(57)【要約】【課題】コントラスト比の大きな被写体を撮影した場合であっても測距像の品質低下を抑制する。【解決手段】結像光学系により結像される被写体像を光電変換する複数の画素を備える固体撮像素子であって、前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部が第１の方向に沿って並んで設けられた測距画素であり、前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線により前記固体撮像素子の領域を第１の領域および第２の領域に分けた場合に、前記第１の領域内であって上記直線から所定の距離以上離れた領域内の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第１の光電変換部の容量が前記第２の光電変換部の容量よりも大きく、前記第２の領域内であって上記直線から前記所定の距離以上離れた領域内の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第２の光電変換部の容量が前記第１の光電変換部よりも大きい。【選択図】図２
2015073071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系により結像される被写体像を光電変換する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部が第１の方向に沿って並んで設けられた測距画素であり、
前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線により前記固体撮像素子の領域を第１の領域および第２の領域に分けた場合に、
前記第１の領域内であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線から所定の距離以上離れた領域内の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第１の光電変換部の容量が前記第２の光電変換部の容量よりも大きく、
前記第２の領域内であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線から前記所定の距離以上離れた領域内の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第２の光電変換部の容量が前記第１の光電変換部よりも大きい、
固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１の領域内の測距画素のうちの少なくとも半分より多くの測距画素は、前記第１の光電変換部の容量が前記第２の光電変換部の容量よりも大きく、
前記第２の領域内の測距画素のうちの少なくとも半分より多くの測距画素は、前記第２の光電変換部の容量が前記第１の光電変換部の容量よりも大きい、
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１の領域内であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線から前記所定の距離未満の領域内の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第２の光電変換部の容量が前記第１の光電変換部の容量以上であり、
前記第２の領域内であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線から前記所定の距離未満の領域内の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第１の光電変換部の容量が前記第２の光電変換部の容量以上である、
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記所定の距離は、前記固体撮像素子の前記第１の方向の長さの０．４０倍以上である、
請求項２または３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記所定の距離は、前記固体撮像素子の前記第１の方向の長さの０．２５倍以上である、
請求項２または３に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１の領域は、前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線よりも、前記第１の方向の負の方向に位置し、
前記第２の領域は、前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線よりも、前記第１の方向の正の方向に位置する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第１の領域は、前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線よりも、前記第１の方向の正の方向に位置し、
前記第２の領域は、前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線よりも、前記第１の方向の負の方向に位置する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線からの距離が大きい測距画素ほど、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の容量の差が大きい、
請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線からの距離が大きい測距画素ほど、当該距離が小さい測距画素よりも、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部の容量が少なく、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とで前記直線からの距離に応じた減少率が異なることにより、前記距離が大きい測距画素ほど、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の容量の差が大きい、
請求項８に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
撮像面と垂直な方向の長さが、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とで異なることにより、前記第１および第２の光電変換部の容量に差がある、
請求項１から９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
不純物濃度が、前記第１の光電変換部の中と前記第２の光電変換部の中とで異なることにより、前記第１および第２の光電変換部の容量に差がある、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
撮像面における面積が、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とで異なることにより、前記第１および第２の光電変換部の容量に差がある、
請求項１から１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
撮像面内における前記第１の方向の長さが、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とで異なる、
請求項１２に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
撮像面内における前記第１の方向と垂直な第２の方向の長さが、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とで異なる、
