CN114447006A - 包括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 - Google Patents

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Abstract

提供一种图像传感器，包括：传感器基板，包括配置为感测红外线波段中的第一波长光的多个第一像素和配置为感测可见光波段中的第二波长光的多个第二像素；以及分色透镜阵列，设置在传感器基板上并且配置为改变入射在分色透镜阵列上的第一波长光的相位以使第一波长光会聚到多个第一像素，其中，分色透镜阵列包括配置为使第一波长光分别会聚在多个第一像素上的多个光会聚区域，并且其中多个光会聚区域中每一个的面积大于多个第一像素中每一个的面积。

Description

包括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
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2020年10月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2020-0143877和于2021年6月25日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2021-0083124的优先权，所述申请的全部公开内容通过引用合并于此。
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，涉及包括能够单独会聚红外光的分色透镜阵列的图像传感器、以及包括该图像传感器的电子设备。
背景技术
为了获得三维(3D)图像或人眼检测不到的材料信息，正在开发包括可见光像素和红外像素两者的图像传感器，例如，多谱图像传感器或3D图像传感器。然而，当使用硅基光电转换元件时，红外像素的信号转换率低，并且由于微透镜而出现红外光的串扰，使其难以提高质量。
发明内容
一个或多个示例实施例提供了通过使用能够单独会聚红外光的分色透镜阵列而具有提高的光利用效率的图像传感器、以及包括该图像传感器的电子设备。
附加方面将部分地在接下来的描述中阐述，且将部分地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个方面，提供了一种图像传感器，包括：传感器基板，包括配置为感测红外线波段中的第一波长光的多个第一像素和配置为感测可见光波段中的第二波长光的多个第二像素；以及分色透镜阵列，设置在所述传感器基板上并且配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第一波长光的相位以使所述第一波长光会聚到所述多个第一像素，其中，所述分色透镜阵列包括配置为使所述第一波长光分别会聚在所述多个第一像素上的多个光会聚区域，并且其中所述多个光会聚区域中每一个的面积大于所述多个第一像素中每一个的面积。
所述多个光会聚区域配置为改变所述第一波长光的相位，以使穿过所述多个光会聚区域的所述第一波长光可以具有在远离所述多个光会聚区域的中心的方向上减小的相位分布。
所述多个光会聚区域中每一个的面积可以是所述多个第一像素中每一个的面积的1.5倍至4倍。
所述分色透镜阵列可以配置为使穿过所述分色透镜阵列的所述第二波长光的相位具有恒定的相位分布。
所述图像传感器还可以包括：红外滤光器，设置在所述传感器基板与所述分色透镜阵列之间，所述红外滤光器在竖直方向上面对所述多个第一像素，所述红外滤光器配置为阻挡可见光。
所述图像传感器还可以包括：滤色器，设置在所述传感器基板与所述分色透镜阵列之间，所述滤色器在竖直方向上面对所述多个第二像素，所述滤色器配置为阻挡红外线。
所述图像传感器还可以包括设置在所述滤色器上的微透镜。
所述分色透镜阵列可以包括：第一像素对应区域，设置为在竖直方向上面对所述多个第一像素并且包括第一纳米柱；以及第二像素对应区域，设置为在竖直方向上面对所述多个第二像素并且包括第二纳米柱。
所述第一纳米柱可以设置在所述第一像素对应区域的中心，所述第二纳米柱可以设置在所述第二像素对应区域的中心，并且所述第一纳米柱的截面面积可以大于所述第二纳米柱的截面面积。
所述光会聚区域可以包括第一波长光会聚区域，所述第二波长光可以包括红光或蓝光，所述分色透镜阵列可以包括配置为使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素的第二波长光会聚区域，所述第二波长光会聚区域的面积可以大于所述多个第二像素的面积，并且所述第一波长光会聚区域可以与所述第二波长光会聚区域部分地重叠。
所述传感器基板可以包括配置为感测第三波长光的多个第三像素和配置为感测第四波长光的多个第四像素，所述第二波长光可以是红光，所述第三波长光可以是蓝光，并且所述第四波长光可以是绿光，并且所述分色透镜阵列还可以配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第二波长光的相位以使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素，改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第三波长光的相位以使所述第三波长光会聚到所述多个第三像素，以及改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第四波长光的相位以使所述第四波长光会聚到所述多个第四像素。
所述传感器基板可以包括配置为感测第三波长光的多个第三像素和配置为感测第四波长光的多个第四像素，所述第二波长光可以是红光，所述第三波长光可以是蓝光，所述第四波长光可以是绿光，并且所述分色透镜阵列可以配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第一波长光的相位和所述第四波长光的相位，以使所述第一波长光和所述第四波长光的组合光会聚到所述多个第一像素和所述多个第四像素。
所述图像传感器还可以包括设置在所述多个第四像素上的滤色器，该滤色器配置为阻挡红外线。
所述图像传感器还可以包括设置在所述多个第一像素上的滤色器，该滤色器配置为阻挡可见光。
所述分色透镜阵列可以配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第二波长光的相位以使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素，以及改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第三波长光的相位以使所述第三波长光会聚到所述多个第三像素。
所述多个光会聚区域可以包括第一波长光会聚区域，所述分色透镜阵列可以包括配置为使所述第二波长光分别会聚在所述多个第二像素上的多个第二波长光会聚区域，并且所述多个第二波长光会聚区域中每一个的面积可以大于所述第一波长光会聚区域的面积。
根据示例实施例的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：图像传感器，配置为将光学图像转换为电信号；以及处理器，配置为控制所述图像传感器，并且存储和输出由所述图像传感器生成的信号，其中，所述图像传感器包括：传感器基板，包括配置为感测红外线波段中的第一波长光的多个第一像素和配置为感测可见光波段中的第二波长光的多个第二像素；以及分色透镜阵列，设置在所述传感器基板上并且配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第一波长光的相位以使所述第一波长光会聚到所述多个第一像素，其中，所述分色透镜阵列可以包括配置为使所述第一波长光分别会聚在所述多个第一像素上的多个光会聚区域，并且所述多个光会聚区域中每一个的面积大于所述多个第一像素中每一个的面积。
所述多个光会聚区域可以配置为改变所述第一波长光的相位，以使穿过所述多个光会聚区域的所述第一波长光具有在远离所述多个光会聚区域的中心的方向上减小的相位分布。
所述多个光会聚区域中每一个的面积可以是所述多个第一像素中每一个的面积的1.5倍至4倍。
所述分色透镜阵列可以配置为使穿过所述分色透镜阵列的所述第二波长光的相位具有恒定的相位分布。
所述电子设备还可以包括：红外滤光器，设置在所述传感器基板与所述分色透镜阵列之间，所述红外滤光器在竖直方向上面对所述多个第一像素，所述红外滤光器配置为阻挡可见光。
所述电子设备还可以包括：滤色器，设置在所述传感器基板与所述分色透镜阵列之间，所述滤色器面对所述多个第二像素，所述滤色器配置为阻挡红外线。
所述电子设备还可以包括设置在所述滤色器上的微透镜。
所述分色透镜阵列可以包括：第一像素对应区域，设置为在竖直方向上面对所述多个第一像素并且包括第一纳米柱；以及第二像素对应区域，设置为在竖直方向上面对所述多个第二像素并且包括第二纳米柱。
所述第一纳米柱可以设置在所述第一像素对应区域的中心，所述第二纳米柱可以设置在所述第二像素对应区域的中心，并且所述第一纳米柱的截面面积可以大于所述第二纳米柱的截面面积。
所述光会聚区域可以包括第一波长光会聚区域，所述第二波长光可以包括红光或蓝光，所述分色透镜阵列可以包括配置为使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素的第二波长光会聚区域，所述第二波长光会聚区域的面积可以大于所述多个第二像素的面积，并且所述第一波长光会聚区域可以与所述第二波长光会聚区域部分地重叠。
所述传感器基板可以包括配置为感测第三波长光的多个第三像素和可以配置为感测第四波长光的多个第四像素，所述第二波长光可以是红光，所述第三波长光可以是蓝光，并且所述第四波长光可以是绿光，并且所述分色透镜阵列可以配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第二波长光的相位以使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素，改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第三波长光的相位以使所述第三波长光会聚到所述多个第三像素，以及改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第四波长光的相位以使所述第四波长光会聚到所述多个第四像素。
所述传感器基板可以包括配置为感测第三波长光的多个第三像素和配置为感测第四波长光的多个第四像素，所述第二波长光可以是红光，所述第三波长光可以是蓝光，并且所述第四波长光可以是绿光，并且所述分色透镜阵列可以配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第一波长光和所述第四波长光的相位，以使所述第一波长光和所述第四波长光的组合光会聚在所述多个第一像素和所述多个第四像素上。
所述电子设备还可以包括设置在所述多个第四像素上的滤色器，该滤色器配置为阻挡红外线。
所述电子设备还可以包括设置在所述多个第一像素上的滤色器，该滤色器配置为阻挡可见光。
