CN115483235A - 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

提供了图像传感器和包括图像传感器的电子设备。所述图像传感器包括：传感器基底，包括被构造为感测光的多个像素；分色透镜阵列，包括面对所述多个像素的多个像素对应区域，其中，所述多个像素对应区域中的每个像素对应区域包括一个或更多个纳米柱，并且所述一个或更多个纳米柱被构造为形成针对每个波长将入射光分离的相位分布，并将不同的波段中的光聚集在所述多个像素上；以及滤光器阵列，位于传感器基底与分色透镜阵列之间，并且包括与对应于单种颜色的多个滤光器交替地布置的多个透明区域。

Description

图像传感器和包括图像传感器的电子设备
本申请基于并要求在韩国知识产权局于2021年6月15日提交的第10-2021-0077420号韩国专利申请和于2021年10月29日提交的第10-2021-0147164号韩国专利申请的优先权，这些韩国专利申请的公开内容通过引用全部包含于此。
技术领域
本公开涉及包括能够针对每个波长将入射光分离并使入射光聚集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
图像传感器可以通过使用滤色器来感测入射光的颜色。然而，因为滤色器吸收除了对应颜色的光之外的颜色的光，所以会降低图像传感器的光利用效率。例如，当红-绿-蓝(RGB)滤色器被使用时，仅1/3的入射光被透射，而其余2/3的光被吸收，因此，图像传感器的光利用效率仅为约33％。因此，在彩色显示设备或彩色图像传感器的情况下，大部分的光损失发生在滤色器中。因此，正在不断寻找在图像传感器中在不使用滤色器的情况下高效地分离颜色的方法。
发明内容
提供了一种图像传感器和包括该图像传感器的电子设备，该图像传感器通过使用能够针对每个波长将入射光分离并使入射光聚集的分色透镜阵列而具有改善的光利用效率。
根据公开的一方面，一种图像传感器包括：传感器基底，包括被构造为感测光的多个像素；分色透镜阵列，包括面对所述多个像素的多个像素对应区域，其中，所述多个像素对应区域中的每个像素对应区域包括一个或更多个纳米柱，并且所述一个或更多个纳米柱被构造为形成针对每个波长将入射光分离的相位分布，并将不同的波段中的光聚集在所述多个像素上；以及滤光器阵列，位于传感器基底与分色透镜阵列之间，并且包括与对应于单种颜色的多个滤光器交替地布置的多个透明区域。
根据公开的一方面，一种电子设备包括：图像传感器，被构造为将光学图像转换为电信号，并包括传感器基底、分色透镜阵列和滤光器阵列，传感器基底包括被构造为感测光的多个像素，分色透镜阵列包括面对所述多个像素的多个像素对应区域，其中，所述多个像素对应区域中的每个像素对应区域包括一个或更多个纳米柱，所述一个或更多个纳米柱被构造为形成针对每个波长将入射光分离的相位分布并将不同的波段中的光聚集在所述多个像素上，滤光器阵列位于传感器基底与分色透镜阵列之间并包括与对应于单种颜色的多个滤光器交替地布置的多个透明区域；以及处理器，被构造为控制图像传感器的操作，并且存储和输出由图像传感器生成的信号。
根据公开的一方面，一种图像传感器包括：传感器基底，包括多个像素；透镜阵列，包括一个或更多个纳米柱，所述一个或更多个纳米柱被构造为修改入射在透镜阵列上的光的相位分布，以将具有特定波长的光聚集到所述多个像素中的像素上；以及滤光器阵列，位于传感器基底与透镜阵列之间，并且包括多个透明区域以及与单种颜色对应的多个滤光器。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，将更清楚地理解本公开的实施例，在附图中：
图1是根据实施例的图像传感器的框图；
图2A和图2B是根据实施例的设置在图像传感器中的分色透镜阵列的结构和操作的示意性概念图；
图3是根据实施例的由图像传感器的像素阵列表示的颜色布置的平面图；
图4A和图4B是示出根据实施例的图像传感器的像素阵列的不同剖面的剖视图；
图5A是根据实施例的设置在图像传感器中的分色透镜阵列的像素对应区域的布置的平面图；
图5B是根据实施例的布置在图5A的分色透镜阵列中的纳米柱的形状和布置的平面图；
图5C是根据实施例的设置在图像传感器中的滤光器阵列的滤光器布置的平面图；
图5D是根据实施例的设置在图像传感器中的传感器基底的像素布置的平面图；
图6A是根据实施例的沿着图5B的线I-I'截取的穿过分色透镜阵列的绿光和蓝光的相位分布的图；
图6B是根据实施例的在像素对应区域的中心处穿过分色透镜阵列的绿光的相位的图；
图6C是根据实施例的在像素对应区域的中心处穿过分色透镜阵列的蓝光的相位的图；
图6D是根据实施例的入射在第一绿光聚集区域上的绿光的行进方向的图；
图6E是根据实施例的第一绿光聚集区域的阵列的图；
图6F是根据实施例的入射在蓝光聚集区域上的蓝光的行进方向的图；
图6G是根据实施例的蓝光聚集区域的阵列的图；
图7A是根据实施例的沿着图5B的线II-II'截取的穿过分色透镜阵列的红光和绿光的相位分布的图；
图7B是根据实施例的在像素对应区域的中心处穿过分色透镜阵列的红光的相位的图；
图7C是根据实施例的在像素对应区域的中心处穿过分色透镜阵列的绿光的相位的图；
图7D是根据实施例的入射在红光聚集区域上的红光的行进方向的图；
图7E是根据实施例的红光聚集区域的阵列的图；
图7F是根据实施例的入射在第二绿光聚集区域上的绿光的行进方向的图；
图7G是根据实施例的第二绿光聚集区域的阵列的图；
图8A和图8B分别是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的平面图和剖视图；
图9是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的在像素布置与对应的滤光器阵列之间的关系上的概念图；
图10是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的在像素布置与对应的滤光器阵列之间的关系上的概念图；
图11是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的在像素布置与对应的滤光器阵列之间的关系上的概念图；
图12是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的在像素布置与对应的滤光器阵列之间的关系上的概念图；
图13A至图13C是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的像素布置、对应的分色透镜阵列和对应的滤光器阵列的平面图；
图14A和图14B是根据实施例的图13A至图13C的图像传感器的高合并驱动和低合并驱动的图；
图15是根据实施例的包括图像传感器的电子设备的示意性框图；以及
图16是根据实施例的设置在图15的电子设备中的相机模块的示意性框图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地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。将要描述的实施例仅出于说明性的目的，并且可以基于实施例做出各种修改。在所附附图中，相同的附图标记表示相同的组件，并且为了描述的清楚和方便，可以夸大每个组件的尺寸。
如在下面的描述中使用的，当组件被称为“在”另一组件“上方”或“上”时，不仅可以意味着该组件直接在所述另一组件上方/下方或直接在所述另一组件的左侧/右侧且与所述另一组件接触，而且可以意味着该组件在所述另一组件上方/下方或在所述另一组件的左侧/右侧但不与所述另一组件接触。
诸如“第一”、“第二”等的表述可以用于描述各种组件，但仅用于将一个组件与另一组件区分开。这些术语不限制组件的材料或结构的差异。
以单数使用的表述可以包含复数的表述，除非该表述在上下文中具有明确不同的意思。此外，除非另外说明，否则当某一部分(部件)“包括”特定组件时，该部分(部件)可以进一步包括另一组件而非排除所述另一组件。
此外，在此使用的术语“……器/件”、“模块”等表示处理一个或多个功能或操作的单元，其可以被实现为硬件或软件或者硬件和软件的组合。
术语“所述(该)”及类似的指称术语可以以单数形式和复数形式两者进行使用。
如本领域中传统的一样，实施例按照功能块、单元和/或模块被描述并示出在附图中。本领域技术人员将理解的是，这些块、单元和/或模块通过可以利用基于半导体的制造技术或其他制造技术形成的电子(或光学)电路(诸如，逻辑电路、分立组件、微处理器、硬接线电路、存储器元件、布线连接等)来实现。在通过微处理器或类似物来实现块、单元和/或模块的情况下，它们可以利用软件(例如，微代码)被编程以执行在此讨论的各种功能，并且可以可选地由固件和/或软件驱动。可选地，每个块、单元和/或模块可以通过专用硬件来实现，或者可以被实现为用于执行一些功能的专用硬件和用于执行其他功能的处理器(例如，一个或更多个编程的微处理器以及相关电路)的组合。此外，在不脱离本范围的情况下，实施例的每个块、单元和/或模块可以被物理地分离为两个或更多个交互且分立的块、单元和/或模块。此外，在不脱离本范围的情况下，实施例的块、单元和/或模块可以被物理地组合为更复杂的块、单元和/或模块。
