JP2022074053A - 色分離レンズアレイを備えるイメージセンサ及びそれを含む電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】色分離レンズアレイを備えるイメージセンサを提供する。【解決手段】イメージセンサは、第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板、及び入射する光のうち、第１波長光を第１画素に集光し、第２波長光を第２画素に集光する色分離レンズアレイを含み、色分離レンズアレイは、第１画素に対応する位置に配置された第１画素対応領域及び第２画素に対応する位置に配置された第２画素対応領域を含み、第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光と、第２画素対応領域の中心を通過した第１波長光との位相差は、第１画素対応領域の中心を通過した第２波長光と、第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光との位相差と異なってもいる。【選択図】図７Ａ

Description

本発明は、入射光を波長別に分離して集光することができる色分離レンズアレイを備えるイメージセンサ及びイメージセンサを含む電子装置に関する。
通常、イメージセンサは、カラーフィルタを用いて入射光の色を感知する。ところで、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ので、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、残りの２／３は、吸収してしまうので、光利用効率は、約３３％ほどに過ぎない。したがって、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。
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して集光することができる色分離レンズアレイを用いて光利用効率及び自動焦点調節能が向上したイメージセンサ及びイメージセンサを含む電子装置を提供することである。
一実施例によるイメージセンサは、第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板及び入射する光のうち、第１波長光を第１画素に集光し、第２波長光を第２画素に集光する色分離レンズアレイを含み、色分離レンズアレイは、第１画素に対応する位置に配置された第１画素対応領域及び第２画素に対応する位置に配置された第２画素対応領域を含み、第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光と第２画素対応領域の中心を通過した第１波長光との位相差は、第１画素対応領域の中心を通過した第２波長光と第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光との位相差と異なってもいる。
他の実施例によるイメージセンサは、第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板；入射する光のうち、第１波長光を第１画素に集光するための第１波長光集光領域、及び第２波長光を第２画素に集光するための第２波長光集光領域を含む色分離レンズアレイ；を含み、第１波長光集光領域の面積は、第１画素の面積よりも大きく、第２波長光集光領域の面積は、第２画素の面積よりも大きく、第１波長光集光領域に対する第１波長光の第１焦点距離は、第２波長光集光領域に対する第２波長光の第２焦点距離と同一でもある。
さらに他の実施例によるイメージセンサは、第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板；入射する光のうち、第１波長光を第１画素に集光するための第１波長光集光領域、及び第２波長光を第２画素に集光するための第２波長光集光領域を含む色分離レンズアレイ；を含み、第１波長光集光領域の面積は、第１画素の面積よりも大きく、第２波長光集光領域の面積は、第２画素の面積よりも大きく、第１波長光集光領域を通過した第１波長光は、第１波長光集光領域の中心において最も大きく、中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有し、第２波長光集光領域を通過した第２波長光は、第２波長光集光領域の中心において最も大きく、中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有し、第１波長光の位相減少率と第２波長光の位相減少率とが互いに異なってもいる。
さらに他の実施例によるイメージセンサは、第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板；入射する光のうち、第１波長光を第１画素に集光するための第１波長光集光領域、及び第２波長光を第２画素に集光するための第２波長光集光領域を含む色分離レンズアレイ；を含み、第１波長光集光領域の中心を通過した第１波長光と第１波長光集光領域の中心からセンサ基板の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置を通過した第１波長光との位相差は、第２波長光集光領域の中心を通過した第２波長光と第２波長光集光領域の中心からセンサ基板の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置を通過した第２波長光の位相差と互いに異なってもいる。
一実施例による電子装置は、光学像を電気的信号に変換するイメージセンサ及びイメージセンサの動作を制御し、イメージセンサで生成した信号を保存及び出力するプロセッサを含み、イメージセンサは、第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板；入射する光のうち、第１波長光を第１画素に集光するための第１波長光集光領域、及び第２波長光を第２画素に集光するための第２波長光集光領域を含む色分離レンズアレイ；を含み、第１波長光集光領域の面積は、第１画素の面積よりも大きく、第２波長光集光領域の面積は、第２画素の面積よりも大きく、第１波長光集光領域による第１波長光の第１焦点距離は、第２波長光集光領域による第２波長光の第２焦点距離と同一でもある。
本発明によれば、色分離レンズアレイは、入射光を吸収または遮断せずとも、波長別に分離して集光することができるので、イメージセンサの光利用効率を向上させうる。また、色分離レンズアレイに含まれた集光領域による位相プロファイルを波長によって異なって調節して自動焦点調節能が改善されうる。
一実施例によるイメージセンサを示すブロック図である。 イメージセンサの画素アレイの多様な画素配列を例示的に示す図面である。 イメージセンサの画素アレイの多様な画素配列を例示的に示す図面である。 イメージセンサの画素アレイの多様な画素配列を例示的に示す図面である。 一実施例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。 一実施例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。 光の波長及び位相分布と焦点距離との関係を説明するための図面である。 光の波長及び位相分布と焦点距離との関係を説明するための図面である。 一実施例によるイメージセンサの画素アレイのそれぞれ異なる断面で見られる概略的な断面図である。 一実施例によるイメージセンサの画素アレイのそれぞれ異なる断面で見られる概略的な断面図である。 画素アレイにおける画素の配列を概略的に示す平面図である。 色分離レンズアレイの複数領域に複数のナノポストが配列された形態を例示的に示す平面図である。 図６Ｂの一部を拡大して詳細に示す平面図である。 色分離レンズアレイを通過した緑色光及び青色光の位相分布を図６ＢのＩ－Ｉ’線に沿って示す図面である。 色分離レンズアレイを通過した緑色光の画素対応領域中心での位相を示す図面である。 色分離レンズアレイを通過した青色光の画素対応領域中心での位相を示す図面である。 第１緑色光集光領域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。 第１緑色光集光領域のアレイを例示的に示す図面である。 青色光集光領域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。 青色光集光領域の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及び緑色光の位相分布を図６ＢのＩＩ－ＩＩ’線に沿って示す図面である。 色分離レンズアレイを通過した赤色光の画素対応領域中心での位相を示す図面である。 色分離レンズアレイを通過した緑色光の画素対応領域中心での位相を示す図面である。 赤色光集光領域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。 赤色光集光領域のアレイを例示的に示す図面である。 第２緑色光集光領域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。 第２緑色光集光領域のアレイを例示的に示す図面である。 集光領域の焦点距離と自動焦点機能との関係を説明するための図面である。 集光領域の焦点距離と自動焦点機能との関係を説明するための図面である。 集光領域の焦点距離と自動焦点機能との関係を説明するための図面である。 実施例によるイメージセンサを含む電子装置を概略的に示すブロック図である。 図１０のカメラモジュールを概略的に示すブロック図である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。 実施例によるイメージセンサが適用された電子装置多様な例を示す図面である。
以下、添付された図面を参照して色分離レンズアレイを備え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。説明される実施例は、ただ例示的なものに過ぎず、そのような実施例から多様な変形が可能である。以下の図面において同じ参照符号は、同じ構成要素を指称し、図面上で各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜のために誇張されてもいる。
以下、「上部」または「上」という記載は、接触して、直接上／下／左／右にあるものだけではなく、非接触で上／下／左／右にあるものも含む。
第１、第２などの用語は、多様な構成要素を説明するのに使用されうるが、１つの構成要素を、他の構成要素から区別する目的だけで使用される。そのような用語は、構成要素の物質または構造の違いを限定するものではない。
単数表現は、文脈上明白に異なる意味ではない限り、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、これは、特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、明細書に記載の「．．．部」、「モジュール」などの用語は、１つまたは複数の機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアまたはソフトウェアによって具現されるか、ハードウェアとソフトウェアとの結合によって具現されうる。
「前記」及びそれと類似した指示用語の使用は、単数及び複数の両方に該当するものでもある。
