KR20210048400A - Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor - Google Patents

Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor Download PDF

Info

Publication number
KR20210048400A
KR20210048400A KR1020200116388A KR20200116388A KR20210048400A KR 20210048400 A KR20210048400 A KR 20210048400A KR 1020200116388 A KR1020200116388 A KR 1020200116388A KR 20200116388 A KR20200116388 A KR 20200116388A KR 20210048400 A KR20210048400 A KR 20210048400A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
sensing cell
pattern
region
wavelength
Prior art date
Application number
KR1020200116388A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
윤석호
노숙영
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to EP20202814.8A priority Critical patent/EP3812802A1/en
Priority to CN202011127956.XA priority patent/CN112701132A/en
Priority to JP2020177408A priority patent/JP2021067691A/en
Priority to US17/078,670 priority patent/US11978748B2/en
Publication of KR20210048400A publication Critical patent/KR20210048400A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462Coatings
    • H01L27/14621Colour filter arrangements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14605Structural or functional details relating to the position of the pixel elements, e.g. smaller pixel elements in the center of the imager compared to pixel elements at the periphery

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Color Television Image Signal Generators (AREA)

Abstract

Disclosed are an image sensor having a color separation lens array capable of separating and condensing incident light for each wavelength, and an electronic device including the same. The disclosed image sensor includes: a sensor substrate including a first light sensing cell and a second light sensing cell for sensing light; and a color separation lens array including a plurality of regions disposed to face each of the plurality of light sensing cells in a vertical direction. The color separation lens array separates light of a different first wavelength and light of a second wavelength included in the incident light with respect to the incident light incident on the color separation lens array, and light of a first wavelength is focused on the first light sensing cell and light of a second wavelength is focused on the second light sensing cell.

Description

색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 {Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor}An image sensor including a color separating lens array and an electronic apparatus including the image sensor.

개시된 실시예들은 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 전자 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.The disclosed embodiments relate to an image sensor including a color separation lens array and an electronic device including an image sensor, and more particularly, an image sensor and an image including a color separation lens array capable of separating and condensing incident light by wavelength. It relates to an electronic device including a sensor.

이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 입사광의 색을 감지한다. 그런데, 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다. 따라서, 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 경우, 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다.Image sensors typically detect the color of incident light using a color filter. However, since the color filter absorbs light of a color other than the light of the corresponding color, the light utilization efficiency may be deteriorated. For example, when an RGB color filter is used, only 1/3 of the incident light is transmitted and the remaining 2/3 is absorbed, so that the light utilization efficiency is only about 33%. Therefore, in the case of a color display device or a color image sensor, most of the light loss occurs in the color filter.

입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서를 제공한다.An image sensor with improved light utilization efficiency is provided by using a color separation lens array capable of separating and condensing incident light by wavelength.

이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.It provides an electronic device including an image sensor.

일 실시예에 따른 이미지 센서는, 광을 감지하는 제1 광감지셀과 제2 광감지셀을 포함하는 센서 기판; 상기 센서 기판 위에 배치된 투명한 스페이서층; 및 상기 스페이서층 위에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이는 연직 방향을 따라 상기 제1 광감지셀에 마주하여 배치되며 제1 패턴을 갖는 제1 영역 및 연직 방향을 따라 상기 제2 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1 패턴과 상이한 제2 패턴을 갖는 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 패턴과 제2 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광에 대해, 상기 입사광에 포함된 서로 다른 제1 파장의 광과 제2 파장의 광을 분리하여, 상기 제1 광감지셀에 제1 파장의 광을 집광시키고 상기 제2 광감지셀에 제2 파장의 광을 집광시킬 수 있다.An image sensor according to an embodiment includes: a sensor substrate including a first light sensing cell and a second light sensing cell for sensing light; A transparent spacer layer disposed on the sensor substrate; And a color separation lens array disposed on the spacer layer, wherein the color separation lens array is disposed to face the first light sensing cell in a vertical direction and is disposed along a first region having a first pattern and a vertical direction. It is disposed facing the second light sensing cell and includes a second region having a second pattern different from the first pattern, and the first pattern and the second pattern are formed with respect to incident light incident on the color separation lens array. , By separating light of a first wavelength and light of a second wavelength different from each other included in the incident light, condensing light of a first wavelength to the first light sensing cell, and light of a second wavelength to the second light sensing cell. Can be condensed.

