(57)【要約】【課題】焦点検出を可能にし、画素欠陥を回避し、撮像用信号に対する入射光の利用効率を高める。【解決手段】画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１は、入射光の可視域の所定波長成分を主として光電変換して撮像用信号となるべき電荷を蓄積するＮ型の撮像用電荷蓄積層５２と、入射光の赤外域の波長成分を主として光電変換して焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積するＮ型の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４とを有する。入射光の入射方向から見たときに少なくとも焦点検出用電荷蓄積層５３，５４の一部は、撮像用電荷蓄積層５２と重なるように、Ｐ型のシリコン基板５１に配置される。【選択図】図９
2008028105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、
２次元状に配置され各々が前記被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する複数の画素を備え、
前記複数の画素の各１つの画素は、入射光の可視域の所定波長成分を主として光電変換して前記撮像用信号となるべき電荷を得る撮像用光電変換部を有し、
前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記撮像用信号の他に、前記光学系の焦点調節状態を検出するための複数の焦点検出用信号を互いに独立して出力し得るように構成され、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素の前記撮像用光電変換部の他に、前記入射光の入射方向から見たときにそれぞれの少なくとも一部が当該画素の前記撮像用光電変換部と重なるように配置された複数の焦点検出用光電変換であって、前記入射光の赤外域の波長成分をそれぞれ主として光電変換してそれぞれ前記複数の焦点検出用信号となるべき電荷をそれぞれ得る複数の焦点検出用光電変換部を有し、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から互いに異なる方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換する、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部の数は２つであり、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部のうちの一方の焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１の領域からの光束を選択的に受光して光電変換し、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部のうちの他方の撮像用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記少なくとも一部の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記撮像用光電変換部は、第１導電型の第１の半導体層に配置され前記撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の撮像用電荷蓄積層を有し、
前記少なくとも１つの画素の前記各焦点検出用光電変換部は、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が前記第１の半導体層の一部を介して当該画素の前記撮像用電荷蓄積層と重なるように前記第１の半導体層に配置され当該画素の前記複数の焦点検出用信号のうちの１つの焦点検出用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の焦点検出用電荷蓄積層を有する、ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記少なくとも１つの画素の前記各焦点検出用光電変換部が有する前記焦点検出用電荷蓄積層の前記入射光の入射側の面は、前記第１の半導体層の前記入射光の入射側の面から４．０μｍ以上深い位置にあることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素に対して１対１に設けられ当該画素の前記撮像用光電変換部及び前記複数の焦点検出用光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、
２次元状に配置され各々が前記被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する複数の画素を備え、
前記複数の画素の各１つの画素は、入射光の可視域の所定波長成分を主として光電変換して前記撮像用信号となるべき電荷を得る撮像用光電変換部を有し、
前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記撮像用信号の他に、前記光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を独立して出力し得るように構成され、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素の前記撮像用光電変換部の他に、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が当該画素の前記撮像用光電変換部と重なるように配置された焦点検出用光電変換部であって、前記入射光の赤外域の波長成分を主として光電変換して前記焦点検出用信号となるべき電荷を得る焦点検出用光電変換部を有し、
前記少なくとも一部の画素のうちの一部の画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１の領域からの光束を選択的に受光して光電変換し、
前記少なくとも一部の画素のうちの他の一部の画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項７】
前記少なくとも一部の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記撮像用光電変換部は、第１導電型の第１の半導体層に配置され前記撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の撮像用電荷蓄積層を有し、
前記少なくとも１つの画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が前記第１の半導体層の一部を介して当該画素の前記撮像用電荷蓄積層と重なるように前記第１の半導体層に配置され当該画素の前記焦点検出用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の焦点検出用電荷蓄積層を有する、ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素に対して１対１に設けられ当該画素の前記撮像用光電変換部及び前記焦点検出用光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有することを特徴とする請求項６又は７記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記複数の画素は複数のグループに分けられ、
同じグループの前記画素の前記撮像用光電変換部が主として光電変換する前記入射光の前記所定波長成分は、互いに実質的に同一であり、
異なるグループの前記画素の前記撮像用光電変換部が主として光電変換する前記入射光の前記所定波長成分は、互いに実質的に異なる、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記少なくとも一部の画素は、カラーフィルタを有することを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、
２次元状に配置され各々が前記被写体像を示す画像信号を形成するための複数の撮像用信号を出力する複数の画素を備え、
前記複数の画素の各１つの画素は、入射光の入射方向から見たときに互いに重なるように配置された複数の撮像用光電変換部であって、前記入射光の互いに異なる波長成分をそれぞれ主として光電変換してそれぞれ前記複数の撮像用信号となるべき電荷をそれぞれ得る複数の撮像用光電変換部を有し、
前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記複数の撮像用信号の他に、前記光学系の焦点調節状態を検出するための複数の焦点検出用信号を互いに独立して出力し得るように構成され、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素の前記複数の撮像用光電変換部の他に、前記入射光の入射方向から見たときにそれぞれの少なくとも一部が当該画素の前記複数の撮像用光電変換部と重なるように配置された複数の焦点検出用光電変換部であって、当該画素の前記複数の撮像用光電変換部がそれぞれ主として光電変換する前記入射光の波長成分のうちのいずれの波長成分よりも長い前記入射光の波長成分を主として光電変換してそれぞれ前記複数の焦点検出用信号となるべき電荷をそれぞれ得る複数の焦点検出用光電変換部を有し、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から互いに異なる方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換する、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１２】
前記複数の画素の前記複数の撮像用光電変換部がそれぞれ主として光電変換する前記入射光の波長成分は、いずれも可視域の波長成分であり、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素に関して、当該画素の前記複数の焦点検出用光電変換部がそれぞれ主として光電変換する前記入射光の波長成分は、いずれも赤外域の波長成分である、
ことを特徴とする請求項１１記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部の数は２つであり、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部のうちの一方の焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１の領域からの光束を選択的に受光して光電変換し、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部のうちの他方の撮像用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する、
ことを特徴とする請求項１１又は１２記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記少なくとも一部の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記各撮像用光電変換部は、第１導電型の第１の半導体層に配置され当該画素の前記複数の撮像用信号のうちの１つの撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の撮像用電荷蓄積層を有し、
前記少なくとも１つの画素の前記各撮像用光電変換部が有する前記撮像用電荷蓄積層は、前記入射光の入射方向から見たときに互いに前記第１の半導体層の一部を介して重なるように前記第１の半導体層に配置され、
前記少なくとも１つの画素の前記各焦点検出用光電変換部は、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が前記第１の半導体層の一部を介して当該画素の前記各撮像用光電変換部が有する前記撮像用電荷蓄積層と重なるように前記第１の半導体層に配置され当該画素の前記複数の焦点検出用信号のうちの１つの焦点検出用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の焦点検出用電荷蓄積層を有する、ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、
２次元状に配置され各々が前記被写体像を示す画像信号を形成するための複数の撮像用信号を出力する複数の画素を備え、
前記複数の画素の各１つの画素は、入射光の入射方向から見たときに互いに重なるように配置された複数の撮像用光電変換部であって、前記入射光の互いに異なる波長成分をそれぞれ主として光電変換してそれぞれ前記複数の撮像用信号となるべき電荷をそれぞれ得る複数の撮像用光電変換部を有し、
前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記複数の撮像用信号の他に、前記光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を独立して出力し得るように構成され、
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素の前記複数の撮像用光電変換部の他に、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が当該画素の前記複数の撮像用光電変換部と重なるように配置された焦点検出用光電変換部であって、当該画素の前記複数の撮像用光電変換部がそれぞれ主として光電変換する前記入射光の波長成分のうちのいずれの波長成分よりも長い前記入射光の波長成分を主として光電変換して前記焦点検出用信号となるべき電荷を得る焦点検出用光電変換部を有し、
前記少なくとも一部の画素のうちの一部の画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１の領域からの光束を選択的に受光して光電変換し、
前記少なくとも一部の画素のうちの他の一部の画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１６】
前記少なくとも一部の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記各撮像用光電変換部は、第１導電型の第１の半導体層に配置され当該画素の前記複数の撮像用信号のうちの１つの撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の撮像用電荷蓄積層を有し、
前記少なくとも１つの画素の前記各撮像用光電変換部が有する前記撮像用電荷蓄積層は、前記入射光の入射方向から見たときに互いに前記第１の半導体層の一部を介して重なるように前記第１の半導体層に配置され、
前記少なくとも１つの画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が前記第１の半導体層の一部を介して当該画素の前記各撮像用光電変換部が有する前記撮像用電荷蓄積層と重なるように前記第１の半導体層に配置され当該画素の前記焦点検出用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の焦点検出用電荷蓄積層を有する、ことを特徴とする請求項１５記載の固体撮像素子。
【請求項１７】
前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素に対して１対１に設けられ当該画素の前記複数の撮像用光電変換部及び前記焦点検出用光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有し、
前記複数の画素は、カラーフィルタを有していないことを特徴とする請求項１５又は１６記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれかに記載の固体撮像素子と、前記少なくとも一部の画素からの前記焦点検出用信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部を、備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１９】
請求項３，４，７，１４及び１６のいずれかに記載の固体撮像素子と、前記複数の画素から前記撮像用信号を得る場合に、前記撮像用電荷蓄積層に前記撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積している期間において、前記焦点検出用電荷蓄積層にリセット電位を供給する手段と、を備えた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、固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラや電子カメラ等の撮像装置が広く一般に普及している。これらのカメラには、ＣＣＤ型の固体撮像素子（下記特許文献１）や増幅型の固体撮像素子が使用されている。これらの固体撮像素子は、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する画素が、マトリクス状に複数配置されている。各画素は、入射光を光電変換して前記撮像用信号となるべき電荷を得る光電変換部を有している。増幅型の固体撮像素子では、光電変換部で得られた信号電荷を、画素に設けられた増幅部に導き、増幅部で増幅した信号を画素から出力する。増幅型の固体撮像装置には、例えば、増幅部に接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）を用いた固体撮像装置や、増幅部にＭＯＳトランジスタを用いた固体撮像装置（下記特許文献２，３）などがある。
【０００３】
光電変換部の光が入射する側には、マイクロレンズがオンチップに配置される。光電変換部以外の画素部に入射する光は、光信号に寄与せず無駄になる。マイクロレンズは、このように無駄となっていた光を光電変換部に集光させ、光量を増大させるために各画素に配置される。また、カラー映像を得るためには、カラーフィルタが光電変換部の上に配置される。カラーフィルタの組み合わせとしては、Ｒ、Ｇ、Ｂを用いる系や、補色系（例えば、マゼンタ、グリーン、シアン及びイエローを用いる系）が用いられる。また、カラーフィルタの配置としては、ベイヤー配列やストライプ配列などが周知である。
【０００４】