所述分色透镜阵列可以配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第二波长光的相位以使所述第二波长光会聚在所述多个第二像素上，以及改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第三波长光的相位以使所述第三波长光会聚在所述多个第三像素上。
所述多个光会聚区域可以包括第一波长光会聚区域，所述分色透镜阵列可以包括配置为使所述第二波长光分别会聚在所述多个第二像素上的多个第二波长光会聚区域，并且所述多个第二波长光会聚区域中每一个的面积可以大于所述第一波长光会聚区域的面积。
附图说明
根据结合附图的以下描述，本公开的示例实施例的上述和/或其他方面、特征和优点将更清楚，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是示出适用于图像传感器的像素图案的图；
图3A和图3B是示出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像素阵列的截面图；
图5A是示出图4A和图4B的像素阵列的像素布置的平面图，图5B是示出图4A和图4B的分色透镜阵列的多个纳米柱的布置示例的平面图，并且图5C是构成图5B的部分区域(例如单位图案)的绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的纳米柱的布置的详细视图；
图6A示出沿图5B的线I-I′穿过分色透镜阵列的绿光的相位分布，并且图6B示出在绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的中心穿过分色透镜阵列的绿光的相位；
图7A示出沿图5B的线II-II′穿过分色透镜阵列的红外线的相位分布，并且图7B示出在绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的中心穿过分色透镜阵列的红外线的相位；
图7C示出入射在分色透镜阵列中与红外像素相对应的红外像素对应区域及其周边上的红外线的行进方向，并且图7D示出红外会聚区域；
图8A和图8B是根据另一实施例的像素阵列的截面图；
图9A是示出图8A和图8B的分色透镜阵列的多个纳米柱的布置示例的平面图，并且图9B是构成图9A的部分区域(例如单位图案)的绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的纳米柱的布置的详细视图；
图10A示出沿图9A的线III-III′穿过分色透镜阵列的绿光和蓝光的相位分布，图10B示出在绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的中心穿过分色透镜阵列的绿光的相位，并且图10C示出在绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的中心穿过分色透镜阵列的蓝光的相位；
图10D示出入射在分色透镜阵列中与绿色像素相对应的绿色像素对应区域及其周边上的绿光的行进方向，并且图10E示出绿光会聚区域；
图10F示出入射在分色透镜阵列中与蓝色像素相对应的蓝色像素对应区域及其周边上的蓝光的行进方向，并且图10G示出蓝光会聚区域；
图11A示出沿图9A的线IV-IV′穿过分色透镜阵列的红光和红外线的相位分布，图11B示出在绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的中心穿过分色透镜阵列的红光的相位，并且图11C示出在绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的中心穿过分色透镜阵列的红外线的相位；
图11D示出入射在分色透镜阵列中与红色像素相对应的红色像素对应区域及其周边上的红光的行进方向，并且图11E示出红光会聚区域；
图12A和图12B是根据另一示例实施例的像素阵列的截面图；
图13A是示出图12A和图12B的分色透镜阵列的纳米柱的布置示例的平面图，并且图13B是图13A的一部分的详细放大平面图；
图14A示出沿图13A的线V-V′穿过分色透镜阵列的绿光和红外光的组合光以及蓝光的相位分布，图14B示出沿图13A的线VI-VI′穿过分色透镜阵列的红光以及绿光和红外线的组合光的相位分布，并且图14C示出在像素对应区域的中心穿过分色透镜阵列的绿光和红外光的组合光的相位；
图14D和图14E示出入射在分色透镜阵列的绿色对应区域和红外像素对应区域及其周边上的绿光和红外线的行进方向，并且图14F示出绿光会聚区域和红外线会聚区域；
图15A和图15B是根据另一实施例的分色透镜阵列的平面图；
图16是示出根据实施例的包括图像传感器的电子设备的示例的框图；
图17是示出图16的相机模块的示意框图；以及
图18、图19、图20、图21、图22、图23、图24、图25、图26和图27示出了根据示例实施例的应用图像传感器的电子设备的各种示例。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的示例实施例，其中，贯穿附图类似的附图标记表示类似的要素。在这点上，示例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”包括相关列出项中的任一项和一项或多项的所有组合。诸如“......中的至少一个”之类的表述在要素列表之后时修饰整个要素列表，而不是修饰列表中的单独要素。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。
在下文中，将参考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。本公开的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，相似的附图标记表示相似的组件，并且为了便于说明，附图中组件的尺寸可能被放大。
当层、膜、区域或板被称为在另一要素“上”时，其可以直接置于其他层或基板上/下/左侧/右侧，或者也可以存在中间层。
应理解，尽管术语“第一”和“第二”等可以在本文中用于描述各个组件，这些组件不应受这些术语限制。这些组件仅用来将组件彼此区分。这些术语不将组件的材料或结构限制为彼此不同。
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，当将一部分引用为“包括”另一组件时，该部分可以不排除其他组件，而是还可以包括其他组件，除非上下文另外说明。
此外，本文提供的诸如“单元”、“模块”等之类的术语指示执行功能或操作并且可以通过硬件、软件或硬件和软件的组合实现的单元。
术语“上述”和类似指示术语的使用可以与单数形式和复数形式两者相对应。
此外，可以按照任何合适的顺序执行本文中描述的所有方法的步骤，除非本文另外指出或者上下文另外明确地相反指示。此外，所有示例性术语(例如等)的使用仅用于详细描述技术思想，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所限制。
图1是根据示例实施例的图像传感器1000的示意框图。参考图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1000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包括二维布置成多个行和列的像素。行解码器1020响应于从时序控制器1010输出的行地址信号，选择像素阵列1100中的行之一。输出电路1030以列为单位输出来自在所选行中布置的多个像素的光敏信号。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、以及针对像素阵列1100中的列分别布置的多个ADC或在列解码器的输出端布置的一个ADC。时序控制器1010、行解码器1020和输出电路1030可以实现为一个芯片或在分离的芯片中实现。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，具体地，可以包括感测红外波段中的光的红外像素。包括红外像素的图像传感器可以执行各种功能，例如距离测量、虹膜识别和夜视，并且包括红外像素的像素的布置可以采用各种方式实现。例如，图2A至图2C示出图像传感器1000的像素阵列1100的各种像素布置。
图2A示出图像传感器1000中普遍采用的拜尔图案中的绿色像素G之一被红外像素IR替换的布置。参考图2A，一个单位图案包括四个象限区域，并且第一象限至第四象限可以分别是蓝色像素B、绿色像素G、红色像素R和红外像素IR。单位图案可以在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上二维重复布置。例如，在2×2阵列的单位图案中布置一个绿色像素G、一个蓝色像素B、一个红色像素R和一个红外像素IR。在整个像素布置中，可以沿第二方向(Y方向)重复地布置：其中多个绿色像素G和多个蓝色像素B沿第一方向(X方向)交替布置的第一行，以及其中多个红色像素R和多个红外像素IR沿第一方向(X方向)交替布置的第二行。
然而，除了图2A的布置之外，像素阵列1100的布置可以具有不同的类型。例如，图2B示出拜尔图案的红色像素R和蓝色像素B中的一个被红外像素IR替换的布置。此外，参考图2C，拜尔图案的2×2单位图案被一个红外像素IR替换的布置也是可能的。此外，单位图案可以是3×2阵列的形式，并且绿色像素G、蓝色像素B和红色像素R分别被洋红像素M、青色像素C和黄色像素Y替换的布置也是可能的。除了上述示例之外，像素阵列1100中的像素可以根据图像传感器1000的颜色特性以各种方式布置。在下文中，将描述图像传感器1000中的像素阵列1100具有图2A的布置，但是操作原理也应用于其他类型的像素布置。
图像传感器1000的像素阵列1100可以包括：用于会聚与特定像素相对应的颜色的光的分色透镜阵列。图3A和图3B是示出分色透镜阵列CSLA的结构和操作的概念图。
参考图3A，分色透镜阵列CSLA可以包括：多个纳米柱NP，其根据入射位置有差别地改变入射光Li的相位。分色透镜阵列CSLA可以以各种方式划分。例如，分色透镜阵列CSLA可以划分为：第一像素对应区域131，与入射光Li中包括的第一波长光Lλ1会聚到的第一像素PX1相对应；以及第二像素对应区域132，与入射光Li中包括的第二波长光Lλ2会聚到的第二像素PX2相对应。第一像素对应区域131和第二像素对应区域132中的每一个可以包括一个或多个纳米柱NP。第一像素对应区域131和第二像素对应区域132可以在竖直方向上分别面对第一像素PX1和第二像素PX2。作为另一个示例，分色透镜阵列CSLA可以分为：配置为使第一波长光Lλl会聚在第一像素PX1上的第一波长会聚区域L1，以及配置为使第二波长光Lλ2会聚在第二像素PX2上的第二波长会聚区域L2。第一波长会聚区域L1和第二波长会聚区域L2可以彼此部分地重叠。
分色透镜阵列CSLA可以形成入射光Li中包括的第一波长光Lλ1和第二波长光Lλ2的不同的相位分布，以使第一波长光Lλ1可以会聚在第一像素PX1上并且使第二波长光Lλ2可以会聚在第二像素PX2上。
