(57)【要約】【課題】  撮像素子等において、同一画素内に設けられる互いに受光面積が異なる複数の光電変換部において、感度の角度依存性を低減させる。【解決手段】  第１の周辺画素の位置ベクトル及び第２の周辺画素の位置ベクトルをそれぞれ、第１の位置ベクトル及び第２の位置ベクトルとしたときに、第１の位置ベクトルの第１の方向の成分の大きさが、第１の位置ベクトルの第２の方向の成分の大きさよりも大きく、第２の位置ベクトルの第２の方向の成分の大きさが、第２の位置ベクトルの第１の方向の成分の大きさよりも大きく、第１の周辺画素が有するマイクロレンズは、第２の方向の屈折力が、第１の方向の屈折力よりも小さく、第２の周辺画素が有するマイクロレンズは、第１の方向の屈折力が、第２の方向の屈折力よりも小さい撮像素子。【選択図】  図４
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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の方向を含む撮像面に、前記撮像面の中央からの前記撮像面上の距離が所定の距離以上の複数の周辺画素を備え、
前記複数の周辺画素がそれぞれ、前記撮像面に直角な第３の方向に、マイクロレンズと、前記マイクロレンズから射出された光束を光電変換する、第１の光電変換部と前記第１の光電変換部よりも受光面積が狭い第２の光電変換部を含む光電変換領域と、を有する撮像素子であって、
前記複数の周辺画素は、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部が、前記第２の方向に並列された複数の第１の周辺画素と、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部が、前記第１の方向に並列された複数の第２の周辺画素と、を含み、
前記撮像面の中央を原点とする、前記第１の周辺画素の位置ベクトル及び前記第２の周辺画素の位置ベクトルをそれぞれ、第１の位置ベクトル及び第２の位置ベクトルとしたときに、前記第１の位置ベクトルの前記第１の方向の成分の大きさが、前記第１の位置ベクトルの前記第２の方向の成分の大きさよりも大きく、前記第２の位置ベクトルの前記第２の方向の成分の大きさが、前記第２の位置ベクトルの前記第１の方向の成分の大きさよりも大きく、
前記第１の周辺画素が有するマイクロレンズは、前記第２の方向の屈折力が、前記第１の方向の屈折力よりも小さく、前記第２の周辺画素が有するマイクロレンズは、前記第１の方向の屈折力が、前記第２の方向の屈折力よりも小さいことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記光電変換領域は、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の間の電荷クロストークを抑制するバリア領域を含み、
前記第１の周辺画素が有するマイクロレンズは、前記第１の周辺画素が有する前記バリア領域の中央に対して前記撮像面の中央に近づく方向に偏心され、
前記第２の周辺画素が有するマイクロレンズは、前記第２の周辺画素が有する前記バリア領域の中央に対して前記撮像面の中央に近づく方向に偏心されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記撮像面の中央から前記第１の周辺画素までの前記撮像面上の距離が長いほど、前記第１の周辺画素が有するマイクロレンズの偏心量は大きく、前記撮像面の中央から前記第２の周辺画素までの前記撮像面上の距離が長いほど、前記第２の周辺画素が有するマイクロレンズの偏心量は大きいことを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記複数の周辺画素に占める、前記第１の周辺画素又は前記第２の周辺画素の割合は、５０％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】
前記所定の距離は、前記撮像面における対角線の長さの０．４０倍であることを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記撮像素子が前記撮像面に備える全ての画素に占める、前記第１の周辺画素又は前記第２の周辺画素の割合は、５０％以上であ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】
前記マイクロレンズは、シリンドリカルレンズであ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２の方向は、前記第１の方向に直角な方向である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】
請求項１乃至８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。
【請求項１０】
前記制御部は、前記第１の光電変換部の露光時間が、前記第２の光電変換部の露光時間よりも短くなるように制御することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第１の光電変換部から出力された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信号により動画像をそれぞれ生成することを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の光電変換部から出力された信号により動画像を、前記第２の光電変換部から出力された信号により静止画像をそれぞれ生成することを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１３】
請求項１乃至８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信号の強度が所定の閾値以下の場合には、前記第１の光電変換部から出力された信号を前記撮像素子から出力するように制御し、前記第１の光電変換部から出力された信号の強度が前記所定の閾値以上の場合には、前記第２の光電変換部から出力された信号を前記撮像素子から出力するように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８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替部と、を備え、
前記第１のモードでは、前記制御部は、前記第１の光電変換部の露光時間と前記第２の光電変換部の露光時間が互いに等しくなるように制御し、前記第２のモードでは、前記制御部は、前記第１の光電変換部の露光時間が、前記第２の光電変換部の露光時間よりも短くなるように制御することをと特徴とする撮像装置。
【請求項１５】
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信号の強度が所定の閾値以下の場合には、前記制御部は、前記第１の光電変換部から出力された信号を前記撮像素子から出力するように制御し、前記第１の光電変換部から出力された信号の強度が前記所定の閾値以上の場合には、前記制御部は、前記第２の光電変換部から出力された信号を前記撮像素子から出力するように制御し、
前記第２のモードでは、前記第１の光電変換部から出力された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信号により動画像をそれぞれ生成するか、又は、前記第１の光電変換部から出力された信号により動画像を、前記第２の光電変換部から出力された信号により静止画像をそれぞれ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ものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラ等により取得される画像に対して、ダイナミックレンジを拡大して欲しいとの要望（以下、「要望１」という）が高まっている。上記要望１を満たす手段として、特許文献１には、画素中に互いに受光面積の異なる複数の光電変換部を設けて高感度信号と低感度信号の２種類の画素信号を取得し、これらを合成してダイナミックレンジを拡大する技術が開示されている。
