CN112701133A - 图像传感器和包括图像传感器的电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种包括分色透镜阵列的图像传感器。该图像传感器包括：传感器衬底，包括被配置为感测光的多个第一感光单元和多个第二感光单元；以及分色透镜阵列，包括多个第一区域和多个第二区域，多个第一区域分别对应于多个第一感光单元并且各自包括第一精细结构，并且多个第二区域分别对应于多个第二感光单元并且包括与第一精细结构不同的第二精细结构，其中，在入射在分色透镜阵列上的入射光中，第一波长的光和第二波长的光分支到不同的方向上并聚焦在第一感光单元和第二感光单元上。

Description

图像传感器和包括图像传感器的电子设备
相关申请的交叉引用
本申请要求在韩国知识产权局于2019年10月23日提交的韩国专利申请No.10-2019-0132385、于2019年10月23日提交的韩国专利申请No.10-2019-0132386、于2019年11月14日提交的韩国专利申请 No.10-2019-0146210、于2019年11月14日提交的韩国专利申请 No.10-2019-0146233以及于2020年9月14日提交的韩国专利申请No.10-2020-0117777的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的示例实施例涉及包括分色透镜阵列的图像传感器和包括该图像传感器的电子设备，更具体地，涉及一种包括被配置为根据入射光的波长单独地对入射光进行聚焦的分色透镜阵列的图像传感器和包括图像传感器的电子设备。
背景技术
图像传感器通常通过使用滤色器来感测入射光的颜色。然而，由于滤色器吸收除光的对应颜色以外的颜色的光，所以滤色器可能具有低的光利用效率。例如，当使用RGB(红色、绿色和蓝色)滤色器时，仅入射光的1/3被透射，而入射光的另一部分(即入射光的2/3)被吸收。因此，光利用效率仅为约33％。因此，在彩色显示装置或彩色图像传感器中，大部分光损失发生在彩色滤光器中。
发明内容
一个或多个示例实施例提供了图像传感器，该图像传感器通过使用被配置为根据入射光的波长分别聚焦入射光的分色透镜阵列来提供具有提高的光利用效率。
一个或多个示例实施例还提供了包括该图像传感器的电子设备。
附加方面部分地将在接下来的描述中阐述，且部分地将通过该描述而变得清楚明白，或者可以通过对本公开的示例实施例的实践来获知。
根据示例实施例的一方面，提供了一种图像传感器，包括：传感器衬底，包括被配置为感测光的多个第一感光单元和被配置为感测光的多个第二感光单元；以及分色透镜阵列，设置在所述传感器衬底上方，所述分色透镜阵列包括多个第一区域和多个第二区域，其中，所述多个第一区域分别对应于所述多个第一感光单元并且具有第一精细结构，并且所述多个第二区域分别对应于所述多个第二感光单元并且具有与所述第一精细结构不同的第二精细结构，其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构被配置为在所述多个第一区域和所述多个第二区域下方形成相位分布，其中，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的第一波长的光和第二波长的光基于所述相位分布而分别被分支到不同的方向并聚焦在所述多个第一感光单元和所述多个第二感光单元上，并且其中，在所述分色透镜阵列的中心处的多个第一区域和多个第二区域的位置和与个多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元的位置一致，并且在所述分色透镜阵列的外围部分上的多个第一区域和多个第二区域的位置相对于与该多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元朝向所述分色透镜阵列的中心移位。
在所述分色透镜阵列的外围部分上的多个第一区域和多个第二区域相对于与该多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元的移位程度可以随着距所述分色透镜阵列的中心的距离的增大而增大。
所述多个第一区域和所述多个第二区域相对于分别与该多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元的移位距离可以满足：s＝d×tan(CRA′)，其中d表示所述分色透镜阵列的下表面与所述传感器衬底的上表面之间的最短距离，并且CRA’是入射在所述传感器衬底上的光的入射角。
所述第一精细结构和所述第二精细结构可以被配置为使得在所述第一波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第一波长的光在与所述多个第一感光单元的中心对应的位置处形成2Nπ的相位分布，并在与所述多个第二感光单元的中心对应的位置处形成 (2N-1)π的相位分布，其中N是大于0的整数。
所述第一精细结构和所述第二精细结构可以被配置为使得在所述第二波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第二波长的光在与所述多个第一感光单元的中心对应的位置处形成(2M-1)π的相位分布，并在与所述多个第二感光单元的中心对应的位置处形成 2Mπ的相位分布，其中M是大于0的整数。
图像传感器还可以包括：间隔层，设置在所述传感器衬底与所述分色透镜阵列之间，所述间隔层被配置为形成所述传感器衬底与所述分色透镜阵列之间的距离。
当所述间隔层的理论厚度为ht并且所述多个第一感光单元和所述多个第二感光单元之间的间距为p时，所述间隔层的厚度h可以满足 ht-p≤h≤ht+p，并且其中，所述间隔层的理论厚度可以是所述分色透镜阵列在要由所述分色透镜阵列分离的入射光的波长带的中心波长处的焦距。
当所述间隔层的折射率为n并且由所述分色透镜阵列分离的光的波长带的中心波长为λ0时，所述间隔层的理论厚度ht可以满足：
Figure BDA0002735235580000031
传感器基板还可以包括用于感测光的多个第三感光单元和多个第四感光单元，其中，所述分色透镜阵列还可以包括：多个第三区域，分别对应于所述多个第三感光单元，并且具有与所述第一精细结构和所述第二精细结构不同的第三精细结构；以及多个第四区域，分别对应于所述多个第四感光单元，并且具有与所述第一精细结构、所述第二精细结构和所述第三精细结构不同的第四精细结构，并且其中，所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域可以分别沿四个象限表面设置。
在所述图像传感器的中心处，所述分色透镜阵列的多个第一区域、多个第二区域、多个第三区域和多个第四区域的位置可以与分别对应于该多个第一区域、该多个第二区域、该多个第三区域和该多个第四区域的多个第一感光单元、多个第二感光单元、多个第三感光单元和多个第四感光单元的位置一致，并且在所述图像传感器的外围部分处，所述分色透镜阵列的多个第一区域、多个第二区域、多个第三区域和多个第四区域可以相对于分别对应于该多个第一区域、该多个第二区域、该多个第三区域和该多个第四区域的多个第一感光单元、多个第二感光单元、多个第三感光单元和多个第四感光单元朝向所述图像传感器的中心移位。
在所述图像传感器的外围部分处，所述分色透镜阵列的多个第一区域、多个第二区域、多个第三区域和多个第四区域相对于分别对应于该多个第一区域、该多个第二区域、该多个第三区域和该述多个第四区域的多个第一感光单元、多个第二感光单元、多个第三感光单元和多个第四感光单元朝向所述图像传感器的中心的移位程度可以随着距所述图像传感器的中心的距离的增大而增大。
所述第一精细结构、所述第二精细结构、所述第三精细结构和所述第四精细结构可以被配置为形成相位分布，通过所述相位分布，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的所述第一波长的光、所述第二波长的光和第三波长的光被分支到彼此不同的方向，并且在穿过所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域后的位置处，所述第一波长的光可以会聚在所述多个第一感光单元和所述多个第四感光单元上，所述第二波长的光可以会聚在所述多个第二感光单元上，并且所述第三波长的光可以会聚在所述多个第三感光单元上。
所述第一波长的光可以是绿光，所述第二波长的光可以是蓝光，并且所述第三波长的光可以是红光。
所述第一精细结构、所述第二精细结构、所述第三精细结构和所述第四精细结构可以被配置为使得：在所述第一波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第一波长的光在与所述多个第一感光单元的中心和所述多个第四感光单元的中心对应的位置处形成2Nπ的相位分布，并在与所述多个第二感光单元的中心和所述多个第三感光单元的中心对应的位置处形成(2N-1)π的相位分布，在所述第二波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第二波长的光在与所述多个第一感光单元的中心和所述多个第四感光单元的中心对应的位置处形成(2M-1)π的相位分布，在与所述多个第二感光单元的中心对应的位置处形成2Mπ的相位分布，并且在与所述多个第三感光单元的中心对应的位置处形成大于(2M-2)π且小于(2M-1)π的相位分布，并且在所述分色透镜阵列下方的位置处，第三波长的光在所述多个第一光感单元的中心和所述多个第四光感单元的中心上形成(2L-1)π的相位分布，在所述多个第三光感单元的中心上形成2Lπ的相位分布，并且在所述多个第二光感单元的中心上形成大于(2L-2) π且小于(2L-1)π的相位分布，在所述第三波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第三波长的光在与所述多个第一感光单元的中心和所述多个第四感光单元的中心对应的位置处形成(2L-1)π的相位分布，在与所述多个第三光感单元的中心对应的位置处形成 2Lπ的相位分布，并且在与所述多个第二感光单元的中心对应的位置处形成大于(2L-2)π且小于(2L-1)π的相位分布，其中N、M和L为大于0的整数。
所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域中的所述第一精细结构、所述第二精细结构、所述第三精细结构和所述第四精细结构可以包括多个纳米柱，并且其中，纳米柱在所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域中的形状、大小和布置中的至少一项可以彼此不同。
图像传感器可以包括多个单位像素，每个单位像素包括重复设置的红色像素、绿色像素和蓝色像素，并且在所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域之中的与所述绿色像素对应的区域中设置的纳米柱可以在第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上具有不同的分布规则。
在所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域之中的与所述蓝色像素对应的区域和与所述红色像素对应的区域中设置的纳米柱可以在所述第一方向和所述第二方向上可以具有对称的分布规则。
多个纳米柱中的每个可以包括第一纳米柱和设置在所述第一纳米柱上的第二纳米柱，在所述图像传感器的中心处，所述第二纳米柱的位置可以与所述第一纳米柱的位置一致，并且所述图像传感器的外围部分处，所述第二纳米柱可以相对于所述第一纳米柱朝向所述图像传感器的中心移位。
在所述图像传感器的外围部分处，所述第二纳米柱相对于所述第一纳米柱的移位程度可以随着距所述图像传感器的中心的距离的增大而增大。
所述多个纳米柱中的每一个可以包括第一纳米柱、设置在所述第一纳米柱上的第二纳米柱、和设置在所述第二纳米柱上的第三纳米柱，在所述图像传感器的中心处，所述第二纳米柱的位置和所述第三纳米柱的位置可以与所述第一纳米柱的位置一致，并且在所述图像传感器的外围部分处，所述第二纳米柱可以相对于所述第一纳米柱朝向所述图像传感器的中心移位，并且所述第三纳米柱可以相对于所述第二纳米柱朝向所述图像传感器的中心移位。
在所述图像传感器的外围部分处所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域中的一个区域中设置的所述纳米柱中的每一个纳米柱的线宽可以大于在所述图像传感器的中心处相同区域的相同位置处的纳米柱的线宽。
当在所述图像传感器的外围部分上纳米柱的线宽为w并且在所述图像传感器的中心上纳米柱的线宽为w0时，w和w0可以满足： w～w0·(1+sin CRA/10)，其中，CRA是入射在所述分色透镜阵列上的光的入射角。
所述图像传感器的最外边缘处的纳米柱的线宽可以比所述图像传感器的中心处的纳米柱的线宽大2.5％至6.5％。
所述分色透镜阵列还可以包括多个第一突起区域和多个第二突起区域，所述多个第一突起区域和所述多个第二突起区域从所述传感器衬底的边缘突出并且在竖直方向上不面对所述传感器衬底中的所述多个第一感光单元和所述多个第二感光单元中的任何一个感光单元。
所述分色透镜阵列的总面积可以小于所述传感器衬底的总面积。
所述分色透镜阵列还可以包括第一分色透镜阵列和设置在所述第一分色透镜阵列上的第二分色透镜阵列，并且其中，所述第一分色透镜阵列的第一区域和第二区域中的第一精细结构和第二精细结构可以包括多个纳米柱，并且所述第二分色透镜阵列的第一区域和第二区域中的第一精细结构和第二精细结构可以包括多个纳米柱，并且其中，所述第一分色透镜阵列中包括的多个纳米柱的布置形式可以与所述第二分色透镜阵列中包括的多个纳米柱的布置形式不同。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种图像传感器，包括：传感器衬底，包括被配置为感测光的多个第一感光单元和被配置为感测光的多个第二感光单元；以及分色透镜阵列，包括：多个第一区域，每个第一区域包括具有第一折射率并形成第一图案的第一电介质、以及具有小于所述第一折射率的第二折射率并填充所述第一电介质中的所述第一图案的空间的第二电介质，所述多个第一区域分别对应于所述多个第一感光单元；以及多个第二区域，每个第二区域包括具有所述第一折射率并形成与所述第一图案不同的第二图案的第一电介质、以及具有小于所述第一折射率的第二折射率并填充所述第一电介质中的所述第二图案的空间的第二电介质，所述多个第二区域分别对应于所述多个第二感光单元，其中，所述多个第一区域和所述多个第二区域被配置为在所述多个第一区域和所述多个第二区域下方形成相位分布，其中，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的第一波长的光和第二波长的光基于所述相位分布而分别被分支到不同的方向上并会聚在所述多个第一感光单元的中的每一个和所述多个第二感光单元中的每一个上，并且其中，所述多个第一区域中的所述第一图案的形状和所述第二区域中的所述第二图案的形状从所述分色透镜阵列的中心朝向所述分色透镜阵列的外围部分逐渐改变。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种电子设备，包括：成像设备，被配置为聚焦从物体反射的光以形成光学图像；以及图像传感器，被配置为将由所述成像设备形成的光学图像转换成电信号，其中，所述图像传感器包括：传感器衬底，包括用于感测光的多个第一感光单元和多个第二感光单元；以及分色透镜阵列，设置在所述传感器衬底上方，并且包括多个第一区域和多个第二区域，其中，所述多个第一区域分别对应于所述多个第一感光单元并且具有第一精细结构，并且所述多个第二区域分别对应于所述多个第二感光单元并且具有与所述第一精细结构不同的第二精细结构，其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构被配置为在所述多个第一区域和所述多个第二区域下方形成相位分布，其中，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的第一波长的光和第二波长的光基于所述相位分布而分别被分支到不同的方向并会聚在所述多个第一感光单元中的每一个和所述多个第二感光单元中的每一个上，并且其中，在所述分色透镜阵列的中心上，多个第一区域和多个第二区域的位置与对应于该多个第一区域和该多个第二区域的多个第一感光单元和多个第二感光单元的位置一致，并且在所述分色透镜阵列的外围部分上，多个第一区域和多个第二区域的位置相对于与该多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元朝向所述分色透镜阵列的中心移位。
