CN114447008A - 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装置 - Google Patents

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装置 Download PDF

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Abstract

一种图像传感器，包括：传感器基板，包括第一像素和第二像素；以及分色透镜阵列，用于通过改变入射光中包括的第一波长的光的相位使所述第一波长的光会聚到第一像素上，其中，所述传感器基板还包括：有效像素区域，用于输出用于图像生成的像素信号；第一虚设像素区域，布置在所述有效像素区域的外部并且输出用于辅助所述图像生成的像素信号；以及第二虚设像素区域，布置在所述第一虚设像素区域的外部并且不输出像素信号。

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 装置
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.10-2020-0143872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.10-2021-0083126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图像传感器的电子装置，更具体地，涉及包括能够根据入射光的波长分别聚焦入射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装置。
背景技术
图像传感器通常使用滤色器来感测入射光的颜色。然而，因为滤色器吸收除对应颜色的光以外的其他颜色的光，所以滤色器可能具有低的光利用效率。例如，当使用RGB滤色器时，只有1/3的入射光被透射，而入射光的其他部分(即2/3的入射光)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滤色器中。
发明内容
提供了通过使用能够根据入射光的波长分别聚焦入射光的分色透镜阵列而具有改进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装置。
将在以下描述中部分地阐述附加的方面，并且附加的方面将部分地通过该描述而变得清楚或者可以通过实践本公开所呈现的实施例而获知。
根据实施例，一种图像传感器，包括：传感器基板，包括用于感测光的第一像素和第二像素；以及分色透镜阵列，用于通过改变入射光中包括的第一波长的光的相位使所述第一波长的光会聚到第一像素上，其中，所述传感器基板包括：有效像素区域，用于输出用于图像生成的像素信号；第一虚设像素区域，设置在所述有效像素区域的外部并且输出用于辅助所述图像生成的像素信号；以及第二虚设像素区域，设置在所述第一虚设像素区域的外部并且不输出像素信号，其中，所述分色透镜阵列包括多个区域，分别对应于所述有效像素区域、所述第一虚设像素区域和所述第二虚设像素区域的第一像素和第二像素，并且所述分色透镜阵列使入射在所述分色透镜阵列中的设置在所述第二虚设像素区域上方的区域上的所述第一波长的光的至少一部分会聚到在所述第一虚设像素区域中形成的第一像素上。
根据另一实施例，一种图像传感器，包括：传感器基板，包括用于感测光的第一像素和第二像素；以及分色透镜阵列，用于通过改变入射光中包括的第一波长的光的相位使所述第一波长的光会聚到所述第一像素上，其中，所述传感器基板包括：有效像素区域，用于输出用于图像生成的像素信号；虚设像素区域，设置在所述有效像素区域的外部并且输出用于辅助所述图像生成的像素信号；以及光学黑区，设置在所述虚设像素区域的外侧并且输出暗电平信号，并且所述分色透镜阵列包括多个区域，分别对应于所述有效像素区域、所述虚设像素区域和所述光学黑区中的第一像素和第二像素，并且所述分色透镜阵列使入射在所述分色透镜阵列中的设置在所述光学黑区上方的区域上的所述第一波长的光的至少一部分会聚到所述虚设像素区域中的第一像素上。
根据实施例，一种电子装置，包括：用于将光学图像转换为电信号的图像传感器；以及处理器，被配置为控制所述图像传感器的操作，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，包括用于感测光的第一像素和第二像素；以及分色透镜阵列，用于通过改变入射光中包括的第一波长的光的相位使所述第一波长的光会聚到第一像素上，所述传感器基板包括：有效像素区域，用于输出用于图像生成的像素信号；第一虚设像素区域，设置在所述有效像素区域的外部并且输出用于辅助所述图像生成的像素信号；以及第二虚设像素区域，设置在所述第一虚设像素区域的外部并且不输出像素信号，并且所述分色透镜阵列包括多个区域，分别对应于所述有效像素区域、所述第一虚设像素区域和所述第二虚设像素区域的第一像素和第二像素，并且所述分色透镜阵列使入射在所述分色透镜阵列中的设置在所述第二虚设像素区域上方的区域上的所述第一波长的光的至少一部分会聚到在所述第一虚设像素区域中形成的第一像素上。
根据另一实施例，一种电子装置，包括：用于将光学图像转换为电信号的图像传感器；以及处理器，被配置为控制所述图像传感器的操作，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，包括用于感测光的第一像素和第二像素；以及分色透镜阵列，用于通过改变入射光中包括的第一波长的光的相位使所述第一波长的光会聚到第一像素上，所述传感器基板包括：有效像素区域，用于输出用于图像生成的像素信号；虚设像素区域，设置在所述有效像素区域的外部并且输出用于辅助所述图像生成的像素信号；以及光学黑区，设置在所述虚设像素区域的外侧并且输出暗电平信号，并且所述分色透镜阵列包括多个区域，分别对应于所述有效像素区域、所述虚设像素区域和所述光学黑区中的第一像素和第二像素，并且所述分色透镜阵列使入射在所述分色透镜阵列中的设置在所述光学黑区上方的区域上的所述第一波长的光的至少一部分会聚到所述虚设像素区域中的第一像素上。
附图说明
根据以下结合附图的描述，本公开的某些实施例的以上和其他方面、特征和优点将更清楚，在附图中：
图1是根据实施例的图像传感器的框图；
图2是基于像素阵列中包括的像素的功能示出图1的像素阵列的图；
图3A和图3B是从图2的有效像素区域中的区域A的不同方向看到的截面图；
图4是示出图2的像素阵列中的像素布置的平面图；
图5A是示出在分色透镜阵列中布置纳米柱的示例的平面图，并且图5B是示出图5A中的一部分的放大图的平面图；
图6A是示出沿图5A的线I-I′的穿过分色透镜阵列的第一波长的光和第二波长的光的相位分布的图，图6B是示出在第一区域至第四区域的中心穿过分色透镜阵列的第一波长的光的相位的图，并且图6C是示出在第一区域至第四区域的中心穿过分色透镜阵列的第二波长的光的相位的图；
图6D示出入射在分色透镜阵列的第一区域及周边的第一波长的光的行进方向的示例，第一区域与第一像素相对应，并且图6E示出相对于第一波长的光与分色透镜阵列等同的微透镜阵列的示例；
图6F示出入射在分色透镜阵列中的第二区域及周边的第二波长的光的行进方向的示例，第二区域对应于第二像素，并且图6G示出相对于第二波长的光与分色透镜阵列等同的微透镜阵列的示例；
图7A是示出沿图5A的线II-II′穿过分色透镜阵列的第一波长的光和第三波长的光的相位分布的图，图7B是示出在第一区域至第四区域的中心穿过分色透镜阵列的第三波长光的相位的图，并且图7C是示出在第一区域至第四区域的中心穿过分色透镜阵列的第一波长光的相位的图；
图7D示出入射在分色透镜阵列中的第三区域及周边的第三波长的光的行进方向的示例，第三区域对应于第三像素，并且图7E示出相对于第三波长的光与分色透镜阵列等同的微透镜阵列的示例；
图7F示出入射在第四区域及周边的第一波长的光的行进方向的示例，并且图7G示出相对于第一波长光与分色透镜阵列等同的微透镜阵列的示例；
图8示出经过图3A和图3B的分色透镜阵列入射在传感器基板上的光的光谱；
图9A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中的单位图案的形状示例的平面图，并且图9B是示出根据另一实施例的分色透镜阵列中的单位图案的形状示例的平面图；
图10A是图2中的区域B的截面图，并且图10B是图10A的传感器基板的平面图；
图11是用于说明入射在一个像素上的光由于分色透镜阵列而发散的距离的图；
图12A是根据图2的像素阵列中的一个像素包括四个子像素的实施例的区域B的截面图，并且图12B是图12A所示的传感器基板的平面图；
