異なる波長域の可視光を光電変換するために、異なる深さに光電変換部を形成することで、位相差検出用信号の撮像用信号への混色を抑制することが開示されている。また、主に赤色光を光電変換する領域を深い部分に、また、主に青色光を光電変換する領域を浅い部分に構成し、各領域を互いに直交する方向に分割することで、１つの画素から２つの異なる方向に位相差を有する焦点検出信号を得ることを開示している。
国際公開第２０１６／５３５１９号
しかしながら、特許文献１の撮像素子では、異なる深さに形成された光電変換部それぞれから信号を転送するための転送トランジスタを用いる構成か、または、異なる深さに形成された複数の光電変換部に兼用の縦型転送トランジスタを用いている。光電変換部それぞれに転送トランジスタを設けた場合、転送トランジスタの数が多くなって受光領域の面積が小さくなるため、製造コストがかかると共に光電変換部が蓄積可能な飽和電荷量が小さくなるという課題があった。また、縦型転送トランジスタを用いる場合、トランジスタを形成する工程が複雑であるため、撮像素子の製造コストがかかってしまうという課題があった。
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、焦点検出用位相差信号の瞳分割の方向を２種類としつつ、簡易な構成で飽和電荷量を拡大することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズそれぞれに対して、光が入射する面から第１の深さに構成され、入射した光を光電変換して電荷を生成する一対の第１の領域と、前記第１の深さよりも深い第２の深さに構成された一対の第２の領域と、前記一対の第１の領域と前記一対の第２の領域とをそれぞれ接続する複数の接続領域と、電荷を電圧に変換する変換手段と、前記一対の第２の領域にそれぞれ接続された転送手段であって、前記一対の第１の領域により生成され、前記複数の接続領域を介して前記一対の第２の領域それぞれに蓄積された電荷を、前記変換手段に転送するための転送手段と、を有する画素部を備え、前記各マイクロレンズに対する前記一対の第２の領域の並び方向は第１の方向であって、前記一対の第１の領域の並び方向は、前記第１の方向または前記第１の方向と直交する第２の方向であって、前記転送手段から遠い前記第２の領域の第１の部分領域において、前記第１の部分領域よりも前記転送手段に近い前記第２の領域の第２の部分領域よりも、少なくとも、深さ方向の長さが短いか、または、不純物濃度が低いことを特徴とする。
本発明によれば、焦点検出用位相差信号の瞳分割方向を２種類としつつ、簡易な構成で飽和電荷量を拡大することができる。
本発明の実施形態における撮像素子の全体構成を概略的に示す図。 第１の実施形態における画素の等価回路図。 第１の実施形態における画素を構成する要素の基本的なレイアウトを示す模式図。 図３に示す画素の断面構造を概略的に示す断面図。 図４に示す画素の感度領域を ｚ方向の深さ毎に平面視した平面図。 図３に示す画素の感度領域、Ｎ型接続領域が入る画素の断面構造を概略的に示す断面図。 第１の実施形態における半導体領域の第１の配置を示す模式図。 第１の実施形態における半導体領域の第２の配置を示す模式図。 第１の実施形態における半導体領域の第３の配置を示す模式図。 第１の実施形態における半導体領域の第４の配置を示す模式図。 第１の実施形態における画素配列を４行×２列の範囲で概略的に示す図。 変形例における画素配列を説明するための概略図。 変形例における画素配列を２行×２列の範囲で概略的に示す図。 変形例における画素配列を２行×２列の範囲で概略的に示す図。 第２の実施形態における画素の等価回路図。 第２の実施形態における半導体領域の第５の配置を示す模式図。 第２の実施形態における半導体領域の第６の配置を示す模式図。 第２の実施形態における半導体領域の第７の配置を示す模式図。 第２の実施形態における画素配列を４行×４列の範囲で概略的に示す図。 第３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３の実施形態におけるｘ方向に分割された画素と部分瞳領域との関係を示す図。 第３の実施形態における部分瞳領域の瞳強度分布の一例を示す概念図。 第３の実施形態における撮像素子のセンサー入射瞳を説明する図。 第３の実施形態におけ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３の実施形態における撮像素子のｘ方向の周辺像高に位置する画素における部分瞳領域と結像光学系の射出瞳との関係を示す図。 第３の実施形態における図２５の各状態における射出瞳と瞳強度分布のｘ方向依存性の関係を示す図。 第３の実施形態における画素の位置を示す図。 第３の実施形態におけるｙ方向に分割された画素と部分瞳領域との関係を示す図。 第３の実施形態における撮像素子のｙ方向の周辺像高に位置する画素における部分瞳領域と結像光学系の射出瞳との関係を示す図。 第３の実施形態における図２９の各状態における射出瞳と瞳強度分布のｙ方向依存性の関係を示す図。 第３の実施形態における撮像素子のｘ方向及びｙ方向の周辺像高に位置する画素における部分瞳領域と結像光学系の射出瞳との関係を示す図。 第３の実施形態における第３の実施形態における図３１の各状態における射出瞳と瞳強度分布のｘ方向及びｙ方向依存性の関係を示す図。
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＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像素子１００の全体構成を概略的に示す図である。撮像素子１００は、画素アレイ部１０１（画素部）、垂直選択回路１０２、列回路１０３、水平選択回路１０４を含む。
画素アレイ部１０１には、複数の画素１０５が行列状に配置されている。垂直選択回路１０２の出力が画素駆動配線群１０７を介して画素１０５に入力されることにより、垂直選択回路１０２により選択された行の画素１０５の画素信号が出力信号線１０６を介して列回路１０３に読み出される。出力信号線１０６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１０３には複数の出力信号線１０６から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１０４が、列回路１０３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１００の外に出力される。
このように垂直選択回路１０２により選択した行の画素信号を撮像素子１００の外に出力する動作を、垂直選択回路１０２で選択する行を変更しながら順次行うことで、撮像素子１００から、２次元の撮像信号または焦点検出用信号を読み出すことができる。
図２は、本実施形態の画素１０５の等価回路図である。
各画素１０５は、光電変換部である２つのフォトダイオード２０１（ＰＤＡ）及び２０２（ＰＤＢ）を有する。入射した光量に応じてＰＤＡ２０１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）２０３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）２０５に転送される。また、ＰＤＢ２０２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）２０４を介してＦＤ２０５に転送される。リセットスイッチ（ＲＥＳ）２０６は、オンとなることで、ＦＤ２０５を定電圧源ＶＤＤの電圧にリセットする。また、ＲＥＳ２０６とＴＸＡ２０３及びＴＸＢ２０４を同時にオンとすることで、ＰＤＡ２０１及びＰＤＢ２０２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）２０７がＯＮとなることで、増幅トランジスタ（ＳＦ）２０８は、ＦＤ２０５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１０６に出力される。また、ＴＸＡ２０３、ＴＸＢ２０４、ＲＥＳ２０６、ＳＥＬ２０７のゲートは、それぞれ画素駆動配線群１０７と接続され、垂直選択回路１０２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、ＰＤＡ２０１及びＰＤＢ２０２をリセット後、所定の電荷蓄積時間が経過した後にＰＤＡ２０１及びＰＤＢ２０２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１０２により選択された行のＳＥＬ２０７がオンとなり、ＳＦ２０８のソースと出力信号線１０６が接続されると、出力信号線１０６はＦＤ２０５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、ＲＥＳ２０６がオン／オフされ、ＦＤ２０５の電位がリセットされる。その後、ＦＤ２０５の電圧変動を受けた出力信号線１０６が静定するまで待機し、静定した出力信号線１０６の電圧を信号電圧Ｎとして列回路１０３で取り込み、信号処理を行って保持する。