【０００３】
また、高画質な動画像を取得している最中に高画質な静止画像も取得できるカメラを実現して欲しいとの要望（以下、「要望２」という）も高まっている。一般に、被写体の動きが滑らかな動画像を得るためには、撮像素子の読み出しフレームレートと同程度の露光時間で撮影することが好ましい。それに対して、被写体のブレが小さい静止画像を得るためには、被写体の動きの速さに応じた露光時間で撮影することが好ましい。従って、上記要望２を満たすためには、動画像及び静止画像が、同一フレーム、且つ、互いに異なる露光時間で撮像される必要がある。
【０００４】
動画像及び静止画像を、同一フレーム、且つ、互いに異なる露光時間で撮像する手段として、特許文献２には、１つの画素内に、露光時間が互いに異なる複数の光電変換素子（特許文献１の「光電変換部」に相当）を備える撮像素子が開示されている。特許文献２の撮像素子においては、露光時間が短い方の光電変換素子の受光面の面積（受光面積）は相対的に広く、露光時間が相対的に長い方の光電変換素子の受光面積は相対的に狭く形成されている。そして、それにより、複数の光電変換素子の感度を、互いに異ならせている。なお、ここで、「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あり、「電荷の蓄積効率」ともいわれるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３６３１９３号公報
【特許文献２】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及び特許文献２に開示されている撮像素子は、互いに感度の異なる（受光面積が異なる）複数の光電変換部が同一画素内に設けられる撮像素子である。但し、いずれの特許文献においても、画素の表面に設けたマイクロレンズにより光束が集光されることにより、同一画素内の複数の光電変換部に導かれている。そのため、同一画素内に設けられる複数の光電変換部は、光束の（画素への）入射角度によって感度が異なることになる。つまり、複数の光電変換部は各々、撮像レンズの射出瞳領域のうちの特定の部分からの光束を他の部分よりも多く（少なく）受光する、所謂「感度の角度依存性」を有することになる。そして、それにより、ピント位置からずれた被写体のボケ像が歪み、画質が低下するという課題が発生する。
【０００７】
本発明は、撮像素子（固体撮像素子）等において、同一画素内に設けられる互いに受光面積が異なる複数の光電変換部において、感度の角度依存性を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る撮像素子は、第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向を含む撮像面に、前記撮像面の中央からの前記撮像面上の距離が所定の距離以上の複数の周辺画素を備え、前記複数の周辺画素がそれぞれ、前記撮像面に直角な第３の方向に、マイクロレンズと、前記マイクロレンズから射出された光束を光電変換する、第１の光電変換部と前記第１の光電変換部よりも受光面積が狭い第２の光電変換部を含む光電変換領域と、を有する撮像素子であって、前記複数の周辺画素は、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部が、前記第２の方向に並列された複数の第１の周辺画素と、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部が、前記第１の方向に並列された複数の第２の周辺画素と、を含み、前記撮像面の中央を原点とする、前記第１の周辺画素の位置ベクトル及び前記第２の周辺画素の位置ベクトルをそれぞれ、第１の位置ベクトル及び第２の位置ベクトルとしたときに、前記第１の位置ベクトルの前記第１の方向の成分の大きさが、前記第１の位置ベクトルの前記第２の方向の成分の大きさよりも大きく、前記第２の位置ベクトルの前記第２の方向の成分の大きさが、前記第２の位置ベクトルの前記第１の方向の成分の大きさよりも大きく、前記第１の周辺画素が有するマイクロレンズは、前記第２の方向の屈折力が、前記第１の方向の屈折力よりも小さく、前記第２の周辺画素が有するマイクロレンズは、前記第１の方向の屈折力が、前記第２の方向の屈折力よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、同一画素内に設けられる互いに受光面積が異なる複数の光電変換部において、感度の角度依存性が低減された撮像素子等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る、撮像素子１００を備える撮像装置１９０の断面図（概略）。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る、撮像素子１００の平面図。
【図３】撮像素子１００の平面図の要部拡大図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る、撮像素子１００が有する画素（周辺領域１０１ａに設けられる画素１１０ａ）の断面図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る、第１の光電変換素子１２１、第２の光電変換素子１２２、バリア領域１２３と電子エネルギーの関係（基板１２０に形成されたポテンシャル分布）。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る、周辺領域に設けられる画素の断面図。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る、＋Ｙ軸方向に斜入射された光束が、マイクロレンズ１１１により集光される様子を示した模式図（図７（ａ））、−Ｙ軸方向に斜入射された光束が、マイクロレンズ１１１により集光される様子を示した模式図（図７（ｂ））。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る、撮像素子２００の平面図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る、撮像素子２００が有する画素（周辺領域２０１ａに設けられる画素２１０ａ）の断面図。
【図１０】周辺領域における、一対の光電変換部の並列方向及び一対の光電変換部とマイクロレンズの位置関係を示す平面図。
【図１１】周辺領域における、一対の光電変換部の並列方向及び一対の光電変換部とマイクロレンズの位置関係を示す平面図。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る、画素２１０ａにおける感度の角度依存性を示す図。
【図１３】比較例１に係る、撮像素子１０００の平面図。
【図１４】比較例１に係る、撮像素子１０００が有する画素（周辺領域１００１ａに設けられる画素１０１０ａ）の断面図。
【図１５】比較例１に係る、周辺領域に設けられる画素の断面図。
【図１６】比較例１に係る、画素１０１０ａにおける感度の角度依存性を示す図。
【図１７】比較例２に係る、撮像素子１１００の平面図。
【図１８】比較例２に係る、撮像素子１１００が有する画素（周辺領域１１０１ａに設けられる画素１１１０ａ）の断面図。
【図１９】本発明の第２の実施形態における画素２１０ａの感度と、比較例２に係る画素１１１０ａの感度を示す図。
【図２０】本発明の第３の実施形態に係る、画素の断面図。
【図２１】第１の方向及び第２の方向について説明する、撮像素子の平面図。
【図２２】高感度信号と低感度信号の光量依存性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施例１）
以下、図面を用いて、本発明に係る撮像素子１００の実施形態について説明する。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を繰り返し行うことはしない。
【００１２】
