KR20070075567A - High sensitivity image sensor using prism - Google Patents

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김범석
안정착
선요한
장윤호
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Abstract

A high-sensitivity image sensor is provided to separate light without causing a loss by using three micro lenses, a prism and three inner lenses. Three unit pixels(211,212,213) receive R(red), G(green) and B(blue) color signals. A prism(23) refracts rays of radiant light according to its wavelength and obtain the R, G and B color signals, formed on the three unit pixels. Three inner lenses(221,222,223) focuses the R, G and B color signals separated by the prism on the three unit pixels, positioned between the three unit pixels and the prism. A micro lens(24) controls the incident light through the prism by vertical light, formed on the prism. The three unit pixels can be arranged in a straight line, having square structures, respectively.

Description

프리즘을 이용하는 고감도 이미지 센서{High sensitivity image sensor using prism}High sensitivity image sensor using prism

도 1은 칼러 필터를 이용하는 이미지 센서의 구조를 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a structure of an image sensor using a color filter.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 나타내는 도면이다.2 is a view showing the structure of an image sensor according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2에 도시된 3개의 단위 픽셀들(211,212,213)의 배열을 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating an arrangement of three unit pixels 211, 212, and 213 shown in FIG. 2.

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 프리즘을 이용하는 고감도 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly to a high sensitivity image sensor using a prism.

최근에 고화소 이미지 센서(Image sensor)가 본격적으로 요구되면서 제한된 면적 내에 고화소 구조를 실현하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 따라서, 화소(pixel)의 크기도 작아지고 있다. 그러나, 포토 다이오드는 최소 수광 면적을 확보하여야만 광전변환에 의한 전기적 신호를 발생시킬 수 있으며, 하나의 단위 픽셀이 받아들이는 빛의 양과 신호가 절대적으로 감소하면 동작이 불가능해 진다. 그러므 로 현재의 이미지 센서 기술에서 수광 면적을 최대한 확보하면서 고화소 구조를 실현하기 위해서는 양자 효율(quantum efficiency)를 극대화하는 기술이 요구된다.Recently, as a high pixel image sensor is required in earnest, efforts have been made to realize a high pixel structure within a limited area. Therefore, the size of the pixel is also decreasing. However, the photodiode can generate an electrical signal by photoelectric conversion only when the minimum light receiving area is secured, and operation becomes impossible when the amount of light received by one unit pixel and the signal are absolutely reduced. Therefore, in order to realize the high pixel structure while maximizing the light receiving area in current image sensor technology, a technique for maximizing quantum efficiency is required.

현재의 픽셀 구조는 하나의 픽셀이 R(Red), G(Green), B(Blue) 색 신호들 중에 하나의 색 신호만을 감지하도록 설계되어 있다. 그리고 하나의 픽셀에서 하나의 색 신호만 받아들이기 위해서 칼러 필터(color filter)가 사용된다. 칼러 필터는 불필요한 빛을 걸러내기 위한 장치로서 복사선을 특정 부분만 흡수함으로써 제한된 복사선 밴드(band)만을 통과시키는 장치이다. 칼러 필터는 대략 50% 내지 80%의 효율로 복사선을 제공하며, 특정 색에 해당하는 파장의 빛만 통과시키는 필터로 이루어져 있다.The current pixel structure is designed such that one pixel senses only one color signal among R (Red), G (Green), and B (Blue) color signals. And a color filter is used to accept only one color signal in one pixel. The color filter is a device for filtering out unnecessary light, and absorbs only a certain portion of radiation to pass only a limited radiation band. The color filter provides radiation with an efficiency of approximately 50% to 80%, and consists of a filter that only passes light of a wavelength corresponding to a specific color.