方法を構成する段階は、説明の順序通りに行わねばならないという明白な言及がなければ、適当な順序によって行われる。また、全ての例示的な用語（例えば、など）の使用は、単に技術的思想を詳細に説明するためのものであって、請求項によって限定されない以上、そのような用語によって権利範囲が限定されるものではない。
図１は、一実施例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を含む。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、複数のロウとカラムに沿って２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て画素アレイ１１００のロウのうち、１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)を含む。例えば、出力回路１０３０は、カラムデコーダと画素アレイ１１００との間でカラム別にそれぞれ配置された複数のＡＤＣ、または、カラムデコーダの出力端に配置された１つのＡＤＣを含む。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よって具現されうる。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つのチップによっても具現される。
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む。画素の配列は、多様な方式によって具現されうる。例えば、図２Ａないし図２Ｃは、イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００の多様な画素配列を図示する。
まず、図２Ａは、イメージセンサ１０００で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つの単位パターンは、４つの４分領域(Quadrant region)を含み、第１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になる。そのような単位パターンが第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って２次元的に反復配列される。すなわち、２×２アレイ状の単位パターン内で一側対角線方向に２つの緑色画素Ｇが配置され、他側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が配置される。全体として画素配列は、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行とが第２方向に沿って反復的に配列される。
画素アレイ１１００の配列方式は、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つの単位画素パターンを構成する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つの単位パターンを構成するＲＧＢＷ方式の配列も可能である。また、図示されていないが、単位パターンが３×２アレイ状を有してもよい。その他、画素アレイ１１００の画素は、イメージセンサ１０００の色特性によって多様な方式によっても配列される。以下、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ことを例として説明するが、動作原理は、ベイヤーパターンではない他の形態の画素配列にも適用される。
イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００は、特定画素に対応する色の光を集光する色分離レンズアレイを含んでもよい。図３Ａ及び図３Ｂは、色分離レンズアレイの構造と動作とを示す概念図である。
図３Ａを参照すれば、色分離レンズアレイ(CSLA, Color Separating Lens Array) は、入射光Ｌｉの位相を入射位置によって異なるように変化させる複数のナノポストＮＰを含む。色分離レンズアレイ１１００は、多様な方式によっても区画される。例えば、入射光Ｌｉに含まれた第１波長光Ｌλ１が集光される第１画素ＰＸ１に対応する第１画素対応領域Ｒ１、及び入射光Ｌｉに含まれた第２波長光Ｌλ２が集光される第２画素ＰＸ２に対応する第２画素対応領域Ｒ２に区画されうる。第１及び第２画素対応領域Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ１つ以上のナノポストＮＰを含み、それぞれ第１及び第２画素ＰＸ１、ＰＸ２と対向するように配置されうる。他の例として、色分離レンズアレイ１１００は、第１波長光Ｌλ１を第１画素ＰＸ１に集光する第１波長集光領域Ｌ１、第２波長光Ｌλ２を第２画素ＰＸ２に集光する第２波長集光領域Ｌ２に区画されうる。第１波長集光領域Ｌ１と第２波長集光領域Ｌ２は、一部領域が重畳されうる。
色分離レンズアレイＣＳＬＡは、入射光Ｌｉに含まれた第１及び第２波長光Ｌλ１、Ｌλ２にそれぞれ異なる位相分布(Phase Profile)を形成し、第１波長光Ｌλ１を第１画素ＰＸ１に集光し、第２波長光Ｌλ２を第２画素ＰＸ２に集光することができる。
例えば、図３Ｂを参照すれば、色分離レンズアレイＣＳＬＡは、色分離レンズアレイＣＳＬＡを通過した直後の位置、すなわち、色分離レンズアレイＣＳＬＡの下部表面位置において、第１波長光Ｌλ１が第１位相分布ＰＰ１を有し、第２波長光Ｌλ２が第２位相分布ＰＰ２を有するようにし、第１及び第２波長光Ｌλ１、Ｌλ２をそれぞれ対応する第１及び第２画素ＰＸ１、ＰＸ２に集光させうる。具体的に、色分離レンズアレイＣＳＬＡを通過した第１波長光Ｌλ１は、第１画素対応領域Ｒ１の中心で最も大きく、第１画素対応領域Ｒ１の中心から遠ざかる方向、すなわち、第２画素対応領域Ｒ２方向に減少する位相分布ＰＰ１を有することができる。そのような位相分布は、凸レンズ、例えば、第１波長集光領域Ｌ１に配置された中心部が凸状のマイクロレンズを通過して一地点に収束する光の位相分布と類似しており、第１波長光Ｌλ１は、第１画素ＰＸ１に集光されうる。また、色分離レンズアレイＣＳＬＡを通過した第２波長光Ｌλ２は、第２画素対応領域Ｒ２の中心で最も大きく、第２画素対応領域Ｒ２の中心から遠ざかる方向、すなわち、第１画素対応領域Ｒ１方向に減少する位相分布ＰＰ２を有し、第２波長光Ｌλ２は、第２画素ＰＸ２に集光されうる。
物質の屈折率は、反応する光の波長によって異なって示されるので、図３Ｂのように、色分離レンズアレイＣＳＬＡが第１及び第２波長光Ｌλ１、Ｌλ２に対して互いに異なる位相分布を提供することができる。すなわち、同じ物質であっても、物質と反応する光の波長によって屈折率が異なり、物質を通過したとき、光が経る位相遅延も波長ごとに異なるので、波長別に異なる位相分布が形成されうる。例えば、第１画素対応領域Ｒ１の第１波長光Ｌλ１に対する屈折率と、第１画素対応領域Ｒ１の第２波長光Ｌλ２に対する屈折率とが互いに異なり、第１画素対応領域Ｒ１を通過した第１波長光Ｌλ１が経る位相遅延と第１画素対応領域Ｒ１を通過した第２波長光Ｌλ２が経る位相遅延とが異なるので、そのような光の特性を考慮して色分離レンズアレイＣＳＬＡを設計すれば、第１及び第２波長光Ｌλ１、Ｌλ２に対して互いに異なる位相分布を提供することができる。
色分離レンズアレイＣＳＬＡは、第１及び第２波長光Ｌλ１、Ｌλ２がそれぞれ第１及び第２位相分布ＰＰ１、ＰＰ２を有するように特定の規則によって配列されたナノポストＮＰを含む。ここで、規則(rule)は、ナノポストＮＰの形状、大きさ（幅、高さ）、間隔、配列形態などのパラメータに適用されるものであり、それらパラメータは、色分離レンズアレイＣＳＬＡを通じて具現しようとする位相分布(Phase Profile)によって決定されうる。
ナノポストＮＰが第１画素対応領域Ｒ１に配置される規則と、第２画素対応領域Ｒ２に配置される規則は、互いに異なってもいる。すなわち、第１画素対応領域Ｒ１に備えられたナノポストＮＰの大きさ、形状、間隔及び／または配列が第２画素対応領域Ｒ２に備えられたナノポストＮＰの大きさ、形状、間隔及び／または配列と異なってもいる。
ナノポストＮＰは、断面の直径がサブ波長の寸法を有してもよい。ここで、サブ波長は、分岐対象である光の波長帯域より小さな波長を意味する。ナノポストＮＰは、例えば、第１波長、第２波長のうち、短い波長より小さな寸法を有することができる。入射光Ｌｉが可視光である場合、ナノポストＮＰの断面の直径は、例えば、４００ｎｍ、３００ｎｍ、または、２００ｎｍよりも小さな寸法を有する。一方、ナノポストＮＰの高さは、５００ｎｍ～１５００ｎｍでもあり、断面の直径より高さが大きくもなる。図示はしていないが、ナノポストＮＰは、高さ方向（Ｚ方向）に積層された２つ以上のポストが結合されたものでもある。
ナノポストＮＰは、周辺物質に比べて高い屈折率を有する材料からなりうる。例えば、ナノポストＮＰは、ｃ－Ｓｉ、ｐ－Ｓｉ、ａ－Ｓｉ及びＩＩＩ－Ｖ化合物半導体（ＧａＰ、ＧａＮ、ＧａＡｓなど）、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、ＳｉＮ及び／またはそれらの組合わせを含む。周辺物質と屈折率差を有するナノポストＮＰは、ナノポストＮＰを通り過ぎる光の位相を変化させうる。これは、ナノポストＮＰのサブ波長の形状寸法によって起きる位相遅延(Phase Profile：位相遅延プロファイル)によるものであり、位相遅延の程度は、ナノポストＮＰの細部的な形状寸法、配列形態などによって決定される。ナノポストＮＰ周辺物質は、ナノポストＮＰよりも低い屈折率を有する誘電体材料からなりうる。例えば、周辺物質は、ＳｉＯ２または空気(air)を含む。
第１波長λ１と第２波長λ２は、赤外線及び可視光線波長帯域でもあるが、それに限定されず、複数のナノポストＮＰのアレイの配列規則によって多様な波長での動作が可能である。また、二波長が分岐されて集光されることを例示しているが、入射光が波長によって３方向以上に分岐されて集光されうる。
また、色分離レンズアレイＣＳＬＡが１層である場合を例として説明したが、色分離レンズアレイＣＳＬＡは、複数の層が積層された構造でもある。例えば、１層は、可視光線を特定画素に集光し、２層は、赤外線を他の画素に集光するように設計することができる。
図４Ａ及び図４Ｂは、光の波長及び位相分布と焦点距離との関係を説明するための図面である。
図４Ａを参照すれば、同じ位相分布を有する互いに異なる３個の波長光の第１ないし第３焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３が図示される。すなわち、５４０ｎｍ、４５０ｎｍ、６３０ｎｍ波長光が色分離レンズアレイの第１ないし第３波長集光領域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を通過した直後の位置で各集光領域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の中心で２πであり、中心から遠ざかる方向にπまで減少する位相分布を有するとき、各波長別焦点距離が図示される。具体的に、５４０ｎｍ光は、２πからπに減少する第１位相分布ＰＰａによって第１焦点距離ｆ１に集まり、４５０ｎｍ光は、第１位相分布ＰＰａと同一である第２位相分布ＰＰｂによって第１焦点距離ｆ１よりも長い第２焦点距離ｆ２に集まり、６３０ｎｍ光は、第１位相分布ＰＰａと同一である第３位相分布ＰＰｃによって第１焦点距離ｆ１よりも短い第３焦点距離ｆ３に集まる。すなわち、位相分布が同一であるとき、焦点距離は、波長に反比例する。したがって、各集光領域Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に、互いに異なる波長の入射光に対して同じ焦点距離を有させるためには、色分離レンズアレイ１３０が波長別にＸ方向への位相減少率が互いに異なる位相分布を提供せねばならない。