その後、ＴＸＡ２０３がオン／オフされ、ＰＤＡ２０１に蓄積されている信号電荷がＦＤ２０５に転送される。ＦＤ２０５の電圧は、ＰＤＡ２０１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、ＦＤ２０５の電圧変動を受けた出力信号線１０６が静定するまで待機し、静定した出力信号線１０６の電圧を信号電圧Ａとして列回路１０３で取り込み、信号処理を行って保持する。
その後、ＴＸＢ２０４がオン／オフされ、ＰＤＢ２０２に蓄積されている信号電荷がＦＤ２０５に転送される。ＦＤ２０５の電圧は、ＰＤＢ２０２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、ＦＤ２０５の電圧変動を受けた出力信号線１０６が静定するまで待機し、静定した出力信号線１０６の電圧を信号電圧（Ａ＋Ｂ）として列回路１０３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、ＰＤＡ２０１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、ＰＤＢ２０２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１０３で行っても良いし、撮像素子１００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１００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。
●画素の基本的な構成
次に、図３～図６を参照して、本実施形態における画素１０５の基本的な構成について詳細に説明する。
図３は、本実施形態に係る画素１０５を構成する要素の基本的なレイアウトを示す模式図である。図３において、紙面横方向がｘ方向、紙面上方向がｙ方向、紙面に対して手前に向かう方向がｚ方向である。また、本実施形態において、「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概平行な面（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、本実施形態において、「横」方向はｘ方向を指し、「縦」方向はｙ方向を指し、「深さ」方向はｚ方向を指す。
なお、図３において、図１及び図２と同じ構成には同じ参照番号を付しており、詳細説明は省略する。図３において、３０１はマイクロレンズ（ＭＬ）、３０３はＴＸＡ２０３のゲート電極、３０４はＴＸＢ２０４のゲート電極、３０６はＲＥＳ２０６のゲート電極、３０７はＳＥＬ２０７のゲート電極、３０８はＳＦ２０８のゲート電極、３１０は電圧供給線である。
ＰＤＡ２０１は、蓄積領域３１１及び感度領域３１３、Ｎ型接続領域３１５を含み、ＰＤＢ２０２は、蓄積領域３１２及び感度領域３１４、Ｎ型接続領域３１６を含む。これら蓄積領域３１１及び３１２、感度領域３１３及び３１４、Ｎ型接続領域３１５及び３１６は、Ｎ型半導体で構成される。感度領域３１３、３１４は、蓄積領域３１１、３１２よりも面積が大きい。また、図４を参照して詳細に後述するが、蓄積領域３１１、３１２は第１の深さに構成され、感度領域３１３、３１４は、第１の深さと異なる第２の深さに構成されている。また、説明を分かり易くするために、主に、入射する光に応じて電荷が発生する領域を「感度領域」、また、主に、発生した電荷を蓄積する領域を「蓄積領域」と呼称しているが、電荷の発生領域と蓄積領域に明確な区分は無い。蓄積領域３１１及び３１２においても、到達した光に応じて電荷が発生し、また、感度領域３１３及び３１４においても、発生した電荷の一部が滞留する。
図４は、画素１０５の基本的な断面構造を概略的に示す図である。図４（ａ）は、図３のＡ－Ａ’断面の模式図、図４（ｂ）は、図３のＢ－Ｂ’断面の模式図、図４（ｃ）は、図３のＣ－Ｃ’断面の模式図である。本実施形態の画素１０５は半導体基板４０１に配されており、半導体基板４０１は第１面と、第１面に対向する第２面とを有する。第１面は半導体基板４０１の表面であり、第２面は半導体基板４０１の裏面である。第２面から第１面へ向かう方向をＺ方向の正方向とする。半導体基板４０１の第１面（表面）側には、トランジスタのゲート電極、多層配線構造等が配される。また、半導体基板４０１の第２面（裏面）側には、各画素の２つのフォトダイオードをまとめて覆うカラーフィルタ４０６、ＭＬ３０１等の光学構造等が配され、光は第２面（裏面）側から入射する。
図４（ａ）に示すように、半導体基板４０１には、Ｐ型半導体領域４００と、Ｐ型半導体領域４００に囲われた、蓄積領域３１１及び３１２と、感度領域３１３及び３１４が配されている。蓄積領域３１１と感度領域３１３、蓄積領域３１２と感度領域３１４は、それぞれ平面視で異なる形状を有し、かつ一部が平面視で重なっている。また、上述したように、蓄積領域３１１及び３１２と、感度領域３１３及び３１４とは深さ方向に異なる位置に配されており、蓄積領域３１１及び３１２が第１面側（第１の深さ）、感度領域３１３及び３１４が第２面側（第２の深さ）に配されている。Ｐ型半導体領域４００の内、蓄積分離領域４０２は、蓄積領域３１１と蓄積領域３１２を分離し、感度分離領域４０３は、感度領域３１３と感度領域３１４を分離する。
図４（ｂ）に示すように、蓄積領域３１１と感度領域３１３は、Ｎ型接続領域３１５を介して深さ方向に接続されている。また、図４（ｃ）に示されているように、蓄積領域３１２と感度領域３１４は、Ｎ型接続領域３１６を介して深さ方向に接続されている。
また、図４（ｂ）中、領域４０４は、蓄積領域３１１において、Ｐ型半導体によってＺ方向に窪んだ形状となっており、この窪み領域４０４により、蓄積領域３１１の第１面側の、Ｎ型接続領域３１５と平面視で重なる領域に電荷だまりが発生することを抑制している。これにより、ＰＤＡ２０１中の蓄積領域３１１中に蓄積した信号電荷をＦＤ２０５へ転送する際に、信号電荷の転送残りの発生を抑制している。なお、信号電荷の転送残りの発生を抑制できるのであれば、窪み領域４０４に限られず、蓄積領域３１１の一部分の不純物濃度を低くする等の別の方法を用いても良い。
また、図４（ｃ）に示すように、蓄積領域３１１及び３１２のＺ方向の長さは、図４（ａ）及び図４（ｂ）で示された断面における蓄積領域３１１及び３１２のＺ方向の長さより短くなっており、短くなった分の領域４０５は、Ｐ型半導体により形成される。このように長さを変える理由については、詳細に後述する。
図５は、ＰＤＡ２０１及びＰＤＢ２０２のＺ方向の深さ毎のＸＹ断面図である。図５（ａ）は、図４のＥ－Ｅ’断面図、図５（ｂ）は図４のＦ－Ｆ’断面図、図５（ｃ）は図４のＧ－Ｇ’断面図、図５（ｄ）は図４のＨ－Ｈ’断面図である。図５（ｄ）に示すように、ゲート電極３０３及び３０４より離れた場所にある蓄積領域３１１及び３１２の部分領域では、図４（ｃ）を参照して説明したように、蓄積領域３１１及び３１２が無くなり、Ｐ型半導体の切り欠き領域４０５に代わっている。
