7836181 撮像素子及び撮像装置

(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】2026-03-17

(45)【発行日】2026-03-26

(54)【発明の名称】撮像素子及び撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H04N 25/704 20230101AFI20260318BHJP

   H04N 25/778 20230101ALI20260318BHJP

   H10F 39/18 20250101ALI20260318BHJP

   G03B 13/36 20210101ALI20260318BHJP

   G02B 7/34 20210101ALI20260318BHJP

【ＦＩ】

H04N25/704

H04N25/778

H10F39/18 A

H10F39/18 E

G03B13/36

G02B7/34

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022005822

(22)【出願日】2022-01-18

(65)【公開番号】P2023104684

(43)【公開日】2023-07-28

【審査請求日】2025-01-17

(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】110003281

【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】若嶋 駿一

(72)【発明者】

【氏名】岡本 康平

(72)【発明者】

【氏名】福田 浩一

(72)【発明者】

【氏名】高尾 友美

【審査官】▲うし▼田 真悟

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１４１１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８５９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２６６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１０７８３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｎ ２５／７０４

Ｈ１０Ｆ ３９／１８

Ｇ０２Ｂ ７／２８

Ｇ０３Ｂ １３／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

行列状に配置された複数の画素を含み、行単位で前記画素の信号を読み出す撮像素子であって、前記複数の画素が、
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の深さに形成された一対の第１の半導体領域と、
前記第１の深さよりも深い第２の深さに形成された一対の第２の半導体領域と、
前記一対の第１の半導体領域と前記一対の第２の半導体領域とをそれぞれ接続する複数の接続領域と、を有し、
前記複数の画素のうち、第１の配置を有する画素の、前記一対の第１の半導体領域および前記一対の第２の半導体領域の並び方向が行の方向である第１の方向であって、
前記複数の画素のうち、第２の配置を有する画素の、前記一対の第１の半導体領域の並び方向が前記第１の方向と直交する第２の方向、前記一対の第２の半導体領域の並び方向が前記第１の方向であって、
前記第２の配置を有する画素の前記一対の第１の半導体領域の間のクロストーク率が、前記第１の配置を有する画素の前記一対の第１の半導体領域の間のクロストーク率よりも低いことを特徴とする撮像素子。

【請求項2】

前記第２の配置における前記一対の第１の半導体領域を分離する領域のポテンシャル障壁が、前記第１の配置における前記一対の第１の半導体領域を分離する領域のポテンシャル障壁よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。

【請求項3】

前記第２の配置の前記一対の第１の半導体領域において生成された電子または正孔が、前記一対の第１の半導体領域を分離する領域から離れる方向に移動するように、前記第２の方向に電位勾配をつけたことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。

【請求項4】

前記第２の配置の前記一対の第１の半導体領域において生成された電子または正孔が、前記一対の第２の半導体領域に近づく方向に移動するよう電位勾配をつけると共に、前記第１の配置の前記一対の第１の半導体領域における電位勾配よりも急峻であ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。

【請求項5】

前記複数の画素を互いに分離する領域のポテンシャル障壁が、前記第２の配置における前記一対の第１の半導体領域を分離する領域のポテンシャル障壁よりも高いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。

【請求項6】

前記複数の画素のうち、第３の配置を有する画素の、前記一対の第１の半導体領域および前記一対の第２の半導体領域の並び方向が前記第２の方向であって、
前記複数の画素のうち、第４の配置を有する画素の、前記一対の第１の半導体領域の並び方向が前記第１の方向、前記一対の第２の半導体領域の並び方向が前記第２の方向である
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像素子。

【請求項7】

前記第１の半導体領域は、入射した光を光電変換して電荷を生成し、前記第２の半導体領域は、前記接続領域を介して、前記第１の半導体領域により生成された電荷を蓄積することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子。

【請求項8】

前記行列状に配置された複数の画素を行単位で前記第２の方向に順次、選択する選択手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子。