図４Ｂは、互いに異なる波長の入射光に同じ焦点距離を有させる集光領域の位相分布を説明するための図面である。
図４Ｂを参照すれば、同じ焦点距離を有する互いに異なる３個の波長光の位相分布ＰＰａ、ＰＰｂ’、ＰＰｃ’が図示される。図４Ｂの５４０ｎｍ波長光の第１位相分布ＰＰａは、図４Ａで説明したところと同一であり、５４０ｎｍ波長光は、第１焦点距離ｆ１を有する。
図４Ｂの４５０ｎｍ光は、図４Ａの第２焦点距離ｆ２よりも短い第２’焦点距離ｆ２’を有することができる。焦点距離を減らすために、第２’位相分布ＰＰｂ’は、図４Ａの第２位相分布ＰＰｂに対して、Ｘ方向位相減少率より大きくもなる。すなわち、図４Ａの第２位相分布ＰＰｂは、第２集光領域Ｌ２の中心で２πであり、中心から遠ざかる方向にπまでπほど減少し、一方、図４Ｂの第２’位相分布ＰＰｂ’は、第２集光領域Ｌ２の中心で２πであり、中心から遠ざかる方向に０．８πまで１．２πほど減少する。第２’位相分布ＰＰｂ’の減少率が大きくなることにより、図４Ｂの第２波長光に対する第２’波長集光領域Ｌ２’の第２’焦点距離ｆ２’が短くなり、第２’焦点距離ｆ２’を第１焦点距離ｆ１と同一に設計することができる。
一方、図４Ｂの６３０ｎｍ光は、図４Ａの第３焦点距離ｆ３よりも長い第３’焦点距離ｆ３’を有することができる。焦点距離を延ばすために、集光領域中心でＸ方向への位相減少率が小さくなるようにし、例えば、第３’位相分布ＰＰｃ’は、図４Ａの第３位相分布ＰＰｃに対して、位相減少率が小さくもなる。すなわち、図４Ａの第３位相分布ＰＰｃは、第３波長集光領域Ｌ３の中心で２πであり、中心から遠ざかる方向にπまでπほど減少し、一方、図４Ｂの第３’位相分布ＰＰｃ’は、第３波長集光領域Ｌ３の中心で２πであり、中心から遠ざかる方向に１．２πまで０．８πほど減少する。第３’位相分布ＰＰｃ’の位相減少率が第３位相分布ＰＰｃに比べて小さくなることにより、図４Ｂの第３波長光に対する第３’波長集光領域Ｌ３’の第３’焦点距離ｆ３’が長くなり、第３’焦点距離ｆ３’を第１焦点距離ｆ１と同一に設計することができる。
以下、前述した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に適用された例をさらに詳細に説明する。
図５Ａ及び図５Ｂは、一実施例によるイメージセンサ１０００の画素アレイ１１００のそれぞれ異なる断面で見られる概略的な断面図であり、図６Ａは、イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００で画素の配列を概略的に示す平面図であり、図６Ｂは、イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００で色分離レンズアレイの複数領域に複数のナノポストが配列された形態を例示的に示す平面図であり、図６Ｃは、図６Ｂの一部を拡大して詳細に示す平面図である。
図５Ａ及び図５Ｂ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画素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緑色画素１１１、青色画素１１２、赤色画素１１３及び第２緑色画素１１４を含んでもよく、第１緑色画素１１１及び青色画素１１２が第１方向（Ｘ方向）に沿って交互に配列され、Ｙ方向の位置が異なる断面では、図５Ｂに図示されたように、赤色画素１１３及び第２緑色画素１１４が交互に配列される。図６Ａは、イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００が、図２Ａのようにベイヤーパターン配列を有する場合の画素の配列を示す。そのような配列は、入射光をベイヤーパターンのような単位パターン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及び第２緑色画素１１１、１１４は、緑色光をセンシングし、青色画素１１２は、青色光をセンシングし、赤色画素１１３は、赤色光をセンシングすることができる。図示されていないが、セル間の境界には、セル分離のための分離膜がさらに形成されうる。
図６Ａを参照すれば、画素１１１、１１２、１１３、１１４の全部または一部は、２つ以上の光感知セルを含んでもよく、２つ以上の光感知セルを含む画素は、自動焦点画素でもある。自動焦点画素は、例えば、２～１６個の光感知セルを含む。イメージセンサ１０００のロジック回路は、自動焦点画素に含まれたそれぞれの光感知セルから獲得した信号の差を用いて、イメージセンサ１０００及び／またはイメージセンサ１０００を含むカメラ装置の自動焦点機能を具現することができる。１つの画素に含まれる２つ以上の光感知セルの出力信号の差を正確に計算するように、自動焦点画素は、光感知セルを分離するための画素内部分離膜を含む。画素内部分離膜によって光感知セルが互いに分離されるので、別途の信号を出力することができる。図５Ａ及び図５Ｂの実施例では、緑色、青色、及び赤色画素１１１、１１２、１１３、１１４がいずれも２つの光感知セルを含む場合、例えば、第１緑色画素１１１は、第１－１及び第１－２緑色光感知セル１１１ａ、１１１ｂを含み、青色画素１１２は、第１及び第２青色光感知セル１１２ａ、１１２ｂを含み、赤色画素１１３は、第１及び第２赤色光感知セル１１３ａ、１１３ｂを含み、第２緑色画素１１４は、第２－１及び第２－２緑色光感知セル１１４ａ、１１４ｂを含む場合を例として説明する。
スペーサ層１２０は、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との間に配置され、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との間隔を一定に保持させる役割を行う。スペーサ層１２０は、可視光に対して透明な物質、例えば、ＳｉＯ２、シロキサン系ガラス(SOG; siloxane-based spin on glass)などナノポストＮＰよりも低い屈折率を有しながら、可視光帯域で吸収率が低い誘電体物質からなりうる。スペーサ層１２０の厚さｈは、ｈｔ－ｐ≦ｈ≦ｈｔ＋ｐの範囲内で選択されうる。ここで、スペーサ層１２０の理論厚さｈｔは、λ０の波長に対するスペーサ層１２０の屈折率を、ｎ、画素のピッチをｐとするとき、次の数式１で表示されうる。
Figure 2022074053000002
スペーサ層１２０の理論厚さｈｔは、λ０の波長を有する光が色分離レンズアレイ１３０によって画素１１１、１１２、１１３、１１４の上面上に集光される焦点距離を意味する。λ０は、スペーサ層１２０の厚さｈを決定する基準になる波長でもあり、緑色光の中心波長である５４０ｎｍを基準にスペーサ層１２０の厚さを設計することができる。
色分離レンズアレイ１３０は、スペーサ層１２０によって支持され、入射光の位相を変化させるナノポストＮＰ及びナノポストＮＰの間に配置され、ナノポストＮＰより屈折率が低い誘電体、例えば、空気またはＳｉＯ２を含む。
図６Ｂを参照すれば、色分離レンズアレイ１３０は、図６Ａの各画素１１１、１１２、１１３、１１４に対応する４領域１３１、１３２、１３３、１３４に区画されうる。第１緑色画素対応領域１３１は、第１緑色画素１１１に対応し、第１緑色画素１１１上部に配置され、青色画素対応領域１３２は、青色画素１１２に対応し、青色画素１１２上部に配置され、赤色画素対応領域１３３は、赤色画素１１３に対応し、赤色画素１１３上部に配置され、第２緑色画素対応領域１３４は、第２緑色画素１１４に対応し、第２緑色画素１１４上部に配置されうる。すなわち、色分離レンズアレイ１３０の画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４は、センサ基板１１０の各画素１１１、１１２、１１３、１１４と対向するように配置されうる。画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４は、第１緑色画素対応領域及び青色画素対応領域１３１、１３２が交互に配列される第１行と、赤色画素対応領域及び第２緑色画素対応領域１３３、１３４が交互に配列される第２行とが交互に反復されるように第１方向（Ｘ方向）と第２方向（Ｙ方向）に沿って二次元配列されうる。色分離レンズアレイ１３０もセンサ基板１１０のように２次元配列された複数の単位パターンを含み、それぞれの単位パターンは、２×２の形態に配列された画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４を含む。
一方、色分離レンズアレイ１３０は、図３Ｂで説明したところと同様に、緑色光を集光する緑色光集光領域、青色光を集光する青色光集光領域、及び赤色光を集光する赤色光集光領域に区画されうる。
色分離レンズアレイ１３０は、第１及び第２緑色画素１１１、１１４に緑色光が分岐されて集光され、青色画素１１２に青色光が分岐されて集光され、赤色画素１１３に赤色光が分岐されて集光されるように、大きさ、形状、間隔及び／または配列が決定されたナノポストＮＰを含む。一方、色分離レンズアレイ１３０の厚さ（Ｚ方向）は、ナノポストＮＰの高さと類似しており、５００ｎｍ～１５００ｎｍでもある。
図６Ｂを参照すれば、画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４は、円形断面を有する円柱状のナノポストＮＰを含んでもよく、各領域の中心部には、断面積が互いに異なるナノポストＮＰが配置され、画素間境界線上の中心及び画素境界線の交点にもナノポストＮＰが配置されうる。画素間境界に配置されたナノポストＮＰの断面積は、画素中心部に配置されたナノポストＮＰよりも小さい。
図６Ｃは、図６Ｂの一部領域、すなわち、単位パターンを構成する画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４に含まれたナノポストＮＰの配列を詳細に示す。図６Ｃにおいて、ナノポストＮＰは、細部位置によってｐ１～ｐ９で表示されている。図６Ｃを参照すれば、ナノポストＮＰのうち、第１緑色画素対応領域１３１の中心部に配置されたナノポストｐ１及び第２緑色画素対応領域１３４の中心部に配置されたナノポストｐ４の断面積が青色画素対応領域１３２の中心部に配置されたナノポストｐ２や赤色画素対応領域１３３の中心部に配置されたナノポストｐ３の断面積よりも大きく、青色画素対応領域１３２の中心部に配置されたナノポストｐ２の断面積が赤色画素対応領域１３３の中心部に配置されたナノポストｐ３の断面積よりも大きい。但し、これは、一例に過ぎず、必要によって多様な形状、大きさ、配列のナノポストＮＰが適用されうる。