도 1은 칼러 필터를 이용하는 이미지 센서의 구조를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 칼러 필터를 이용하는 이미지 센서에서는 R/G/B 3개의 단위 픽셀들(111,112,113) 상부에 칼러 필터(12)가 놓인다. 그리고 칼러 필터(12) 상부에 R/G/B 3개의 단위 픽셀들(111,112,113)에 대응하는 3개의 마이크로 렌즈들(131,132,133)이 놓인다.1 is a diagram illustrating a structure of an image sensor using a color filter. As shown in FIG. 1, in the image sensor using the color filter, the color filter 12 is disposed on the R / G / B three unit pixels 111, 112, and 113. Three micro lenses 131, 132, and 133 corresponding to the R / G / B three unit pixels 111, 112, and 113 are disposed on the color filter 12.

그런데 칼러 필터를 사용하는 경우에는, 예컨대 G 및 B 영역의 빛은 R 단위 픽셀에서 사용되지 못하고 손실된다. 이러한 빛의 손실로 인하여 칼러 필터를 이용하는 이미지 센서는 감도가 다소 떨어지는 단점이 있다.However, in the case of using the color filter, for example, light in the G and B regions is not used in the R unit pixels and is lost. Due to such a loss of light, the image sensor using the color filter has a disadvantage that the sensitivity is somewhat reduced.

따라서 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 빛을 손실없이 분리하여 감도를 높일 수 있는 이미지 센서를 제공하는 데 있다.Accordingly, an aspect of the present invention is to provide an image sensor capable of increasing sensitivity by separating light without loss.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는, R(Red), G(Green), B(Blue) 각각의 색 신호를 받아 들이는 3개의 단위 픽셀들; 상기 3개의 단위 픽셀들 상부에 형성되고, 파장에 따라 복사선을 굴절시켜 상기 R, G, B 각각의 색 신호를 얻어내는 프리즘; 상기 3개의 단위 픽셀들과 상기 프리즘 사이에 위치하고, 상기 프리즘에 의해 분리된 상기 R, G, B 각각의 색 신호를 상기 3개의 단위 픽셀들 각각으로 포커싱(focusing)시키는 3개의 내부 렌즈들; 및 상기 프리즘 상부에 형성되고, 상기 프리즘으로 들어오는 빛을 수직광으로 제어하는 마이크로 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an image sensor including: three unit pixels receiving color signals of R (Red), G (Green), and B (Blue); A prism formed on the three unit pixels and refracting radiation according to a wavelength to obtain color signals of the R, G, and B colors; Three internal lenses positioned between the three unit pixels and the prism and focusing the respective color signals of R, G, and B separated by the prism into each of the three unit pixels; And a micro lens formed on the prism and controlling light entering the prism as vertical light.

바람직한 일실시예에 따르면, 상기 3개의 단위 픽셀들은 일직선 상에 배열되고 상기 3개의 단위 픽셀들은 각각 정사각형 구조를 갖는다.According to a preferred embodiment, the three unit pixels are arranged in a straight line and each of the three unit pixels has a square structure.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는, R(Red), G(Green), B(Blue) 신호를 모두 받아 들이는 하나의 단위 픽셀; 상기 단위 픽셀 상부에 형성되고, 파장에 따라 복사선을 굴절시켜 상기 R, G, B 각각의 색 신호를 얻어내는 프리즘; 상기 단위 픽셀과 상기 프리즘 사이에 위치하고, 상기 프리즘에 의해 분리된 상기 R, G, B 각각의 색 신호를 상기 단위 픽셀로 포커싱(focusing)시키는 3개의 내부 렌즈들; 및 상기 프리즘 상부에 형성되고, 상기 프리즘으로 들어오는 빛을 수직광으로 제어하는 마이크로 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an image sensor including: one unit pixel configured to receive all R (Red), G (Green), and B (Blue) signals; A prism formed on the unit pixel and refracting radiation according to a wavelength to obtain a color signal of each of R, G, and B; Three internal lenses positioned between the unit pixel and the prism and focusing the respective color signals of the R, G, and B separated by the prism to the unit pixel; And a micro lens formed on the prism and controlling light entering the prism as vertical light.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.DETAILED DESCRIPTION In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 나타내는 도면이다.2 is a view showing the structure of an image sensor according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는, R(Red), G(Green), B(Blue) 각각의 색 신호를 받아 들이는 3개의 단위 픽셀들(211,212,213), 및 상기 3개의 단위 픽셀들(211,212,213) 상부에 형성되고 파장에 따라 복사선을 굴절시켜 상기 R, G, B 각각의 색 신호를 얻어내는 프리즘(23)을 구비한다.Referring to FIG. 2, an image sensor according to an embodiment of the present invention may include three unit pixels 211, 212, and 213 that receive color signals of R (Red), G (Green), and B (Blue), The prism 23 is formed on the three unit pixels 211, 212, 213 and refracts radiation according to a wavelength to obtain color signals of the R, G, and B colors.

