WO2017163435A1

WO2017163435A1 - 受光素子アレイおよびライトフィールド記録装置

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Publication number: WO2017163435A1
Application number: PCT/JP2016/059773
Authority: WO
Inventors: 智史中山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2018-09-25

Abstract

　受光素子アレイであって、周期的且つ二次元的に配列された複数の受光素子を有する第１基板と、第１基板に対して光の入射側に積層され、前記第１基板の受光素子が感度を有する波長帯域の少なくとも一部と共通する波長帯域に感度を有し、周期的且つ二次元的に配列された複数の受光素子を有する第２基板とを備え、第１基板における複数の受光素子の配置が、第２基板における複数の受光素子の配置に対して、複数の受光素子が配列された方向について互いにずれており、第１基板における複数の受光素子の各々は、第２基板における複数の受光素子のいずれかを透過した光を受光する。　

Description

受光素子アレイおよびライトフィールド記録装置

　本発明は、受光素子アレイおよびライトフィールド記録装置に関する。

　アレイを形成するマイクロレンズのひとつひとつに複数の受光素子を割り当てたイメージセンサを用いて、被写界のライトフィールドを記録する装置がある（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１　特開２０１５－１８６１８９号公報

　受光素子の寸法により、個々のマイクロレンズに割り当てることができる受光素子の数には限りがある。このため、マイクロレンズ毎に記録できるライトフィールドの解像度も制約される。

　本発明の第１の態様においては、周期的且つ二次元的に配列された複数の受光素子を有する第１基板と、第１基板に対して光の入射側に積層され、第１基板の受光素子が感度を有する波長帯域の少なくとも一部と共通する波長帯域に感度を有し、周期的且つ二次元的に配列された複数の受光素子を有する第２基板とを備え、第１基板における複数の受光素子の配置が、第２基板における複数の受光素子の配置に対して、第１基板に複数の受光素子が配列された二次元方向のいずれかまたは両方の方向について互いにずれており、第１基板における複数の受光素子の各々は、第２基板における複数の受光素子のいずれかを透過した光を受光する受光素子アレイが提供される。

　また、本発明の第２の態様においては、上記の受光素子アレイと、第２基板に対して光の入射側に配置され、上記第２基板の複数の受光素子のうちの２以上の受光素子毎に周期的に設けられた複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイとを備えるライトフィールド記録装置が提供される。

　上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

受光素子アレイ１００の模式的断面図である。受光素子アレイ１００の等価回路を部分的に示す図である。受光素子１１５、１２５の配置を示す模式図である。受光素子アレイ１００の解像度を説明する図である。ライトフィールド記録装置５００のブロック図である。ライトフィールド記録装置５００の動作を説明する図である。ライトフィールド記録装置５００の動作を説明する図である。受光素子アレイ１０１の模式的断面図である。受光素子アレイの製造過程を段階毎に示す模式的断面図である。受光素子アレイの製造過程を段階毎に示す模式的断面図である。受光素子アレイの製造過程を段階毎に示す模式的断面図である。受光素子アレイの製造過程を段階毎に示す模式的断面図である。受光素子アレイの製造過程を段階毎に示す模式的断面図である。受光素子アレイの製造過程を段階毎に示す模式的断面図である。受光素子アレイの製造過程を段階毎に示す模式的断面図である。受光素子アレイの製造過程を段階毎に示す模式的断面図である。受光素子アレイの製造過程を段階毎に示す模式的断面図である。受光素子１１５、１２５の配置を示す図である。受光素子アレイ１０３の模式的断面図である。受光素子アレイ１０４の模式的断面図である。受光素子アレイ１０５の模式的断面図である。

　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

　図１は、受光素子アレイ１００の模式的断面図である。受光素子アレイ１００は、互いに積層された第１基板１１０、第２基板１２０、およびマイクロレンズ１３０を備える。

　第１基板１１０は、図中下側に位置し、順次積み重なった支持基板１１４、配線層１１２、および受光層１１１を有する。支持基板１１４は、例えばシリコンウエハにより形成してもよい。

　第１基板１１０において、配線層１１２は支持基板１１４の直上に配されて、受光層１１１は配線層１１２に沿って配される。受光層１１１は、配線層１１２の表面に沿って二次元的且つ周期的に配列された複数の受光素子１１５を含む。受光素子１１５は、例えば、フォトダイオードであってもよい。

　第２基板１２０は、第１基板１１０の図中上側に重ねて配され、第１基板１１０側から順次積層された、受光層１２１および配線層１２２を有する。第２基板１２０自体には支持層がなく、第１基板１１０に沿って配される。

