(57)【要約】【課題】画質を劣化させずに、撮像装置のダイナミックレンジを拡大する。【解決手段】第１の光電変換部と、第１の光電変換部よりも、単位時間あたりに変換する電荷の量が小さい第２の光電変換部と、第２の光電変換部が生成した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷電圧変換部と、第１の光電変換部から電荷電圧変換部に電荷を転送する第１の転送ゲート部と、電荷電圧変換部と電荷蓄積部のポテンシャルを結合する第２の転送ゲート部と、第２の光電変換部から電荷蓄積部に電荷を転送する第３の転送ゲート部と、第３の転送ゲート部のゲート電極の下部に形成され、第２の光電変換部から溢れた電荷を電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスと、第２の光電変換部に入射する光を減光する減光部とを備える。本技術は、例えば、撮像装置に適用できる。【選択図】図１８
2017163010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部よりも、単位時間あたりに変換する電荷の量が小さい第２の光電変換部と、
前記第２の光電変換部が生成した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
電荷電圧変換部と、
前記第１の光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する第１の転送ゲート部と、
前記電荷電圧変換部と前記電荷蓄積部のポテンシャルを結合する第２の転送ゲート部と、
前記第２の光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送する第３の転送ゲート部と、
前記第３の転送ゲート部のゲート電極の下部に形成され、前記第２の光電変換部から溢れた電荷を前記電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスと、
前記第２の光電変換部に入射する光を減光する減光部と
を備える撮像装置。
【請求項２】
前記減光部は、前記第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部上に形成されているオンチップレンズとの間に形成されている
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記減光部は、前記オンチップレンズを透過した光を減光する光学フィルタである
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記減光部は、無彩色のフィルタである
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記減光部は、前記オンチップレンズの形成時に露出しない部分であり、前記第２の光電変換部を覆う部分に形成されている
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記減光部は、前記第１の光電変換部上に形成されている第１のオンチップレンズと、前記第２の光電変換部上に形成されている第２のオンチップレンズが近接した部分においては、前記第１のオンチップレンズ側に延在して形成され、かつ前記第１のオンチップレンズの間の空隙部においては、形成されていない
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記減光部は、略四角形状であり、頂点部分が略円弧で形成されている
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記減光部は、略円形状である
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記減光部は、略四角形状であり、前記略四角形状の頂点部分は、前記第１の光電変換部上に形成されている第１のオンチップレンズと、前記第２の光電変換部上に形成されている第２のオンチップレンズが近接している部分に配置されている
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に、画素間遮光部をさらに備える
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、略同一の大きさで形成されている
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記減光部は、前記オンチップレンズを透過した光が通過する通過面積を小さくする
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記遮光部の開口形状は、前記第２の光電変換部の外縁の形状を縮小した形状とされている
請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記遮光部の開口形状は、略円形形状である
請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記遮光部は、前記第２の光電変換部の両端に略四角形状で配置されている
請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記減光部は、前記第２の光電変換部上に凹状に形成されているオンチップレンズである
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１７】
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に、画素間遮光部をさらに備える
請求項１６に記載の撮像装置。
【請求項１８】
前記画素間遮光部の一部は、カラーフィルタと同層に形成されている
請求項１７に記載の撮像装置。
【請求項１９】
前記オンチップレンズは、高屈折率を有する材料で形成されている
請求項１６に記載の撮像装置。
【請求項２０】
第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部よりも、単位時間あたりに変換する電荷の量が小さい第２の光電変換部と、
前記第２の光電変換部が生成した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
電荷電圧変換部と、
前記第１の光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する第１の転送ゲート部と、
前記電荷電圧変換部と前記電荷蓄積部のポテンシャルを結合する第２の転送ゲート部と、
前記第２の光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送する第３の転送ゲート部と、
前記第３の転送ゲート部のゲート電極の下部に形成され、前記第２の光電変換部から溢れた電荷を前記電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスと、
前記第２の光電変換部に入射する光を減光する減光部と
を含む撮像装置を
備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、撮像装置、電子機器に関し、特に、ダイナミックレンジを拡大できるようにした撮像装置、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換素子を備えた撮像装置は、階調性を持った信号を出力できるよう、
（１）照度が低い被写体を撮影する際には、光電変換素子の感度が高いことが望ましく、
（２）照度が高い被写体を撮影する際には、光電変換素子が飽和しにくいことが望ましい。
【０００３】
上記２つの特性の実現を目指した撮像装置として、
１つの画素の中に、感度が高い第１の光電変換素子と、感度は低いが多くの電荷を貯めることができる第２の光電変換素子と、を備えることで、階調性を持たせて画像を撮影出来る被写体の照度範囲、換言すれば撮像装置のダイナミックレンジ、を拡大することが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２０１５／０１２０９８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１に備わる第１の光電変換素子と第２の光電変換素子において、電荷を貯める手段は、どちらも、空乏化させたフォトダイオードに生じたポテンシャルの井戸へ、電荷を貯めるものである。電荷を貯めるメカニズムが同じであるため、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子の電荷蓄積部が、単位面積あたりに蓄積できる電荷の量は、ほぼ同等である。
【０００６】
このため、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子の電荷蓄積部の面積比以上に、第２の光電変換素子の電荷蓄積部に貯められる電荷の量を増やして、ダイナミックレンジを拡大することは、困難であった。
【０００７】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ダイナミックレンジをさらに拡大することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本技術の一側面の撮像装置は、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部よりも、単位時間あたりに変換する電荷の量が小さい第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部が生成した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷電圧変換部と、前記第１の光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する第１の転送ゲート部と、前記電荷電圧変換部と前記電荷蓄積部のポテンシャルを結合する第２の転送ゲート部と、前記第２の光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送する第３の転送ゲート部と、前記第３の転送ゲート部のゲート電極の下部に形成され、前記第２の光電変換部から溢れた電荷を前記電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスと、前記第２の光電変換部に入射する光を減光する減光部とを備える。
【０００９】
本技術の一側面の電子機器は、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部よりも、単位時間あたりに変換する電荷の量が小さい第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部が生成した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷電圧変換部と、前記第１の光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する第１の転送ゲート部と、前記電荷電圧変換部と前記電荷蓄積部のポテンシャルを結合する第２の転送ゲート部と、前記第２の光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送する第３の転送ゲート部と、前記第３の転送ゲート部のゲート電極の下部に形成され、前記第２の光電変換部から溢れた電荷を前記電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスと、前記第２の光電変換部に入射する光を減光する減光部とを含む撮像装置を備える。
【００１０】
本技術の一側面の撮像装置においては、第１の光電変換部と、第１の光電変換部よりも、単位時間あたりに変換する電荷の量が小さい第２の光電変換部と、第２の光電変換部が生成した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷電圧変換部と、第１の光電変換部から電荷電圧変換部に電荷を転送する第１の転送ゲート部と、電荷電圧変換部と電荷蓄積部のポテンシャルを結合する第２の転送ゲート部と、第２の光電変換部から電荷蓄積部に電荷を転送する第３の転送ゲート部と、第３の転送ゲート部のゲート電極の下部に形成され、第２の光電変換部から溢れた電荷を電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスと、第２の光電変換部に入射する光を減光する減光部とが備えられる。
【００１１】
本技術の一側面の電子機器は、前記撮像装置を含む構成とされている。
【発明の効果】
【００１２】
本技術の一側面によれば、ダイナミックレンジをさらに拡大することができる。
【００１３】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本技術が適用されるＣＭＯＳイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。
【図２】本技術が適用されるＣＭＯＳイメージセンサの他のシステム構成を示すシステム構成図（その１）である。
【図３】本技術が適用されるＣＭＯＳイメージセンサの他のシステム構成を示すシステム構成図（その２）である。
【図４】単位画素の回路図である。
【図５】トランジスタなどの配置に係わる平面レイアウトについて説明するための図である。
【図６】オンチップレンズの大きさについて説明するための図である。
【図７】オンチップレンズの平面レイアウトについて説明するための図である。
【図８】画素間遮光部の平面レイアウトについて説明するための図である。
【図９】カラーフィルタの平面レイアウトについて説明するための図である。
【図１０】第１の実施の形態における単位画素の構造を示す図である。
【図１１】オンチップレンズの製造について説明するための図である。
【図１２】トランジスタなどの配置に係わる平面レイアウトについて説明するための図である。
【図１３】オンチップレンズの大きさについて説明するための図である。
【図１４】オンチップレンズの平面レイアウトについて説明するための図である。
【図１５】画素間遮光部の平面レイアウトについて説明するための図である。
【図１６】カラーフィルタの平面レイアウトについて説明するための図である。
【図１７】減光フィルタの形状について説明するための図である。
【図１８】第２の実施の形態における単位画素の構造を示す図である。
【図１９】減光フィルタの形状について説明するための図である。
【図２０】減光フィルタを所定の形状にすることによる効果について説明するための図である。
【図２１】減光フィルタを所定の形状にすることによる効果について説明するための図である。
【図２２】減光フィルタの形状について説明するための図である。
【図２３】減光フィルタの他の形状について説明するための図である。
【図２４】減光フィルタのさらに他の形状について説明するための図である。
【図２５】第２の実施の形態における単位画素の他の構造を示す図である。
【図２６】第２の実施の形態における単位画素の他の構造を示す図である。
【図２７】第２の実施の形態における単位画素のさらに他の構造を示す図である。
【図２８】第３の実施の形態における単位画素の構造について説明するための図である。
【図２９】光学絞りの構造を示す図である。
【図３０】光学絞りの他の構造を示す図である。
【図３１】光学絞りのさらに他の構造を示す図である。
【図３２】第４の実施の形態における単位画素の構造を示す図である。
【図３３】第４の実施の形態における単位画素の他の構造を示す図である。
【図３４】第４の実施の形態における単位画素のさらに他の構造を示す図である。
【図３５】カラーフィルタの色配置について説明するための図である。
【図３６】撮像装置の構成について説明するための図である。
【図３７】本技術を適用した内視鏡手術システムの一実施の形態の構成を示す図である。
【図３８】カメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。
【図３９】撮像装置の使用例について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
１．本技術が適用される撮像装置
２．第１の実施の形態
３．第１の実施の形態の変形例
４．第２の実施の形態
５．第２の実施の形態の変形例
６．減光フィルタの配置位置
７．第３の実施の形態
８．第４の実施の形態
９．カラーフィルタの色配置について
１０．撮像装置の使用例
【００１６】
＜本技術が適用される撮像装置＞
｛基本的なシステム構成｝
図１は、本技術が適用される撮像装置、例えばＸ−Ｙアドレス方式撮像装置の一種であるＣＭＯＳイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサとは、ＣＭＯＳプロセスを応用して、または、部分的に使用して作成されたイメージセンサである。例えば、撮像装置は、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサで構成される。
【００１７】
本適用例に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０は、図示せぬ半導体基板（チップ）上に形成された画素アレイ部１１と、当該画素アレイ部１１と同じ半導体基板上に集積された周辺回路部とを有する構成となっている。周辺回路部は、例えば、垂直駆動部１２、カラム処理部１３、水平駆動部１４及びシステム制御部１５から構成されている。
【００１８】
ＣＭＯＳイメージセンサ１０は更に、信号処理部１８及びデータ格納部１９を備えている。信号処理部１８及びデータ格納部１９については、本ＣＭＯＳイメージセンサ１０と同じ基板上に搭載しても構わないし、本ＣＭＯＳイメージセンサ１０とは別の基板上に配置するようにしても構わない。また、信号処理部１８及びデータ格納部１９の各処理については、本ＣＭＯＳイメージセンサ１０とは別の基板に設けられる外部信号処理部、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）回路やソフトウェアによる処理でも構わない。
【００１９】
画素アレイ部１１は、受光した光量に応じた電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部を有する単位画素（以下、単に「画素」と記述する場合もある）が行方向及び列方向に、すなわち、行列状に２次元配置された構成となっている。ここで、行方向とは画素行の画素の配列方向（すなわち、水平方向）を言い、列方向とは画素列の画素の配列方向（すなわち、垂直方向）を言う。単位画素の具体的な回路構成や画素構造の詳細については後述する。
【００２０】
画素アレイ部１１において、行列状の画素配列に対して、画素行ごとに画素駆動線１６が行方向に沿って配線され、画素列ごとに垂直信号線１７が列方向に沿って配線されている。画素駆動線１６は、画素から信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。図１では、画素駆動線１６について１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線１６の一端は、垂直駆動部１２の各行に対応した出力端に接続されている。
