(57)【要約】【課題】  撮像素子が備える撮像面が有する画素において、相対的に感度が低い光電変換部における、感度の入射角度依存度の増大を抑制する。【解決手段】  第１の方向及び第１の方向とは異なる第２の方向に複数の画素を有する撮像面を備え、複数の画素はそれぞれ、マイクロレンズと、第１の方向に並列されている第１の光電変換部及び第１の光電変換部よりも感度が低い第２の光電変換部と、を有し、複数の画素は、撮像面の中央を通り第１の方向と直交する第１の仮想面により仮想的に分けられる撮像面の領域のうち、一方の領域に第１の画素を、他方の領域に第２の画素を有し、第１の画素及び第２の画素において、第２の光電変換部は、第１の光電変換部よりも、撮像面の中央に近い。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向に複数の画素を有する撮像面を備え、
前記複数の画素はそれぞれ、マイクロレンズと、前記第１の方向に並列されている第１の光電変換部及び前記第１の光電変換部よりも感度が低い第２の光電変換部と、を有し、
前記複数の画素は、前記撮像面の中央を通り前記第１の方向と直交する第１の仮想面により仮想的に分けられる前記撮像面の領域のうち、一方の領域に第１の画素を、他方の領域に第２の画素を有し、
前記第１の画素及び前記第２の画素において、前記第２の光電変換部は、前記第１の光電変換部よりも、前記撮像面の中央に近いことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記複数の画素において、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部が並列されている基板を有し、
前記複数の画素はそれぞれ、前記マイクロレンズと、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部との間に配されているカラーフィルタと、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の間に配されている、電荷クロストークを抑制するバリア領域と、を有し、
前記第１の画素及び前記第２の画素において、前記バリア領域の前記基板の表面における中央は、前記マイクロレンズの主点及び前記カラーフィルタの中央を繋ぐ第１の仮想直線と、前記基板と、の仮想交点よりも、前記撮像面の中央に近いことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記複数の画素において、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部が並列されている基板を有し、
前記複数の画素はそれぞれ、前記マイクロレンズと、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部と、の間に光導波路を有し、
前記第１の画素及び前記第２の画素において、前記マイクロレンズの光軸及び前記バリア領域の前記基板の表面における中央は、前記光導波路のコアの射出端の中央よりも前記撮像面の中央に近いことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
載の撮像素子。
【請求項４】
前記第１の画素及び前記第２の画素は、前記第１の仮想面からの距離が、前記撮像面の前記第１の方向における長さの０．４０倍以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の撮像素子。
【請求項５】
前記第１の光電変換部の受光面の面積と前記第２の光電変換部の受光面の面積は等しいことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の撮像素子。
【請求項６】
前記第１の画素及び前記第２の画素は、前記カラーフィルタと、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部と、の間に、インナーレンズを有することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の撮像素子。
【請求項７】
前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射される光束の光量が、所定の閾値より小さい場合には、前記第１の光電変換部から取得された第１の信号を出力し、
前記光量が、前記所定の閾値より大きい場合には、前記第２の光電変換部から取得された第２の信号を出力することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の撮像素子。
【請求項８】
前記第１の光電変換部の電荷蓄積時間は、前記第２の光電変換部の電荷蓄積時間よりも短いことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の撮像素子。
【請求項９】
前記複数の画素はそれぞれ、前記撮像面の中央を通り前記第１の方向に平行な第２の仮想面により仮想的に分けられる前記撮像面の領域のうち、一方の領域に第３の画素を、他方の領域に第４の画素を有し、
前記第３の画素及び前記第４の画素において、前記第２の光電変換部は、前記第１の光電変換部よりも、前記撮像面の中央に近いことを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の撮像素子。
【請求項１０】
第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向に複数の画素を有する撮像面を備え、
前記複数の画素はそれぞれ、マイクロレンズと、前記第１の方向に並列されている第１の光電変換部及び前記第１の光電変換部よりも受光面の面積が狭い第２の光電変換部と、を有し、
前記複数の画素は、前記撮像面の中央を通り前記第１の方向と直交する第１の仮想面により仮想的に分けられる前記撮像面の領域のうち、一方の領域に第１の画素を、他方の領域に第２の画素を有し、
前記第１の画素及び前記第２の画素において、前記第２の光電変換部は、前記第１の光電変換部よりも、前記撮像面の中央に近いことを特徴とする撮像素子。
【請求項１１】
撮像光学系と、
前記撮像光学系を介して入射される光束を光電変換する、請求項１乃至１０の何れかに記載の撮像素子と、を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の光電変換部から出力された第１の信号により静止画像を、前記第２の光電変換部から出力された第２の信号により動画像を生成することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１０の何れかに記載の撮像素子と、
前記第１の光電変換部及び第２の光電変換部の駆動を制御する制御部と、を備える撮像装置であって、
前記制御部は、前記第１の光電変換部から出力された第１の信号の強度が所定の閾値より小さい場合には、前記第１の信号が前記撮像素子から出力されるように前記撮像素子を制御し、前記第１の信号の強度が前記所定の閾値より大きい場合には、前記第２の光電変換部から取得された第２の信号が前記撮像素子から出力されるように前記撮像素子を制御することを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１０の何れかに記載の撮像素子と、
前記第１の光電変換部及び第２の光電変換部の駆動を制御する制御部と、
第１のモード又は第２のモードに切り替え可能な切り替え部と、を備え、
前記制御部は、前記第１のモードでは、前記第１の光電変換部の電荷蓄積時間と前記第２の光電変換部の電荷蓄積時間が等しくなるように前記撮像素子を制御し、前記第２のモードでは、前記第１の光電変換部の電荷蓄積時間が、前記第２の光電変換部の電荷蓄積時間よりも短くなるように前記撮像素子を制御することをと特徴とする撮像装置。
【請求項１５】