상기 스페이서층은 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 입사광의 파장 대역의 중심파장에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 초점 거리에 해당하는 두께를 가질 수 있다.The spacer layer may have a thickness corresponding to a focal length of the color separation lens array at a center wavelength of a wavelength band of incident light color-separated by the color separation lens array.

상기 스페이서층의 이론 두께를 ht, 각각의 광감지셀의 피치를 p, 상기 스페이서층의 굴절률을 n, 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 입사광의 파장 대역의 중심파장을 λ0 라 할 때, 상기 스페이서층의 이론 두께는When the theoretical thickness of the spacer layer is h t , the pitch of each photosensitive cell is p, the refractive index of the spacer layer is n, and the center wavelength of the wavelength band of incident light color-separated by the color separation lens array is λ 0 . , The theoretical thickness of the spacer layer is

Figure pat00001
이고,
Figure pat00001
ego,

상기 스페이서층의 실제 두께 h는 ht - p ≤ h ≤ ht + p일 수 있다.The actual thickness h of the spacer layer may be h t -p ≤ h ≤ h t + p.

상기 제1 패턴과 제2 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 2Nπ의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서는 (2N-1)π의 위상 분포를 형성하도록 할 수 있다. 여기서, N은 0보다 큰 정수이다.In the first pattern and the second pattern, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a first wavelength forms a phase distribution of 2Nπ at a position corresponding to the center of the first light sensing cell. 2 At a position corresponding to the center of the photosensitive cell, a phase distribution of (2N-1)π can be formed. Here, N is an integer greater than 0.

상기 제1 패턴과 제2 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2M-1)π의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서는 2Mπ의 위상 분포를 형성하도록 할 수 있다. 여기서, M은 0보다 큰 정수이다.The first pattern and the second pattern have a phase distribution of (2M-1)π at a position immediately after passing through the color separation lens array and at a position corresponding to the center of the first light sensing cell. And at a position corresponding to the center of the second light sensing cell, a phase distribution of 2Mπ may be formed. Here, M is an integer greater than 0.

상기 제1 영역은 제1 굴절률을 가지며 제1 패턴을 형성하는 제1 유전체 및 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 가지며 상기 제1 유전체 사이에 채워진 제2 유전체를 포함하고, 상기 제1 영역의 어떠한 수직 단면에서도 상기 제1 유전체가 존재하도록 제1 패턴이 형성될 수 있다.The first region includes a first dielectric having a first refractive index and forming a first pattern, and a second dielectric having a second refractive index less than the first refractive index and filled between the first dielectrics, A first pattern may be formed such that the first dielectric is present even in a vertical cross section.

상기 제2 영역은 제1 굴절률을 가지며 제2 패턴을 형성하는 제1 유전체 및 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 가지며 상기 제1 유전체 사이에 채워진 제2 유전체를 포함하고, 상기 제2 영역의 어떠한 수직 단면에서도 상기 제1 유전체가 존재하도록 제2 패턴이 형성될 수 있다.The second region includes a first dielectric having a first refractive index and forming a second pattern, and a second dielectric having a second refractive index less than the first refractive index and filled between the first dielectrics, A second pattern may be formed such that the first dielectric is present even in a vertical cross section.

상기 센서 기판은 제3 광감지셀 및 제4 광감지셀을 더 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이는 연직 방향을 따라 상기 제3 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1패턴 및 제2패턴과 상이한 제3 패턴을 갖는 제3 영역 및 연직 방향을 따라 상기 제4 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1 패턴 내지 제3 패턴과 상이한 제4 패턴을 갖는 제4 영역을 더 포함할 수 있다.The sensor substrate further includes a third photo-sensing cell and a fourth photo-sensing cell, and the color separation lens array is disposed to face the third photo-sensing cell in a vertical direction, and includes the first pattern and the second pattern. A third region having a different third pattern and a fourth region disposed to face the fourth light sensing cell along a vertical direction and having a fourth pattern different from the first to third patterns may be further included.