【００２１】
垂直駆動部１２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部１１の各画素を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動部１２は、当該垂直駆動部１２を制御するシステム制御部１５と共に、画素アレイ部１１の各画素の動作を制御する駆動部を構成している。この垂直駆動部１２はその具体的な構成については図示を省略するが、一般的に、読出し走査系と掃出し走査系の２つの走査系を有する構成となっている。
【００２２】
読出し走査系は、単位画素から信号を読み出すために、画素アレイ部１１の単位画素を行単位で順に選択走査する。単位画素から読み出される信号はアナログ信号である。掃出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対して、その読出し走査よりも露光時間分だけ先行して掃出し走査を行う。
【００２３】
この掃出し走査系による掃出し走査により、読出し行の単位画素の光電変換部から不要な電荷が掃き出されることによって当該光電変換部がリセットされる。そして、この掃出し走査系による不要電荷の掃き出す（リセットする）ことにより、所謂電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換部の電荷を捨てて、新たに露光を開始する（電荷の蓄積を開始する）動作のことを言う。
【００２４】
読出し走査系による読出し動作によって読み出される信号は、その直前の読出し動作または電子シャッタ動作以降に受光した光量に対応するものである。そして、直前の読出し動作による読出しタイミングまたは電子シャッタ動作による掃出しタイミングから、今回の読出し動作による読出しタイミングまでの期間が、単位画素における電荷の露光期間となる。
【００２５】
垂直駆動部１２によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、画素列ごとに垂直信号線１７の各々を通してカラム処理部１３に入力される。カラム処理部１３は、画素アレイ部１１の画素列ごとに、選択行の各画素から垂直信号線１７を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
【００２６】
具体的には、カラム処理部１３は、信号処理として少なくとも、ノイズ除去処理、例えばＣＤＳ（Correlated Double Sampling；相関二重サンプリング）処理や、ＤＤＳ（Double Data Sampling）処理を行う。例えば、ＣＤＳ処理により、リセットノイズや画素内の増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去される。カラム処理部１３にノイズ除去処理以外に、例えば、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換機能を持たせ、アナログの画素信号をデジタル信号に変換して出力することも可能である。
【００２７】
水平駆動部１４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部１３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部１４による選択走査により、カラム処理部１３において単位回路ごとに信号処理された画素信号が順番に出力される。
【００２８】
システム制御部１５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミングを基に、垂直駆動部１２、カラム処理部１３、及び、水平駆動部１４などの駆動制御を行う。
【００２９】
信号処理部１８は、少なくとも演算処理機能を有し、カラム処理部１３から出力される画素信号に対して演算処理等の種々の信号処理を行う。データ格納部１９は、信号処理部１８での信号処理に当たって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
【００３０】
｛他のシステム構成｝
本技術が適用されるＣＭＯＳイメージセンサ１０としては、上述したシステム構成のものに限られるものではない。他のシステム構成として、以下のようなシステム構成のものを挙げることができる。
【００３１】
例えば、図２に示すように、データ格納部１９をカラム処理部１３の後段に配置し、カラム処理部１３から出力される画素信号を、データ格納部１９を経由して信号処理部１８に供給するシステム構成のＣＭＯＳイメージセンサ１０Ａを挙げることができる。
【００３２】
更には、図３に示すように、画素アレイ部１１の列ごとあるいは複数の列ごとにＡＤ変換するＡＤ変換機能をカラム処理部１３に持たせるとともに、当該カラム処理部１３に対してデータ格納部１９及び信号処理部１８を並列的に設けるシステム構成のＣＭＯＳイメージセンサ１０Ｂを挙げることができる。
【００３３】
＜第１の実施の形態＞
本技術を適用した第１の実施の形態について、図４乃至図１１を参照して説明する。
【００３４】
｛単位画素の回路構成｝
図４は、図１乃至図３の画素アレイ部１１に配置される単位画素１００の構成例を示す回路図である。
【００３５】
単位画素１００は、第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、第１転送トランジスタ１０３、第２転送トランジスタ１０４、第３転送トランジスタ１０５、第４転送トランジスタ１０６、ＦＤ（フローティングディフュージョン）部１０７、リセットトランジスタ１０８、増幅トランジスタ１０９、および選択トランジスタ１１０を備える。
【００３６】
リセットトランジスタ１０８と増幅トランジスタ１０９は、電源ＶＤＤに接続される。第１光電変換部１０１は、シリコン半導体基板に形成されたｐ型不純物領域の内部に、ｎ型不純物領域が形成された、いわゆる埋め込み型のフォトダイオードを含む。同様に第２光電変換部１０２は、埋め込み型のフォトダイオードを含む。第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２は、受光した光量に応じた電荷を生成し、生成した電荷を一定量まで蓄積する。
【００３７】
単位画素１００は、電荷蓄積部１１１をさらに備える。電荷蓄積部１１１は、例えばＭＯＳ容量やＭＩＳ容量である。
【００３８】
図４において、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２の間には、第１転送トランジスタ１０３、第２転送トランジスタ１０４、第３転送トランジスタ１０５、第４転送トランジスタ１０６、が直列に接続されている。第１転送トランジスタ１０３と第２転送トランジスタ１０４の間に接続された浮遊拡散層が、ＦＤ部１０７となる。ＦＤ部１０７には、寄生容量Ｃ１０が備わる。
【００３９】
第２転送トランジスタ１０４と第３転送トランジスタ１０５の間に接続された浮遊拡散層が、ノード１１２となる。ノード１１２には、寄生容量Ｃ１１が備わる。第３転送トランジスタ１０５と第４転送トランジスタ１０６の間に接続された浮遊拡散層が、ノード１１３となる。ノード１１３に、電荷蓄積部１１１が接続されている。
【００４０】
単位画素１００に対して、図１乃至図３の画素駆動線１６として、複数の駆動線が、例えば画素行毎に配線される。そして、図１乃至図３の垂直駆動部１２から複数の駆動線を介して、各種の駆動信号ＴＧＬ、ＦＤＧ、ＦＣＧ、ＴＧＳ、ＲＳＴ、ＳＥＬが供給される。これらの駆動信号は、単位画素１００の各トランジスタがＮＭＯＳトランジスタなので、高レベル（例えば、電源電圧ＶＤＤ）の状態がアクティブ状態となり、低レベルの状態（例えば、負電位）が非アクティブ状態となるパルス信号である。
【００４１】
第１転送トランジスタ１０３のゲート電極には、駆動信号ＴＧＬが印加される。駆動信号ＴＧＬがアクティブ状態になると、第１転送トランジスタ１０３が導通状態になり、第１光電変換部１０１に蓄積されている電荷が、第１転送トランジスタ１０３を介してＦＤ部１０７へ転送される。
【００４２】
第２転送トランジスタ１０４のゲート電極には、駆動信号ＦＤＧが印加される。駆動信号ＦＤＧがアクティブ状態となって第２転送トランジスタ１０４が導通状態になると、これによりＦＤ部１０７とノード１１２のポテンシャルが結合して、１つの電荷蓄積領域となる。
【００４３】
第３転送トランジスタ１０５のゲート電極には、駆動信号ＦＣＧが印加される。駆動信号ＦＤＧと駆動信号ＦＣＧがアクティブ状態となって第２転送トランジスタ１０４と第３転送トランジスタ１０５が導通状態になると、ＦＤ部１０７から電荷蓄積部１１１までのポテンシャルが結合して、１つの電荷蓄積領域となる。
【００４４】
第４転送トランジスタ１０６のゲート電極には、駆動信号ＴＧＳが印加される。駆動信号ＴＧＳがアクティブ状態になると、第４転送トランジスタ１０６が導通状態になり、第２光電変換部１０２に蓄積されている電荷が、第４転送トランジスタ１０６を介して、電荷蓄積部１１１へ転送される。第４転送トランジスタ１０６、第３転送トランジスタ１０５、および第２転送トランジスタ１０４がアクティブ状態の場合、電荷蓄積部１１１からＦＤ部１０７までのポテンシャルが結合し、この結合した電荷蓄積領域へ、第２光電変換部１０２に蓄積されている電荷が転送される。
【００４５】
さらに、第４転送トランジスタ１０６のゲート電極の下部のチャネル領域は、例えば、第１転送トランジスタ１０３、第２転送トランジスタ１０４、または第３転送トランジスタ１０５のゲート電極の下部のチャネル領域よりも、ポテンシャルが若干プラスの方向になっており（換言すれば、ポテンシャルが若干深くなっており）、これにより電荷のオーバーフローパスが形成されている。第２光電変換部１０２における光電変換の結果、第２光電変換部１０２の飽和電荷量を超える電荷が発生した場合には、飽和電荷量を超えた電荷が、上記オーバーフローパスを介して、第２光電変換部１０２から電荷蓄積部１１１へとオーバーフローする（溢れ出す）。オーバーフローした電荷は、電荷蓄積部１１１に蓄積される。
【００４６】
なお、以下、第４転送トランジスタ１０６のゲート電極の下部のチャネル領域に形成されているオーバーフローパスを、単に第４転送トランジスタ１０６のオーバーフローパスと称する。
【００４７】
図４において、電荷蓄積部１１１が有する２つの電極のうち、第１電極は、第３転送トランジスタ１０５と第４転送トランジスタ１０６の間のノード１１３へ接続された、ノード電極である。電荷蓄積部１１１が有する２つの電極のうち、第２電極は、接地された、接地電極である。
【００４８】
なお、第２電極は、変形例として、接地電位以外の特定電位、例えば電源電位に接続されても良い。
【００４９】
電荷蓄積部１１１がＭＯＳ容量またはＭＩＳ容量である場合、一例として、第２電極は、シリコン基板に形成された不純物領域であり、容量を形成する誘電膜は、シリコン基板上に形成された酸化膜や窒化膜である。第１電極は、第２電極と誘電膜の上方において、導電性を有する材料、例えばポリシリコンや金属で形成された電極である。
【００５０】
第２電極を接地電位にする場合、第２電極は、第１光電変換部１０１または第２光電変換部１０２に備わるｐ型不純物領域と電気的に接続されたｐ型不純物領域であっても良い。第２電極を、接地電位以外の特定電位にする場合、第２電極は、ｐ型不純物領域内に形成されたｎ型不純物領域であっても良い。
【００５１】
ノード１１２には、第２転送トランジスタ１０４の他に、リセットトランジスタ１０８も接続される。リセットトランジスタの先には、特定電位、例えば電源ＶＤＤが接続されている。リセットトランジスタ１０８のゲート電極には、駆動信号ＲＳＴが印加される。駆動信号ＲＳＴがアクティブ状態になると、リセットトランジスタ１０８が導通状態になり、ノード１１２の電位が電圧ＶＤＤのレベルにリセットされる。
【００５２】
駆動信号ＲＳＴをアクティブ状態にする際に、第２転送トランジスタ１０４の駆動信号ＦＤＧと第３転送トランジスタ１０５の駆動信号ＦＣＧをアクティブ状態にすると、ポテンシャルが結合したノード１１２とＦＤ部１０７と電荷蓄積部１１１の電位が、電圧ＶＤＤのレベルにリセットされる。
【００５３】
なお、駆動信号ＦＤＧと駆動信号ＦＣＧを個別に制御することによって、ＦＤ部１０７と電荷蓄積部１１１の電位を、それぞれ単独で（独立して）電圧ＶＤＤのレベルにリセットできることは、言うまでもない。
【００５４】
浮遊拡散層であるＦＤ部１０７は、電荷―電圧変換手段である。すなわち、ＦＤ部１０７に電荷が転送されると、転送された電荷の量に応じて、ＦＤ部１０７の電位が変化する。
【００５５】
増幅トランジスタ１０９は、ソース側に、垂直信号線１７の一端に接続された電流源１３１が、ドレイン側に、電源ＶＤＤが接続され、これらとともにソースフォロワ回路を構成する。増幅トランジスタ１０９のゲート電極には、ＦＤ部１０７が接続され、これがソースフォロワ回路の入力となる。
【００５６】
選択トランジスタ１１０は、増幅トランジスタ１０９のソースと垂直信号線１７との間に接続されている。選択トランジスタ１１０のゲート電極には、駆動信号ＳＥＬが印加される。駆動信号ＳＥＬがアクティブ状態になると、選択トランジスタ１１０が導通状態になり、単位画素１００が選択状態となる。
【００５７】
ＦＤ部１０７に電荷が転送されると、ＦＤ部１０７の電位が、転送された電荷の量に応じた電位となり、その電位が、上記したソースフォロワ回路へ入力される。駆動信号ＳＥＬがアクティブ状態になると、この電荷の量に応じたＦＤ部１０７の電位が、ソースフォロワ回路の出力として、選択トランジスタ１１０を介して垂直信号線１７に出力される。
【００５８】
第１光電変換部１０１は、第２光電変換部１０２よりも、フォトダイオードの受光面積が広いものとなっている。このため、ある照度の被写体を、ある露光時間で撮影した場合、第１光電変換部１０１において発生する電荷は、第２光電変換部１０２において発生する電荷よりも多い。
【００５９】
このため、第１光電変換部１０１において発生した電荷と、第２光電変換部１０２において発生した電荷とを、ＦＤ部１０７へ転送して、それぞれ電荷―電圧変換すると、第１光電変換部１０１で発生した電荷を、ＦＤ部１０７へ転送する前と後での電圧変化は、第２光電変換部１０２で発生した電荷を、ＦＤ部１０７へ転送する前と後での電圧変化よりも、大きい。従って、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２を比較すると、第１光電変換部１０１は、第２光電変換部１０２よりも、感度が高いものとなっている。
【００６０】
これに対して、第２光電変換部１０２は、高い照度の光が入射して第２光電変換部１０２の飽和電荷量を超える電荷が発生した場合でも、飽和電荷量を超えて発生した電荷を電荷蓄積部１１１へ蓄積することができるため、第２光電変換部１０２で生じた電荷を電荷―電圧変換する際に、第２光電変換部１０２内に蓄積した電荷と、電荷蓄積部１１１に蓄積した電荷の双方を加えた上で、電荷―電圧変換することができる。
【００６１】
これにより、第２光電変換部１０２は、第１光電変換部１０１よりも、階調性を備えた画像を、広い照度範囲に渡って撮影することができる、換言すれば、ダイナミックレンジの広い画像を撮影することができる。
【００６２】
第１光電変換部１０１を用いて撮影された、感度の高い画像と、第２光電変換部１０２を用いて撮影された、ダイナミックレンジの広い画像との２枚の画像は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の内部に備わる画像信号処理回路、または、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の外部に接続された画像信号処理装置において、２枚の画像から１枚の画像を合成するワイドダイナミックレンジ画像合成処理を経て、１枚の画像へと合成される。
【００６３】
｛単位画素の平面レイアウト｝
図５乃至図９は、図４に記載の単位画素１００の実施の形態を示す平面レイアウト図である。図５乃至図９は、一例として、単位画素１００が、いわゆる裏面照射型の撮像装置である場合の構造を示している。
【００６４】
裏面照射型の撮像装置において、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２が形成されたシリコン基板は、フォトダイオードへの光の入射面となる第１の面と、第１の面に対向する第２の面と、を備える。図５は、単位画素１００に関わる、シリコン基板の第２の面における平面レイアウト図であって、単位画素１００に備わる活性領域、光電変換部、画素トランジスタ、電荷蓄積部、およびこれらの間を接続する配線の、平面レイアウト図である。
【００６５】
図５において、第１光電変換部１０１、第１転送トランジスタ１０３、ＦＤ部１０７、第２転送トランジスタ１０４、ノード１１２の一部、リセットトランジスタ１０８、および電源ＶＤＤへの接続部が、連続した第１の活性領域上に形成されている。
【００６６】
これとは別に、第２光電変換部１０２、第４転送トランジスタ１０６、ノード１１３、第３転送トランジスタ１０５、およびノード１１２の別の一部が、連続した第２の活性領域上に形成されている。
【００６７】
さらにこれらとは別に、垂直信号線１７への接続部、選択トランジスタ１１０、増幅トランジスタ１０９、および電源ＶＤＤへの接続部が、連続した第３の活性領域上に形成されている。
【００６８】
さらに、電荷蓄積部１１１が、これらとは別の第４の活性領域（不図示）上に形成されている。電荷蓄積部１１１の下部電極となる不純物領域が形成される第４の活性領域は、その上に誘電膜が配置され、さらにその上に上部電極が配置されるため、図５においては、上部電極だけが見えている。この上部電極の下に、下部電極が形成される第４の活性領域が配置されている。
【００６９】
図５において、ＦＤ部１０７と、増幅トランジスタ１０９のゲート電極との間は、ゲート電極よりも上層に配置された配線によって接続されている。また、第１の活性領域に形成されるノード１１２の一部と、第２の活性領域に形成されるノード１１２の別の一部との間も、図５に記載の各ゲート電極よりも上層に配置された配線によって、接続されている。
【００７０】
さらに、ノード１１３と、電荷蓄積部１１１の電荷蓄積部の上部電極との間も、図５に記載の各ゲート電極と電荷蓄積部１１１の上部電極よりも上層に配置された配線によって接続されている。
【００７１】
図５に示した点線で囲まれた領域が、図４に記載の単位画素１００の１画素分の領域となる。
【００７２】
図６は、単位画素１００に関わる平面レイアウト図であって、シリコン基板の第２の面における平面レイアウト図と、第１の面における平面レイアウト図を、重ねて記載した図である。図６には、第２の面に配置された、活性領域、光電変換部、画素トランジスタ、電荷蓄積部、およびこれらの間を接続する配線と、第１の面に配置された、光電変換部およびオンチップレンズの平面レイアウトを記載している。
【００７３】
図６に示した点線で囲まれた領域が、図４に記載の単位画素１００の１画素分の領域となる。
【００７４】
図６において、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２は、第２の面と第１の面とにおいて、同じ位置に配置されている。