例如，参考图3B，在分色透镜阵列CSLA的下表面位置处，刚穿过分色透镜阵列CSLA后的位置上，分色透镜阵列CSLA可以使第一波长光Lλ1具有第一相位分布PP1并且使第二波长光Lλ2具有第二相位分布PP2，以使第一波长光Lλ1和第二波长光Lλ2可以分别会聚在对应的第一像素PX1和第二像素PX2上。例如，穿过分色透镜阵列CSLA的第一波长光Lλ1可以具有相位分布PP1，其在第一像素对应区域R1的中心处最大，并且在远离第一像素对应区域R1的中心的方向上(即在第二像素对应区域R2的方向上)减小。这个相位分布可以类似于通过设置在第一波长会聚区域L1中的凸透镜(例如具有凸心的微透镜)而会聚到一点的光的相位分布，并且第一波长光Lλ1可以会聚在第一像素PX1上。此外，穿过分色透镜阵列CSLA的第二波长光Lλ2可以具有相位分布PP2，其在第二像素对应区域R2的中心处最大，并且在远离第二像素对应区域R2的中心的方向上(即在第一像素对应区域R1的方向上)减小，并且穿过分色透镜阵列CSLA的第二波长光Lλ2可以会聚在第二像素PX2上。
因为材料的折射率根据反应光的波长而不同，所以如图3B所示，分色透镜阵列CSLA可以提供关于第一波长光Lλ1和第二波长光Lλ2而不同的相位分布。例如，因为相同材料根据对该材料反应的光的波长而具有不同的折射率，并且光穿过该材料时所经历的相位延迟对于每个波长也是不同的，所以可以针对每个波长形成不同的相位分布。例如，第一像素对应区域R1对于第一波长光Lλ1的折射率与第一像素对应区域R1对于第二波长光Lλ2的折射率可以不同，并且穿过第一像素对应区域R1的第一波长光Lλ1经历的相位延迟和穿过第一像素对应区域R1的第二波长光Lλ2经历的相位延迟可以彼此不同。因此，当考虑到光的特性来设计分色透镜阵列CSLA时，可以针对第一波长光Lλ1和第二波长光Lλ2提供不同的相位分布。
分色透镜阵列CSLA可以包括以特定规则布置的纳米柱NP，以使第一波长光Lλ1和第二波长光Lλ2分别具有第一相位分布PP1和第二相位分布PP2。这里，所述规则可以应用于参数，例如纳米柱NP的形状、尺寸(宽度和高度)、纳米柱NP之间的距离以及其布置形式，并且可以根据要通过分色透镜阵列CSLA实现的相位分布来确定这些参数。
在第一像素对应区域R1中布置纳米柱NP的规则和在第二像素对应区域R2中布置纳米柱NP的规则可以彼此不同。例如，第一像素对应区域R1中包括的纳米柱NP的形状、尺寸、空间和/或布置可以与第二像素对应区域R2中包括的纳米柱NP的形状、尺寸、空间和/或布置不同。
纳米柱NP的截面直径可以具有亚波长尺寸。此处，亚波长指比要分支的光的波段小的波长。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尺寸。当入射光Li是可见光线时，纳米柱NP的截面直径可以具有小于400nm、300nm或200nm的尺寸。纳米柱NP的高度可以是500nm至1500nm，并且可以大于其截面直径。纳米柱NP可以是在高度方向(Z方向)上堆叠的两个或更多个柱的组合。
纳米柱NP可以包括具有比周边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族化合物半导体(磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)等)、碳化硅(SiC)、二氧化钛(TiO2)、氮化硅(SiN)和/或其组合。折射率与周边材料的折射率不同的纳米柱NP可以改变穿过纳米柱NP的光的相位。这是由于纳米柱NP的亚波长的形状尺寸而导致的相位延迟所引起的，并且相位延迟的程度可以由纳米柱NP的具体形状尺寸、布置类型等确定。纳米柱NP的周边材料可以包括具有比纳米柱NP的折射率低的折射率的介电材料。例如，周边材料可以包括二氧化硅(SiO2)或空气。
第一波长λ1和第二波长λ2可以在红外线或可见光线的波段中，但是不限于此。第一波长λ1和第二波长λ2可以根据多个纳米柱NP的阵列的布置规则而运作于多种波长。虽然描述了分支并会聚两个波长，但是入射光可以根据波长而分支为三个或更多个方向并会聚。
此外，虽然描述了分色透镜阵列CSLA包括一个层，但是分色透镜阵列CSLA可以具有多个层堆叠的结构。例如，可以设计CSLA，其中第一层使可见光会聚在特定像素上，并且第二层使红外线会聚在其他像素上。
在下文中，描述了将上述分色透镜阵列CSLA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的示意截面图，图5A是示出图4A和图4B的像素阵列1100的像素布置的平面图，图5B是示出图4A和图4B的分色透镜阵列130的多个纳米柱NP的布置示例的平面图，并且图5C是构成图5B的部分区域(例如单位图案)的像素对应区域131、132、133和134的布置的详细视图。
参考图4A和图4B，图像传感器1000的像素阵列1100可以包括：传感器基板110，包括感测光的多个像素111、112、113和114；透明的间隔层120，设置在传感器基板110上；以及间隔层120上的分色透镜阵列130。
传感器基板110可以包括将光转换为电信号的绿色像素111、蓝色像素112、红色像素113和红外像素114。如图4A所示，绿色像素111和蓝色像素112可以在第一方向(X方向)上交替地布置，并且在Y方向位置与图4A不同的截面中，如图4B所示，红色像素113和红外像素114可以交替地布置。这种区域划分用于通过诸如拜尔图案之类的单位图案来感测入射光。例如，绿色像素111可以感测具有与绿光相对应的第一波长的光，蓝色像素112可以感测具有与蓝光相对应的第二波长的光，红色像素113可以感测具有与红光相对应的第三波长的光，并且红外像素114可以感测具有与红外线相对应的第四波长的光。图5A示出当图像传感器1000的像素阵列1100具有图2A所示的布置时的像素111、112、113和114的排列。还可以在单元之间的边界中形成用于分隔单元的分隔物。
间隔层120可以设置在传感器基板110与分色透镜阵列130之间，以使传感器基板110与分色透镜阵列130之间的间隙保持恒定。间隔层120可以包括对于可见光线透明的材料，例如在可见光线波段中具有比纳米柱NP的折射率低的折射率和低吸收系数的介电材料，例如SiO2、硅氧烷基旋涂玻璃(SOG)等。间隔层120的厚度h可以选择为在ht-p≤h≤ht+p的范围内。在这方面，当间隔层120对于波长λ0的折射率是n、像素的间距是p时，间隔层120的理论厚度ht由以下公式1表示。
[公式1]
Figure BDA0003312508180000141
此处，间隔层120的理论厚度ht可以指由分色透镜阵列130将具有λ0的波长的光会聚到像素111、112、113和114的顶表面上的焦距。λ0可以是用于确定间隔层120的厚度h的参考波长，并且间隔层120的厚度可以针对绿光的中心波长540nm而设计。
可以在传感器基板110与间隔层120之间包括滤色器层105和微透镜层107。滤色器层105可以包括与传感器基板110的像素布置相对应的滤光器。如图4A所示，绿色滤光器CF1和蓝色滤光器CF2交替地布置，并且如图4B所示，在Y方向上间隔开的下一行中，红色滤光器CF3和红外滤光器CF4交替地布置。滤色器层105可以设计为仅使特定波段中的光经过其透射。例如，绿色滤光器CF1可以仅使绿光经过其透射以便绿光行进到绿色像素111，并且红外滤光器CF4可以吸收和/或反射可见光线而不经过其透射，并且可以仅使红外线经过其透射以便红外线行进到红外像素114。除了仅透射可见光中的绿光、蓝光和红光的滤光器之外，绿色滤光器CF1、蓝色滤光器CF2和红色滤光器CF3还可以包括阻挡红外线的滤光器。
微透镜层107可以包括在绿色滤光器CF1、蓝色滤光器CF2和/或红色滤光器CF3上形成的微透镜，并且微透镜可以在Z方向上凸起。微透镜层107可以使穿过分色透镜阵列130、然后向着绿色像素111、蓝色像素112和红色像素113行进的的光会聚到像素的中心。微透镜层107可以包括光透射树脂或折射率比构成间隔层120的材料的折射率高的材料，例如TiO2。
分色透镜阵列130可以由间隔层120支持，并且可以包括改变入射光的相位的纳米柱NP、以及设置在纳米柱NP之间并具有比纳米柱NP的折射率低的折射率的电介质(例如空气或SiO2)。
参考图5B，分色透镜阵列130可以划分为分别与图5A的像素111、112、113和114相对应的四个像素对应区域131、132、133和134。绿色像素对应区域131可以与绿色像素111相对应并且可以设置在绿色像素111上，蓝色像素对应区域132可以与蓝色像素112相对应并且可以设置在蓝色像素112上，红色像素对应区域133可以与红色像素113相对应并且可以设置在红色像素113上，红外像素对应区域134可以与红外像素114相对应并且可以设置在红外像素114上。例如，分色透镜阵列130的像素对应区域131、132、133和134可以设置为分别面对传感器基板110的像素111、112、113和114。像素对应区域131、132、133和134可以在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上二维地布置，以使其中绿色像素对应区域131与蓝色像素对应区域132交替布置的第一行以及其中红色像素对应区域133与红外像素对应区域134交替布置的第二行彼此交替地重复。分色透镜阵列130还可以包括类似于传感器基板110的像素阵列的二维布置的多个单位图案，并且每个单位图案可以包括以2×2形式布置的像素对应区域131、132、133和134。
与参考图3B的描述类似，分色透镜阵列130可以分为会聚绿光的绿光会聚区域、会聚蓝光的蓝光会聚区域和会聚红光的红光会聚区域。
一个或多个纳米柱NP可以设置在像素对应区域131、132、133和134中的每一个中，并且纳米柱NP的形状、尺寸、间隔和/或布置可以根据区域而变化。例如，像素对应区域131、132、133和134中每一个可以包括一个或多个纳米柱NP。确定纳米柱NP的尺寸、形状、间隔和/或布置，使得通过分色透镜阵列130，绿光、蓝光和红光的行进方向不改变，而红外线会聚在红外像素114上。分色透镜阵列130在第三方向(Z方向)上的厚度可以类似于纳米柱NP的高度，并且可以是约500nm至约1500nm。
参考图5B，像素对应区域131、132、133和134可以包括各自具有圆形截面的圆柱形状的纳米柱NP。纳米柱NP也可以布置在像素对应区域131、132、133和134中每一个的中心上以及像素边界的交叉点上。具有最大截面面积的纳米柱NP设置在红外像素对应区域134的中心上，并且离红外像素对应区域134的中心越远设置的纳米柱NP可以具有越小的截面面积。
图5C是图5B的部分区域(即，构成单位图案的像素对应区域131、132、133和134)中的纳米柱NP的布置的详细视图。在图5C中，纳米柱NP根据其具体位置而表示为p1至p4。例如，纳米柱NP可以包括设置在红外像素对应区域134的中心的纳米柱p1、设置在划分红外像素对应区域134的边界的交叉点上的纳米柱p2、设置在蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133的中心的纳米柱p3、以及设置在绿色像素对应区域131的中心的纳米柱p4。纳米柱p1至纳米柱p4按照p1＞p2＞p3＞p4的顺序布置，以使设置在红外像素对应区域131的中心的纳米柱p1的截面面积最大、以及离红外像素对应区域131的中心越远设置的纳米柱具有越小的截面面积。然而，这仅是示例，并且可以在需要时应用各种形状、尺寸、间隔和/或布置的纳米柱NP。