図６は、図３のＤ－Ｄ’で示す断面概略図である。蓄積領域３１１及び３１２、感度領域３１３及び３１４、Ｎ型接続領域３１５及び３１６が同一図に入るように、ｘｙ平面について図３中のＤ－Ｄ’の折れ線に沿って展開して示している。蓄積期間中、ＭＬ３０１を介して半導体基板４０１の第２面に光が入射すると、光電変換によって、主に感度領域３１３及び３１４で電子（信号電荷）が発生する。感度領域３１３で発生した信号電荷の大部分は、Ｎ型接続領域３１５を介して蓄積領域３１１に移動し、蓄積される。また、感度領域３１４で発生した信号電荷の大部分は、Ｎ型接続領域３１６を介して蓄積領域３１２に移動して蓄積される。感度領域から蓄積領域への信号電荷移動を実現するため、感度領域から蓄積領域への電荷の移動経路上では、電子が受けるポテンシャルが単調に減少していることが望ましい。
●蓄積領域と感度領域の配置例
蓄積領域と感度領域は、異なる深さに配置されているため、蓄積領域と感度領域が延在する方向を異ならせることができる。以下、図７～図１０を参照して蓄積領域と感度領域の配置例について説明する。なお、上述した図３及び図４に示す構成と同じ機能を持つ構成には、同じ参照番号を付している。
図７は、本実施形態に係る半導体領域の第１の配置を示す模式図である。なお、以下の説明では、第１の配置を有する画素１０５を、画素７００と呼ぶ。
図７（ａ）は、画素７００における、蓄積領域３１１、３１２、感度領域３１３、３１４、Ｎ型接続領域３１５、３１６、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５の分解斜視図である。第１の配置では、蓄積領域３１１、３１２と感度領域３１３、３１４は、いずれもｙ方向、すなわち同じ方向に延在している。
図７（ｂ）は、画素７００における、蓄積領域３１１、３１２、感度領域３１３、３１４、Ｎ型接続領域３１５、３１６、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５の平面視における位置関係を示す平面模式図である。第１の配置では、光電変換により電荷が生成される感度領域３１３、３１４がｘ方向に並んでいることから、瞳分割方向がｘ方向の位相差信号を取得することができる。７０１は、位相差信号の分割方向を示している。
図７（ｃ）は、画素７００における、蓄積分離領域４０２と感度分離領域４０３の平面視における位置関係を示す平面模式図である。第１の配置では、蓄積分離領域４０２と感度分離領域４０３はいずれもｙ方向に延在している。
図８は、本実施形態に係る半導体領域の第２の配置を示す模式図である。なお、以下の説明では、第２の配置を有する画素１０５を、画素８００と呼ぶ。
図８（ａ）は、画素８００における、蓄積領域３１１、３１２、感度領域３１３、３１４、Ｎ型接続領域３１５、３１６、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５の分解斜視図である。第２の配置では、蓄積領域３１１、３１２はｙ方向に延在し、感度領域３１３、３１４はｘ方向に延在しており、平面視において直交する方向、すなわち異なる方向に延在している。
図８（ｂ）は、画素８００における、蓄積領域３１１、３１２、感度領域３１３、３１４、Ｎ型接続領域３１５、３１６、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５の平面視における位置関係を示す平面模式図である。第２の配置では、光電変換により電荷が生成される感度領域３１３、３１４がｙ方向に並んでいることから、瞳分割方向がｙ方向の位相差信号を取得することができる。８０１は、位相差信号の分離方向を示している。
図８（ｃ）は、画素８００における、蓄積分離領域４０２と感度分離領域４０３の平面視における位置関係を示す平面模式図である。第２の配置では、蓄積分離領域４０２はｙ方向に延在しており、感度分離領域４０３はｘ方向に延在している。
このように、感度領域３１３及び３１４の並び方向と、蓄積領域３１１及び３１２の並び方向と直交している場合、感度分離領域４０３は、蓄積領域３１１及び３１２と平面視において重なる。この感度分離領域４０３と平面視において重なる蓄積領域３１１と蓄積領域３１２の領域では、感度分離領域４０３形成用のＰ型不純物の注入の影響により、Ｎ型濃度が薄くなってしまう。そのため、蓄積領域３１１及び３１２の、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３及びＴＸＢ２０４のゲート電極３０４から離れた場所において、Ｚ方向の長さを短くすることにより、Ｎ型濃度の薄い領域による信号電荷の転送残りの発生を抑制している。なお、信号電荷の転送残りの発生を抑制できれば、蓄積領域３１１及び３１２の一部の不純物濃度を低くする等の別の方法を用いても良い。
図９は、本実施形態に係る半導体領域の第３の配置を示す模式図である。なお、以下の説明では、第３の配置を有する画素１０５を、画素９００と呼ぶ。第３の配置は、図７に示す第１の配置と比較して、窪み領域４０４の位置とＮ型接続領域３１５、３１６の位置が異なっている。
図９（ａ）は、画素９００における、蓄積領域３１１、３１２、感度領域３１３、３１４、Ｎ型接続領域３１５、３１６、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５の分解斜視図である。第３の配置では、第１の配置と同様、蓄積領域３１１、３１２と感度領域３１３、３１４は、いずれも同じ方向（ｙ方向）に延在している。
図９（ｂ）は、画素９００における、蓄積領域３１１、３１２、感度領域３１３、３１４、Ｎ型接続領域３１５、３１６、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５の平面視における位置関係を示す平面模式図である。第３の配置では、第１の配置と同様、感度領域３１３、３１４がｘ方向に並んでいることから、瞳分割方向がｘ方向の位相差信号を取得することができる。９０１は、位相差信号の分割方向を示している。
図９（ｃ）は、画素９００における、蓄積分離領域４０２と感度分離領域４０３の平面視における位置関係を示す平面模式図である。第３の配置では、第１の配置と同様、蓄積分離領域４０２と感度分離領域４０３はいずれもｙ方向に延在している。
図１０は、本実施形態に係る半導体領域の第４の配置を示す模式図である。なお、以下の説明では、第４の配置を有する画素１０５を、画素１０００と呼ぶ。第４の配置は、図８に示す第２の配置と比較して、Ｐ型の窪み領域４０４の位置とＮ型接続領域３１５、３１６の位置が異なっており、それに伴い蓄積領域３１１、３１２に接続される感度領域３１３、３１４が異なっている。
図１０（ａ）は、画素１０００における、蓄積領域３１１、３１２、感度領域３１３、３１４、Ｎ型接続領域３１５、３１６、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５の配置を示す分解斜視図である。第４の配置では、第２の配置と同様、蓄積領域３１１、３１２はｙ方向に延在し、感度領域３１３、３１４はｘ方向に延在しており、平面視において直交している。
図１０（ｂ）は、画素１０００における、蓄積領域３１１、３１２、感度領域３１３、３１４、Ｎ型接続領域３１５、３１６、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５の平面視における位置関係を示す平面模式図である。第４の配置では、第２の配置と同様、感度領域３１３、３１４がｙ方向に並んでいることから、瞳分割方向がｙ方向の位相差信号を取得することができる。１００１は、位相差信号の分割方向を示している。
図１０（ｃ）は、画素１０００における、蓄積分離領域４０２と感度分離領域４０３の平面視における位置関係を示す平面模式図である。第４の配置では、第２の配置と同様に、蓄積分離領域４０２はｙ方向に延在しており、感度分離領域４０３はｘ方向に延在している。
第４の配置においても、感度分離領域４０３形成用のＰ型不純物の注入の影響により、感度分離領域４０３と平面視において重なる蓄積領域３１１と蓄積領域３１２の領域のＮ型濃度が薄くなる。そのため、蓄積領域３１１及び３１２の、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３及びＴＸＢ２０４のゲート電極３０４から離れた場所において、Ｚ方向の長さを短くすることにより、Ｎ型濃度の薄い領域による信号電荷の転送残りの発生を抑制している。なお、信号電荷の転送残りの発生を抑制できれば、蓄積領域３１１及び３１２の一部の不純物濃度を低くする等の別の方法を用いても良い。