図１に、本発明に係る、撮像素子１００を備える撮像装置１９０の断面図（概略）を示した。撮像装置１９０は、筐体１９７と、筺体１９７内に光束を取り込むための撮像レンズ（結像光学系）１９１と、撮像レンズ１９１により取り込まれた光束を光電変換するための撮像素子１００と、撮像装置１９０の動作を制御する制御部１９８を備える。撮像レンズ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。撮像レンズ１９１は、筺体１９７から取り外して交換可能な構成であってもよいし、取り外せない構成であってもよい。制御部は、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。
【００１３】
＜面内配置＞
図２に、本発明の第１の実施形態に係る、撮像素子１００の平面図を示した。具体的には、図２は、直交座標系（ＸＹＺ座標系）におけるＸＹ面の平面図である。撮像素子１００は、複数の画素１１０が設けられる画素領域（撮像面）１０１と、一対の周辺回路１０２が設けられる領域（回路面）を有する。図２では、撮像面１０１と回路面をＸＹ面に平行な面として図示した。
【００１４】
撮像素子１００は、第１の方向（±Ｘ軸方向）及び第１の方向に直角な第２の方向（±Ｘ軸方向に直角な±Ｙ軸方向）を含む平面（ＸＹ面）に複数の画素を備える。複数の画素は、第１の方向及び第２の方向に配列される。画素１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄはそれぞれ、複数の画素のうち、撮像面１０１の周辺にある領域（周辺領域）に設けられる画素（周辺画素）である。第２の方向は、第１の方向に直角な方向に限られず、第２の方向は、第１の方向とは異なる方向であればよい。詳しくは後述する。
【００１５】
＜周辺領域＞
撮像面１０１の中央１０３から画素の中央までの撮像面上（ＸＹ面上）の距離が所定の距離以上の画素からなる、撮像面上の領域を周辺領域という。周辺領域１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄはそれぞれ、撮像面１０１の中央１０３の−Ｘ軸方向、＋Ｘ軸方向、−Ｙ軸方向、＋Ｙ軸方向にある周辺領域である。以下の説明においては、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２、そして、バリア領域１２３を最も小さい面積で囲繞する、ＸＹ面上の単独の領域を光電変換領域といい、当該光電変換領域のＸＹ面上の重心を、画素の中央とする。後述する図４（ａ）においては、Ａ−ＡとＢ−Ｂが交わる位置が画素の中央に相当する。第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２、そして、バリア領域１２３、バリア領域の中央１２４については後述する。
【００１６】
「所定の距離」は、後述するように、撮像面１０１の対角線の長さの０．４０倍が好ましいし、撮像面１０１の対角線の長さの０．２５倍が更に好ましい。ここで、撮像面の対角線とは、撮像面において、最も遠い頂点同士を結ぶ直線のことである。
【００１７】
図３に、撮像素子１００の平面図の要部拡大図を示した。
【００１８】
第１の周辺領域１０１ａ、１０１ｂは、第１の周辺画素の位置ベクトルとしての第１の位置ベクトルＶ１の第１の方向の成分の大きさが、第１の位置ベクトルＶ１の第２の方向の成分の大きさよりも大きい画素からなる周辺領域である。また、第２の周辺領域１０１ｃ、１０１ｄは、第２の周辺画素の位置ベクトルとしての第２の位置ベクトルＶ２の第２の方向の成分の大きさが、第２の位置ベクトルＶ２の第１の方向の成分の大きさよりも大きい画素からなる周辺領域である。
【００１９】
周辺領域は、第１の光電変換部１２１と前記第２の光電変換部１２２が第２の方向に並列された複数の第１の周辺画素と、第１の光電変換部１２１と前記第２の光電変換部１２２が第１の方向に並列された複数の第２の周辺画素と、を含む。第１の周辺領域に含まれる画素１１０ａ、１１０ｂは、第１の周辺画素である。また、第２の周辺領域に含まれる画素１１０ｃ、１１０ｄは、第２の周辺画素である。
【００２０】
＜画素構成＞
図４に、本発明の第１の実施形態に係る、撮像素子１００が有する画素（周辺領域１０１ａに設けられる画素１１０ａ）の断面図を示した。具体的には、図４（ａ）は、直交座標系（ＸＹＺ座標系）におけるＸＹ面の断面図（Ｉ−Ｉ断面図）、図４（ｂ）は、ＸＺ面の断面図（Ａ−Ａ断面図）、図４（ｃ）は、ＹＺ面の断面図（Ｂ−Ｂ断面図）である。画素１１０ａは、マイクロレンズ１１１と、基板１２０を有する。
【００２１】
＜画素に含まれる複数の光電変換部＞
画素（第１の周辺画素）１１０ａの基板１２０には、第１の光電変換部１２１と、第１の光電変換部よりも受光面積が狭い（感度の低い）第２の光電変換部１２２が、第２の方向（±Ｙ軸方向）に並列されている。具体的には、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２の順に＋Ｙ軸方向に並列されている。
【００２２】
第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２は、光電変換したい波長帯域で光束を吸収する材料、たとえば、シリコン等の材料により形成される。また、イオン打ち込み等により、基板１２０にポテンシャル分布を形成することにより形成される。
【００２３】
＜バリア領域、ポテンシャル分布＞
第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の間には、バリア領域１２３が設けられている。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の間の電荷クロストークを抑制するポテンシャル障壁を有する。バリア領域１２３のＸＹ面上の中央（重心）を、バリア領域の中央１２４とする。
【００２４】
図５に、本発明の第１の実施形態に係る、第１の光電変換素子１２１、第２の光電変換素子１２２、バリア領域１２３と電子エネルギーの関係（基板１２０に形成されたポテンシャル分布）を示した。図５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の間の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障壁を有する領域である。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られる。第１の光電変換部１２１が得られる画素信号、第２の光電変換部１２２から得られる画素信号をそれぞれ独立に取得するために、ポテンシャル障壁を高くして、電荷クロストークを抑制するのが好ましい。
【００２５】
図５に示されたポテンシャル分布を形成するために、（画素に含まれる）複数の光電変換部（第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２）ではなく、バリア領域１２３をイオン打ち込みにより形成してもよい。また、複数の光電変換部とバリア領域１２３の両方をイオン打ち込みにより形成してもよい。このとき、複数の光電変換部を形成する際に打ち込むイオンと、バリア領域１２３を形成する際に打ち込むイオンは、互いに逆の導電性を有することが好ましい。
【００２６】
＜受光面の形状＞
第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２の基板１２０表面（ＸＹ面）における受光面の形状は、図４（ａ）に示されるような長方形でなくてもよい。たとえば、円形や楕円形、多角形等でもよい。また、多角形の角は丸みを帯びていてもよい。
【００２７】
＜配線＞
画素１１０ａには配線（不図示）が設けられる。周辺回路１０２から配線を通じて画素１１０ａへ送られる駆動信号によって、第１の光電変換部１２１と第２の光電変換部１２２は所望の露光時間で動作する。配線の形成位置は、基板１２０に対して、光束が入射される側（＋Ｚ方向）に形成された所謂表面照射型であってもよい。また、基板１２０に対して、光束が入射される側とは反対側（−Ｚ軸方向）に形成された所謂裏面照射型であってもよい。
【００２８】
＜マイクロレンズ＞
マイクロレンズ１１１は、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に導く作用を有する。マイクロレンズ１１１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、ＢＰＳＧ等の無機物や、ポリマーや樹脂等の有機物により形成される。
