(57)【要約】【課題】焦点検出の性能を劣化させることなく良好な画像を取得可能な光電変換装置を提供する。【解決手段】光電変換装置は、複数のマイクロレンズと、複数のマイクロレンズのうち第１のマイクロレンズを共有する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子と、複数のマイクロレンズのうち第２のマイクロレンズを共有する第３の光電変換素子および第４の光電変換素子とを有し、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子との間に形成された第１のポテンシャル障壁は、第３の光電変換素子と第４の光電変換素子との間に形成された第２のポテンシャル障壁よりも低い。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロレンズと、
前記複数のマイクロレンズのうち第１のマイクロレンズを共有する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子と、
前記複数のマイクロレンズのうち第２のマイクロレンズを共有する第３の光電変換素子および第４の光電変換素子と、を有し、
前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子との間に形成された第１のポテンシャル障壁は、前記第３の光電変換素子と前記第４の光電変換素子との間に形成された第２のポテンシャル障壁よりも低い、ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子は、撮影光学系の互いに異なる瞳領域を通過する光束を受光し、
前記第３の光電変換素子および前記第４の光電変換素子は、前記撮影光学系の互いに異なる瞳領域を通過する光束を受光する、ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１のポテンシャル障壁および前記第２のポテンシャル障壁は、撮影光学系の射出瞳の分割方向に応じて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１のポテンシャル障壁および前記第２のポテンシャル障壁は、撮影光学系を介して入射する光束の角度に応じて配置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項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記複数のマイクロレンズは、撮像面に配列されており、
前記撮像面の領域を、第１の領域と、該第１の領域よりも光学中心に近い第２の領域とするとき、該第１の領域において前記複数のマイクロレンズに含まれる前記第１のマイクロレンズの割合は、該第２の領域において該複数のマイクロレンズに含まれる前記第２のマイクロレンズの割合よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第２の領域は、撮影光学系の射出瞳の分割方向において、前記第１の領域よりも前記光学中心に近い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１の領域の像高は、前記第２の領域の像高よりも高いことを特徴とする請求項５または６に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記複数のマイクロレンズのそれぞれに対応する複数の色に感度を有するカラーフィルタを更に有し、
前記第１のポテンシャル障壁および前記第２のポテンシャル障壁は、前記カラーフィルタに応じて配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第１のポテンシャル障壁は、前記複数の色のうち最も感度の高い色のカラーフィルタに対応するように設けられている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１のポテンシャル障壁は、前記複数の色のうち最も密度の高い色のカラーフィルタに対応するように設けられている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１１】
前記カラーフィルタは、前記複数の色として赤色、緑色、青色を含むベイヤー配列であり、
前記第１のポテンシャル障壁は、前記緑色のカラーフィルタに対応するように設けられていることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記第１のポテンシャル障壁は、第１の半導体領域により構成され、
前記第２のポテンシャル障壁は、第２の半導体領域により構成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
前記第１の半導体領域は、第１の不純物濃度を有し、
前記第２の半導体領域は、第２の不純物濃度を有し、
前記第１の不純物濃度は、前記第２の不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項１２に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
撮影光学系と、
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項１５】
