特許 7566574 光電変換装置、撮像システム、移動体、半導体基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-04

(45)【発行日】2024-10-15

(54)【発明の名称】光電変換装置、撮像システム、移動体、半導体基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20241007BHJP

   H04N 25/70 20230101ALI20241007BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 A

H04N25/70

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2020176076

(22)【出願日】2020-10-20

(65)【公開番号】P2022067391

(43)【公開日】2022-05-06

【審査請求日】2023-10-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126240

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 琢磨

(74)【代理人】

【識別番号】100223941

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 佳子

(74)【代理人】

【識別番号】100159695

【弁理士】

【氏名又は名称】中辻 七朗

(74)【代理人】

【識別番号】100172476

【弁理士】

【氏名又は名称】冨田 一史

(74)【代理人】

【識別番号】100126974

【弁理士】

【氏名又は名称】大朋 靖尚

(72)【発明者】

【氏名】河野 祥士

【審査官】柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１５／０４６０４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０１９１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１０８２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１２９３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１２７１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１１９４７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３７３１０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０５９７３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０５２０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０８０７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１６９７５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１８２４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３５４４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９３５５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ２５／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一の画素と、第二の画素と、複数のマイクロレンズと、を有する光電変換装置であって、
前記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、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有し、
前記第一の光電変換部と前記第二の光電変換部とのそれぞれは前記マイクロレンズから光を受ける受光部を有し、
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マイクロレンズの下に配置され、
前記第一の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第一の面積比が、前記第二の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第二の面積比と異なり、
前記第一の画素の受光面側に設けられた第一の分光フィルターと、前記第二の画素の受光面側に設けられた第二の分光フィルターと、の透過率がピークを示す波長が重複することを特徴とする光電変換装置。

【請求項2】

第一の画素と、第二の画素と、複数のマイクロレンズと、を有する光電変換装置であって、
前記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、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有し、
前記第一の光電変換部と前記第二の光電変換部とのそれぞれは前記マイクロレンズから光を受ける受光部を有し、
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マイクロレンズの下に配置され、
前記第一の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第一の面積比が、前記第二の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第二の面積比と異なり、
前記第一の画素の受光面側に設けられた第一の分光フィルターと、前記第二の画素の受光面側に設けられた第二の分光フィルターとが対応する光の波長域が同じことを特徴とする光電変換装置。

【請求項3】

前記第一の画素と第二の画素とは、前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との総和が同じことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置。

【請求項4】

前記第一の画素と、前記第二の画素とが隣り合うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光電変換装置。

【請求項5】

複数の画素が、前記第一の画素と前記第二の画素とを含み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４に記載の光電変換装置。

【請求項6】

前記四画素それぞれの、前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との面積比が互いに異なることを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。

【請求項7】

前記第一の画素の受光面側に設けられた第一の分光フィルターと、前記第二の画素の受光面側に設けられた第二の分光フィルターとが、赤、緑、青、白のいずれか一色に対応することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の光電変換装置。

【請求項8】

前記第一の画素と、前記第二の画素と、第三の画素とを含み、
前記第一の画素と前記第二の画素との間に第一の素子分離部を有し、
前記第二の画素と前記第三の画素との間に第二の素子分離部を有し、
前記第一の光電変換部のそれぞれは電荷を転送する第一の転送トランジスタと接続され、
前記第一の画素の前記第一の転送トランジスタのゲートの端部から、前記第一の素子分離部と前記第一の画素との境界までの距離と、
前記第二の画素の前記第一の転送トランジスタのゲートの端部から、前記第二の素子分離部と前記第二の画素との境界までの距離とが等しい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。

【請求項9】

前記第二の光電変換部のそれぞれは電荷を転送する第二の転送トランジスタと接続され、
前記第一の画素の前記第二の転送トランジスタのゲートの端部から、前記第一の素子分離部と前記第一の画素との境界までの距離と、
前記第二の画素の前記第二の転送トランジスタのゲートの端部から、前記第二の素子分離部と前記第二の画素との境界までの距離とが等しいことを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。

【請求項10】

前記第一の画素と第二の画素とのそれぞれは半導体層と配線層とを有し、
前記第一の画素と第二の画素との前記配線層のうち前記第一の転送トランジスタ又は前記第二の転送トランジスタに接続される部分が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。

【請求項11】

前記第一の光電変換部の光学中心と、前記第二の光電変換部との光学中心との距離が、前記第二の光電変換部の断面の深さ方向に垂直な方向の幅の１０％にあたる距離よりも近い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。

【請求項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す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。