所述电子设备可以包括智能电话、移动电话、个人数字助理 (PDA)、膝上型计算机或个人计算机(PC)。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种图像传感器，包括：传感器衬底，包括被配置为感测光的多个第一感光单元和被配置为感测光的多个第二感光单元；以及分色透镜阵列，设置在所述传感器衬底上方，并且包括多个第一区域和多个第二区域，其中，所述多个第一区域分别对应于所述多个第一感光单元并且具有第一精细结构，并且所述多个第二区域分别对应于所述多个第二感光单元并且具有与所述第一精细结构不同的第二精细结构，其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构被配置为在所述多个第一区域和所述多个第二区域下方形成相位分布，其中，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的第一波长的光和第二波长的光基于所述相位分布而分别被分支到不同的方向并聚焦在所述多个第一感光单元和所述多个第二感光单元上，其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构分别包括多个纳米柱，其中，所述多个纳米柱中的每一个包括第一纳米柱和设置在所述第一纳米柱上的第二纳米柱，并且其中，在所述图像传感器的中心处，所述第二纳米柱的位置与所述第一纳米柱的位置一致，并且在所述图像传感器的外围部分处，所述第二纳米柱相对于所述第一纳米柱朝向所述图像传感器的中心移位。
附图说明
根据结合附图的以下描述，将更清楚示例实施例的以上和其他方面、特征和优点，在附图中：
图1是根据示例实施例的图像传感器的框图；
图2A、图2B和图2C是示出根据示例实施例的图像传感器的像素阵列中的各种像素布置的示例的图；
图3是示出根据示例实施例的分色透镜阵列的结构和操作的概念图；
图4A和图4B是根据示例实施例的图像传感器中的像素阵列的截面图；
图5A是示出根据示例实施例的图像传感器的像素阵列中的感光单元的布置的俯视图，图5B是示出根据示例实施例的分色透镜阵列的多个区域中的纳米柱的布置的示例的俯视图；图5C是图5B的一部分的放大俯视图；
图6A和图6B是示出根据示例实施例的穿过分色透镜阵列的蓝光的相位分布和在面对的感光单元中蓝光的聚焦分布的计算机仿真的视图，图6C示出了根据示例实施例的入射在与蓝色像素对应的分色透镜阵列的第二区域和第二区域的外围上的蓝光的行进方向，并且图6D 示出了根据示例实施例的分色透镜阵列相对于蓝光等效地起作用的微透镜阵列的示例；
图7A和图7B是示出根据示例实施例的穿过分色透镜阵列的绿光的相位分布和在面对的感光单元中绿光的聚焦分布的计算机仿真的视图，图7C示出了根据示例实施例的入射在与绿色像素对应的分色透镜阵列的第一区域和第一区域的外围上的绿光的行进方向，并且图7D 示出了根据示例实施例的分色透镜阵列相对于绿光等效地起作用的微透镜阵列的示例；
图8A和图8B是示出根据示例实施例的穿过分色透镜阵列的红光的相位分布和在面对的感光单元中红光的聚焦分布的计算机仿真的视图，图8C示出了根据示例实施例的入射在与红色像素对应的分色透镜阵列的第三区域和第三区域的外围上的红光的行进方向，并且图8D 示出了根据示例实施例的分色透镜阵列相对于红光等效地起作用的微透镜阵列的示例；
图9A、图9B、图9C、图9D和图9E是示出根据示例实施例的当感光单元的间距为0.7μm时分色透镜阵列的效率根据分色透镜阵列与传感器衬底之间的距离变化的曲线图；
图10A、图10B、图10C、图10D和图10E是示出根据示例实施例的当感光单元的间距为0.8μm时分色透镜阵列的效率根据分色透镜阵列与传感器衬底之间的距离变化的曲线图；
图11A、图11B、图11C、图11D和图11E是示出示出根据示例实施例的当感光单元的间距为1.0μm时分色透镜阵列的效率根据分色透镜阵列与传感器衬底之间的距离变化的曲线图；
图12是示出根据示例实施例的可以在图像传感器的分色透镜阵列中采用的纳米柱的示例性形状的透视图；
图13A、图13B、图13C、图13D、图13E、图13F、图13G和图13H是示出根据另一示例实施例的可以在图像传感器的分色透镜阵列中采用的纳米柱的示例性形状的俯视图；
图14是示出根据另一示例实施例的包括在图像传感器的分色透镜阵列中的多个纳米柱的布置形式的俯视图；
图15是示出根据另一示例实施例的包括在图像传感器的分色透镜阵列中的多个纳米柱的布置形式的俯视图；
图16是示出根据另一示例实施例的包括在图像传感器的分色透镜阵列中的多个纳米柱的布置形式的俯视图；
图17是示出根据另一示例实施例的包括在图像传感器的分色透镜阵列中的多个纳米柱的布置形式的俯视图；
图18是示例性地示出在包括图17的分色透镜阵列的图像传感器中分别入射到红色像素、绿色像素和蓝色像素上的光的光谱分布的曲线图；
图19A和图19B是示出从不同截面观察的根据另一示例实施例的图像传感器中的像素阵列的示意结构的截面图；
图20和图21是示出入射到根据实施例的图像传感器的红色像素、绿色像素和蓝色像素中的每一个上的光的光谱分布的曲线图，其分别涉及设置有滤色器的情况以及未设置滤色器的情况；
图22是根据示例实施例的相机的概念图；
图23A、图23B和图23C是示出根据示例实施例的根据图像传感器上的位置的分色透镜阵列中的纳米柱的布置形式的变化的俯视图；
图24是示出根据另一示例实施例的图像传感器中的像素阵列的示意性结构的截面图；
图25是示例性地示出在图22的相机的图像传感器中所应用的分色透镜阵列中二维布置的纳米柱的移位的俯视图；
图26是包括图25的分色透镜阵列的图像传感器中的像素阵列的截面图；
图27是示出在图26的图像传感器的分色透镜阵列中采用的纳米柱的示例性形状的透视图；
图28是示出根据另一示例实施例的图像传感器中的像素阵列的示意性结构的截面图；
图29A、图29B和图29C是示例性地示出根据示例实施例的分别入射在图像传感器中的红色像素、绿色像素和蓝色像素上的光的光谱分布的曲线图，并且分别涉及不考虑根据图像传感器上的位置的主光线角的变化的情况、考虑主光线角的变化而改变纳米柱的位置的情况、以及考虑主光线角的变化而将纳米柱配置为双级的情况；
图30A和图30B是示出根据另一示例实施例的纳米柱的线宽根据图像传感器上的位置的变化的俯视图；
图31是示例性地示出分别入射在图30的图像传感器中的红色像素、绿色像素和蓝色像素上的光的光谱分布的曲线图；
图32和图33是示出根据另一示例实施例的在分色透镜阵列中采用的各种形状的纳米柱的俯视图；
图34和图35是示出根据另一示例实施例的在分色透镜阵列中采用的各种截面形状的纳米柱的截面图；
图36是示出根据另一示例实施例的图像传感器中的像素阵列的示意性结构的截面图；
图37是示出根据另一示例实施例的分色透镜阵列的结构和操作的概念图；
图38是示出根据示例实施例的可以应用于拜耳图案类型的图像传感器的分色透镜阵列的单位图案阵列的示例的俯视图；
图39是沿线A-A’截取的图38的单位图案阵列的截面图；
图40是沿线B-B’截取的图38的单位图案阵列的截面图；
图41是示出包括多个图38的单位图案阵列在内的分色透镜阵列的布置的示例的俯视图；
图42A是示出图38的单位图案阵列中的第一区域的示例的图；图42B是示出根据示例实施例的图像传感器中的与第一区域对应的像素和外围像素的图；
图43A是示出图38的单位图案阵列中的第二区域的示例的图；图43B是示出根据示例实施例的图像传感器中的与第二区域对应的像素和外围像素的图；
图44A是示出图38的单位图案阵列中的第三区域的示例的图；图44B是示出根据示例实施例的图像传感器中的与第三区域对应的像素和外围像素的图；
图45A是示出图38的单位图案阵列中的第四区域的示例的图；图45B是示出根据示例实施例的图像传感器中的与第四区域对应的像素和外围像素的图；
图46是示出根据另一示例实施例的分色透镜阵列中的单位图案阵列的示例性形式的俯视图；
图47是示出根据另一示例实施例的分色透镜阵列中的单位图案阵列的示例性形式的俯视图；
图48A和图48B是根据示例实施例的采用分色透镜阵列的图像传感器中的像素阵列沿不同截面截取的截面图；
图49是示出根据另一示例实施例的分色透镜阵列的示例的俯视图；
图50是包括图49的分色透镜阵列的图像传感器中的像素阵列的截面图；
图51是示出根据另一示例实施例的分色透镜阵列中的多个单位图案阵列的布置的示例的俯视图；
图52是示出根据另一示例实施例的图像传感器中的像素阵列的示意性结构的截面图；
图53是根据一个或多个示例实施例的包括图像传感器的电子设备的框图；以及
图54、图55、图56、图57、图58、图59、图60、图61、图 62、图63和图64是示出应用有根据一个或多个示例实施例的图像传感器的电子设备的各种示例的图。
具体实施方式
现在详细参考附图中所示的示例实施例，其中贯穿附图相同的附图标记指代相同的元件。在这点上，示例性实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述示例实施例，以解释各个方面。如本文中所使用的术语“和 /或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。诸如“...... 中的至少一个”之类的表述在元件列表之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应该理解为仅包括a、仅包括b、仅包括c、包括a和b两者、包括a和 c两者、包括b和c二者、或包括a、b和c的全部、或者其变体。
在下文中，将参照附图详细描述包括分色透镜阵列的图像传感器和包括该图像传感器的电子设备。示例实施例能够进行各种修改并且可以以许多不同的形式来体现。在附图中，相同的附图标记表示相同的组件，并且为了便于说明，附图中的组件的尺寸可以被放大。
当将层、膜、区域或面板称为在另一元素“上”时，它可以直接在另一层或衬底的上/下/在左侧/右侧，或者也可以存在中间层。
应当理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以在本文用于描述各种组件，但是这些组件不应该受这些术语的限制。这些组件仅用于区分一个组件和另一组件。这些术语不限制组件的材料或结构彼此不同。
单数形式的表述涵盖复数表述，除非在上下文中具有明确的不同意义。还将理解的是，当一部分被称为“包括”另一组件时，除非上下文另有说明，否则该部分可以不排除另一组件，而是还可以包括另一组件。
另外，本文提供的诸如“...单元”、“模块”等的术语指示执行功能或操作的单元，并且可以通过硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。
术语“上述”和类似指示性术语的使用可以对应于单数形式和复数形式两者。
同样，可以按照任何适当顺序执行本文中描述的所有方法的步骤，除非本文中另外指出或者上下文另外明确地相反指示。同样，所有示例性术语(例如，等)的使用仅是为了详细描述技术精神，并且权利范围不受这些术语的限制，除非上下文由权利要求书限制。
图1是根据示例实施例的图像传感器1000的框图。参照图1，图像传感器1000可以包括像素阵列1100、时序控制器1010、行解码器1020和输出电路1030。图像传感器可以包括电荷耦合器件(CCD) 图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
像素阵列1100包括以多个行和列二维布置的像素。行解码器1020 响应于从时序控制器1010输出的行地址信号来选择像素阵列1100中的行之一。输出电路1030以列为单位从布置在所选行中的多个像素输出感光信号。为此，输出电路1030可以包括列解码器和模数转换器 (ADC)。例如，输出电路1030可以包括列解码器、以及分别针对像素阵列1100中的列布置的多个ADC或者布置在列解码器的输出端的一个ADC。时序控制器1010、行解码器1020和输出电路1030可以被实现为一个芯片或以单独的芯片实现。用于处理从输出电路1030 输出的图像信号的处理器可以与时序控制器1010、行解码器1020和输出电路1030一起实现为一个芯片。
像素阵列1100可以包括感测不同波长的光的多个像素。可以如图2A至图2C所示的各种方式布置像素。
图2A示出了在图像传感器1000中采用的拜耳图案。参照图2A，一个单位像素包括四个象限区域，并且分别地，第一象限区域可以是蓝色像素B，第二象限区域可以是绿色像素G，第三象限区域可以是红色像素R，并且第四象限区域可以是绿色像素G。单位像素可以在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上重复且二维地布置。例如，在2×2阵列的单位像素中，两个绿色像素G在一个对角线方向上布置，并且一个蓝色像素B和一个红色像素R在另一对角线方向上布置。在像素的整体布置中，重复布置有：在第一方向上交替布置有多个绿色像素G和多个蓝色像素B的第一行、和在第一方向上交替布置有多个红色像素R和多个绿色像素G的第二行。
然而，像素阵列1100的布置不限于拜耳图案，而是可以以拜耳图案之外的各种类型布置像素。例如，参照图2B，可以使用其中洋红色像素M、青色像素C、黄色像素Y和绿色像素G配置成一个单位像素的CYGM布置。同样，参照图2C，可以使用其中绿色像素G、红色像素R、蓝色像素和白色像素W配置成一个单位像素的RGBW布置。单位像素可以具有3×2阵列。除了以上示例之外，可以根据图像传感器1000的颜色特性以各种方式布置像素阵列1100中的像素。在下文中，将描述图像传感器1000中的像素阵列1100具有拜耳图案，但是稍后描述的示例实施例的原理也将应用于除拜耳图案之外的其他像素布置。
根据示例实施例，图像传感器1000的像素阵列1100可以包括：分色透镜阵列，被配置为将与每个像素对应的颜色的光聚焦到每个像素上。图3是示出根据示例实施例的分色透镜阵列130的结构和操作的概念图。参照图3，分色透镜阵列130包括根据预定规则布置在平面上的纳米柱NP。分色透镜阵列130可以设置在间隔层120上。
在此，该规则可以应用于诸如纳米柱NP的形状、大小(宽度和高度)、纳米柱NP之间的距离以及纳米柱NP的布置形式等参数。可以根据将由分色透镜阵列130对入射光Li实现的目标相位分布TP来确定这些参数。可以考虑第一目标区域R1和第二目标区域R2来确定目标相位分布TP，在第一目标区域R1和第二目标区域R2中，入射光Li的波长被分离并且光将被会聚。为了便于说明，在分色透镜阵列 130与目标区域R1和R2之间指示了目标相位分布TP。实际目标相位分布TP可以是入射光Li穿过分色透镜阵列130后紧接的位置处的相位分布，例如，在分色透镜阵列130的下表面或间隔层120的上表面上的相位分布。
分色透镜阵列130可以包括分别具有彼此不同的第一精细结构和第二精细结构的第一区域131和第二区域132。例如，第一区域131 和第二区域132中的每一个可以包括一个或多个纳米柱NP。第一区域131和第二区域132中的每一个可以面对第一目标区域R1和第二目标区域R2，并且可以一一对应。三个纳米柱NP可以布置在第一区域131和第二区域132的每一个中。然而，实施例不限于此。同样，纳米柱NP可以完全位于第一区域131和第二区域132之一中。然而，实施例不限于此，并且一些纳米柱NP可以布置在第一区域131和第二区域132之间的边界上。
分色透镜阵列130的纳米柱NP可以形成在入射光Li中包括的不同波长的光沿不同方向分支并会聚的相位分布。例如，在第一区域131 和第二区域132中分布的纳米柱NP的形状、大小、布置等可以被确定为使得第一波长的光(Lλ1)具有第一相位分布并且第二波长的光 (Lλ2)具有第二相位分布的目标相位分布TP，其中光Lλ1和光Lλ2包括在入射光Li中。根据目标相位分布TP，具有第一波长的光Lλ1和具有第二波长的光Lλ2可以在第一目标区域R1和第二目标区域R2中的每一个中会聚在距纳米柱NP的阵列预定的分离距离A处。
纳米柱NP布置在第一区域131中的规则、和纳米柱NP布置在第二区域132中的规则可以彼此不同。例如，包括在第一区域131 中的纳米柱NP的形状、大小和布置中的至少一个可以不同于包括在第二区域132中的纳米柱NP的形状、大小和布置。
纳米柱NP可以具有小于要分支的波长带的子波长尺寸。纳米柱NP可以具有小于第一波长和第二波长中的较短波长的形状尺寸，并且当入射光Li是可见光时，纳米柱NP可以具有小于400nm、300nm 或200nm的尺寸。
纳米柱NP可以包括具有比外围材料的折射率高的折射率的材料。例如，纳米柱NP可以包括c-Si、p-Si、a-Si和III-V化合物半导体(磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)等)、碳化硅(SiC)、氧化钛(TiO2)、氮化硅(SiN)和/或它们的组合。具有与外围材料的折射率不同的折射率的纳米柱NP可以改变穿过的光的相位。这是由子波长尺寸引起的相位延迟引起的，并且相位的延迟程度可以由纳米柱NP的详细形状尺寸、布置类型等来确定。外围材料可以具有比纳米柱NP的折射率低的折射率的介电材料，例如，SiO2或空气。
第一波长λ1和第二波长λ2可以在可见光的波长带中。然而，实施例不限于此，并且可以根据纳米柱NP的规则来实现各种波长带。图3示出了两个波长被分支和会聚。然而，实施例不限于此，并且入射光可以根据波长被分支到三个或更多个方向，并被会聚。
在下文中，将描述上述分色透镜阵列130应用于图像传感器1000 的像素阵列1100的示例。
图4A和图4B是根据示例实施例的像素阵列1100的截面图。图 5A是示出根据示例实施例的像素阵列1100中的感光单元的布置的俯视图，并且图5B是示出根据示例实施例的分色透镜阵列中布置纳米柱的示例的俯视图。