【００７５】
第１光電変換部１０１へ入射させる光を集光する第１オンチップレンズ１５１は、第１光電変換部１０１を覆うように配置されている。同様に、第２光電変換部１０２へ入射させる光を集光する第２オンチップレンズ１５２は、第２光電変換部１０２を覆うように配置されている。
【００７６】
第１オンチップレンズ１５１と第２オンチップレンズ１５２を、どの程度の大きさにするかは、例えば、第１の面において、どの範囲の光を集光して光電変換部へ入射させるかということや、第２の面において、光電変換部、画素トランジスタ、電荷蓄積部がどれほどの大きさになり、それによって１画素の大きさや、画素をアレイ状に配置した場合の画素ピッチがどれほどの大きさになるかということなど、画素設計上の要因によって設定することができる。
【００７７】
例えば、第１の面において、オンチップレンズが大き過ぎる場合には、撮像装置の解像度が低下すると共に、第２の面において、単位画素の構成要素が配置されない、無駄な領域が生じてしまう。一方、第１の面において、オンチップレンズが小さ過ぎる場合には、光電変換部へ入射する光が減少し、感度の悪い撮像装置となってしまう。このため、第１の面におけるオンチップレンズの大きさと、第２の面における単位画素の各構成要素の大きさは、無駄なく、高い感度と解像度が得られるように、適正に設計されることが好ましい。
【００７８】
図６に記載の平面レイアウトは、画素設計の結果、第１オンチップレンズ１５１の直径を、画素ピッチと等しく出来、かつ、第１オンチップレンズ１５１が上下左右２個ずつ計４個配列され、その中央部の第１オンチップレンズ１５１が配置されない領域の内部に、第２オンチップレンズ１５２が収まるように、第２オンチップレンズ１５２の直径を設計した場合の図である。
【００７９】
この場合、ある第１の画素に備わる第１オンチップレンズ１５１の中心ａと、第１の画素に隣接する第２の画素に備わる第１オンチップレンズ１５１の中心ｂとの間の距離ａｂと、
第１の画素に備わる第１オンチップレンズ１５１の中心ａと、第３の画素に備わる第２オンチップレンズ１５２の中心ｃとの間の距離ａｃと、
第２の画素に備わる第１オンチップレンズ１５１の中心ｂと、第３の画素に備わる第２オンチップレンズ１５２の中心ｃとの間の距離ｂｃと、
各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１の半径ｒ１と、
各画素に備わる第２オンチップレンズ１５２の半径ｒ２とは、以下の関係にある。
【００８０】
距離ａｂ ＝ ｒ１ × ２  ・・・（１）
距離ａｃ ＝ 距離ｂｃ ＝ 距離ａｂ × √２ ／ ２  ・・・（２）
ｒ２ ≦ ｒ１ × （√２ − １）  ・・・（３）
【００８１】
式（１）より、距離ａｂは、第１オンチップレンズ１５１の半径ｒ１の２倍となり、その距離は、第１オンチップレンズ１５１の直径と同等となる。また、式（２）より、距離ａｃと距離ｂｃは、同距離となり、距離ａｂにルート２を乗算した値を２で除算した値となる。すなわち、距離ａｃ（距離ｂｃ）は、第１オンチップレンズ１５１の半径ｒ１に、ルート２を乗算した値となる。式（３）より、第２オンチップレンズ１５２の半径ｒ２は、式（１）と式（２）から導き出すことができ、ルート２から１を減算した値に半径ｒ１を乗算した値以下となる。
【００８２】
図７は、単位画素１００に関わる平面レイアウト図であって、図６から、第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、第１オンチップレンズ１５１、および第２オンチップレンズ１５２の平面レイアウトを取り出して記載したものである。図７に示した点線で囲まれた領域が、図４に記載の単位画素１００の１画素分の領域となる。
【００８３】
図７においては、図６と同様に、第１オンチップレンズ１５１の直径を、画素ピッチと等しく、かつ、第１オンチップレンズ１５１が上下左右２個ずつ計４個配列され、その中央部の第１オンチップレンズ１５１が配置されない領域の内部に、第２オンチップレンズ１５２が収まるように、第２オンチップレンズ１５２の直径が設計されている。
【００８４】
図８は、単位画素１００に関わる平面レイアウト図であって、図７に記載の第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、第１オンチップレンズ１５１、および第２オンチップレンズ１５２の平面レイアウトに加えて、単位画素１００の第１の面において、各画素の間に備わる、画素間遮光部１８１の平面レイアウトを記載したものである。
【００８５】
画素間遮光部１８１は、隣接する画素への光の漏れ込みを防ぐために設けられている。画素間遮光部１８１は、ある画素の第１オンチップレンズ１５１と、これに隣接する画素の第１オンチップレンズ１５１が、最も近接する部分においては、これら２つのオンチップレンズの内側方向へ、それぞれ同じ幅を持って配置されている。
【００８６】
また、画素間遮光部１８１は、第１オンチップレンズ１５１と第２オンチップレンズ１５２が、最も近接する部分においては、これら２つのオンチップレンズの内側方向へ、それぞれ同じ幅を持って配置されている。
【００８７】
図９は、単位画素１００に関わる平面レイアウト図であって、図８に記載の第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、第１オンチップレンズ１５１、第２オンチップレンズ１５２、画素間遮光部１８１の平面レイアウトに加えて、単位画素１００の第１の面において、各画素に備わる、カラーフィルタ２０１の平面レイアウトを記載したものである。
【００８８】
カラーフィルタ２０１は、ある画素の第１オンチップレンズ１５１と、これに隣接する画素の第１オンチップレンズ１５１が、最も近接する部分においては、これら２つのオンチップレンズの下に配置されている。
【００８９】
また、カラーフィルタ２０１は、第１オンチップレンズ１５１と第２オンチップレンズ１５２が、最も近接する部分においても、これら２つのオンチップレンズの下に配置されている。
【００９０】
図９に示したカラーフィルタ２０１は、ＲＧＢのベイヤー配列である場合を示している。例えば、図中左上に位置する第１光電変換部１０１−１と第２光電変換部１０２−１には、緑色（Ｇ）のカラーフィルタ２０１−１−１とカラーフィルタ２０１−２−１が、それぞれ配置されている。
【００９１】
また、例えば、図中右上に位置する第１光電変換部１０１−２と第２光電変換部１０２−２には、青色（Ｂ）のカラーフィルタ２０１−１−２とカラーフィルタ２０１−２−２が、それぞれ配置されている。また、例えば、図中左下に位置する第１光電変換部１０１−３と第２光電変換部１０２−３には、赤色（Ｒ）のカラーフィルタ２０１−１−３とカラーフィルタ２０１−２−３が、それぞれ配置されている。
【００９２】
さらに例えば、図中右下に位置する第１光電変換部１０１−４と第２光電変換部１０２−４には、緑色（Ｇ）のカラーフィルタ２０１−１−４とカラーフィルタ２０１−２−４が、それぞれ配置されている。
【００９３】
このように、単位画素１００を構成する第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２には、同色のカラーフィルタ２０１が配置される。
【００９４】
｛単位画素の断面｝
図１０は、単位画素１００に関わる断面の模式図であって、１画素内おいて、第１オンチップレンズ１５１と第２オンチップレンズ１５２とが最も近接する部分と、隣接する２画素において、ある画素の第２オンチップレンズ１５２と、これに隣接する画素の第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する部分とを、繰り返し模式的に記載したものである。
【００９５】
図１０において、各画素は、第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、これら光電変換部の上にそれぞれ配置された第１オンチップレンズ１５１、第２オンチップレンズ１５２、光電変換部とオンチップレンズとの間に配置されたカラーフィルタ２０１、光電変換部とカラーフィルタとの間に配置された、負の固定電荷を有する膜（いわゆるピニング膜２３１）、層間絶縁膜２３２、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２の周囲に配置された画素間遮光部１８１と、を備えている。
【００９６】
図１０においては、横方向に左からＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素が配列されている例を示した。例えば、中央に位置するＧ画素を参照する。Ｇ画素は、支持基板２７３上に配線２７２が配置された配線層２７１が積層されている。配線層２７１上に第１光電変換部１０１−１２と第２光電変換部１０２−１２が形成されている。
【００９７】
第１光電変換部１０１−１２と第２光電変換部１０２−１２は、それぞれ、Ｐウェル領域２４１と、その内部に形成されたｎ型不純物領域を含むフォトダイオードである。また、第１光電変換部１０１−１２と配線層２７１との間には、Ｐ型のピニング領域２３３−１２が形成され、第２光電変換部１０２−１２と配線層２７１との間には、Ｐ型のピニング領域２３５−１２が形成されている。
【００９８】
第１光電変換部１０１−１２と第２光電変換部１０２−１２との間には、画素間遮光部１８１−４が形成され、第１光電変換部１０１−１２から第２光電変換部１０２−１２への光の漏れ込みと、第２光電変換部１０２−１２から第１光電変換部１０１−１２への光の漏れ込みを防ぐように構成されている。
【００９９】
また、左側に隣接する画素（図１０では、Ｒ画素）との間には、画素間遮光部１８１−３が形成され、左側に隣接するＲ画素からの光の漏れ込みを防ぎ、左側に隣接するＲ画素への光の漏れ込みを防ぐ構成とされている。
【０１００】
同様に、右側に隣接する画素（図１０では、Ｂ画素）との間には、画素間遮光部１８１−５が形成され、右側に隣接するＢ画素からの光の漏れ込みを防ぎ、右側に隣接するＢ画素への光の漏れ込みを防ぐ構成とされている。
【０１０１】
このような構成を有する画素の製法、特に図１０に記載のオンチップレンズ１５１，１５２を、カラーフィルタ２０１上に形成する、製法について、図１１を参照して説明する。
【０１０２】
工程Ｓ１において、公知の製法を用いて、半導体基板に、単位画素１００に備わる、光電変換部（フォトダイオード）、画素トランジスタ、配線（図１１ではいずれも不図示）、カラーフィルタ２０１や、ＣＭＯＳイメージセンサ１０に備わる周辺回路部が形成される。
【０１０３】
カラーフィルタ２０１が形成された半導体基板上に、オンチップレンズ１５１，１５２の材料、例えばエポキシ樹脂などの有機材料３０１が、層状に形成される。
【０１０４】
工程Ｓ２において、有機材料３０１が層上に形成された半導体基板上に、第２オンチップレンズ１５２を形成するためのレジストパターン３０２が形成される。
【０１０５】
工程Ｓ３において、レジストパターン３０２が形成された半導体基板上に、第１オンチップレンズ１５１を形成するための、レジストパターン３０３が形成される。
【０１０６】
工程Ｓ４において、レジストパターン３０３が形成された半導体基板に、形成されたレジストパターン３０２，３０３と、オンチップレンズの材料である有機材料３０１の層が、半導体基板全面に渡ってエッチバックされる。
【０１０７】
これらの製法によって、各画素に、第１オンチップレンズ１５１と第２オンチップレンズ１５２が形成される。
【０１０８】
図４乃至図１１を用いて説明した構造と製法を用いて形成した単位画素１００を備えたＣＭＯＳイメージセンサ１０は、第１光電変換部１０１を用いて感度の高い画像を撮影すると共に、第２光電変換部１０２を用いてダイナミックレンジの広い画像を撮影する。
【０１０９】
これらの２枚の画像は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の内部に備わる画像信号処理回路、または、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の外部に接続された画像信号処理装置において、画像信号処理を経て１枚の画像へと合成される。これにより、高い感度と広いダイナミックレンジの双方を備えた画像を撮影することができる、という作用効果がもたらされる。
【０１１０】
＜第１の実施の形態の変形例＞
本技術を適用した第１の実施の形態の変形例を、図１２乃至図１６を用いて説明する。なお、特に断り書きが無い限り、第１の実施の形態の変形例と第１の実施の形態（図４乃至図１０）とで、同じ構成部位については詳細な説明を省略する。
【０１１１】
図１２乃至図１６は、図４に記載の単位画素１００の実施の形態を示す平面レイアウト図であって、図５乃至図９に記載の第１の実施の形態の変形例を示す図である。図１２乃至図１６は、第１の実施の形態と同様に、単位画素１００が、いわゆる裏面照射型の撮像装置の構造を用いた場合の図である。
【０１１２】
このため、図１２乃至図１６に記載の裏面照射型の撮像装置は、第１の実施の形態と同様に、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２が形成されたシリコン基板が、フォトダイオード（光電変換部）への光の入射面となる第１の面と、第１の面に対向する第２の面とを備える構造とされている。
【０１１３】
図１２は、単位画素１００に関わる、シリコン基板の第２の面における平面レイアウト図であって、単位画素１００に備わる活性領域、光電変換部、画素トランジスタ、電荷蓄積部、およびこれらの間を接続する配線の、平面レイアウト図である。
【０１１４】
図１２に示した第１の実施の形態の変形例に関する平面レイアウトと、図５に示した第１の実施の形態に関する平面レイアウトを比較する。図１２に記載の第２光電変換部１０２’（図５に示した第２光電変換部１０２と区別するためにダッシュを付して記載する）は、図５に記載の第２光電変換部１０２よりも、フォトダイオードの受光面積が広いものとなっている。
【０１１５】
このため、ある照度の被写体を、ある露光時間で撮影した場合、図１２に記載の第２光電変換部１０２’において発生する電荷は、図５に記載の第２光電変換部１０２において発生する電荷よりも多くなる。
【０１１６】
このため、図１２に記載の第２光電変換部１０２’において発生した電荷と、図５に記載の第２光電変換部１０２において発生した電荷とを、同じ面積のＦＤ部１０７へ転送して、それぞれ電荷―電圧変換すると、図１２に記載の第２光電変換部１０２’で発生した電荷を、ＦＤ部１０７へ転送する前と後での電圧変化は、図５に記載の第２光電変換部１０２で発生した電荷を、ＦＤ部１０７へ転送する前と後での電圧変化よりも、大きい。
【０１１７】
これにより、図１２に記載の第２光電変換部１０２’は、図５に記載の第２光電変換部１０２よりも、感度が高くなるという作用効果がもたらされる。
【０１１８】
次に図１３に示した第１の実施の形態の変形例に関する平面レイアウトと、図６に示した第１の実施の形態に関する平面レイアウトを比較する。図１３は、単位画素１００に関わる平面レイアウト図であって、図６と同様に、シリコン基板の第２の面における平面レイアウト図と、第１の面における平面レイアウト図を、重ねて記載した図である。
【０１１９】
図１３には、図６と同様に、第２の面に配置された、活性領域、光電変換部、画素トランジスタ、電荷蓄積部、およびこれらの間を接続する配線と、第１の面に配置された、光電変換部とオンチップレンズの、平面レイアウトを記載している。
【０１２０】
図１３に示した平面レイアウトと図６に示した平面レイアウトを比較すると、図１２に示した平面レイアウトを参照して説明したように、図１３に記載の第２光電変換部１０２’は、図６に記載の第２光電変換部１０２よりも、フォトダイオードの受光面積が広いものとなっている。
【０１２１】
その結果、第２光電変換部１０２’へ入射させる光を集光するために、第２光電変換部１０２’を覆うように配置されている第２オンチップレンズ１５２’は、図６に記載の第２オンチップレンズ１５２よりも、大きいものとなっている。すなわち、図１３に記載の第２オンチップレンズ１５２’の直径は、図６に記載の第２オンチップレンズ１５２の直径よりも、大きいものとなっている。
【０１２２】
第２オンチップレンズ１５２’の大きさが大きくなった代わりとして、図１３に記載の第１オンチップレンズ１５１’の直径は、図６に記載の第１オンチップレンズ１５１の直径よりも、小さいものとなっている。
【０１２３】
その結果、図１３に記載の平面レイアウトでは、画素設計の結果、第１オンチップレンズ１５１’と第２オンチップレンズ１５２’とが接して配置される。また、各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１’と、隣接する画素に備わる第１オンチップレンズ１５１’との間には、オンチップレンズが配置されない空隙部が生じている。
【０１２４】
この場合、ある第１光電変換部１０１に備わる第１オンチップレンズ１５１’の中心ｄと、第１光電変換部１０１の画素に隣接する第１光電変換部１０１に備わる第１オンチップレンズ１５１’の中心ｅとの間の距離ｄｅ、
第１光電変換部１０１に備わる第１オンチップレンズ１５１’の中心ｄと、第２光電変換部１０２’に備わる第２オンチップレンズ１５２’の中心ｆとの間の距離ｄｆ、
第１光電変換部１０１に備わる第１オンチップレンズ１５１’の中心ｅと、第２光電変換部１０２’に備わる第２オンチップレンズ１５２’の中心ｆとの間の距離ｅｆ、
各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１’の半径ｒ１’、
各画素に備わる第２オンチップレンズ１５２’の半径ｒ２’とは、以下の関係にある。
【０１２５】
距離ｄｅ ≧ ｒ１ ’× ２  ・・・（４）
距離ｄｆ ＝ 距離ｅｆ ＝ ｒ１’ ＋ ｒ２’ ＝ 距離ｄｅ × √２ ／ ２  ・・・（５）
ｒ２’ ≧ ｒ１’ × （√２ − １）  ・・・（６）
【０１２６】
式（４）より、距離ｄｅは、第１オンチップレンズ１５１’の半径ｒ１’の２倍以上の距離、すなわち、第１オンチップレンズ１５１’の直径以上の距離となる。また、式（５）より、距離ｄｆと距離ｅｆは、同距離となり、第１オンチップレンズ１５１’の半径ｒ１’と第２オンチップレンズ１５２’の半径ｒ２’を加算した距離となる。また距離ｄｆと距離ｅｆは、距離ｄｅにルート２を乗算した値を２で除算した値となる。
【０１２７】
式（６）より、第２オンチップレンズ１５２’の半径ｒ２’は、式（４）と式（５）から導き出すことができ、ルート２から１を減算した値に半径ｒ１’を乗算した値以下となる。
【０１２８】
次に図１４に示した第１の実施の形態の変形例に関する平面レイアウトと、図７に示した第１の実施の形態に関する平面レイアウトを比較する。図１４は、単位画素１００に関わる平面レイアウト図であって、図１３から、第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２’、第１オンチップレンズ１５１’、および第２オンチップレンズ１５２’の平面レイアウトを取り出して記載したものである。
【０１２９】