【請求項13】

前記遮光部が、前記第一の画素と前記第二の画素とを含んで二行二列に配された画素の繰り返し単位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記載の光電変換装置。

【請求項14】

受光面における前記第一の光電変換部の面積と、受光面に対向する面における前記第一の光電変換部の面積とが異な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。

【請求項15】

前記光電変換装置は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１４のいずれか一項に記載の光電変換装置。

【請求項16】

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と、
前記光電変換装置が出力する信号を用いて画像を生成する信号処理部と、を有することを特徴とする光電変換システム。

【請求項17】

請求項１６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像を結像させるレンズと、を有することを特徴とするカメラ。

【請求項18】

前記レンズのＦ値が閾値よりも大きいときは前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との面積比が大きい画素の信号を選択し、
前記レンズのＦ値が閾値よりも小さいときは前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との面積比が小さい画素の信号を選択することを特徴とする、請求項１７に記載のカメラ。

【請求項19】

請求項１乃至請求項１５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。

【請求項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、
第一の画素と、第二の画素と、複数のマイクロレンズと、を有し、
前記第一の画素と前記第二の画素と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のそれぞれは前記マイクロレンズから光を受ける受光部を有し、
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マイクロレンズの下に配置され、
前記第一の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第一の面積比が、前記第二の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第二の面積比と異なり、
前記第一の画素の受光面側に設けられた第一の分光フィルターと、前記第二の画素の受光面側に設けられた第二の分光フィルターと、の透過率がピークを示す波長が重複することを特徴とする半導体基板。

【請求項21】

他の半導体基板に積層するための半導体基板であって、
第一の画素と、第二の画素と、複数のマイクロレンズと、を有し、
前記第一の画素と前記第二の画素と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のそれぞれは前記マイクロレンズから光を受ける受光部を有し、
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マイクロレンズの下に配置され、
前記第一の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第一の面積比が、前記第二の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第二の面積比と異なり、
前記第一の画素の受光面側に設けられた第一の分光フィルターと、前記第二の画素の受光面側に設けられた第二の分光フィルターとが対応する光の波長域が同じことを特徴とする半導体基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光電変換装置、この光電変換装置を備えた撮像システム、移動体、半導体基板に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には１つの画素の周囲を囲む形で受光面積の大きい画素が配置され、大小２つの画素の信号を組み合わせることによって固体撮像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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２６９２４５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えばカメラに特許文献１の固体撮像装置を導入した場合、２つの画素の受光面積比が単一のため、２つの画素に入射する光量の比はレンズのＦ値によって２つの画素の受光面積比から変化する。また、Ｆ値が大きくなった場合には２つの画素のうち一方に光が入射せず、ダイナミックレンジの拡大が不十分であるという課題が生じる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一つの側面は、第一の画素と、第二の画素と、複数のマイクロレンズと、を有する光電変換装置であって、前記第一の画素と前記第二の画素と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のそれぞれは前記マイクロレンズから光を受ける受光部を有し、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マイクロレンズの下に配置され、前記第一の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第一の面積比が、前記第二の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第二の面積比と異なり、前記第一の画素の受光面側に設けられた第一の分光フィルターと、前記第二の画素の受光面側に設けられた第二の分光フィルターと、の透過率がピークを示す波長が重複する。本発明の他の側面は、第一の画素と、第二の画素と、複数のマイクロレンズと、を有する光電変換装置であって、前記第一の画素と前記第二の画素と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のそれぞれは前記マイクロレンズから光を受ける受光部を有し、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マイクロレンズの下に配置され、前記第一の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第一の面積比が、前記第二の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第二の面積比と異なり、前記第一の画素の受光面側に設けられた第一の分光フィルターと、前記第二の画素の受光面側に設けられた第二の分光フィルターとが対応する光の波長域が同じ。

【0006】

本発明の他の側面は、他の半導体基板に積層するための半導体基板であって、第一の画素と、第二の画素と、複数のマイクロレンズと、を有し、前記第一の画素と前記第二の画素と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のそれぞれは前記マイクロレンズから光を受ける受光部を有し、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マイクロレンズの下に配置され、前記第一の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第一の面積比が、前記第二の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第二の面積比と異なり、前記第一の画素の受光面側に設けられた第一の分光フィルターと、前記第二の画素の受光面側に設けられた第二の分光フィルターと、の透過率がピークを示す波長が重複する。本発明の他の側面は、他の半導体基板に積層するための半導体基板であって、第一の画素と、第二の画素と、複数のマイクロレンズと、を有し、前記第一の画素と前記第二の画素と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のそれぞれは前記マイクロレンズから光を受ける受光部を有し、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マイクロレンズの下に配置され、前記第一の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第一の面積比が、前記第二の画素における前記第一の光電変換部の受光部の面積と前記第二の光電変換部の受光部の面積との第二の面積比と異なり、前記第一の画素の受光面側に設けられた第一の分光フィルターと、前記第二の画素の受光面側に設けられた第二の分光フィルターとが対応する光の波長域が同じ。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、レンズのＦ値によらずダイナミックレンジを拡大することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】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】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】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】第一の実施形態に係るレンズの絞りとマイクロレンズの集光を模式的に示す図面である。