　第２基板１２０において、受光層１２１は、配線層１２２の図中下側の表面に沿って二次元的且つ周期的に配列された複数の受光素子１２５を有する。受光素子１２５は、第１基板１１０の受光層１１１における受光素子１１５と同じものを用いることができ、例えばフォトダイオードであってもよい。

　また、第２基板１２０において、配線層１２２は、受光層１２１に沿って配されるが、配線層１２２に含まれる配線は、受光素子１２５の直上を避けてパターニングされる。これにより、第１基板１１０の受光層１１１が受光感度を有する波長帯域と、第２基板１２０の受光層１２１が受光感度を有する帯域とは、少なくとも一部が共通しており、それぞれの受光層が共通して感度を有する波長帯域の光を受光する。よって、受光素子１２５の各々は外部からの入射光を効率よく受光できる。このように、第２基板１２０は、受光素子１２５に光が入射する側と同じ側に配線層１２２を有する表面照射型の受光層１２１を形成する。なお、第１基板１１０の受光層１１１と第２基板１２０の受光層１２１とは、互いに異なる波長帯域の光も受光してもよい。この場合、受光層１１１と受光層１２１は、それぞれの波長帯域に受光感度を有する材料を用いて形成される。

　なお、配線層１２２は、信号を導通させる配線自体に加えて、配線を相互に分離する分離層１２７を含む。図示の例における分離層１２７は、配線層１２２の図中上面にあたる表面を平坦化する目的で受光素子１２５の図中上方に配され、入射光を透過させる透明な樹脂等により分離層１２７を形成する。以降の説明においては、配線層１２２と分離層１２７とを合わせて配線層１２２と記載する場合がある。

　マイクロレンズ１３０は、受光素子アレイ１００の図中最上層に配される。マイクロレンズ１３０は、受光素子アレイ１００の面方向について、個々の受光素子１２５の受光面よりも大きい。換言すれば、ひとつのマイクロレンズ１３０を通過した入射光は、受光層１２１において複数の受光素子１２５に受光される。なお、第１基板１１０の受光素子１１５は、第２基板１２０の受光素子１２５に入射し、受光素子１２５において吸収されなかった成分を受光する。

　また、受光素子アレイ１００において、第１基板１１０の受光素子１１５の配置と、第２基板１２０の受光素子１２５の配置とは、受光素子１１５、１２５の配列方向について互いにずれている。このため、第１基板１１０の受光素子１１５と第２基板１２０の受光素子１２５とは、互いに異なる位置で入射光を受光する。

　更に、図中の受光素子アレイ１００の右側に点線で示すように、図示の受光素子アレイ１００は、更に、二次元的且つ周期的に配される。これにより、受光素子アレイ１００は、被写界全体のライトフィールドを取得できる。一方、図中の受光素子アレイ１００の左側に示すように、受光素子アレイ１００の側縁部においては、第１基板１１０および第２基板１２０のいずれかにおいて、受光面積が小さい受光素子１１５、１２５が配される場合がある。

　図２は、受光素子アレイ１００における第１基板１１０および第２基板１２０の等価回路の一例を部分的に示す図である。図中、点線で囲った領域Ａは、多数の画素を含む受光素子アレイ１００において、繰り返しの単位となる回路を示す。

　領域Ａには、各々が複数のフォトダイオードＰＤ１～４および転送トランジスタＴＸ１～４と、各々が単一のリセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＩおよび選択トランジスタＳＥＬが配される。転送トランジスタ１～４の各々は、フォトダイオード１～４に個別に対応している。これにより、４つのフォトダイオード１～４における光電変換で発生した電気信号を、個別に出力することができる。このように、受光素子アレイ１００における第１基板１１０および第２基板１２０の各々には、受光素子１１５、１２５と共に、読出回路が個別に設けられる。

　なお、図示の例では、画素のサイズを補う目的で複数のフォトダイオードＰＤ１～４によりひとつの画素を形成している。しかしながら、受光素子アレイ１００の構造が図示の構造に限られないことはもちろんである。

　図３は、受光素子アレイ１００における素子の配置を模式的に示す図である。図３において、実線で描かれているのは、第２基板１２０における受光素子１２５およびトランジスタであり、点線で描かれているのは、第１基板１１０における受光素子１１５である。なお、図２では、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＩおよび選択トランジスタＳＥＬが複数のフォトダイオードＰＤ１～４に共有して配される例を示しているが、図３では、これらがそれぞれのフォトダイオードＰＤ１～４に対応して個別に配される例を示す。図示のように、第１基板１１０の受光素子１１５と、第２基板１２０の受光素子１２５とは、図中に矢印で示す行方向にずれて配置されている。