図１４に示した点線で囲まれた領域が、図４に記載の単位画素１００の１画素分の領域となる。図１４においては、図１３と同様に、第１オンチップレンズ１５１’と第２オンチップレンズ１５２’とが接して配置されている。各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１’と、隣接する画素に備わる第１オンチップレンズ１５１’との間には、オンチップレンズが配置されない、空隙部が生じている。
【０１３０】
図１５は、単位画素１００に関わる平面レイアウト図であって、図８と同様にして、図１４に記載の第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２’、第１オンチップレンズ１５１’および第２オンチップレンズ１５２’の平面レイアウトに加えて、単位画素１００の第１の面において、各画素の間に備わる、画素間遮光部１８１’の平面レイアウトを記載したものである。
【０１３１】
画素間遮光部１８１’は、ある画素の第１オンチップレンズ１５１’と、これに隣接する画素の第１オンチップレンズ１５１’が、最も近接する部分においては、これら２つのオンチップレンズの内側方向へ、それぞれ同じ幅を持って配置されている。
【０１３２】
また、画素間遮光部１８１’は、第１オンチップレンズ１５１’と第２オンチップレンズ１５２’が、最も近接する部分においては、これら２つのオンチップレンズの内側方向へ、それぞれ同じ幅を持って配置されている。
【０１３３】
図１６は、単位画素１００に関わる平面レイアウト図であって、図１５に記載の第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２’、第１オンチップレンズ１５１’、第２オンチップレンズ１５２’、画素間遮光部１８１’の平面レイアウトに加えて、単位画素１００の第１の面において、各画素に備わる、カラーフィルタ２０１’の平面レイアウトを記載したものである。
【０１３４】
カラーフィルタ２０１’は、ある画素の第１オンチップレンズ１５１’と、これに隣接する画素の第１オンチップレンズ１５１’が、最も近接する部分においては、これら２つのオンチップレンズの下に配置されている。また、カラーフィルタ２０１’は、第１オンチップレンズ１５１’と第２オンチップレンズ１５２’が、最も近接する部分においても、これら２つのオンチップレンズの下に配置されている。
【０１３５】
第１の実施の形態の変形例においても、単位画素の断面構造は、図１０に示した単位画素の断面構造と基本的に同様である。第２光電変換部１０２’、第１オンチップレンズ１５１’、第２オンチップレンズ１５２’の大きさなどは、上記したような大きさに構成されている点で異なるが、構造は基本的に同一である。
【０１３６】
また、第１オンチップレンズ１５１’と第２オンチップレンズ１５２’の形成は、図１１を参照して説明したようにして形成することができる。
【０１３７】
図１２乃至図１６を用いて説明した構造を有する単位画素１００を備えたＣＭＯＳイメージセンサ１０は、図４乃至図１１を用いて説明した構造を有する単位画素１００を備えたＣＭＯＳイメージセンサ１０と同様に、第１光電変換部１０１を用いて感度の高い画像を撮影すると共に、第２光電変換部１０２’を用いてダイナミックレンジの広い画像を撮影することができる。
【０１３８】
これらの２枚の画像は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の内部に備わる画像信号処理回路、または、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の外部に接続された画像信号処理装置において、画像信号処理を経て１枚の画像へと合成される。これにより、高い感度と広いダイナミックレンジの双方を備えた画像を撮影することができる、という作用効果がもたらされる。
【０１３９】
＜第２の実施の形態＞
次に、本技術を適用した第２の実施の形態について、図１７乃至図１９を参照して説明する。なお、特に断り書きが無い限り、第２の実施の形態と第１の実施の形態とで、同じ構成部位については詳細な説明を省略する。
【０１４０】
図４乃至図１１を用いて説明した本技術を適用した第１の実施の形態における単位画素１００は、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２からなる２つの光電変換部を備え、
（１）第１光電変換部１０１は、第２光電変換部１０２よりも、フォトダイオードの受光面積が広い構成とされており、これにより、第１光電変換部１０１は、感度の高い画像を撮影し、
（２）第２光電変換部１０２は、高い照度の光が入射して第２光電変換部１０２の飽和電荷量を超える電荷が発生した場合でも、飽和電荷量を超えて発生した電荷を電荷蓄積部１１１へ蓄積する構造とされており、これにより、ダイナミックレンジの広い画像を撮影し、
（３）第１光電変換部１０１を用いて撮影された感度の高い画像と、第２光電変換部１０２を用いて撮影された、ダイナミックレンジの広い画像と、の２枚の画像を１枚の画像へと合成する、
ことにより、高い感度と広いダイナミックレンジの双方を備えた画像を撮影する撮像装置の技術であった。
【０１４１】
本技術を適用した第２の実施の形態は、第１の実施の形態に加えて、第２オンチップレンズ１５２に入射した光を、第２光電変換部１０２へ至る前に減光する手段をさらに備えるものである。
【０１４２】
このような減光する手段をさらに備えることにより、階調性を備えた画像を撮影できる被写体照度の範囲をさらに広げる、換言すれば、ダイナミックレンジをさらに広げた画像を撮影できる、という作用効果がもたらされる。
【０１４３】
第２オンチップレンズ１５２に入射した光を、第２光電変換部１０２へ至る前に減光する手段として、より具体的には、無彩色の光学フィルタで、光学フィルタを透過することで減光する、減光フィルタを備えるものである。
【０１４４】
第２の実施の形態における、単位画素１００の構成を示す回路図は、第１の実施の形態における回路図と同じであり、図４を参照して説明したため、その説明は省略する。また、第２の実施の形態における、単位画素１００の平面レイアウトは、減光フィルタが追加された以外は、図５乃至図９に記載の第１の実施の形態の平面レイアウトと基本的に同様であるため、その説明は適宜省略する。
【０１４５】
図１７は、単位画素１００に関わる平面レイアウト図であって、図９に記載した、第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、第１オンチップレンズ１５１、第２オンチップレンズ１５２、画素間遮光部１８１、およびカラーフィルタ２０１の平面レイアウトに加えて、第２光電変換部１０２の上方に配置された、減光フィルタ３５１の平面レイアウトを記載したものである。
【０１４６】
図１７に記載の減光フィルタ３５１は、断面方向の構造上（例えば、図１８を参照して後述する）は、第２オンチップレンズ１５２と、第２光電変換部１０２に備わるカラーフィルタ２０１−２との間に配置されている。また、図１７に記載の減光フィルタ３５１は、より具体的には、無彩色の光学フィルタであって、光学フィルタを透過することで光を減光する、例えばグレーフィルタ（灰色フィルタ）である。
【０１４７】
なお、減光フィルタ３５１の色は、グレー（灰色）を一例として上げるが、可視光を均一に吸収できる色であれば他の色でもよい。
【０１４８】
図１７における減光フィルタ３５１の平面レイアウトについて、より詳しく説明する。便宜上、図１７において、図面と平行かつ図面の左右の方向にＸ軸、図面と平行かつ図面の上下の方向にＹ軸があるものとして説明する。
【０１４９】
図１７において、各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１は、その中心が、Ｘ軸方向とＹ軸方向との双方において、等間隔で並ぶように配列されている。各画素に備わる第２オンチップレンズ１５２の周囲には、４個の第１オンチップレンズ１５１が配置されている。１個の第２オンチップレンズ１５２の周囲に配置された４個の第１オンチップレンズ１５１の中心は、第２オンチップレンズ１５２の中心から、それぞれＸ軸に対して４５°の角度となる位置に配置されている。
【０１５０】
図１７において、第２オンチップレンズ１５２の周囲に、２点鎖線で記載した四角形は、各辺が、第２オンチップレンズ１５２とその周囲に配置された４個の第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域をそれぞれ通過し、かつ各辺が、第２オンチップレンズ１５２の中心からその周囲に配置された４個の第１オンチップレンズ１５１の中心を結ぶ線分と直交するように配置されている。
【０１５１】
図１７において、第２光電変換部１０２と、その周囲の４個の第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１は、少なくともその一部において、帯状の幅方向の中心が、上記２点鎖線で記載された四角形の各辺と一致するように配置され、かつ、それぞれの辺の、少なくとも一部に沿って配置されている。
【０１５２】
図１７において、第２光電変換部１０２の上方に配置された減光フィルタ３５１は、少なくとも第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域においては、２点鎖線で記載された四角形の外側にまで延在されている。
【０１５３】
換言すれば、第２光電変換部１０２の上方に配置された減光フィルタ３５１は、少なくとも第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域においては、第２光電変換部１０２と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１の方向へと延在されている。
【０１５４】
第１光電変換部１０１は、第２光電変換部１０２よりも感度が高い。このため、第１光電変換部１０１上に形成された第１オンチップレンズへ入射した光が、隣接する第２光電変換部１０２へと入射する混色が発生した場合の悪影響よりも、第２光電変換部１０２上に形成された第２オンチップレンズへ入射した光が、隣接する第１光電変換部１０１へと入射する混色が発生した場合の悪影響の方が、大きく現れる。
【０１５５】
第２光電変換部１０２と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１の方向へと、減光フィルタ３５１を延在させるレイアウトは、混色による悪影響がより大きく現れる、第２オンチップレンズ１５２から第１光電変換部１０１への混色を、低減する作用効果をもたらす。
【０１５６】
図１８は、単位画素１００に関わる断面の模式図であって、図１０に示した構成に減光フィルタ３５１を追加した構成を示している。図１８に示した単位画素１００の断面構成も、図１０に示した単位画素１００の断面構造と同じく、１画素内おいて、第１オンチップレンズ１５１と第２オンチップレンズ１５２とが最も近接する部分と、隣接する２画素において、ある画素の第２オンチップレンズ１５２と、これに隣接する画素の第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する部分と、を、繰り返し模式的に記載したものである。
【０１５７】
第２光電変換部１０２の上方に配置された減光フィルタ３５１は、第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域においては、第２光電変換部１０２と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１の方向へと延在しているレイアウトとされている。
【０１５８】
例えば、第２光電変換部１０２−１１上に配置されている減光フィルタ３５１−１１は、第２オンチップレンズ１５２−１１とカラーフィルタ２０１−１１との間に形成されている。
【０１５９】
また、第２オンチップレンズ１５２−１１と第１オンチップレンズ１５１−１１とが最も近接する領域においては、第２光電変換部１０２−１１と第１光電変換部１０１−１１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１−２の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１−１１の方向へと延在しているレイアウトとされている。
【０１６０】
また、第２オンチップレンズ１５２−１１と第１オンチップレンズ１５１−１２とが最も近接する領域においては、第２光電変換部１０２−１１と第１光電変換部１０１−１２との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１−３の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１−１２の方向へと延在しているレイアウトとされている。
【０１６１】
このように、第２オンチップレンズ１５２に入射した光を、第２光電変換部１０２へ至る前に減光する減光フィルタ３５１を備えることで、階調性を備えた画像を撮影できる被写体照度の範囲をさらに広げる、換言すれば、ダイナミックレンジをさらに広げた画像を撮影できる、という作用効果をもたらすことができる。
【０１６２】
＜第２の実施の形態の変形例＞
第１の実施の形態と同じく、第２の実施の形態においても、第２光電変換部１０２を大きく構成する変形例を適用することができる。第１の実施の形態の変形例については、図１２乃至図１６を参照して説明したように、第２光電変換部１０２’の受光面積が大きくされた実施の形態である。特に断り書きが無い限り、第２の実施の形態の変形例と第２の実施の形態（第１の実施の形態の変形例）とで、同じ構成部位については詳細な説明を省略する。
【０１６３】
第２の実施の形態の変形例における、単位画素１００の構成を示す回路は、図４と同じである。また、第２の実施の形態の変形例における、単位画素１００の平面レイアウトは、減光フィルタ３５１’が追加された以外は、図１２乃至図１６に記載の、第１の実施の形態の変形例の平面レイアウトと同じである。第１光電変換部１０１以外は、大きさや形状が異なるため、第２の実施の形態における各部と区別するために第２の実施の形態の変更例における各部は、ダッシュを付して説明する。
【０１６４】
図１９は、第２の実施の形態の変形例に係わる単位画素１００に関わる平面レイアウト図であり、図１６に記載した、第２の実施の形態の変形例に係わる単位画素１００に関わる平面レイアウト図に、減光フィルタ３５１を追加した構成を示す図である。
【０１６５】
図１９は、第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２’、第１オンチップレンズ１５１’、第２オンチップレンズ１５２’、画素間遮光部１８１’、各画素に備わるカラーフィルタ２０１’の平面レイアウトに加えて、第２光電変換部１０２の上方に配置された、減光フィルタ３５１’の平面レイアウトを記載したものである。
【０１６６】
図１９に記載の減光フィルタ３５１’は、図１７に記載の減光フィルタ３５１と同様に、断面方向の構造上は、第２オンチップレンズ１５２’と、第２光電変換部１０２’に備わるカラーフィルタ２０１−２’と、の間に配置されている。
【０１６７】
また、図１９に記載の減光フィルタ３５１’は、図１７に記載の減光フィルタ３５１と同様に、無彩色の光学フィルタであって、光学フィルタを透過することで光を減光する、減光フィルタ３５１’である。
【０１６８】
図１９においては、図１７と同様に、各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１’は、その中心が、Ｘ軸方向とＹ軸方向との双方において、等間隔で並ぶように配列されている。各画素に備わる第２オンチップレンズ１５２’の周囲には、４個の第１オンチップレンズ１５１’が配置されている。１個の第２オンチップレンズ１５２’の周囲に配置された４個の第１オンチップレンズ１５１’の中心は、第２オンチップレンズ１５２’の中心から、それぞれＸ軸に対して４５°の角度となる位置に配置されている。
【０１６９】
図１９において、第２オンチップレンズ１５２’の周囲に、２点鎖線で記載した四角形は、図１７と同様に、各辺が、第２オンチップレンズ１５２’とその周囲に配置された４個の第１オンチップレンズ１５１’とが最も近接する領域をそれぞれ通過し、かつ各辺が、第２オンチップレンズ１５２’の中心からその周囲に配置された４個の第１オンチップレンズ１５１’の中心を結ぶ線分と直交するように配置されている。
【０１７０】
図１９において、第２光電変換部１０２’と、その周囲の４個の第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１’は、図１７と同様に、少なくともその一部において、帯状の幅方向の中心が、２点鎖線で記載された四角形の各辺と一致するように配置され、かつ、それぞれの辺の、少なくとも一部に沿って配置されている。
【０１７１】
図１９において、第２光電変換部１０２’の上方に配置された減光フィルタ３５１’は、図１７と同様に、少なくとも第２オンチップレンズ１５２’と第１オンチップレンズ１５１’とが最も近接する領域においては、２点鎖線で記載された四角形の外側にまで延在されている。
【０１７２】
換言すれば、第２光電変換部１０２’の上方に配置された減光フィルタ３５１’は、少なくとも第２オンチップレンズ１５２’と第１オンチップレンズ１５１’とが最も近接する領域においては、第２光電変換部１０２’と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１の方向へと延在されている。
【０１７３】
図１９に示したレイアウトでも、図１７に示したレイアウトと同じく、混色による悪影響がより大きく現れる、第２オンチップレンズ１５２’から第１光電変換部１０１への混色を、低減する作用効果を得られる。
【０１７４】
図１９に示したレイアウトにおいても、図１７に示したレイアウトと同様に、各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１’と、隣接する画素に備わる第１オンチップレンズ１５１’との間には、オンチップレンズが配置されない、空隙部が生じている。そして、図１９において、減光フィルタ３５１’は、２つの第１オンチップレンズ１５１’の間の空隙部の下方を避けるように、配置されている。
【０１７５】
図１９に示したレイアウトにおいて、減光フィルタ３５１は、
（１）少なくとも第２オンチップレンズ１５２’と第１オンチップレンズ１５１’とが最も近接する領域においては、第２光電変換部１０２’と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１’の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１の方向へと延在して配置され、
（２）隣接する２つの画素に備わる２つの第１オンチップレンズ１５１’の間のオンチップレンズが存在しない空隙部の下方を避けて配置されている。
【０１７６】
減光フィルタ３５１’を、上記のように配置することが好ましい理由を、図２０と図２１を用いて説明する。図２０と図２１は、オンチップレンズを形成するための製法のフロー図である。
【０１７７】
図２０は、図１９に示すように２個の第１オンチップレンズ１５１’の間に空隙部が存在して、かつ図１９の記載と異なり、減光フィルタ３５１’を、図１９に２点鎖線で記載した四角形の各頂点にまで延在させた単位画素１００において、図１１に記載のオンチップレンズ形成工程を用いた場合のフロー図である。