【図5】第一の実施形態に係るレンズの絞りとマイクロレンズの集光を模式的に示す図面である。

【図6】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7】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8】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9】第一の実施形態に係る光電変換装置の断面構造を模式的に示す図面である。

【図10】第一の実施形態に係る光電変換装置の基板の裏面から見た平面構造を模式的に示す図面である。

【図11】第一の実施形態に係る光電変換装置の断面構造を模式的に示す図面である。

【図12】第一の実施形態に係る光電変換装置の断面構造を模式的に示す図面である。

【図13】第一の実施形態に係る光電変換装置の断面構造を模式的に示す図面である。

【図14】第一の実施形態に係る光電変換装置の基板の裏面から見た平面構造を模式的に示す図面である。

【図15】第一の実施形態に係る光電変換装置の画素の配置を模式的に示す図面である。

【図16】第二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17】第三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18】第三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19】第三の実施形態に係る光電変換装置の基板の裏面から見た平面構造を模式的に示す図面である。

【図20】第四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21】第四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22】第四の実施形態に係る光電変換装置の基板の裏面から見た平面構造を模式的に示す図面である。

【図23】第五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24】積層構造の光電変換装置の概略図である。

【図25】第六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。

【図26】第七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。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態によ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１５を用いて説明する。

【0010】

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、図５は第一の実施形態に係るレンズの絞りとマイクロレンズの集光を模式的に示す図面である。図６～図９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１０は第一の実施形態に係る光電変換装置の裏面から見た平面構造を模式的に示す図面である。図１１～図１３は第一の実施形態に係る光電変換装置の断面構造を模式的に示す図面である。図１４は第一の実施形態に係る光電変換装置の裏面から見た平面構造を模式的に示す図面である。図１５は第一の実施形態に係る光電変換装置の画素の配置を模式的に示す図面である。

【0011】

（光電変換装置の全体構成）
本実施形態による光電変換装置は、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。

【0012】

画素領域３０１には複数行及び複数列にわたって複数の画素１００がマトリクス状に配されている。

【0013】

画素領域３０１の画素アレイの各行には、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の画素アレイの各列には、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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

（画素の構成）
本実施形態による画素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、光電変換部１０１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。

【0017】

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スイッチ２０５、ＦＤ容量２０２、ゲインコントロールスイッチ２０４、容量素子２０３、リセットスイッチ２０６、ソースフォロワトランジスタ２０７、セレクトスイッチ２０８を含んで構成される。

【0018】

各素子の機能と接続について説明する。

【0019】

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する。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。

【0020】

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る。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。

【0021】

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。

【0022】

オーバーフロー用スイッチ２０５は電源ＶＤＤとＰＤ１０２に接続される。オーバーフロー用スイッチ２０５のゲートには制御信号ＯＦが入力される。オーバーフロー用スイッチ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ＰＤ１０２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ＰＤ１０２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ＰＤ１０２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。

【0023】

転送トランジスタ２０１－１と２０１－２、ゲインコントロールスイッチ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スイッチ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。

【0024】

ゲインコントロールスイッチ２０４は容量素子２０３の一方の端子とリセットスイッチ２０６に接続される。ゲインコントロールスイッチ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スイッチ２０４をオフにすることで、容量素子２０３は容量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スイッチ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に余剰な電荷を転送することができる。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。

【0025】

リセットスイッチ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。リセットスイッチ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、リセットスイッチ２０６がオンする。リセットスイッチ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。

【0026】

ソースフォロワトランジスタ２０７はセレクトスイッチ２０８を介して垂直出力線２０９に接続される。セレクトスイッチ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、セレクトスイッチ２０８がＯＮ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。

【0027】

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。また容量２０２および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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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スイッチ２０４が存在する。転送トランジスタ２０１－２のゲート電位ＴＸ２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。また、同様に、ゲインコントロールスイッチ２０４のゲート電位ＧＣによって、ゲインコントロールスイッチ２０４のゲートの直下の領域、すなわち、ゲインコントロールスイッチ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。

