(57)【要約】【課題】  特許文献１のような構成において、高輝度の光量が入射される場合に、光電変換ユニットの後段の回路のダイナミックレンジの設計の自由度について充分な検討がされていなかった。【解決手段】  第２転送トランジスタをオフとした状態で、第１転送トランジスタをオン状態とすることで入力ノードに転送された電荷に基づく第１信号を、増幅トランジスタを介して出力させ、入力ノードにおいて入力ノードに転送された電荷を保持した状態で、第２転送トランジスタをオン状態とすることで、入力ノードに転送された電荷に基づく第２信号を増幅トランジスタを介して出力させ、第１入射光量では第２信号を用いて画像を形成する第１動作と、第１入射光量よりも光量が多い第２入射光量では、第２信号を用いずに、第１信号を増幅した信号を用いて画像を形成する第２動作と、を切り替える制御部を有する。【選択図】  図８
2017130728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電荷を蓄積する第１導電型の第１半導体領域を有する第１光電変換部および信号電荷を蓄積する前記第１導電型の第２半導体領域を有する第２光電変換部を含む光電変換ユニットと、
前記光電変換ユニットで生じた電荷が転送される入力ノードを有する増幅トランジスタと、
前記第１光電変換部から前記入力ノードへ電荷を転送する第１転送トランジスタと、
前記第２光電変換部から前記入力ノードへ電荷を転送する第２転送トランジスタと、を有する複数の画素の各々が行列状に配されており、
１つの光電変換ユニットに含まれる前記第１半導体領域および前記第２半導体領域に隣り合う領域のポテンシャル障壁の高さのうち、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間であって、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域に隣り合って配された領域の少なくとも一部の領域のポテンシャル障壁の高さが最も低い撮像装置であって、
前記第２転送トランジスタをオフとした状態で、前記第１転送トランジスタをオン状態とすることで前記入力ノードに転送された電荷に基づく第１信号を、前記増幅トランジスタを介して出力させ、
前記入力ノードにおいて前記入力ノードに転送された電荷を保持した状態で、前記第２転送トランジスタをオン状態とすることで、前記入力ノードに転送された電荷に基づく第２信号を前記増幅トランジスタを介して出力させ、
第１入射光量では前記第２信号を用いて画像を形成する第１動作と、
前記第１入射光量よりも光量が多い第２入射光量では、前記第２信号を用いずに、前記第１信号を増幅した信号を用いて画像を形成する第２動作と、を切り替える制御部を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
信号電荷を蓄積する第１導電型の第１半導体領域を有する第１光電変換部および信号電荷を蓄積する前記第１導電型の第２半導体領域を有する第２光電変換部を含む光電変換ユニットと、
前記光電変換ユニットで生じた電荷が転送される入力ノードを有する増幅トランジスタと、
前記第１光電変換部から前記入力ノードへ電荷を転送する第１転送トランジスタと、
前記第２光電変換部から前記入力ノードへ電荷を転送する第２転送トランジスタと、を有する複数の画素の各々が行列状に配されており、
１つの光電変換ユニットに含まれる前記第１半導体領域および前記第２半導体領域に隣り合う前記第１導電型と逆導電型の第２導電型の半導体領域のうち、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間であって、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域に隣り合って配された前記第２導電型の半導体領域の少なくとも一部の領域の前記第２導電型の不純物濃度が最も低い撮像装置であって、
前記第２転送トランジスタをオフとした状態で、前記第１転送トランジスタをオン状態とすることで前記入力ノードに転送された電荷に基づく第１信号を、前記増幅トランジスタを介して出力させ、
前記入力ノードにおいて前記入力ノードに転送された電荷を保持した状態で、前記第２転送トランジスタをオン状態とすることで、前記入力ノードに転送された電荷に基づく第２信号を前記増幅トランジスタを介して出力させ、
第１入射光量では前記第２信号を用いて画像を形成する第１動作と、
前記第１入射光量よりも光量が多い第２入射光量では、前記第２信号を用いずに、前記第１信号を増幅した信号を用いて画像を形成する第２動作と、を切り替える制御部を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
前記画素の後段に、前記増幅トランジスタから出力された信号をアナログデジタル変換するアナログデジタル変換部を有し、
前記第１信号および前記第２信号は、前記増幅トランジスタから出力された信号をアナログデジタル変換することでデジタル信号に変換した信号であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記アナログデジタル変換部から出力されたデジタル信号が入力される信号処理部を有し、
前記信号処理部において、前記第２信号の大きさと閾値の大きさとの比較を行い、比較結果に基づいて、前記第１動作と前記第２動作とを切り替えることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記閾値は、前記第１動作から前記第２動作に切替わる直前の、前記複数の画素から出力された前記第１信号をアナログデジタル変換したのちのデジタル信号の平均をＳｖａ、標準偏差をσとした時に、式Ｓｖａ−３σであることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記信号処理部で前記第２信号に所定の信号を加算することで、前記第２動作における増幅動作を行うことを特徴とする請求項４または５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記所定の信号は、前記第２光電変換部の飽和電荷量に対応した信号であることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１入射光量において、前記第２信号から前記第１信号を引いた後の信号と、前記第１信号とを焦点検出に用いることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１光電変換部の飽和電荷量は、前記第２光電変換部の飽和電荷量以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記光電変換ユニットの飽和電荷量から、前記第１光電変換部および前記第２光電変換部の飽和電荷量を引いた電荷量は、前記第２光電変換部の飽和電荷量以上の電荷量であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