상기 3개의 단위 픽셀들(211,212,213)과 상기 프리즘(23) 사이에는, 상기 프리즘(23)에 의해 분리된 R, G, B 각각의 색 신호를 상기 3개의 단위 픽셀들(211,212,213) 각각으로 포커싱(focusing)시키는 3개의 내부 렌즈들(221,222,223)이 형성된다. 그리고 상기 프리즘(23) 상부에는 상기 프리즘(23)으로 들어오는 빛을 수직광으로 제어하는 마이크로 렌즈(24)가 형성된다.Between the three unit pixels 211, 212, 213 and the prism 23, a color signal of each of R, G, and B separated by the prism 23 is focused on each of the three unit pixels 211, 212, 213. Three internal lenses 221, 222, 223 are formed to focus. A microlens 24 is formed on the prism 23 to control light entering the prism 23 as vertical light.

도 2에는 3개의 단위 픽셀들(211,212,213)이 R(Red), G(Green), B(Blue) 각각의 색 신호를 받아 들이는 구조가 도시되어 있으나, 하나의 단위 픽셀이 R(Red), G(Green), B(Blue) 신호를 모두 받아 들이도록 구성될 수도 있다.2 illustrates a structure in which three unit pixels 211, 212, 213 receive color signals of R (Red), G (Green), and B (Blue), respectively, but one unit pixel is R (Red), It can also be configured to accept both G (Green) and B (Blue) signals.

도 3은 도 2에 도시된 3개의 단위 픽셀들(211,212,213)의 배열을 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 3개의 단위 픽셀들(211,212,213)은 일직선 상에 배열되어야 하고, 상기 3개의 단위 픽셀들(211,212,213)은 각각 정사각형에 가까운 구조를 가져야 한다.FIG. 3 is a diagram illustrating an arrangement of three unit pixels 211, 212, and 213 shown in FIG. 2. As shown in FIG. 3, the three unit pixels 211, 212, 213 should be arranged in a straight line, and the three unit pixels 211, 212, 213 should each have a square structure.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서에서는, 칼러 필터를 사용하지 않고 프리즘(23)을 이용하여 가시광선의 빛을 손실없이 분리시켜 R, G, B 색 신호를 얻어낸다. 프리즘(23)에 의해 분리된 각 파장의 빛은 내부 렌즈들(221,222,223)을 이용하여 3개의 단위 픽셀들(211,212,213) 각각으로 포커싱(focusing)된다. 그리고 프리즘(23) 위에는 마이크로 렌즈(24)를 형성하여 프리즘(23)으로 들어오는 빛을 수직광으로 제어한다.As described above, in the image sensor according to the present invention, R, G, and B color signals are obtained by separating the visible light without loss using the prism 23 without using the color filter. Light of each wavelength separated by the prism 23 is focused to each of the three unit pixels 211, 212, and 213 using the internal lenses 221, 222, and 223. The microlens 24 is formed on the prism 23 to control light entering the prism 23 as vertical light.

