KR102634938B1

KR102634938B1 - 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치

Info

Publication number: KR102634938B1
Application number: KR1020210093132A
Authority: KR
Inventors: 문상은; 이준호; 노숙영; 안성모; 윤석호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2024-02-07
Also published as: CN115621290A; US20230020980A1; KR20230012366A; EP4120347A1

Abstract

평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치가 개시된다. 개시된 광학 센서는, 복수의 광감지셀을 포함하는 센서 기판; 상기 센서 기판 위에 배치되며 복수의 필터를 포함하는 필터층; 및 상기 필터층 위에 배치되며 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하고, 상기 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되고, 각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 나노 구조물을 포함할 수 있다.

Description

평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 {Optical sensor including planar nano-photonic microlens array and electronic apparatus including the same}

개시된 실시예들은 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.

이미지 센서 또는 분광 센서와 같은 광학 센서 및 촬상 모듈이 점차 소형화 됨에 따라 광학 센서의 가장자리에서 주광선 각도(CRA, chief ray angle)가 증가하는 추세이다. 광학 센서의 가장자리에서 주광선 각도가 증가하게 되면 광학 센서의 가장자리에 위치하는 화소들의 감도가 감소하게 된다. 이로 인해 영상의 가장자리가 어두워질 수 있다. 또한 이를 보상하기 위한 추가적인 복잡한 색 연산은 영상을 처리하는 프로세서에 부담을 주게 되고 영상 처리 속도를 저하시킨다.

광학 센서의 가장자리에서 큰 주광선 각도로 입사하는 입사광의 입사각을 수직에 가깝게 변경시킬 수 있는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.

일 실시예에 따른 광학 센서는, 광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하는 센서 기판; 상기 센서 기판 위에 배치되며, 특정 파장 대역의 광만을 투과시키고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하는 복수의 필터를 포함하는 필터층; 및 상기 필터층 위에 배치되며, 상기 복수의 광감지셀 중에서 대응하는 광감지셀에 광을 집광시키는 나노 패턴 구조를 갖는 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되고, 각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함할 수 있다.

상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상 프로파일은 상기 제1 방향을 따라 대칭적인 형태를 가지며 상기 제2 방향을 따라 대칭적인 형태를 가질 수 있다.

상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈에 경사지게 입사하는 광의 진행 방향을 편향시켜 대응하는 광감지셀의 중심부에 광을 집광시키도록 구성될 수 있다.

상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광은 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 위상 프로파일을 가질 수 있다.

상기 제1 방향을 따라 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부로부터 멀어질수록 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제1 방향에 따른 기울기가 증가하고, 상기 제2 방향을 따라 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부로부터 멀어질수록 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제2 방향에 따른 기울기가 증가할 수 있다.

상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제1 방향에 따른 기울기는 상기 제1 방향을 따라 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이에 입사하는 광의 입사각의 사인 값에 비례하고, 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제2 방향에 따른 기울기는 상기 제2 방향을 따라 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이에 입사하는 광의 입사각의 사인 값에 비례할 수 있다.

상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 기울기는 상기 복수의 필터 중 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈에 대응하는 필터가 투과시키는 광의 파장의 역수에 비례할 수 있다.

상기 광학 센서의 전체 영역에서 상기 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈 사이의 경계는 상기 복수의 필터 사이의 경계 및 상기 복수의 광감지셀 사이의 경계와 일치할 수 있다.

상기 센서 기판은 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀을 포함하며, 상기 필터층은 상기 제1 광감지셀에 대응하고 제1 파장 대역의 광을 투과시키는 제1 필터 및 상기 제2 광감지셀에 대응하고 상기 제1 파장 대역보다 짧은 제2 파장 대역의 광을 투과시키는 제2 필터를 포함하며, 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 상기 제1 필터에 대응하고 상기 제1 광감지셀에 광을 집광시키는 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈 및 상기 제2 필터에 대응하고 상기 제2 광감지셀에 광을 집광시키는 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 포함할 수 있다.

상기 제1 광감지셀, 상기 제1 필터, 및 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 제1 방향 및 제2 방향에 수직한 제3 방향을 따라 서로 마주하여 배열되어 있으며, 상기 제2 광감지셀, 상기 제2 필터, 및 상기 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 제3 방향을 따라 서로 마주하여 배열될 수 있다.

상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 제1 필터를 투과한 제1 파장 대역의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에 집광되도록 구성되며, 상기 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 제2 필터를 투과한 제2 파장 대역의 광이 상기 제2 광감지셀의 중심부에 집광되도록 구성될 수 있다.

상기 제1 파장 대역의 광에 대한 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈의 초점 거리와 상기 제2 파장 대역의 광에 대한 상기 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈의 초점 거리가 동일할 수 있다.

상기 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 상기 제2 파장 대역의 광의 위상 프로파일은 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 상기 제1 파장 대역의 광의 위상 프로파일보다 더 볼록할 수 있다.

상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈 및 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광은 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 위상 프로파일을 가질 수 있다.

상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제1 방향에 따른 기울기는 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈에 인접한 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제1 방향에 따른 기울기보다 작을 수 있다.

각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈의 나노 구조물은 상대적으로 고굴절률을 갖는 재료로 이루어지며, 상기 복수의 나노 구조물 사이에 상대적으로 저굴절률을 갖는 재료가 배치될 수 있다.

상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈에서 상기 복수의 나노 구조물은 상기 제1 방향 및 제2 방향을 따라 대칭적으로 배열될 수 있다.

상기 복수의 나노 구조물은 나노 기둥 형태 또는 나노 격자 형태를 가질 수 있다.

각각의 나노 구조물은 제1 나노 구조물 및 상기 제1 나노 구조물 위에 배치된 제2 나노 구조물을 포함할 수 있다.

다른 실시예에 따른 전자 장치는, 광학상을 전기적 신호로 변환하는 광학 센서; 및 상기 광학 센서의 동작을 제어하고, 상기 광학 센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서;를 포함하고,

상기 광학 센서는: 광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하는 센서 기판; 상기 센서 기판 위에 배치되며, 특정 파장 대역의 광만을 투과시키고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하는 복수의 필터를 포함하는 필터층; 및 상기 필터층 위에 배치되며, 상기 복수의 광감지셀 중에서 대응하는 광감지셀에 광을 집광시키는 나노 패턴 구조를 갖는 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되고, 각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함할 수 있다.

개시된 실시예에 따른 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 광학 센서의 가장자리에서 큰 주광선 각도로 입사하는 입사광의 입사각을 수직에 가깝게 변경시킬 수 있다. 특히, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이는 광학 센서 상의 여러 위치에 따른 주광선 각도의 변화를 고려하여 다양한 형태의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 구비할 수 있다. 따라서, 광학 센서의 가장자리에 위치하는 화소들의 감도를 광학 센서의 중심부에 위치하는 화소들의 감도와 유사하게 향상시킬 수 있다.

이러한 광학 센서는 카메라의 이미지 센서, 분광기의 분광 센서 등에 적용될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 광학 센서의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 광학 센서의 화소 어레이의 다양한 화소 배열을 예시적으로 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 카메라 모듈을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이를 보이는 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이의 중심부를 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 광학 센서의 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에 위치한 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이의 중심부에서 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이의 좌측 가장자리를 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 광학 센서의 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 좌측 가장자리에 위치한 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 10a 내지 도 10c는 일 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이의 좌측 가장자리에서 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 11a 및 도 11b는 일 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이의 우측 가장자리를 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 광학 센서의 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 우측 가장자리에 위치한 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 13a 및 도 13b는 일 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이의 우측 가장자리에서 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 14a 내지 도 14f는 일 실시예에 따른 광학 센서의 상이한 영역들에 위치한 평면 나노 마이크로렌즈 어레이의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 15a 내지 도 15f는 다른 실시예에 따른 평면 나노 마이크로렌즈 어레이의 다양한 나노 패턴 구조들을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 18은 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 19는 도 18에 도시된 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 20 내지 도 29는 실시예들에 따른 이미지 센서들이 적용된 전자 장치 다양한 예를 보인다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

이하에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.