前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子との第１の加算信号、および、前記第３の光電変換素子と前記第４の光電変換素子との第２の加算信号に基づいて撮像信号を生成する信号処理手段を更に有することを特徴とする請求項１４に記載の撮像システム。
【請求項１６】
前記第３の光電変換素子および前記第４の光電変換素子からの信号に基づいて、位相差検出方式の焦点制御を行う制御手段を更に有することを特徴とする請求項１４または１５に記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換装置に関し、さらに詳細には光電変換素子間の分離構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光電変換装置において、複数の光電変換素子で生じた信号を一つの画素の信号として処理するものがある。特許文献１には、結像光学系の射出瞳を分割した領域を通る複数の光束を、画素ユニット内の複数の光電変換素子で受光して独立に読み出し、位相差方式の焦点検出を行う方法が開示されている。また特許文献１には、画素ユニット内の複数の光電変換素子の出力信号に対して加算等の演算を行うことにより、複数の光電変換素子の出力信号を１画素分の画素信号として取り扱う方法が開示されている。
【０００３】
画素ユニット内の複数の光電変換素子において感度や入射光量の差があると、画素ユニットの出力信号の線形性が損なわれ、画質劣化を生じる場合がある。特許文献２には、画素ユニット内の複数の光電変換素子間のポテンシャル障壁を下げることで、画素ユニット出力の線形性を維持または改善した光電変換装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５０９３１号公報
【特許文献２】特開２０１３−８４７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に開示されている光電変換装置では、画素ユニット内の複数の光電変換素子間のポテンシャル障壁を下げることにより、画素ユニット内の複数の光電変換素子の分離精度が低下し、位相差方式の焦点検出の性能が劣化してしまう。
【０００６】
そこで本発明は、焦点検出の性能の劣化を抑えて良好な画像を取得可能な光電変換装置および撮像システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光電変換装置は、複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズのうち第１のマイクロレンズを共有する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子と、前記複数のマイクロレンズのうち第２のマイクロレンズを共有する第３の光電変換素子および第４の光電変換素子とを有し、前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子との間に形成された第１のポテンシャル障壁は、前記第３の光電変換素子と前記第４の光電変換素子との間に形成された第２のポテンシャル障壁よりも低い。
【０００８】
本発明の他の側面としての撮像システムは、撮影光学系と、前記光電変換装置とを有する。
【０００９】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、焦点検出の性能の劣化を抑えて良好な画像を取得可能な光電変換装置および撮像システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】各実施形態における撮像装置の概略図である。
【図２】各実施形態における光電変換ユニットの構成図である。
【図３】各実施形態における光電変換ユニットの断面構造、ポテンシャル概念図、および、画素アレイ内でのポテンシャル障壁の高さ分布を示す図である。
【図４】各実施形態において、ポテンシャル障壁が高い光電変換ユニットの電子発生の模式図である。
【図５】各実施形態において、ポテンシャル障壁が低い光電変換ユニットの電子発生の模式図
【図６】第３の実施形態におけるベイヤー配列のカラーフィルタを示す模式図である。
【図７】各実施形態において、光電変換ユニットの上面の概略図（上下分割）画素アレイ内でのポテンシャル障壁の高さ分布を示す図である。
【図８】各実施形態において、光電変換ユニットの上面の概略図（上下左右分割）画素アレイ内でのポテンシャル障壁の高さ分布を示す図である。
【図９】各実施形態において、物体の結像関係を模式的に示す図である。
【図１０】各実施形態において、位相差方式の焦点検出を模式的に説明する図である。
【図１１】各実施形態における光電変換ユニットの等価回路図である。
【図１２】各実施形態における撮像システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各実施形態において、光電変換装置として撮像装置の例を示すが、各実施形態は撮像装置以外にも光電変換を利用する装置であれば適用可能である。
【００１３】