ところで、カメラなどの撮像装置では、自動焦点調節を実現するため、撮影レンズの焦点調節状態を検出する必要がある。従来は、固体撮像素子とは別個に焦点検出素子が設けられていた。しかし、その場合には、焦点検出素子やこれに光を導く焦点検出用光学系の分だけ、コストが増大したり装置が大型となったりする。
【０００５】
そこで、近年、焦点検出方式としていわゆる瞳分割位相差方式（瞳分割方式又は位相差方式などと呼ばれる場合もある。）を採用しつつ、焦点検出素子としても用いることができるように構成した固体撮像素子が提案されている（例えば、下記特許文献１〜３）。瞳分割位相差方式は、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成し、そのパターンズレ（位相シフト量）を検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。
【０００６】
特許文献１に開示された固体撮像素子は、複数の撮像用画素の他に、複数の第１の焦点検出用画素（特許文献１において符号「Ｓ１」が付された画素）と、複数の第２の焦点検出用画素（特許文献１において符号「Ｓ２」が付された画素）とを備えている。これらのいずれの画素も、光電変換部を１つだけ有している。特許文献１の図３及び図４に示されているように、いずれの画素も、光電変換部上に画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズを備えている。そして、マイクロレンズと光電変換部との間には、マイクロレンズの焦点面付近に遮光膜が設けられ、この遮光膜には、第１及び第２の焦点検出用画素ごとに開口が設けられている。第１の焦点検出用画素では、遮光膜の開口がマイクロレンズの光学中心に対して偏りを持つように配置され、第２の焦点検出用画素では、遮光膜の開口がマイクロレンズの光学中心に対して第１の焦点検出用画素とは逆方向に偏りを持つように配置されている。これによって、第１の焦点検出用画素は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。また、第２の焦点検出用画素は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から反対方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。なお、特許文献１に開示された固体撮像素子では、撮像用画素にはカラーフィルタが設けられているが、特許文献１の図３及び図４に示されているように、第１及び第２の焦点検出用画素には、カラーフィルタが設けられていない。
【０００７】
なお、第１及び第２の焦点検出用画素は焦点検出のためにのみ用いられ、撮影レンズの合焦後等において画像を撮像する場合は、画像信号における第１及び第２の焦点検出用画素の位置の画素信号として、例えば、それらの周囲の撮像画素の信号から補間処理して得た信号が用いられる。
【０００８】
また、特許文献２の図１２に開示された固体撮像素子では、全ての画素の各１つの画素は、２分割された光電変換部と、この２分割された光電変換部上に画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズを備えている。２分割された光電変換部は、マイクロレンズによって撮影レンズの射出瞳と略結像関係（すなわち、略共役）となる位置に配置されている。以上述べた関係から、各画素において、２分割された光電変換部の一方部分は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。また、各画素において、２分割された光電変換部の他方部分は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から反対方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。なお、特許文献２の図１２に開示された固体撮像素子では、全ての画素に、カラーフィルタが設けられている。
【０００９】
そして、特許文献２の図１２に開示された固体撮像素子では、焦点検出時には、各画素の２分割された光電変換部の一方部分の信号及び他方部分の信号が、異なるタイミングでフローティングディフュージョンに転送されて、それぞれ個別に読み出される。そして、瞳分割位相差方式の原理に従って、それらの信号に基づいて、撮影レンズの焦点調節状態が検出される。一方、撮影レンズの合焦後等において画像を撮像する場合は、各画素の２分割された光電変換部の両部分からの信号が同じタイミングで同じフローティングディフュージョンに転送されて、両信号が画素内で加算されて読み出される。
【００１０】
このように、特許文献２の図１２に開示された固体撮像素子では、全ての画素の各１つの画素は、２分割された光電変換部（したがって、基板の面方向に並んだ２つの光電変換部）を有し、撮像用画素及び焦点検出用画素の両方を兼用している。
【００１１】
特許文献３に開示された固体撮像素子は、特許文献２の図１２に開示された固体撮像素子と同様に構成されている。
【００１２】
また、特許文献２の図１乃至図１０に開示された固体撮像素子では、一部の画素のみを光電変換部が２分割されたものとする一方、残りの画素を光電変換部が分割されていないもの（すなわち、当該画素は光電変換部を１つだけ有するもの）とし、光電変換部が２分割されていない画素にはカラーフィルタを形成する一方、光電変換部が２分割されている画素にはカラーフィルタを形成していない。この固体撮像素子では、光電変換部が２分割された画素が焦点検出用信号を得るためにのみ用いられ、光電変換部が２分割されていない画素が撮像用信号を得るためにのみ用いられている。
【００１３】
ところで、カラー画像信号を得る場合、一般的な固体撮像素子では、各画素が１つの色の撮像用信号のみを得るように構成され、各色の画素がベイヤー配列等されている（特許文献１〜３）。
【００１４】
これに対し、特許文献４，５には、シリコンその他の半導体の光吸収係数は波長依存性が高く波長により半導体内部に到達する深さが異なるという特性を利用することで、各画素を、当該１つの画素から各色の撮像用信号（具体例には、Ｒ，Ｇ，Ｂの撮像信号）を互いに独立して出力するように構成された固体撮像素子が、開示されている。この固体撮像素子では、１つの画素に、入射光のＲ成分を主として光電変換するＲ用光電変換部、入射光のＧ成分を主として光電変換するＧ用光電変換部、及び、入射光のＢ成分を主として光電変換するＢ用光電変換部が設けられ、これら３つの光電変換部が入射光の入射方向から見たときにそれぞれ重なるように配置されている。特許文献４，５は焦点検出用信号を得るための構成は全く開示も示唆もしておらず、特許文献４，５に開示されている固体撮像素子では、撮像用信号のみしか得ることができず、焦点検出用信号を得ることはできない。
【特許文献１】特開２０００−１５６８２３号公報
【特許文献２】特開２００３−２４４７１２号公報
【特許文献３】特開２００２−３１４０６２号公報
【特許文献４】特表２００２−５１３１４５号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０１９４６５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１に開示された固体撮像素子や特許文献２の図１乃至図１０に開示された固体撮像素子では、焦点検出用画素は、焦点検出のためにのみ用いられて、画像撮像時には用いることができないため、焦点検出用画素の分だけ画素欠陥と同様の状態を招くことになり、いくら補間処理を行うとはいえ、撮像した画像の画質は劣化せざるを得ない。また、補間処理を行う回路を要するため、コストが増大するとともに大型化してしまう。
【００１６】
これに対し、特許文献２の図１２に開示された前記固体撮像素子や特許文献３に開示された前記固体撮像素子では、画像撮像時には、撮像用及び焦点検出用の両方を兼用する２分割光電変換部を有する画素については、２分割光電変換部の両部分からの信号が画素内で加算されて読み出されるため、画素欠陥と同様の状態による画質の劣化を回避することができる。
【００１７】
しかし、これらの固体撮像素子では、各画素の２分割光電変換部の両部分の間が入射光を光電変換し得ない不感帯となり、両部分間に入射した光が撮像用信号の形成に全く利用されないため、入射光の利用効率が低くなる。よって、撮像用信号を得る場合に２分割された両部分の信号を加算しても、分割されていない１つの光電変換部で撮像用信号を得る場合に比べて、撮像用信号が小さくなってしまう。すなわち、撮像用信号を得る場合において入射光の利用効率が低くなり、撮像用信号の感度が低下してしまう。
【００１８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、焦点検出素子としての機能を併せ持つことを前提とした上で、画素欠陥と同様の状態による画質の劣化を回避することができ、しかも、撮像用信号に対する入射光の利用効率を高めることができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による固体撮像素子は、光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、２次元状に配置され各々が前記被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する複数の画素を備えたものである。前記複数の画素の各１つの画素は、入射光の可視域の所定波長成分を主として光電変換して前記撮像用信号となるべき電荷を得る撮像用光電変換部を有する。前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記撮像用信号の他に、前記光学系の焦点調節状態を検出するための複数の焦点検出用信号を互いに独立して出力し得るように構成される。前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素の前記撮像用光電変換部の他に、前記入射光の入射方向から見たときにそれぞれの少なくとも一部が当該画素の前記撮像用光電変換部と重なるように配置された複数の焦点検出用光電変換であって、前記入射光の赤外域の波長成分をそれぞれ主として光電変換してそれぞれ前記複数の焦点検出用信号となるべき電荷をそれぞれ得る複数の焦点検出用光電変換部を有する。前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から互いに異なる方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換する。
【００２０】
本発明の第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部の数は２つであり、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部のうちの一方の焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１の領域からの光束を選択的に受光して光電変換し、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部のうちの他方の撮像用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換するものである。
【００２１】
本発明の第３の態様による固体撮像素子は、前記第１又は第２の態様において、前記少なくとも一部の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記撮像用光電変換部は、第１導電型の第１の半導体層に配置され前記撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の撮像用電荷蓄積層を有し、前記少なくとも１つの画素の前記各焦点検出用光電変換部は、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が前記第１の半導体層の一部を介して当該画素の前記撮像用電荷蓄積層と重なるように前記第１の半導体層に配置され当該画素の前記複数の焦点検出用信号のうちの１つの焦点検出用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の焦点検出用電荷蓄積層を有するものである。
【００２２】
本発明の第４の態様による固体撮像素子は、前記第３の態様において、前記少なくとも１つの画素の前記各焦点検出用光電変換部が有する前記焦点検出用電荷蓄積層の前記入射光の入射側の面は、前記第１の半導体層の前記入射光の入射側の面から４．０μｍ以上深い位置にあるものである。
【００２３】
本発明の第５の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素に対して１対１に設けられ当該画素の前記撮像用光電変換部及び前記複数の焦点検出用光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有するものである。
【００２４】
本発明の第６の態様による固体撮像素子は、光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、２次元状に配置され各々が前記被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する複数の画素を備えたものである。前記複数の画素の各１つの画素は、入射光の可視域の所定波長成分を主として光電変換して前記撮像用信号となるべき電荷を得る撮像用光電変換部を有する。前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記撮像用信号の他に、前記光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を独立して出力し得るように構成される。前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素の前記撮像用光電変換部の他に、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が当該画素の前記撮像用光電変換部と重なるように配置された焦点検出用光電変換部であって、前記入射光の赤外域の波長成分を主として光電変換して前記焦点検出用信号となるべき電荷を得る焦点検出用光電変換部を有する。前記少なくとも一部の画素のうちの一部の画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する。前記少なくとも一部の画素のうちの他の一部の画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する。
【００２５】
本発明の第７の態様による固体撮像素子は、前記第６の態様において、前記少なくとも一部の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記撮像用光電変換部は、第１導電型の第１の半導体層に配置され前記撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の撮像用電荷蓄積層を有し、前記少なくとも１つの画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が前記第１の半導体層の一部を介して当該画素の前記撮像用電荷蓄積層と重なるように前記第１の半導体層に配置され当該画素の前記焦点検出用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の焦点検出用電荷蓄積層を有するものである。
【００２６】
前記第７の態様において、前記少なくとも１つの画素の前記焦点検出用光電変換部が有する前記焦点検出用電荷蓄積層の前記入射光の入射側の面は、前記第１の半導体層の前記入射光の入射側の面から４．０μｍ以上深い位置にあってもよい。
【００２７】
本発明の第８の態様による固体撮像素子は、前記第６又は第７の態様において、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素に対して１対１に設けられ当該画素の前記撮像用光電変換部及び前記焦点検出用光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有するものである。
【００２８】
本発明の第９の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第８の態様において、前記複数の画素は複数のグループに分けられ、同じグループの前記画素の前記撮像用光電変換部が主として光電変換する前記入射光の前記所定波長成分は、互いに実質的に同一であり、異なるグループの前記画素の前記撮像用光電変換部が主として光電変換する前記入射光の前記所定波長成分は、互いに実質的に異なるものである。
【００２９】
本発明の第１０の態様による固体撮像素子は、前記第１２の態様において、前記少なくとも一部の画素は、カラーフィルタを有するものである。
【００３０】
前記第９又は第１０の態様において、前記複数の画素は、前記少なくとも一部の画素以外の画素を含み、前記少なくとも一部の画素以外の前記画素は、カラーフィルタを有してもよい。
【００３１】
本発明の第１１の態様による固体撮像素子は、光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、２次元状に配置され各々が前記被写体像を示す画像信号を形成するための複数の撮像用信号を出力する複数の画素を備えたものである。前記複数の画素の各１つの画素は、入射光の入射方向から見たときに互いに重なるように配置された複数の撮像用光電変換部であって、前記入射光の互いに異なる波長成分をそれぞれ主として光電変換してそれぞれ前記複数の撮像用信号となるべき電荷をそれぞれ得る複数の撮像用光電変換部を有する。前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記複数の撮像用信号の他に、前記光学系の焦点調節状態を検出するための複数の焦点検出用信号を互いに独立して出力し得るように構成される。前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素の前記複数の撮像用光電変換部の他に、前記入射光の入射方向から見たときにそれぞれの少なくとも一部が当該画素の前記複数の撮像用光電変換部と重なるように配置された複数の焦点検出用光電変換部であって、当該画素の前記複数の撮像用光電変換部がそれぞれ主として光電変換する前記入射光の波長成分のうちのいずれの波長成分よりも長い前記入射光の波長成分を主として光電変換してそれぞれ前記複数の焦点検出用信号となるべき電荷をそれぞれ得る複数の焦点検出用光電変換部を有する。前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から互いに異なる方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換する。