参照图4A和图4B，像素阵列1100包括：传感器衬底110，包括被配置为感测光的多个感光单元111、112、113和114；间隔层120，是透明的并且设置在传感器衬底110的上表面上；以及分色透镜阵列 130，设置在传感器衬底上方的间隔层120的上表面上。
传感器衬底110可以包括将光转换成电信号的第一感光单元111、第二感光单元112、第三感光单元113和第四感光单元114。如图4A 所示，第一感光单元111和第二感光单元112可以在第一方向(X方向)上以及在Y方向位置不同于图4A的截面中交替布置，如图4B所示，第三感光单元113和第四感光单元114可以交替布置。该区域划分被配置为按像素单位感测入射光。例如，第一感光单元111和第四感光单元114可以感测具有与第一像素对应的第一波长的光，第二感光单元112可以感测具有与第二像素对应的第二波长的光，并且第三感光单元113可以感测具有与第三像素对应的第三波长的光。在下文中，具有第一波长的光、具有第二波长的光和具有第三波长的光将分别示出为绿光、蓝光和红光，并且第一像素、第二像素和第三像素将作为示例分别描述为绿色像素G、蓝色像素B和红色像素R。可以在感光单元之间进一步形成用于分离单元的分离物。
间隔层120在支撑分色透镜阵列130的同时将传感器衬底110和分色透镜阵列130之间的间隙保持恒定，并且可以具有相对于可见光的透明材料。例如，间隔层120可以包括以下介电材料，该介电材料具有比分色透镜阵列130中的纳米柱NP的折射率低的折射率并且在可见光带中具有低吸收率，例如，SiO2、基于硅氧烷的旋涂玻璃(SOG) 等。
分色透镜阵列130包括根据预定规则布置的纳米柱NP。分色透镜阵列130可以进一步包括用于保护纳米柱NP的保护层。保护层可以包括折射率比用于形成纳米柱NP的材料的折射率低的介电材料。
分色透镜阵列130被一对一对应地划分为面对多个感光单元111、 112、113和114的第一区域131、第二区域132、第三区域133和第四区域134。一个或多个纳米柱NP可以布置在多个区域131、132、 133和134的每一个中，并且纳米柱NP的形状、大小和布置中的至少一个可以根据区域而彼此不同。
分色透镜阵列130被划分为使得第一波长的光被分支到并聚焦在第一感光单元111和第四感光单元114中并会聚，第二波长的光被分支到并聚焦在第二感光单元112中并会聚，并且第三波长的光被分支到并聚焦在第三感光单元113中并会聚。另外，对于每个区域，确定纳米柱NP的大小、形状和布置。
当像素阵列1100具有如图2A所示的拜耳图案的布置时，图5A 的第一感光单元111和第四感光单元114对应于绿色像素G，第二感光单元112对应于蓝色像素B，并且第三感光单元113对应于红色像素R。
参照图5B，分色透镜阵列130的第一区域131和第四区域134 对应于绿色像素G，第二感光单元112和第二区域132对应于蓝色像素B，并且第三感光单元113和第三区域133对应于红色像素R。因此，分色透镜阵列130包括二维布置的多个单位图案阵列，并且每个单位图案阵列包括以2×2布置的第一区域131、第二区域132、第三区域133和第四区域134。
如图5B所示，与绿色像素G对应的第一区域131和第四区域134、与蓝色像素B对应的第二区域132以及与红色像素R对应的第三区域 133可以包括纳米柱NP，每个纳米柱NP具有圆形截面的圆柱形形状。具有彼此不同的截面面积的纳米柱NP布置在第一区域131、第二区域132、第三区域133和第四区域134的中心上以基于不同波长的光来分支入射光，并且纳米柱NP也可以布置在像素之间的边界的中心和像素边界的交叉点上。布置在像素之间的边界处的纳米柱NP的截面面积可以小于布置在像素的中心处的纳米柱NP的截面面积。
图5C示出了纳米柱NP在图5B的一些区域(即，构成单位图案阵列的第一区域至第四区域131、132、133和134)中的布置。在图 5C中，根据在单位图案阵列中的详细位置，将纳米柱NP指示为p1 至p9。参照图5C，在纳米柱NP中，第一区域131的中心上的纳米柱 p1和第四区域134的中心上的纳米柱p4的截面面积大于第二区域132 的中心上的纳米柱p2或第三区域133的中心上的纳米柱p3的截面面积，并且第二区域132的中心上的纳米柱p2的截面面积大于第三区域 133的中心上的纳米柱p3的截面面积。然而，实施例不限于以上示例，并且如果需要，可以应用具有各种形状、大小和布置的纳米柱NP。
包括在与绿色像素G对应的第一区域131和第四区域134中的纳米柱NP可以在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上具有不同的分布规则。例如，布置在第一区域131和第四区域134中的纳米柱NP可以在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上具有不同的大小布置。如图5C所示，在纳米柱NP中，位于第一区域131和在第一方向(X方向)上与第一区域131相邻的第二区域132之间的边界处的纳米柱p5的截面面积不同于位于第一区域131和在第二方向 (Y方向)上与第一区域131相邻的第三区域133之间的边界处的纳米柱p6的截面面积。同样，位于第四区域134和在第一方向(X方向) 上与第四区域134相邻的第三区域133之间的边界处的纳米柱p7的截面面积不同于位于第四区域134和在第二方向(Y方向)上与第四区域134相邻的第二区域132之间的边界处的纳米柱p8的截面面积。
同时，布置在与蓝色像素B对应的第二区域132和与红色像素R 对应的第三区域133中的纳米柱NP可以在第一方向和第二方向(X 方向和Y方向)上具有对称的分布规则。如图5C所示，在纳米柱 NP中，在第一方向(X方向)上与第二区域132相邻的像素之间的边界处的纳米柱p5的截面面积与在第二方向(Y方向)上与第二区域 132相邻的像素之间的边界处的纳米柱p8的截面面积彼此相同，并且在第三区域133中，在第一方向(X方向)上相邻的像素之间的边界处的纳米柱p7的截面面积与在第二方向(Y方向)上相邻的像素之间的边界处的纳米柱p6的截面面积彼此相同。
同样，在第一区域至第四区域131、132、133和134中的每个区域中的四个角处的纳米柱p9(即，四个区域彼此交叉的点)具有彼此相同的截面面积。上述分布是由拜耳图案中的像素布置引起的。在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上与蓝色像素B和红色像素 R相邻的像素是绿色像素G，而在第一方向(X方向)上与对应于第一区域131的绿色像素G相邻的像素是蓝色像素B，并且在第二方向 (Y方向)上与绿色像素G相邻的像素是红色像素R。另外，在第一方向(X方向)上与对应于第四区域134的绿色像素G相邻的像素是红色像素R，并且在第二方向(Y方向)上与绿色像素G相邻的像素是蓝色像素B。另外，与第一区域131和第四区域134对应的绿色像素G与相同像素(例如，在四个对角线方向上的绿色像素G)相邻，与第二区域132对应的蓝色像素B与相同像素(例如，在四个对角线方向上的红色像素R)相邻，并且与第三区域133对应的红色像素R 与相同像素(例如，在四个对角线方向上的蓝色像素B)相邻。因此，在分别与蓝色像素B和红色像素R对应的第二区域132和第三区域133中，纳米柱NP可以以4重对称的形式布置，并且在与绿色像素G 对应的第一区域131和第四区域134中，纳米柱NP可以以2重对称的形式布置。特别地，第一区域131和第四区域134相对于彼此旋转 90°角。
示出了多个纳米柱NP具有对称的圆形截面形状。然而，实施例不限于此，并且可以包括一些具有非对称截面形状的纳米柱。例如，与绿色像素G对应的第一区域131和第四区域134采用具有非对称截面形状的纳米柱，该非对称截面形状在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上具有不同的宽度，并且与蓝色像素B和红色像素R对应的第二区域132和第三区域133可以采用具有对称截面形状的纳米柱，该对称截面形状在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上具有相同的宽度。
分色透镜阵列130的布置规则是用于实现目标相位分布的示例，在该目标相位分布中，具有第一波长的光被分支并聚焦在第一感光单元111和第四感光单元114上，具有第二波长的光被分支并聚焦在第二感光单元112上，并且具有第三波长的光被分支并聚焦在第三感光单元113上，并且该布置规则不限于所示的图案。
分色透镜阵列130的每个区域中的纳米柱NP的形状、大小和布置可以被确定为使得：使会聚到第一感光单元111和第四感光单元114 中且不行进到第二感光单元112和第三感光单元113的第一波长的光的相位可以形成在第一波长的光穿过分色透镜阵列130之后分色透镜阵列130下方的位置处。
同样地，分色透镜阵列130的每个区域中的纳米柱NP的形状、大小和布置可以被确定为使得：使会聚到第二感光单元112中且不行进到第一感光单元111、第三感光单元114和第四感光单元114的第二波长的光的相位可以在第二波长的光穿过分色透镜阵列130之后形成在分色透镜阵列130下方的位置处。
同样地，分色透镜阵列130的每个区域中的纳米柱NP的形状、大小和布置可以被确定为使得：使会聚到第三感光单元113中且不行进到第一感光单元111、第二感光单元112和第四感光单元114的第三波长的光的相位可以在第三波长的光穿过分色透镜阵列130之后形成在分色透镜阵列130下方的位置处。
可以确定满足以上条件的纳米柱NP的形状、大小和/或布置，并且分色透镜阵列130可以允许已经穿过分色透镜阵列130的光具有以下目标相位分布。刚好在穿过分色透镜阵列130后的位置处，即，在分色透镜阵列130的下表面或间隔层120的上表面上，具有第一波长的光的相位可以：在与第一感光单元111对应的第一区域131的中心和与第四感光单元114对应的第四区域134的中心中为2nπ，并且在与第二感光单元112对应的第二区域132的中心和与第三感光单元 113对应的第三区域133的中心为(2n+1)π。在此，N是大于0的整数。例如，刚好在穿过分色透镜阵列130后的位置处，第一波长的光的相位在第一区域131的中心和第四区域134的中心处最大，并且逐渐减小。远离第一区域131的中心和第四区域134的中心的同心圆为最小，在第二区域132的中心和第三区域133的中心最小。例如，当N为1时，刚好在穿过分色透镜阵列130后的位置处，绿光的相位可以在第一区域131的中心和第四区域134的中心处为2π，并且可以在第二区域132的中心和第三区域133的中心处为π。在此，该相位可以表示相对于刚好在光穿过纳米柱NP前的相位的相对相位值。
同样，刚好在穿过分色透镜阵列130后的位置处，第二波长的光的相位可以：在与第二感光单元112对应的第二区域132的中心处为 2Mπ；在与第一感光单元111对应的第一区域131的中心和与第四感光单元114对应的第四区域134的中心处为(2M-1)π；以及在与第三感光单元113对应的第三区域133的中心处大于(2M-2)π且小于 (2M-1)π。在此，M是大于0的整数。例如，刚好在穿过分色透镜阵列130后的位置处，第二波长的光的相位在第二区域132的中心处最大，然后可以随着同心圆远离第二区域132的中心而逐渐减小，直到在第三区域133的中心局部地(locally)最小。例如，当M为1时，在穿过分色透镜阵列130之后的位置处，第二波长的光的相位可以在第二区域132的中心处为2π，在第一区域131的中心和第四区域134 的中心处为π，以及在第三区域133的中心处为约0.2π至约0.7π。
同样，刚好在穿过分色透镜阵列130后的位置处，第三波长的光的相位可以：在与第三感光单元113对应的第二区域133的中心处为 2Mπ；在与第一感光单元111对应的第一区域131的中心和与第四感光单元114对应的第四区域134的中心处为(2L-1)π；以及在与第二感光单元112对应的第二区域132的中心处大于(2L-2)π以及小于 (2L-1)π。在此，L是大于0的整数。例如，刚好在穿过分色透镜阵列130后的位置处，第三波长的光的相位在第三区域133的中心处最大，然后可以随着同心圆远离第三区域133的中心而逐渐减小，直到在第二区域132的中心局部地最小。例如，当L为1时，在穿过分色透镜阵列130之后的位置处，第三波长的光的相位可以在第三区域 133的中心处为2π，在第一区域131的中心和第四区域134的中心处为π，以及在第二区域132的中心处为约0.2π至约0.7π。
如上所述，目标相位分布表示刚好在光穿过分色透镜阵列130后的位置处的光的相位分布。当在穿过分色透镜阵列130之后的光具有上述相位分布时，第一波长至第三波长的光分别会聚到对应的第一感光单元111至第四感光单元114中。例如，可以获得以下效果：已经穿过分色透镜阵列130的光根据波长而分支，并且然后行进到不同方向以被聚焦。
可以确定预定的传播距离要求，以便将对应的波长的光聚焦在对应的感光单元上，并且因此，可以确定间隔层120的厚度h。间隔层 120的厚度h可以根据要分支的光的波长λ、像素大小和感光单元的布置间距p而变化。间隔层120的厚度h可以大于将被分支的可见光波长带的中心波长λ，并且与作为相邻的感光单元的中心之间的距离的中心波长的布置间距p相比较，间隔层120的厚度h的范围可以从约 1p到约3p。具体地，间隔层120的厚度h可以为约500nm至约5μm。以下将参考图9A至图9E、图10A至图10E以及图11A至图11E提供对设置间隔层120的厚度h的更详细描述。
图6A和图6B是示出穿过分色透镜阵列130的蓝光的相位分布和在面对的感光单元中蓝光的聚焦分布的计算机仿真的视图，图6C示出了入射在与蓝色像素B对应的分色透镜阵列的第二区域和第二区域的外围上的光的行进方向，并且图6D示出了分色透镜阵列130相对于蓝光等效地起作用的微透镜阵列的示例。
参照图6A所示的相位分布，与蓝色像素B对应的区域的中心的相位可以近似为2π，并且与相邻绿色像素G对应的区域的中心的相位可以近似为2π，并且在对角线方向上与红色像素R对应的区域的中心的相位可以近似为小于π的值(例如，约0.2π至约0.7π)。
如图6B所示，该相位分布可以表示蓝光的聚焦分布。蓝光主要聚焦在与蓝色像素B对应的区域上，并且很少到达与其他像素对应的区域。
因此，入射在与蓝色像素B对应的第二区域132及外围上的蓝光在穿过分色透镜阵列130之后如图6C所示行进。例如，在入射在分色透镜阵列130的第二区域132和围绕第二区域132的其他区域中的某些部分上的入射光中，蓝光聚焦在面对第二区域132的第二感光单元112上。例如，来自与蓝色像素B对应的第二区域132的蓝光、来自横向方向上与第二区域132相邻的两个第一区域131的蓝光、来自纵向方向上与第二区域132相邻的两个第四区域134的蓝光和来自对角线方向上与第二区域132相邻的四个第三区域113的蓝光入射在蓝色像素B上。
因此，如图6D所示，对于蓝光，分色透镜阵列130可以起到与围绕第二感光单元112布置的多个微透镜ML1的阵列等效的操作。每个等效微透镜ML1可以大于与其对应的第二感光单元112，因此入射到第二感光单元112周围的其他区域上的蓝光以及入射在第二感光单元112的区域上的蓝光可以聚焦在第二感光单元112上。例如，每个微透镜ML1可以比与每个微透镜ML1对应的第二感光单元112大约四倍，并且每个微透镜ML1的四个边可以与第二感光单元112的四个边平行。
图7A和图7B是示出穿过分色透镜阵列的绿光的相位分布以及在面对的感光单元中绿光的聚焦分布的计算机仿真的示图，图7C示出了入射在第一区域和第四区域及其外围上的绿光的行进方向的示例，其中分色透镜阵列130的第一区域和第四区域对应于绿色像素，并且图7D示出了相对于绿光的分色透镜阵列等效地起作用的微透镜阵列的示例。
根据图7A中示例性示出的相位分布，与绿色像素G对应的区域的中心上的相位为约2π，并且与相邻的蓝色像素B和红色像素R对应的区域的中心上的相位的值为约π。
如图7B所示，该相位分布可以表示绿光的聚焦分布。绿光聚焦在与两个绿色像素G对应的区域上，并且几乎不到达与其他像素对应的区域。
因此，入射到与绿色像素G对应的第一区域131和第四区域134 以及周边上的绿光在穿过分色透镜阵列130之后如图7C所示行进。例如，在入射在分色透镜阵列130的第一区域131和围绕第一区域131 的其他区域中的某些部分上的入射光中，绿光聚焦在面对第一区域 131的第一感光单元111上。同样，在入射在分色透镜阵列130的第四区域134和围绕第四区域134的其他区域中的某些部分上的入射光中，绿光聚焦在面对第四区域134的第四感光单元114上。例如，来自与该色像素G对应的第一区域131或第四区域134的绿光、以及来自在横向方向和纵向方向上与第一区域131或第四区域134相邻的两个第二区域132和两个第三区域133的绿光入射在绿色像素G。