图13A是示出根据另一实施例的像素阵列的结构的图，并且图13B是图13A中的区域B′的截面图；
图14是根据一个或多个实施例的包括图像传感器的电子装置的框图；
图15是图14的相机模块的框图；以及
图16至图25是示出根据一个或多个实施例的包括图像传感器的电子设备的各种示例的图。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，在附图中示出实施例的示例，其中在全部附图中用相似的附图标记表示相似的要素。在这个方面，当前的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阐述的描述。因此，仅在下文通过参考这些附图来描述这些实施例，以解释这些方面。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。
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装置。本公开的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个要素“上方”时，其可以直接置于其他层或基板上方/下方/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。这些术语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，该部分可以不排除另一组件，而是还可以包括另一组件，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是根据实施例的图像传感器1000的框图。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可以包括将光学图像转换为电信号的电荷耦合器件(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包括在多个行和列中二维布置的像素。行解码器1020响应于从时序控制器1010输出的行地址信号，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所选择的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中的列分别设置的多个ADC或在列解码器的输出端设置的一个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。
图2是基于由像素阵列中包括的像素执行的功能而示出图1的像素阵列的图。
参考图2，像素阵列1100可以包括：有效像素区域1110，输出用于生成图像的像素信号；第一虚设像素区域1120，设置在有效像素区域1110的外部并且输出用于辅助图像生成的像素信号；第二虚设像素区域1130，设置在第一虚设像素区域1120的外部并且不输出像素信号；以及光学黑区1140，设置在第二虚设像素区域1130的外部并且包括用于输出背景信号的遮光金属层。
有效像素区域1110是设置有输出如下信号的像素的区域：由图像传感器1000提供的直接用于生成图像的信号。有效像素区域1110中包括的像素中的一些或全部可以从入射在图像传感器上的光感测特定波段的光，即特定颜色的光，并且可以输出入射光中包括的颜色分量的强度。有效像素区域1110可以包括三种或更多种像素，例如可以包括用于感测入射光中的绿光分量的强度的绿色像素、用于感测入射光中的红光分量的强度的红色像素、以及用于感测入射光中的蓝光分量的强度的蓝色像素。具体地，绿色像素可以主要接收入射光中包括的绿色波段(500nm至565nm)的光，并且可以通过对光进行光电转换而输出绿光分量的强度作为像素信号(例如电压)。每个像素可以包括作为用于独立执行光电转换的单元的一个或多个子像素，例如，一个绿色像素可以包括两个或四个子像素。
图像传感器1000可以通过使用从有效像素区域1110中设置的每个像素输出的信号来生成图像，并且随着有效像素区域1110中像素的数目增加，可以生成高分辨率的图像。换言之，有效像素区域1110中的每个像素可以与图像表示的最小单元相对应，因此，随着有效像素区域1110中像素的数目增加，可以生成精细表示的图像。类似于有效像素区域1110中包括的像素输出的信号，对所生成的图像的分辨率的提高做出贡献的像素信号可以被理解为在图像生成中直接使用。
第一虚设像素区域1120是其中布置有用于输出在图像生成中间接使用的信号的像素的区域。第一虚设像素区域1120可以在有效像素区域1110的外部围绕有效像素区域1110。第一虚设像素区域1120中的每个像素的结构与有效像素区域1110中包括的像素的结构相同，但是从第一虚设像素区域1120输出的像素信号与从有效像素区域1110输出的像素信号的不同在于，来自第一虚设像素区域1120的像素信号不对图像的分辨率的提高做出贡献。
从第一虚设像素区域1120中的像素输出的信号可以用于提高图像质量。例如，当有效像素区域1110中的一些像素错误操作时，通过错误操作的像素周围的周边像素的信号进行插值来生成与来自错误操作的像素的信号相对应的信号。当错误操作的像素设置在有效像素区域1110的最外部分(例如相对于第一虚设像素区域1120的边界)时，可以通过使用来自第一虚设像素区域1120中邻近错误操作的像素的像素的信号来生成与错误操作的像素的像素信号相对应的信号。第一虚设像素区域1120的像素信号不对图像的分辨率的提高做出贡献，但是对所生成的图像质量的提高做出贡献，因此可以认为该像素信号在图像生成中间接使用。
第一虚设像素区域1120的像素信号可以在聚焦操作、光学图像稳定(OIS)等以及来自有效像素区域1110的像素信号的校正中使用。
第二虚设像素区域1130是其中布置有不输出信号的像素的区域，并且可以设置为从第一虚设像素区域1120的外侧围绕第一虚设像素区域1120。第二虚设像素区域1130中的像素不输出像素信号，因此与第一虚设像素区域1120的像素不同。第二虚设像素区域1130提供如下空间：朝着第二虚设像素区域1130前行的光的一部分可以通过该空间前行到第一虚设像素区域1120，因此，可以允许第一虚设像素区域1120中的像素以与有效像素区域1110中的像素的条件相同的条件来感测光。将在下面参考图17描述第二虚设像素区域1130的结构。
光学黑区1140是其中布置有在没有入射光下输出像素信号(即，黑电平或暗电平信号)的像素的区域。光学黑区1140可以设置为在第二虚设像素区域1130的外侧围绕第二虚设像素区域1130。在包括用于屏蔽入射在像素上的光的遮光层方面，光学黑区1140与有效像素区域1110以及第一虚设像素区域1120和第二虚设像素区域1130不同。光学黑区1140的像素可以输出黑电平或暗电平信号，例如，由于像素中包括的光电二极管的材料或结构而生成的噪声，或从像素中的光电二极管之外的其他元件生成的噪声。黑电平或暗电平信号可以用作用于校正来自有效像素区域1110和第一虚设像素区域1120的像素信号的噪声的参考信号。将参考图17在下文描述光学黑区1140的结构。
图3A和图3B是从不同截面看到的图2的有效像素区域1110中的区域A的截面图，图4是示出图2的像素阵列中的像素阵列的平面图，图5A是示出在分色透镜阵列中布置纳米柱的示例的平面图，并且图5B是示出图5A中的一部分的放大图的平面图。
参考图3A和图3B，图像传感器1000的像素阵列1100可以包括：传感器基板110，包括用于感测光的多个像素；传感器基板110上的透明间隔层120；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第一像素至第四像素111、112、113和114。第一像素111至第四像素114可以布置为使第一像素111和第二像素112如图3A所示在第一方向(X方向)上交替布置、以及第三像素113和第四像素114可以如图3B所示在不同的截面中交替布置。图4示出图像传感器1000的像素阵列1100具有拜尔图案时的像素。提供上面的这种布置，用于利用诸如拜尔图案之类的单位图案来分别感测入射光，例如，第一像素111和第四像素114可以感测第一波长的光，第二像素112可以感测第二波长的光，并且第三像素113可以感测第三波长的光。在下文中，第一波长的光被表示为绿光，第二波的长的光是蓝光，并且第三波长的光是红光。此外，第一像素111和第四像素114可以是绿色像素，第二像素112可以是蓝色像素，并且第三像素113可以是红色像素。
像素阵列1100可以以各种布置图案而不是拜尔图案设置。例如，可以使用CYGM布置，其中洋红色像素M、青色像素、黄色像素和绿色像素配置一个单位像素。此外，可以使用RGBW排列，其中绿色像素、红色像素、蓝色像素和白色像素配置一个单位图案。此外，单位像素可以具有3×2阵列。在下文中，在图像传感器1000的像素阵列1100具有拜尔图案的假设下提供描述。