請求項１２または１３に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記測距画素が前記第２の方向に２つ並べて配置され、
前記第１および第２の光電変換部のうち前記第２の方向の長さが短い方の光電変換部の中心は、前記第２の方向の長さが長い方の光電変換部の中心よりも、前記２つの測距画素の隣接部から前記第２の方向に沿って離れて配置されている、
請求項１４に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記２つの測距画素の前記第２の方向の長さが短い方の光電変換部の間に、前記２つの測距画素によって共用される回路素子が配置される、
請求項１５に記載の固体撮像素子。
【請求項１７】
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の中心が、前記第１の方向に沿って、前記測距画素の中心から容量が小さい光電変換部の側にずれている、
請求項１２から１６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の中心の前記測距画素の中心からのずれ量が異なる複数の測距画素が、近接して配置されている、
請求項１７に記載の固体撮像素子。
【請求項１９】
前記第１および第２の光電変換部のうち、撮像面における面積が大きい方の光電変換部
は、光が入射しない非受光領域を含む、
請求項１２から１８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項２０】
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部のうち、容量が相対的に大きい光電変換部中の横方向のドリフト電界の大きさが、容量が相対的に小さい光電変換部の横方向のドリフト電界の大きさよりも大きいことを特徴とする、
請求項１から１９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項２１】
前記測距画素はマイクロレンズを有しており、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部が、前記マイクロレンズの光軸を中心として、互いに対称な位置に配置されている、
請求項１から２０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項２２】
前記測距画素は導波路を有しており、前記測距画素への入射角に応じて入射光を前記第１の光電変換部または第２の光電変換部に導く、
請求項１から２１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項２３】
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第３の光電変換部と第４の光電変換部が前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って並んで設けられた第２の測距画素であり、
前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向に平行な直線により前記固体撮像素子の領域を第３の領域および第４の領域に分けた場合に、
前記第３の領域内であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第２の方向と垂直な直線から所定の距離以上離れた領域内の第２の測距画素のうちの少なくとも半分より多くの測距画素は、前記第３の光電変換部の容量が前記第４の光電変換部の容量よりも大きく、
前記第４の領域内であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第２の方向と垂直な直線から所定の距離以上離れた領域内の第２の測距画素のうちの少なくとも半分より多くの測距画素は、前記第４の光電変換部の容量が前記第３の光電変換部の容量よりも大きい、
請求項１から２２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項２４】
結像光学系と、
前記結像光学系によって結像される被写体像を光電変換する請求項１から２３のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の前記第１および第２の光電変換部から得られる信号に基づいて被写体の距離を算出する距離算出部と、
を備える測距装置。
【請求項２５】
前記第１の光電変換部は、前記結像光学系の射出瞳の一部である第１の瞳領域からの光を選択的に受光するように構成され、
前記第２の光電変換部は、前記結像光学系の射出瞳の一部であって、前記第１の瞳領域とは異なる第２の瞳領域からの光を選択的に受光するように構成され、
前記第１および第２の瞳領域のうち瞳透過率の高い瞳領域に対応する光電変換部の容量が、瞳透過率の低い瞳領域に対応する光電変換部の容量よりも大きい、
請求項２４に記載の測距装置。
【請求項２６】
請求項２４または２５に記載の測距装置と、
前記固体撮像素子から得られる信号に基づいて被写体像を取得する被写体像取得部、
を備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に測距装置において用いられる固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラにおいて、ＡＦ用距離検出技術が知られている。このようなＡＦ用距離検出技術に関連して、特許文献１では固体撮像素子の一部の画素に測距機能を持たせ、位相差方式で検出するようにした固体撮像素子が提案されている。この位相差方式とは、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した二つの像（以下、測距像と呼ぶ）を取得し、測距像のズレ量を元にステレオ画像による三角測量を用いて距離を検出する方法である。これによると、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するためにレンズを動かす必要が無いため、高速高精度なＡＦが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４８３５１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、撮影条件によっては、測距像の画質が低下するため、測距精度が低下するという問題があった。一般に、ズームやフォーカス状態により、結像光学系の射出瞳位置は変化するため、撮像素子の設計瞳位置と結像光学系の射出瞳位置は必ずしも一致しない。撮像素子の設計瞳位置と結像光学系の射出瞳位置が異なる場合、撮像素子内の各測距画素の位置に応じて、各測距画素で受光する光束が通過する瞳領域の偏心量は変化する。偏心量が大きくなると、二つの測距像を形成する光束の瞳透過率分布の間で差が生じる。また、口径食（けられ）によっても、二つの測距像を形成する光束の瞳透過率分布の間で差が生じる。
【０００５】
測距像を形成する光束の瞳透過率が相対的に低い測距像に合わせて露光時間を決めれば、瞳透過率が相対的に高い測距像が飽和し易くなる。逆に、測距像を形成する光束の瞳透過率が相対的に高い測距像に合わせて露光時間を決めれば、瞳透過率が相対的に低い測距像の光量が不足し易くなる。以上により、測距像の品質が低下するため、測距精度が低下する。コントラスト比の大きな被写体を撮影した場合、特に、測距像の品質低下が問題となる。
【０００６】
上記の課題を考慮して、本発明は、コントラスト比の大きな被写体を撮影した場合であっても測距像の品質低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の態様は、
結像光学系により結像される被写体像を光電変換する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部が第１の方向に沿って並んで設けられた測距画素であり、