图1是根据实施例的图像传感器的框图。
参照图1，图像传感器1000可以包括像素阵列1100、时序控制器(T/C)1010、行解码器1020和输出电路1030。图像传感器1000可以是电荷耦合器件(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包括沿着多个行和多个列二维地布置的像素。行解码器1020响应于从时序控制器1010输出的行地址信号而选择像素阵列1100的一个行。输出电路1030从沿着选择的行布置的多个像素以列为单位输出光感测信号。为此目的，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可以包括在列解码器与像素阵列1100之间分别针对每个列布置的多个ADC，或者布置在列解码器的输出端子处的一个ADC。时序控制器1010、行解码器1020和输出电路1030可以被实现为单个芯片，或者被实现为单独的(分离的)芯片。用于对通过输出电路1030输出的图像信号进行处理的处理器可以与时序控制器1010、行解码器1020和输出电路1030一起被实现为单个芯片。
像素阵列1100可以包括用于感测具有不同波长的光的多个像素。像素的布置可以以各种方式被实现。
图2A和图2B是根据实施例的设置在图像传感器中的分色透镜阵列的结构和操作的示意性概念图。
参照图2A，分色透镜阵列CSLA可以包括多个纳米柱NP，多个纳米柱NP使入射光Li的相位根据入射位置而不同地改变。分色透镜阵列CSLA可以以各种方式进行分区。例如，分色透镜阵列CSLA可以被分区为第一像素对应区域R1和第二像素对应区域R2，第一像素对应区域R1对应于包括在入射光Li中的第一波长光Lλ1可以聚集在其上的第一像素PX1，第二像素对应区域R2对应于包括在入射光Li中的第二波长光Lλ2可以聚集在其上的第二像素PX2。第一像素对应区域R1和第二像素对应区域R2可以均包括至少一个纳米柱NP，并且可以布置为分别面对第一像素PX1和第二像素PX2。作为另一示例，分色透镜阵列CSLA可以被分区为第一波长聚集区域L1和第二波长聚集区域L2，第一波长聚集区域L1用于将第一波长光Lλ1聚集在第一像素PX1上，第二波长聚集区域L2用于将第二波长光Lλ2聚集在第二像素PX2上。第一波长聚集区域L1可以与第二波长聚集区域L2部分地叠置。
分色透镜阵列CSLA可以通过在包括于入射光Li中的第一波长光Lλ1和第二波长光Lλ2中形成不同的相位分布(phase profile，或称为“相位轮廓”)，将第一波长光Lλ1聚集在第一像素PX1上，并将第二波长光Lλ2聚集在第二像素PX2上。
例如，参照图2B，分色透镜阵列CSLA可以通过以下方式将第一波长光Lλ1和第二波长光Lλ2聚集在与其对应的第一像素PX1和第二像素PX2上：使第一波长光Lλ1能够在刚穿过分色透镜阵列CSLA之后的位置处(例如，在分色透镜阵列CSLA的下表面位置处)具有第一相位分布PP1，并且使第二波长光Lλ2能够在刚穿过分色透镜阵列CSLA之后的位置处(例如，在分色透镜阵列CSLA的下表面位置处)具有第二相位分布PP2。例如，穿过分色透镜阵列CSLA的第一波长光Lλ1可以具有在第一像素对应区域R1的中心处最大且在远离第一像素对应区域R1的中心的方向上(例如，在第二像素对应区域R2的方向上)减小的第一相位分布PP1。这样的相位分布可以与通过凸透镜(例如，具有凸中心的微透镜，该微透镜布置在第一波长聚集区域L1中)而会聚到一点的光的相位分布相似。结果，第一波长光Lλ1可以聚集在第一像素PX1上。此外，穿过分色透镜阵列CSLA的第二波长光Lλ2可以具有在第二像素对应区域R2的中心处最大且在远离第二像素对应区域R2的中心的方向上(例如，在第一像素对应区域R1的方向上)减小的第二相位分布PP2。结果，第二波长光Lλ2可以聚集在第二像素PX2上。
因为材料的折射率根据材料对其作出反应的光的波长而表现得不同，所以如图2B中所示，分色透镜阵列CSLA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。换言之，同一材料可以根据与材料反应的光的波长而具有不同的折射率，并且当光穿过材料时光所经历的相位延迟也可以针对每个波长而不同，因此，可以针对每个波长形成不同的相位分布。例如，因为第一像素对应区域R1的第一波长光Lλ1的折射率可以与第一像素对应区域R1的第二波长光Lλ2的折射率不同，并且穿过第一像素对应区域R1的第一波长光Lλ1所经历的相位延迟可以与穿过第一像素对应区域R1的第二波长光Lλ2所经历的相位延迟不同，所以当考虑光的这样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可以包括根据特定规则而布置的纳米柱NP，使得第一波长光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。在这种情况下，该规则可以应用于诸如纳米柱NP的形状、尺寸(例如，宽度和高度)、距离(或称为“间距”)和布置形式的参数，并且该参数可以根据将要通过使用分色透镜阵列CSLA所实现的相位分布来确定。
用于将纳米柱NP布置在第一像素对应区域R1中的规则可以与用于将纳米柱NP布置在第二像素对应区域R2中的规则不同。换言之，设置在第一像素对应区域R1中的纳米柱NP的尺寸、形状、距离和/或布置可以与设置在第二像素对应区域R2中的纳米柱NP的尺寸、形状、距离和/或布置不同。
纳米柱NP可以具有亚波长的形状尺寸。在这种情况下，亚波长可以指比作为所发散的对象的光的波段中的波长小的波长。纳米柱NP可以具有例如比第一波长λ1和第二波长λ2之中的较短波长小的尺寸。纳米柱NP可以具有圆柱形形状，该圆柱形形状具有亚波长的剖面直径。然而，纳米柱NP的形状不限于此。当入射光Li为可见光时，纳米柱NP的剖面(例如，径向剖面)的直径可以具有例如小于400nm、300nm或200nm的尺寸。纳米柱NP的高度可以为约500nm至约1500nm，并且可以大于纳米柱NP的剖面的直径。在实施例中，可以通过将在高度方向上堆叠的至少两个柱组合来获得纳米柱NP，高度方向可以是例如Z方向。
纳米柱NP可以包括具有比环绕材料的折射率高的折射率的材料。例如，纳米柱NP可以包括晶体硅(c-Si)、多晶硅(p-Si)、非晶硅(a-Si)、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/或它们的任何组合。具有与环绕材料的折射率不同的折射率的纳米柱NP可以改变穿过纳米柱NP的光的相位。这是由于由纳米柱NP的亚波长的形状尺寸而引起的相位延迟，并且相位被延迟的程度根据纳米柱NP的详细形状尺寸和布置形式来确定。纳米柱NP的环绕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，环绕材料可以包括二氧化硅(SiO2)或空气。
可以设定分色透镜阵列CSLA的区域划分以及纳米柱NP的形状和布置，以形成根据波长将入射光分离并将分离的光聚集在多个像素(例如，第一像素PX1和第二像素PX2)上的相位分布。这样的波长分离可以包括但不限于可见光波段中的颜色分离(或称为“分色”)，并且波段可以被扩展至可见光至红外(IR)光的范围或者各种其他范围。第一波长λ1和第二波长λ2可以在IR波段至可见光波段中，但不限于此，并且可以根据多个纳米柱NP的阵列的布置规则而包括各种波段(例如，被包括在各种波段中)。此外，尽管以上讨论的实施例涉及发散和聚集的两个波长，但实施例不限于此，并且在实施例中，入射光可以根据波长在至少三个方向上发散，然后聚集。
此外，尽管以上讨论的实施例涉及具有其中纳米柱NP布置成单个层的结构的分色透镜阵列CSLA的示例，但实施例不限于此，并且分色透镜阵列CSLA也可以具有其中纳米柱NP布置成多个层的堆叠结构。
由分色透镜阵列CSLA引起的波长分离可能根据设计和工艺误差而包括串扰。例如，具有除了对应的波长之外的波长的光可能入射到目标像素。在实施例中，图像传感器将滤光器阵列与分色透镜阵列一起使用，该滤光器阵列具有将附加工艺最少化同时通过减少串扰将颜色分离效率最大化的结构。滤光器阵列可以不同地实现以适应分色透镜阵列CSLA的像素布置和对应的波长分离形式。
图3是根据实施例的由图像传感器的像素阵列表示的颜色布置的平面图。
示出的像素布置是可以在图像传感器1000中使用的拜耳图案(Bayer pattern)的布置。如图3中所示，一个单元图案包括四个象限区域，并且第一象限区域至第四象限区域可以分别是蓝色像素B、绿色像素G、红色像素R和绿色像素G。这样的单元图案在第一方向和第二方向上二维地且重复地布置，第一方向可以是例如X方向，第二方向可以是例如Y方向。换言之，在2×2阵列类型的单元图案中，两个绿色像素G布置在一个对角线方向上，并且一个蓝色像素B和一个红色像素R布置在另一对角线方向上。考虑整个像素布置，其中多个绿色像素G与多个蓝色像素B交替地布置在第一方向上的第一行和其中多个红色像素R与多个绿色像素G交替地布置在第一方向上的第二行在第二方向上重复地布置。