间隔层120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之间的距离保持恒定。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可以在ht-p≤h≤ht+p的范围内选择。此处，当间隔层120对于波长λ0的折射率是n并且像素间距是p时，间隔层120的理论厚度ht可以表示为以下公式1。
公式1
Figure BDA0003313198310000101
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的波长的光聚焦到像素111、112、113和114的项表面上的焦距。λ0可以表示作为用于确定间隔层120的厚度h的参考的波长，并且间隔层120的厚度可以基于绿光的中心波长(即540nm)来设计。
参考图5A，分色透镜阵列130可以划分为与图4的第一像素至第四像素111、112、113和114相对应的第一区域至第四区域131、132、133和134。第一区域至第四区域131、132、133和134可以分别面对第一像素至第四像素111、112、113和114。例如，分色透镜阵列130的第一区域131可以对应于第一像素111，第二区域132可以对应于第二像素112，第三区域133可以对应于第三像素113，并且第四区域134可以对应于第四像素114。第一区域至第四区域131、132、133和134可以沿第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)二维地布置，以使交替地重复其中第一区域131与第二区域132交替布置的第一行和其中第三区域133与第四区域134交替布置的第二行。分色透镜阵列130包括多个单位图案，其像传感器基板110的像素阵列一样二维布置，并且单位图案中的每一个包括在2x2阵列中布置的第一区域至第四区域131、132、133和134。
图3A和图3B示出第一区域至第四区域131、132、133和134与第一像素至第四像素111、112、113和114具有相同的尺寸并且在竖直方向上彼此面对的示例，但是分色透镜阵列130可以分为以不同形式定义的多个区域，例如用于会聚第一波长的光的区域、用于会聚第二波长的光的区域等。
分色透镜阵列130可以包括：纳米柱NP，其尺寸、形状、间隔和/或布置被定义为，使第一波长的光分离并且会聚到第一像素111和第四像素114、使第二波长的光分别会聚到第二像素112、并且使第三波长的光分别会聚到第三像素113。此外，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5A，第一区域至第四区域131、132、133和134可以包括具有各自具有圆形截面的圆柱形状的纳米柱NP。在每个区域的中心部分，设置具有不同的截面面积的纳米柱NP，并且也可以在像素之间的边界的中心和像素边界之间的交点处设置纳米柱NP。设置在像素之间的边界处的纳米柱NP的截面面积可以小于设置在像素中心的纳米柱NP的截面面积。
图5B示出图5A的一部分区域(即，单位图案中的第一区域至第四区域131、132、133和134)中包括的纳米柱NP的布置。在图5B中，纳米柱NP根据其在单位图案中的具体位置被表示为p1至p9。参考图5B，在纳米柱NP之中，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具有比第二区域132的中心上的纳米柱p2和第三区域133的中心上的纳米柱p3的截面面积大的截面面积，并且第二区域132的中心上的纳米柱p2具有比第三区域133的中心上的纳米柱p3的截面面积大的截面面积。然而，一个或更多个实施例不限于上述示例，并且如果需要，可以应用具有各种形状、尺寸和布置的纳米柱NP。
与绿色像素相对应的第一区域131和第四区域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，第一区域131和第四区域134中设置的纳米柱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5B所示，在纳米柱NP之中，位于第一区域131与在第一方向(X方向)上邻近第一区域131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与在第二方向(Y方向)上邻近第一区域131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与在第一方向(X方向)上邻近第四区域134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与在第二方向(Y方向)上邻近第四区域134的第二区域132之间的边界处的纳米柱p8的截面面积。
同时，设置在与蓝色像素相对应的第二区域132和与红色像素R相对应的第三区域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5B所示，在纳米柱NP之中，在第一方向(X方向)上与第二区域132邻近的邻近像素之间的边界处的纳米柱p5的截面面积和在第二方向(Y方向)上与第二区域132邻近的邻近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)上的邻近像素之间的边界处的纳米柱p7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p6的截面面积彼此相同。
此外，在第一区域至第四区域131、132、133和134中每一个的四个角，即四个区域彼此相交的点，纳米柱p9具有彼此相同的截面面积。
以上分布是由于拜尔图案中的像素布置。蓝色像素和红色像素在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上的邻近像素是绿色像素，但是与第一区域131相对应的绿色像素在第一方向(X方向)上的邻近像素是蓝色像素，并且该绿色像素在第二方向(Y方向)上的邻近像素是红色像素。此外，与第四区域134相对应的绿色像素在第一方向(X方向)上的邻近像素是红色像素，并且该绿色像素在第二方向(Y方向)上的邻近像素是蓝色像素。此外，相同的像素(例如绿色像素)邻近与第一区域131和第四区域134相对应的绿色像素的四个角，相同的像素(例如红色像素)邻近与第二区域132相对应的蓝色像素的四个角，并且相同的像素(例如蓝色像素)邻近与第三区域133相对应的红色像素的四个角。因此，在与蓝色像素和红色像素相对应的第二区域132和第三区域133中，纳米柱NP可以以4重对称的形式布置，并且在与绿色像素相对应的第一区域131和第四区域134中，纳米柱NP可以以2重对称的形式布置。具体地，第一区域131和第四区域134相对于彼此旋转90°角度。
在图5A和图5B中，多个纳米柱NP具有对称的圆形截面形状。然而，可以包括一些具有非对称截面形状的纳米柱。例如，对应于绿色像素的第一区域131和第四区域134使用在第一方向(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，并且对应于蓝色像素和红色像素的第二区域132和第三区域133可以使用在第一方向(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。
分色透镜阵列130的布置规则是用于实现以下相位分布的示例：其中具有第一波长的光分支并且聚集到第一像素111和第四像素114上，具有第二波长的光分支并且聚集到第二像素112上，并且具有第三波长的光分支并且聚集到第三像素113上，并且这个布置规则不限于所示出的图案。
图6A是示出沿图5A的线I-I′的穿过分色透镜阵列130的第一波长的光和第二波长的光的相位分布的图，图6B是示出在第一区域至第四区域131、132、133和134的中心的穿过分色透镜阵列130的第一波长的光的相位的图，并且图6C是示出在第一区域至第四区域131、132、133和134的中心的穿过分色透镜阵列130的第二波长的光的相位的图。