図７～図１０に示すように、第１～第４の配置において、蓄積領域３１１、３１２、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５の配置は同じである。従って、ＲＥＳ２０６、ＳＦ２０８、ＳＥＬ２０７やメタル配線を同一とすることができる。これにより、全ての画素でＦＤ２０５の容量を同一にすることができ、ＦＤ２０５に転送された信号電荷の電圧への変換ゲイン、ＳＦ２０８の電圧読み出しゲインを均一とすることができる。
●画素配列
次に、上記構成を有する画素７００、８００、９００、１０００の画素配列例について説明する。
図１１は、画素アレイ部１０１の画素配列を４行×２列の範囲で示す模式図であり、図１１に示す４行×２列の画素を平面上に多数配置することで、撮像信号及び位相差信号を取得することができる。なお、図１１では、ＭＬ３０１、感度領域３１３、３１４、Ｎ型接続領域３１５、３１６、ＴＸＡ２０３のゲート電極３０３、ＴＸＢ２０４のゲート電極３０４、ＦＤ２０５、位相差信号の分割方向、カラーフィルタ４０６を示している。
カラーフィルタ４０６としては、Ｒ（赤）の分光透過特性を有するカラーフィルタ（ＣＦＲ）１１０１、Ｇ（緑）の分光透過特性を有するカラーフィルタ（ＣＦＧ）１１０２、Ｂ（青）の分光透過特性を有するカラーフィルタ（ＣＦＢ）１１０３を用いる。そして、これらのカラーフィルタ４０６をベイヤー配列で配置している。また、図１１に示す例では、右側の列の上から、画素７００、画素７００、画素９００、画素９００の順に配置されている。また、左側の列の上から、画素７００、画素８００、画素９００、画素１０００の順に配置されている。
画素７００及び画素９００から取得した位相差信号を用いることで、瞳分割方向がｘ方向の位相差信号を取得することができる。また、画素８００及び画素１０００から取得した位相差信号を用いることで、瞳分割方向がｙ方向の位相差信号を取得することができる。瞳分割方向がｘ方向の位相差信号は、被写体が縦方向のストライプ模様に近い場合等、ｘ方向のコントラストが高い場合により有効である。一方、瞳分割方向がｙ方向の位相差信号は、被写体が横方向のストライプ模様に近い場合等、ｙ方向のコントラストが高い場合により有効である。
上述のように配列された画素の蓄積領域は、タイプ１とタイプ２とに分けられる。タイプ１は、蓄積領域がＰ型半導体の窪み領域４０４と切り欠き領域４０５の両方と隣接している（画素７００の蓄積領域３１１、画素８００の蓄積領域３１１、画素９００の蓄積領域３１２、画素１０００の蓄積領域３１２）。タイプ２は、蓄積領域がＰ型半導体の切り欠き領域４０５とのみ隣接している（画素７００の蓄積領域３１２、画素８００の蓄積領域３１２、画素９００の蓄積領域３１１、画素１０００の蓄積領域３１１）。タイプ１の蓄積領域は、タイプ２の蓄積領域と比較して、Ｎ型領域の体積が小さいため、蓄積できる信号電荷量が少なくなることがある。
撮像信号は信号Ａと信号Ｂを足し合わせた信号であるため、撮像信号としての飽和電荷量は全画素で均一である。一方、位相差信号は信号Ａと信号Ｂをそれぞれ用いるため、位相差信号の飽和電荷量は、第１の配置及び第２の配置と、第３の配置と第４の配置とでは異なる。これに対し、図１１に示した配置を平面上に多数配置して画素アレイ部１０１を構成し、画素配置に応じて平均化や特定画素の信号のみ用いる等の信号処理を行うことで、画素アレイ部１０１の全領域で得られる位相差信号の飽和電荷量を均一とすることができる。
例えば、画素７００のみから得た位相差信号の強度分布形状と、画素９００のみから得た位相差信号の強度分布形状とが大きく異なる場合、どちらかの位相差信号が飽和している可能性が高い。このような場合、画素７００のみの位相差信号と画素９００のみの位相差信号のうち、信号Ａと信号Ｂの信号強度差が小さい方の位相差信号が、位相差信号が飽和していると考えられる。そのため、信号Ａと信号Ｂの信号強度差が大きい方の位相差信号を用いて焦点検出を行う。このようにすることで、画素アレイの全領域で、位相差信号の飽和電荷量を大きい方に合わせることができ、位相差信号の飽和電荷量を均一にすることができる。
また、本実施形態のように配置することで、製造時のアライメントばらつきなどで、蓄積領域３１１、３１２とＮ型接続領域３１５、３１６とＰ型領域４０４、４０５の相互関係等にばらつきが生じ、蓄積領域３１１、３１２の蓄積できる電荷量が設計構造とずれた場合にも、半導体領域の画素配置に応じて平均化や特定の信号のみを用いる等の信号処理で位相差信号の飽和電荷量を均一とすることができる。
上記の通り第１の実施形態によれば、瞳分割の方向を２種類としつつ、ＦＤ容量や飽和電荷量を均一とすることができるため、補間処理が必要ない画像データを取得することができる。
＜変形例＞
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、説明を適宜省略または簡略化する。本変形例では、画素配置の別の例について説明する。
図１２は、第１の実施形態の変形例における、画素アレイ部１０１を示す模式図であり、ｘ方向の中心を境に、図１２の左側の部分画素アレイ１２０１と右側の部分画素アレイ１２０２で異なる画素配置となっている。
図１３は、部分画素アレイ１２０１の画素配列を２行×２列の範囲で示す模式図であり、図１３に示す２行×２列の画素を平面上に多数配置することで部分画素アレイ１２０１が構成されている。カラーフィルタ配列は、右側の列の上からＣＦＧ１１０２、ＣＦＢ１１０３、左側の列の上から、ＣＦＲ１１０１、ＣＦＧ１１０２となっている。半導体領域の配置は、右側の列の上から、画素９００、画素９００、左側の列の上から、画素９００、画素１０００となっている。
図１４は、部分画素アレイ１２０２の画素配列を２行×２列の範囲で示す模式図であり、図１４に示す２行×２列の画素を平面上に多数配置することで部分画素アレイ１２０２が構成されている。カラーフィルタ配列は、右側の列の上からＣＦＧ１１０２、ＣＦＢ１１０３、左側の列の上からＣＦＲ１１０１、ＣＦＧ１１０２となっている。半導体領域の配置は、右側の列の上から、画素７００、画素７００、左側の列の上から画素７００、画素８００となっている。
部分画素アレイ１２０１において、ｘ方向の位相差検出を行う場合、画素９００から取得する位相差信号を用いる。画素９００では、タイプ１の蓄積領域よりも飽和電荷量が大きい、タイプ２の蓄積領域に接続されている感度領域が、画素内の相対的にｘ座標が小さい側に配置されている。一方、部分画素アレイ１２０２において、ｘ方向の位相差検出を行う場合、画素７００から取得する位相差信号を用いる。画素７００では、タイプ２の蓄積領域に接続されている感度領域が、画素内の相対的にｘ座標が大きい側に配置されている。このように配置することで、各画素において、画素アレイ中心から離れる側に多く光が入射する場合に、位相差信号の飽和電荷量を高くすることができる。
本変形例では、マイクロレンズは、画素アレイと光軸の交点からの距離に応じて、交点に向かって偏心させて形成することにより、全ての画素で、画素アレイから一定の距離で瞳分割の中心が光軸と交わるように光学設計されている。この距離をセンサー瞳距離と呼ぶ。このセンサー瞳距離より、結像レンズの射出瞳距離が短い場合に、光軸との交点から離れる側に多く光が入射する。本変形例では、飽和電荷量が大きい蓄積領域に接続された感度領域が光軸から離れた側に配置されているため、位相差信号の飽和電荷量が大きくなる。
このように、第１の実施形態の変形例のような画素配列構成とすることで、センサー瞳距離と結像レンズの射出瞳距離の関係に応じて、位相差信号の飽和電荷量を大きくすることができる。
＜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。
第２の実施形態では、ＦＤ２０５以降の画素信号の読み出し回路を２画素で共有した構成について説明する。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略または簡略化する。