纳米柱NP具有对称圆形截面形状，但是不限于此。可以包括一些具有非对称截面形状的纳米柱。例如，可以采用在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上具有不同宽度的非对称截面形状的纳米柱。
图6A示出沿图5B的线I-I′穿过分色透镜阵列130的绿光的相位分布PPG，并且图6B示出在像素对应区域131、132、133和134的中心穿过分色透镜阵列130的绿光的相位。
参考图6A和图6B，穿过分色透镜阵列130的绿光可以具有对于每个位置具有恒定相位的绿光相位分布PPG。例如，在分色透镜阵列130的下表面位置或在间隔层120的上表面，刚穿过分色透镜阵列130后的位置处，当绿光在绿色像素对应区域131的中心处相位是2π时，绿光在穿过分色透镜阵列130的所有位置处的相位都可以是2π。不根据位置而改变的相位分布类似于穿过具有均匀厚度的透明玻璃的光的相位分布，并且绿光可以穿过分色透镜阵列130，同时保持入射在分色透镜阵列130上的方向。
在穿过分色透镜阵列130的绿光中，朝向绿色像素111的光可以经过微透镜层107中的设置在绿色像素111上的微透镜而会聚在绿色像素111的中心上，并且可以经过绿色滤光器CF1在绿色像素111中进行光电装换。在穿过分色透镜阵列130的绿光中，不朝向绿色像素111的光，例如朝向蓝色像素112的光，可以经过微透镜层107中的设置在蓝色像素112上的微透镜而会聚在蓝色像素112的中心上，但是该光可以被蓝色滤光器CF2吸收和/或反射并且不被蓝色像素112感测。
图7A示出沿图5B的线II-II′穿过分色透镜阵列130的红外线的相位分布PPIR，并且图7B示出在像素对应区域131、132、133和134的中心穿过分色透镜阵列130的红外线的相位。
参考图7A和图7B，穿过分色透镜阵列130的红外线可以具有红外线相位分布PPIR，其在红外像素对应区域134的中心最大，并且在远离红外像素对应区域134的中心的方向上减小。例如，在分色透镜阵列130的下表面位置或在间隔层120的上表面，刚穿过分色透镜阵列130后的位置处，红外线的相位可以在红外像素对应区域134的中心处最大，可以远离红外像素对应区域134的中心以同心圆的形式逐渐减小，可以在X和Y方向上在蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133的中心处最小，并且可以在对角方向上在绿色像素对应区域131的中心处最小。当红外线在红外像素对应区域134的中心的相位是2π时，红外线在蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133的中心的相位可以是0.9π至1.1π，并且在绿色像素对应区域131的中心的相位可以是小于π的值，约0.2π至0.9π。红外线相位分布PPIR可以不表示穿过红外像素对应区域134的中心的光的相位延迟量最大。当穿过红外像素对应区域134的光的相位确定为2π时，当穿过另一位置的光的相位延迟更大并且具有大于2π的相位值时，相位值可以是通过去除2nπ而剩余的值，即，卷绕相位的分布。例如，当穿过红外像素对应区域134的光的相位是2π并且穿过红色像素对应区域133的中心的光的相位是3π时，红色像素对应区域133中的相位可以是通过从3π去除2π(n＝1时)剩余的π。
图7C示出入射在红外会聚区域IRL上的红外线的行进方向，并且图7D示出红外会聚区域IRL的阵列。
如图7C所示，红外线由分色透镜阵列130会聚在红外像素114上，并且来自像素对应区域131、132、133和134的红外光入射在红外像素114上。按照上面参考图7A和图7B描述的红外线的相位分布PPIR，穿过通过以顶点相互面对的方式连接与红外像素对应区域134相邻的四个绿色像素对应区域131的中心而获得的红外会聚区域IRL的红外线被会聚在红外像素114上。因此，如图7D所示，分色透镜阵列130可以操作为其中将红外线会聚在红外像素114上的红外会聚区域IRL的阵列。因为红外会聚区域IRL的面积大于对应的红外像素114的面积，所以不仅向红外像素114行进的红外线，还有向绿色像素111、蓝色像素112和红色像素113的方向行进的红外线，也可以会聚在红外像素114上。红外会聚区域IRL的面积可以是红外像素114的面积的1.5倍至4倍。如上所述，因为红外线可以由分色透镜阵列130会聚，所以在红外滤光器CF4上可以不设置单独的微透镜。
返回参考图7A，穿过分色透镜阵列130的红外线可以通过在红外像素114上形成的红外滤光器CF4而在红外像素114中进行光电转换。红外滤光器CF4可以是用于阻挡可见光的滤光器，并且可以阻挡绿光、蓝光和红光入射在红外像素114上。
穿过分色透镜阵列130的红光和蓝光的相位分布类似于上面参考图6A描述的绿光的相位分布。例如，穿过分色透镜阵列130的红光和蓝光之间没有相位差。
在穿过分色透镜阵列130的蓝光中，朝向蓝色像素112的光可以经过微透镜层107中的在蓝色像素112上形成的微透镜而会聚在蓝色像素112的中心上，并且可以经过蓝色滤光器CF2在蓝色像素112中进行光电转换。在穿过分色透镜阵列130的蓝光中，朝向绿色像素111、红色像素113和红外像素114的光可以被绿色滤光器CF1、红色滤光器CF3和红外滤光器CF4吸收和/或反射，并且不被绿色像素111、红色像素113和红外像素114感测。
类似地，穿过分色透镜阵列130的红光可以被红色像素113感测并且不被绿色像素111、蓝色像素112和红外像素114感测。
图8A和图8B是根据另一示例实施例的像素阵列1100′的截面图，图9A是示出图8A和图8B的分色透镜阵列130′的多个纳米柱NP′的布置示例的平面图，并且图9B是图9A的部分区域的纳米柱Np′的布置的详细视图。
参考图8A和图8B，图像传感器1000的像素阵列1100′可以包括：传感器基板110，包括感测光的多个像素111、112、113和114；透明的间隔层120，设置在传感器基板110上；以及间隔层120上的分色透镜阵列130′。图8A和图8B的像素阵列1100′与图4A和图4B的像素阵列1100的不同在于，像素阵列1100′使绿光、蓝光和红光分别会聚在绿色像素111、蓝色像素112和红色像素113上，并且可以不包括微透镜层和滤色器层。在图8A和图8B的示例实施例的描述中，将省略与图4A和图4B的像素阵列1100的描述相同的冗余描述。
传感器基板110可以包括将光转换为电信号的像素111、112、113和114，并且像素111、112、113和114可以分别感测第一波长至第四波长的光。在下文中，第一波长的光是绿光，第二波长的光是蓝光，第三波长的光是红光，并且第四波长的光是红外线。图8A和图8B的像素的布置与参考图5A描述的布置相同。
在传感器基板110与间隔层120之间可以省略滤色器和微透镜。例如，因为图8A和图8B的分色透镜阵列130′使绿光、蓝光、红光和红外线分离并会聚到相应的像素中，所以分色透镜阵列130′可以无需滤色器和微透镜来操作，但是如果需要可以应用滤色器，以提高颜色纯度和颜色再现性。当应用滤色器时，例如，可以将可见光截止滤光器应用于红外像素114的上部，并且可以将红外截止滤光器应用于绿色像素111、蓝色像素112和红色像素113的上部。
分色透镜阵列130′可以包括纳米柱NP′，布置为改变绿光、蓝光、红光和红外线的相位，并且使绿光会聚在绿色像素111上、蓝光会聚在蓝色像素112上、红光会聚在红色像素113上以及红外线会聚在红外像素114上。
参考图9A，像素对应区域131′、132′、133′和134′可以包括各自具有圆形截面的圆柱形状的纳米柱NP′。纳米柱NP′也可以布置在像素对应区域131′、132′、133′和134′中每一个的内部和像素边界的交叉点。与图5B的分色透镜阵列130相比，图9A的分色透镜阵列130′还可以包括用于会聚可见光(即，绿光、蓝光和红光)的纳米柱。
图9B是图9A的部分区域(即，构成单位图案的像素对应区域131′、132′、133′和134′)中的纳米柱NP′的布置的详细视图。与图5B的分色透镜阵列130相比，图9A的分色透镜阵列130′还可以包括：设置在绿色像素对应区域131′、蓝色像素对应区域132′和红色像素对应区域133′内部的纳米柱p′1、p′2和p′3。例如，分色透镜阵列130′可以包括：设置在绿色像素对应区域131′的中心与绿色像素对应区域131′的每个顶点之间的四个纳米柱p′1；设置在蓝色像素对应区域132′的中心与蓝色像素对应区域132′的每个顶点之间的四个纳米柱p′2；以及设置在红色像素对应区域133′的中心与红色像素对应区域133′的每个顶点之间的四个纳米柱p′3。添加到绿色像素对应区域131′的纳米柱p′1的截面面积可以大于添加到蓝色像素对应区域132′和红色像素对应区域133′的纳米柱p′2和p′3的截面面积，并且添加到蓝色像素对应区域132′的纳米柱p′2的截面面积可以大于添加到红色像素对应区域133′的纳米柱p′3的截面面积。
此外，虽然图9A的分色透镜阵列130′示出其中附加的纳米柱p′1、p′2和p′3与图5B的分色透镜阵列130中包括的纳米柱p1、p2、p3和p4在相同层上一起形成的交织结构，但是分色透镜阵列130′可以实现为如下结构：用于会聚红外线的分色透镜阵列和用于会聚可见光线的分色透镜阵列形成为分离的层，并且多个分色透镜阵列层竖直堆叠。
图10A示出沿图9A的线III-III′穿过分色透镜阵列130′的绿光和蓝光的相位分布PPG′和PPB′，图10B示出在像素对应区域131′、132′、133′和134′的中心穿过分色透镜阵列130′的绿光的相位，并且图10C示出在像素对应区域131′、132′、133′和134′的中心穿过分色透镜阵列130′的蓝光的相位。
参考图10A和图10B，穿过分色透镜阵列130′的绿光可以具有相位分布PPG′，其在绿色像素对应区域131′的中心处最大，并且在远离绿色像素对应区域131′的中心的方向上减小。例如，在分色透镜阵列130′的下表面位置或在间隔层120的上表面，刚穿过分色透镜阵列130′后的位置处，绿光的相位可以在绿色像素对应区域131′的中心处最大，可以远离绿色像素对应区域131′的中心以同心圆的形式逐渐减小，可以在X和Y方向上在蓝色像素对应区域132′和红色像素对应区域133′的中心处最小，并且可以在对角方向上在红外像素对应区域134′的中心处最小。当绿光在绿色像素对应区域131′的中心处的相位是2π时，绿光在蓝色像素对应区域132′和红色像素对应区域133′的中心的相位可以是0.9π至1.1π，并且在红外像素对应区域134′的中心的相位可以是小于π的值，约0.2π至0.9π。
参考图10A和图10C，穿过分色透镜阵列130′的蓝光可以具有相位分布PPB′，其在蓝色像素对应区域132′的中心处最大，并且在远离蓝色像素对应区域132′的中心的方向上减小。例如，在刚穿过分色透镜阵列130′后的位置处，蓝光的相位可以在蓝色像素对应区域132′的中心处最大，并且可以远离蓝色像素对应区域132′的中心以同心圆形式减小，可以在X方向和Y方向上在绿色像素对应区域131′和红外像素对应区域134′的中心处最小，并且可以在对角方向上在红色像素对应区域133′的中心处最小。当蓝光在蓝色像素对应区域132′的中心处的相位是2π时，蓝光在绿色像素对应区域131′和红外像素对应区域134′的中心的相位可以是0.9π至1.1π，并且在红色像素对应区域133′的中心的相位可以是小于π的值，约0.2π至0.9π。