상기 제3 영역은 상기 제1 영역과 인접하여 배치되고 상기 제2 영역의 대각선 방향으로 배치되며, 상기 제4 영역은 상기 제2 영역과 인접하여 배치되고 상기 제1 영역의 대각선 방향으로 배치되며, 상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광에 대해, 상기 입사광에 포함된 서로 다른 제1 파장의 광, 제2 파장의 광, 및 제3 파장의 광을 분리하여, 제1 광감지셀 및 제4 광감지셀에 제1 파장의 광을 집광시키고, 제2 광감지셀에 제2 파장의 광을 집광시키고, 제3 광감지셀에 제3 파장의 광을 집광시킬 수 있다.The third area is disposed adjacent to the first area and disposed in a diagonal direction of the second area, and the fourth area is disposed adjacent to the second area and disposed in a diagonal direction of the first area, The first to fourth patterns separate light of different first wavelength, light of a second wavelength, and light of a third wavelength included in the incident light with respect to the incident light incident on the color separation lens array. , Light of a first wavelength is condensed to the first and fourth light sensing cells, light of a second wavelength is condensed to the second light sensing cell, and light of a third wavelength is condensed to the third light sensing cell I can make it.

상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀 및 제4 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 2Nπ의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀 및 제3 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서는 (2N-1)π의 위상 분포를 형성하도록 할 수 있다.The first to fourth patterns have a phase of 2Nπ at a position immediately after passing through the color separation lens array and at a position corresponding to the center of the first light sensing cell and the fourth light sensing cell. A distribution may be formed, and a phase distribution of (2N-1)π may be formed at positions corresponding to the centers of the second and third light sensing cells.

상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부 및 상기 제4 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2M-1)π의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 2Mπ의 위상 분포를 형성하고 상기 제3 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2M-2)π보다 크고 (2M-1)π보다 작은 위상 분포를 형성하도록 할 수 있다.In the first to fourth patterns, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a second wavelength is at a position corresponding to the center of the first photosensitive cell and the center of the fourth photosensitive cell. A phase distribution of (2M-1)π is formed and a phase distribution of 2Mπ is formed at a position corresponding to the center of the second photosensitive cell, and (2M-2) at a position corresponding to the center of the third photosensitive cell. It is possible to form a phase distribution larger than π and smaller than (2M-1)π.

상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부 및 상기 제4 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2L-1)π의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2L-2)π보다 크고 (2L-1)π보다 작은 위상 분포를 형성하고 상기 제3 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 2Lπ의 위상 분포를 형성하도록 할 수 있다. 여기서, L은 0보다 큰 정수이다.In the first to fourth patterns, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a third wavelength is at a position corresponding to the center of the first photosensitive cell and the center of the fourth photosensitive cell. A phase distribution of (2L-1)π is formed, and a phase distribution larger than (2L-2)π and smaller than (2L-1)π is formed at a position corresponding to the center of the second light sensing cell, and the third light It is possible to form a phase distribution of 2Lπ at a position corresponding to the center of the sensing cell. Here, L is an integer greater than 0.

상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역에 입사하는 입사광 중에서, 제1 파장의 광은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제2 파장의 광은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 광감지셀 주변의 제2 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제3 파장의 광은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 광감지셀 주변의 제3 광감지셀의 중심부를 향해 진행시킬 수 있다.In the first to fourth patterns, among incident light incident on the first region of the color separation lens array, the light of the first wavelength proceeds toward the center of the first light sensing cell corresponding to the first region, The light of the second wavelength advances toward the center of the second light-sensing cell around the first light-sensing cell corresponding to the first area, and the light of the third wavelength is a first light-sensing cell corresponding to the first area. It can proceed toward the center of the surrounding third light sensing cell.

상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이의 제2 영역에 입사하는 입사광 중에서, 제2 파장의 광은 상기 제2 영역에 대응하는 제2 광감지셀의 중심부를 향해 진행하고, 제1 파장의 광은 상기 제2 영역에 대응하는 제2 광감지셀 주변의 제1 광감지셀 및 제4 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제3 파장의 광은 상기 제2 영역에 대응하는 제2 광감지셀 주변의 제3 광감지셀의 중심부를 향해 진행시킬 수 있다.In the first to fourth patterns, among incident light incident on the second region of the color separation lens array, light of a second wavelength proceeds toward the center of the second light sensing cell corresponding to the second region, The light of the first wavelength proceeds toward the center of the first and fourth light sensing cells around the second light sensing cell corresponding to the second region, and the light of the third wavelength corresponds to the second region. It may proceed toward the center of the third light sensing cell around the second light sensing cell.