前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線により前記固体撮像素子の領域を第１の領域および第２の領域に分けた場合に、
前記第１の領域内であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線
から所定の距離以上離れた領域内の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第１の光電変換部の容量が前記第２の光電変換部の容量よりも大きく、
前記第２の領域内であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第１の方向と垂直な直線から前記所定の距離以上離れた領域内の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第２の光電変換部の容量が前記第１の光電変換部よりも大きい、
固体撮像素子である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、測距像の品質低下を抑制でき、したがって測距精度が向上する。特に、コントラスト比の大きな被写体を撮影した場合に効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１に係るデジタルカメラの構成図
【図２】実施形態１に係る固体撮像素子の配置および構造
【図３】実施形態１に係る測距画素の感度特性
【図４】実施形態１に係る光電変換部が受光する光束
【図５】実施形態１に係る固体撮像素子の変形例
【図６】実施形態２に係る固体撮像素子の配置および構造
【図７】実施形態２に係る測距画素の感度特性
【図８】実施形態２に係る光電変換部が受光する光束
【図９】実施形態３に係る固体撮像素子の配置および構造
【図１０】実施形態３に係る固体撮像素子の変形例
【図１１】実施形態４に係る固体撮像素子の配置および構造
【図１２】実施形態６に係る固体撮像素子の配置および構造
【図１３】実施形態６に係る測距画素の感度特性
【図１４】実施形態７に示す固体撮像素子の配置および構造
【図１５】導波路を用いた測距画素の構造
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図を用いて、本発明の実施形態における測距装置について説明する。その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１１】
［実施形態１］
＜カメラ＞
本実施形態にかかるデジタルカメラ（撮像装置）１００を図１に示す。図１において、デジタルカメラ１００は、結像光学系１０１、固体撮像素子１０３、演算処理部１０４から構成される。固体撮像素子１０３は結像光学系１０１の光軸１０２上に配置され、結像光学系１０１は固体撮像素子１０３上に被写体像を結像する。
【００１２】
固体撮像素子１０３は、光を検出して電荷を発生させるフォトダイオードを光電変換素子（光電変換部）として備える。発生した電荷の転送方式は任意であってよい。すなわち、固体撮像素子１０３は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device: 電荷結合素子）であっても
よいし、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor: 相補型ＭＯＳ）であっ
てもよい。
【００１３】
固体撮像素子１０３は、複数の画素を備え、その全てが測距画素である。測距画素は、２つの光電変換部を備え、それぞれ結像光学系１０１の異なる瞳領域からの光を選択的に受光するように構成される。測距画素の２つの光電変換部からは視差を持った被写体像信号が得られるので、被写体距離を算出できる。なお、上記複数の画素のうち一部の画素は
、通常の撮像用の画素であってもよい。撮像用画素は、光電変換部を１つのみ備え、結像光学系１０１の全瞳領域からの光を受光する。
【００１４】
演算処理部１０４は、ＣＰＵやＤＳＰとプログラムを格納したメモリから構成され、プログラムを実行することにより被写体の距離を検出したり、被写体像を取得したりする。なお、演算処理部１０４はＡＳＩＣにより実装されても良い。結像光学系１０１と固体撮像素子１０３と演算処理部１０４の測距機能（距離算出部）から、測距装置が構成される。また、測距装置と演算処理部１０４の撮像機能（被写体像取得部）から、撮像装置が構成される。演算処理部１０４における被写体像取得機能については、公知の技術を採用可能であるので本明細書では詳しい説明は省略する。
【００１５】
＜測距画素＞
図２（ａ）は、固体撮像素子１０３内の測距画素の配置を示した図である。測距画素１１０は、固体撮像素子１０３の−Ｘ方向の周辺領域１０５内に配置された測距画素であり、測距画素１１１は、固体撮像素子１０３の＋Ｘ方向の周辺領域１０６内に配置された測距画素である。周辺領域１０５は、固体撮像素子１０３の中心を通りＸ方向と垂直な方向（Ｙ方向）に平行な直線１０７から、−Ｘ方向に所定の距離以上離れた領域である。一方、周辺領域１０６は、直線１０７から＋Ｘ方向に所定距離以上離れた領域である。なお、図２（ａ）の例では、上記所定の距離は、固体撮像素子１０３のＸ方向長さの１／６倍である。Ｘ方向が本発明における第１の方向に該当する。ただし、上記所定の距離は、固体撮像素子１０３のＸ方向長さの０．４０倍以上とすることが好ましく、０．２５倍以上とすれば、更に好ましい。この理由については後述する。
【００１６】
図２（ｂ）は、測距画素１１０及び測距画素１１１の構成を示した断面図である。測距画素１１０及び測距画素１１１は、光の入射側より、マイクロレンズ１１２、基板１１３を有している。マイクロレンズ１１２は、検出する波長帯域で透明な材料であるＳｉＯ２などで形成されており、基板１１３は、検出する波長帯域で吸収を有するＳｉなどの材料で形成されている。
【００１７】
基板１１３内には、マイクロレンズ１１２の光軸を中心として、Ｘ方向に対称な位置に配置された二つの光電変換部が形成されている。測距画素１１０の−Ｘ方向の光電変換部を光電変換部１２１、＋Ｘ方向の光電変換部を光電変換部１２２と呼び、測距画素１１１の−Ｘ方向の光電変換部を光電変換部１２３、＋Ｘ方向の光電変換部を光電変換部１２４と呼ぶ。Ｘ方向のマイナス側に配置された光電変換部１２１，１２３が第１の光電変換部に相当し、Ｘ方向のプラス側に配置された光電変換部１２２，１２４が第２の光電変換部に相当する。すなわち、第１の光電変換部と第２の光電変換部は、Ｘ方向に沿って並んで設けられる２つの光電変換部である。
【００１８】
基板１１３の撮像面内（ＸＹ面内）における光電変換部１２１と光電変換部１２２および、光電変換部１２３と光電変換部１２４の形状は等しい。また、光電変換部１２１は光電変換部１２２よりも、撮像面と垂直な方向（Ｚ方向）の長さが長い。また、光電変換部１２４は光電変換部１２３よりも、撮像面と垂直な方向（Ｚ方向）の長さが長い。以後、光電変換部のＺ方向の長さのことを光電変換部の深さと呼ぶ。
【００１９】
光電変換部の深さが深いほど、その光電変換部の容量は大きくなる。すなわち、固体撮像素子１０３の中心を通るＹ方向の直線１０７よりも−Ｘ方向に所定距離以上離れた領域（１０５）において、−Ｘ方向側の光電変換部１２１の容量が、＋Ｘ方向側の光電変換部１２２の容量よりも大きい。一方、固体撮像素子１０３の中心を通るＹ方向の直線１０７よりも＋Ｘ方向に所定距離以上離れた領域（１０６）において、＋Ｘ方向側の光電変換部１２４の容量が、−Ｘ方向側の光電変換部１２３の容量よりも大きい。
【００２０】
光電変換部は、基板１１３に対してボロンなどのイオンを打ち込むことで形成する。また、基板１１３には図示しない配線が設けられており、光電変換部で発生した電荷は配線によって信号処理回路に転送される。
【００２１】
＜光電変換部の感度特性＞