图10D示出入射在分色透镜阵列130′中与绿色像素111相对应的绿色像素对应区域131′及其周边上的绿光的行进方向，并且图10E示出绿光会聚区域GL′。
如图10D所示，入射在绿色像素对应区域131′上的绿光由分色透镜阵列130′会聚在绿色像素111上，并且来自像素对应区域131′、132′、133′和134′的绿光入射在绿色像素111上。按照上面参考图10A和图10B描述的绿光的相位分布PPG′，入射在通过以顶点相互面对的方式连接与绿色像素对应区域131′相邻的四个红外像素对应区域134′的中心而获得的绿光会聚区域GL′的绿光被会聚在绿色像素111上。因此，如图10E所示，分色透镜阵列130′可以操作为绿光会聚区域GL′的阵列。每个绿光会聚区域GL′的面积可以是绿色像素111的面积的1.5倍至4倍。
图10F示出入射在分色透镜阵列130′中与蓝色像素112相对应的蓝色像素对应区域132′及其周边上的蓝光的行进方向，并且图10G示出蓝光会聚区域BL′。
如图10F所示，蓝光由分色透镜阵列130′会聚在蓝色像素112上，并且来自像素对应区域131′、132′、133′和134′的蓝光入射在蓝色像素112上。按照上面参考图10A和图10C描述的蓝光的相位分布PPB′，入射在通过顶点相互面对的方式连接与蓝色像素对应区域132′相邻的四个红色像素对应区域133′的中心而获得的蓝光会聚区域BL′的蓝光被会聚在蓝色像素112上。因此，如图10G所示，分色透镜阵列130′可以操作为蓝光会聚区域BL′的阵列。每个蓝光会聚区域BL′的面积可以是蓝色像素112的面积的1.5倍至4倍。
图11A示出沿图9A的线IV-IV′穿过分色透镜阵列130′的红光和红外线的相位分布PPR′和PPIR′，图11B示出在像素对应区域131′、132′、133′和134′的中心穿过分色透镜阵列130′的红光的相位，并且图11C示出在像素对应区域131′、132′、133′和134′的中心穿过分色透镜阵列130′的红外线的相位。
参考图11A和图11B，穿过分色透镜阵列130′的红光可以具有相位分布PPR′，其在红色像素对应区域133′的中心处最大，并且在远离红色像素对应区域133′的中心的方向上减小。例如，在分色透镜阵列130′的下表面位置或在间隔层120的上表面，刚穿过分色透镜阵列130′后的位置处，红光的相位可以在红色像素对应区域133′的中心处最大，并且可以远离蓝色像素对应区域1 33′的中心以同心圆形式减小，可以在X方向和Y方向上在绿色像素对应区域131′和红外像素对应区域134′的中心处最小，并且可以在对角方向上在蓝色像素对应区域132′的中心处最小。当红光在红色像素对应区域133′的中心的相位是2π时，红光在绿色像素对应区域131′和红外像素对应区域134′的中心的相位可以是0.9π至1.1π，并且在蓝色像素对应区域132′的中心的相位可以是小于π的值，约0.2π至0.9π。
参考图11A和图11C，穿过分色透镜阵列130′的红外线可以具有相位分布PPIR’，其在红外像素对应区域134′的中心处最大，并且在远离红外像素对应区域134′的中心的方向上减小，并且红外线的相位分布PPIR′与上面参考图7A和图7B描述的相位分布相同。
图11D示出入射在分色透镜阵列130′中与红色像素113相对应的红色像素对应区域133′及其周边上的红光的行进方向，并且图11E示出红光会聚区域RL′。
如图11D所示，入射在红色像素对应区域133′上的红光由分色透镜阵列130′会聚在红色像素113上，并且来自像素对应区域131′、132′、133′和134′的红光入射在红色像素113上。按照上面参考图11A和图11B描述的红光的相位分布PPR′，入射在通过顶点相互面对的方式连接与红色像素对应区域133′的相邻的四个蓝色像素对应区域132′的中心而获得的红光会聚区域RL′上的红光被会聚在红色像素113上。因此，如图11E所示，分色透镜阵列130′可以操作为红光会聚区域RL′的阵列。每个红光会聚区域RL′的面积可以是红色像素113的面积的1.5倍至4倍。
通过分色透镜阵列130′的红外线的相位分布PPIR′和会聚与上面参考图7A和图7B给出的描述类似，因此将省略其冗余描述。
图12A和图12B是根据另一示例实施例的像素阵列1100″的示意截面图，图13A是示出图12A和图12B的分色透镜阵列130″的纳米柱NP″的布置示例的平面图，并且图13B是图13A的一部分的详细放大平面图。
参考图12A和图12B，图像传感器1000的像素阵列1100″可以包括：传感器基板110，包括感测光的多个像素111、112、113和114；透明的间隔层120，设置在传感器基板110上；以及间隔层120上的分色透镜阵列130″。图12A和图12B的像素阵列1100″与图8A和图8B的像素阵列1100′的不同在于，像素阵列1100″使绿光和红外线的组合光会聚在绿色像素111和红外像素114上，而像素阵列1100′使绿光和红外线分别会聚在不同的像素上。在图12A和图12B的示例实施例的描述中，将省略与图4A和图4B的像素阵列1100以及图8A和图8B的像素阵列1100′的描述相冗余的描述。
传感器基板110可以包括将光转换为电信号的像素111、112、113和114，并且像素111、112、113和114可以分别感测绿光、蓝光、红光和红外线。图12A和图12B的像素布置与参考图5A描述的布置相同。
滤色器层105″可以设置在传感器基板110与间隔层120之间。滤色器层105″可以包括设置在绿色像素111上的绿色滤光器CF1″和设置在红外像素114上的红外滤光器CF4″。在蓝色像素112和红色像素113上可以省略滤色器。例如，因为分色透镜阵列130″同时使绿光和红外线会聚到绿色像素111和红外像素114上，所以为了仅从绿色像素111感测绿光，阻挡红外线的绿色滤光器CF1″可以设置在绿色像素111上，并且阻挡绿光的红外滤光器CF4″可以设置在红外像素114上。绿色滤光器CF1″可以是仅透射绿光的滤光器或仅阻挡红外线的滤光器。红外滤光器CF4″可以是可见光阻挡滤光器或绿光阻挡滤光器。因为分色透镜阵列130″将蓝光会聚在蓝色像素112上并且将红光会聚在红色像素113上，所以在蓝色像素112和红色像素113上可以不设置滤色器。
分色透镜阵列130″可以包括纳米柱NP″，布置为改变绿光、蓝光、红光和红外线的相位，并且使绿光和红外线的组合光会聚在绿色像素111和红外像素114上，使蓝光会聚在蓝色像素112上、以及使红光会聚在红色像素113上。
参考图13A，图12A和图12B的像素对应区域131″、132″、133″和134″可以包括各自具有圆形截面的圆柱形状的纳米柱NP″。彼此具有不同的截面面积的纳米柱NP″可以布置在第一区域至第四区域131″、132″、133″和134″中的每一个的中心上。纳米柱NP″还可以布置在像素之间的边界的中心上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13B是图13A的部分区域(即，构成单位图案的像素对应区域131″、132″、133″和134″)中的纳米柱NP″的布置的详细视图。在图13B中，纳米柱NP″根据其具体位置而表示为p″1至p″9。参考图13B，在纳米柱NP″中，绿色像素对应区域131″的中心上的纳米柱p″1和红外像素对应区域134″的中心上的纳米柱p″4具有比蓝色像素对应区域132″的中心上的纳米柱p″2或红色像素对应区域133″的中心上的纳米柱p″3的截面面积大的截面面积，并且蓝色像素对应区域132″的中心上的纳米柱p″2具有比红色像素对应区域133″的中心上的纳米柱p″3的截面面积大的截面面积。
绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″中包括的纳米柱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，绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″中包括的纳米柱NP″可以在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上具有不同的尺寸布置。如图13B所示，在纳米柱NP″中，位于绿色像素对应区域131″与在第一方向(X方向)上邻近绿色像素对应区域131″的蓝色像素对应区域132″之间的边界处的纳米柱p″5的截面面积不同于位于绿色像素对应区域131″与在第二方向(Y方向)上邻近绿色像素对应区域131″的红色像素对应区域133″之间的边界处的纳米柱p″6的截面面积。类似地，位于红外像素对应区域134″与在第一方向(X方向)上邻近红外像素对应区域134″的红色像素对应区域133″之间的边界处的纳米柱p″7的截面面积不同于位于红外像素对应区域134″与在第二方向(Y方向)上邻近红外像素对应区域134″的蓝色像素对应区域132″之间的边界处的纳米柱p″8的截面面积。
布置在蓝色像素对应区域132″和红色像素对应区域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13B所示，在纳米柱NP″中，在第一方向(X方向)上邻近蓝色像素对应区域132″的邻近像素之间的边界处的纳米柱p″5的截面面积和在第二方向(Y方向)上邻近蓝色像素对应区域132″的像素之间的边界处的纳米柱p″8的截面面积彼此相同，并且在红色像素对应区域133″中，在第一方向(X方向)上的邻近像素之间的边界处的纳米柱p″7的截面面积和在第二方向(Y方向)上的邻近像素之间的边界处的纳米柱p″6的截面面积彼此相同。
此外，在像素对应区域131″、132″、133″和134″中每一个的四个角(即四个区域彼此相交的点)处的纳米柱p″9具有彼此相同的截面面积。
在蓝色像素对应区域132″和红色像素对应区域133″中，纳米柱NP″可以以4重对称的形式布置，并且在绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″中，纳米柱NP″可以以2重对称的形式布置。具体地，绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″相对于彼此旋转90°角度。
纳米柱NP″具有对称圆形截面形状，但是不限于此。可以包括一些具有非对称截面形状的纳米柱。例如，绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″可以使用具有非对称截面形状的纳米柱，其在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上具有不同的宽度，并且蓝色像素对应区域132″和红色像素对应区域133″可以使用具有在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上具有相同宽度的对称截面形状的纳米柱。