【００２９】
＜周辺領域における、（画素に含まれる）複数の光電変換部の並列方向＞
図６に、本発明の第１の実施形態に係る、周辺領域に設けられる画素の断面図を示した。具体的には、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、周辺領域１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄのそれぞれに設けられる画素１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄのＸＹ面の断面図である。
【００３０】
画素（第１の周辺画素）１１０ａ、１１０ｂでは、画素に対して斜めに入射（斜入射）される光束のＸ軸成分の大きさ（絶対値）よりも、Ｘ軸方向に直角な撮像面上の方向であるＹ軸方向の成分（Ｙ軸成分）の大きさ（絶対値）の方が小さくなる。よって、複数の光電変換部が第２の方向に並列されることにより、光束が斜入射されることによる影響を、複数の光電変換部が第１の方向に並列される場合よりも、小さくすることができる。たとえば、本発明の第１の実施形態では、図２、５に示されるように、第１の周辺画素では、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２の順に＋Ｙ軸方向に並列される。
【００３１】
画素（第２の周辺画素）１１０ｃ、１１０ｄでは、斜入射される光束のＹ軸成分の大きさよりも、Ｙ軸方向に直角な撮像面上の方向であるＸ軸方向の成分（Ｘ軸成分）の大きさの方が小さくなる。よって、複数の光電変換部が第１の方向に並列されることにより、光束が斜入射されることによる影響を、複数の光電変換部が第２の方向に並列される場合よりも、小さくすることができる。たとえば、本発明の第１の実施形態では、図２、５に示されるように、第２の周辺画素では、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２の順に＋Ｘ軸方向に並列される。
【００３２】
従って、撮像面１０１の中央１０３を原点とする、周辺画素の位置ベクトルに直角な撮像面上の方向が、光束が斜入射されることによる影響を最も小さくすることができる、複数の光電変換部の並列方向である。たとえば、図３に示された、複数の画素１１０ａ（第１の周辺画素）のうちの一つでは、第１の位置ベクトルＶ１に直角な撮像面上の方向Ｐ１が、最も好ましい複数の光電変換部の並列方向である。同様に、図３に示された、複数の画素１１０ｃ（第２の周辺画素）のうちの一つでは、第２の位置ベクトルＶ２に直角な撮像面上の方向Ｐ２が、最も好ましい複数の光電変換部の並列方向である。
【００３３】
＜周辺領域における、マイクロレンズの屈折力＞
上記のように、第１の周辺画素（画素１１０ａ、１１０ｂ）では、複数の光電変換部が第２の方向（±Ｙ軸方向）に並列される。その際、複数の光電変換部の並列方向（第２の方向）におけるマイクロレンズの屈折力が、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力よりも小さくされる。
【００３４】
図７に、複数の光電変換部が、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２の順に＋Ｙ軸方向に並列される画素において、＋Ｙ軸方向に斜入射された光束が、マイクロレンズ１１１により集光される様子を模式図（図７（ａ））に示した。また、−Ｙ軸方向に斜入射された光束が、マイクロレンズ１１１により集光される様子を模式図（図７（ｂ））に示した。図７に示されるように、マイクロレンズの結像関係によって、＋Ｙ軸方向に斜入射される光束は、第２の光電変換部１２２に選択的に導かれ、−Ｙ軸方向に斜入射される光束は、第１の光電変換部１２１に選択的に導かれる。その結果、＋Ｙ軸方向に斜入射される光束に対しては第２の光電変換部１２２の感度が高く、−Ｙ軸方向に斜入射される光束に対しては第１の光電変換部１２１の感度が高くなる、という感度の角度依存性が生じる。しかし、第２の方向におけるマイクロレンズの屈折力を、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力よりも小さくすると、第２の方向においてはマイクロレンズの結像関係が弱くなる。よって、複数の光電変換部の感度の角度依存性を低減することができる。
【００３５】
たとえば、本発明の第１の実施形態では、図６に示される、（画素１１０ａ、１１０ｂが有する）マイクロレンズ１１１の屈折力は、第２の方向（±Ｙ軸方向）の屈折力が第１の方向（±Ｘ軸方向）の屈折力よりも小さくされる。
【００３６】
上記のように、第２の周辺画素（画素１１０ｃ、１１０ｄ）では、複数の光電変換部が第１の方向（±Ｘ軸方向）に並列される。その際、（同じ画素に含まれる）複数の光電変換部の並列方向（第１の方向）におけるマイクロレンズの屈折力が、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力よりも小さくされる。この場合にも、上記と同様の理由により、複数の光電変換部の感度の角度依存性を低減することができる。
【００３７】
たとえば、本発明の第１の実施形態では、図６に示される、（画素１１０ｃ、１１０ｄが有する）マイクロレンズ１１２の屈折力は、第１の方向（±Ｘ軸方向）の屈折力が第２の方向（±Ｙ軸方向）の屈折力よりも小さくされる。
【００３８】
＜周辺領域における、マイクロレンズの第１の偏心量＞
マイクロレンズの光軸１１３の、バリア領域１２３の中央１２４に対する、複数の光電変換部の並列方向のずれ量（以下、「第１の偏心量」という）は、複数の光電変換部間に要求される感度比によって決められる。マイクロレンズの光軸１１３を、バリア領域１２３の中央１２４に対して、第１の光電変換部１２１側にずらすほど、第１の光電変換部１２１の感度が高くなり、第２の光電変換部１２２の感度が低くなるからである。ここで、「第１の光電変換部１２１側」は、「第１の光電変換部、第２の光電変換部の順に並列される方向の逆の方向」と言い換えられる。
【００３９】
＜効果；感度の角度依存性＞
第１の実施形態においては、周辺領域における複数の光電変換部の並列方向を、第１の周辺画素、第２の周辺画素ではそれぞれ、第２の方向、第１の方向とした。また、周辺領域におけるマイクロレンズの屈折力を、第１の周辺画素、第２の周辺画素ではそれぞれ、（同じ画素に含まれる）複数の光電変換部の並列方向におけるマイクロレンズの屈折力を、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力よりも小さくした。そして、それにより、同一画素内に設けられる互いに受光面積が異なる複数の光電変換部において、感度の角度依存性を低減させることができた。
【００４０】
（実施例２）
図８に、本発明の第２の実施形態に係る、撮像素子２００の平面図を示した。
【００４１】
図９に、本発明の第２の実施形態に係る、撮像素子２００が有する画素（周辺領域２０１ａに設けられる画素２１０ａ）の断面図を示した。具体的には、図９（ａ）は、直交座標系（ＸＹＺ座標系）におけるＸＹ面の断面図（ＩＩ−ＩＩ断面図）、図９（ｂ）は、ＸＺ面の断面図（Ｃ−Ｃ断面図）、図９（ｃ）は、ＹＺ面の断面図（Ｄ−Ｄ断面図）である。
【００４２】
図８、図９は、図２、図４とは、マイクロレンズ１１１の偏心方向が異なる。
【００４３】
図１０に、周辺領域における、一対の光電変換部の並列方向及び一対の光電変換部とマイクロレンズの位置関係を示す平面図を示した。たとえば、図１０に示されるように、周辺領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄに設けられる画素ではそれぞれ、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２の順に＋Ｙ軸方向、＋Ｙ軸方向、＋Ｘ軸方向、＋Ｘ軸方向に並列されている。周辺領域２０１ａ、２０１ｂは第１の周辺領域であり、周辺領域２０１ｃ、２０１ｄは第２の周辺領域である。
【００４４】