【請求項9】

請求項１乃至８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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。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た撮像信号から画像を取得することができる。

【0004】

このようなイメージセンサにおいて、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。

【0005】

この問題に対し、特許文献２には、各マイクロレンズに対する画素の配置方向を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。特許文献２では、縦方向に隣接する画素間を分離する構造と、横方向に隣接する画素間を分離する構造とで、電荷を隣接画素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つの画素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画素へ漏出させて蓄積することで、１つの画素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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開昭５８－２４１０５号公報

【文献】特開２０１４－１０７８３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献２の撮像素子では、画素が飽和していない場合に、隣接の画素に電荷が漏れ出す現象（以下、「電荷クロストーク」と呼ぶ。）については開示されていない。

【0008】

また、各マイクロレンズに対応する複数画素の分離方向として、横方向と縦方向が混在した場合、行単位で順に信号を読み出す撮像素子においては、行方向に直交する縦方向に分離された画素から読み出された信号間の同時性が失われる。そのため、行方向である横方向に分離された画素から読み出された信号を用いた場合よりも、位相差検出方式の焦点検出性能が低くなる可能性がある。

【0009】

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、各マイクロレンズに対する分割方向が異なる複数の画素から出力された信号を用いて、各分割方向について位相差検出方式の焦点検出を行う場合に、分割方向間の位相差検出性能を近づけることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、行列状に配置された複数の画素を含み、行単位で前記画素の信号を読み出す本発明の撮像素子は、前記複数の画素が、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の深さに形成された一対の第１の半導体領域と、前記第１の深さよりも深い第２の深さに形成された一対の第２の半導体領域と、前記一対の第１の半導体領域と前記一対の第２の半導体領域とをそれぞれ接続する複数の接続領域と、を有し、前記複数の画素のうち、第１の配置を有する画素の、前記一対の第１の半導体領域および前記一対の第２の半導体領域の並び方向が行の方向である第１の方向であって、前記複数の画素のうち、第２の配置を有する画素の、前記一対の第１の半導体領域の並び方向が前記第１の方向と直交する第２の方向、前記一対の第２の半導体領域の並び方向が前記第１の方向であって、前記第２の配置を有する画素の前記一対の第１の半導体領域の間のクロストーク率が、前記第１の配置を有する画素の前記一対の第１の半導体領域の間のクロストーク率よりも低いことを特徴とする撮像素子。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、各マイクロレンズに対する分割方向が異なる複数の画素から出力された信号を用いて、各分割方向について位相差検出方式の焦点検出を行う場合に、分割方向間の位相差検出性能を近づけることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】第１の実施形態に係る画素の等価回路図。

【図4】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。

【図5】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。

【図6】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。

【図7】第１の実施形態に係る第１の配置を有する画素に対応する部分瞳領域の瞳強度分布の一例を示す概念図。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】第１の実施形態に係る第２の配置を有する画素と部分瞳領域との関係を示す図。

【図11】第１の実施形態に係る第２の配置を有する画素に対応する部分瞳領域の瞳強度分布の一例を示す概念図。

【図12】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。

【図13】第２の実施形態に係る第４の配置を有する画素の構成を示す概略図。

【図14】第２の実施形態に係る第３の配置を有する画素と部分瞳領域との関係を示す図。

【図15】第２の実施形態に係る第３の配置を有する画素に対応する部分瞳領域の瞳強度分布の一例を示す概念図。

【図16】第２の実施形態に係る第４の配置を有する画素と部分瞳領域との関係を示す図。

【図17】第２の実施形態に係る第４の配置を有する画素に対応する部分瞳領域の瞳強度分布の一例を示す概念図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。

【0014】

＜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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

［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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

［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。

【0027】

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２０５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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

[光電変換領域の構成]
・横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、「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方向をさす。

