JP2021067691A - 色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、撮像装置、及びそれを含む電子装置 - Google Patents

色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、撮像装置、及びそれを含む電子装置 Download PDF

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Abstract

【課題】色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、撮像装置、及びそれを含む電子装置を提供する。【解決手段】入射光を波長別に分離させて集光することができる色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、及びそれを含む電子装置に係り、該イメージセンサは、光を感知する第１光感知セルと第２光感知セルとを含むセンサ基板と、鉛直方向に沿い、複数の光感知セルにそれぞれ対向して配置される複数の領域を含む色分離レンズアレイと、を含み、色分離レンズアレイは、色分離レンズアレイに入射する入射光に対し、入射光に含まれた互いに異なる第１波長の光と、第２波長の光とを分離させ、第１光感知セルに第１波長の光を集光させ、第２光感知セルに第２波長の光を集光させる。【選択図】図３

Description

本発明は、色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、及び該イメージセンサを含む電子装置に係り、さらに詳細には、入射光を波長別に分離させて集光することができる色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、撮像装置、及び該イメージセンサを含む電子装置に関する。
イメージセンサは、一般的に、カラーフィルタを利用して入射光の色を感知する。ところで、該カラーフィルタは、当該色の光を除いた残りの色の光を吸収するために、光利用効率が低下してしまう。例えば、ＲＧＢカラーフィルタを使用する場合、入射光の１／３のみを透過させ、残り２／３は、吸収してしまうことになるので、光利用効率が約３３％ほどに過ぎない。従って、カラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサの場合、ほとんどの光損失がカラーフィルタで発生することになる。
本発明が解決しようとする課題は、入射光を波長別に分離させて集光することができる色分離レンズアレイを利用し、光利用効率が向上されたイメージセンサを提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、また、該イメージセンサを含む撮像装置および電子装置を提供することである。
一実施形態によるイメージセンサは、光を感知する第１光感知セルと第２光感知セルとを含むセンサ基板と、前記センサ基板上に配置された透明なスペーサ層と、前記スペーサ層上に配置された色分離レンズアレイと、を含み、前記色分離レンズアレイは、鉛直方向に沿い、前記第１光感知セルに対向して配置され、第１パターンを有する第１領域、及び鉛直方向に沿い、前記第２光感知セルに対向して配置され、前記第１パターンと異なる第２パターンを有する第２領域を含み、前記第１パターンと前記第２パターンは、前記色分離レンズアレイに入射する入射光に対し、前記入射光に含まれた互いに異なる第１波長の光と、第２波長の光とを分離させ、前記第１光感知セルに第１波長の光を集光させ、前記第２光感知セルに第２波長の光を集光させることができる。
前記スペーサ層は、前記色分離レンズアレイが色分離する入射光の波長帯域の中心波長において、前記色分離レンズアレイの焦点距離に該当する厚みを有することができる。
前記スペーサ層の理論厚をｈｔとし、隣り合う前記第１光感知セルと前記第２光感知セルとの間のピッチをｐとし、前記スペーサ層の屈折率をｎとし、前記色分離レンズアレイが色分離する入射光の波長帯域の中心波長をλ０とするとき、前記スペーサ層の理論厚は、
Figure 2021067691
であり、
前記スペーサ層の実際厚ｈは、ｈｔ−ｐ≦ｈ≦ｈｔ＋ｐでもある。
前記第１パターンと前記第２パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第１波長の光が前記第１光感知セルの中心部に対応する位置において、２Ｎπの位相分布を形成し、前記第２光感知セルの中心部に対応する位置においては、（２Ｎ−１）πの位相分布を形成するようにすることができる。ここで、Ｎは、０より大きい整数である。
前記第１パターンと前記第２パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第２波長の光が前記第１光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｍ−１）πの位相分布を形成し、前記第２光感知セルの中心部に対応する位置においては、２Ｍπの位相分布を形成するようにすることができる。ここで、Ｍは、０より大きい整数である。
前記第１領域は、第１屈折率を有し、第１パターンを形成する第１誘電体、及び第１屈折率より小さい第２屈折率を有し、前記第１誘電体間に充填された第２誘電体を含み、前記第１領域のいかなる垂直断面においても、前記第１誘電体が存在するようにも第１パターンが形成される。
前記第２領域は、第１屈折率を有し、第２パターンを形成する第１誘電体、及び第１屈折率より小さい第２屈折率を有し、前記第１誘電体間に充填された第２誘電体を含み、前記第２領域のいかなる垂直断面においても、前記第１誘電体が存在するようにも第２パターンが形成される。
前記センサ基板は、第３光感知セル及び第４光感知セルをさらに含み、前記色分離レンズアレイは、鉛直方向に沿い、前記第３光感知セルに対向して配置され、前記第１パターン及び第２パターンと異なる第３パターンを有する第３領域、及び鉛直方向に沿い、前記第４光感知セルに対向して配置され、前記第１パターンないし第３パターンと異なる第４パターンを有する第４領域をさらに含んでもよい。
前記第３領域は、前記第１領域と隣接して配置され、前記第２領域の対角線方向に配置され、前記第４領域は、前記第２領域と隣接して配置され、前記第１領域の対角線方向に配置され、前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイに入射する入射光に対し、前記入射光に含まれた互いに異なる第１波長の光、第２波長の光、及び第３波長の光を分離させ、第１光感知セル及び第４光感知セルに第１波長の光を集光させ、第２光感知セルに第２波長の光を集光させ、第３光感知セルに第３波長の光を集光させることができる。
前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第１波長の光が、前記第１光感知セル及び第４光感知セルの中心部に対応する位置において、２Ｎπの位相分布を形成し、前記第２光感知セル及び第３光感知セルの中心部に対応する位置においては、（２Ｎ−１）πの位相分布を形成するようにすることができる。
前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第２波長の光が、前記第１光感知セルの中心部、及び前記第４光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｍ−１）πの位相分布を形成し、前記第２光感知セルの中心部に対応する位置において、２Ｍπの位相分布を形成し、前記第３光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｍ−２）πより大きく、（２Ｍ−１）πより小さい位相分布を形成するようにすることができる。
前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第３波長の光が、前記第１光感知セルの中心部、及び前記第４光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｌ−１）πの位相分布を形成し、前記第２光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｌ−２）πより大きく、（２Ｌ−１）πより小さい位相分布を形成し、前記第３光感知セルの中心部に対応する位置において、２Ｌπの位相分布を形成するようにすることができる。ここで、Ｌは、０より大きい整数である。
前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイの第１領域に入射する入射光のうち、第１波長の光は、前記第１領域に対応する第１光感知セルの中心部に向けて進めさせ、第２波長の光は、前記第１領域に対応する第１光感知セル周辺の第２光感知セルの中心部に向けて進めさせ、第３波長の光は、前記第１領域に対応する第１光感知セル周辺の第３光感知セルの中心部に向けて進めさせることができる。
前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイの第２領域に入射する入射光のうち、第２波長の光は、前記第２領域に対応する第２光感知セルの中心部に向けて進めさせ、第１波長の光は、前記第２領域に対応する第２光感知セル周辺の第１光感知セル及び第４光感知セルの中心部に向けて進めさせ、第３波長の光は、前記第２領域に対応する第２光感知セル周辺の第３光感知セルの中心部に向けて進めさせることができる。
前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイの第３領域に入射する入射光のうち、第３波長の光は、前記第３領域に対応する第３光感知セルの中心部に向けて進めさせ、第１波長の光は、前記第３領域に対応する第３光感知セル周辺の第１光感知セル及び第４光感知セルの中心部に向けて進めさせ、第２波長の光は、前記第３領域に対応する第３光感知セル周辺の第２光感知セルの中心部に向けて進めさせることができる。
前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイの第４領域に入射する入射光のうち、第１波長の光は、前記第４領域に対応する第４光感知セルの中心部に向けて進めさせ、第２波長の光は、前記第４領域に対応する第４光感知セル周辺の第２光感知セルの中心部に向けて進めさせ、第３波長の光は、前記第４領域に対応する第４光感知セル周辺の第３光感知セルの中心部に向けて進めさせることができる。
例えば、前記第１波長の光は、緑色光であり、前記第２波長の光は、青色光であり、前記第３波長の光は、赤色光でもある。
前記第１パターン及び前記第４パターンは２回対称であり、前記第２パターン及び前記第３パターンは、４回対称であり、前記第４パターンは、前記第１パターンに対して９０°回転された形態を有することができる。
前記色分離レンズアレイは、互いに隣接する第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域を含む複数の単位パターンアレイを含み、前記複数の単位パターンアレイは、二次元的にも反復配列される。
前記色分離レンズアレイは、前記センサ基板エッジに対して突出配置され、鉛直方向に、前記センサ基板のいかなる光感知セルとも対向しない複数の第１領域、複数の第２領域、複数の第３領域、及び複数の第４領域をさらに含んでもよい。
前記イメージセンサは、前記センサ基板と前記スペーサ層との間に配置されたものとして、複数のカラーフィルタを含むカラーフィルタ層をさらに含んでもよい。
他の実施形態によるイメージセンサは、光を感知する第１光感知セルないし第４光感知セルを含むセンサ基板と、前記センサ基板上に配置された透明なスペーサ層と、前記スペーサ層上に配置された色分離レンズアレイと、を含み、前記色分離レンズアレイは、鉛直方向に沿い、前記第１光感知セルに対向して配置され、第１パターンを有する第１領域、鉛直方向に沿い、前記第２光感知セルに対向して配置され、前記第１パターンと異なる第２パターンを有する第２領域、鉛直方向に沿い、前記第３光感知セルに対向して配置され、前記第１パターン及び第２パターンと異なる第３パターンを有する第３領域、及び鉛直方向に沿い、前記第４光感知セルに対向して配置され、前記第１パターンないし第３パターンと異なる第４パターンを有する第４領域を含み、前記第３領域は、前記第１領域と隣接して配置され、前記第２領域の対角線方向に配置され、前記第４領域は、前記第２領域と隣接して配置され、前記第１領域の対角線方向に配置され、前記第１パターン及び前記第４パターンは、２回対称であり、前記第２パターン及び前記第３パターンは、４回対称であり、前記第４パターンは、前記第１パターンに対して９０°回転された形態を有することができる。
