JP2024035827A - 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】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含むイメージセンサ及びそれを含む電子装置を提供する。【解決手段】イメージセンサは、第１波長の光を感知する第１画素、第１波長より短い第２波長の光を感知する第２画素及び第１波長より長い第３波長の光を感知する第３画素を含み、第１画素ないし第３画素が夫々独立して光を感知する複数の光感知セルを含むセンサ基板と、第１波長、第２波長及び第３波長の光の位相を変更して、それぞれ第１画素、第２画素及び第３画素に集光する色分離レンズアレイと、を含み、色分離レンズアレイ１３０は、第１画素～第３画素と夫々対向する第１画素対応領域１３１～第３画素対応領域１３３を含み、各画素対応領域は、夫々複数の第１ナノポストａ１～第３ナノポストａ３を含む。【選択図】図３Ｅ

Description

本発明は、イメージセンサ及びそれを含む電子装置に関する。
イメージセンサは、通常、カラーフィルタを利用して、入射光の色を感知する。しかし、カラーフィルタは、当該色の光を除いた残り色の光を吸収するため、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は吸収してしまうので、光利用効率が約３３％に過ぎない。イメージセンサのほとんどの光損失は、カラーフィルタで発生することになる。これにより、カラーフィルタを使用せず、イメージセンサの各画素にカラーを分離する方案が試みられている。
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含む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他の課題は、光効率とオートフォーカス性能が改善されたイメージセンサを提供することである。
実施形態によれば、第１波長の光を感知する第１画素、第１波長より短い第２波長の光を感知する第２画素、及び第１波長より長い第３波長の光を感知する第３画素を含み、前記第１ないし第３画素がそれぞれ独立して光を感知する複数の光感知セルを含むセンサ基板と、前記第１波長、第２波長及び第３波長の光の位相を変更して、それぞれ前記第１画素、第２画素及び第３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ないし第３画素とそれぞれ対向する第１ないし第３画素対応領域を含み、前記第１画素対応領域は、複数の第１ナノポストを含み、前記第２画素対応領域は、複数の第２ナノポストを含み、前記第３画素対応領域は、複数の第３ナノポストを含み、前記複数の第２ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第２中心ナノポストは、前記第２画素の中心とオーバーラップされる位置に配置され、前記複数の第３ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第３中心ナノポストは、前記第３画素の中心とオーバーラップされない位置に配置される、イメージセンサが提供される。
前記第２中心ナノポストの幅は、前記第３中心ナノポストの幅以上でもある。
前記第１ないし第３画素には、それぞれ、互いに垂直な第１方向及び第２方向に隣接した光感知セルを分離する形状の隔離構造が具備され、前記第１方向及び第２方向と垂直な第３方向から見るとき、前記第２中心ナノポストは、前記第２画素に具備された隔離構造の中心とオーバーラップされるように配置されうる。
前記複数の第２ナノポストのうち、前記第２中心ナノポストを除いた第２ナノポストは、前記第３方向から見るとき、前記第２画素に具備された隔離構造とオーバーラップされないように配置されうる。
前記複数の第１ナノポストは、いずれも、前記第３方向から見るとき、前記第１画素に具備された隔離構造とオーバーラップされないように配置されうる。
前記複数の第１ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第１中心ナノポストは、他の第１ナノポストより前記第１画素対応領域の中心にさらに近く配置されうる。
前記複数の第２ナノポストのうち、前記第２中心ナノポストと他の第２ナノポストとは、前記第１方向から見るときに部分的にオーバーラップされるように配置され、前記複数の第１ナノポストのうち、前記第１中心ナノポストと他の第１ナノポストとは、前記第１方向から見るときに部分的にオーバーラップされるように配置されうる。
前記オーバーラップされる程度は、前記第２画素対応領域と前記第１画素対応領域とにおいて互いに異なってもいる。
前記第１中心ナノポストの幅は、前記第２中心ナノポストの幅及び前記第３中心ナノポストの幅以下でもある。
前記複数の第３ナノポストのうち、前記第３中心ナノポストは、他の第３ナノポストより前記第３画素対応領域の中心にさらに近く配置されうる。
前記第３中心ナノポストの幅は、前記複数の第１ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第１中心ナノポストの幅以上でもある。
前記複数の第１ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第１中心ナノポストは、前記第３方向から見るとき、前記第１画素に具備された隔離構造の中心とオーバーラップされるように配置されうる。
前記複数の第２ナノポストのうち、前記第２中心ナノポストと他の第２ナノポストとは、前記第１方向から見るときに部分的にオーバーラップされるように配置され、前記複数の第１ナノポストのうち、前記第１中心ナノポストと他の第１ナノポストとは、前記第１方向から見るときに部分的にオーバーラップされるように配置されうる。
前記オーバーラップされる程度は、前記第２画素対応領域と前記第１画素対応領域とにおいて互いに異なってもいる。
前記第１中心ナノポストの幅は、前記第２中心ナノポストの幅以下でもある。
前記複数の第１ないし第３ナノポストそれぞれは、複数層に積層配列されうる。
前記センサ基板は、前記第１波長の光を感知する第４画素をさらに含み、前記第１ないし第４画素は、ベイヤーパターン形態にも配列される。
前記センサ基板と前記色分離レンズアレイとの距離は、前記色分離レンズアレイによる前記第１波長の光の焦点距離よりも短い。
前記イメージセンサは、前記センサ基板と前記色分離レンズアレイとの間に配置されたカラーフィルタをさらに含み、前記色分離レンズアレイと前記カラーフィルタとの距離は、１μｍ以上かつ２μｍ以下でもある。
実施形態によれば、１以上のレンズを含み、被写体の光学相を形成するレンズアセンブリと、前記レンズアセンブリが形成した光学相を電気的信号に変換するイメージセンサと、前記イメージセンサで生成された信号を処理するプロセッサと、を含み、前記イメージセンサは、第１波長の光を感知する第１画素、第１波長より短い第２波長の光を感知する第２画素、及び第１波長より長い第３波長の光を感知する第３画素を含み、前記第１ないし第３画素がそれぞれ独立して光を感知する複数の光感知セルを含むセンサ基板と、前記第１ないし第３画素とそれぞれ対向する第１ないし第３画素対応領域を含み、前記第１画素対応領域は、第１波長の光を前記第１画素に集光するように構成された複数の第１ナノポストを含み、前記第２画素対応領域は、第２波長の光を前記第２画素に集光するように構成された複数の第２ナノポストを含み、前記第３画素対応領域は、第３波長の光を前記第３画素に集光するように構成された複数の第３ナノポストを含む色分離レンズアレイと、を含み、前記複数の第２ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第２中心ナノポストは、前記第２画素の中心とオーバーラップされる位置に配置され、前記複数の第３ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第３中心ナノポストは、前記第３画素の中心とオーバーラップされない位置に配置される、電子装置が提供される。
前述のイメージセンサに具備された色分離レンズアレイは、入射光を吸収または遮断することなく、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が向上しうる。
また、色分離レンズアレイは、イメージセンサの画素のうち、短波長帯域の光をセンシングする画素に集光される光の焦点距離がより短くなる構造を有し、これにより、オートフォーカスコントラストを高めることができる。
さらに、色分離レンズアレイのセンサ基板の各画素は、複数の光感知セルを含み、隣接した光感知セルを分離する隔離構造に向かう光量が減少するので、光効率が向上しうる。
実施形態によるイメージセンサのブロック図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される色分離レンズアレイの概略的な構造と動作を示す概念図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される色分離レンズアレイの概略的な構造と動作を示す概念図である。 実施形態によるイメージセンサの画素アレイによるカラー配列を示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサの画素アレイに具備されるセンサ基板を示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサの画素アレイに具備される色分離レンズアレイを示す平面図である。 色分離レンズアレイの画素対応領域に具備されるナノポストの配列形態を例示的に示す平面図である。 図３Ｄの一部領域を拡大した平面図である。 実施形態によるイメージセンサの画素アレイを異なる断面において示す断面図である。 実施形態によるイメージセンサの画素アレイを異なる断面において示す断面図である。 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４Ａの断面において示す図面である。 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４Ｂの断面において示す図面である。 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。 実施形態によるイメージセンサにおいて、スペーサ層の厚みと、光が集光される領域との関係を説明するための図面である。 実施形態によるイメージセンサにおいて、スペーサ層の厚みと、光が集光される領域との関係を説明するための図面である。 比較例によるイメージセンサの色分離レンズアレイの第１画素対応領域に具備されたナノポストの形状と配列を示す平面図である。 比較例によるイメージセンサのセンサ基板の第２画素に第２波長光が集光される形態をシミュレーションした図面である。 実施形態によるイメージセンサのセンサ基板の第２画素に第２波長光が集光される形態をシミュレーションした図面である。 実施形態によるイメージセンサと、比較例によるイメージセンサとの波長別の量子効率を比較して示すグラフである。 実施形態によるイメージセンサと、比較例によるイメージセンサとのオートフォーカスコントラストを比較して示すグラフである。 実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。 実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。 実施形態による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。 実施形態による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。 図１８Ａのイメージセンサの色分離レンズアレイの第１層のナノポスト配列を示す平面図である。 図１８Ａのイメージセンサの色分離レンズアレイの第２層のナノポスト配列を示す平面図である。 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示すブロック図である。 図１９の電子装置に具備されたカメラモジュールを概略的に示すブロック図である。
以下、添付された図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。以下に述べられる実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、それらの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上、誇張されうる。
以下、「上部」や「上」と記載されたものは、接触してすぐ上にあるものだけでなく、非接触で上にあるものも含む。
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るが、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。当該用語は、構成要素の物質または構造が異なることを限定するものではない。
単数の表現は、文脈上明白に取り立てて意味しない限り、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、特に反対の記載がない限り、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」などの用語は、少なくとも１つの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り具現されたり、ハードウェアとソフトウェアとの結合により具現されたりする。
「前記」の用語、及びそれと類似の指示用語の使用は、単数及び複数の両方に該当するものである。
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、適当な順序で行われてもよい。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り、特許請求の範囲により限定されない限り、当該用語によって権利範囲が限定されるものではない。