第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４に備えられたナノポストＮＰは、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って互いに異なる分布規則を有することができる。例えば、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４に配置されたナノポストＮＰは、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って異なる大きさ配列を有することができる。図６Ｃに図示されたように、ナノポストＮＰのうち、第１緑色画素対応領域１３１と第１方向（Ｘ方向）に隣接した青色画素対応領域１３２との境界に位置するナノポストｐ５の断面積と第２方向（Ｙ方向）に隣接する赤色画素対応領域１３３との境界に位置するナノポストｐ６の断面積は、互いに異なる。同様に、第２緑色画素対応領域１３４と第１方向（Ｘ方向）に隣接した赤色画素対応領域１３３との境界に位置するナノポストｐ７の断面積と第２方向（Ｙ方向）に隣接する青色画素対応領域１３２との境界に位置するナノポストｐ８の断面積は、互いに異なる。
一方、青色画素対応領域１３２及び赤色画素対応領域１３３に配置されたナノポストＮＰは、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って対称的な分布規則を有することができる。図６Ｃに図示されたように、ナノポストＮＰのうち、青色画素対応領域１３２と第１方向（Ｘ方向）に隣接した画素間の境界に載置されるナノポストｐ５と第２方向（Ｙ方向）に隣接した画素間の境界に載置されるナノポストｐ８の断面積は、互いに同一であり、また、赤色画素対応領域１３３でも第１方向（Ｘ方向）に隣接した画素間の境界に載置されるナノポストｐ７と第２方向（Ｙ方向）に隣接した画素間の境界に載置されるナノポストｐ６との断面積が互いに同一である。
一方、画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４それぞれの４コーナ、すなわち、４領域が交差する位置に配置されたナノポストｐ９は、同じ断面積を有する。
このような分布は、ベイヤーパターンの画素配列に起因する。青色画素１１２と赤色画素１１３は、いずれも第１方向（Ｘ方向）と第２方向（Ｙ方向）に隣接した画素が緑色画素１１１、１１４であって、同一であり、一方、第１緑色画素１１１は、第１方向（Ｘ方向）に隣接した画素が青色画素１１２であり、第２方向（Ｙ方向）に隣接した画素が赤色画素１１３であって、互いに異なり、第２緑色画素１１４は、第１方向（Ｘ方向）に隣接した画素が赤色画素１１３であり、第２方向（Ｙ方向）に隣接した画素が青色画素１１２であって、互いに異なる。そして、第１及び第２緑色画素１１１、１１４は、４つの対角方向に隣接する画素が緑色画素であり、青色画素１１２は、４つの対角方向に隣接する画素が赤色画素１１３であって、互いに同一であり、赤色画素１１３は、４つの対角方向に隣接する画素が青色画素１１２であって、互いに同一である。したがって、青色画素１１２と赤色画素１１３に対応する青色及び赤色画素対応領域１３２、１３３では、４回対称(4-fold symmetry)の形態にナノポストＮＰが配列され、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４では、２回対称(2-fold symmetry)の形態にナノポストＮＰが配列されうる。特に、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４は、互いに対して９０°回転されている。
図６Ｂ及び図６ＣのナノポストＮＰは、いずれも対称的な円形の断面形状を有するように図示されているが、非対称の断面形状を有するナノポストが一部含まれる。例えば、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４には、第１方向（Ｘ方向）と第２方向（Ｙ方向）の幅が互いに異なる非対称断面形状を有するナノポストが採用され、青色及び赤色画素対応領域１３２、１３３には、第１方向（Ｘ方向）と第２方向（Ｙ方向）の幅が同じ対称的な断面形状を有するナノポストが採用されうる。
前述したナノポストＮＰの配列規則は、一例示であり、図示されたパターンに限定されるものではない。
図７Ａは、色分離レンズアレイ１３０を通過した緑色光及び青色光の位相分布を図６ＢのＩ－Ｉ’線に沿って示し、図７Ｂは、色分離レンズアレイ１３０を通過した緑色光の画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４中心での位相を示し、図７Ｃは、色分離レンズアレイ１３０を通過した青色光の画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４中心での位相を示す。図７Ａの緑色光及び青色光の位相分布は、図３Ｂにおいて例示的に説明した第１及び第２波長光の位相分布と類似している。
図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、色分離レンズアレイ１３０を通過した緑色光は、第１緑色画素対応領域１３１の中心で最も大きく、第１緑色画素対応領域１３１の中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有することができる。具体的に、色分離レンズアレイ１３０を通過した直後の位置、すなわち、色分離レンズアレイ１３０の下部表面またはスペーサ層１２０の上面で、緑色光の位相が、第１緑色画素対応領域１３１の中心で最も大きく、第１緑色画素対応領域１３１の中心から遠ざかるほど同心円状に徐々に小さくなり、Ｘ方向及びＹ方向では、青色及び赤色画素対応領域１３２、１３３の中心で最小となり、対角線方向では、第１緑色画素対応領域１３１と第２緑色画素対応領域１３４との接点で最小となる。第１緑色画素対応領域１３１中心で出射される緑色光の位相を基準として２πと決定すれば、青色及び赤色画素対応領域１３２、１３３の中心では、位相が０．９π～１．１π、第２緑色画素対応領域１３４中心では、位相が２π、第１緑色画素対応領域１３１と第２緑色画素対応領域１３４との接点では、位相が１．１π～１．５πである光が出射されうる。一方、第１緑色光位相分布ＰＰＧ１は、第１緑色画素対応領域１３１中心を通過した光の位相遅延量が最も大きいということを意味するものではなく、第１緑色画素対応領域１３１を通過した光の位相を２πと決定したとき、他の位置を通過した光の位相遅延がさらに大きく、２πよりも大きい位相値を有するならば、２ｎπほど除去して残った値、すなわち、ラップ(Wrap)された位相の分布でもある。例えば、第１緑色画素対応領域１３１を通過した光の位相を２πとしたとき、青色画素対応領域１３２の中心を通過した光の位相が３πであれば、青色画素対応領域１３２での位相は、３πから２π（ｎ＝１である場合）を除去して残ったπでもある。
図７Ａ及び図７Ｃを参照すれば、色分離レンズアレイ１３０を通過した青色光は、青色画素対応領域１３２の中心で最も大きく、青色画素対応領域１３２の中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有することができる。具体的に、色分離レンズアレイ１３０を透過した直後の位置で青色光の位相が、青色画素対応領域１３２の中心で最も大きく、青色画素対応領域１３２の中心から遠ざかるほど同心円状に徐々に小さくなり、Ｘ方向及びＹ方向では、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４の中心で最小となり、対角線方向では、赤色画素対応領域１３３の中心で最小となる。青色光の青色画素対応領域１３２中心での位相を２πとすれば、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４の中心での位相は、例えば、０．５π～０．９πでもあり、赤色画素対応領域１３３中心での位相は、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４の中心での位相よりも小さい値、例えば、０．２π～０．８πでもある。
青色光の位相分布ＰＰｂは、前述した緑色光の第１位相分布ＰＰＧ１と異なり、その理由は、図３Ａ及び図３Ｂで説明したように、色分離レンズアレイ１３０による青色光の焦点距離を緑色光の焦点距離と同様になるように、色分離レンズアレイ１３０が設計されるためである。スペーサ層１２０の厚さを、緑色光焦点距離を基準に決定した場合、青色光の焦点距離も緑色光の焦点距離と同様に調整することで、緑色光及び青色光が同一距離に集光されることにより、青色画素１１２が２つ以上の光感知セルを含む自動焦点画素であるとき、自動焦点調節能が向上しうる。補正された青色光の焦点距離は、緑色光の焦点距離の９０％～１１０％、または９５％～１０５％である。
緑色光の第１位相分布ＰＰＧ１と青色光の位相分布ＰＰｂとを比較すれば、第１緑色画素対応領域１３１の中心を通過した緑色光の位相と、青色画素対応領域１３２の中心を通過した緑色光の位相との差は、青色画素対応領域１３２の中心を通過した青色光の位相と、第１緑色画素対応領域１３１の中心を通過した青色光の位相との差よりも小さく、例えば、０．１π～０．６πほど小さい。
言い換えて表現すれば、色分離レンズアレイ１３０による緑色光の第１位相分布ＰＰＧ１と青色光の位相分布ＰＰｂは、互いに異なり、青色光のＸ方向に対する位相減少率が緑色光のＸ方向に対する位相減少率よりも大きい。
また、第１緑色画素対応領域１３１の中心を通過した緑色光の位相と、青色画素対応領域１３２の中心を通過した緑色光の位相との差は、青色画素対応領域１３２の中心を通過した青色光の位相と、第１緑色画素対応領域１３１の中心を通過した青色光の位相との差の６０％～９０％でもある。
図７Ｄは、第１緑色光集光領域に入射した緑色光の進行方向を例示的に示し、図７Ｅは、第１緑色光集光領域のアレイを例示的に示す。
第１緑色画素対応領域１３１周辺に入射した緑色光は、色分離レンズアレイ１３０によって図７Ｄに図示したように、第１緑色画素１１１に集光され、第１緑色画素１１１には、第１緑色画素対応領域１３１以外にも、青色及び赤色画素対応領域１３２、１３３からの緑色光が入射される。すなわち、図７Ａ及び図７Ｂで説明した緑色光の位相分布は、第１緑色画素対応領域１３１と一辺を当接して隣接した２つの青色画素対応領域１３２と、２つの赤色画素対応領域１３３の中心を連結した第１緑色光集光領域ＧＬ１を通過した緑色光を第１緑色画素１１１に集光する。したがって、図７Ｅに図示されたように、色分離レンズアレイ１３０は、第１緑色画素１１１に緑色光を集光する第１緑色光集光領域ＧＬ１アレイとして動作することができる。第１緑色光集光領域ＧＬ１は、対応する第１緑色画素１１１より面積が大きく、例えば、１．２倍～２倍大きくもなる。
図７Ｆは、青色光集光領域に入射した青色光の進行方向を例示的に示し、図７Ｇは、青色光集光領域のアレイを例示的に示す。
青色光は、色分離レンズアレイ１３０によって図７Ｆのように青色画素１１２に集光され、青色画素１１２には、画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４からの青色光が入射される。前記図７Ａ及び図７Ｃで説明した青色光の位相分布は、青色画素対応領域１３２と頂点を突き合わせて隣接した４個の赤色画素対応領域１３３の中心を連結して作った青色光集光領域ＢＬを通過した青色光を青色画素１１２に集光する。したがって、図７Ｇに図示されたように、色分離レンズアレイ１３０は、青色画素１１２に青色光を集光する青色光集光領域ＢＬアレイとして動作することができる。青色光集光領域ＢＬは、対応する青色画素１１２よりも面積が大きく、例えば、１．５倍～４倍大きくもなる。青色光集光領域ＢＬは、一部領域が第１及び第２緑色光集光領域ＧＬ１、ＧＬ２及び赤色光集光領域ＲＬと重畳されうる。