他の実施形態による撮像装置は、物体から反射された光を集束して光学像を形成する対物レンズと、前記対物レンズによって形成された光学像を電気的な映像信号に変換する前述のイメージセンサと、を含んでもよい。
また、さらに他の実施形態による電子装置は、前述の撮像装置を含んでもよい。
本発明の色分離レンズアレイは、入射光を吸収したり遮断したりせず、波長別に分離させて集光することができるために、イメージセンサの光利用効率を向上させることができる。また、開示された色分離レンズアレイを採用したイメージセンサは、イメージセンサにおいて一般的に採択されているベイヤーパターン（Ｂａｙｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）方式を維持することができ、既存のイメージセンサの画素構造と、イメージ処理アルゴリズムとを活用することができる。また、本発明の色分離レンズアレイを採用したイメージセンサは、光を画素に集光させるための別途のマイクロレンズを必要としない。
一実施形態によるイメージセンサのブロック図である。 イメージセンサの画素アレイの１画素配列を例示的に図示する図面である。 イメージセンサの画素アレイの他の画素配列を例示的に図示する図面である。 イメージセンサの画素アレイのさらに他の画素配列を例示的に図示する図面である。 一実施形態による色分離レンズアレイの概略的な構造と動作とを示す概念図である。 ベイヤーパターン方式のイメージセンサに適用されうる色分離レンズアレイの単位パターンアレイを例示的に示す平面図である。 図４に図示された単位パターンアレイを、Ａ−Ａ’ラインに沿って切開した垂直断面を例示的に示す断面図である。 図４に図示された単位パターンアレイを、Ｂ−Ｂ’ラインに沿って切開した垂直断面を例示的に示す断面図である。 図４に図示された単位パターンアレイを複数個含む色分離レンズアレイの配列を例示的に示す平面図である。 一実施形態によるイメージセンサの画素アレイを、１断面において示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサの画素アレイを、他の断面において示す図面である。 図４に図示された単位パターンアレイにおける第１領域を例示的に示す。 該第１領域に対応するイメージセンサの画素、及びその周辺画素を例示的に示す図面である。 図４に図示された単位パターンアレイにおける第２領域を例示的に示す図面である。 該第２領域に対応するイメージセンサの画素、及びその周辺画素を例示的に示す図面である。 図４に図示された単位パターンアレイにおける第３領域を例示的に示す図面である。 該第３領域に対応するイメージセンサの画素、及びその周辺画素を例示的に示す図面である。 図４に図示された単位パターンアレイにおける第４領域を例示的に示す図面である。 該第４領域に対応するイメージセンサの画素、及びその周辺画素を例示的に示す。 色分離レンズアレイを通過した青色光の位相分布を示す図面である。 対面する光感知セルにおける青色光フォーカシング分布を電算模写した図面である。 青色画素に対応する色分離レンズアレイの第２領域とその周辺とに入射した青色光の進行方向を例示的に示す図面である。 青色光に対し、色分離レンズアレイと等価的に作用するマイクロレンズアレイを例示的に示す図面である。 色分離レンズアレイを通過した緑色光の位相分布を示す図面である。 対面する光感知セルにおける緑色光フォーカシング分布を電算模写した図面である。 緑色画素に対応する色分離レンズアレイの第１領域とその周辺とに入射した緑色光の進行方向を例示的に示す図面である。 緑色光に対し、色分離レンズアレイと等価的に作用するマイクロレンズアレイを例示的に示す図面である。 色分離レンズアレイを通過した赤色光の位相分布を示す図面である。 対面する光感知セルにおける赤色光フォーカシング分布を電算模写した図面である。 赤色画素に対応する色分離レンズアレイの第３領域とその周辺とに入射した赤色光の進行方向を例示的に示す図面である。 赤色光に対し、色分離レンズアレイと等価的に作用するマイクロレンズアレイを例示的に示す図面である。 光感知セルのピッチが０．７μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが０．７μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが０．７μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが０．７μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが０．７μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが０．８μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが０．８μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが０．８μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが０．８μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが０．８μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが１．０μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが１．０μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが１．０μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが１．０μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 光感知セルのピッチが１．０μｍである場合、色分離レンズアレイとセンサ基板との距離による色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。 図８Ａ及び図８Ｂに図示されたイメージセンサの青色画素、緑色画素、赤色画素にそれぞれ入射する光のスペクトル分布を例示的に示すグラフである。 他の実施形態による色分離レンズアレイの単位パターンアレイの形態を例示的に示す平面図である。 他の実施形態による色分離レンズアレイの単位パターンアレイの形態を例示的に示す平面図である。 他の実施形態によるイメージセンサの画素アレイを、１断面において示す概略的な断面図である。 他の実施形態によるイメージセンサの画素アレイを、他の断面において示す概略的な断面図である。 他の実施形態による色分離レンズアレイを例示的に示す平面図である。 図２３に図示された色分離レンズアレイを含むイメージセンサの画素アレイの概略的な構造を示す断面図である。 一実施形態によるイメージセンサを含む電子装置を概略的に図示したブロック図である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置の１例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置の他の例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置のさらに他の例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置のさらに他の例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置のさらに他の例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置のさらに他の例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置のさらに他の例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置のさらに他の例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置のさらに他の例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置のさらに他の例を示す図面である。 一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置のさらに他の例を示す図面である。
以下、添付された図面を参照し、色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、及びそれを含む電子装置について詳細に説明する。説明される実施形態は、ただ例示的なものに過ぎず、そのような実施形態から、多様な変形が可能である。以下の図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭さと便宜さとから誇張されてもいる。
以下において、「上部」または「上」と記載された表現は、接触し、すぐ上下左右にあるものだけではなく、非接触でもって、上下左右にあるものを含んでもよい。
第１、第２のような用語は、多様な構成要素の説明に使用されうるが、１つの構成要素を、他の構成要素から区別する目的にだけ使用される。そのような用語は、構成要素の物質または構造が異なるということを限定するものではない。
単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、それは、特別に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいということを意味する。
また、明細書に記載された「…部」、「モジュール」というような用語は、機能や動作を処理する単位を意味し、それは、ハードウェアまたはソフトウェアによっても具現され、ハードウェアとソフトウェアとの結合によっても具現される。
「前記」の用語、及びそれと類似した指示用語の使用は、単数及び複数のいずれにも該当する。
方法を構成する段階は、説明された順に行わなければならないという明白な言及がなければ、適切な順序によっても遂行される。また、全ての例示的な用語（「例えば」など）の使用は、単に技術的思想について詳細に説明するためのものであり、特許請求の範囲によって限定されない以上、そのような用語により、権利範囲が限定されるものではない。
図１は、一実施形態によるイメージセンサの概略的なブロック図である。図１を参照すれば、イメージセンサ（１０００）は、画素アレイ１１００、タイミングコントローラ１０１０、ロウデコーダ１０２０及び出力回路１０３０を含んでもよい。イメージセンサは、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサでもある。
画素アレイ１１００は、複数のロウ（ｒｏｗ）及びカラム（ｃｏｌｕｍｎ）に沿い二次元配列された画素を含む。ロウデコーダ１０２０は、タイミングコントローラ１０１０から出力されたロウアドレス信号に応答し、画素アレイ１１００のロウのうち一つを選択する。出力回路１０３０は、選択されたロウに沿って配列された複数の画素から、カラム単位で光感知信号を出力する。そのために、出力回路１０３０は、カラムデコーダとアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ：ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を含んでもよい。例えば、出力回路１０３０は、カラムデコーダと画素アレイ１１００との間において、カラム別にそれぞれ配置された複数のアナログ・デジタル変換器、またはカラムデコーダの出力端に配置された１つのアナログ・デジタル変換器を含んでもよい。タイミングコントローラ１０１０、ロウデコーダ１０２０及び出力回路１０３０は、１つのチップ、またはそれぞれ別個のチップにも具現される。出力回路１０３０を介して出力された映像信号を処理するためのプロセッサが、タイミングコントローラ１０１０、ロウデコーダ１０２０及び出力回路１０３０と共に１つのチップにも具現される。