図１を参照すれば、イメージセンサ１０００は、画素アレイ１１００と、タイミングコントローラ１０１０と、ロウデコーダ１０２０と、出力回路１０３０とを含む。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、複数のロウと複数のカラムとに沿って、二次元に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。このために、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）とを含むこともできる。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個々のチップにより具現可能である。出力回路１０３０を通じ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ＰＸを含む。画素の配列は、多様な方式により具現可能である。画素アレイ１１００には、入射光を波長別に分離し、複数の画素ＰＸに互いに異なる波長の光を入射させる色分離レンズアレイが具備される。
図２Ａ及び図２Ｂは、実施形態によるイメージセンサに具備される色分離レンズアレイの概略的な構造と動作を示す概念図である。
図２Ａ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って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ＣＳＬＡは、多様な方式により区画可能である。例えば、入射光Ｌｉに含まれる第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と、入射光Ｌｉに含まれる第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とに区画される。第１及び第２画素対応領域Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ１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と対向して配置されうる。他の例として、色分離レンズアレイＣＳＬＡ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と、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とに区画されることも可能である。第１波長集光領域Ｌ１と第２波長集光領域Ｌ２とは、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に含まれる第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２Ｂ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がそれぞれ対応する第１及び第２画素ＰＸ１、ＰＸ２に集光されるようにする。具体的には、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の中心において最も大きく、第１画素対応領域Ｒ１の中心から遠くなる方向、すなわち、第２画素対応領域Ｒ２の方へ減少する位相分布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に配置された凸状の中心部を有するマイクロレンズを通過し、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の中心において最も大きく、第２画素対応領域Ｒ２の中心から遠くなる方向、すなわち、第１画素対応領域Ｒ１の方へ減少する位相分布を有し、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表されるため、色分離レンズアレイＣＳＬＡは、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、同一物質であっても、物質と反応する光の波長によって屈折率が異なっており、物質を通過したときの光の位相遅延も波長ごとに異なっているので、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っており、第１画素対応領域Ｒ１を通過した第１波長光Ｌλ１の位相遅延と、第１画素対応領域Ｒ１を通過した第２波長光Ｌλ２の位相遅延とが互いに異なっているので、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、サイズ（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、当該パラメータは、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によっても決定される。
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、ナノポストＮＰが第２画素対応領域Ｒ２に配置される規則とは、互いに異なっている。すなわち、第１画素対応領域Ｒ１に具備されたナノポストＮＰのサイズ、形状、間隔及び／または配列は、第２画素対応領域Ｒ２に具備されたナノポストＮＰのサイズ、形状、間隔及び／または配列と異なっている。
ナノポストＮＰは、サブ波長の形状寸法を有することができる。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い波長を意味する。ナノポストＮＰは、例えば、第１波長及び第２波長のうち短い波長より小さい寸法を有することができる。ナノポストＮＰは、サブ波長の断面直径を有する円柱状でもある。但し、ナノポストＮＰの形状は、それに限定されず、楕円柱状や多角柱状であってもよい。ナノポストＮＰは、その他、対称または非対称の断面形状を有するポスト形状であってもよい。ナノポストＮＰは、高さ方向（Ｚ方向）に垂直な幅が一定であり、すなわち、高さ方向に平行な断面が長方形であるように示されているが、これは例示的なものである。図示されたところと異なり、ナノポストＮＰは、高さ方向に垂直な幅が一定でなく、例えば、高さ方向に平行な断面が台形または逆台形であってもよい。入射光Ｌｉが可視光である場合、ナノポストＮＰの断面直径は、例えば、４００ｎｍ、３００ｎｍまたは２００ｎｍより小さい寸法を有することができる。一方、ナノポストＮＰの高さは、５００ｎｍないし１５００ｎｍであり、断面直径よりも高さが大きい。図示していないが、ナノポストＮＰは、高さ方向（Ｚ方向）に積層された２以上のポストが結合されたものでもある。ナノポストＮＰの高さは、サブ波長ないし波長の数倍に達する。例えば、ナノポストＮＰの高さは、色分離レンズアレイＣＳＬＡが分岐する波長帯域の中心波長の５倍以下、または４倍以下、または３倍以下でもある。互いに異なる画素対応領域Ｒ１、Ｒ２に具備されたナノポストＮＰは、いずれも同一高さに示されているが、それに限定されるものではなく、ナノポストＮＰの配列形態、幅や個数なども、いずれも例示的なものである。ナノポストＮＰの幅、高さ、個数、配列形態などは、色分離のための位相分布を形成するのに適切に決定され、かつ、細部的な工程条件を考慮して決定される。
ナノポストＮＰの間は、ナノポストＮＰと屈折率が異なる周辺物質層によっても充填される。ナノポストＮＰは、周辺物質より高い屈折率を有する材料を含むものでもある。例えば、ナノポストＮＰは、ｃ－Ｓｉ、ｐ－Ｓｉ、ａ－Ｓｉ、ＩＩＩ－Ｖ化合物半導体（ＧａＰ、ＧａＮ、ＧａＡｓなど）、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、ＳｉＮ及び／またはそれらの組み合わせを含んでもよい。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を通過する光の位相を変化させることができる。これは、ナノポストＮＰのサブ波長の形状寸法によって起こる位相遅延（phase delay）によるものであり、位相が遅延される程度は、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の周辺物質は、ナノポストＮＰより低い屈折率を有する誘電体材料を含むものでもある。例えば、周辺物質は、ＳｉＯ２または空気（air）を含んでもよい。但し、これは例示的であり、ナノポストＮＰが周辺物質より低い屈折率を有するように、ナノポストＮＰと周辺物質との材質が設定されることも可能である。
色分離レンズアレイＣＳＬＡの領域区分、ナノポストＮＰの形状及び配列は、入射光を波長によって分離して複数の画素ＰＸ１、ＰＸ２に集光させる位相分布を形成するように設定可能である。そのような波長分離は、可視光帯域でのカラー分離を含むが、それに限定されず、波長帯域は、可視光ないし赤外線の範囲、またはそれと異なる多様な範囲に拡張されることも可能である。第１波長λ１及び第２波長λ２は、赤外線ないし可視光線の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、多様な波長帯域を含むこともできる。また、２つの波長が分岐されて集光されることを例示したが、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ることも可能である。
また、色分離レンズアレイＣＳＬＡは、ナノポストＮＰが単層に配列された場合を例として説明したが、色分離レンズアレイＣＳＬＡは、ナノポストＮＰが複数層に配列された積層構造を有することもできる。
図３Ａは、実施形態によるイメージセンサの画素アレイによるカラー配列を示す平面図である。
図３Ａに示されたカラー配列は、一般的なイメージセンサで採択されているベイヤーパターン（Bayer Pattern）の配列である。図示されたように、１つの単位パターンは、４つの四分領域（Quadrant region）を含み、第１ないし第４四分面がそれぞれ青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）を表している。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）に沿って二次元的に反復して配列される。そのようなカラー配列のために、２×２アレイ形態の単位パターン内で、一方の対角線方向に２つの緑色画素が配置され、他方の対角線方向にそれぞれ１つの青色画素と１つの赤色画素が配置される。すなわち、複数の緑色画素及び複数の青色画素が第１方向に沿って交互に配列される第１ロウと、複数の赤色画素及び複数の緑色画素が第１方向に沿って交互に配列される第２ロウとが、第２方向に沿って反復して配列されうる。
図３Ａのカラー配列は、例示的なものであり、それに限定されない。例えば、１つの単位パターンにおいて、マゼンタ（Magenta）、シアン（Cyan）、イエロー（Yellow）及び緑色（Green）が表されるＣＹＧＭ方式の配列や、１つの単位パターンにおいて、緑色、赤色、青色及び白色が表されるＲＧＢＷ方式の配列も使用可能である。また、単位パターンが３×２アレイ形態にも具現され、その他にも、画素アレイ１１００の画素は、イメージセンサ１０００の色特性によって、多様な方式により配列可能である。以下では、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可能である。
イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００は、そのようなカラー配列に相応するように、すなわち、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具備する。すなわち、図２Ａ及び図２Ｂで説明した色分離レンズアレイＣＳＬＡによって分離される波長は、赤色波長、緑色波長及び青色波長になるように、領域区分、及びナノポストＮＰの形状、配列が設定されうる。
図３Ｂ及び図３Ｃは、実施形態によるイメージセンサの画素アレイに具備されるセンサ基板及び色分離レンズアレイを示す平面図である。
図３Ｂを参照すれば、センサ基板１１０は、入射光を感知する複数の画素を含む。センサ基板１１０は、複数の単位画素グループ１１０Ｇを含む。単位画素グループ１１０Ｇは、入射光を電気的信号に変換し、映像信号を生成する第１画素１１１、第２画素１１２、第３画素１１３及び第４画素１１４を含むこともできる。単位画素グループ１１０Ｇは、ベイヤーパターン形態の画素配列を有することができる。センサ基板１１０の画素配列は、図３Ａに示されたように、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る。例えば、第１画素１１１及び第４画素１１４は、緑色光を感知する緑色画素であり、第２画素１１２は、青色光を感知する青色画素であり、第３画素１１３は、赤色光を感知する赤色画素である。以下、イメージセンサの画素配列は、センサ基板の画素配列のような意味と混用されて使用される。また、以下、第１画素１１１及び第４画素１１４は、それぞれ第１緑色画素及び第２緑色画素とも称し、第２画素１１２は、青色画素とも称し、第３画素１１３は、赤色画素とも称する。但し、これは、説明の便宜のためのものであり、それに限定されるものではない。
第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれは、独立して入射光を感知する複数の光感知セルを含む。例えば、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれは、第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４を含む。第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４は、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って二次元に配列されうる。例えば、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれにおいて、第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４は、２×２アレイ形態にも配列される。
図３Ｂには、例示的に、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれが４つの光感知セルを含むものと示されているが、４以上の独立した光感知セルが集めて二次元に配列されることも可能である。例えば、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれは、３×３アレイ形態または４×４アレイ形態に集めて配列された複数の独立した光感知セルを含むこともできる。以下、便宜上、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれが２×２アレイ形態に配列された光感知セルを含む場合について説明する。