상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이의 제3 영역에 입사하는 입사광 중에서, 제3 파장의 광은 상기 제3 영역에 대응하는 제3 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제1 파장의 광은 상기 제3 영역에 대응하는 제3 광감지셀 주변의 제1 광감지셀 및 제4 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제2 파장의 광은 상기 제3 영역에 대응하는 제3 광감지셀 주변의 제2 광감지셀의 중심부를 향해 진행시킬 수 있다.In the first to fourth patterns, among incident light incident on a third area of the color separation lens array, light of a third wavelength proceeds toward the center of the third light sensing cell corresponding to the third area, The light of the first wavelength advances toward the center of the first and fourth light sensing cells around the third light sensing cell corresponding to the third region, and the light of the second wavelength corresponds to the third region. It may proceed toward the center of the second light sensing cell around the third light sensing cell.

상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이의 제4 영역에 입사하는 입사광 중에서, 제1 파장의 광은 상기 제4 영역에 대응하는 제4 광감지셀의 중심부를 향해 진행하고, 제2 파장의 광은 상기 제4 영역에 대응하는 제4 광감지셀 주변의 제2 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제3 파장의 광은 상기 제4 영역에 대응하는 제4 광감지셀 주변의 제3 광감지셀의 중심부를 향해 진행시킬 수 있다.In the first to fourth patterns, among incident light incident on a fourth region of the color separation lens array, light of a first wavelength proceeds toward a central portion of a fourth light sensing cell corresponding to the fourth region, The light of the second wavelength advances toward the center of the second light-sensing cell around the fourth light-sensing cell corresponding to the fourth area, and the light of the third wavelength is a fourth light-sensing cell corresponding to the fourth area. It can proceed toward the center of the surrounding third light sensing cell.

예를 들어, 상기 제1 파장의 광은 녹색광이고, 상기 제2 파장의 광은 청색광이며, 상기 제3 파장의 광은 적색광일 수 있다.For example, the light of the first wavelength may be green light, the light of the second wavelength may be blue light, and the light of the third wavelength may be red light.

상기 제1 패턴 및 제4 패턴은 2방 대칭이며, 상기 제2 패턴 및 제3 패턴은 4방 대칭이고, 상기 제4 패턴은 상기 제1 패턴에 대해 90도 회전된 모양을 가질 수 있다.The first pattern and the fourth pattern are two-way symmetric, the second and third patterns are four-way symmetric, and the fourth pattern may have a shape rotated by 90 degrees with respect to the first pattern.

상기 색분리 렌즈 어레이는 서로 인접하는 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역을 포함하는 복수의 단위 패턴 어레이를 포함하며, 상기 복수의 단위 패턴 어레이는 2차원적으로 반복 배열될 수 있다.The color separation lens array includes a plurality of unit pattern arrays including a first region, a second region, a third region, and a fourth region adjacent to each other, and the plurality of unit pattern arrays are arranged in a two-dimensional manner. Can be.

상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 센서 기판의 가장자리에 대해 돌출하여 배치되며 연직 방향으로 상기 센서 기판의 어떠한 광감지셀과도 마주하지 않는 복수의 제1 영역, 복수의 제2 영역, 복수의 제3 영역, 및 복수의 제4 영역을 더 포함할 수 있다.The color separation lens array is disposed to protrude from the edge of the sensor substrate, and a plurality of first regions, a plurality of second regions, and a plurality of third regions that do not face any light sensing cells of the sensor substrate in a vertical direction , And a plurality of fourth regions may be further included.

상기 이미지 센서는 상기 센서 기판과 상기 스페이서층 사이에 배치된 것으로, 복수의 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터층을 더 포함할 수 있다.The image sensor is disposed between the sensor substrate and the spacer layer, and may further include a color filter layer including a plurality of color filters.