방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 일 실시예에 따른 광학 센서의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 광학 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 광학 센서는, 예를 들어, CCD(charge coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.

화소 어레이(1100)는 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열된 화소들을 포함한다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여 화소 어레이(1100)의 로우들 중에서 하나를 선택한다. 출력 회로(1030)는 선택된 로우를 따라 배열된 복수의 화소로부터 컬럼 단위로 광감지 신호를 출력한다. 이를 위하여, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog to digital converter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 화소 어레이(1100) 사이에서 컬럼 별로 각각 배치된 복수의 ADC 또는 컬럼 디코더의 출력단에 배치된 하나의 ADC를 포함할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)는 하나의 칩 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리하기 위한 프로세서가 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)와 함께 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.

화소 어레이(1100)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 화소의 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 내지 도 2c는 광학 센서의 화소 어레이의 다양한 화소 배열을 예시적으로 도시한다.

먼저, 도 2a는 일반적인 이미지 센서에서 통상적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer Pattern)을 보인다. 도 2a를 참조하면, 하나의 단위 패턴은 네 개의 사분 영역(Quadrant region)을 포함하며, 제1 내지 제4 사분면이 각각 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)가 될 수 있다. 이러한 단위 패턴이 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 이차원적으로 반복 배열된다. 다시 말해, 2×2 어레이 형태의 단위 패턴 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 2개의 녹색 화소(G)가 배치되고, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 1개의 청색 화소(B)와 1개의 적색 화소(R)가 배치된다. 전체적인 화소 배열을 보면, 복수의 녹색 화소(G)와 복수의 청색 화소(B)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 복수의 적색 화소(R)와 복수의 녹색 화소(G)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이 제2 방향을 따라 반복적으로 배열된다.

화소 어레이(1100)의 배열 방식은 베이어 패턴 이외에도 다양한 배열 방식이 가능하다. 예를 들어, 도 2b를 참조하면, 마젠타(Magenta) 화소(M), 사이안(Cyan) 화소(C), 옐로우(Yellow) 화소(Y), 및 녹색 화소(G)가 하나의 단위 화패턴을 구성하는 CYGM 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도 2c를 참조하면, 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 청색 화소(B), 및 백색 화소(W)가 하나의 단위 패턴을 구성하는 RGBW 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도시되지는 않았지만 단위 패턴이 3×2 어레이 형태를 가질 수도 있다. 그 밖에도 화소 어레이(1100)의 화소들은 광학 센서(1000)의 용도와 특성에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 아래에서는 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것을 예로 설명하지만, 동작 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.

광학 센서(1000)는 카메라 모듈과 같은 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 3은 일 실시예에 따른 카메라 모듈을 개략적으로 보이는 개념도이다.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 카메라 모듈(1880)은 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 렌즈 어셈블리(1910), 렌즈 어셈블리(1910)에 의해 형성된 광학상을 전기적인 영상 신호로 변환하는 광학 센서(1000), 및 광학 센서(1000)로부터 출력된 전기적 신호를 영상 신호로 처리하는 이미지 시그널 프로세서(1960)를 포함할 수 있다. 카메라 모듈(1880)은 또한, 광학 센서(1000)와 렌즈 어셈블리(1910) 사이에 배치되는 적외선 차단 필터, 이미지 시그널 프로세서(1960)에서 형성한 영상을 표시하는 디스플레이 패널, 이미지 시그널 프로세서(1960)에서 형성한 영상 데이터를 저장하는 메모리를 더 포함할 수도 있다. 이러한 카메라 모듈(1880)은, 예를 들어, 핸드폰, 노트북, 태블릿 PC 등과 같은 모바일 전자 장치 내에 장착될 수 있다.

렌즈 어셈블리(1910)는 카메라 모듈(1880)의 외부에 있는 피사체의 상을 광학 센서(1000), 더욱 정확히는 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100) 상에 포커싱하는 역할을 한다. 도 3에는 편의상 하나의 렌즈로 간략하게 표시되었지만 실제 렌즈 어셈블리(1910)는 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 화소 어레이(1100)가 렌즈 어셈블리(1910)의 초점 평면 상에 정확하게 위치하면, 피사체의 어느 한 점에서 출발한 빛은 렌즈 어셈블리(1910)를 통해 화소 어레이(1100) 상의 한 점으로 다시 모이게 된다. 예를 들어, 광축(OX) 상의 어느 한 점(A)에서 출발한 빛은 렌즈 어셈블리(1910)를 통과한 후, 광축(OX) 상에 있는 화소 어레이(1100)의 중심에 모이게 된다. 광축(OX)에서 벗어난 어느 한 점(B, C, D)에서 출발한 빛은 렌즈 어셈블리(1910)에 의해 광축(OX)을 가로질러 화소 어레이(1100)의 주변부의 한 점에 모이게 된다. 예를 들어, 도 3에서 광축(OX)보다 위쪽에 있는 한 점(B)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 화소 어레이(1100)의 아래쪽 가장자리에 모이게 되며, 광축(OX)보다 아래쪽에 있는 한 점(C)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 화소 어레이(1100)의 위쪽 가장자리에 모이게 된다. 또한, 광축(OX)과 점(B) 사이에 위치한 점(D)에서 출발한 빛은 화소 어레이(1100)의 중심과 아래쪽 가장자리 사이에 모이게 된다.

따라서, 서로 다른 점(A, B, C, D)들에서 각각 출발한 빛은 상기 점(A, B, C, D)들과 광축(OX) 사이의 거리에 따라 서로 다른 각도로 화소 어레이(1100)에 입사한다. 화소 어레이(1100)에 입사하는 빛의 입사각은 통상적으로 주광선 각도(CRA; chief ray angle)로 정의된다. 주광선(chief ray)은 피사체의 한 점으로부터 렌즈 어셈블리(1910)의 중심을 지나 화소 어레이(1100)에 입사하는 광선을 의미하며, 주광선 각도는 주광선이 광축(OX)과 이루는 각도를 의미한다. 광축(OX)에 있는 점(A)에서 출발한 빛은 주광선 각도가 0도이며, 화소 어레이(1100)에 수직하게 입사한다. 출발점이 광축(OX)에서 멀어질수록 주광선 각도는 증가하게 된다.

광학 센서(1000)의 관점에서 보면, 화소 어레이(1100)의 중심부에 입사하는 빛의 주광선 각도는 0도이며, 화소 어레이(1100)의 가장자리로 갈수록 입사광의 주광선 각도가 커지게 된다. 예컨대, 점(B)와 점(C)에서 출발하여 화소 어레이(1100)의 제일 가장자리에 입사하는 빛의 주광선 각도가 가장 크고, 점(A)에서 출발하여 화소 어레이(1100)의 중심부에 입사하는 빛의 주광선 각도는 0도이다. 또한, 점(D)에서 출발하여 화소 어레이(1100)의 중심과 가장자리 사이에 입사하는 빛의 주광선 각도는 점(B)와 점(C)에서 출발한 빛의 주광선 각도보다 작고 0도보다 크다.