（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態における撮像装置（光電変換装置）について説明する。図１は、本実施形態における撮像装置の概略図である。図１において、撮像装置１００は、画素アレイ１０１、および、画素アレイ１０１における行を選択する垂直選択回路１０２を含む。画素アレイ１０１には、複数の光電変換ユニットが配置されている。好ましくは、複数の光電変換ユニットは２次元状に配置される。垂直選択回路１０２は、所定の行を選択し、選択された所定の行に含まれる光電変換ユニットから、信号が垂直出力線に出力される。垂直出力線は、列ごともしくは複数の列ごと、または、各画素列に複数設けることができる。列回路１０３は、複数の垂直出力線に並列に読み出された信号を入力する。列回路１０３は、信号の増幅、アナログデジタル変換、ノイズ除去などの処理を行う。水平選択回路１０４は、列回路１０３に保持された信号を順次選択し、不図示の水平出力線へ出力する。シリアルインターフェイス１０５は、例えば、動作モードを外部から決定するために外部との通信を行う。なお撮像装置１００は、図１に示される構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路１０２、水平選択回路１０４、および、列回路１０３にタイミングを提供するタイミングジェネレータや制御回路などを備えてもよい。また、図１に示される撮像装置１００は、各実施形態の全てにおいて適用可能である。また垂直、水平は、便宜的に付した名称であり、入れ替え可能である。
【００１４】
続いて、図２を参照して、撮像装置１００の光電変換ユニットの構成について説明する。図２は、撮像装置１００の光電変換ユニットの構成図であり、２行、２列に配置された４つの光電変換ユニットを上面からみた図である。２０１は１つの光電変換ユニットである。図２には、４つの光電変換ユニット２０１が示されている。本実施形態では、光電変換ユニット２０１ごとに、１つのマイクロレンズ２０２が対応して設けられている。また、１つの光電変換ユニット２０１は、複数の光電変換素子（本実施形態では２つの光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２）を有する。光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２は、浮遊拡散領域を共有して構成されている。光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２で発生した電荷は、それぞれ図示しない転送トランジスタのゲートによって、浮遊拡散領域に転送される。図２に示される光電変換ユニット２０１を、更に多数行列状に配置することにより、画素アレイ１０１が構成される。
【００１５】
続いて、図１１を参照して、光電変換ユニット２０１の回路構成について説明する。図１１は、光電変換ユニット２０１の等価回路図であり、各光電変換素子に対応してそれぞれが異なる機能を有するトランジスタを個別に設けた例を示している。
【００１６】
光電変換素子１４０１ａ、１４０１ｂで生じた電荷は、転送トランジスタ１４０２ａ、１４０２ｂにより増幅トランジスタ１４０３ａ、１４０３ｂの入力ノードに転送される。増幅トランジスタ１４０３ａ、１４０３ｂの入力ノードは、増幅トランジスタ１４０３ａ、１４０３ｂのゲートおよびこれに電気的に接続された浮遊拡散領域により構成される。選択トランジスタ１４０４ａ、１４０４ｂのゲートに、選択トランジスタ１４０４ａ、１４０４ｂがオンとなるパルスが供給されることで、増幅トランジスタ１４０３ａ、１４０３ｂの入力ノードに応じた信号が、垂直出力線１４０６に出力される。垂直出力線１４０６は、電流源１４０７に接続されている。そして、リセットトランジスタ１４０５ａ、１４０５ｂにより、増幅トランジスタ１４０３ａ、１４０３ｂの入力ノードの電圧が所定の電圧に設定される。このような回路構成において、選択トランジスタ１４０４ａ、１４０４ｂを排他的にオンさせることで光電変換素子１４０１ａ、１４０１ｂの信号を列回路に読み出し、加算等を行うことで焦点検出と画像生成とを行うことが可能である。
【００１７】
続いて、図９および図１０を参照して、撮像装置１００を用いた、位相差検出による焦点検出と画像生成の一例について説明する。図９は、物体の結像関係を模式的に示す図であり、撮影レンズ９００の射出瞳から出た光束が撮像装置９０１に入射する概念図である。２０２はマイクロレンズ、３０１はカラーフィルタである。光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２は、１つのマイクロレンズ２０２により集光される光が入射する複数の光電変換素子である。９０２は、撮影レンズ９００の射出瞳（瞳領域）である。ここでは、マイクロレンズ２０２を有する光電変換ユニットに対して、射出瞳９０２から出た光束の中心を光軸９０３とする。射出瞳９０２から出た光は、光軸９０３を中心として撮像装置９０１に入射する。９０６、９０７は、射出瞳９０２の一部領域９０４（瞳分割領域）を通過する光の最外周の光線である。９０８、９０９は、射出瞳９０２の一部領域９０５（瞳分割領域）を通過する光の最外周の光線である。図９に示されるように、射出瞳９０２から出る光束のうち、光軸９０３を境にして、上側の光束は光電変換素子ＰＤ１に入射し、下側の光束は光電変換素子ＰＤ２に入射する。すなわち光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２は、各々、撮影レンズ９００の射出瞳９０２の別の領域（互いに異なる瞳領域）の光を受光している。
【００１８】