実施形態によれば、このように同一カラーの光を感知する複数の光感知セルを含む複数の画素のうち一部は、自動焦点画素としても活用される。自動焦点画素において、隣接した光感知セルの出力信号間の差から自動焦点信号が得られる。例えば、第１光感知セルｃ１の出力信号と第２光感知セルｃ２の出力信号との差、第３光感知セルｃ３の出力信号と第４光感知セルｃ４の出力信号との差、または第１光感知セルｃ１の出力信号と第３光感知セルｃ３の出力信号との和と、第２光感知セルｃ２の出力信号と第４光感知セルｃ４の出力信号との和との差から、第１方向（Ｘ方向）の自動焦点信号を生成することができる。また、第１光感知セルｃ１の出力信号と第３光感知セルｃ３の出力信号との差、第２光感知セルｃ２の出力信号と第４光感知セルｃ４の出力信号との差、または第１光感知セルｃ１の出力信号と第２光感知セルｃ２の出力信号との和と、第３光感知セルｃ３の出力信号と第４光感知セルｃ４の出力信号との和との差から、第２方向（Ｙ方向）の自動焦点信号を生成することができる。
一方、一般的な映像信号を得る方法として、Ｓｕｍ ｍｏｄｅとＦｕｌｌ ｍｏｄｅとがある。Ｓｕｍ ｍｏｄｅにおいて、第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の出力信号を加算して、映像信号が得られる。例えば、第１画素１１１の第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の出力信号を加算して、第１緑色映像信号を生成し、第２画素１１２の第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の出力信号を加算して、青色映像信号を生成し、第３画素１１３の第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の出力信号を加算して、赤色映像信号を生成し、第４画素１１４の第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の出力信号を加算して、第２緑色映像信号を生成することができる。Ｆｕｌｌ ｍｏｄｅにおいて、第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４それぞれを個々のピクセルとして、それぞれの出力信号を取得する。その場合、高い解像度のイメージが得られる。
第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４は、隔離構造ＤＴＩによって電気的に分離されうる。隔離構造は、例えば、ディープトレンチ隔離（deep trench isolation）構造として形成される。ディープトレンチは、空気または電気的に絶縁性の材料で充填される。光センシング層を形成した後、光センシング層上に隔離構造ＤＴＩを形成し、電気的に分離された複数のセルを形成することができる。隔離構造は、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４を電気的に分離し、かつ、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれを４つの領域に電気的に分離する構造である。図面に示された十字状の分離線ＳＬは、隔離構造ＤＴＩのうち、特に、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれに含まれ、それらそれぞれを複数個の光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４に分離する隔離構造ＤＴＩの中心線を示している。図面では、隔離構造ＤＴＩが厚みのない線で示されているが、これは、便宜上の図示であり、隔離構造ＤＴＩは、隣接する光感知セルを物理的に離隔する厚みを有する。第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４に含まれた隔離構造ＤＴＩは、光をセンシングしない領域であり、したがって、後述する色分離レンズアレイの設計には、そのような隔離構造による性能低下を減らす方案が考慮されうる。
図３Ｃを参照すれば、色分離レンズアレイ１３０は、複数の画素対応領域を含む。色分離レンズアレイ１３０は、図３Ｂに示したセンサ基板１１０の複数の単位画素グループ１１０Ｇとそれぞれ対応する複数の画素対応グループ１３０Ｇを含む。画素対応グループ１３０Ｇは、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４と対応する第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４を含む。第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４は、それぞれ複数のナノポスト（図示せず）を含む。複数のナノポストは、入射光を波長によって分離し、波長別に対応する第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４に集光するように構成される。図３Ｂで説明したように、第１画素１１１及び第４画素１１４は、それぞれ第１緑色画素及び第２緑色画素であり、第２画素１１２は、青色画素であり、第３画素１１３は、赤色画素である。この場合、第１画素対応領域１３１及び第４画素対応領域１３４は、それぞれ第１緑色画素対応領域及び第２緑色画素対応領域とも称し、第２画素対応領域１３２は、青色画素対応領域とも称し、第３画素対応領域１３３は、赤色画素対応領域とも称する。
色分離レンズアレイ１３０に具備される複数のナノポストの形状及び配列は、そのような波長分離に適している位相分布を形成するように決定される。
図３Ｄは、色分離レンズアレイの画素対応領域に具備されるナノポストの配列形態を例示的に示す平面図であり、図３Ｅは、図３Ｄの一部領域を拡大した平面図である。
図面を参照すれば、画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４は、円状断面を有する円柱状のナノポストを含む。第１画素対応領域１３１は、複数の第１ナノポストＮＰ１を含む。第２画素対応領域１３２は、複数の第２ナノポストＮＰ２を含み、第３画素対応領域１３３は、複数の第３ナノポストＮＰ３を含み、第４画素対応領域１３４は、複数の第４ナノポストＮＰ４を含む。隣接する画素対応領域間の境界に位置するナノポスト、例えば、第１画素対応領域１３１と第２画素対応領域１３２との境界に位置するナノポストは、第１ナノポストＮＰ１または第２ナノポストＮＰ２とも称される。同様に、第１画素対応領域１３１と第３画素対応領域１３３との境界に位置するナノポストも、第１ナノポストＮＰ１または第３ナノポストＮＰ３とも称される。
画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４内に示された十字状の分離線ＳＬは、画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４それぞれと対向する画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれに具備された隔離構造ＤＴＩの中心線であり、説明の便宜上、画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４にオーバーラップして共に示している。
画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４それぞれの中心部には、周辺部に比べて断面積が大きいナノポストが配置される。各画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４において断面積が最も大きいナノポストが、画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４の中心部に配置されうる。複数の第１ナノポストＮＰ１のうち、断面の幅が最も大きい第１中心ナノポストａ１は、中心部に配置される。複数の第２ナノポストＮＰ２のうち、断面の幅が最も大きい第２中心ナノポストａ２も、第２画素対応領域１３２の中心部に配置される。同様に、複数の第３ナノポストＮＰ３のうち、断面の幅が最も大きい第３中心ナノポストａ３、及び複数の第４ナノポストＮＰ４のうち、断面の幅が最も大きい第４中心ナノポストａ４は、それぞれ第３画素対応領域１３３の中心部及び第４画素対応領域１３４の中心部に配置される。
１つの第２画素１１２に具備された第２中心ナノポストａ２は１つであり、第２画素１１２の中心に配置される。第２中心ナノポストａ２は、対向する第２画素１１２に具備された隔離構造ＤＴＩの中心、すなわち、分離線ＳＬの中心と、第３方向（Ｚ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置される。これと異なり、第３画素１１３に具備された第３中心ナノポストａ３は複数個であり、第３画素１１３の中心から離隔されて配置される。第３中心ナノポストａ３は、対向する第３画素１１３の分離線ＳＬの中心と、第３方向（Ｚ方向）から見るとき、オーバーラップされないように配置される。第１画素対応領域１３１及び第４画素対応領域１３４においても、第３画素対応領域１３３と同様に、すなわち、第１中心ナノポストａ１は、対向する第１画素１１１の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされないように配置され、第４中心ナノポストａ４も、対向する第４画素１１４の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされないように配置される。
断面積のサイズは、第２中心ナノポストａ２、第３中心ナノポストａ３及び第１中心ナノポストａ１の順である。第２中心ナノポストａ２の断面の幅は、第３中心ナノポストａ３の断面の幅以上でもある。第３中心ナノポストａ３の幅は、第１中心ナノポストａ１の幅以上でもある。同一カラーを担当する画素対応領域に具備される第１中心ナノポストａ１及び第４中心ナノポストａ４は、互いに同一のサイズを有することができる。第１中心ナノポストａ１、第２中心ナノポストａ２及び第３中心ナノポストａ３の断面の幅をそれぞれｒ１、ｒ２及びｒ３とするとき、ｒ２≧ｒ３≧ｒ１の関係を満足し、例えば、ｒ２＞ｒ３＞ｒ１にもなる。
第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４において、第２中心ナノポストａ２を除いた他のナノポストは、対向する第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれの分離線ＳＬとオーバーラップされないように配置されうる。そのような配置は、それぞれに形成されている隔離構造ＤＴＩによる性能低下を減らすために、ナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４が隔離構造ＤＴＩとオーバーラップされる領域を最小化するためのものである。一方、分離線ＳＬは、物理的な厚みを有する隔離構造ＤＴＩの中心線を意味するので、分離線ＳＬとオーバーラップされないナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４が、隔離構造ＤＴＩと一部オーバーラップされることも可能である。あるいは、第２中心ナノポストａ２を除いたナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４は、全体として、対向する画素内の隔離構造ＤＴＩと全然オーバーラップされないように配置されることも可能である。
第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４間の境界、すなわち、対向する第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４間の境界とオーバーラップされる位置には、図示されたように、ナノポストが配置されることも可能である。すなわち、センサ基板１１０に具備された隔離構造ＤＴＩのうち、１つのカラーを担当する１つの画素内部を区切る隔離構造ではない、互いに異なるカラーに対応する画素単位で区切る隔離構造とオーバーラップされる位置には、ナノポストが配置されうる。あるいは、図示されたところと異なり、第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４間の境界位置にナノポストが配置されない。
一方、第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４それぞれにおいて、その中心ナノポストと周辺ナノポストは、第１方向（Ｘ方向）から見るとき、かつ、第２方向（Ｙ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置されうる。オーバーラップされる程度は、画素対応領域によって異なっている。これについては、図１３及び図１４で再び説明する。
第１中心ナノポストａ１、第２中心ナノポストａ２、第３中心ナノポストａ３及び第４中心ナノポストａ４を除いた他の第１ないし第４ナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４は、いずれも同一サイズに示されているが、これは例示的であり、それに限定されるものではない。
例えば、緑色画素対応領域である第１画素対応領域１３１及び第４画素対応領域１３４それぞれに具備された第１ナノポストＮＰ１及び第４ナノポストＮＰ４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もできる。例えば、第１ナノポストＮＰ１と第４ナノポストＮＰ４は、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って異なるサイズ配列を有することができる。同様に、第４画素対応領域１３４と第３画素対応領域１３３との境界に位置するナノポストの断面積と、第４画素対応領域１３４と第２画素対応領域１３２との境界に位置するナノポストの断面積とは、互いに異なっている。