【0031】

フォトダイオードＰＤ２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を介して転送される。ゲインコントロールスイッチ２０４がオフであれば、転送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スイッチ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スイッチ２０４のオン、オフが制御される。ゲインコントロールスイッチ２０４がオンであれば、転送された余剰な電荷はＦＤ部及び容量素子２０３に保持される。

【0032】

図２に示すＰＤと回路による、ダイナミックレンジの拡大について説明する。

【0033】

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。

【0034】

ＰＤ１０２はＰＤ１０３よりも受光面積が小さいため、ＰＤ１０２と比べ単位時間あたりに入射する光量が少ない。したがって、ＰＤ１０３が飽和するような強い光が入射する場合にも入射光量に対して線形に電荷を生成することが可能である。一方ＰＤ１０３はＰＤ１０２よりも受光面積が大きいため、ＰＤ１０２と比べ単位時間あたりにより多くの光を受光する。したがって、入射する光が微弱な場合にも一定量の電荷の生成が可能である。さらに、ＰＤ１０３は電荷蓄積期間中に発生した余剰電荷をオーバーフロー用スイッチ２０５を介して排出することで画素の飽和を防ぎながら多くの電子を保持することが可能である。

【0035】

ＰＤ１０２で生じた電荷に基づく信号を読み出す時、ゲインコントロールスイッチ２０４がオフの状態で転送トランジスタ２０１－１をオンにし、ＰＤ１０２に蓄積された電荷をＦＤ容量２０２に転送する。ＰＤ１０２に蓄積された電荷はＦＤ容量２０２で電圧信号に変換される。選択スイッチ２０８をオンにすると、ＦＤ容量２０２で電圧信号に変換された電荷は垂直出力線２０９を介して列信号処理回路３０３に出力される。

【0036】

ＰＤ１０２で生じた電荷に基づく信号の読み出しの後、ゲインコントロールスイッチ２０４及びリセットスイッチ２０６をオンにし、ＦＤ容量２０２をリセットする。その後ＰＤ１０３で生じた電荷に基づく信号の読み出しを行う。

【0037】

ＰＤ１０３で生じた電荷に基づく信号の読み出し時には、ゲインコントロールスイッチ２０４をオンし、ＦＤ容量２０２と容量素子２０３との容量の和をＦＤ容量として扱う。ＦＤ容量２０２のみをＦＤ容量として使用するときと比べ、より多くの電子を転送することが可能となる。

【0038】

読み出された、ＰＤ１０２で生じた電荷に基づく信号と、ＰＤ１０３で生じた電荷に基づく信号とを後段の信号処理で加算することにより、画素１００の光電変換部が単一であった場合よりもダイナミックレンジの広い信号を得ることができる。このように、光に対する感度の異なる光電変換部を用いて画素のダイナミックレンジを向上させることができる。ここでＰＤ１０２とＰＤ１０３は同一のタイミングで蓄積された信号のため、加算される信号も時間にずれのない信号となる。

【0039】

また、このような画素回路では、読み出しの際に３種類の信号を読み出すことでもダイナミックレンジを拡大可能である。第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷に基づく信号、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された電荷に基づく信号のそれぞれをＦＤ容量２０２を用いて読み出す。さらに、第２のフォトダイオードＰＤ２からあふれ出し、ＦＤ部及び容量素子２０３に蓄積された電荷に基づく信号をＦＤ容量２０２と容量素子２０３との容量の和を用いて読み出すことで、画素のダイナミックレンジを向上させることができる。

【0040】

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。

【0041】

図３は光電変換部１０１の概略構成を示す模式図である。上述の通りＰＤ１０２の面積はＰＤ１０３よりも小さく、ＰＤ１０２は周囲をＰＤ１０３に囲まれている。図３においてはＰＤ１０２とＰＤ１０３との面積の総和はいずれの面積比の画素でも等しくなっているが、面積の総和が異なる画素を用いても構わない。ここで、面積の総和が同じであるとは２画素の面積の差が誤差５％までに含まれる場合を言い、好ましくは誤差３％以下の場合を指すものとする。

【0042】

図４、図５は、カメラのレンズを通った光線の各画素への集光を模式的に表した図である。図４は、レンズのＦ値が小さく、レンズの絞りを開いている時の図であり、図５は、レンズのＦ値が大きく、レンズの絞りを絞っている時の図である。