【０１７８】
図２０左側上段の断面図は、オンチップレンズを形成するためのレジストパターンを形成した工程において、図１９に記載のＡ−Ａ′線における断面を表した図である。２つの第１オンチップレンズ１５１を形成するためのレジストパターン３０２の間に、オンチップレンズが配置されない空隙部が存在する。
【０１７９】
図２０右側上段の断面図は、オンチップレンズを形成するためのレジストパターンを形成した工程において、図１９に記載のＢ−Ｂ′線における断面図である。２つの第１オンチップレンズ１５１を形成するためのレジストパターン３０２の間に、第２オンチップレンズ１５２’を形成するためのレジストパターン３０２が配置されているため、オンチップレンズが配置されない空隙部は存在しない。
【０１８０】
図２０右側上段に記載の、オンチップレンズを形成するためのレジストパターンを形成した基板を、ドライエッチング装置を用いて全面エッチバックすることで、オンチップレンズを形成すると、図２０右側下段に記載の断面形状が得られる。
【０１８１】
図２０右側下段に記載の断面図において、減光フィルタ３５１’の上方に、第２オンチップレンズ１５２’および第１オンチップレンズ１５１’が形成されており、減光フィルタ３５１’は露出していない。
【０１８２】
図２０左側上段に記載の、オンチップレンズを形成するためのレジストパターンを形成した基板を、ドライエッチング装置を用いて全面エッチバックすることで、オンチップレンズを形成すると、図２０左側下段に記載の断面形状が得られる。
【０１８３】
図２０左側上段の断面図において、２つの第１オンチップレンズを形成するためのレジストパターンの間に、オンチップレンズを配置しない空隙部が存在するため、これをエッチバックすると、減光フィルタ３５１’が露出してしまい、かつ露出した減光フィルタ３５１’をエッチバックすることになる。
【０１８４】
減光フィルタ３５１’をドライエッチング装置でエッチバックすると、減光フィルタ３５１’中に含まれる含有物が、ドライエッチング装置のチャンバー内壁に付着してしまう可能性がある。減光フィルタ３５１’中に含まれる含有物は、例えば重金属である。このような含有物がドライエッチング装置のチャンバー内壁に付着してしまうと、ドライエッチング装置を用いて、オンチップレンズのエッチバック以外のドライエッチング処理を行う他の製品は、減光フィルタ３５１’の含有物で汚染されてしまう可能性がある。
【０１８５】
このため、オンチップレンズを形成するためのエッチバック処理において、減光フィルタ３５１’がエッチバックされないようにすることが望ましい。
【０１８６】
図２１は、図１９に示した減光フィルタ３５１’を形成する場合の製法のフロー図である。図１９に示した減光フィルタ３５１’は、その頂点が図１９に２点鎖線で記載した四角形よりも第２光電変換部１０２’側に後退した形状で形成されている。これにより減光フィルタ３５１’は、図１９において、Ａ−Ａ’線が横切る部分を避けて形成されている。
【０１８７】
図２１左側上段の断面図は、オンチップレンズを形成するためのレジストパターンを形成した工程において、図１９に記載のＡ−Ａ′線における断面を表した図である。２つの第１オンチップレンズ１５１’を形成するためのレジストパターン３０２の間に、オンチップレンズが配置されない空隙部が存在する。
【０１８８】
図２１右側上段の断面図は、オンチップレンズを形成するためのレジストパターンを形成した工程において、図１９に記載のＢ−Ｂ′線における断面図である。２つの第１オンチップレンズ１５１を形成するためのレジストパターン３０２の間に、第２オンチップレンズ１５２’を形成するためのレジストパターン３０２が配置されており、オンチップレンズが配置されない空隙部は存在しない。
【０１８９】
図２１右側上段に記載の、オンチップレンズを形成するためのレジストパターン３０２を形成した基板を、ドライエッチング装置を用いて全面エッチバックすることで、オンチップレンズを形成すると、図２１右側下段に記載の断面形状が得られる。
【０１９０】
図２１右側下段に記載の断面図において、減光フィルタ３５１’の上方に、第２オンチップレンズ１５２’と第１オンチップレンズ１５１’が形成されており、減光フィルタ３５１’は露出していない。
【０１９１】
図２１左側上段に記載の、オンチップレンズを形成するためのレジストパターン３０２を形成した基板を、ドライエッチング装置を用いて全面エッチバックすることで、オンチップレンズを形成すると、図２１左側下段に記載の断面形状が得られる。
【０１９２】
図２１左側上段の断面図において、２つの第１オンチップレンズ１５１’を形成するためのレジストパターン３０２の間の空隙部の下方には、減光フィルタ３５１’が配置されていないため、図２１左側下段に記載の断面図においても、減光フィルタ３５１’が露出されたり、エッチバックされたりすることはない。
【０１９３】
このため、オンチップレンズの形成に用いるエッチバック装置において、オンチップレンズのエッチバック以外のドライエッチング処理を行う他の製品を、減光フィルタ３５１’の含有物によって汚染するようなことを防ぐことができる。
【０１９４】
このように、減光フィルタ３５１’を、隣接する２つの画素に備わる２つの第１オンチップレンズ１５１’の間の、オンチップレンズが存在しない空隙部の下方を避けて配置するレイアウトは、オンチップレンズの形成に用いるエッチバック装置において、オンチップレンズのエッチバック以外のエッチング処理を行う他の製品を、減光フィルタ３５１’の含有物によって汚染することを防ぐという、作用効果をもたらす。
【０１９５】
このような作用効果を得られる減光フィルタ３５１’の他の形状について説明する。以下に説明する図２２乃至図２４に示す減光フィルタ３５１’は、
（１）少なくとも第２オンチップレンズと第１オンチップレンズとが最も近接する領域においては、第２光電変換部１０２と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部の幅方向の中心よりも、第１光電変換部の方向へと延在して配置され、
（２）隣接する２つの画素に備わる２つの第１オンチップレンズの間の、オンチップレンズが存在しない空隙部の下方を避けて配置されている。
【０１９６】
なお、図２２乃至図２４に示す平面レイアウトは、図１９に示した平面レイアウトと基本的に同様であるが、符号にダッシュ（’）を付さずに説明を続ける。また、図１９に示した平面レイアウトと基本的に同様なレイアウトを例に挙げて説明するが、図１７に示した平面レイアウトに対しても、図２２乃至図２４を参照して説明することは適用できる。
【０１９７】
図２２は、第２光電変換部１０２を覆う減光フィルタ３５１の形状が、四角形と略同一であって、かつ、四角形の頂点部分を内側方向へ後退させることで、隣接する２つの画素に備わる２つの第１オンチップレンズ１５１の間のオンチップレンズが存在しない空隙部へ、減光フィルタ３５１を配置しない形状とされている。
【０１９８】
図２２に示したレイアウトにおいて、第２光電変換部１０２の上方に配置された減光フィルタ３５１は、図１７や図１９に示したレイアウトと同様に、少なくとも第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域においては、２点鎖線で記載された四角形の外側にまで延在されている。
【０１９９】
換言すれば、第２光電変換部１０２の上方に配置された減光フィルタ３５１は、少なくとも第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域においては、第２光電変換部１０２と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１の方向へと延在されている。
【０２００】
図２２に示したレイアウトにおいても、図１９に示したレイアウトと同様に、各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１と、隣接する画素に備わる第１オンチップレンズ１５１との間には、オンチップレンズが配置されない、空隙部が生じている。そして、図２２において、減光フィルタ３５１は、２つの第１オンチップレンズ１５１の間の空隙部の下方を避けるように、配置されている。
【０２０１】
すなわち、図２２に示した減光フィルタ３５１は、略四角形状とされているが、その頂点（角）は、円弧状に形成されており、オンチップレンズが存在しない空隙部へ、減光フィルタ３５１が延在しない形状とされている。
【０２０２】
図２３は、第２光電変換部１０２を覆う減光フィルタ３５１の形状が、円形または楕円形であって、かつ、隣接する２つの画素に備わる２つの第１オンチップレンズの間のオンチップレンズが存在しない空隙部へ、減光フィルタ３５１を配置しないレイアウトとなっている。
【０２０３】
図２３に示したレイアウトにおいて、第２光電変換部１０２の上方に配置された減光フィルタ３５１は、図１７や図１９に示したレイアウトと同様に、少なくとも第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域においては、２点鎖線で記載された四角形の外側にまで延在されている。
【０２０４】
換言すれば、第２光電変換部１０２の上方に配置された減光フィルタ３５１は、少なくとも第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域においては、第２光電変換部１０２と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１の方向へと延在されている。
【０２０５】
図２３に示したレイアウトにおいても、図１９に示したレイアウトと同様に、各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１と、隣接する画素に備わる第１オンチップレンズ１５１との間には、オンチップレンズが配置されない、空隙部が生じている。そして、図２３において、減光フィルタ３５１は、２つの第１オンチップレンズ１５１の間の空隙部の下方を避けるように、配置されている。
【０２０６】
すなわち、図２３に示した減光フィルタ３５１は、略円形状または略楕円形状で形成され、オンチップレンズが存在しない空隙部へ、減光フィルタ３５１が延長しない形状とされている。
【０２０７】
図２４は、第２光電変換部１０２を覆う減光フィルタ３５１の形状が、四角形と略同一であって、かつ、第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが近接する領域に、四角形の頂点部分を配置することで、隣接する２つの画素に備わる２つの第１オンチップレンズ１５１の間のオンチップレンズが存在しない空隙部へ、減光フィルタ３５１が配置されない形状とされている。
【０２０８】
図２４に示したレイアウトにおいて、第２光電変換部１０２の上方に配置された減光フィルタ３５１は、図１７や図１９に示したレイアウトと同様に、少なくとも第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域においては、２点鎖線で記載された四角形の外側にまで少なくとも一部が延在されている形状とされている。
【０２０９】
換言すれば、第２光電変換部１０２の上方に配置された減光フィルタ３５１は、少なくとも第２オンチップレンズ１５２と第１オンチップレンズ１５１とが最も近接する領域において、第２光電変換部１０２と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１の方向へと延在されている部分を有する形状とされている。
【０２１０】
図２４に示したレイアウトにおいても、図１９に示したレイアウトと同様に、各画素に備わる第１オンチップレンズ１５１と、隣接する画素に備わる第１オンチップレンズ１５１との間には、オンチップレンズが配置されない、空隙部が生じている。そして、図２４において、減光フィルタ３５１は、２つの第１オンチップレンズ１５１の間の空隙部の下方を避けるように、配置されている。
【０２１１】
すなわち、図２４に示した減光フィルタ３５１は、略四角形状で形成され、オンチップレンズが存在しない空隙部には、減光フィルタ３５１がない形状とされている。
【０２１２】
なお、図２２乃至図２４に示したレイアウトは、図１９に示したレイアウトと同じく、２つの第１光電変換部１０１の間に空隙部があるレイアウト、換言すれば、第２光電変換部１０２の面積を大きくとったときのレイアウトを例に挙げて説明したが、図１７に示したようなレイアウトに対しても適用できる。
【０２１３】
すなわち、図１７に示したような、２つの第１光電変換部１０１の間に空隙部がないようなレイアウトに対して、図１９、図２２乃至図２４に示した減光フィルタ３５１の形状や配置を適用することもできる。
【０２１４】
図１９、図２２乃至図２４のいずれも、少なくとも第２オンチップレンズと第１オンチップレンズとが最も近接する領域において、減光フィルタ３５１が、第２光電変換部１０２と第１光電変換部１０１との間に配置された帯状の画素間遮光部１８１の幅方向の中心よりも、第１光電変換部１０１の方向へと延在されて配置されている。
【０２１５】
また図１９、図２２乃至図２４のいずれも、オンチップレンズが存在しない空隙部には、減光フィルタ３５１がない形状とされている。
【０２１６】
これにより、混色による悪影響がより大きく現れる、第２オンチップレンズ１５２から第１光電変換部１０１への混色を、低減する作用効果と、オンチップレンズの形成に用いるエッチバック装置において、オンチップレンズのエッチバック以外のドライエッチング処理を行う他の製品を、減光フィルタ３５１の含有物によって汚染されるようなことを防ぐという、作用効果がもたらされる。
【０２１７】
＜減光フィルタの配置位置＞
上記した第２の実施の形態においては、減光フィルタ３５１を備えたＣＭＯＳイメージセンサ１０について説明し、減光フィルタ３５１が、断面方向の構造上は、カラーフィルタ２０１と第２オンチップレンズ１５２との間に配置されている場合を例に挙げて説明した。
【０２１８】
減光フィルタ３５１は、カラーフィルタ２０１と第２オンチップレンズ１５２との間に配置されている場合に限らず、図２５乃至図２７を参照して説明するような位置に配置されていても良い。
【０２１９】
図２５乃至図２７は、減光フィルタ３５１を用いるＣＭＯＳイメージセンサ１０の変形例を示している。図２５乃至図２７の各図に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０の構成は、減光フィルタ３５１以外は、基本的に図１０や図１８に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０の構成と同様であるため、同様の符号を付し、その説明は省略する。
【０２２０】
図２５に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０において、減光フィルタ３５１は、カラーフィルタ２０１の下側に配置され、カラーフィルタ２０１と画素間遮光部１８１の間に配置されている。
【０２２１】
このように、減光フィルタ３５１を、カラーフィルタ２０１の下側に配置した場合も、第２オンチップレンズ１５２を透過し、第２光電変換部１０２に入射される光は、減光フィルタ３５１を透過してきた光となるため、第２光電変換部１０２に入射される光は減光された光となる。よって、上記した場合と同じく、階調性を備えた画像を撮影できる被写体照度の範囲をさらに広げる、換言すれば、ダイナミックレンジをさらに広げた画像を撮影できる、という作用効果をもたらすことができる。
【０２２２】
図２６に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０は、画素間遮光部１８１が形成されていない構成とされている。図２６に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０は、図２５に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０と基本的に同様の構成とされているが、図２５に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０から、画素間遮光部１８１を削除した構成とされている点が異なる。
【０２２３】
図２６に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０においても、減光フィルタ３５１は、カラーフィルタ２０１の下側に配置され、カラーフィルタ２０１と画素間遮光部１８１の間に配置されている。
【０２２４】
このように、減光フィルタ３５１を、カラーフィルタ２０１の下側に配置した場合も、第２オンチップレンズ１５２を透過し、第２光電変換部１０２に入射される光は、減光フィルタ３５１を透過してきた光となるため、第２光電変換部１０２に入射される光は減光された光となる。
【０２２５】
仮に、第２オンチップレンズ１５２からの光が、第２光電変換部１０２に隣接する第１光電変換部１０１に漏れ込んだとしても、その光は、減光フィルタ３５１で減光された光となっている。よって、仮に第１光電変換部１０１に光が漏れ込んだとしても、その影響は小さい。このようなことから、図２６に示したように、画素間遮光部１８１を形成しない構成とした場合であっても、減光フィルタ３５１を備えることで、光の漏れ込みによる影響を抑制することができる。
【０２２６】
また、図示はしないが、カラーフィルタ２０１上に減光フィルタ３５１を形成した、例えば、図１８に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０に、画素間遮光部１８１を形成しない構成を適用することも可能である。すなわち、画素間遮光部１８１が形成されていないＣＭＯＳイメージセンサ１０であり、減光フィルタ３５１がカラーフィルタ２０１上に（カラーフィルタ２０１と第２オンチップレンズ１５２との間に）形成されているＣＭＯＳイメージセンサ１０とすることも可能である。
【０２２７】
このような構成とした場合も、上記した場合と同じく、階調性を備えた画像を撮影できる被写体照度の範囲をさらに広げる、換言すれば、ダイナミックレンジをさらに広げた画像を撮影できる、という作用効果をもたらすことができる。
【０２２８】
上述した実施の形態においては、第１光電変換部１０１の感度と第２光電変換部１０２感度に差を設けるために、第１光電変換部１０１を、第２光電変換部１０２よりも、フォトダイオードの受光面積が広くする構成を例に挙げて説明した。また、第１光電変換部１０１の感度と第２光電変換部１０２感度の差をより大きくするために、減光フィルタ３５１を設ける例について説明した。
【０２２９】
減光フィルタ３５１を設け、第１光電変換部１０１の感度と第２光電変換部１０２感度に差を設ける構成に、ＣＭＯＳイメージセンサ１０をする場合、図２７に示すような構成とすることもできる。
【０２３０】
図２７に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０は、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２のフォトダイオードの受光面積は等しく構成されている。また、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２のフォトダイオードの受光面積は等しく構成されているため第１オンチップレンズ１５１と第２オンチップレンズ１５２も同等の大きさに構成されているなど、付随する部分に大きさの変更などはあるが、基本的な構成は、図２５などに示したＣＭＯＳイメージセンサ１０と同様の構成とされている。