画素アレイ１１００は、互いに異なる波長の光を感知する複数の画素を含んでもよい。該画素は、図２Ａないし図２Ｃのように多様な方式によっても配列される。
まず、図２Ａは、イメージセンサ１０００において一般的に採択されているベイヤーパターン（Ｂａｙｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）を示す。図２Ａを参照すれば、１つの単位画素は、４つの四分領域（ｑｕａｄｒａｎｔ ｒｅｇｉｏｎ）を含み、第１四分面ないし第４四分面が、それぞれ青色画素Ｂ、緑色画素Ｇ、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇにもなる。そのような単位画素が、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って二次元的に反復配列される。言い換えれば、２×２アレイ形態の単位画素内において、一方対角線方向に、２個の緑色画素Ｇが配置され、他方対角線方向に、それぞれ１個の青色画素Ｂと、１個の赤色画素Ｒとが配置される。全体的な画素配列を見れば、複数の緑色画素Ｇと、複数の青色画素Ｂとが第１方向に沿って交互に配列される第１行と、複数の赤色画素Ｒと複数の緑色画素Ｇとが第１方向に沿って交互に配列される第２行とが反復して配列される。
しかし、画素アレイ１１００の配列方式は、ベイヤーパターンだけに限定されるものではなく、ベイヤーパターン以外にも、多様な配列方式が可能である。例えば、図２Ｂを参照すれば、マゼンタ（ｍａｇｅｎｔａ）画素Ｍ、シアン（ｃｙａｎ）画素Ｃ、イエロー（ｙｅｌｌｏｗ）画素Ｙ及び緑色画素Ｇが１つの単位画素を構成するＣＹＧＭ方式の配列も可能である。また、図２Ｃを参照すれば、緑色画素Ｇ、赤色画素Ｒ、青色画素Ｂ及び白色画素Ｗが１つの単位画素を構成するＲＧＢＷ方式の配列も可能である。また、図示されていないが、単位画素が３×２アレイ形態を有することもできる。それ以外にも、画素アレイ１１００の画素は、イメージセンサ１０００の色特性により、多様な方式によっても配列される。以下では、便宜上、イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００が、ベイヤーパターンを有するとして説明するが、以下において説明する実施形態の原理は、ベイヤーパターンではなく、他形態の画素配列にも適用されうる。
一実施形態によれば、イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００は、それぞれの画素に、それに該当する色の光を集光させるように構成された色分離レンズアレイを含んでもよい。図３は、一実施形態による色分離レンズアレイの概略的な構造と動作とを示す概念図である。図３を参照すれば、色分離レンズアレイ１３０の単位パターンアレイは、それぞれ互いに区分される第１パターンないし第４パターンを有する第１領域１３１ないし第４領域１３４を含んでもよい。例えば、第１領域１３１は、第１パターンを有し、第２領域１３２は、第１パターンと異なる形態にパターニングされた第２パターンを有し、第３領域１３３は、第１パターン及び第２パターンと異なる形態にパターニングされた第３パターンを有し、第４領域１３４は、第１パターンないし第３パターンと異なる形態にパターニングされた第４パターンを有することができる。
第１領域１３１ないし第４領域１３４は、例えば、２×２の形態で、同一平面にも配列される。従って、第１領域１３１と第２領域１３２は、第１方向に沿って互いに隣接して配置され、第３領域１３３及び第４領域１３４も、第１方向に沿って互いに隣接して配置される。そして、第１領域１３１と第３領域１３３は、第１方向に垂直の第２方向に沿って互いに隣接して配置され、第３領域１３３及び第４領域１３４も、第２方向に沿って互いに隣接して配置される。第１領域１３１と第４領域１３４は、対角線方向に沿って配列され、第２領域１３２と第３領域１３３は、他の対角線方向に沿って配列される。
一実施形態によれば、色分離レンズアレイ１３０に入射する入射光のうち、第１波長の光λ１は、第１領域１３１と鉛直方向に沿って対向する第１ターゲット領域Ｒ１に集光され、第２波長の光λ２は、第２領域１３２と鉛直方向に沿って対向する第２ターゲット領域Ｒ２に集光され、第３波長の光λ３は、第３領域１３３と鉛直方向に沿って対向する第３ターゲット領域Ｒ３に集光され、第４波長の光λ４は、第４領域１３４と鉛直方向に沿って対向する第４ターゲット領域Ｒ４に集光されるように、第１パターンないし第４パターンが決定されうる。そのような第１領域１３１ないし第４領域１３４の具体的なパターンは、色分離レンズアレイ１３０が適用されるイメージセンサの画素配列及び色特性により、多様にも設計される。
図３に図示された色分離レンズアレイ１３０を、図２Ａに図示されたベイヤーパターン方式のイメージセンサに適用する場合、第１領域１３１と第４領域１３４は、緑色画素Ｇに対向して配置され、第２領域１３２は、青色画素Ｂに対向して配置され、第３領域１３３は、赤色画素Ｒに対向して配置されうる。そして、第１波長の光λ１と第４波長の光λ４は、緑色光であり、第２波長の光λ２は、青色光であり、第３波長の光λ３は、赤色光でもある。
図４は、ベイヤーパターン方式のイメージセンサに適用されうる色分離レンズアレイの単位パターンアレイを例示的に示す平面図である。図４を参照すれば、緑色画素Ｇに対向する第１領域１３１は、第１パターンを形成する第１誘電体１３１ａ、及び第１誘電体１３１ａ間に充填された第２誘電体１３１ｂを含む。青色画素Ｂに対向する第２領域１３２は、第２パターンを形成する第１誘電体１３２ａ、及び第１誘電体１３２ａ間に充填された第２誘電体１３２ｂを含み、赤色画素Ｒに対向する第３領域１３３は、第３パターンを形成する第１誘電体１３３ａ、及び第１誘電体１３３ａ間に充填された第２誘電体１３３ｂを含み、緑色画素Ｇに対向する第４領域１３４は、第４パターンを形成する第１誘電体１３４ａ、及び第１誘電体１３４ａ間に充填された第２誘電体１３４ｂを含む。
第１領域１３１と第２領域１３２は、二つとも緑色画素に対向しており、同一形態を有するが、その回転方向は、異なりうる。例えば、図４のように、第４領域１３４のパターンは、第１領域１３１のパターンが９０°回転された形態を有することができる。そのような違いは、隣接した画素の配置によっても決定される。図４の場合、第１領域１３１に対向する緑色画素Ｇの左右には、青色画素Ｂが配置され、第４領域１３４に対向する緑色画素Ｇの左右には、赤色画素Ｒが配置される違いにおいて、そのように同一であるにしても、異なる回転方向に配置されたパターンが形成されうる。
第１誘電体１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ，１３４ａは、いずれも同一材料によってもなり、第２誘電体１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂも、いずれも同一材料によってもなる。例えば、第１誘電体１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ，１３４ａは、ＴｉＯ２、ＧａＮ、ＳｉＮ３、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｓｉ３Ｎ４のように、高屈折率を有しながら、可視光帯域において、吸収率が低い誘電体材料によってもなり、第２誘電体１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂは、空気、ＳｉＯ２、シラノール系ガラス（ＳＯＧ：ｓｉｌｏｘａｎｅ−ｂａｓｅｄ ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ）のように、低屈折率を有しながら、可視光帯域において、吸収率が低い誘電体材料によってもなる。第２誘電体１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂが空気によってなる場合、図４に図示された色分離レンズアレイ１３０は、第１誘電体１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ，１３４ａをエッチングし、簡単に形成されうる。
図５は、図４に図示された単位パターンアレイを、Ａ−Ａ’ライン（Ｘ方向）に沿って切開した垂直断面を例示的に示す断面図であり、図６は、図４に図示された単位パターンアレイを、Ｂ−Ｂ’ライン（Ｙ方向）に沿って切開した垂直断面を例示的に示す断面図である。図５及び図６を参照すれば、第１誘電体１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ，１３４ａと第２誘電体１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂは、鉛直方向において、互いに平行に延在しうる。図５及び図６に図示された垂直断面の形態は、例示的なものであり、Ａ−Ａ’ライン及びＢ−Ｂ’ラインの位置により、第１領域１３１ないし第４領域１３４の垂直断面の形態が異なりうる。例えば、Ａ−Ａ’ラインがＹ方向に沿って移動することにより、図５に図示された垂直断面の形態が変化することになり、Ｂ−Ｂ’ラインがＸ方向に沿って移動することにより、図６に図示された垂直断面の形態が変化することになる。そのような垂直断面形態の変化と関係なく、第１領域１３１ないし第４領域１３４の全ての垂直断面において、第１誘電体１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ，１３４ａと第２誘電体１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂとが共に存在しうる。
図７は、図４に図示された単位パターンアレイを複数個含む色分離レンズアレイの配列を例示的に示す平面図である。図７に図示されているように、色分離レンズアレイ１３０は、図４に図示された２×２の単位パターンアレイが反復して二次元配列された形態を有することができる
以下においては、前述の色分離レンズアレイ１３０が、イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００に適用された例についてさらに詳細に説明する。
図８Ａ及び図８Ｂは、一実施形態によるイメージセンサの画素アレイを、それぞれ異なる断面において示す図面である。図８Ａ及び図８Ｂを参照すれば、イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００は、光をセンシングする複数の光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４を含むセンサ基板１１０、センサ基板１１０上に配置された透明なスペーサ層１２０、及びスペーサ層１２０上に配置された色分離レンズアレイ１３０を含む。
センサ基板１１０は、光を電気的信号に変換する第１光感知セル１１１、第２光感知セル１１２、第３光感知セル１１３及び第４光感知セル１１４を含んでもよい。第１光感知セル１１１、第２光感知セル１１２、第３光感知セル１１３及び第４光感知セル１１４は、交互にも配列される。例えば、図８Ａに図示されているように、第１光感知セル１１１と第２光感知セル１１２とが、第１方向（Ｘ方向）に沿って交互に配列される。また、Ｙ方向の位置が異なる断面においては、図８Ｂに図示されているように、第３光感知セル１１３と第４光感知セル１１４とが交互に配列されうる。そのような領域区分は、入射光を画素単位に区分してセンシングするためのものであり、例えば、第１光感知セル１１１と第４光感知セル１１４は、第１画素に該当する第１波長の光をセンシングし、第２光感知セル１１２は、第２画素に該当する第２波長の光をセンシングし、第３光感知セル１１３は、第３画素に該当する第３波長の光をセンシングすることができる。以下において、第１波長の光は、緑色光、第２波長の光は、青色光、第３波長の光は、赤色光に例示し、第１画素、第２画素、第３画素は、それぞれ緑色画素Ｇ、青色画素Ｂ、赤色画素Ｒでもあるが、必ずしも、それに限定されるものではない。セル間境界には、図示されていないが、セル分離のための分離膜がさらに形成されうる。