다른 실시예에 따른 이미지 센서는, 광을 감지하는 제1 광감지셀 내지 제4 광감지셀을 포함하는 센서 기판; 상기 센서 기판 위에 배치된 투명한 스페이서층; 및 상기 스페이서층 위에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이는 연직 방향을 따라 상기 제1 광감지셀에 마주하여 배치되며 제1 패턴을 갖는 제1 영역, 연직 방향을 따라 상기 제2 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1 패턴과 상이한 제2 패턴을 갖는 제2 영역, 연직 방향을 따라 상기 제3 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1패턴 및 제2패턴과 상이한 제3 패턴을 갖는 제3 영역, 및 연직 방향을 따라 상기 제4 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1 패턴 내지 제3 패턴과 상이한 제4 패턴을 갖는 제4 영역을 포함하고, 상기 제3 영역은 상기 제1 영역과 인접하여 배치되고 상기 제2 영역의 대각선 방향으로 배치되며, 상기 제4 영역은 상기 제2 영역과 인접하여 배치되고 상기 제1 영역의 대각선 방향으로 배치되며, 상기 제1 패턴 및 제4 패턴은 2방 대칭이며, 상기 제2 패턴 및 제3 패턴은 4방 대칭이고, 상기 제4 패턴은 상기 제1 패턴에 대해 90도 회전된 모양을 가질 수 있다.An image sensor according to another embodiment includes: a sensor substrate including first to fourth light sensing cells for sensing light; A transparent spacer layer disposed on the sensor substrate; And a color separation lens array disposed on the spacer layer, wherein the color separation lens array is disposed in a vertical direction to face the first light sensing cell, and includes a first region having a first pattern and a vertical direction. A second region disposed to face the second light sensing cell and having a second pattern different from the first pattern, disposed to face the third light sensing cell in a vertical direction, and the first pattern and the second pattern A third region having a different third pattern, and a fourth region disposed to face the fourth light sensing cell along a vertical direction and having a fourth pattern different from the first to third patterns, and the fourth region The third area is disposed adjacent to the first area and disposed in a diagonal direction of the second area, and the fourth area is disposed adjacent to the second area and disposed in a diagonal direction of the first area. The first pattern and the fourth pattern are two-way symmetric, the second and third patterns are four-way symmetric, and the fourth pattern may have a shape rotated by 90 degrees with respect to the first pattern.

다른 실시예에 따른 촬상 장치는, 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈에 의해 형성된 광학상을 전기적인 영상 신호로 변환하는 상술한 이미지 센서;를 포함할 수 있다.An imaging device according to another embodiment includes: an objective lens for forming an optical image by focusing light reflected from an object; And the above-described image sensor for converting the optical image formed by the objective lens into an electrical image signal.

또한, 또 다른 실시예에 따른 전자 장치는 상술한 촬상 장치를 포함할 수 있다.Also, an electronic device according to another embodiment may include the above-described imaging device.

개시된 색분리 렌즈 어레이는 입사광을 흡수하거나 차단하지 않으면서 파장 별로 분리하여 집광할 수 있기 때문에, 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 개시된 색분리 렌즈 어레이를 채용한 이미지 센서는 이미지 센서에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer pattern) 방식을 유지할 수 있어, 기존의 이미지 센서의 화소 구조와 이미지 처리 알고리즘을 활용할 수 있다. 또한, 개시된 색분리 렌즈 어레이를 채용한 이미지 센서는 빛을 화소에 집광시키기 위한 별도의 마이크로 렌즈를 필요로 하지 않는다.Since the disclosed color separation lens array can separate and condense light by wavelength without absorbing or blocking incident light, it is possible to improve the light utilization efficiency of the image sensor. In addition, the image sensor employing the disclosed color separation lens array can maintain the Bayer pattern method generally adopted in the image sensor, and thus can utilize the pixel structure and image processing algorithm of the existing image sensor. In addition, an image sensor employing the disclosed color separation lens array does not require a separate microlens for condensing light onto a pixel.