【0034】

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、蓄積領域４１１、４１２、感度領域４１３、４１４、接続領域４１５、４１６、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４、ＦＤ３０５を含む。また、感度領域４１３、４１４は、光が入射する面から第１の深さに形成され、蓄積領域４１１、４１２は、第１の深さよりも深い第２の深さに形成されている。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４１１及び４１２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４１３及び４１４においても、発生した電荷の一部が滞留する。なお、ＭＬ４０１と感度領域４１３、４１４との間には、カラーフィルタ（不図示）が配置されているものとする。

【0035】

第１の配置では、ＰＤＡ３０１は、蓄積領域４１１、感度領域４１３、接続領域４１５を含み、ＰＤＢ３０２は、蓄積領域４１２、感度領域４１４、接続領域４１６を含む。また、第１の配置では、蓄積領域４１１、４１２と感度領域４１３、４１４は、いずれもｙ方向、すなわち同じ方向に延在している。すなわち、第１の配置における感度領域の分割方向と、蓄積領域の分割方向は、共にｘ方向である。感度領域の分割方向がｘ方向であるため、垂直選択回路２０２により選択された同じ行から同じタイミングで得られた位相差信号を用いて、位相差ＡＦを行うことができる。

【0036】

ＭＬ４０１を介して入射した光の大部分は感度領域４１３、４１４で光電変換される。感度領域４１３で発生した電荷は、接続領域４１５を介して蓄積領域４１１に移動し、蓄積される。また、感度領域４１４で発生した電荷は、接続領域４１６を介して蓄積領域４１２に移動し、蓄積される。ここで、感度領域４１３、４１４から蓄積領域４１１、４１２へ電荷が移動するように、感度領域４１３、４１４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、感度領域４１３と感度領域４１４の間の領域は、ポテンシャル障壁が形成されるよう、ｐ型不純物濃度が感度領域内より高く形成されている。なお、以下の説明において、感度領域間の領域、蓄積領域間の領域を、分割領域と呼ぶ。

【0037】

・電荷クロストーク率分布
感度領域４１３内で発生した電荷の大部分は、上記のように接続領域４１５を介して蓄積領域４１１に蓄積されるが、感度領域４１３から感度領域４１４に移動し、接続領域４１６を介して蓄積領域４１２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。電荷クロストークの起きる割合（以下、「電荷クロストーク率」と記す。）は、平面視において、感度領域間の分割領域に近い程、高くなる。すなわち、平面視において、感度領域４１３の中心部で発生した電荷の電荷クロストーク率は、感度領域４１３の感度領域４１４に近い位置で発生した電荷の電荷クロストーク率より小さくなる。また、蓄積領域までの移動経路が短い程、電荷クロストーク率は小さくなる。すなわち、感度領域内において、同一のｘ座標、ｙ座標では、蓄積領域に近い位置の方が、ＭＬ４０１に近い位置における電荷クロストーク率より小さくなる。以下の説明において、感度領域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。

【0038】

この電荷クロストーク率分布は、感度領域４１３と感度領域４１４の間のポテンシャル障壁が高いほど小さく、また、感度領域内の深さ方向の電位勾配が急峻であるほど小さくなる。本実施形態では、感度領域と蓄積領域を深さ方向で分けて形成しているため、過飽和電荷の輸送特性を決定する要因の１つである蓄積領域間の構造を変更しなくても、感度領域と感度領域同士の間の構造を変更して電荷クロストーク率分布を調整することができる。

【0039】

また、電荷クロストークは、隣接画素間に対しても起こりうる。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、隣接画素間へ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。

【0040】

・縦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。

【0041】

図５（ａ）に示すように、第２の配置を有する画素２０５は、ＭＬ４０１、第２の深さに形成された蓄積領域４１１、４１２、第１の深さに形成された感度領域５１３、５１４、接続領域４１５、４１６、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４、ＦＤ３０５を含む。第２の配置では、ＰＤＡ３０１は、蓄積領域４１１、感度領域５１３、接続領域４１５を含み、ＰＤＢ３０２は、蓄積領域４１２、感度領域５１４、接続領域４１６を含む。また、第２の配置では、蓄積領域４１１、４１２はｙ方向に延在し、感度領域５１３、５１４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。また、第２の配置における感度領域の分割方向はｙ方向、蓄積領域の分割方向はｘ方向である。なお、ＭＬ４０１と感度領域５１３、５１４との間には、カラーフィルタ（不図示）が配置されているものとする。