図１１に、周辺領域における、光電変換部の並列方向及び光電変換部とマイクロレンズの位置関係を示す他の平面図を示した。たとえば、図１１に示されるように、周辺領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄに設けられる画素では、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２の順に＋Ｙ軸方向、−Ｙ軸方向、＋Ｘ軸方向、−Ｘ軸方向に並列されていてもよい。第１の実施形態で説明したように、第１の周辺画素（画素２１０ａ、２１０ｂ）では、光電変換部を±Ｙ軸方向に並列すればよく、第２の周辺画素（画素２１０ｃ、２１０ｄ）では、光電変換部を±Ｘ軸方向に並列すればよいからである。
【００４５】
＜同じ周辺領域内における、複数の光電変換部の並列方向＞
同じ周辺領域内の画素間でも、複数の光電変換部の並列方向（第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２の順に並列される方向）は、同じ方向でもよいし、互いに逆の方向でもよい。たとえば、周辺領域１０１ａ内の４つの画素１１０ａの並列方向は、同じ方向でもよいし、互いに逆の方向でもよい。
【００４６】
＜周辺領域における、マイクロレンズの偏心方向＞
図９、図１０に示されるように、周辺領域２０１ａに設けられる画素では、マイクロレンズ１１１はバリア領域１２３の中央１２４に対し、＋Ｘ軸方向且つ−Ｙ軸方向にずらされている。また、図１０に示されるように、周辺領域２０１ｂに設けられる画素では、マイクロレンズ１１１はバリア領域１２３の中央１２４に対し、−Ｘ軸方向且つ−Ｙ軸方向にずらされている。また、周辺領域２０１ｃに設けられる画素では、マイクロレンズ１１２はバリア領域１２３の中央１２４に対し、−Ｘ軸方向且つ＋Ｙ軸方向にずらされている。また、周辺領域２０１ｄに設けられる画素では、マイクロレンズ１１２はバリア領域１２３の中央１２４に対し、−Ｘ軸方向且つ−Ｙ軸方向にずらされている。
【００４７】
但し、図１１に示されるように、たとえば、周辺領域２０１ｂに設けられる画素では、マイクロレンズ１１１はバリア領域１２３の中央１２４に対し、−Ｘ軸方向且つ＋Ｙ軸方向にずらされていてもよい。また、周辺領域２０１ｄに設けられる画素では、マイクロレンズ１１２はバリア領域１２３の中央１２４に対し、＋Ｘ軸方向且つ−Ｙ軸方向にずらされていてもよい。第１の実施形態で説明したように、第１の周辺画素（画素２１０ａ、２１０ｂ）では、光電変換部を±Ｙ軸方向に並列すればよく、第２の周辺画素（画素２１０ｃ、２１０ｄ）では、光電変換部を±Ｘ軸方向に並列すればよいからである。
【００４８】
＜マイクロレンズの第１の偏心量及び第２の偏心量＞
第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様に、第１の偏心量は、光電変換部１２１、１２２間に要求される感度比によって決められる。第１の偏心量は、図１０に示される、周辺領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄのそれぞれに設けられる画素においてはそれぞれ、バリア領域の中央に対する、−Ｙ軸方向、−Ｙ軸方向、−Ｘ軸方向、−Ｘ軸方向のずれ量である。
【００４９】
また、マイクロレンズ１１１、１１２の光軸１１３の、バリア領域１２３の中央１２４に対する、複数の光電変換部の並列方向に直角な方向のずれ量（以下、「第２の偏心量」という）は、使用する結像光学系に合わせて決められる。具体的には、結像光学系を通って画素に入射する主光線の、基板１２０上でのヒットポイント（入射位置）と、バリア領域１２３の中央１２４との間の、複数の光電変換部の並列方向に直角な方向におけるずれが小さくなるように決められる。これにより、結像光学系を通って、画素に斜めに入射する光束を、効率よく各々の光電変換部に導くことができる。
【００５０】
ここで、複数の光電変換部の並列方向に直角な方向とは、第１の周辺画素においては、±Ｘ軸方向であり、第２の周辺画素においては、±Ｙ軸方向である。
【００５１】
また、一般に、撮像面１０１の周辺に位置する画素ほど、結像光学系を通った後に画素に入射する主光線の入射角度が大きいため、マイクロレンズの第２の偏心量を大きくする方が好ましい。
【００５２】
＜効果；感度の角度依存性＞
図１２に、本発明の第２の実施形態に係る、画素２１０ａにおける感度の角度依存性を図示した。横軸は、第１の方向（±Ｙ軸方向）における光束の入射角度θを示しており、入射角度θ＝０°（ゼロ度）は、光束が基板表面（ＸＹ面）に対して直角に入射されていることを示している。また、「正」は、光束が＋Ｙ軸方向（第２の光電変換部に近づく方向）に斜入射されていることを示しており（図７（ａ）参照）、「負」は、光束が−Ｙ軸方向（第１の光電変換部に近づく方向）に傾入射されていることを示している（図７（ｂ）参照）。
【００５３】
図１３に、比較例１に係る、撮像素子１０００の平面図を示した。具体的には、図１３は、直交座標系（ＸＹＺ座標系）におけるＸＹ面の平面図である。
【００５４】
図１４に、比較例１に係る、撮像素子１０００が有する画素（周辺領域１００１ａに設けられる画素１０１０ａ）の断面図を示した。具体的には、図１４（ａ）は、直交座標系（ＸＹＺ座標系）におけるＸＹ面の断面図（ＩＩＩ−ＩＩＩ断面図）、図１４（ｂ）は、ＸＺ面の断面図（Ｅ−Ｅ断面図）、図１４（ｃ）は、ＹＺ面の断面図（Ｆ−Ｆ断面図）である。
【００５５】
図１５に、比較例１に係る、周辺領域に設けられる画素の断面図を示した。具体的には、図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、周辺領域１００１ａ、１００１ｂ、１００１ｃ、１００１ｄのそれぞれに設けられる画素１０１０ａ、１０１０ｂ、１０１０ｃ、１０１０ｄのＸＹ面の断面図である。
【００５６】
図１６に、比較例１に係る、画素１０１０ａにおける感度の角度依存性を図示した。縦軸と横軸の関係は、図１２と同様である。
【００５７】
本発明の第２の実施形態（図８、図９、図１０）と比較例１（図１３、図１４、図１５）は、マイクロレンズの屈折力分布とマイクロレンズのシフト方向・シフト量が異なる。
【００５８】
図１２、図１６から、画素１０１０ａにおける光電変換部は、画素２１０ａにおける第１の光電変換部よりも、図１６に図示した角度範囲１０４０において、感度の角度依存性が高いことが解る。このように、感度の角度依存性が高い場合には、射出瞳領域内の一部分からの光束が、他の部分からの光束よりもより多く光電変換されるため、ピント位置からずれた被写体のボケ像が歪み、画質が低下するという課題が発生する。
【００５９】
しかし、第１の周辺画素が、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態におけるように、複数の光電変換部を並列させ、マイクロレンズを屈折させることにより、感度の角度依存性を小さくすることができる。このことは、図１２、図１６から解る。また、感度の角度依存性を図示してはいないが、第２の周辺画素についても同様にいえる。
【００６０】
図１７に、比較例２に係る、撮像素子１１００の平面図を示した。図１７は、直交座標系（ＸＹＺ座標系）におけるＸＹ面の平面図である。
【００６１】
図１８に、比較例２に係る、撮像素子１１００が有する画素（周辺領域１１０１ａに設けられる画素１１１０ａ）の断面図を示した。具体的には、図１８（ａ）は、直交座標系（ＸＹＺ座標系）におけるＸＹ面の断面図（ＩＶ−ＩＶ断面図）、図１８（ｂ）は、ＸＺ面の断面図（Ｅ−Ｅ断面図）、図１８（ｃ）は、ＹＺ面の断面図（Ｆ−Ｆ断面図）である。
【００６２】
図１９に、本発明の第２の実施形態における画素２１０ａの感度と、比較例２に係る画素１１１０ａの感度を示した。画素２１０ａと画素１１１０ａは、複数の光電変換部の並列方向が異なる。
【００６３】
図１９から、本発明の第２の実施形態に係る画素においては、比較例２に係る画素と比較して、感度低下が抑制できていることが解る。
【００６４】
比較例２に係る画素１１１０ａにおいては、斜入射される光束の±Ｙ軸成分の大きさよりも±Ｘ軸成分の大きさ方が大きくなる（斜入射される光束は、±Ｙ軸方向よりも±Ｘ軸方向により大きく傾く）。そして、そのような±Ｘ軸方向と、マイクロレンズ１１２の屈折力が小さい方向が一致してしまう。その結果、マイクロレンズ１１２の光軸１１１３をずらしたことによる感度低下の抑制効果が、十分に得られなくなってしまう。