撮像装置９０１は、この特性を生かして位相差検出を行う。画素内の領域において、撮像領域を上面から見た際に、１つのマイクロレンズ２０２で集光される光が入射する複数の光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２に対し、一方のＰＤから得られるデータを第１ラインとし、他方のＰＤから得られるデータを第２ラインとする。そして各ライン間の相関データを求めることにより、位相差を検出することができる。例えば、図９において、１つのマイクロレンズ２０２により集光される光が入射する光電変換素子のうち下側に配されたＰＤ１のデータを第１ラインとし、上側に配されたＰＤ２のデータを第２ラインとする。この場合、光電変換素子ＰＤ１は第１ラインのデータのうちの１画素分の出力となり、光電変換素子ＰＤ２は第２ラインのデータのうちの１画素分の出力となる。
【００１９】
図１０は、位相差方式の焦点検出を模式的に説明する図であり、点光源を結像したときのラインデータを示している。図１０（ａ）は、ピントが合った状態（合焦状態）における第１ラインと第２ラインのデータである。横軸は、画素位置を表し、縦軸は出力を表す。ピントが合っている場合、第１ラインと第２ラインは互いに重なる。図１０（ｂ）は、ピントが合っていない場合（非合焦状態）のラインデータである。このとき、第１ラインと第２ラインは位相差を有し、画素位置がずれている。この場合のずれ量１００１を算出すると、ピントが合っている状態とどれだけずれているかがわかる。このような方法で位相を検出し、レンズを駆動することにより、ピントを合わすことができる。また、光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２からの信号を別々に撮像装置９０１から読み出し、位相差を検出する計算を行った後に加算することで、ＰＤ１、ＰＤ２を含む光電変換ユニットの出力画素として、画像を生成することができる。
【００２０】
次に、図３を参照して、本実施形態における光電変換ユニットの断面構造について説明する。図３（ａ）は、図２の光電変換ユニット２０１の破線Ａ−Ｂ間の断面構造を示している。図３（ａ）において、２０２はマイクロレンズ、３０１はカラーフィルタである。３０２は配線層であり、ここでは異なる高さに配された３つの配線層を示している。半導体領域３０３上に配されたＰ型半導体領域３０４、および、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂによりＰＮ接合が構成される。半導体領域３０３として、例えばＰ型半導体基板またはＮ型半導体基板を用いることができる。
【００２１】
Ｐ型半導体領域３０４およびＮ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂにより、それぞれ、光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２（以下ＰＤ１、ＰＤ２）が構成される。Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂは、電子に対してポテンシャルが低くなっており、信号電荷を収集する領域である。また、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂの入射面側にＰ型半導体領域を配して、いわゆる埋め込み型のフォトダイオードを構成してもよい。
【００２２】
ＰＤ１、ＰＤ２は、同一の光電変換ユニット内で左右一方向に、互いに隣接して配置されており、マイクロレンズ２０２により集光された光が入射される。ＰＤ１、ＰＤ２にそれぞれ含まれるＮ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂの間にはＰ型半導体領域３０６が配され、Ｎ型半導体領域２０３ａ、２０３ｂ間において、電子に対するポテンシャル障壁として機能し得る。光電変換ユニット内のポテンシャル障壁の高さは、隣接する光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２間の半導体領域（Ｐ型半導体領域３０６）の不純物濃度によって規定される。なお、各実施形態および請求の範囲において、単に「不純物濃度」という用語が使用された場合、逆導電型の不純物によって補償された正味の不純物濃度（いわゆるＮＥＴ濃度）を意味している。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域は、Ｐ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域は、Ｎ型半導体領域である。
【００２３】
図３（ｂ）、（ｃ）は、図３（ａ）の半導体領域の信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示す図である。図３（ｂ）、（ｃ）において、８０１、８０２は、それぞれ、ポテンシャル障壁の高さである。図３（ｃ）に示されるポテンシャル障壁の高さ８０２（第１のポテンシャル障壁の高さ）は、図３（ｂ）に示されるポテンシャル障壁の高さ８０１（第２のポテンシャル障壁の高さ）よりも低い。本実施形態の撮像装置では、図３（ｂ）、（ｃ）に示されるように、画素アレイ１０１内の位置に応じて、ポテンシャル障壁の高さが異なる光電変換ユニットが混在して配置されている。
【００２４】
図４は、画素アレイ１０１内に配置された、ポテンシャル障壁の高い光電変換ユニットで発生した電子の状態を示す模式図である。図４（ａ）に示されるようなポテンシャル障壁の高い光電変換ユニットでは、隣接する半導体領域で、発生した電子をそれぞれ独立に取り出すことができる。このため、これらを利用して、位相差検出方式の焦点調整を行うのに好適である。