このような構成を採用することで、光電変換部１２１と光電変換部１２２の感度及び、光電変換部１２３と光電変換部１２４の感度の、ＸＺ断面における入射角依存性を互いに異ならせることができる。図３に、各光電変換部の感度の入射角依存性を示す。光電変換部１２２及び光電変換部１２４の感度特性（点線）は、マイナス方向（−Ｘ方向）からの入射光に対する感度が高く、プラス方向（＋Ｘ方向）からの入射光に対する感度が低い。一方で、光電変換部１２１及び光電変換部１２３の感度特性（破線）は、マイナス方向（−Ｘ方向）からの入射光に対する感度が低く、プラス方向（＋Ｘ方向）からの入射光に対する感度が高い。即ち、光電変換部１２１及び光電変換部１２３は、結像光学系の射出瞳１３０の一部である、＋Ｘ方向の瞳領域１３１及び１３３（第１の瞳領域）を通過する光束を選択的に受光するようになっている。一方、光電変換部１２２及び光電変換部１２４は、結像光学系の射出瞳１３０の一部である、−Ｘ方向の瞳領域１３２及び１３４（第２の瞳領域）を通過する光束を選択的に受光するようになっている。
【００２２】
＜マイクロレンズ＞
また、二つの光電変換部がマイクロレンズ１１１の光軸を中心軸として、互いに対称な位置に配置され、かつ開口部形状も等しいため、感度特性は、光入射角０度を軸として対称な形状になっている。そのため、結像光学系１０１の射出瞳１３０と固体撮像素子１０３の距離が無限大の時に、瞳領域１３１と瞳領域１３２、及び瞳領域１３３と瞳領域１３４は、射出瞳１３０上で中心対称となる。
【００２３】
即ち、瞳領域１３１の瞳透過率分布と、瞳領域１３２の瞳透過率分布の重心位置は異なっている。同様に、瞳領域１３３の瞳透過率分布と、瞳領域１３４の瞳透過率分布の重心位置も異なっている。ここで、瞳領域１３１（１３３）の瞳透過率分布の重心と、瞳領域１３２（１３４）の透過率分布を結ぶ直線の方向はＸ方向である。
【００２４】
＜瞳透過率が相違する理由とその問題＞
射出瞳１３０と固体撮像素子１０３の距離が常に無限大に保持されている場合、図３に示す感度特性により、理想的には瞳領域１３１と瞳領域１３２の瞳透過率は互いに等しい。従って、光電変換部１２１と光電変換部１２２に入射する光量は等しい。同様に、瞳領域１３３と瞳領域１３４の瞳透過率も互いに等しく、光電変換部１２３と光電変換部１２４に入射する光量は等しい。
【００２５】
しかし、以下のように実際のデジタルカメラにおいては、瞳領域１３１と瞳領域１３２の瞳透過率および、瞳領域１３３と瞳領域１３４の瞳透過率は互いに等しくならない。その理由について説明する。
【００２６】
デジタルカメラ１００の小型化の要請から、結像光学系１０１の射出瞳位置は、ズーム状態によって変化する。一般的に、望遠側では、射出瞳１３０の位置は固体撮像素子から遠く、広角側では、射出瞳１３０の位置は固体撮像素子に近くなる。また、撮影レンズがインナーフォーカスやリアフォーカスの構成の場合は、フォーカス状態に応じても、射出瞳１３０の位置が変動する。そのため、固体撮像素子１０３の中心から、Ｘ方向に離れた周辺領域に位置する測距画素１１０においては、瞳領域１３１と瞳領域１３２の瞳透過率及び、瞳領域１３３と瞳領域１３４の瞳透過率が互いに等しくならない。
【００２７】
また、仮に射出瞳１３０と固体撮像素子１０３の距離が常に無限大に保持されていたとしても、結像光学系１０１内の口径食により、射出瞳１３０の周辺を通る光量が低下する場合がある。その場合、固体撮像素子の周辺領域に位置する測距画素においては、瞳領域１３１と瞳領域１３２の瞳透過率及び、瞳領域１３３と瞳領域１３４の瞳透過率が互いに等しくならない。
【００２８】
射出瞳１３０が、固体撮像素子１０３から有限な距離にある場合（例えば、ズームレンズの広角側で撮影した場合に相当）を図４（ａ）（ｂ）に示す。
【００２９】
図４（ａ）は、固体撮像素子１０３の中心よりも−Ｘ方向（第一の方向の負の方向）の周辺領域１０５における測距画素１１０で受光する光束の状態を示す。光電変換部１２１は、瞳領域１３１からの光束１４１を受光し、光電変換部１２２は、瞳領域１３２からの光束１４２を受光する。図４（ａ）からわかるように、光束１４１の拡がり角は光束１４２の拡がり角よりも大きい。従って、瞳領域１３１の瞳透過率は瞳領域１３２よりも高くなり、光電変換部１２１が受光する光量は光電変換部１２２が受光する光量よりも多い。
【００３０】
図４（ｂ）は、固体撮像素子１０３の中心よりも＋Ｘ方向（第一の方向の正の方向）の周辺領域１０６における測距画素１１１で受光する光束の状態を示す。光電変換部１２３は、瞳領域１３３からの光束１４３を受光し、光電変換部１２４は、瞳領域１３４からの光束１４４を受光する。図４（ｂ）からわかるように、光束１４４の拡がり角は光束１４３の拡がり角よりも大きい。従って、瞳領域１３４の瞳透過率は瞳領域１３３よりも高くなるため、光電変換部１２４が受光する光量は光電変換部１２３が受光する光量よりも多い。
【００３１】
特許文献１に開示されているような、２つの光電変換部の容量が等しい従来の固体撮像素子では、光量不足と飽和のトレードオフの問題が生じる。すなわち、受光する光量が相対的に少ない光電変換部１２２、１２３に合わせて露光時間を決定すると、受光する光量が多い光電変換部１２１、１２４において飽和しやすくなる。逆に、受光する光量が相対的に多い光電変換部１２１、１２４に合わせて露光時間を決定すると、受光する光量が少ない光電変換部１２２、１２３において光量不足が発生する。飽和や光量不足が発生すると測距画像の品質が低下し、測距精度が低下してしまう。特に、コントラスト比の大きな被写体を撮影した場合には、測距像の品質低下が問題となる。
【００３２】
＜光電変換部の容量変化による効果＞
本実施形態における固体撮像素子１０３では、受光する光量が相対的に多い光電変換部１２１、１２４の深さを、受光する光量が相対的に少ない光電変換部１２２、１２３の深さよりも深くしている。即ち、瞳透過率の低い瞳領域１３２、１３３からの光を受光する光電変換部１２２、１２３よりも、瞳透過率の高い瞳領域１３１、１３４の光を受光する光電変換部１２１、１２４の容量を大きくしている。これにより、光電変換部１２２、１２３における光量不足と、瞳領域１３１、１３４を通過した光を受光する光電変換部１２１、１２４における飽和を同時に解決することが可能となる。
【００３３】
光電変換部の深さを変えるには、イオン打ち込みの深さを変えればよい。また、光電変換部の中の不純物濃度を変えても良い。即ち、第一の光電変換部の中の不純物濃度よりも第二の光電変換部の中の不純物濃度を高くすればよい。不純物濃度が大きいほどポテンシャル勾配が強くなり、光電変換部の実効的な深さが深くなる。不純物濃度を高くするには、注入するイオンの濃度を上げればよい。
【００３４】
＜距離検出処理＞
演算処理部１０４が行う被写体距離の算出処理について説明する。演算処理部１０４は
、測距画素１１０の光電変換部１２１および測距画素１１１の光電変換部１２３から得られる信号から第１の測距像を取得する。同様に、演算処理部１０４は、測距画素１１０の光電変換部１２２および測距画素１１１の光電変換部１２４から得られる信号から第２の測距像を取得する。演算処理部１０４は、これら２つの測距像の像ズレ量を求める。像ズレ量の算出は、相関値などを用いた公知の手法で行えばよい。２つの測距画像の像ズレ量が得られたら、三角測量の原理に基づいて被写体の距離を算出できる。
【００３５】
＜まとめ＞
このように、固体撮像素子１０３の設計瞳位置と結像光学系１０１の射出瞳位置が異なる場合、測距画素内の２つの光電変換部に対応する瞳領域の瞳透過率が異なる。図２および図４からわかるように、固体撮像素子１０３の中心を通り、Ｘ方向（第一の方向）に対して垂直な直線１０７を境界線に、二つの瞳領域の透過率の大小関係が逆転する。そのため、直線１０７を境界として、領域１０５と領域１０６で、受光量が多い光電変換部のＸ方向に沿った位置関係は反転している。即ち、実施形態１の場合、領域１０５では測距画素１１０内において、−Ｘ方向に位置する光電変換部１２１の方が、＋Ｘ方向に位置する光電変換部１２２の受光量よりも多い。一方、領域１０６では測距画素１１１内において、＋Ｘ方向に位置する光電変換部１２４の方が、＋Ｘ方向に位置する光電変換部１２３の受光量よりも多い。