【0043】

各画素の受光面側にはマイクロレンズが配置されており、レンズを通った光線はマイクロレンズでフォトダイオードに集光される。

【0044】

図４に示すように、レンズのＦ値が小さい時にはマイクロレンズに対して入射する光線の角度範囲が広いため、画素上におけるマイクロレンズの集光範囲は広くなり、画素の受光部全体に光が入射する。一方図５に示すように、レンズのＦ値が大きい時には、マイクロレンズに対して入射する光線が画素に対して垂直方向に絞られ、画素上におけるマイクロレンズの集光範囲は画素中央に集中する。

【0045】

カメラにおいてある特定の面積比の画素で構成された光電変換装置を用いる場合、Ｆ値が大きくなり入射光が画素中央に集光されるようになると、ＰＤ１０２に集光される光の割合がＰＤ１０３に対して大きくなる。場合によっては、ＰＤ１０３に光が入射しないこともある。

【0046】

このような課題を解決するため、本実施形態に係る光電変換装置では、画素毎にＰＤ１０２とＰＤ１０３とが複数の面積比を有する。言い換えれば、光電変換装置を構成する複数の画素はＰＤ１０２とＰＤ１０３との面積比が互いに異なる二以上の画素を含む。これにより、レンズのＦ値によって集光状況が変化した場合も面積比の異なる画素のうちいずれかの画素ではＰＤ１０２、ＰＤ１０３の両方に光が入射するため、安定してダイナミックレンジの広い信号を作成することができる。また、例えばＦ値が特定の閾値を超えるか否かによって画像の形成に使用する画素を選択することも可能である。

【0047】

本発明において、ＰＤ１０３はＰＤ１０２の周囲を取り囲むように構成されており、ＰＤ１０２とＰＤ１０３との光学中心は略同一である。したがって、ＰＤ１０２で変換された電荷に基づく信号とＰＤ１０３で変換された電荷に基づく信号を使用してダイナミックレンジ拡大を図る際にＰＤ間の信号にずれが少なく、補正が容易である。各画素の光軸は、レンズのＦ値が最大値をとり、画素に入射する光線が最も絞られた状態でもＰＤ１０２に光が入射される範囲で設定することができる。より具体的にはＰＤ１０２の光学中心とＰＤ１０３の光学中心とのズレは画素の径の１０％にあたる距離よりも小さい。

【0048】

図６～図８は、第一の実施形態における分光フィルターの配置を模式的に示している。

【0049】

図６では、１画素毎に赤、青、緑（図６では順に、Ｒ、Ｂ、Ｇと表記している）の特定の一色の可視光の波長域に対応する分光フィルターが配されている。なお、図６では赤、青、緑の分光フィルターが配された例であるが、さらに白色光、赤外光に対応した分光フィルターを設けるようにしても良い。なお、白色光の場合には、可視光、赤外光に対して分光特性を備えるフィルターを設けずに代わりに樹脂等を設けることがある。このような形態も、本明細書では特に断りが無い限り、分光フィルターの一例として取り扱う。また、白色光フィルターは、可視光には分光特性を有さない一方で、赤外光（近赤外光を含む）を透過しにくくするフィルターを用いても良い。図６では、画素アレイ内の同じ受光面積比の画素には同じ色（波長域）に対応した分光フィルターが配置されている。この場合、ＰＤ１０２、ＰＤ１０３の受光面積比と分光フィルターの対応する色との組み合わせが一通りのため、ダイナミックレンジ拡大に用いる画素として用いやすくなる。

【0050】

しかし、図６の場合は、Ｆ値に応じたダイナミックレンジ拡大に使用しやすい画素と使用しにくい画素が特定の色に集中する傾向がある。

【0051】

図７は、赤、青、緑の分光フィルターがベイヤー配列に従って配された形態を示している。図７では２行２列の画素についてＲ、Ｇ、Ｂの配列を示しているが、他の画素についても、同様にベイヤー配列で分光フィルターが配されている。図７に示すように画素と分光フィルターの組み合わせを場所によって異ならせ、同色に対応した分光フィルターの下に配される画素の面積比を変えることで、どの色に対応した画素もダイナミックレンジ拡大に、より簡易に使用できるようになる。

【0052】

なお、同色の分光フィルターが対応する波長域は完全に一致する場合に限られないが、可視光に対応する分光フィルターでは少なくとも透過率のピーク波長が重複すればよい。赤外光（ＩＲ）フィルターは近赤外光を選択的に透過させる。