【００２５】
一方、光電変換ユニットに対して斜め方向から光が入射した場合、図４（ｂ）に示されるように、隣接する半導体領域で発生する電子の量に差が生じる。このため図４（ｃ）に示されるように、一部の光電変換素子の出力が飽和して、光電変換素子の信号を合成して得られる画像出力の線形性が損なわれる場合がある。図４（ｃ）は、１つの光電変換ユニットに含まれる２つの光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２の入出力特性、および、ＰＤ１、ＰＤ２の出力を合成した合成入出力特性を示す。横軸が入射光量であり縦軸は光電変換素子からの出力である。合成出力は、少なくとも光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２の信号を加算することで得られる。合成出力を得るために、平均化、さらに増幅等をしてもよい。
【００２６】
図４（ｃ）は、仮にＰＤ１の方が、ＰＤ２より感度が高い、または、光が多く入力している様子を、範囲１３０１、１３０２、１３０３に関してそれぞれ示している。光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２への入射光が範囲１３０１内の場合、ＰＤ１の方がＰＤ２より発生電荷が多い。ＰＤ１は飽和していないため、ＰＤ１とＰＤ２を合成した出力は適切な出力が得られる。ところが、ＰＤ１が飽和し、かつＰＤ２が飽和していない場合（範囲１３０２）、ＰＤ２のみが、入射光に応じて線形性を有した信号が出力される。そのため、合成出力は、ＰＤ１が飽和したところ（出力１３０４）からＰＤ２の出力で決定される。結果として、合成出力はＰＤ１が飽和したところから、ニー特性を持ってしまい（出力１３０５〜１３０６）、画像出力の線形性が損なわれる。
【００２７】
図５は、画素アレイ１０１内に配置された、ポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットで発生した電子の状態を示す模式図である。図３（ｃ）に示されるようなポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットでは、斜め方向から光が入射した場合、図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、発生した電子が、ポテンシャル障壁を超えて、隣接する半導体領域に移動する。したがって、光電変換ユニット内の一部の光電変換素子が飽和することがない。このため、図５（ｃ）に示されるように、同一の光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の出力を合成して、画像信号を生成する際に、信号レベルの線形性が維持され、画像信号の色や明るさが好ましい画像を得ることができる。図５（ｃ）は、２つの光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２の入出力特性とＰＤ１、ＰＤ２の出力を合成した合成入出力特性を示す。横軸が入射光量であり縦軸は光電変換素子からの出力である。図５（ｃ）では、ＰＤ１の方が、ＰＤ２より感度が高い、または、入射光量が大きい場合を仮定し、範囲４０１〜４０４のそれぞれについて示している。光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２への入射光量が範囲４０１の場合、ＰＤ１の方がＰＤ２より発生する電子の量が多い。このとき、ＰＤ１とＰＤ２の合成出力は適切な値を示している。
【００２８】
ＰＤ１が飽和して、ＰＤ２が飽和していない場合の範囲４０２において、ＰＤ１で発生した電子はポテンシャル障壁を乗り越え、ＰＤ２に移動し得る。したがって、範囲４０２において、ＰＤ２の出力は、ＰＤ２で発生した電子とＰＤ１で発生した電子の一部を合成した電荷量に基づくものとなる。このように本実施形態では、所定のポテンシャル障壁の高さを低くする。このような構造により、ＰＤ１で発生した電子の一部を、ＰＤ２に移動させることができ、入射光量が範囲４０２においても（ＰＤ１が出力３０７の場合）、ＰＤ１とＰＤ２の合成出力が線形性を有する出力となる。範囲４０３においては、ＰＤ１、ＰＤ２とも低いポテンシャル障壁で規定される飽和レベルを超え、高いポテンシャル障壁で規定される飽和レベルとなる（出力３０７〜４０５）。範囲４０４においては、ＰＤ１、ＰＤ２とも高いポテンシャル障壁で規定される飽和レベルまで達しているため、合成出力も飽和する（出力３０８）。
【００２９】
一方、ポテンシャル障壁が低いことにより、斜め方向からの入射光でなくても、入射光量の大きい場合、電荷が隣接する半導体領域に漏れこむため、それぞれ独立した画素信号として、取り出すことができず、位相差検出方式の焦点調整に適さない場合がある。
【００３０】
ここで、画素アレイにおいて、斜め方向から入射される光の量は、光学中心から離れるほど多くなる。さらに、撮像面の画素信号を参照して、位相差検出方式の焦点調整を行う際に、画素アレイの周辺部まで、全ての光電変換ユニットの信号を参照する必要はない。
【００３１】