图像传感器1000的像素阵列1100可以包括分色透镜阵列，分色透镜阵列响应于颜色布置(例如，特定像素)而对一定颜色的光进行聚集。例如，区域划分以及纳米柱NP的形状和布置可以设定为使得由参照图2A和图2B描述的分色透镜阵列CSLA分离开的波长变为红色波长、绿色波长和蓝色波长。
图4A和图4B是示出图1的图像传感器1000的像素阵列1100的不同剖面的剖视图。图5A是设置在像素阵列1100中的分色透镜阵列130的像素对应区域的布置的平面图，并且图5B是布置在图5A的分色透镜阵列130中的纳米柱的形状和布置的平面图。图5C是设置在像素阵列1100中的滤光器阵列170的滤光器布置的平面图，并且图5D是设置在像素阵列1100中的传感器基底110的像素布置的平面图。
参照图4A和图4B，图像传感器1000的像素阵列1100包括传感器基底110、滤光器阵列170和分色透镜阵列130，传感器基底110包括多个像素，例如，第一绿色像素111、蓝色像素112、红色像素113和第二绿色像素114。滤光器阵列170可以布置在传感器基底110上，并且分色透镜阵列130可以布置在滤光器阵列170上。透明的间隔件层120可以位于滤光器阵列170与分色透镜阵列130之间。
传感器基底110可以包括将光转换成电信号的第一绿色像素111、蓝色像素112、红色像素113和第二绿色像素114。如图4A、图4B和图5D中所示，在一个剖面中，第一绿色像素111可以在第一方向(或X方向)上与蓝色像素112交替地布置，并且在沿第二方向(或Y方向)具有不同位置的不同剖面中，红色像素113可以(例如，在第一方向(或X方向)上)与第二绿色像素114交替地布置。
图5D中示出的传感器基底110的像素布置是与图3中示出的拜耳图案的颜色布置对应的像素的布置。在下文中，图像传感器的像素布置可以以与传感器基底的像素布置相同的含义可互换地使用。传感器基底110的像素布置可以用于通过将入射光划分为单元图案(诸如，拜耳图案)来感测入射光。例如，第一绿色像素111和第二绿色像素114可以感测绿光，蓝色像素112可以感测蓝光，并且红色像素113可以感测红光。在实施例中，可以在单元边界处进一步形成用于单元分离的分离件。
参照图4A、图4B、图5A和图5B，分色透镜阵列130可以被分区为四个像素对应区域，例如，分别与传感器基底110的第一绿色像素111、蓝色像素112、红色像素113和第二绿色像素114对应的第一绿色像素对应区域131、蓝色像素对应区域132、红色像素对应区域133和第二绿色像素对应区域134。第一绿色像素对应区域131可以对应于第一绿色像素111并可以布置在第一绿色像素111上方，蓝色像素对应区域132可以对应于蓝色像素112并可以布置在蓝色像素112上方，红色像素对应区域133可以对应于红色像素113并可以布置在红色像素113上方，并且第二绿色像素对应区域134可以对应于第二绿色像素114并布置在第二绿色像素114上方。例如，分色透镜阵列130的第一绿色像素对应区域131、蓝色像素对应区域132、红色像素对应区域133和第二绿色像素对应区域134可以分别布置为面对传感器基底110的第一绿色像素111、蓝色像素112、红色像素113和第二绿色像素114。像素对应区域131、132、133和134可以二维地布置在第一方向(或X方向)和第二方向(或Y方向)上，使得其中第一绿色像素对应区域131与蓝色像素对应区域132交替地布置的第一行同其中红色像素对应区域133与第二绿色像素对应区域134交替地布置的第二行交替地且重复地布置。分色透镜阵列130也包括如传感器基底110那样二维地布置的多个单元图案，并且每个单元图案包括以2×2阵列类型布置的像素对应区域131、132、133和134。
在与参照图2A描述的构思相似的构思中，在实施例中，分色透镜阵列130的区域可以包括聚集绿光的绿光聚集区域、聚集蓝光的蓝光聚集区域和聚集红光的红光聚集区域。
分色透镜阵列130可以包括具有预定的尺寸、形状、距离和/或布置的纳米柱NP，使得绿光发散并聚集在第一绿色像素111和第二绿色像素114上，蓝光发散并聚集在蓝色像素112上，并且红光发散并聚集在红色像素113上。分色透镜阵列130的厚度(例如，在Z方向上的厚度)可以与纳米柱NP的高度相似，并且可以为约500nm至约1500nm。
参照图5B，像素对应区域131、132、133和134可以包括均具有圆形剖面的圆柱形的纳米柱NP。在实施例中，具有彼此不同的剖面面积的纳米柱NP可以布置在区域的中心处，并且纳米柱NP也可以布置在像素边界线的中心和像素边界线的交叉点处。布置在像素边界处的纳米柱NP的剖面面积可以小于布置在像素的中心处的纳米柱NP的剖面面积。
具体地，考虑纳米柱NP之中的在包括于单元图案中的像素对应区域131、132、133和134中所包括的纳米柱NP的布置，布置在第一绿色像素对应区域131的中心处的纳米柱NP的剖面面积和布置在第二绿色像素对应区域134的中心处的纳米柱NP的剖面面积中的每者大于布置在蓝色像素对应区域132的中心处的纳米柱NP的剖面面积和/或布置在红色像素对应区域133的中心处的纳米柱NP的剖面面积，并且布置在蓝色像素对应区域132的中心处的纳米柱NP的剖面面积大于布置在红色像素对应区域133的中心处的纳米柱NP的剖面面积。然而，这仅是示例，并且可以按照需要而应用具有各种形状、尺寸和布置的纳米柱NP。
设置在第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134中的纳米柱NP可以在第一方向(或X方向)和第二方向(或Y方向)上具有不同的分布规则。例如，布置在第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134中的纳米柱NP可以在第一方向(或X方向)和第二方向(或Y方向)上具有不同的尺寸布置。
在实施例中，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(或X方向)和第二方向(或Y方向)上具有相同的分布规则。
布置在像素对应区域131、132、133和134中的每个的四个拐角处(例如，在四个区域交叉的位置处)的纳米柱NP可以具有相同的剖面面积。
这样的分布可以是由于拜耳图案的像素布置。在蓝色像素112和红色像素113两者中，在第一方向(或X方向)和第二方向(或Y方向)上相邻的像素与第一绿色像素111和第二绿色像素114相同。在实施例中，对于第一绿色像素111，在第一方向(或X方向)上相邻的像素和在第二方向(或Y方向)上相邻的像素分别是彼此不同的蓝色像素112和红色像素113。对于第二绿色像素114，在第一方向(或X方向)上相邻的像素和在第二方向(或Y方向)上相邻的像素分别是彼此不同的红色像素113和蓝色像素112。此外，对于第一绿色像素111和第二绿色像素114，在四个对角线方向上相邻的像素是绿色像素，对于蓝色像素112，在四个对角线方向上相邻的像素与红色像素113相同，并且对于红色像素113，在四个对角线方向上相邻的像素与蓝色像素112相同。因此，在分别与蓝色像素112和红色像素113对应的蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133中，纳米柱NP可以以4(四)重对称形式布置，并且在第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134中，纳米柱NP可以以二(2)重对称形式布置。具体地，第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134相对于彼此旋转90度。
尽管图5B中示出的纳米柱NP都被示出为具有对称的圆形剖面形状，但也可以包括具有不对称的剖面形状的一些纳米柱。例如，可以在第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134中使用具有在第一方向(或X方向)和第二方向(或Y方向)上呈不同宽度的不对称剖面形状的纳米柱，并且可以在蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133中使用具有在第一方向(或X方向)和第二方向(或Y方向)上呈相同宽度的对称剖面形状的纳米柱。
上述纳米柱NP的布置规则仅是针对与像素布置对应的波长分离的示例，并且不限于示出的图案。
参照图4A、图4B和图5C，滤光器阵列170包括多个透明区域BW和多个单种颜色的滤光器。多个滤光器GF可以是透射绿光并吸收不同颜色的光的绿色滤光器GF。绿色滤光器GF布置为面对第一绿色像素111和第二绿色像素114，并且也布置为面对分色透镜阵列130的第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134。透明区域BW布置为面对红色像素113和蓝色像素112，并且面对分色透镜阵列130的红色像素对应区域133和蓝色像素对应区域132。透明区域BW可以包括例如透明树脂材料。