信号電荷を蓄積する第１導電型の第１半導体領域を有する第１光電変換部および信号電荷を蓄積する第１導電型の第２半導体領域を有する第２光電変換部を含む光電変換ユニットと、
前記光電変換ユニットで生じた電荷が転送される入力ノードを有する増幅トランジスタと、
前記第１光電変換部から前記入力ノードへ電荷を転送する第１転送トランジスタと、
前記第２光電変換部から前記入力ノードへ電荷を転送する第２転送トランジスタと、を有する画素が行列状に配されており、
１つの光電変換ユニットに含まれる前記第１半導体領域および前記第２半導体領域に隣り合う第２導電型の半導体領域のうち、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間であって、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域に隣り合って配された第２導電型の半導体領域の少なくとも一部の領域の第２導電型の不純物濃度が最も低い撮像装置の駆動方法であって、
前記第２転送トランジスタをオフとした状態で、前記第１転送トランジスタをオン状態とすることで前記入力ノードに転送された電荷に基づく第１信号を、前記増幅トランジスタを介して出力させ、
前記入力ノードにおいて前記入力ノードに転送された電荷を保持した状態で、前記第２転送トランジスタをオン状態とすることで、前記入力ノードに転送された電荷に基づく第２信号を前記増幅トランジスタを介して出力させ、
第１入射光量では前記第２信号を用いて画像を形成し、
前記第１入射光量よりも光量が多い第２入射光量では、前記第２信号を用いずに、前記第１信号を増幅した信号を用いて画像を形成することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、一つの光電変換ユニットにおける二つの光電変換部の間のポテンシャル障壁の高さが、当該光電変換部の一方と、隣接する異なる画素の光電変換部との間のポテンシャル障壁の高さよりも低い構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３‐８４７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の撮像装置に高輝度の光量が入射される場合には、一つの光電変換ユニットが有する二つの光電変換部の間のポテンシャル障壁をこえて、隣り合う画素との間のポテンシャル障壁の高さまで電荷を蓄積することが可能となる。光電変換ユニットにおいて蓄積された電荷を増幅トランジスタの入力ノードへ転送する方法としてはいくつか考えられる。たとえば、まず一方の光電変換部から増幅トランジスタの入力ノードであるフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）に電荷を転送し、転送された電荷に基づく信号を、増幅トランジスタを介して出力する。そして、ＦＤにて当該電荷を保持した状態で、他方の光電変換部からＦＤに電荷を転送することで、光電変換ユニット全体で生じた電荷に基づく信号を増幅トランジスタを介して出力する方法が考えられる。
【０００５】
このような場合にはＦＤに光電変換ユニット全体で生じた電荷が保持され、この保持された電荷に基づく信号を増幅トランジスタが出力することとなるため、光電変換ユニットの後段回路の高照度側の入力レンジを広くする必要がある。しかし、後段回路の入力レンジを広くすることは、たとえば、回路規模が大きくなる、もしくは消費電力が大きくなるなど改善すべき課題が生じる。
【０００６】
このような課題に鑑み本発明は、光電変換ユニットの後段回路の入力レンジを広げることを抑制しつつ、複数の光電変換素子を有する光電変換ユニットからの信号を精度よく読みだすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の撮像装置は、信号電荷を蓄積する第１導電型の第１半導体領域を有する第１光電変換部および信号電荷を蓄積する第１導電型の第２半導体領域を有する第２光電変換部を含む光電変換ユニットと、光電変換ユニットで生じた電荷が転送される入力ノードを有する増幅トランジスタと、第１光電変換部から入力ノードへ電荷を転送する第１転送トランジスタと、第２光電変換部から入力ノードへ電荷を転送する第２転送トランジスタと、を有する複数の画素の各々が行列状に配されており、１つの光電変換ユニットに含まれる第１半導体領域および第２半導体領域に隣り合う領域のポテンシャル障壁の高さうち、第１半導体領域と第２半導体領域との間であって、第１半導体領域および第２半導体領域に隣り合って配された領域の少なくとも一部の領域のポテンシャル障壁の高さが最も低い撮像装置であって、第２転送トランジスタをオフとした状態で、第１転送トランジスタをオン状態とすることで入力ノードに転送された電荷に基づく第１信号を、増幅トランジスタを介して出力させ、入力ノードにおいて入力ノードに転送された電荷を保持した状態で、第２転送トランジスタをオン状態とすることで、入力ノードに転送された電荷に基づく第２信号を前記増幅トランジスタを介して出力させ、第１入射光量では第２信号を用いて画像を形成する第１動作と、第１入射光量よりも光量が多い第２入射光量では、第２信号を用いずに、第１信号を増幅した信号を用いて画像を形成する第２動作と、を切り替える制御部を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光電変換ユニットの後段回路の入力レンジを広げることを抑えながら、複数の光電変換部を有する光電変換ユニットからの信号を精度よく出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】撮像装置のブロック図
【図２】画素の回路図
【図３】駆動パルス図
【図４】画素の平面模式図および断面模式図
【図５】画素のポテンシャル構造図
【図６】入射光量とフローティングディフュージョンに転送される電荷量の関係図
【図７】入射光量とアナログデジタル変換部から出力されるデジタル信号の関係図
【図８】出力動作の切り替えフローチャート図
【図９】画素のポテンシャル構造図
【図１０】画素のポテンシャル構造図
【図１１】入射光量とフローティングディフュージョンに転送される電荷量の関係図
【図１２】入射光量とアナログデジタル変換部から出力されるデジタル信号の関係図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施例１）
図１〜図８を用いて本実施例の撮像システム１０１を説明する。
【００１１】
図１に本実施例の撮像装置のブロック図を示す。撮像システム１０１は、撮像装置１０８、信号処理装置１１１を有する。撮像装置１０８は、画素領域１０２、駆動パルス生成部１０３、垂直走査回路１０４、列回路１１２を有する。列回路１１２はアナログデジタル変換部１０５、信号処理部１０６、メモリ１１３、メモリ１１０を有している。信号処理装置１１１は、画像信号処理部１１４、表示部１０９を有している。
【００１２】