【0053】

また、図８のように複数の画素毎に１色の分光フィルターを配し、分光フィルターの下に配される画素の面積比パターンの配置を変えることで、受光面積比のパターンすべてを同一の分光フィルター内に配置する方法もある。例えば互いに隣接する二行二列の四画素に同色の分光フィルターを配置し、当該四画素を１単位として１単位ごとに色を異ならせる、いわゆるクワッドベイヤー配列の場合が考えられる。

【0054】

（変形例１）
第一の実施形態の変形例１について図９、図１０を用いて説明する。

【0055】

図９は、第一の実施形態の画素の断面を模式的に示した図である。各画素９００は光電変換部１０１を含む半導体層と配線９０４を含む配線層を含む。

【0056】

図９に示すように、画素の半導体層に光電変換部１０１側から光が入射する。半導体層はフォトダイオードである光電変換部１０１と、光電変換部１０１をＰＤ１０２とＰＤ１０３の２つに分割する画素分離層９０１を有する。

【0057】

この光電変換部層の受光面と対向する面に配線９０４を有する配線層が接続されている。配線９０４はＰＤ１０２の転送トランジスタ９０２、ＰＤ１０３の転送トランジスタ９０３、制御線、出力線、電源線などを含む。

【0058】

図１０は、第一の実施形態の画素と転送トランジスタの平面模式図である。配線９０４は省略している。各画素９００の間には一定の幅を有し画素同士を分離する素子分離部９０５が配されている。

【0059】

ここで、素子分離部９０５の画素９００－１と画素９００－２との間に配される部分を９０５－１、画素９００－２と画素９００－３との間に配される部分を９０５－２とする。

【0060】

図１０に示す４つの画素は、それぞれＰＤ１０２、ＰＤ１０３の面積比が異なるが、各画素の転送トランジスタ９０２、９０３は、全ての画素で画素分離層の位置によらず光電変換部１０１内の相対位置として同じ位置にある。例えば図９の画素の断面において、各画素の転送トランジスタの位置は常に画素中央部と画素端部である。画素の端部は素子分離部と画素との境界によって規定される。

【0061】

言い換えれば、画素９００－１の転送トランジスタ９０２から素子分離部９０５－１までの距離と、画素９００－２の転送トランジスタ９０２から素子分離部９０５－２までの距離は等しい。同様に、画素９００－１の転送トランジスタ９０３から素子分離部９０５－１までの距離と、画素９００－２の転送トランジスタ９０３から素子分離部９０５－２までの距離は等しい。

【0062】

このように各画素の受光部の面積比によらず同じ位置に転送トランジスタを配置することで、配線９０４を全ての画素で同様に作成することができる。一定の繰り返し単位をもって配線層を作成できるため、画素部のＭＯＳや配線の設計が容易になる。

【0063】

（変形例２）
第一の実施形態の変形例２について図１１、図１２を用いて説明する。

【0064】

図１１、図１２は、第一の実施形態の画素の断面を模式的に示した図である。図１１、１２に示す画素の半導体層は、フォトダイオードである光電変換部１０１と、光電変換部１０１をＰＤ１０２とＰＤ１０３の２つに分割する画素分離層９０１を有する。

【0065】

ＰＤ１０２とＰＤ１０３の受光部の面積比は各画素で異なるが、配線層側ではどの画素も同じ面積比になるように、イオン注入によって画素分離層９０１を作成する。画素分離層９０１は具体的には画素の導電型と反対の導電型を有する半導体領域や、絶縁体によって形成される。このような構成では、各画素の受光面の面積比によらず画素内の同じ位置にＰＤ１０２の転送トランジスタ９０２を作ることができる。例えば図１１や図１２のように画素を二分する断面において、素子分離部によって境界を規定される各画素の端部から各転送トランジスタまでの距離を等しくすることができる。言い換えれば、各画素における転送トランジスタから該画素を分離する素子分離部までの距離が等しい。このような構成により、受光部の面積比の異なる画素同士で電荷転送の状態の違いを低減できる。

【0066】

（変形例３）
第一の実施形態の変形例３について図１３、図１４を用いて説明する。

【0067】

図１３は、第一の実施形態の画素の断面を模式的に示した図であり、図１４は、本変形例の画素と転送トランジスタの平面模式図を示している。

【0068】

この例では、ＰＤ１０３の転送トランジスタ９０３は各画素の受光部の面積比によらず画素内の同じ位置にあるが、ＰＤ１０２の転送トランジスタ９０２の位置をＰＤ１０２の大きさに応じて異ならせている。転送トランジスタ９０２の位置が画素によって異なるため、配線９０４の設計も画素によって変化する。この変形例に示す画素構造では、図１３に示すように、ＰＤ１０２とＰＤ１０３の受光部の面積比と半導体層側の面積比とが一定かつ、受光部の面積比の異なる画素同士の電荷転送の状態が変わらないようにすることができる。