滤光器阵列170可以用于减少在由分色透镜阵列130引起的颜色分离中可能发生的串扰。串扰可以意味着，在颜色分离操作中，除了对应颜色的光之外的颜色的光入射在目标像素上。具体地，因为在分色透镜阵列130对其执行颜色分离的波段之中的长波段中的光中可能频繁地发生串扰，所以可以设定在滤光器阵列170中使用的滤光器的单种颜色和布置位置，以防止长波段中的光入射在除了对应的像素之外的像素上。在拜耳图案的像素布置中，绿色像素占据总像素的50％，因此，通过使用绿色滤光器GF，可以有效地减少长波长光的串扰。
在实施例中，设置在图像传感器1000中的滤光器阵列170可以与当通过仅使用滤色器来表达颜色时发生的光损失无关。因为滤光器阵列170从由分色透镜阵列130分离开的颜色去除了一些串扰，所以可以增大总色纯度，且几乎没有光效率的减小。此外，考虑到工艺、成本和光效率，为此目的而使用包括红色滤光器区域、绿色滤光器区域和蓝色滤光器区域中的全部的滤色器可能是不经济的。因为红色滤光器区域、绿色滤光器区域和蓝色滤光器区域中的每个包括不同的材料，所以针对每种材料执行沉积工艺、光刻工艺和蚀刻工艺。这是因为在倾向于具有减小的像素尺寸和增加的像素数量的高像素化(high pixelation)的情况下，这些复杂(精密)的附加工艺会增加成本和降低产量。在实施例中，通过使用滤光器阵列170，可以将光效率减小最少化并使附加工艺最少化，可以减少串扰，并且可以增大色纯度。
间隔件层120位于传感器基底110与分色透镜阵列130之间，以保持传感器基底110与分色透镜阵列130之间的恒定距离。间隔件层120可以包括对可见光透明的材料，例如，具有比纳米柱NP的折射率低的折射率且在可见光波段中具有低吸收因子的介电材料(诸如，SiO2和基于硅氧烷的旋涂玻璃(SOG))。间隔件层120的厚度120h可以在ht-p≤h≤ht+p的范围内进行选择，其中，h是间隔件层120的厚度，ht是具有在由分色透镜阵列130发散的波段中的中心波长的光的由分色透镜阵列130生成的焦距，并且p是像素节距(pitch)。在实施例中，像素节距可以为数微米(μm)或更小，例如，2μm或更小、1.5μm或更小、1μm或更小或者0.7μm或更小。像素节距可以大致在约0.5μm至约1.5μm的范围内。间隔件层120的厚度120h可以基于例如作为绿光的中心波长的540nm来设计。
在实施例中，因为滤光器阵列170位于传感器基底110与分色透镜阵列130之间，所以考虑到滤光器阵列170的厚度，间隔件层120的厚度120h可以设定为比具有在由分色透镜阵列130分离的波段中的中心波长的光的由分色透镜阵列130生成的焦距小。例如，通过分色透镜阵列130，可以将间隔件层120的厚度120h设定为比绿光的焦距小。
间隔件层120也可以支撑包括在分色透镜阵列130中的纳米柱NP。间隔件层120可以包括具有比每个纳米柱NP的折射率低的折射率的介电材料。
纳米柱NP之间的区域可以包括具有比每个纳米柱NP的折射率低的折射率的电介质，例如，空气或SiO2。在实施例中，可以进一步设置呈覆盖纳米柱NP的侧表面和上部的形式的具有低折射率的保护层。
图6A是沿着图5B的线I-I'截取的穿过分色透镜阵列130的绿光和蓝光的相位分布的图，图6B是在像素对应区域131、132、133和134的中心处穿过分色透镜阵列130的绿光的相位的图，并且图6C是在像素对应区域131、132、133和134的中心处穿过分色透镜阵列130的蓝光的相位的图。图6A中的绿光和蓝光的相位分布与参照图2B描述的第一波长光和第二波长光的相位分布相似。
参照图6A和图6B，穿过分色透镜阵列130的绿光可以具有第一绿光相位分布PPG1，第一绿光相位分布PPG1在第一绿色像素对应区域131的中心处最大并且在远离第一绿色像素对应区域131的中心的方向上减小。例如，在刚穿过分色透镜阵列130之后的位置处(例如，在分色透镜阵列130的下表面或间隔件层120的上表面上)，绿光的相位在第一绿色像素对应区域131的中心处最大，并远离第一绿色像素对应区域131的中心地以同心圆的形式逐渐减小，并且在X方向和Y方向上在蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133的中心处最小化，并在对角线方向上在第一绿色像素对应区域131与第二绿色像素对应区域134之间的接触点处最小化。当基于从第一绿色像素对应区域131的中心发射的光的相位将绿光的相位设定为2π时，可以从蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133的中心发射具有约0.9π至约1.1π的相位的光，可以从第二绿色像素对应区域134的中心发射具有2π的相位的光，并且可以从第一绿色像素对应区域131与第二绿色像素对应区域134之间的接触点发射具有约1.1π至约1.5π的相位的光。因此，穿过第一绿色像素对应区域131的中心的绿光与穿过蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133的中心的绿光之间的相位差可以为约0.9π至约1.1π。
第一绿光相位分布PPG1并不意味着穿过第一绿色像素对应区域131的中心的光的相位延迟量最大，并且在穿过第一绿色像素对应区域131的中心的光的相位设定为2π的情况下，当穿过另一位置的光的相位延迟较大并具有大于2π的相位值时，所述另一位置的相位延迟是在从所述相位值去除了2n个π之后剩余的值，例如，包裹相位(wrapped phase)。例如，在穿过第一绿色像素对应区域131的中心的光的相位为2π的情况下，当穿过蓝色像素对应区域132的中心的光的相位为3π时，蓝色像素对应区域132的中心处的相位可以是在从3π去除了2π(其中，n＝1)之后剩余的π。
参照图6A和图6C，穿过分色透镜阵列130的蓝光可以具有蓝光相位分布PPB，蓝光相位分布PPB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之后的位置处，蓝光的相位在蓝色像素对应区域132的中心处最大并远离蓝色像素对应区域132的中心地以同心圆的形式逐渐减小，并且在X方向和Y方向上在第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134的中心处最小化并在对角线方向上在红色像素对应区域133的中心处最小化。当蓝色像素对应区域132的中心处的蓝光的相位为2π时，第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134的中心处的相位可以为例如约0.9π至约1.1π，并且红色像素对应区域133的中心处的相位可以具有比第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134的中心处的相位的值小的值，例如，约0.5π至约0.9π。
图6D是入射在第一绿光聚集区域上的绿光的行进方向的图，并且图6E是第一绿光聚集区域的阵列的图。
如图6D中所示，入射在第一绿色像素对应区域131周围的绿光通过分色透镜阵列130而聚集在第一绿色像素111上，并且除了第一绿色像素对应区域131之外，来自蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133的绿光入射在第一绿色像素111上。例如，在参照图6A和图6B描述的绿光的相位分布中，穿过第一绿光聚集区域GL1的绿光聚集在第一绿色像素111上，第一绿光聚集区域GL1将两个相邻的蓝色像素对应区域132和两个相邻的红色像素对应区域133的中心连接，所述两个相邻的蓝色像素对应区域132和所述两个相邻的红色像素对应区域133中的每个与第一绿色像素对应区域131的每一侧接触。因此，如图6E中所示，分色透镜阵列130可以作为将绿光聚集在第一绿色像素111上的第一绿光聚集区域GL1的阵列进行操作。第一绿光聚集区域GL1可以具有比对应的第一绿色像素111的面积大的面积，并且可以例如(例如，在面积上)比对应的第一绿色像素111大约1.2倍至约2倍。
图6F是入射在蓝光聚集区域上的蓝光的行进方向的图，并且图6G是蓝光聚集区域的阵列的图。
如图6F中所示，蓝光通过分色透镜阵列130而聚集在蓝色像素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。以上参照图6A和图6C描述的蓝光的相位分布使穿过蓝光聚集区域BL的蓝光聚集在蓝色像素112上，蓝光聚集区域BL通过将四个相邻的红色像素对应区域133的中心连接而生成，所述四个相邻的红色像素对应区域133中的每个与蓝色像素对应区域132的每个顶点接触。因此，如图6G中所示，分色透镜阵列130可以作为将蓝光聚集在蓝色像素112上的蓝光聚集区域BL的阵列进行操作。蓝光聚集区域BL可以具有比对应的蓝色像素112的面积大的面积，并且可以例如(例如，在面积上)比对应的蓝色像素112大约1.5倍至约4倍。蓝光聚集区域BL可以与前述第一绿光聚集区域GL1以及其示例将在下面描述的第二绿光聚集区域GL2和红光聚集区域RL部分地叠置。