因此，如图7D所示，分色透镜阵列130可以相对于绿光起与围绕第一感光单元111和第四感光单元114布置的多个微透镜ML2的阵列等效地操作。每个等效微透镜ML2大于与每个微透镜ML2对应的第一感光单元111或第四感光单元114，因此入射到围绕第一感光单元111和第四感光单元114的其他区域的绿光、以及入射到第一感光单元111和第四感光单元114的区域的绿光可以聚焦到第一感光单元 111和第四感光单元114上。例如，每个微透镜ML2可以比与每个微透镜ML2对应的第一感光单元111或第四感光单元114大约两倍，并且可以被布置为在对角线方向上与第一感光单元111和第四感光单元 114接触。
图8A和图8B是示出穿过分色透镜阵列的红光的相位分布和在面对的感光单元中红光的聚焦分布的计算机仿真的视图，图8C示出了入射在与红色像素相对应的分色透镜阵列的第三区域和第三区域的外围上的红光的行进方向，并且图8D示出了分色透镜阵列相对于红色像素R等效地起作用的微透镜阵列的示例。
参照图8A所示的相位分布，与红色像素R对应的区域的中心的相位可以近似为2π，并且与相邻绿色像素G对应的区域的中心的相位可以近似为π，并且在对角线方向上与蓝色像素B对应的区域的中心的相位可以近似为小于π的值(例如，约0.2π至约0.7π)。
如图8B所示，该相位分布可以表示红光的聚焦分布。红光聚焦在与红色像素R对应的区域上，并且很少到达与其他像素对应的区域。
因此，入射在与红色像素R对应的第三区域133及外围上的光在穿过分色透镜阵列130之后如图8C所示行进。例如，在入射在分色透镜阵列130的第三区域133和围绕第三区域133的其他区域中的某些部分上的入射光中，红光聚焦在面对第三区域133的第三感光单元113上。例如，来自与红色像素R对应的第三区域133的红光、来自横向方向上与第三区域133相邻的两个第四区域134的红光、来自纵向方向上与第三区域133相邻的两个第一区域131的红光和来自对角线方向上与第三区域133相邻的四个第二区域132的红光入射在红色像素R上。
因此，如图8D所示，对于红光，分色透镜阵列130可以起到与围绕第三感光单元113布置的多个微透镜ML3的阵列等效的操作。每个等效微透镜ML3大于与每个微透镜ML3对应的第三感光单元113，因此入射到第三感光单元113周围的其他区域上的红光以及入射在第三感光单元113的区域上的红光可以聚焦在第三感光单元113上。例如，每个微透镜ML3可以比与其对应的第三感光单元113大约四倍，并且每个微透镜ML3的四个边可以与第三感光单元113的四个边平行。
关于图6C、图6D、图7C、图7D、图8C和图8D所示的结果，在入射在分色透镜阵列130的第一区域131上的入射光中，绿光朝向与第一区域131对应的第一感光单元111的中心行进，蓝光朝向与第一区域131对应的第一感光单元111周围的第二感光单元112的中心行进，并且红光朝向与第一区域131对应的第一感光单元111周围的第三感光单元113的中心行进。同样，在入射在分色透镜阵列130的第二区域132上的入射光中，蓝光朝向与第二区域132对应的第二感光单元112的中心行进，绿光朝向与第二区域132对应的第二感光单元112周围的第一感光单元111和第四感光单元114的中心行进，并且红光朝向与第二区域132对应的第二感光单元112周围的第三感光单元113的中心行进。同样地，在入射在分色透镜阵列130的第三区域133上的入射光中，红光朝向与第三区域133对应的第三感光单元 113的中心行进，绿光朝向与第三区域133对应的第三感光单元113 周围的第一感光单元111和第四感光单元114的中心行进，并且蓝光朝向与第三区域133对应的第三感光单元113周围的第二感光单元 112的中心行进。同样地，在入射在分色透镜阵列130的第四区域134 上的入射光中，绿光朝向与第四区域134对应的第四感光单元114的中心行进，蓝光朝向与第四区域134对应的第四感光单元114周围的第二感光单元112的中心行进，并且红光朝向与第四区域134对应的第四感光单元114周围的第三感光单元113的中心行进。
通过适当地设置间隔层120的厚度，可以更有效地执行上述分色和聚焦。例如，当间隔层120的理论厚度为ht，间隔层120相对于波长λ0的折射率为n，并且感光单元的间距为p时，可以满足以下方程 1。
Figure BDA0002735235580000271
此处，间隔层120的理论厚度ht可以是指由分色透镜阵列130将波长为λ0的光聚焦到感光单元111、112、113和114的顶表面上的焦距。例如，波长为λ0的光可以在穿过分色透镜阵列130的同时聚焦在距分色透镜阵列130的下表面的距离ht处。
如以上方程1中所表达，间隔层120的理论厚度ht可以根据感光单元111、112、113和114的间距p和间隔层120的折射率n而变化。例如，当可见光带的中心波长λ0为540nm时，感光单元111、112、113和114的间距p为0.8μm，并且间隔层120在波长为540nm的折射率n为1.46，间隔层120的理论厚度ht，即，分色透镜阵列130的下表面与传感器基板110的上表面之间的距离为约1.64μm。然而，间隔层120的实际厚度h不必限于由以上方程1表达的理论厚度ht。例如，考虑到分色透镜阵列130的效率，可以基于理论厚度ht在预定范围内选择间隔层120的实际厚度。
图9A至图9E是示例性地示出根据示例实施例的当感光单元111、112、113和114间距为0.7μm时，根据分色透镜阵列130与传感器衬底110之间的距离的分色透镜阵列130的效率的变化的曲线图。图9A 示出了分色透镜阵列130相对于从构成分色透镜阵列130的第一区域至第四区域131、132、133和134中入射到第二感光单元112上的蓝光的聚焦效率，图9B示出了分色透镜阵列130相对于从构成单位图案阵列的第一区域131至第四区域131中入射到第一感光单元111和第四感光单元114上的绿光的聚焦效率，并且图9C示出了分色透镜阵列130相对于从构成单位图案阵列的第一区域至第四区域131、132、 133和134中入射到第三感光单元113上的红光的聚焦效率。
在图9A和图9C中，相对于一个感光单元布置四个区域，因此理论上最大值为4。在图9B中，相对于两个感光单元布置四个区域，因此理论最大值为2。在图9A至图9C的曲线图中，分色透镜阵列130 的聚焦效率最高的距离变为满足以上方程1的理论厚度ht。如图9A至图9C所示，理论厚度ht可以根据波长而变化。
图9D是示例性地示出考虑到人眼相对于可见光的灵敏度特性的分色透镜阵列130的效率的变化的曲线图。例如，人眼通常对绿光具有最高灵敏度，而对蓝光具有最低灵敏度。因此，可以通过对图9A 的曲线图赋予最低的权重，对图9C的曲线图赋予比施加于蓝光的权重高的权重，并对图9B的曲线图赋予最高权重并且对求和值求平均来获得图9D的曲线图。图9E是示出对图9D的曲线图归一化的结果的曲线图。
参照图9D和图9E的曲线图，当考虑到人眼的灵敏度特性时分色透镜阵列130相对于可见光的效率在感光单元111、112、113和114 的间距为0.7μm时的1.2μm的距离处最高。同样，分色透镜阵列130 的效率在约0.5μm的距离处为最大效率的约80％，并且在约1.9μm的距离处为最大效率的约95％。
图10A至图10E是示例性地示出根据示例实施例的当感光单元 111、112、113和114间距为0.8μm时，根据分色透镜阵列130与传感器衬底110之间的距离的分色透镜阵列130的效率的变化的曲线图。参照图10A至图10E的曲线图，当考虑到人眼的灵敏度特性时分色透镜阵列130相对于可见光的效率在感光单元111、112、113和114的间距为0.8μm时的1.64μm的距离处最高。同样，分色透镜阵列130 的效率在约0.8μm的距离处为最大效率的约85％，并且在约2.5μm的距离处为最大效率的约93％。
图11A至图11E是示例性地示出当感光单元111、112、113和114 间距为1.0μm时，根据分色透镜阵列130与传感器衬底110之间的距离的分色透镜阵列130的效率的变化的曲线图。参照图11A至图11E 的曲线图的曲线图，当考虑到人眼的灵敏度特性时分色透镜阵列130 相对于可见光的效率在感光单元111、112、113和114的间距为1.0μm 时的2.6μm的距离处最高。同样，分色透镜阵列130的效率在约1.6μm 的距离处为最大效率的约87％，并且在约3.6μm的距离处为最大效率的约94％。
因此，即使当间隔层120的实际厚度h大于或小于理论厚度ht乘以感光单元111、112、113和114的间距p时，分色透镜阵列130 也可以具有相对于最大效率的高效率，例如，80％以上、90％以上、或95％以上。根据以上结果，间隔层120的实际厚度h可以在ht-p ≤h≤ht+p的范围内选择。
因为上述分色透镜阵列130可以按波长分支入射光并且将分支的光聚焦在特定区域上而不吸收或阻挡入射光，所以可以提高图像传感器的光利用效率。另外，由于分色透镜阵列130具有改善的分色性能，所以采用分色透镜阵列130的图像传感器可以具有提高的色纯度。同样，采用分色透镜阵列130的图像传感器可以实现图像传感器中通常采用的拜耳图案类型，因此可以使用与现有像素结构相同的图像处理算法。此外，因为分色透镜阵列130可以用作用于聚集入射光的透镜，所以采用分色透镜阵列130的图像传感器可以不需要用于将光聚焦在像素上的单独的微透镜。
图12是示出根据示例实施例的可以在分色透镜阵列中采用的纳米柱的示例性形状的透视图。参照图12，纳米柱可各自具有直径D和高度H的圆柱形状。直径D和高度H可以具有子波长的值，并且直径D可以根据纳米柱的布置的位置而改变。
同样，纳米柱可以具有具有各种横截面形状的柱的形状。图13A 至图13H是示出可以在图像传感器的分色透镜阵列130中采用的纳米柱的示例性形状的俯视图。
如图13A所示，纳米柱的横截面形状可以是具有外径D和内径 Di的圆环形状。圆环的宽度w可以具有子波长的值。如图13B所示，纳米柱的截面形状可以是在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向) 上具有不同的长轴长度Dx和短轴长度Dy的椭圆形形状。例如，如上面参考图5B所描述的，可以在与绿色像素对应的第一区域131和第四区域134中采用该形状。
另外，如图13C、图13D和图13F所示，纳米柱的横截面形状可以是正方形状、正方形环形状、十字形状或矩形形状、或者具有在如图13E和图13G所示的第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上的不同长度Dx和Dy的十字形状。如上面参考图5B所描述的，可以在与绿色像素对应的第一区域131和第四区域134中采用这种矩形形状或十字形状。
在另一示例实施例中，纳米柱的横截面形状可以具有多个凹弧，如图13H所示。
图14是示出根据另一示例实施例的包括在分色透镜阵列140中的多个纳米柱的布置形式的俯视图。
分色透镜阵列140具有与图2A所示的拜耳图案的像素布置对应的形状，并且可以包括以下象限区域，该象限区域包括与绿色像素G 对应的第一区域141、与蓝色像素B对应的第二区域142、与红色像素R对应的第三区域143和与绿色像素G对应的第四区域144。如上所述的单位图案阵列可以在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向) 上重复地布置。每个区域可以均等地划分为多个子区域，并且纳米柱 NP可以布置在子区域的边界的交叉点上。图14示出了以下示例，其中子区域的数量为9，并且纳米柱NP布置在通过划分九个子区域而获得的网格点上。因此，纳米柱NP不在每个区域141、142、143或 144的中心点上，并且具有相同形状的四个纳米柱NP配置成中心部分。外围部分的纳米柱NP在另一区域的边界上。根据在单位图案阵列中的详细位置，将纳米柱NP指示为r1至r9。
参照图14，与绿色像素对应的第一区域141的中心部分处的纳米柱r1的截面面积大于外围部分处的纳米柱r5、r6和r9的截面面积，并且与绿色像素对应的第四区域144的中心部分处的纳米柱r4的截面面积大于外围部分上的纳米柱r7、r8和r9的截面面积。布置在与绿色像素对应的第一区域141和第四区域144的中心部分上的纳米柱r1 和r4的截面面积可以大于布置在与蓝色像素对应的第二区域142的中心部分上的纳米柱r2的截面面积和布置在与红色像素对应的第三区域143的中心部分上的纳米柱r3的截面面积。同样，布置在与蓝色像素对应的第二区域142的中心部分上的纳米柱r2的截面面积可以大于布置在与红色像素对应的第三区域143的中心部分上的纳米柱r3的截面面积。
第二区域142和第三区域143中的纳米柱NP可以对称地布置在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上，并且第一区域141和第四区域144中的纳米柱NP可以非对称地布置在第一方向(X方向) 和第二方向(Y方向)上。例如，分别与蓝色像素和红色像素对应的第二区域142和第三区域143中的纳米柱NP可以通过相同的分布规则布置在第一方向(X方向)和第二方向(Y_)上，并且与绿色像素对应的第一区域141和第四区域144中的纳米柱NP可以通过不同的分布规则布置在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上。
在纳米柱NP中，位于第一区域141和在第一方向(X方向)上与第一区域141相邻的第二区域142之间的边界上的纳米柱r5的截面面积不同于位于第一区域141和在第二方向(Y方向)上与第一区域 141相邻的第三区域143之间的边界上的纳米柱r6的截面面积。同样，位于第四区域144和在第一方向(X方向)上与第四区域144相邻的第三区域143之间的边界上的纳米柱r7的截面面积不同于位于第四区域144和在第二方向(Y方向)上与第四区域144相邻的第二区域142 之间的边界上的纳米柱r8的截面面积。
另一方面，位于第一区域141和在第一方向(X方向)上与第一区域141相邻的第二区域142之间的边界上的纳米柱r7的截面面积等于位于第四区域144和在第二方向(Y方向)上与第四区域144相邻的第二区域142之间的边界上的纳米柱r8的截面面积。另外，位于第一区域141和在第二方向(Y方向)上与第一区域141相邻的第三区域143之间的边界上的纳米柱r6的截面面积等于位于第四区域144和在第一方向(X方向)上与第四区域144相邻的第三区域143之间的边界上的纳米柱r7的截面面积。
另外，在第一区域至第四区域141、142、143和144中的每个区域中的四个角处的纳米柱p9(即，四个区域彼此交叉的点)具有彼此相同的截面面积。
如上所述，在分别与蓝色像素B和红色像素R对应的第二区域 142和第三区域143中，纳米柱NP可以以4重对称的形式布置，并且在与绿色像素G对应的第一区域141和第四区域144中，纳米柱 NP可以以2重对称的形式布置。另外，第一区域141和第四区域144 相对于彼此旋转90°角。这也可以应用于稍后将参考图16和图17描述的示例实施例。
图15是示出根据另一示例实施例的包括在分色透镜阵列150中的多个纳米柱的布置形式的俯视图。
分色透镜阵列150具有与拜耳图案的像素布置对应的形状，并且可以包括以下象限区域，例如，与绿色像素G对应的第一区域151、与蓝色像素B对应的第二区域152、与红色像素R对应的第三区域153 和与绿色像素G对应的第四区域154。
每个区域可以均等地划分为多个子区域，并且纳米柱NP可以布置在子区域的边界的交叉点上。图15与图14的纳米结构布置的不同之处在于，示出了其中子区域的数量为16的示例，并且纳米柱NP布置在划分16个子区域的网格点上，因此纳米柱NP布置在每个区域151、152、153或154的中心点上。根据在单位图案阵列中的详细位置，将纳米柱NP指示为s1至s11。
在图15所示的示例实施例中，位于与绿色像素对应的第一区域 151的中心点处的纳米柱s1和位于第四区域154的中心点处的纳米柱 s4的截面面积大于位于外围部分上的纳米柱NP的截面面积，并且大于布置在与蓝色像素对应的第二区域152和与红色像素对应的第三区域153上的纳米柱NP的截面面积。
在第一区域151中具有最大截面面积的纳米柱s1处于中心点，并且具有逐渐减小的截面面积的纳米柱s10、s5和s6朝向外围部分布置。在第四区域154中具有最大截面面积的纳米柱s4处于中心点，并且具有逐渐减小的截面面积的纳米柱s11、s7和s8朝向外围部分布置。在第二区域152中，具有相同截面面积的九个纳米柱s2布置在中心部分上，并且具有比纳米柱s2的截面面积大的截面面积的纳米柱s5和s8 布置在外围部分上。在第三区域153中，具有相同截面面积的九个纳米柱s3布置在中心部分上，并且具有比纳米柱s3的截面面积大的截面面积的纳米柱s6和s7布置在外围部分上。在第二区域152和第三区域153中，外围部分上的纳米柱NP在与其他区域的边界上。
在图15的示例实施例中，类似于图14所示的示例实施例，第二区域142和第三区域153中的纳米柱NP可以对称地布置在第一方向 (X方向)和第二方向(Y方向)上，并且第一区域151和第四区域 154中的纳米柱NP可以非对称地布置在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上。同样，布置在第一区域至第四区域151、152、153 和154中的每个区域中的四个角处的纳米柱p9(即，四个区域彼此相邻的位置)具有彼此相同的截面面积。
图16是示出根据另一示例实施例的包括在分色透镜阵列160中的多个纳米柱的布置形式的俯视图。