スペーサ層１２０は、センサ基板１１０上に、色分離レンズアレイ１３０を支持しながら、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との間隔を一定に維持させる役割を行う。スペーサ層１２０は、可視光に対し、透明な材料、例えば、ＳｉＯ２、シラノール系ガラス（ＳＯＧ）のように、色分離レンズアレイ１３０の第１誘電体１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ，１３４ａの屈折率より低い屈折率を有しながら、可視光帯域において、吸収率が低い誘電体材料によってもなる。スペーサ層１２０は、第２誘電体１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂと同一材料によってもなる。
色分離レンズアレイ１３０は、図８Ａに図示されているように、第１方向（Ｘ方向）に沿って交互に配列された第１領域１３１及び第２領域１３２、及びＹ方向の位置が異なる断面において、図８Ｂに図示されているように、第１方向（Ｘ方向）に沿って交互に配列された第３領域１３３と第４領域１３４とを含んでもよい。第１領域１３１は、スペーサ層１２０を挟み、第１光感知セル１１１と対向して配置され、第２領域１３２は、スペーサ層１２０を挟み、第２光感知セル１１２と対向して配置され、第３領域１３３は、スペーサ層１２０を挟み、第３光感知セル１１３と対向して配置され、第４領域１３４は、スペーサ層１２０を挟み、第４光感知セル１１４と対向して配置されうる。それにより、例えば、色分離レンズアレイ１３０に入射する入射光のうち緑色光は、第１領域１３１と鉛直方向に沿って対向する第１光感知セル１１１、及び第４領域１３４と鉛直方向に沿って対向する第４光感知セル１１４に集光され、青色光は、第２領域１３２と鉛直方向に沿って対向する第２光感知セル１１２に集光され、赤色光は、第３領域１３３と鉛直方向に沿って対向する第３光感知セル１１３に集光されうる。
ベイヤーパターン方式のイメージセンサに適用される色分離レンズアレイ１３０において、第１領域１３１ないし第４領域１３４の第１パターンないし第４パターンは、所定規則を有することができる。例えば、図９Ａは、図４に図示された単位パターンアレイにおける第１領域１３１のパターンを例示的に示し、図９Ｂは、それに対応するイメージセンサの画素、及びその周辺画素を例示的に示す。図９Ｂを参照すれば、第１領域１３１に対応する緑色画素Ｇの左右方向に、青色画素Ｂが配置され、上下方向には、赤色画素Ｒが配置される。第１領域１３１に対応する緑色画素Ｇの対角線方向には、第４領域１３４に対応する緑色画素が配置されるが、図９Ｂには、表示されていない。従って、第１領域１３１を左右方向に進んで第１領域１３１を透過した透過光のうちの青色光と、第１領域１３１を上下方向に進んで第１領域１３１を透過した透過光のうちの赤色光と、同一な光学的な効果を得るために、第１領域１３１の第１パターンは、２回対称（２−ｆｏｌｄ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）でもある。例えば、図９Ａに図示されているように、第１領域１３１の第１パターンは、Ｙ方向に沿う第１軸Ｉに対称であると共に、Ｘ方向に沿う第２軸ＩＩにも対称である。
図１０Ａは、図４に図示された単位パターンアレイにおける第２領域１３２の形態を例示的に示し、図１０Ｂは、それに対応するイメージセンサの画素、及びその周辺画素を例示的に示す。図１０Ｂを参照すれば、第２領域１３２に対応する青色画素Ｂの左右方向及び上下方向に、緑色画素Ｇが配置される。そして、２個の交差する対角線方向に、赤色画素Ｒが配置される。従って、第２領域１３２を左右方向及び上下方向に進んで第２領域１３２を透過した透過光のうちの緑色光と、第２領域１３２を対角線方向に進んで第２領域１３２を透過した透過光のうちの赤色光と、同一な光学的な効果を得るために、第２領域１３２の第２パターンは、４回対称（４−ｆｏｌｄ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）でもある。例えば、図１０Ａに図示されているように、第２領域１３２の第２パターンは、Ｙ方向に沿う第１軸Ｉに対称であり、Ｘ方向に沿う第２軸ＩＩに対称であり、対角線方向に沿う第３軸ＩＩＩ及び第４軸ＩＶにも対称である。
図１１Ａは、図４に図示された単位パターンアレイにおける第３領域１３３の形態を例示的に示し、図１１Ｂは、それに対応するイメージセンサの画素、及びその周辺画素を例示的に示す。図１１Ｂを参照すれば、第３領域１３３に対応する赤色画素Ｒの左右方向及び上下方向に、緑色画素Ｇが配置される。そして、２個の交差する対角線方向に、青色画素Ｂが配置される。従って、第３領域１３３を左右方向及び上下方向に進んで第３領域１３３を透過した透過光のうちの緑色光と、第３領域１３３を対角線方向に進んで第３領域１３３を透過した透過光のうちの青色光と、同一な光学的な効果を得るために、第３領域１３３の第３パターンは、４回対称でもある。例えば、図１１Ａに図示されているように、第３領域１３３の第３パターンは、Ｙ方向に沿う第１軸Ｉに対称であり、Ｘ方向に沿う第２軸ＩＩに対称であり、対角線方向に沿う第３軸ＩＩＩ及び第４軸ＩＶにも対称である。
図１２Ａは、図４に図示された単位パターンアレイにおける第４領域１３４の形態を例示的に示し、図１２Ｂは、それに対応するイメージセンサの画素、及びその周辺画素を例示的に示す。図１２Ｂを参照すれば、第４領域１３４に対応する緑色画素Ｇの左右方向に、赤色画素Ｒが配置され、上下方向には、青色画素Ｂが配置される。対角線方向には、第１領域１３１に対応する緑色画素が配置され、図１２Ｂには、表示されていない。従って、第４領域１３４を左右方向に進んで第４領域１３４を透過した透過光のうちの赤色光と、第４領域１３４を上下方向に進んで第４領域１３４を透過した透過光のうちの青色光と、同一な光学的な効果を得るために、第４領域１３４の第４パターンは、２回対称でもある。例えば、図１２Ａに図示されているように、第４領域１３４の第４パターンは、Ｙ方向に沿う第１軸Ｉに対称であると共に、Ｘ方向に沿う第２軸ＩＩにも対称である。また、図１２Ｂに図示された画素配置は、図９Ｂに図示された画素配置に対して９０°回転された状態である。従って、第４領域１３４の第４パターンは、第１領域１３１の第１パターンに対して９０°回転されたところと同一形態を有することができる。
ベイヤーパターン方式のイメージセンサに適用される色分離レンズアレイ１３０において、第１領域１３１ないし第４領域１３４の第１パターンないし第４パターンの他の規則として、色分離レンズアレイ１３０を透過した青色光、緑色光及び赤色光が所定ターゲット位相分布を有するように、第１領域１３１ないし第４領域１３４の第１パターンないし第４パターンが設計されうる。例えば、色分離レンズアレイ１３０を透過した青色光が、第２領域１３２に対応する青色画素Ｂの位置に集光される位相を形成し、第２領域１３２に隣接した第１領域１３１及び第４領域１３４に対応する位置には進まない位相を形成するように、第１領域１３１ないし第４領域１３４の第１パターンないし第４パターンが定められうる。
また、色分離レンズアレイ１３０を透過した緑色光が、第１領域１３１と第４領域１３４とに対応する緑色画素Ｇの位置に集光される位相を形成し、第１領域１３１と第４領域１３４とに隣接した第２領域１３２と第３領域１３３とに対応する位置には進まない位相を形成するように、第１領域１３１ないし第４領域１３４の第１パターンないし第４パターンが定められうる。
また、色分離レンズアレイ１３０を透過した赤色光が、第３領域１３３に対応する赤色画素Ｒに集光される位相を形成し、第３領域１３３に隣接した第１領域１３１と第４領域１３４とに対応する位置には進まない位相を形成するように、第１領域１３１ないし第４領域１３４の第１パターンないし第４パターンが定められうる。
例えば、色分離レンズアレイ１３０が具現するターゲット位相分布は、色分離レンズアレイ１３０を透過した位置において、青色光の位相が、第２光感知セル１１２に対応する第２領域１３２の中心部において、２Ｍπであり、第１光感知セル１１１に対応する第１領域１３１の中心部、及び第４光感知セル１１４に対応する第４領域１３４の中心部においては、（２Ｍ−１）πであり、第３光感知セル１１３に対応する第３領域１３３の中心部においては、（２Ｍ−２）πより大きく、（２Ｍ−１）πより小さくなる分布でもある。ここで、Ｍは、０より大きい整数である。言い換えれば、色分離レンズアレイ１３０を透過した直後の位置において、青色光の位相は、第２領域１３２の中心部において最大になり、第２領域１３２の中心部から遠くなるほど、同心円状にだんだんと小さくなり、第３領域１３３の中心部において、局所的に最小になる。例えば、Ｍ＝１である場合、色分離レンズアレイ１３０を透過した位置において、青色光の位相は、第２領域１３２の中心部において、２πであり、第１領域１３１の中心部と、第４領域１３４の中心部とにおいて、πであり、第３領域１３３の中心部において、約０．２πないし０．７πにもなる。
また、色分離レンズアレイ１３０を透過した位置において、緑色光の位相は、第１光感知セル１１１に対応する第１領域１３１の中心部と、第４光感知セル１１４に対応する第４領域１３４の中心部とにおいて、２Ｎπであり、第２光感知セル１１２に対応する第２領域１３２の中心部と、第３光感知セル１１３に対応する第３領域１３３の中心部とにおいては、（２Ｎ−１）πでもある。ここで、Ｎは、０より大きい整数である。言い換えれば、色分離レンズアレイ１３０を透過した直後の位置において、緑色光の位相が、第１領域１３１の中心部と、第４領域１３４の中心部とにおいて最大になり、第１領域１３１の中心部と、第４領域１３４の中心部とから遠くなるほど、同心円状にだんだんと小さくなり、第２領域１３２の中心部と、第３領域１３３の中心部とにおいて、最小にもなる。例えば、Ｎ＝１である場合、色分離レンズアレイ１３０を透過した位置において、緑色光の位相は、第１領域１３１の中心部と、第４領域１３４の中心部とにおいて、２πであり、第２領域１３２の中心部と、第３領域１３３の中心部とにおいて、πにもなる。
また、色分離レンズアレイ１３０を透過した位置において、赤色光の位相は、第３光感知セル１１３に対応する第３領域１３３の中心部において、２Ｌπであり、第１光感知セル１１１に対応する第１領域１３１の中心部と、第４光感知セル１１４に対応する第４領域１３４の中心部とにおいては、（２Ｌ−１）πであり、第２光感知セル１１２に対応する第２領域１３２の中心部においては、（２Ｌ−２）πより大きく、（２Ｌ−１）πより小さくもなる。ここで、Ｌは、０より大きい整数である。言い換えれば、色分離レンズアレイ１３０を透過した直後の位置において、赤色光の位相は、第３領域１３３の中心部において最大になり、第３領域１３３の中心部から遠くなるほど、同心円状にだんだんと小さくなり、第２領域１３２の中心部において、局所的に最小になる。例えば、Ｌ＝１である場合、色分離レンズアレイ１３０を透過した位置において、赤色光の位相は、第３領域１３３の中心部において、２πであり、第１領域１３１の中心部と、第４領域１３４の中心部とにおいて、πであり、第２領域１３２の中心部において、約０．２πないし０．７πにもなる。
前述のように、ターゲット位相分布は、色分離レンズアレイ１３０を透過した直後の位置、言い換えれば、色分離レンズアレイ１３０の下部表面、またはスペーサ層１２０の上部表面における光の位相分布を意味する。色分離レンズアレイ１３０を通過した光がそのような位相分布を有せば、第１波長ないし第４波長の光がそれぞれに該当する第１光感知セル１１１ないし第４光感知セル１１４に集まることになる。言い換えれば、色分離レンズアレイ１３０を透過した光は、波長によって分岐され、それぞれ互いに異なる方向に進んで集光される光学的効果を得ることができる。