【００３２】
本発明の第１２の態様による固体撮像素子は、前記第１１の態様において、前記複数の画素の前記複数の撮像用光電変換部がそれぞれ主として光電変換する前記入射光の波長成分は、いずれも可視域の波長成分であり、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素に関して、当該画素の前記複数の焦点検出用光電変換部がそれぞれ主として光電変換する前記入射光の波長成分は、いずれも赤外域の波長成分であるものである。
【００３３】
本発明の第１３の態様による固体撮像素子は、前記第１１又は第１２の態様において、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部の数は２つであり、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部のうちの一方の焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１の領域からの光束を選択的に受光して光電変換し、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素の前記複数の焦点検出用光電変換部のうちの他方の撮像用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換するものである。
【００３４】
本発明の第１４の態様による固体撮像素子は、前記第１１乃至第１３のいずれかの態様において、前記少なくとも一部の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記各撮像用光電変換部は、第１導電型の第１の半導体層に配置され当該画素の前記複数の撮像用信号のうちの１つの撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の撮像用電荷蓄積層を有し、前記少なくとも１つの画素の前記各撮像用光電変換部が有する前記撮像用電荷蓄積層は、前記入射光の入射方向から見たときに互いに前記第１の半導体層の一部を介して重なるように前記第１の半導体層に配置され、前記少なくとも１つの画素の前記各焦点検出用光電変換部は、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が前記第１の半導体層の一部を介して当該画素の前記各撮像用光電変換部が有する前記撮像用電荷蓄積層と重なるように前記第１の半導体層に配置され当該画素の前記複数の焦点検出用信号のうちの１つの焦点検出用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の焦点検出用電荷蓄積層を有するものである。
【００３５】
前記第１４の態様において、前記少なくとも１つの画素の前記各焦点検出用光電変換部が有する前記焦点検出用電荷蓄積層の前記入射光の入射側の面は、前記第１の半導体層の前記入射光の入射側の面から４．０μｍ以上深い位置にあってもよい。
【００３６】
前記第１１乃至第１４の態様において、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素に対して１対１に設けられ当該画素の前記複数の撮像用光電変換部及び前記複数の焦点検出用光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有してもよい。
【００３７】
本発明の第１５の態様による固体撮像素子は、光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、２次元状に配置され各々が前記被写体像を示す画像信号を形成するための複数の撮像用信号を出力する複数の画素を備えたものである。前記複数の画素の各１つの画素は、入射光の入射方向から見たときに互いに重なるように配置された複数の撮像用光電変換部であって、前記入射光の互いに異なる波長成分をそれぞれ主として光電変換してそれぞれ前記複数の撮像用信号となるべき電荷をそれぞれ得る複数の撮像用光電変換部を有する。前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記複数の撮像用信号の他に、前記光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を独立して出力し得るように構成される。前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素の前記複数の撮像用光電変換部の他に、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が当該画素の前記複数の撮像用光電変換部と重なるように配置された焦点検出用光電変換部であって、当該画素の前記複数の撮像用光電変換部がそれぞれ主として光電変換する前記入射光の波長成分のうちのいずれの波長成分よりも長い前記入射光の波長成分を主として光電変換して前記焦点検出用信号となるべき電荷を得る焦点検出用光電変換部を有する。前記少なくとも一部の画素のうちの一部の画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する。前記少なくとも一部の画素のうちの他の一部の画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する。
【００３８】
前記第１５の態様において、前記複数の画素の前記複数の撮像用光電変換部がそれぞれ主として光電変換する前記入射光の波長成分は、いずれも可視域の波長成分であり、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素に関して、当該画素の前記焦点検出用光電変換部が主として光電変換する前記入射光の波長成分は、赤外域の波長成分であってもよい。
【００３９】
本発明の第１６の態様による固体撮像素子は、前記第１５の態様において、前記少なくとも一部の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記各撮像用光電変換部は、第１導電型の第１の半導体層に配置され当該画素の前記複数の撮像用信号のうちの１つの撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の撮像用電荷蓄積層を有し、前記少なくとも１つの画素の前記各撮像用光電変換部が有する前記撮像用電荷蓄積層は、前記入射光の入射方向から見たときに互いに前記第１の半導体層の一部を介して重なるように前記第１の半導体層に配置され、前記少なくとも１つの画素の前記焦点検出用光電変換部は、前記入射光の入射方向から見たときに少なくとも一部が前記第１の半導体層の一部を介して当該画素の前記各撮像用光電変換部が有する前記撮像用電荷蓄積層と重なるように前記第１の半導体層に配置され当該画素の前記焦点検出用信号となるべき前記電荷を蓄積する第２導電型の焦点検出用電荷蓄積層を有するものである。
【００４０】
前記第１６の態様において、前記少なくとも１つの画素の前記焦点検出用光電変換部が有する前記焦点検出用電荷蓄積層の前記入射光の入射側の面は、前記第１の半導体層の前記入射光の入射側の面から４．０μｍ以上深い位置にあってもよい。
【００４１】
本発明の第１７の態様による固体撮像素子は、前記第１５又は第１６のいずれかの態様において、前記少なくとも一部の画素の各１つの画素は、当該画素に対して１対１に設けられ当該画素の前記複数の撮像用光電変換部及び前記焦点検出用光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有し、前記複数の画素は、カラーフィルタを有していないものである。
【００４２】
本発明の第１８の態様による撮像装置は、前記第１乃至第１７のいずれかの態様による固体撮像素子と、前記少なくとも一部の画素からの前記焦点検出用信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部を、備えたものである。
【００４３】
前記第１８の態様において、前記検出処理部からの前記検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部を備えてもよい。
【００４４】
本発明の第１９の態様による撮像装置は、前記第３、第４、第７、第１４及び第１６のいずれかの態様による固体撮像素子と、前記複数の画素から前記撮像用信号を得る場合に、前記撮像用電荷蓄積層に前記撮像用信号となるべき前記電荷を蓄積している期間において、前記焦点検出用電荷蓄積層にリセット電位を供給する手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、焦点検出素子としての機能を併せ持つことを前提とした上で、画素欠陥と同様の状態による画質の劣化を回避することができ、しかも、撮像用信号に対する入射光の利用効率を高めることができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明による固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００４７】
［第１の実施の形態］
【００４８】
図１は、本発明の第１の実施の形態による撮像装置としての電子カメラ１を示す概略ブロック図である。電子カメラ１には、被写体像を結像する光学系としての撮影レンズ２が装着される。この撮影レンズ２は、レンズ制御部２ａによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ２の像空間には、撮影レンズ２により結像された被写体像を光電変換する固体撮像素子３の撮像面が配置される。
【００４９】
固体撮像素子３は、撮像制御部４の指令によって駆動され、信号を出力する。固体撮像素子３から出力される信号は、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号、撮影レンズ２の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号のいずれかである。いずれにおいても信号は、信号処理部５、及びＡ／Ｄ変換部６を介して処理された後、メモリ７に一旦蓄積される。メモリ７は、バス８に接続される。バス８には、レンズ制御部２ａ、撮像制御部４、マイクロプロセッサ９、焦点演算部（検出処理部）１０、記録部１１、画像圧縮部１２及び画像処理部１３なども接続される。上記マイクロプロセッサ９には、レリーズ釦などの操作部９ａが接続される。また、上記の記録部１１には記録媒体１１ａが着脱自在に装着される。この電子カメラ１の動作については、後述する。
【００５０】
本実施の形態では、固体撮像素子３と撮影レンズ２との間には、一般的に配置される少なくとも７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長域の光を実質的に完全遮断するＩＲカットコートの施された光学ローパスフィルタ（ＩＲカットフィルタ）は、配置されていない。これにより、本実施の形態では、およそ７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯（赤外域）の光も固体撮像素子３に入射するようになっている。
【００５１】
図２は、図１中の固体撮像素子３の概略構成を示す回路図である。固体撮像素子３は、マトリクス状に配置された複数の画素２０と、画素２０から信号を出力するための周辺回路とを有している。画素２０がマトリクス状に配置されている撮像領域を符号３１で示している。図２において、画素数は、横に４行縦に４行の１６個の画素２０を示している。しかし、本実施の形態では、画素数はそれよりもはるかに多くなっている。もっとも、本発明では、画素数は特に限定されるものではない。本実施の形態では、固体撮像素子３は、画素として後述する６種類の画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２を有しているが、図２ではそれらのいずれであるかを区別することなく、符号２０で示している。その具体的な回路構成や構造は、後述する。これらの画素２０は、周辺回路の駆動信号に従って、撮像用信号又は焦点検出用信号を出力する。
【００５２】
周辺回路は、垂直走査回路２１、水平走査回路２２、これらと接続されている駆動信号線２３，２４、画素２０からの信号を受け取る垂直信号線２５、垂直信号線２５と接続される定電流源２６及び相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）２７、ＣＤＳ回路２７から出力される信号を受け取る水平信号線２８、出力アンプ２９等からなる。
【００５３】
垂直走査回路２１及び水平走査回路２２は、電子カメラ１の撮像制御部４からの指令に基づいて駆動信号を出力する。各画素２０は、垂直走査回路２１から出力される駆動信号を所定の駆動信号線２３から受け取って駆動され、撮像用信号又は焦点検出用信号を垂直信号線２５に出力する。垂直走査回路２１から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動配線２３も複数ある。これらについては後述する。
【００５４】
画素２０から出力された信号は、ＣＤＳ回路２７にて所定のノイズ除去が施される。そして、水平走査回路２２の駆動信号により水平信号線２８及び出力アンプ２９を介して外部に信号が出力される。
【００５５】
図３は、図１中の固体撮像素子３（特にその撮像領域３１）を模式的に示す概略平面図である。本実施の形態では、図３に示すように、固体撮像素子３の撮像領域３１には、中央に配置された十字状をなす２つの焦点検出領域３２，３３と、両側に配置された２つの焦点検出領域３４，３５と、上下に配置された２つの焦点検出領域３６，３７とが、設けられている。なお、図３に示すように、互いに直交するＸ軸及びＹ軸を定義する。また、Ｘ軸方向のうち矢印の向きを＋Ｘ方向又は＋Ｘ側、その反対の向きを−Ｘ方向又は−Ｘ側と呼び、Ｙ軸方向についても同様とする。ＸＹ平面と平行な平面が固体撮像素子３の撮像面（受光面）と一致している。Ｘ軸方向の並びを行、Ｙ軸方向の並びを列とする。なお、入射光は図３の紙面手前側から奥側に入射する。これらの点は、後述する図についても同様である。
【００５６】
図４は、図３における焦点検出領域３５の付近を拡大した概略拡大図であり、画素配置を模式的に示している。図５は、図３における焦点検出領域３６の付近を拡大した概略拡大図であり、画素配置を模式的に示している。前述したように、固体撮像素子３は、画素２０として、６種類の画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２を有している。ただし、厳密に言えば、画素の種類は、後述する符号「Ｂ＊」、「Ｇ＊」、「Ｒ＊」の画素の決め方によっては、４種類又は５種類の場合もある。図４及び図５において、画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２には、それぞれ符号「Ｂ１」、「Ｂ２」、「Ｇ１」、「Ｇ２」、「Ｒ１」、「Ｒ２」を付している。図４及び図５において、符号「Ｂ＊」は画素２０Ｂ１及び画素２０Ｂ２のうちのいずれか任意の一方を示し、符号「Ｇ＊」は画素２０Ｇ１及び画素２０Ｇ２のうちのいずれか任意の一方を示し、符号「Ｒ＊」は画素２０Ｒ１及び画素２０Ｒ２のうちのいずれか任意の一方を示している。もっとも、本発明では、図４及び図５中の符号「Ｂ＊」、「Ｇ＊」、「Ｒ＊」を付した画素（焦点検出領域以外の領域の画素）として、画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１においてそれぞれ第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４（したがって、第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３）を取り除いたものを、用いてもよい。
【００５７】
画素２０Ｂ１，２０Ｂ２は青色の撮像用信号を出力するように構成され、画素２０Ｇ１，２０Ｇ２は緑色の撮像用信号を出力するように構成され、画素２０Ｒ１，２０Ｒ２は赤色の撮像用信号を出力するように構成されている。以下の説明では、出力する撮像用信号の色に着目して、画素２０Ｂ１，２０Ｂ２を青色の画素、画素２０Ｇ１，２０Ｇ２を緑色の画素、画素２０Ｒ１，２０Ｒ２を赤色の画素と呼ぶ場合がある。各色の画素がそれぞれ１つのグループをなしている。すなわち、本実施の形態では、画素２０は、青色の画素のグループと、緑色の画素のグループと、赤色の画素のグループの３つに分けられている。
【００５８】
本実施の形態では、各画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２は、当該画素の色の撮像用信号の他に、２つの焦点検出用信号を出力し得るように構成されている。後述するように、画素２０Ｂ１と画素２０Ｂ２とでは、得られる焦点検出用信号が撮影レンズ２の射出瞳のいずれの領域からの光束に基づくものであるかが異なる。画素２０Ｇ１と画素２０Ｇ２との関係、及び、画素２０Ｒ１と画素２０Ｒ２との関係についても、画素２０Ｂ１と画素２０Ｂ２との関係と同様である。
【００５９】
本実施の形態では、図４及び図５に示すように、青色の画素２０Ｂ１，２０Ｂ２、緑色の画素２０Ｇ１，２０Ｇ２及び赤色の画素２０Ｒ１，２０Ｒ２がベイヤー配列に従って配列されている。もっとも、本発明では、カラー用として構成する場合であっても、ベイヤー配列に限定されるものではない。
【００６０】
Ｙ軸方向に延びた焦点検出領域３５は、図４に示すように、緑色の画素２０Ｇ１と青色の画素２０Ｂ１とが交互に並んだＹ軸方向の列の一部である。Ｙ軸方向に延びた焦点検出領域３３，３４は、焦点検出領域３５と同様である。なお、焦点検出領域３５，３３，３４は、赤色の画素２０Ｒ１と緑色Ｇ１とが交互に並んだＹ軸方向の列の一部としてもよい。
【００６１】
Ｘ軸方向に延びた焦点検出領域３６は、図５に示すように、緑色の画素２０Ｇ２と赤色の画素２０Ｒ２とが交互に並んだＸ軸方向の行の一部である。Ｘ軸方向に延びた焦点検出領域３２，３７は、焦点検出領域３６と同様である。なお、焦点検出領域３６，３２，３７は、青色の画素２０Ｂ２と緑色Ｇ２とが交互に並んだＸ軸方向の行の一部としてもよい。
【００６２】
図６は、図１中の固体撮像素子３の画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２（図４及び図５参照）を示す回路図である。これらの画素は、同一の回路構成を有している。