【００６５】
この理由は以下のように理解できる。マイクロレンズの屈折力が小さい極限として、マイクロレンズの屈折力が小さい方向の屈折力がゼロである場合を考える。このとき、マイクロレンズに入射した光束は、マイクロレンズの屈折力が小さい方向には曲がらない。従って、マイクロレンズの光軸を、マイクロレンズの屈折力が小さい方向にずらしても、各々の光電変換部に入射する光量は変化せず、感度低下効果が全く得られない。
【００６６】
一方、本発明に係る画素２１０ａでは、第一の光電変換部１２１と第二の光電変換部１２２が並列される方向（±Ｙ軸方向）と直角な方向（±Ｘ軸方向）が、±Ｘ軸方向と一致している。即ち、周辺領域において画素に対して相対的に大きく傾く方向と、マイクロレンズ１１１の屈折力が相対的に大きい方向を一致させている。その結果、マイクロレンズ１１１の光軸１１２をずらしたことによる感度低下の抑制効果が、比較例の場合よりも大きくなる。
【００６７】
（実施例３）
＜マイクロレンズと導波路の併用＞
図２０に、本発明の第３の実施形態に係る、画素の断面図を示した。具体的には、図２０（ａ）は、（コア４１２及びクラッド４１３を含む）導波路及びシリンドリカルレンズ４１１を有する画素４１０ａの断面図である。また、図２０（ｂ）は、導波路及び（波長の１／１０程度以下の大きさの複数の微小な構造により、屈折率分布が制御される）デジタルレンズ５１１を有する画素５１０ａの断面図である。
【００６８】
マイクロレンズと導波路を併用すれば、導波路を用いない場合よりも光電変換部の感度の角度依存性が低減されるため、好ましい。また、マイクロレンズとして、シリンドリカルレンズ４１１やデジタルレンズ５１１を用いると、第１の実施形態及び第２の実施形態におけるマイクロレンズ１１１，１１２を用いる場合よりも光電変換部の感度の角度依存性が低減されるため、好ましい。特に、デジタルレンズは、屈折率分布を精密に制御可能なので、好ましい。
【００６９】
＜複数のマイクロレンズの使用＞
本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態では、画素は、単一のマイクロレンズを有していた。しかし、画素が、光束が伝搬される方向に複数のマイクロレンズを有していてもよい。このとき、マイクロレンズの屈折力は、複数のマイクロレンズ全体としての屈折力で定義される。
【００７０】
＜中央領域＞
撮像面の中央１０３から画素の中央までの撮像面上（ＸＹ面上）の距離が所定の距離未満の、撮像面上の領域を中央領域という。「所定の距離」は、後述するように、撮像面１０１の対角線の長さの０．４０倍が好ましいし、撮像面１０１の対角線の長さの０．２５倍が更に好ましい。
【００７１】
中央領域のうち、撮像面１０１の中央１０３に関する位置ベクトルにおいて、第１の方向の成分（±Ｘ軸方向の成分）の大きさが第２の方向の成分（±Ｙ軸方向の成分）の大きさよりも大きい画素からなる領域を第１の中央領域という。また、中央領域のうち、撮像面１０１の中央１０３に関する位置ベクトルにおいて、第２の方向の成分（±Ｙ軸方向の成分）の大きさが第１の方向の成分（±Ｘ軸方向の成分）の大きさよりも大きい画素からなる領域を第２の中央領域という。
【００７２】
中央領域には、第１の光電変換部１２１と前記第２の光電変換部１２２が第２の方向に並列された複数の第１の中央画素と、第１の光電変換部１２１と前記第２の光電変換部１２２が第１の方向に並列された複数の第２の中央画素と、が含まれてもよい。そして、第１の中央領域に第２の中央画素が含まれ、第２の周辺領域に第２の中央画素が含まれてもよい。また、第１の中央画素、第２の中央画素ではそれぞれ、複数の光電変換部の並列方向におけるマイクロレンズの屈折力を、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力よりも小さくしてもよい。それらにより、同一画素内に設けられる互いに受光面積が異なる複数の光電変換部において、感度の角度依存性を低減させることができるからである。
【００７３】
＜所定の距離＞
（周辺領域及び中央領域を定義する）「所定の距離」は、撮像面１０１の対角線の長さの０．４０倍が好ましいし、撮像面１０１の対角線の長さの０．２５倍が更に好ましい。撮像面１０１の周辺に位置する画素ほど、結像光学系を通った後に画素に入射する主光線の入射角度が大きいため、マイクロレンズの第１の偏心量、又は、第１の偏心量及び第２の偏心量を大きくする必要があるからである。
【００７４】
＜画素数の割合＞
本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態では、周辺領域のうち、特定の周辺領域に設けられる画素において、（画素に含まれる）複数の光電変換部の並列方向を、特定の方向にした。ここで、特定の周辺領域とは、第１の実施形態では、周辺領域１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄであり、第２の実施形態では、周辺領域２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄである。また、特定の方向とは、第１の周辺画素では、第２の方向（±Ｙ軸方向）であり、第２の周辺画素では、第１の方向（±Ｘ軸方向）である。但し、第１の方向が±Ｘ軸方向でなくてもよく、第２の方向が±Ｙ軸方向でなくてもよい。即ち、複数の画素が配列される方向と、複数の光電変換部が並列される方向が異なっていてもよい。
【００７５】
また、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態では、第１の周辺画素、第２の周辺画素ではそれぞれ、複数の光電変換部の並列方向におけるマイクロレンズの屈折力を、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力よりも小さくした。
【００７６】
しかし、周辺領域に設けられる画素の全部において、このようにしてもよい。また、周辺領域に加え、中央領域に設けられる画素（の一部又は全部）において、このようにしてもよい。
【００７７】
撮像素子１００が撮像面１０１に備える複数の周辺画素に占める、第１の周辺画素又は第２の周辺画素の割合は、５０％以上であることが好ましい。また、撮像素子１００が撮像面１０１に備える全ての画素に占める、第１の周辺画素又は第２の周辺画素の割合は、５０％以上であることが好ましい。これらの割合が５０％を下回ると、本発明を適用した画素が少なくなり、本発明の効果が得難くなるからである。
【００７８】
＜第１の方向及び第２の方向＞
本発明の第１の実施形態乃至第３の実施形態では、第１の方向と第２の方向を互いに直角に交わる方向（±Ｘ軸方向及び±Ｙ軸方向）としたが、本発明はこれに限られない。第１の方向と第２の方向は、図２１に示されるように、第２の方向が第１の方向とは異なる方向となる関係であればよい。
【００７９】
（実施例４）
図２２に、高感度信号と低感度信号の光量依存性を示した。第４の実施形態では、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】
第４の実施形態の場合、光束が入射される割合の高い第１の光電変換部１２１から高感度信号を、光束が入射される割合の低い第２の光電変換部１２２から低感度信号を取得する（出力させる）。そして、第１の光電変換部１２１、第２の光電変換部１２２は、周辺回路１０２から配線を介して送られる信号により、第１の光電変換部１２１の露光時間と前記第２の光電変換部１２２の露光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１２１、第２の光電変換部１２２から取得された信号は、配線を介して周辺回路１０２に送られ、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１２１と第２の光電変換部１２２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束の光量が閾値以下の場合には高感度信号を出力し、画素に入射される光束の光量が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２２に、高感度信号１０３１と低感度信号１０３２の各々の信号強度の、単位時間当たりに画素に入射する光量依存性を示した。図２２（ａ）に示されるように、高感度信号１０３１の信号強度が第１の閾値１０５１以下の場合には、高感度信号１０３１を使用する。また、低感度信号１０３２の信号強度が第２の閾値１０５２以上の場合には、低感度信号１０３２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。なお、高感度信号１０３１の信号強度が第１の閾値１０５１以下、且つ、低感度信号１０３２の信号強度が第２の閾値１０５２以上の場合には、高感度信号１０３１又は低感度信号１０３２のうちのいずれかを使用してもよい。