따라서, 화소 어레이(1100) 내에서 화소들의 위치에 따라 화소들에 입사하는 입사광의 주광선 각도가 달라지게 된다. 예를 들어, 도 4는 일 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이를 보이는 평면도이다. 도 4를 참조하면, 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)에서는 제1 방향(X 방향)과 제2 방향(Y 방향)으로 모두 주광선 각도가 0도이다. 또한, 제1 방향을 따라 중심부(1100a)로부터 멀어질수록 제1 방향을 따른 주광선 각도가 점차 증가하며, 제1 방향으로 양측 가장자리(1100b, 1100c)에서 제1 방향을 따른 주광선 각도가 가장 크다. 또한, 제2 방향을 따라 중심부(1100a)로부터 멀어질수록 제2 방향을 따른 주광선 각도가 점차 증가하며, 제2 방향으로 양측 가장자리(1100e, 1100h)에서 제2 방향을 따른 주광선 각도가 가장 크다. 그리고, 대각선 방향을 따라 중심부(1100a)로부터 멀어질수록 제1 방향을 따른 주광선 각도와 제2 방향을 따른 주광선 각도가 모두 점차 증가하며, 꼭지점(1100d, 1100f, 1100g, 1100i)에서 제1 및 제2 방향을 따른 주광선 각도가 가장 크다. 화소들에 입사하는 입사광의 주광선 각도가 커지면 화소들의 감도가 저하될 수 있다. 실시예에 따르면, 화소 어레이(1100)의 가장자리에 위치하는 화소들의 감도가 저하되는 것을 방지하거나 또는 최소화하기 위하여, 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100)에는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이가 배치될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)를 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 위에 배치된 필터층(120), 및 필터층(120) 위에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 포함할 수 있다.

센서 기판(110)은 광을 감지하는 복수의 광감지셀(111, 112, 113, 114)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 기판(110)은 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광감지셀(111), 제2 광감지셀(112), 제3 광감지셀(113), 및 제4 광감지셀(114)을 포함할 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이 제1 광감지셀(111)과 제2 광감지셀(112)이 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되고, 제2 방향(Y 방향)의 위치가 다른 단면에서는 도 5b에 도시된 바와 같이, 제3 광감지셀(113)와 제4 광감지셀(114)이 번갈아 배열될 수 있다. 이러한 배열은 입사광을 베이어 패턴과 같은 단위 패턴으로 구분하여 센싱하기 위한 것이며, 제1 내지 제4 광감지셀(111, 112, 113, 114)을 구비하는 복수의 단위 패턴이 제1 방향 및 제2 방향을 따라 2차원 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제4 광감지셀(111, 114)은 녹색광을 센싱하고, 제2 광감지셀(112)은 청색광을 센싱하며, 제3 광감지셀(113)은 적색광을 센싱할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 셀 간 경계에는 셀 분리를 위한 분리막이 더 형성될 수도 있다.

필터층(120)은 특정 파장 대역의 빛만을 투과시키고 다른 파장 대역의 빛을 흡수 또는 반사하는 복수의 필터(121, 122, 123, 124)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터층(140)은 제1 광감지셀(111) 위에 배치되어 제1 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제1 필터(121), 제2 광감지셀(112) 위에 배치되어 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제2 필터(122), 제3 광감지셀(113) 위에 배치되어 제1 및 제2 파장 대역과 상이한 제3 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제3 필터(123), 및 제4 광감지셀(114) 위에 배치되어 제1 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제4 필터(124)를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 필터(121)와 제2 필터(122)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되고, 제2 방향의 위치가 다른 단면에서는 제3 필터(123)와 제4 필터(124)가 번갈아 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제4 필터(121, 124)는 녹색광만을 투과시키고, 제2 필터(112)는 청색광만을 투과시키며, 제3 필터(113)는 적색광만을 투과시킬 수 있다. 이러한 제1 내지 제4 필터(121, 122, 123, 124)는 제1 방향 및 제2 방향을 따라 2차원 배열될 수 있다.

필터층(120) 위에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 2차원 배열된 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 포함할 수 있다. 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 복수의 필터(121, 122, 123, 124)와 일대일로 대응할 수 있으며, 또한 복수의 광감지셀(111, 112, 113, 114)과 일대일로 대응할 수 있다. 예를 들어, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 제1 필터(121) 위에 배치된 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131), 제2 필터(122) 위에 배치된 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132), 제3 필터(123) 위에 배치된 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133), 및 제4 필터(124) 위에 배치된 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(134)를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되고, 제2 방향의 위치가 다른 단면에서는 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)와 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(134)가 번갈아 배열될 수 있다.

이러한 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 대응하는 필터 및 대응하는 광감지셀과 마주하도록 제1 방향 및 제2 방향을 따라 2차원 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 광감지셀(111), 제1 필터(121), 및 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)는 제1 방향 및 제2 방향에 수직한 제3 방향(Z 방향)을 따라 서로 마주하여 배열될 수 있다. 또한, 제2 광감지셀(112), 제2 필터(122), 및 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)가 제3 방향을 따라 서로 마주하고, 제3 광감지셀(113), 제3 필터(123), 및 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)가 제3 방향을 따라 서로 마주하고, 제4 광감지셀(114), 제4 필터(124), 및 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(134)가 제3 방향을 따라 서로 마주하여 배열될 수 있다.

제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 제1 내지 제4 광감지셀(111, 112, 113, 114) 중에서 대응하는 광감지셀에 빛을 집광시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)는 제1 광감지셀(111)에, 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)는 제2 광감지셀(112)에, 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)는 제3 광감지셀(113)에, 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(134)는 제4 광감지셀(114)에 입사광을 집광시킬 수 있다. 집광되는 입사광 중에서, 제1 파장 대역의 광(L1)만이 제1 및 제4 필터(121, 124)를 통과하여 제1 및 제4 광감지셀(111, 114) 내에 집광되고, 제2 파장 대역의 광(L2)만이 제2 필터(122)를 통과하여 제2 광감지셀(112) 내에 집광되며, 제3 파장 대역의 광(L3)만이 제3 필터(123)를 통과하여 제3 광감지셀(113) 내에 집광될 수 있다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)에서는 입사광이 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)에 수직하게 입사한다. 다시 말해 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)에서는 입사광의 주광선 각도가 0도이다. 따라서, 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)에서는 입사광의 진행 방향을 바꿀 필요가 없으므로, 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 입사광의 진행 방향을 변경하지 않으면서 입사광을 대응 광감지셀에 집광시키도록 구성될 수 있다.

이를 위해, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 빛을 집광시킬 수 있는 나노 패턴 구조를 가질 수 있다. 나노 패턴 구조는 입사광의 위상을 입사 위치에 따라 다르게 변화시키는 복수의 나노 구조물(NP)을 포함할 수 있다. 복수의 나노 구조물(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등은 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 각각 투과한 직후의 광이 소정의 위상 프로파일(phase profile)을 갖도록 결정될 수 있다. 이러한 위상 프로파일에 따라 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 각각 투과한 광의 진행 방향 및 초점 거리가 결정될 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부(1100a)에 위치한 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 6을 참조하면, 나노 패턴 구조의 나노 구조물(NP)은 단면의 지름이 서브 파장의 치수를 갖는 나노 기둥일 수 있다. 여기서 서브 파장은 집광되는 광의 파장 대역보다 작은 파장을 의미한다. 입사광이 가시광인 경우, 나노 구조물(NP)의 단면의 지름은 예를 들어 400 nm, 300 nm, 또는 200 nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 한편 나노 구조물(NP)의 높이는 500 nm 내지 1500 nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다.

나노 구조물(NP)은 주변 물질에 비하여 상대적으로 고굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 비교적 낮은 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(NP)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO₂, SiN₃, ZnS, ZnSe, Si₃N₄ 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 나노 구조물(NP) 주변은 나노 구조물(NP)보다 상대적으로 저굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 비교적 낮은 유전체 재료로 채워질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(NP) 주변은 SiO₂, 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass), 공기(air) 등으로 채워질 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노 구조물(NP)은 나노 구조물(NP)을 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노 구조물(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노 구조물(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다.