参考图6A和图6B，穿过分色透镜阵列130的第一波长的光可以具有第一相位分布PP1，其在第一区域131的中心最大，并且远离第一区域131的中心而减小。具体地，在刚穿过分色透镜阵列130之后，即在分色透镜阵列130的下表面或间隔层120的上表面处，第一波长的光的相位在第一区域131的中心最大，并且远离第一区域131的中心以同心圆形式减小。因此，相位在X方向和Y方向上在第二区域132和第三区域133的中心处、以及在对角方向上在第一区域131和第四区域134的接触点处最小。当从第一区域131的中心发射的第一波长的光的相位设置为2π作为参考时，具有0.9π至1.1π的相位的光可以从第二区域132和第三区域133的中心发射，具有2π的相位的光可以从第四区域134的中心发射，并且具有1.1π至1.5π的相位的光可以从第一区域131与第四区域134的接触点发射。此外，第一相位分布PP1可以不表示穿过第一区域131的中心的光的相位延迟量最大。当将穿过第一区域131的光的相位设置为2π时，穿过另一位置的光的相位值(当穿过另一点的光的相位延迟量更大并且具有2π或更大的相位值时)可以表示减去2nπ之后剩余的值，即卷绕相位分布。例如，当穿过第一区域131的光的相位是2π并且穿过第二区域132的中心的光的相位是3π时，第二区域132中的相位可以是从3π减去2π(n＝1)之后剩余的π。
参考图6A和图6B，穿过分色透镜阵列130的第二波长的光可以具有第二相位分布PP2，其在第二区域132的中心最大，并且远离第二区域132的中心而减小。具体地，在刚穿过分色透镜阵列130之后，第二波长的光的相位在第二区域132的中心最大，并且远离第二区域132的中心以同心圆形式减小，相位在X方向和Y方向上在第一区域131和第四区域134的中心处最小，并且在对角方向上在第三区域133的中心处最小。当第二波长的光在第二区域132的中心的相位是2π时，第二波长的光在第一区域131和第四区域134的中心的相位是0.9π至1.1π，并且在第三区域133的中心的相位可以小于π(例如0.2π至0.9π)。
图6D示出入射在分色透镜阵列130的第一区域131及周边区域上的第一波长的光的行进方向的示例，第一区域131与第一像素111相对应，并且图6E示出相对于第一波长的光与分色透镜阵列130等同的微透镜阵列的示例。
入射在第一区域131的周边的第一波长的光如图6D所示由分色透镜阵列130会聚到第一像素111上，并且第一波长的光从第一区域至第三区域131、132和133入射在第一像素111上。参考图6A和图6B所说明的第一波长的光的相位分布类似于穿过虚拟第一微透镜ML1的光的相位分布，虚拟第一微透镜ML1是通过连接邻近第一区域131的两个第二区域132和两个第三区域133的中心来生成的。因此，如图6E所示，相对于入射在第一区域131的周边的第一波长的光，分色透镜阵列130可以等同于基于第一区域131设置的多个第一微透镜ML1的阵列。等同的第一微透镜ML1中的每一个具有比对应的第一像素111的面积大的面积，入射在第二区域132和第三区域133上的第一波长的光、以及入射在第一区域131上的第一波长的光也可以会聚到第一像素111上。第一微透镜ML1的面积可以是对应的第一像素111的面积的1.2倍至2倍大。
图6F示出入射在分色透镜阵列130的第二区域132及周边区域上的第二波长的光的行进方向的示例，其中第二区域132与第二像素112相对应，并且图6G示出相对于第二波长的光与分色透镜阵列130等同的微透镜阵列的示例。
第二波长的光如图6F所示由分色透镜阵列130会聚到第二像素112上，并且来自第一区域至第四区域131、132、133和134的第二波长的光入射在第二像素112上。参考图6A和图6C所说明的第二波长的光的相位分布类似于穿过虚拟第二微透镜ML2的光的相位分布，虚拟第二微透镜ML2是通过连接在项点上邻近第二区域132的四个第三区域的中心生成的。因此，如图6G所示，相对于第二波长的光，分色透镜阵列130可以等同于环绕第二区域132设置的多个第二微透镜ML2的阵列。因为每个第二微透镜ML2大于对应的第二像素112，所以在朝着第一像素111、第三像素113和第四像素114的方向上入射的第二波长的光、以及在朝着第二像素112的方向上入射的第二波长的光也可以会聚到第二像素112。第二微透镜ML2的面积可以是对应的第二像素112的面积的1.5倍至4倍大。
图7A示出沿图5A的线II-II′的穿过分色透镜阵列130的第一波长的光和第三波长的光的相位分布，图7B示出在第一区域至第四区域131、132、133和134的中心的穿过分色透镜阵列130的第三波长的光的相位，并且图7C示出在第一区域至第四区域131、132、133和134的中心的穿过分色透镜阵列130的第一波长的光的相位。
参考图7A和图7B，穿过分色透镜阵列130的第三波长的光可以具有与基于第二区域132的上述第二波长的光的相位分布类似的相位分布，并且可以具有第三相位分布PP3，该相位分布在第三区域的中心最大，并且远离第三区域133的中心而减小。具体地，在刚穿过分色透镜阵列130之后，第三波长的光的相位在第三区域133的中心最大，并且远离第三区域133的中心以同心圆形式减小，并且相位在X方向和Y方向上在第一区域131和第四区域134的中心处最小，并且在对角方向上在第二区域132的中心处最小。当第三波长的光在第三区域133的中心的相位是2π时，第三波长的光在第一区域131和第四区域134的中心的相位是0.9π至1.1π，并且在第二区域132的中心的相位可以小于π(例如0.2π至0.9π)。
图7D示出入射在分色透镜阵列130的第三区域133及周边区域上的第三波长的光的行进方向的示例，其中第三区域133与第三像素113相对应，并且图7E示出相对于第三波长的光与分色透镜阵列130等同的微透镜阵列的示例。
第三波长的光由分色透镜阵列130如图7D所示会聚到第三像素113上，并且来自第一区域至第四区域131、132、133和134的第三波长的光入射在第三像素113上。参考图7A和图7B所说明的第三波长的光的相位分布类似于穿过虚拟第三微透镜ML3的光的相位分布，虚拟第三微透镜ML3是通过连接在顶点上邻近第三区域133的四个第二区域132的中心生成的。因此，如图7E所示，相对于第三波长的光，分色透镜阵列130可以等同于环绕第三区域133设置的多个第三微透镜ML3的阵列。因为每个第三微透镜ML3大于对应的第三像素113，所以在朝着第一像素111、第二像素112和第四像素114的方向上入射的第三波长的光、以及在朝着第三像素113的方向上入射的第三波长的光也可以会聚到第三像素113。第三微透镜ML3的面积可以是对应的第三像素113的面积的1.5倍至4倍大。
参考图7A和图7C，入射在第四区域134的周边的第一波长的光可以具有与基于第一区域131的上述第一波长的光的相位分布类似的相位分布，并且可以具有第四相位分布PP4，该相位分布在第四区域134的中心最大，并且远离第四区域134的中心而减小。在刚穿过分色透镜阵列130之后，基于第四区域134，第一波长的光的相位在第四区域134的中心最大，并且远离第四区域134的中心以同心圆形式减小，并且相位在X方向和Y方向上在第二区域132和第三区域133的中心处最小，并且在对角方向上在第一区域131与第四区域134的接触点处最小。当第一波长的光在第四区域134的中心的相位是2π时，相位可以在第二区域132和第三区域133的中心是0.9π至1.1π，在第一区域131的中心是2π，并且在第一区域131与第四区域134的接触点是1.1π至1.5π。
图7F示出入射在第四区域134及周边的第一波长的光的行进方向的示例，并且图7G示出相对于第一波长的光与分色透镜阵列130等同的微透镜阵列的示例。第一波长的光会聚到两个像素(例如111和114)，并且入射在第四区域134上的第一波长的光的相位分布和第一波长的光的行进方向类似于入射在第一区域131上的第一波长的光的相位分布和行进方向。因此省略冗余的描述。
参考图7F，入射在第四区域134的周边的第一波长的光由分色透镜阵列130会聚到第四像素114上，来自第二区域至第四区域132、133和134的第一波长的光入射在第四像素114上。如图7G所示，相对于入射在第四区域134的周边的第一波长的光，分色透镜阵列130可以等同于基于第四像素114设置的多个第四微透镜ML4的阵列。
图8示出经过图3A和图3B的分色透镜阵列130入射在传感器基板上的光的光谱。
在图8中，纵轴表示量子效率(QE)并且横轴表示光的波长。QE表示由光电转换元件将入射在像素阵列1100上的光子转换为电子的程度，例如，当入射光子以80％的效率转换为电子时，QE是0.8，并且当入射光子以100％的效率转换为电子时，QE是1.0。在一般的像素阵列中，QE不超过1.0，但是图3A和图3B的像素阵列包括分色透镜阵列130，QE可以是1.0或更大。例如，当第二像素112相对于475nm的波长的QE是2.0时，这表示当朝着第二像素112行进的具有475nm波长的光的光子数目是100时，在第二像素112中生成与200个光子相对应的电子。在图3A和图3B的像素阵列中，朝着第一像素111和第三像素113行进的475nm波长光的光子、以及朝着第二像素112行进的475nm波长光的光子入射在第二像素112上，因此QE可以是1.0或更大。换言之，在穿过分色透镜阵列130之后入射在第二像素112上的475nm波长光的光子的量可以大于穿过分色透镜阵列130之前朝着第二像素112行进的475nm波长光的光子的量，因此，第二像素112对于475nm波长光的QE可以大于1.0。