【００３６】
本実施形態に示すように、瞳透過率の高い瞳領域からの光を受光する光電変換部の容量を、瞳透過率の低い瞳領域からの光を受光する光電変換部の容量よりも大きくすることで、光量低下と飽和の問題を回避できる。すなわち、瞳透過率の低い瞳領域から十分な光量を受光できるだけの露光時間に設定しても、もう一方の光電変換部の容量はそれよりも大きいため飽和を回避できる。したがって、コントラスト比が高い被写体を撮影した場合であっても、光量不足も飽和も発生せず、測距像の品質低下を抑制でき精度の良い測距が可能となる。
【００３７】
以上で示したように、本実施形態を採用することにより、ズーム状態、フォーカス状態によらず、固体撮像素子全面において、測距精度の向上と撮像画像品質の向上が実現できる。
【００３８】
なお、従来の固体撮像素子において、第一の光電変換部と第二の光電変換部の容量を共に大きくするという方法も考えられる。しかし、必要以上に光電変換部の容量を大きくすることは、消費電力の増大や、読み出し速度の低下につながるため好ましくない。本実施形態では、受光する光量が相対的に少ない光電変換部の容量を相対的に小さく、受光する光量が相対的に多い光電変換部の容量を相対的に大きくしているため、消費電力の増大や、読み出し速度の低下を抑制できている。
【００３９】
容量が相対的に大きい第二の光電変換部中の横方向のドリフト電界の大きさを、容量が相対的に小さい第一の光電変換部中のドリフト電界の大きさよりも大きくすると、更に好ましい。なぜならば、光電変換部の容量が大きいほど、電荷の転送速度が遅くなるためである。光電変換部の容量が相対的に大きい第二の光電変換部のドリフト電界の大きさを、光電変換部の容量が相対的に小さい第一の光電変換部のドリフト電界の大きさよりも大きくすることで、電荷の転送速度の相違を抑制することができる。具体的には、横方向にずらして複数回打ち込みを行うことで、横方向に不純物分布の傾斜を形成すればよい。
【００４０】
＜周辺領域までの距離の特定及び、第１の実施形態の変形例＞
測距画素１１０の２つの光電変換部に対応する２つの瞳領域の瞳透過率の差は、測距画素１１０と固体撮像素子１０３の中心を通る直線１０７との距離が大きくなるほど大きい。特に、直線１０７から固体撮像素子１０３のＸ方向長さの０．２５倍以上離れた領域（
固体撮像素子１０３のＸ方向の端部から全体の１／４以内の領域）では、瞳透過率の差が大きい。なお、直線１０７から固体撮像素子のＸ方向の長さの０．４０倍以上離れた領域（固体撮像素子１０３のＸ方向の端部から全体の１／１０以内の領域）では、瞳透過率の差が顕著になる。そのため、直線１０７と周辺領域１０５、１０６間の距離は、固体撮像素子１０３のＸ方向長さの０．４０倍以上であることが好ましく、０．２５倍以上であれば更に好ましい。
【００４１】
また、瞳透過率の差に応じて、固体撮像素子の中心（直線１０７）から遠くに配置されている測距画素ほど、２つの光電変換部の容量差を大きくすれば、更に好ましい。図５（ａ）は、測距画素の位置に応じて、２つの光電変換部の容量差を大きくした例である。図５（ａ）において、領域１０５は、直線１０７よりも−Ｘ方向側の領域であり、直線１０７からの距離が固体撮像素子１０３のＸ方向長さの１／６以上離れた領域である。同様に、領域１０６は、直線１０７よりも＋Ｘ方向側の領域であり、直線１０７からの距離が固体撮像素子１０３のＸ方向長さの１／６以上離れた領域である。図５（ａ）の下側には、周辺領域１０５、１０６中の、鎖線で囲まれた４つの測距画素について、光電変換部の深さを示している。この例では、周辺部に行くほど、瞳透過率の大きい瞳領域に対応する光電変換部１２１，１２４の容量を大きくし、瞳透過率の小さい瞳領域に対応する光電変換部１２２，１２３の容量を小さくしている。ただし、周辺部に行くほど容量の差を大きくする方法として、他の方法も採用可能である。例えば、光電変換部１２１，１２４の容量は固定し、光電変換部１２２，１２３の容量を周辺部ほど小さくすることが考えられる。逆に、光電変換部１２２，１２３の容量は固定し、光電変換部１２１，１２４の容量を周辺部ほど大きくすることも考えられる。
【００４２】
あるいは、光電変換部１２１〜１２４の容量を全て変化させても良い。また、光電変換部１２２，１２３の方が光電変換部１２１，１２４と比較して減少率を大きくすることも考えられる。一般に、固体撮像素子の周辺領域に位置する画素ほど、入射光量が小さいため、光電変換部１２１〜１２４いずれも周辺ほど容量を小さくしつつ、光電変換部１２２、１２３の方が光電変換部１２１，１２４と比較してその減少率を大きくすることが好ましい。すなわち、中心からの距離が遠い画素ほど光電変換部の容量を少なくし、かつ、距離に応じた減少率を画素内の光電変換部の間で異ならせることにより、周辺部ほど光電変換部の容量差を大きくすることが好ましい。このようにすることで、異なる測距画素間においても、光量低下や飽和の問題が回避できる。
【００４３】
（変形２．中心付近の測距画素）
上述とは逆に、固体撮像素子１０３の中心付近、すなわち固体撮像素子１０３の中心を通りＸ方向に垂直な直線１０７から所定の距離未満の領域では、２つの光電変換部に対応する２つの瞳領域の瞳透過率の差は小さい。具体的には、直線１０７からの距離が固体撮像素子１０３のＸ方向長さの０．２５倍未満であれば、瞳透過率の差は小さい。そのため、固体撮像素子１０３の中心領域１０８においては、測距画素内の２つの光電変換部の容量に差を設けなくてもよいし、瞳透過率が相対的に高い瞳領域に対応する光電変換部の容量を相対的に小さくしてもよい。固体撮像素子１０３の中心付近では、このように瞳透過率の小さい瞳領域を透過する光を受光する光電変換部の容量が他方の光電変換部の容量以上であったとしても、測距画素の品質低下は小さく、あまり問題とならない。
【００４４】
図５（ｂ）は、本変形例の一例を説明する図である。図５（ｂ）において、鎖線で囲った領域１０８は、直線１０７からの距離が固体撮像素子１０３のＸ方向長さの１／６以内の領域である。図５（ｂ）の例では、領域１０８内においては、直線１０７の−Ｘ方向側にも測距画素１１１が設けられており、直線１０７の＋Ｘ方向側にも測距画素１１０が設けられている。上述のように、領域１０８内の測距画素は２つの光電変換部の容量が同じであってもよい。あるいは、領域１０８内のうち直線１０７の−Ｘ方向側が全て測距画素
１１１であり、直線１０７の＋方向側が全て測距画素１１０であってもよい。
【００４５】
あるいは、中心領域を設けずに、２つの領域１０５，１０６を隣接させてもよい。すなわち、直線１０７よりも−Ｘ方向側の全ての領域を領域１０５とし、直線１０７よりも＋Ｘ方向側の全ての領域を領域１０６としてもよい。この場合は、上記の所定の距離をゼロにした場合に相当する。
【００４６】
（変形３．条件を満たさない測距画素の存在の許容）
上記の説明では、領域１０５および領域１０６においては、全ての測距画素について、瞳透過率の高い瞳領域に対応する光電変換部の容量を他方の光電変換部の容量よりも大きくしている。しかしながら、領域１０５および領域１０６内の一部の測距画素に、瞳透過率の低い瞳領域に対応する光電変換部の容量が、他方の光電変換部の容量以下のものが存在しても構わない。
【００４７】
少なくとも、固体撮像素子１０３の中心よりもＸ方向の負方向の側の領域内（領域１０５内）において、Ｘ方向の負方向側の光電変換部（１２１）の容量が、Ｘ方向の正方向の側の光電変換部（１２２）の容量よりも大きい測距画素が存在すればよい。また、同様に、固体撮像素子１０３の中心よりもＸ方向の正方向の側の領域内（領域１０６内）において、Ｘ方向の正方向側の光電変換部（１２４）の容量が、Ｘ方向の負方向の側の光電変換部（１２３）の容量よりも大きい測距画素が存在すればよい。このような構成を有する測距画素については、測距像の品質低下が抑制できる。
【００４８】