第１緑色光集光領域ＧＬ１を通過した緑色光の位相分布と、青色光集光領域ＢＬを通過した青色光の位相分布とを比較すれば、第１緑色光集光領域ＧＬ１の中心を通過した緑色光と、第１緑色光集光領域ＧＬ１の中心からセンサ基板の画素ピッチほど離隔された位置、例えば、青色画素対応領域１３２の中心を通過した緑色光の位相差は、青色光集光領域ＢＬの中心を通過した青色光と、青色光集光領域ＢＬの中心からセンサ基板の画素ピッチほど離隔された位置、例えば、第１緑色光対応領域１３１の中心を通過した青色光の位相差よりも小さい。これと同様に、第１緑色光集光領域ＧＬ１の中心を通過した緑色光と第１緑色光集光領域ＧＬ１の中心からセンサ基板１１０の画素ピッチの１／２（すなわち、Pixel Pitchの半分）ほど離隔された位置、例えば、第１緑色画素対応領域１３１と青色画素対応領域１３２との接線の中心を通過した緑色光の位相差は、青色光集光領域ＢＬの中心を通過した青色光と、青色光集光領域ＢＬの中心からセンサ基板１１０の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置、例えば、第１緑色画素対応領域１３１と青色画素対応領域１３２との接線の中心を通過した青色光の位相差よりも小さい。
図８Ａは、色分離レンズアレイ１３０を通過した赤色光及び緑色光の位相分布を図６ＢのＩＩ－ＩＩ’線に沿って示し、図８Ｂは、色分離レンズアレイ１３０を通過した赤色光の画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４中心での位相を示し、図８Ｃは、色分離レンズアレイ１３０を通過した緑色光の画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４中心での位相を示す。
図８Ａ及び図８Ｂを参照すれば、色分離レンズアレイ１３０を通過した赤色光は、赤色画素対応領域１３３の中心で最も大きく、赤色画素対応領域１３３の中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有することができる。具体的に、色分離レンズアレイ１３０を透過した直後の位置で赤色光の位相が、赤色画素対応領域１３３の中心で最も大きく、赤色画素対応領域１３３の中心から遠ざかるほど同心円状に徐々に小さくなり、Ｘ方向及びＹ方向では、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４の中心で最小となり、対角線方向では、青色画素対応領域１３２の中心で最小となる。赤色光の赤色画素対応領域１３３中心での位相を２πとすれば、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４の中心での位相は、例えば、１．１π～１．５πでもあり、青色画素対応領域１３２中心での位相は、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４の中心での位相よりも小さい値、例えば、１．３π～０．９πでもある。
赤色光の位相分布ＰＰＲは、前述した緑色光の第１位相分布ＰＰＧ１と異なり、その理由は、図３Ａ及び図３Ｂで説明したように、色分離レンズアレイ１３０による赤色光の焦点距離を緑色光の焦点距離と同様になるように色分離レンズアレイ１３０が設計されるためである。スペーサ層１２０の厚さを、緑色光焦点距離を基準に決定した場合、赤色光の焦点距離も緑色光の焦点距離と同様に調整することで、緑色光及び赤色光が同一距離に集光されることにより、赤色画素が２つ以上の光感知セルを含む自動焦点画素であるとき、自動焦点調節能が向上しうる。補正された赤色光の焦点距離は、緑色光の焦点距離の９０％～１１０％、または９５％～１０５％である。
図８Ａ及び図８Ｃを参照すれば、色分離レンズアレイ１３０を通過した緑色光は、第２緑色画素対応領域１３４の中心で最も大きく、第２緑色画素対応領域１３４の中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有することができる。図７Ａの緑色光の第１位相分布ＰＰＧ１と図８Ａの緑色光の第２位相分布ＰＰＧ２とを比較すれば、緑色光の第２位相分布ＰＰＧ２は、緑色光の第１位相分布ＰＰＧ１をＸ方向及びＹ方向に１画素ピッチほど平行移動したところと同一である。すなわち、緑色光の第１位相分布ＰＰＧ１は、第１緑色画素対応領域１３１の中心から位相が最も大きく、一方、緑色光の第２位相分布ＰＰＧ２は、第１緑色画素対応領域１３１の中心でＸ方向及びＹ方向に１画素ピッチほど離れた第２緑色画素対応領域１３１の中心で位相が最も大きい。画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４中心での位相を示す図７Ｂと図８Ｃの位相分布は同一である。さらに第２緑色画素対応領域１３４を基準に緑色光の位相分布を説明すれば、緑色光の第２緑色画素対応領域１３１中心から出射される光の位相を基準として２πと決定すれば、青色及び赤色画素対応領域１３２、１３３中心では、位相が０．９π～１．１π、第１緑色画素対応領域１３１中心では位相が２π、第１緑色画素対応領域１３１と第２緑色画素対応領域１３４との接点では位相が１．１π～１．５πである光が出射されうる。
赤色光の位相分布ＰＰＲと緑色光の第２位相分布ＰＰＧ２とを比較すれば、第２緑色画素対応領域１３４の中心を通過した緑色光の位相と、赤色画素対応領域１３３の中心を通過した緑色光の位相との差は、赤色画素対応領域１３３の中心を通過した赤色光の位相と、第２緑色画素対応領域１３４の中心を通過した赤色光の位相との差よりも大きくなり、例えば、０．１π～０．５πほど大きくもなる。
言い換えて表現すれば、色分離レンズアレイ１３０による緑色光の第２位相分布ＰＰＧ２と赤色光の位相分布ＰＰＲは、互いに異なり、緑色光のＸ方向に対する位相減少率が赤色光のＸ方向に対する位相減少率よりも大きい。
また、第２緑色画素対応領域１３４の中心を通過した緑色光の位相と、赤色画素対応領域１３３の中心を通過した緑色光の位相との差は、赤色画素対応領域１３３の中心を通過した赤色光の位相と、第２緑色画素対応領域１３４の中心を通過した赤色光の位相との差の１１０％～１５０％でもある。
図８Ｄは、赤色光集光領域に入射した赤色光の進行方向を例示的に示し、図８Ｅは、赤色光集光領域のアレイを例示的に示す。
赤色光は、色分離レンズアレイ１３０によって、図８Ｄのように赤色画素１１３に集光され、赤色画素１１３には、画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４からの赤色光が入射される。前記図８Ａ及び図８Ｂで説明した赤色光の位相分布は、赤色画素対応領域１３３と頂点を突き合わせて隣接した４個の青色画素対応領域１３２の中心を連結して作った赤色光集光領域ＲＬを通過した赤色光を赤色画素１１３に集光する。したがって、図８Ｅに図示されたように、色分離レンズアレイ１３０は、赤色画素に赤色光を集光する赤色光集光領域ＲＬアレイとして動作することができる。赤色光集光領域ＲＬは、対応する赤色画素１１３よりも面積が大きく、例えば、１．５～４倍大きくもなる。赤色光集光領域ＲＬは、一部領域が第１及び第２緑色光集光領域ＧＬ１、ＧＬ２及び青色光集光領域ＢＬと重畳されうる。
図８Ｆは、第２緑色光集光領域に入射した緑色光の進行方向を例示的に示し、図８Ｇは、第２緑色光集光領域のアレイを例示的に示す。
図８Ｆ及び図８Ｇを参照すれば、第２緑色画素対応領域１３４周辺に入射した緑色光は、第１緑色画素対応領域１３１周辺に入射した緑色光について説明したところと同様に進み、図８Ｆに図示したように、第２緑色画素１１４に集光される。したがって、図８Ｇに図示されたように、色分離レンズアレイ１３０は、第２緑色画素１１４に緑色光を集光する第２緑色光集光領域ＧＬ２アレイとして動作することができる。第２緑色光集光領域ＧＬ２は、対応する第２緑色画素１１４よりも面積が大きく、例えば、１．２倍～２倍大きくもなる。
第２緑色光集光領域ＧＬ２を通過した緑色光の位相分布と、赤色光集光領域ＲＬを通過した赤色光の位相分布とを比較すれば、第２緑色光集光領域ＧＬ２の中心を通過した緑色光と、第２緑色光集光領域ＧＬ２の中心からセンサ基板１１０の画素ピッチほど離隔された位置、例えば、赤色画素対応領域１３３の中心を通過した緑色光との位相差は、赤色光集光領域ＲＬの中心を通過した赤色光と、赤色光集光領域ＲＬの中心からセンサ基板１１０の画素ピッチほど離隔された位置、例えば、第２緑色光対応領域１３４を通過した赤色光との位相差より大きくもなる。これと同様に、第２緑色光集光領域ＧＬ２の中心を通過した緑色光と、第２緑色光集光領域ＧＬ２の中心からセンサ基板の画素ピッチの１／２（すなわち、Pixel Pitchの半分）ほど離隔された位置、例えば、第２緑色画素対応領域１３１と赤色画素対応領域１３３との接線の中心を通過した緑色光との位相差は、赤色光集光領域ＲＬの中心を通過した赤色光と、赤色光集光領域ＲＬの中心からセンサ基板の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置、例えば、第２緑色画素対応領域１３４と赤色画素対応領域１３３との接線の中心を通過した赤色光との位相差より大きくもなる。
図９Ａないし図９Ｃは、集光領域の焦点距離と自動焦点機能との関係を説明するための図面である。
前述したように、集光領域を共有する２つ以上の光感知セルを含む画素を用いて焦点調節に必要な信号を得ることができる。具体的に、１つの画素に含まれて集光領域を共有する２つの光感知セルのうち、いずれか一側に配置された光感知セル、例えば、第１光感知セル１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａが感知した信号と、他側に配置された光感知セル、例えば、第２光感知セル１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１１４ｂが感知した信号の差を分析してイメージセンサ１０００が焦点を合わせるように情報を提供することができる。この際、集光領域ＧＬ１、ＧＬ２、ＢＬ、ＲＬの焦点距離が色分離レンズアレイ１３０とセンサ基板１１０との距離、すなわち、スペーサ層１２０の厚さと類似していて初めて、第１光感知セル１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａと第２光感知セル１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１１４ｂとの間の信号が明確に区分されて自動焦点調節能が向上しうる。
図９Ａは、青色光集光領域ＢＬの焦点距離ｆがスペーサ層１２０の厚さ１２０ｈと一致する例を示す。図９Ａを参照すれば、青色光集光領域ＢＬに向かってＡ方向に入射された４５０ｎｍ波長の光は、第２画素１１２の第１光感知セル１１２ａに入射され、Ｂ方向に入射される光は、第２光感知セル１１２ｂに入射されうる。すなわち、第２画素１１２の第１光感知セル１１２ａの感知した信号は、Ａ方向に入射された光の量を示し、第２画素１１２の第２光感知セル１１２ｂの感知した信号は、Ｂ方向に入射された光の量を示す。その場合、入射光の進行方向によって第１及び第２光感知セル１１２ａ、１１２ｂが感知した信号の差が明確に区分されうる。