图7A是沿着图5B的线II-II’截取的穿过分色透镜阵列130的红光和绿光的相位分布的图，图7B是在像素对应区域131、132、133和134的中心处穿过分色透镜阵列130的红光的相位的图，图7C是在像素对应区域131、132、133和134的中心处穿过分色透镜阵列130的绿光的相位的图。
参照图7A和图7B，穿过分色透镜阵列130的红光可以具有红光相位分布PPR，红光相位分布PPR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，在刚穿过分色透镜阵列130之后的位置处，红光的相位在红色像素对应区域133的中心处最大并远离红色像素对应区域133的中心地以同心圆的形式逐渐减小，并且在X方向和Y方向上在第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134的中心处最小化并在对角线方向上在蓝色像素对应区域132的中心处最小化。当红色像素对应区域133的中心处的红光的相位为2π时，第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134的中心处的相位可以为例如约0.9π至约1.1π，并且蓝色像素对应区域132的中心处的相位可以具有比第一绿色像素对应区域131和第二绿色像素对应区域134的中心处的相位的值小的值，例如，约0.6π至约0.9π。
参照图7A和图7C，穿过分色透镜阵列130的绿光可以具有第二绿光相位分布PPG2，第二绿光相位分布PPG2在第二绿色像素对应区域134的中心处最大并且在远离第二绿色像素对应区域134的中心的方向上减小。将图6A的第一绿光相位分布PPG1与图7A的第二绿光相位分布PPG2进行比较，第二绿光相位分布PPG2相当于第一绿光相位分布PPG1的在X方向和Y方向上以一个像素节距为距离的平移。例如，第一绿光相位分布PPG1在第一绿色像素对应区域131的中心处具有最大相位，而第二绿光相位分布PPG2在沿X方向和Y方向与第一绿色像素对应区域131的中心分离开一个像素节距的距离的第二绿色像素对应区域134的中心处具有最大相位。示出了像素对应区域131、132、133和134的中心处的相位的图6B和图7C中的相位分布可以是相同的。为了再次描述基于第二绿色像素对应区域134的绿光的相位分布，当基于从第二绿色像素对应区域134的中心发射的光的相位将绿光的相位设定为2π时，可以从蓝色像素对应区域132和红色像素对应区域133的中心发射具有约0.9π至约1.1π的相位的光，可以从第一绿色像素对应区域131的中心发射具有2π的相位的光，并且可以从第一绿色像素对应区域131与第二绿色像素对应区域134之间的接触点发射具有约1.1π至约1.5π的相位的光。
图7D是入射在红光聚集区域上的红光的行进方向的图，并且图7E是红光聚集区域的阵列的图。
如图7D中所示，红光通过分色透镜阵列130而聚集在红色像素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。以上参照图7A和图7B描述的红光的相位分布使穿过红光聚集区域RL的红光聚集在红色像素113上，红光聚集区域RL通过将四个相邻的蓝色像素对应区域132的中心连接而生成，所述四个相邻的蓝色像素对应区域132中的每个与红光聚集区域RL的每个顶点接触。因此，如图7E中所示，分色透镜阵列130可以作为将红光聚集在红色像素113上的红光聚集区域RL的阵列进行操作。红光聚集区域RL可以具有比对应的红色像素113的面积大的面积，并且可以例如(例如，在面积上)比对应的红色像素113大约1.5倍至约4倍。红光聚集区域RL可以与第一绿光聚集区域GL1、第二绿光聚集区域GL2和蓝光聚集区域BL部分地叠置。
参照图7F和图7G，入射在第二绿色像素对应区域134周围的绿光与前述入射在第一绿色像素对应区域131周围的绿光相似地行进，并且如图7F中示出地那样聚集在第二绿色像素114上。因此，如图7G中所示，分色透镜阵列130可以作为将绿光聚集在第二绿色像素114上的第二绿光聚集区域GL2的阵列进行操作。第二绿光聚集区域GL2可以具有比对应的第二绿色像素114的面积大的面积，并且可以例如(例如，在面积上)比对应的第二绿色像素114大约1.2倍至约2倍。
图8A是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的平面图，并且图8B是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的剖视图。
参照图8A，像素阵列1101的传感器基底115的像素111、112、113和114中的全部或一些可以包括两个或更多个光感测单元。包括在一个像素中的四个或更多个光感测单元可以共享分色透镜阵列的一个光聚集区域。当一个像素包括能够独立地感测信号的多个光感测单元时，可以改善图像传感器1000的分辨率，并且可以通过使用分别从光感测单元获得的信号之间的差异来实现图像传感器1000和/或包括图像传感器1000的相机设备的自动对焦功能。包括两个或更多个光感测单元的像素可以是自动对焦像素。图8A示出了像素111、像素112、像素113和像素114中的每个包括四个光感测单元。换言之，第一绿色像素111包括第一第一绿光感测单元111a、第一第二绿光感测单元111b、第一第三绿光感测单元111c和第一第四绿光感测单元111d，蓝色像素112包括第一蓝光感测单元112a、第二蓝光感测单元112b、第三蓝光感测单元112c和第四蓝光感测单元112d，红色像素113包括第一红光感测单元113a、第二红光感测单元113b、第三红光感测单元113c和第四红光感测单元113d，并且第二绿色像素114包括第二第一绿光感测单元114a、第二第二绿光感测单元114b、第二第三绿光感测单元114c和第二第四绿光感测单元114d。然而，这仅是示例，并且实施例不限于此。自动对焦像素可以包括例如2个至16个光感测单元。为了精确地计算包括在一个像素中的两个或更多个光感测单元的输出信号之间的差异，自动对焦像素可以包括用于将光感测单元分离的内部像素分离器。因为光感测单元被内部像素分离器分离，所以可以输出单独的信号。
图8B是通过使用包括对光聚集区域进行共享的多个光感测单元的像素来获得焦点调节所需要的信号的概念图。如图8B中所示，在朝向蓝光聚集区域BL入射的光之中，在方向A上入射的蓝光可以入射在蓝色像素112的第一蓝光感测单元112a上，并且在方向B上入射的蓝光可以入射在第二蓝光感测单元112b上。例如，由蓝色像素112的第一蓝光感测单元112a感测的信号可以指示在方向A上入射的光的量，并且由蓝色像素112的第二蓝光感测单元112b感测的信号可以指示在方向B上入射的光的量。在这种情况下，由第一蓝光感测单元112a和第二蓝光感测单元112b感测的信号之间的差异可以根据入射光的行进方向而被清楚地辨别，并且该差异可以用作自动对焦信号。如上所述，因为间隔件层120的厚度120h基于由分色透镜阵列130的光聚集区域生成的焦距而设定，所以可以清楚地辨别在不同的方向上入射的光的信号之间的差异，并且可以改善自动对焦功能。
尽管已经在前述两个实施例中示出了拜耳图案的像素布置，但各种其他类型的像素布置也是可行的。例如，其中红色像素R、绿色像素G和蓝色像素B可以被包括在一个单元图案中的RGB型布置、其中品红色像素、青色像素、黄色像素和绿色像素可以被包括在一个单元图案中的CYGM型布置以及其中绿色像素G、红色像素R、蓝色像素B和白色像素W可以被包括在一个单元图案中的RGBW型布置也是可行的。此外，单元图案可以具有3×2阵列类型。此外，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的像素。可以响应于各种像素布置而设置分色透镜阵列和滤光器阵列。
在下文中，将描述包括各种其他类型的像素布置以及对应的分色透镜阵列和滤光器阵列的图像传感器的实施例。
图9是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的在像素布置与对应的滤光器阵列之间的关系上的概念图。
图像传感器的像素阵列1102包括具有拜耳图案的像素布置的传感器基底110、基于拜耳图案的像素布置将入射光分离的分色透镜阵列130以及位于传感器基底110与分色透镜阵列130之间的滤光器阵列171。如图9中所示，像素阵列1102包括传感器基底110和分色透镜阵列130，传感器基底110可以与上述像素阵列1100的传感器基底110基本相同，分色透镜阵列130可以与上述像素阵列1100的分色透镜阵列130基本相同，并且滤光器阵列171可以具有与上述像素阵列1100的滤光器阵列170的滤光器布置不同的滤光器布置。
滤光器阵列171包括多个青色滤光器CF和多个透明区域BW。青色滤光器CF布置为面对绿色像素G和蓝色像素B，并且透明区域BW布置为面对红色像素R。
青色滤光器CF是透射绿光和蓝光并吸收红光的滤光器。如上所述，通常可能在长波段中发生由分色透镜阵列130引起的串扰，因而可以通过使用滤光器阵列171来防止红光入射在绿色像素G或蓝色像素B上。青色滤光器CF可以通过使用呈现青色的材料来制造，并且与制造包括红色滤光器区域、绿色滤光器区域和蓝色滤光器区域中的全部的滤色器的现有工艺相比，可以将工艺步骤减少至1/3，并且可以极大地改善颜色分离效率。