ただし、測距像の品質低下を効果的に抑制するためには、各領域内の測距画素のうち、少なくとも所定割合以上の測距画素について、容量が上記の条件を満たすことが好ましい。すなわち、少なくとも所定割合（例えば、半分より多い）の測距画素において、瞳透過率の高い瞳領域に対応する光電変換部の容量を相対的に大きくすることが好ましい。ここで、少なくとも半分より多くの測距画素については上記条件を満たすことが好ましく、その割合が増えるほどより好ましい。例えば、所定割合が８割以上であれば更に好ましい。
【００４９】
（変形４．通常撮像画素の存在）
固体撮像素子１０３の全ての画素が測距画素であっても良いし、一部だけが測距画素であっても良い。全ての画素が測距画素の場合、２つの光電変換部で取得した測距像の和を取ることで、撮影画像を取得することが出来る。一部の画素が測距画素の場合は、その他の画素は結像光学系１０１の全瞳領域からの光を受光する１つの光電変換部を備える通常の撮像画素である。この場合、測距画素における撮影画像を上記と同様の手法で取得してもよいし、測距画素の周辺に設けられた通常の撮像画素で取得した撮影画像により補完して求めても良い。
【００５０】
［実施形態２］
＜測距画素＞
実施形態２における固体撮像素子２０３は、結像光学系１０１の射出瞳１３０が固体撮像素子２０３に近い位置にある場合に最適化されている。
【００５１】
図６（ａ）は、固体撮像素子２０３に含まれる測距画素２１０及び測距画素２１１の配置を示した図であり、図６（ｂ）は各測距画素２１０，２１１の構成を示した断面図である。
【００５２】
本実施形態にかかる測距画素２１０及び測距画素２１１は、実施形態１に係る測距画素１１０及び測距画素１１１と比較して、マイクロレンズの形状及び、光電変換部の深さが異なる。マイクロレンズ２１２は、固体撮像素子２０３から近い位置にある射出瞳１３０
の中心を通った主光線が、光電変換部２２１と光電変換部２２２の中間に入射するように偏心して配置されている。即ち、固体撮像素子２０３の中心に対してマイナス方向（−Ｘ方向）の周辺領域２０５内の測距画素２１０では、マイクロレンズ２１２はプラス方向（＋Ｘ方向）に偏心して配置されている。一方、固体撮像素子２０３の中心に対してプラス方向（＋Ｘ方向）の周辺領域２０６内の測距画素２１１では、マイクロレンズ２１２はマイナス方向（−Ｘ方向）に偏心して配置されている。
【００５３】
また、光電変換部２２２は光電変換部２２１よりも深く、光電変換部２２３は光電変換部２２４よりも深い。すなわち、固体撮像素子２０３の中心を通るＹ方向の直線１０７よりも−Ｘ方向に所定距離以上離れた領域（２０５）において、＋Ｘ方向側の光電変換部２２２の容量が、−Ｘ方向側の光電変換部２２１の容量よりも大きい。一方、固体撮像素子２０３の中心を通るＹ方向の直線１０７よりも＋Ｘ方向に所定距離以上離れた領域（２０６）において、−Ｘ方向側の光電変換部２２３の容量が、＋Ｘ方向側の光電変換部２２４の容量よりも大きい。
【００５４】
＜光電変換部の感度特性＞
図７に、各々の光電変換部の感度の入射角依存性を示す。光電変換部２２２及び光電変換部２２４の感度特性（点線）は、マイナス方向（−Ｘ方向）からの入射光に対する感度が高く、プラス方向（＋Ｘ方向）からの入射光に対する感度が低い。一方で、光電変換部２２１及び光電変換部２２３の感度特性（破線）は、マイナス方向（−Ｘ方向）からの入射光に対する感度が低く、プラス方向（＋Ｘ方向）からの入射光に対する感度が高い。但し、光電変換部２２１及び光電変換部２２２の感度特性は、光電変換部１２１及び１２２の感度特性に対し、マイナス方向にシフトしている。同様に、光電変換部２２３の感度特性および、光電変換部２２４の感度特性は、光電変換部１２３、１２４の感度特性に対し、プラス方向にシフトしている。
【００５５】
＜瞳透過率が相違する理由とその問題＞
このような固体撮像素子２０３を用いた場合、結像光学系１０１の射出瞳１３０と固体撮像素子２０３の距離が近い時に、瞳領域１３１と瞳領域１３２は、射出瞳１３０上で中心対称となる（図８（ａ））。同様に、瞳領域１３３と瞳領域１３４も、射出瞳１３０上で中心対称となる（図８（ｂ））。従って、射出瞳１３０と固体撮像素子２０３の距離が常にこの距離に保持されば、理想的には瞳領域１３１と瞳領域１３２の瞳透過率は互いに等しく、光電変換部２２１と光電変換部２２２に入射する光量は等しい。同様に、瞳領域１３３と瞳領域１３４の瞳透過率も互いに等しく、光電変換部２２３と光電変換部２２４に入射する光量は等しい。
【００５６】
しかし、前述したように、結像光学系の瞳位置は、ズーム状態やフォーカス状態などによって変動する。また、仮に射出瞳１３０と固体撮像素子２０３の距離が常に近い距離に保持されていたとしても、結像光学系の口径食による光量低下が生じる場合もある。以上の理由により、固体撮像素子の周辺領域に位置する測距画素においては、瞳領域１３１と瞳領域１３２の瞳透過率及び、瞳領域１３３と瞳領域１３４の瞳透過率が互いに等しくならない。
【００５７】
射出瞳１３０が、固体撮像素子２０３から遠い距離にある場合（例えば、ズームレンズの望遠側で撮影した場合に相当）を図８（ｃ）、（ｄ）に示す。
【００５８】
図８（ｃ）は、固体撮像素子２０３の−Ｘ方向（第一の方向の負側）の周辺領域２０５における測距画素２１０で受光する光束の状態を示す。光電変換部２２１は、瞳領域１３１からの光束１４１を受光し、光電変換部２２２は、瞳領域１３２からの光束１４２を受光する。図８（ｃ）からわかるように、光束１４２の拡がり角は光束１４１の拡がり角よ
りも大きい。従って、瞳領域１３２の瞳透過率は瞳領域１３１よりも高くなるため、光電変換部２２２が受光する光量は光電変換部２２１が受光する光量よりも多い。
【００５９】
図８（ｄ）は、固体撮像素子２０３の＋Ｘ方向（第一の方向の正側）の周辺領域２０６における測距画素２１１で受光する光束の状態を示す。光電変換部２２３は、瞳領域１３３からの光束１４３を受光し、光電変換部２２４は、瞳領域１３４からの光束１４４を受光する。図８（ｄ）からわかるように、光束１４３の拡がり角は光束１４４の拡がり角よりも大きい。従って、瞳領域１３３の瞳透過率は瞳領域１３４よりも高くなるため、光電変換部２２３が受光する光量は光電変換部２２４が受光する光量よりも多い。
【００６０】
受光量の多い光電変換部の位置は実施形態１とは反対になっているが、２つの光電変換部における受光量に差があると、実施形態１と同様に光量不足と飽和のトレードオフの問題が生じる。
【００６１】
＜光電変換部の容量変化による効果＞
本実施形態における固体撮像素子２０３では、受光する光量が相対的に多い光電変換部２２２、２２３の深さを、受光する光量が相対的に少ない光電変換部２２１、２２４の深さよりも深くしている。即ち、瞳透過率の低い瞳領域１３１，１３４からの光を受光する光電変換部２２１、２２４よりも、瞳透過率の高い瞳領域１３２、１３３の光を受光する光電変換部２２２、２２３の容量を大きくしている。これにより、瞳領域１３１、１３４を通過した光を受光する光電変換部２２１、２２４における光量不足と、瞳領域１３２、１３３を通過した光を受光する光電変換部２２２、２２３における飽和を、同時に解決することが可能となる。
【００６２】
各光電変換部の深さを変える方法は、実施形態１で既に説明したのでここでの説明は省略する。
【００６３】
＜本実施形態の効果＞
以上で示したように、本実施形態を採用することにより、実施形態１の場合と同様に、ズーム状態、フォーカス状態によらず、固体撮像素子全面において、測距精度の向上が実現できる。
【００６４】
なお、本実施形態においても実施形態１に示した種々の変形を採用可能である。
【００６５】
［実施形態３］
実施形態１、２における固体撮像素子は光電変換部の深さによって容量を変えていたのに対し、実施形態３における固体撮像素子３０３中の測距画素は光電変換部の面内の大きさ（面積）を変えることによって容量を変えている。光電変換部の面内の大きさを変えるには、基板１１３にイオンを注入する領域の大きさを変えればよい。
【００６６】
以下では、実施形態１と同様に、結像光学系１０１の射出瞳１３０が固体撮像素子３０３から無限遠の位置にある場合に最適化されている場合を示す。射出瞳１３０が固体撮像素子から近い位置にある場合に最適化されている場合には、実施形態１と実施形態２の関係と同様に、光電変換部の位置関係を、第一の方向に沿って反転すればよい。