前記制御部は、前記第１のモードでは、前記第１の光電変換部から出力された第１の信号の強度が所定の閾値より小さい場合には、前記第１の信号が前記撮像素子から出力されるように前記撮像素子を制御し、前記第１の信号の強度が前記所定の閾値より大きい場合には、前記第２の光電変換部から出力された第２の信号が前記撮像素子から出力されるように前記撮像素子を制御し、
前記制御部は、前記第２のモードでは、前記第１の信号により静止画像を、前記第２の信号により動画像を生成するか、又は、前記第１の信号により動画像を、前記第２の信号により静止画像を生成することを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子等に関し、特にデジタルカメラ等の撮像装置において用いられる撮像素子等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、動画像と静止画像を同じタイミングで（同時に）取得できるカメラの実現に対する期待が高まっている。一般に、動画像を撮像する場合には、被写体（動体）の動きが滑らかな動画像を得るために、撮像素子の読み出しフレームレートと同程度の電荷蓄積時間で撮像するのが好ましい。それに対して、静止画像を撮像する場合には、被写体（動体）の動きの速さに応じた電荷蓄積時間で撮像するのが好ましい。従って、静止画像と動画像を同時に取得するために、電荷蓄積時間の異なる２種類の画素信号をそれぞれ取得する必要がある。
【０００３】
特許文献１には、動画像信号と静止画像信号を同時に取得するために、１つの画素内に、互いに電荷蓄積時間が異なる複数の光電変換素子を備える撮像素子が開示されている。相対的に電荷蓄積時間が短い光電変換素子は、相対的に面積が広く形成され、相対的に電荷蓄積時間が長い光電変換素子は、相対的に面積が狭く形成されている。その結果、動画像取得用の光電変換素子の感度と静止画像取得用の光電変換素子の感度は、互いに異なっている。
【０００４】
なお、「光電変換素子の感度」とは、単位時間当たりに画素に入射される光量に対する、光電変換部に蓄積される電荷量の比で定義される。また、特許文献１の光電変換素子に相当する部分を、以下では光電変換部という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２０３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示される撮像素子では、画素内のマイクロレンズにより光束が集光され、当該画素内の光電変換部のそれぞれに光束が導かれる。そして、相対的に感度が高い光電変換部と相対的に感度が低い光電変換部の、画素内における相対的な位置関係が、撮像素子内（撮像面内）での画素の位置によらず、一定である（たとえば、特許文献１の図３参照）。しかし、当該構成の場合には、撮像面の周辺領域に形成された画素であって、画素内の領域のうち、（撮像面の中央側ではなく）撮像面の周辺側に、相対的に感度が低い光電変換部が形成された画素では、以下の課題が発生する。
【０００７】
一般的な撮像レンズ（撮像光学系）を用いた場合には、撮像面の周辺領域には、画素に対して大きい入射角度で光束が入射される。画素に入射された光束は、画素内のマイクロレンズにより、光電変換部のそれぞれに導かれる。このとき、マイクロレンズの結像関係により、画素に対して大きい入射角度で入射された光束は、画素において、撮像面の中央から遠い側の領域に形成された光電変換部に選択的に導かれる。即ち、撮像面の周辺領域に形成された画素であって、撮像面の中央から遠い側の領域に、相対的に感度が低い光電変換部が形成された画素では、相対的に感度が低い光電変換部に、画素に対して大きい入射角度で入射された光束が選択的に入射される。そのため、このような画素では、相対的に感度が低い光電変換部において、感度の入射角度依存度が増大する。そして、相対的に感度が低い光電変換部により取得された画像では、（ピント位置からずれた）被写体のボケ像が歪み、画像の品質（画質）が低下する。
【０００８】
本発明は、撮像素子が備える撮像面が有する画素において、相対的に感度が低い光電変換部における、感度の入射角度依存度の増大を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の撮像素子は、第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向に複数の画素を有する撮像面を備え、前記複数の画素はそれぞれ、マイクロレンズと、前記第１の方向に並列されている第１の光電変換部及び前記第１の光電変換部よりも感度が低い第２の光電変換部と、を有し、前記複数の画素は、前記撮像面の中央を通り前記第１の方向と直交する第１の仮想面により仮想的に分けられる前記撮像面の領域のうち、一方の領域に第１の画素を、他方の領域に第２の画素を有し、前記第１の画素及び前記第２の画素において、前記第２の光電変換部は、前記第１の光電変換部よりも、前記撮像面の中央に近いことを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明の撮像素子は、第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向に複数の画素を有する撮像面を備え、前記複数の画素はそれぞれ、マイクロレンズと、前記第１の方向に並列されている第１の光電変換部及び前記第１の光電変換部よりも受光面の面積が狭い第２の光電変換部と、を有し、前記複数の画素は、前記撮像面の中央を通り前記第１の方向と直交する第１の仮想面により仮想的に分けられる前記撮像面の領域のうち、一方の領域に第１の画素を、他方の領域に第２の画素を有し、前記第１の画素及び前記第２の画素において、前記第２の光電変換部は、前記第１の光電変換部よりも、前記撮像面の中央に近いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、撮像素子が備える撮像面が有する画素において、相対的に感度が低い光電変換部における、感度の入射角度依存度の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１に係る撮像装置の断面図（概略）。
【図２】本発明の実施例１に係る撮像素子の平面図（概略）。
【図３】本発明の実施例１に係る撮像素子が第１の周辺領域に有する第１の画素の（ａ）平面図、（ｂ）断面図及び（ｃ）電子エネルギー図。
【図４】本発明の実施例１に係る第１の画素に光束が、第１の仮想直線１３３に対して、（ａ）正の方向に傾いて入射された様子を示す断面図、（ｂ）負の方向に傾いて入射された様子を示す断面図。
【図５】本発明の実施例１に係る、第１の画素１１０ａの入射角度感度特性を示す図。
【図６】比較例１に係る、撮像素子１０００の平面図（概略）。
【図７】比較例１に係る、撮像素子１０００が周辺領域１００１ａに有する第１の画素１０１０ａの（ａ）平面図、（ｂ）断面図。
【図８】比較例１に係る第１の画素に光束が、第１の仮想直線１０３３に対して、（ａ）正の方向に傾いて入射された様子を示す断面図、（ｂ）負の方向に傾いて入射された様子を示す断面図。
【図９】比較例１に係る、第１の画素１０１０ａの入射角度感度特性を示す図。
【図１０】（ａ）本発明の実施例１に係る他の第１の画素を示す断面図、（ｂ）比較例に係る他の第１の画素を示す断面図。
【図１１】本発明の実施例１に係る他の第１の画素を示す断面図。
【図１２】本発明の実施例１に係る他の第１の画素を示す断面図。
【図１３】本発明の実施例１に係る他の第１の画素を示す断面図。
【図１４】本発明の実施例１に係る他の撮像素子の平面図（概略）。
【図１５】高感度信号と低感度信号の光量依存度を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施例１）
以下では、図面を用いて、本発明に係る撮像素子（固体撮像素子）１００について説明する。なお、図面では、同様の機能又は相当の機能を有する対象に対しては同一の符号を付し、当該対象に対する説明は繰り返し行わない。
【００１４】
＜撮像装置＞