도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)에서 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다. 특히, 도 7a는 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 제1 방향을 따른 도 6의 A0-A0'선을 따라 보이고, 도 7b는 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 제2 방향을 따른 도 6의 B0-B0'선을 따라 보인다.

도 7a를 참조하면, 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)를 통과한 직후의 광은 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 중심에서 가장 크고 제1 방향을 따라 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 중심에서 멀어질수록 감소하는 위상 프로파일을 갖는다. 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 통과한 직후의 광은 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 중심에서 가장 크고 제1 방향을 따라 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 중심에서 멀어질수록 감소하는 위상 프로파일을 갖는다. 또한 도 7b를 참조하면, 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)를 통과한 직후의 광은 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 중심에서 가장 크고 제2 방향을 따라 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)의 중심에서 멀어질수록 감소하는 위상 프로파일을 갖는다. 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)를 통과한 직후의 광은 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 중심에서 가장 크고 제2 방향을 따라 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 중심에서 멀어질수록 감소하는 위상 프로파일을 갖는다.

제1 방향 및 제2 방향 모두에 대해 주광선 각도가 0도인 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)에서는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 입사광의 진행 방향을 변경할 필요가 없기 때문에, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 제1 방향과 제2 방향으로 모두 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 구현하도록 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 구성될 수 있다. 도 7a 및 도 7b에 도시되지는 않았지만, 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 통과한 직후의 광도 제2 방향을 따라 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 가지며, 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)를 통과한 직후의 광도 제1 방향을 따라 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 갖고, 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(134)를 통과한 직후의 광도 제1 방향 및 제2 방향을 따라 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 위와 같은 위상 프로파일을 구현하기 위하여 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에서 복수의 나노 구조물(NP)은 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심에 대해 제1 방향 및 제2 방향을 따라 대칭적인 형태로 배열될 수 있다. 특히, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심 영역에서 가장 큰 위상 지연이 발생하도록 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심 영역에 배열된 나노 구조물(NP)들이 가장 큰 직경을 가질 수 있으며, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심 영역에서 멀어질수록 나노 구조물(NP)의 직경이 점진적으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 4개의 꼭지점 영역에 배치된 나노 구조물(NP)들은 가장 작은 직경을 가질 수 있다.

그러나 위상 지연이 상대적으로 작은 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경이 반드시 상대적으로 작은 것은 아니다. 도 7a 및 도 7b에 예시된 위상 프로파일에서 위상 지연의 값은 2π로 나눈 나머지 값으로 표기된 것이다. 예를 들어, 어느 영역에서 위상 지연이 3π라면 위상 지연은 2π를 제거하고 남은 π와 광학적으로 동일하게 된다. 따라서, 나노 구조물(NP)의 직경이 작아서 제조하기 어려운 경우에는 2π만큼 증가시킨 위상 지연을 구현하도록 나노 구조물(NP)의 직경을 선택할 수 있다. 예를 들어, 0.1π의 위상 지연을 달성하기 위한 나노 구조물(NP)의 직경이 지나치게 작은 경우에, 2.1π의 위상 지연을 달성하도록 나노 구조물(NP)의 직경을 선택할 수 있다. 따라서, 이 경우에는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 4개의 꼭지점 영역에 배치된 나노 구조물(NP)들의 직경이 가장 클 수도 있다.

한편, 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일은 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 입사광에 대해 볼록 렌즈와 같이 작용하도록 한다. 따라서 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 투과한 광은 각각 제1 내지 제4 광감지셀(111, 112, 113, 114)에 집광될 수 있다. 그런데, 복수의 필터(121, 122, 123, 124)로 인해 제1 내지 제4 광감지셀(111, 112, 113, 114)에는 서로 다른 파장 대역의 광이 집광된다. 예를 들어, 제1 및 제4 광감지셀(111, 114)에는 제1 파장 대역의 광이 집광되고, 제2 광감지셀(112)에는 제2 파장 대역의 광이 집광되고, 제3 광감지셀(113)에는 제3 파장 대역의 광이 집광된다.

따라서, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에서 나노 구조물(NP)들은 대응 광감지셀에 집광되는 광의 파장 대역을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 134)를 투과한 직후의 제1 파장 대역의 광(예컨대, 녹색광)이 도 7a 및 도 7b에 도시된 위상 프로파일을 갖도록 제1 및 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 134)의 나노 구조물(NP)들이 설계될 수 있다. 또한, 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 투과한 직후의 제2 파장 대역의 광(예컨대, 청색광)이 도 7a에 도시된 위상 프로파일을 갖도록 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 나노 구조물(NP)들이 설계될 수 있고, 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)를 투과한 직후의 제3 파장 대역의 광(예컨대, 적색광)이 도 7b에 도시된 위상 프로파일을 갖도록 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 나노 구조물(NP)들이 설계될 수 있다. 다시 말해, 도 7a 및 도 7b에서 좌측에 표시된 위상 프로파일은 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)를 투과한 직후의 제1 파장 대역의 광의 위상 프로파일이며, 도 7a에서 우측에 표시된 위상 프로파일은 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 투과한 직후의 제2 파장 대역의 광의 위상 프로파일이고, 도 7b에서 우측에 표시된 위상 프로파일은 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)를 투과한 직후의 제3 파장 대역의 광의 위상 프로파일이다.

또한, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에서 나노 구조물(NP)들은 대응 광감지셀에 집광되는 광에 대해 동일한 초점 거리를 갖도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 대역의 광에 대한 제1 및 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 134)의 초점 거리, 제2 파장 대역의 광에 대한 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 초점 거리, 및 제3 파장 대역의 광에 대한 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 초점 거리가 동일하도록 나노 구조물(NP)들이 설계될 수 있다.

이를 위해, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 투과한 직후의 제1 내지 제3 파장 대역의 광의 위상 프로파일은 파장에 반비례하는 피크(peak)를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 7a를 참조하면, 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 투과한 직후 청색광인인 제2 파장 대역의 광의 위상 프로파일의 곡면 형태는 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)를 투과한 직후 녹색광인 제1 파장 대역의 광의 위상 프로파일의 곡면 형태보다 더 볼록할 수 있다. 또한, 도 7b를 참조하면, 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)를 투과한 직후 녹색광인 제1 파장 대역의 광의 위상 프로파일은 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)를 투과한 직후 적색광인 제3 파장 대역의 광의 위상 프로파일보다 더 볼록할 수 있다.

상술한 위상 프로파일을 형성하기 위해, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)에서 나노 구조물(NP)들의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등이 서로 다르게 결정될 수 있다. 또는, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)에서 나노 구조물(NP)들의 형상, 높이, 간격, 배열 형태가 동일하고 직경만이 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 파장이 가장 긴 적색광인 제3 파장 대역의 광을 집광시키는 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 중심 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경은 녹색광인 제1 파장 대역의 광을 집광시키는 제1 및 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 134)의 중심 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경보다 작을 수 있다. 또한, 제1 및 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 134)의 중심 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경은 파장이 가장 짧은 청색광인 제2 파장 대역의 광을 집광시키는 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 중심 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경보다 작을 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)를 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)에서는 입사광이 제1 방향을 따라 경사지게 화소 어레이(1100)에 입사한다. 입사광의 입사각은 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)로부터 좌측 가장자리(1100b)로 갈수록 점점 더 커지며, 화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)에서 가장 커진다. 다시 말해, 화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)에서는 제1 방향을 따른 주광선 각도가 가장 크다. 따라서, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 주변부에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 화소들의 감도가 저하되는 것을 방지하거나 또는 최소화하기 위하여 대응 광감지셀의 중심부를 향해 입사광을 편향시키도록 구성될 수 있다. 그러면, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 입사광의 입사각과 관계 없이 입사광을 대응하는 광감지셀의 중심부에 집광시킬 수 있다.