　これにより、第１基板１１０における受光素子１１５のひとつに着目すると、当該受光素子１１５は、第２基板１２０において隣接する２つの受光素子１２５のそれぞれの一部と重なっている。よって、第１基板１１０の受光素子１１５の各々は、２つの受光素子１２５の各々の一部を透過した光を受光する。

　また、受光素子アレイ１００における受光素子１１５、１２５の配列平面においては、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＩ、および選択トランジスタＳＥＬが、画素毎に行方向に配列される。このため、画素の寸法を行方向に短縮することは難しい。これに対して、列方向については、画素毎に転送トランジスタのみが配置されているので、画素の寸法を小さくすることができる。

　そこで、受光素子アレイ１００においては、列方向については画素の寸法を短縮して解像度を向上させる。また、行方向については、配列がずれた２層の受光素子１１５、１２５を配置して解像度を向上させた。こうして、行方向および列方向の両方について解像度が高い受光素子アレイ１００を形成できる。

　図４は、受光素子アレイ１００の解像度を説明する図である。図４には、図３に示した受光素子アレイ１００における受光素子１１５、１２５の配置が、図３に示したＡ－Ａ断面において模式的に示されている。

　受光素子アレイ１００においては、互いに積層された受光層１１１、１２１において、受光素子１１５、１２５の配列がずれている。ここで、第２基板１２０において図中左端に位置して信号ａ（１）を出力する受光素子１２５に着目すると、この受光素子１２５には、第１基板１１０において左端に位置して信号ｂ（０）を出力する受光素子１１５に重なる領域と、当該受光素子１１５に隣接して信号ｂ（１）を出力する他の受光素子１１５に重なる領域とが含まれる。

　一方、第１基板１１０において信号ｂ（１）を出力する受光素子１１５に着目すると、この受光素子１１５には、第２基板１２０において左端に位置して信号ａ（１）を出力する受光素子１２５に重なる領域と、当該受光素子１２５に隣接して信号ａ（２）を出力する他の受光素子１２５に重なる領域とが含まれる。このように、受光素子アレイ１００においては、第１基板１１０および第２基板１２０における受光素子１１５、１２５の出力を合わせると、受光素子１１５、１２５の配列ピッチの半分の周期で受光条件が変化する。

　そこで、下記の式に示すように、第１基板１１０の受光素子１１５の出力「ａ（１）、ａ（２）、ａ（３）・・・ａ（ｎ）」と、第２基板１２０の受光素子の出力「ｂ（０）、ｂ（１）、ｂ（２）・・・ｂ（ｎ）」を補正した値との差分を下記の式に従って算出することにより、受光素子１１５、１２５の配列ピッチの半分の領域の各々における輝度を反映した仮想的な高解像度情報「ｃ（１）、ｃ（２）、ｃ（３）・・・ｃ（２ｎ）」を算出できる。なお、「ｃ（１）、ｃ（２）、ｃ（３）・・・ｃ（２ｎ）」は、第２基板１２０の配列ピッチの半分の領域の各々における輝度値に相当する。
　ｃ（２ｍ）＝ａ（ｍ）－ｃ（２ｍ－１）、
　ｃ（２ｍ－１）＝ｋ＊ｂ（ｍ－１）－ｃ（２ｍ－２）

　ただし、上記の式において、ｍ＝１、２、・・・、ｎであり、係数ｋは、第１基板１１０の受光素子１１５が、第２基板１２０の受光素子１２５を透過して減衰した光を受光することを補正する目的で設定した係数である。係数ｋの値は、例えば、予め実験により決定してもよい。

　斯くして、受光素子アレイ１００の出力から、高解像度情報「ｃ（１）、ｃ（２）、ｃ（３）・・・ｃ（２ｎ）」が、下記の式のように得られる。

　上記のように、受光素子アレイ１００においては、第１基板の受光素子１１５と第２基板の受光素子１２５とを互いに配列方向にずらして配置される。これにより、受光素子アレイ１００の実効的な解像度を向上させることができる。

　図５は、受光素子アレイ１００を用いたライトフィールド記録装置５００のブロック図である。ライトフィールド記録装置５００は、受光素子アレイ１００、システム制御部５０１、駆動部５０２、測光部５０３、ワークメモリ５０４、記録部５０５、表示部５０６、および主電源５０７を備える。

　また、ライトフィールド記録装置５００は、入射光を受光素子アレイ１００に導く主光学系５２０を備える。主光学系５２０は、ライトフィールド記録装置５００に対して着脱できる交換式であってもよい。