【０２３１】
図２７に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０においても、図２５に示したＣＭＯＳイメージセンサ１０と同じく、減光フィルタ３５１は、カラーフィルタ２０１の下側に配置され、カラーフィルタ２０１と画素間遮光部１８１の間に配置されている。
【０２３２】
このように、減光フィルタ３５１を、カラーフィルタ２０１の下側に配置した場合も、第２オンチップレンズ１５２を透過し、第２光電変換部１０２に入射される光は、減光フィルタ３５１を透過してきた光となるため、第２光電変換部１０２に入射される光は減光された光となる。
【０２３３】
よって、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２のフォトダイオードの受光面積を等しく構成した場合であっても、減光フィルタ３５１を、第２光電変換部１０２に設けることで、第１光電変換部１０１の感度と第２光電変換部１０２感度に差を設けることができる。
【０２３４】
よって、図２７に示したようなＣＭＯＳイメージセンサ１０においても、上記した場合と同じく、階調性を備えた画像を撮影できる被写体照度の範囲をさらに広げる、換言すれば、ダイナミックレンジをさらに広げた画像を撮影できる、という作用効果をもたらすことができる。
【０２３５】
＜第３の実施の形態＞
次に、本技術を適用した第３の実施の形態について説明する。本技術を適用した第３の実施の形態は、第１の実施の形態に加えて、第２の実施の形態と同様に、第２オンチップレンズ１５２に入射した光を、第２光電変換部１０２へ至る前に減光する手段を、さらに備えるものである。
【０２３６】
これにより、階調性を備えた画像を撮影できる被写体照度の範囲をさらに広げる、換言すれば、ダイナミックレンジをさらに広げた画像を撮影できる、という作用効果がもたらされる。
【０２３７】
第３の実施の形態では、第２オンチップレンズ１５２に入射した光を、第２光電変換部１０２へ至る前に減光する手段として、光を遮光する遮光部材を用いて、光が通過する光束の断面積を小さくする、光学絞りを備えるものである。
【０２３８】
なお、特に断り書きが無い限り、第３の実施の形態と第１の実施の形態とで、同じ構成部位については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０２３９】
第３の実施の形態における、単位画素１００の構成を示す回路図は、図４に示した回路図となる。また、第３の実施の形態における、単位画素１００の実施の形態を示す平面レイアウトは、後述するように光学絞りが追加された以外（光学絞りに係わる部分以外）は、図５乃至図９に記載の、第１の実施の形態の平面レイアウトとなるため、その説明は省略する。
【０２４０】
図２８は、第３の実施の形態における、単位画素１００に関わる断面の模式図である。第３の実施の形態における単位画素１００は、第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、それらの光電変換部上にそれぞれ形成された第１オンチップレンズ１５１、第２オンチップレンズ１５２、光電変換部とオンチップレンズとの間に配置されたカラーフィルタ２０１を含む構造とされている。
【０２４１】
また、単位画素１００の第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２は、それぞれＰウェルのシリコン基板２４１内に、ｎ型不純物領域として形成され、第１光電変換部１０１の下側には、Ｐ型のピニング領域２３３が形成され、第２光電変換部１０２の下側には、Ｐ型のピニング領域２３５が形成されている。
【０２４２】
また、シリコン基板２４１の下側には、図示していない配線層や支持基板なども配置されている。また、シリコン基板２４１の上側であり、カラーフィルタ２０１との間には、負の電荷を持った膜（ピニング膜２３１）と絶縁膜２３２が形成されている。さらに、絶縁膜２３２とカラーフィルタ２０１との間には、平坦化膜４０１が形成されており、この平坦化膜４０１内に、光学絞りを実現するための遮光膜４１１、遮光膜４１２が形成されている。
【０２４３】
なお、平坦化膜４０１は、絶縁膜２３２と同一の材料で形成することができ、絶縁膜２３２として形成されていても良い。
【０２４４】
このように、第３の実施の形態における単位画素１００は、第１光電変換部１０１と第１オンチップレンズ１５１との間に、遮光膜４１１を備え、第２光電変換部１０２と第２オンチップレンズ１５２との間に、遮光膜４１２を備える構成とされている。
【０２４５】
第１光電変換部１０１上に設けられている遮光膜４１１は、主に隣接する第２光電変換部１０２（第２オンチップレンズ１５２）からの光の漏れ込みを防ぎ、第２光電変換部１０２への光の漏れ込みを防ぐ機能を有する。
【０２４６】
同様に、第２光電変換部１０２上に設けられている遮光膜４１２も、隣接する第１光電変換部１０１（第１オンチップレンズ１５１）からの光の漏れ込みを防ぎ、第１光電変換部１０１への光の漏れ込みを防ぐ機能を有する。
【０２４７】
さらに、第２光電変換部１０２上に設けられている遮光膜４１２は、第２光電変換部１０２への光の入射を制限する機能、換言すれば、減光する機能を有する。このように、遮光膜４１１と遮光膜４１２は、異なる機能を有しているため、特に、遮光膜４１２は、第２光電変換部１０２に入射する光量を制限する機能を有するため、適宜、光学絞り４１２とも記載する。
【０２４８】
このように、第３の実施の形態における単位画素１００は、図２８に示したように、第２光電変換部１０２と、第２光電変換部１０２の上方に形成したカラーフィルタ２０１との間に、光学絞り４１２を備えている。
【０２４９】
光学絞り４１２は、光を遮光する遮光部材を用いて、絞りを通過する光束の断面積を小さくする、光学部品である。光学絞り４１２は、図１０に示した単位画素１００の画素間遮光部１８１の一部を構成する部材として形成されていても良い。すなわち、画素間遮光部１８１のように、画素間にも設けられ（図１０に示したようにＴ字型に形成され）、その一部（図中横方向に形成される帯状の部分）を、光学絞り４１２としても良い。このような構成は、第１光電変換部１０１に設けられる遮光膜４１１に対しても適用できる。
【０２５０】
遮光膜４１１と光学絞り４１２は、それぞれ第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２の周囲に配置した、画素間遮光部１８１（図１０）と同じ材料で形成しても良い。あるいは、遮光膜４１１と光学絞り４１２は、画素間遮光部１８１とは異なる材料を用いて形成されても良い。
【０２５１】
第３の実施の形態においては、第１オンチップレンズ１５１に入射した光が、第１光電変換部１０１へ至る前に、遮光膜４１１によって遮光される割合よりも、第２オンチップレンズ１５２に入射した光が、第２光電変換部１０２へ至る前に、光学絞り４１２によって遮光される割合を、大きくする構成とされている。
【０２５２】
図２８に示したように、第２光電変換部１０２の平面積に対して、第２光電変換部１０２上に光学絞り４１２（遮光材）が配置された面積の割合は、第１光電変換部１０１の平面積に対して、第１光電変換部１０１上に遮光膜４１１（遮光材）が配置された面積の割合よりも、大きくなっている。
【０２５３】
これにより、第１光電変換部１０１は、高い感度で画像を撮影する特性を保持しつつ、第２光電変換部１０２は、光学絞り４１２を備えない場合と比較して、より広い照度範囲に渡って、階調性を備えた画像を撮影することができる、換言すれば、ダイナミックレンジのより広い画像を撮影することができる、という作用効果がもたらされる。
【０２５４】
図２９は、図２８に示した第３の実施の形態における単位画素１００に関わる平面レイアウト図である。また図２９に示した単位画素１００の平面レイアウトは、図６に示した第１の実施の形態における単位画素１００の平面レイアウトに、遮光膜４１１、光学絞り４１２を追加したレイアウトである。
【０２５５】
図２９に示した単位画素１００の平面レイアウトは、第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、第１オンチップレンズ１５１、第２オンチップレンズ１５２の平面レイアウトに加えて、第２光電変換部１０２の上方に配置された、光学絞り４１２の平面レイアウトを記載したものである。
【０２５６】
図２９において、光学絞り４１２は、第２光電変換部１０２の上方に配置されている。また、図２９において、第２光電変換部１０２の平面積に対して、第２光電変換部１０２上に光学絞り４１２（遮光材）が配置された面積の割合は、第１光電変換部１０１の平面積に対して、第１光電変換部１０１上に遮光膜４１１（遮光材）が配置された面積の割合よりも、大きくなっている。
【０２５７】
これにより、第１光電変換部１０１は、高い感度で画像を撮影する特性を保持しつつ、第２光電変換部１０２は、光学絞り４１２を備えない場合と比較して、より広い照度範囲に渡って、階調性を備えた画像を撮影することができる、換言すれば、ダイナミックレンジのより広い画像を撮影することができる。
【０２５８】
図２９に示した光学絞り４１２の外周部分の形状は、第２光電変換部１０２の外縁に沿うように配置される形状とされている。また図２９に示した光学絞り４１２の開口形状は、第２光電変換部１０２の外縁の形状を縮小した形状と略同一の形状とされている。
【０２５９】
光学絞り４１２の形状は、図２９に示したような形状に限られるわけではなく、他の形状であっても良い。例えば、図３０に示すような形状であっても良い。
【０２６０】
図３０は、光学絞り４１２の平面レイアウトの変形例を示している。図３０は、図２９と同様に、第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、第１オンチップレンズ１５１、第２オンチップレンズ１５２の平面レイアウトに加えて、第２光電変換部１０２の上方に配置された、光学絞り４１２’の平面レイアウトを記載したものである。
【０２６１】
図３０に示した光学絞り４１２’の外周部分の形状は、図２９に示した光学絞り４１２の外周部分の形状と同じく、第２光電変換部１０２の外縁に沿うように配置される形状とされている。図３０に示した光学絞り４１２’の開口形状は、略円形の形状とされている。
【０２６２】
光学絞り４１２’の平面レイアウトを、図３０に記載の形状にしても、図２９に記載の光学絞り４１２と同様の作用効果がもたらされる。
【０２６３】
図３１は、光学絞り４１２の平面レイアウトのさらに他の変形例を示している。図３１は、図２９と同様に、第１の面における第１光電変換部１０１、第２光電変換部１０２、第１オンチップレンズ１５１、第２オンチップレンズ１５２の平面レイアウトに加えて、第２光電変換部１０２の上方に配置された、光学絞り４１２”の平面レイアウトを記載したものである。
【０２６４】
光学絞り４１２”は、必ずしも遮光材を第２光電変換部１０２の外縁全周に渡って配置しなくても良く、その一例を、図３１に示す。図３１に示した光学絞り４１２”の形状は、第２光電変換部１０２の外縁の一部において、遮光材が配置されていない形状とされている。また図３１に示した光学絞り４１２”の形状は、第２光電変換部１０２の外縁に配置された遮光材の幅が、必ずしも一定の幅でない形状とされている。
【０２６５】
図３１に示した光学絞り４１２”の形状は、中央部分に四角形状の開口部分が設けられ、両端にそれぞれ四角形状の遮光材が配置された形状とされている。
【０２６６】
図３１に示したような光学絞り４１２”の形状が、第２光電変換部１０２の外縁の一部において配置されていなくても、また、光学絞り４１２”の幅が、一定の幅でなくても、第２光電変換部１０２の平面積に対して、第２光電変換部１０２上に光学絞り４１２”すなわち遮光材が配置された面積の割合が、第１光電変換部１０１の平面積に対して、第１光電変換部１０１上に遮光膜４１１すなわち遮光材が配置された面積の割合よりも、大きくなっていれば、図２９に記載の光学絞り４１２を設けた場合と同様の作用効果をもたらすことが可能である。
【０２６７】
＜第４の実施の形態＞
第２の実施の形態、第３の実施の形態においては、減光フィルタ３５１を設けたり、光学絞り４１２を設けたりすることで、第１光電変換部１０１の感度と第２光電変換部１０２の感度の差をより大きくする構造とすることについて説明した。
【０２６８】
第４の実施の形態とし、オンチップレンズの形状を変えることで、第１光電変換部１０１の感度と第２光電変換部１０２の感度の差をより大きくする構造について説明する。
【０２６９】
図３２乃至図３４は、第４の実施の形態における単位画素１００の構成を示す図である。図３２乃至図３４に示した単位画素１００の構成は、基本的に、例えば、図１０や図２８に示した単位画素１００と同様の構成であるため、同一の部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０２７０】
図３２乃至図３４は、第４の実施の形態における単位画素１００においては、第２光電変換部１０２上に配置されている第２オンチップレンズ１５２の形状が、下側に凸型の形状、換言すれば凹型の形状の第２オンチップレンズ５０１とされている。
【０２７１】
図３２を参照するに、第２光電変換部１０２上には、凹型の形状の第２オンチップレンズ５０１が形成されている。第２オンチップレンズ５０１を、凹型の形状とすることで、第２光電変換部１０２に入射される光の光量を少なくすること、換言すれば、減光することができる。
【０２７２】
よって、第１乃至第３の実施の形態と同じく、第１光電変換部１０１の感度と第２光電変換部１０２の感度に差を設けることが可能になる。また、第２の実施の形態、第３の実施の形態と同じく、第１光電変換部１０１の感度と第２光電変換部１０２感度の差をより大きくすることができる。
【０２７３】
このような構成とした場合も、上記した場合と同じく、階調性を備えた画像を撮影できる被写体照度の範囲をさらに広げる、換言すれば、ダイナミックレンジをさらに広げた画像を撮影できる、という作用効果をもたらすことができる。
【０２７４】
また、このような構成とすると、リップルの発生を抑制できるようになるという作用効果も得られる。
【０２７５】
図３２を再度参照するに、凹型の形状の第２オンチップレンズ５０１を形成した場合、第２オンチップレンズ５０１を入射した光は、発散してしまう傾向にあり、その為に、第２光電変換部１０２に入射される光を減光することができるが、一方で隣接する第１光電変換部１０１に発散した光が入射されてしまう可能性もある。
【０２７６】
そこで、そのような光の漏れ込みを防ぐために、光電変換部間に遮光部５２１乃至５２３を設ける。図３２に示した単位画素１００においては、第１光電変換部１０１と第２光電変換部１０２との間に遮光部５２１乃至５２３が配置されている。遮光部５２１乃至５２３を設けることで、第２オンチップレンズ５０１を透過し、発散してしまった光を、遮光部５２１乃至５２３で遮光することができるため、第１光電変換部１０１に光が漏れ込むようなことを防ぐことができる。
【０２７７】
この遮光部５２１乃至５２３に、例えば、第３の実施の形態として説明した遮光膜４１１や光学絞り４１２（例えば、図２８）を適用することも可能である。また、第２の実施の形態として説明した減光フィルタ３５１を、第２の実施の形態と同じく、カラーフィルタ２０１の上側または下側に形成した構成とすることも可能である。すなわち、第２乃至第４の実施の形態は組み合わせて適用することができる。
【０２７８】
図３３は、凹型の形状の第２オンチップレンズ５０１を備えた単位画素１００の他の構成を示す図である。図３３に示した単位画素１００は、図３２に示した単位画素１００に、遮光部５２１乃至５２３として、画素間遮光部１８１を追加した構成とされている。
【０２７９】
画素間遮光部１８１と同様の形状を有する遮光部５２１乃至５２３を追加した構成とすることで、第２オンチップレンズ５０１を透過し、発散した光を、画素間遮光部１８１で遮光することができるため、第１光電変換部１０１への光の漏れ込みを、より防ぐことが可能となる。
【０２８０】
図３４は、凹型の形状の第２オンチップレンズ５０１を備えた単位画素１００の他の構成を示す図である。図３４に示した単位画素１００は、図３３に示した単位画素１００から、平坦化膜４０１を削除した構成とされている。また、平坦化膜４０１を削除したことにより、画素間遮光部１８１（遮光部５２１乃至５２３）は、カラーフィルタ２０１内（層間絶縁膜２３２上）に形成されている。
【０２８１】
平坦化膜４０１を削除した構成とすることで、第２オンチップレンズ５０１と第２光電変換部１０２までの距離が短くなる。第２オンチップレンズ５０１と第２光電変換部１０２までの距離が短くなることで、第２オンチップレンズ５０１を透過後に発散し、第１光電変換部１０１に入射されてしまう光を少なくさせることが可能となる。また、図３３に示した単位画素１００と同じく、画素間遮光部１８１（遮光部５２１乃至５２３）を設けることで、第１光電変換部１０１への光の漏れ込みを、より防ぐことが可能となる。
【０２８２】
第１オンチップレンズ１５１と、第２オンチップレンズ５０１は、同一の材料で構成しても良いし、異なる材料で構成しても良い。また、材料としては、屈折率の高い材料、例えば、無機材料SiN（窒化ケイ素、シリコンナイトライド）などを用いることができる。
【０２８３】
第４の実施の形態においても、第１光電変換部１０１を用いて感度の高い画像を撮影すると共に、第２光電変換部１０２を用いてダイナミックレンジの広い画像を撮影することができる。
【０２８４】
これらの２枚の画像は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の内部に備わる画像信号処理回路、または、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の外部に接続された画像信号処理装置において、画像信号処理を経て１枚の画像へと合成される。これにより、高い感度と広いダイナミックレンジの双方を備えた画像を撮影することができる、という作用効果がもたらされる。
【０２８５】
＜カラーフィルタの色配置＞
上述した実施の形態においては、カラーフィルタ２０１の色配置として、例えば、図３５Ａに示したようなＲＧＢのベイヤー配列を例に挙げて説明した。図３５Ａに示したカラーフィルタ２０１は、上下左右２×２個の画素を繰り返し単位として、繰り返し単位において、Ｇ（緑色）／Ｒ（赤色）／Ｇ（緑色）／Ｂ（青色）のカラーフィルタが、いわゆるベイヤ―配列に配列されている。
【０２８６】
本技術は、このような色配置のＣＭＯＳイメージセンサ１０に適用範囲が限定されるのではなく、他の色配置に対しても適用可能である。例えば、図３５Ｂに示すような、カラーフィルタ２０１が、上下左右２×２個の画素を繰り返し単位として、繰り返し単位において、Ｒ（赤色）／Ｇ（緑色）／Ｂ（青色）／Ｃ（透明）のカラーフィルタが配列されていても良い。
【０２８７】