図９Ｂは、青色光集光領域ＢＬの焦点距離ｆａがスペーサ層１２０の厚さ１２０ｈよりも長い例を示す。そのような現象は、図３Ａ及び図３Ｂを通じて説明したように、スペーサ層１２０の厚さ１２０ｈは、緑色光の焦点距離を基準に決定し、青色光集光領域ＢＬの位相分布は、緑色光集光領域ＧＬ１、ＧＬ２と同一に設計した場合、青色光の焦点距離が緑色光の焦点距離よりも長いことに起因する。図９Ｂを参照すれば、青色光集光領域ＢＬに向かってＡ方向に入射された４５０ｎｍ波長の光は、第２画素１１２の第１光感知セル１１２ａのみならず、第１光感知セル１１２ａ周辺の第２光感知セル１１２ｂに一部光が入射され、Ｂ方向に入射された光も第２光感知セル１１２ｂのみならず、周辺の第１光感知セル１１２ａに入射される。このように青色光集光領域ＢＬの焦点距離がスペーサ層１２０の厚さよりも大きいとき、入射光の進行方向による光感知セル別信号の差が曖昧になる現象が発生して焦点調節能が低下してしまう。
図９Ｃは、青色光集光領域ＢＬの焦点距離ｆｂがスペーサ層１２０の厚さ１２０ｈよりも短い例を示す。そのような現象は、図３Ａ及び図３Ｂを通じて説明したように、スペーサ層１２０の厚さ１２０ｈは、緑色光の焦点距離を基準に決定し、赤色光集光領域ＲＬの位相分布は、緑色光集光領域ＧＬ１、ＧＬ２と同一に設計した場合、赤色光の焦点距離が緑色光の焦点距離よりも短いことに起因する。図９Ｃを参照すれば、青色光集光領域ＢＬに向かってＡ方向に入射された４５０ｎｍ波長の光は、第２画素１１２の第１光感知セル１１２ａのみならず、第１光感知セル１１２ａ周辺の第２光感知セル１１１ｂに一部光が入射され、Ｂ方向に入射された光も第２光感知セル１１２ｂのみならず、周辺の第１光感知セル１１１ａに入射される。このように、青色光集光領域ＢＬの焦点距離が、スペーサ層１２０の厚さよりも大きいときだけではなく、小さいときにも、入射光の進行方向による光感知セル別信号の差が曖昧になって焦点調節能が低下してしまう。すなわち、入射方向によって第１光感知セル１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａと第２光感知セル１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１１４ｂの感知信号が明確に区分されない。
前述した画素アレイ１１００を含むイメージセンサ１０００は、カラーフィルタ、例えば、有機カラーフィルタによる光損失がほとんどないので、画素の大きさが小さくなっても、画素に十分な量の光を提供することができる。したがって、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製作が可能である。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採用されうる。そのような電子装置は、例えば、スマートフォン(smart phone)、携帯電話、携帯電話、PDA(personal digital assistant)、ラップトップ(laptop)、ＰＣ、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)機器、その他、モバイルまたは非モバイルコンピュータ装置でもあり、それらに制限されない。
電子装置は、イメージセンサ１０００以外にも、イメージセンサを制御するプロセッサ、例えば、アプリケーションプロセッサ(AP: Application Processor)をさらに含んでもよく、プロセッサを通じて運用体制または応用プログラムを駆動して多数のハードウェアまたはソフトウェア構成要素を制御し、各種データ処理及び演算を遂行することができる。プロセッサは、GPU (Graphic Processing Unit)及び／またはイメージ信号プロセッサ(Image Signal Processor)をさらに含む。プロセッサにイメージ信号プロセッサが含まれる場合、イメージセンサによって獲得されたイメージ（または映像）を、プロセッサを用いて保存及び／または出力することができる。
図１０は、イメージセンサ１０００を含む電子装置ＥＤ０１の一例を示すブロック図である。図１０を参照すれば、ネットワーク環境ＥＤ００において電子装置ＥＤ０１は、第１ネットワークＥＤ９８（近距離無線通信ネットワークなど）を通じて他の電子装置ＥＤ０２と通信するか、または第２ネットワークＥＤ９９（遠距離無線通信ネットワークなど）を通じてさらに他の電子装置ＥＤ０４及び／または、サーバＥＤ０８と通信することができる。電子装置ＥＤ０１は、サーバＥＤ０８を通じて電子装置ＥＤ０４と通信することができる。電子装置ＥＤ０１は、プロセッサＥＤ２０、メモリＥＤ３０、入力装置ＥＤ５０、音響出力装置ＥＤ５５、表示装置ＥＤ６０、オーディオモジュールＥＤ７０、センサモジュールＥＤ７６、インターフェースＥＤ７７、ハプティックモジュールＥＤ７９、カメラモジュールＥＤ８０、電力管理モジュールＥＤ８８、バッテリＥＤ８９、通信モジュールＥＤ９０、加入者識別モジュールＥＤ９６及び／またはアンテナモジュールＥＤ９７を含む。電子装置ＥＤ０１には、該構成要素のうち、一部（表示装置ＥＤ６０など）が省略されるか、他の構成要素が追加される。該構成要素のうち、一部は、１つの統合された回路として具現されうる。例えば、センサモジュールＥＤ７６（指紋センサ、虹彩センサ、照度センサなど）は、表示装置ＥＤ６０（ディスプレイなど）に埋め込まれて具現されうる。
プロセッサＥＤ２０は、ソフトウェア（プログラムＥＤ４０など）を実行してプロセッサＥＤ２０に連結された電子装置ＥＤ０１のうち、１つまたは複数個の異なる構成要素（ハードウェア、ソフトウェア構成要素など）を制御し、多様なデータ処理または演算を遂行することができる。データ処理または演算の一部として、プロセッサＥＤ２０は、他の構成要素（センサモジュールＥＤ７６、通信モジュールＥＤ９０など）から受信された命令及び／またはデータを揮発性メモリＥＤ３２にロードし、揮発性メモリＥＤ３２に保存された命令及び／またはデータを処理し、結果データを不揮発性メモリＥＤ３４に保存することができる。プロセッサＥＤ２０は、メインプロセッサＥＤ２１（中央処理装置、アプリケーションプロセッサなど）及び、それと独立して、または共に運用可能な補助プロセッサＥＤ２３（グラフィック処理装置、イメージシグナルプロセッサ、センサハブプロセッサ、コミュニケーションプロセッサなど）を含む。補助プロセッサＥＤ２３は、メインプロセッサＥＤ２１よりも電力を少なく使用し、特化された機能を遂行することができる。
補助プロセッサＥＤ２３は、メインプロセッサＥＤ２１がインアクティブ状態（スリープ状態）にある間に、メインプロセッサＥＤ２１の代わりに、または、メインプロセッサＥＤ２１がアクティブ状態（アプリケーション実行状態）にある間に、メインプロセッサＥＤ２１と共に、電子装置ＥＤ０１の構成要素のうち、一部構成要素（表示装置ＥＤ６０、センサモジュールＥＤ７６、通信モジュールＥＤ９０など）に係わる機能及び／または状態を制御することができる。補助プロセッサＥＤ２３（イメージシグナルプロセッサ、コミュニケーションプロセッサなど）は、機能的に関連した他の構成要素（カメラモジュールＥＤ８０、通信モジュールＥＤ９０など）の一部としても具現される。
メモリＥＤ３０は、電子装置ＥＤ０１の構成要素（プロセッサＥＤ２０、センサモジュールＥＤ７６など）が必要とする多様なデータを保存することができる。データは、例えば、ソフトウェア（プログラムＥＤ４０など）、及びそれに係わる命令に対する入力データ及び／または出力データを含む。メモリＥＤ３０は、揮発性メモリＥＤ３２及び／または不揮発性メモリＥＤ３４を含む。
プログラムＥＤ４０は、メモリＥＤ３０にソフトウェアとして保存され、運用体制ＥＤ４２、ミドルウェアＥＤ４４及び／またはアプリケーションＥＤ４６を含む。
入力装置ＥＤ５０は、電子装置ＥＤ０１の構成要素（プロセッサＥＤ２０など）に使用される命令及び／またはデータを電子装置ＥＤ０１の外部（ユーザなど）から受信することができる。入力装置ＥＤ５０は、マイク、マウス、キーボード、及び／またはデジタルペン（スタイラスペンなど）を含む。
音響出力装置ＥＤ５５は、音響信号を電子装置ＥＤ０１の外部に出力することができる。音響出力装置ＥＤ５５は、スピーカ及び／またはレシーバを含む。スピーカは、マルチメディア再生または録音再生のように一般的な用途として使用され、レシーバは、着信電話を受信するために使用されうる。レシーバは、スピーカの一部に結合されているか、または独立した別途の装置として具現されうる。
表示装置ＥＤ６０は、電子装置ＥＤ０１の外部に情報を視覚的に提供することができる。表示装置ＥＤ６０は、ディスプレイ、ホログラム装置、またはプロジェクタ及び当該装置を制御するための制御回路を含む。表示装置ＥＤ６０は、タッチを感知するように設定されたタッチ回路(Touch Circuitry)、及び／またはタッチによって発生する力の強度を測定するように設定されたセンサ回路（圧力センサなど）を含む。
オーディオモジュールＥＤ７０は、音を電気信号に変換させるか、逆に電気信号を音に変換させうる。オーディオモジュールＥＤ７０は、入力装置ＥＤ５０を通じて音を獲得するか、音響出力装置ＥＤ５５、及び／または電子装置ＥＤ０１と直接または、無線で連結された他の電子装置（電子装置ＥＤ０２など）のスピーカ及び／またはヘッドホーンを通じて音を出力することができる。
センサモジュールＥＤ７６は、電子装置ＥＤ０１の作動状態（電力、温度など）、または外部の環境状態（ユーザ状態など）を感知し、感知された状態に対応する電気信号及び／またはデータ値を生成することができる。センサモジュールＥＤ７６は、ジェスチャーセンサ、ジャイロセンサ、気圧センサ、マグネチックセンサ、加速度センサ、グリップセンサ、近接センサ、カラーセンサ、IR(Infrared)センサ、生体センサ、温度センサ、湿度センサ、及び／または照度センサを含む。
インターフェースＥＤ７７は、電子装置ＥＤ０１が他の電子装置（電子装置ＥＤ０２など）と直接または、無線で連結されるために使用される１つまたは複数の指定されたプロトコルを支援することができる。インターフェースＥＤ７７は、HDMI(High Definition Multimedia Interface)（登録商標）、USB(Universal Serial Bus)インターフェース、ＳＤカードインターフェース、及び／またはオーディオインターフェースを含む。
連結端子ＥＤ７８は、電子装置ＥＤ０１が他の電子装置（電子装置ＥＤ０２など）と物理的に連結されうるコネクタを含む。連結端子ＥＤ７８は、ＨＤＭＩ（登録商標）コネクタ、ＵＳＢコネクタ、ＳＤカードコネクタ、及び／またはオーディオコネクタ（ヘッドホーンコネクタなど）を含む。
ハプティックモジュールＥＤ７９は、電気的信号を、ユーザが触覚または運動感覚を通じて認知することができる機械的な刺激（振動、動きなど）、または電気的な刺激に変換することができる。ハプティックモジュールＥＤ７９は、モータ、圧電素子、及び／または電気刺激装置を含む。
カメラモジュールＥＤ８０は、静止映像及び動画を撮影することができる。カメラモジュールＥＤ８０は、１つまたは複数のレンズを含むレンズアセンブリー、図１のイメージセンサ１０００、イメージシグナルプロセッサ、及び／またはフラッシュを含む。カメラモジュールＥＤ８０に含まれたレンズアセンブリーは、イメージ撮影の対象である被写体から放出される光を収集することができる。
電力管理モジュールＥＤ８８は、電子装置ＥＤ０１に供給される電力を管理することができる。電力管理モジュールＥＤ８８は、PMIC(Power Management Integrated Circuit)の一部として具現されうる。
バッテリＥＤ８９は、電子装置ＥＤ０１の構成要素に電力を供給することができる。バッテリＥＤ８９は、再充電不可能な１次電池、再充電可能な２次電池及び／または燃料電池を含む。