图8的第一光谱S1是入射在像素阵列1100上并且由分色透镜阵列130分支且随后由作为绿色像素的第一像素111和第四像素114感测的光的光谱，并且对应于绿光的从490nm至580nm的波段的QE最大。第二光谱S2示出由第二像素112(例如蓝色像素)感测的光的光谱，并且与蓝光相对应的从420nm至475nm的波段的QE最大。第三光谱S3示出由第二像素113(例如红色像素)感测的光的光谱，并且与红光相对应的从590nm至680nm的波段的QE最大。
图5A所示的分色透镜阵列130是示例，并且可以根据颜色特性、像素间距、入射到图像传感器中的入射光的入射角等设计各种类型的分色透镜阵列130。此外，将分色透镜阵列130描述为包括彼此分隔的多个圆柱形的纳米柱NP，但是一个或多个实施例不限于此。例如，图9A是示出可以应用于拜尔图案类型的图像传感器的分色透镜阵列中的单位图案形状的平面图，并且图9B是示出另一分色透镜阵列中的单位图案形状的平面图。
在图9A的分色透镜阵列130′中，第一区域至第四区域131′、132′、133′和134′中的每一个以16x16矩形阵列的数字化二值形式优化，并且单位图案具有32x32矩形阵列的形状。与上述示例不同，图9B所示的分色透镜阵列130″中的第一区域至第四区域131″、132″、133″和134″中的每一个具有非数字化的连续曲线形状。
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、蚁群算法等自然启发算法或基于伴随优化算法的反向设计对第一区域至第四区域131、132、133和134、131′、132′、133′和134′、或者131″、132″、133″和134″的结构进行优化。
根据分色透镜阵列130、130′或130″的设计，第一区域至第四区域131、132、133和134、131′、132′、133′和134′、或者131″、132″、133″和134″的第一结构至第四结构可以在基于评估因素(例如分色光谱、光学效率、信噪比等)评估候选分色透镜阵列的性能的同时进行优化。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减小的方式来优化第一区域至第四区域131、132、133和134、131′、132′、133′和134′、或者131″、132″、133″和134″的结构。备选地，当指示了针对每个评估因素的性能时，可以优化第一区域至第四区域131、132、133和134、131′、132′、133′和134′、或者131″、132″、133″和134″的结构，以使指示性能的值可以最大化。
图10A是图2中的区域B的截面图，并且图10B是图10A的传感器基板的平面图。
图2的区域B与图2的区域A的不同在于，区域B包括像素阵列1100中的有效像素区域1110、第一虚设像素区域1120、第二虚设像素区域1130和光学黑区1140，然而区域A仅包括有效像素区域1110。
如上所述，第一虚设像素区域1120是其中形成用于输出在图像生成中间接使用的信号的像素的区域，并且设置为在有效像素区域1110的外侧围绕有效像素区域1110。第一虚设像素区域1120具有与上面参考图3A和图3B描述的有效像素区域1110的结构和作用类似的结构和作用，并且省略冗余的描述。
第二虚设像素区域1130是用于提供入射在第一虚设像素区域1120中形成的像素上的光的通路的区域，并且可以设置为在第一虚设像素区域1120的外侧围绕第一虚设像素区域1120。在包括传感器基板110、间隔层120和分色透镜阵列130方面，第二虚设像素区域1130具有与有效像素区域1110和第一虚设像素区域1120的结构类似的结构，但是与有效像素区域1110和第一虚设像素区域1120的不同之处在于，第二虚设像素区域1130中包括的像素不输出像素信号。具体地，第二虚设像素区域1130设置为将分色透镜阵列130延伸到第一虚设像素区域1120的外侧，以使在第二虚设像素区域1130中穿过分色透镜阵列130的光的一部分可以入射到设置在第一虚设像素区域1120中的像素上。
例如，入射在图10A所示的第二虚设像素区域1130中的分色透镜阵列130的第一区域131上的蓝光的一部分被会聚到第一虚设像素区域1120的第二像素112上，因此，第一虚设像素区域1120中的第二像素112可以在与有效像素区域1110的第二像素112相同的条件下接收光。当第二虚设像素区域1130中没有分色透镜阵列130时，入射在第二虚设像素区域1130的第一区域131上的蓝光不被会聚到第一虚设像素区域1120的第二像素112上，因此，第一虚设像素区域1120的第二像素112无法在与有效像素区域1110的第二像素112的条件相同的条件下接收光。如上所述，为了使用第一虚设像素区域1120的像素信号来校正有效像素区域1110的像素信号或者对图像传感器进行聚焦，第一虚设像素区域1120必须能够在与有效像素区域1110的条件相同的条件下接收入射光，并且为了满足该条件，第二虚设像素区域1130可以是必要的。
第二虚设像素区域1130可以防止第一虚设像素区域1120受到形成光学黑区1140的工艺的污染，并且提供入射在第一虚设像素区域1120上的光的光路。
光学黑区1140是其中布置有在没有入射光下输出像素信号(即，黑电平或暗电平信号)的像素的区域，并且可以设置为在第二虚设像素区域1130的外侧围绕第二虚设像素区域1130。光学黑区1140可以包括传感器基板110、间隔层120和遮光层121。
遮光层121在光学黑区1140中包括的像素111和112上形成，并且可以屏蔽入射在像素111和112上的光。遮光层121可以包括诸如铜、钨等之类的金属。
可以在光学黑区1140中形成分色透镜阵列130，但是由于光学黑区1140与有效像素区域1110和第一虚设像素区域1120通过之间的第二虚设像素区域1130分隔开，所以可以不在光学黑区1140中形成分色透镜阵列130。
图11是用于说明入射在一个像素上的光由于分色透镜阵列130而发散的距离的图。
图11示出在传感器基板110上感测具有530nm波长的绿光的程度，其中，530nm波长的绿光入射在在第二虚设像素区域1130中形成的分色透镜阵列130的第三区域133上。具体地，绿光的入射位置是参考第三区域133(未示出)，其沿Z方向在图11的第三像素113之中加下划线的参考第三像素113上方，并且当入射在参考第三区域133上的绿光的强度是1时，入射在像素上的光的强度以数值表示。例如，具有强度1的绿光在穿过分色透镜阵列130的参考第三区域133的同时被分支，然后由邻近参考第三像素113的第一像素111感测为0.060，并且由邻近参考第三像素113的第四像素114感测为0.059和0.056。
参考图11，与参考第三像素113间隔开三个间隔或更多间隔的像素所感测的光强度是0.002或更小，这是可忽略的。例如，在沿X方向距离参考第三像素113三个间隔的位置处的第四像素114所感测的和在沿Y方向距离参考第三像素113三个间隔的位置处的第一像素111所感测的光强度是0.002。即，入射在分色透镜阵列130上的光可以影响与光入射到的区域的竖直下方的像素相距两个间距之内的像素。
返回参考图10A，入射在第二虚设像素区域1130中包括的第二区域132上的光可以影响第一虚设像素区域1120中包括的第二像素112，因此图10B的第二虚设像素区域1130可以包括在远离第一虚设像素区域1120的方向上(例如图10B的X方向上)的两个或更多像素，并且可以包括两个至十个像素的列或行或两个至四个像素的列或行。
图12A是根据图2的像素阵列中的一个像素包括四个子像素的实施例的区域B的截面图，并且图12B是图12A所示的传感器基板的平面图。
参考图12B，图12B的传感器基板110a中的每个像素可以包括四个子像素。例如，第一像素111可以包括：1-a子像素至1-d子像素111a、111b、111c和111d，第二像素112可以包括2-a子像素至2-d子像素112a、112b、112c和112d，第三像素113可以包括3-a子像素至3-d子像素113a、113b、113c和113d，并且第四像素114可以包括4-a子像素至4-d子像素114a、114b、114c和114d，即，每个像素具有四单元结构。一个像素中包括的四个子像素可以分别输出像素信号，或者可以通过组合由四个子像素感测的信号而输出一个像素信号。