　主光学系５２０は、光軸ＯＡに沿って入射する被写体光束を受光素子アレイ１００へ導く。主光学系５２０は、複数の光学レンズ群から構成され、その焦点面近傍に被写界からの被写体光束を結像させる。なお、図中では瞳近傍に配置された仮想的な１枚のレンズで主光学系５２０を代表して表している。

　駆動部５０２は、システム制御部５０１からの指示に従って受光素子アレイ１００のタイミング制御、領域制御等の電荷蓄積制御を実行する制御回路である。駆動部５０２は、例えば、受光素子アレイ１００に対して、入射光を光電変換して生成した電荷を蓄積させて画素信号を出力させる一連の制御を担う。

　受光素子アレイ１００の各受光素子１１５、１２５から出力された信号は、システム制御部５０１の画像処理部５１１へ渡される。画像処理部５１１は、ワークメモリ５０４をワークスペースとして処理を実行する。

　ライトフィールド記録装置５００における画像処理部５１１は、少なくとも次の処理を実行する。まず、図４を参照して説明した通り、互いに位置がずれた受光素子１１５、１２５から取得した信号に基づいて、受光層１１１、１２１における受光素子１１５、１２５の解像度よりも解像度が高い画素値群を算出する。次に、算出した画素値群に基づいて、被写体のライトフィールドデータを生成する。

　生成されたライトフィールドデータは、記録部５０５に記録されるとともに、表示信号に変換されて予め設定された期間、表示部５０６に表示される。主電源５０７は、ライトフィールド記録装置５００の各部に電力を供給する。主電源５０７の電力供給先には、受光素子アレイ１００も含まれる。

　測光部５０３は、ライトフィールドデータを生成する一連のシーケンスに先立ち、シーンの輝度分布を検出する。測光部５０３は、例えば１００万画素程度のＡＥセンサを含む。システム制御部５０１の演算部５１２は、測光部５０３の出力を受けてシーンの領域ごとの輝度を算出する。

　更に、演算部５１２は、算出した輝度分布に従ってシャッタ速度、絞り値、ＩＳＯ感度を決定する。測光部５０３は受光素子アレイ１００で兼用してもよい。なお、演算部５１２は、ライトフィールド記録装置５００を動作させる場合に必要な各種演算も実行する。

　図６は、受光素子アレイ１００を備えたライトフィールド記録装置５００が記録するライトフィールドを説明する図である。図中の点線Ｃで囲まれた領域は、同図中に拡大して示されている。

　図示の状態は、被写体５３１に対して合焦した主光学系が、マイクロレンズ１３０の配列面に被写体像を結像した状態を示す。この場合、被写体５３１の中央の一点から放射された光線は、図中では太線で示すように、受光素子アレイ１００の略中央に位置するマイクロレンズに収束し、当該マイクロレンズの後方に位置する複数の受光素子１１５、１２５のうち、中央に位置する複数の画素Ｐ_１に受光される。

　よって、システム制御部５０１は、これら複数の画素Ｐ_１が出力した画素値を、被写体５３１における一点の輝度として、被写体５３１における他の点の輝度と併せて処理することにより、被写体５３１の画像を生成する。換言すれば、システム制御部５０１は、合焦位置Ｓ_１に位置する被写体５３１の輝度に対応した信号を出力する画素Ｐ_１を特定する情報を予め保持しており、主光学系５２０の合焦位置Ｓ_１に位置する被写体５３１の鮮明な像を生成する指示を受けた場合に、画像処理部５１１に、画素Ｐ_１の出力信号に基づく画像を生成させる。

　図７は、ライトフィールド記録装置５００が記録するライトフィールドデータを説明する図である。図中の点線Ｃで囲まれた領域は、同図中に拡大して示されている。

　ここでは、主光学系５２０が合焦する被写体５３１よりも近くに位置する被写体５３２への対応について説明する。合焦位置よりも手前に位置する被写体５３２の中央の一点から放射された光線は、主光学系５２０の結像面に配されたマイクロレンズ１３０のひとつには収束せず、図中に太線で示すように、複数のマイクロレンズ１３０を通じて、受光素子アレイ１００において互いに離れて配された複数の画素Ｐ_２に受光される。