通信モジュールＥＤ９０は、電子装置ＥＤ０１と、他の電子装置（電子装置ＥＤ０２、電子装置ＥＤ０４、サーバＥＤ０８など）との間の直接（有線）通信チャネル及び／または、無線通信チャネルの樹立、及び樹立された通信チャネルを介した通信遂行を支援することができる。通信モジュールＥＤ９０は、プロセッサＥＤ２０（アプリケーションプロセッサなど）と独立して運用され、直接通信及び／または、無線通信を支援する１つまたは複数のコミュニケーションプロセッサを含む。通信モジュールＥＤ９０は、無線通信モジュールＥＤ９２（セルラ通信モジュール、近距離無線通信モジュール、GNSS(Global Navigation Satellite Systemなど）通信モジュール）及び／または有線通信モジュールＥＤ９４(LAN(Local Area Network)通信モジュール、電力線通信モジュールなど）を含む。それらの通信モジュールのうち、当該通信モジュールは、第１ネットワークＥＤ９８（ブルートゥース（登録商標）、WiFi DirectまたはIrDA(Infrared Data Association)のような近距離通信ネットワーク）、または第２ネットワークＥＤ９９（セルラネットワーク、インターネット、またはコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、ＷＡＮなど）のような遠距離通信ネットワーク）を通じて他の電子装置と通信することができる。このような複数種の通信モジュールは、１つの構成要素（単一チップなど）に統合されるか、または互いに別途の複数の構成要素（複数チップ）として具現されうる。無線通信モジュールＥＤ９２は、加入者識別モジュールＥＤ９６に保存された加入者情報（国際モバイル加入者識別子（ＩＭＳＩ）など）を用いて第１ネットワークＥＤ９８及び／または第２ネットワークＥＤ９９のような通信ネットワーク内で電子装置ＥＤ０１を確認及び認証することができる。
アンテナモジュールＥＤ９７は、信号及び／または電力を外部（他の電子装置など）に送信するか、外部から受信することができる。アンテナは、基板（ＰＣＢなど）上に形成された導電性パターンからなる放射体を含む。アンテナモジュールＥＤ９７は、１つまたは複数のアンテナを含む。複数のアンテナが含まれた場合、通信モジュールＥＤ９０によって複数のアンテナのうち、第１ネットワークＥＤ９８及び／または第２ネットワークＥＤ９９のような通信ネットワークで使用される通信方式に適したアンテナが選択されうる。選択されたアンテナを通じて通信モジュールＥＤ９０と他の電子装置との間に信号及び／または電力が送信されるか受信される。アンテナ以外に他の部品（ＲＦＩＣなど）がアンテナモジュールＥＤ９７の一部として含まれる。
構成要素のうち、一部は、周辺機器間の通信方式（バス、GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface)など）を通じて互いに連結され、信号（命令、データなど）を相互交換することができる。
命令またはデータは、第２ネットワークＥＤ９９に連結されたサーバＥＤ０８を通じて電子装置ＥＤ０１と外部の電子装置ＥＤ０４との間に送信または受信されうる。他の電子装置ＥＤ０２、ＥＤ０４は、電子装置ＥＤ０１と同一または異なる種類の装置でもある。電子装置ＥＤ０１で実行される動作の全部または一部は、他の電子装置ＥＤ０２、ＥＤ０４、ＥＤ０８のうち、１つまたは複数の装置で実行されうる。例えば、電子装置ＥＤ０１がある機能やサービスを遂行せねばならないとき、機能またはサービスを自体的に実行させる代わりに、１つまたは複数の他の電子装置に、その機能またはそのサービスの一部または全体の遂行を要請することができる。要請を受信した１つまたは複数の他の電子装置は、要請に係わる追加機能またはサービスを行い、その実行の結果を電子装置ＥＤ０１に伝達することができる。そのために、クラウドコンピューティング、分散コンピューティング、及び／またはクライアント－サーバコンピューティング技術が利用されうる。
図１１は、図１０のカメラモジュールＥＤ８０を例示するブロック図である。図１１を参照すれば、カメラモジュールＥＤ８０は、レンズアセンブリー１１１０、フラッシュ１１２０、イメージセンサ１０００（図１のイメージセンサ１０００など）、イメージスタビライザー１１４０、メモリ１１５０（バッファメモリなど）、及び／またはイメージシグナルプロセッサ１１６０を含む。レンズアセンブリー１１１０は、イメージ撮影の対象である被写体から放出される光を収集することができる。カメラモジュールＥＤ８０は、複数のレンズアセンブリー１１１０を含んでもよく、そのような場合、カメラモジュールＥＤ８０は、デュアルカメラ、３６０°カメラ、または球状カメラ（Spherical Camera）にもなる。複数のレンズアセンブリー１１１０のうち、一部は、同じレンズ属性（画角、焦点距離、自動焦点、Ｆナンバー(F Number)、光学ズームなど）を有するか、または異なるレンズ属性を有することができる。レンズアセンブリー１１１０は、広角レンズまたは望遠レンズを含む。
フラッシュ１１２０は、被写体から放出または反射される光を強化するために使用される光を放出することができる。フラッシュ１１２０は、１つまたは複数の発光ダイオード(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LEDなど）、及び／またはXenon Lampを含む。イメージセンサ１０００は、図１で説明したイメージセンサでもあり、被写体から放出または反射してレンズアセンブリー１１１０を通じて伝達された光を電気的な信号に変換することで、被写体に対応するイメージを獲得することができる。イメージセンサ１０００は、ＲＧＢセンサ、BW(Black and White)センサ、ＩＲセンサ、またはＵＶセンサのように属性の異なるイメージセンサのうち、選択された１つまたは複数のセンサを含む。イメージセンサ１０００に含まれたそれぞれのセンサは、CCD(Charged Coupled Device)センサ及び／またはCMOS(complementary metal oxide semiconductor)センサとして具現されうる。
イメージスタビライザー１１４０は、カメラモジュールＥＤ８０またはそれを含む電子装置１１０１の動きに反応して、レンズアセンブリー１１１０に含まれた１つまたは複数個のレンズまたはイメージセンサ１０００を特定の方向に動かすか、イメージセンサ１０００の動作特性を制御（リードアウト(Read-Out)タイミングの調整など）して動きによる否定的な影響を補償することができる。イメージスタビライザー１１４０は、カメラモジュールＥＤ８０の内部または外部に配置されたジャイロセンサ（図示せず）または加速度センサ（図示せず）を用いてカメラモジュールＥＤ８０または電子装置ＥＤ０１の動きを感知することができる。イメージスタビライザー１１４０は、光学式によっても具現される。
メモリ１１５０は、イメージセンサ１０００を通じて獲得されたイメージの一部または全体データが次のイメージ処理作業のために保存することができる。例えば、複数のイメージが高速獲得される場合、獲得された原本データ(Bayer-Patternedデータ、高解像度データなど）は、メモリ１１５０に保存し、低解像度イメージのみをディスプレイした後、選択された（ユーザ選択など）イメージの原本データがイメージシグナルプロセッサ１１６０に伝達されるようにするのに使用される。メモリ１１５０は、電子装置ＥＤ０１のメモリＥＤ３０に統合されているか、または独立して運用される別途のメモリで構成されうる。
イメージシグナルプロセッサ１１６０は、イメージセンサ１０００を通じて獲得されたイメージまたはメモリ１１５０に保存されたイメージデータに対してイメージ処理を遂行することができる。イメージ処理は、デプスマップ(Depth Map)生成、３次元モデリング、パノラマ生成、特徴点抽出、イメージ合成、及び／またはイメージ補償（ノイズ減少、解像度調整、明るさ調整、ブラリング(Blurring)、シャープニング(Sharpening)、ソフトニング(Softening)など）を含む。イメージシグナルプロセッサ１１６０は、カメラモジュールＥＤ８０に含まれた構成要素（イメージセンサ１０００など）に対する制御（露出時間制御、またはリードアウトタイミング制御など）を遂行することができる。イメージシグナルプロセッサ１１６０によって処理されたイメージは、追加処理のために、メモリ１１５０に再び保存されるか、カメラモジュールＥＤ８０の外部構成要素（メモリＥＤ３０、表示装置ＥＤ６０、電子装置ＥＤ０２、電子装置ＥＤ０４、サーバＥＤ０８など）に提供されうる。イメージシグナルプロセッサ１１６０は、プロセッサＥＤ２０に統合されるか、プロセッサＥＤ２０と独立して運用される別途のプロセッサで構成されうる。イメージシグナルプロセッサ１１６０がプロセッサＥＤ２０と別途のプロセッサで構成された場合、イメージシグナルプロセッサ１１６０によって処理されたイメージは、プロセッサＥＤ２０によって追加のイメージ処理を経た後、表示装置ＥＤ６０を通じて表示されうる。
電子装置ＥＤ０１は、互いに異なる属性または機能を有する複数のカメラモジュールＥＤ８０を含む。そのような場合、複数のカメラモジュールＥＤ８０のうち、１つは、広角カメラであり、他の１つは、望遠カメラでもある。同様に、複数のカメラモジュールＥＤ８０のうち、１つは前面カメラであり、他の１つは後面カメラである。
実施例によるイメージセンサ１０００は、図１２に図示されたモバイルフォンまたはスマートフォン１２００、図１３に図示されたタブレットまたはスマートタブレット１３００、図１４に図示されたデジタルカメラまたはカムコーダ１４００、図１５に図示されたノート型パソコン１５００に、または図１６に図示されたテレビまたはスマートテレビ１６００などに適用されうる。例えば、スマートフォン１２００、またはスマートタブレット１３００は、高解像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む。高解像度カメラを用いて映像内の被写体のデプス情報を抽出するか、映像のアウトフォーカシングを調節するか、映像内の被写体を自動に識別することができる。
また、イメージセンサ１０００は、図１７に図示されたスマート冷蔵庫１７００、図１８に図示された保安カメラ１８００、図１９に図示されたロボット１９００、図２０に図示された医療用カメラ２０００などに適用されうる。例えば、スマート冷蔵庫１７００は、イメージセンサを用いて冷蔵庫内にある食べ物を自動認識し、特定食べ物の存否、入庫または出庫された食べ物の種類などを、スマートフォンを介してユーザに知らせる。保安カメラ１８００は、超高解像度映像を提供し、高い感度を用いて暗い環境でも映像内の事物または人を認識可能にする。ロボット１９００は、人が直接接近することができない災害または産業現場に投入されて高解像度映像を提供することができる。医療用カメラ２０００は、診断または手術のための高解像度映像を提供し、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１０００は、図２１に図示されたように車両２１００に適用されうる。車両２１００は、多様な位置に配置された複数の車両用カメラ２１１０、２１２０、２１３０、２１４０を含み、それぞれの車両用カメラ２１１０、２１２０、２１３０、２１４０は、実施例によるイメージセンサを含む。車両２１００は、複数の車両用カメラ２１１０、２１２０、２１３０、２１４０を用いて車両２１００内部または周辺に係わる多様な情報を運転手に提供し、映像内の事物または人を自動認識して自律走行に必要な情報を提供することができる。