まず撮像装置１０８について説明する。画素領域１０２は、光を電気信号へ変換し、変換した電気信号を出力する画素１００を、行列状に複数有している。信号線１０７は複数配されており、各々の信号線１０７は画素領域１０２の画素列毎に配されている。駆動パルス生成部１０３は駆動パルスを生成し、垂直走査回路１０４は駆動パルス生成部１０３からの駆動パルスを受け、各画素に駆動パルスを供給する。
【００１３】
列回路１１２に配されたアナログデジタル変換部１０５は、少なくとも、複数の画素列から信号線１０７を介して並列に出力されたアナログ信号をアナログデジタル変換してデジタル信号をメモリ１１３に保持する。そしてメモリ１１３からデジタル信号を信号処理部１０６へ出力する。
【００１４】
メモリ１１０は信号処理部１０６から出力された信号を保持する。
【００１５】
信号処理部１０６は入力されたデジタル信号とメモリ１１０に保持した信号を用いて、演算処理や判定処理を行う。また、焦点検出処理を行ってもよい。
【００１６】
なお更に列回路１１２は、各画素列に対応し、信号の増幅等を行なう回路を有していてもよい。
【００１７】
次に信号処理装置１１１について説明する。信号処理装置１１１は撮像装置１０８から入力された信号を処理する。
【００１８】
画像信号処理部１１４は信号処理部１０６から出力された撮像用信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする。画像信号処理部１１４から出力された撮像用信号は表示部１０９に伝達され画像を表示する。
【００１９】
なお、信号処理部１０６とメモリ１１０は、撮像装置１０８ではなく、信号処理装置１１１に配されていてもよい。この場合には、信号処理部１０６は撮像装置１０８から出力されたデジタル信号が入力される。そして当該デジタル信号とメモリ１１０に記録した信号を用いて、演算処理や判定処理を行う。また、画像信号処理部１１４が、信号処理部１０６を兼ねてもよい。
【００２０】
また、アナログデジタル変換部を有さなくてもよい。その場合には、信号処理部１０６とメモリ１１０においてアナログ信号を処理する。以下では、信号処理部１０６にてデジタル信号を処理する場合について説明する。
【００２１】
図２に画素１００の等価回路の一例を示す。本実施例では、光電変換部で生じた電子と正孔のうち信号電荷を電子とした場合、第１導電型はＮ型、第１導電型と逆導電型の第２導電型はＰ型となる。この場合、画素領域１０２の各トランジスタはＮチャンネル型ＭＯＳトランジスタとなる。一方、信号電荷を正孔とした場合、画素領域１０２のトランジスタはＰチャンネル型ＭＯＳトランジスタとなる。また、等価回路はこれに限られるものではなく、一部の構成を複数の画素で共有してもよい。
【００２２】
図２ではフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）を共有する画素を示しているが、この構成に限られない。各光電変換部を識別するために添え字Ａ、Ｂを用いているが、同様の機能を有する部分においては添え字を付さずに説明する。両者を区別しての説明が必要な場合には添え字を付して説明する。
【００２３】
第１光電変換部２０１Ａおよび第２光電変換部２０１Ｂは、入射光量に比例して電荷対を生じ、Ｎ型の半導体領域に信号電荷として電子を蓄積する。第１光電変換部２０１Ａ、第２光電変換部２０１Ｂには、例えばフォトダイオードが用いられる。また、第１光電変換部２０１Ａ、第２光電変換部２０１Ｂは光電変換ユニット２００を構成する。
【００２４】
第１転送トランジスタ２０２Ａは第１光電変換部２０１Ａで蓄積された電荷をＦＤ２０３へ転送し、第２転送トランジスタ２０２Ｂは第２光電変換部２０１Ｂで蓄積された電荷をＦＤ２０３へ転送する。第１転送トランジスタ２０２Ａ、第２転送トランジスタ２０２Ｂのゲートにはそれぞれ駆動パルスｐＴＸ１、ｐＴＸ２が供給され、オン状態、オフ状態が切り替えられる。
【００２５】
ＦＤ２０３は、第１光電変換部２０１Ａ、第２光電変換部２０１Ｂにより共有され、第１転送トランジスタ２０２Ａ、第２転送トランジスタ２０２Ｂにより転送された電荷を保持する。なお、ここではＦＤ２０３は第１光電変換部２０１Ａ、第２光電変換部２０１Ｂで共有している構成としている。ただし、平面模式図においては、電気的に接続されていればそれぞれ別々にＦＤ２０３を構成する半導体領域を有していてもよい。
【００２６】
増幅トランジスタ２０５は、そのゲートがＦＤ２０３に接続されている。そしてＦＤ２０３が増幅トランジスタ２０５の入力ノードの一部を構成する。第１転送トランジスタ２０２Ａ、第２転送トランジスタ２０２ＢによってＦＤ２０３に転送された電荷に基づく信号を増幅して出力する。より具体的には、ＦＤ２０３に転送された電荷は、その量に応じた電圧に変換され、その電圧に応じた電気信号が増幅トランジスタ２０５を介して信号線１０７へ出力される。増幅トランジスタ２０５は、不図示の電流源とともにソースフォロア回路を構成している。なおＦＤ２０３に転送された電荷を、その電荷量に応じた電圧に変換する回路は、Ｖ＝Ｑ／Ｃの関係を有する。ここでＶは出力電圧、ＱはＦＤ２０３に転送された電荷量、ＣはＦＤ２０３の静電容量である。
【００２７】
リセットトランジスタ２０４は、増幅トランジスタ２０５の入力ノードの電位を電源電位ＶＤＤ近傍の電位にリセットする。リセットトランジスタ２０４のゲートには駆動パルスｐＲＥＳが供給され、オン状態、オフ状態が切り替えられる。
【００２８】
選択トランジスタ２０６は、１つの信号線１０７に対して複数設けられている画素の信号を、１画素ずつもしくは複数画素ずつ出力させる。選択トランジスタ２０６のドレインは、増幅トランジスタ２０５のソースに接続され、選択トランジスタ２０６のソースは信号線１０７に接続されている。
【００２９】
本実施例の構成に代えて、選択トランジスタ２０６を増幅トランジスタ２０５のドレインと、電源電圧ＶＤＤが供給されている電源配線との間に設けてもよい。選択トランジスタ２０６のゲートには、駆動パルスｐＳＥＬが供給され、選択トランジスタ２０６のオン状態、オフ状態が切り替えることにより行選択を行う。
【００３０】
なお、選択トランジスタ２０６を設けずに、増幅トランジスタ２０５のソースと信号線１０７を接続してもよい。その場合には、増幅トランジスタ２０５のドレインもしくは増幅トランジスタ２０５のゲートの電位を切り替えることにより、オン状態、オフ状態を切り替え、行選択を行ってもよい。
【００３１】
次に図３において、図２に示した画素回路の駆動パルスの一例を示す。ここでは、本実施例の特徴に直接関係する駆動パルスのみについて説明する。
【００３２】
各駆動パルスがハイレベルの期間において駆動パルスが供給される各トランジスタがオン状態になる。ローレベルの期間において駆動パルスが供給される各トランジスタはオフ状態となる。
【００３３】
時刻ｔ１に、駆動パルスｐＲＥＳ、ｐＴＸ１、ｐＴＸ２がローレベルからハイレベルになり、ＦＤ２０３、第１光電変換部２０１Ａ、第２光電変換部２０１Ｂがリセットされる。
【００３４】