分色透镜阵列160具有与拜耳图案的像素布置对应的形状，并且可以包括以下象限区域，例如，与绿色像素G对应的第一区域161、与蓝色像素B对应的第二区域162、与红色像素R对应的第三区域163 和与绿色像素G对应的第四区域164。
每个区域可以均等地划分为多个子区域，并且纳米柱NP可以布置在子区域中。类似于图14的示例，分色透镜阵列160中的每个区域被划分成九个子区域，除了纳米柱NP布置在每个子区域中，而不是在子区域之间的交叉点上。根据在单位图案阵列中的详细位置，将纳米柱NP指示为t1至t16。
根据图16的示例实施例，位于第一区域161的中心上的纳米柱 t1和位于第四区域164的中心上的纳米柱t4的截面面积可以各自大于布置在第二区域162和第三区域163中的纳米柱NP以及位于外围部分上的纳米柱NP。
布置在第二区域162的中心上的纳米柱t2的截面面积可以大于布置在第三区域163的中心上的纳米柱t3的截面面积。在第二区域162 中，位于在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上远离中心的外围部分上的纳米柱t6和t10的截面面积大于中心处的纳米柱t2的截面面积，并且在对角线方向上远离中心的纳米柱t14的截面面积小于中心上的纳米柱t2的截面面积。
在第三区域163中，中心上的纳米柱t3具有最小的截面面积，并且外围部分处的纳米柱t7、t11和t15的截面面积大于中心上的纳米柱 t3的截面面积。
第二区域162和第三区域163中的纳米柱NP可以对称地布置在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上，并且第一区域161和第四区域164中的纳米柱NP可以非对称地布置在第一方向(X方向) 和第二方向(Y方向)上。例如，分别与蓝色像素和红色像素对应的第二区域162和第三区域163中的纳米柱NP可以通过相同的分布规则布置在第一方向(X方向)和第二方向(Y-)上，并且与绿色像素对应的第一区域161和第四区域164中的纳米柱NP可以通过不同的分布规则布置在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上。
在第一区域161中，在第一方向(X方向)上与中心上的纳米柱 t1相邻的纳米柱t5和在第二方向(Y方向)上与纳米柱t1相邻的纳米柱t9具有彼此不同的截面面积。在第四区域164中，在第一方向(X 方向)上与中心上的纳米柱t4相邻的纳米柱t8和在第二方向(Y方向)上与纳米柱t4相邻的纳米柱t12具有彼此不同的截面面积。同样，在第一方向(X方向)上与第一区域161的中心上的纳米柱t1相邻的纳米柱t5和在第二方向(Y方向)上与第四区域164的中心的纳米柱 t4相邻的纳米柱t12具有相同的截面面积，并且在第二方向(Y方向)上与第一区域161的中心上的纳米柱t1相邻的纳米柱t9和在第一方向(X方向)上与第四区域164的中心上的纳米柱t4相邻的纳米柱t8 具有相同的截面面积。与第一区域161的四个角相邻的纳米柱t13和与第四区域164的四个角相邻的纳米柱t16具有相同的截面面积。如上所述，第一区域161和第四区域164相对于彼此旋转90°角。
在第二区域162中，在第一方向(X方向)上与中心上的纳米柱 t2相邻的纳米柱t6和在第二方向(Y方向)上与纳米柱t2相邻的纳米柱t10具有相同的截面面积。与第二区域162的四个角相邻的纳米柱t14具有相同的截面面积。
在第三区域163中，在第一方向(X方向)上与中心上的纳米柱 t3相邻的纳米柱t7和在第二方向(Y方向)上与纳米柱t3相邻的纳米柱t11具有相同的截面面积。与第三区域163的四个角相邻的纳米柱t15具有相同的截面面积。
图17是示出根据另一示例实施例的包括在分色透镜阵列170中的多个纳米柱的布置形式的俯视图。
根据示例实施例的图像传感器中的分色透镜阵列170可以具有最简单的结构。一个纳米柱NP布置在对应于绿色像素的第一区域171、对应于蓝色像素的第二区域172、对应于红色像素的第三区域173和对应于绿色像素的第四区域174中的每一个区域中，第一区域171和第四区域174中的纳米柱NP具有最大的截面面积，第二区域172中的纳米柱NP的截面面积小于第一区域171中的纳米柱NP的截面面积，并且第三区域173中的纳米柱NP具有最小的截面面积。
图18是示例性地示出在包括图17的分色透镜阵列的图像传感器中分别入射到红色像素R、绿色像素G和蓝色像素B上的光的光谱分布的曲线图。
图19A和图19B是示出从不同截面观察的根据另一示例实施例的像素阵列1100a的示意结构的截面图。
像素阵列1100a与图4A和图4B所示的示例的不同之处在于，在传感器衬底110与分色透镜阵列130之间还设置有滤色器105。滤色器105可以布置在传感器衬底110和间隔层120之间。
像素阵列1100a可以包括可以保护分色透镜阵列130的透明介电层121。介电层121可以被布置为覆盖相邻的纳米柱NP和纳米柱NP 的上表面之间的空间。介电层121可以包括具有比纳米柱NP的折射率低的折射率的材料，例如，与间隔层120的材料相同的材料。
滤色器105具有滤光器区域，该滤光器区域具有与拜耳图案中的像素布置对应的形状。如图19A所示，绿色滤色器区域CF1和蓝色滤色器区域CF2交替地布置，并且如图19B所示，在Y方向上的下一行中，红色滤色器区域CF3和绿色滤色器区域CF1交替地布置。因为在分色透镜阵列130中具有不同波长的光被分支到多个感光单元111、 112、113和114中并且被会聚，所以当分色透镜阵列130充分分支具有不同波长的光时，滤色器105的配置可以不包括在像素阵列中。然而，滤色器105可以另外地设置为使得色纯度可以被补充。由于其颜色被很大程度地分离的光入射到滤色器105，因此光损失不会大。
图20和图21是示出入射到图像传感器的红色像素R、绿色像素 G和蓝色像素B中的每一个上的光的光谱分布的曲线图，其分别涉及设置有滤色器的情况和未设置滤色器的情况。
图20的曲线图示出了包括图19A和图19B所示的滤色器在内的图像传感器的光谱，并且图21的曲线图示出了没有图4A和图4B所示的滤色器的图像传感器的光谱。图20和图21示出了像素的宽度为约0.7μm的图像传感器的仿真结果。当设置滤色器时，减少了全部的光量，但是与比较例相比，提高了分色性能。
包括根据以上示例实施例的分色透镜阵列的图像传感器可以应用于诸如相机等各种光学设备。例如，图22是根据示例实施例的相机 2000的概念图。
参照图22，根据示例实施例的相机2000可以包括：物镜2010，被配置为通过聚焦从物体反射的光来形成光学图像；以及图像传感器 1000，被配置为将由物镜2010形成的光学图像转换为电图像信号。图像传感器1000包括上述分色透镜阵列。同样，相机2000还包括：处理器2200，被配置为将来自图像传感器1000的电信号作为图像信号进行处理。处理器2200通过对从图像传感器1000输出的每种颜色的信号执行诸如降噪、颜色插值等操作来形成图像。相机2000还可以包括：在图像传感器1000和物镜2010之间的红外线(IR)截止滤光器、用于显示由处理器2200形成的图像的显示面板、和用于存储由处理器 2200形成的图像数据的存储器。相机2000可以被内置在移动电子设备中，例如，移动电话、膝上型计算机、平板个人计算机(PC)等。
物镜2010将物体的图像聚焦在图像传感器1000上，其中，该物体位于相机2000的外部。当图像传感器1000准确地位于物镜2010 的焦平面上时，从物体的特定点开始的光通过穿过物镜2010到达图像传感器1000上的特定点。例如，从光轴OX上的特定点A开始的光穿过物镜2010，然后到达光轴OX上的图像传感器1000的中心。同样，从位于光轴OX之外的点B、C和D中的任何一个开始的光通过物镜2010行进跨越光轴OX，并到达图像传感器1000的外围部分中的点。例如，在图22中，从位于光轴OX上方的点B开始的光与光轴OX交叉而到达图像传感器1000的下部外围部分，并且从位于光轴 OX下方的点C开始的光与光轴OX交叉而到达图像传感器1000的上部外围部分。同样，从位于光轴OX和点B之间的点D开始的光到达图像传感器1000的下部外围部分和中心之间的位置。
因此，根据点A、B、C和D与光轴OX之间的距离，从不同的点A、B、C和D开始的光以不同的入射角入射在图像传感器1000上。入射在图像传感器1000上的光的入射角通常被定义为主光线角 (CRA)。主光线表示从物体的点开始且通过穿过物镜2010的中心到达图像传感器1000的光线，并且CRA表示主光线相对于光轴OX形成的角度。从光轴OX上的点A开始的光的CRA为0°，并且光垂直入射在图像传感器1000上。随着起点远离光轴OX，CRA会增大。
从图像传感器1000的角度来看，入射在图像传感器1000的中心部分上的光的CRA为0°，并且入射光的CRA朝向图像传感器1000 的边缘逐渐增大。例如，从点B和C中的每一个开始并到达图像传感器1000的最外边缘的光的CRA最大，而从点A开始并到达图像传感器1000的中心的光的CRA为0°。同样，从点D开始并且到达图像传感器1000的中心和边缘之间的位置的光的CRA大于0°，并且小于从点B和C的每一个开始的光的CRA。
同样，上述分色透镜阵列通常可以具有方向性。例如，虽然分色透镜阵列相对于入射在一定角度范围内的分色透镜阵列上的光有效地工作，但是当入射角偏离一定角度范围时，分色透镜阵列的分色性能下降。因此，当分色透镜阵列的纳米柱在图像传感器1000的整个区域中具有相同的布置形式时，分色效率在图像传感器1000的整个区域中不一致，并且可以根据图像传感器1000的区域而变化。因此，由相机 2000提供的图像的质量可能下降。
因此，考虑到入射光的CRA，分色透镜阵列的纳米柱可以被设计为具有不同的布置形式，该入射光的CRA根据图像传感器1000上的位置而变化。图23A至图23C是示出根据示例实施例的根据图像传感器上的位置的分色透镜阵列中的纳米柱的布置形式的变化的俯视图。特别地，图23A示出了各自位于图像传感器1000的中心处的纳米柱 NP的位置，图23B示出了各自布置在图像传感器1000的中心与边缘之间的纳米柱NP的位置，并且图23C示出了各自位于图像传感器 1000的边缘处的位置。图23A至图23C不将纳米柱NP限制为某种布置，而是被提供以在概念上描述纳米柱NP的位置根据图像传感器1000上的位置的相对变化。
如图23A至图23C所示，从图像传感器1000的中心朝向边缘，分色透镜阵列的第一区域至第四区域从对应的像素或感光单元移位较远。例如，在图像传感器1000的中心上、在分色透镜阵列的中心上或在传感器衬底的中心上，分色透镜阵列的第一区域至第四区域的位置可以与第一区域至第四区域对应的绿色像素、蓝色像素、红色像素和绿色像素的位置(或对应的感光单元的位置)色透镜阵列的位置一致。另外，分色透镜阵列的第一区域至第四区域的位置可以进一步从与第一区域至第四区域对应的绿色像素、蓝色像素、红色像素和绿色像素的位置(或对应的感光单元的位置)远离图像传感器1000的中心、远离分色透镜阵列的中心、或远离传感器衬底的中心。可以根据入射到分色透镜阵列的光的CRA来确定分色透镜阵列的第一区域至第四区域的移位程度。特别地，在图像传感器1000的外围部分上，在分色透镜阵列的外围部分上或在传感器衬底的外围部分上，分色透镜阵列的第一区域至第四区域相对于与第一区域至第四区域对应的第一感光单元至第四感光单元朝向图像传感器1000的中心方向移位。
在下文中，将其表示为图像传感器1000的中心部分；然而，因为图像传感器1000、分色透镜阵列和传感器衬底彼此面对，所以图像传感器1000的中心部分可以表示分色透镜阵列的中心部分或传感器衬底的中心部分。同样，图像传感器1000的外围部分/边缘可以表示分色透镜阵列的外围部分/边缘、或传感器衬底的外围部分/边缘。
图24是示出根据另一示例实施例的像素阵列1100b的示意性结构的截面图。
参照图24，考虑到包括分色透镜阵列230，根据本示例实施例的图像传感器中的像素阵列1100b与上述示例实施例不同，该分色透镜阵列230包括以双级堆叠的纳米柱NP。纳米柱NP可以包括布置在间隔层120上的第一纳米柱NP1、和布置在第一纳米柱NP1上的第二纳米柱NP2。第二纳米柱NP2可以相对于第一纳米柱NP1沿光的倾斜方向移位。例如，当入射在分色透镜阵列230上的光从右向左倾斜时，第二纳米柱NP2可以相对于第一纳米柱NP1向右侧移位。当入射在分色透镜阵列230上的光从左向右倾斜时，第二纳米柱NP2可以相对于第一纳米柱NP1向左侧移位。
另外，考虑到入射在图22所示的图像传感器1000上的光的CRA，第二纳米柱NP2可以相对于第一纳米柱NP1向图像传感器1000的中心方向移位。例如，在从图像传感器1000的中心部分到左边缘的方向上，第二纳米柱NP2可以相对于第一纳米柱NP1更向右侧移位，并且在从图像传感器1000的中心部分到右边缘的方向上，第二纳米柱 NP2可以相对于第一纳米柱NP1更向左侧移位。
同样，分色透镜阵列230的第三区域233和第四区域234可以相对于与其对应的红色像素(或第三感光单元)和绿色像素(或第四感光单元)朝向图像传感器1000的中心方向移位。例如，在从图像传感器1000的中心部分朝向左边缘的方向上，分色透镜阵列230的第三区域233和第四区域234可以相对于与其对应的绿色像素和红色像素进一步向右侧移位。分色透镜阵列230的另一截面上的第一区域和第二区域相对于与其对应的绿色像素(或第一感光单元)和蓝色像素(或第二感光单元)也可以朝向图像传感器1000的中心部分移位。
特别地，可以使分色透镜阵列230的第三区域233和第四区域234 移位，使得红光和绿光会聚在与其对应的第三感光单元113的中心和第四感光单元114的中心上。分色透镜阵列230的第三区域233和第四区域234的移位距离s可以通过例如以下方程2来确定。
S＝d×tan(CRA′) [方程2]
在方程2中，d表示分色透镜阵列230的下表面与传感器衬底110 的上表面之间的最短距离或间隔，并且CRA′表示入射在传感器衬底 110上的光的入射角。同样，CRA′可以由以下方程3确定。
CRA′＝sin-1(sin CRA×n) [方程3]
在方程3中，CRA表示入射在分色透镜阵列230上的光的入射角，并且n表示设置在分色透镜阵列230与传感器衬底110之间的材料的折射率。因此，分色透镜阵列230的第三区域233和第四区域234 与对应像素的移位距离s可以由入射在分色透镜阵列230上的光的入射角和布置在分色透镜阵列230与传感器衬底110之间的材料的折射率来确定。当滤色器105以及间隔层120布置在分色透镜阵列230与传感器衬底110之间时，可以基于入射在间隔层120上的光的入射角、间隔层120的折射率、入射在滤色器105上的光的入射角和滤色器105 的折射率来确定CRA′。
图25是示例性地示出二维地布置在应用于图22的相机的图像传感器1000的分色透镜阵列中的纳米柱的移位的俯视图，并且图26是包括图25所示的分色透镜阵列的像素阵列的截面图。
参照图25和图26，在图像传感器1000的中心C上，分色透镜阵列230的第一区域至第四区域相对于对应的像素(或感光单元)不移位。同样，在图像传感器1000的中心C上，第二纳米柱NP2相对于第一纳米柱NP1不移位。另外，在图像传感器1000的外围部分P中，分色透镜阵列230的第一区域至第四区域朝向图像传感器1000的中心 C移位，并且第二纳米柱NP2相对于第一纳米柱NP1朝向图像传感器 1000的中心C移位。因此，在图22的相机2000中采用的图像传感器 1000中，分色透镜阵列230的整个区域可以小于图像传感器1000的像素阵列1100b的整个区域、或传感器衬底110的整个区域。
根据图24的示例实施例，滤色器105布置在传感器衬底110上，但是当分色透镜阵列230可以在图像传感器1000的外围部分P处具有足够的性能时，如图26所示，可以省略滤色器105。
图27是示出在图26的图像传感器的分色透镜阵列中采用的纳米柱的示例性形状的透视图。如图27所示，下部的第一纳米柱NP1和上部的第二纳米柱NP2可以堆叠为彼此偏移。偏离度在图27中由b 表示，并且该偏离度可以从图像传感器1000的中心C到外围部分P而增大，即，在径向方向上随着距中心C的距离的增大而增大。第二纳米柱NP2从第一纳米柱NP1偏离的方向是从外围部分P到中心C 的方向。特别地，可以确定偏离度b，使得光入射在第二纳米柱NP2 的上表面的中心和第一纳米柱NP1的上表面的中心。
为了制造具有上述配置的纳米柱NP，如图26所示，介电层121 可以包括：第一介电层121a，其布置在间隔层120上以填充第一纳米柱NP1之间的空间并支撑第二纳米柱NP2；以及第二介电层121b，覆盖第二纳米柱NP2。第一介电层121a和第二介电层121b可以包括具有比包括在第一纳米柱NP1和第二纳米柱NP2中的材料的折射率低的折射率的材料。
示出了其中纳米柱NP堆叠成两层的结构，但是实施例不限于此，例如，可以使用具有三层或更多层的结构。例如，图28是示出根据另一示例实施例的像素阵列1100c的结构的截面图。