图14A示出沿图13A的线V-V′穿过分色透镜阵列130″的绿光和红外光的组合光的相位分布PPG-IR1″以及蓝光的相位分布PPB”，图14B示出沿图13A的线VI-VI′穿过分色透镜阵列130″的红光的相位分布PPR″以及绿光和红外线的组合光的相位分布PPR-IR2″，并且图14C示出在像素对应区域131″、132″、133″和134″的中心处穿过分色透镜阵列130″的绿光和红外光的组合光的相位。
参考图14A至图14C，穿过分色透镜阵列130″的绿光和红外线可以具有相位分布PPG-IR1″，其在绿色像素对应区域131″的中心和红外像素对应区域134″的中心处最大，并且在远离绿色像素对应区域131″的中心和红外像素对应区域134″的中心的方向上减小。例如，在分色透镜阵列130″的下表面位置或在间隔层120的上表面，刚穿过分色透镜阵列130″后的位置处，绿光和红外线的相位可以在绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″的中心处最大，可以远离绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″的中心以同心圆的形式逐渐减小，可以在X和Y方向上在蓝色像素对应区域132″和红色像素对应区域133″的中心处最小，并且可以在对角方向上在绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″的接触点处最小。当绿光和红外线在绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″的中心处的相位是2π时，绿光和红外线在蓝色像素对应区域132″和红色像素对应区域133″的中心处的相位可以是0.9π至1.1π，并且在绿色像素对应区域131″与红外像素对应区域134″的接触点处的相位可以是约1.1π至1.5π。
图14D和图14E示出入射在分色透镜阵列130″的绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″及其周边上的绿光和红外线的行进方向，并且图14F示出绿光和红外线会聚区域G-IRL1″和G-IRL2″。
如图14D和图14E所示，入射在绿色像素对应区域131″和红外像素对应区域134″周边的绿光和红外线可以由分色透镜阵列130″会聚在绿色像素111和红外像素114上，并且来自绿色像素对应区域131″、蓝色像素对应区域132″和红色像素对应区域133″的绿光和红外线可以入射在绿色像素111和红外像素114上。按照上面参考图14A至图14C描述的绿光和红外线相位分布PPG-IR1″，入射在图14D的第一绿光和红外会聚区域G-IRL1″和图14E的第二绿光和红外会聚区域G-IRL2″上的绿光和红外线被会聚在绿色像素111和红外像素114上，图14D的第一绿光和红外会聚区域G-IRL1″和图14E的第二绿光和红外会聚区域G-IRL2″是通过以一个边相互面对的方式连接与绿色像素对应区域131″或红外像素对应区域134″相邻的的两个蓝色像素对应区域132″和两个红色像素对应区域133″的中心而得到的。第一绿光和红外会聚区域G-IRL1″以及第二绿光和红外会聚区域G-IRL2″的面积可以是对应的绿色像素111和红外像素114的面积的1.2倍至2倍。
参考图14A和图14B的穿过分色透镜阵列130″的蓝光和红光的相位分布和会聚与上面参考图8A和图8B描述的像素阵列1100′的那些类似，因此将省略其冗余描述。如上所述，蓝光会聚区域和红光会聚区域的面积可以是对应的蓝色像素112和红色像素113的面积的1.5倍至4倍。因此，蓝光会聚区域和红光会聚区域的面积可以大于第一绿光和红外会聚区域G-IRL1″以及第二绿光和红外会聚区域G-IRL2″的面积。
满足上述相位分布和性能的分色透镜阵列130、130′或130″可以通过各种类型的计算机仿真来自动设计。例如，可以通过诸如遗传算法、粒子群优化算法、蚁群优化算法等的自然启发算法或基于伴随优化算法的反向设计对绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的结构进行优化。
在设计分色透镜阵列时，可以在基于评估因素(例如分色光谱、光学效率、信噪比等)评估多个候选分色透镜阵列的性能的同时，优化绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的结构。例如，可以以预先确定每个评估因素的目标数值并且使与多个评估因素的目标数值的差的和最小化的方式来优化绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的结构。备选地，可以针对每个评估因素对性能进行索引，并且可以优化绿色像素对应区域、蓝色像素对应区域、红色像素对应区域和红外像素对应区域的结构，以使表示性能的值可以最大化。
图5B、图9A和图13A所示的分色透镜阵列130、130′和130″是示例。此外，可以根据分色透镜阵列130、130′和130″的尺寸和厚度、应用了分色透镜阵列130、130′和130″的图像传感器中的像素的颜色特性和像素之间的间距、分色透镜阵列130、130′和130″与图像传感器之间的距离、入射光的入射角度等，通过上述优化设计获得各种类型的分色透镜阵列130、130′和130″。例如，图15A是示出根据另一实施例的可以应用于拜尔图案类型的图像传感器的分色透镜阵列130a中的单位图案的形状的平面图，并且图15B是示出根据另一实施例的分色透镜阵列130b中的单位图案的形状的平面图。
图15A所示的像素对应区域131a、132a、133a和134a中的每一个在16×16矩形布置中以数字化二值形式优化，并且图15A所示的单位图案具有32×32矩形布置的形状。可以以非数字化的连续曲线的形式来优化图15B所示的像素对应区域131b、132b、133b、134b中的每一个。
在包括上述像素阵列1100、1100′和1100″的图像传感器1000中，因为由滤色器(例如有机滤色器)引起的光损失很少发生，所以即使当像素的尺寸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用于各种高性能光学设备或高性能电子设备。例如，电子设备可以包括例如智能电话、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、监视相机、医用相机、汽车、物联网(IoT)、其他移动或非移动计算设备，并且不限于此。
除了图像传感器1000之外，电子设备还可以包括控制图像传感器的处理器，例如应用处理器(AP)，以通过处理器驱动操作系统或应用程序并且控制多个硬件或软件组件，并且执行各种数据处理和操作。处理器还可以包括图形处理单元(GPU)和/或图像信号处理器。当处理器包括图像信号处理器时，可以使用处理器来存储和/或输出通过图像传感器获得的图像(或视频)。
图16是示出根据实施例的包括图像传感器1000的电子设备1601的示例的框图。参考图16，在网络环境1600中，电子设备1601可以通过第一网络1698(短程无线通信网络等)与另一电子设备1602通信，或者通过第二网络1699(远程无线通信网络等)与另一电子设备1604和/或服务器1608通信。电子设备1601可以通过服务器1608与电子设备1604通信。电子设备1601可以包括处理器1620、存储器1630、输入设备1650、声音输出设备1655、显示装置1660、音频模块1670、传感器模块1676、接1677、触觉模块1679、相机模块1680、电力管理模块1688、电池1689、通信模块1690、用户识别模块1696和/或天线模块1697。电子设备1601可以省略组件中的一些(显示装置1660等)，或者还可以包括其他组件。可以将组件中的一个或多个实现为集成电路。例如，传感器模块1676(指纹传感器、虹膜传感器、照度传感器等)可以嵌入在显示装置1660(显示器等)中。
处理器1620可以配置为执行软件(程序1640等)以控制电子设备1601的一个或多个组件(硬件或软件组件)、连接到处理器1620的组件，并且执行各种数据处理或计算。作为数据处理或计算的一部分，处理器1620可以配置为将从其他组件(传感器模块1676、通信模块1690等)接收的命令和/或数据加载到易失性存储器1632中，处理存储在易失性存储器1632中的命令和/或数据，并将结果数据存储在非易失性存储器1634中。处理器1620可以包括主处理器1621(中央处理单元(CPU)、应用处理器(AP)等)以及可以独立于主处理器1621操作或与主处理器1621一起操作的辅处理器1623(图形处理单元(GPU)、图像信号处理器、传感器集线器处理器、通信处理器等)。辅处理器1623可以使用比主处理器1621少的功率并且可以执行特定的功能。
当主处理器1621处于非激活状态(休眠状态)时，辅处理器1623可以负责控制与电子设备1601的组件之中的一个或多个组件(显示装置1660、传感器模块1676、通信模块1690等)有关的功能和/或状态的操作，或者当主处理器1621处于激活状态(应用执行状态)时，辅处理器1623可以与主处理器1621一起执行相同的操作。辅处理器1623(图像信号处理器、通信处理器等)可以实现为其他功能上相关的组件(相机模块1680、通信模块1690等)的一部分。
存储器1630可以存储电子设备1601的组件(处理器1620、传感器模块1676等)所需要的各种数据。数据可以包括例如软件(程序1640等)、与软件有关的命令的输入数据和/或输出数据。存储器1630可以包括易失性存储器1632和/或非易失性存储器1634。非易失性存储器1634可以包括固定地安装在电子设备1601中的内部存储器1636和可拆卸的外部存储器1638。
程序1640可以作为软件存储在存储器1630中，并且可以包括操作系统1642、中间件1644和/或应用1646。
输入设备1650可以从电子设备1601的外部接收要由电子设备1601的组件(处理器1620等)使用的命令和/或数据。输入设备1650可以包括麦克风、鼠标、键盘和/或数字笔(手写笔等)。
声音输出设备1655可以向电子设备1601的外部输出声音信号。声音输出设备1655可以包括扬声器和/或受话器。扬声器可以用于诸如多媒体播放或录制播放之类的通用目的，以及受话器可以用于接收来电。受话器可以耦接到扬声器作为扬声器的一部分，或者可以实现为单独的设备。
显示装置1660可以可视地向电子设备1601的外部提供信息。显示装置1660可以包括显示器、全息设备、或用于控制投影仪和相应设备的控制电路。显示装置1660可以包括配置为感测触摸操作的触摸电路，和/或配置为测量由触摸操作生成的力的强度的传感器电路(压力传感器等)。
音频模块1670可以将声音转换为电信号，或者将电信号转换为声音。音频模块1670可以经由输入设备1650获得声音，或者可以经由声音输出设备1655和/或直接地或无线地连接到电子设备1601的电子设备(电子设备1602等)的扬声器和/或耳机输出声音。
传感器模块1676可以感测电子设备1601的操作状态(功率、温度等)或外部环境状态(用户状态等)，并且可以生成与所感测的状态相对应的电信号和/或数据值。传感器模块1676可以包括手势传感器、陀螺仪传感器、大气传感器、磁性传感器、加速度传感器、握持传感器、接近传感器、颜色传感器、红外(IR)传感器、生物特征传感器、温度传感器、湿度传感器和/或照度传感器。