一方、青色画素対応領域である第２画素対応領域１３２の第２ナノポストＮＰ２、及び赤色画素対応領域である第３画素対応領域１３３の第３ナノポストＮＰ３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。第２画素対応領域１３２と第１画素対応領域１３１との境界に位置するナノポストの断面積と、第２画素対応領域１３２と第４画素対応領域１３４との境界に位置するナノポストの断面積とは、互いに同一である。また、第３画素対応領域１３３と第１画素対応領域１３１との境界に位置するナノポストの断面積と、第３画素対応領域１３３と第４画素対応領域１３４との境界に位置するナノポストの断面積とは、互いに同一である。
第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４内の第１ないし第４ナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４のそのような配置は、ベイヤーパターンの画素配列特徴が反映されたものである。ベイヤーパターンの画素配列において、青色画素１１２と赤色画素１１３は、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に隣接した画素が緑色画素１１１、１１４と同一である。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と互いに異なっており、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１１４と互いに異なっている。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と互いに同一であり、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と互いに同一である。したがって、青色画素１１２及び赤色画素１１３に対応する青色画素対応領域１３２及び赤色画素対応領域１３３では、四方対称（4-fold symmetry）の形態にそれぞれ第２ナノポストＮＰ２及び第３ナノポストＮＰ３が配列され、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４では、二方対称（2-fold symmetry）の形態に第１ナノポストＮＰ１及び第４ナノポストＮＰ４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°回転した形態のナノポストサイズ配列を有することができる。
図示された第１ないし第４ナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４は、いずれも第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）の幅が同一である対称的な断面形状を有するものと示されているが、これと異なり、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４の第１及び第４ナノポストＮＰ１、ＮＰ４は、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）の幅が互いに異なる非対称的な断面形状を有することもできる。
第１ないし第４ナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４の配列形態は、画素配列に相応する波長分離のための一例示であり、例示された説明や図示されたパターンに限定されるものではない。
図４Ａ及び図４Ｂは、図１のイメージセンサの画素アレイ１１００をそれぞれ異なる断面において示す断面図である。図４Ａは、図３ＤのＡＡ断面を示し、図４Ｂは、図３ＤのＢＢ断面を示している。
図４Ａ及び図４Ｂを参照すれば、イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００は、センサ基板１１０と、センサ基板１１０上に配置された色分離レンズアレイ１３０とを含む。
センサ基板１１０は、図３Ｂで説明したように、光をセンシングする第１画素１１１、第２画素１１２、第３画素１１３及び第４画素１１４を含み、第１画素１１１、第２画素１１２、第３画素１１３及び第４画素１１４は、それぞれ複数の光感知セルを含む。
色分離レンズアレイ１３０は、第１画素対応領域１３１に複数の第１ナノポストＮＰ１を含み、第２画素対応領域１３２に複数の第２ナノポストＮＰ２を含み、第３画素対応領域１３３に複数の第３ナノポストＮＰ３を含み、第４画素対応領域１３４に複数の第４ナノポストＮＰ４を含む。第１ないし第４ナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４には、共通して前述のナノポストＮＰに係わる説明が適用される。
センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との間には、透明なスペーサ層１２０が配置されうる。図示していないが、センサ基板１１０とスペーサ層１２０との間には、カラーフィルタアレイがさらに配置されてもよい。カラーフィルタアレイは、赤色フィルタ、緑色フィルタ及び青色フィルタを含み、当該フィルタは、例えば、図３Ａに示したようなカラー配列に相応する形態にも配列される。実施形態において、色分離レンズアレイ１３０がカラー分離を行うので、カラーフィルタアレイがさらに具備される場合、色分離レンズアレイ１３０によるカラー分離時に表される一部誤差を補完し、色純度を高める役割を行うことができる。
スペーサ層１２０は、色分離レンズアレイ１３０を支持し、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との距離、すなわち、センサ基板１１０の上面と色分離レンズアレイ１３０の下面との距離要件を満たす厚みｄを有することができる。したがって、スペーサ層１２０の厚みは、色分離レンズアレイ１３０とセンサ基板１１０との間にカラーフィルタアレイが具備されるか否かによって異なっている。
スペーサ層１２０は、可視光に対して透明な物質、例えば、ＳｉＯ２、ＳＯＧ（siloxane-based spin on glass）など、ナノポストＮＰより低い屈折率を有し、かつ可視光帯域において吸収率が低い誘電体物質を含んでもよい。ナノポストＮＰの間に充填された周辺物質層が、ナノポストＮＰより高い屈折率の物質を含む場合、スペーサ層１２０は、当該周辺物質層より低い屈折率の物質を含む。
スペーサ層１２０の厚みｄ、すなわち、色分離レンズアレイ１３０の下面とセンサ基板１１０の上面との距離は、色分離レンズアレイ１３０によって集光される光の焦点距離を基準に決定され、例えば、後述するように、基準波長λ０の光の焦点距離の１／２以下または焦点距離以下でもある。色分離レンズアレイ１３０によって集光される基準波長λ０の光の焦点距離ｆは、基準波長λ０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、以下の数式１で表される。
基準波長λ０を緑色光である５４０ｎｍ、画素１１１、１１２、１１３、１１４のピッチを０．８μｍ、５４０ｎｍの波長の光に対するスペーサ層１２０の屈折率ｎを１．４６と仮定すれば、緑色光の焦点距離ｆ、すなわち、色分離レンズアレイ１３０の下部表面と緑色光が収束する地点との距離は、約１．６４μｍでもあり、スペーサ層１２０の厚みｄは、０．８２μｍでもある。他の例として、基準波長λ０を緑色光である５４０ｎｍ、画素１１１、１１２、１１３、１１４のピッチを１．２μｍ、５４０ｎｍの波長の光に対するスペーサ層１２０の屈折率ｎを１．４６と仮定すれば、緑色光の焦点距離ｆは、約３．８０μｍでもあり、スペーサ層１２０の厚みｄは、１．９０μｍまたはそれ以下でもある。
言い換えれば、前述のスペーサ層１２０の厚みｄに関し、スペーサ層１２０の厚みｄは、画素ピッチが０．５μｍないし０．９μｍであるとき、画素ピッチの７０％ないし１２０％でもあり、画素ピッチが０．９μｍないし１．３μｍであるとき、画素ピッチの１１０％ないし１８０％でもある。
センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との間にカラーフィルタアレイが配置される場合、カラーフィルタアレイの厚みを考慮して、スペーサ層１２０の厚みは、色分離レンズアレイ１３０が分離する波長帯域のうち中心波長の光の色分離レンズアレイ１３０による焦点距離より小さく設定されうる。例えば、前記厚みは、色分離レンズアレイ１３０による緑色光の焦点距離より小さく設定される。
図示していないが、スペーサ層１２０と色分離レンズアレイ１３０との間には、エッチング停止層がさらに具備されてもよい。エッチング停止層は、色分離レンズアレイ１３０の製造工程において、色分離レンズアレイ１３０の下部構造物であるスペーサ層１２０を保護するために具備される。例えば、エッチング停止層により、色分離レンズアレイ１３０の下面とセンサ基板１１０の上面との距離要件がよく維持される。
また、色分離レンズアレイ１３０上には、色分離レンズアレイ１３０を保護する保護層がさらに配置されてもよい。保護層は、反射防止層の役割を行う物質を含むこともできる。
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の上部に配置され、青色画素対応領域１３２は、青色画素１１２に対応し、青色画素１１２の上部に配置され、赤色画素対応領域１３３は、赤色画素１１３に対応し、赤色画素１１３の上部に配置され、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の上部に配置される。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と対向して配置されうる。画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４は、図３Ｃに示したように、第１緑色画素対応領域１３１及び青色画素対応領域１３２が交互に配列される第１ロウと、赤色画素対応領域１３３及び第２緑色画素対応領域１３４が交互に配列される第２ロウとが交互に反復するように、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って二次元に配列されうる。
一方、色分離レンズアレイ１３０の領域は、図２Ａで説明したところと類似の概念により、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を含むものと説明される。
色分離レンズアレイ１３０に具備された複数の第１ないし第４ナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４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、サイズ、形状、間隔及び／または配列が決定される。図３Ｄ、図４Ａ及び図４Ｂに示された色分離レンズアレイ１３０は、そのような色分離のための一例を示すものである。
図５Ａ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４Ａの断面において示す。
図５Ａ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の中心において最も大きく、第１緑色画素対応領域１３１の中心から遠くなる方向に減少する第１緑色光位相分布ＰＰＧ１を有することができる。具体的には、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の上部表面において、緑色光の位相が、第１緑色画素対応領域１３１の中心において最も大きく、第１緑色画素対応領域１３１の中心から遠くなるほど同心円状に次第に小さくなり、Ｘ方向及びＹ方向には、青色及び赤色画素対応領域１３２、１３３の中心において最小になり、対角線方向には、第１緑色画素対応領域１３１と第２緑色画素対応領域１３４との接点において最小になる。緑色光の位相を、第１緑色画素対応領域１３１の中心から出射される光の位相を基準として２πと設定すれば、青色及び赤色画素対応領域１３２、１３３の中心から、位相が０．９πないし１．１πである光が出射され、第２緑色画素対応領域１３４の中心から、位相が２πである光が出射され、第１緑色画素対応領域１３１と第２緑色画素対応領域１３４との接点から、位相が１．１πないし１．５πである光が出射される。したがって、第１緑色画素対応領域１３１の中心を通過した緑色光と、青色及び赤色画素対応領域１３２、１３３の中心を通過した緑色光との位相差は、０．９πないし１．１πでもある。
一方、第１緑色光位相分布ＰＰＧ１は、第１緑色画素対応領域１３１の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と設定したとき、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の場合）を除去して残ったπでもある。
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の中心において最も大きく、青色画素対応領域１３２の中心から遠くなる方向に減少する青色光位相分布ＰＰＢを有することができる。具体的には、色分離レンズアレイ１３０を透過した直後の位置において、青色光の位相が、青色画素対応領域１３２の中心において最も大きく、青色画素対応領域１３２の中心から遠くなるほど同心円状に次第に小さくなり、Ｘ方向及びＹ方向には、第１及び第２緑色画素対応領域１３１、１３４の中心において最小になり、対角線方向には、赤色画素対応領域１３３の中心において最小になる。青色光の青色画素対応領域１３２の中心での位相を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、０．９πないし１．１πでもあり、赤色画素対応領域１３３の中心での位相は、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小さい値、例えば、０．５πないし０．９πでもある。
図５Ｂ及び図５Ｃは、それぞれ第１緑色光集光領域に入射した緑色光の進行方向及び第１緑色光集光領域のアレイを例示的に示し、図５Ｄ及び図５Ｅは、それぞれ青色光集光領域に入射した青色光の進行方向及び青色光集光領域のアレイを例示的に示す図面である。