【００６３】
各画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２は、図６に示すように、入射光の可視域の所定波長成分を主として光電変換して撮像用信号となるべき電荷を得る撮像用光電変換部としての撮像用フォトダイオード４１と、入射光の赤外域の波長成分を主として光電変換して第１の焦点検出用信号となるべき電荷を得る第１の焦点検出用光電変換部としての第１の焦点検出用フォトダイオード４２と、入射光の赤外域の波長成分を主として光電変換して第２の焦点検出用信号となるべき電荷を得る第２の焦点検出用光電変換部としての第２の焦点検出用フォトダイオード４３と、を有している。第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から互いに反対方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換する。
【００６４】
本実施の形態では、いずれの画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２においても、撮像用フォトダイオード４１は同一の構成を有しているが、後述するように、当該画素に応じた色のカラーフィルタが設けられることによって、撮像用フォトダイオード４１は、当該画素に応じた色の波長成分を主として光電変換する。青色の画素２０Ｂ１，２０Ｂ２では、青色波長成分を選択的に透過させる青色カラーフィルタ８８Ｂが設けられ、撮像用フォトダイオード４１は、入射光の青色波長成分を主として光電変換する。緑色の画素２０Ｇ１，２０Ｇ２では、緑色波長成分を選択的に透過させる緑色カラーフィルタ８８Ｇが設けられ、撮像用フォトダイオード４１は、入射光の緑色波長成分を主として光電変換する。赤色の画素２０Ｒ１，２０Ｒ２では、赤色波長成分を選択的に透過させる赤色カラーフィルタ８８Ｒが設けられ、撮像用フォトダイオード４１は、入射光の赤色波長成分を主として光電変換する。
【００６５】
また、各画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２は、所定部位としてのフローティングディフュージョン（ＦＤ）４４と、撮像用フォトダイオード４１からＦＤ４４へ電荷を転送する第１の転送ゲート部としての第１の転送トランジスタ４５と、第１の焦点検出用フォトダイオード４２からＦＤ４４へ電荷を転送する第２の転送ゲート部としての第２の転送トランジスタ４６と、第２の焦点検出用フォトダイオード４３からＦＤ４４へ電荷を転送する第３の転送ゲート部としての第３の転送トランジスタ４７と、ＦＤ４４の電荷量に応じた信号を出力する増幅部としての画素アンプ４８と、ＦＤ４４の電荷を排出させてＦＤ４４をリセットするリセット部としてのＦＤリセットトランジスタ４９と、画素アンプ４８の信号を当該画素から出力する選択スイッチとしての選択トランジスタ５０とを有している。
【００６６】
なお、本実施の形態では、画素アンプ４８、ＦＤリセットトランジスタ４９及び選択トランジスタ５０が１画素当たり１個ずつ使用されているが、これらは２画素又は４画素などの複数画素で共有されてもよい。
【００６７】
本実施の形態では、第１乃至第３の転送トランジスタ４５〜４７、画素アンプ４８、ＦＤリセットトランジスタ４９、選択トランジスタ５０は、いずれもＮＭＯＳトランジスタで構成されている。
【００６８】
第１の転送トランジスタ４５のゲート電極は、画素行ごとに共通に接続されて垂直走査回路２１から駆動配線２３を介して駆動信号φＴＧＡが供給される。第１の転送トランジスタ４５は、この駆動信号φＴＧＡに従って所定のタイミングで各行ごとに同時にオンとされ、撮像用フォトダイオード４１から撮像用信号となるべき電荷をＦＤ４４に転送する。
【００６９】
第２の転送トランジスタ４６のゲート電極は、画素行ごとに共通に接続されて垂直走査回路２１から駆動配線２３を介して駆動信号φＴＧＢが供給される。第２の転送トランジスタ４６は、この駆動信号φＴＧＢに従って所定のタイミングで各行ごとに同時にオンとされ、第１の焦点検出用フォトダイオード４２から第１の焦点検出用信号となるべき電荷をＦＤ４４に転送する。
【００７０】
第３の転送トランジスタ４７のゲート電極は、画素行ごとに共通に接続されて垂直走査回路２１から駆動配線２３を介して駆動信号φＴＧＣが供給される。第３の転送トランジスタ４７は、この駆動信号φＴＧＣに従って所定のタイミングで各行ごとに同時にオンとされ、第２の焦点検出用フォトダイオード４３から第２の焦点検出用信号となるべき電荷をＦＤ４４に転送する。
【００７１】
選択トランジスタ５０のゲート電極は、画素行ごとに共通接続されて垂直走査回路２１から駆動配線２３を介して駆動信号φＳが供給される。ＦＤリセットトランジスタ４９のゲート電極は、画素行ごとに共通接続されて垂直走査回路２１から駆動配線２３を介して駆動信号φＦＤＲが供給される。
【００７２】
なお、図６において、フォトダイオード４１〜４３の一方の端子及びＦＤ４４の一方の端子は、便宜的に接地として記載されている。しかし、実際は、後述する図８乃至図１０から理解されるとおりＰ型のシリコン基板５１の電位となる。
【００７３】
図７は、図１中の固体撮像素子３の画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１の主な要素を模式的に示す概略平面図である。図８は、図７中のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。図９は、図７中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。図１０は、図７中のＣ−Ｃ’線に沿った概略断面図である。
【００７４】
図７において、第１の焦点検出用フォトダイオード４２を構成する第１の焦点検出用電荷蓄積層５３、及び、第２の焦点検出用フォトダイオード４３を構成する第２の焦点検出用電荷蓄積層５４を、透過して示している。図７では、駆動配線は省略され、画素内の内部配線７３のみを示している。図７において、Ｏはマイクロレンズ６５の光軸を示している。
【００７５】
図９及び図１０では、基板５１上の主要な要素（すなわち、基板５１上に形成された層間絶縁膜６１、当該画素の有効受光領域に開口６２ａを有する遮光膜を兼ねる配線層６２、平坦化層６３，６４、カラーフィルタ８８Ｂ（８８Ｇ，８８Ｒ）、マイクロレンズ６５）も示しているが、図８ではそれらの図示は省略している。青色の画素２０Ｂ１では青色カラーフィルタ８８Ｂが設けられ、緑色の画素２０Ｇ１では緑色カラーフィルタ８８Ｇが設けられ、赤色の画素２０Ｒ１では赤色カラーフィルタ８８Ｒが設けられているが、この点以外については、画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１は全く同一の構造を有している。
【００７６】
図９及び図１０に示すように、画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１に対して１対１にマイクロレンズ６５が設けられている。遮光膜を兼ねる配線層６２は、マイクロレンズ６５の略焦点面に配置されている。ＦＤ４４、表面にも現れる深い拡散部５８，５９及び分離拡散部５６の領域は、配線層６２で遮光されている。なお、図９及び図１０では、層間絶縁膜６１中に配置される他の配線層等の図示は省略している。
【００７７】
図８乃至図１０に示すように、電荷蓄積層５２，５３，５４等を配置すべき第１の半導体層としてのＰ型のシリコン基板５１に所望の不純物拡散がなされて、電荷蓄積層５２，５３，５４や各種トランジスタ等が配置されている。なお、Ｎ型のシリコン基板上にＰ型のウエル又はエピタキシャル層を設けて、Ｐ型のウエル又はエピタキシャル層を前記第１の半導体層とし、それに対して電荷蓄積層５２，５３や各種トランジスタ等を配置してもよい。
【００７８】
Ｐ型シリコン基板５１に、撮像用フォトダイオード４１の一部を構成するＮ型の撮像用電荷蓄積層５２が配置されている。撮像用電荷蓄積層５２は、Ｎ型不純物の拡散によって形成される。本実施の形態では、撮像用フォトダイオード４１は、撮像用電荷蓄積層５２の他に、その基板表面側にＰ型の空乏化防止層５５を有しており、埋め込みフォトダイオードとして構成されている。もっとも、空乏化防止層５５を設けなくてもよい。
【００７９】
青色の画素２０Ｂ１の場合、青色カラーフィルタ８８Ｂが設けられているので、撮像用電荷蓄積層５２は、入射光の青色波長成分が主として光電変換されて青色の撮像用信号となるべき電荷を蓄積する。緑色の画素２０Ｇ１の場合、緑色カラーフィルタ８８Ｇが設けられているので、撮像用電荷蓄積層５２は、入射光の緑色波長成分が主として光電変換されて緑色の撮像用信号となるべき電荷を蓄積する。赤色の画素２０Ｒ１の場合、赤色カラーフィルタ８８Ｒが設けられているので、撮像用電荷蓄積層５２は、入射光の赤色波長成分が主として光電変換されて赤色の撮像用信号となるべき電荷を蓄積する。空乏化防止層５５の表面は、薄いシリコン酸化膜６６によって覆われている。
【００８０】
撮像用電荷蓄積層５２で蓄積された電荷は、ゲート電極７４を有する第１の転送トランジスタ４５がオンとなることによって、ＦＤ４４に転送される。
【００８１】
また、図９及び図１０に示すように、Ｐ型シリコン基板５１には、第１の焦点検出用フォトダイオード４２の一部を構成するＮ型の第１の焦点検出用電荷蓄積層５３、及び、第２の焦点検出用フォトダイオード４３の一部を構成するＮ型の第２の焦点検出用電荷蓄積層５４が配置されている。これらの電荷蓄積層５３，５４はいずれも、入射光の入射方向から見たときに少なくともその一部がＰ型シリコン基板５１のＰ型領域を介して撮像用電荷蓄積層５２と重なるように、配置されている。
【００８２】
本実施の形態では、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４は、撮像用電荷蓄積層５２の奥側（撮像用電荷蓄積層５２に対して深い側）に配置され、それらの深さ位置や厚さは互いに同じになっている。この深さ位置については、後述する。
【００８３】
本実施の形態では、図７に示すように、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４はマイクロレンズ６５の光軸Ｏに対して対称的に配置され、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は光軸Ｏに対して＋Ｙ側に配置され、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は光軸Ｏに対して−Ｙ側に配置されている。これによって、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から−Ｙ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、第１の焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積する。第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から＋Ｙ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、第２の焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積する。また、光軸Ｏは、撮像用電荷蓄積層５２の中心を通っている。
【００８４】
なお、シェーディングを低減するために、例えば、有効画素領域の中心部の画素では、マイクロレンズ６５の光軸Ｏと電荷蓄積層５２，５３，５４との位置関係が前述した位置関係となるようにマイクロレンズ６５を配置する一方、有効画素領域の周辺部の画素では、マイクロレンズ６５をその位置からずらして配置してもよい。
【００８５】
第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４は、撮像用電荷蓄積層５２では光電変換されずに透過された赤外域の波長成分を光電変換する。このため、入射光を効率良く利用することが可能となる。なお、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４は、それらの深さ位置や厚さは互いに同じになっているので、入射光の同じ波長成分を光電変換した電荷を蓄積する。
【００８６】
第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４も、Ｎ型不純物の拡散により形成されている。ただし、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４は、シリコン基板５１の表面から所定寸法の深さに高い精度で配置させることは必ずしも必要としない。第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４を配置させる画素において、その深さのばらつきが小さいなら、各々の信号を比較すれば焦点検出用信号として十分利用できるからである。
【００８７】
ここで、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４を形成すべき深さ位置について説明する。図１１は、一般的なカラーフィルタの透過率を示す図である。図１１に示す例では、青色、緑色及び赤色のいずれのカラーフィルタも、赤外域である８７０ｎｍから１０００ｎｍ程度までの波長域で相対透過率が１５％を超えている。本実施の形態では、入射光のこの波長域の成分を焦点検出用に利用する。波長が長いと信号電荷発生深さは深くなり、シミュレーションから、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４の上面の深さ位置は、シリコン基板５１の表面からおよそ４μｍ以上深い位置が好ましい。もっとも、本発明では、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４の深さ位置は、入射光の赤外域の波長成分が主として光電変換された電荷が蓄積される深さなら構わない。
【００８８】
第１の焦点検出用電荷蓄積層５３で蓄積された電荷は、その導電路をなすＮ型の深い拡散部５８を介してシリコン基板５１の表面側に導かれる。表面側に導かれた電荷は、ゲート電極７５を有する第２の転送トランジスタ４６がオンとなることによって、ＦＤ４４に転送される。
【００８９】
第２の焦点検出用電荷蓄積層５４で蓄積された電荷は、その導電路をなすＮ型の深い拡散部５９を介してシリコン基板５１の表面側に導かれる。表面側に導かれた電荷は、ゲート電極７６を有する第３の転送トランジスタ４７がオンとなることによって、ＦＤ４４に転送される。
【００９０】
ところで、従来から、固体撮像素子においては、可視光よりも長波長の入射光はシリコン基板中の深い位置まで侵入するので、高精細な撮像をする場合には、赤かぶりの問題が発生することが知られている。これは、長波長光は、シリコン基板の比較的深い部分で信号電荷を発生するので、大きなクロストークを生じさせるためである。このクロストークを低減させるために、従来は、固体撮像素子と撮影レンズとの間に長波長光カットフィルタ（ＩＲカットフィルタ）を装着しているが、当然ながらコスト増やスペース増をもたらす。これに対し、本実施の形態では、入射光の赤外域の波長成分を焦点検出用に利用するので、前述したように、ＩＲカットフィルタは設けられていないか、あるいは、７００ｎｍ〜１１００ｎｍを遮断する高波長分解能なＩＲカットフィルタは設けられていない。そのため、コスト低減及びスペース低減を図ることができる。本実施の形態では、このようにＩＲカットフィルタが設けられていないにも拘わらず、シリコン基板５１の深部で発生した電荷を排出しクロストークを低減させることができる。これは、画素から撮像用信号を得る場合に、撮像用電荷蓄積層５２に撮像用信号となるべき電荷を蓄積している期間において、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４にリセット電位を供給することによって、達成することができる。従って、全画素に焦点検出用電荷蓄積層と同様な層を設けることによって、ＩＲカットフィルタの効果を代替させることができる。本実施の形態では、撮像制御部４（図１参照）による制御下での垂直走査回路２１（図２参照）の機能である、後述する図１６中の時刻ｔ２１から時刻ｔ２３までの期間においてφＦＤＲ（ｎ）がハイの状態でφＴＧＢ（ｎ），φＴＧＣ（ｎ）をハイにする機能が、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４に前記リセット電位を供給する手段を構成している。
【００９１】
本実施の形態では、図９及び図１０に示すように、撮像用電荷蓄積層５２と深い拡散部５８，５９との間には、シリコン基板５１の表面側において、Ｐ型の不純物拡散層からなる分離層５６，５７がそれぞれ設けられている。分離層５６，５７の不純物濃度は、シリコン基板５１の不純物濃度よりも高くなっている。もっとも、撮像用電荷蓄積層５２と深い拡散部５８，５９との間の分離特性が十分であれば、分離層５６，５７は必ずしも設ける必要はない。
【００９２】
前述したように、第１乃至第３の転送トランジスタ４５〜４７のいずれかがオンとされると、フォトダイオード４１〜４３の電荷蓄積層５２〜５４のうちの対応する電荷蓄積層の電荷がＦＤ４４に転送される。
【００９３】
図７に示すように、ＦＤ４４は、互いに分離してシリコン基板５１に形成された４つのＮ型拡散層７２，７７，７８，７９を有し、これらのＮ型拡散層７２，７７，７８，７９を配線７３で電気的に接続することで、実質的に１つのフローティングディフュージョンとして構成されている。もっとも、図１２に示すように、３つに分割されていたＮ型拡散層７７，７８，７９を１つのＮ型拡散層７１にまとめてもよい。図１２は、図７に示す構成を変形した変形例に係る画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１の主な要素を模式的に示す概略平面図であり、図７に対応している。
【００９４】
図７に示すように、撮像用電荷蓄積層５２とＦＤ部４４のＮ型拡散層７７との間の上には、薄いシリコン酸化膜６６を介してゲート電極７４が形成されている。第１の転送トランジスタ４５は、ゲート電極７４をゲートとするとともに撮像用電荷蓄積層５２及びＦＤ部４４のＮ型拡散層７７をソース又はドレインとするＭＯＳトランジスタとして構成されている。
【００９５】
図７及び図９に示すように、深い拡散部５８の表面側部分とＦＤ部４４のＮ型拡散層７８との間の上には、薄いシリコン酸化膜６６を介してゲート電極７５が形成されている。第２の転送トランジスタ４６は、ゲート電極７５をゲートとするとともに拡散部５８及びＦＤ部４４のＮ型拡散層７８をソース又はドレインとするＭＯＳトランジスタとして構成されている。