图12A的分色透镜阵列130具有与图3A中的分色透镜阵列130的结构和作用类似的结构和作用，因此省略其描述。入射在图12A的第二虚设像素区域1130中包括的分色透镜阵列130的第二区域132上的光可以影响第一虚设像素区域1120中包括的2-a子像素112a和2-b子像素112b，因此图12A的第二虚设像素区域1130可以包括在远离第一虚设像素区域1120的方向(例如图12B的X方向)上的四个或更多子像素，并且可以包括四个至二十个子像素。
图13A是示出根据另一实施例的像素阵列的结构的图，并且图13B是图13A中的区域B′的截面图。
图13A的像素阵列1100′与图2的像素阵列1100的不同在于，像素阵列1100′不包括第二虚设像素区域1130，并且在光学黑区1140′中形成有分色透镜阵列130′。
参考图13B，像素阵列1100′可以包括在光学黑区1140′中形成的分色透镜阵列130′，以使第一虚设像素区域1120中的像素111和112可以在与有效像素区域1110的条件相同的条件下接收光。朝着光学黑区1140′行进的入射光的一部分由在光学黑区1140′中形成的分色透镜阵列130′分支，然后可以行进到第一虚设像素区域1120中的像素。图13B的光学黑区1140′可以包括在远离第一虚设像素区域1120的方向(例如图13B的X方向)上的两个或更多像素，例如，光学黑区1140′可以包括在远离第一虚设像素区域1120的方向上设置的两个至十个像素的列或行或两个至四个像素的列或行。
根据上述包括像素阵列1100的图像传感器1000，由于滤色器(例如有机滤色器)到孩子的光损失很少发生，因此即使当像素变得更小时也可以向像素提供足够的光量。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装置。电子装置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、电子装置、监视相机、医用相机、汽车、物联网(IoT)设备、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，电子装置还可以包括用于控制图像传感器的处理器，例如应用处理器(AP)，并且可以控制多个硬件或软件元件，并且可以通过经由处理器驱动操作系统或应用程序来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。当处理器中包括图像信号处理器时，可以通过使用该处理器来存储和/或输出由图像传感器获得的图像(或视频)。
图14是示出包括图像传感器1000的电子装置1401的示例的框图。参考图14，在网络环境1400中，电子装置1401可以经由第一网络1498(短程无线通信网络等)与另一电子装置1402通信，或者可以经由第二网络1499(远程无线通信网络等)与另一电子装置1404和/或服务器1408通信。电子装置1401可以经由服务器1408与电子装置1404通信。电子装置1401可以包括处理器1420、存储器1430、输入设备1450、声音输出设备1455、显示设备1460、音频模块1470、传感器模块1476、接口1477、触觉模块1479、相机模块1480、电力管理模块1488、电池1489、通信模块1490、用户识别模块1496和/或天线模块1497。在电子装置1401中，可以省略元件中的一些(显示设备1460等)或可以增加其他元件。元件中的一些可以配置为一个集成电路。例如，传感器模块1476(指纹传感器、虹膜传感器、照度传感器等)可以嵌入在显示设备1460(显示器等)中并且在其中实现。
处理器1420可以通过执行软件(程序1440等)来控制连接到处理器1420的电子装置1401的一个或多个元件(硬件、软件元件等)，并且可以执行各种数据处理或操作。作为数据处理或操作的一部分，处理器1420可以将从其他元件(传感器模块1476、通信模块1490等)接收的命令和/或数据加载到易失性存储器1432，可以处理易失性存储器1432中存储的命令和/或数据，并且可以将结果数据存储在非易失性存储器1434中。处理器1420可以包括主处理器1421(中央处理单元、应用处理器等)以及可以独立于主处理器1421操作或与主处理器1221一起操作的辅处理器1423(图形处理单元、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1423可以使用比主处理器1421少的功率并且可以执行指定功能。
辅处理器1423在主处理器1421处于非激活状态(休眠状态)时代表主处理器1421或在主处理器1421处于激活状态(应用执行状态)时与处理器1421一起，可以控制与电子装置1401的元件中的一些元件(显示设备1460、传感器模块1476、通信模块1490等)有关的功能和/或状态。辅处理器1423(图像信号处理器、通信处理器等)可以实现为在功能上与其有关的其他元件(相机模块1480、通信模块1490等)的一部分。
存储器1430可以存储电子装置1401的元件(处理器1420、传感器模块1476等)所需的各种数据。所述数据可以包括例如关于软件(程序1440等)的输入数据和/或输出数据和与其有关的命令。存储器1430可以包括易失性存储器1432和/或非易失性存储器1434。非易失性存储器1434可以包括固定地安装在电子装置1401中的内部存储器1436和可拆卸的外部存储器1438。
程序1440可以作为软件存储在存储器1430中，并且可以包括操作系统1442、中间件1444和/或应用1446。
输入设备1450可以从电子装置1401的外部(用户等)接收要在电子装置1401的元件(处理器1420等)中使用的命令和/或数据。输入设备1450可以包括麦克风、鼠标、键盘和/或数字笔(手写笔)。
声音输出设备1455可以向电子装置1401的外部输出声音信号。声音输出设备1455可以包括扬声器和/或受话器。扬声器可以用于诸如多媒体再现或记录播放之类的通用目的，并且受话器可以用于接收呼叫。受话器可以耦接作为扬声器的一部分或者可以实现为独立的设备。
显示设备1460可以向电子装置1401的外部提供视觉信息。显示设备1460可以包括显示器、全息设备或投影仪、以及用于控制对应设备的控制电路。显示设备1460可以包括设置为感测触摸的触摸电路和/或设置为测量由触摸产生的力的强度的传感器电路(压力传感器等)。
音频模块1470可以将声音转换为电信号，反之亦然。音频模块1470可以通过输入设备1450获得声音，或者可以经由声音输出设备1455和/或直接地或无线地连接到电子装置1401的其他电子装置(电子装置1402等)的扬声器和/或耳机来输出声音。
传感器模块1476可以感测电子装置1401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1476可以包括手势传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、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)线传感器、活体(vivo)传感器、温度传感器、湿度传感器和/或照度传感器。
接口1477可以支持一个或多个指定的协议，所述指定的协议可以用于电子装置1401直接或无线连接到其他电子装置(电子装置1402等)。接口1477可以包括高清晰度多媒体接口(HDMI)、通用串行总线(USB)接口、SD卡接口和/或音频接口。
连接端子1478可以包括可以将电子装置1401物理连接到其他电子装置(电子装置1402等)的连接器。连接端子1478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1479可以将电信号转换为用户可以通过触觉或运动感觉而感测的机械刺激(振动、运动等)或电刺激。触觉模块1479可以包括电机、压电设备和/或电刺激设备。
相机模块1480可以捕获静止图像和视频。相机模块1480可以包括：包括一个或多个镜头的镜头组件、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1480中包括的镜头组件可以采集从要捕捉的对象发出的光。
电力管理模块1488可以管理供应给电子装置1401的电力。电力管理模块1488可以实现为电力管理集成电路(PMIC)的一部分。
电池1489可以向电子装置1401的组件供应电力。电池1489可以包括不可再充电的原电池、可再充电的二次电池和/或者燃料电池。