そのように、当該波長の光が当該光感知セルに集光されるために、所定伝播距離要件が定められ、それにより、スペーサ層１２０の厚みｈが定められうる。スペーサ層１２０の厚みｈは、分岐対象である波長λ、画素サイズ及び光感知セルの配置周期ｐによっても異なる。スペーサ層１２０の厚みｈは、分岐対象である可視光線波長帯域の中心波長λよりも大きくなり、隣接する光感知セル中心間の距離である光感知セル配置周期ｐと比較すれば、１ｐ〜３ｐの範囲でもある。具体的には、スペーサ層１２０の厚みｈは、５００ｎｍないし５μｍの範囲でもある。スペーサ層１２０の厚みｈを設定するさらに細部的な事項については、図１６Ａないし図１６Ｅ、図１７Ａないし図１７Ｅ、及び図１８Ａないし図１８Ｅを参照してさらに後述する。
図１３Ａ及び図１３Ｂは、色分離レンズアレイを通過した青色光の位相分布、及び対面する光感知セルにおける青色光フォーカシング分布を電算模写した図面であり、図１３Ｃは、青色画素Ｂに対応する色分離レンズアレイの第２領域とその周辺とに入射した青色光の進行方向を例示的に示し、図１３Ｄは、青色光に対し、色分離レンズアレイと等価的に作用するマイクロレンズアレイを例示的に示す。
図１３Ａに例示された位相分布について述べれば、青色画素Ｂに対応する領域の中心部における位相は、大体のところ２πであり、隣接した緑色画素Ｇに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπの値を示し、対角線方向の赤色画素Ｒに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπより小さい値（例えば、約０．２πないし０．７π）を示す。そのような位相分布は、図１３Ｂのような青色光のフォーカシング分布を示すことができる。該青色光は、青色画素Ｂに対応する領域にほとんど集光され、他の画素に対応する領域には、青色光がほとんど逹しない。
結果として、青色画素Ｂに対応する第２領域１３２とその周辺とに入射した青色光は、色分離レンズアレイ１３０を透過した後、図１３Ｃに図示されているように進むことになる。例えば、色分離レンズアレイ１３０の第２領域１３２と、第２領域１３２を取り囲む他の領域の一部とに入射する入射光のうち青色光は、第２領域１３２直下部の第２光感知セル１１２の中心部に集光される。言い換えれば、１つの青色画素Ｂには、その青色画素Ｂに対応する第２領域１３２から来る青色光、第２領域１３２と横方向に隣接する２個の第１領域１３１から来る青色光、第２領域１３２と縦方向に隣接する２個の第４領域１３４から来る青色光、及び第２領域１３２と対角方向に隣接する４個の第３領域１３３から来る青色光が入射する。
従って、図１３Ｄに図示されているように、色分離レンズアレイ１３０は、青色光については、第２光感知セル１１２を中心に配列された複数のマイクロレンズＭＬ１アレイと等価的な役割を行うことができる。それぞれの等価的なマイクロレンズＭＬ１は、それに対応する第２光感知セル１１２より大きいために、第２光感知セル１１２の領域に入射する青色光だけではなく、第２光感知セル１１２を取り囲む他の領域に入射する青色光も、第２光感知セル１１２に集光させることができる。例えば、それぞれのマイクロレンズＭＬ１は、それに対応する第２光感知セル１１２より４倍ほど大きく、それぞれのマイクロレンズＭＬ１の四辺は、第２光感知セル１１２の四辺と平行でもある。
図１４Ａ及び図１４Ｂは、色分離レンズアレイを通過した緑色光の位相分布、及び対面する光感知セルにおける緑色光フォーカシング分布を電算模写した図面であり、図１４Ｃは、緑色画素に対応する色分離レンズアレイの第１領域及び第４領域と、その周辺とに入射した緑色光の進行方向を例示的に示し、図１４Ｄは、緑色光に対し、色分離レンズアレイと等価的に作用するマイクロレンズアレイを例示的に示す。
図１４Ａに例示された位相分布について述べれば、緑色画素Ｇに対応する領域の中心部における位相は、大体のところ２πであり、隣接した青色画素Ｂと赤色画素Ｒとに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπの値を示す。そのような位相分布は、図１４Ｂのような緑色光のフォーカシング分布を示すことができる。該緑色光は、２つの緑色画素Ｇに対応する領域に分けられて集光されており、他の画素に対応する領域には、緑色光がほとんど逹しない。
結果として、緑色画素Ｇに対応する第１領域１３１及び第４領域１３４と、その周辺とに入射した緑色光は、色分離レンズアレイ１３０を透過した後、図１４Ｃに図示されているように進むことになる。例えば、色分離レンズアレイ１３０の第１領域１３１及び第１領域１３１を取り囲む他の領域の一部に入射する入射光のうち緑色光は、第１領域１３１直下部の第１光感知セル１１１の中心部に集光される。また、図示されていないが、色分離レンズアレイ１３０の第４領域１３４、及び第４領域１３４を取り囲む他の領域の一部に入射する入射光のうち緑色光は、第４領域１３４直下部の第４光感知セル１１４の中心部に集光される。言い換えれば、１つの緑色画素Ｇには、その緑色画素Ｇに対応する第１領域１３１または第４領域１３４から来る緑色光、第１領域１３１または第４領域１３４と縦横方向に隣接する２個の第２領域１３２と、２個の第３領域１３３とから来る緑色光が入射する。
従って、図１４Ｄに図示されているように、色分離レンズアレイ１３０は、緑色光については、第１光感知セル１１１と第４光感知セル１１４とを中心に配列された複数のマイクロレンズＭＬ２アレイと等価的な役割を行うことができる。それぞれの等価的なマイクロレンズＭＬ２は、それに対応する第１光感知セル１１１や第４光感知セル１１４より大きいために、第１光感知セル１１１と第４光感知セル１１４との領域に入射する緑色光だけではなく、第１光感知セル１１１と第４光感知セル１１４とを取り囲む他の領域に入射する緑色光も、第１光感知セル１１１と第４光感知セル１１４とに集光させることができる。例えば、それぞれのマイクロレンズＭＬ２は、それに対応する第１光感知セル１１１または第４光感知セル１１４より２倍ほど大きく、それに対応する第１光感知セル１１１と第４光感知セル１１４とに対し、対角線方向に隣接するように配置されうる。
図１５Ａ及び図１５Ｂは、色分離レンズアレイを通過した赤色光の位相分布、及び対面する光感知セルにおける赤色光のフォーカシング分布を電算模写した図面であり、図１５Ｃは、赤色画素に対応する色分離レンズアレイの第３領域とその周辺とに入射した赤色光の進行方向を例示的に示し、図１５Ｄは、赤色画素Ｒに対して色分離レンズアレイと等価的に作用するマイクロレンズアレイを例示的に示す。
図１５Ａに例示された位相分布について述べれば、赤色画素Ｒに対応する領域の中心部における位相は、大体のところ２πであり、隣接した緑色画素Ｇに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπの値を示し、対角線方向の青色画素Ｂに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπより小さい値（例えば、約０．２πないし０．７π）を示す。そのような位相分布は、図１５Ｂのような赤色光のフォーカシング分布を示すことができる。該赤色光は、赤色画素Ｒに対応する領域に集光されており、他の画素に対応する領域には、赤色光がほとんど逹しない。
結果として、赤色画素Ｒに対応する第３領域１３３とその周辺とに入射した光は、色分離レンズアレイ１３０を透過した後、図１５Ｃに図示されているように進むことになる。例えば、色分離レンズアレイ１３０の第３領域１３３と、第３領域１３３を取り囲む他の領域の一部とに入射する入射光のうち赤色光は、第３領域１３３直下部の第３光感知セル１１３の中心部に集光される。言い換えれば、１つの赤色画素Ｒには、その赤色画素Ｒに対応する第３領域１３３から来る赤色光、第３領域１３３と横方向に隣接する２個の第４領域１３４から来る赤色光、第３領域１３３と縦方向に隣接する２個の第１領域１３１から来る赤色光、及び第３領域１３３と対角線方向に隣接する４個の第２領域１３２から来る赤色光が入射する。
従って、図１５Ｄに図示されているように、色分離レンズアレイ１３０は、赤色光については、第３光感知セル１１３を中心に配列された複数のマイクロレンズＭＬ３アレイと等価的な役割を行うことができる。それぞれの等価的なマイクロレンズＭＬ３は、それに対応する第３光感知セル１１３より大きいために、第３光感知セル１１３の領域に入射する赤色光だけではなく、第３光感知セル１１３を取り囲む他の領域に入射する赤色光も、第３光感知セル１１３に集光させることができる。例えば、それぞれのマイクロレンズＭＬ３は、それに対応する第３光感知セル１１３より４倍ほど大きく、それぞれのマイクロレンズＭＬ３の四辺は、第３光感知セル１１３の四辺と平行でもある。
図１３Ｃ、図１３Ｄ、図１４Ｃ、図１４Ｄ、図１５Ｃ及び図１５Ｄに図示された結果を異なって表現すれば、色分離レンズアレイ１３０の第１領域１３１に入射する入射光のうち緑色光は、第１領域１３１に対応する第１光感知セル１１１の中心部に向けて進み、青色光は、第１領域１３１に対応する第１光感知セル１１１周辺の第２光感知セル１１２の中心部に向けて進み、赤色光は、第１領域１３１に対応する第１光感知セル１１１周辺の第３光感知セル１１３の中心部に向けて進む。また、色分離レンズアレイ１３０の第２領域１３２に入射する入射光のうち青色光は、第２領域１３２に対応する第２光感知セル１１２の中心部に向けて進み、緑色光は、第２領域１３２に対応する第２光感知セル１１２周辺の第１光感知セル１１１及び第４光感知セル１１４の中心部に向けて進み、赤色光は、第２領域１３２に対応する第２光感知セル１１２周辺の第３光感知セル１１３の中心部に向けて進む。同様に、色分離レンズアレイ１３０の第３領域１３３に入射する入射光のうち赤色光は、第３領域１３３に対応する第３光感知セル１１３の中心部に向けて進み、緑色光は、第３領域１３３に対応する第３光感知セル１１３周辺の第１光感知セル１１１及び第４光感知セル１１４の中心部に向けて進み、青色光は、第３領域１３３に対応する第３光感知セル１１３周辺の第２光感知セル１１２の中心部に向けて進むことになる。最後に、色分離レンズアレイ１３０の第４領域１３４に入射する入射光のうち緑色光は、第４領域１３４に対応する第４光感知セル１１４の中心部に向けて進み、青色光は、第４領域１３４に対応する第４光感知セル１１４周辺の第２光感知セル１１２の中心部に向けて進み、赤色光は、第４領域１３４に対応する第４光感知セル１１４周辺の第３光感知セル１１３の中心部に向けて進むことになる。
そのような色分離と集光は、スペーサ層１２０の厚みを適切に設定し、さらに効果的にもなされる。例えば、スペーサ層１２０の理論厚はｈｔ、λ０の波長に対するスペーサ層１２０の屈折率をｎとし、光感知セルのピッチをｐとするとき、次の数式１を満足することができる。
Figure 2021067691
ここで、スペーサ層１２０の理論厚ｈｔは、λ０の波長を有する光が、色分離レンズアレイ１３０により、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４の上部表面上に集光される焦点距離を意味する。言い換えれば、λ０の波長を有する光は、色分離レンズアレイ１３０を経ながら、色分離レンズアレイ１３０の下部表面から、ｈｔほど離れた距離にもフォーカシングされる。
数式１に記載されているように、スペーサ層１２０の理論厚ｈｔは、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４のピッチｐと、スペーサ層１２０の屈折率ｎによっても異なる。例えば、可視光線帯域の中心波長λ０を５４０ｎｍ、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４のピッチｐを０．８μｍ、５４０ｎｍの波長におけるスペーサ層１２０の屈折率ｎを１．４６と仮定すれば、スペーサ層１２０の理論厚ｈｔ、言い換えれば、色分離レンズアレイ１３０の下部表面と、センサ基板１１０の上部表面との距離は、約１．６４μｍでもある。しかし、スペーサ層１２０の実際厚は、数式１に記載された理論厚ｈｔだけに制限される必要はない。例えば、色分離レンズアレイ１３０の効率を考慮し、数式１の理論厚ｈｔを基準に、所定範囲内において、スペーサ層１２０の実際厚が選択されうる。