【0042】

第２の配置における感度領域５１３、５１４内の深さ方向の電位勾配は、第１の配置における感度領域４１３、４１４の深さ方向の電位勾配より急峻になるように形成されている。また、感度領域５１３と感度領域５１４の間のポテンシャル障壁は、感度領域４１３と感度領域４１４の間のポテンシャル障壁よりも、高い障壁となるように、感度領域５１３、５１４の間の領域のｐ型不純物濃度が感度領域４１３、４１４の間の領域より高く形成されている。このように形成することで、感度領域５１３と５１４の電荷クロストーク率分布は、感度領域４１３と４１４の電荷クロストーク率分布より小さくなる。

【0043】

・横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。

【0044】

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の位相差信号から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。

【0045】

図６は、第１の配置を有する画素２０５の図４に示される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。

【0046】

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を通過した光束は感度領域４１３または蓄積領域４１１で受光される。また、部分瞳領域６０２を通過した光束は感度領域４１４または蓄積領域４１２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。

【0047】

図７において、感度領域４１３と蓄積領域４１１に対応する第１瞳強度分布が７０１であり、感度領域４１４と蓄積領域４１２に対応する第２瞳強度分布が７０２である。感度領域４１３と蓄積領域４１１で受光した信号電荷は蓄積領域４１１に蓄積されるため、画素から読み出される信号は第１瞳強度分布７０１に示すように合わさった信号となるが、それぞれの領域毎に見ると、感度領域４１３に対応する瞳強度分布が７０３、蓄積領域４１１に対応する瞳強度分布が７０５である。同様に、感度領域４１４に対応する瞳強度分布が７０４、蓄積領域４１２に対応する瞳強度分布が７０６である。

【0048】

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、中心側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２０５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。

【0049】

以下、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」と呼び、距離Ｄｓを、撮像素子１の「センサー瞳距離」と呼ぶ。なお、全ての画素を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。

【0050】

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、結像光学系の射出瞳が、部分瞳領域６０１と部分瞳領域６０２に２分割される。

【0051】

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。

【0052】

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、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６００でボケた像となる。ボケた像は、感度領域４１３と蓄積領域４１１、及び、感度領域４１４と蓄積領域４１２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。

【0053】

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し（ｐ＝０）、像ずれは生じない。

【0054】

したがって、感度領域４１３と蓄積領域４１１、及び、感度領域４１４と蓄積領域４１２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。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。

【0055】

・縦方向の位相差検出方法
続いて、図１０及び図１１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方向である第２の配置を有する画素２０５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。

【0056】

図１０は、第２の配置を有する画素２０５の図５（ｂ）に示されるＢ－Ｂ’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。

【0057】

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、感度領域５１３で受光する光は部分瞳領域１００１を通過した光束であり、感度領域５１４で受光する光は部分瞳領域１００２を通過した光束である。また、蓄積領域４１１で受光する光は部分瞳領域１００３を通過した光束であり、蓄積領域４１２で受光する光は部分瞳領域１００４を通過した光束である。感度領域５１３、５１４で受光される割合と、蓄積領域４１１、４１２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が、大部分の光は、感度領域５１３、５１４で受光される。そのため、基本的に、瞳分割方向はｙ方向となり、瞳強度分布の分割方向位置依存性は、図１１に実線で示したような形状となる。