したがって、本実施形態の撮像装置では、画素アレイ内で、光学中心に近く、斜め方向からの入射光成分が少ない領域ほどポテンシャル障壁の高い光電変換ユニットの配置密度を高くするように構成する。一方、画素アレイ内で、光学中心から離れていて、斜め方向からの入射光成分が多い領域ほど、ポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットの配置密度を高くするように構成する。より具体的には、画素アレイ１０１内に、ポテンシャル障壁の異なる光電変換ユニットを混在させて配置し、光学中心から離れた領域ほど、ポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットの配置密度を高める。
【００３２】
本実施形態では、光電変換ユニットの内部の光電変換素子が水平方向に隣接しているため、水平方向において光電変化素子間の感度差が生じる。したがって、図３（ｄ）に示されるように、画素アレイ１０１の中心から水平方向に離れた領域ほど、ポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットを多く配置するように構成する。例えば、領域５００、５０１、５０２のそれぞれにおいて、ポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットの割合が０％、４０％、８０％となるように配置される。
【００３３】
本発明の撮像装置では、以上のような構成を採用することにより、位相差検出方式の焦点調整の性能と、生成画像の線形性の維持を両立することができる。
【００３４】
本実施形態は、光電変換ユニット内で、水平方向に２つの光電変換素子が配置された構成を採用しているが、これに限定されるものではない。図７（ａ）に示されるように、垂直方向に２つの光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２を配置する構成を採用することができる。また、図８（ａ）に示されるように、１つの光電変換ユニット内に、２行、２列の４つの光電変換素子ＰＤ１〜ＰＤ４を配置する構成を採用してもよい。１つのマイクロレンズ２０２に対応する光電変換素子の個数は、４個以上など、２個または４個以外であってもよい。
【００３５】
図７（ａ）に示されるように、光電変換ユニット内の光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２が垂直方向に沿って隣接する場合、各光電変換素子間の感度差は、垂直方向に発生する。したがって、図７（ｂ）に示されるように、光学中心から垂直方向に離れた領域ほど、ポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットの配置密度を高くするように構成する。例えば、図７（ｂ）中の領域５００、５０１、５０２のそれぞれにおいて、ポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットの割合が０％、４０％、８０％となるように配置される。
【００３６】
また、図８（ａ）に示されるように、光電変換ユニット内の光電変換素子ＰＤ１〜ＰＤ４が垂直方向および水平方向に隣接する場合、各光電変換素子間の感度差は、像高方向に発生する。したがって、図８（ｂ）に示されるように、光学中心から離れた領域ほど（像高が高くなるにつれて）、ポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットの配置密度を高くするようにする。例えば、図８（ｂ）中の領域５００、５０１、５０２のそれぞれにおいて、ポテンシャル障壁の低い光電変換ユニットの割合が０％、４０％、８０％となるように配置される。
【００３７】
このように本実施形態において、光電変換装置は、複数のマイクロレンズ２０２を含む画素アレイ１０１を有する。また光電変換装置は、複数のマイクロレンズ２０２のうち一つのマイクロレンズ２０２（第１のマイクロレンズ）を共有する複数の光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２（第１の光電変換素子および第２の光電変換素子）を有する。また光電変換装置は、複数のマイクロレンズ２０２のうち他の一つのマイクロレンズ（第２のマイクロレンズ）を共有する複数の光電変換素子（第３の光電変換素子および第４の光電変換素子）を有する。また、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子との間に形成された第１のポテンシャル障壁（Ｐ型半導体領域３０６）は、第３の光電変換素子と第４の光電変換素子との間に形成された第２のポテンシャル障壁よりも低い。
【００３８】
好ましくは、第１の光電変換素子および第２の光電変換素子は、撮影光学系の互いに異なる瞳領域（瞳分割領域）を通過する光束を受光する。同様に、第３の光電変換素子および第４の光電変換素子は、撮影光学系の互いに異なる瞳領域を通過する光束を受光する。また好ましくは、第１のポテンシャル障壁および第２のポテンシャル障壁は、撮影光学系の射出瞳の分割方向に応じて配置されている。また好ましくは、第１のポテンシャル障壁および第２のポテンシャル障壁は、撮影光学系を介して入射する光束の角度に応じて（すなわち、画素アレイ１０１中の位置に応じて）配置されている。
【００３９】
好ましくは、複数のマイクロレンズ２０２は、撮像面（画素アレイ１０１の表面）に例えば二次元状に配列されている。ここで、撮像面の領域を、第１の領域と、第１の領域よりも光学中心（画素アレイ１０１の領域の中心）に近い第２の領域とする。このとき、第１の領域において複数のマイクロレンズ２０２に含まれる第１のマイクロレンズの割合は、第２の領域において複数のマイクロレンズ２０２に含まれる第２のマイクロレンズの割合よりも大きい。より好ましくは、第２の領域は、撮影光学系の射出瞳の分割方向において、第１の領域よりも光学中心に近い。またより好ましくは、第１の領域の像高は、第２の領域の像高よりも高い。