【0069】

図１５は、第一の実施形態の画素配列全体を示している。

【0070】

図１５に示すように、画素配列の一部を遮光部１５０１で覆い、画素配列全体のシェーディング等の補正を行うための遮光画素として使用することができる。遮光画素として使用される受光画素の受光面側にあたる方向に遮光部を形成する。画素配列については、遮光部１５０１で覆われているか否かにかかわらず同じ画素パターンの繰り返しである。図１５には面積比の異なる４つの画素を１組として繰り返し配置するパターンが示されている。

【0071】

このような画素配置により、遮光部１５０１で覆われた画素による補正計算が可能になる。

【0072】

以上第一の実施形態により、レンズのＦ値によらず、ダイナミックレンジを拡大した信号を作成することが可能である。

【0073】

（第二の実施形態）
本発明の別の実施形態を説明する。本実施形態では、前述の実施形態とは光電変換部の形状が異なる。

【0074】

第２の実施例の光電変換装置、画素回路構成とその動作は第一の実施例と同じであるため、重複する説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分を説明する。

【0075】

図１６は、第二の実施形態の画素構成の模式図である。画素１００の光電変換部１０１がＰＤ１０２とＰＤ１０３からなる構成は第一の実施形態の画素構成と同様であるが、ＰＤ１０２の形状は四角形であり、ＰＤ１０２がＰＤ１０３の相似形となっているため、信号処理が容易である。

【0076】

本実施例をカメラに用いることにより、第一の実施形態と同様に、レンズのＦ値によらず、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。

【0077】

（第三の実施形態）
本実施形態について図１７～１９を用いて説明する。

【0078】

本実施形態では、前述の実施形態とは光電変換部の形状が異なり、画素を位相差ＡＦ用信号の画素としても使用できる。第三の実施形態の光電変換装置、画素回路構成とその動作は第一の実施例と同じであるため、重複する説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分を説明する。

【0079】

図１７は、第三の実施形態の画素の平面構成の模式図である。

【0080】

画素１００の光電変換部１０１に含まれるＰＤ１０２は第一の実施形態の画素構成と同様であるが、ＰＤ１０３がＰＤ１７０１、１７０２の２つに分割されている。

【0081】

図１８は、第三の実施形態の画素回路構成の等価回路を示している。

【0082】

ＰＤ１０３がＰＤ１７０１、１７０２の２つに分割されているため、ＰＤ１７０１、ＰＤ１７０２のそれぞれのカソードに転送トランジスタ２０１、電荷排出用スイッチ２０５を接続している。信号読み出し動作は第一の実施形態と同様であり、ＰＤ１０２の電荷の読み出し、ＰＤ１７０１の電荷の読み出し、ＰＤ１７０２の電荷の読み出しを順次行う。

【0083】

図１９は、第三の実施形態の画素と転送トランジスタの平面模式図を示している。配線９０４は省略している。

【0084】

本実施例においてはＰＤ１０２に転送トランジスタ１９０１を接続し、ＰＤ１７０１に転送トランジスタ１９０２を、ＰＤ１７０２に転送トランジスタ１９０３を接続している。図１９では、転送トランジスタ１９０１はＰＤ１０２の面積に応じて位置を変更しているが、面積によらず一定の場所に形成してもよい。

【0085】

本実施例により、実施例１と同様に、レンズのＦ値によらず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とともに、ＰＤ１７０１、ＰＤ１７０２の信号を分割して取得することにより、画素を位相差ＡＦ用画素としても使用できる。

【0086】

（第四の実施形態）
本実施例について図面を用いて説明する。

【0087】

本実施例においては前述の実施形態とは光電変換部の形状が異なり、位相差ＡＦ用信号のダイナミックレンジを拡大できる。第四の実施形態の光電変換装置、画素回路構成とその動作は第１の実施例と同じであるため、重複する説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分を説明する。

【0088】

図２０は、第四の実施形態の画素構成を示している。ＰＤ１０２が画素２００１、２００２の２つに分割され、ＰＤ１０３は第三実施形態と同様に２００３、２００４の２つに分割されている。

【0089】

図２１は、第四実施形態の画素回路構成を示している。ＰＤ１０２が画素２００１、２００２の２つに分割されているため、転送トランジスタ２０１が画素２００１、２００２のそれぞれに接続されている。画素２００３、２００４については第三実施形態と同様である。