時刻ｔ２に、駆動パルスｐＴＸ１、ｐＴＸ２がハイレベルからローレベルになり、第１光電変換部２０１Ａ、第２光電変換部２０１Ｂのリセットが終了し、第１光電変換部２０１Ａ、第２光電変換部２０１Ｂの電荷の蓄積が開始される。
【００３５】
時刻ｔ３において、駆動パルスｐＳＥＬがローレベルからハイレベルになり、行が選択される。
【００３６】
時刻ｔ４において、駆動パルスｐＲＥＳがハイレベルからローレベルとなり、ＦＤ２０３のリセットが完了する。
【００３７】
時刻ｔ５に、駆動パルスｐＴＸ１がローレベルからハイレベルになり、時刻ｔ６に駆動パルスｐＴＸ１がハイレベルからローレベルとなる。この時、第１光電変換部２０１Ａの電荷蓄積が終了する。
【００３８】
この動作により第１期間ｔ５−６において、期間ｔ２−ｔ６に光電変換ユニット２００内の第１光電変換部２０１Ａなどで生じた電荷がＦＤ２０３に転送される。ここで転送される電荷量を第１電荷量とする。そしてＦＤ２０３に第１電荷量の電荷が転送された状態となる。
【００３９】
時刻ｔ７に駆動パルスｐＴＸ１、ｐＴＸ２が同時にローレベルからハイレベルとなり、時刻ｔ８に、駆動パルスｐＴＸ１、ｐＴＸ２が同時にハイレベルからローレベルとなる。この時、第２光電変換部２０１Ｂの電荷の蓄積が終了する。
【００４０】
この動作により第２期間ｔ７−ｔ８において、期間ｔ６−ｔ８に第１光電変換部２０１Ａで生じた電荷と、期間ｔ２−ｔ８に第２光電変換部２０１Ｂで生じた電荷とがＦＤ２０３に転送される。そして、ＦＤ２０３に第１電荷量の電荷に電荷を加算した第２電荷量の電荷が転送された状態となる。
【００４１】
ただし、期間ｔ６−ｔ８は、期間ｔ２−ｔ８および期間ｔ２―ｔ６に比べて非常に小さい。そのため、以下では期間ｔ６−ｔ８に第１光電変換部２０１Ａで生じた電荷は無視できるものとして説明する。また期間ｔ７‐ｔ８に第１転送トランジスタ２０２Ａおよび第２転送トランジスタ２０２Ｂをオン状態としたが、第２転送トランジスタ２０２Ｂのみオン状態としても良い。
【００４２】
時刻ｔ９において、駆動パルスｐＲＥＳがローレベルからハイレベルとなることで、ＦＤ２０３の電位がリセットされる。
【００４３】
時刻ｔ１０において、駆動パルスｐＳＥＬがハイレベルからローレベルになり、行選択が終了する。
【００４４】
更に、必要に応じて期間ｔ４−ｔ５の任意の期間の信号線１０７の電位をサンプリングして、ノイズ信号を取得することができる。
【００４５】
このノイズ信号と光電変換信号との差分を取ることでノイズを低減することが可能となる。
【００４６】
なお、期間ｔ３−ｔ９において、駆動パルスｐＳＥＬをハイレベルに維持しているが、増幅トランジスタ２０５の入力ノードに保持した信号を図１で示した列回路１１２で信号をサンプリングするする期間だけハイレベルとしてもよい。
【００４７】
図４、図５に本実施例の画素１００の一部の平面模式図、断面模式図、ポテンシャル構造図を示す。
【００４８】
図４（ａ）は本実施例の画素１００の一部を示す平面模式図である。図４（ａ）では、同一の活性領域３０６に図２の光電変換ユニット２００、ＦＤ２０３、第１転送トランジスタ２０２Ａ，第２転送トランジスタ２０２Ｂが配されている。なお、図４（ａ）では、図２の増幅トランジスタ２０５、リセットトランジスタ２０４、選択トランジスタ２０６は省略しているが、光電変換ユニット２００が配される活性領域と別の活性領域に配されてもよい。もしくは、光電変換ユニット２００と同じ活性領域である活性領域３０６に配されても良い。
【００４９】
活性領域３０６にはＰ型半導体領域３１０、Ｎ型半導体領域３０１Ａ（第１半導体領域）、Ｎ型半導体領域３０１Ｂ（第２半導体領域）、Ｎ型半導体領域３０３が配される。さらに活性領域３０６の上には、活性領域３０６の一部と重なるようにゲート３０２Ａ、３０２Ｂが配される。
【００５０】
Ｎ型半導体領域３０１ＡおよびＮ型半導体領域３０１Ｂは、間に第１領域３０９を挟んで隣り合っている。つまりＮ型半導体領域３０１ＡおよびＮ型半導体領域３０１Ｂは第１領域３０９に隣り合って配されている。第１領域３０９の少なくとも一部にはＰ型半導体領域３１０が配される。第１領域３０９の全体がＰ型半導体領域３１０であってもよい。Ｎ型半導体領域３０１Ａは図２の第１光電変換部２０１Ａの一部を構成し、Ｎ型半導体領域３０１Ｂは図２の第２光電変換部２０１Ｂの一部を構成する。
【００５１】
そして、Ｎ型半導体領域３０１Ａと隣り合う領域のうち第１領域３０９と異なる領域には素子分離部３０８が配されている。同様にＮ型半導体領域３０１Ｂと隣り合う領域のうち第１領域３０９と異なる領域には素子分離部３０８が配されている。素子分離部３０８は、絶縁体分離部でもよいし、Ｐ型半導体領域３１０よりも不純物濃度の高いＰ型半導体領域でもよい。なお絶縁体分離部の周囲にＰ型半導体領域３１０よりも不純物濃度の高いＰ型半導体領域が配されてもよい。
【００５２】
なお、素子分離部３０８がＰ型半導体領域の場合および絶縁分離部の周囲にＰ型半導体領域が配されている場合には、Ｎ型半導体領域３０１ＡおよびＮ型半導体領域３０１Ｂに隣り合うＰ型半導体領域のうち、Ｎ型半導体領域３０１Ａと３０１Ｂの間に配されたＰ型半導体領域３１０の不純物濃度が最も低い構成となっている。
【００５３】
Ｎ型半導体領域３０３は、図２のＦＤ２０３を構成する。そして、Ｎ型半導体領域３０１Ａ、ゲート３０２Ａ、Ｎ型半導体領域３０３は、図２の第１転送トランジスタ２０２Ａを構成し、Ｎ型半導体領域３０１Ｂ、ゲート３０２Ｂ、Ｎ型半導体領域３０３は、図２の第２転送トランジスタ２０２Ｂを構成する。
【００５４】
Ｎ型半導体領域３０１ＡとＮ型半導体領域３０１Ｂは、平面視において一つのマイクロレンズ３０７と重なる。ここでは、平面視でマイクロレンズ３０７の中点が、Ｎ型半導体領域３０１ＡとＮ型半導体領域３０１Ｂのとの間の中点と重なるように配されている。光電変換部２０１Ａ、光電変換部２０１Ｂには、１つのマイクロレンズ３０７により集光された光がそれぞれ入射する。更に、マイクロレンズ３０７の下部にはカラーフィルタ３１１が配されておりその下部には多層配線構造３０４が配されている。
【００５５】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の線分Ａ−Ｂに沿った断面模式図である。各半導体領域は半導体基板３００に配される。
【００５６】
第１光電変換部２０１ＡはＮ型半導体領域３０１ＡとＰ型半導体領域３０５およびＰ型半導体領域３１０を含んで構成される。そして、第２光電変換部２０１ＢはＮ型半導体領域３０１ＢとＰ型半導体領域３０５およびＰ型半導体領域３１０を含んで構成される。そして、第１光電変換部２０１Ａと第２光電変換部２０１Ｂは光電変換ユニット２００を構成する。
【００５７】
なお、Ｐ型半導体領域３１０は、Ｎ型半導体領域３０１ＡおよびＮ型半導体領域３０１Ｂに隣接する。Ｐ型半導体領域３１０は、Ｎ型半導体領域３０１ＡおよびＮ型半導体領域３０１Ｂの間において電荷に対するポテンシャル障壁として機能する。また、Ｎ型半導体領域３０１ＡもしくはＮ型半導体領域３０１Ｂに隣り合う素子分離部３０８は、電荷に対するポテンシャル障壁として機能する。
【００５８】