도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 이미지 센서의 화소 어레이의 다양한 화소 배열을 예시적으로 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도이다.
도 4는 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있는 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이를 A-A' 라인을 따라 절개한 수직 단면을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이를 B-B' 라인을 따라 절개한 수직 단면을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이를 복수 개 포함하는 색분리 렌즈 어레이의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 각각 다른 단면에서 보이는 도면이다.
도 9a는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제1 영역을 예시적으로 보이며, 도 9b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다.
도 10a는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제2 영역을 예시적으로 보이며, 도 10b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다.
도 11a는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제3 영역을 예시적으로 보이며, 도 11b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다.
도 12a는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제4 영역을 예시적으로 보이며, 도 12b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다.
도 13a 및 도 13b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 청색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 청색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 13c는 청색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제2 영역과 그 주변에 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 13d는 청색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.
도 14a 및 도 14b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 녹색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 14c는 녹색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역과 그 주변에 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 14d는 녹색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.
도 15a 및 도 15b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 적색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 15c는 적색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제3 영역과 그 주변에 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 15d는 적색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.
도 16a 내지 도 16e는 광감지셀의 피치가 0.7 μm인 경우에 색분리 렌즈 어레이와 센서 기판 사이의 거리에 따른 색분리 렌즈 어레이의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 17a 내지 도 17e는 광감지셀의 피치가 0.8 μm인 경우에 색분리 렌즈 어레이와 센서 기판 사이의 거리에 따른 색분리 렌즈 어레이의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 18a 내지 도 18e는 광감지셀의 피치가 1.0 μm인 경우에 색분리 렌즈 어레이와 센서 기판 사이의 거리에 따른 색분리 렌즈 어레이의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 19는 도 8a 및 도 8b에 도시된 이미지 센서의 청색 화소, 녹색 화소, 적색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 22a 및 도 22b는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다.
도 23은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 24는 도 23에 도시된 색분리 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 25는 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 26 내지 도 36은 실시예들에 따른 이미지 센서가 적용된 전자 장치의 다양한 예를 보인다.
1 is a block diagram of an image sensor according to an exemplary embodiment.
2A to 2C exemplarily show various pixel arrangements of a pixel array of an image sensor.
3 is a conceptual diagram showing a schematic structure and operation of a color separation lens array according to an exemplary embodiment.
4 is a plan view illustrating a unit pattern array of a color separation lens array that can be applied to a Bayer pattern type image sensor.
5 is a cross-sectional view illustrating a vertical cross section of the unit pattern array shown in FIG. 4 taken along the line AA′.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a vertical cross section of the unit pattern array shown in FIG. 4 taken along line BB′.
7 is a plan view illustrating an arrangement of a color separation lens array including a plurality of unit pattern arrays illustrated in FIG. 4.
8A and 8B are views each showing a pixel array of an image sensor according to an exemplary embodiment from different cross-sections.
9A illustrates an example of a first region of the unit pattern array illustrated in FIG. 4, and FIG. 9B illustrates a corresponding pixel of an image sensor and a neighboring pixel thereof.
10A is an exemplary view of a second area of the unit pattern array illustrated in FIG. 4, and FIG. 10B is an exemplary view of a corresponding pixel of an image sensor and surrounding pixels thereof.
FIG. 11A exemplarily shows a third area of the unit pattern array illustrated in FIG. 4, and FIG. 11B exemplarily shows a pixel of an image sensor corresponding thereto and a pixel surrounding the same.
12A is an exemplary view of a fourth region of the unit pattern array illustrated in FIG. 4, and FIG. 12B is an exemplary view of a pixel of an image sensor corresponding thereto and a pixel surrounding it.
13A and 13B are diagrams for computational simulation of a phase distribution of blue light passing through a color separation lens array and a focusing distribution of blue light in an opposing light sensing cell, and FIG. 13C is a second color separation lens array corresponding to a blue pixel. The moving direction of the blue light incident on the region and its periphery is shown as an example, and FIG. 13D exemplarily shows a micro lens array that acts equivalently to a color separation lens array for blue light.
14A and 14B are diagrams for computational simulation of the phase distribution of green light passing through the color separation lens array and the focusing distribution of green light in an opposing light sensing cell, and FIG. 14C is a first diagram of a color separation lens array corresponding to a green pixel. The moving direction of the green light incident on the region and its periphery is shown as an example, and FIG. 14D exemplarily shows a micro lens array that acts equivalently to a color separation lens array for green light.
15A and 15B are diagrams that simulate the phase distribution of red light passing through the color separation lens array and the focusing distribution of red light in the opposing light sensing cells, and FIG. 15C is a third color separation lens array corresponding to a red pixel. The traveling direction of the red light incident on the region and its periphery is shown as an example, and FIG. 15D exemplarily shows a micro lens array that acts equivalently to a color separation lens array for red light.
16A to 16E are graphs exemplarily showing changes in efficiency of the color separation lens array according to the distance between the color separation lens array and the sensor substrate when the pitch of the photosensitive cells is 0.7 μm.
17A to 17E are graphs exemplarily showing changes in efficiency of the color separation lens array according to the distance between the color separation lens array and the sensor substrate when the pitch of the light sensing cells is 0.8 μm.
18A to 18E are graphs exemplarily showing changes in efficiency of the color separation lens array according to the distance between the color separation lens array and the sensor substrate when the pitch of the photosensitive cells is 1.0 μm.
19 is a graph exemplarily showing spectral distributions of light incident on a blue pixel, a green pixel, and a red pixel of the image sensor illustrated in FIGS. 8A and 8B.
20 is a plan view exemplarily showing a shape of a unit pattern array of a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
21 is a plan view exemplarily showing a shape of a unit pattern array of a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
22A and 22B are schematic cross-sectional views illustrating a pixel array of an image sensor according to another exemplary embodiment, respectively.
23 is a plan view illustrating a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
24 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a pixel array of an image sensor including the color separation lens array shown in FIG. 23.
25 is a schematic block diagram of an electronic device including an image sensor according to embodiments.
26 to 36 show various examples of electronic devices to which an image sensor according to embodiments is applied.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 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. Hereinafter, an image sensor including a color separation lens array and an electronic device including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The described embodiments are merely exemplary, and various modifications are possible from these embodiments. In the following drawings, the same reference numerals refer to the same components, and the size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.