図１６Ａないし図１６Ｅは、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４のピッチが０．７μｍである場合、色分離レンズアレイ１３０とセンサ基板１１０との距離による色分離レンズアレイ１３０の効率変化を例示的に示すグラフである。図１６Ａは、色分離レンズアレイ１３０の単位パターンアレイを構成する第１領域１３１ないし第４領域１３４から第２光感知セル１１２に入射する青色光に係わる色分離レンズアレイ１３０の集光効率を示し、図１６Ｂは、単位パターンアレイを構成する第１領域１３１ないし第４領域１３４から第１光感知セル１１１と第４光感知セル１１４とに入射する緑色光に係わる色分離レンズアレイ１３０の集光効率を示し、図１６Ｃは、単位パターンアレイを構成する第１領域１３１ないし第４領域１３４から第３光感知セル１１３に入射する赤色光に係わる色分離レンズアレイ１３０の集光効率を示す。
図１６Ａ及び図１６Ｃの場合、１つの光感知セルに対し、４個の領域が配置されるので、理論上、最大値が４である。図１６Ｂの場合には、２個の光感知セルに対し、４個の領域が配置されるので、理論上、最大値が２である。図１６Ａないし図１６Ｃのグラフにおいて、色分離レンズアレイ１３０の集光効率が最も高い距離が、数式１を満足する理論厚ｈｔになる。図１６Ａないし図１６Ｃに図示されているように、理論厚ｈｔは、波長によって少しずつ異なる。
図１６Ｄは、可視光線に対する肉眼の敏感度特性を考慮した色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。例えば、肉眼は、一般的に、緑色光に対して敏感度が最も高く、青色光に対して敏感度が最も低い。従って、図１６Ａのグラフに、最も低い加重値を付与し、図１６Ｃのグラフに、青色光より高い加重値を付与し、図１６Ｂに最も高い加重値を付与した後で合算した値を平均することにより、図１６Ｄのグラフを得ることができる。図１６Ｅは、図１６Ｄのグラフを規準（正規）化した結果を示すグラフである。
図１６Ｄ及び図１６Ｅのグラフを参照すれば、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４のピッチが０．７μｍである場合、肉眼の敏感度特性を考慮した可視光線全体に対する色分離レンズアレイ１３０の効率は、約１．２μｍの距離で最も高い。また、色分離レンズアレイ１３０の効率は、約０．５μｍの距離において、最大効率の約８０％ほどになり、約１．９μｍの距離において、最大効率の約９５％ほどになる。
図１７Ａないし図１７Ｅは、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４のピッチが０．８μｍである場合、色分離レンズアレイ１３０とセンサ基板１１０との距離による色分離レンズアレイ１３０の効率変化を例示的に示すグラフである。図１７Ａないし図１７Ｅを参照すれば、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４のピッチが０．８μｍである場合、肉眼の敏感度特性を考慮した可視光線全体に対する色分離レンズアレイ１３０の効率は、約１．６４μｍの距離で最も高い。また、色分離レンズアレイ１３０の効率は、約０．８μｍの距離において、最大効率の約８５％ほどになり、約２．５μｍの距離において、最大効率の約９３％ほどになる。
図１８Ａないし図１８Ｅは、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４のピッチが１．０μｍである場合、色分離レンズアレイ１３０とセンサ基板１１０との距離による色分離レンズアレイ１３０の効率変化を例示的に示すグラフである。図１８Ａないし図１８Ｅを参照すれば、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４のピッチが１．０μｍである場合、肉眼の敏感度特性を考慮した可視光線全体に対する色分離レンズアレイ１３０の効率は、約２．６μｍの距離で最も高い。また、色分離レンズアレイ１３０の効率は、約１．６μｍの距離において、最大効率の約８７％ほどになり、約３．６μｍの距離において、最大効率の約９４％ほどになる。
結果として、スペーサ層１２０の実際厚ｈが、数式１の理論厚ｈｔに比べ、光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４のピッチｐほど、大きかったり小さかったりしても、色分離レンズアレイ１３０は、最大効率の８０％以上、９０％以上または９５％以上の高い効率を有するということが分かる。前述の結果を考慮するとき、スペーサ層１２０の実際厚ｈは、ｈｔ−ｐ≦ｈ≦ｈｔ＋ｐの範囲内からも選択される。
前述の色分離レンズアレイ１３０は、入射光を吸収したり遮断したりせずに波長別に分岐し、分岐された光を特定領域に集光させることができるために、イメージセンサの光利用効率を向上させることができる。また、色分離レンズアレイ１３０は、向上された色分離性能を有するために、色分離レンズアレイ１３０を採用したイメージセンサは、優秀な色純度を有することができる。また、色分離レンズアレイ１３０を採用したイメージセンサは、イメージセンサで一般的に採択されているベイヤーパターン方式を維持することができ、既存の画素構造と同一イメージ処理アルゴリズムを活用することができる。さらに、色分離レンズアレイ１３０は、入射光を集光するレンズの役割も行うことができるために、色分離レンズアレイ１３０を採用したイメージセンサは、光をそれぞれの画素に集光させるための別途のマイクロレンズを必要としない。
図１９は、図８Ａ及び図８Ｂに図示されたイメージセンサの青色画素、緑色画素、赤色画素にそれぞれ入射する光のスペクトル分布を例示的に示すグラフである。該青色画素は、第２光感知セル１１２に対応し、該緑色画素は、第１光感知セル１１１と第４光感知セル１１４とに対応し、該赤色画素は、第３光感知セル１１３に対応しうる。
図１９において、太線は、色分離レンズアレイ１３０を使用する場合、青色画素、緑色画素、赤色画素にそれぞれ入射する光のスペクトル分布を示す。太い実線は、青色画素に入射する光のスペクトル分布であり、太い点線は、緑色画素に入射する光のスペクトル分布であり、太い鎖線は、赤色画素に入射する光のスペクトル分布である。比較のために、色分離レンズアレイ１３０の代わりに、一般的なカラーフィルタを使用する場合、青色画素、緑色画素、赤色画素にそれぞれ入射する光のスペクトル分布が、図１９において、細線で表示されている。細い実線は、青色画素に入射する光のスペクトル分布であり、細い点線は、緑色画素に入射する光のスペクトル分布であり、細い鎖線は、赤色画素に入射する光のスペクトル分布である。図１９を参照すれば、太線で表示された光の強度が、細線で表示された光の強度よりもさらに大きいということが分かる。従って、色分離レンズアレイ１３０を使用することにより、イメージセンサ１０００の光利用効率が向上するのである。
前述の位相分布及び性能を満足する色分離レンズアレイ１３０のパターンは、多様な方式のコンピュータシミュレーションを介して自動化された設計が可能である。例えば、遺伝子アルゴリズム（ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）、粒子群集最適化（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）アルゴリズム、蟻集団最適化（ａｎｔ ｃｏｌｏｎｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）のような自然模写アルゴリズム（ｎａｔｕｒｅ−ｉｎｓｐｉｒｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を利用するか、あるいはアジョイント最適化（ａｄｊｏｉｎｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）アルゴリズムに基づいた逆説系方式を介し、第１領域１３１ないし第４領域１３４のパターンを最適化することができる。
色分離レンズアレイ１３０設計のために、色分離スペクトル、光効率、信号対ノイズ比のような評価要素で、複数の候補色分離レンズアレイの性能を評価しながら、第１領域１３１ないし第４領域１３４の第１パターンないし第４パターンを最適化することができる。例えば、それぞれの評価要素に係わる目標数値をあらかじめ決定した後、複数の評価要素に係わる目標数値との差の和を最小化させる方式で、第１領域１３１ないし第４領域１３４の第１パターンないし第４パターンを最適化することができる。または、それぞれの評価要素別に性能を指標化し、性能を示す値が最大になるように、第１領域１３１ないし第４領域１３４の第１パターンないし第４パターンを最適化することができる。
図４に図示された色分離レンズアレイ１３０は、ただ１つの例であり、色分離レンズアレイ１３０の第１領域１３１ないし第４領域１３４の大きさ・厚み、色分離レンズアレイ１３０が適用されるイメージセンサの色特性、画素ピッチ、色分離レンズアレイ１３０とイメージセンサとの距離、入射光の入射角などにより、前述の最適化設計を介し、多様な形態の色分離レンズアレイ１３０を得ることができる。例えば、図２０は、ベイヤーパターン方式のイメージセンサに適用されうる他の実施形態による色分離レンズアレイの単位パターンアレイの形態を例示的に示す平面図であり、図２１は、ベイヤーパターン方式のイメージセンサに適用されうるさらに他の実施形態による色分離レンズアレイの単位パターンアレイの形態を例示的に示す平面図である。
図４に図示された第１領域１３１ないし第４領域１３４それぞれは、１４×１４の長方形配列にデジタル化されたバイナリ形態に最適化され、図２０に図示された第１領域１３１ないし第４領域１３４のそれぞれは、１６×１６の長方形配列にデジタル化されたバイナリ形態に最適化された。従って、図４に図示された色分離レンズアレイ１３０の単位パターンアレイは、２８×２８の長方形配列によってなる形態を有し、図２０に図示された色分離レンズの単位パターンアレイは、３２×３２の長方形配列によってなる形態を有する。その場合、図５及び図６に図示された第１領域１３１ないし第４領域１３４の垂直断面の形態は、Ａ−Ａ’ラインがＹ方向に沿って移動することにより、またはＢ−Ｂ’ラインがＸ方向に沿って移動することにより、不連続的に変化することになる。
それと異なり、図２１に図示された第１領域１３１ないし第４領域１３４それぞれは、デジタル化されていない連続的な曲線形態にも最適化される。その場合、図５及び図６に図示された第１領域１３１ないし第４領域１３４の垂直断面の形態は、Ａ−Ａ’ラインがＹ方向に沿って移動することにより、またはＢ−Ｂ’ラインがＸ方向に沿って移動することにより、連続して変化することになる。
図２２Ａ及び図２２Ｂは、他の実施形態によるイメージセンサの画素アレイを、それぞれ異なる断面において示す概略的な断面図である。図２２Ａ及び図２２Ｂを参照すれば、画素アレイ１１００ａは、入射光の強度を電気的な信号に変換する複数の光感知セル１１１，１１２，１１３，１１４を含むセンサ基板１１０、センサ基板１１０上に配置されたカラーフィルタ層１０５、カラーフィルタ層１０５上に配置されたスペーサ層１２０、及びスペーサ層１２０上に配置された色分離レンズアレイ１３０を含む。
カラーフィルタ層１０５は、第１光感知セル１１１上と第４光感知セル１１４上とに配置された第１カラーフィルタＣＦ１、第２光感知セル１１２上に配置された第２カラーフィルタＣＦ２、及び第３光感知セル１１３上に配置された第３カラーフィルタＣＦ３を含んでもよい。例えば、第１カラーフィルタＣＦ１は、入射光のうち緑色光のみを透過させ、残りを吸収する緑色カラーフィルタであり、第２カラーフィルタＣＦ２は、入射光のうち青色光のみを透過させ、残りを吸収する青色カラーフィルタであり、第３カラーフィルタＣＦ３は、入射光のうち赤色光のみを透過させ、残りを吸収する赤色カラーフィルタでもある。そのようなカラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２，ＣＦ３を使用することにより、イメージセンサ１０００は、さらに高い色純度を達成することができる。色分離レンズアレイ１３０により、すでに相当程度に色分離された光が、それぞれカラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２，ＣＦ３に入射するので、カラーフィルタ層１０５による光損失は、大きくない。色分離レンズアレイ１３０による色分離が十分であるならば、カラーフィルタ層１０５は、省略されてもよく、第１カラーフィルタＣＦ１ないし第３カラーフィルタＣＦ３のうち一部だけが省略されてもよい。