通信模块1490可以支持在电子装置1401和其他电子装置(电子装置1402、电子装置1404或服务器1408等)之间建立直接(有线)通信信道和/或无线通信信道，并通过所建立的通信信道执行通信。通信模块1490可以独立于处理器1420(应用处理器等)操作，并且可以包括支持直接通信和/或无线通信的一个或多个通信处理器。通信模块1490可以包括无线通信模块1492(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1494(局域网(LAN)通信模块、电力线通信模块等)。在通信模块之中，对应通信模块可以经由第一网络1498(诸如蓝牙、WiFi直连或红外数据协会(IrDA)之类的短程通信网络)或第二网络1499(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)与其他电子装置通信。上述不同种类的通信模块可以集成为一个元件(单个芯片等)或者可以实现为彼此分离的多个元件(多个芯片)。无线通信模块1492可以通过使用存储在用户识别模块1496中的用户信息(国际移动用户标识符(IMSI)等)在通信网络(例如第一网络1498和/或第二网络1499)中识别和认证电子装置1401。
天线模块1497可以向外部(其他电子装置等)发送信号和/或电力或者从外部接收信号和/或电力。天线可以包括作为在基板(PCB等)上形成的导电图案的辐射器。天线模块1497可以包括一个或多个天线。当天线模块1497包括多个天线时，可以由通信模块1490从多个天线中选择适合于在诸如第一网络1498和/或第二网络1499之类的通信网络中使用的通信类型的天线。可以经由所选择的天线在通信模块1490和其他电子装置之间传输信号和/或电力。可以包括除了天线以外的其他组件(RFIC等)作为天线模块1497的一部分。
元件中的一些可以经由外围设备(总线、通用输入和输出(GPIO)、串行外围接口(SPI)、移动工业处理器接口(MIPI)等)之间的通信方法彼此连接，并且可以交换信号(命令、数据等)。
可以经由连接到第二网络1499的服务器1408在电子装置1401和外部的电子装置1404之间发送或接收命令或数据。其他电子装置1402和1404可以是与电子装置1401相同或不同种类的设备。在电子装置1401中执行的全部或一些操作可以在其他电子装置1402、1404和1408之中的一个或多个设备中执行。例如，当电子装置1401必须执行特定功能或服务时，电子装置1201可以请求一个或多个其他电子装置执行一些或整个功能或服务，而不是自身执行该功能或服务。接收到请求的一个或多个电子装置执行与该请求有关的附加功能或服务，并且可以将执行结果传送给电子装置1401。为此，可以使用例如云计算、分布式计算或客户端-服务器计算技术。
图15是示出图14的相机模块1480的框图。参考图15，相机模块1480可以包括镜头组件1510、闪光灯1520、图像传感器1000(图1的图像传感器1000)、图像稳定器1540、存储器1550(缓冲存储器等)和/或图像信号处理器1560。镜头组件1510可以采集从要捕捉的对象发出的光。相机模块1480可以包括多个镜头组件1510，并且在这种情况下，相机模块1480可以包括双相机模块、360度相机或球形相机。多个镜头组件1510中的一些可以具有相同的镜头属性(视角、焦距、自动对焦、F数、光学变焦等)或不同的镜头属性。镜头组件1510可以包括广角镜头或远摄镜头。
闪光灯1520可以发射用于加强从对象发射或反射的光的光。闪光灯1520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可以是参考图1的上述图像传感器，并且将从对象发射或反射并经过镜头组件1510传输的光转换成电信号，以获得与该对象相对应的图像。图像传感器1000可以包括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)之中的一个或多个选定的传感器。图像传感器1000中包括的传感器中的每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1540响应于相机模块1480或包括相机模块1480的电子装置1501的运动，在特定方向上移动镜头组件1510中包括的一个或多个镜头或图像传感器1000，或者控制图像传感器1000的操作特性(调整读出时序等)，以补偿运动的负面影响。图像稳定器1540可以通过使用设置在相机模块1480之中或之外的陀螺仪传感器(未示出)或加速度传感器(未示出)来感测相机模块1480或电子装置1401的移动。图像稳定器1540可以实现为光学类型。
存储器1550可以存储通过图像传感器1000获得的图像的一些或全部数据，用于后续的图像处理操作。例如，当高速获得多个图像时，所获得的原始数据(拜尔图案的数据、高分辨率数据等)存储在存储器1550中，并且仅显示低分辨率图像。然后，所选的图像(用户选择等)的原始数据可以传输给图像信号处理器1560。存储器1550可以与电子装置1401的存储器1430集成，或者可以包括独立操作的附加存储器。
图像信号处理器1560可以对通过图像传感器1000获得的图像或存储在存储器1550中的图像数据执行图像处理。图像处理可以包括深度图生成、三维建模、全景生成、特征提取、图像组合和/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1560可以执行相机模块1580中包括的元件(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1560处理的图像可以再次存储在存储器1550中用于附加处理，或者可以提供给相机模块1480的外部元件(例如存储器1430、显示设备1460、电子装置1402、电子装置1404、服务器1408等)。图像信号处理器1560可以与处理器1420集成，或者可以配置为独立于处理器1420操作的附加处理器。当图像信号处理器1560被配置为与处理器1420分离的附加处理器时，由图像信号处理器1560处理的图像可以经历处理器1420的附加图像处理，然后可以在显示设备1460上显示。
电子装置1401可以包括具有不同属性或功能的多个相机模块1480。在这种情况下，多个相机模块1480中的一个可以包括广角相机，并且另一相机模块1480可以是远摄相机。类似地，多个相机模块1480中的一个可以包括前置相机，并且另一相机模块1480可以包括后置相机。
根据实施例的图像传感器1000可以应用于图16所示的移动电话或智能电话1600、图17所示的平板计算机或智能平板计算机1700、图18所示的数字相机或录像机1800、图19所示的膝上型计算机1900或图20所示的电视机或智能电视机2000。例如，智能电话1600或智能平板计算机1700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21所示的智能冰箱2100、图22所示的监视相机2200、图23所示的机器人2300、图24所示的医用相机2400等。例如，智能冰箱2100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2200可以通过使用高灵敏度来提供超高分辨率图像，并且可以使用户识别甚至是在黑暗环境中的图像中的对象或人。机器人2300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2400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1000可以应用于图25所示的车辆2500。车辆2500可以包括在各个位置处的多个车用相机2510、2520、2530和2540。车用相机2510、2520、2530和2540中的每一个可以包括根据一个或多个实施例的图像传感器。车辆2500可以通过使用多个车用相机2510、2520、2530和2540向驾驶员提供关于车辆2500内部或车辆2500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中描述的实施例。每个实施例之中的特征或方面的描述通常应该被考虑为可用于其他实施例中的其他类似的特征或方面。尽管已参考附图描述了一个或多个实施例，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (30)

1.一种图像传感器，包括：
传感器基板，包括用于感测光的第一像素和第二像素；以及
分色透镜阵列，用于通过改变入射光中包括的第一波长的光的相位使所述第一波长的光会聚到第一像素上，
其中，所述传感器基板还包括：
有效像素区域，用于输出用于图像生成的像素信号；
第一虚设像素区域，设置在所述有效像素区域的外部，并且输出用于辅助所述图像生成的像素信号；以及
第二虚设像素区域，设置在所述第一虚设像素区域的外部并且不输出像素信号，