図１は、本発明の実施例１に係る撮像装置１９０の断面図（概略）である。撮像装置１９０は、筐体１９７と、筺体１９７内に光束を取り込む撮像光学系１９１と、撮像光学系１９１により取り込まれた光束を光電変換する撮像素子１００と、撮像装置１９０の動作を制御する制御部１９８を備える。
【００１５】
撮像光学系１９１は、筐体１９７が有するレンズ取付部１９６により、筐体１９７に取り付けられる。撮像光学系１９１は、筺体１９７から取り外して交換可能である。しかし、撮像光学系１９１は、筺体１９７から取り外せない構成であってもよい。
【００１６】
制御部１９８は、ＣＰＵ１９２、転送回路１９３、信号処理部１９４、素子駆動回路１９５を含んでいる。ＣＰＵ１９２は、転送回路１９３、信号処理部１９４、素子駆動回路１９５を制御する回路である。素子駆動回路１９５は、ＣＰＵ１９２から受信した信号に基づいて撮像素子１００を駆動する回路である。素子駆動回路１９５は、各画素に形成された光電変換部の電荷蓄積時間や光電変換部で取得した信号の読み出しのタイミング等を制御する。転送回路１９３は、撮像素子１００から読み出された信号を、記憶したり、信号処理部１９４へ転送したりする。信号処理部１９４は、転送回路１９３を介して受信した信号の画像処理を行う。
【００１７】
＜撮像素子＞
図２は、本発明の実施例１に係る撮像素子１００の平面図（概略）である。撮像素子１００は、複数の画素を有する画素領域（撮像面）１０１と、第１の周辺回路１０２ａ、第２の周辺回路１０２ｂを有する領域（回路領域）を備える。撮像面１０１は、撮像素子１００の面内方向（ＸＹ面内方向）であって、±Ｘ軸方向（第１の方向）及び第１の方向とは異なる（第１の方向に直交する）±Ｙ軸方向（第２の方向）に複数の画素を有する。第１の画素１１０ａ及び第２の画素１１０ｂは、撮像面１０１が有する複数の画素の一部であり、撮像面１０１（基板１２０）上の第１の周辺領域１０１ａ及び第２の周辺領域１０１ｂに形成されている。基板１２０は、撮像面１０１全体で１つであり、撮像面１０１が有する複数の画素により共有されている。
【００１８】
第１の周辺領域１０１ａは、撮像面の中央１０５を通り第１の方向と直交する第１の仮想面１０３ａにより仮想的に分けられる撮像面１０１の領域のうち、一方の領域にある。「撮像面の中央」とは、撮像面の重心（面積重心）付近（撮像面の重心を含む）のことである。また、第１の周辺領域１０１ａは、第１の仮想面１０３ａから−Ｘ軸方向に所定の距離１０４以上離れた領域でもある。第２の周辺領域１０１ｂは、第１の仮想面１０３ａにより仮想的に分けられる撮像面１０１の領域のうち、他方の領域にある。また、第２の周辺領域１０１ｂは、第１の仮想面１０３ａから＋Ｘ軸方向に所定の距離１０４以上離れた領域でもある。
【００１９】
第１の仮想面１０３ａは、図２に示されるように、第１の方向と直交するのが最も好ましいが、直交する状態から多少ずれて交差してもよい。上記所定の距離１０４は、撮像面１０１の第１の方向（±Ｘ軸方向）の長さの０．４０倍以上であることが好ましく、撮像面１０１の第１の方向の長さの０．２５倍以上であれば、更に好ましい。この理由については後述する。以下では、撮像面の中央を通り第１の方向と直交する第１の仮想面を、単に「第１の仮想面」という。
【００２０】
＜画素＞
図３は、図２の撮像素子１００が第１の周辺領域１０１ａに有する第１の画素１１０ａに係る図である。図３（ａ）は、基板１２０の表面（基板表面）を、基板表面に直交する方向（＋Ｚ軸方向）から見たときの、第１の画素１１０ａの平面図である。図３（ｂ）は、第１の画素１１０ａを、基板表面に平行な−Ｙ軸方向から見たときの、第１の画素１１０ａの断面図（図３（ａ）のＡ−Ａ断面図）である。図３（ｃ）は、第１の画素１１０ａの電子エネルギー図である。
【００２１】
画素１１０ａは、光束が入射される側から、マイクロレンズ１１１と基板１２０とを有する。また、必要に応じて、マイクロレンズ１１１と基板１２０（第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２）の間に、カラーフィルタ１１２を配する。
【００２２】
カラーフィルタ１１２は、第１の画素１１０ａに入射される光束の波長を制限し、被写体の波長情報（色情報）を取得するために形成されている。カラーフィルタを構成する材料としては、樹脂や色素等の有機物を使用することができる。カラーフィルタが透過する光束の波長帯域は、画素により異なっていてもよい。
【００２３】
基板１２０には、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２が第１の方向に並列されている。第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２は第１の方向（±Ｘ軸方向）に並列されている。第１の光電変換部１２１は、画素内の光電変換部のうち、相対的に感度が高い光電変換部であり、第２の光電変換部１２２は、画素内の光電変化部のうち、相対的に感度が低い（第１の光電変換部よりも感度が低い）光電変換部である。
【００２４】
第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の間に、電荷クロストークを抑制するバリア領域１２３を配する。バリア領域については後述する。
【００２５】
図３（ｂ）には、マイクロレンズの主点１３１及びカラーフィルタの中央１３２を繋ぐ第１の仮想直線１３３と、基板表面と、の仮想交点１３４を示す。「カラーフィルタの中央」とは、カラーフィルタの重心（体積重心）付近（カラーフィルタの重心を含む）のことである。以下では、画素において、マイクロレンズの主点及びカラーフィルタの中央を繋ぐ第１の仮想直線と、基板表面と、の仮想交点を、単に「仮想交点」という。
【００２６】
＜光電変換部とバリア領域＞
光電変換部は、シリコン等からなる基板１２０に、イオン打ち込み等でポテンシャル分布を形成することにより形成される。バリア領域１２３は、第１の光電変換部と第２の光電変換部の間の電荷クロストークを抑制するポテンシャル障壁を有している。図３（ｃ）に示されるように、バリア領域１２３は、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の間に形成されたポテンシャル障壁の最大値を含み、当該ポテンシャル障壁の最大値の９割以上の大きさのポテンシャルを有する領域である。
【００２７】
バリア領域１２３のポテンシャル障壁の大きさは、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の間で許容される電荷クロストークの量を考慮して決めればよい。第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の各々で得られる画素信号を独立に取得するには、ポテンシャル障壁を高くして、電荷クロストークの量を抑制するのが好ましい。
【００２８】
画素内に、図３（ｃ）のようなポテンシャル分布を形成するために、第１の光電変換部１２１及び第２の光電変換部１２２が形成される領域ではなく、バリア領域１２３が形成される領域にイオン打ち込みを行ってもよい。また、光電変換部が形成される領域とバリア領域が形成される領域の両方にイオン打ち込みを行ってもよい。このとき、光電変換部が形成される領域に打ち込むイオンと、バリア領域に打ち込むイオンとは、互いに逆の導電性を有していることが好ましい。
【００２９】
なお、第１の光電変換部１２１及び第２の光電変換部１２２の基板表面における領域（受光面）の形状は、図３（ａ）に示されるような長方形でなくてもよく、円形や楕円形、多角形等でもよい。受光面の形状が多角形の場合には、受光面の形状の角は、丸みを帯びていてもよい。
【００３０】
また、撮像面１０１に形成された画素には、光電変換部の電荷蓄積時間を設定するための駆動信号を伝送したり、光電変換部で取得した信号を読み出したりするための配線が形成されている。周辺回路１０２から配線を通じて画素へ送られる駆動信号により、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２を所望の電荷蓄積時間で動作させることができる。配線の形成位置は、基板１２０よりも光束の入射側（所謂表面照射型の撮像素子における形成位置）であってもよいし、基板１２０に対して光束の入射側とは反対側（所謂裏面照射型の撮像素子における形成位置）であってもよい。