【００４０】
好ましくは、第１のポテンシャル障壁は、第１の半導体領域（本実施形態ではＰ型半導体領域）により構成され、第２のポテンシャル障壁は、第２の半導体領域（本実施形態ではＰ型半導体領域）により構成されている。より好ましくは、第１の半導体領域は第１の不純物濃度を有し、第２の半導体領域は第２の不純物濃度を有し、第１の不純物濃度は第２の不純物濃度よりも高い。
【００４１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態における光電変換装置（撮像装置）について説明する。本実施形態の光電変換装置は、ベイヤー配列のカラーフィルタを有し、光学中心からの距離、および、各光電変換ユニットに配置されたカラーフィルタの分光特性に応じて、各光電変換ユニットのポテンシャル障壁の高さが異なるように構成されている。
【００４２】
ベイヤー配列のカラーフィルタに含まれる、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各カラーフィルタは、分光特性が互いに異なる。例えば、一般的な撮影シーンで用いられる昼光色相当の光を入射した場合、Ｇのフィルタの出力が最も感度が高くなる。すなわち、一般的な撮影シーンでは、Ｇのフィルタが配置された光電変換ユニットは、他の色のフィルタが配置された光電変換ユニットよりも、飽和しやすい。
【００４３】
したがって、画素アレイ内で、光学中心から離れた位置にあり、Ｇのフィルタが配置された光電変換ユニットは、他のカラーフィルタが配置された光電変換ユニットよりも、光電変換素子間のポテンシャル障壁の低いものの割合が多くなるように構成される。これにより、斜め方向からの入射光成分によりＧのカラーフィルタが配置された光電変換ユニット内の光電変換素子が飽和し、画質が劣化することを緩和することができる。また、画素アレイ内で、Ｒ、Ｂのカラーフィルタが配置された光電変換ユニットは、Ｇのカラーフィルタが配置された光電変換ユニットよりもポテンシャル障壁が高い画素が多くなるように構成される。このため、Ｒ、Ｂのカラーフィルタが配置された光電変換ユニットの出力を用いて、位相差検出方式の焦点調節を高精度に行うことができる。
【００４４】
このように本実施形態の光電変換装置は、複数のマイクロレンズ２０２のそれぞれに対応する複数の色に感度を有するカラーフィルタ３０１を有する。そして、第１のポテンシャル障壁および第２のポテンシャル障壁は、カラーフィルタ３０１に応じて配置されている。好ましくは、第１のポテンシャル障壁は、複数の色のうち最も感度の高い色のカラーフィルタ（本実施形態ではＧのカラーフィルタ）に対応するように設けられている。
【００４５】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態における光電変換装置（撮像装置）について説明する。本実施形態の光電変換装置は、ベイヤー配列のカラーフィルタを有し、光学中心からの距離、および、各光電変換ユニットに配置されたカラーフィルタの配置密度に応じて、各光電変換ユニットのポテンシャル障壁の高さが異なるように構成されている。
【００４６】
図６は、ベイヤー配列のカラーフィルタを示す模式図である。図６に示されるように、ベイヤー配列のカラーフィルタは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色のフィルタが規則的に配置されており、ＲＧＢの中でＧのフィルタの配置密度が高くなっている（Ｇのフィルタの数が相対的に多い）。ここで、光電変換ユニット内の光電変換素子の出力を合成して得られるＲ、Ｇ、Ｂの画像信号に対して、輝度や色情報の生成、輪郭補償、ガンマ変換などの画像処理を行う場合、Ｒ、Ｇ、Ｂの各信号の線形性が維持されている必要がある。一方、光電変換ユニット内の光電変換素子の出力を独立して読み出して、位相差検出方式の測距（焦点調節）を行う場合、相関演算を行うことができればよいため、Ｒ、Ｇ、Ｂの全ての色情報が必要とは限らない。
【００４７】
したがって、配置密度の高いＧのカラーフィルタが配置された光電変換ユニットでは、位相差検出方式の焦点調節を行いながら画像信号を生成するため、画素アレイ内での光学中心からの距離に応じて、ポテンシャル障壁の高い画素と低い画素を混在させる。具体的には、Ｇのカラーフィルタを具備し、画素アレイ内で、光学中心に近い位置に配置されている光電変換ユニットについては、位相差検出方式の焦点調整処理の性能を優先して、ポテンシャル障壁が高くなるように構成する。また、Ｇのカラーフィルタを具備し、画素アレイ内で、光学中心から離れた位置に配置されている光電変換ユニットについては、斜め方向からの入射光成分による飽和を回避するため、ポテンシャル障壁が低くなるように構成する。また、Ｒ、Ｂのカラーフィルタが配置された光電変換ユニットについては、画面内の全領域で線形性を損なわずに画像信号を取得できるように、光電変換ユニット内のポテンシャル障壁の高さが低くなるように構成する。
【００４８】
このように本実施形態において、第１のポテンシャル障壁は、複数の色のうち最も密度の高い色のカラーフィルタに対応するように設けられている。好ましくは、本実施形態のカラーフィルタは、複数の色として赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を含むベイヤー配列であり、第１のポテンシャル障壁は、Ｇのカラーフィルタに対応するように設けられている。