【００９６】
図７及び図１０に示すように、深い拡散部５９の表面側部分とＦＤ部４４のＮ型拡散層７９との間の上には、薄いシリコン酸化膜６６を介してゲート電極７６が形成されている。第３の転送トランジスタ４７は、ゲート電極７６をゲートとするとともに拡散部５９及びＦＤ部４４のＮ型拡散層７９をソース又はドレインとするＭＯＳトランジスタとして構成されている。
【００９７】
また、シリコン基板５１には、図８に示すように、図７中のＡ−Ａ’線に沿って、Ｎ型拡散層７２の他に、Ｎ型拡散層８１，８２，８３がシリコン基板５１に形成されている。Ｎ型拡散層８１は、図示しない配線により電源ＶＤＤに接続されている。Ｎ型拡散層８１とＮ型拡散層８２との間の上には、薄いシリコン酸化膜６６を介してゲート電極８５が形成されている。画素アンプ４８は、ゲート電極８５をゲートとするとともにＮ型拡散層８１，８２をソース又はドレインとするＭＯＳトランジスタとして構成されている。なお、ゲート電極８５は、配線７３によって、ＦＤ４４（Ｎ型拡散層７２，７７，７８，７９）と電気的に接続されている。
【００９８】
Ｎ型拡散層８２とＮ型拡散層８３との間の上には、薄いシリコン酸化膜６６を介してゲート電極８６が配置されている。選択トランジスタ５０は、ゲート電極８６をゲートとするとともにＮ型拡散層８２，８３をソース又はドレインとするＭＯＳトランジスタとして構成されている。
【００９９】
また、ＦＤ４４のＮ型拡散層７２とＮ型拡散層８１との間の上には、薄いシリコン酸化膜６６を介してゲート電極８４が配置されている。ＦＤリセットトランジスタ４９は、ゲート電極８４をゲートとするとともにＮ型拡散層７２及びＮ型拡散層８１をソース又はドレインとするＭＯＳトランジスタとして構成されている。
【０１００】
なお、フィールド部分には、各素子を分離する分離領域として、ＬＯＣＯＳによる厚い酸化膜６７と、その下にＰ型の分離拡散部６８が設けられている。
【０１０１】
以上、画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１の構成について説明した。画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１では、前述したマイクロレンズ６５、撮像用電荷蓄積層５２並びに第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４の平面視での位置関係は、図７よりも更に抽象化して示すと、図１３に示す通りである。
【０１０２】
なお、製造時においては、例えば、Ｐ型のシリコン基板５１上に薄いシリコン酸化膜を形成する。次に、シリコン基板５１の所定領域にリンイオン等を複数回打ち込んで深い拡散部５８，５９を形成する。次いで、リンイオン等を打ち込んで第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４を形成する。その後、ボロンイオン等を打ち込んで分離拡散部６８を形成した後に、ＬＯＣＯＳにより厚い酸化膜６７を形成する。次に、リンイオン等を打ち込んで、撮像用電荷蓄積層５２を形成する。さらに、ボロンイオン等を打ち込んで空乏化防止層５５や分離層５６，５７を形成する。各イオンの注入条件等を適宜設定することで、前述した画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１を得ることができる。
【０１０３】
次に、図１中の固体撮像素子３の画素２０Ｂ２，２０Ｇ２，２０Ｒ２（図４及び図５参照）について説明する。図１４は、画素２０Ｂ２，２０Ｇ２，２０Ｒ２におけるマイクロレンズ６５、撮像用電荷蓄積層５２並びに第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４の平面視での位置関係を示す図であり、図１３に対応している。図１４において、図１３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１０４】
画素２０Ｂ２，２０Ｇ２，２０Ｒ２が画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１とそれぞれ異なる所は、画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１では、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は光軸Ｏに対して＋Ｙ側に配置されるとともに、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は光軸Ｏに対して−Ｙ側に配置されているのに対し、画素２０Ｂ２，２０Ｇ２，２０Ｒ２では、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は光軸Ｏに対して−Ｘ側に配置されるとともに、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は光軸Ｏに対して＋Ｘ側に配置されている点と、これに伴って、図面には示していないが、各トランジスタ等の配置が変更されている点のみである。
【０１０５】
したがって、画素２０Ｂ２，２０Ｇ２，２０Ｒ２では、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から＋Ｘ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、第１の焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積する。第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から−Ｘ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、第２の焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積する。
【０１０６】
なお、青色の画素２０Ｂ２では青色の画素２０Ｂ１と同じく青色カラーフィルタ８８Ｂが設けられ、緑色の画素２０Ｇ２では緑色の画素２０Ｇ１と同じく緑色カラーフィルタ８８Ｇが設けられ、赤色の画素２０Ｒ２では赤色の画素２０Ｒ１と同じく赤色カラーフィルタ８８Ｒが設けられているが、この点以外については、画素２０Ｂ２，２０Ｇ２，２０Ｒ２は全く同一の構造を有している。
【０１０７】
次に、固体撮像素子３の駆動手順の各例について、図１５乃至図１７を参照して説明する。
【０１０８】
図１５は、焦点検出モード（固体撮像素子３から焦点検出用信号を読み出すが撮像用信号は読み出さない動作モード）時の固体撮像素子３の駆動手順を示すタイミングチャートである。図１６は、撮像モード（固体撮像素子３から撮像用信号を読み出すが焦点検出用信号は読み出さない動作モード）時の固体撮像素子３の駆動手順を示すタイミングチャートである。図１７は、焦点検出・撮像の同時モード（固体撮像素子３から撮像用信号を読み出しながら焦点検出用信号も読み出して両信号を実質的に同時に読み出す動作モード）時の固体撮像素子３の駆動手順を示すタイミングチャートである。なお、各画素に含まれるトランジスタはＮＭＯＳトランジスタであり、ハイレベル（ハイ）の駆動信号を受けてオン状態とされる。
【０１０９】
最初に、図１５を参照して焦点検出モード時の駆動手順を説明する。なお、全行において、φＳがハイにされて行選択されている期間以外は、φＦＤＲはハイにされてＦＤリセットトランジスタ４９がオンにされ、ＦＤ４４がリセットされている。もっとも、必ずしもこれに限定されるものではなく、必要な期間だけφＦＤＲをハイにしてもよい。
【０１１０】
まず、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、ｎ行目のφＴＧＢ（ｎ）がハイにされて第２の転送トランジスタ４６がオンにされ、ｎ行目の第１の焦点検出用フォトダイオード４２がリセットされる。時刻ｔ２から、ｎ行目の第１の焦点検出用フォトダイオード４２の露光時間が開始する。
【０１１１】
次いで、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間において、φＴＧＣ（ｎ）がハイにされて第３の転送トランジスタ４７がオンにされ、ｎ行目の第２の焦点検出用フォトダイオード４３がリセットされる。時刻ｔ４から、ｎ行目の第２の焦点検出用フォトダイオード４３の露光時間が開始する。
【０１１２】
その後、ｎ行目の第１の焦点検出用フォトダイオード４２の露光時間が終了する時刻ｔ６の直前の時刻ｔ５において、φＦＤＲ（ｎ）がローにされてｎ行目のＦＤリセットトランジスタ４９がオフにされＦＤ４４のリセットが終了するとともに、φＳ（ｎ）がハイにされてｎ行目の選択トランジスタ５０がオンにされ、ｎ行目の行選択が開始され、ｎ行目の画素アンプ４８によるソースフォロワ読み出しが開始される。時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間に、ｎ行目のダークレベル（ＦＤ４４の前記リセット状態に対応してｎ行目の画素アンプ４８から出力される信号）が、画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプ（保存）される。
【０１１３】
次に、時刻ｔ６において、φＴＧＢ（ｎ）がハイにされてｎ行目の第２の転送トランジスタ４６がオンにされる。これにより、ｎ行目の第１の焦点検出用フォトダイオード４２に蓄積されている電荷はＦＤ４４に転送され、ｎ行目の第１の焦点検出用フォトダイオード４２の露光時間が終了する。ＦＤ４４に転送された電荷による電位変動が画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされ、ＣＤＳ回路２７によってこの信号と先のダークレベルとの差分信号が取得される。この信号が、撮影レンズ２の射出瞳の一方に偏心した領域からの光束に基づく第１の焦点検出用信号となる。時刻ｔ７において、φＴＧＢ（ｎ）がローにされてｎ行目の第２の転送トランジスタ４６がオフにされる。そして、これらのｎ行目の第１の焦点検出用信号は、水平走査回路２２の駆動信号によって水平信号線２８及び出力アンプ２９を介して、外部に出力される。
【０１１４】
次いで、ＣＤＳ回路２７がリセットされた後、時刻ｔ８において、再びφＦＤＲ（ｎ）がハイにされてＦＤリセットトランジスタ４９がオンにされ、ＦＤ４４がリセットされる。その後、時刻ｔ９において、φＦＤＲ（ｎ）がローにされてｎ行目のＦＤリセットトランジスタ４９がオフにされ、ＦＤ４４のリセットが終了する。時刻ｔ９から時刻ｔ１０までの間に、ｎ行目のダークレベルが、画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされる。
【０１１５】
次に、時刻ｔ１０において、φＴＧＣ（ｎ）がハイにされて第３の転送トランジスタ４７がオンにされる。これにより、ｎ行目の第２の焦点検出用フォトダイオード４３に蓄積されている電荷はＦＤ４４に転送され、ｎ行目の第２の焦点検出用フォトダイオード４３の露光時間が終了する。ＦＤ４４に転送された電荷による電位変動が画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされ、ＣＤＳ回路２７によってこの信号と先のダークレベルとの差分信号が取得される。この信号が、撮影レンズ２の射出瞳の他方に偏心した領域からの光束に基づく第２の焦点検出用信号となる。時刻ｔ１１において、φＴＧＣ（ｎ）がローにされてｎ行目の第３の転送トランジスタ４７がオフにされる。そして、これらのｎ行目の第２の焦点検出用信号は、水平走査回路２２の駆動信号によって水平信号線２８及び出力アンプ２９を介して、外部に出力される。
【０１１６】
その後、時刻ｔ１２において、φＦＤＲ（ｎ）がハイにされてＦＤリセットトランジスタ４９がオンにされ、ＦＤ４４のリセットが開始されるとともに、φＳ（ｎ）がローにされてｎ行目の選択トランジスタ５０がオフにされ、ｎ行目の行選択が終了される。
【０１１７】
図１５に示すように、φＴＧＡ（ｎ）は常にローのままとされて、第１の転送トランジスタ４５はオフのままとされる。したがって、撮像用フォトダイオード４１の電荷に基づく撮像用信号の読み出しは行われない。
【０１１８】
次に、水平帰線期間を経て次の（ｎ＋１）行目の選択動作へと移行する。（ｎ＋１）行目もｎ行目と同様な動作が繰り返されるので、ここではその説明は省略する。このようにして、すべての行から信号が読み出されると、焦点検出モードを終了する。なお、撮像用電荷蓄積層５２からのオーバーフローを嫌うなら、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの期間においてφＴＧＡ（ｎ）をハイにしてもよい。
【０１１９】
次に、図１６を参照して撮像モード時の駆動手順を説明する。なお、全行において、φＳがハイにされて行選択されている期間以外は、φＦＤＲはハイにされてＦＤリセットトランジスタ４９がオンにされ、ＦＤ４４がリセットされている。もっとも、必ずしもこれに限定されるものではなく、必要な期間だけφＦＤＲをハイにしてもよい。
【０１２０】
まず、時刻ｔ２１において、ｎ行目のφＴＧＡ（ｎ）、φＴＧＢ（ｎ）及びφＴＧＣ（ｎ）がハイにされ、ｎ行目の撮像用フォトダイオード４１並びに第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３がすべてオンにされ、これらのフォトダイオード４１，４２，４３がリセットされる。
【０１２１】
次いで、時刻ｔ２２において、φＴＧＡ（ｎ）がローにされて第１の転送トランジスタ４５がオフにされ、撮像用フォトダイオード４１の露光時間が開始する。時刻ｔ２３まで、φＴＧＢ（ｎ）及びφＴＧＣ（ｎ）はハイのままとされ、第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３はリセットされ続け、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４にリセット電位が供給され続ける。したがって、撮像用フォトダイオード４１が光電変換する入射光の波長成分よりも長い波長成分によってシリコン基板５１の深部で発生した電荷が、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４を経由して排出される。このため、ＩＲカットフィルタが用いられていないにも拘わらず、ＩＲカットフィルタの代用効果が得られ、クロストークが低減されて赤かぶりの問題が低減される。もっとも、本発明では、φＴＧＢ（ｎ）及びφＴＧＣ（ｎ）は、時刻ｔ２２でローにしてもよいし、あるいは、常にローのままとしてもよい。
【０１２２】
次いで、時刻ｔ２３において、φＴＧＢ（ｎ）、φＴＧＣ（ｎ）及びφＦＤＲ（ｎ）がローにされて、第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３及びＦＤ４４のリセットが終了されるとともに、φＳ（ｎ）がハイにされてｎ行目の選択トランジスタ５０がオンにされ、ｎ行目の行選択が開始され、ｎ行目の画素アンプ４８によるソースフォロワ読み出しが開始される。時刻ｔ２３から時刻ｔ２４までの間に、ｎ行目のダークレベル（ＦＤ４４の前記リセット状態に対応してｎ行目の画素アンプ４８から出力される信号）が、画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされる。
【０１２３】
次に、時刻ｔ２４において、φＴＧＡ（ｎ）がハイにされてｎ行目の第１の転送トランジスタ４５がオンにされる。これにより、ｎ行目の撮像用フォトダイオード４１に蓄積されている電荷はＦＤ４４に転送され、ｎ行目の撮像用フォトダイオード４１の露光時間が終了する。ＦＤ４４に転送された電荷による電位変動が画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされ、ＣＤＳ回路２７によってこの信号と先のダークレベルとの差分信号が取得される。この信号が、撮像用信号となる。時刻ｔ２５において、φＴＧＡ（ｎ）がローにされてｎ行目の第１の転送トランジスタ４５がオフにされる。そして、これらのｎ行目の撮像用信号は、水平走査回路２２の駆動信号によって水平信号線２８及び出力アンプ２９を介して、外部に出力される。
【０１２４】
その後、時刻ｔ２６において、φＦＤＲ（ｎ）がハイにされてＦＤリセットトランジスタ４９がオンにされ、ＦＤ４４のリセットが開始されるとともに、φＳ（ｎ）がローにされてｎ行目の選択トランジスタ５０がオフにされ、ｎ行目の行選択が終了される。
【０１２５】
図１６に示すように、φＴＧＢ（ｎ）及びφＴＧＣ（ｎ）は、φＦＤＲ（ｎ）がローでかつφＳがハイの期間（時刻ｔ２３から時刻２６までの期間）において、ローのままとされている。したがって、第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３の電荷に基づく第１及び第２の焦点検出用信号の読み出しは行われない。
【０１２６】
次に、水平帰線期間を経て次の（ｎ＋１）行目の選択動作へと移行する。（ｎ＋１）行目もｎ行目と同様な動作が繰り返されるので、ここではその説明は省略する。このようにして、すべての行から信号が読み出されると、撮像モードを終了する。
【０１２７】
次に、図１７を参照して焦点検出・撮像の同時モード時の駆動手順を説明する。なお、全行において、φＳがハイにされて行選択されている期間以外は、φＦＤＲはハイにされてＦＤリセットトランジスタ４９がオンにされ、ＦＤ４４がリセットされている。もっとも、必ずしもこれに限定されるものではなく、必要な期間だけφＦＤＲをハイにしてもよい。
【０１２８】
まず、時刻ｔ３１から時刻ｔ３２までの期間において、ｎ行目のφＴＧＡ（ｎ）がハイにされて第１の転送トランジスタ４５がオンにされ、ｎ行目の撮像用フォトダイオード４１がリセットされる。時刻ｔ３２から、ｎ行目の撮像用フォトダイオード４１の露光時間が開始する。
【０１２９】
次いで、時刻ｔ３３から時刻ｔ３４までの期間において、ｎ行目のφＴＧＢ（ｎ）がハイにされて第２の転送トランジスタ４６がオンにされ、ｎ行目の第１の焦点検出用フォトダイオード４２がリセットされる。時刻ｔ３４から、ｎ行目の第１の焦点検出用フォトダイオード４２の露光時間が開始する。
【０１３０】
次に、時刻ｔ３５から時刻ｔ３６までの期間において、φＴＧＣ（ｎ）がハイにされて第３の転送トランジスタ４７がオンにされ、ｎ行目の第２の焦点検出用フォトダイオード４３がリセットされる。時刻ｔ３６から、ｎ行目の第２の焦点検出用フォトダイオード４３の露光時間が開始する。
【０１３１】