【００３１】
＜マイクロレンズ＞
マイクロレンズ１１１は、第１の画素１１０ａに入射された光束を集光し、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２に導く。これにより、光電変換部の各々において異なる感度の画素信号を取得できるようにしている。マイクロレンズを構成する材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコンやＢＰＳＧ等の無機物、ポリマーや樹脂等の有機物を使用することができる。
【００３２】
更に、撮像素子１００が第１の周辺領域１０１ａに有する第１の画素１１０ａでは、マイクロレンズ１１１の主点１３１、カラーフィルタ１１２の中央１３２、バリア領域１２３の基板表面における中央１２４が、以下の関係を満たしている。即ち、第１の画素１１０ａ内において、仮想交点１３４に対して、バリア領域の基板表面における中央１２４が、＋Ｘ軸方向にある。言い換えると、第１画素１１０ａ内において、バリア領域の基板表面における中央１２４が、仮想交点１３４よりも、第１の方向における撮像面の中央１０５側にある。以下では、画素内において、バリア領域の基板表面における中央が、第１の方向における撮像面の中央１０５側にあることを第１の条件という。「バリア領域の基板表面における中央」とは、バリア領域の基板表面における重心（面積重心）付近（バリア領域の基板表面における重心を含む）のことである。たとえば、バリア領域の基板表面における形状が矩形の場合には、当該矩形の重心付近のことである。
【００３３】
＜反対側の周辺領域と反転＞
なお、第１の画素１１０ａと同様に、撮像素子１００の第２の周辺領域１０１ｂ中の第２の画素１１０ｂでも、第１の条件が成立している。即ち、第２の画素１１０ｂ内において、仮想交点に対して、バリア領域の基板表面における中央が、−Ｘ軸方向にある。言い換えると、第２の画素１１０ｂ内において、バリア領域の基板表面における中央が、仮想交点よりも、第１の方向において撮像面の中央１０５側にある状態にある。
【００３４】
第２の周辺領域１０１ｂは、撮像面の中央１０５から見た場合に、＋Ｘ軸方向にある周辺領域である。そのため、第２の画素１１０ｂでは、バリア領域の基板表面における中央が、仮想交点よりも−Ｘ軸方向にある。即ち、第１の周辺領域１０１ａと第２の周辺領域１０１ｂでは、仮想交点と、バリア領域の基板表面における中央と、の相対的な位置関係が互いに逆である。
【００３５】
図４は、第１の画素１１０ａに光束が入射される様子（マイクロレンズ１１１により集光される様子）を示す断面図である。図４（ａ）は、第１の仮想直線１３３に対して、正の方向（基板１２０に対する入射角度が、まずは小さくなり、その後、大きくなる方向）に傾いて入射（斜入射）された様子を示すＡ−Ａ断面図である。図４（ｂ）は、第１の仮想直線１３３に対して、負の方向（基板１２０に対する入射角度が大きくなる方向）に斜入射された様子を示すＡ−Ａ断面図である。
【００３６】
図４からわかるように、第１の画素１１０ａでは、マイクロレンズ１１１の結像関係により、正の方向に斜入射された光束は、相対的に感度が低い第２の光電変換部１２２がある方向に選択的に導かれる。また、負の方向に斜入射された光束は、相対的に感度が高い第１の光電変換部１２１がある方向に選択的に導かれる。
【００３７】
図４からわかるように、第１の画素１１０ａは、バリア領域の基板表面における中央１２４よりも仮想交点１３４が撮像面の周辺側（−Ｘ軸方向）にある。即ち、光電変換部のうち、相対的に感度が高い第１の光電変換部１２１が、撮像面１００の周辺側（−Ｘ軸方向）にある。
【００３８】
このような場合には、画素１１０ａに対して大きい入射角度で入射された光束が、相対的に感度が高い第１の光電変換部１２１に選択的に入射される。その結果、後述する比較例とは異なり、相対的に感度が低い第２の光電変換部１２２の感度の入射角度依存度が大きくなることはない。
【００３９】
図５は、第１の画素１１０ａ内の、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の各々の入射角度感度特性を示す図である。横軸は、画素に斜入射される光束の入射角度θを示す。縦軸は、感度を示す。破線は、第１の光電変換部１２１の入射角度感度特性を示す。実線は、第２の光電変換部１２２の入射角度感度特性を示す。
【００４０】
＜まとめと導入＞
仮想交点とバリア領域の基板表面における中央をこのような位置関係にすることで、撮像素子の周辺領域中の画素の位置に依らず、相対的に感度が低い第２の光電変換部を、画素内において撮像面の中央１０５側に形成することができる。その結果、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度の入射角度依存度を低減させることができる。以下では、本発明に係る撮像素子と従来技術に係る撮像素子の比較も交えて説明を行う。
【００４１】
＜従来技術に係る撮像素子における入射角度依存度＞
特許文献１に開示されている撮像素子では、画素内の光電変換部のうち、相対的に感度が高い第１の光電変換部と、相対的に感度が低い第２の光電変換部の相対的な位置関係が、（撮像面内における）画素の位置によらず一定である。従って、相対的に感度が低い第２の光電変換部が、画素内において、撮像面の周辺側にある画素と、撮像面の中央１０５側にある画素の数が互いに等しくなる。
【００４２】
このような構成とした場合には、前者の画素において、相対的に感度が低い第２の光電変換部で取得した画像の品質が低下してしまうという課題が生じる。そこで以下では、従来技術に係る撮像素子中の、相対的に感度が低い第２の光電変換部が、画素内において撮像面の周辺側にある画素を、比較例として取り上げる。
【００４３】
＜比較例＞
図６は、比較例に係る撮像素子１０００の平面図（概略）である。撮像素子１０００は、複数の画素が形成された画素領域（撮像面）１００１と、周辺回路１０２が形成された領域（回路領域）とを有している。撮像面１００１には、撮像素子（基板）１０００の面内方向（ＸＹ面内方向）であって、±Ｘ軸方向（第１の方向）及び第１の方向に直交する±Ｙ軸方向（第２の方向）に複数の画素が形成されている。
【００４４】
図７は、図６の撮像素子１０００が第１の周辺領域１００１ａに有する第１の画素１０１０ａに係る図である。図７（ａ）は、基板表面を、基板表面に直交する方向（＋Ｚ軸方向）から見たときの、第１の画素１０１０ａの平面図である。図７（ｂ）は、第１の画素１０１０ａを、基板表面に平行な−Ｙ軸方向から見たときの、第１の画素１０１０ａの断面図（図７（ａ）のＢ−Ｂ断面図）である。
【００４５】
図７（ｂ）には、マイクロレンズの主点１０３１とカラーフィルタの中央１０３２を繋ぐ第１の仮想直線１０３３と、基板表面と、の仮想交点１０３４も示す。比較例に係る第１の画素１０１０ａは、本発明に係る第１の画素１１０ａに対し、バリア領域の基板表面における中央１０２４が仮想交点１０３４よりも−Ｘ軸方向にある点で異なる。
【００４６】
図８は、比較例に係る撮像素子１０００中の第１の画素１０１０ａに入射された光束が伝搬する様子を示す図である。図８（ａ）は、第１の仮想直線１０３３に対して、正の方向に斜入射された光束が伝搬する様子を示すＢ−Ｂ断面図である。図８（ｂ）は、第１の仮想直線１０３３に対して負の方向に斜入射された光束が伝搬する様子を示すＢ−Ｂ断面図である。
【００４７】
図８からわかるように、第１の画素１０１０ａでは、マイクロレンズ１１１の結像関係により、正の方向に斜入射された光束は、第１の光電変換部１０２１がある方向に選択的に導かれる。また、負の方向に斜入射された光束は、第２の光電変換部１０２２がある方向に選択的に導かれる。
【００４８】