이를 위해, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에 배치된 나노 구조물(NP)들은 입사광의 진행 방향을 제1 방향을 따라 편향시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 좌측 가장자리에 위치한 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다. 또한, 도 10a 내지 도 10c는 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)에서 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다. 특히, 도 10a는 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 제1 방향을 따른 도 9의 A1-A1'선을 따라 보이고, 도 10b는 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)와 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(134)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 제1 방향을 따른 도 9의 A2-A2'선을 따라 보이고, 도 10c는 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 제2 방향을 따른 도 9의 B1-B1'선을 따라 보인다.

도 10a 및 도 10b를 참조하면, 제1 방향을 따라 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각을 투과한 직후의 광은 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 방향을 따라 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)를 투과한 직후의 광의 위상 프로파일은 경사진 직선 형태의 선형 위상 프로파일(S1)에 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 더한 형태를 갖는다. 또한, 제1 방향을 따라 제2 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132, 133, 134) 각각을 투과한 직후의 광의 위상 프로파일도 역시 경사진 직선 형태의 선형 위상 프로파일(S2, S3, S4)에 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 더한 형태를 갖는다. 따라서 도 10a 및 도 10b에 도시된 제1 방향을 따른 위상 프로파일은 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 선형 위상 프로파일(S1, S2, S3, S4)의 경사도만큼 기울인 것으로 볼 수 있다.

볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일은 입사광을 집광시키는 역할을 하며, 선형 위상 프로파일(S1, S2, S3, S4)은 입사광의 진행 방향을 편향시키는 역할을 할 수 있다. 제1 방향을 따른 선형 위상 프로파일(S1, S2, S3, S4)의 기울기는 제1 방향을 따른 주광선 각도 및 집광될 광의 파장 대역에 따라 결정될 수 있다. 제1 방향을 따른 주광선 각도는 화소 어레이(1100)의 중심부 또는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부로부터 제1 방향을 따라 멀어질수록 증가한다. 따라서, 화소 어레이(1100)의 중심부 또는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 중심부로부터 제1 방향을 따라 멀어질수록 제1 방향을 따른 선형 위상 프로파일(S1, S2, S3, S4)의 기울기도 증가할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향을 따른 선형 위상 프로파일(S1, S2, S3, S4)의 기울기는 제1 방향을 따라 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)에 입사하는 입사광의 입사각의 사인 값, 다시 말해 주광선 각도의 사인 값 sin(CRA)에 비례할 수 있다.

또한, 선형 위상 프로파일(S1, S2, S3, S4)의 기울기는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)에 대응하는 필터가 투과시키는 광의 파장의 역수(1/λ, 여기서 λ는 광의 파장)에 비례할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제4 선형 위상 프로파일(S1, S4)은 제1 및 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 134)에 대응하는 제1 및 제4 필터(121, 124)를 투과한 녹색광의 제1 파장의 역수에, 제2 선형 위상 프로파일(S2)은 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)에 대응하는 제2 필터(122)를 투과한 청색광의 제2 파장의 역수에, 제3 선형 위상 프로파일(S3)은 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)에 대응하는 제3 필터(123)를 투과한 적색광의 제3 파장의 역수에 비례할 수 있다. 따라서, 제2 선형 위상 프로파일(S2)의 기울기가 가장 크고, 제1 및 제4 선형 위상 프로파일(S1, S4)의 기울기는 제2 선형 위상 프로파일(S2)의 기울기보다 작고, 제3 선형 위상 프로파일(S3)의 기울기는 제1 및 제4 선형 위상 프로파일(S1, S4)의 기울기보다 작을 수 있다.

화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)에서 제2 방향을 따른 주광선 각도는 0도이다. 따라서, 제2 방향으로는 입사광의 진행 방향을 변경할 필요가 없기 때문에, 도 10c에 도시된 바와 같이, 제2 방향으로 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 구현하도록 제1 및 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 133)가 구성될 수 있다. 도 10c에는 도시되지 않았지만, 제1 및 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 133)를 통과한 직후의 광도 제2 방향을 따라 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다. 이러한 점에서, 제2 방향으로는 선형 위상 프로파일의 기울기가 0이라고 볼 수 있다. 이를 위해, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 방향으로 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심부에 위치한 나노 구조물(NP)들의 직경은 제2 방향으로 가장자리에 위치한 나노 구조물(NP)들의 직경보다 클 수 있다.

도 11a 및 도 11b는 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 우측 가장자리(1100c)를 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다. 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 화소 어레이(1100)의 우측 가장자리(1100c)에서 입사광은 도 8a 및 도 8b에 도시된 화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)에 입사하는 광에 대해 화소 어레이(1100)의 법선을 중심으로 반대 방향으로 경사지게 화소 어레이(1100)에 입사한다. 따라서, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 우측 가장자리에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 좌측 가장자리에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)와 제1 방향을 따라 반전된 형태를 가질 수 있다. 그러면, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 우측 가장자리에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 입사광을 대응하는 광감지셀의 중심부에 집광시킬 수 있다.

도 12는 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 우측 가장자리에 위치한 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 12에 도시된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 나노 구조물(NP)들은 도 9에 도시된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 나노 구조물(NP)들과 제1 방향으로 반전된 형태로 배열될 수 있다.

또한, 도 13a 및 도 13b는 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 우측 가장자리(1100c)에서 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다. 특히, 도 13a는 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈(132)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 제1 방향을 따른 도 12의 A3-A3'선을 따라 보이고, 도 13b는 제3 평면 나노 광학 마이크로렌즈(133)와 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(134)를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 제1 방향을 따른 도 12의 A4-A4'선을 따라 보인다.

도 13a 및 도 13b를 참조하면, 화소 어레이(1100)의 우측 가장자리(1100c)에서 제1 방향을 따라 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각을 투과한 직후의 광의 위상 프로파일은 화소 어레이(1100)의 좌측 가장자리(1100b)에서 제1 방향을 따라 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각을 투과한 직후의 광의 위상 프로파일과 제1 방향으로 반전된 형태를 가질 수 있다. 따라서, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에서 제1 방향을 따른 선형 위상 프로파일(S1, S2, S3, S4)의 기울기는 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)를 향해 위상 지연이 증가하는 방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 방향을 따른 선형 위상 프로파일(S1, S2, S3, S4)의 기울기는 화소 어레이(1100)의 좌측에서는 우측을 향해 위상 지연이 증가하고 화소 어레이(1100)의 우측에서는 좌측을 향해 위상 지연이 증가하는 방향을 가질 수 있다.

이를 위해, 도 9 및 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 나노 구조물(NP)들의 직경은 제1 방향을 따라 화소 어레이(1100)의 중심부(1100a)에 가까울수록 대체적으로 증가하는 경향을 갖는다. 예를 들어, 화소 어레이(1100)의 좌측에서는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 우측에 위치한 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경이 좌측에 위치한 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경보다 크다. 화소 어레이(1100)의 우측에서는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 좌측에 위치한 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경이 우측에 위치한 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경보다 크다.