　よって、システム制御部５０１は、被写体５３２の鮮明な像を生成することを指示された場合、これら複数の画素Ｐ_２が出力した画素値を、被写体５３２における一点の輝度として処理して被写体５３２の画像を生成する。換言すれば、システム制御部５０１は、合焦位置ではない位置Ｓ_２に位置する被写体５３２の輝度に対応した信号を出力する画素Ｐ_２を特定する情報を予め保持しており、位置Ｓ_２に位置する被写体５３２の鮮明な像を生成する指示を受けた場合は、画像処理部５１１に、画素Ｐ_２の出力信号に基づく画像を生成させる。

　ここで、ライトフィールド記録装置５００は、マイクロレンズ１３０を通じて被写体５３１の一点から生じた光線を複数の受光素子１１５、１２５で受光することにより、特定の面における輝度分布ではなく、被写体から放射された光線自体の情報を記録する。よって、記録されたライトフィールドデータからは、記録した時点での主光学系５２０の合焦位置にかかわらず、被写界内の任意の位置で合焦した画像を再構成できる。

　上記のように、ライトフィールド記録装置５００が記録したライトフィールドデータからは、平面情報と奥行き情報とを取得できる。よって、画像を記録する撮像装置としての使用はもちろん、製造ライン等のおける探傷装置、成形品の品質検査装置等として用いることもできる。また、高倍率顕微鏡の被写界深度を補う目的で使用することもできる。

　図８は、他の受光素子アレイ１０１の模式的断面図である。受光素子アレイ１０１は、次に説明する部分を除くと、図１に示した受光素子アレイ１００と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

　受光素子アレイ１０１は、第１基板１１０における受光素子１１５の一部が、入射光を遮断する遮光層１１６を有する点において、受光素子アレイ１００と異なる構造を有する。遮光層１１６は、通常の受光素子１１５の配列ピッチの半分の領域を有する受光素子（半画素）を覆うように形成される。受光素子アレイ１０１において、遮光層１１６を有する受光素子１１５を周期的に複数配することで、図４に示したように、一方向に配列された受光素子１１５、１２５について画素値を順次算出した場合の誤差の累積を防止できる。

　具体的には、第１基板１１０の受光素子１１５の出力と第２基板１２０の受光素子１２５の出力から、仮想的な高解像度情報「ｃ（１）、ｃ（２）、ｃ（３）・・・ｃ（２ｎ）」を算出する場合に、遮光層１１６を有する受光素子１１５の出力を参照することにより、誤差を補正するこができる。これにより、受光素子アレイ１０１は、出力精度を向上できる。

　更に、高解像度情報「ｃ（１）、ｃ（２）、ｃ（３）・・・ｃ（２ｎ）」の算出を、受光層１１１、１２１の両側から開始して、誤差の累積を、受光層１１１、１２１の幅の半分までに抑制することもできる。また更に、下記の式で示すように、互いに重なり合う受光素子１１５、１２５の平均値を個別に計算し、これを１／２倍することで、互いに重なり合う１／２画素ごとの高解像度情報「ｃ（１）、ｃ（２）、ｃ（３）・・・ｃ（２ｎ）」とすることにより、誤差が累積されることを回避してもよい。

　図９は、受光素子アレイ１００の製造過程を段階毎に示す模式的断面図であり、第１基板１１０を用意する段階を示す。この段階においては、下地基板１１３上に、受光層１１１および配線層１１２が順次積層される。なお、この段階で受光層１１１を支持する下地基板１１３は、図１に示した第１基板１１０における支持基板１１４とは異なるものである。

　下地基板１１３は、例えばシリコン単結晶基板である。まず、フォトリソグラフィにより、受光層１１１を形成し、次いで、受光層１１１に重ねて配線層１１２を形成する。受光層１１１は、周期的且つ二次元的に配列された複数の受光素子１１５を含む。

　配線層１１２は、受光素子１１５の各々に、リセット信号、転送信号、選択信号、電源電圧等を供給する配線と、これらの信号を断続または増幅するトランジスタ等の素子とを含む。なお、受光層１１１においては、受光素子１１５が光電変換により生成した電荷を蓄積するフローティングディフュージョン等の容量素子が、受光素子１１５と同じレベルの層に配される場合がある。

　図１０は、受光素子アレイ１００の製造過程における次の段階を示す模式的断面図である。この段階においては、第１基板１１０の配線層１１２の表面に、支持基板１１４が貼り付けられる。支持基板１１４は、シリコン基板等を用いることができ、下地基板１１３が除去された後も受光層１１１および配線層１１２を支持できる剛性と強度とを有する。

　なお、支持基板１１４は、受光素子アレイ１００が完成した後も、第１基板１１０の一部として恒久的に残される。よって、支持基板１１４は、配線層１１２に対して強固に貼り付けられる。