図８からわかるように、第１の画素１０１０ａは、バリア領域の基板表面における中央１０２４よりも仮想交点１０３４の方が撮像面の中央１０５側（＋Ｘ軸方向）にある。即ち、光電変換部のうち、相対的に感度が低い第２の光電変換部１０２２が、撮像面１００１の周辺側（−Ｘ軸方向）にある構成を有する。
【００４９】
このような構成を有する場合には、第１の画素１０１０ａに対して大きい入射角度で入射された光束が、相対的に感度が低い第２の光電変換部１０２２に選択的に入射される。また、第１の画素１０１０ａに対して大きい入射角度で入射された光束は、基板１０２０に入射された後も斜めに伝搬する。そのため、相対的に感度が低い第２の光電変換部１０２２に直接入射された光束だけではなく、バリア領域１０２３に入射された光束も、第２の光電変換部１０２２に選択的に入射される。そして、それらの結果、相対的に感度が低い第２の光電変換部１０２２の感度の入射角度依存度は大きくなる。
【００５０】
図９は、第１の画素１０１０ａ内の、第１の光電変換部１０２１と第２の光電変換部１０２２の各々の入射角度感度特性を示す図である。横軸と縦軸のスケールは、図５における横軸と縦軸のスケールと同様である。破線は、第１の光電変換部１０２１の入射角度感度特性を示す。実線は、第２の光電変換部１０２２の入射角度感度特性を示す。
【００５１】
図９からわかるように、相対的に感度が低い第２の光電変換部１０２２は、入射角度範囲１０４０において、感度の入射角度依存度が特に高い。このように、光電変換部の感度の入射角度依存度が高い場合には、撮像光学系の射出瞳領域の特定の部分からの光束のみを受光することになる。そのため、ピント位置からずれた被写体のボケ像が歪み、画像の品質が低下する。
【００５２】
図５と図９の比較からわかるように、図５に示される入射角度範囲１４０における、光電変換部１２２の感度の盛り上がりは、図９に示される入射角度範囲１０４０における、光電変換部１０２２の感度の盛り上がりよりも小さい。即ち、本発明に係る撮像素子１００では、周辺領域にある画素は、前述した第１の条件を満たす。そのため、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度の入射角度依存度を低下させることができる。その結果、ピント位置からずれた被写体のボケ像の歪みを軽減し、画像の品質を向上させることができる。
【００５３】
図５と図９の比較からわかるように、本発明に係る第１の光電変換部１２１と従来技術に係る１０２１の入射角度感度特性は、それほど変わらない。相対的に感度が高い第１の光電変換部が受光する光束の入射角度範囲は広い。そのため、基板に対して大きい入射角度で入射される光束により与えられる影響が小さいからである。即ち、本発明の構成とすることで、相対的に感度が高い第１の光電変換部から取得される画像の品質を低下させずに、相対的に感度が低い第２の光電変換部から取得される画像の品質を向上させることができる。
【００５４】
図１０は、第１の光電変換部の受光面の面積と第２の光電変換部の受光面の面積は等しい、撮像素子が第１の周辺領域に有する第１の画素に係る図である。図１０（ａ）は、本発明に係る撮像素子が第１の周辺領域に有する第１の画素２１０ａである。図１０（ｂ）は、従来技術に係る撮像素子が第１の周辺領域に有する第１の画素２０１０ａである。
【００５５】
本発明に係る第１の画素２１０ａでは、バリア領域の基板表面における中央２２４が、仮想交点１３４よりも撮像面の中央１０５側にある。従来技術に係る第１の画素２０１０ａでは、バリア領域の基板表面における中央２０２４が、仮想交点１０３４よりも周辺側にある。
【００５６】
図１０からわかるように、本発明に係る撮像素子２１０ａでは、従来技術に係る撮像素子２０１０ａよりも光電変換領域に対する、マイクロレンズやカラーフィルタのずれ量を小さくできていることが分かる。ここで、「光電変換領域」とは、「第１の光電変換部の受光面と第２の光電変換部の受光面とバリア領域の基板表面における領域とを１つに合わせた領域」である。また、「第１の光電変換部の基板表面における領域と第２の光電変換部の基板表面における領域を最短の周囲長で囲む領域」でもある。
【００５７】
＜バリア領域の基板表面における中央の、仮想交点に対するずれ量＞
バリア領域の基板表面における中央の、仮想交点に対するずれ量は、第１の光電変換部と第２の光電変換部に対して求められる感度比の大きさにより変えればよい。バリア領域の基板表面における中央の、仮想交点に対するずれ量が大きいほど、第１の光電変換部と第２の光電変換部の間の感度比は大きくなる。
【００５８】
第１の光電変換部と第２の光電変換部に対して求められる感度比が大きい場合には、バリア領域の基板表面における中央が、マイクロレンズの光軸よりも撮像面の中央側に近い方が好ましい。これにより、バリア領域の基板表面における中央の、仮想交点に対するずれ量が大きくなる。そのため、第１の光電変換部と第２の光電変換部の間の感度比を大きくすることができる。
【００５９】
特に、図１０（ａ）に示される第１の画素２１０ａのように、第１の光電変換部１２１の受光面と第２の光電変換部１２２の受光面の面積が等しい場合には、以下の形態が好ましい。つまり、図１１に示されるように、光電変換領域の重心１２５が、マイクロレンズ１１１の光軸１３５よりも、撮像面の中央１０５側にある形態が好ましい。
【００６０】
マイクロレンズ１１１とカラーフィルタ１１２の間のずれ量は、撮像光学系に合わせて設計されることが好ましい。一般的な撮像光学系を使用した場合には、撮像素子の周辺領域に入射される光束は、撮像面の中央１０５方向から周辺方向に向かって斜入射される。そのため、面内方向においてマイクロレンズの主点が、カラーフィルタの中央よりも撮像面の中央１０５側にある形態が好ましい。
【００６１】
更に具体的には、撮像光学系を通って、撮像素子が第１の周辺領域に有する第１の画素１１０ａに入射される主光線の方向と、第１の仮想直線１３３の方向が一致するように、マイクロレンズ及びカラーフィルタを形成するのが好ましい。このようにすることで、第１の画素１１０ａに入射された光束を効率よく第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２に導くことができる。
【００６２】
＜光電変換部の受光面の面積＞
第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の受光面の面積は、図３に示されるように異なってもよいし、図１１に示されるように同じでもよい。第１の光電変換部と第２の光電変換部の受光面の面積が同じであっても、バリア領域１２３の基板表面における中央１２４に対して仮想交点１３４がずれていれば、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の感度を異ならせることができる。
【００６３】
第１の光電変換部と第２の光電変換部の受光面の面積が等しい場合には、重心１２５がマイクロレンズの光軸１３５よりも、撮像面の中央側にある形態にすることで、マイクロレンズやカラーフィルタのずれ量を小さくすることができる。その結果、撮像素子の製造が容易になるというメリットも生じる。なお、光電変換部の受光面の面積が等しいとは、製造誤差によるばらつきは許容される。具体的には、受光面の面積の相違が１０％以下であることを意味する。以降の記載においても同様である。
【００６４】
＜インナーレンズ、光導波路＞
図３では、第１の画素１１０ａが集光手段として単一のマイクロレンズ１１１を有する場合を示したが、マイクロレンズ１１１のほかに集光手段を有してもよい。たとえば、図１２（ａ）に示される第１の画素４１０ａのように、カラーフィルタ１１２と基板１２０の間に（画素の表面に露出しない）インナーレンズ１１３を有してもよい。図１２（ｂ）に示される第１の画素５１０ａのように、カラーフィルタ１１２と基板１２０の間に光導波路１１４を有してもよい。また、カラーフィルタ１１２と基板１２０の間に、インナーレンズと光導波路を共に有してもよい。
【００６５】