【００８３】
第１の閾値１０５１は、高感度信号１０３１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１０５２は低感度信号１０３２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１０３１の信号強度が第１の閾値１０５１となるときに画素に入射される光量１０６１よりも、低感度信号１０３２の信号強度が第２の閾値１０５２となるときに画素に入射される光量１０６２の方が小さい必要がある。
【００８４】
ここで、撮像素子として、複数の光電変換部が並列される方向におけるマイクロレンズの屈折力と、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力が等しい比較例１に係る撮像素子を使用した場合を考える。図１６より解るように、特に角度範囲１０４０において、複数の光電変換部１０２１、１０２２間の感度比の角度依存性が大きくなっている。そのため、使用する撮像レンズや絞りの状態によって、複数の光電変換部１０２１、１０２２間の感度比が変化してしまう。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２２（ｂ）に、使用する撮像レンズのＦ値が大きかったり、絞りを絞ったりすることにより、第１の光電変換部と第２の光電変換部の間の感度比が大きくなった場合を示した。たとえば、図１６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、高感度信号１０３１の信号強度が第１の閾値１０５１となるときの画素に入射する光量１０６１よりも、低感度信号１０３２の信号強度が第２の閾値１０５２となるときの画素に入射する光量１０６２の方が、大きくなってしまう。そのため、画素に入射する光量の大きさが範囲１０６３にあると、高感度信号１０３１は飽和し、低感度信号１０３２はＳＮ比が不足してしまう。従って、高感度信号１０３１と低感度信号１０３２のつなぎ目にあたる範囲１０６３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、光電変換部に入射する光量が、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、第１の光電変換部と第２の光電変換部の間の感度比が小さくなった場合を考える。図２２（ｃ）に、使用するレンズのＦ値が小さかったり、絞りを開放したりすることにより、第１の光電変換部と第２の光電変換部の間の感度比が小さくなった場合を示した。たとえば、図１６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。この場合は、図２２（ａ）の場合よりも、第１の光電変換部において所望のＳＮ比を得るために必要な光量が多くなる。加えて、図２２（ａ）の場合より少ない光量で、第２の光電変換部が飽和してしまう。その結果、高感度信号１０３１が第２の閾値１０５２よりも小さくなるか低感度信号１０３２が飽和する範囲１０６４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。
【００８８】
このように、光電変換部間の感度比の角度依存性が大きいと、撮像素子に光束が入射されるために使用するレンズや絞りの状態によって、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。
【００８９】
しかし、本発明に係る撮像素子は、複数の光電変換部が並列される方向におけるマイクロレンズの屈折力を、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力よりも小さくしている。そのため、図１２に示されるように、感度の異なる複数の光電変換部の、感度の角度依存性が低減されている。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＞
高感度な光電変換部と低感度な光電変換部間に要求される感度比は、合成画像に要求されるダイナミックレンジやＳＮ比から決定される。本実施形態では、マイクロレンズの光軸１１２の、バリア領域１２３の中央１２４に対する、複数の光電変換部の並列方向に直角な方向のずれ量（第２の偏心量）を、合成画像に要求さ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、第１の光電変換部の感度をＳ１１、容量をＣ１１、第２の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って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、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ため、Ｃ１１／Ｓ１１≦Ｃ１２／Ｓ１２の場合、第１の光電変換部が、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、光電変換部の開口を広げるか、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、光電変換部１２１、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光電変換部１２１、１２２を形成できるため、製造プロセスが容易となり好ましい。
【００９４】
なお、光電変換部１２１と光電変換部１２２の露光時間が等しくなくても、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、光電変換部１２１と光電変換部１２２の露光時間が異なると、特に被写体の動きブレに差が生じるため、合成した画像が不自然になる場合がある。従って、光電変換部１２１と光電変換部１２２の露光時間は等しい方が好ましい。
【００９５】
画素内には、感度の異なる３つ以上の光電変換部が設けられていてもよい。感度の異なる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５）
第５の実施形態では、本発明に係る撮像素子を用いて、感度の異なる複数の光電変換部を異なる露光時間で駆動し、低感度且つ長露光時間の画像と、高感度且つ短露光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露光時間の方が、静止画像を取得するための露光時間よりも長いことが多いため、以下では、低感度且つ長露光時間の画像を動画像、高感度且つ短露光時間の画像を静止画像として説明する。静止画像の露光時間が動画像の露光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】
第５の実施形態は、第１の光電変換部１２１の露光時間が、第２の光電変換部１２２よりも短くなっている点で第４の実施形態とは異なっている。第５の実施形態では第１の光電変換部１２１から静止画像用信号を、第２の光電変換部１２２から動画像用信号を取得する（出力させる）。得られた信号は、周辺回路１０２から出力され、静止画像又は動画像の生成に用いられる。
【００９９】
ここで、撮像素子として、複数の光電変換部が並列される方向におけるマイクロレンズの屈折力と、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力が等しい比較例１に係る撮像素子を使用した場合を考える。図１６より解るように、特に角度範囲１０４０において、光電変換部１０２１、１０２２間の感度比の角度依存性が大きくなっている。そのため、使用するレンズや絞りの状態によって、光電変換部１０２１、１０２２の感度が変化する。その結果、静止画像や動画像の品質が低下するという課題も発生する。