図１５は、第２の実施形態における２画素の等価回路図である。なお、２つの画素のフォトダイオードを区別するために、以下、図面上側の画素を画素１０５Ｕ、画素１０５Ｕの２つのフォトダイオードをＰＤ１Ａ１５０１及びＰＤ１Ｂ１５０２と呼ぶ。また、図面下側の画素を画素１０５Ｄ、画素１０５Ｄの２つのフォトダイオードをＰＤ２Ａ１５０３及びＰＤ２Ｂ１５０４と呼ぶ。
ＰＤ１Ａ１５０１及びＰＤ１Ｂ１５０２は１つのマイクロレンズ３０１を共有し、ＰＤ２Ａ１５０３とＰＤ２Ｂ１５０４は１つのマイクロレンズを共有する。そして、画素１０５Ｕと画素１０５Ｄの２つの画素で、画素信号の読み出し回路であるＦＤ２０５、ＲＥＳ２０６、ＳＥＬ２０７、ＳＦ２０８を共有する構成となっている。
入射した光量に応じてＰＤ１Ａ１５０１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（ＴＸ１Ａ）１５０５を介して、ＦＤ２０５に転送される。また、ＰＤ１Ｂ１５０２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（ＴＸ１Ｂ）１５０６を介してＦＤ２０５に転送される。同様に、ＰＤ２Ａ１５０３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（ＴＸ２Ａ）１５０７を介して、また、ＰＤ２Ｂ１５０４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（ＴＸ２Ｂ）１５０８を介して、ＦＤ２０５に転送される。
●蓄積領域と感度領域の配置例
図１６は、第２の実施形態に係る２画素分の半導体領域の第５の配置を示す模式図である。なお、以下の説明では、第５の配置を有する２画素分の画素１０５Ｕ，１０５Ｄを、画素セット１６００と呼ぶ。
図１６（ａ）は、画素セット１６００における、蓄積領域１６０１、１６０２、１６０３、１６０４、感度領域１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、Ｎ型接続領域１６２１、１６２２、１６２３、１６２４、ＴＸ１Ａ１５０５のゲート電極１６３１、ＴＸ１Ｂ１５０６のゲート電極１６３２、ＴＸ２Ａ１５０７のゲート電極１６３３、ＴＸ２Ｂ１５０８のゲート電極１６３４、ＦＤ２０５の配置を示す斜視模式図である。
図１５に示すＰＤ１Ａ１５０１は、蓄積領域１６０１、感度領域１６１１、Ｎ型接続領域１６２１からなり、ＰＤ１Ｂ１５０２は、蓄積領域１６０２、感度領域１６１２、Ｎ型接続領域１６２２からなる。また、ＰＤ２Ａ１５０３は、蓄積領域１６０３、感度領域１６１３、Ｎ型接続領域１６２３からなり、ＰＤ２Ｂ１５０４は、蓄積領域１６０４、感度領域１６１４、Ｎ型接続領域１６２４からなる。画素１０５Ｕを構成するＰＤ１Ａ１５０１とＰＤ１Ｂ１５０２は、ＦＤ２０５と比較して相対的にｙ座標が大きい側に配置されており、画素１０５Ｄを構成するＰＤ２Ａ１５０３とＰＤ２Ｂ１５０４はＦＤ２０５と比較して相対的にｙ座標が小さい側に配置されている。
図１６（ｂ）は、画素セット１６００における、蓄積領域１６０１、１６０２、１６０３、１６０４、感度領域１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、Ｎ型接続領域１６２１、１６２２、１６２３、１６２４、ＴＸ１Ａ１５０５のゲート電極１６３１、ＴＸ１Ｂ１５０６のゲート電極１６３２、ＴＸ２Ａ１５０７のゲート電極１６３３、ＴＸ２Ｂ１５０８のゲート電極１６３４、ＦＤ２０５の平面視における位置関係を示す平面模式図である。画素１０５Ｕを構成する感度領域１６１１、１６１２、画素１０５Ｄを構成する感度領域１６１３、１６１４がいずれもｙ方向に延在しており、画素１０５Ｕ、画素１０５Ｄ共に、瞳分割方向がｘ方向の位相差信号を取得することができる。矢印１６５０は、位相差信号の分割方向を示している。
図１７は、第２の実施形態に係る２画素分の半導体領域の第６の配置を示す模式図である。なお、以下の説明では、第６の配置を有する２画素分の画素１０５Ｕ，１０５Ｄを、画素セット１７００と呼ぶ。
図１７（ａ）は、画素セット１７００における、蓄積領域１６０１、１６０２、１６０３、１６０４、感度領域１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、Ｎ型接続領域１６２１、１６２２、１６２３、１６２４、ＴＸ１Ａ１５０５のゲート電極１６３１、ＴＸ１Ｂ１５０６のゲート電極１６３２、ＴＸ２Ａ１５０７のゲート電極１６３３、ＴＸ２Ｂ１５０８のゲート電極１６３４、ＦＤ２０５の配置を示す斜視模式図である。また、図１７（ｂ）は、画素セット１７００の構成の平面視における位置関係を示す平面模式図である。
画素セット１７００は、画素セット１６００と比較して、画素１０５Ｄの感度領域１６１３、１６１４の延在方向のみが異なる構成である。画素１０５Ｕは、画素セット１６００と同様、感度領域１６１１、１６１２がｙ方向に延在しており、瞳分割方向がｘ方向の位相差信号を取得することができる。一方、画素１０５Ｄは、感度領域１６１３、１６１４がｘ方向に延在しているため、瞳分割方向がｙ方向の位相差信号を取得することができる。矢印１７５０及び１７５１は、位相差信号の分割方向を示している。
図１８は、第２の実施形態に係る２画素分の半導体領域の第７の配置を示す模式図である。なお、以下の説明では、第７の配置を有する２画素分の画素１０５Ｕ，１０５Ｄを、画素セット１８００と呼ぶ。
図１８（ａ）は、画素セット１８００における、蓄積領域１６０１、１６０２、１６０３、１６０４、感度領域１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、Ｎ型接続領域１６２１、１６２２、１６２３、１６２４、ＴＸ１Ａ１５０５のゲート電極１６３１、ＴＸ１Ｂ１５０６のゲート電極１６３２、ＴＸ２Ａ１５０７のゲート電極１６３３、ＴＸ２Ｂ１５０８のゲート電極１６３４、ＦＤ２０５の配置を示す斜視模式図である。また、図１８（ｂ）は、画素セット１８００の構成の平面視における位置関係を示す平面模式図である。
画素セット１８００は、画素セット１６００と比較して、画素１０５Ｕの感度領域１６１１、１６１２の延在方向のみが異なる構成である。画素１０５Ｄは、画素セット１６００と同様、感度領域１６１３、１６１４がｙ方向に延在しており、瞳分割方向がｘ方向の位相差信号を取得することができる。一方、画素１０５Ｕは、感度領域１６１１、１６１２がｘ方向に延在しているため、瞳分割方向がｙ方向の位相差信号を取得することができる。矢印１８５０及び１８５１は、位相差信号の分割方向を示している。
●画素配列
次に、上記構成を有する画素セット１６００、１７００、１８００の配列例について説明する。
図１９は、第２の実施形態において、画素アレイ部１０１の画素配置を４行×４列の範囲で示す模式図であり、図１９に示す４行×４列の画素を平面上に多数配置することで、撮像信号及び位相差信号を取得することが可能である。なお、図１９では、ＭＬ３０１、感度領域１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、Ｎ型接続領域１６２１、１６２２、１６２３、１６２４、ゲート電極１６３１、１６３２、１６３３、１６３４、ＦＤ２０５、位相差信号の分割方向、カラーフィルタ４０６を示している。カラーフィルタ４０６としては、ベイヤー配列で配置されたＣＦＲ１１０１、ＣＦＧ１１０２、ＣＦＢ１１０３が示されている。
また、図１９に示す例では、左から数えて１列目に画素セット１７００、２列目に画素セット１６００、３列目に画素セット１８００、４列目に画素セット１６００が配置されている。また、３列目と４列目は、１列目と２列目の画素セットの配置から、ｙ方向の１画素分ずらした配置となっている。
このような配置により、ＣＦＲ１１０１を有する画素（Ｒ画素）、ＣＦＢ１１０３を有する画素（Ｂ画素）、及び、ＣＦＲ１１０１を有する画素と同じ行に配置されたＣＦＧ１１０２を有する画素（Ｇｒ画素）から、瞳分割方向がｘ方向の位相差信号を取得することができる。また、ＣＦＢ１１０３を有する画素（Ｂ画素）と同じ行に配置されたＣＦＧ１１０２を有する画素（Ｇｂ画素）からで＼、瞳分割方向がｙ方向の位相差信号を取得することができる。