　図１１は、受光素子アレイ１００の製造過程における次の段階を示す模式的断面図である。図示の段階においては、受光層１１１および配線層１１２を形成する場合の下地となった下地基板１１３が除去される。下地基板１１３は、支持基板１１４により第１基板１１０を保持した状態で、例えば、機械化学研磨により除去される。なお、薄化した下地基板１１３の一部を残す場合もある。

　図１２は、受光素子アレイ１００の製造過程における次の段階を示す模式的断面図である。図示の段階において、第１基板１１０は、上下が反転されて支持基板１１４により保持される。また、下地基板１１３を除去することにより露出した受光層１１１は、清浄且つ平坦な状態を維持すべく、他の部材が接触しない状態で保護される。このように、受光素子アレイ１００を形成する場合に用いる第１基板１１０が用意される。

　なお、第１基板１１０における配線層１１２は、受光層１１１を全体に覆って形成される。配線層１１２は可視光帯域の光を透過し難いので、第１基板１１０の受光素子１１５は、配線層１１２とは反対の側から入射光を受光する。このように、第１基板１１０は、受光素子１１５に光が入射する側と反対の側に配線層１１２を有し、下地基板１１３の側から入射光を受ける裏面照射型の受光層１１１を形成する。

　図１３は、受光素子アレイ１００の製造過程における他の段階を示す模式的断面図である。図示の段階は、第２基板１２０を用意する段階を示す。この段階においては、下地基板１２３上に、受光層１２１および配線層１２２が順次積層される。

　下地基板１２３は、例えばシリコン単結晶基板である。まず、フォトリソグラフィにより、受光層１２１を形成し、次いで、受光層１２１に重ねて配線層１２２を形成する。受光層１２１は、周期的且つ二次元的に配列された複数の受光素子１２５を含む。

　配線層１２２は、受光素子１２５の各々に、リセット信号、転送信号、選択信号、電源電圧等を供給する配線を含む。また、これらの信号を断続または増幅するトランジスタ等の素子を含む。なお、受光層１２１においては、受光素子１２５が光電変換により生成した電荷を蓄積するフローティングディフュージョン等の容量素子が、受光素子１２５と同じレベルの層に配される場合がある。

　第２基板１２０における配線層１２２は、受光層１２１における受光素子１２５の直上を避けて形成される。このため、第２基板１２０の受光素子１２５は、配線層１２２側から光を受光できる。

　図１４は、受光素子アレイ１００の製造過程における次の段階を示す模式的断面図である。この段階においては、第２基板１２０の配線層１２２の表面に、支持基板１２４が貼り付けられる。支持基板１２４は、シリコン基板等を用いることができ、下地基板１２３が除去された後も、受光層１２１および配線層１２２を支持できる剛性および強度を有する。

　なお、支持基板１２４は、第２基板１２０が第１基板に貼り付けられた後に除去される。よって、支持基板１２４を貼り付ける場合は、第２基板１２０の構造を傷めることなく剥離できる接着強度を有する粘着剤、紫外線、熱等の照射により剥離が容易になる接着剤等を用いて貼り付けることが望ましい。

　図１５は、受光素子アレイ１００の製造過程における次の段階を示す模式的断面図である。図示の段階においては、受光層１２１および配線層１２２を形成する場合の下地となった下地基板１２３が除去される。下地基板１２３は、支持基板１２４により第２基板１２０を保持した状態で、例えば、下地基板１２３を機械化学研磨することにより除去される。なお、薄化した下地基板１２３の一部を残す場合もある。

　こうして、第２基板１２０が完成する。下地基板１２３を除去することにより露出した受光層１２１の図中下面は、清浄且つ平坦な状態を維持すべく、他の部材が接触しない状態で保護される。

　なお、上記の説明は、第１基板１１０を用意する段階について説明した後に、第２基板１２０を説明する段階について説明した。しかしながら、第１基板１１０の用意と第２基板１２０の用意とは、どちらが先でも差し支えなく、特に量産する場合は、第１基板１１０および第２基板を並行して作製してもよい。

　図１６は、受光素子アレイ１００の製造過程における次の段階を示す模式的断面図である。この段階においては、上記のようにして用意した第２基板１２０を、図１２に示した状態の第１基板１１０に積層して貼り合わせる。これにより、２層の受光層１１１、１２１を有する構造が形成される。

　第１基板１１０および第２基板１２０を重ねる場合は、図１、図３、および図４等に示したように、第１基板１１０の受光素子１１５の配置と、第２基板１２０の受光素子１２５の配置とがずれるように、第１基板１１０および第２基板１２０が位置合わせされる。