도시되지는 않았지만, 화소 어레이(1100)의 우측 가장자리(1100c)에서 제2 방향을 따른 주광선 각도는 0도이므로, 제2 방향으로 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 구현하도록 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 구성될 수 있다. 이를 위해, 도 12에 도시된 바와 같이, 제2 방향으로 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심부에 위치한 나노 구조물(NP)들의 직경은 제2 방향으로 가장자리에 위치한 나노 구조물(NP)들의 직경보다 클 수 있다. 화소 어레이(1100)의 우측 가장자리(1100c)에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)의 다른 구성들은 앞서 설명한 것과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

지금까지는 제1 방향을 따른 화소 어레이(1100)의 주변부에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)의 구성과 기능에 대해 설명하였다. 제2 방향을 따른 화소 어레이(1100)의 주변부에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)의 구성과 기능은 방향만이 다를 뿐이고 앞서 설명한 내용이 그대로 적용될 수 있다. 예를 들어, 제2 방향을 따른 화소 어레이(1100)의 주변부에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각을 투과한 직후의 광은 제2 방향으로 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있으며, 제1 방향으로는 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다. 또한, 대각선 방향을 따른 화소 어레이(1100)의 주변부에 배치된 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각을 투과한 직후의 광은 제1 방향 및 제2 방향 모두에 대해 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다.

도 14a 내지 도 14f는 일 실시예에 따른 광학 센서(1000)의 상이한 영역들에 위치한 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다. 예를 들어, 도 14a는 좌상부 꼭지점, 도 14b는 상부 가장자리, 도 14c는 우상부 꼭지점, 도 14d는 좌하부 꼭지점, 도 14e는 하부 가장자리, 도 14f는 우하부 꼭지점에 각각 위치한 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 나노 패턴 구조를 보인다. 도 14a를 참조하면, 좌상부 꼭지점에서는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 우하부 꼭지점 영역에 배열된 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경이 상대적으로 크다. 도 14b를 참조하면, 상부 가장자리에서는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 하부 영역에 배열된 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경이 상대적으로 크다. 도 14c를 참조하면, 우상부 꼭지점에서는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 좌하부 꼭지점 영역에 배열된 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경이 상대적으로 크다. 도 14d를 참조하면, 좌하부 꼭지점에서는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 우상부 꼭지점 영역에 배열된 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경이 상대적으로 크다. 도 14e를 참조하면, 하부 가장자리에서는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 상부 영역에 배열된 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경이 상대적으로 크다. 도 14f를 참조하면, 우하부 꼭지점에서는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 좌상부 꼭지점 영역에 배열된 나노 구조물(NP)들의 평균적인 직경이 상대적으로 크다.

상술한 바와 같이, 실시예에 따른 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 광학 센서(1000)의 가장자리에서 큰 주광선 각도로 입사하는 입사광의 입사각을 수직에 가깝게 변경시킬 수 있다. 특히, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 광학 센서(1000) 상의 여러 위치에 따른 주광선 각도의 변화를 고려하여 다양한 형태의 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 구비할 수 있다. 따라서, 광학 센서(1000)의 가장자리에 위치하는 화소들의 감도를 광학 센서(1000)의 중심부에 위치하는 화소들의 감도와 유사하게 향상시킬 수 있다.

또한, 실시예에 따르면, 주광선 각도를 고려하여 필터와 마이크로렌즈의 위치를 그에 대응하는 화소에 대해 시프트시키지 않을 수도 있다. 예를 들어, 도 5a, 도 5b, 도 8a, 도 8b, 도 11a, 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 광학 센서(1000) 또는 화소 어레이(1100)의 전체 영역에서 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)들 사이의 경계는 필터(121, 122, 123, 124)들 사이의 경계 및 광감지셀(111, 112, 113, 114)들 사이의 경계와 일치할 수 있다. 다시 말해, 광학 센서(1000) 또는 화소 어레이(1100)의 전체 영역에서 서로 대응하는 광감지셀(111, 112, 113, 114), 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134), 및 필터(121, 122, 123, 124)는 제3 방향을 따라 서로 직접적으로 마주하여 배치될 수 있다. 따라서, 광학 센서(1000)의 설계 및 조립이 용이할 수 있다.

그러나 필요에 따라서는 필터(121, 122, 123, 124)와 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 대응하는 광감지셀(111, 112, 113, 114)에 대해 시프트시키는 것도 가능하다. 예를 들어, 광학 센서(1000)의 감도를 더욱 향상시키기 위하여, 필터(121, 122, 123, 124)를 대응하는 광감지셀(111, 112, 113, 114)에 대해 시프트시키고, 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 대응하는 필터(121, 122, 123, 124)와 마주하여 배치될 수 있다. 또는, 필터(121, 122, 123, 124)를 대응하는 광감지셀(111, 112, 113, 114)에 대해 시프트시키고, 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)도 대응하는 필터(121, 122, 123, 124)에 대해 시프트시킬 수도 있다.

지금까지는 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 나노 패턴 구조가 5×5 어레이로 이차원 배열된 원형의 나노 구조물(NP)들을 갖는 것으로 예시하였다. 그러나, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 나노 패턴 구조는 이에 한정되지 않으며, 다양한 다른 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 15a 내지 도 15f는 다른 실시예에 따른 평면 나노 마이크로렌즈 어레이의 다양한 나노 패턴 구조들을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 15a 내지 도 15d에 도시된 바와 같이, 나노 패턴 구조는 3×5, 5×3, 4×4, 3×3 등과 같이 다양한 형태로 2차원 배열된 나노 구조물(NP)들을 포함할 수 있다. 또한, 도 15e 및 도 15f에 도시된 바와 같이, 나노 패턴 구조는 1차원 배열된 나노 격자 형태를 가질 수 있다. 제1 내지 제4 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에서 개별적인 나노 구조물(NP)은 제1 방향 또는 제2 방향을 따라 연장된 곡면 형태를 가질 수 있으며, 나노 구조물(NP)들의 곡률, 폭, 간격 등에 의해 투과광의 위상 프로파일이 결정될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 나노 구조물(NP)은 원형뿐만 아니라 사각형 등과 같은 다각형 또는 타원 형태를 갖는 나노 기둥 형태를 가질 수도 있다.

도 16은 다른 실시예에 따른 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 16을 참조하면, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 복층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 제1 나노 구조물(NP1) 및 상기 제1 나노 구조물(NP1) 위에 배치된 제2 나노 구조물(NP2)을 구비하는 복층 구조의 나노 구조물(NP')을 포함할 수 있다. 또한, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)은 복층 구조의 나노 구조물(NP')과 함께 단일 층 구조를 갖는 나노 구조물(NP)을 더 포함할 수도 있다. 복층 구조의 나노 구조물(NP')은 작은 단면적으로 큰 위상 지연을 달성하기 위해 배치될 수 있다. 예를 들어, 개별적인 평면 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)의 면적이 작아서 큰 직경을 갖는 나노 구조물(NP)을 배치시키기 어려운 경우, 복층 구조의 나노 구조물(NP')을 배치시킬 수 있다.

지금까지는, 광학 센서(1000)가 카메라 등에 적용되는 이미지 센서인 것으로 설명하였으나, 광학 센서(1000)는 분광기의 분광 센서 등과 같은 다양한 다른 광학 분야에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 17은 다른 실시예에 따른 광학 센서의 화소 어레이를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 17을 참조하면, 화소 어레이(500)는 센서 기판(510), 센서 기판(510) 위에 배치된 필터층(520), 및 필터층(520) 위에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(530)를 포함할 수 있다. 센서 기판(510)은 상이한 파장 대역(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6)의 광을 감지하는 복수의 광감지셀(511, 512, 513, 514, 515, 516)을 포함할 수 있다. 필터층(520)은 상이한 파장 대역(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6)의 광을 각각 투과시키는 복수의 대역 통과 필터(bandpass filter)(F1, F2, F3, F4, F5, F6)를 포함할 수 있다. 또한, 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(530)는 상이한 파장 대역(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6)의 광을 대응 광감지셀에 집광시키는 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈(531, 532, 533, 534, 535, 536)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈(531, 532, 533, 534, 535, 536)는 주광선 각도에 따라 입사광을 대응 광감지셀의 중심으로 편향시키도록 구성될 수 있다.