接口1677可以支持一个或多个指定的协议，所述指定的协议用于电子设备1601直接或无线连接到另一电子设备(电子设备1602等)。接口1677可以包括高清晰度多媒体接口(HDMI)接口、通用串行总线(USB)接口、SD卡接口和/或音频接口。
连接端子1678可以包括连接器，电子设备1601可以通过该连接器物理连接到另一电子设备(电子设备1602等)。连接端子1678可以包括HDMI连接器、USB连接器、SD卡连接器和/或音频连接器(耳机连接器等)。
触觉模块1679可以将电信号转换为用户经由触觉或运动感觉可识别的机械刺激(振动、运动等)或电刺激。触觉模块1679可以包括电机、压电设备和/或电刺激设备。
相机模块1680可以捕获静止图像和视频。相机模块1680可以包括：包括一个或多个透镜的镜头组件、图1的图像传感器1000、图像信号处理器和/或闪光灯。相机模块1680中包括的镜头组件可以采集从要捕捉其图像的对象发射的光。
电力管理模块1688可以管理供应给电子设备1601的电力。电力管理模块1688可以实现为电力管理集成电路(PMIC)的一部分。
电池1689可以向电子设备1601的组件供电。电池1689可以包括不可再充电的主电池、可再充电的辅电池和/或燃料电池。
通信模块1690可以支持在电子设备1601和其他电子设备(电子设备1602、电子设备1604、服务器1608等)之间建立直接(有线)通信信道和/或无线通信信道，以及通过所建立的通信信道执行通信。通信模块1690可以包括一个或多个通信处理器，其独立于处理器1620(应用处理器等)操作并且支持直接通信和/或无线通信。通信模块1690可以包括无线通信模块1692(蜂窝通信模块、短程无线通信模块、全球导航卫星系统(GNSS)通信模块等)和/或有线通信模块1694(局域网(LAN)通信模块、电力线通信模块等)。这些通信模块之中的对应通信模块可以通过第一网络1698(诸如蓝牙、WiFi直连或红外数据协会(IrDA)之类的短程无线通信网络)或第二网络1699(诸如蜂窝网络、互联网或计算机网络(LAN、WAN等)之类的远程通信网络)与其他电子设备通信。上述各种类型的通信模块可以集成为单个组件(单个芯片等)或实现为多个组件(多个芯片)。无线通信模块1692可以通过使用存储在用户识别模块1696中的用户信息(国际移动用户标识(IMSI)等)与第一网络1698和/或第二网络1699识别和认证电子设备1601。
天线模块1697可以向外部(其他电子设备等)发射信号和/或功率或从外部接收信号和/或功率。天线可以包括：发射器，包括在基板(印刷电路板(PCB)等)上形成的导电图案。天线模块1697可以包括一个天线或多个天线。当天线模块1697包括多个天线时，可以选择适合于在诸如第一网络1698和/或第二网络1699之类的通信网络中使用的通信方法的适当的天线。通过所选择的天线，可以在通信模块1690和其他电子设备之间发射或接收信号和/或功率。除了天线之外，可以在天线模块1697中包括其他组件(射频集成电路(RFIC)等)。
电子设备1601的组件中的一个或多个组件可以通过在外围设备(总线、通用输入和输出(GPIO)、串行外围总线(SPI)、移动工业处理器接口(MIPI)等)之间执行的通信方法而彼此连接并且彼此交换信号(命令、数据等)。
可以通过连接到第二网络1699的服务器1608在电子设备1601和另一外部电子设备1604之间发送或接收命令或数据。其他电子设备1602和1604可以是与电子设备1601相同类型或不同类型的电子设备。在电子设备1601中执行的所有操作或一部分操作可以由一个或多个其他电子设备1602、1604和1608执行。例如，当电子设备1601必须执行功能或服务时，不是直接执行该功能或服务，而是可以请求一个或多个其他电子设备执行该功能或服务的一部分或全部。接收所述请求的一个或多个电子设备可以执行与所述请求有关的附加的功能或服务，并且可以将执行的结果发送给电子设备1601。为此，可以使用云计算、分布式计算和/或客户端-服务器计算技术。
图17是示出图16的相机模块1680的框图。参考图17，相机模块1680可以包括镜头组件1710、闪光灯1720、图像传感器1000(参见图1)、图像稳定器1740、存储器1750(缓冲存储器等)和/或图像信号处理器1760。镜头组件1710可以采集从作为图像捕捉目标的对象发射的光。相机模块1680可以包括多个镜头组件1710，并且在这种情况下，相机模块1680可以包括双相机、360度相机或球形相机。多个镜头组件1710中的一些可以具有相同的镜头属性(视角、焦距、AF、F数、光学变焦等)或者可以具有不同的镜头属性。镜头组件1710可以包括广角镜头或远摄镜头。
闪光灯1720可以发射用于增强从对象发射或反射的光。闪光灯1720可以包括一个或多个发光二极管(红绿蓝(RGB)LED、白色LED、红外LED、紫外LED等)和/或氙气灯。图像传感器1000可以是图1中描述的图像传感器1000，并且可以通过将从对象发射或反射并且透射过镜头组件1710的光转换为电信号来获得与该对象相对应的图像。图像传感器1000可以包括从具有不同属性的图像传感器(例如RGB传感器、黑白(BW)传感器、IR传感器或UV传感器)中选择的一个或多个传感器。图像传感器1000中包括的每一个传感器可以实现为电荷耦合器件(CCD)传感器和/或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。
图像稳定器1740可以响应于相机模块1680或包括相机模块1680的电子设备1601的移动，在特定方向上移动镜头组件1710中包括的一个或多个镜头或图像传感器1000，或控制图像传感器1000的操作特性(调整读出时序等)以补偿由于移动引起的负面影响。图像稳定器1740可以使用设置在相机模块1680的内部或外部的陀螺仪传感器(未示出)或加速度传感器(未示出)来检测相机模块1680或电子设备1601的移动。图像稳定器1740可以光学地实现。
存储器1750可以存储通过图像传感器1000获得的图像的一部分或全部数据，用于接下来的图像处理操作。例如，当高速地获得多个图像时，所获得的原始数据(拜尔图案化数据、高分辨率数据等)可以存储在存储器1750中，并且可以仅显示低分辨率图像，然后可以向图像信号处理器1760发送所选择(用户所选择等)的图像的原始数据。存储器1750可以集成到电子设备1601的存储器1630中，或者可以配置为独立操作的单独的存储器。
图像信号处理器1760可以对通过图像传感器1000获得的图像或存储在存储器1750中的图像数据执行一个或多个图像处理操作。一个或多个图像处理操作可以包括深度图生成、3D建模、全景生成、特征点提取、图像合成和/或图像补偿(降噪、分辨率调整、亮度调整、模糊、锐化、柔化等)。图像信号处理器1760可以执行相机模块1680中包括的组件(图像传感器1000等)的控制(曝光时间控制或读出时序控制等)。由图像信号处理器1760处理的图像可以再次存储到存储器1750中用于进一步处理，或者可以提供给相机模块1680的外部组件(存储器1630、显示装置1660、电子设备1602、电子设备1604、服务器1608等)。图像信号处理器1760可以集成到处理器1620，或者可以配置为独立于处理器1620操作的分离的处理器。当图像信号处理器1760配置为与处理器1620分离的处理器时，由图像信号处理器1760处理的图像可以经历处理器1620的附加图像处理，然后通过显示装置1660显示。
电子设备1601可以包括具有不同属性或功能的多个相机模块1680。在这种情况下，多个相机模块1680中的一个相机模块可以是广角相机，并且其他相机模块可以是远摄相机。类似地，多个相机模块1680中的一个相机模块可以是前置相机，并且其他相机模块可以是后置相机。
根据实施例的图像传感器1000可以应用于图18所示的移动电话或智能电话1800、图19所示的平板计算机或智能平板计算机1900、图20所示的数字相机或录像机2000、图21所示的膝上型计算机2100或图22所示的电视机或智能电视机2200等。例如，智能电话1800或智能平板计算机1900可以包括各自包括高分辨率图像传感器的多个高分辨率相机。通过使用高分辨率相机，可以提取图像中的对象的深度信息、可以调整图像的失焦或可以自动识别图像中的对象。
此外，图像传感器1000可以应用于图23所示的智能冰箱2300、图24所示的监视相机2400、图25所示的机器人2500、图26所示的医用相机2600等。例如，智能冰箱2300可以通过使用图像传感器自动识别冰箱中的食品，并且可以通过智能电话通知用户存在特定种类的食品、放入或取出的食品的种类等。此外，监视相机2400可以通过使用高灵敏度来提供超高分辨率图像，并且可以允许用户识别甚至在黑暗环境中的图像中的对象或人。机器人2500可以放入到人不可以直接进入的灾害或工业地点，以向用户提供高分辨率图像。医用相机2600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。
此外，图像传感器可以应用于图27所示的车辆2700。车辆2700可以包括布置在各个位置上的多个车用相机2710、2720、2730和2740。车用相机2710、2720、2730和2740中的每一个可以包括根据实施例的图像传感器。车辆2700可以通过使用多个车用相机2710、2720、2730和2740向驾驶员提供关于车辆2700的内部或车辆2700的周边的各种信息，并且可以通过自动识别图像中的对象或人向驾驶员提供自动行进所需的信息。
应当理解，应仅以描述性意义而不是限制性目的来考虑本文描述的示例实施例。对每个示例实施例中的特征或方面的描述通常应被看作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 (32)

1.一种图像传感器，包括：
传感器基板，包括配置为感测红外线波段中的第一波长光的多个第一像素和配置为感测可见光波段中的第二波长光的多个第二像素；以及
分色透镜阵列，设置在所述传感器基板上，并且配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第一波长光的相位以使所述第一波长光会聚到所述多个第一像素，
其中，所述分色透镜阵列包括配置为使所述第一波长光分别会聚在所述多个第一像素上的多个光会聚区域，并且