また図３５Ｃに示すように、カラーフィルタ２０１が、上下左右２×２個の画素を繰り返し単位として、繰り返し単位において、Ｒ（赤色）／Ｃ（透明）／Ｃ（透明）／Ｃ（透明）のカラーフィルタが配列されていても良い。
【０２８８】
さらに図示はしない他の色配置であっても、本技術を適用することは可能である。
【０２８９】
図４に記載の単位画素１００を、複数個アレイ状に配置した画素アレイにおいて、それぞれの単位画素１００が備えるカラーフィルタ２０１の配列として、これらいずれのカラーフィルタの配列を用いても、第１光電変換部１０１は、高い感度で画像を撮影する特性を保持しつつ、第２光電変換部１０２は、減光フィルタ３５１や光学絞り４１２を備えない場合と比較して、より広い照度範囲に渡って、階調性を備えた画像を撮影することができる、換言すれば、ダイナミックレンジのより広い画像を撮影することができる、という作用効果を得ることができる。
【０２９０】
＜撮像装置の使用例＞
｛撮像装置｝
図３６は、本技術を適用した電子機器の一例である撮像装置（カメラ装置）１０００の構成例を示すブロック図である。
【０２９１】
図３６に示すように、撮像装置１０００は、レンズ群１００１などを含む光学系、撮像素子１００２、カメラ信号処理部であるＤＳＰ回路１００３、フレームメモリ１００４、表示装置１００５、記録装置１００６、操作系１００７、及び、電源系１００８等を有している。そして、ＤＳＰ回路１００３、フレームメモリ１００４、表示装置１００５、記録装置１００６、操作系１００７、及び、電源系１００８が、バスライン１００９を介して相互に接続された構成となっている。
【０２９２】
レンズ群１００１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで撮像素子１００２の撮像面上に結像する。撮像素子１００２は、レンズ群１００１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
【０２９３】
表示装置１００５は、液晶表示装置や有機ＥＬ（electro luminescence）表示装置等のパネル型表示装置から成り、撮像素子１００２で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置１００６は、撮像素子１００２で撮像された動画または静止画を、メモリカードやビデオテープやＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の記録媒体に記録する。
【０２９４】
操作系１００７は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置１０００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系１００８は、ＤＳＰ回路１００３、フレームメモリ１００４、表示装置１００５、記録装置１００６、及び、操作系１００７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【０２９５】
このような撮像装置１０００は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、更には、スマートフォン、携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールに適用される。そして、この撮像装置１０００において、撮像素子１００２として、上述した各実施形態に係る撮像装置を用いることができる。これにより、撮像装置１０００の画質を向上させることができる。
【０２９６】
｛内視鏡システムの構成｝
本開示に係る技術は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。またここでは、内視鏡手術システムを例に挙げて説明をするが、本技術は、外科手術システム、顕微鏡下手術システムなどにも適用できる。
【０２９７】
図３７は、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システム２０００の概略的な構成の一例を示す図である。図３７では、術者（医師）２０７１が、内視鏡手術システム２０００を用いて、患者ベッド２０７３上の患者２０７５に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム２０００は、内視鏡２０２０と、その他の術具２０３０と、内視鏡２０２０を支持する支持アーム装置２０４０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート２０５０と、から構成される。
【０２９８】
内視鏡手術では、腹壁を切って開腹する代わりに、トロッカ２０３７ａ〜２０３７ｄと呼ばれる筒状の開孔器具が腹壁に複数穿刺される。そして、トロッカ２０３７ａ〜２０３７ｄから、内視鏡２０２０の鏡筒２０２１や、その他の術具２０３０が患者２０７５の体腔内に挿入される。図示する例では、その他の術具２０３０として、気腹チューブ２０３１、エネルギー処置具２０３３及び鉗子２０３５が、患者２０７５の体腔内に挿入されている。また、エネルギー処置具２０３３は、高周波電流や超音波振動により、組織の切開及び剥離、又は血管の封止等を行う処置具である。ただし、図示する術具２０３０はあくまで一例であり、術具２０３０としては、例えば攝子、レトラクタ等、一般的に内視鏡下手術において用いられる各種の術具が用いられてよい。
【０２９９】
内視鏡２０２０によって撮影された患者２０７５の体腔内の術部の画像が、表示装置２０５３に表示される。術者２０７１は、表示装置２０５３に表示された術部の画像をリアルタイムで見ながら、エネルギー処置具２０３３や鉗子２０３５を用いて、例えば患部を切除する等の処置を行う。なお、気腹チューブ２０３１、エネルギー処置具２０３３及び鉗子２０３５は、手術中に、術者２０７１又は助手等によって支持される。
【０３００】
（支持アーム装置）
支持アーム装置２０４０は、ベース部２０４１から延伸するアーム部２０４３を備える。図示する例では、アーム部２０４３は、関節部２０４５ａ、２０４５ｂ、２０４５ｃ、及びリンク４７ａ、４７ｂから構成されており、アーム制御装置２０５７からの制御により駆動される。アーム部２０４３によって内視鏡２０２０が支持され、その位置及び姿勢が制御される。これにより、内視鏡２０２０の安定的な位置の固定が実現され得る。
【０３０１】
（内視鏡）
内視鏡２０２０は、先端から所定の長さの領域が患者２０７５の体腔内に挿入される鏡筒２０２１と、鏡筒２０２１の基端に接続されるカメラヘッド２０２３と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒２０２１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡２０２０を図示しているが、内視鏡２０２０は、軟性の鏡筒２０２１を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
【０３０２】
鏡筒２０２１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡２０２０には光源装置２０５５が接続されており、当該光源装置２０５５によって生成された光が、鏡筒２０２１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者２０７５の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡２０２０は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
【０３０３】
カメラヘッド２０２３の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：Camera Control Unit）２０５１に送信される。なお、カメラヘッド２０２３には、その光学系を適宜駆動させることにより、倍率及び焦点距離を調整する機能が搭載される。
【０３０４】
なお、例えば立体視（３Ｄ表示）等に対応するために、カメラヘッド２０２３には撮像素子が複数設けられてもよい。この場合、鏡筒２０２１の内部には、当該複数の撮像素子のそれぞれに観察光を導光するために、リレー光学系が複数系統設けられる。
【０３０５】
（カートに搭載される各種の装置）
ＣＣＵ２０５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等によって構成され、内視鏡２０２０及び表示装置２０５３の動作を統括的に制御する。具体的には、ＣＣＵ２０５１は、カメラヘッド２０２３から受け取った画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。ＣＣＵ２０５１は、当該画像処理を施した画像信号を表示装置２０５３に提供する。また、ＣＣＵ２０５１は、カメラヘッド２０２３に対して制御信号を送信し、その駆動を制御する。当該制御信号には、倍率や焦点距離等、撮像条件に関する情報が含まれ得る。
【０３０６】
表示装置２０５３は、ＣＣＵ２０５１からの制御により、当該ＣＣＵ２０５１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。内視鏡２０２０が例えば４Ｋ（水平画素数３８４０×垂直画素数２１６０）又は８Ｋ（水平画素数７６８０×垂直画素数４３２０）等の高解像度の撮影に対応したものである場合、及び／又は３Ｄ表示に対応したものである場合には、表示装置２０５３としては、それぞれに対応して、高解像度の表示が可能なもの、及び／又は３Ｄ表示可能なものが用いられ得る。４Ｋ又は８Ｋ等の高解像度の撮影に対応したものである場合、表示装置２０５３として５５インチ以上のサイズのものを用いることで一層の没入感が得られる。また、用途に応じて、解像度、サイズが異なる複数の表示装置２０５３が設けられてもよい。
【０３０７】
光源装置２０５５は、例えばＬＥＤ（light emitting diode）等の光源から構成され、術部を撮影する際の照射光を内視鏡２０２０に供給する。
【０３０８】
アーム制御装置２０５７は、例えばＣＰＵ等のプロセッサによって構成され、所定のプログラムに従って動作することにより、所定の制御方式に従って支持アーム装置２０４０のアーム部２０４３の駆動を制御する。
【０３０９】
入力装置２０５９は、内視鏡手術システム２０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置２０５９を介して、内視鏡手術システム２０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、入力装置２０５９を介して、患者の身体情報や、手術の術式についての情報等、手術に関する各種の情報を入力する。また、例えば、ユーザは、入力装置２０５９を介して、アーム部２０４３を駆動させる旨の指示や、内視鏡２０２０による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示、エネルギー処置具２０３３を駆動させる旨の指示等を入力する。
【０３１０】
入力装置２０５９の種類は限定されず、入力装置２０５９は各種の公知の入力装置であってよい。入力装置２０５９としては、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、スイッチ、フットスイッチ２０６９及び／又はレバー等が適用され得る。入力装置２０５９としてタッチパネルが用いられる場合には、当該タッチパネルは表示装置２０５３の表示面上に設けられてもよい。
【０３１１】
あるいは、入力装置２０５９は、例えばメガネ型のウェアラブルデバイスやＨＭＤ（Head Mounted Display）等の、ユーザによって装着されるデバイスであり、これらのデバイスによって検出されるユーザのジェスチャや視線に応じて各種の入力が行われる。また、入力装置２０５９は、ユーザの動きを検出可能なカメラを含み、当該カメラによって撮像された映像から検出されるユーザのジェスチャや視線に応じて各種の入力が行われる。
【０３１２】
更に、入力装置２０５９は、ユーザの声を収音可能なマイクロフォンを含み、当該マイクロフォンを介して音声によって各種の入力が行われる。このように、入力装置２０５９が非接触で各種の情報を入力可能に構成されることにより、特に清潔域に属するユーザ（例えば術者２０７１）が、不潔域に属する機器を非接触で操作することが可能となる。また、ユーザは、所持している術具から手を離すことなく機器を操作することが可能となるため、ユーザの利便性が向上する。
【０３１３】
処置具制御装置２０６１は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具２０３３の駆動を制御する。気腹装置２０６３は、内視鏡２０２０による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者２０７５の体腔を膨らめるために、気腹チューブ２０３１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ２０６５は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ２０６７は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
【０３１４】
以下、内視鏡手術システム２０００において特に特徴的な構成について、更に詳細に説明する。
【０３１５】
（支持アーム装置）
支持アーム装置２０４０は、基台であるベース部２０４１と、ベース部２０４１から延伸するアーム部２０４３と、を備える。図示する例では、アーム部２０４３は、複数の関節部２０４５ａ、２０４５ｂ、２０４５ｃと、関節部２０４５ｂによって連結される複数のリンク２０４７ａ、２０４７ｂと、から構成されているが、図３７では、簡単のため、アーム部２０４３の構成を簡略化して図示している。
【０３１６】
実際には、アーム部２０４３が所望の自由度を有するように、関節部２０４５ａ〜２０４５ｃ及びリンク２０４７ａ、２０４７ｂの形状、数及び配置、並びに関節部２０４５ａ〜２０４５ｃの回転軸の方向等が適宜設定され得る。例えば、アーム部２０４３は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。これにより、アーム部２０４３の可動範囲内において内視鏡２０２０を自由に移動させることが可能になるため、所望の方向から内視鏡２０２０の鏡筒２０２１を患者２０７５の体腔内に挿入することが可能になる。
【０３１７】
関節部２０４５ａ〜２０４５ｃにはアクチュエータが設けられており、関節部２０４５ａ〜２０４５ｃは当該アクチュエータの駆動により所定の回転軸まわりに回転可能に構成されている。当該アクチュエータの駆動がアーム制御装置２０５７によって制御されることにより、各関節部２０４５ａ〜２０４５ｃの回転角度が制御され、アーム部２０４３の駆動が制御される。これにより、内視鏡２０２０の位置及び姿勢の制御が実現され得る。この際、アーム制御装置２０５７は、力制御又は位置制御等、各種の公知の制御方式によってアーム部２０４３の駆動を制御することができる。
【０３１８】
例えば、術者２０７１が、入力装置２０５９（フットスイッチ２０６９を含む）を介して適宜操作入力を行うことにより、当該操作入力に応じてアーム制御装置２０５７によってアーム部２０４３の駆動が適宜制御され、内視鏡２０２０の位置及び姿勢が制御されてよい。当該制御により、アーム部２０４３の先端の内視鏡２０２０を任意の位置から任意の位置まで移動させた後、その移動後の位置で固定的に支持することができる。なお、アーム部２０４３は、いわゆるマスタースレイブ方式で操作されてもよい。この場合、アーム部２０４３は、手術室から離れた場所に設置される入力装置２０５９を介してユーザによって遠隔操作され得る。
【０３１９】
また、力制御が適用される場合には、アーム制御装置２０５７は、ユーザからの外力を受け、その外力にならってスムーズにアーム部２０４３が移動するように、各関節部２０４５ａ〜２０４５ｃのアクチュエータを駆動させる、いわゆるパワーアシスト制御を行ってもよい。これにより、ユーザが直接アーム部２０４３に触れながらアーム部２０４３を移動させる際に、比較的軽い力で当該アーム部２０４３を移動させることができる。従って、より直感的に、より簡易な操作で内視鏡２０２０を移動させることが可能となり、ユーザの利便性を向上させることができる。
【０３２０】
ここで、一般的に、内視鏡下手術では、スコピストと呼ばれる医師によって内視鏡２０２０が支持されていた。これに対して、支持アーム装置２０４０を用いることにより、人手によらずに内視鏡２０２０の位置をより確実に固定することが可能になるため、術部の画像を安定的に得ることができ、手術を円滑に行うことが可能になる。
【０３２１】
なお、アーム制御装置２０５７は必ずしもカート２０５０に設けられなくてもよい。また、アーム制御装置２０５７は必ずしも１つの装置でなくてもよい。例えば、アーム制御装置２０５７は、支持アーム装置２０４０のアーム部２０４３の各関節部２０４５ａ〜２０４５ｃにそれぞれ設けられてもよく、複数のアーム制御装置２０５７が互いに協働することにより、アーム部２０４３の駆動制御が実現されてもよい。
【０３２２】
（光源装置）
光源装置２０５５は、内視鏡２０２０に術部を撮影する際の照射光を供給する。光源装置２０５５は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成される。このとき、ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置２０５５において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。
【０３２３】
また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド２０２３の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
【０３２４】
また、光源装置２０５５は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド２０２３の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【０３２５】
また、光源装置２０５５は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Narrow Band Imaging）が行われる。
【０３２６】
あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察するもの（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ICG）等の試薬を体組織に局注すると共に当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得るもの等が行われ得る。光源装置２０５５は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
【０３２７】
（カメラヘッド及びＣＣＵ）
図３８を参照して、内視鏡２０２０のカメラヘッド２０２３及びＣＣＵ２０５１の機能についてより詳細に説明する。図３８は、図３７に示すカメラヘッド２０２３及びＣＣＵ２０５１の機能構成の一例を示すブロック図である。