　なお、第１基板１１０および第２基板１２０の貼り合わせは、貼り合わせる面を鏡面研磨して密着させてもよい。また、貼り合わせる面の少なくとも一方をプラズマに暴露して活性化してもよい。更に、紫外線硬化性樹脂等の、可視光帯域の光をよく透過する接着剤を用いて第１基板１１０および第２基板１２０を接着してもよい。

　図１７は、受光素子アレイ１００の製造過程における次の段階を示す模式的断面図である。図示の段階においては、下地基板１２３を除去する場合に第２基板１２０を保持するのに用いた支持基板１２４が除去される。支持基板１２４は、第１基板１１０の支持基板１１４により、貼り合わされた第１基板１１０および第２基板１２０を保持した状態で、例えば、機械化学研磨により除去される。

　こうして、支持基板１２４を除去することにより、第２基板１２０における配線層１２２が露出される。よって、露出した配線層１２２の表面にマイクロレンズ１３０を積層して形成することにより、図１に示した受光素子アレイ１００が完成する。

　なお、第２基板１２０における配線層１２２は、受光層１２１における受光素子１２５の受光面を避けてパターニングされている。よって、第２基板１２０における受光素子１２５は、配線層１２２と同じ側から入射した光を受光する表面照射型の受光層１２１を形成する。

　図１８は、受光素子アレイ１０２における受光素子１１５、１２５の配置を示す図である。図中実線で描かれているのは、第２基板１２０における受光素子１２５およびトランジスタであり、点線で描かれているのは第１基板１１０における受光素子１１５である。

　図示のように、第２基板１２０における受光素子１２５は、行方向および列方向に周期的に配列されている。ここで、受光素子アレイ１０２において、受光素子１２５は、行方向および列方向について、互いに等間隔に配列されている。この場合、例えば上述の式２と同じ考えで、行方向および列方向に互いに重なり合う受光素子１１５、１２５の平均値を個別に計算し、これを１／４倍することで、互いに重なり合う１／４画素ごとの高解像度情報を得ることができる。

　また、受光素子アレイ１０２において、第１基板１１０の受光素子１１５は、第２基板１２０の受光素子１２５に対して、受光素子１１５、１２５の配列と並行な面における行方向と、行方向と交差する列方向とにずれて配列されている。これにより、第１基板１１０における受光素子１１５に着目すると、ひとつの受光素子１１５が、第２基板１２０における隣接する４つの受光素子１２５と部分的に重なりあっている。よって、第１基板１１０の受光素子１１５の各々は、４つの受光素子１２５の各々の一部を透過した光を受光する。

　図１９は、受光素子アレイ１０３の模式的断面図である。受光素子アレイ１０３は、次に説明する部分を除くと、図１に示した受光素子アレイ１００と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

　受光素子アレイ１０３は、第１基板１１０に換えて、第２基板１２０と同じ表面照射型の受光層１２１を有するもうひとつの第２基板１２０が、図中上層の第２基板１２０に積層される。このように、受光素子アレイ１０３は、裏面照射型の受光層を用いることなく形成できる。

　図２０は、受光素子アレイ１０４の模式的断面図である。受光素子アレイ１０４は、次に説明する部分を除くと、図１に示した受光素子アレイ１００と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

　受光素子アレイ１０４は、表面照射型の受光層１２１を有する単一の第２基板１２０と、裏面照射型の受光層１１１を有する２枚の第１基板１１０とを積層して形成される。このように、受光素子アレイ１０４は、各々が受光層１１１、１２１を有する３枚以上の基板を積層して形成してもよい。これにより、受光素子アレイ１０４の分解能を更に向上できる。

　図２１は、受光素子アレイ１０５の模式的断面図である。受光素子アレイ１０５は、次に説明する部分を除くと、図１に示した受光素子アレイ１００と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

　受光素子アレイ１０５は、受光素子アレイ１００と同じ層構成を有し、裏面照射型の受光層１１１を有する第１基板１１０と、表面照射型の受光層１２１を有する第２基板１２０とを積層して形成される。受光素子アレイ１０５において、第１基板１１０における受光素子１２５の各々は、配線層１１２の直上に形成されたフローティングディフュージョン１１８の図中上方にオーバハングして形成される。これに対して、第２基板１２０においては、受光素子１２５相互の間にフローティングディフュージョン１２８が配される。

　これにより、第１基板１１０における受光素子１１５の各々が、第２基板１２０における受光素子１２５の各々の受光面積よりも広い受光面積を有する。よって、第２基板１２０の受光素子１２５を透過したことにより減衰した第２基板１２０への入射光強度を構造的に補正できる。