その後、ｎ行目の撮像用フォトダイオード４１の露光時間が終了する時刻ｔ３８の直前の時刻ｔ３７において、φＦＤＲ（ｎ）がローにされてｎ行目のＦＤリセットトランジスタ４９がオフにされＦＤ４４のリセットが終了するとともに、φＳ（ｎ）がハイにされてｎ行目の選択トランジスタ５０がオンにされ、ｎ行目の行選択が開始され、ｎ行目の画素アンプ４８によるソースフォロワ読み出しが開始される。時刻ｔ３７から時刻ｔ３８までの間に、ｎ行目のダークレベル（ＦＤ４４の前記リセット状態に対応してｎ行目の画素アンプ４８から出力される信号）が、画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされる。
【０１３２】
次に、時刻ｔ３８において、φＴＧＡ（ｎ）がハイにされてｎ行目の第１の転送トランジスタ４５がオンにされる。これにより、ｎ行目の撮像用フォトダイオード４１に蓄積されている電荷はＦＤ４４に転送され、ｎ行目の撮像用フォトダイオード４１の露光時間が終了する。ＦＤ４４に転送された電荷による電位変動が画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされ、ＣＤＳ回路２７によってこの信号と先のダークレベルとの差分信号が取得される。この信号が、撮像用信号となる。時刻ｔ３９において、φＴＧＡ（ｎ）がローにされてｎ行目の第１の転送トランジスタ４５がオフにされる。そして、これらのｎ行目の撮像用信号は、水平走査回路２２の駆動信号によって水平信号線２８及び出力アンプ２９を介して、外部に出力される。
【０１３３】
次いで、ＣＤＳ回路２７がリセットされた後、時刻ｔ４０において、再びφＦＤＲ（ｎ）がハイにされてＦＤリセットトランジスタ４９がオンにされ、ＦＤ４４がリセットされる。その後、時刻ｔ４１において、φＦＤＲ（ｎ）がローにされてｎ行目のＦＤリセットトランジスタ４９がオフにされ、ＦＤ４４のリセットが終了する。時刻ｔ４１から時刻ｔ４２までの間に、ｎ行目のダークレベルが、画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされる。
【０１３４】
次に、時刻ｔ４２において、φＴＧＢ（ｎ）がハイにされて第２の転送トランジスタ４６がオンにされる。これにより、ｎ行目の第１の焦点検出用フォトダイオード４２に蓄積されている電荷はＦＤ４４に転送され、ｎ行目の第１の焦点検出用フォトダイオード４２の露光時間が終了する。ＦＤ４４に転送された電荷による電位変動が画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされ、ＣＤＳ回路２７によってこの信号と先のダークレベルとの差分信号が取得される。この信号が、撮影レンズ２の射出瞳の一方に偏心した領域からの光束に基づく第１の焦点検出用信号となる。時刻ｔ４３において、φＴＧＢ（ｎ）がローにされてｎ行目の第２の転送トランジスタ４６がオフにされる。そして、これらのｎ行目の第１の焦点検出用信号は、水平走査回路２２の駆動信号によって水平信号線２８及び出力アンプ２９を介して、外部に出力される。
【０１３５】
次いで、ＣＤＳ回路２７がリセットされた後、時刻ｔ４４において、再びφＦＤＲ（ｎ）がハイにされてＦＤリセットトランジスタ４９がオンにされ、ＦＤ４４がリセットされる。その後、時刻ｔ４５において、φＦＤＲ（ｎ）がローにされてｎ行目のＦＤリセットトランジスタ４９がオフにされ、ＦＤ４４のリセットが終了する。時刻ｔ４５から時刻ｔ４６までの間に、ｎ行目のダークレベルが、画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされる。
【０１３６】
次に、時刻ｔ４６において、φＴＧＣ（ｎ）がハイにされて第３の転送トランジスタ４７がオンにされる。これにより、ｎ行目の第２の焦点検出用フォトダイオード４３に蓄積されている電荷はＦＤ４４に転送され、ｎ行目の第２の焦点検出用フォトダイオード４３の露光時間が終了する。ＦＤ４４に転送された電荷による電位変動が画素アンプ４８から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７にクランプされ、ＣＤＳ回路２７によってこの信号と先のダークレベルとの差分信号が取得される。この信号が、撮影レンズ２の射出瞳の他方に偏心した領域からの光束に基づく第２の焦点検出用信号となる。時刻ｔ４７において、φＴＧＣ（ｎ）がローにされてｎ行目の第３の転送トランジスタ４７がオフにされる。そして、これらのｎ行目の第２の焦点検出用信号は、水平走査回路２２の駆動信号によって水平信号線２８及び出力アンプ２９を介して、外部に出力される。
【０１３７】
その後、時刻ｔ４８において、φＦＤＲ（ｎ）がハイにされてＦＤリセットトランジスタ４９がオンにされ、ＦＤ４４のリセットが開始されるとともに、φＳ（ｎ）がローにされてｎ行目の選択トランジスタ５０がオフにされ、ｎ行目の行選択が終了される。
【０１３８】
次に、水平帰線期間を経て次の（ｎ＋１）行目の選択動作へと移行する。（ｎ＋１）行目もｎ行目と同様な動作が繰り返されるので、ここではその説明は省略する。このようにして、すべての行から信号が読み出されると、焦点検出・撮像の同時モードを終了する。
【０１３９】
前述した図１５乃至図１７に示す例では、露光の開始と終了を電子シャッタ動作で決めていたが、メカニカルシャッタ機構を用いて露光の開始と終了を決めるようにしてもよい。この場合、例えば、メカニカルシャッタによる露光開始後電子シャッタが開となり、電子シャッタ閉後メカニカルシャッタが閉となるメカニカルシャッタで、露光時間を決めるようにすればよい。
【０１４０】
次に、本実施の形態による電子カメラ１の動作の一例について、再び図１を参照して説明する。
【０１４１】
電子カメラ１内のマイクロプロセッサ９は、レリーズ釦の半押し操作に同期して撮像制御部４を駆動する。撮像制御部４は、図１５を参照して説明した焦点検出モードの動作によって、固体撮像素子３から焦点検出用信号を読み出し、メモリ７に蓄積する。
【０１４２】
撮像制御部４の指令によって固体撮像素子３から焦点検出用信号が出力されメモリ７に蓄積されると、焦点演算部１０は、この信号を用いて瞳分割位相差方式に従った焦点検出演算処理を実施し、デフォーカス量を、撮影レンズ２の焦点調節状態を示す検出信号として得る。
【０１４３】
ここで、現在設定されている焦点調節モードが、例えば図３及び図４に示す焦点検出領域３５のみに基づいて焦点調節を行うモード（以下、「焦点検出領域３５モード」と呼ぶ。）である場合は、焦点演算部１０は、メモリ７に取り込まれた焦点検出用信号のうち、焦点検出領域３５の全ての画素２０Ｇ１，２０Ｂ１の第１及び第２の焦点検出用信号を用いて、瞳分割位相差方式に従った焦点検出演算処理を実施し、デフォーカス量を、撮影レンズ２の焦点調節状態を示す検出信号として得る。
【０１４４】
現在設定されている焦点調節モードが、例えば図３に示す全ての焦点検出領域３２〜３７に基づいて焦点調節を行うモード（以下、「全焦点検出領域モード」と呼ぶ。）である場合は、焦点演算部１０は、前述したように焦点検出領域３５に関してデフォーカス量を演算する他、各焦点検出領域３２〜３４，３６，３７についても、同様に、当該焦点検出領域に関してデフォーカス量を演算する。なお、焦点検出領域３６に関してデフォーカス量を演算する場合、図５から理解できるように、焦点検出領域３６の全ての画素２０Ｇ２，２０Ｒ２の第１及び第２の焦点検出用信号を用いて演算する。
【０１４５】
焦点演算部１０によって検出されたデフォーカス量は、レンズ制御部２ａに伝達される。レンズ制御部２ａは、伝達されるデフォーカス量に基づいて撮影レンズ２の焦点駆動を行い、撮影レンズ２を被写体に合焦させる。
【０１４６】
このとき、現在設定されている焦点調節モードが焦点検出領域３５モードの場合は、レンズ制御部２ａは、焦点検出領域３５に関するデフォーカス量に基づいてそのデフォーカス量がゼロになるように、撮影レンズ２を駆動する。また、現在設定されている焦点調節モードが全焦点検出領域モードの場合は、レンズ制御部２ａは、先に求められた各焦点検出領域のデフォーカス量に基づいて決定した調節後の焦点調節状態となるように、撮影レンズ２を駆動する。
【０１４７】
その後、電子カメラ１内のマイクロプロセッサ９は、レリーズ釦の全押し操作に同期して撮像制御部４を用いて、図１６を参照して説明した撮像モードの動作によって、固体撮像素子３から撮像用信号を読み出し、メモリ７に蓄積する。引き続いて、マイクロプロセッサ９は、操作部９ａの指令に基づき、必要に応じて画像処理部１３や画像圧縮部１２にて所望の処理を行い、記録部１１に処理後の信号を出力させ記録媒体１１ａに記録する。
【０１４８】
また、電子カメラ１内のマイクロプロセッサ９は、操作部９ａの操作により動画撮影などが指示されると、それに合わせて撮像制御部４を駆動する。撮像制御部４は、図１７を参照して説明した焦点検出・撮像の同時モードによって、固体撮像素子３から焦点検出用信号及び撮像用信号の両方を実質的に同時に読み出し、メモリ７に蓄積する。このように撮像用信号を読み出してメモリ７に蓄積しながら、実質的に同時に得られた焦点検出用信号に基づいた焦点演算部１０によるデフォーカス量の演算及びこれに応じたレンズ制御部２ａによる合焦を行う。この場合も、現在設定されている焦点調節モードに従ったデフォーカス量の演算及び撮影レンズ２の駆動を行う。このようにして、動体等に追従した合焦動作を行いながら、動画を撮像することができる。
【０１４９】
本実施の形態によれば、各画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２に関して、１つの画素に、撮像用信号となるべき電荷を得る撮像用フォトダイオード４１の他に、第１及び第２の焦点検出用信号となるべき電荷を得る第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３が設けられているので、１つの画素から撮像用信号と焦点検出用信号の両方を得ることができる。したがって、本実施の形態によれば、固体撮像素子３が焦点検出素子としての機能を併せ持ちながら、画素欠陥と同様の状態による画質の劣化を回避することができる。
【０１５０】
また、本実施の形態では、各画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２に関して、１つの画素において、撮像用フォトダイオード４１と第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３とが入射光の入射方向に重なるように配置され、撮像用フォトダイオード４１が主として入射光の可視域の波長成分を光電変換する一方、第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３が主として入射光の赤外域の波長成分を光電変換する。したがって、本実施の形態によれば、特許文献３に開示された前記固体撮像素子などとは異なり、撮像用フォトダイオード４１を２分割する必要がなく、撮像用フォトダイオード４１に不感帯が生じない。よって、本実施の形態によれば、撮像用信号に対する入射光の利用効率が高まる。
【０１５１】
さらに、本実施の形態によれば、図１６中の時刻ｔ２１から時刻ｔ２３までの期間においてφＦＤＲ（ｎ）がハイの状態でφＴＧＢ（ｎ），φＴＧＣ（ｎ）がハイにされることで、ＩＲカットフィルタが用いられていないにも拘わらず、ＩＲカットフィルタの代用効果が得られ、クロストークが低減されて赤かぶりの問題が低減される。従って、全画素に焦点検出用電荷蓄積層と同様な拡散層を配置することによって、クロストークが低減された良好な画像を得ることができる。
【０１５２】
［第２の実施の形態］
【０１５３】
図１８は、本発明の第２の実施の形態による撮像装置としての電子カメラの固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図である。図１８において、図４及び図５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１５４】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、固体撮像素子３における画素の配置のみである。本実施の形態では、固体撮像素子３における画素２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｒ２を、撮像領域３１の全体に渡って、図１８に示すようなパターンで配置したものである。図１８は、撮像領域３１の一部を拡大したものに相当する。本実施の形態では、画素２０Ｂ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１は用いられていない。
【０１５５】
本実施の形態では、図１８に示すように、ベイヤー配列に従った配置を採用しつつ、青色の画素として画素２０Ｂ２のみを用い、緑色の画素として画素２０Ｇ１のみを用い、赤色の画素として画素２０Ｒ２を用いたものである。
【０１５６】
前記第１の実施の形態では、焦点検出領域が予め図３に示すように定められていたが、Ｙ軸方向の列の一部及びＸ軸方向の行の一部を、適宜任意に焦点検出領域として指定し得る。この場合、Ｙ軸方向の列の一部を指定する場合は、当該焦点検出領域の全部の緑色の画素２０Ｇ１の第１及び第２の焦点検出用信号を用いてデフォーカス量を演算する。Ｘ軸方向の行の一部を指定する場合は、当該焦点検出領域の全部の青色の画素２０Ｂ２又は赤色の画素２０Ｒ２の第１及び第２の焦点検出用信号を用いてデフォーカス量を演算する。
【０１５７】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【０１５８】
［第３の実施の形態］
【０１５９】
図１９は、本発明の第３の実施の形態による撮像装置としての電子カメラの固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図であり、図３における焦点検出領域３５の付近を拡大したものに相当する。図２０は、本実施の形態による電子カメラの固体撮像素子の画素配置を模式的に示す他の図であり、図３における焦点検出領域３６の付近を拡大したものに相当する。
【０１６０】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、青色の画素２０Ｂ１，２０Ｂ２に代えて青色の画素２０Ｂ３〜２０Ｂ６が用いられ、緑色の画素２０Ｇ１，２０Ｇ２に代えて緑色の画素２０Ｇ３〜２０Ｇ６が用いられ、赤色の画素２０Ｒ１，２０Ｒ２に代えて赤色の画素２０Ｒ３〜２０Ｒ６が用いられている点のみである。ただし、厳密に言えば、後述する符号「Ｂ＊」、「Ｇ＊」、「Ｒ＊」の画素の決め方によっては、これらの全ての種類の画素は用いられない。
【０１６１】
図１９及び図２０において、画素２０Ｂ３〜２０Ｂ６，２０Ｇ３〜２０Ｇ６，２０Ｒ３〜２０Ｒ６には、それぞれ符号「Ｂ３」〜「Ｂ６」、「Ｇ３」〜「Ｇ６」、「Ｒ３」〜「Ｒ６」を付している。図１９及び図２０において、符号「Ｂ＊」は青色の画素２０Ｂ３〜２０Ｂ６のいずれか任意の１つであることを示し、符号「Ｇ＊」は緑色の画素２０Ｇ３〜２０Ｇ６のいずれか任意の１つであることを示し、符号「Ｒ＊」は赤色の画素２０Ｒ３〜２０Ｒ６のいずれか任意の１つであることを示している。
【０１６２】
本実施の形態では、図１９及び図２０に示すように、青色の画素２０Ｂ３〜２０Ｂ６、緑色の画素２０Ｇ３〜２０Ｇ６及び赤色の画素２０Ｒ３〜２０Ｒ６が、ベイヤー配列に従って配列されている。
【０１６３】
本実施の形態では、Ｙ軸方向に延びた図３中の焦点検出領域３５は、図１９に示すようなＹ軸方向の２列の一部である。また、Ｘ軸方向に延びた図３中の焦点検出領域３６は、図２０に示すようなＸ軸方向の２行の一部である。
【０１６４】
図２１は、画素２０Ｂ３，２０Ｇ３，２０Ｒ３の要部を模式的に示す概略平面図である。図２２は、画素２０Ｂ４，２０Ｇ４，２０Ｒ４の要部を模式的に示す概略平面図である。図２３は、画素２０Ｂ５，２０Ｇ５，２０Ｒ５の要部を模式的に示す概略平面図である。図２４は、画素２０Ｂ６，２０Ｇ６，２０Ｒ６の要部を模式的に示す概略平面図である。図２１乃至図２４において、図１３及び図１４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１６５】
画素２０Ｂ３，２０Ｇ３，２０Ｒ３が画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１とそれぞれ基本的に異なる所は、−Ｙ側の第２の焦点検出用電荷蓄積層５４（したがって、第２の焦点検出用フォトダイオード４３）が除去されている点のみである。画素２０Ｂ３，２０Ｇ３，２０Ｒ３の回路構成は、図６において、第２の焦点検出用フォトダイオード４３及び第３の転送トランジスタ４７が除去されたものとなる。
【０１６６】
画素２０Ｂ４，２０Ｇ４，２０Ｒ４が画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１とそれぞれ基本的に異なる所は、＋Ｙ側の第１の焦点検出用電荷蓄積層５３（したがって、第１の焦点検出用フォトダイオード４２）が除去されている点のみである。画素２０Ｂ４，２０Ｇ４，２０Ｒ４の回路構成は、図６において、第１の焦点検出用フォトダイオード４２及び第２の転送トランジスタ４６が除去されたものとなる。
【０１６７】
画素２０Ｂ５，２０Ｇ５，２０Ｒ５が画素２０Ｂ２，２０Ｇ２，２０Ｒ２とそれぞれ基本的に異なる所は、＋Ｘ側の第２の焦点検出用電荷蓄積層５４（したがって、第２の焦点検出用フォトダイオード４３）が除去されている点のみである。画素２０Ｂ５，２０Ｇ５，２０Ｒ５の回路構成は、図６において、第２の焦点検出用フォトダイオード４３及び第３の転送トランジスタ４７が除去されたものとなる。
【０１６８】
画素２０Ｂ６，２０Ｇ６，２０Ｒ６が画素２０Ｂ２，２０Ｇ２，２０Ｒ２とそれぞれ基本的に異なる所は、−Ｘ側の第１の焦点検出用電荷蓄積層５３（したがって、第１の焦点検出用フォトダイオード４２）が除去されている点のみである。画素２０Ｂ６，２０Ｇ６，２０Ｒ６の回路構成は、図６において、第１の焦点検出用フォトダイオード４２及び第２の転送トランジスタ４６が除去されたものとなる。
【０１６９】
本実施の形態では、例えば、図１９に示す焦点検出領域３５が指定された場合、当該領域３５の全部の画素２０Ｒ３，２０Ｇ３からの焦点検出用信号と、当該領域３５の全部の画素２０Ｇ４，２０Ｂ４からの焦点検出用信号とを用いて、デフォーカス量を演算する。図２０に示す焦点検出領域３６が指定された場合、当該領域３６の全部の画素２０Ｂ５，２０Ｇ５からの焦点検出用信号と、当該領域３６の画素２０Ｇ６，２０Ｒ６からの焦点検出用信号とを用いて、デフォーカス量を演算する。
【０１７０】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【０１７１】
［第３の実施の形態の第１の変形例］
【０１７２】