また、Ｎ型半導体領域３０１Ａ、３０２Ｂの光の入射側にＰ型半導体領域を配して埋め込み型のフォトダイオードとしてもよい。
【００５９】
次に図５を用いて本実施例の光電変換ユニットのポテンシャル構造の説明を行なう。図５（ａ）、図５（ｂ）は図４（ｂ）の線分Ｃ−Ｄにおけるポテンシャル構造である。縦軸はポテンシャルの高さを示し、図面矢印方向に行くほどポテンシャルが高いことを示す。なお電位でいえば、ｈ１＜ｈ３＜ｈ４＜ｈ５の大小関係となる。横軸は図４（ｂ）における位置Ｘを示す。なお、本実施例において、第１光電変換部２０１Ａと第２光電変換部２０１Ｂとの飽和電荷量は同じである。また、画素領域１０２において光電変換部２０１Ａと光電変換部２０１Ｂに入射される光の量は等しいものとする。
【００６０】
図５（ａ）、図５（ｂ）において、第１光電変換部２０１Ａおよび第２光電変換部２０１Ｂに電荷が蓄積されていない時（光電変換部をリセットした時、もしくは各光電変換部の電荷の転送が完了した時）のポテンシャルの高さがｈ５である。Ｎ型半導体領域３０１ＡおよびＮ型半導体領域３０１Ｂの間に配されたＰ型半導体領域３１０のポテンシャル障壁の高さはｈ５−ｈ３である。
【００６１】
Ｎ型半導体領域３０１ＡもしくはＮ型半導体領域３０１Ｂに隣り合う素子分離部３０８のポテンシャル障壁の高さはｈ５−ｈ１である。Ｐ型半導体領域３１０のポテンシャル障壁の高さｈ５−ｈ３は、素子分離部３０８のポテンシャル障壁の高さｈ５−ｈ１よりも低い。
【００６２】
このようなポテンシャル構造にするためにＰ型半導体領域３１０の少なくとも一部の領域の不純物濃度をＰ型半導体領域３０５の不純物濃度よりも低くしてもよいし、Ｐ型半導体領域３１０の幅を素子分離部３０８よりも狭くしてもよい。
【００６３】
第１光電変換部２０１Ａの飽和電荷量Ｅａｘは、Ｐ型半導体領域３１０によって生じるポテンシャル障壁の高さｈ５−ｈ３によって決まる。第２光電変換部２０１Ｂにおいても同様であり、飽和電荷量Ｅｂｘとする。
【００６４】
また、光電変換ユニット２００に蓄積可能な電荷量Ｅａｂｘは、素子分離部のポテンシャル障壁の高さｈ５−ｈ１によって決まる。
【００６５】
光電変換ユニット２００の飽和電荷量Ｅａｂｘは、Ｅａｂｘ＝Ｅｃｘ＋Ｅｂｘ＋Ｅａｘであらわすことができる。電荷量Ｅｃｘは、第１光電変換部２０１Ａと第２光電変換部２０１Ｂの電荷量がそれぞれ飽和に達した後、光電変換ユニット２００の飽和電荷量Ｅａｂｘに達するまでに光電変換ユニット２００に蓄積された電荷量である。
【００６６】
図５（ａ）は、第１入射光量における電荷分布を示している。ここでは、例えば入射光量が０．３（ｌｘ＊ｓｅｃ）の場合を示しており、各光電変換部で電荷量Ｅａ、Ｅｂ分だけ蓄積され、蓄積された電荷により生じるポテンシャルの高さはｈ４である。ポテンシャルの高さｈ４は、ポテンシャルの高さｈ５とＰ型半導体領域３１０のポテンシャルの高さｈ３の間の高さである。
【００６７】
一方、図５（ｂ）では第１入射光量よりも光量が多い第２入射光量における電荷分布を示している。ここでは、例えば入射光量が０．８（ｌｘ＊ｓｅｃ）の場合を示している。各光電変換部における飽和電荷量Ｅａｘ、Ｅｂｘを超えた量の電荷が生じている。光電変換ユニット２００で蓄積された電荷によって生じるポテンシャルの高さはｈ６となる。ポテンシャルの高さｈ６は、Ｐ型半導体領域３１０のポテンシャルの高さｈ３と素子分離部３０８のポテンシャルの高さｈ１との間の高さである。
【００６８】
本実施例の光電変換ユニット２００は、入射光量１．０（ｌｘ＊ｓｅｃ）の時にポテンシャルの高さがｈ１と同じ高さとなる。つまり、光電変換ユニット２００の飽和電荷量Ｅａｂｘ分の電荷が生じ、光電変換ユニット２００で蓄積される。
【００６９】
図６は入射光量に対するＦＤ２０３に転送される電荷量を示すグラフである。図６を用いて、マイクロレンズ３０７への入射光量（ｌｘ＊ｓｅｃ）の際に、転送トランジスタ２０２によって光電変換ユニット２００からＦＤ２０３へ転送される電荷量について説明する。図６は横軸が入射光量、縦軸が電荷量を示す。
【００７０】
１点鎖線４１６は、図２の第１期間ｔ５―ｔ６に第１転送トランジスタ２０２Ａをオン状態とした時に光電変換ユニット２００からＦＤ２０３に転送される第１電荷量Ｅ（Ａ）を示したグラフである。
【００７１】
２点鎖線４１７は、図２の第２期間ｔ７−ｔ８に第２転送トランジスタ２０２Ｂをオン状態とした時に光電変換ユニット２００からＦＤ２０３に転送される電荷量Ｅ（Ｂ）を示したグラフである。
【００７２】
実線４１５は、ＦＤ２０３に転送された第１電荷量Ｅ（Ａ）と電荷量Ｅ（Ｂ）の和である第２電荷量Ｅ（Ａ＋Ｂ）を示したグラフである。これは図２の第１期間に第１転送トランジスタ２０２Ａをオン状態とした後に、第２期間に第２転送トランジスタ２０２Ｂをオン状態とするため、ＦＤ２０３の電荷量は第１電荷量Ｅ（Ａ）と電荷量Ｅ（Ｂ）の和となる。
【００７３】
なお、ここでは１点鎖線４１６においてＦＤ２０３に転送された電荷に基づいて図２の増幅トランジスタ２０５から出力される信号を第１信号とする。また、実線４１５に示すＦＤ２０３に転送された電荷に基づいて図２の増幅トランジスタ２０５から出力される信号を第２信号とする。
【００７４】
図６の入射光量Ｌ１が０（ｌｘ＊ｓｅｃ）≦Ｌ１≦０．６７（ｌｘ＊ｓｅｃ）の範囲において、まず第１転送トランジスタ２０２Ａがオン状態となり第１光電変換部２０１Ａに蓄積された電荷がＦＤ２０３に転送される。転送される電荷量はＥａである。その後、第２転送トランジスタ２０２Ｂがオン状態となり第２光電変換部２０１Ｂに蓄積された電荷がＦＤ２０３に転送され加算される。この時転送される電荷量はＥｂである。
【００７５】
なお、入射光量が０．６７（ｌｘ＊ｓｅｃ）の時に第１光電変換部２０１Ａで蓄積される電荷量は飽和電荷量Ｅａｘ、第２光電変換部２０１Ｂで蓄積される電荷量は飽和電荷量Ｅｂｘとなる。
【００７６】
本実施例において第１光電変換部２０１Ａと第２光電変換部２０１Ｂの飽和電荷量が等しいと、１点鎖線４１６と２点鎖線４１７の傾きは等しくなる。そのため、実線４１５は、１点鎖線４１６と２点鎖線４１７の傾きの二倍となる。そして、ＦＤ２０３に転送された第２電荷量Ｅ（Ａ＋Ｂ）はＥ（Ａ＋Ｂ）＝Ｅａ＋Ｅｂとなる。
【００７７】
次に入射光量Ｌ１が０．６７（ｌｘ＊ｓｅｃ）＜Ｌ１≦１．０（ｌｘ＊ｓｅｃ）の範囲の場合の説明を行う。第１転送トランジスタ２０２Ａをオン状態とし、第１光電変換部２０１Ａに蓄積された電荷をＦＤ２０３へ転送する。飽和電荷量Ｅａｘと、ポテンシャルの高さｈ３とポテンシャルの高さｈ１との間に対応する電荷量ＥｃとがＦＤ２０３に転送される。その後、第２転送トランジスタ２０２Ｂがオン状態とすると、第２光電変換部２０１Ｂに蓄積された電荷がＦＤへ転送される。この時転送される電荷量は、飽和電荷量Ｅｂｘである。
【００７８】
入射光量が０．６７（ｌｘ＊ｓｅｃ）＜Ｌ１≦１．０（ｌｘ＊ｓｅｃ）の範囲において、１点鎖線４１６では、ＦＤ２０３に転送される飽和電荷量Ｅａｘと電荷量Ｅｃのうち電荷量Ｅｃは、入射光量に応じて変化するため傾きが生じる。２点鎖線４１７では、飽和電荷量ＥｂｘがＦＤ２０３に転送されるため傾きがゼロとなる。