图10是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的在像素布置与对应的滤光器阵列之间的关系上的概念图。
在本实施例中，图像传感器的像素阵列1103包括具有RGB型像素布置的传感器基底116、包括像素对应区域141、142和143的分色透镜阵列140、以及位于传感器基底116与分色透镜阵列140之间的滤光器阵列172，分色透镜阵列140基于RGB型像素布置将入射光分离。滤光器阵列172包括多个蓝色滤光器BF和多个透明区域BW，并且蓝色滤光器BF布置为面对蓝色像素B，并且透明区域BW布置为面对红色像素R和绿色像素G。
图11是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的在像素布置与对应的滤光器阵列之间的关系上的概念图。
在本实施例中，图像传感器的像素阵列1104包括具有RGB型像素布置的传感器基底116、包括像素对应区域141、142和143的分色透镜阵列140以及位于传感器基底116与分色透镜阵列140之间的滤光器阵列173，分色透镜阵列140基于RGB型像素布置将入射光分离。滤光器阵列173包括多个青色滤光器CF和多个透明区域BW。青色滤光器CF布置为面对蓝色像素B和绿色像素G，并且透明区域BW布置为面对红色像素R。
图12是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的在像素布置与对应的滤光器阵列之间的关系上的概念图。
在本实施例中，图像传感器的像素阵列1105包括具有CMYG型像素布置的传感器基底118、包括像素对应区域151、152、153和154的分色透镜阵列150以及位于传感器基底118与分色透镜阵列150之间的滤光器阵列174，分色透镜阵列150基于CMYG型像素布置将入射光分离。传感器基底118包括青色像素C、品红色像素M、黄色像素Y和绿色像素G。滤光器阵列174包括青色滤光器CF和透明区域BW。青色滤光器CF布置为面对青色像素C和绿色像素G，并且透明区域BW布置为面对品红色像素M和黄色像素Y。
参照图8A和图8B描述的自动对焦像素可以应用于参照图9至图12描述的像素阵列。例如，像素中的一些或全部可以包括多个光感测单元，并且包括在同一像素中的多个光感测单元的信号差异可以用作自动对焦信号。
图13A至图13C是根据另一实施例的图像传感器的像素阵列的像素布置、对应的分色透镜阵列和对应的滤光器阵列的平面图。
在本实施例中，像素阵列1106具有能够经由通过使用单种颜色的滤光器阵列170进行像素合并来表示拜耳图案形式的像素布置。
在一些情况下，像素合并可以指这样的像素驱动方案，在该像素驱动方案中把从多个像素生成的信号求和成单个信号。例如，当使用图像传感器的相机的输出图像的分辨率低于图像传感器的分辨率时，或者为了在低照明水平下获得图像时提高灵敏度，可以使用该驱动方案。
如图13A中所示，设置在像素阵列1106中的多个像素包括其中红色像素R与绿色像素G交替地布置的第一像素组PXG1和第二像素组PXG2以及其中绿色像素G与蓝色像素B交替地布置的第三像素组PXG3和第四像素组PXG4。第一像素组PXG1与第二像素组PXG2在X方向上交替地且重复地布置，并且第一像素组PXG1和第二像素组PXG2中的红色像素R和绿色像素G的布置设定为使得在整个第一像素组PXG1和第二像素组PXG2中，红色像素R与绿色像素G在X方向和Y方向上交替。在下一行中，第三像素组PXG3与第四像素组PXG4在X方向上交替地且重复地布置。第三像素组PXG3和第四像素组PXG4中的绿色像素G和蓝色像素B的布置设定为使得在整个第三像素组PXG3和第四像素组PXG4中，绿色像素G与蓝色像素B在X方向和Y方向上交替。第一像素组PXG1、第二像素组PXG2、第三像素组PXG3和第四像素组PXG4可以被包括在单元组中，并且多个单元组二维地且重复地布置。
如图13B中所示，分色透镜阵列160也被分区为与像素布置对应的区域。例如，分色透镜阵列160包括第一像素对应组161和第二像素对应组162以及第三像素对应组163和第四像素对应组164，红色像素对应区域161a与绿色像素对应区域161b在第一像素对应组161和第二像素对应组162中交替，绿色像素对应区域163a与蓝色像素对应区域163b在第三像素对应组163和第四像素对应组164中交替。第一像素对应组161、第二像素对应组162、第三像素对应组163和第四像素对应组164形成单元组，并且多个单元组二维地且重复地布置。
如图13C中所示，滤光器阵列170可以呈其中面对绿色像素G的绿色滤光器GF与对应于红色像素R和蓝色像素B的透明区域BW交替地布置的形式，因此，滤光器阵列170可以与参照图4A、图4B和图5C描述的图像传感器的像素阵列1100的滤光器阵列170基本相同。
图14A和图14B是图13A至图13C的图像传感器的高合并驱动和低合并驱动的图。
参照图14A，第一像素组PXG1、第二像素组PXG2、第三像素组PXG3和第四像素组PXG4中的每个中的在两个对角线方向上彼此相邻的像素的信号被求和。在X方向上彼此相邻的像素被组合以总体上表示与拜耳图案相似的颜色布置。
图14B示出了第一像素组PXG1、第二像素组PXG2、第三像素组PXG3和第四像素组PXG4中的每个中的在菱形方向上彼此相邻的像素被组合的形式。在图14B中，与图14A相比，较少数量的像素被组合，并且以不同于图14A中示出的图案的形式与拜耳图案相似的颜色布置可以被表示。
在以上描述中，示出了具有3×3单元的合并组作为示例，但合并组可以以诸如4×4、5×5等的各种其他形式设定，并且各种形式的像素组合是可行的。
因为包括上述像素阵列1100、1101、1102、1103、1104、1105和1106的图像传感器1000通过使用分色透镜阵列将颜色分离，所以当通过使用现有的滤色器(例如，有机滤光器)来表达颜色时几乎不发生光损失，因此，即使像素的尺寸减小，也可以将足够量的光提供到像素。此外，提供了具有能够将长波段中的光的可能由分色透镜阵列引起的串扰减少的结构的单种颜色的滤光器阵列，因此，可以进一步改善颜色分离效率。因此，可以制造具有数亿个或更多个像素的超高分辨率、超小型和高灵敏度的图像传感器。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。
图15是示出包括图像传感器1000的电子设备ED01的示例的框图。参照图15，在网络环境ED00中，电子设备ED01可以通过第一网络ED98(例如，短程无线通信网络等)与另一电子设备ED02进行通信，或者通过第二网络ED99(例如，长距离无线通信网络等)与另一电子设备ED04和/或服务器ED08进行通信。电子设备ED01可以通过服务器ED08与电子设备ED04进行通信。电子设备ED01可以包括处理器ED20、存储器ED30、输入装置ED50、声音输出装置ED55、显示装置ED60、音频模块ED70、传感器模块ED76、接口ED77、触觉模块ED79、相机模块ED80、电源管理模块ED88、电池模块ED89、通信模块ED90、用户识别模块ED96和/或天线模块ED97。在电子设备ED01中，可以省略这些组件中的一些组件(例如，显示装置ED60等)，或者可以添加另一组件。这些组件中的一些组件可以被实现为一个集成电路。例如，传感器模块ED76(例如，指纹传感器、虹膜传感器、照度传感器等)可以被嵌入并实现在显示装置ED60(例如，显示器等)中。
处理器ED20可以执行软件(例如，程序ED40等)以控制电子设备ED01的连接到处理器ED20的一个或多个其他组件(例如，硬件组件和软件组件等)，或者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ED20可以将从另一组件(例如，传感器模块ED76、通信模块ED90等)接收的命令和/或数据加载到易失性存储器ED32中，处理存储在易失性存储器ED32中的命令和/或数据，并将结果数据存储在非易失性存储器ED34中。处理器ED20可以包括主处理器ED21(例如，中央处理器、应用处理器等)和协处理器ED23(例如，图形处理器、图像信号处理器、传感器集线器处理器(sensor hub processor)、通信处理器等)，协处理器ED23可以独立地操作或者与主处理器ED21一起操作。协处理器ED23可以与主处理器ED21相比使用较小的功率，并且可以执行专用功能。
协处理器ED23可以在主处理器ED21处于激活状态(睡眠状态)时代表主处理器ED21控制与电子设备ED01的一些组件(例如，显示装置ED60、传感器模块ED76、通信模块ED90等)相关的功能和/或状态，或者在主处理器ED21处于激活状态(应用执行状态)时与主处理器ED21一起控制与电子设备ED01的一些组件(例如，显示装置ED60、传感器模块ED76、通信模块ED90等)相关的功能和/或状态。协处理器ED23(例如，图像处理器、通信处理器等)可以被实现为另一功能相关组件(例如，相机模块ED80、通信模块ED90等)的一部分。