第１緑色画素対応領域１３１及びその周辺に入射した緑色光は、色分離レンズアレイ１３０により、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から緑色光が入射する。すなわち、図５Ａ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と一辺を突き合わせて隣接した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と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５Ｃに示されたように、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の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倍ないし２倍大きい。
青色光は、色分離レンズアレイ１３０により、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から青色光が入射する。前述の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つの赤色画素対応領域１３３の中心を連結した青色光集光領域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５Ｅに示されたように、色分離レンズアレイ１３０は、青色画素に青色光を集光する青色光集光領域ＢＬの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より面積が大きく、例えば、１．５倍ないし４倍大きい。青色光集光領域ＢＬは、一部領域が前述の第１緑色光集光領域ＧＬ１及び後述する第２緑色光集光領域ＧＬ２及び赤色光集光領域ＲＬとも重畳される。
図６Ａ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４Ｂの断面において示す。
図６Ａ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の中心において最も大きく、赤色画素対応領域１３３の中心から遠くなる方向に減少する赤色光位相分布ＰＰＲを有することができる。赤色光の赤色画素対応領域１３３の中心での位相を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、０．９πないし１．１πでもあり、青色画素対応領域１３２の中心での位相は、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小さい値、例えば、０．６πないし０．９πでもある。
図６Ａ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、図５Ａを参照して説明した緑色光と同様に、第２緑色画素対応領域１３４の中心において最も大きく、第２緑色画素対応領域１３４の中心から遠くなる方向に減少する第２緑色光位相分布ＰＰＧ２を有することができる。図５Ａの第１緑色光位相分布ＰＰＧ１と図６Ａの第２緑色光位相分布ＰＰＧ２とを比較すれば、第２緑色光位相分布ＰＰＧ２は、第１緑色光位相分布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ものであり、その他は第１緑色光位相分布ＰＰＧ１に係わる説明が適用される。
図６Ｂ及び図６Ｃは、それぞれ赤色光集光領域に入射した赤色光の進行方向及び赤色光集光領域のアレイを例示的に示し、図６Ｄ及び図６Ｅは、第２緑色光集光領域に入射した緑色光の進行方向及び第２緑色光集光領域のアレイを例示的に示す図面である。
図６Ａ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つの青色画素対応領域１３２の中心を連結した赤色光集光領域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６Ｃに示されたように、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の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より面積が大きく、例えば、１．５倍ないし４倍大きい。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とも重畳される。
第２緑色画素対応領域１３４及びその周辺に入射した緑色光は、第１緑色画素対応領域１３１及びその周辺に入射した緑色光についての説明と同様に進行し、図６Ｄに示されたように、第２緑色画素１１４に集光される。したがって、図６Ｅに示されたように、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の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より面積が大きく、例えば、１．２倍ないし２倍大きい。
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は、多様な方式のコンピュータシミュレーションを通じて自動化された設計が可能である。例えば、遺伝的アルゴリズム（genetic algorithm）、粒子群最適化（particle swarm optimization）アルゴリズム、蟻コロニー最適化（ant colony optimization）アルゴリズムのような自然模写アルゴリズム（nature-inspired algorithm）を利用するか、あるいは随伴最適化（adjoint optimization）アルゴリズムに基づいた逆設計方式を通じて、画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４の構造を最適化することができる。
色分離レンズアレイ１３０の設計のために、色分離スペクトル、光効率、信号対雑音比などの評価要素により、複数の候補色分離レンズアレイの性能を評価しながら、緑色、青色及び赤色画素対応領域の構造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対する目標数値を予め決定した後、複数の評価要素に対する目標数値との差の和を最小化する方式により、緑色、青色及び赤色画素対応領域の構造を最適化することができる。あるいは、それぞれの評価要素別に性能を指標化し、性能を表す値が最大になるように、緑色、青色及び赤色画素対応領域の構造を最適化することができる。
一方、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれが複数個の光感知セルを含んでおり、これは、オートフォーカス駆動のために活用されるものと説明した。図３Ｂを参照して説明したように、複数の画素１１１、１１２、１１３、１１４それぞれが第１ないし第４光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４を含む場合、例えば、自動焦点信号は、第１光感知セルｃ１の出力信号と第３光感知セルｃ３の出力信号との和と、第２光感知セルｃ２の出力信号と第４光感知セルｃ４の出力信号との和との差を利用して得られる。前記差値が０である場合、イメージセンサ１０００を具備する撮影装置のモジュールレンズの焦点面（focal plane）にイメージセンサ１０００が位置したものとも判断される。前記差値が０ではない場合、差値及びその符号によって、モジュールレンズの焦点面にイメージセンサ１０００が位置するように、モジュールレンズが移動しうる。
当該差値は、入射角に比例し、すなわち、センサ基板１１０に入射する光の角度が０°である場合、第１光感知セルｃ１の出力信号と第３光感知セルｃ３の出力信号との和と、第２光感知セルｃ２の出力信号と第４光感知セルｃ４の出力信号との和との差値は０であり、入射角が大きくなるほど、当該差値は大きくなる。当該差値は、オートフォーカスコントラスト（AF contrast）という。色分離レンズアレイ１３０に具備されたナノポストの細部形態によって、同一入射角に対してもオートフォーカスコントラストが異なって表される。コントラストが大きいほど、オートフォーカス敏感度が大きくなり、すなわち、ＡＦ性能が向上しうる。
そのようなＡＦ駆動のために、個々の第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４がそれぞれ複数の光感知セルに電気的に分離されるように、隔離構造ＤＴＩが具備されることを図３Ｂで説明した。そのような隔離構造ＤＴＩは、光を感知しない領域である。隔離構造は、入射された光を反射、散乱または吸収するので、光が当該光感知セルで感知されず、光効率が低下しうる。そのような光効率低下を減らすために、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との距離を設定することができる。
図７ないし図１２は、実施形態のイメージセンサ１０００の光効率及びＡＦ性能が向上するように、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との距離、及び第１ないし第４ナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４の形状と配列が設定されたことを説明する図面である。
図７及び図８は、スペーサ層の厚みと、光が集光される領域との関係を説明するための図面である。
図７は、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との距離、すなわち、スペーサ層１２０の厚みが、色分離レンズアレイ１３０による緑色光の焦点距離と類似した場合、第１画素１１１に緑色光が集光される領域を示している。
図７を参照すれば、緑色光は、緑色画素１１１の中心部に円状に表示した緑色光フォーカス領域ＦＲＧ’に集光されうる。スペーサ層１２０の厚みが、第１緑色光集光領域ＧＬ１の焦点距離と近接するほど、緑色光フォーカス領域ＦＲＧのサイズは小さくなる。第１緑色画素１１１は、４つの光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４を含み、光感知セルと光感知セルとの間には、隣接する光感知セルを電気的に分離し、クロストーク（crosstalk）防止などのための隔離構造ＤＴＩが形成されている。したがって、緑色光フォーカス領域ＦＲＧに集光される光子のうち相当数が、光感知セル間の隔離構造ＤＴＩに入射し、隔離構造ＤＴＩに入射した光子は、反射または散乱され、光感知セルで感知されないので、センサ基板１１０の光利用効率の低下の原因にもなる。
そのような光利用効率の低下を減らすために、前述のように、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との距離、すなわち、スペーサ層１２０の厚みは、基準波長λ０、例えば、緑色光を基準として、色分離レンズアレイ１３０による緑色光の焦点距離の１／２またはそれ以下にも設定される。
図８は、スペーサ層１２０の厚みが、色分離レンズアレイ１３０による緑色光の焦点距離の１／２である場合、緑色画素である第１画素１１１に緑色光が集光される領域を示している。
図８を参照すれば、スペーサ層１２０の厚みｄが、色分離レンズアレイ１３０の第１緑色光集光領域ＧＬ１の焦点距離より小さいので、緑色光は、図７の緑色光フォーカス領域ＦＲＧ’より拡張された面積の補正された緑色光フォーカス領域ＦＲＧに集光されうる。特に、緑色光は、緑色画素１１１の中心、及び光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４内に円で表示した５個の光集中部ＬＣに集中されうる。緑色光フォーカス領域ＦＲＧは、図７のフォーカス領域ＦＲＧ’に比べて、光感知セルｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の中心部に入射する光が多く、隔離構造ＤＴＩに入射する光は少ないため、隔離構造ＤＴＩによって反射または散乱され、損失される光子の数が減少しうる。言い換えれば、例えば、１つの画素が４つの光感知セルを含む構造において、スペーサ層１２０の厚みｄを集光領域の焦点距離の１／２に設計する場合、スペーサ層１２０の厚みｄを集光領域の焦点距離に設定した場合より、センサ基板１１０の光利用効率が向上しうる。
一方、スペーサ層１２０の厚みは、緑色光を基準に設定され、これにより、緑色光より短い波長の光をセンシングする青色画素１１２での光効率は、緑色画素１１１の場合と異なっている。ナノ構造物を活用する色分離レンズアレイ１３０の焦点距離は、一般的な屈折レンズと逆に、短い波長の光に対する焦点距離が、長い波長の光に対する焦点距離よりも長い。したがって、青色光は、基準焦点距離よりも長い焦点距離で青色画素１１２に集光され、光効率が低い。実施形態によるイメージセンサ１０００は、青色光が青色画素１１２に集光される焦点距離を、緑色光が緑色画素１１１に集光される焦点距離と類似しているように、前述のように、青色画素対応領域１３２の第２ナノポストＮＰ２の配列形態を採用している。
図９Ａは、比較例によるイメージセンサの色分離レンズアレイの第１画素対応領域に具備されたナノポストの形状と配列を示す平面図であり、図９Ｂは、比較例によるイメージセンサのセンサ基板の第２画素に第２波長光（青色光）が集光される形態をシミュレーションした図面である。図１０は、実施形態によるイメージセンサのセンサ基板の第２画素に第２波長光（青色光）が集光される形態をシミュレーションした図面である。
図９Ａに示された色分離レンズアレイ１３は、第１ないし第４画素対応領域１、２、３、４それぞれに複数のナノポストを含み、図３Ｅに示された色分離レンズアレイ１３０と比較するとき、第２画素対応領域１３２の中心から外れた位置に、第２中心ナノポストａ２が配置された点において差がある。
図９Ｂ及び図１０に示された光集中部ＬＣを見れば、隔離構造の中心、及び４つの光感知セルそれぞれの内部に、光集中部ＬＣが形成される点において同様である。しかし、図９Ｂに示された光集中部ＬＣは、隔離構造の中心部において、光感知セルの内部より光集中度が高く、光感知セルの内部の光集中部ＬＣは、各光感知セルの中心より周辺部の方へ偏って形成されている。一方、実施形態である図１０の場合、光感知セルの内部に形成される光集中部ＬＣが、隔離構造の中心に形成された光集中部ＬＣより大きく、光集中度が高いことが分かる。また、光感知セルそれぞれの内部に形成される光集中部ＬＣも、各光感知セルの中心により近く形成されている。
そのような分布図から、実施形態のイメージセンサが、比較例のイメージセンサより光効率が高く、かつ、オートフォーカスコントラストも高くなることが分かる。