参照图28，图像传感器的像素阵列1100c包括分色透镜阵列240，该分色透镜阵列240具有堆叠成三层的纳米柱NP。纳米柱NP可以包括布置在间隔层120上的第一纳米柱NP1、布置在第一纳米柱NP1上的第二纳米柱NP2和布置在第二纳米柱NP2上的第三纳米柱NP3。第二纳米柱NP2相对于第一纳米柱NP1朝向图像传感器的中心移位，并且第三纳米柱NP3相对于第二纳米柱NP2朝向图像传感器的中心移位。
同样，分色透镜阵列240的第四区域244相对于绿色像素或与其对应的第四感光单元114朝向图像传感器的中心移位，并且第三区域 243相对于红色像素或与其对应的第三感光单元113朝向图像传感器的中心移位。
图29A至图29C是示例性地示出根据示例实施例的分别入射在图像传感器中的红色像素、绿色像素和蓝色像素上的光的光谱分布的曲线图，并且分别涉及不考虑根据图像传感器上的位置的CRA的变化的情况、考虑CRA的变化而改变纳米柱的位置的情况、以及考虑CRA 的变化而将纳米柱配置为两级的情况。在图29A至图29C中，表示为B0的曲线示出了当CRA为0°时入射在蓝色像素上的光的光谱分布，表示为G0的曲线示出了当CRA为0°时入射在绿色像素上的光的光谱分布、并且表示为R0的曲线示出了当CRA为0°时入射到红色像素上的光的光谱分布。另外，表示为B26的曲线示出了当CRA为26°时入射在蓝色像素上的光的光谱分布，表示为Gb26的曲线示出了当 CRA为26°时入射在在第一方向上与蓝色像素交替布置的绿色像素上的光的光谱分布，表示为Gr26的曲线示出了当CRA为26°时入射在在第一方向上与红色像素交替布置的绿色像素上的光的光谱分布，并且表示为R26的曲线示出了当CRA为26°时入射在红色像素上的光的光谱分布。
如图29A的曲线所示，当不考虑CRA的变化时，分色透镜阵列相对于CRA为26°的光的性能下降。另外，如图29B的曲线所示，当纳米柱基于CRA的变化而移位时，分色透镜阵列相对于CRA为26°的光的性能得到改善。同样，如图29C的曲线图所示，当纳米柱随着纳米柱的移位而布置为两级时，分色透镜阵列相对于CRA为26°的光的性能几乎进一步提高至分色透镜阵列相对于CRA为0°的光的性能。
图30A和图30B是示出根据另一示例实施例的纳米柱NP的线宽 NP根据图像传感器上的位置的变化的俯视图。图30A示出了图像传感器的中心上的分色透镜阵列的纳米柱NP的线宽，并且图30B示例性地示出了图像传感器的外围部分上的分色透镜阵列的纳米柱NP′的线宽。在图30B所示的示例实施例中，纳米柱相对于对应的像素移位，并且第二纳米柱NP2′相对于第一纳米柱NP1′移位，此外纳米柱NP′的线宽改变。纳米柱NP′的线宽的变化可以根据CRA通过以下方程4 确定。
w～w0·(1+sin CRA/10) [方程4]
在以上方程4中，w表示在图像传感器的外围部分上的纳米柱 NP′的线宽，并且w0表示在图像传感器的中心上的纳米柱NP的线宽。因此，纳米柱NP′的线宽可以朝向图像传感器的外围部分增大。为了便于描述，图30B夸大了纳米柱NP′的线宽的增大。与在图像传感器的中心上的线宽相比，图像传感器的边缘处的纳米柱NP′的线宽可以增大约2.5％至约6.5％。
这里，线宽的变化是通过比较分色透镜阵列的第一区域至第四区域中位于相同区域中的相同位置处的纳米柱的线宽而获得的。例如，可以将在图像传感器的中心中的分色透镜阵列的第一区域的中心上布置的纳米柱的线宽与在图像传感器的外围部分中的分色镜阵列的第一区域的中心上布置的纳米柱的线宽进行比较。布置在分色透镜阵列的不同区域上的纳米柱或布置在相同区域中的不同位置处的纳米柱彼此不进行比较。
图31是示例性地示出分别入射在图30的图像传感器中的红色像素、绿色像素和蓝色像素上的光的光谱分布的曲线图。当将图31的曲线图与图29C的曲线图进行比较时，当纳米柱的线宽随着纳米柱的移位和纳米柱的两级配置而进一步改变时，分色透镜阵列相对于CRA 为26°的光的性能得到进一步改善。
图32和图33是示出根据另一示例实施例的在分色透镜阵列中采用的各种形状的纳米柱的俯视图。如图32和图33所示，可以在移位之后布置具有各种形状的纳米柱。例如，如图32所示，具有矩形截面并且以两级堆叠的纳米柱NP1和NP2可以彼此移位。同样，如图33所示，以两级堆叠的环类纳米柱NPa、以两级堆叠的圆形纳米柱NPb 和以两级堆叠的矩形纳米柱NPc可以在分色透镜阵列的每个区域中彼此移位。
图34和图35是示出根据另一示例实施例的在分色透镜阵列中采用的各种截面形状的纳米柱的截面图。如图34和图35所示，纳米柱的侧表面可以形成为倾斜表面。例如，在图34所示的分色透镜阵列 250中，纳米柱的侧表面倾斜使得纳米柱的截面面积可以从下部到上部增大。因此，分色透镜阵列250中的纳米柱可以具有上表面大于下表面的梯形形状的截面。例如，在图35所示的分色透镜阵列260中，纳米柱的侧表面倾斜使得纳米柱的截面面积可以从下部到上部减小。因此，分色透镜阵列260中的纳米柱可以具有下表面大于上表面的梯形形状的截面。
在分色透镜阵列250或260的第一区域至第四区域中布置的纳米柱的倾斜表面的倾斜度可以彼此不同。另外，定位为与图像传感器的中心对应的纳米柱中的倾斜表面的倾斜度可以不同于定位为与图像传感器的外围部分对应的纳米柱的倾斜表面的倾斜度。
图36是示出根据另一示例实施例的像素阵列1100d的示意性结构的截面图。
参照图36，图像传感器的像素阵列1100d可以包括具有不同布置的多个纳米柱的第一分色透镜阵列280和第二分色透镜阵列290。第二分色透镜阵列290可以布置在第一分色透镜阵列280上。第二分色透镜阵列290的纳米柱相对于第一分色透镜阵列280的纳米柱不移位，并且第二分色透镜阵列290的纳米柱的布置形式可以与第一分色透镜阵列280的纳米柱的布置形式不同。
可以考虑入射在图像传感器上的光的CRA来确定第一分色透镜阵列280中的多个纳米柱的布置和第二分色透镜阵列290中的多个纳米柱的布置。例如，可以设计第一分色透镜阵列280和第二分色透镜阵列290中的多个纳米柱的布置，使得不考虑入射角的情况下，连续穿过第二分色透镜阵列290和第一分色透镜阵列280之后入射在传感器衬底110上的光可以更有效地分离和会聚。
如上所述，可以通过使用其中子波长的纳米柱按照预定规则布置的分色透镜阵列来提高分色效率，并且采用分色透镜阵列的图像传感器可以具有改善的性能。详细的形状仅是示例，并且可以进行多种修改和组合。例如，示出了可见光的波长带。然而，实施例不限于此，并且根据纳米柱的布置规则可以分离不同的波长带。同样，可以不同地改变在分色透镜阵列的多个区域中的每个区域中设置的纳米柱的数量。作为示例，图像传感器中的像素布置被描述为拜耳图案，但是实施例不限于以上示例。例如，红色像素、绿色像素和蓝色像素可以在一个方向上以所述顺序重复地布置，或者图2B中所示的CYGM型布置或图2C中所示的RGBW型布置可以也可以使用。同样，一个或多个示例实施例可以应用于像素布置图案，其中每个均包括两种或更多种颜色的像素在内的多个单位像素被重复地布置。分色透镜阵列可以采用适合于该像素布置的区域划分，并且可以根据区域来选择纳米柱布置规则。
上面描述了通过布置以可限定的形状形成的纳米柱来配置分色透镜阵列，但是分色透镜阵列可以被配置为可以被限定的各种形状的自由图案。例如，图37是示出根据另一示例实施例的分色透镜阵列 330的结构和操作的概念图。
参照图37，分色透镜阵列330的单位图案阵列可以包括第一区域至第四区域331、332、333和334，该第一区域至第四区域331、332、 333和334各自包括彼此区分的第一精细结构至第四精细结构。例如，第一区域331可以具有第一图案，第二区域332可以具有与第一图案不同的第二图案，第三区域333可以具有与第一和第二图案不同的第三图案，并且第四区域334可以具有与第一至第三图案不同的第四图案。
第一区域至第四区域331、332、333和334可以以例如2×2布置的形式布置在同一平面上。因此，第一区域331和第二区域332可以在第一方向上彼此相邻，并且第三区域333和第四区域334可以在第一方向上彼此相邻。另外，第一区域331和第三区域333在与第一方向垂直的第二方向上彼此相邻，并且第二区域332和第四区域334在第二方向上彼此相邻。第一区域331和第四区域334沿对角线方向布置，并且第二区域332和第三区域333沿另一对角线方向布置。
根据示例实施例，第一图案至第四图案可以被确定为使得在入射到分色透镜阵列330上的入射光中，第一波长λ1的光在垂直方向上会聚在面对第一区域331的第一目标区域R1上，第二波长λ2的光在垂直方向上会聚在面对第二区域332的第二目标区域R2上，第三波长λ3 的光在垂直方向上会聚在面对第三区域333的第三目标区域R3上，并且第四波长λ4的光在垂直方向上会聚在面对第四区域334的第四目标区域R4上。可以根据应用有分色透镜阵列330的图像传感器的像素布置和颜色特性来不同地设计第一区域至第四区域331、332、333 和334中的第一图案至第四图案。
例如，当将分色透镜阵列330应用于图2A所示的拜耳图案类型的图像传感器时，第一区域331和第四区域334面对绿色像素G，第二区域332面对蓝色像素B，并且第三区域333面对红色像素R。另外，第一波长λ1的光和第四波长λ4的光可以是绿光，第二波长λ2 的光可以是蓝光，并且第三波长λ3的光可以是红光。
图38是示出可应用于拜耳图案类型的图像传感器的分色透镜阵列的单位图案阵列的示例的俯视图。参照图38，面对绿色像素G的第一区域331包括形成第一图案的第一电介质331a、和填充在第一电介质331a中的空间的第二电介质331b。面对蓝色像素B的第二区域 332包括形成第二图案的第一电介质332a和填充第一电介质332a中的空间的第二介质332b，面对红色像素R的第三区域333包括形成第三图案的第一电介质333a和填充在第一电介质333a中的空间中的第二电介质333b，并且面对绿色像素G的第四区域334包括形成第四图案的第一电介质334a和填充第一电介质334a中的空间的第二电介质 334b。
第一区域331和第四区域334两者都可以具有相同的形状，因为它们都面对绿色像素，但是它们的旋转方向可以彼此不同。例如，如图38所示，可以通过将第一区域331的图案旋转90°而获得第四区域334的图案。可以根据相邻像素的布置来确定上述差异。在图38的情况下，蓝色像素B布置在面对第一区域331的绿色像素G的左侧和右侧，并且红色像素R布置在面对第四区域334的绿色像素G的左侧和右侧。因此，由于该差异，可以获得具有相同形状并沿不同方向旋转的图案。
第一电介质331a、332a、333a和334a可以包括相同的材料，并且第二电介质331b、332b、333b和334b可以包括相同的材料。例如，第一电介质331a、332a、333a和334a可以包括在可见光带具有高折射率和低吸收率的介电材料，例如，氧化钛(TiO2)、氮化镓(GaN)、三氮化硅(SiN3)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氮化硅(Si3N4) 等，并且第二电介质331b、332b、333b和334b可以包括在可见光带具有低折射率和低吸收率的介电材料，例如，空气、氧化硅(SiO2)、硅氧烷基旋涂玻璃(SOG)等。当第二电介质331b、332b、333b和 334b包括空气时，可以通过蚀刻第一电介质331a、332a、333a和334a 来简单地获得图38所示的分色透镜阵列330。
图39是沿线A-A′(X方向)截取的图38的单位图案阵列的截面图，并且图40是沿线B-B′(Y方向)截取的图38的单位图案阵列的截面图。
参照图39和图40，第一电介质331a、332a、333a和334a以及第二电介质331b、332b、333b和334b可以在竖直方向上彼此平行地延伸。图39和图40所示的竖直截面是示例性的，并且第一区域至第四区域331、332、333和334的竖直截面的形状可以根据线A-A′和线 B-B′的位置而变化。例如，由于线A-A′沿Y方向移动，所以图39所示的竖直截面的形状改变，并且由于线B-B′沿X方向移动，因此图 40所示的竖直截面的形状改变。无论竖直截面的形状如何变化，第一电介质331a、332a、333a和334a以及第二电介质331b、332b、333b 和334b可以在第一区域至第四区域331、332、333和334的每个竖直截面上一起存在。
图41是示出包括多个图38的单位图案阵列在内的分色透镜阵列 330的布置的示例的俯视图。如图41所示，分色透镜阵列330可以具有其中图38所示的2×2的单位图案阵列被重复且二维地布置的结构。
在应用于拜耳图案类型的图像传感器的分色透镜阵列330中，第一区域至第四区域331、332、333和334的第一图案至第四图案可以具有预定规则。例如，图42A是示出图38的单位图案阵列中的第一区域331的图案的示例的图，并且图42B是示出图像传感器中的与第一区域331对应的像素和周围像素的图。参照图42B，蓝色像素B被布置在与第一区域331对应的绿色像素G的左侧和右侧，并且红色像素R被布置在绿色像素G的上侧和下侧。与第四区域334对应的绿色像素布置在与第一区域331对应的绿色像素G的对角线方向上。因此，为了获得光学效果，在透射过第一区域331的光中，蓝光沿向第一区域331的左侧和右侧的方向行进，而红光沿向第一区域331的上侧和下侧的方向行进，该第一区域331的第一图案可以具有2重对称性。例如，如图42A所示，第一区域331的第一图案可以关于Y方向上的第一轴(I)对称，并且同时关于X方向上的第二轴(II)对称。
图43A是示例性地示出图38的单位图案阵列中的第二区域332 的形状的图，并且图43B是示出与图像传感器中的第二区域332对应的像素和外围像素的图。参照图43B，绿色像素G布置在与第二区域 332对应的蓝色像素B的左侧和右侧以及上侧和下侧。另外，红色像素R沿彼此交叉的两个对角线方向布置。因此，为了获得光学效果，在透射过第二区域332的光中，绿光沿第二区域332的左侧和右侧以及上侧和下侧的方向行进，而红光沿第二区域332的对角线方向行进，第二区域332的第二图案可以具有4重对称性。例如，如图43A所示，第二区域332的第二图案可以在Y方向上关于第一轴(I)、在X方向上关于第二轴(II)以及在对角线方向上关于第三轴(III)和第四轴 (IV)对称。
图44A是示例性地示出图38的单位图案阵列中的第三区域333 的形状的图，并且图44B是示出与图像传感器中的第三区域333对应的像素和外围像素的图。参照图44B，绿色像素G布置在与第三区域 333对应的红色像素R的左侧和右侧以及上侧和下侧。另外，蓝色像素B沿彼此交叉的两个对角线方向布置。因此，为了获得光学效果，在透射过第三区域333的光中，绿光沿第三区域333的左侧和右侧以及上侧和下侧的方向行进，而蓝光沿第三区域333的对角线方向行进，第三区域333的第三图案可以具有4重对称性。例如，如图44A所示，第三区域333的第三图案可以在Y方向上关于第一轴(I)、在X方向上关于第二轴(II)以及在对角线方向上关于第三轴(III)和第四轴 (IV)对称。
图45A是示例性地示出图38的单位图案阵列中的第四区域334 的形状的图，并且图45B是示出与图像传感器中的第四区域334对应的像素和外围像素的图。参照图45B，红色像素R被布置在与第四区域334对应的绿色像素G的左侧和右侧，并且蓝色像素B被布置在绿色像素G的上侧和下侧。与第一区域331对应的绿色像素沿对角线方向布置，但是在图45B中未示出。因此，为了获得光学效果，在透射过第四区域334的光中，红光沿向第四区域334的左侧和右侧的方向行进，而蓝光沿向第四区域334的上侧和下侧的方向行进，该第四区域334的第四图案可以具有2重对称性。例如，如图45A所示，第四区域334的第四图案可以关于Y方向上的第一轴(I)对称，并且同时关于X方向上的第二轴(II)对称。同样，图45B所示的像素布置与图42B所示的像素布置旋转了90°角。因此，第四区域334的第四图案可以具有与第一区域331的第一图案旋转90°角相同的形状。
在应用于拜耳图案类型的图像传感器的分色透镜阵列330中，作为第一区域至第四区域331、332、333和334的第一图案至第四图案的另一规则，可以将第一颜色区域至第四颜色区域331、332、333和 334设计为使得已经穿过分色透镜阵列330的蓝光、绿光和红光可以具有预定的目标相位分布。例如，第一区域至第四区域331、332、333 和334的第一图案至第四图案可以被确定为使得形成以下相位，该相位可以使透射穿过分色透镜阵列330的蓝光朝向与第二区域332对应的蓝色像素B的位置行进并会聚在该位置上而不行进到与第二区域 332相邻的第四区域334和第一区域331对应的位置。
同样，第一区域至第四区域331、332、333和334的第一图案至第四图案可以被确定为使得形成以下相位，该相位可以使透射穿过分色透镜阵列330的绿光朝向与第一区域331和第四区域334对应的绿色像素G的位置行进并会聚在该位置上而不行进到与第一区域331和第四区域334相邻的第三区域333和第二区域332对应的位置。
同样，第一区域至第四区域331、332、333和334的第一图案至第四图案可以被确定为使得形成以下相位，该相位可以使透射穿过分色透镜阵列330的红光朝向与第三区域333对应的红色像素R的位置行进并会聚在该位置上而不行进到与第三区域333相邻的第四区域 334和第一区域331对应的位置。