상술한 광학 센서(1000)는 다양한 고성능 광학 장치 또는 고성능 전자 장치에 채용될 수 있다. 이러한 전자 장치는, 예컨대, 스마트 폰(smart phone), PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC 등 다양한 휴대용 기기, 가전 제품, 보안 카메라, 의료용 카메라, 자동차, 사물인터넷(IoT;Internet of Things) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.

전자 장치는 광학 센서(1000) 외에도, 광학 센서를 제어하는 프로세서, 예를 들면, 어플리케이션 프로세서(AP: Application Processor)를 더 포함할 수 있으며, 프로세서를 통해 운영 체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 이러한 프로세서는 GPU (Graphic Processing Unit) 및/또는 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor)를 더 포함할 수 있다. 프로세서에 이미지 신호 프로세서가 포함되는 경우, 광학 센서에 의해 획득된 이미지(또는 영상)를 프로세서를 이용하여 저장 및/또는 출력할 수 있다.

도 18은 광학 센서(1000)를 포함하는 전자 장치(1801)의 일 예를 나타내는 블럭도이다. 도 18을 참조하면, 네트워크 환경(1800)에서 전자 장치(1801)는 제1 네트워크(1898)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(1802)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(1899)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(1804) 및/또는 서버(1808)와 통신할 수 있다. 전자 장치(1801)는 서버(1808)를 통하여 전자 장치(1804)와 통신할 수 있다. 전자 장치(1801)는 프로세서(1820), 메모리(1830), 입력 장치(1850), 음향 출력 장치(1855), 표시 장치(1860), 오디오 모듈(1870), 센서 모듈(1876), 인터페이스(1877), 햅틱 모듈(1879), 카메라 모듈(1880), 전력 관리 모듈(1888), 배터리(1889), 통신 모듈(1890), 가입자 식별 모듈(1896), 및/또는 안테나 모듈(1897)을 포함할 수 있다. 전자 장치(1801)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(1860) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(1876)(지문 센서, 홍채 센서, 조도 센서 등)은 표시 장치(1860)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.

프로세서(1820)는, 소프트웨어(프로그램(1840) 등)를 실행하여 프로세서(1820)에 연결된 전자 장치(1801) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(1820)는 다른 구성요소(센서 모듈(1876), 통신 모듈(1890) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(1832)에 로드하고, 휘발성 메모리(1832)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(1834)에 저장할 수 있다. 프로세서(1820)는 메인 프로세서(1821)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(1823)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(1823)는 메인 프로세서(1821)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다.

보조 프로세서(1823)는, 메인 프로세서(1821)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(1821)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(1821)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(1821)와 함께, 전자 장치(1801)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(1860), 센서 모듈(1876), 통신 모듈(1890) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(1823)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(1880), 통신 모듈(1890) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다.

메모리(1830)는, 전자 장치(1801)의 구성요소(프로세서(1820), 센서모듈(1876) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(1840) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(1830)는, 휘발성 메모리(1832) 및/또는 비휘발성 메모리(1834)를 포함할 수 있다.

프로그램(1840)은 메모리(1830)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(1842), 미들 웨어(1844) 및/또는 어플리케이션(1846)을 포함할 수 있다.

입력 장치(1850)는, 전자 장치(1801)의 구성요소(프로세서(1820) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(1801)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(1850)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다.

음향 출력 장치(1855)는 음향 신호를 전자 장치(1801)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(1855)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.

표시 장치(1860)는 전자 장치(1801)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(1860)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(1860)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다.

오디오 모듈(1870)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(1870)은, 입력 장치(1850)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(1855), 및/또는 전자 장치(1801)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(1802) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.

센서 모듈(1876)은 전자 장치(1801)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(1876)은, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.

인터페이스(1877)는 전자 장치(1801)가 다른 전자 장치(전자 장치(1802) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 또는 복수의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(1877)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.

연결 단자(1878)는, 전자 장치(1801)가 다른 전자 장치(전자 장치(1802) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(1878)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있

햅틱 모듈(1879)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(1879)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.

카메라 모듈(1880)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(1880)은 하나 또는 복수의 렌즈들을 포함하는 렌즈 어셈블리, 도 1의 광학 센서(1000), 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(1880)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다.

전력 관리 모듈(1888)은 전자 장치(1801)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(1888)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.

배터리(1889)는 전자 장치(1801)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(1889)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.

통신 모듈(1890)은 전자 장치(1801)와 다른 전자 장치(전자 장치(1802), 전자 장치(1804), 서버(1808) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(1890)은 프로세서(1820)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 또는 복수의 커뮤니케이션 프로세서들을 포함할 수 있다. 통신 모듈(1890)은 무선 통신 모듈(1892)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(1894)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(1898)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(1899)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(1892)은 가입자 식별 모듈(1896)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(1898) 및/또는 제2 네트워크(1899)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(1801)를 확인 및 인증할 수 있다.

안테나 모듈(1897)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(1897)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(1890)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(1898) 및/또는 제2 네트워크(1899)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(1890)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(1897)의 일부로 포함될 수 있다.

구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.

명령 또는 데이터는 제2 네트워크(1899)에 연결된 서버(1808)를 통해서 전자 장치(1801)와 외부의 전자 장치(1804)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(1802, 1804)은 전자 장치(1801)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(1801)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(1802, 1804, 1808) 중 하나 또는 복수의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(1801)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(1801)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.

도 19는, 도 18의 카메라 모듈(1880)을 예시하는 블럭도이다. 도 19를 참조하면, 카메라 모듈(1880)은 렌즈 어셈블리(1910), 플래쉬(1920), 광학 센서(1000)(도 1 참고), 이미지 스태빌라이저(1940), 메모리(1950)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(1960)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(1910)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 카메라 모듈(1880)은 복수의 렌즈 어셈블리(1910)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(1880)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(1910)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(1910)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.

플래쉬(1920)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래쉬(1920)는 하나 또는 복수의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다. 광학 센서(1000)는 도 1에서 설명한 광학 센서일 수 있으며, 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(1910)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 광학 센서(1000)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 광학 센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 광학 센서(1000)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.

이미지 스태빌라이저(1940)는 카메라 모듈(1880) 또는 이를 포함하는 전자 장치(1901)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(1910)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 광학 센서(1000)를 특정한 방향으로 움직이거나 광학 센서(1000)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(1940)는 카메라 모듈(1880)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(1880) 또는 전자 장치(1801)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(1940)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.

메모리(1950)는 광학 센서(1000)를 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(1950)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(1960)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(1950)는 전자 장치(1801)의 메모리(1830)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.

이미지 시그널 프로세서(1960)는 광학 센서(1000)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(1950)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1960)는 카메라 모듈(1880)에 포함된 구성 요소들(광학 센서(1000) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1960)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(1950)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(1880)의 외부 구성 요소(메모리(1830), 표시 장치(1860), 전자 장치(1802), 전자 장치(1804), 서버(1808) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1960)는 프로세서(1820)에 통합되거나, 프로세서(1820)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1960)가 프로세서(1820)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(1960)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(1820)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(1860)를 통해 표시될 수 있다.

전자 장치(1801)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(1880)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(1880)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(1880)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.

실시예들에 따른 광학 센서(1000)는 도 20에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(2000), 도 21에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(2100), 도 22에 도시된 디지털 카메라 또는 캠코더(2200), 도 23에 도시된 노트북 컴퓨터(2300)에 또는 도 24에 도시된 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(2400) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰(2000) 또는 스마트 태블릿(2100)은 고해상 광학 센서가 각각 탑재된 복수의 고해상 카메라를 포함할 수 있다. 고해상 카메라들을 이용하여 영상 내 피사체들의 깊이 정보를 추출하거나, 영상의 아웃포커싱을 조절하거나, 영상 내 피사체들을 자동으로 식별할 수 있다.