図１１は、実施形態によるイメージセンサと、比較例によるイメージセンサとの波長別の量子効率を比較して示すグラフである。
グラフを参照すれば、実施形態の場合、比較例の場合より高い光効率を表すことが分かる。
図１２は、実施形態によるイメージセンサと、比較例によるイメージセンサとのオートフォーカスコントラストを比較して示すグラフである。
グラフを参照すれば、オートフォーカスコントラストは、実施形態の場合、比較例の場合より高く、例えば、入射角１０゜を基準に見るとき、実施形態のオートフォーカスコントラストＡＦ＿ＣＲは、比較例のオートフォーカスコントラストＡＦ＿ＣＲの２倍以上になることが分かる。
以下、光効率及びオートフォーカス性能が向上する多様な例の色分離レンズアレイについて説明する。
図１３ないし図１６Ｆは、実施形態によるイメージセンサに具備される多様な例示的な色分離レンズアレイを示す平面図である。
図１３に示された色分離レンズアレイ１３０Ａは、第１ないし第４ナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４のうち、第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４それぞれの中心部に位置した第１中心ナノポストａ１、第２中心ナノポストａ２、第３中心ナノポストａ３及び第４中心ナノポストａ４の配列が、図３Ｅに示された色分離レンズアレイ１３０と実質的に同一であり、第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４の周辺部に配置されたナノポストＮＰ１、ＮＰ２、ＮＰ３、ＮＰ４の個数が変更された点において差がある。
第１中心ナノポストａ１、第２中心ナノポストａ２、第３中心ナノポストａ３及び第４中心ナノポストａ４を除いた他のナノポストは、いずれも同一断面積に示されているが、これは例示的なものであり、それに限定されない。
第２画素対応領域１３２において、第２中心ナノポストａ２は、その周辺に位置し、第２中心ナノポストａ２より小さい断面積を有する他の第２ナノポストＮＰ２と、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置されうる。第２画素対応領域１３２は、四方対称形態を有することができ、すなわち、第１方向から見るときにオーバーラップされる幅と、第２方向から見るときにオーバーラップされる幅の両方は、ｋ２と同一である。
第１画素対応領域１３１において、第１中心ナノポストａ１は、その周辺に位置し、第１中心ナノポストａ１より小さい断面積を有する他の第１ナノポストＮＰ１と、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置されうる。第１方向から見るときにオーバーラップされる幅はｋ１であり、第２方向から見るときにオーバーラップされる幅はｋ３でもある。第１画素対応領域１３１は、前述のように、二方対称形態を有することができ、したがって、ｋ１とｋ３は互いに異なってもいる。
第４画素対応領域１３４においても、第１画素対応領域１３１のナノポストと同様に、第４中心ナノポストａ４と、その周辺のナノポストとが、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置されうる。前述のように、第４画素対応領域１３４は、第１画素対応領域１３１と９０°回転された形態を有することができ、すなわち、第１方向から見るときにオーバーラップされる幅はｋ３であり、第２方向から見るときにオーバーラップされる幅はｋ１でもある。
第３画素対応領域１３３において、第３中心ナノポストａ３は、その周辺に位置し、第３中心ナノポストａ３より小さい断面積を有する他の第３ナノポストＮＰ３と、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置されうる。第３画素対応領域１３３は、四方対称形態を有することができ、すなわち、第１方向から見るときにオーバーラップされる幅と、第２方向から見るときにオーバーラップされる幅の両方は、ｋ４と同一である。
各画素対応領域において、中心ナノポストと周辺ナノポストとが、第１方向及び第２方向から見るときにオーバーラップされる程度は、画素対応領域によって異なっており、すなわち、ｋ１とｋ２は互いに異なっており、ｋ３とｋ４も互いに異なっている。
図１４に示された色分離レンズアレイ１３０Ｂは、緑色画素対応領域である、第１及び第４画素対応領域１３１、１３４の第１中心ナノポストａ１及び第４中心ナノポストａ４の配列において、図１３の色分離レンズアレイ１３０Ａと差がある。第１中心ナノポストａ１は、第１画素対応領域１３１の中心、すなわち、対向する第１画素１１１の十字状の分離線ＳＬの中心と、第３方向（Ｚ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置される。第４中心ナノポストａ４も、第４画素対応領域１３４の中心、すなわち、対向する第４画素１１４の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされるように配置される。
本実施形態においても、図１３と同様に、第１画素対応領域１３１において、第１中心ナノポストａ１は、その周辺に位置し、第１中心ナノポストａ１より小さい断面積を有する他の第１ナノポストＮＰ１と、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置されうる。第１方向から見るときにオーバーラップされる幅はｋ１であり、第２方向から見るときにオーバーラップされる幅はｋ３でもある。第１画素対応領域１３１は、前述のように、二方対称形態を有することができ、したがって、ｋ１とｋ３は互いに異なってもいる。
第４画素対応領域１３４においても、第１画素対応領域１３１のナノポストと同様に、第４中心ナノポストａ４は、その周辺に位置し、第４中心ナノポストａ４より小さい断面積を有する他の第４ナノポストＮＰ４と、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置されうる。前述のように、第４画素対応領域１３４は、第１画素対応領域１３１と９０°回転された形態を有することができ、すなわち、第１方向から見るときにオーバーラップされる幅はｋ３であり、第２方向から見るときにオーバーラップされる幅はｋ１でもある。
第２画素対応領域１３２において、第２中心ナノポストａ２は、その周辺に位置し、第２中心ナノポストａ２より小さい断面積を有する他の第２ナノポストＮＰ２と、第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置されうる。第２画素対応領域１３２は、四方対称形態を有することができ、すなわち、第１方向から見るときにオーバーラップされる幅と、第２方向から見るときにオーバーラップされる幅の両方は、ｋ２と同一である。
各画素対応領域において、中心ナノポストと周辺ナノポストとが、第１方向及び第２方向から見るときにオーバーラップされる程度は、画素対応領域によって異なっており、すなわち、ｋ２は、ｋ１及びｋ３と異なっている。
図１５に示された色分離レンズアレイ１３０Ｃは、緑色画素対応領域である、第１及び第４画素対応領域１３１、１３４の第１中心ナノポストａ１及び第４中心ナノポストａ４の配列において、図３Ｅの色分離レンズアレイ１３０と差がある。第１中心ナノポストａ１は、第１画素対応領域１３１の中心、すなわち、対向する第１画素１１１に具備された隔離構造の中心線である分離線ＳＬの中心と、第３方向（Ｚ方向）から見るとき、オーバーラップされるように配置される。第４中心ナノポストａ４も、第４画素対応領域１３４の中心、すなわち、対向する第４画素１１４の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされるように配置される。
前述の色分離レンズアレイ１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃにおいて、青色画素対応領域１３２に具備される第２中心ナノポストａ２を除いた他のナノポストは、対向する画素の分離線ＳＬとオーバーラップされないように配置されるか、あるいは、青色画素対応領域１３２の第２中心ナノポストａ２、緑色画素対応領域１３１、１３４の第１中心ナノポストａ１及び第４中心ナノポストａ４を除いた他のナノポストは、対向する画素の分離線ＳＬとオーバーラップされないように配置される。
そのような基準を有するナノポスト配列は、より多様な方式により具現可能である。例えば、第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４を含む単位領域を４Ｎ×４Ｎ（Ｎは、自然数）の領域に区画し、区画された領域内にナノポストを配置するか、あるいは、第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４を含む単位領域を（４Ｎ－２）×（４Ｎ－２）の領域に区画し、区画された領域間の境界にナノポストを配置することができる。そのような方式により、７×７、８×８、１１×１１、１２×１２、１５×１５、１６×１６などにナノポストを配列した後、青色画素対応領域１３２の中心部の２×２位置の４つのナノポストを１つに併合し（merge）、対向する画素の十字状の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされる位置に配置することができる。あるいは、さらに、２つの緑色画素対応領域１３１、１３４においても、その中心部の２×２位置の４つのナノポストを１つに併合し、対向する画素の十字状の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされる位置に配置することができる。
前述の色分離レンズアレイ１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃは、１１×１１配列に基づいて設計された形態である。
図１６Ａに示された色分離レンズアレイ１３０Ｄは、１１×１１配列に基づいた形態であり、青色画素対応領域１３２の第２中心ナノポストａ２のみが、対向する画素の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされるように配置されている。他のナノポストは、分離線ＳＬとオーバーラップされないように配置されうる。
図１６Ｂに示された色分離レンズアレイ１３０Ｅは、青色画素対応領域１３２の第２中心ナノポストａ２と同様に、緑色画素対応領域１３１、１３４の第１中心ナノポストａ１及び第４中心ナノポストａ４も、対向する画素の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされるように配置されている。他のナノポストは、分離線ＳＬとオーバーラップされないように配置されうる。
図１６Ｃの色分離レンズアレイ１３０Ｆ及び図１６Ｄの色分離レンズアレイ１３０Ｇは、８×８配列に基づいて設計された形態を例示的に示している。
図１６Ｅの色分離レンズアレイ１３０Ｈ及び図１６Ｆの色分離レンズアレイ１３０Ｊは、１２×１２配列に基づいて設計された形態を例示的に示している。
図１７は、実施形態による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。
本実施形態の画素アレイ１１０１は、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との間に配置されたカラーフィルタＣＦをさらに含む。カラーフィルタＣＦは、第１ないし第４画素１１１、１１２、１１３、１１４に対応する緑色フィルタＧＦ、青色フィルタＢＦ、赤色フィルタ及び緑色フィルタを含み、図１７は、図４Ａの断面に対応する断面図である。
カラーフィルタＣＦには、色分離レンズアレイ１３０によって波長別に分岐された光が入射するので、カラーフィルタＣＦによる光効率低下はほとんど発生せず、色純度が高くなる。カラーフィルタＣＦが具備された場合、センサ基板１１０と色分離レンズアレイ１３０との距離ｄを前述のように設定するとき、カラーフィルタＣＦとスペーサ層１２０による有効屈折率が考慮されうる。このように決定された距離ｄとカラーフィルタＣＦの厚みを考慮して、色分離レンズアレイ１３０とカラーフィルタＣＦとの距離ｄｃが適切に設定されうる。ｄｃは、例えば、２μｍ以下でもある。あるいは、ｄｃは、１μｍ以上かつ２μｍ以下でもある。
図１８Ａは、実施形態による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り、図１８Ｂ及び図１８Ｃは、それぞれ図１８Ａのイメージセンサの色分離レンズアレイの第１層及び第２層のナノポスト配列を示す平面図である。図１８Ａは、図１８Ｂ及び図１８ＣのＡＡ断面に該当する断面図である。
本実施形態の画素アレイ１１０２は、色分離レンズアレイ１３０Ｋに具備されるナノポストＮＰが複数層に配列された点において、前述の実施形態と差があり、残り構成は実質的に同一である。
色分離レンズアレイ１３０Ｋは、第３方向（Ｚ方向）に積層された第１層ＬＥ１及び第２層ＬＥ２を含む。色分離レンズアレイ１３０Ｋに具備された第１ないし第４画素対応領域１３１、１３２、１３３、１３４それぞれは、第１層ＬＥ１に位置した複数の第１ないし第４ナノポストＮＰ１１、ＮＰ１２、ＮＰ１３、ＮＰ１４を含み、第２層ＬＥ２に位置した複数の第１ないし第４ナノポストＮＰ２１、ＮＰ２２、ＮＰ２３、ＮＰ２４を含む。
第１層ＬＥ１及び第２層ＬＥ２のナノポストＮＰの配列形態は、互いに異なっており、前述の実施形態で説明した色分離レンズアレイ１３０、１３０Ａ～１３０Ｊの設計基準が、第１層ＬＥ１及び第２層ＬＥ２それぞれに独立して適用されうる。
青色画素対応領域１３２の第１層ＬＥ１及び第２層ＬＥ２において、対向する青色画素１１２に具備された隔離構造ＤＴＩの分離線ＳＬの中心とオーバーラップされるように、それぞれの第２中心ナノポストａ１２、ａ２２が配置され、赤色画素対応領域１３３の第１層ＬＥ１及び第２層ＬＥ２において、対向する赤色画素１１３に具備された隔離構造ＤＴＩの分離線ＳＬの中心とオーバーラップされないように、それぞれの第３中心ナノポストａ１３、ａ２３が配置されうる。
緑色画素対応領域１３１、１３４の第１層ＬＥ１及び第２層ＬＥ２において、図示されたように、その中心ナノポストａ１１、ａ１４、ａ２１、ａ２４が、対向する緑色画素１１１、１１４の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされないように配置されうる。