由分色透镜阵列330实现的目标相位分布可以与关于分色透镜阵列130的以上描述相同，因此省略其详细描述。分色透镜阵列330可以根据第一区域至第四区域331、332、333和334的第一图案至第四图案，执行与以上参照图6A至图6D、图7A至图7D以及图8A至图8D所述的相同的操作。
可以通过各种类型的计算机仿真来自动设计满足上述相位分布的分色透镜阵列330的图案。例如，可以通过诸如遗传算法、粒子群优化算法、蚁群优化算法等自然启发算法、或者基于伴随优化算法的逆向设计来优化第一区域至第四区域331、332、333和334的图案。
第一区域至第四区域331、332、333和334的第一图案至第四图案可以在设计分色透镜阵列330时在基于诸如分色光谱、光学效率、信噪比之类的评估因素来评估候选分色透镜阵列的性能的同时被优化。例如，第一区域至第四区域331、332、333和334的第一图案至第四图案可以以下被优化：预先确定每个评估元素的目标数值，并且减少与多个评估元素的目标数值的差之和。可以为每个评估元素索引性能，并且可以优化第一区域至第四区域331、332、333和334的第一图案至第四图案，从而可以使代表性能的值最大化。
图38所示的分色透镜阵列330是示例。另外，可以根据以下项，通过上述优化设计来获得各种类型的分色透镜阵列330：分色透镜阵列330中的第一区域至第四区域331、332、333和334的大小和厚度；要应用有分色透镜阵列330的图像传感器中的像素之间的间距和颜色特性；分色透镜阵列330与图像传感器之间的距离；入射光的入射角等。例如，图46是示例性地示出根据另一示例实施例的可以应用于拜耳图案类型的图像传感器分色透镜阵列中的单位图案阵列的形状的俯视图，并且图47是示例性地示出根据另一示例实施例的可以应用于拜耳图案类型的图像传感器的分色透镜阵列中的单位图案阵列的形状的俯视图。
图38中所示的第一区域至第四区域331、332、333和334中的每个区域以数字化二进制形式以14×14矩形布置被优化，并且图46 中所示的第一区域至第四区域331、332、333和334中的每个区域以数字化二进制形式以16×16矩形布置被优化。因此，图38所示的分色透镜阵列330的单位图案阵列具有28×28矩形布置的形状，并且图 46所示的分色透镜阵列的单位图案阵列具有32×32矩形布置的形状。在这种情况下，随着线A-A′在Y方向上移动或随着线B-B′在X方向上移动，图39和图40所示的第一区域至第四区域331、332、333和 334的竖直截面的形状不连续地改变。
图47所示的第一区域至第四区域331、332、333和334中的每个区域可以以未数字化的连续曲线的形式被优化。在这种情况下，随着线A-A′在Y方向上移动或随着线B-B′在X方向上移动，图39和图 40所示的第一区域至第四区域331、332、333和334的竖直截面的形状连续地改变。
图48A和图48B是从不同的截面观察的采用分色透镜阵列330 的像素传感器中的像素阵列的截面图。参照图48A和图48B，图像传感器的像素阵列1100e可以包括传感器衬底110、间隔层120和分色透镜阵列330。分色透镜阵列330的第一区域331与传感器衬底110 的第一感光单元111对应地设置，并且分色透镜阵列330的第二区域 332与传感器衬底110的第二感光单元112对应地设置。分色透镜阵列330的第三区域333与传感器衬底110的第三感光单元113对应地设置，并且分色透镜阵列330的第四区域334与传感器衬底110的第四感光单元114对应地设置。滤色器105可以进一步布置在传感器衬底110和间隔层120之间。如上所述，间隔层120的厚度由预定传播距离要求确定，预定传播距离要求被配置为由分色透镜阵列330分离的不同波长的光会聚在对应的感光单元上。
分色透镜阵列330的上述图案是示例，并且可以进行各种修改。例如，可以根据分色透镜阵列330中的第一区域至第四区域331、332、 333和334的其他图案形状来分离除可见光带之外的其他波长带。同样，配置分色透镜阵列330中的一个单位图案阵列的分色图案的数量可以根据分色透镜阵列330的应用示例而变化。作为示例，图像传感器中的像素布置描述为拜耳图案，但是可以应用于图2B和图2C所示的像素布置。可以通过采用分色透镜阵列330的区域并针对每个区域使用上述优化方法来确定适合于上述像素布置的图案。
图49是示出根据另一示例实施例的分色透镜阵列340的示例的俯视图。参照图49，分色图案阵列340可以包括以粗线表示的多个单位图案阵列，其中单位图案阵列是二维布置的。每个单位图案阵列可以包括以2×2维形状布置的第一区域至第四区域341、342、343和344。在分色透镜阵列340的整个布置中，第一区域341和第二区域342在横向方向上交替地布置一行，并且第三区域343和第四区域344在横向方向上交替地布置成另一行。同样，第一区域341和第三区域343 在纵向方向上沿一列交替地布置，并且第二区域342和第四区域344 在纵向方向上沿另一列交替地布置。
另外，分色透镜阵列340可以进一步包括任何单位图案阵列中未包括的多个第一分色图案至第四分色图案341、342、343和344。任何单位图案阵列中未包括的多个第一分色图案至第四分色图案341、 342、343和344可以沿分色透镜阵列340的边缘布置。例如，构成一列的多个第二区域342和多个第四区域344另外布置在分色透镜阵列 340的左边缘上，构成一列的多个第一区域341和多个第三区域343 另外布置在分色透镜阵列340的右边缘上，构成一行的多个第三区域 343和多个第四区域344另外布置在分色透镜阵列340的上边缘上，并且构成一行的多个第一区域341和多个第二区域342另外布置在分色透镜阵列340的下边缘上。
图50示出了沿线C-C’截取的图49所示的分色透镜阵列340的竖直截面。参照图50，分色透镜阵列340可以包括相对于传感器衬底110 的边缘在水平方向上突出且在竖直方向上不面对传感器衬底110中的任何感光单元的多个第一区域341和多个第二区域342。未包括在图 50中的任何单位图案阵列中的多个第一区域至第四区域341、342、343 和344全部相对于传感器衬底110的边缘在水平方向上突出，并且在竖直方向上不面对任何感光单元。
如以上参考图6A至图6D、图7A至图7D以及图8A至图8D所述，感光单元不仅可以在竖直方向上从分色透镜阵列340的与其对应的区域接收光，而且还可以从多个其他外围区域接收光。当没有沿分色透镜阵列340的边缘添加第一区域至第四区域341、342、343和344时，可以减小入射到沿传感器衬底110的边缘布置的感光单元的光的强度，并且色纯度也可降低。通过沿分色透镜阵列340的边缘另外布置第一区域至第四区域341、342、343和344，与在传感器衬底110 内部布置的感光单元相同，光可以入射到沿传感器衬底110的边缘布置的感光单元。图49和图50所示的示例实施例也可以应用于包括上述多个纳米柱的布置的分色透镜阵列。
当将示例实施例应用于图22所示的相机2000时，考虑到入射光的CRA，可以将分色透镜阵列中的多个单位图案阵列设计为具有不同的形状。例如，图51是示出根据另一示例实施例的分色透镜阵列350 中的多个单位图案阵列的布置的示例的俯视图。参照图51，分色透镜阵列350可以包括根据其在图像传感器上的位置而具有不同图案的多个单位图案阵列350a、350b、350c、350d、350e、350f、350g、350h 和350i。例如，可以考虑入射到图像传感器上的布置有单位图案阵列 350a至350i的位置上的入射光的CRA，通过上述优化算法来确定每个单位图案阵列350a至350i中的第一区域至第四区域的图案。当入射到图像传感器的中心的光的CRA为0并且朝向图像传感器的边缘逐渐增大时，每个单位图案阵列350a至350i中的第一区域至第四区域的图案可以从在图像传感器的中心处的单位图案阵列350e朝向布置在图像传感器的边缘处的单位图案阵列350a、350b、350c、350d、 350f、350g、350h和350i逐渐改变。
同样，为了获得一致的分色效率而不考虑入射光的CRA的改变，该改变根据图像传感器上的位置而变化，可以将两个不同的分色透镜阵列堆叠成双层结构。例如，图52是示出根据另一示例实施例的图像传感器中的像素阵列1100f的示意性结构的截面图。参照图52，图像传感器的像素阵列1100f可以包括在间隔层120上的第一分色透镜阵列360和在第一分色透镜阵列360上的第二分色透镜阵列370。
第一分色透镜阵列360可以包括在竖直方向上面对第一感光单元 111布置的第一区域361、和在竖直方向上面对第二感光单元112布置的第二区域362。图52的截面图仅示出了第一区域361和第二区域 362，但是第一分色透镜阵列360还可以包括在另一截面中的第三区域和第四区域。第二分色透镜阵列370可以包括在竖直方向上面对第一感光单元111布置的第一区域371、和在竖直方向上面对第二感光单元112布置的第二区域372。因此，第一分色透镜阵列360的第一区域361和第二区域362可以被布置为分别在竖直方向上面对第二分色透镜阵列370的第一区域371和第二区域372。同样，第二分色透镜阵列370可以进一步包括第三区域和第四区域。
第一分色透镜阵列360的第一区域361和第二区域362可以具有不同的图案，并且第二分色透镜阵列370的第一区域371和第二区域 372可以具有不同的图案。同样，第一分色透镜阵列360的第一区域 361可以具有与第二分色透镜阵列370的第一区域371和第二区域372 的图案不同的图案，并且第一分色透镜阵列360的第二区域362可以具有与第二分色透镜阵列370的第一区域371和第二区域372的图案不同的图案。
在以上结构中，第二分色透镜阵列370和第一分色透镜阵列360 的图案可以被设计为使得在连续地穿过第二分色透镜阵列370和第一分色透镜阵列360之后入射在传感器衬底110上的光可以被更有效地分色。例如，第二分色透镜阵列370可以具有根据图像传感器上的位置而变化的形状，并且可以将入射光的行进方向改变为与第一分色透镜阵列360的表面法线几乎平行。在这种情况下，不管图像传感器上的位置如何，第一分色透镜阵列360的图案可以是一致的。同样，第一分色透镜阵列360的图案和第二分色透镜阵列370的图案可以在光传播的方向上彼此移位。
在根据以上示例实施例的图像传感器中，由滤色器引起的光损失很少发生，并且即使当像素的大小减小时也可以向像素提供足够的光强度。因此，可以制造具有数亿个或更多像素的超高分辨率、超小型和高灵敏度的图像传感器。这种超高分辨率、超小型和高灵敏度的图像传感器可以用于各种高性能光学设备或高性能电子设备中。例如，电子设备可以包括例如智能电话、移动电话、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、个人计算机(PC)、各种便携式设备、电子设备、监视相机、医疗相机、汽车、物联网(IoT)、其他移动或非移动计算设备，但不限于此。
图53是根据一个或多个示例实施例的包括图像传感器的电子设备的框图。电子设备包括图像传感器1000、处理器2200、存储器2300、显示设备2400和总线2500。图像传感器1000根据处理器2200的控制来获取关于外部物体的图像信息，并将图像信息提供给处理器2200。处理器2200经由总线2500将从图像传感器1000提供的图像信息存储在存储器2300中，并且将存储在存储器2300中的图像信息输出到显示设备2400以将图像信息显示给用户。同样，处理器2200可以对从图像传感器1000提供的图像信息执行各种图像处理。
图54至图64是示出应用有根据一个或多个示例实施例的图像传感器的电子设备的各种示例的图。
根据示例实施例的图像传感器可以应用于具有图像捕获功能的各种多媒体设备。例如，图像传感器可以应用于图54所示的相机2000。相机2000可以是数码相机或数码摄像机。
参照图55，相机2000可以包括成像单元2100、图像传感器1000 和处理器2200。
成像单元2100通过聚焦从物体OBJ反射的光来形成光学图像。成像单元2100可以包括物镜2010、透镜驱动器2120、孔径光阑2130 和孔径光阑驱动器2140。为了便于说明，图55仅示出了一个透镜，但是物镜2010实际上可以包括具有彼此不同大小和形状的多个透镜。透镜驱动器2120可以与处理器2200通信关于焦点检测的信息，并且可以根据从处理器2200提供的控制信号来调节物镜2010的位置。透镜驱动器2120可以移动物镜2010以调节物镜2010与物体OBJ之间的距离，或者可以调节分离的透镜在物镜2010中的位置。当透镜驱动器2120驱动物镜2010时，可以调节物体OBJ的聚焦。相机2000可以具有自动聚焦功能。
孔径光阑驱动器2140可以与处理器2200通信关于光强度的信息，并且可以根据从处理器2200提供的控制信号来调节孔径光阑 2130。例如，孔径光阑驱动器2140可以根据穿过物镜2010进入相机 2000的光量来增大或减小孔径光阑2130的孔径，并且可以调节孔径光阑2130的打开时间。
图像传感器1000可以基于入射光的强度来产生电图像信号。图像传感器1000可以包括像素阵列1100、时序控制器1010和输出电路 1030。图像传感器1000可以进一步包括图1所示的行解码器。已经穿过物镜2010和孔径光阑2130的光可以在像素阵列1100的光接收表面上形成物体OBJ的图像。像素阵列1100可以是用于将光信号转换成电信号的CCD或CMOS。像素阵列1100可以包括用于执行自动聚焦 (AF)功能或距离测量功能的附加像素。同样，像素阵列1100可以包括上述分色透镜阵列。
处理器2200可以控制相机2000的整体操作并且可以具有图像处理功能。例如，处理器2200可以向透镜驱动器2120、孔径光阑驱动器2140、时序控制器1010等提供用于操作元件的控制信号。
根据示例实施例的图像传感器可以应用于图56所示的移动电话或智能电话3000、图57所示的平板或智能平板3100、图58所示的膝上型计算机3200、图59所示的电视或智能电视3300等。例如，智能手机3000或智能平板电脑3100可以包括多个高分辨率相机，每个高分辨率相机包括高分辨率图像传感器。可以提取图像中物体的深度信息，可以调整图像的离焦(out focusing)，或者可以通过使用高分辨率相机来自动识别图像中的物体。
同样，图像传感器可以应用于图60所示的智能冰箱3400、图61 所示的监视相机3500、图62所示的机器人3600、图63所示的医疗相机3700等。例如，智能冰箱3400可以通过使用图像传感器来自动识别冰箱中的食物，并且可以通过智能手机通知用户某种食物的存在、放入或取出的食物的种类等。同样，监视相机3500可以提供超高分辨率图像，并且即使在黑暗环境中，也可以允许用户通过使用高灵敏度来识别图像中的物体或人。可以将机器人3600输入到人不能直接访问的灾难或工业现场，以向用户提供高分辨率图像。医疗相机3700可以提供用于诊断或手术的高分辨率图像，并且可以动态地调整视野。
同样，图像传感器可以如图64所示应用于车辆3800。车辆3800 可以包括布置在各个位置上的多个车辆相机3810、3820、3830和3840，并且车辆相机3810、3820、3830和3840中的每个可以包括根据示例实施例的图像传感器。车辆3800可以通过使用多个车辆相机3810、3820、3830和3840向驾驶员提供关于车辆3800的内部或车辆3800 的外围的各种信息，并且可以通过自动识别图像中的物体或人来向驾驶员提供对于自主行进所需的信息。
尽管已经参考示例实施例具体示出并描述了包括分色透镜阵列的图像传感器和包括该图像传感器的电子设备，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以在示例性实施例中进行形式和细节上的各种变化。应当仅在描述的意义下而非为了限制目的来考虑示例实施例。因此，本公开的范围不是由本公开的详细描述来限定，而是由所附权利要求来限定，并且范围内的所有差异将解释为包括在本公开中。
应当理解，本文所描述的示例实施例应当被认为仅是描述性的，而不是为了限制目的。对每个示例性实施例中的特征或方面的描述应当典型地被看作是可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。虽然已参考附图描述了示例实施例，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (30)

1.一种图像传感器，包括：
传感器衬底，包括被配置为感测光的多个第一感光单元和被配置为感测光的多个第二感光单元；以及
分色透镜阵列，设置在传感器衬底上方，所述分色透镜阵列包括多个第一区域和多个第二区域，其中，所述多个第一区域分别对应于所述多个第一感光单元并且具有第一精细结构，并且所述多个第二区域分别对应于所述多个第二感光单元并且具有与所述第一精细结构不同的第二精细结构，
其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构被配置为在所述多个第一区域和所述多个第二区域下方形成相位分布，其中，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的第一波长的光和第二波长的光基于所述相位分布而分别被分支到不同的方向并聚焦在所述多个第一感光单元和所述多个第二感光单元上，并且