以上で説明した色分離レンズアレイ１３０の具体的なパターンは、ただ例示的なものであり、それらの多様な変形が可能である。例えば、色分離レンズアレイ１３０の第１領域１３１ないし第４領域１３４の異なるパターン形態により、可視光線以外の波長帯域の分離も可能である。また、色分離レンズアレイ１３０の単位パターンアレイを構成する色分離パターンの個数も、色分離レンズアレイ１３０の適用例により、多様にも変更される。イメージセンサの画素配列は、ベイヤーパターンを例示して説明したが、それに限定されるものではなく、図２Ｂ及び図２Ｃに図示された画素配列にも、適用されうる。そのような画素配列に適切なパターンは、色分離レンズアレイ１３０の領域を採択し、各領域別に、前述の最適化方式を介しても決定される。
図２３は、他の実施形態による色分離レンズアレイを例示的に示す平面図である。図２３を参照すれば、色分離レンズアレイ１４０は、太線で表示された複数の二次元配列された単位パターンアレイを含んでもよい。それぞれの単位パターンアレイは、第１領域１４１、第２領域１４２、第３領域１４３及び第４領域１４４を含む２×２の形態にも配列される。色分離レンズアレイ１４０の全体構成を見るとき、１行内において、第１領域１４１と第２領域１４２とが横方向に沿って交互に配列され、他行内において、第３領域１４３と第４領域１４４とが横方向に沿って交互に配列される。また、１列内において、第１領域１４１と第３領域１４３とが縦方向に沿って交互に配列され、他列内において、第２領域１４２と第４領域１４４とが縦方向に沿って交互に配列される。
また、色分離レンズアレイ１４０は、いかなる単位パターンアレイにも属さない複数の第１領域１４１ないし第４領域１４４をさらに含んでもよい。いかなる単位パターンアレイにも属さない第１領域１４１ないし第４領域１４４は、色分離レンズアレイ１４０のエッジに沿っても配列される。言い換えれば、色分離レンズアレイ１４０の左側エッジに１列を構成する複数の第２領域１４２と複数の第４領域１４４とが追加して配列され、右側エッジに１列を構成する複数の第１領域１４１と複数の第３領域１４３とが追加して配列され、上部側エッジに１行を構成する複数の第３領域１４３と複数の第４領域１４４とが追加して配列され、下部側エッジに１行を構成する複数の第１領域１４１と複数の第２領域１４２とが追加して配列されうる。
図２４は、図２３に図示された色分離レンズアレイ１４０を、Ｃ−Ｃ’ラインに沿って切開した垂直断面である。図２４を参照すれば、色分離レンズアレイ１４０は、センサ基板１１０のエッジに対して水平方向に突出配置され、鉛直方向に、センサ基板１１０のいかなる光感知セルとも対向しない複数の第１領域１４１と複数の第２領域１４２とを含んでもよい。たとえ図２４に、いずれも図示されていないにしても、図２３において、いかなる単位パターンアレイにも属さない複数の第１領域１４１ないし第４領域１４４は、いずれもセンサ基板１１０のエッジに対して水平方向に突出配置され、鉛直方向に、いかなる光感知セルとも対向しない。
図１３Ａないし図１３Ｄ、図１４Ａないし図１４Ｄ、及び図１５Ａないし図１５Ｄで説明したように、光感知セルは、鉛直に対応する色分離レンズアレイ１４０の領域だけではなく、その領域周辺にある複数の他の領域からも光を提供される。従って、色分離レンズアレイ１４０のエッジに沿って追加された第１領域１４１ないし第４領域１４４がない場合、センサ基板１１０のエッジに沿って配列された光感知セルに入射する光の光量が少なくなり、色純度も低下してしまう。色分離レンズアレイ１４０のエッジに沿い、追加して第１領域１４１ないし第４領域１４４を配列することにより、センサ基板１１０のエッジに沿って配列された光感知セルにも、センサ基板１１０の内側に配列された光感知セルと同一に、光が提供されうる。
前述の実施形態によるイメージセンサは、カラーフィルタによる光損失がほとんどないために、画素の大きさが小さくなるにしても、画素に十分な量の光を提供することができる。従って、数億個以上の画素を有する超高解像度マイクロ高感度イメージセンサの作製が可能である。そのような超高解像度マイクロ高感度イメージセンサは、多様な高性能光学装置または高性能電子装置にも採用される。例えば、そのような電子装置は、例えば、スマートフォン、携帯電話、ハンドフォン、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ラップトップ（ｌａｐｔｏｐ）、ＰＣ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、多様な携帯用機器、家電製品、保安カメラ、医療用カメラ、自動車、事物インターネット（ＩｏＴ：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）、その他モバイルまたは非モバイルのコンピュータ装置でもあるが、それらに制限されるものではない。
図２５は、一実施形態によるイメージセンサを含む電子装置を概略的に図示したブロック図である。該電子装置は、イメージセンサ１０００、プロセッサ２２００、メモリ２３００、ディスプレイ２４００及びバス２５００を含む。イメージセンサ１０００は、プロセッサ２２００の制御により、外部の被写体に対する映像情報を獲得し、プロセッサ２２００に提供する。プロセッサ２２００は、イメージセンサ１０００から提供された映像情報を、バス２５００を介してメモリ２３００に保存し、メモリ２３００に保存された映像情報をディスプレイ２４００に出力し、ユーザに表示することができる。また、プロセッサ２２００は、イメージセンサ１０００から提供された映像情報について、多様な映像処理を行うこともできる。
図２６ないし図３６は、一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置の多様な例を示す。
一実施形態によるイメージセンサは、映像撮影機能を具備している多様なマルチメディア装置に適用されうる。例えば、該イメージセンサは、図２６に図示されたカメラ２０００に適用されうる。カメラ２０００は、デジタルカメラまたはデジタルカムコーダでもある。
図２７を参照すれば、カメラ２０００は、撮像部２１００、イメージセンサ１０００及びプロセッサ２２００を含んでもよい。
撮像部２１００は、被写体ＯＢＪから反射された光を集束し、光学像を形成する。撮像部２１００は、対物レンズ２０１０、レンズ駆動部２１２０、絞り２１３０及び絞り駆動部２１４０を含んでもよい。図２７には、便宜上、１枚のレンズだけが代表して表示されたが、実際には、対物レンズ２０１０は、大きさと形態とがそれぞれ異なる複数レンズを含んでもよい。レンズ駆動部２１２０は、プロセッサ２２００と焦点検出に係わる情報を通信することができ、プロセッサ２２００から提供された制御信号により、対物レンズ２０１０の位置を調節することができる。レンズ駆動部２１２０は、対物レンズ２０１０を移動させ、対物レンズ２０１０と被写体ＯＢＪとの距離を調節したり、対物レンズ２０１０内の個別レンズの位置を調節したりすることができる。レンズ駆動部２１２０が対物レンズ２０１０を駆動させることにより、被写体ＯＢＪに対する焦点が調節されうる。そのようなカメラ２０００は、自動焦点（ＡＦ）機能を具備することができる。
絞り駆動部２１４０は、プロセッサ２２００と、光量に係わる情報を通信することができ、プロセッサ２２００から提供された制御信号により、絞り２１３０を調節することができる。例えば、絞り駆動部２１４０は、対物レンズ２０１０を介してカメラ２０００内部に入る光の量により、絞り２１３０の口径を増減させることができ、絞り２１３０の開放時間を調節することができる。
イメージセンサ１０００は、入射される光の強度を基に、電気的なイメージ信号を生成することができる。イメージセンサ１０００は、画素アレイ１１００、タイミングコントローラ（Ｔ／Ｃ）１０１０及び出力回路１０３０を含んでもよい。たとえ図２７には、図示されていないにしても、イメージセンサ１０００は、図１に図示されたロウデコーダをさらに含んでもよい。対物レンズ２０１０及び絞り２１３０を透過した光は、画素アレイ１１００の受光面に、被写体ＯＢＪの像を結像させることができる。画素アレイ１１００は、光学信号を電気信号に変換するＣＣＤまたはＣＭＯＳでもある。画素アレイ１１００は、自動焦点（ＡＦ）機能または距離測定機能を遂行するためのさらなる画素を含んでもよい。また、画素アレイ１１００は、前述の色分離レンズアレイを含んでもよい。
プロセッサ２２００は、カメラ２０００の全般的な動作を制御することができ、映像処理機能を具備することができる。例えば、プロセッサ２２００は、レンズ駆動部２１２０、絞り駆動部２１４０、タイミングコントローラ１０１０などに、各構成要素の動作のための制御信号を提供することができる。
一実施形態によるイメージセンサは、図２８に図示されたモバイルフォンまたはスマートフォン３０００、図２９に図示されたタブレットまたはスマートタブレット３１００、図３０に図示されたノート型パソコン３２００、図３１に図示されたテレビまたはスマートテレビ３３００などにも適用される。例えば、スマートフォン３０００またはスマートタブレット３１００は、高解像度イメージセンサがそれぞれ搭載された複数の高解像度カメラを含んでもよい。該高解像度カメラを利用し、映像内被写体の深さ情報を抽出したり、映像のアウトフォーカシングを調節したり、映像内被写体を自動的に識別したりすることができる。
また、イメージセンサは、図３２に図示されたスマート冷蔵庫３４００、図３３に図示された保安カメラ３５００、図３４に図示されたロボット３６００、図３５に図示された医療用カメラ３７００などにも適用される。例えば、スマート冷蔵庫３４００は、イメージセンサを利用し、冷蔵庫内にある飲食物を自動的に認識し、特定飲食物の存在いかん、入庫または出庫された飲食物の種類などを、スマートフォンを介してユーザに知らせることができる。保安カメラ３５００は、超高解像度映像を提供することができ、高感度を利用し、暗い環境においても、映像内の事物または人を認識することができるようにする。ロボット３６００は、人が直接近付くことができない災害現場または産業現場に投入され、高解像度映像を提供することができる。医療用カメラ３７００は、診断または手術のための高解像度映像を提供することができ、視野を動的に調節することができる。
また、イメージセンサは、図３６に図示されているように、車両３８００にも適用される。車両３８００は、多様な位置に配置された複数の車両用カメラ３８１０，３８２０，３８３０，３８４０を含んでもよく、それぞれの車両用カメラ３８１０，３８２０，３８３０，３８４０は、本実施形態によるイメージセンサを含んでもよい。車両３８００は、複数の車両用カメラ３８１０，３８２０，３８３０，３８４０を利用し、車両３８００の内部または周辺に係わる多様な情報を運転手に提供することができ、映像内の事物または人を自動的に認識し、自律走行に必要な情報を提供することができる。
前述の色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、及びそれを含む電子装置が、たとえ図面に図示された実施形態を参照して説明されたにしても、それは、例示的なものに過ぎず、当該分野において当業者であるならば、それらから多様な変形、及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。権利範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての差異は、権利範囲に含まれたものであると解釈されなければならないのである。
１０５ カラーフィルタ
１１０ センサ基板
１１１，１１２，１１３，１１４ 光感知セル
１２０ スペーサ層
１３０，１４０ 色分離レンズアレイ
１３１，１４１ 第１領域
１３２，１４２ 第２領域
１３３，１４３ 第３領域
１３４，１４４ 第４領域
１０００ イメージセンサ