【００４９】
（撮像システムへの応用）
次に、図１２を参照して、上述の各実施形態の光電変換装置（撮像装置）を適用可能な撮像システムの一例について説明する。図１２は、撮像システム１１００の概略図である。
【００５０】
図１２において、１１０１は、被写体の光学像を撮像素子１１０５（各実施形態の光電変換装置に相当する）に結像させるレンズ部（撮影光学系）である。レンズ部１１０１は、レンズ駆動装置１１０２によって、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。１１０３は、シャッタ（メカニカルシャッタ）であり、シャッタ駆動装置１１０４により制御される。１１０５は、レンズ部１１０１で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像素子である。１１０６は、撮像素子１１０５から出力される画像信号に各種の補正を行い、またデータを圧縮するなどの各種の信号処理を行う撮像信号処理回路（信号処理手段）である。１１０７は、撮像素子１１０５、撮像信号処理回路１１０６に、各種タイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生部である。１１０９は、各種演算と撮像装置全体を制御する制御部（制御手段）である。１１０８は、画像データを一時的に記憶するメモリ部（記憶手段）である。１１１０は、記録媒体に記録または読み出しを行うための記録媒体制御Ｉ／Ｆ部（インターフェース）である。１１１１は、画像データの記録または読み出しを行う半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体である。１１１２は、各種情報や撮影画像を表示する表示部である。
【００５１】
次に、撮影時における撮像システム１１００の動作について説明する。メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路１１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。続いて、レリーズボタン（不図示）が押されると、制御部１１０９は、撮像素子１１０５からのデータに基づいて測距演算を行い、測距結果に基づいて被写体までの距離の演算を行う。その後、レンズ駆動装置１１０２によりレンズ部１１０１を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判定した場合、再びレンズ部１１０１を駆動し測距を行う。測距演算は、撮像素子１１０５からのデータで求める以外にも、測距専用装置（不図示）で行ってもよい。
【００５２】
そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。撮影動作が終了すると、撮像素子１１０５から出力された画像信号は、撮像信号処理回路１１０６で画像処理され、制御部１１０９によりメモリ部１１０８に書き込まれる。撮像信号処理回路１１０６は、並べ替え処理、加算処理やその選択処理を行う。メモリ部１１０８に蓄積されたデータは、制御部１１０９の制御により、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１１０を通り、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１１１に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部（不図示）を通り直接コンピュータなどの外部装置に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００５３】
好ましくは、撮像信号処理回路１１０６は、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子との第１の加算信号、および、第３の光電変換素子と第４の光電変換素子との第２の加算信号に基づいて撮像信号を生成する。また好ましくは、制御部１１０９は、第３の光電変換素子および第４の光電変換素子からの信号に基づいて位相差検出方式の焦点制御を行う。
【００５４】
以上のとおり、各実施形態によれば、瞳分割による位相差方式の焦点検出（焦点調節）の性能および生成画像の線形性の維持を両立させることができる。このため各実施形態によれば、焦点検出の性能を劣化させることなく良好な画像を取得可能な光電変換装置および撮像システムを提供することが可能である。各実施形態は、光電変換素子の感度差や入射する光量差があるような構成に対しては特に有効である。
【００５５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１００  撮像装置（光電変換装置）
２０２  マイクロレンズ
３０６  Ｐ型半導体領域（ポテンシャル障壁）
ＰＤ１、ＰＤ２  光電変換素子
【図１】
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【図１２】
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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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