ここで、１列目に配置されたＧｂ画素と３列目に配置されたＧｂ画素の特性について説明する。
１列目に配置されたＧｂ画素は、画素セット１７００の画素１０５Ｄであり、ｙ座標が大きい感度領域１６１３に入射した光による電荷は蓄積領域１６０３に蓄積され、ｙ座標が小さい感度領域１６１４に入射した光による電荷は蓄積領域１６０４に蓄積される。ここで、画素セット１７００における蓄積領域１６０３は、Ｐ型半導体の窪み領域４０４と切り欠き領域４０５の両方とに隣接するタイプ１であり、蓄積領域１６０４は、Ｐ型半導体の切り欠き領域４０５とのみ隣接するタイプ２である。
また、３列目に配置されたＧｂ画素は、画素セット１８００の画素１０５Ｕであり、ｙ座標が大きい感度領域１６１１に入射した光による電荷は蓄積領域１６０１に蓄積され、ｙ座標が小さい感度領域１１２に入射した光による電荷は蓄積領域１６０２に蓄積される。ここで、画素セット１８００における蓄積領域１６０１はタイプ２であり、蓄積領域１６０３はタイプ１である。
タイプ１の蓄積領域は、タイプ２の蓄積領域と比較して、Ｎ型領域の体積が小さいため、蓄積できる信号電荷量が少なくなることがある。すなわち、１列目に配置されたＧｂ画素は、ｙ座標が小さい感度領域に対する飽和電荷量が、ｙ座標が大きい感度領域に対する飽和電荷量に対して大きくなる。一方、３列目に配置されたＧｂ画素は、ｙ座標が大きい感度領域に対する飽和電荷量が、ｙ座標が小さい感度領域に対する飽和電荷量に対して大きくなる。
従って、図１９のように、ｙ座標が小さい感度領域に対する飽和電荷量が大きいＧｂ画素（１列目）と、ｙ座標が大きい感度領域に対する飽和電荷量が大きいＧｂ画素（３列目）を、２列毎に交互に配置することで、ｙ座標が大きい感度領域に多くの光が入射する場合、ｙ座標が小さい感度領域に多くの光が入射する場合、のどちらに対しても、飽和しない信号を得ることができる。すなわち、縦方向の瞳分割画素における位相差信号の飽和電荷量を均一とすることができる。
上記の通り第２の実施形態によれば、読み出し回路を２画素で共有した構成においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図２０は、本発明の第３の実施形態にかか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、上述した構成を有する撮像素子１００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１００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、絞りを含み、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１００は、上述した実施形態において説明した構成を有し、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１００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１００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、焦点検出に用いる瞳分割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により処理された瞳分割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う。
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１００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、内臓されたものであってもよい。
続いて、全体制御・演算部２において、瞳分割信号からデフォーカス量を算出する演算方法について説明する。
まず、図２１から図２７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。
図２１は、瞳分割方向がｘ方向である画素７００または画素９００における図３に示されるＡ－Ａ’断面図、及び、撮像素子１００の撮像面２０００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、図２１において、ｘ、ｙ、ｚは、撮像面２０００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。
ＭＬ３０１を介して、瞳面と撮像素子１００の受光面（第２面）は略共役関係となっている。そのため、部分瞳領域２００１を通過した光束は感度領域３１３または蓄積領域３１１で受光される。また、部分瞳領域２００２を通過した光束は感度領域３１４または蓄積領域３１２で受光される。感度領域３１３と感度領域３１４の境界付近で光電変換された信号電荷は、確率的に蓄積領域３１１または蓄積領域３１２に輸送される。そのため、部分瞳領域２００１と部分瞳領域２００２の境目はｘ座標が大きくなるにつれて、徐々に信号が切り替わっていき、瞳強度分布のｘ方向依存性は、図２２に例示したような形状となる。以下、感度領域３１３と蓄積領域３１１に対応する瞳強度分布を第１瞳強度分布２１０１と呼び、感度領域３１４と蓄積領域３１２に対応する瞳強度分布を第２瞳強度分布２１０２と呼ぶ。
次に、図２３を参照して、撮像素子１００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１００では、２次元の平面上の像高座標に応じて、各画素のＭＬ３０１は、撮像素子１００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ＭＬ３０１は、像高が高くになるにつれ、中心側へ偏心するように配置されている。なお、撮像素子１００の中心と結像光学系の光軸は、結像光学系または撮像素子１００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１００から距離Ｄｓだけ離れた位置の瞳面において、撮像素子１００の各像高座標に配置された各画素７００または画素９００の第１瞳強度分布２１０１および第２瞳強度分布２１０２が、概ね、一致するように構成される。つまり、撮像素子１００から距離Ｄｓだけ離れた位置の瞳面において、撮像素子１００の全ての画素の第１瞳強度分布２１０１と第２瞳強度分布２１０２が、概ね、一致するように構成されている。
以下、第１瞳強度分布２１０１及び第２瞳強度分布２１０２を、撮像素子１００の「センサー入射瞳」と呼び、距離Ｄｓを、撮像素子１００の「センサー瞳距離」と呼ぶ。なお、全ての画素を単一のセンサー瞳距離を有する構成とする必要はなく、例えば像高８割までの画素のセンサー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センサー瞳距離を有するように画素を構成してもよい。
図２４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２０００に本実施形態の撮像素子１００（不図示）が配置され、図２１と同様に、結像光学系の射出瞳が、部分瞳領域２００１と部分瞳領域２００２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｜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２４では、物体面２３０１にある被写体が合焦状態（ｄ＝０）となり、物体面２３０２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２３０２にある被写体からの光束のうち、部分瞳領域２００１（２００２）を通過した光束は、一度、収束した後、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２０００でボケた像となる。ボケた像は、感度領域３１３と蓄積領域３１１、及び、感度領域３１４と蓄積領域３１２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は、重心位置Ｇ１（Ｇ２）に、物体面２３０２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、感度領域３１３と蓄積領域３１１、及び、感度領域３１４と蓄積領域３１２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、視差画像間のｘ方向像ずれ量を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。この時の変換係数を変換係数Ｋｘとする。