【００６７】
図９（ａ）は、固体撮像素子３０３内の測距画素の配置を示した図である。図９（ｂ）（ｃ）は、測距画素３１０，３１１の構成を示した断面図である。この図には、光電変換部のみを示したが、実施形態１と同様に、光電変換部の上部にはマイクロレンズ１１２が設けられている。測距画素３１０は、固体撮像素子３０３のマイナス方向（−Ｘ方向）の周辺領域３０５に位置する測距画素である。測距画素３１０では、光電変換部３２２より
も光電変換部３２１の、第一の方向とは垂直な第二の方向（Ｙ方向）の長さが長い（図９（ｂ））。一方、測距画素３１１は、固体撮像素子３０３のプラス方向（＋Ｘ方向）の周辺領域３０６に位置する測距画素である。測距画素３１１では、光電変換部３２３よりも光電変換部３２４の、第一の方向とは垂直な第二の方向（Ｙ方向）の長さが長い（図９（ｃ））。即ち、相対的に瞳透過率の低い瞳領域からの光を受光する光電変換部３２２，３２３よりも、相対的に瞳透過率の高い瞳領域からの光を受光する光電変換部３２１，３２４の容量が大きくなっている。これにより、瞳透過率の低い瞳領域を通過した光を受光する光電変換部における光量不足と、瞳透過率の高い瞳領域を通過した光を受光する光電変換部における飽和を、同時に解決することが可能となる。
【００６８】
なお、従来の固体撮像素子において、２つの光電変換部の容量を共に大きくするという方法も考えられる。しかし、実施形態１，２で説明したように消費電力が不必要に増大するという問題がある。さらに、光電変換部の面内の大きさを変える場合には、測距画素の画素面積が限られているので、２つの光電変換部の容量を共に大きくすることは難しいという問題も生じる。本実施形態では、受光する光量が相対的に少ない光電変換部の容量を相対的に小さく、受光する光量が相対的に多い光電変換部の容量を相対的に大きくしているため、限られた画素面積で、測距像の品質低下が防止できる。
【００６９】
＜受光領域と光電変換部の関係＞
図９（ｄ）、（ｅ）のように、容量が相対的に大きい（面積が大きい）光電変換部３２１、３２４は、測距画素３１０、３１１の光受光領域３２５に完全に包含されていない方が好ましい。すなわち、光電変換部３２１、３２４の一部の領域は、光受光領域３２５以外に位置することが好ましい。言葉を換えると、容量が相対的に大きい光電変換部３２１、３２４は、入射光が到達しない非受光領域を含むことが好ましい、とも表現できる。このような構成が好ましい理由を、以下で説明する。なお、光受光領域とは、測距画素の基板表面において、入射光が到達する領域のことであり、マイクロレンズ１１１による集光特性や配線によるケラレ等によって決まる。
【００７０】
光電変換部が光受光領域に完全に包含されている場合、光電変換部の面内方向の大きさが大きいほど、光電変換部に入射する光量が増加する。そのため、容量が大きい方の光電変換部３２１、３２４が光受光領域３２５に完全に包含されると、光電変換部３２１、３２４に入射する光量も増えてしまう。光電変換部３２１、３２４が光受光領域に包含されないと、光受光領域に含まれない部分（図９（ｃ）でハッチングした領域）では受光しないため、入射する光量を増加させずにすむ。光電変換部３２１、３２４を光受光領域に包含させないようにすることは、配線の下部まで光電変換部３２１、３２４を伸ばす、光電変換部３２１、３２４の一部を遮光膜で覆う等の方法で、実現できる。
【００７１】
上記のような構成により、受光量の少ない光電変換部における光量不足と、受光量の多い光電変換部における飽和を、より容易に解決することができるため、好ましい。
【００７２】
＜ＦＤ共用＞
第一の方向（Ｘ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）の長さを変えて光電変換部の容量を変化させることで、トランジスタ（Ｔｒ）やフローティングディフュージョン（ＦＤ）などを設けやすくなるという利点もある。具体的には、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、光電変換部３２２、３２３のＹ方向の上端位置は光電変換部３２１、３２４のＹ方向の上端位置と一致させつつ、光電変換部３２２、３２３のＹ方向長さを短くする。すなわち、光電変換部３２２、３２３のＹ方向の下端位置を、光電変換部３２１、３２４のＹ方向の下端位置よりも＋Ｙ方向側とする。このような構成とすることで、光電変換部３２２、３２３のＹ方向の下端よりも下側のスペースが空くため、ここにＴｒやＦＤなどの回路素子を設けることが可能となる。なお、光電変換部３２２、３２３のＹ方向の下端位置は光電変
換部３２１、３２４と同じにした状態で、Ｙ方向の長さを短くしてもよい。この場合は、光電変換部３２２、３２３のＹ方向の上端よりも上側にスペースが空く。これらの方法以外にも、光電変換部３２２、３２３の中心のＹ位置が測距画素３１０、３１１の中心のＹ位置からずれるように光電変換部３２２、３２３のＹ方向長さを短くすれば同様の効果が得られる。
【００７３】
更に、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すように、Ｙ方向に隣接する２つの測距画素において、各々の測距画素中の光電変換部３２２、３２３の中心を、２つの測距画素の隣接部から離れた方向にずらすことが好ましい。具体的には、Ｙ方向上側の測距画素では、光電変換部３２２のＹ方向上端を光電変換部３２１のＹ方向上端と一致させ、Ｙ方向下側の測距画素で、光電変換部３２２のＹ方向下端を光電変換部３２１のＹ方向下端と一致させる。このような条件で光電変換部３２１のＹ方向長さを短くすることで、２つの測距画素の光電変換部３２２の間に、スペースを空けることができる。このスペースに、当該２つの測距画素で共用されるＦＤ（電荷検出部）を配置することが好ましい。複数の画素でＦＤを共用することで、限られた画素面積内で配線などレイアウトの自由度を増すことができる。
【００７４】
［実施形態４］
本実施形態における固体撮像素子４０３は、第一の方向（Ｘ方向）の長さの変化により光電変換部の容量を変える。
【００７５】
以下では、実施形態１と同様に、結像光学系１０１の射出瞳１３０が固体撮像素子４０３から無限遠の位置にある場合に最適化されている場合を示す。射出瞳１３０が固体撮像素子から近い位置にある場合に最適化されている場合には、実施形態１と実施形態２の関係と同様に、光電変換部の位置関係を、第一の方向に沿って反転すればよい。
【００７６】
図１１（ａ）は固体撮像素子４０３に含まれる測距画素４１０および４１１の配置を示した図である。図１１（ｂ）（ｃ）は、各測距画素４１０および４１１の構成を示した断面図である。測距画素４１０は、固体撮像素子４０３のマイナス方向（−Ｘ方向）の周辺領域４０５に位置する測距画素である。測距画素４１０では、光電変換部４２２よりも光電変換部４２１の、Ｘ方向（第一の方向）の長さを長くしている（図１１（ｂ））。一方、測距画素４１１は、固体撮像素子４０３のプラス方向（＋Ｘ方向）の周辺領域４０６に位置する測距画素である。測距画素４１１では、光電変換部４２３よりも光電変換部４２４の、Ｘ方向（第一の方向）の長さを長くしている（図１１（ｃ））。これにより、瞳透過率の低い瞳領域を通過した光を受光する光電変換部における光量不足と、瞳透過率の高い瞳領域を通過した光を受光する光電変換部における飽和を、同時に解決することが可能となる。
【００７７】
実施形態３と同様に容量の大きい（面積の大きい）光電変換部４２１、４２４は、測距画素４１０、４１１の光受光領域４２５に完全には包含されていない方が好ましい。すなわち、Ｘ方向の長さが長い光電変換部４２１、４２４は、入射光を受光しない非受光領域が含まれることが好ましい。
【００７８】
＜基線長変化＞