【００７９】
そして、ＦＤ２０３に転送された第２電荷量Ｅ（Ａ＋Ｂ）は、Ｅ（Ａ＋Ｂ）＝Ｅａｘ＋Ｅｃ＋Ｅｂｘとなり、理想的には実線４１５は、１点鎖線４１６と同じ傾きとなる。
【００８０】
次に図７を用いてマイクロレンズ３０７への入射光量と、増幅トランジスタ２０５を介して入力された信号に基づくアナログデジタル変換部１０５の出力との関係について説明する。図７は横軸が入射光量、縦軸がアナログデジタル変換部の出力値を示す。
【００８１】
図７の一点鎖線５１６は、図６の１点鎖線４１６の電荷量に基づいて前記増幅トランジスタを介して得られる第１信号をデジタル信号で示したグラフである。ここでは、図１のアナログデジタル変換部１０５を介して出力された第１信号をアナログデジタル変換した信号（以下、第１デジタル信号）Ｓ（Ａ）を示す。
【００８２】
実線５１５は、図６の実線４１５の電荷量に基づいて増幅トランジスタを介して得られる第２信号をデジタル信号で示したグラフである。ここでは図１のアナログデジタル変換部１０５を介して出力された第２信号をアナログデジタル変換した信号（以下、第２デジタル信号）Ｓ（Ａ＋Ｂ）を示す。
【００８３】
そして、Ｓａｘ，Ｓｂｘ，Ｓｃｘは、飽和電荷量Ｅａｘ，Ｅｂｘ，Ｅｃｘの各々に基づいて増幅トランジスタを介して得られる信号をデジタル化した信号である。
【００８４】
アナログデジタル変換部１０５から出力された第１デジタル信号Ｓ（Ａ）はメモリ１１３に保持される。その後、アナログデジタル変換部１０５から出力された第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）もメモリ１１３に保持される。
【００８５】
そして本実施例では、入射光量Ｌ１が０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ）の時、デジタル信号Ｓｖとなる。デジタル信号Ｓｖは、アナログデジタル変換部１０５の出力が線形性から非線形に切替わる直前のデジタル信号とするが、第１デジタル信号Ｓ（Ａ）よりも大きい値で、且つ非線形性を有する最小の値より小さい値であればよい。つまりデジタル信号ＳｖはＡＤ変換回路の出力レンジの最大値を示しており、入射光量０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ）までの入射光量により生じる信号の範囲が入力レンジとなる。
【００８６】
具体的に非線形性を有する最小の値とは、ＦＤ２０３に転送される電荷量がＦＤ２０３の飽和電荷量をこえた直後の信号に対するデジタル信号とすることができる。もしくは、光電変換ユニット２００の後段の回路である列回路１１２の入力となる信号線１０７の飽和をこえた直後の信号に対するデジタル信号とするのがよい。また、アナログデジタル変換部１０５の出力が非線形性となる最小の値である。なお、デジタル信号Ｓｖは各画素に対して有していてもよい。
【００８７】
実線５１５は、入射光量Ｌ１が０≦Ｌ１＜０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ）の範囲（第１入射光量）では図６の第２電荷量Ｅ（Ａ＋Ｂ）に基づいて増幅トランジスタ２０５を介して得られる信号をデジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）に変換して得られる。
【００８８】
しかし、入射光量Ｌ１がＬ１≧０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ）の第２入射光量においては、図６のＥ（Ａ＋Ｂ）に対応して増幅トランジスタ２０５から出力された信号をアナログデジタル変換したＳ（Ａ＋Ｂ）は、デジタル信号Ｓｖを超えてしまう。
【００８９】
そこで本実施例の撮像装置の駆動方法は、小入射光量である第１入射光量においては第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）を画像形成に用いる第１動作を有する。さらに大入射光量である第２入射光量において第１デジタル信号Ｓ（Ａ）を増幅して画像形成に用いる第２動作を有する。このように、小入射光量と大入射光量とで異なる駆動方法によって出力されたデジタル信号を用いて画像を形成する。
【００９０】
次に、本実施例の第１動作と第２動作の切り替え方法について説明する。閾値Ｓｔｈは、第１動作と第２動作を切り替える第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）である。まず閾値Ｓｔｈの取得方法の一例について説明する。製品出荷前などに、入射光量を変化させて撮像を行い、光電変換ユニット２００の後段に配される回路の入力レンジを求める。ここでいう入力レンジとは、後段回路の出力が線形性を保つ最大値である。つまり、第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）が、飽和電荷量Ｅａｘと飽和電荷量Ｅｂｘの和となる値である。この時の値を閾値としてメモリ１１０に保存する。
【００９１】
具体的には、第１デジタル信号Ｓ（Ａ）を測定し、第１デジタル信号Ｓ（Ａ）の傾きが、第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）の０．５倍から１倍に変化する入射光量を求める。図６においては、図６のグラフにおける０．６７（ｌｘ＊ｓｅｃ）である。この時、第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）＝Ｓａｘ＋Ｓｂｘとなる。
【００９２】
その後、アナログデジタル変換した第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）が、線形性がなくなるまで（Ｓ（Ａ＋Ｂ）＝Ｓｖを超えるまで）入射光量を上げる。なおこの時、デジタル信号Ｓｖは、Ｓａｘ＋Ｓｃｘより大きい値となる。これは後述する第２動作において第１デジタル信号Ｓ（Ａ）の値を線形性を持った領域の値とするためである。
【００９３】
本実施例では０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ）の時にＳ（Ａ＋Ｂ）＝Ｓｖとなる。そして、複数の画素の各光電変換ユニット２００に対するアナログデジタル変換部１０５におけるデジタル信号Ｓｖを閾値Ｓｔｈとしてメモリ１１０に保持する。
【００９４】
次に第３デジタル信号Ｓｂ２の取得方法について説明する。
【００９５】
入射光量Ｌ１が、０．６７（ｌｘ＊ｓｅｃ）≦Ｌ１＜０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ）のある１点で、信号処理部１０６において、第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）から第１デジタル信号Ｓ（Ａ）の差分をとる。これにより、光電変換ユニット２００の第２光電変換部２０１Ｂの飽和電荷量に応じたデジタル信号Ｓｂｘに相当する第３デジタル信号Ｓｂ２を取得し、メモリ１１０に保持する。