続いて、変換係数Ｋｘと瞳ずれの関係を説明する。図２５に撮像素子１００の周辺像高（Ｒ，０）に位置する画素７００または画素９００における部分瞳領域２００１、２００２と結像光学系の射出瞳２４００との関係を示す。また、図２６に射出瞳と瞳強度分布のｘ方向依存性の関係を示す。瞳強度分布のｘ方向依存性の内、射出瞳内の領域を実線、射出瞳外を破線で示している。なお、画素アレイ内における画素７００または画素９００の位置（Ｒ，０）は、図２７に示すように、光軸中心からｘプラス方向へシフトした位置である。
図２５（ａ）は、結像光学系の射出瞳距離Ｄ１と撮像素子１００のセンサー瞳距離Ｄｓが同じ場合を示している。この場合、結像光学系の射出瞳２４００の中央付近で第１部分瞳領域２００１と第２部分瞳領域２００２により瞳分割される。この場合、受光する光束範囲は、第１瞳強度分布２１０１と第２瞳強度分布２１０２の信号強度が交差するｘ座標を中心に、プラス方向とマイナス方向に同程度広がった範囲となり、瞳強度分布と射出瞳の関係は図２６（ａ）のようになる。
これに対して、図２５（ｂ）に示すように、結像光学系の射出瞳距離Ｄｌが撮像素子１００のセンサー瞳距離Ｄｓより短い場合、撮像素子１００の周辺像高では、結像光学系の射出瞳と撮像素子１００の入射瞳の瞳ずれを生じ、結像光学系の射出瞳２４００が不均一に瞳分割され、瞳強度分布と射出瞳の関係は図２６（ｂ）のようになる。
同様に、図２５（ｃ）に示すように、結像光学系の射出瞳距離Ｄｌが撮像素子１００のセンサー瞳距離Ｄｓより長い場合も、撮像素子１００の周辺像高で結像光学系の射出瞳と撮像素子１００の入射瞳の瞳ずれを生じ、結像光学系の射出瞳２４００が不均一に瞳分割され、瞳強度分布と射出瞳の関係は図２６（ｃ）のようになる。
図２５に示したように、射出瞳距離Ｄ１によって、瞳強度分布の内、射出瞳内となる領域が異なる。そのため、デフォーカス量の大きさと位相差信号間のｘ方向の像ずれ量の大きさの関係である変換係数Ｋｘは、射出瞳距離や像高によって異なる値を持つことになる。
続いて、図２８から図３２を参照して、瞳分割方向がｙ方向の位相差検出方式の焦点検出について説明する。瞳分割方向がｘ方向の位相差検出方式の焦点検出と同様の部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。ｙ方向の位相差検出方式の焦点検出では、瞳分割方向がｙ方向である画素８００または画素１０００の位相差信号からｙ方向の像ずれ量を算出し、変換係数Ｋｙを用いて、像ずれ量をデフォーカス量に変換する。
図２８は感度領域の瞳分割方向がｙ方向である画素８００または画素１０００の断面図、及び、撮像素子１００の撮像面２０００からｚ軸負方向にセンサー瞳距離Ｄｓだけ離れた位置の瞳面を示している。なお、図２８において、ｘ、ｙ、ｚは、撮像面２０００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。
ML３０１を介して、瞳面と撮像素子１００の受光面（第２面）は略共役関係となっている。そのため、感度領域３１３で受光する光は部分瞳領域２７０１を通過した光束であり、感度領域３１４で受光する光は部分瞳領域２７０２を通過した光束である。また、蓄積領域３１１で受光する光は部分瞳領域２７０３を通過した光束であり、蓄積領域３１２で受光する光は部分瞳領域２７０４を通過した光束である。感度領域３１３、３１４で受光される割合と、蓄積領域３１１、３１２で受光される割合は、受光した光の波長によって概ね決まる。
続いて、ｙ方向の位相差検出時の視差画像間の像ずれ量とデフォーカス量の関係である変換係数Ｋｙと瞳ずれの関係を説明する。図２９に撮像素子１００の周辺像高の位置（０，Ｕ）にある画素８００または画素１０００における部分瞳領域２７０１～２７０４と結像光学系の射出瞳２４００との関係を示す。また、図３０に射出瞳と瞳強度分布のｙ方向依存性の関係を示す。なお、画素アレイ内における画素８００または画素１０００の位置（０，Ｕ）は、図２７に示すように、光軸中心からｙプラス方向へシフトした位置である。
図２９（ａ）は、結像光学系の射出瞳距離Ｄ１と撮像素子１００のセンサー瞳距離Ｄｓが同じ場合を示している。この場合、感度領域３１３、３１４で受光される光束は、結像光学系の射出瞳２４００の中央付近でｙ方向に射出瞳を分割する。そのため、瞳分割方向がｙ方向の画素における感度領域３１３に対応する第３瞳強度分布２９０１と感度領域３１４に対応する第４瞳強度分布２９０２のｙ方向依存性は、図３０（ａ）に示したような形状となる。
また、蓄積領域３１１、３１２で受光される光は像ずれ量の算出方向であるｙ方向に分割されておらず、概ね同じ光量となる。そのため、蓄積領域３１１に対応する第５瞳強度分布２９０３と蓄積領域３１２に対応する第６瞳強度分布２９０４のｙ方向依存性はほとんどなく、かつ同じ強度をとなるため、図３０（ａ）に示したような形状となる。
画素８００では、Ｎ型接続領域により感度領域３１３と蓄積領域３１１、感度領域３１４と蓄積領域３１２が接続されており、画素１０００では、Ｎ型接続領域により感度領域３１３と蓄積領域３１２、感度領域３１４と蓄積領域３１１が接続されている。そのため、画素８００では、第３瞳強度分布２９０１と第５瞳強度分布２９０３が合わさった信号と、第４瞳強度分布２９０２と第６瞳強度分布２９０４が合わさった信号が位相差信号として出力される。
一方、画素１０００では、第３瞳強度分布２９０１と第６瞳強度分布２９０４が合わさった信号と、第４瞳強度分布２９０２と第５瞳強度分布２９０３が合わさった信号が位相差信号として出力される。第５瞳強度分布２９０３と第６瞳強度分布２９０４はｙ方向に対して概ね一定で、概ね等しい信号量となるため、画素８００と画素１０００から得られる位相差信号は概ね等しい。そのため、画素８００と画素１０００の重心位置はｙ方向で等しく、デフォーカス量の大きさとｙ方向の像ずれ量の関係である変換係数Ｋｙは概ね等しい値となる。すなわち、射出瞳をｙ方向に瞳分割する感度領域３１３、３１４から得られる信号に対し、ｙ方向に瞳分割していない蓄積領域３１１、３１２から得られる信号がオフセット成分となり足し合わされるが、オフセット量が等しいため、画素８００と画素１０００で足し合わされる感度領域と蓄積領域の組み合わせが変わっても変換係数Ｋｙは変わらない。
図２９（ｂ）及び図２９（ｃ）、図３０（ｂ）及び図３０（ｃ）は、位置（０，Ｕ）の画素８００または画素１０００において、結像光学系の射出瞳距離Ｄ１がセンサー瞳距離Ｄｓより短いまたは長い場合である。この場合の第３瞳強度分布２９０１、第４瞳強度分布２９０２と射出瞳との関係は、瞳分割方向がｘ方向の場合と同じである。また、第５瞳強度分布２９０３と第６瞳強度分布２９０４は、図２９（ａ）、図３０（ａ）の場合と同じで、ｙ方向に対して概ね一定で、概ね等しい信号量となる。そのため、画素８００と画素１０００に対応する変換係数Ｋｙは等しい値となる。
続いて、図３１を参照して、瞳分割方向がｙ方向の位相差検出において、画素アレイ内における画素位置が光軸からｘプラス方向、ｙプラス方向にシフトした位置（Ｒ，Ｕ）にある画素について説明する。なお、画素アレイ内における画素の位置（Ｒ，Ｕ）は、図２７に示すように、光軸中心からｘプラス方向へＲ、ｙ方向へＵだけシフトした位置である。
図３１（ａ）は、結像光学系の射出瞳距離Ｄ１と撮像素子のセンサー瞳距離Ｄｓが同じ場合である。この場合は、位置（０，Ｕ）にある画素８００または画素１０００の場合と同じく、第３瞳強度分布２９０１と第４瞳強度分布２９０２は結像光学系の射出瞳２４００の中央付近を分割し、第５瞳強度分布２９０３と第６瞳強度分布２９０４はｙ方向に分割されておらず、概ね等しい光量となるため、図３２（ａ）に示したような形状となる。