【0090】

信号読み出し動作は第一実施形態との変更はなく、画素２００１の読み出し、画素２００２の読み出し、画素２００３の読み出し、画素２００４の読み出しを順次行う。

【0091】

図２２は、第四の実施形態の画素と転送トランジスタの平面模式図を示している。配線９０４は省略している。

【0092】

本実施例においては、画素２００１に転送トランジスタ２２０１、画素２００２に転送トランジスタ２２０２、画素２００３に転送トランジスタ２２０３、画素２００４に転送トランジスタ２２０４が接続されている。図２０では転送トランジスタ２２０１、２２０２の位置は画素２００１、２００２の面積に応じて変更されているが、面積によらず一定の場所に形成してもよい。

【0093】

本実施例により、実施例１と同様に、レンズのＦ値によらず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とともに、画素を位相差ＡＦ用画素としても使用でき、位相差ＡＦ用信号のダイナミックレンジも拡大できる。

【0094】

（第五の実施形態）
本実施例について図面を用いて説明する。

【0095】

本実施例においては前述の実施形態とは光電変換部の形状が異なり、位相差ＡＦ用信号の瞳分割方向を選択できる。第五の実施形態の光電変換装置、画素回路構成とその動作は第１の実施例と同じであるため、重複する説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分を説明する。

【0096】

図２３は、第四の実施形態の画素構成を示している。ＰＤ１０２が画素２３０１、２３０２、２３０３、２３０４の４つに分割され、ＰＤ１０３は第三実施形態と同様に２３０５、２３０６、２３０７、２３０８の４つに分割されている。

【0097】

位相差検出による測距では瞳像を横（水平）方向に分離して位相差を検出する方式（縦線検出）と瞳像を縦（垂直）方向に分離して位相差を検出する方式（横線検出）がある。一般に縦線検出が採用される場合が多いが、横線を多く含む被写体に対しては縦線検出では測距が困難な場合がある。

【0098】

本実施形態では画素１００を縦線検出と横線検出を切り替えることが可能な構造とする。ＰＤ１０２、ＰＤ１０３の４個の光電変換部のうちの２個を用いることで縦線検出あるいは横線検出を行うことができる。縦線検出と横線検出の両方、あるいはいずれか一方を選択して行うことができる。

【0099】

本実施例により、実施例１と同様に、レンズのＦ値によらず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とともに、画素を瞳分割方向の選択が可能な位相差ＡＦ用画素としても使用できる。

【0100】

以上、第１の実施形態から第５の実施形態まで図１の光電変換装置の概略図を用いて説明したが、本発明は図２４に示したように回路を２つ以上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にしてもよい。図２４に示した積層構造の光電変換装置は第１基板１７０と第２基板１７１を有する。

【0101】

なお、図２４に示した積層構造の光電変換装置は図１に示した概略図を２枚の基板に分けた場合の一例である。この例では第１基板に画素領域６１とタイミングジェネレーター６２が配置される。第２基板１７１には列信号処理回路６３と演算処理部６４が配置されている。図２４の積層構造の光電変換装置は一例であって、本発明を限定するものではない。たとえば、第１基板に配されていたタイミングジェネレーター６２は第２基板に配されるようにしても良い。また、図２４の例では第１基板の画素と第２基板の列信号処理回路６３は画素の列ごとに電気的に接続されている。他には、例えば１つの画素毎に第２基板の信号処理回路が接続されてもよい。図２４では２枚の基板からなる積層構造で説明したが、例えばさらに回路を分割するか、回路や機能を追加するなどして３枚以上の基板からなる積層構造にしてもよい。

【0102】

（第六の実施形態）
本実施形態による光電変換システムについて、図２５を用いて説明する。図２５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。

【0103】

上記第１～第５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２５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。

【0104】

図２５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。

【0105】

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。また、撮像装置１００４と信号処理部１００７とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

【0106】

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。

【0107】

更に光電変換システムは、各種演算と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。

【0108】

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。信号処理部１００７は、撮像信号を用いて、画像を生成する。

【0109】

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。

【0110】

（第七の実施形態）
本実施形態の光電変換システム及び移動体について、図２６を用いて説明する。図２６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。

【0111】

図２６（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。

【0112】

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部である制御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。

【0113】

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２６（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。

【0114】

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。

【0115】

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

【0116】

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。

【0117】

また、上記第６実施形態、第７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２５及び図２６に示した構成に限定されるものではない。

【0118】

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。

【符号の説明】

【0119】

１００ 画素
１０２ 第一の光電変換部
１０３ 第二の光電変換部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】