存储器ED30可以存储电子设备ED01的组件(例如，处理器ED20、传感器模块ED76等)所需要的各种数据。数据可以包括例如用于软件(例如，程序ED40等)的输入数据和/或输出数据以及与软件相关的命令。存储器ED30可以包括易失性存储器ED32和/或非易失性存储器ED34。例如，非易失性存储器ED34可以包括内部存储器ED36和/或外部存储器ED38，但实施例不限于此。
程序ED40可以作为软件被存储在存储器ED30中，并且可以包括操作系统ED42、中间件ED44和/或应用ED46。
输入装置ED50可以从电子设备ED01的外部源(例如，用户等)接收将要用于电子设备ED01的组件(例如，处理器ED20等)的命令和/或数据。输入装置ED50可以包括麦克风、鼠标、键盘和/或数字笔(手写笔等)。
声音输出装置ED55可以将声音信号输出到电子设备ED01的外部。声音输出装置ED55可以包括扬声器和/或接收器。扬声器可以用于诸如多媒体回放或记录回放的一般目的，并且接收器可以用于接收呼入(incoming call)。接收器可以被集成为扬声器的一部分，或者可以被实现为单独的独立装置。
显示装置ED60可以将信息视觉地提供到电子设备ED01的外部。显示装置ED60可以包括显示器、全息装置或投影仪以及用于控制对应装置的控制电路。显示装置ED60可以包括被构造为感测触摸的触摸电路和/或被构造为测量由触摸生成的力的强度的传感器电路(例如，压力传感器等)。
音频模块ED70可以将声音转换为电信号，或者相反地，将电信号转换为声音。音频模块ED70可以通过输入装置ED50获得声音，或者通过声音输出装置ED55的扬声器和/或耳机以及/或者直接连接到或无线连接到电子设备ED01的另一电子设备(例如，电子设备ED02等)来输出声音。
传感器模块ED76可以感测电子设备ED01的操作状态(例如，功率、温度等)或外部环境状态(例如，用户状态等)，并且生成与感测到的状态对应的电信号和/或数据值。传感器模块ED76可以包括手势传感器、陀螺仪传感器、气压传感器、磁传感器、加速度传感器、握持传感器、近距离传感器、颜色传感器、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ED77可以支持可用于将电子设备ED01与另一电子设备(例如，电子设备ED02等)直接连接或无线连接的一个或多个指定协议。接口ED77可以包括高清晰度多媒体接口(HDMI)、通用串行总线(USB)接口、安全数字(SD)卡接口和/或音频接口。
连接端子ED78可以包括连接器，电子设备ED01可以通过该连接器物理地连接到另一电子设备(例如，电子设备ED02)。连接端子ED78可以包括HDMI连接器、USB连接器、SD卡连接器和/或音频连接器(例如，耳机连接器等)。
触觉模块ED79可以将电信号转换为用户可通过触觉或动觉而感知的机械刺激(例如，振动、移动等)或电刺激。触觉模块ED79可以包括电机、压电元件和/或电刺激装置。
相机模块ED80可以捕获静止图像和拍摄视频。相机模块ED80可以包括包含一个或多个透镜的透镜组件、图1的图像传感器1000、图像信号处理器和/或闪光灯。包括在相机模块ED80中的透镜组件可以收集从其图像将要被捕获的对象发射的光。
电源管理模块ED88可以管理供应到电子设备ED01的电力。电源管理模块ED88可以被实现为电源管理集成电路(PMIC)的一部分。
电池模块ED89可以将电力供应到电子设备ED01的组件。电池模块ED89可以包括不可再充电的一次电池、可再充电的二次电池和/或燃料电池。
通信模块ED90可以支持在电子设备ED01与另一电子设备(例如，电子设备ED02、电子设备ED04、服务器ED08等)之间建立直接(有线)通信信道和/或无线通信信道，并且通过建立的通信信道执行通信。通信模块ED90可以包括独立于处理器ED20(例如，应用处理器等)操作且支持直接通信和/或无线通信的一个或多个通信处理器。通信模块ED90可以包括无线通信模块ED92(例如，蜂窝通信模块、短程无线通信模块、全球导航卫星系统(GNSS)等)和/或有线通信模块ED94(例如，局域网(LAN)通信模块、电力线通信模块等)。在这些通信模块之中，对应的通信模块可以通过第一网络ED98(例如，诸如蓝牙、Wi-Fi直连或红外数据协会(IrDA)的短程通信网络)或第二网络ED99(例如，诸如蜂窝网络、互联网或计算机网络(例如，LAN、广域网(WAN)等)的长距离通信网络)与另一电子设备进行通信。这些各种类型的通信模块可以被集成到一个组件(例如，单个芯片等)中，或者可以被实现为彼此分离的多个组件(例如，多个芯片等)。无线通信模块ED92可以通过使用存储在用户识别模块ED96中的用户信息(例如，国际移动用户标志(IMSI)等)来识别和认证通信网络(诸如，第一网络ED98和/或第二网络ED99)内的电子设备ED01。
天线模块ED97可以向电子设备ED01的外部(例如，另一电子设备等)发送信号和/或电力，或者从电子设备ED01的外部(例如，另一电子设备等)接收信号和/或电力。天线可以包括具有形成在基底(例如，印刷电路板(PCB)等)上的导电图案的辐射器(radiator)。天线模块ED97可以包括一根或多根天线。当包括多根天线时，可以通过通信模块ED90从多根天线之中选择适合于通信网络(诸如，第一网络ED98和/或第二网络ED99)中所使用的通信方法的天线。可以通过选择的天线在通信模块ED90与另一电子设备之间发送或接收信号和/或电力。除了天线之外，还可以包括其他组件(例如，射频集成电路(RFIC)等)作为天线模块ED97的一部分。
一些组件通过使用周边装置(surrounding device，或称为“外围装置”)之间的通信方法(例如，总线、通用输入和输出(GPIO)、串行外围接口(SPI)、移动行业处理器接口(MIPI)等)来彼此连接和交换信号(例如，命令、数据等)。
命令或数据可以通过连接到第二网络ED99的服务器ED08在电子设备ED01与外部的电子设备ED04之间被发送或接收。其他电子设备ED02和ED04可以与电子设备ED01是相同类型的设备或不同类型的设备。在电子设备ED01中执行的操作中的全部或一些可以在其他电子设备ED02、ED04和ED08之中的一个或多个设备中被执行。例如，当电子设备ED01需要执行功能或服务时，电子设备ED01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，以替代自己执行该功能或服务。已经被请求的一个或多个其他电子设备可以执行与请求相关的附加功能或服务，并将执行的结果发送到电子设备ED01。为此目的，可以使用云计算技术、分布式计算技术和/或客户端-服务器计算技术。
图16是设置在图15的电子设备中的相机模块ED80的框图。参照图16，相机模块ED80可以包括透镜组件1110、闪光灯1120、图像传感器1000(图1的图像传感器1000)、图像稳定器1140、存储器1150(例如，缓冲存储器等)和/或图像信号处理器1160。透镜组件1110可以收集从其图像将要被捕获的对象发射的光。相机模块ED80可以包括多个透镜组件1110。在这种情况下，相机模块ED80可以是双相机、360度相机或球面相机。多个透镜组件1110中的一些可以具有相同的透镜性质(例如，视角、焦距、自动对焦、F数(或称为“光圈数”)、光学变焦等)，或者可以具有不同的透镜性质。透镜组件1110可以包括广角透镜或远摄透镜。
闪光灯1120可以发射用于对从对象发射或反射的光进行增强的光。闪光灯1120可以包括一个或多个发光二极管(LED)(例如，RGB LED、白色LED、IR LED、紫外(UV)LED等)以及/或者氙灯。图像传感器1000可以是参照图1描述的图像传感器，并且可以包括以上讨论的像素阵列1100、1101、1102、1103、1104、1105和1106中的一个或更多个。通过将从对象发射或反射且透射穿过透镜组件1110的光转换为电信号，可以获得与对象对应的图像。图像传感器1000可以包括从具有不同性质的图像传感器(诸如，RGB传感器、黑白(BW)传感器、IR传感器或UV传感器)之中选择的一个或多个传感器。包括在图像传感器1000中的传感器中的每个可以被实现为CCD传感器和/或CMOS传感器。
图像稳定器1140可以对相机模块ED80或包括相机模块ED80的电子设备ED01的移动进行响应，并且使图像传感器1000或包括在透镜组件1110中的一个或多个透镜在特定方向上移动或者控制图像传感器1000的操作特性(例如，读出时序的调节等)，以对相机模块ED80或包括相机模块ED80的电子设备ED01的移动进行补偿。图像稳定器1140可以通过使用位于相机模块ED80内部或外部的陀螺仪传感器或加速度传感器来感测相机模块ED80或电子设备ED01的移动。图像稳定器1140可以被光学地实现。