【0058】

感度領域５１３と感度領域５１４の電荷クロストーク率分布は、感度領域４１３と感度領域４１４の電荷クロストーク率分布より小さいため、対応する瞳強度分布は１１０３、１１０４のように、瞳強度分布７０３、７０４と比較して、信号強度が一致する部分（信号クロス点）の傾きが急峻となっている。また、蓄積領域４１１、４１２は、ｙ方向に分割されていないため、対応する瞳強度分布は１１０５、１１０６のような形状となる。感度領域５１３と蓄積領域４１１で受光した信号電荷は蓄積領域４１１に蓄積されるため、画素から読み出される信号は第１瞳強度分布１１０１に示すように、瞳強度分布１１０３と１１０５が合わさった信号となる。同様に、感度領域５１４と蓄積領域４１２で受光した信号電荷は、第２瞳強度分布１１０２のような形状となる。このように感度領域５１３と感度領域５１４の間の電荷クロストーク率分布を、感度領域４１３と感度領域４１４の間の電荷クロストーク率分布より小さくしておくことで、瞳分割方向に分割されていない蓄積領域をもつ画素から読み出される位相差信号の信号クロス点付近の傾きを概ね等しくすることができる。

【0059】

相差信号からデフォーカス量の算出方法は、像ずれ量算出の方向がｘ方向からｙ方向に変わるが、算出手順はｘ方向のデフォーカス量算出と同様である。このとき、第１瞳強度分布１１０１と第２瞳強度分布１１０２の信号クロス点付近の傾きが概ね等しいため、概ね等しい変換係数で、像ずれ量からデフォーカス量を算出することができる。すなわち、概ね等しい位相差検出性能を得ることができる。

【0060】

上記の通り第１の実施形態によれば、感度領域と蓄積領域の分割方向が異なる画素の感度領域間の分離領域のポテンシャル障壁を、感度領域と蓄積領域の分割方向が同じ画素の感度領域間の分離領域のポテンシャル障壁よりも高くする。これにより、感度領域と蓄積領域の分割方向が異なっていても、感度領域と蓄積領域の分割方向が同じ場合と概ね等しい位相差検出性能を得ることができる。

【0061】

＜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。なお、第２の実施形態における撮像装置の構成は、図１乃至図３を参照して説明したものと同様であるため、説明を省略する。図２を参照して説明したように、画素２０５からは、垂直選択回路２０２の選択により、行単位で異なるタイミングで信号が読み出される。そのため、第１の配置を有する画素２０５から得られる位相差信号は、同じタイミングで読み出されるのに対し、第２の配置を有する画素２０５から得られる位相差信号は、行ごとに異なるタイミングで読み出されるため、同時性が落ちてしまう。そこで、第２の実施形態では、電荷クロストークを利用して、ｘ方向に分離された位相差信号と、ｙ方向に分離された位相差信号との品質を近づける。以下、第２の実施形態における画素の構成及び位相差検出方法について説明する。

【0062】

[光電変換領域の構成]
・縦方向の位相差検出画素構造
図１２は、第２の実施形態に係る画素２０５を構成する半導体領域の第３の配置を示す模式図であり、図１２（ａ）は、斜視模式図、図１２（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。

【0063】

図１２（ａ）に示すように、第３の配置を有する画素２０５は、ＭＬ４０１、第２の深さに形成された蓄積領域１２１１、１２１２、第１の深さに形成された感度領域１２１３、１２１４、接続領域１２１５、１２１６、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４、ＦＤ３０５を含む。第３の配置では、ＰＤＡ３０１は、蓄積領域１２１１、感度領域１２１３、接続領域１２１５を含み、ＰＤＢ３０２は、蓄積領域１２１２、感度領域１２１４、接続領域１２１６を含む。また、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４、ＦＤ３０５が、ＰＤＡ３０１、ＰＤＢ３０２の横に配置されている。従って、第３の配置では、蓄積領域１２１１、１２１２と感度領域１２１３、１２１４は、いずれもｘ方向、すなわち同じ方向に延在している。また、第３の配置における感度領域の分割方向、蓄積領域の分割方向は、ｙ方向である。この場合、感度領域の分割方向がｙ方向であるため、垂直選択回路２０２の選択により異なる行から異なるタイミングで得られた位相差信号を用いて、位相差ＡＦを行うことになる。なお、ＭＬ４０１と感度領域１２１３、１２１４との間に、カラーフィルタ（不図示）が配置されているものとする。