図面において、第１層ＬＥ１の第２中心ナノポストａ１２及び第２層ＬＥ２の第２中心ナノポストａ２２は、同一断面積を有するものと示されているが、これは例示的なものであり、異なる断面積を有することもできる。同様に、第１層ＬＥ１の第３中心ナノポストａ１３及び第２層ＬＥ２の第３中心ナノポストａ２３も、互いに異なる断面積を有することができ、第１層ＬＥ１の第１及び第４中心ナノポストａ１１、ａ１４と、第２層ＬＥ２の第１及び第４中心ナノポストａ２１、ａ２４も、互いに異なる断面積を有することができる。
また、図示されたところと異なり、緑色画素対応領域１３１、１３４の第１層ＬＥ１及び第２層ＬＥ２においても、青色画素対応領域１３２と同様に、その中心ナノポストａ１３、ａ１４、ａ２３、ａ２４が、対向する緑色画素１１１、１１４の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされるように配置されうる。
あるいは、緑色画素対応領域１３１、１３４において、第１層ＬＥ１の中心ナノポストａ１１、ａ１４の配列と、第２層ＬＥ２の中心ナノポストａ２１、ａ２４の配列は、互いに異なってもいる。すなわち、一層では、対向する緑色画素１１１、１１４の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされるように、他の層では、対向する緑色画素１１１、１１４の分離線ＳＬの中心とオーバーラップされないように配置されることも可能である。
第１層ＬＥ１と第２層ＬＥ２との間には、エッチング停止層（図示せず）がさらに配置されてもよい。エッチング停止層は、例えば、第１層ＬＥ１を形成した後、第１層ＬＥ１上に第２層ＬＥ２を製造する過程で発生する第１層ＬＥ１の損傷を防止するために具備されうる。
色分離レンズアレイ１３０Ｋは、３層以上の複数層構造を有することもできる。
図１９は、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示すブロック図である。図１９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）を介して他の電子装置ＥＤ０２と通信するか、あるいは第２ネットワークＥＤ９９（遠距離無線通信ネットワークなど）を介し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を介して電子装置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、バッテリー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、当該構成要素のうち一部の構成要素（表示装置ＥＤ６０など）が省略されてもよく、他の構成要素が追加されてもよい。当該構成要素のうち一部は、１つの統合された回路によっても具現される。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）に組み込まれて具現可能である。
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、プロセッサＥＤ２０に連結された電子装置ＥＤ０１のうち１つまたは複数個の他の構成要素（ハードウェア、ソフトウェアの構成要素など）を制御することができ、多様なデータ処理または演算を行うことができる。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）と、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）とを含む。補助プロセッサＥＤ２３は、メインプロセッサＥＤ２１よりも電力を低く使用し、特化された機能を行うことができる。
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、メインプロセッサＥＤ２１の代わりに、あるい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、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の構成要素（表示装置ＥＤ６０、センサモジュールＥＤ７６、通信モジュールＥＤ９０など）と関連した機能及び／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。該データは、例えば、ソフトウェア（プログラムＥＤ４０など）、並びにそれと関連した命令についての入力データ及び／または出力データを含んでもよい。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、オペレーティングシステム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）を含んでもよい。
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んでもよい。該スピーカは、マルチメディア再生または録音再生のように一般用途に使用され、該レシーバは、着信電話を受信するために使用される。該レシーバは、該スピーカの一部に結合されていてもよく、独立した別途の装置で具現されてもよい。
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んでもよい。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／またはタッチにより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、あるいは電気信号を音に変換させることができる。オーディオモジュールＥＤ７０は、入力装置ＥＤ５０を介して音を取得するか、あるいは音響出力装置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／またはヘッドホンを介し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んでもよい。
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可能な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）、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んでもよい。
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）と物理的に連結可能なコネクタを含む。連結端子ＥＤ７８は、ＨＤＭＩ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（ヘッドホンコネクタなど）を含んでもよい。
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可能な機械的な刺激（振動、動きなど）あるい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んでもよい。
カメラモジュールＥＤ８０は、静止画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、前述のイメージセンサ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）の一部としても具現される。
バッテリー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。バッテリーＥＤ８９は、再充電不可能な一次電池、再充電可能な二次電池及び／または燃料電池を含んでもよい。
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）との直接（有線）通信チャネル及び／または無線通信チャネルの成立、並びに成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（セルラー通信モジュール、近距離無線通信モジュール、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）通信モジュールなど）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該当する通信モジュールは、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）、あるいは第２ネットワークＥＤ９９（セルラーネットワーク、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）を介して他の電子装置と通信することができる。そのような多くの種類の通信モジュールは、１つの構成要素（単一チップなど）により統合されるか、あるいは互いに別途の複数の構成要素（複数チップ）により具現される。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）を利用して、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、あるいは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により、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好適なアンテナが選択される。選択されたアンテナを介して、通信モジュールＥＤ９０と他の電子装置との間に信号及び／または電力が送信または受信される。アンテナ以外に、他の部品（ＲＦＩＣ（ Radio Frequency Integrated Circuits）など）がアンテナモジュールＥＤ９７の一部として含まれてもよい。
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）を介して互いに連結され、信号（命令、データなど）を相互に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を介して、電子装置ＥＤ０１と外部の電子装置ＥＤ０４との間において送信または受信される。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てもよい。例えば、電子装置ＥＤ０１がある機能やサービスを遂行しなければならないとき、機能またはサービスを自体でもって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を遂行すること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、要請と関連した追加の機能またはサービスを実行し、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技術、分散コンピューティング技術及び／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る。
図２０は、図１９の電子装置ＥＤ０１に具備されたカメラモジュールＥＤ８０を示すブロック図である。図２０を参照すれば、カメラモジュールＥＤ８０は、レンズアセンブリ１１７０、フラッシュ１１２０、イメージセンサ１０００、イメージスタビライザー１１４０、ＡＦ制御部１１３０、メモリ１１５０（バッファメモリなど）、アクチュエータ１１８０及び／またはイメージシグナルプロセッサ（ＩＳＰ）１１６０を含む。
レンズアセンブリ１１７０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。レンズアセンブリ１１７０は、１以上の光学レンズを含む。レンズアセンブリ１１７０には、光の経路を曲げてイメージセンサ１０００に向かうようにする経路切替部材が含まれてもよい。経路切替部材が含まれるか否か、及び光学レンズとの配置形態によって、カメラモジュールＥＤ８０は、バーティカル（vertical）形態またはフォールド（folded）形態を有することができる。カメラモジュールＥＤ８０は、複数のレンズアセンブリ１１７０を含み、その場合、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１１７０のうち一部は、同一レンズ属性（画角、焦点距離、自動焦点、Ｆナンバー、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１１７０は、広角レンズまたは望遠レンズを含む。
アクチュエータ１１８０は、レンズアセンブリ１１７０を駆動することができる。アクチュエータ１１８０により、例えば、レンズアセンブリ１１７０を構成する光学レンズ及び経路切替部材のうち少なくとも一部が移動することができる。光学レンズは、光軸に沿って移動することができ、レンズアセンブリ１１７０に含まれた光学レンズの少なくとも一部を移動させ、隣接したレンズ間の距離を調節することにより、光学ズーム倍率（optical zoom ratio）が調節されうる。
アクチュエータ１１８０は、イメージセンサ１０００がレンズアセンブリ１１７０の焦点距離（focal length）に位置するように、レンズアセンブリ１１７０に含まれたいずれか１つの光学レンズの位置を調整することができる。アクチュエータ１１８０は、ＡＦ制御部１１３０から伝達されたＡＦ駆動信号によって、レンズアセンブリ１１７０を駆動することができる。
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、可視光または赤外線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／またはキセノンランプを含む。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、すなわち、前述の多様な色分離レンズアレイ１３０、１３０Ａ～１３０Ｋのうちいずれか１つ、またはそれらの組み合わせ及び変形された構造を含むこともできる。イメージセンサ１０００は、被写体から放出または反射され、レンズアセンブリ１１７０を通じて伝達された光を電気的な信号に変換することにより、被写体に対応するイメージを取得することができる。
イメージセンサ１０００の各画素は、前述のように、複数個のチャネルを形成する複数の光感知セル、例えば、２×２に配列された複数の光感知セルを含む。そのような画素のうち一部は、ＡＦ画素として使用され、イメージセンサ１０００は、ＡＦ画素内の複数のチャネルの信号からＡＦ駆動信号を生成することができる。イメージセンサ１０００に具備された色分離レンズアレイは、オートフォーカスコントラストが高くなるように、ナノポストのサイズと配列が設計されているので、ＡＦ駆動の正確性が向上しうる。