存储器1150可以存储通过使用图像传感器1000所获得的图像数据中的一些或全部以用于下一图像处理操作。例如，存储器1150被使用而使得：当多个图像以高的速度被获得时，获得的原始数据(例如，拜耳图案化数据(Bayer-patterned data)、高分辨率数据等)被存储在存储器1150中，并且仅低分辨率图像被显示，然后，选择的图像(用户选择的图像等)的原始数据被发送到图像信号处理器1160。存储器1150可以被集成到电子设备ED01的存储器ED30中，或者可以被构造为独立地操作的单独的存储器。
图像信号处理器1160可以对通过使用图像传感器1000所获得的图像或存储在存储器1150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、特征点提取、图像合成和/或图像补偿(例如，降噪、分辨率调节、亮度调节、模糊、锐化、软化等)。图像信号处理器1160可以对包括在相机模块ED80中的组件(例如，图像传感器1000等)执行控制(例如，曝光时间控制、读出时序控制等)。经图像信号处理器1160处理的图像可以被存储回存储器1150中以用于进一步处理，或者可以被提供到相机模块ED80的外部组件(例如，存储器ED30、显示装置ED60、电子设备ED02、电子设备ED04、服务器ED08等)。图像信号处理器1160可以被集成到处理器ED20中，或者可以被构造为独立于处理器ED20操作的单独的处理器。在图像信号处理器1160被构造为与处理器ED20分离的处理器的情况下，经图像信号处理器1160处理的图像可以在已经被处理器ED20执行过附加图像处理之后被显示在显示装置ED60上。
电子设备ED01可以包括各自具有不同的性质或功能的多个相机模块ED80。在这种情况下，多个相机模块ED80中的一个可以是广角相机，并且多个相机模块ED80中的另一个可以是远摄相机。相似地，多个相机模块ED80中的一个可以是前置相机，并且多个相机模块ED80中的另一个可以是后置相机。
根据实施例，图像传感器1000可以应用于移动电话或智能电话、平板电脑或智能平板电脑、数码相机或摄录像机、膝上型计算机、电视机或智能电视机等。例如，智能电话或智能平板电脑可以包括多个高分辨率相机，每个高分辨率相机设置有高分辨率图像传感器。高分辨率相机可以用于提取图像中的关于对象的深度信息，调节图像的不聚焦(out-focusing)，或者自动识别图像中的对象。
此外，图像传感器1000可以应用于智能冰箱、安全相机、机器人、医学相机等。例如，智能冰箱可以使用图像传感器来自动识别智能冰箱中的食物，并且通过智能手机向用户通知特定食物的存在、存放或取出的食物的类型等。安全相机可以提供超高分辨率图像，并且即使在黑暗环境中也可以通过利用高灵敏度来识别图像中的物体或人。机器人可以被部署在人可能无法直接进入的灾害现场或工业现场，并且可以提供高分辨率图像。医学相机可以提供用于诊断或手术的高分辨率图像，并且可以动态地调节视场。
此外，图像传感器1000可以应用于车辆。车辆可以包括布置在各种位置处的多个车辆相机。根据实施例，车辆相机中的每个可以包括图像传感器。车辆可以通过使用多个车辆相机将关于车辆的内部或周边的各种信息提供给驾驶员，并且可以通过自动识别图像中的物体或人来提供自主驾驶所需要的信息。
尽管已经具体地示出和描述了实施例，但将理解的是，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种图像传感器，所述图像传感器包括：
传感器基底，包括被构造为感测光的多个像素；
分色透镜阵列，包括面对所述多个像素的多个像素对应区域，其中，所述多个像素对应区域中的每个像素对应区域包括一个或更多个纳米柱，并且所述一个或更多个纳米柱被构造为形成针对每个波长将入射光分离的相位分布，并将不同的波段中的光聚集在所述多个像素上；以及
滤光器阵列，位于传感器基底与分色透镜阵列之间，并且包括多个透明区域以及对应于单种颜色的多个滤光器，所述多个透明区域与所述多个滤光器交替地布置。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，基于所述多个滤光器的所述单种颜色和布置位置，滤光器阵列被构造为阻止在与所述不同的波段对应的波长之中具有最长波长的最长波段中的光的串扰。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个像素中的每个像素包括被构造为执行自动对焦功能的多个光感测单元。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个像素包括被构造为感测绿光的多个绿色像素、被构造为感测蓝光的多个蓝色像素以及被构造为感测红光的多个红色像素。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述多个滤光器包括被构造为阻挡红光入射在所述多个绿色像素和所述多个蓝色像素上的滤光器。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述多个绿色像素、所述多个蓝色像素和所述多个红色像素根据拜耳图案布置。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述多个滤光器包括布置为面对所述多个绿色像素的绿色滤光器。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述多个滤光器包括布置为面对所述多个绿色像素和所述多个蓝色像素的青色滤光器。
9.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述多个滤光器包括布置为面对所述多个蓝色像素的蓝色滤光器。
10.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述多个滤光器包括布置为面对所述多个绿色像素和所述多个蓝色像素的青色滤光器。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个像素包括青色像素、品红色像素、黄色像素和绿色像素。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述多个滤光器包括布置为面对青色像素和绿色像素的青色滤光器。
13.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述多个绿色像素、所述多个蓝色像素和所述多个红色像素利用像素合并来根据拜耳图案布置。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述多个像素包括：
第一像素组和第二像素组，布置在第一方向上；以及
第三像素组和第四像素组，布置在与第一方向平行的第二方向上，
其中，第一像素组和第二像素组中的每个包括至少一个第一绿色像素以及与所述至少一个第一绿色像素交替地布置的至少一个红色像素，
其中，第三像素组和第四像素组中的每个包括至少一个蓝色像素以及与所述至少一个蓝色像素交替地布置的至少一个第二绿色像素，并且
其中，包括在第一像素组、第二像素组、第三像素组和第四像素组中的被组合的像素组合为与拜耳图案对应的颜色布置。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，所述图像传感器被构造为在第一模式或第二模式下进行操作，被组合的像素在第一模式下以对角线布置，被组合的像素在第二模式下以菱形图案布置。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，与第一模式对应的被组合的像素的数量不同于与第二模式对应的被组合的像素的数量。
17.根据权利要求1所述的图像传感器，所述图像传感器还包括位于滤光器阵列与分色透镜阵列之间的间隔件层。
18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，间隔件层的厚度小于具有来自与所述不同的波段对应的波长之中的中心波长的光的焦距。
19.一种电子设备，所述电子设备包括：
图像传感器，被构造为将光学图像转换为电信号，图像传感器包括：传感器基底，包括被构造为感测光的多个像素；分色透镜阵列，包括面对所述多个像素的多个像素对应区域，其中，所述多个像素对应区域中的每个像素对应区域包括一个或更多个纳米柱，并且所述一个或更多个纳米柱被构造为形成针对每个波长将入射光分离的相位分布，并将不同的波段中的光聚集在所述多个像素上；以及滤光器阵列，位于传感器基底与分色透镜阵列之间，并且包括对应于单种颜色的多个滤光器以及与所述多个滤光器交替地布置的多个透明区域；以及
处理器，被构造为控制图像传感器的操作，并且存储和输出由图像传感器生成的信号。
20.一种图像传感器，所述图像传感器包括：
传感器基底，包括多个像素；
透镜阵列，包括一个或更多个纳米柱，所述一个或更多个纳米柱被构造为修改入射在透镜阵列上的光的相位分布，以将具有特定波长的光聚集到所述多个像素中的像素上；以及
滤光器阵列，位于传感器基底与透镜阵列之间，并且包括多个透明区域以及与单种颜色对应的多个滤光器。
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