【0064】

・横方向の位相差検出画素構造
図１３は、本実施形態に係る画素２０５を構成する半導体領域の第４の配置を示す模式図であり、図１３（ａ）は、斜視模式図、図１３（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。

【0065】

図１３（ａ）に示すように、第４の配置を有する画素２０５は、ＭＬ４０１、蓄積領域１２１１、１２１２、感度領域１３１３、１３１４、接続領域１２１５、１２１６、ＴＸＡ３０３、ＴＸＢ３０４、ＦＤ３０５を含む。第４の配置では、ＰＤＡ３０１は、蓄積領域１２１１、感度領域１３１３、接続領域１２１５を含み、ＰＤＢ３０２は、蓄積領域１２１２、感度領域１３１４、接続領域１２１６を含む。また、第４の配置では、蓄積領域１２１１、１２１２はｘ方向に延在し、感度領域１３１３、１３１４はｙ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。また、第４の配置における感度領域の分割方向はｘ方向、蓄積領域の分割方向はｙ方向である。この場合、感度領域の分割方向がｘ方向であるため、垂直選択回路２０２により選択した同じ行から同じタイミングで得られた信号を用いて、位相差ＡＦを行うことができる。そのため、第３の配置を有する画素２０５に比べて、同時性が高い。なお、ＭＬ４０１と感度領域１３１３、１３１４との間に、カラーフィルタ（不図示）が配置されているものとする。

【0066】

第２の実施形態では、感度領域１２１３と感度領域１２１４の間のポテンシャル障壁と感度領域１３１３と感度領域１３１４の間のポテンシャル障壁は概ね等しい構造である。また、感度領域１２１３、１２１４、１３１３、１３１４内における深さ方向の電位勾配も概ね等しい構造である。そのため、感度領域１２１３と感度領域１２１４の間の電荷クロストーク率分布と、感度領域１３１３と感度領域１３１４の間の電荷クロストーク率分布は概ね等しい。

【0067】

・縦方向の瞳強度分布
図１４、図１５を参照して、瞳分割方向がｙ方向の位相差検出方式の瞳強度分布について説明する。

【0068】

図１４は、第３の配置を有する画素２０５の図１２に示されるＣ－Ｃ’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。

【0069】

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、感度領域１２１３と蓄積領域１２１１で受光する光は、部分瞳領域１４０１を通過した光束であり、感度領域１２１４と蓄積領域１２１２で受光する光は、部分瞳領域１４０２を通過した光束である。そのため、瞳分割方向はｙ方向となり、瞳強度分布の分割方向位置依存性は、図１５に示したような形状となる。

【0070】

図１５において、感度領域１２１３と蓄積領域１２１１に対応する第１瞳強度分布が１５０１であり、感度領域１２１４と蓄積領域１２１２に対応する第２瞳強度分布が１５０２である。感度領域１２１３と蓄積領域１２１１で受光した信号電荷は蓄積領域１２１１に蓄積されるため、画素から読みだされる信号は第１瞳強度分布１５０１に示されるように合わさった信号となるが、それぞれの領域毎に見ると、感度領域１２１３に対応する瞳強度分布が１５０３、蓄積領域１２１１に対応する瞳強度分布が１５０５である。同様に、感度領域１２１４に対応する瞳強度分布が１５０４、蓄積領域１２１２に対応する瞳強度分布が１５０６である。

【0071】

・横方向の瞳強度分布
続いて、図１６及び図１７を参照して、瞳分割方向がｘ方向の位相差検出方式の瞳強度分布について説明する。

【0072】

図１６は、第４の配置を有する画素２０５の図１３（ｂ）に示されるＤ－Ｄ’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。