このとき、マイクロレンズの主点１３１とカラーフィルタの中央１３２を繋ぐ第１の仮想直線１３３と、基板表面と、の仮想交点１３４は、マイクロレンズ１１１だけではなく、その他の集光手段を通った後の仮想交点で定義される。第１の仮想直線の方向を決定するマイクロレンズの主点は、光束が入射される側に最も近いマイクロレンズの主点である。
【００６６】
インナーレンズ１１３や光導波路１１４を構成する材料は、マイクロレンズ１１１を構成する材料と同様、無機物や有機物を使用できる。但し、光導波路１１４については、コアの屈折率がクラッドよりも大きくなるように材料の組み合わせを選択する。また、インナーレンズ１１３は、波長の１／１０程度以下の大きさの複数の微小な構造を形成することにより、実効的な屈折率分布を制御したデジタルレンズであってもよい。
【００６７】
＜光導波路を有する場合における好ましい構成＞
図１２（ｂ）に示される第１の画素５１０ａのように、第１の画素１１０ａが光導波路１１４を有しており、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の間に求められる感度比が大きい場合には、以下の形態が好ましい。つまり、バリア領域の基板表面における中央１２４が、光導波路１１４のコアの射出端の中央１３６よりも、撮像面の中央１０５側にある形態が好ましい。ここで、「コアの射出端の中央」とは、「コアの射出端を基板１２０方向から平面視した図形の重心」である。
【００６８】
特に、図１３に示される第１の画素６１０ａのように、第１の光電変換部２２１の受光面と第２の光電変換部２２２の受光面の面積が等しい場合には、以下の形態が好ましい。つまり、光電変換領域の重心１２５が、光導波路１１４のコアの射出端の中央１３６よりも、撮像面の中央１０５側にある形態が好ましい。
【００６９】
＜中央領域＞
撮像面の中央１０５に近い画素では、撮像面の中央１０５から遠い画素よりも、撮像光学系を通った後に画素に入射される主光線の入射角度は小さい。そのため、マイクロレンズの主点とカラーフィルタの中央の間のずれ量は小さくてよい。即ち、マイクロレンズの主点とカラーフィルタの中央を繋ぐ第１の仮想直線の、基板表面に直交する方向に対する角度（第１の仮想直線を入射光線に見立てた場合の入射角度）は小さい。その結果、第１の仮想直線に対して正の方向に斜入射される光束の入射角度と、負に斜入射される光束の入射角度の絶対値の差が小さい。そのため、バリア領域の基板表面における中央が、仮想交点よりも撮像面の中央１０５側であっても、周辺側であっても、相対的に感度が低い第２の光電変換部の入射角度感度特性は殆ど変わらない。
【００７０】
従って、第１の仮想面１０３ａから所定の距離１０４未満だけしか離れていない中央領域では、バリア領域の基板表面における中央が、仮想交点よりも撮像面１０１の周辺側に位置してもよい。同様に、撮像面全体として、バリア領域の基板表面における中央が、仮想交点よりも撮像面の中央１０５側に位置してもよい。
【００７１】
＜周辺領域の定義＞
一方、撮像面１０１の周辺にある画素ほど、撮像光学系を通った後に画素に入射される主光線の入射角度が大きい。そのため、それに合わせて第１の仮想直線の入射角度が大きくなるように、マイクロレンズとカラーフィルタの、基板表面に平行な方向におけるずれ量を設計する必要がある。このとき、第１の仮想直線に対して正の方向に斜入射される光束の入射角度と、負の方向に斜入射される光束の入射角度の絶対値の差が大きくなってくる。そのため、本発明の効果が大きくなる。具体的には、所定の距離１０４が、撮像面１０１の第１の方向の長さの０．４０倍以上の場合に本発明の効果が大きくなる。撮像面１０１の第１の方向の長さの０．２５倍以上の場合にも本発明を適用すれば、更に好ましい。なお、所定の距離１０４は、第１の仮想面１０３ａと、画素の中央との距離で定義される。画素の中央とは、第１の光電変換部、第２の光電変換部、バリア領域を合わせた領域の重心を指す。
【００７２】
＜画素数の割合＞
撮像素子が周辺領域に有する全ての画素が第１の条件を満たす方が好ましい。しかし、撮像素子が周辺領域に有する全ての画素のうち、一部の画素のみが第１の条件を満たすような構成としてもよい。前述したように、従来技術に係る撮像素子では、相対的に感度が低い第２の光電変換部が、画素内において撮像面の周辺側にある画素と、撮像面の中央１０５側にある画素の、２種類の画素の数が等しくなっている。従って、周辺領域にある画素のうち半分よりも多い画素が、第１の条件を満たすような構成とすれば、本発明の効果が得られているといえる。
【００７３】
なお、前述したように、中央領域では第１の条件を満たさなくてもよい。即ち、中央領域では、第１の条件を満たす画素の数の割合が、半分以下であってもよい。
【００７４】
＜第１の方向＞
図２のように、第１の方向が±Ｘ軸方向である必要はなく、±Ｘ軸と０°より大きな角度を成す方向であってもよい。第１の方向が±Ｘ軸方向ではない場合でも、第１の条件を満たしていればよい。但し、第１の方向は画素が配列されるいずれかの方向（この例では±Ｘ軸方向又は±Ｙ軸方向）に一致している方が、配線レイアウトの観点からは好ましい。
【００７５】
また、画素により第１の方向が異なっていてもよい。
【００７６】
図１４は、本発明の実施例１に係る他の撮像素子２００の平面図（概略）である。第３の周辺領域２０１ｃは、撮像面の中央１０５を通り第１の方向に平行な第２の仮想面１０３ｂにより仮想的に分けられる撮像面１０１の領域のうち、一方の領域にある。また、第３の周辺領域２０１ｃは、第２の仮想面１０３ｂから−Ｙ軸方向に所定の距離以上離れた領域でもある。第４の周辺領域２０１ｄは、第２の仮想面１０３ｂにより仮想的に分けられる撮像面１０１の領域のうち、他方の領域にある。また、第４の周辺領域２０１ｄは、第２の仮想面１０３ｂから＋Ｙ軸方向に所定の距離以上離れた領域でもある。
【００７７】
図１４は、撮像素子２００が第３の周辺領域２０１ｃ及び第４の周辺領域２０１ｄ（であって、第１の周辺領域２０１ａ及び第２の周辺領域２０１ｂではない領域）に有する画素の例である。図１４には、相対的に感度が低い第２の光電変換部のみをハッチングして示している。
【００７８】
図１４に示される撮像素子では、撮像素子が第３の周辺領域２０１ｃ（であって、第１の周辺領域２０１ａ及び第２の周辺領域２０１ｂではない領域）に有する第３の画素では、バリア領域の基板表面における中央が、仮想交点よりも＋Ｙ軸方向にある。また、第４の周辺領域２０１ｄ（であって、第１の周辺領域２０１ａ及び第２の周辺領域２０１ｂではない領域）にある第４の画素では、バリア領域の基板表面における中央が、仮想交点よりも−Ｙ軸方向にある。
【００７９】
（実施例２）
実施例２では、本発明に係る撮像素子を用いて、高感度信号と低感度信号を取得し、それらを合成してダイナミックレンジの広い画像を生成する例について説明する。
【００８０】
相対的に感度が高い第１の光電変換部からは高感度信号が、相対的に感度が低い第２の光電変換部からは低感度信号が取得される。第１の条件を満たす画素では、撮像面の周辺側にある第１の光電変換部１２１が、相対的に感度が高い第１の光電変換部となる。また、撮像面の中央１０５側にある第２の光電変換部１２２が、相対的に感度が低い第２の光電変換部となる。そして、相対的に感度が高い第１の光電変換部と相対的に感度が低い第２の光電変換部は、周辺回路１０２から（配線を介して）送信される駆動信号により、電荷蓄積時間が互いに等しくなるように駆動される。
【００８１】
第１の光電変換部と第２の光電変換部の各々から取得された信号は、配線により周辺回路１０２に転送され、周辺回路１０２から外部へと出力される。周辺回路１０２は、第１の光電変換部と第２の光電変換部の各々から取得された信号をそのまま出力してもよい。また、画素に入射される光量が、閾値以下の場合には高感度信号を出力し、閾値以上の場合には低感度信号を出力してもよい。閾値は、高感度信号が飽和する信号強度よりも小さく、低感度信号が所望のＳＮ比となる信号強度よりも大きい値となるように設定される。
【００８２】