其中，所述多个光会聚区域中每一个的面积大于所述多个第一像素中每一个的面积。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个光会聚区域配置为改变所述第一波长光的相位，以使穿过所述多个光会聚区域的所述第一波长光具有在远离所述多个光会聚区域的中心的方向上减小的相位分布。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个光会聚区域中每一个的面积是所述多个第一像素中每一个的面积的1.5倍至4倍。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述分色透镜阵列配置为使穿过所述分色透镜阵列的所述第二波长光的相位具有恒定的相位分布。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：红外滤光器，设置在所述传感器基板与所述分色透镜阵列之间，所述红外滤光器在竖直方向上面对所述多个第一像素，所述红外滤光器配置为阻挡可见光。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：滤色器，设置在所述传感器基板与所述分色透镜阵列之间，所述滤色器在竖直方向上面对所述多个第二像素，所述滤色器配置为阻挡红外线。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，还包括设置在所述滤色器上的微透镜。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述分色透镜阵列包括：
第一像素对应区域，设置为在竖直方向上面对所述多个第一像素并且包括第一纳米柱；以及
第二像素对应区域，设置为在竖直方向上面对所述多个第二像素并且包括第二纳米柱。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述第一纳米柱设置在所述第一像素对应区域的中心，
其中，所述第二纳米柱设置在所述第二像素对应区域的中心，并且
其中，所述第一纳米柱的截面面积大于所述第二纳米柱的截面面积。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个光会聚区域包括第一波长光会聚区域，
其中，所述第二波长光包括红光或蓝光，
其中，所述分色透镜阵列包括配置为使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素的第二波长光会聚区域，
其中，所述第二波长光会聚区域的面积大于所述多个第二像素的面积，并且
其中，所述第一波长光会聚区域与所述第二波长光会聚区域部分地重叠。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述传感器基板包括配置为感测第三波长光的多个第三像素和配置为感测第四波长光的多个第四像素，
其中，所述第二波长光是红光，所述第三波长光是蓝光，并且所述第四波长光是绿光，并且
其中，所述分色透镜阵列还配置为：
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第二波长光的相位以使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素；
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第三波长光的相位以使所述第三波长光会聚到所述多个第三像素；以及
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第四波长光的相位以使所述第四波长光会聚到所述多个第四像素。
12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述传感器基板包括配置为感测第三波长光的多个第三像素和配置为感测第四波长光的多个第四像素，
其中，所述第二波长光是红光，所述第三波长光是蓝光，所述第四波长光是绿光，并且
其中，所述分色透镜阵列配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第一波长光的相位和所述第四波长光的相位，以使所述第一波长光和所述第四波长光的组合光会聚到所述多个第一像素和所述多个第四像素。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，还包括设置在所述多个第四像素上的滤色器，所述滤色器配置为阻挡红外线。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，还包括设置在所述多个第一像素上的滤色器，所述滤色器配置为阻挡可见光。
15.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述分色透镜阵列配置为：
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第二波长光的相位以使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素；以及
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第三波长光的相位以使所述第三波长光会聚到所述多个第三像素。
16.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述多个光会聚区域包括第一波长光会聚区域，
其中，所述分色透镜阵列包括配置为使所述第二波长光分别会聚在所述多个第二像素上的多个第二波长光会聚区域，并且
其中，所述多个第二波长光会聚区域中每一个的面积大于所述第一波长光会聚区域的面积。
17.一种电子设备，包括：
图像传感器，配置为将光学图像转换为电信号；以及
处理器，配置为控制所述图像传感器，并且存储和输出由所述图像传感器生成的信号，
其中，所述图像传感器包括：
传感器基板，包括配置为感测红外线波段中的第一波长光的多个第一像素和配置为感测可见光波段中的第二波长光的多个第二像素；以及
分色透镜阵列，设置在所述传感器基板上，并且配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第一波长光的相位以使所述第一波长光会聚到所述多个第一像素，
其中，所述分色透镜阵列包括配置为使所述第一波长光分别会聚在所述多个第一像素上的多个光会聚区域，
其中，所述多个光会聚区域中每一个的面积大于所述多个第一像素中每一个的面积。
18.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述多个光会聚区域配置为改变所述第一波长光的相位，以使穿过所述多个光会聚区域的所述第一波长光具有在远离所述多个光会聚区域的中心的方向上减小的相位分布。
19.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述多个光会聚区域中每一个的面积是所述多个第一像素中每一个的面积的1.5倍至4倍。
20.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述分色透镜阵列配置为使穿过所述分色透镜阵列的所述第二波长光的相位具有恒定的相位分布。
21.根据权利要求17所述的电子设备，还包括：红外滤光器，设置在所述传感器基板与所述分色透镜阵列之间，所述红外滤光器在竖直方向上面对所述多个第一像素，所述红外滤光器配置为阻挡可见光。
22.根据权利要求17所述的电子设备，还包括：滤色器，设置在所述传感器基板与所述分色透镜阵列之间，所述滤色器在竖直方向上面对所述多个第二像素，所述滤色器配置为阻挡红外线。
23.根据权利要求22所述的电子设备，还包括设置在所述滤色器上的微透镜。
24.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述分色透镜阵列包括：
第一像素对应区域，设置为在竖直方向上面对所述多个第一像素并且包括第一纳米柱；以及
第二像素对应区域，设置为在竖直方向上面对所述多个第二像素并且包括第二纳米柱。
25.根据权利要求24所述的电子设备，其中，所述第一纳米柱设置在所述第一像素对应区域的中心，
其中，所述第二纳米柱设置在所述第二像素对应区域的中心，并且
其中，所述第一纳米柱的截面面积大于所述第二纳米柱的截面面积。
26.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述多个光会聚区域包括第一波长光会聚区域，
其中，所述第二波长光包括红光或蓝光，
其中，所述分色透镜阵列包括配置为使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素的第二波长光会聚区域，
其中，所述第二波长光会聚区域的面积大于所述多个第二像素的面积，并且
其中，所述第一波长光会聚区域与所述第二波长光会聚区域部分地重叠。
27.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述传感器基板包括配置为感测第三波长光的多个第三像素和配置为感测第四波长光的多个第四像素，
其中，所述第二波长光是红光，所述第三波长光是蓝光，并且所述第四波长光是绿光，并且
其中，所述分色透镜阵列配置为：
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第二波长光的相位以使所述第二波长光会聚到所述多个第二像素；
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第三波长光的相位以使所述第三波长光会聚到所述多个第三像素；以及
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第四波长光的相位以使所述第四波长光会聚到所述多个第四像素。
28.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述传感器基板包括配置为感测第三波长光的多个第三像素和配置为感测第四波长光的多个第四像素，
其中，所述第二波长光是红光，所述第三波长光是蓝光，并且所述第四波长光是绿光，并且
其中，所述分色透镜阵列配置为改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第一波长光和所述第四波长光的相位，以使所述第一波长光和所述第四波长光的组合光会聚在所述多个第一像素和所述多个第四像素上。
29.根据权利要求28所述的电子设备，还包括设置在所述多个第四像素上的滤色器，所述滤色器配置为阻挡红外线。
30.根据权利要求28所述的电子设备，还包括设置在所述多个第一像素上的滤色器，所述滤色器配置为阻挡可见光。
31.根据权利要求28所述的电子设备，其中，所述分色透镜阵列配置为：
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第二波长光的相位以使所述第二波长光会聚在所述多个第二像素上；以及
改变入射在所述分色透镜阵列上的所述第三波长光的相位以使所述第三波长光会聚在所述多个第三像素上。
32.根据权利要求28所述的电子设备，其中，所述多个光会聚区域包括第一波长光会聚区域，
其中，所述分色透镜阵列包括配置为使所述第二波长光分别会聚在所述多个第二像素上的多个第二波长光会聚区域，并且
其中，所述多个第二波长光会聚区域中每一个的面积大于所述第一波长光会聚区域的面积。
CN202111224127.8A 2020-10-30 2021-10-20 包括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 Pending CN114447006A (zh)

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