【０３２８】
図３８を参照すると、カメラヘッド２０２３は、その機能として、レンズユニット２０２５、撮像部２０２７、駆動部２９、通信部２０２６、およびカメラヘッド制御部２０２８を有する。また、ＣＣＵ２０５１は、その機能として、通信部２０８１、画像処理部２０８３、および制御部２０８５を有する。カメラヘッド２０２３とＣＣＵ２０５１とは、伝送ケーブル２０９１によって双方向に通信可能に接続されている。
【０３２９】
まず、カメラヘッド２０２３の機能構成について説明する。レンズユニット２０２５は、鏡筒２０２１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒２０２１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド２０２３まで導光され、当該レンズユニット２０２５に入射する。レンズユニット２０２５は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。レンズユニット２０２５は、撮像部２０２７の撮像素子の受光面上に観察光を集光するように、その光学特性が調整されている。また、ズームレンズ及びフォーカスレンズは、撮像画像の倍率及び焦点の調整のため、その光軸上の位置が移動可能に構成される。
【０３３０】
撮像部２０２７は撮像素子によって構成され、レンズユニット２０２５の後段に配置される。レンズユニット２０２５を通過した観察光は、当該撮像素子の受光面に集光され、光電変換によって、観察像に対応した画像信号が生成される。撮像部２０２７によって生成された画像信号は、通信部２０２６に提供される。
【０３３１】
撮像部２０２７を構成する撮像素子としては、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）タイプのイメージセンサであり、Ｂａｙｅｒ配列を有するカラー撮影可能なものが用いられる。
【０３３２】
この撮像部２０２７として、上述した各実施形態に係る撮像装置を用いることができる。これにより、撮像部２０２７のダイナミックレンジを拡大し、画質を向上させることができる。
【０３３３】
なお、当該撮像素子としては、例えば４Ｋ以上の高解像度の画像の撮影に対応可能なものが用いられてもよい。術部の画像が高解像度で得られることにより、術者２０７１は、当該術部の様子をより詳細に把握することができ、手術をより円滑に進行することが可能となる。
【０３３４】
また、撮像部２０２７を構成する撮像素子は、３Ｄ表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成される。３Ｄ表示が行われることにより、術者２０７１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部２０２７が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット２０２５も複数系統設けられる。
【０３３５】
また、撮像部２０２７は、必ずしもカメラヘッド２０２３に設けられなくてもよい。例えば、撮像部２０２７は、鏡筒２０２１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
【０３３６】
駆動部２９は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部２０２８からの制御により、レンズユニット２０２５のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部２０２７による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
【０３３７】
通信部２０２６は、ＣＣＵ２０５１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部２０２６は、撮像部２０２７から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル２０９１を介してＣＣＵ２０５１に送信する。この際、術部の撮像画像を低レイテンシで表示するために、当該画像信号は光通信によって送信されることが好ましい。
【０３３８】
手術の際には、術者２０７１が撮像画像によって患部の状態を観察しながら手術を行うため、より安全で確実な手術のためには、術部の動画像が可能な限りリアルタイムに表示されることが求められるからである。光通信が行われる場合には、通信部２０２６には、電気信号を光信号に変換する光電変換モジュールが設けられる。画像信号は当該光電変換モジュールによって光信号に変換された後、伝送ケーブル２０９１を介してＣＣＵ２０５１に送信される。
【０３３９】
また、通信部２０２６は、ＣＣＵ２０５１から、カメラヘッド２０２３の駆動を制御するための制御信号を受信する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。通信部２０２６は、受信した制御信号をカメラヘッド制御部２０２８に提供する。
【０３４０】
なお、ＣＣＵ２０５１からの制御信号も、光通信によって伝送されてもよい。この場合、通信部２０２６には、光信号を電気信号に変換する光電変換モジュールが設けられ、制御信号は当該光電変換モジュールによって電気信号に変換された後、カメラヘッド制御部２０２８に提供される。
【０３４１】
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ２０５１の制御部２０８５によって自動的に設定される。つまり、いわゆるＡＥ（Auto Exposure）機能、ＡＦ（Auto Focus）機能及びＡＷＢ（Auto White Balance）機能が内視鏡２０２０に搭載される。
【０３４２】
カメラヘッド制御部２０２８は、通信部２０２６を介して受信したＣＣＵ２０５１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド２０２３の駆動を制御する。例えば、カメラヘッド制御部２０２８は、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報及び／又は撮像時の露光を指定する旨の情報に基づいて、撮像部２０２７の撮像素子の駆動を制御する。また、例えば、カメラヘッド制御部２０２８は、撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報に基づいて、駆動部２９を介してレンズユニット２０２５のズームレンズ及びフォーカスレンズを適宜移動させる。カメラヘッド制御部２０２８は、更に、鏡筒２０２１やカメラヘッド２０２３を識別するための情報を記憶する機能を備えてもよい。
【０３４３】
なお、レンズユニット２０２５や撮像部２０２７等の構成を、気密性及び防水性が高い密閉構造内に配置することで、カメラヘッド２０２３について、オートクレーブ滅菌処理に対する耐性を持たせることができる。
【０３４４】
次に、ＣＣＵ２０５１の機能構成について説明する。通信部２０８１は、カメラヘッド２０２３との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部２０８１は、カメラヘッド２０２３から、伝送ケーブル２０９１を介して送信される画像信号を受信する。この際、上記のように、当該画像信号は好適に光通信によって送信され得る。この場合、光通信に対応して、通信部２０８１には、光信号を電気信号に変換する光電変換モジュールが設けられる。通信部２０８１は、電気信号に変換した画像信号を画像処理部２０８３に提供する。
【０３４５】
また、通信部２０８１は、カメラヘッド２０２３に対して、カメラヘッド２０２３の駆動を制御するための制御信号を送信する。当該制御信号も光通信によって送信されてよい。
【０３４６】
画像処理部２０８３は、カメラヘッド２０２３から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。当該画像処理としては、例えば現像処理、高画質化処理（帯域強調処理、超解像処理、ＮＲ（Noise reduction）処理及び／又は手ブレ補正処理等）、並びに／又は拡大処理（電子ズーム処理）等、各種の公知の信号処理が含まれる。また、画像処理部２０８３は、ＡＥ、ＡＦ及びＡＷＢを行うための、画像信号に対する検波処理を行う。
【０３４７】
画像処理部２０８３は、ＣＰＵやＧＰＵ等のプロセッサによって構成され、当該プロセッサが所定のプログラムに従って動作することにより、上述した画像処理や検波処理が行われ得る。なお、画像処理部２０８３が複数のＧＰＵによって構成される場合には、画像処理部２０８３は、画像信号に係る情報を適宜分割し、これら複数のＧＰＵによって並列的に画像処理を行う。
【０３４８】
制御部２０８５は、内視鏡２０２０による術部の撮像、及びその撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部２０８５は、カメラヘッド２０２３の駆動を制御するための制御信号を生成する。この際、撮像条件がユーザによって入力されている場合には、制御部２０８５は、当該ユーザによる入力に基づいて制御信号を生成する。あるいは、内視鏡２０２０にＡＥ機能、ＡＦ機能及びＡＷＢ機能が搭載されている場合には、制御部２０８５は、画像処理部２０８３による検波処理の結果に応じて、最適な露出値、焦点距離及びホワイトバランスを適宜算出し、制御信号を生成する。
【０３４９】
また、制御部２０８５は、画像処理部２０８３によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部の画像を表示装置２０５３に表示させる。この際、制御部２０８５は、各種の画像認識技術を用いて術部画像内における各種の物体を認識する。
【０３５０】
例えば、制御部２０８５は、術部画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具２０３３使用時のミスト等を認識することができる。制御部２０８５は、表示装置２０５３に術部の画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させる。手術支援情報が重畳表示され、術者２０７１に提示されることにより、より安全かつ確実に手術を進めることが可能になる。
【０３５１】
カメラヘッド２０２３及びＣＣＵ２０５１を接続する伝送ケーブル２０９１は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
【０３５２】
ここで、図示する例では、伝送ケーブル２０９１を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド２０２３とＣＣＵ２０５１との間の通信は無線で行われてもよい。両者の間の通信が無線で行われる場合には、伝送ケーブル２０９１を手術室内に敷設する必要がなくなるため、手術室内における医療スタッフの移動が当該伝送ケーブル２０９１によって妨げられる事態が解消され得る。
【０３５３】
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システム２０００の一例について説明した。
【０３５４】
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システム２０００について説明したが、本開示に係る技術が適用され得るシステムはかかる例に限定されない。例えば、本開示に係る技術は、検査用軟性内視鏡システムや顕微鏡手術システムに適用されてもよい。
【０３５５】
図３９は、上述の撮像装置の使用例を示す図である。
【０３５６】
上述した撮像装置は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【０３５７】
・デジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供され装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【０３５８】
本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
【０３５９】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。
【０３６０】
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０３６１】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
【０３６２】
（１）
第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部よりも、単位時間あたりに変換する電荷の量が小さい第２の光電変換部と、
前記第２の光電変換部が生成した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
電荷電圧変換部と、
前記第１の光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する第１の転送ゲート部と、
前記電荷電圧変換部と前記電荷蓄積部のポテンシャルを結合する第２の転送ゲート部と、
前記第２の光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送する第３の転送ゲート部と、
前記第３の転送ゲート部のゲート電極の下部に形成され、前記第２の光電変換部から溢れた電荷を前記電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスと、
前記第２の光電変換部に入射する光を減光する減光部と
を備える撮像装置。
（２）
前記減光部は、前記第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部上に形成されているオンチップレンズとの間に形成されている
前記（１）に記載の撮像装置。
（３）
前記減光部は、前記オンチップレンズを透過した光を減光する光学フィルタである
前記（２）に記載の撮像装置。
（４）
前記減光部は、無彩色のフィルタである
前記（２）に記載の撮像装置。
（５）
前記減光部は、前記オンチップレンズの形成時に露出しない部分であり、前記第２の光電変換部を覆う部分に形成されている
前記（２）乃至（４）のいずれかに記載の撮像装置。
（６）
前記減光部は、前記第１の光電変換部上に形成されている第１のオンチップレンズと、前記第２の光電変換部上に形成されている第２のオンチップレンズが近接した部分においては、前記第１のオンチップレンズ側に延在して形成され、かつ前記第１のオンチップレンズの間の空隙部においては、形成されていない
前記（２）乃至（５）のいずれかに記載の撮像装置。
（７）
前記減光部は、略四角形状であり、頂点部分が略円弧で形成されている
前記（２）乃至（６）のいずれかに記載の撮像装置。
（８）
前記減光部は、略円形状である
前記（２）乃至（６）のいずれかにに記載の撮像装置。
（９）
前記減光部は、略四角形状であり、前記略四角形状の頂点部分は、前記第１の光電変換部上に形成されている第１のオンチップレンズと、前記第２の光電変換部上に形成されている第２のオンチップレンズが近接している部分に配置されている
前記（２）乃至（６）のいずれかにに記載の撮像装置。
（１０）
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に、画素間遮光部をさらに備える
前記（２）乃至（９）のいずれかに記載の撮像装置。
（１１）
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、略同一の大きさで形成されている
前記（２）乃至（１０）のいずれかに記載の撮像装置。
（１２）
前記減光部は、前記オンチップレンズを透過した光が通過する通過面積を小さくする
前記（２）のいずれかに記載の撮像装置。
（１３）
前記遮光部の開口形状は、前記第２の光電変換部の外縁の形状を縮小した形状とされている
前記（１２）に記載の撮像装置。
（１４）
前記遮光部の開口形状は、略円形形状である
前記（１２）に記載の撮像装置。
（１５）
前記遮光部は、前記第２の光電変換部の両端に略四角形状で配置されている
前記（１２）に記載の撮像装置。
（１６）
前記減光部は、前記第２の光電変換部上に凹状に形成されているオンチップレンズである
前記（１）に記載の撮像装置。
（１７）
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に、画素間遮光部をさらに備える
前記（１６）に記載の撮像装置。
（１８）
前記画素間遮光部の一部は、カラーフィルタと同層に形成されている
前記（１７）に記載の撮像装置。
（１９）
前記オンチップレンズは、高屈折率を有する材料で形成されている
前記（１６）に記載の撮像装置。
（２０）
第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部よりも、単位時間あたりに変換する電荷の量が小さい第２の光電変換部と、
前記第２の光電変換部が生成した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
電荷電圧変換部と、
前記第１の光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する第１の転送ゲート部と、
前記電荷電圧変換部と前記電荷蓄積部のポテンシャルを結合する第２の転送ゲート部と、
前記第２の光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送する第３の転送ゲート部と、
前記第３の転送ゲート部のゲート電極の下部に形成され、前記第２の光電変換部から溢れた電荷を前記電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスと、
前記第２の光電変換部に入射する光を減光する減光部と
を含む撮像装置を
備える電子機器。
【符号の説明】
【０３６３】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  ＣＭＯＳイメージセンサ，  １１  画素アレイ部，  １２  垂直駆動部，  １３  カラム処理部，  １４  水平駆動部，  １５  システム制御部，  １６  画素駆動線，  １７  垂直信号線，  １８  信号処理部，  １９  データ格納部，  １００Ａ乃至１００Ｆ  単位画素，  １０１  第１光電変換部，  １０２  第２光電変換部，  １０３  第１転送トランジスタ，  １０４  第２転送トランジスタ，  １０２  第３転送トランジスタ，  １０６  第４転送トランジスタ，  １０７  ＦＤ（フローティングディフュージョン）部，  １０８  リセットトランジスタ，  １０９  増幅トランジスタ，  １１０  選択トランジスタ，  ３５１  減光フィルタ，  ４１２  光学絞り，  ５０１  第２オンチップレンズ
【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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