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ＥＤ０１の動きに反応し、レンズアセンブリ１１７０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を特定の方向に移動するか、あるいはイメージセンサ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が補償されるようにする。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）を利用して、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、光学式にも具現される。
ＡＦ制御部１１３０は、イメージセンサ１０００のＡＦ画素からセンシングされた信号値から、ＡＦ駆動信号を生成することができる。ＡＦ制御部１１３０は、ＡＦ駆動信号によって、アクチュエータ１１８０を制御することができる。
メモリ１１５０は、イメージセンサ１０００を介して取得されたイメージの一部または全体のデータを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に取得される場合、取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可能である。メモリ１１５０は、電子装置ＥＤ０１のメモリＥＤ３０に統合されているか、あるいは独立して運用される別途のメモリで構成される。
イメージシグナルプロセッサ（ＩＳＰ）１１６０は、イメージセンサ１０００を介して取得されたイメージ、またはメモリ１１５０に保存されたイメージデータに対し、イメージ処理を行うことができる。該イメージ処理は、デプスマップ（Depth Map）生成、三次元モデリング、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（ノイズ低減、解像度調整、輝度調整、ブラーリング（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）を行うことができる。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、あるいはカメラモジュール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、あるいはプロセッサ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を介して表示可能である。
ＡＦ制御部１１３０は、イメージシグナルプロセッサ１１６０に統合されることも可能である。イメージシグナルプロセッサ１１６０が、イメージセンサ１０００のオートフォーカシング画素からの信号を処理して、ＡＦ信号を生成し、ＡＦ制御部１１３０は、それをアクチュエータ１１８０の駆動信号に変換してアクチュエータ１１８０に伝達することもできる。
電子装置ＥＤ０１は、それぞれ異なる属性または機能を有する更なる１つまたは複数のカメラモジュールをさらに含んでもよい。そのようなカメラモジュールも、図１９のカメラモジュールＥＤ８０と類似の構成を含み、それに具備されるイメージセンサは、ＣＣＤセンサ及び／またはＣＭＯＳセンサによっても具現され、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、属性が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。その場合、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つは背面カメラである。
実施形態によるイメージセンサ１０００は、多様な電子装置に適用可能である。実施形態によるイメージセンサは、モバイルフォンまたはスマートフォン、タブレットまたはスマートタブレット、デジタルカメラまたはカムコーダ、ノート型パソコン、あるいはＴＶまたはスマートＴＶなどに適用可能である。例えば、スマートフォンまたはスマートタブレットは、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カメラを含む。該高解像カメラを利用して、映像内の被写体の深さ情報を抽出するか、映像のアウトフォーカシングを調節するか、あるいは映像内の被写体を自動的に識別することができる。
また、イメージセンサ１０００は、スマート冷蔵庫、保安カメラ、ロボット、医療用カメラなどに適用可能である。例えば、スマート冷蔵庫は、イメージセンサを利用して、冷蔵庫内にある食べ物を自動的に認識し、特定食べ物が存在するか否か、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報知することができる。保安カメラは、超高解像度映像を提供することができ、高い感度を利用して、暗い環境でも映像内の事物または人間を認識可能にする。ロボットは、人間が直接接近できない災害または産業現場で投入され、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１０００は、車両に適用可能である。車両は、多様な位置に配置された複数の車両用カメラを含み、それぞれの車両用カメラは、実施形態によるイメージセンサを含む。車両は、複数の車両用カメラを利用して、車両の内部または周辺についての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間を自動的に認識し、自律走行に必要な情報を提供することができる。
前述のイメージセンサ及びそれを含む電子装置は、図面に示された実施形態を参照して述べられたが、それは例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有する者ならば、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できるであろう。したがって、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で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、特許請求の範囲に表されており、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たものと解釈されなければならない。
１１０ センサ基板
１２０ スペーサ層
１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃ，１３０Ｄ，１３０Ｅ，１３０Ｆ，１３０Ｇ，１３０Ｈ，１３０Ｊ，１３０Ｋ 色分離レンズアレイ
１３１ 第１画素対応領域
１３２ 第２画素対応領域
１３３ 第３画素対応領域
１３４ 第４画素対応領域
１０００ イメージセンサ
１１００ 画素アレイ
ａ１ 第１中心ナノポスト
ａ２ 第２中心ナノポスト
ａ３ 第３中心ナノポスト
ａ４ 第４中心ナノポスト
ＮＰ１ 第１ナノポスト
ＮＰ２ 第２ナノポスト
ＮＰ３ 第３ナノポスト
ＮＰ４ 第４ナノポスト
ＳＬ 分離線

Claims (20)

  1. 第１波長の光を感知する第１画素、第１波長より短い第２波長の光を感知する第２画素、及び第１波長より長い第３波長の光を感知する第３画素を含み、前記第１ないし第３画素がそれぞれ独立して光を感知する複数の光感知セルを含むセンサ基板と、
    前記第１波長、第２波長及び第３波長の光の位相を変更して、それぞれ前記第１画素、第２画素及び第３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ないし第３画素とそれぞれ対向する第１ないし第３画素対応領域を含み、前記第１画素対応領域は、複数の第１ナノポストを含み、前記第２画素対応領域は、複数の第２ナノポストを含み、前記第３画素対応領域は、複数の第３ナノポストを含み、
    前記複数の第２ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第２中心ナノポストは、前記第２画素の中心とオーバーラップされる位置に配置され、
    前記複数の第３ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第３中心ナノポストは、前記第３画素の中心とオーバーラップされない位置に配置される、イメージセンサ。
  2. 前記第２中心ナノポストの幅は、前記第３中心ナノポストの幅以上である、請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記第１ないし第３画素には、それぞれ、互いに垂直な第１方向及び第２方向に隣接した光感知セルを分離する形状の隔離構造が具備され、
    前記第１方向及び第２方向と垂直な第３方向から見るとき、前記第２中心ナノポストは、前記第２画素に具備された隔離構造の中心とオーバーラップされる、請求項２に記載のイメージセンサ。
  4. 前記複数の第２ナノポストのうち、前記第２中心ナノポストを除いた第２ナノポストは、前記第３方向から見るとき、前記第２画素に具備された隔離構造とオーバーラップされないように配置される、請求項３に記載のイメージセンサ。
  5. 前記複数の第１ナノポストは、いずれも、前記第３方向から見るとき、前記第１画素に具備された隔離構造とオーバーラップされないように配置される、請求項４に記載のイメージセンサ。
  6. 前記複数の第１ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第１中心ナノポストは、他の第１ナノポストより前記第１画素対応領域の中心にさらに近く配置される、請求項５に記載のイメージセンサ。
  7. 前記複数の第２ナノポストのうち、前記第２中心ナノポストと他の第２ナノポストとは、前記第１方向から見るときに部分的にオーバーラップされるように配置され、
    前記複数の第１ナノポストのうち、前記第１中心ナノポストと他の第１ナノポストとは、前記第１方向から見るときに部分的にオーバーラップされるように配置される、請求項６に記載のイメージセンサ。
  8. 前記オーバーラップされる程度は、前記第２画素対応領域と前記第１画素対応領域とにおいて互いに異なっている、請求項７に記載のイメージセンサ。
  9. 前記第１中心ナノポストの幅は、前記第２中心ナノポストの幅及び前記第３中心ナノポストの幅以下である、請求項６に記載のイメージセンサ。
  10. 前記複数の第３ナノポストのうち、前記第３中心ナノポストは、他の第３ナノポストより前記第３画素対応領域の中心にさらに近く配置される、請求項３に記載のイメージセンサ。
  11. 前記第３中心ナノポストの幅は、前記複数の第１ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第１中心ナノポストの幅以上である、請求項１０に記載のイメージセンサ。
  12. 前記複数の第１ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第１中心ナノポストは、前記第３方向から見るとき、前記第１画素に具備された隔離構造の中心とオーバーラップされるように配置される、請求項３に記載のイメージセンサ。
  13. 前記複数の第２ナノポストのうち、前記第２中心ナノポストと他の第２ナノポストとは、前記第１方向から見るときに部分的にオーバーラップされるように配置され、
    前記複数の第１ナノポストのうち、前記第１中心ナノポストと他の第１ナノポストとは、前記第１方向から見るときに部分的にオーバーラップされるように配置される、請求項１２に記載のイメージセンサ。
  14. 前記オーバーラップされる程度は、前記第２画素対応領域と前記第１画素対応領域とにおいて互いに異なっている、請求項１３に記載のイメージセンサ。
  15. 前記第１中心ナノポストの幅は、前記第２中心ナノポストの幅以下である、請求項１２に記載のイメージセンサ。
  16. 前記複数の第１ないし第３ナノポストそれぞれは、複数層に積層配列される、請求項１に記載のイメージセンサ。
  17. 前記センサ基板は、前記第１波長の光を感知する第４画素をさらに含み、前記第１ないし第４画素は、ベイヤーパターン形態に配列された、請求項１に記載のイメージセンサ。
  18. 前記センサ基板と前記色分離レンズアレイとの距離は、前記色分離レンズアレイによる前記第１波長の光の焦点距離より短い、請求項１に記載のイメージセンサ。
  19. 前記センサ基板と前記色分離レンズアレイとの間に配置されたカラーフィルタをさらに含み、
    前記色分離レンズアレイと前記カラーフィルタとの距離は、１μｍ以上かつ２μｍ以下である、請求項１に記載のイメージセンサ。
  20. １以上のレンズを含み、被写体の光学相を形成するレンズアセンブリと、
    前記レンズアセンブリが形成した光学相を電気的信号に変換するイメージセンサと、
    前記イメージセンサで生成された信号を処理するプロセッサと、を含み、
    前記イメージセンサは、
    第１波長の光を感知する第１画素、第１波長より短い第２波長の光を感知する第２画素、及び第１波長より長い第３波長の光を感知する第３画素を含み、前記第１ないし第３画素がそれぞれ独立して光を感知する複数の光感知セルを含むセンサ基板と、
    前記第１波長、第２波長及び第３波長の光の位相を変更して、それぞれ前記第１画素、第２画素及び第３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ないし第３画素とそれぞれ対向する第１ないし第３画素対応領域を含み、前記第１画素対応領域は、複数の第１ナノポストを含み、前記第２画素対応領域は、複数の第２ナノポストを含み、前記第３画素対応領域は、複数の第３ナノポストを含み、
    前記複数の第２ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第２中心ナノポストは、前記第２画素の中心とオーバーラップされる位置に配置され、
    前記複数の第３ナノポストのうち、断面の幅が最も大きい第３中心ナノポストは、前記第３画素の中心とオーバーラップされない位置に配置される、電子装置。
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