【００９６】
メモリ１１０に保持した閾値Ｓｔｈをもとに第１動作と第２動作との切り替え、各々の動作に応じたデジタル信号を出力する。この動作の切り替えは、不図示の制御部で行えばよい。
【００９７】
図８を用いて本実施例の信号Ｓを演算するときの第１動作と第２動作の切り替えフローチャートを説明する。
【００９８】
メモリ１１３に保持された第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）を用いて、信号処理部１０６が、Ｓ（Ａ＋Ｂ）＜Ｓｔｈを満たすか否かの比較（フロー６１９）を行う。
【００９９】
比較結果が満たす（ＹＥＳ）の場合には第１入射光量と判断しフロー６２０へ進む。これは本実施例では、０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ）より小さい入射量の場合である。この時、信号処理部１０６から出力される信号ＳはＳ＝Ｓ（Ａ＋Ｂ）となる。
【０１００】
比較結果が満たされない（ＮＯ）の場合には第２入射光量と判断しフロー６２１へ進む。これは本実施例では、０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ）以上の入射量の場合である。この時、信号処理部１０６から出力される信号ＳはＳ＝Ｓ（Ａ）＋Ｓｂ２とし、Ｓ（Ａ）を増幅する増幅動作を行う。なお、Ｓ（Ａ）はメモリ１１３に保持した信号で、Ｓｂ２はあらかじめメモリ１１０に保持した所定の信号（ここでは例として第３デジタル信号）である。
【０１０１】
従来の方法のように信号ＳとしてＳ（Ａ＋Ｂ）のみを使用した場合には、入射光量０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ）までの信号しか使用できなかった。もしくは回路の入力レンジを広げる必要があった。しかし本実施例のような構成によれば、信号Ｓは、入射光量１．０（ｌｘ＊ｓｅｃ）の信号まで使用できる。つまり、実施例１の撮像システムはＳ／Ｎ比を低下させることなく後段の回路の入力レンジを１．４３倍（＝１．０（ｌｘ＊ｓｅｃ）／０．７（ｌｘ＊ｓｅｃ））に拡大している。これにより、画素の後段に配された回路の入力レンジを拡大することが可能となる。
【０１０２】
なお、本実施例において、光電変換ユニット２００の飽和電荷量Ｅａｂｘとすると、電荷量Ｅｃｘは、Ｅｃｘ＝Ｅａｂｘ−Ｅａｘ−Ｅｂｘとなる。Ｅｃｘは、１．０Ｅｂｘ≦Ｅｃｘ≦１．５Ｅｂｘの範囲であることが望ましい。
【０１０３】
また、第２動作における増幅動作として本実施例では第１デジタル信号Ｓ（Ａ）に第３デジタル信号Ｓｂ２を加算する例を説明したが、第３デジタル信号Ｓｂ２を用いずに別の値を乗算してもよい。また、第１デジタル信号Ｓ（Ａ）の値が大きくなれば第３デジタル信号Ｓｂ２以外の信号を加算もしくは乗算してもよい。
【０１０４】
なお、図６において第２電荷量をＦＤ２０３に転送した状態とした際にＦＤ２０３が飽和する場合に、図７の動作を行う前に図８の動作を行う。その際にはＦＤ２０３の飽和電荷量の最大値を閾値とし、Ｅ（Ａ＋Ｂ）に基づいた信号をＳ（Ａ＋Ｂ）とし、Ｅ（Ａ）に基づいた信号をＳ（Ａ）とする。
【０１０５】
これによりＦＤ２０３に転送された電荷を、その電荷量に応じた電圧に変換する回路の入出力レンジを広げることを抑制することが可能となる。そのため、当該回路において、入出力レンジを広げなくても静電容量Ｃが小さくすることが可能となる。静電容量Ｃが小さいほど電荷電圧変換のゲインが大きくなり、Ｓ／Ｎ比（信号ノイズ比）を大きくすることができ、精度のよい信号を出力することが可能となる。
【０１０６】
なお、アナログデジタル変換部１０５を配さない場合には、図８においてＥ（Ａ＋Ｂ）に基づいた信号をＳ（Ａ＋Ｂ）とし、Ｅ（Ａ）に基づいた信号をＳ（Ａ）とする。その際に、Ｅ（Ａ）に基づいた信号に加算される信号はアナログ信号となる。
【０１０７】
これらは、その他の実施例においても同様である。
【０１０８】
このような構成によれば、光電変換ユニットの後段の回路の入力レンジを広げることを抑制しながら、複数の光電変換部を有する光電変換ユニットからの信号を精度よく出力することが可能である。
【０１０９】
（変形例）
実施例１の変形例を説明する。実施例１の図５（ａ）（ｂ）の光電変換ユニット２００のポテンシャル構造図は、光電変換ユニット２００で生じた電荷のうち、第１光電変換部２０１Ａに生じる電荷量と第２光電変換部２０１Ｂに生じる電荷量とが同じ場合を説明した。これは、例えば光電変換ユニット２００の上で焦点が合焦している場合や当該光電変換ユニット２００を有する画素が画素領域１０２の中心に配されている場合など、第１光電変換部２０１Ａと第２光電変換部２０１Ｂに同等の光量が入射しているからである。
【０１１０】
変形例として図９のポテンシャル構造図において、第１光電変換部２０１Ａと第２光電変換部２０１Ｂの各々に生じる電荷量が異なる構成について説明する。
【０１１１】
図９（ａ）は光電変換ユニット２００を有する画素が画素領域１０２の左端にある場合や焦点が合焦していない場合に第１光電変換部２０１Ａに入射する光量が第２光電変換部２０１Ｂに入射する光量よりも多くなる。図９（ａ）において第１光電変換部２０１Ａは飽和電荷量に達しており、蓄積された電荷により生じるポテンシャルの高さはｈ３である。一方、第２光電変換部２０１Ｂは飽和電荷量に達してなく、蓄積された電荷により生じるポテンシャルの高さはｈ４である。
【０１１２】
そのため、第１光電変換部２０１Ａで飽和電荷量Ｅａｘを超えて生じた電荷は、第２光電変換部２０１Ｂに移動する。
【０１１３】
図９（ｂ）は、光電変換ユニット２００を有する画素が画素領域１０２の右端にある場合や焦点が合焦していない場合に第２光電変換部２０１Ｂに入射する光量が、第２光電変換部２０１Ｂに入射する光量よりも多くなる。この時、第２光電変換部２０１Ｂは、飽和電荷量に達しており、蓄積された電荷により生じるポテンシャルの高さがｈ３となる。第１光電変換部２０１Ａは、飽和電荷量に達してなく、蓄積された電荷により生じるポテンシャルの高さはｈ４となる。そのため、第２光電変換部２０１Ｂで飽和電荷量Ｅｂｘを超えて生じた電荷は、第１光電変換部２０１Ａに移動する。
【０１１４】
従来の方法のように信号ＳとしてＳ（Ａ＋Ｂ）のみを使用した場合には、図９（ａ）（ｂ）のどちらの場合にも、第１入射光量の時に出力される信号Ｓは、Ｓ（Ａ＋Ｂ）＝Ｓａ＋Ｓｂとなる。また、第２入射光量の時に出力される信号Ｓは、Ｓ（Ａ＋Ｂ）＝Ｓａ＋Ｓｃ＋Ｓｂとなり、図５（ａ）（ｂ）と同様の課題を生じる。そのため、このような構成においても本実施例を適用することで同様の効果が得られる。
【０１１５】
（実施例２）
図１０に実施例２の光電変換ユニット２００のポテンシャル構造図を示す。横軸は距離、縦軸はポテンシャルである。実施例１の図５（ａ）（ｂ）との差異を説明する。実施例１では飽和電荷量Ｅａｘと飽和電荷量Ｅｂｘが同じ大きさであった。
【０１１６】