【0073】

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、感度領域１３１３で受光する光は部分瞳領域１６０１を通過した光束であり、感度領域１３１４で受光する光は部分瞳領域１６０２を通過した光束である。また、蓄積領域１２１１で受光する光は部分瞳領域１６０３を通過した光束であり、蓄積領域１２１２で受光する光は部分瞳領域１６０４を通過した光束である。感度領域１３１３、１３１４で受光される割合と、蓄積領域１２１１、１２１２で受光される割合は、実施形態１と同様、大部分の光は、感度領域１３１３、１３１４で受光される。そのため、基本的に、瞳分割方向はｘ方向となり、瞳強度分布の分割方向位置依存性は、図１７に実線で示したような形状となる。

【0074】

感度領域１３１３と感度領域１３１４の電荷クロストーク率分布は、感度領域１２１３と感度領域１２１４の電荷クロストーク率分布と同等のため、対応する瞳強度分布は１７０３、１７０４のように、瞳強度分布１５０３、１５０４と同等の形状となる。また、蓄積領域１２１１、１２１２は、ｘ方向に分割されていないため、対応する第１及び第２瞳強度分布は１７０５、１７０６のような形状となる。感度領域１３１３と蓄積領域１２１１で受光した信号電荷は蓄積領域１２１１に蓄積されるため、画素から読み出される信号は第１瞳強度分布１７０１に示されるようにに、瞳強度分布１７０３と１７０５が合わさった信号となる。同様に、感度領域１３１４と蓄積領域１２１２で受光した信号電荷は、第２瞳強度分布１７０２のような形状となる。このように、感度領域１３１３、１３１４の間の電荷クロストーク率分布を、感度領域１２１３、１２１４の間の電荷クロストーク率分布と同等にしておくことで、瞳分割方向に分割されていない蓄積領域をもつ縦方向の位相差信号における信号クロス点付近の傾きを、横方向の位相差信号における信号クロス点付近の傾きより急峻にすることができる。

【0075】

上述したように、横方向の位相差信号は、垂直選択回路２０２により同時に駆動される画素信号群から得られる一方、縦方向の位相差信号は、異なる時刻に読み出した画素信号群から得るため、位相差信号の同時性が落ちてしまう。そのため、第３の画素、第４の画素のように、縦方向の信号クロス点の傾きを急峻にしておくことで、縦方向の変換係数を横方向の変換係数より小さくすることができる。これにより、縦方向の位相差検出のノイズ耐性が高くなり、上記の位相差信号の同時性の崩れの影響を受けにくくすることができる。従って、感度領域と蓄積領域の分割方向が異なる画素と、感度領域と蓄積領域の分割方向が同じ場合とで、概ね等しい位相差検出性能を得ることができる。

【0076】

上記の通り第２の実施形態によれば、蓄積領域の分割方向を行の選択方向とすることで、感度領域の電位勾配や感度領域間のポテンシャル障壁を異ならせることなく、ｘ方向とｙ方向とで概ね等しい位相差検出性能を得ることが可能となる。

【0077】

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。

【符号の説明】

【0078】

１：撮像素子、２０２：垂直選択回路、２０５：画素、３０１：フォトダイオード（ＰＤＡ）、３０２：フォトダイオード（ＰＤＢ）、３０３：転送スイッチ（ＴＸＡ）、３０４：転送スイッチ（ＴＸＢ）、３０５：フローティングディフュージョン部（ＦＤ）、４０１：マイクロレンズ（ＭＬ）、４１１，４１２，１２１１，１２１２：蓄積領域、４１３，４１４，５１３，５１４，１２１３，１２１４，１３１３，１３１４：感度領域、４１５，４１６，１２１５，１２１６：接続領域、６０１，６０２，１００１，１００２，１４０１，１４０２，１６０１，１６０２：部分瞳領域、７０１，１１０１，１５０１，１７０１：第１瞳強度分布、７０２，１１０２，１５０２，１７０２：第２瞳強度分布

【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】