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.Hereinafter, the expression described as "upper" or "upper" may include not only those that are directly above/below/left/right in contact, but also those that are above/below/left/right in a non-contact manner.

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.Terms such as first and second may be used to describe various components, but are used only for the purpose of distinguishing one component from other components. These terms are not intended to limit differences in materials or structures of components.

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.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "... unit" and "module" described in the specification mean units that process functions or operations, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software.

"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.The use of the term "above" and similar reference terms may correspond to both the singular and the plural.

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.The steps constituting the method may be performed in any suitable order unless there is a clear statement that the steps constituting the method should be performed in the order described. In addition, the use of all exemplary terms (eg, etc.) is merely for describing technical ideas in detail, and the scope of the rights is not limited by these terms unless limited by claims.

도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.1 is a schematic block diagram of an image sensor according to an exemplary embodiment. Referring to FIG. 1, the image sensor 1000 may include a pixel array 1100, a timing controller 1010, a row decoder 1020, and an output circuit 1030. The image sensor may be a charge coupled device (CCD) image sensor or a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor.

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.The pixel array 1100 includes pixels that are two-dimensionally arranged along a plurality of rows and columns. The row decoder 1020 selects one of the rows of the pixel array 1100 in response to a row address signal output from the timing controller 1010. The output circuit 1030 outputs a light detection signal in column units from a plurality of pixels arranged along the selected row. To this end, the output circuit 1030 may include a column decoder and an analog to digital converter (ADC). For example, the output circuit 1030 may include a plurality of ADCs disposed for each column between the column decoder and the pixel array 1100 or one ADC disposed at an output terminal of the column decoder. The timing controller 1010, the row decoder 1020, and the output circuit 1030 may be implemented as a single chip or separate chips. A processor for processing the image signal output through the output circuit 1030 may be implemented as a single chip together with the timing controller 1010, the row decoder 1020, and the output circuit 1030.

화소 어레이(1100)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 화소들은 도 2a 내지 도 2c와 같이 다양한 방식으로 배열될 수 있다.The pixel array 1100 may include a plurality of pixels sensing light of different wavelengths. Pixels may be arranged in various ways as shown in FIGS. 2A to 2C.