前記第３の実施の形態において、画素２０Ｂ３，２０Ｇ３，２０Ｒ３の代わりに図２５に示す画素２０Ｂ３’，２０Ｇ３’，２０Ｒ３’をそれぞれ用い、画素２０Ｂ４，２０Ｇ４，２０Ｒ４の代わりに図２６に示す画素２０Ｂ４’，２０Ｇ４’，２０Ｒ４’をそれぞれ用いてもよい。
【０１７３】
画素２０Ｂ３’，２０Ｇ３’，２０Ｒ３’では、＋Ｙ側の第１の焦点検出用電荷蓄積層５３の一部が光軸Ｏから−Ｙ側にある程度はみ出すように拡げられている。画素２０Ｂ４’，２０Ｇ４’，２０Ｒ４’では、−Ｙ側の第２の焦点検出用電荷蓄積層５４の一部が光軸Ｏから＋Ｙ側にある程度はみ出すように拡げられている。画素２０Ｂ５，２０Ｇ５，２０Ｒ５及び画素２０Ｂ６，２０Ｇ６，２０Ｒ６についても、同様に変形してもよい。
【０１７４】
この変形例によれば、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる他、より大きな焦点検出用信号を得ることが可能となり、焦点検出用信号のＳＮ比が向上する。
【０１７５】
［第３の実施の形態の第２の変形例］
【０１７６】
前記第３の実施の形態において、画素２０Ｂ３，２０Ｇ３，２０Ｒ３の代わりに図２７に示す画素２０Ｂ３”，２０Ｇ３”，２０Ｒ３”をそれぞれ用い、画素２０Ｂ４，２０Ｇ４，２０Ｒ４の代わりに図２８に示す画素２０Ｂ４”，２０Ｇ４”，２０Ｒ４”をそれぞれ用いてもよい。
【０１７７】
画素２０Ｂ３”，２０Ｇ３”，２０Ｒ３”では、基本的に図１３に示す画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１と同じ構成を有しているが、＋Ｙ側の第１の焦点検出用電荷蓄積層５３の一部が光軸Ｏから−Ｙ側にある程度はみ出すように拡げられ、これに合わせて、−Ｙ側の第２の焦点検出用電荷蓄積層５４が縮小されている。画素２０Ｂ３”，２０Ｇ３”，２０Ｒ３”では、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３からの第１の焦点検出用信号のみが焦点検出に用いられ、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４からの第２の焦点検出用信号は焦点検出に用いられない。画素２０Ｂ３”，２０Ｇ３”，２０Ｒ３”では、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は、前述したクロストークを低減して赤かぶりの問題を低減するという効果を高めるためにのみ用いられる。
【０１７８】
また、画素２０Ｂ４”，２０Ｇ４”，２０Ｒ４”では、基本的に図１３に示す画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１と同じ構成を有しているが、−Ｙ側の第２の焦点検出用電荷蓄積層５４の一部が光軸Ｏから＋Ｙ側にある程度はみ出すように拡げられ、これに合わせて、＋Ｙ側の第１の焦点検出用電荷蓄積層５３が縮小されている。画素２０Ｂ４”，２０Ｇ４”，２０Ｒ４”では、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４からの第２の焦点検出用信号のみが焦点検出に用いられ、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３からの第１の焦点検出用信号は焦点検出に用いられない。画素２０Ｂ４”，２０Ｇ４”，２０Ｒ４”では、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は、前述したクロストークを低減して赤かぶりの問題を低減するという効果を高めるためにのみ用いられる。
【０１７９】
この変形例によれば、第３の実施の形態の前記第１の変形例と同様に、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる他、より大きな焦点検出用信号を得ることが可能となり、焦点検出用信号のＳＮ比が向上する。また、この変形例によれば、第３の実施の形態の前記第１の変形例に比べて、前述したクロストークを低減して赤かぶりの問題を低減するという効果がより高まる。
【０１８０】
［第３の実施の形態の第３の変形例］
【０１８１】
前記第３の実施の形態において、図１９及び図２０中で符号「Ｂ＊」、「Ｇ＊」、「Ｒ＊」をそれぞれ付した画素（焦点検出領域以外の領域の画素）として、図２９に示す画素２０Ｂ７，２０Ｇ７，２０Ｒ７をそれぞれ用いてもよい。
【０１８２】
画素２０Ｂ７，２０Ｇ７，２０Ｒ７が画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１とそれぞれ基本的に異なる所は、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４（したがって、第２の焦点検出用フォトダイオード４３）が除去され、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３が有効受光領域の全体に渡るように拡大されている点のみである。画素２０Ｂ７，２０Ｇ７，２０Ｒ７の回路構成は、図６において、第２の焦点検出用フォトダイオード４３及び第３の転送トランジスタ４７が除去されたものとなる。
【０１８３】
この変形例によれば、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる他、焦点検出領域以外の領域の画素において、前述したクロストークを低減して赤かぶりの問題を低減するという効果がより高まる。
【０１８４】
なお、前記第１の実施の形態において、図４及び図５中で符号「Ｂ＊」、「Ｇ＊」、「Ｒ＊」をそれぞれ付した画素（焦点検出領域以外の領域の画素）として、図２９に示す画素２０Ｂ７，２０Ｇ７，２０Ｒ７をそれぞれ用いてもよい。
【０１８５】
［第４の実施の形態］
【０１８６】
図３０は、本発明の第４の実施の形態による撮像装置としての電子カメラの固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図であり、図３における焦点検出領域３５の付近を拡大したものに相当する。図３１は、本実施の形態による電子カメラの固体撮像素子の画素配置を模式的に示す他の図であり、図３における焦点検出領域３６の付近を拡大したものに相当する。
【０１８７】
本実施の形態が前記第１の実施の形態と基本的に異なる所は、図２中の画素２０として、画素２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｇ１，２０Ｇ２，２０Ｒ１，２０Ｒ２の代わりに、画素２０Ａ１，２０Ａ２が用いられている点である。
【０１８８】
図３０及び図３１において、画素２０Ａ１，２０Ａ２には、それぞれ符号「Ａ１」、「Ａ２」を付している。図３０及び図３１において、符号「Ａ＊」は画素２０Ａ１及び画素２０Ａ２のうちのいずれか任意の一方を示している。もっとも、本発明では、図３０及び図３１中の符号「Ａ＊」を付した画素（焦点検出領域以外の領域の画素）として、画素２０Ａ１においてそれぞれ第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４（したがって、第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３）を取り除いたものを、用いてもよい。
【０１８９】
画素２０Ａ１，２０Ａ２は、青色の撮像用信号、緑色の撮像用信号及び赤色の撮像用信号、並びに、２つの焦点検出用信号を互いに独立して出力し得るように構成されている。後述するように、画素２０Ａ１と画素２０Ａ２とでは、得られる焦点検出用信号が撮影レンズ２の射出瞳のいずれの領域からの光束に基づくものであるかが異なる。
【０１９０】
本実施の形態では、Ｙ軸方向に延びた焦点検出領域３５は、図３０に示すように、画素２０Ａ１が並んだＹ軸方向の列の一部である。Ｙ軸方向に延びた焦点検出領域３３，３４は、焦点検出領域３５と同様である。Ｘ軸方向に延びた焦点検出領域３６は、図３１に示すように、画素２０Ａ２が並んだＸ軸方向の行の一部である。Ｘ軸方向に延びた焦点検出領域３２，３７は、焦点検出領域３６と同様である。また、焦点検出領域以外の領域には、画素２０Ａ１，２０Ａ２にいずれかが配置されている。
【０１９１】
図３２は、画素２０Ａ１，２０Ａ２を示す回路図である。これらの画素２０Ａ１，２０Ａ２は、同一の回路構成を有している。図３２において、図６中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０１９２】
画素２０Ａ１，２０Ａ２の回路構成が図６に示す画素２０Ｂ１等の回路構成と異なる所は、画素２０Ａ１，２０Ａ２では、図６中の撮像用フォトダイオード４１及び転送トランジスタ４５が除去され、その代わりに、入射光の青色の波長成分を主として光電変換して青色の撮像用信号となるべき電荷を得る撮像用光電変換部としての青色の撮像用フォトダイオード４１ｂと、入射光の緑色の波長成分を主として光電変換して緑色の撮像用信号となるべき電荷を得る撮像用光電変換部としての緑色の撮像用フォトダイオード４１ｇと、入射光の赤色の波長成分を主として光電変換して赤色の撮像用信号となるべき電荷を得る撮像用光電変換部としての赤色の撮像用フォトダイオード４１ｒと、撮像用フォトダイオード４１ｂ，４１ｇ，４１ｒからＦＤ４４へ電荷をそれぞれ転送する各転送ゲート部としての転送トランジスタ４５ｂ，４５ｇ，４５ｒとが、設けられている点のみである。
【０１９３】
転送トランジスタ４５ｂのゲート電極は、画素行ごとに共通に接続されて垂直走査回路２１から駆動配線２３を介して駆動信号φＴＧＡｂがそれぞれ供給される。転送トランジスタ４５ｂは、この駆動信号φＴＧＡｂに従って所定のタイミングで各行ごとに同時にオンとされ、撮像用フォトダイオード４１ｂから撮像用信号となるべき電荷をＦＤ４４に転送する。同様に、転送トランジスタ４５ｇ，４５ｒのゲート電極は、画素行ごとにそれぞれ共通に接続されて垂直走査回路２１から駆動配線２３を介して駆動信号φＴＧＡｇ，φＴＧＡｒがそれぞれ供給される。転送トランジスタ４５ｇ，４５ｒは、駆動信号φＴＧＡｇ，φＴＧＡｒにそれぞれ従って所定のタイミングで各行ごとにそれぞれ同時にオンとされ、撮像用フォトダイオード４１ｇ，４１ｒから撮像用信号となるべき電荷をそれぞれＦＤ４４に転送する。
【０１９４】
なお、本実施の形態では、画素２０Ａ１，２０Ａ２においても、図６に示す画素２０Ｂ１等と同じく、第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３は、入射光の赤外域の波長成分を主として光電変換して焦点検出用信号となるべき電荷を得る。もっとも、本発明では、画素２０Ａ１，２０Ａ２では、第１及び第２の焦点検出用フォトダイオード４２，４３が主として光電変換する入射光の波長成分は、撮像用フォトダイオード４１ｂ，４１ｇ，４１ｒが主として光電変換するいずれの波長成分よりも長い波長成分であれば、赤外域の波長成分ではなく可視域の波長成分であってもよい。
【０１９５】
なお、図３２において、フォトダイオード４１ｂ，４１ｇ，４１ｒ，４２，４３の一方の端子及びＦＤ４４の一方の端子は、便宜的に接地として記載されている。しかし、実際は、後述する図３３から理解されるとおりＰ型ウエル９２の電位となる。
【０１９６】
図３３は、画素２０Ａ１の要部を模式的に示す概略断面図である。図３４は、画素２０Ａ１の要部を大幅に簡略化して模式的に示す概略平面図であり、図１３に対応している。図３３及び図３４において、図９、図１０及び図１３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付している。
【０１９７】
なお、図３３からわかるように撮像用電荷蓄積層５２ｂ，５２ｇ，５２ｒは実際にはちょうど重なっているわけではないが、有効受光領域内のみに着目するとこれらはちょうど重なっているので、図３４では、撮像用電荷蓄積層５２ｂ，５２ｇ，５２ｒをちょうど重なるものとして示している。また、図３３からわかるように第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４は実際にはマイクロレンズ６５の光軸Ｏに対して対称的ではないが、有効受光領域内のみに着目すると第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４はマイクロレンズ６５の光軸Ｏに対して対称的であるので、図３４では、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４をマイクロレンズ６５の光軸Ｏに対して対称的であるものとして示している。
【０１９８】
図３３では、基板９１上の要素（すなわち、基板９１上に形成された層間絶縁膜、当該画素の有効受光領域に開口を有する遮光膜を兼ねる配線層、平坦化層、マイクロレンズ６５等）の図示は省略している。本実施の形態では、画素２０Ａ１には、前記第１の実施の形態における画素２０Ｂ１，２０Ｇ１，２０Ｒ１と同じく当該画素に対して１対１にマイクロレンズ６５が設けられているが、カラーフィルタ８８Ｂ，８８Ｇ，８８Ｒは設けられていない。
【０１９９】
図３３に示すように、Ｎ型のシリコン基板９１上に、電荷蓄積層５２ｂ，５２ｇ，５２ｒ，５３，５４等を配置すべき第１の半導体層としてのＰ型ウエル６２が設けられている。Ｐ型ウエル６２に所望の不純物拡散がなされて、電荷蓄積層５２ｂ，５２ｇ，５２ｒ，５３，５４や各種トランジスタ等が配置されている。図３３には、主に、フォトダイオード４１ｂ，４１ｇ，４１ｒ，４２，４３しか現れてないが、実際には、図３２の構成を実現する各種トランジスタ等の他の要素も設けられている。
【０２００】
Ｐ型ウエル９２の表面側に、青色の撮像用フォトダイオード４１ｂの一部を構成するＮ型の撮像用電荷蓄積層５２ｂが配置されている。撮像用電荷蓄積層５２ｂは、Ｎ型不純物の拡散によって形成される。本実施の形態では、青色の撮像用フォトダイオード４１ｂは、撮像用電荷蓄積層５２ｂの他に、その基板表面側にＰ型の空乏化防止層９３を有しており、埋め込みフォトダイオードとして構成されている。空乏化防止層９３の表面は、薄いシリコン酸化膜６６によって覆われている。もっとも、空乏化防止層９３は必ずしも設けなくてもよい。
【０２０１】
撮像用電荷蓄積層５２ｂは、Ｐ型ウエル９２の浅い位置に配置されることで、入射光の青色波長成分が主として光電変換されて青色の撮像用信号となるべき電荷を蓄積する。撮像用電荷蓄積層５２ｂで蓄積された電荷は、その導電路をなすＮ型の拡散部９４及び電極１０３を介してＰ型ウエル９２の表面側に導かれる。電極１０３は、図３３には図示しない転送トランジスタ４５ｂ（図３２参照）に接続されている。表面側に導かれたこの電荷は、転送トランジスタ４５ｂがオンとなることによって、ＦＤ４４に転送される。
【０２０２】
また、図３３に示すように、Ｐ型ウエル９２には、緑色の撮像用フォトダイオード４１ｇの一部を構成するＮ型の撮像用電荷蓄積層５２ｇ、及び、赤色の撮像用フォトダイオード４１ｇの一部を構成するＮ型の撮像用電荷蓄積層５２ｒが配置されている。撮像用電荷蓄積層５２ｇ，５２ｒも、Ｎ型不純物の拡散によって形成される。撮像用電荷蓄積層５２ｂ，５２ｇ，５２ｇは、入射光の入射方向から見たときに互いにＰ型ウエル９２のＰ型領域を介して重なるように、配置されている。撮像用電荷蓄積層５２ｇは撮像用電荷蓄積層５２ｂに対して深い側に配置され、撮像用電荷蓄積層５２ｒは撮像用電荷蓄積層５２ｇに対して深い側に配置されている。
【０２０３】
それらの深さが所望の深さに設定されることで、撮像用電荷蓄積層５２ｇは、入射光の緑色波長成分が主として光電変換されて緑色の撮像用信号となるべき電荷を蓄積し、撮像用電荷蓄積層５２ｒは、入射光の赤色波長成分が主として光電変換されて赤色の撮像用信号となるべき電荷を蓄積する。
【０２０４】
撮像用電荷蓄積層５２ｇで蓄積された電荷は、その導電路をなすＮ型の深い拡散部９５及び電極１０４を介してＰ型ウエル９２の表面側に導かれる。電極１０４は、図３３には図示しない転送トランジスタ４５ｇ（図３２参照）に接続されている。表面側に導かれたこの電荷は、転送トランジスタ４５ｇがオンとなることによって、ＦＤ４４に転送される。
【０２０５】
撮像用電荷蓄積層５２ｒで蓄積された電荷は、その導電路をなすＮ型の深い拡散部９６及び電極１０５を介してＰ型ウエル９２の表面側に導かれる。電極１０５は、図３３には図示しない転送トランジスタ４５ｒ（図３２参照）に接続されている。表面側に導かれたこの電荷は、転送トランジスタ４５ｒがオンとなることによって、ＦＤ４４に転送される。
【０２０６】
また、図３３に示すように、Ｐ型ウエル９２には、第１の焦点検出用フォトダイオード４２の一部を構成するＮ型の第１の焦点検出用電荷蓄積層５３、及び、第２の焦点検出用フォトダイオード４３の一部を構成するＮ型の第２の焦点検出用電荷蓄積層５４が配置されている。これらの電荷蓄積層５３，５４も、Ｎ型不純物の拡散により形成されている。これらの電荷蓄積層５３，５４はいずれも、入射光の入射方向から見たときに少なくともその一部がＰ型ウエル９２のＰ型領域を介して撮像用電荷蓄積層５２ｂ，５２ｇ，５２ｒと重なるように、配置されている。
【０２０７】
本実施の形態では、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４は、撮像用電荷蓄積層５２ｒに対して深い側に配置され、それらの深さ位置や厚さは互いに同じになっている。第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４の上面の深さ位置は、例えば、Ｐ型ウエル９２の表面からおよそ４μｍ以上深い位置とされる。本実施の形態では、これにより、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４は、入射光の赤外域の波長成分が主として光電変換されて第１及び第２の焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積するようになっている。
【０２０８】
本実施の形態では、図３４に示すように、第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４は有効受光領域内ではマイクロレンズ６５の光軸Ｏに対して対称的に配置され、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は光軸Ｏに対して＋Ｙ側に配置され、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は光軸Ｏに対して−Ｙ側に配置されている。これによって、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から−Ｙ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、第１の焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積する。第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から＋Ｙ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、第２の焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積する。また、光軸Ｏは、撮像用電荷蓄積層５２ｂ，５２ｇ，５２ｒの有効受光領域の中心を通っている。