　なお、上記の実施形態においてはカラーフィルタに言及しなかった。しかしながら、受光素子アレイ１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５において、例えば、入射側の受光層１２１とマイクロレンズ１３０との間にカラーフィルタを設けて、色情報も併せて取得できるようにしてもよいことはもちろんである。

　また、上記の実施形態においてはライトフィールドの撮像に用いることができる受光素子アレイについて説明したが、通常の静止画または動画の撮影に用いる撮像素子においても、同様の構造により解像度を向上できることはもちろんである。そのような用途で用いる撮像素子においては、撮影画像の最小単位、すなわち、半画素毎にマイクロレンズを形成設けた構造としてもよいし、第２基板における画素毎にマイクロレンズが形成された構造としてもよい。

　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

　特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５　受光素子アレイ、１１０　第１基板、１１１、１２１　受光層、１１２、１２２　配線層、１１３、１２３　下地基板、１１４、１２４　支持基板、１１５、１２５　受光素子、１１６　遮光層、１１８、１２８　フローティングディフュージョン、１２０　第２基板、１２７　分離層、１３０　マイクロレンズ、５００　ライトフィールド記録装置、５０１　システム制御部、５０２　駆動部、５０３　測光部、５０４　ワークメモリ、５０５　記録部、５０６　表示部、５０７　主電源、５１１　画像処理部、５１２　演算部、５２０　主光学系、５３１、５３２　被写体

Claims

　周期的且つ二次元的に配列された複数の受光素子を有する第１基板と、
　前記第１基板に対して光の入射側に積層され、前記第１基板の受光素子が感度を有する波長帯域の少なくとも一部と共通する波長帯域に感度を有し、周期的且つ二次元的に配列された複数の受光素子を有する第２基板とを備え、
　前記第１基板における前記複数の受光素子の配置が、前記第２基板における前記複数の受光素子の配置に対して、前記第１基板に複数の受光素子が配列された二次元方向のいずれかまたは両方の方向について互いにずれており、
　前記第１基板における前記複数の受光素子の各々は、前記第２基板における前記複数の受光素子のいずれかを透過した光を受光する受光素子アレイ。
　前記第２基板は、前記第１基板における前記複数の受光素子のひとつが、前記第２基板における前記複数の受光素子のうちの複数の受光素子と重なるように前記第１基板に積層される請求項１に記載の受光素子アレイ。
　前記第２基板は、前記第１基板における前記複数の受光素子のひとつが、前記第２基板における前記複数の受光素子のうち、前記二次元方向のいずれかの方向に隣接する複数の受光素子と重なるように前記第１基板に積層される請求項２に記載の受光素子アレイ。
　前記第２基板は、前記第１基板における前記複数の受光素子のひとつが、前記第２基板における前記複数の受光素子のうち、前記二次元方向の両方の方向に隣接する３以上の受光素子と重なるように前記第１基板に積層される請求項２に記載の受光素子アレイ。
　前記第１基板は、前記第１基板における前記複数の受光素子において光電変換された信号を読み出す第１読み出し回路を有し、
　前記第２基板は、前記第２基板における前記複数の受光素子において光電変換された信号を読み出す第２読み出し回路を有する
請求項１から４のいずれか一項に記載の受光素子アレイ。
　前記第１基板は、前記複数の受光素子に対して光が入射する側と反対側に配線層を有し、
　前記第２基板は、前記複数の受光素子に対して光が入射する側に配線層を有する
請求項１から５までのいずれか一項に記載の受光素子アレイ。
　前記第１基板における前記複数の受光素子の各々は、前記第２基板における前記複数の受光素子の各々よりも広い受光面積を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の受光素子アレイ。
　前記第１基板における前記複数の受光素子のひとつとから読み出された第１信号と、当該受光素子を透過した光を受けた前記第２基板における前記複数の受光素子のひとつから読み出された第２信号との差分に基づいて、前記第２基板における前記複数の受光素子のひとつよりも小さな単位面積において受光した光の光強度を算出する光強度算出部を更に備える請求項１から７のいずれか一項に記載の受光素子アレイ。
　前記第１基板における前記複数の受光素子の一部は、入射光の一部を遮断する遮光層を有する請求項８に記載の受光素子アレイ。
　請求項１から９のいずれか一項に記載の受光素子アレイと、
　前記第２基板に対して光の入射側に配置され、前記第２基板における前記複数の受光素子のうちの２以上の受光素子毎に周期的に設けられた複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
を備えるライトフィールド記録装置。