一方、実施例２はＮ型半導体領域３０１Ｂの体積がＮ型半導体領域３０１Ａよりも大きく、各々の光電変換部の飽和電荷量がＥｂｘ＞Ｅａｘの関係となる。なお実施例２の光電変換ユニット２００の飽和電荷量Ｅａｂは、実施例１の光電変換ユニット２００の飽和電荷量Ｅａｂと同じとなる。以下では、実施例１と同様のため図１〜図４、図８についての説明を省略する。
【０１１７】
図１１は、入射光量に対するＦＤ２０３に転送される電荷量を示すグラフである。図１１を用いて、本実施例の光電変換ユニット２００への入射光量に対する光電変換ユニット２００からＦＤ２０３へ転送される電荷量について説明する。１点鎖線８１６は第１電荷量Ｅ（Ａ）を示したグラフであり、図６の１点鎖線４１６と対応する。２点鎖線８１７は電荷量Ｅｂを示したグラフであり、図６の２点鎖線４１７と対応する。実線８１５は、Ｅ（Ａ）とＥｂの和であるＥ（Ａ＋Ｂ）を示したグラフであり、図６の実線４１５に対応する。
【０１１８】
入射光量Ｌ３は、０≦Ｌ３≦０．５２（ｌｘ＊ｓｅｃ）において、ＥｂはＥ（Ａ）に比べて傾きが急峻である。これは、図１０に示すように第２光電変換部２０１Ｂの面積が第１光電変換部２０１Ａの面積より大きいためマイクロレンズ３０７を通過した入射光が第２光電変換部２０１Ｂに多く入射するからである。入射光量が０．５２（ｌｘ＊ｓｅｃ）で、Ｅ（Ａ）とＥ（Ｂ）は、飽和電荷量Ｅａｘ、Ｅｂｘとなる。そして、入射光量Ｌ３が０，５５（ｌｘ＊ｓｅｃ）においてＥ（Ａ＋Ｂ）＝Ｅａ＋Ｅｃとなる。
【０１１９】
図１２を用いて実施例２における撮像システム１０１の具体的な動作について説明する。実施例１と同様に、初めに複数の画素の各々の光電変換ユニット２００の閾値であるＳｔｈと、第２光電変換部２０１Ｂの飽和電荷量Ｅｂｘに対応したデジタル信号に相当する第３デジタル信号Ｓｂ２を取得する。
【０１２０】
本実施例において０（ｌｘ＊ｓｅｃ）≦Ｌ３＜０，５５（ｌｘ＊ｓｅｃ）の範囲が第１入射光量、０，５５（ｌｘ＊ｓｅｃ）≦Ｌ３の範囲が第２入射光量となる。
【０１２１】
図１２に示すように、入射光量Ｌ３が０，５２（ｌｘ＊ｓｅｃ）の時、Ｓ（Ａ＋Ｂ）はＳａｘ＋Ｓｂｘとなる。その後、アナログデジタル変換した第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）が、線形性がなくなるまで（Ｓ（Ａ＋Ｂ）＝Ｓｖを超えるまで）入射光量を上げる。本実施例において、入射光量Ｌ３が０，５５（ｌｘ＊ｓｅｃ）の時にデジタル信号Ｓｖとなる。なお、デジタル信号Ｓｖは、実施例１と同様にＳａｘ＋Ｓｃｘより大きい値となる。
【０１２２】
そして、デジタル信号Ｓｖを本実施例における閾値Ｓｔｈとしてメモリ１１０に保存する。
【０１２３】
次に第３デジタル信号Ｓｂ２の取得について説明する。
【０１２４】
入射光量Ｌ３が０．５２≦Ｌ３＜０．５５（ｌｘ＊ｓｅｃ）の範囲内のある１点で、信号処理部１０６において、第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）から第１デジタル信号Ｓ（Ａ）を引く。それにより、光電変換ユニット２００の第２光電変換部２０１Ｂの飽和電荷量Ｓｂｘに応じたデジタル信号Ｓｂｘに相当する第３デジタル信号Ｓｂ２を取得し、メモリ１１０に保持する。
【０１２５】
つまり図８のフローチャートにおいて、メモリ１１３に保持された第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）を用いて、信号処理部１０６が、Ｓ（Ａ＋Ｂ）＜Ｓｔｈを満たすか否かの判定（フロー６１９）を行う。
【０１２６】
本実施例において、０．５５（ｌｘ＊ｓｅｃ）より小さい入射量の場合にはフロー６２０へ進み、０．５５（ｌｘ＊ｓｅｃ）以上の入射量の場合にはフロー６２１へ進む。
【０１２７】
以上のような構成によれば、信号ＳとしてＳ（Ａ＋Ｂ）のみを使用した従来の方法では、入射光量０．５５（ｌｘ＊ｓｅｃ）までの信号しか使用できなかった。一方、実施例１では、信号Ｓは、入射光量１．０（ｌｘ＊ｓｅｃ）の信号まで使用できる。つまり、実施例１は同じＳ／Ｎ比の構成において１．８２倍（＝１．０（ｌｘ＊ｓｅｃ）／０．５５（ｌｘ＊ｓｅｃ））にダイナミックレンジを拡大している。
【０１２８】
これにより、光電変換ユニットの後段回路の入力レンジを広げることを抑えながら、複数の光電変換部を有する光電変換ユニットからの信号を精度よく出力することが可能である。
【０１２９】
（実施例３）
実施例３では、実施例１の画素１００から出力された信号を焦点検出に用いる例を示す。なお、実施例２の構成を用いても良い。また、焦点検出処理において信号処理部１０６の代わりに信号処理装置１１１の画像信号処理部１１４を用いても良い。
【０１３０】
本実施例では、入射光量が第１入射光量の時に焦点検出を行う。図１の信号処理部１０６において、第２デジタル信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）から第１デジタル信号Ｓ（Ａ）を引いて、Ｓ（Ｂ）を得る。
【０１３１】
そして、同一の光電変換ユニット２００のＳ（Ａ）とＳ（Ｂ）を比較し、不図示のカメラレンズの焦点検出用信号を算出し、焦点検出処理をおこなう。本実施例では合焦時にはＳ（Ａ）の傾きは、Ｓ（Ａ＋Ｂ）の半分となることが望ましい。
【０１３２】
本実施例によれば、焦点検出を行うことができる。
【０１３３】
（実施例４）
実施例４では画素領域１０２に配されたすべての画素１００において図８のフローチャートにおける閾値Ｓｔｈ、デジタル信号Ｓｖを同じ値とする。実施例４と実施例１，２とは各画素における閾値Ｓｔｈとデジタル信号Ｓｖを取得したが、本実施例ではすべての画素の平均値を取得する点で異なる。
【０１３４】
画素領域１０２に配されたすべての画素１００の光電変換ユニット２００の出力に対するアナログデジタル変換部１０５の出力であるデジタル信号のデジタル信号Ｓｖの平均をＳｖａ、標準偏差をσとする。本実施例では、すべての画素の出力に対して、第１動作および第２動作の切り替えの基準となる閾値ＳｔｈをＳｖａ―３σに設定する。
【０１３５】
閾値ＳｔｈをＳｔｈ＝Ｓｖａ―３σとするのは一例であり、画像評価をして判定式をＳｔｈ＝Ｓｖａ―σなどと調整してもよい。本実施例では、メモリ使用量が少ないので、製造コスト削減、動作速度向上が見込める。
【０１３６】
なお、第２光電変換部２０１Ｂの飽和電荷量Ｅｂに対応したデジタル信号に相当する第３デジタル信号Ｓｂ２の全画素における平均を取得し、平均Ｓｂ２ａを全ての光電変換ユニットのＳｂ２として用いてもよい。この場合、さらにメモリの節約ができる。
【符号の説明】
【０１３７】
１００  画素
１０５  アナログデジタル変換部
２００  光電変換ユニット
２０１Ａ  第１光電変換部
２０１Ｂ  第２光電変換部
２０２Ａ  第１転送トランジスタ
２０２Ｂ  第２転送トランジスタ
２０３  フローティングディフュージョン
２０５  増幅トランジスタ
【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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