만약 내부 렌즈들(221,222,223)이 없는 경우에는 혼색에 의한 노이즈가 발생할 수 있다. 따라서 프리즘(23)과 단위 픽셀들(211,212,213) 사이에 내부 렌즈들(221,222,223)을 배치시켜 프리즘(23)에 의해 분리된 빛을 다시 집광시켜줌으로써 빛의 손실을 최소화한다.If there are no internal lenses 221, 222, and 223, noise due to color mixing may occur. Accordingly, internal lenses 221, 222, and 223 are disposed between the prism 23 and the unit pixels 211, 212, 213 to condense the light separated by the prism 23, thereby minimizing the loss of light.

상술한 본 발명에 따른 이미지 센서는 상기와 같은 구조에 의해 양자 효율(Quantum efficiency), 즉 광학 효율(optical efficiency)을 향상시켜 빛을 손실없이 분리하여 감도를 높일 수 있다. The above-described image sensor according to the present invention can improve quantum efficiency, ie, optical efficiency, by separating light without loss and thereby increasing sensitivity by the above structure.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술 적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서는 3개의 마이크로 렌즈들, 프리즘, 및 3개의 내부 렌즈들을 이용하여 빛을 손실없이 분리하여 감도를 높일 수 있는 장점이 있다.As described above, the image sensor according to the present invention has an advantage of increasing sensitivity by separating light without loss by using three micro lenses, a prism, and three internal lenses.

Claims (4)

R(Red), G(Green), B(Blue) 각각의 색 신호를 받아 들이는 3개의 단위 픽셀들;Three unit pixels which receive a color signal of each of R (Red), G (Green), and B (Blue); 상기 3개의 단위 픽셀들 상부에 형성되고, 파장에 따라 복사선을 굴절시켜 상기 R, G, B 각각의 색 신호를 얻어내는 프리즘;A prism formed on the three unit pixels and refracting radiation according to a wavelength to obtain color signals of the R, G, and B colors; 상기 3개의 단위 픽셀들과 상기 프리즘 사이에 위치하고, 상기 프리즘에 의해 분리된 상기 R, G, B 각각의 색 신호를 상기 3개의 단위 픽셀들 각각으로 포커싱(focusing)시키는 3개의 내부 렌즈들; 및Three internal lenses positioned between the three unit pixels and the prism and focusing the respective color signals of R, G, and B separated by the prism into each of the three unit pixels; And 상기 프리즘 상부에 형성되고, 상기 프리즘으로 들어오는 빛을 수직광으로 제어하는 마이크로 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. And a micro lens formed on the prism and controlling the light entering the prism as vertical light. 제1항에 있어서, 상기 3개의 단위 픽셀들은 일직선 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The image sensor of claim 1, wherein the three unit pixels are arranged in a straight line. 제1항에 있어서, 상기 3개의 단위 픽셀들은 각각 정사각형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.The image sensor of claim 1, wherein each of the three unit pixels has a square structure. R(Red), G(Green), B(Blue) 신호를 모두 받아 들이는 하나의 단위 픽셀;One unit pixel that receives all of the R (Red), G (Green), and B (Blue) signals; 상기 단위 픽셀 상부에 형성되고, 파장에 따라 복사선을 굴절시켜 상기 R, G, B 각각의 색 신호를 얻어내는 프리즘;A prism formed on the unit pixel and refracting radiation according to a wavelength to obtain a color signal of each of R, G, and B; 상기 단위 픽셀과 상기 프리즘 사이에 위치하고, 상기 프리즘에 의해 분리된 상기 R, G, B 각각의 색 신호를 상기 단위 픽셀로 포커싱(focusing)시키는 3개의 내부 렌즈들; 및Three internal lenses positioned between the unit pixel and the prism and focusing the respective color signals of the R, G, and B separated by the prism to the unit pixel; And 상기 프리즘 상부에 형성되고, 상기 프리즘으로 들어오는 빛을 수직광으로 제어하는 마이크로 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. And a micro lens formed on the prism and controlling the light entering the prism as vertical light.
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US10304975B2 (en) 2017-01-18 2019-05-28 SK Hynix Inc. Image sensor having light refractive patterns

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