【０１００】
たとえば、使用するレンズのＦ値が大きかったり、絞りを絞ったりする場合は、画素に入射する光束の入射角度は図１６の範囲１０４１に相当し、光電変換部１０２１の感度が大きく、光電変換部１０２２の感度が小さくなる。その結果、光電変換部１０２１が飽和しやすくなり、静止画像に白トビが生じやすくなる。また、光電変換部１０２２の感度が不足して、動画像に黒ツブレが生じやすくなる。
【０１０１】
たとえば、使用するレンズのＦ値が小さかったり、絞りを開放したりする場合は、画素に入射する光束の入射角度は図１６の範囲１０４２に相当し、光電変換部１０２１の感度が小さく、光電変換部１０２２の感度が大きくなる。その結果、光電変換部１０２１の感度が不足して、静止画像に黒ツブレが生じやすくなる。また、光電変換部１０２２が飽和しやすくなり、動画像に白トビが生じやすくなる。
【０１０２】
このように、光電変換部の感度の角度依存性が大きい場合、使用するレンズや絞りの状態によって、静止画像及び動画像の品質が低下するという課題が発生する。
【０１０３】
しかし、本発明に係る撮像素子は、複数の光電変換部が並列される方向におけるマイクロレンズの屈折力を、他の方向におけるマイクロレンズの屈折力よりも小さくしている。そのため、図１２に示されるように、感度の異なる複数の光電変換部の、感度の角度依存性が低減されている。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、使用する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することも可能となる。
【０１０４】
＜感度と容量＞
本実施形態に示される撮像素子を用いれば、静止画像用信号から静止画像、動画像用信号から動画像と、別々の画像を作成することが可能となる。このとき、静止画像用信号と動画像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。
【０１０５】
そこで、静止画像用信号を取得する第１の光電変換部の感度をＳ２１、容量をＣ２１、露光時間をＴ２１、動画像用信号を取得する第２の光電変換部の感度をＳ２２、容量をＣ２２、露光時間を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）
【０１０６】
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から解るように、本実施形態では、使用する静止画像と動画像の露光時間を想定して、Ｓ１とＳ２の比を決めればよい。たとえば、動画像の露光時間が１／６０秒で、静止画像の露光時間が１／６００秒であるとすると、Ｓ１がＳ２の１０倍となるように、画素の構成を決定すればよい。
【０１０７】
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１２１の容量Ｃ１と第２の光電変換部１２２の容量Ｃ２が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。
【０１０８】
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ため、製造プロセスが容易となる。以上より、第１の光電変換部と第２の光電変換部の開口面積、深さ、ドープ濃度が全て等しい構成が、最も好ましい。
【０１０９】
また、画素内には３つ以上の光電変換部が設けられていてもよい。３つの光電変換部の露光時間を各々変えて露光時間の異なる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使用する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って、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、静止画像用信号と動画像用信号を同時に取得することができる。
【０１１０】
更に、露光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、露光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。
【０１１１】
（実施例６）
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からの信号をうけて、撮像素子１００を駆動する回路であり、たとえば各画素に設けられる光電変換部の露光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から読みだ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を介して取得した信号の画像処理を行う。
【０１１２】
撮像装置１９０は、撮像素子１００を、第４の実施形態で駆動するダイナミックレンジ拡大モード（第１のモード）、又は、第５の実施形態で駆動する動画像・静止画像同時取得モード（第２のモード）に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、ＣＰＵ（切替部）１９２がモードに応じて各回路の制御を行う。
【０１１３】
第１のモードが選択された場合、撮像素子１００は、第１の光電変換部と第２の光電変換部の露光時間を互いに等しく動作させ、感度が高い方の光電変換部で高感度信号、感度が低い方の光電変換部で低感度信号を取得する。そして、画素に入射す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。
【０１１４】
また、第２のモードを選択した場合、撮像素子１００は、感度が高い方向の光電変換部の露光時間を、感度が低い方の光電変換部の露光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、静止画像の露光時間を動画像よりも短く設定した場合、感度が高い方の光電変換部で静止画像用信号を取得し、感度が低い方の光電変換部で動画像用信号を取得する。一方、動きブレを意図的に付加したい場合等、静止画像の露光時間を動画像よりも短く設定した場合、感度が高い方の光電変換部で動画像用信号を取得し、感度が低い方の光電変換部で静止画像用信号を取得する。静止画像の露光時間はユーザーが決定し、動画像の露光時間は撮像素子１００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像用信号と動画像用信号から、各々静止画像と動画像を同時に生成することができる。
【０１１５】
撮像装置１９０の撮像素子１００は、第４の実施形態か第５の実施形態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、動画像と静止画像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、第１の光電変換部と第２の光電変換部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。
【０１１６】
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像と静止画像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、本実施形態に係る撮像装置は、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、また動画像と静止画像を同時に取得することも可能となる。
【符号の説明】
【０１１７】
１００  撮像素子
１０２  周辺回路
１１０  画素
１１０ａ、１１０ｂ  第１の周辺画素
１１０ｃ、１１０ｄ  第２の周辺画素
１１１  マイクロレンズ
１２１  第１の光電変換部
１２２  第２の光電変換部
【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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