ここで、高感度信号と低感度信号を用いてダイナミックレンジを拡大する手法について説明する。図１５は、高感度信号１０５１と低感度信号１０５２の各々の信号強度の、単位時間当たりに画素に入射される光量依存度を示す図である。図１５（ａ）に示されるように、高感度信号１０５１の信号強度が第１の閾値１０６１以下の場合には、高感度信号１０５１を使用する。また、高感度信号１０５１の信号強度が第２の閾値１０６２以上の場合には、低感度信号１０５２を使用する。そして、両者を合成することによりダイナミックレンジの広い画像を取得できる。
【００８３】
第１の閾値１０６１は、高感度信号１０５１が飽和する信号強度よりも小さい信号強度に設定され、第２の閾値１０６２は低感度信号１０５２のＳＮ比が所望の値よりも大きくなる信号強度に設定される。従って、高感度信号１０５１の信号強度が第１の閾値１０６１となる場合に画素に入射される光量１０７１よりも、低感度信号１０５２の信号強度が第２の閾値１０６２となる場合に画素に入射される光量１０７２の方が、小さい必要がある。
【００８４】
ここで、図７に示される、従来技術に係る撮像素子を使用した場合を考える。図５と図９の比較からわかるように、従来技術に係る撮像素子の方が、相対的に感度が低い第２の光電変換部の、感度の入射角度依存度が大きい。そのため、撮像光学系や絞りの状態により、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度が大きく変化してしまう。その結果、画像の品質が低下したり、ダイナミックレンジが狭くなったりするという課題も発生する。以下で説明を行う。
【００８５】
図１５（ｂ）は、撮像光学系のＦ値が大きかったり、絞りを絞ったりすることにより、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度の、相対的に感度が高い第１の光電変換部に対する比が、小さくなった場合を示している。たとえば、図９における角度範囲１０４１の光束が画素に入射される場合に相当する。
【００８６】
この場合には、高感度信号１０５１の信号強度が第１の閾値１０６１となるときの画素に入射される光量１０７１よりも、低感度信号１０５２の信号強度が第２の閾値１０６２となるときの画素に入射される光量１０７２の方が、大きくなってしまう。そのため、画素に入射される光量の大きさが光量範囲１０７３にあると、高感度信号１０５１は飽和し、低感度信号１０５２はＳＮ比が不足してしまう。従って、高感度信号１０５１と低感度信号１０５２のつなぎ目にあたる光量範囲１０７３において、合成画像の品質が低下してしまう。信号の飽和は、光電変換部に入射される光量が、光電変換部に蓄積可能な電荷量を発生させる光量を超えた場合に生じる。
【００８７】
次に、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度の、相対的に感度が高い第１の光電変換部に対する比が、大きくなった場合を考える。図１５（ｃ）は、レンズのＦ値が小さかったり、絞りを開放したりすることにより、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度の、相対的に感度が高い第１の光電変換部に対する比が、大きくなった場合を示している。たとえば、図９における角度範囲１０４２の光束が画素に入射される場合に相当する。
【００８８】
この場合には、図１５（ａ）の場合よりも少ない光量で、相対的に感度が低い第２の光電変換部が飽和してしまう。その結果、低感度信号１０５２が飽和する光量範囲１０７４の分だけ、合成した画像のダイナミックレンジが狭くなってしまう。
【００８９】
このように、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度の入射角度依存度が大きいと、撮像レンズや絞りの状態により、信号のつなぎ目で画像の品質が低下したり、ダイナミックレンジが狭くなったりするという課題が発生する。しかし、本発明に係る撮像素子は、相対的に感度が低い第２の光電変換部の、感度の入射角度依存度が低減されている。そのため、前述したボケ像の歪が低減するという効果だけではなく、所望以上のＳＮ比を実現しつつ、ダイナミックレンジの広い画像も取得することができる。
【００９０】
＜感度と容量＞
相対的に感度が高い第１の光電変換部と相対的に感度が低い第２の光電変換部の間に求められる感度比は、合成画像に求められるダイナミックレンジやＳＮ比から決定される。たとえば、バリア領域１２３の基板表面における中央１２４の、仮想交点１３４に対するずれ量を、合成画像に求められるダイナミックレンジやＳＮ比から決定すればよい。
【００９１】
また、相対的に感度が高い第１の光電変換部の感度をＳ１１、容量をＣ１１、低感度信号な光電変換部の感度をＳ１２、容量をＣ１２としたとき、両方の信号の合成によりダイナミックレンジを拡大するには以下の関係が必要である。
Ｃ１１／Ｓ１１＞Ｃ１２／Ｓ１２・・・（式１）
【００９２】
なぜならば、Ｃ１１／Ｓ１１とＣ１２／Ｓ１２は各々の光電変換部に電荷として蓄積可能な最大光量である。そのため、Ｃ１１／Ｓ１１≦Ｃ１２／Ｓ１２の場合には、相対的に感度が高い第１の光電変換部が、相対的に感度が低い第２の光電変換部が飽和する光量以下で飽和してしまうためである。特に、Ｃ１１／Ｓ１１がＣ１２／Ｓ１２の２倍以上であれば更に好ましい。
【００９３】
光電変換部の容量Ｃ１１やＣ１２を大きくするには、光電変換部の体積を広げるか、光電変換部のドープ濃度を大きくすればよい。光電変換部の体積を広げるには、イオンを打ち込む面積を広げて、光電変換部の受光面の面積を広げるか、基板にイオンを深く打ち込んで光電変換部を深くすればよい。但し、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２の深さ及びドープ濃度が等しい方が、同一のイオン打ち込み条件で第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２を形成できる。そのため、製造プロセスが容易となり好ましい。
【００９４】
なお、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の電荷蓄積時間が等しくなくても、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の各々の光電変換部に蓄積される電荷量が異なれば、ダイナミックレンジの広い画像を取得することができる。但し、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の電荷蓄積時間が異なると、特に被写体の動きブレに差が生じる。そのため、合成した画像が不自然になる場合がある。従って、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の電荷蓄積時間は等しい方が好ましい。
【００９５】
画素内には、感度が異なる３つ以上の光電変換部が形成されてもよい。感度が異なる３つ以上の光電変換部で取得した画素信号を合成することで、合成画像のダイナミックレンジを更に広げることができる。
【００９６】
（実施例３）
実施例３では、本発明に係る撮像素子を用いて、感度が異なる複数の光電変換部を異なる電荷蓄積時間で駆動し、低感度かつ長電荷蓄積時間の画像と、高感度かつ短電荷蓄積時間の画像を同時に取得する例を説明する。
【００９７】
一般的には、滑らかな動画像を取得するための電荷蓄積時間の方が、静止画像を取得するための電荷蓄積時間よりも長いことが多い。そのため、以下では、低感度かつ長電荷蓄積時間の画像を動画像、高感度かつ短電荷蓄積時間の画像を静止画像として説明する。静止画像の電荷蓄積時間が動画像の電荷蓄積時間よりも長い場合には、動画像と静止画像を取得するための光電変換部を入れ替えればよい。
【００９８】
実施例３においては、相対的に感度が高い第１の光電変換部の電荷蓄積時間が、相対的に感度が低い第２の光電変換部の電荷蓄積時間よりも短くなっている点で実施例２とは異なる。相対的に感度が高い第１の光電変換部で静止画用信号を、相対的に感度が低い第２の光電変換部で動画用信号を取得する。得られた信号は、周辺回路１０２から出力され、静止画像あるいは動画像の生成に用いられる。