【０２０９】
なお、シェーディングを低減するために、例えば、有効画素領域の中心部の画素では、マイクロレンズ６５の光軸Ｏと電荷蓄積層５２ｂ，５２ｇ，５２ｒ，５３，５４との位置関係が前述した位置関係となるようにマイクロレンズ６５を配置する一方、有効画素領域の周辺部の画素では、マイクロレンズ６５をその位置からずらして配置してもよい。
【０２１０】
第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４は、撮像用電荷蓄積層５２ｂ，５２ｇ，５２ｒでは光電変換されずに透過された波長成分（本実施の形態では、赤外域の波長成分）を光電変換する。このため、入射光を効率良く利用することが可能となる。
【０２１１】
第１の焦点検出用電荷蓄積層５３で蓄積された電荷は、その導電路をなすＮ型の深い拡散部５８及び電極１０６を介してＰ型ウエル９２の表面側に導かれる。電極１０６は、図３３には図示しない転送トランジスタ４６（図３２参照）に接続されている。表面側に導かれたこの電荷は、転送トランジスタ４６がオンとなることによって、ＦＤ４４に転送される。
【０２１２】
第２の焦点検出用電荷蓄積層５４で蓄積された電荷は、その導電路をなすＮ型の深い拡散部５９及び電極１０７を介してＰ型ウエル９２の表面側に導かれる。電極１０７は、図３３には図示しない転送トランジスタ４７（図３２参照）に接続されている。表面側に導かれたこの電荷は、転送トランジスタ４７がオンとなることによって、ＦＤ４４に転送される。
【０２１３】
本実施の形態では、図３３に示すように、Ｐ型ウエル９２の表面側において、Ｐ型の不純物拡散層からなる分離層９７〜１０２が設けられている。分離層９７〜１０２の不純物濃度は、Ｐ型ウエル９２の不純物濃度よりも高くなっている。分離層９７は撮像用電荷蓄積層５２ｂと拡散部９５との間に配置され、分離層９８は拡散部９５と拡散部９６との間に配置され、分離層９９は拡散部９６と拡散部５９との間に配置されている。分離層１００，１０１は隣接する画素との間を分離する。
【０２１４】
なお、製造時おいては、前記第１の実施の形態と同様に、酸化膜の形成、イオン注入による不純物の拡散などによって、図３３に示すような画素構造を得ることができる。
【０２１５】
以上、画素２０Ａ１の構成について説明した。次に、図３０及び図３１中の画素２０Ａ２について説明する。図３５は、画素２０Ａ２の要部を大幅に簡略化して模式的に示す概略平面図であり、図３４に対応している。図３５において、図３４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０２１６】
画素２０Ａ２が画素２０Ａ１と異なる所は、画素２０Ａ１では、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は光軸Ｏに対して＋Ｙ側に配置されるとともに、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は光軸Ｏに対して−Ｙ側に配置されているのに対し、画素２０Ａ２では、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は光軸Ｏに対して−Ｘ側に配置されるとともに、第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は光軸Ｏに対して＋Ｘ側に配置されている点と、これに伴って、図面には示していないが、拡散部５８，５９や電極１０６，１０７等の配置が変更されている点のみである。
【０２１７】
したがって、画素２０Ａ２では、第１の焦点検出用電荷蓄積層５３は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から＋Ｘ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、第１の焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積する。第２の焦点検出用電荷蓄積層５４は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から−Ｘ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、第２の焦点検出用信号となるべき電荷を蓄積する。
【０２１８】
本実施の形態における固体撮像素子は、前記第１の実施の形態における固体撮像素子３の駆動手順（図１５乃至図１７参照）と同様の駆動手順で、各モードの駆動を行うことができる。このとき、撮像用フォトダイオードについては、前記第１の実施の形態における固体撮像素子３の各画素が単一の撮像用電荷蓄積層５２しか有していないのに対し、本実施の形態における固体撮像素子の各画素２０Ａ１，２０Ａ２は３つの撮像用フォトダイオード４１ｂ，４１ｇ，４１ｒを有しているので、これに伴って駆動手順が変更されることは、言うまでもない。
【０２１９】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態によれば、１つの画素から３色の撮像用信号が得られるので、実質的に画素の解像度が高まる。
【０２２０】
［第５の実施の形態］
【０２２１】
図３６は、本発明の第５の実施の形態による撮像装置としての電子カメラの固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図である。図３６において、図３０及び図３１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０２２２】
本実施の形態が前記第４の実施の形態と基本的に異なる所は、固体撮像素子における画素の配置のみである。本実施の形態では、固体撮像素子における画素２０Ａ１，２０Ａ２を、撮像領域３１の全体に渡って、図３６に示すようなパターンで配置したものである。図３６は、撮像領域３１の一部を拡大したものに相当する。
【０２２３】
前記第４の実施の形態では、焦点検出領域が予め図３に示すように定められていたが、Ｙ軸方向の列の一部及びＸ軸方向の行の一部を、適宜任意に焦点検出領域として指定し得る。この場合、Ｙ軸方向の列の一部を指定する場合は、当該焦点検出領域の全部の画素２０Ａ１の第１及び第２の焦点検出用信号を用いてデフォーカス量を演算する。Ｘ軸方向の行の一部を指定する場合は、当該焦点検出領域の全部の画素２０Ａ２の第１及び第２の焦点検出用信号を用いてデフォーカス量を演算する。
【０２２４】
本実施の形態によっても、前記第４の実施の形態と同様の利点が得られる。
【０２２５】
［第６の実施の形態］
【０２２６】
図３７は、本発明の第６の実施の形態による撮像装置としての電子カメラの固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図であり、図３における焦点検出領域３５の付近を拡大したものに相当する。図３８は、本実施の形態による電子カメラの固体撮像素子の画素配置を模式的に示す他の図であり、図３における焦点検出領域３６の付近を拡大したものに相当する。
【０２２７】
本実施の形態が前記第５の実施の形態と基本的に異なる所は、画素２０Ａ１，２０Ａ２に代えて画素２０Ａ３，２０Ａ４，２０Ａ５，２０Ａ６が用いられている点のみである。ただし、厳密に言えば、後述する符号「Ａ＊」の画素の決め方によっては、これらの全ての種類の画素は用いられない。
【０２２８】
図３７及び図３８において、画素２０Ａ３，２０Ａ４，２０Ａ５，２０Ａ６には、それぞれ符号「Ａ３」〜「Ａ６」を付している。図３７及び図３８において、符号「Ａ＊」は画素２０Ａ３〜２０Ａ６のいずれか任意の１つであることを示している。
【０２２９】
本実施の形態では、Ｙ軸方向に延びた図３中の焦点検出領域３５は、図３７に示すようなＹ軸方向の２列の一部である。また、Ｘ軸方向に延びた図３中の焦点検出領域３６は、図３８に示すようなＸ軸方向の２行の一部である。
【０２３０】
図３９は、画素２０Ａ３の要部を模式的に示す概略平面図である。図４０は、画素２０Ａ４の要部を模式的に示す概略平面図である。図４１は、画素２０Ａ５の要部を模式的に示す概略平面図である。図４２は、画素２０Ａ６の要部を模式的に示す概略平面図である。図３９乃至図４０において、図３４及び図３５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【０２３１】
画素２０Ａ３が画素２０Ａ１と基本的に異なる所は、−Ｙ側の第２の焦点検出用電荷蓄積層５４（したがって、第２の焦点検出用フォトダイオード４３）が除去されている点のみである。画素２０Ａ３の回路構成は、図３２において、第２の焦点検出用フォトダイオード４３及び第３の転送トランジスタ４７が除去されたものとなる。
【０２３２】
画素２０Ａ４が画素２０Ａ１と基本的に異なる所は、＋Ｙ側の第１の焦点検出用電荷蓄積層５３（したがって、第１の焦点検出用フォトダイオード４２）が除去されている点のみである。画素２０Ａ４の回路構成は、図３２において、第１の焦点検出用フォトダイオード４２及び第２の転送トランジスタ４６が除去されたものとなる。
【０２３３】
画素２０Ａ５が画素２０Ａ２と基本的に異なる所は、＋Ｘ側の第２の焦点検出用電荷蓄積層５４（したがって、第２の焦点検出用フォトダイオード４３）が除去されている点のみである。画素２０Ａ５の回路構成は、図３２において、第２の焦点検出用フォトダイオード４３及び第３の転送トランジスタ４７が除去されたものとなる。
【０２３４】
画素２０Ａ６が画素２０Ａ２と基本的に異なる所は、−Ｘ側の第１の焦点検出用電荷蓄積層５３（したがって、第１の焦点検出用フォトダイオード４２）が除去されている点のみである。画素２０Ａ６の回路構成は、図６において、第１の焦点検出用フォトダイオード４２及び第２の転送トランジスタ４６が除去されたものとなる。
【０２３５】
本実施の形態では、例えば、図３７に示す焦点検出領域３５が指定された場合、当該領域３５の全部の画素２０Ａ３からの焦点検出用信号と、当該領域３５の全部の画素２０Ａ４からの焦点検出用信号とを用いて、デフォーカス量を演算する。図３８に示す焦点検出領域３６が指定された場合、当該領域３６の全部の画素２０Ａ５からの焦点検出用信号と、当該領域３６の画素２０Ａ６からの焦点検出用信号とを用いて、デフォーカス量を演算する。
【０２３６】
本実施の形態によっても、前記第５の実施の形態と同様の利点が得られる。
【０２３７】
なお、本発明では、前記第３の実施の形態を変形して第３の実施の形態の第１乃至第３の変形例を得たのと同様の各変形を、前記第６の実施の形態に適用してもよい。
【０２３８】
以上、本発明の各実施の形態及び変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０２３９】
例えば、前述した実施の形態はカラーの組み合わせとしてＲ、Ｇ、Ｂを用いる系を採用した例であるが、本発明は、補色系を採用してもよい。
【０２４０】
また、例えば前記第１及び第４の実施の形態では、各画素は、有効受光領域の全体をカバーする１つの焦点検出用電荷蓄積層を２つの第１及び第２の焦点検出用電荷蓄積層５３，５４に分割したものに相当している。しかしながら、本発明では、１つの画素に設ける焦点検出用電荷蓄積層の数は２つに限定されるものではなく、例えば、１つの画素に４等分割したものに相当する４つの焦点検出用電荷蓄積層を設けてもよい。
【０２４１】
さらに、本発明は、ＭＯＳトランジスタ以外の増幅部を用いた増幅型固体撮像素子にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態による撮像装置を示す概略ブロック図である。
【図２】図１中の固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。
【図３】図１中の固体撮像素子を模式的に示す概略平面図である。
【図４】図３における所定の焦点検出領域の付近を拡大した概略拡大図である。
【図５】図３における他の所定の焦点検出領域の付近を拡大した概略拡大図である。
【図６】図１中の固体撮像素子の画素を示す回路図である。
【図７】図１中の固体撮像素子の所定の画素の主な要素を模式的に示す概略平面図である。
【図８】図７中のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。
【図９】図７中のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。
【図１０】図７中のＣ−Ｃ’線に沿った概略断面図である。
【図１１】一般的なカラーフィルタの透過率を示す図である。
【図１２】図７に示す構成を変形した変形例に係る画素の主な要素を模式的に示す概略平面図である。
【図１３】図１中の固体撮像素子の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図１４】図１中の固体撮像素子の他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図１５】焦点検出モード時の図１中の固体撮像素子の駆動手順を示すタイミングチャートである。
【図１６】撮像モード時の図１中の固体撮像素子の駆動手順を示すタイミングチャートである。
【図１７】焦点検出・撮像の同時モード時の図１中の固体撮像素子の駆動手順を示すタイミングチャートである。
【図１８】本発明の第２の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図である。
【図２０】本発明の第３の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の画素配置を模式的に示す他の図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態で用いられる所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態で用いられる他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態で用いられる更に他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態で用いられる更に他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図２５】本発明の第３の実施の形態の第１の変形例における所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図２６】本発明の第３の実施の形態の第１の変形例における他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図２７】本発明の第３の実施の形態の第２の変形例における所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図２８】本発明の第３の実施の形態の第２の変形例における他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図２９】本発明の第３の実施の形態の第３の変形例における所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図３０】本発明の第４の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図である。
【図３１】本発明の第４の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の画素配置を模式的に示す他の図である。
【図３２】本発明の第４の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の画素を示す回路図である。
【図３３】本発明の第４の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の所定の画素の要部を示す概略断面図である。
【図３４】本発明の第４の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図３５】本発明の第４の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図３６】本発明の第５の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図である。
【図３７】本発明の第６の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の画素配置を模式的に示す図である。
【図３８】本発明の第６の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の画素配置を模式的に示す他の図である。
【図３９】本発明の第６の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図４０】本発明の第６の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図４１】本発明の第６の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の更に他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【図４２】本発明の第６の実施の形態による撮像装置の固体撮像素子の更に他の所定の画素の要部を模式的に示す概略平面図である。
【符号の説明】
【０２４３】
１  電子カメラ
２  撮影レンズ
３  固体撮像素子
２０，２０Ｂ１〜２０Ｂ６，２０Ｇ１〜２０Ｇ６，２０Ｒ１〜２０Ｒ６，２０Ａ１〜２０Ａ６  画素
４１，４１ｂ，４１ｇ，４１ｒ  撮像用フォトダイオード
４２，４３  焦点検出用フォトダイオード
５２，５２ｂ，５２ｇ，５２ｒ  撮像用電荷蓄積層
５３，５４  焦点検出用電荷蓄積層
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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