또한, 광학 센서(1000)는 도 25에 도시된 스마트 냉장고(2500), 도 26에 도시된 보안 카메라(2600), 도 27에 도시된 로봇(2700), 도 28에 도시된 의료용 카메라(2800) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(2500)는 광학 센서를 이용하여 냉장고 내에 있는 음식을 자동으로 인식하고, 특정 음식의 존재 여부, 입고 또는 출고된 음식의 종류 등을 스마트폰을 통해 사용자에게 알려줄 수 있다. 보안 카메라(2600)는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(2700)은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라(2800)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.

또한, 광학 센서(1000)는 도 29에 도시된 바와 같이 차량(2900)에 적용될 수 있다. 차량(2900)은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라(2910, 2920, 2930, 2940)를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라(2910, 2920, 2930, 2940)는 실시예에 따른 광학 센서를 포함할 수 있다. 차량(2900)은 복수의 차량용 카메라(2910, 2920, 2930, 2940)를 이용하여 차량(2900) 내부 또는 주변에 대한 다양한 정보를 운전자에게 제공할 수 있으며, 영상 내의 사물 또는 사람을 자동으로 인식하여 자율 주행에 필요한 정보를 제공할 수 있다.

상술한 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

110.....센서 기판
111, 112, 113, 114.....광감지셀
120.....필터층
121, 122, 123, 124.....필터
130.....평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이
131, 132, 133, 134.....평면 나노 광학 마이크로렌즈
1000.....광학 센서
1010.....타이밍 컨트롤러
1020.....로우 디코더
1030.....출력 회로
1100.....화소 어레이
1880.....카메라 모듈
1910.....렌즈 어셈블리
1960.....이미지 시그널 프로세서

Claims

광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하는 센서 기판;
상기 센서 기판 위에 배치되며, 특정 파장 대역의 광만을 투과시키고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하는 복수의 필터를 포함하는 필터층; 및
상기 필터층 위에 배치되며, 상기 복수의 광감지셀 중에서 대응하는 광감지셀에 광을 집광시키는 나노 패턴 구조를 갖는 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며,
상기 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되고,
각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하며,
상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광은 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 위상 프로파일을 갖는, 광학 센서.
제1 항에 있어서,
상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상 프로파일은 상기 제1 방향을 따라 대칭적인 형태를 가지며 상기 제2 방향을 따라 대칭적인 형태를 갖는, 광학 센서.
제1 항에 있어서,
상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈에 경사지게 입사하는 광의 진행 방향을 편향시켜 대응하는 광감지셀의 중심부에 광을 집광시키도록 구성된, 광학 센서.
삭제
제3 항에 있어서,
상기 제1 방향을 따라 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부로부터 멀어질수록 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제1 방향에 따른 기울기가 증가하고,
상기 제2 방향을 따라 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부로부터 멀어질수록 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제2 방향에 따른 기울기가 증가하는, 광학 센서.
제3 항에 있어서,
상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제1 방향에 따른 기울기는 상기 제1 방향을 따라 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이에 입사하는 광의 입사각의 사인 값에 비례하고,
상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제2 방향에 따른 기울기는 상기 제2 방향을 따라 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이에 입사하는 광의 입사각의 사인 값에 비례하는, 광학 센서.
제3 항에 있어서,
상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 기울기는 상기 복수의 필터 중 상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈에 대응하는 필터가 투과시키는 광의 파장의 역수에 비례하는, 광학 센서.
제1 항에 있어서,
상기 광학 센서의 전체 영역에서 상기 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈 사이의 경계는 상기 복수의 필터 사이의 경계 및 상기 복수의 광감지셀 사이의 경계와 일치하는, 광학 센서.
광을 감지하는 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀을 포함하는 센서 기판;
상기 센서 기판 위에 배치되며, 상기 제1 광감지셀에 대응하고 제1 파장 대역의 광을 투과시키는 제1 필터 및 상기 제2 광감지셀에 대응하고 상기 제1 파장 대역보다 짧은 제2 파장 대역의 광을 투과시키는 제2 필터를 포함하는 필터층; 및
상기 필터층 위에 배치되며, 상기 제1 필터에 대응하고 상기 제1 광감지셀에 광을 집광시키는 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈 및 상기 제2 필터에 대응하고 상기 제2 광감지셀에 광을 집광시키는 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며,
상기 제1 및 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 제1 및 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고,
상기 제1 파장 대역의 광에 대한 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈의 초점 거리와 상기 제2 파장 대역의 광에 대한 상기 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈의 초점 거리가 동일한, 광학 센서.
제9 항에 있어서,
상기 제1 광감지셀, 상기 제1 필터, 및 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 제1 방향 및 제2 방향에 수직한 제3 방향을 따라 서로 마주하여 배열되어 있으며,
상기 제2 광감지셀, 상기 제2 필터, 및 상기 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 제3 방향을 따라 서로 마주하여 배열되어 있는, 광학 센서.
제9 항에 있어서,
상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 제1 필터를 투과한 제1 파장 대역의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에 집광되도록 구성되며,
상기 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 제2 필터를 투과한 제2 파장 대역의 광이 상기 제2 광감지셀의 중심부에 집광되도록 구성되는, 광학 센서.
삭제
제11 항에 있어서,
상기 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 상기 제2 파장 대역의 광의 위상 프로파일은 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 상기 제1 파장 대역의 광의 위상 프로파일보다 더 볼록한, 광학 센서.
제11 항에 있어서,
상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈 및 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광은 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 위상 프로파일을 갖는, 광학 센서.
제14 항에 있어서,
상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제1 방향에 따른 기울기는 상기 제1 평면 나노 광학 마이크로렌즈에 인접한 제2 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 선형 위상 프로파일의 상기 제1 방향에 따른 기울기보다 작은, 광학 센서.
제1 항에 있어서,
각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈의 나노 구조물은 상대적으로 고굴절률을 갖는 재료로 이루어지며, 상기 복수의 나노 구조물 사이에 상대적으로 저굴절률을 갖는 재료가 배치되어 있는, 광학 센서.
제16 항에 있어서,
상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 중심부에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈에서 상기 복수의 나노 구조물은 상기 제1 방향 및 제2 방향을 따라 대칭적으로 배열된, 광학 센서.
제16 항에 있어서,
상기 복수의 나노 구조물은 나노 기둥 형태 또는 나노 격자 형태를 갖는, 광학 센서.
제16 항에 있어서,
각각의 나노 구조물은 제1 나노 구조물 및 상기 제1 나노 구조물 위에 배치된 제2 나노 구조물을 포함하는, 광학 센서.
광학상을 전기적 신호로 변환하는 광학 센서; 및
상기 광학 센서의 동작을 제어하고, 상기 광학 센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서;를 포함하고,
상기 광학 센서는:
광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하는 센서 기판;
상기 센서 기판 위에 배치되며, 특정 파장 대역의 광만을 투과시키고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하는 복수의 필터를 포함하는 필터층; 및
상기 필터층 위에 배치되며, 상기 복수의 광감지셀 중에서 대응하는 광감지셀에 광을 집광시키는 나노 패턴 구조를 갖는 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며,
상기 복수의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되고,
각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈는 각각의 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하며,
상기 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 주변부에 배치된 평면 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광은 경사진 선형 위상 프로파일과 볼록한 위상 프로파일이 더해진 위상 프로파일을 갖는, 전자 장치.