１０１０ タイミングコントローラ
１０２０ ロウデコーダ
１０３０ 出力回路
１１００ 画素アレイ

Claims (25)

  1. 光を感知する第１光感知セルと第２光感知セルとを含むセンサ基板と、
    前記センサ基板上に配置された透明なスペーサ層と、
    前記スペーサ層上に配置された色分離レンズアレイと、を含み、
    前記色分離レンズアレイは、鉛直方向に沿い、前記第１光感知セルに対向して配置され、第１パターンを有する第１領域、及び鉛直方向に沿い、前記第２光感知セルに対向して配置され、前記第１パターンと異なる第２パターンを有する第２領域を含み、
    前記第１パターンと前記第２パターンは、前記色分離レンズアレイに入射する入射光に対し、前記入射光に含まれた互いに異なる第１波長の光と、第２波長の光とを分離させ、前記第１光感知セルに前記第１波長の光を集光させ、前記第２光感知セルに前記第２波長の光を集光させる、イメージセンサ。
  2. 前記スペーサ層は、前記色分離レンズアレイが色分離する前記入射光の波長帯域の中心波長において、前記色分離レンズアレイの焦点距離に該当する厚みを有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記スペーサ層の理論厚をｈｔとし、隣り合う前記第１光感知セルと前記第２光感知セルとの間のピッチをｐとし、前記スペーサ層の屈折率をｎとし、前記色分離レンズアレイが色分離する前記入射光の波長帯域の中心波長をλ０とするとき、前記スペーサ層の理論厚は、
    Figure 2021067691
    であり、
    前記スペーサ層の実際厚ｈは、ｈｔ−ｐ≦ｈ≦ｈｔ＋ｐである、請求項１に記載のイメージセンサ。
  4. 前記第１パターンと前記第２パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、前記第１波長の光が前記第１光感知セルの中心部に対応する位置において、２Ｎπの位相分布を形成し、前記第２光感知セルの中心部に対応する位置においては、（２Ｎ−１）πの位相分布を形成するようにし、Ｎは、０より大きい整数である、請求項１〜３のいずれかに記載のイメージセンサ。
  5. 前記第１パターンと前記第２パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、前記第２波長の光が前記第１光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｍ−１）πの位相分布を形成し、前記第２光感知セルの中心部に対応する位置においては、２Ｍπの位相分布を形成するようにし、Ｍは、０より大きい整数である、請求項４に記載のイメージセンサ。
  6. 前記第１領域は、第１屈折率を有し、前記第１パターンを形成する第１誘電体、及び第１屈折率より小さい第２屈折率を有し、前記第１誘電体間に充填された第２誘電体を含み、
    前記第１領域のいかなる垂直断面においても、前記第１誘電体が存在するように、前記第１パターンが形成された、請求項１〜５のいずれかに記載のイメージセンサ。
  7. 前記第２領域は、第１屈折率を有し、前記第２パターンを形成する第１誘電体、及び前記第１屈折率より小さい第２屈折率を有し、前記第１誘電体間に充填された第２誘電体を含み、
    前記第２領域のいかなる垂直断面においても、前記第１誘電体が存在するように、前記第２パターンが形成された、請求項１〜５のいずれかに記載のイメージセンサ。
  8. 前記センサ基板は、第３光感知セル及び第４光感知セルをさらに含み、
    前記色分離レンズアレイは、鉛直方向に沿い、前記第３光感知セルに対向して配置され、前記第１パターン及び第２パターンと異なる第３パターンを有する第３領域、及び鉛直方向に沿い、前記第４光感知セルに対向して配置され、前記第１パターンないし第３パターンと異なる第４パターンを有する第４領域をさらに含む、請求項１〜７のいずれかに記載のイメージセンサ。
  9. 前記第３領域は、前記第１領域と隣接して配置され、前記第２領域の対角線方向に配置され、前記第４領域は、前記第２領域と隣接して配置され、前記第１領域の対角線方向に配置され、
    前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイに入射する入射光に対し、前記入射光に含まれた互いに異なる前記第１波長の光、前記第２波長の光、及び第３波長の光を分離させ、前記第１光感知セル及び前記第４光感知セルに第１波長の光を集光させ、前記第２光感知セルに第２波長の光を集光させ、前記第３光感知セルに前記第３波長の光を集光させる、請求項８に記載のイメージセンサ。
  10. 前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、前記第１波長の光が、前記第１光感知セル及び第４光感知セルの中心部に対応する位置において、２Ｎπの位相分布を形成し、前記第２光感知セル及び第３光感知セルの中心部に対応する位置においては、（２Ｎ−１）πの位相分布を形成するようにし、Ｎは、０より大きい整数である、請求項９に記載のイメージセンサ。
  11. 前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、前記第２波長の光が、前記第１光感知セルの中心部、及び前記第４光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｍ−１）πの位相分布を形成し、前記第２光感知セルの中心部に対応する位置において、２Ｍπの位相分布を形成し、前記第３光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｍ−２）πより大きく、（２Ｍ−１）πより小さい位相分布を形成するようにし、Ｍは、０より大きい整数である、請求項１０に記載のイメージセンサ。
  12. 前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、前記第３波長の光が、前記第１光感知セルの中心部、及び前記第４光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｌ−１）πの位相分布を形成し、前記第２光感知セルの中心部に対応する位置において、（２Ｌ−２）πより大きく、（２Ｌ−１）πより小さい位相分布を形成し、前記第３光感知セルの中心部に対応する位置において、２Ｌπの位相分布を形成するようにし、Ｌは、０より大きい整数である、請求項１１に記載のイメージセンサ。
  13. 前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイの前記第１領域に入射する入射光のうち、前記第１波長の光は、前記第１領域に対応する前記第１光感知セルの中心部に向けて進めさせ、前記第２波長の光は、前記第１領域に対応する前記第１光感知セル周辺の前記第２光感知セルの中心部に向けて進めさせ、前記第３波長の光は、前記第１領域に対応する前記第１光感知セル周辺の前記第３光感知セルの中心部に向けて進めさせる、請求項９〜１２のいずれかに記載のイメージセンサ。
  14. 前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイの前記第２領域に入射する入射光のうち、前記第２波長の光は、前記第２領域に対応する前記第２光感知セルの中心部に向けて進めさせ、前記第１波長の光は、前記第２領域に対応する前記第２光感知セル周辺の前記第１光感知セル及び第４光感知セルの中心部に向けて進めさせ、前記第３波長の光は、前記第２領域に対応する前記第２光感知セル周辺の前記第３光感知セルの中心部に向けて進めさせる、請求項９〜１２のいずれかに記載のイメージセンサ。
  15. 前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイの前記第３領域に入射する入射光のうち、前記第３波長の光は、前記第３領域に対応する前記第３光感知セルの中心部に向けて進めさせ、前記第１波長の光は、前記第３領域に対応する前記第３光感知セル周辺の前記第１光感知セル及び第４光感知セルの中心部に向けて進めさせ、前記第２波長の光は、前記第３領域に対応する前記第３光感知セル周辺の前記第２光感知セルの中心部に向けて進めさせる、請求項９〜１２のいずれかに記載のイメージセンサ。
  16. 前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイの前記第４領域に入射する入射光のうち、前記第１波長の光は、前記第４領域に対応する前記第４光感知セルの中心部に向けて進めさせ、前記第２波長の光は、前記第４領域に対応する前記第４光感知セル周辺の前記第２光感知セルの中心部に向けて進めさせ、前記第３波長の光は、前記第４領域に対応する前記第４光感知セル周辺の前記第３光感知セルの中心部に向けて進めさせる、請求項９〜１２のいずれかに記載のイメージセンサ。
  17. 前記第１波長の光は、緑色光であり、前記第２波長の光は、青色光であり、前記第３波長の光は、赤色光である、請求項９〜１６のいずれかに記載のイメージセンサ。
  18. 前記第１パターン及び前記第４パターンは、２回対称であり、前記第２パターン及び前記第３パターンは、４回対称であり、前記第４パターンは、前記第１パターンに対して９０°回転された形態を有する、請求項１７に記載のイメージセンサ。
  19. 前記色分離レンズアレイは、互いに隣接する前記第１領域、前記第２領域、前記第３領域及び前記第４領域を含む複数の単位パターンアレイを含み、前記複数の単位パターンアレイは、二次元的に反復配列されている、請求項９〜１８のいずれかに記載のイメージセンサ。
  20. 前記色分離レンズアレイは、前記センサ基板エッジに対して突出配置され、鉛直方向に、前記センサ基板のいかなる光感知セルとも対向しない複数の第１領域、複数の第２領域、複数の第３領域、及び複数の第４領域をさらに含む、請求項９に記載のイメージセンサ。
  21. 前記センサ基板と前記スペーサ層との間に配置されたものであり、複数のカラーフィルタを含むカラーフィルタ層をさらに含む、請求項１〜２０のいずれかに記載のイメージセンサ。
  22. 光を感知する第１光感知セルないし第４光感知セルを含むセンサ基板と、
    前記センサ基板上に配置された透明なスペーサ層と、
    前記スペーサ層上に配置された色分離レンズアレイと、を含み、
    前記色分離レンズアレイは、鉛直方向に沿い、前記第１光感知セルに対向して配置され、第１パターンを有する第１領域、鉛直方向に沿い、前記第２光感知セルに対向して配置され、前記第１パターンと異なる第２パターンを有する第２領域、鉛直方向に沿い、前記第３光感知セルに対向して配置され、前記第１パターン及び第２パターンと異なる第３パターンを有する第３領域、及び鉛直方向に沿い、前記第４光感知セルに対向して配置され、前記第１パターンないし第３パターンと異なる第４パターンを有する第４領域を含み、
    前記第３領域は、前記第１領域と隣接して配置され、前記第２領域の対角線方向に配置され、前記第４領域は、前記第２領域と隣接して配置され、前記第１領域の対角線方向に配置され、
    前記第１パターン及び前記第４パターンは、２回対称であり、前記第２パターン及び前記第３パターンは、４回対称であり、前記第４パターンは、前記第１パターンに対して９０°回転された形態を有する、イメージセンサ。
  23. 前記第１パターンないし前記第４パターンは、前記色分離レンズアレイに入射する入射光に対し、前記入射光に含まれた互いに異なる第１波長の光、第２波長の光、及び第３波長の光を分離させ、前記第１光感知セル及び第４光感知セルに前記第１波長の光を集光させ、前記第２光感知セルに前記第２波長の光を集光させ、前記第３光感知セルに前記第３波長の光を集光させる、請求項２２に記載のイメージセンサ。
  24. 物体から反射された光を集束して光学像を形成する対物レンズと、
    前記対物レンズによって形成された光学像を電気的な映像信号に変換する、請求項１ないし２３のうちいずれか１項に記載のイメージセンサと、を含む撮像装置。
  25. 請求項２４に記載の撮像装置を含む電子装置。
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