上述した色分離レンズアレイを備え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例に基づいて説明されたとしても、これは、例示的なものに過ぎず、当該分野で通常の知識を有する者であれば、これにより、多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、開示された実施例は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されなければならない。権利範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に開示されており、それと同等な範囲内にある全ての相違点は、権利範囲に含まれているものと解釈されねばならない。
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
１１０ センサ基板
１１１ 第１緑色画素
１１２ 青色画素
１１３ 赤色画素
１１４ 第２緑色画素
１２０ スペーサ層
１３０ 色分離レンズアレイ

Claims (23)

  1. 第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板と、
    入射する光のうち、第１波長光を前記第１画素に集光し、第２波長光を前記第２画素に集光する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、
    前記第１画素に対応する位置に配置された第１画素対応領域と、
    前記第２画素に対応する位置に配置された第２画素対応領域と、を含み、
    前記第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第１波長光との位相差は、前記第１画素対応領域の中心を通過した第２波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光との位相差と異なる、イメージセンサ。
  2. 前記第１画素対応領域を通過した第１波長光は、前記第１画素対応領域の中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有し、
    前記第２画素対応領域を通過した第２波長光は、前記第２画素対応領域の中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記第１波長が前記第２波長よりも長く、
    前記第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第１波長光との位相差は、前記第１画素対応領域の中心を通過した第２波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光との位相差よりも小さい、請求項１または２に記載のイメージセンサ。
  4. 前記第１波長が前記第２波長よりも長く、
    前記第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光と前記第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光との位相差は、前記第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光との位相差の６０％～９０％である、請求項１または２に記載のイメージセンサ。
  5. 前記第１波長が前記第２波長よりも長く、
    前記第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第１波長光との位相差は、０．９π～１．１πであり、
    前記第１画素対応領域の中心を通過した第２波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光との位相差は、１．１π～１．５πである、請求項１または２に記載のイメージセンサ。
  6. 前記第１波長が前記第２波長よりも短く、
    前記第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第１波長光との位相差が前記第１画素対応領域の中心を通過した第２波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光との位相差よりも大きい、請求項１または２に記載のイメージセンサ。
  7. 前記第１波長が前記第２波長よりも短く、
    前記第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第１波長光との位相差は、前記第１画素対応領域の中心を通過した第２波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光との位相差の１１０％～１５０％である、請求項１または２に記載のイメージセンサ。
  8. 前記第１波長が前記第２波長よりも短く、
    前記第１画素対応領域の中心を通過した第１波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第１波長光との位相差は、０．９π～１．１πであり、
    前記第１画素対応領域の中心を通過した第２波長光と前記第２画素対応領域の中心を通過した第２波長光との位相差は、０．６π～０．９πである、請求項１または２に記載のイメージセンサ。
  9. 第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板と、
    入射する光のうち、第１波長光を第１画素に集光するための第１波長光集光領域、及び第２波長光を第２画素に集光するための第２波長光集光領域を含む色分離レンズアレイと、を含み、
    前記第１波長光集光領域の面積は、前記第１画素の面積よりも大きく、
    前記第２波長光集光領域の面積は、前記第２画素の面積よりも大きく、
    前記第２波長光集光領域による第２波長光の第２焦点距離は、前記第１波長光集光領域による第１波長光の第１焦点距離の９０％～１１０％である、イメージセンサ。
  10. 前記第１波長光集光領域を通過した第１波長光は、前記第１波長光集光領域の中心から遠ざかる方向に減少する位相遅延プロファイルを有し、
    前記第２波長光集光領域を通過した第２波長光は、前記第２波長光集光領域の中心から遠ざかる方向に減少する位相遅延プロファイルを有する、請求項９に記載のイメージセンサ。
  11. 前記第１波長光集光領域と前記第２波長光集光領域は、一部領域が重畳される、請求項９または１０に記載のイメージセンサ。
  12. 前記第２焦点距離は、前記第１焦点距離と同一である、請求項９～１１のいずれかに記載のイメージセンサ。
  13. 第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板と、
    入射する光のうち、第１波長光を前記第１画素に集光するための第１波長光集光領域、及び第２波長光を前記第２画素に集光するための第２波長光集光領域を含む色分離レンズアレイと、を含み、
    前記第１波長光集光領域の面積は、前記第１画素の面積よりも大きく、
    前記第２波長光集光領域の面積は、前記第２画素の面積よりも大きく、
    前記第１波長光集光領域を通過した前記第１波長光は、前記第１波長光集光領域の中心において最も大きく、中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有し、
    前記第２波長光集光領域を通過した前記第２波長光は、前記第２波長光集光領域の中心において最も大きく、中心から遠ざかる方向に減少する位相分布を有し、
    前記第１波長光の位相減少率と前記第２波長光の位相減少率とが互いに異なる、イメージセンサ。
  14. 前記第１波長が前記第２波長よりも長く、前記第１波長光の位相減少率が前記第２波長光の位相減少率よりも小さい、請求項１３に記載のイメージセンサ。
  15. 前記第１波長が前記第２波長よりも短く、前記第１波長光の位相減少率が前記第２波長光の位相減少率よりも大きい、請求項１３に記載のイメージセンサ。
  16. 前記第１波長光集光領域と前記第２波長光集光領域は、一部領域が重畳される、請求項１３～１５のいずれかに記載のイメージセンサ。
  17. 第１波長光を感知するための第１画素、及び第２波長光を感知するための第２画素を含むセンサ基板と、
    入射する光のうち、第１波長光を第１画素に集光するための第１波長光集光領域、及び第２波長光を第２画素に集光するための第２波長光集光領域を含む色分離レンズアレイと、を含み、
    前記第１波長光集光領域の中心を通過した第１波長光と、前記第１波長光集光領域の中心から前記センサ基板の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置を通過した第１波長光との位相差は、
    前記第２波長光集光領域の中心を通過した第２波長光と、前記第２波長光集光領域の中心から前記センサ基板の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置を通過した第２波長光との位相差が互いに異なる、イメージセンサ。
  18. 前記第１波長光集光領域の面積は、前記第１画素の面積よりも大きく、
    前記第２波長光集光領域の面積は、前記第２画素の面積よりも大きい、請求項１７に記載のイメージセンサ。
  19. 前記第１波長が前記第２波長よりも長く、
    前記第１波長光集光領域の中心を通過した第１波長光と、前記第１波長光集光領域の中心から前記センサ基板の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置を通過した第１波長光との位相差は、
    前記第２波長光集光領域の中心を通過した第２波長光と、前記第２波長光集光領域の中心から前記センサ基板の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置を通過した第２波長光との位相差よりも小さい、請求項１７または１８に記載のイメージセンサ。
  20. 前記第１波長が前記第２波長よりも短く、
    前記第１波長光集光領域の中心を通過した第１波長光と、前記第１波長光集光領域の中心から前記センサ基板の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置を通過した第１波長光との位相差は、
    前記第２波長光集光領域の中心を通過した第２波長光と、前記第２波長光集光領域の中心から前記センサ基板の画素ピッチの１／２ほど離隔された位置を通過した第２波長光との位相差よりも大きい、請求項１７または１８に記載のイメージセンサ。
  21. 前記第１画素は、第１波長光を感知するための２～１６個の光感知セルを含む、請求項１～２０のいずれかに記載のイメージセンサ。
  22. 前記第２画素は、第２波長光を感知するための２～１６個の光感知セルを含む、請求項１～２１のいずれかに記載のイメージセンサ。
  23. 光学像を電気的信号に変換するイメージセンサ、及び前記イメージセンサの動作を制御し、前記イメージセンサで生成した信号を保存及び出力するプロセッサを含み、
    前記イメージセンサは、請求項１～２２のいずれかに記載のイメージセンサである、電子装置。
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