図３１（ｂ）は結像光学系の射出瞳距離Ｄ１が撮像素子１００のセンサー瞳距離Ｄｓより短い場合の部分瞳領域２７０１～２７０４と結像光学系の射出瞳Ｄ１の関係である。感度領域３１３に対応する部分瞳領域２７０１と感度領域３１４に対応する部分瞳領域２７０２による射出瞳２４００の分割は位置（０，Ｕ）にある画素８００または画素１０００の場合と概ね同じため、第３瞳強度分布２９０１と第４瞳強度分布２９０２のｙ方向依存性は位置（０，Ｕ）にある画素８００または画素１０００の場合とほぼ同等であり、図３２（ｂ）に示したような形状となる。
一方、部分瞳領域２７０３と部分瞳領域２７０４は、ｙ方向に分割していないため第５瞳強度分布２９０３と第６瞳強度分布２９０４のｙ方向依存性はない。しかしながら、部分瞳領域２７０４より部分瞳領域２７０３の方が、光量が少なくなるため、第５瞳強度分布２９０３が第６瞳強度分布２９０４より小さくなり、図３２（ｂ）に示したような形状となる。
同様に、結像光学系の射出瞳距離Ｄ１が撮像素子１００のセンサー瞳距離Ｄｓより長い場合の部分瞳領域２７０１～２７０４と結像光学系の射出瞳距離Ｄ１との関係は、図３１（ｃ）のようになる。この場合は、第３瞳強度分布２９０１と第４瞳強度分布２９０２のｙ方向依存性は、位置（０，Ｕ）にある画素８００または画素１０００の場合とほぼ同等である。
一方、部分瞳領域２７０３より部分瞳領域２７０４の方が、光量が少なくなるため、第６瞳強度分布２９０４が第５瞳強度分布２９０３より小さくなり、図３２（ｃ）に示したような形状となる。この場合、射出瞳をｙ方向に瞳分割する感度領域３１３、３１４に足し合わされるオフセット成分が画素８００と画素１０００で異なる。そのため、変換係数Ｋｙは、画素８００と画素１０００とで異なる値となる。
そのため、ｙ方向の位相差検出方式の焦点検出では、画素８００と画素１０００から得られる位相差信号より、それぞれ像ずれ量を算出し、それぞれ別の変換係数Ｋｙを用いてデフォーカス量を算出することで、より正確なデフォーカス量の算出が可能となる。
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。
１００：撮像素子、１０１：画素アレイ部、１０２：垂直選択回路、１０３：列回路、１０４：水平選択回路、１０５：画素、１０６：出力信号線、１０７：画素駆動配線群、３０１：マイクロレンズ（ＭＬ）、３０３，３０４，３０６，３０７，３０８：ゲート電極、３１０：電圧供給線、３１１，３１２：蓄積領域、３１３，３１４：感度領域、３１５，３１６：Ｎ型接続領域、４０１：半導体基板、４０２：蓄積分離領域、４０３：感度分離領域、４０５：窪み領域、４０６：カラーフィルタ、７００，８００，９００，１０００：画素

Claims (12)

  1. 複数のマイクロレンズと、
    前記複数のマイクロレンズそれぞれに対して、
    光が入射する面から第１の深さに構成され、入射した光を光電変換して電荷を生成する一対の第１の領域と、
    前記第１の深さよりも深い第２の深さに構成された一対の第２の領域と、
    前記一対の第１の領域と前記一対の第２の領域とをそれぞれ接続する複数の接続領域と、
    電荷を電圧に変換する変換手段と、
    前記一対の第２の領域にそれぞれ接続された転送手段であって、前記一対の第１の領域により生成され、前記複数の接続領域を介して前記一対の第２の領域それぞれに蓄積された電荷を、前記変換手段に転送するための転送手段と、を有する画素部を備え、
    前記各マイクロレンズに対する前記一対の第２の領域の並び方向は第１の方向であって、前記一対の第１の領域の並び方向は、前記第１の方向または前記第１の方向と直交する第２の方向であって、
    前記転送手段から遠い前記第２の領域の第１の部分領域において、前記第１の部分領域よりも前記転送手段に近い前記第２の領域の第２の部分領域よりも、少なくとも、深さ方向の長さが短いか、または、不純物濃度が低い
    ことを特徴とする撮像素子。
  2. 前記第２の部分領域において、前記接続領域に対応する領域の深さ方向の長さを、前記接続領域に対応しない領域よりも短くしたことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記第２の部分領域において、前記接続領域に対応する領域の不純物濃度を、前記接続領域に対応しない領域よりも低くしたことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  4. 前記複数の接続領域は、前記一対の第１の領域と、前記一対の第２の領域とを、互いに異なる組み合わせで接続することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  5. 前記画素部において、
    前記一対の第１の領域の並び方向が前記第１の方向であって、前記複数の接続領域により第１の組み合わせで接続された第１の配置と、
    前記一対の第１の領域の並び方向が前記第２の方向であって、前記複数の接続領域により前記第１の組み合わせで接続された第２の配置と、
    前記一対の第１の領域の並び方向が前記第１の方向であって、前記複数の接続領域により前記第１の組み合わせと異なる第２の組み合わせで接続された第３の配置と、
    前記一対の第１の領域の並び方向が前記第２の方向であって、前記複数の接続領域により前記第２の組み合わせで接続された第４の配置と
    を有することを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
  6. 前記画素部の中心に近い側に、前記接続領域に対応する領域を有する前記第２の部分領域を含む第２の領域が来るように、前記第１の配置と第３の配置とを配置することを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
  7. 前記変換手段は、二対の前記第２の領域ごとに前記転送手段を介して接続されてい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。
  8. 前記二対の第２の領域にそれぞれ対応する二対の前記第１の領域の並び方向が、共に前記第１の方向である第１の組み合わせと、一方が前記第１の方向であって、他方が前記第２の方向である第２の組み合わせと、を含むことを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
  9. 前記マイクロレンズと前記画素部との間に備えられた、ベイヤー配列のカラーフィルタを更に有し、
    前記カラーフィルタのうち、緑のカラーフィルタが、並び方向が前記第１の方向である前記一対の第１の領域と前記マイクロレンズとの間に配されるように、前記画素部を構成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記画素部から出力された信号から、瞳領域が分割された瞳分割信号を取得し、該瞳分割信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段と
    を有することを特徴とする撮像装置。
  11. 前記瞳分割信号のうち、前記一対の第１の領域の並び方向が前記第２の方向であって、前記複数の接続領域により第１の組み合わせで接続された第２の配置の画素群から出力された信号と、前記一対の第１の領域の並び方向が前記第２の方向であって、前記複数の接続領域により第２の組み合わせで接続された第４の配置の画素群から出力された信号を別々に用いて、それぞれ位相差方式の焦点検出を行うことを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
  12. 位相差信号の像ずれ量からデフォーカス量を算出する変換係数が、前記第２の配置の画素群用と前記第４の配置の画素群用とで異なることを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
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