其中，在所述分色透镜阵列的中心处的多个第一区域和多个第二区域的位置和与该多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元的位置一致，并且在所述分色透镜阵列的外围部分上的多个第一区域和多个第二区域的位置相对于与该多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元朝向所述分色透镜阵列的中心移位。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述分色透镜阵列的外围部分上的多个第一区域和多个第二区域相对于与该多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元的移位程度随着距所述分色透镜阵列的中心的距离的增大而增大。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个第一区域和所述多个第二区域相对于分别与该多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元的移位距离满足：
s＝d×tan(CRA′)，
其中d是所述分色透镜阵列的下表面与所述传感器衬底的上表面之间的最短距离，并且CRA’是入射在所述传感器衬底上的光的入射角。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构被配置为使得在所述第一波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第一波长的光在与所述多个第一感光单元的中心对应的位置处形成2Nπ的相位分布，并在与所述多个第二感光单元的中心对应的位置处形成(2N-1)π的相位分布，其中N是大于0的整数。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构被配置为使得在所述第二波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第二波长的光在与所述多个第一感光单元的中心对应的位置处形成(2M-1)π的相位分布，并在与所述多个第二感光单元的中心对应的位置处形成2Mπ的相位分布，其中M是大于0的整数。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：间隔层，设置在所述传感器衬底与所述分色透镜阵列之间，所述间隔层被配置为形成所述传感器衬底与所述分色透镜阵列之间的距离。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，
当所述间隔层的理论厚度为ht并且所述多个第一感光单元和所述多个第二感光单元之间的间距为p时，所述间隔层的厚度h满足ht-p≤h≤ht+p，并且
其中，所述间隔层的理论厚度是所述分色透镜阵列在要由所述分色透镜阵列分离的入射光的波长带的中心波长处的焦距。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中，当所述间隔层的折射率为n并且由所述分色透镜阵列分离的光的波长带的中心波长为λ0时，所述间隔层的理论厚度ht满足：
Figure FDA0002735235570000021
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述传感器衬底还包括用于感测光的多个第三感光单元和多个第四感光单元，
其中，所述分色透镜阵列还包括：
多个第三区域，分别对应于所述多个第三感光单元，并且具有与所述第一精细结构和所述第二精细结构不同的第三精细结构；以及
多个第四区域，分别对应于所述多个第四感光单元，并且具有与所述第一精细结构、所述第二精细结构和所述第三精细结构不同的第四精细结构，并且
其中，所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域分别沿四个象限表面设置。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，在所述图像传感器的中心处，所述分色透镜阵列的多个第一区域、多个第二区域、多个第三区域和多个第四区域的位置与分别对应于该多个第一区域、该多个第二区域、该多个第三区域和该多个第四区域的多个第一感光单元、多个第二感光单元、多个第三感光单元和多个第四感光单元的位置一致，并且
其中，在所述图像传感器的外围部分处，所述分色透镜阵列的多个第一区域、多个第二区域、多个第三区域和多个第四区域相对于分别对应于该多个第一区域、该多个第二区域、该多个第三区域和该多个第四区域的多个第一感光单元、多个第二感光单元、多个第三感光单元和多个第四感光单元朝向所述图像传感器的中心移位。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中，在所述图像传感器的外围部分处，所述分色透镜阵列的多个第一区域、多个第二区域、多个第三区域和多个第四区域相对于分别对应于该多个第一区域、该多个第二区域、该多个第三区域和该多个第四区域的多个第一感光单元、多个第二感光单元、多个第三感光单元和多个第四感光单元朝向所述图像传感器的中心的移位程度随着距所述图像传感器的中心的距离的增大而增大。
12.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述第一精细结构、所述第二精细结构、所述第三精细结构和所述第四精细结构被配置为形成相位分布，通过所述相位分布，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的所述第一波长的光、所述第二波长的光和第三波长的光被分支到彼此不同的方向，并且
其中，在穿过所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域后的位置处，所述第一波长的光会聚在所述多个第一感光单元和所述多个第四感光单元上，所述第二波长的光会聚在所述多个第二感光单元上，并且所述第三波长的光会聚在所述多个第三感光单元上。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述第一波长的光是绿光，所述第二波长的光是蓝光，并且所述第三波长的光是红光。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述第一精细结构、所述第二精细结构、所述第三精细结构和所述第四精细结构被配置为使得：
在所述第一波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第一波长的光在与所述多个第一感光单元的中心和所述多个第四感光单元的中心对应的位置处形成2Nπ的相位分布，并在与所述多个第二感光单元的中心和所述多个第三感光单元的中心对应的位置处形成(2N-1)π的相位分布，
在所述第二波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第二波长的光在与所述多个第一感光单元的中心和所述多个第四感光单元的中心对应的位置处形成(2M-1)π的相位分布，在与所述多个第二感光单元的中心对应的位置处形成2Mπ的相位分布，并且在与所述多个第三感光单元的中心对应的位置处形成大于(2M-2)π且小于(2M-1)π的相位分布，并且
在所述分色透镜阵列下方的位置处，所述第三波长的光在所述多个第一光感单元的中心和所述多个第四光感单元的中心上形成(2L-1)π的相位分布，在所述多个第三光感单元的中心上形成2Lπ的相位分布，并且在所述多个第二光感单元的中心上形成大于(2L-2)π且小于(2L-1)π的相位分布，在所述第三波长的光穿过所述分色透镜阵列后紧接的位置处，所述第三波长的光在与所述多个第一感光单元的中心和所述多个第四感光单元的中心对应的位置处形成(2L-1)π的相位分布，在与所述多个第三光感单元的中心对应的位置处形成2Lπ的相位分布，并且在与所述多个第二感光单元的中心对应的位置处形成大于(2L-2)π且小于(2L-1)π的相位分布，其中N、M和L为大于0的整数。
15.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域中的所述第一精细结构、所述第二精细结构、所述第三精细结构和所述第四精细结构包括多个纳米柱，并且
其中，纳米柱在所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域中的形状、大小和布置中的至少一项彼此不同。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述图像传感器包括多个单位像素，每个单位像素包括重复设置的红色像素、绿色像素和蓝色像素，并且
其中，在所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域之中的与所述绿色像素对应的区域中设置的纳米柱在第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向上具有不同的分布规则。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，在所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域之中的与所述蓝色像素对应的区域和与所述红色像素对应的区域中设置的纳米柱在所述第一方向和所述第二方向上具有对称的分布规则。
18.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述多个纳米柱中的每一个包括第一纳米柱和设置在所述第一纳米柱上的第二纳米柱，
其中，在所述图像传感器的中心处，所述第二纳米柱的位置与所述第一纳米柱的位置一致，并且
其中，在所述图像传感器的外围部分处，所述第二纳米柱相对于所述第一纳米柱朝向所述图像传感器的中心移位。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中，在所述图像传感器的外围部分处，所述第二纳米柱相对于所述第一纳米柱的移位程度随着距所述图像传感器的中心的距离的增大而增大。
20.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述多个纳米柱中的每一个包括第一纳米柱、设置在所述第一纳米柱上的第二纳米柱、和设置在所述第二纳米柱上的第三纳米柱，
其中，在所述图像传感器的中心处，所述第二纳米柱的位置和所述第三纳米柱的位置与所述第一纳米柱的位置一致，并且
其中，在所述图像传感器的外围部分处，所述第二纳米柱相对于所述第一纳米柱朝向所述图像传感器的中心移位，并且所述第三纳米柱相对于所述第二纳米柱朝向所述图像传感器的中心移位。
21.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，在所述图像传感器的外围部分处所述多个第一区域、所述多个第二区域、所述多个第三区域和所述多个第四区域中的一个区域中设置的所述纳米柱中的每一个纳米柱的线宽大于在所述图像传感器的中心处相同区域的相同位置处的纳米柱的线宽。
22.根据权利要求21所述的图像传感器，其中，当在所述图像传感器的外围部分上纳米柱的线宽为w并且在所述图像传感器的中心上纳米柱的线宽为w0时，w和w0满足：
w～w0·(1+sinCRA/10)，
其中，CRA是入射在所述分色透镜阵列上的光的入射角。
23.根据权利要求21所述的图像传感器，其中，所述图像传感器的最外边缘处的纳米柱的线宽比所述图像传感器的中心处的纳米柱的线宽大2.5％至6.5％。
24.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述分色透镜阵列还包括多个第一突起区域和多个第二突起区域，所述多个第一突起区域和所述多个第二突起区域从所述传感器衬底的边缘突出并且在竖直方向上不面对所述传感器衬底中的所述多个第一感光单元和所述多个第二感光单元中的任何一个感光单元。
25.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述分色透镜阵列的总面积小于所述传感器衬底的总面积。
26.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述分色透镜阵列还包括第一分色透镜阵列和设置在所述第一分色透镜阵列上的第二分色透镜阵列，并且
其中，所述第一分色透镜阵列的第一区域和第二区域中的第一精细结构和第二精细结构包括多个纳米柱，并且所述第二分色透镜阵列的第一区域和第二区域中的第一精细结构和第二精细结构包括多个纳米柱，并且
其中，所述第一分色透镜阵列中包括的多个纳米柱的布置形式与所述第二分色透镜阵列中包括的多个纳米柱的布置形式不同。
27.一种图像传感器，包括：
传感器衬底，包括被配置为感测光的多个第一感光单元和被配置为感测光的多个第二感光单元；以及
分色透镜阵列，包括：
多个第一区域，每个第一区域包括具有第一折射率并形成第一图案的第一电介质、以及具有小于所述第一折射率的第二折射率并填充所述第一电介质中的所述第一图案的空间的第二电介质，所述多个第一区域分别对应于所述多个第一感光单元，并且
多个第二区域，每个第二区域包括具有所述第一折射率并形成与所述第一图案不同的第二图案的第一电介质、以及具有小于所述第一折射率的第二折射率并填充所述第一电介质中的所述第二图案的空间的第二电介质，所述多个第二区域分别对应于所述多个第二感光单元，
其中，所述多个第一区域和所述多个第二区域被配置为在所述多个第一区域和所述多个第二区域下方形成相位分布，其中，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的第一波长的光和第二波长的光基于所述相位分布而分别被分支到不同的方向上并会聚在所述多个第一感光单元的中的每一个和所述多个第二感光单元中的每一个上，并且
其中，所述多个第一区域中的所述第一图案的形状和所述第二区域中的所述第二图案的形状从所述分色透镜阵列的中心朝向所述分色透镜阵列的外围部分逐渐改变。
28.一种电子设备，包括：
成像设备，被配置为聚焦从物体反射的光以形成光学图像；以及
图像传感器，被配置为将由所述成像设备形成的光学图像转换成电信号，
其中，所述图像传感器包括：
传感器衬底，包括用于感测光的多个第一感光单元和多个第二感光单元；以及
分色透镜阵列，设置在所述传感器衬底上方，并且包括多个第一区域和多个第二区域，其中，所述多个第一区域分别对应于所述多个第一感光单元并且具有第一精细结构，并且所述多个第二区域分别对应于所述多个第二感光单元并且具有与所述第一精细结构不同的第二精细结构，
其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构被配置为在所述多个第一区域和所述多个第二区域下方形成相位分布，其中，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的第一波长的光和第二波长的光基于所述相位分布而分别被分支到不同的方向并会聚在所述多个第一感光单元中的每一个和所述多个第二感光单元中的每一个上，并且
其中，在所述分色透镜阵列的中心上，多个第一区域和多个第二区域的位置与对应于个多个第一区域和该多个第二区域的多个第一感光单元和多个第二感光单元的位置一致，并且在所述分色透镜阵列的外围部分上，多个第一区域和多个第二区域的位置相对于与该多个第一区域和该多个第二区域对应的多个第一感光单元和多个第二感光单元朝向所述分色透镜阵列的中心移位。
29.根据权利要求28所述的图像传感器，其中，所述电子设备包括智能电话、移动电话、个人数字助理PDA、膝上型计算机或个人计算机PC。
30.一种图像传感器，包括：
传感器衬底，包括被配置为感测光的多个第一感光单元和被配置为感测光的多个第二感光单元；以及
分色透镜阵列，设置在所述传感器衬底上方，并且包括多个第一区域和多个第二区域，其中，所述多个第一区域分别对应于所述多个第一感光单元并且具有第一精细结构，并且所述多个第二区域分别对应于所述多个第二感光单元并且具有与所述第一精细结构不同的第二精细结构，
其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构被配置为在所述多个第一区域和所述多个第二区域下方形成相位分布，其中，入射在所述分色透镜阵列上的入射光中的第一波长的光和第二波长的光基于所述相位分布而分别被分支到不同的方向并聚焦在所述多个第一感光单元和所述多个第二感光单元上，
其中，所述第一精细结构和所述第二精细结构分别包括多个纳米柱，
其中，所述多个纳米柱中的每一个包括第一纳米柱和设置在所述第一纳米柱上的第二纳米柱，并且
其中，在所述图像传感器的中心处，所述第二纳米柱的位置与所述第一纳米柱的位置一致，并且在所述图像传感器的外围部分处，所述第二纳米柱相对于所述第一纳米柱朝向所述图像传感器的中心移位。
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