其中，所述分色透镜阵列包括多个区域，分别对应于所述有效像素区域、所述第一虚设像素区域和所述第二虚设像素区域的第一像素和第二像素，并且所述分色透镜阵列被配置为使入射在所述分色透镜阵列中的设置在所述第二虚设像素区域上方的区域上的所述第一波长的光的至少一部分会聚到在所述第一虚设像素区域中形成的第一像素上。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述第二虚设像素区域包括：在远离所述有效像素区域的方向上在两个或更多个列和/或行中布置的像素。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述分色透镜阵列中的所述多个区域包括在所述有效像素区域、所述第一虚设像素区域和所述第二虚设像素区域上方的纳米柱。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述分色透镜阵列将入射光中包括的第二波长的光的相位改变为与所述第一波长的光的相位不同，并且使所述第二波长的光会聚到第二像素上。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，从所述第一虚设像素区域输出的像素信号是用于校正从所述有效像素区域输出的像素信号的信号。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述第一虚设像素区域设置在所述有效像素区域的外侧以围绕所述有效像素区域。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述第二虚设像素区域设置在所述第一虚设像素区域的外侧以围绕所述第一虚设像素区域。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述传感器基板还包括：光学黑区，所述光学黑区设置在所述第二虚设像素区域的外侧并且包括遮光金属层，所述光学黑区被配置为输出暗电平信号。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，
其中，所述分色透镜阵列包括设置在所述光学黑区上方的纳米柱。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，
其中，所述光学黑区设置在所述第二虚设像素区域的外侧以围绕所述第二虚设像素区域。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，
其中，所述光学黑区中包括的像素基于光电二极管的噪声输出像素信号。
12.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区域形成用于使所述第一波长的光会聚在第一像素上的多个微透镜，并且所述微透镜的面积大于第一像素的面积。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，
其中，所述微透镜的面积是第一像素的面积的1.5倍至4倍大。
14.一种图像传感器，包括：
传感器基板，包括用于感测光的第一像素和第二像素；以及
分色透镜阵列，用于通过改变入射光中包括的第一波长的光的相位使所述第一波长的光会聚到第一像素上，
其中，所述传感器基板还包括：
有效像素区域，用于输出用于图像生成的像素信号；
虚设像素区域，设置在所述有效像素区域的外部，并且输出用于辅助所述图像生成的像素信号；以及
光学黑区，设置在所述虚设像素区域的外侧并且输出暗电平信号，并且
其中，所述分色透镜阵列包括多个区域，分别对应于所述有效像素区域、所述虚设像素区域和所述光学黑区中的第一像素和第二像素，并且所述分色透镜阵列被配置为使入射在所述分色透镜阵列中的设置在所述光学黑区上方的区域上的所述第一波长的光的至少一部分会聚到所述虚设像素区域中的第一像素上。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中，所述光学黑区包括：在远离所述有效像素区域的方向上在两个或更多个列和/或行中布置的像素。
16.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中，所述分色透镜阵列中的所述多个区域包括在所述有效像素区域、所述虚设像素区域和所述光学黑区上方的纳米柱。
17.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中，所述分色透镜阵列将入射光中包括的第二波长的光的相位改变为与所述第一波长的光的相位不同，并且使所述第二波长的光会聚到第二像素上。
18.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中，所述传感器基板包括：在所述光学黑区中包括的像素上形成的遮光金属层。
19.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中，从所述虚设像素区域输出的像素信号是用于校正从所述有效像素区域输出的像素信号的信号。
20.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中，所述虚设像素区域设置在所述有效像素区域的外侧以围绕所述有效像素区域。
21.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中，所述光学黑区设置在所述虚设像素区域的外侧以围绕所述虚设像素区域。
22.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中，所述光学黑区中包括的像素基于光电二极管的噪声输出像素信号。
23.根据权利要求14所述的图像传感器，
其中，所述分色透镜阵列的区域形成用于使所述第一波长的光会聚在第一像素上的多个微透镜，并且所述微透镜的面积大于第一像素的面积。
24.根据权利要求23所述的图像传感器，
其中，所述微透镜的面积是第一像素的面积的1.5倍至4倍大。
25.一种电子装置，包括：
图像传感器，用于将光学图像转换为电信号；以及
处理器，被配置为控制所述图像传感器的操作，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，包括用于感测光的第一像素和第二像素；以及
分色透镜阵列，用于通过改变入射光中包括的第一波长的光的相位使所述第一波长的光会聚到第一像素上，并且
所述传感器基板包括：
有效像素区域，用于输出用于图像生成的像素信号；
第一虚设像素区域，设置在所述有效像素区域的外部，并且输出用于辅助所述图像生成的像素信号；以及
第二虚设像素区域，设置在所述第一虚设像素区域的外部并且不输出像素信号，
其中，所述分色透镜阵列包括多个区域，分别对应于所述有效像素区域、所述第一虚设像素区域和所述第二虚设像素区域的第一像素和第二像素，并且所述分色透镜阵列使入射在所述分色透镜阵列中的设置在所述第二虚设像素区域上方的区域上的所述第一波长的光的至少一部分会聚到在所述第一虚设像素区域中形成的第一像素上。
26.根据权利要求25所述的电子装置，
其中，所述第二虚设像素区域包括：在远离所述有效像素区域的方向上在两个或更多个列和/或行中布置的像素。
27.根据权利要求26所述的电子装置，
其中，所述分色透镜阵列中的所述多个区域包括在所述有效像素区域、所述第一虚设像素区域和所述第二虚设像素区域上方的纳米柱。
28.一种电子装置，包括：
图像传感器，用于将光学图像转换为电信号；以及
处理器，被配置为控制所述图像传感器的操作，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，包括用于感测光的第一像素和第二像素；以及
分色透镜阵列，用于通过改变入射光中包括的第一波长的光的相位使所述第一波长的光会聚到第一像素上，
所述传感器基板包括：
有效像素区域，用于输出用于图像生成的像素信号；
虚设像素区域，设置在所述有效像素区域的外部，并且输出用于辅助所述图像生成的像素信号；以及
光学黑区，设置在所述虚设像素区域的外侧并且输出暗电平信号，并且
所述分色透镜阵列包括多个区域，分别对应于所述有效像素区域、所述虚设像素区域和所述光学黑区中的第一像素和第二像素，并且所述分色透镜阵列使入射在所述分色透镜阵列中的设置在所述光学黑区上方的区域上的所述第一波长的光的至少一部分会聚到所述虚设像素区域中的第一像素上。
29.根据权利要求28所述的电子装置，
其中，所述光学黑区包括：在远离所述有效像素区域的方向上在两个或更多个列和/或行中布置的像素。
30.根据权利要求29所述的图像传感器，
其中，所述分色透镜阵列中的所述多个区域包括在所述有效像素区域、所述虚设像素区域和所述光学黑区上方的纳米柱。
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