【００９９】
ここで、撮像素子として、図７に示される、従来技術に係る撮像素子を使用した場合を考える。図５と図９の比較からわかるように、従来技術に係る撮像素子の方が、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度の入射角度依存度が大きい。そのため、撮像レンズや絞りの状態により、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度が変化する。その結果、相対的に感度が低い第２の光電変換部で取得する画像（この例では動画像）の品質が低下するという課題も発生する。
【０１００】
レンズのＦ値が大きかったり、絞りを絞ったりする場合には、画素に入射される光束の入射角度は、図９に示される角度範囲１０４１に相当し、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度が小さくなる。その結果、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度が不足して、動画像に黒ツブレが生じ易くなる。一方、レンズのＦ値が小さかったり、絞りを開放したりする場合には、画素に入射される光束の入射角度は、図９に示される角度範囲１０４０に相当し、相対的に感度が低い第２の光電変換部の感度が大きくなる。その結果、相対的に感度が低い第２の光電変換部１０２２が飽和し易くなり、動画像に白トビが生じ易くなる。
【０１０１】
本発明に係る撮像素子は、相対的に感度が低い第２の光電変換部の、感度の入射角度依存度が低減されている。従って、前述したボケ像の歪が低減するという効果だけではなく、撮像レンズや絞りの状態によらず、品質の高い動画像と静止画像を同時に取得可能となる。
【０１０２】
＜感度と容量＞
本発明に係る撮像素子を用いれば、静止画用の信号から静止画像、動画用の信号から動画像と、別々の画像を作成可能となる。このとき、静止画用信号と動画用信号の信号強度及びダイナミックレンジは、なるべく近い方が好ましい。
【０１０３】
そこで、静止画用信号を取得する光電変換部の感度をＳ２１、容量をＣ２１、電荷蓄積時間をＴ２１、動画用信号を取得する光電変換部の感度をＳ２２、容量をＣ２２、電荷蓄積時間をＴ２２としたとき、以下の関係を満たすことが最も好ましい。
Ｓ２１×Ｔ２１＝Ｓ２２×Ｔ２２・・・（式２）
Ｃ２１／（Ｓ２１×Ｔ２１）＝Ｃ２２／（Ｓ２２×Ｔ２２）・・・（式３）
【０１０４】
式２は、信号強度についての条件、式３はダイナミックレンジについての条件である。式２からわかるように、静止画像と動画像の電荷蓄積時間を想定して、Ｓ２１とＳ２２の比を決めればよい。たとえば、動画像の電荷蓄積時間が１／６０秒で、静止画像の電荷蓄積時間が１／６００秒であるとすると、Ｓ２１がＳ２２の１０倍となるように、画素の構成を決定すればよい。
【０１０５】
また、式２と式３を同時に満たす場合を考えると、第１の光電変換部と第２の光電変換部の容量は等しい方が好ましい。ここでいう「等しい」とは、プロセスバラつきによる誤差は許容される。具体的には、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２との容量の差分が、第１の光電変換部の容量の１０％未満であれば、容量が等しいと言ってよい。
【０１０６】
前述したように、光電変換部の容量は、光電変換部の体積と、光電変換部のドープ濃度とで決定される。また、第１の光電変換部、第２の光電変換部の深さ及びドープ濃度は等しい方が、同一のイオン打ち込み条件で複数の光電変換部を形成できる。そのため、製造プロセスが容易となる。以上より、たとえば図１０（ａ）に示されるように、第１の光電変換部と第２の光電変換部の受光面の面積が等しい構成が最も好ましい。
【０１０７】
また、画素内には３つ以上の光電変換部が形成されてもよい。３つの光電変換部の電荷蓄積時間の各々を変えて電荷蓄積時間の異なる３つ以上の画像を同時に取得すれば、ブレの異なる複数の画像を取得することができる。また、設定したシャッタースピードに応じて光電変換部を選択してもよい。式２、式３より、設定したシャッタースピードにより、好ましい光電変換部の特性は異なる。そのため、３つ以上の光電変換部から２つの光電変換部を選択することで、信号強度やダイナミックレンジの近い、静止画用信号と動画用信号を同時に取得することができる。
【０１０８】
更に、電荷蓄積時間の等しい複数の光電変換部で取得した信号はダイナミックレンジの広い画像の取得に利用し、電荷蓄積時間の異なる複数の光電変換部で取得した信号は、静止画像と動画像の同時取得に利用するようにしてもよい。
【０１０９】
（実施例４）
撮像装置１９０は、撮像素子１００を、実施例２で駆動するダイナミックレンジ拡大モードと、実施例３で駆動する動静止画同時取得モードとを切り替えて使用可能となっている。モードの切り替えは、ユーザーが不図示の操作部からの入力を受けて、ＣＰＵ１９２がモードに応じて各回路の制御を行う。
【０１１０】
ダイナミックレンジ拡大モードが選択された場合には、撮像素子１００は、第１の光電変換部と第２の光電変換部の電荷蓄積時間を互いに等しく動作させる。そして、相対的に感度が高い第１の光電変換部から高感度信号を取得する。また、相対的に感度が低い第２の光電変換部から低感度信号を取得する。そして、画素に入射される光量が、閾値以下の場合には高感度信号を利用し、閾値以上の場合には低感度信号を利用して、両者を合成してダイナミックレンジの広い画像を生成する。
【０１１１】
また、動静止画同時取得モードを選択した場合には、撮像素子１００は、相対的に感度が高い第１の光電変換部の電荷蓄積時間を、相対的に感度が低い第２の光電変換部の電荷蓄積時間よりも短く動作させる。動きの速い被写体を撮影したい場合等、静止画の電荷蓄積時間を動画よりも短く設定した場合には、相対的に感度が高い第１の光電変換部で静止画用信号を取得し、相対的に感度が低い第２の光電変換部で動画用信号を取得する。一方、動きブレを意図的に付加したい場合等、静止画の電荷蓄積時間を動画よりも短く設定した場合には、相対的に感度が高い第１の光電変換部で動画用信号を取得し、相対的に感度が低い第２の光電変換部で静止画用信号を取得する。静止画の電荷蓄積時間はユーザーが決定し、動画の電荷蓄積時間は撮像素子のフレームレートと同程度に設定しておく。そして取得される静止画用信号及び動画用信号から、静止画像と動画像の各々を同時に生成することができる。
【０１１２】
撮像装置１９０の撮像素子１００は、実施例２か実施例３のどちらかの一方の動作にのみ限定される必要はない。たとえば、ダイナミックレンジの広い画像を取得するモードと、動画と静止画を同時に取得するモードの両方を備えていて、取得したい画像に応じてモードを選択してもよい。この場合には、第１の光電変換部と第２の光電変換部の各々の感度と容量は、少なくとも式１を満たしている必要がある。そのうえで、式２と式３を満たしていれば更に好ましい。
【０１１３】
式２と式３を両立すれば、第１の光電変換部と第２の光電変換部の容量は等しいので、必然的に式１も成立する。従って、ダイナミックレンジの広い画像を取得するモード及び動画と静止画を同時に取得するモードを有する撮像素子の場合は、第１の光電変換部と第２の光電変換部の容量が互いに等しいことが好ましい。このように、本発明に係る撮像装置は、ダイナミックレンジの広い優れた画像を取得可能であり、また動画と静止画を同時に取得可能となる。
【符号の説明】
【０１１４】
１００  撮像素子
１０１  撮像面
１１０ａ  第１の画素（画素）
１１０ｂ  第２の画素（画素）
１１１  マイクロレンズ
１２０  基板
１２１  第１の光電変換部
１２２  第２の光電変換部
２００  撮像素子
【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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