また、１つの測距画素内の２つの光電変換部の中心が、光受光領域４２５の中心からＸ方向（第一の方向）にずれている場合、瞳分割の特性も制御することが可能となるため、好ましい。特に、図１１（ｄ）、（ｅ）のように、２つの光電変換部の中心を、容量が小さい光電変換部４２２、４２３側にずらせば、配線レイアウトを大きく変更することなく、瞳分割特性を制御できる。
【００７９】
［実施形態５］
上記実施形態１〜４では、光電変換部の実効的な深さ、Ｙ方向の長さ、Ｘ方向の長さのいずれかを変えることで、その容量を変化させている。本実施形態では、これら複数の方法を組み合わせて光電変換部の容量を変化させる。光電変換部の容量は、光電変換部の実効的な深さ、Ｘ方向とは垂直な方向の長さ、Ｘ方向の長さ、の３つの積で決定される。これらを組み合わせて、瞳透過率が相対的に低い瞳領域を通過する光を選択的に受光する光電変換部の容量よりも、瞳透過率が相対的に高い瞳領域を通過する光を受光する光電変換部の容量を大きくすれば良い。
【００８０】
［実施形態６］
上記実施形態１〜５では、全ての光電変換部について同じ方法により容量を変化させている。本実施形態では、測距画素によって光電変換部の容量のさせ方を変える。図１２（ａ）は本実施形態にかかる固体撮像素子４０３における測距画素の配置を示す図であり、図１２（ｂ）は測距画素の構成を示す断面図である。図に示すように本実施形態では、Ｘ方向の長さによって容量を変化させた測距画素４１２と、光電変換部の深さによって容量を変化させた測距画素４１３を近接して配置している。
【００８１】
更に、測距画素４１２の２つの光電変換部の中心は、光受光領域４２５の中心からＸ方向にずれている。また、測距画素４１３の２つの光電変換部の中心は、光受光領域４２５の中心に一致している。即ち、測距画素４１２内の２つの光電変換部の中心の光受光領域の中心からのずれは、測距画素４１３内の２つの光電変換部の中心の光受光領域の中心からのずれの大きさとは異なっている。
【００８２】
なお、図１２（ａ）（ｂ）には、−Ｘ方向の周辺領域４０５の測距画素のみを示したが、＋Ｘ方向の周辺領域でも、光電変換部の位置関係が第一の方向に反転して配置されている。このような構成とすることで、ズーム状態や被写体によらず、更に高精度な測距が可能となる。以下でその原理について説明する。
【００８３】
図１３に、各測距画素中の光電変換部の感度特性を示す。光電変換部４２６が受光する瞳領域は、光電変換部４２８が受光する瞳領域よりも中央に寄っており、光電変換部４２７が受光する瞳領域は、光電変換部４２９が受光する瞳領域よりも周辺に寄っている。また、光電変換部４２６が受光する光量は、光電変換部４２８が受光する光量よりも多く、光電変換部４２７が受光する光量は、光電変換部４２９が受光する光量よりも少ない。
【００８４】
光電変換部４２８で取得した測距像と光電変換部４２７で取得した測距像を使用して測距を行った場合、分割された瞳領域間の距離が長いため、測距精度が向上する。一方、光電変換部４２６で取得した測距像と光電変換部４２９で取得した測距像を使用した場合、受光する光量が多く測距像の品質が向上する。
【００８５】
従って、ズーム状態や被写体によって、使用する光電変換部を切り替えることで、瞳領域間の距離と測距像の品質のどちらを優先して測距するかを、選択することが可能となる。
【００８６】
＜測距画素の近接配置＞
測距画素４１２と測距画素４１３とは、同じ被写体からの光束の一部を受光するように、近傍に配置することが望ましい。望ましくは、４画素以内、更に望ましくは、２画素以内の距離に配置することが望ましい。図１２には、測距画素４１２と測距画素４１３を隣接して配置した例を示している。
【００８７】
［実施形態７］
本実施形態では、Ｙ方向に瞳分割して測距を行う固体撮像素子５０３に本発明を適用し
た場合を示す。
【００８８】
以下では、実施形態１と同様に、結像光学系１０１の射出瞳１３０が固体撮像素子４０３から無限遠の位置にある場合に最適化されている場合を示す。射出瞳１３０が固体撮像素子から近い位置にある場合に最適化されている場合には、実施形態１と実施形態２の関係と同様に、Ｙ方向に沿って光電変換部の容量の大小関係を反転させればよい。
【００８９】
図１４（ａ）は、固体撮像素子５０３に含まれる測距画素５１０、５１１の配置を示した図である。図１４（ｂ）（ｃ）は、測距画素５１０、５１１の構成を示した断面図である。測距画素５１０、５１１の基板内には、マイクロレンズ１１２の光軸を中心として、Ｙ方向に対称な位置に配置された光電変換部５２１、５２３及び光電変換部５２２、５２４が形成されている。基板面内方向における光電変換部５２１、５２３と光電変換部５２２、５２４の形状は等しい。このような構成とすることで、光電変換部５２１、５２３と、光電変換部５２２、５２４の感度のＹＺ断面における入射角依存性を互いに異ならせることができる。
【００９０】
また、受光する光量が相対的に多い光電変換部５２１、５２４の容量が、受光する光量が相対的に少ない光電変換部５２２、５２３の容量よりも大きくなっている。具体的には、固体撮像素子５０３の−Ｙ方向の周辺領域５０５に配置されている測距画素５１０については、＋Ｙ方向側の光電変換部５２２よりも、−Ｙ方向側の光電変換部５２１の容量が大きくなっている。また、固体撮像素子５０３の＋Ｙ方向の周辺領域５０６に配置されている測距画素５１１については、−Ｙ方向側の光電変換部５２３よりも、＋Ｙ方向側の光電変換部５２４の容量が大きくなっている。なお、容量を変化させる方法は、上記で説明した任意の方法を採用可能である。
【００９１】
これにより、瞳透過率の低い瞳領域を通過した光を受光する光電変換部５２２，５２３における光量不足と、瞳透過率の高い瞳領域を通過した光を受光する光電変換部５２１、５２４における飽和を、同時に解決できる。以上により、Ｘ方向に伸びた線分で構成される被写体についても、ズーム状態、フォーカス状態によらず、固体撮像素子全面において、測距精度の向上と撮像画像品質の向上が実現できる。
【００９２】
Ｘ方向の瞳分割を行う測距画素と、Ｙ方向の瞳分割を行う測距画素を同時に配置しても良い。これらの測距画素はいずれも、２つの光電変換部の対、瞳透過率が相対的に高い瞳領域に対応する光電変換部の容量が大きく構成される。このような構成とすることで、Ｘ方向に伸びた線分で構成される被写体および、Ｙ方向に伸びた線分で構成される被写体のどちらについても測距を行うことができる。この場合も、瞳透過率の大小関係に応じて、光電変換部の容量を決めれば良い。
【００９３】
［その他］
以上の実施形態では、瞳分割の方法としてマイクロレンズによる方法を用いたが、これに限定されるものではない。図１５（ａ）に示すように導波路１１４を用い、導波モードによって分割を行っても良い。第一の瞳領域を通って導波路に入射する光が結合する支配的な導波モードと、第二の瞳領域を通って導波路に入射する光が結合する支配的な導波モードが異なる。そのため、第一の瞳領域を通った光束を選択的に第一の光電変換部に導き、第二の瞳領域を通った光束を選択的に第二の光電変換部に導くことができる。図１５（ｂ）に示すように瞳分割用の導波路１１５と、光電変換部への導光用の導波路１１６を用いても良いし、図１５（ｃ）に示すように、瞳分割用のマイクロレンズと、光電変換部への導光用の導波路を同時に用いても良い。導波路を用いる事で、画素に入射した光を効率良く光電変換部に導くことが可能となり、より高品質な測距像を得ることができ、より高精度な測距ができる。図１５に示す変形例においても、実施形態２で示したマイクロレン
ズの偏心を組み合わせても良い。
【００９４】
上記で種々の実施形態およびその変形例を説明したが、これらの内容はいずれも可能な限り組み合わせて本発明を構成することが可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１０１：結像光学系
１０３：固体撮像素子
１１０、１１１：測距画素
１２１、１２２、１２３、１２４：光電変換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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