먼저, 도 2a는 이미지 센서(1000)에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 보인다. 도 2a를 참조하면, 하나의 단위 화소는 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 화소가 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원적으로 반복 배열된다. 다시 말해, 2×2 어레이 형태의 단위 화소 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 반복적으로 배열된다.First, FIG. 2A shows a Bayer pattern generally adopted in the image sensor 1000. Referring to FIG. 2A, one unit pixel includes four quadrant regions, and the first to fourth quadrants are respectively a blue pixel (B), a green pixel (G), a red pixel (R), and a green color. It can be a pixel (G). These unit pixels are repeatedly arranged two-dimensionally along a first direction (X direction) and a second direction (Y direction). In other words, two green pixels (G) are arranged in one diagonal direction within a 2×2 array-type unit pixel, and one blue pixel (B) and one red pixel (R) in the other diagonal direction, respectively. Is placed. Looking at the overall pixel arrangement, a first row in which a plurality of green pixels (G) and a plurality of blue pixels (B) are alternately arranged along a first direction, and a plurality of red pixels (R) and a plurality of green pixels (G) are The second rows alternately arranged along the first direction are repeatedly arranged.

그러나, 화소 어레이(1100)의 배열 방식은 베이어 패턴에만 한정되는 것이 아니며, 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 화소를 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 화소를 구성하는 RGBW 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도시되지는 않았지만 단위 화소가 3×2 어레이 형태를 가질 수도 있다. 그 밖에도 화소 어레이(1100)의 화소들은 이미지 센서(1000)의 색 특성에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 이하에서는, 편의상 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것으로 설명하지만, 이하에서 설명하는 실시예들의 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.However, the arrangement method of the pixel array 1100 is not limited only to the Bayer pattern, and various arrangement methods other than the Bayer pattern are possible. For example, referring to FIG. 2B, a magenta pixel (M), a cyan pixel (C), a yellow pixel (Y), and a green pixel (G) represent one unit pixel. The configuration of the CYGM method is also possible. Further, referring to FIG. 2C, an RGBW arrangement in which a green pixel (G), a red pixel (R), a blue pixel (B), and a white pixel (W) constitute one unit pixel is also possible. Also, although not shown, the unit pixel may have a 3×2 array form. In addition, the pixels of the pixel array 1100 may be arranged in various ways according to the color characteristics of the image sensor 1000. Hereinafter, for convenience, the pixel array 1100 of the image sensor 1000 will be described as having a Bayer pattern, but the principles of the embodiments described below may be applied to a pixel array other than a Bayer pattern.

일 실시예에 따르면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 각각의 화소에 그에 해당하는 색의 빛을 집광시키도록 구성된 색분리 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 도 3은 일 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도이다. 도 3을 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 단위 패턴 어레이는 각각 서로 구분되는 제1 패턴 내지 제4 패턴을 갖는 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(131)은 제1 패턴을 가지며, 제2 영역(132)은 제1 패턴과 상이한 형태로 패터닝된 제2 패턴을 갖고, 제3 영역(133)은 제1 패턴 및 제2 패턴과 상이한 형태로 패터닝된 제3 패턴을 갖고, 제4 영역(134)은 제1 내지 제3 패턴과 상이한 형태로 패터닝된 제4 패턴을 가질 수 있다.According to an embodiment, the pixel array 1100 of the image sensor 1000 may include a color separation lens array configured to condense light of a corresponding color to each pixel. 3 is a conceptual diagram showing a schematic structure and operation of a color separation lens array according to an exemplary embodiment. Referring to FIG. 3, the unit pattern array of the color separation lens array 130 may include first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 each having first to fourth patterns that are distinguished from each other. have. For example, the first region 131 has a first pattern, the second region 132 has a second pattern patterned in a different shape from the first pattern, and the third region 133 has a first pattern and The third pattern may have a shape different from that of the second pattern, and the fourth region 134 may have a fourth pattern patterned in a shape different from the first to third patterns.

제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)은, 예를 들어, 2×2의 형태로 동일한 평면에 배열될 수 있다. 따라서, 제1 영역(131)과 제2 영역(132)은 제1 방향을 따라 서로 인접하여 배치되며, 제3 영역(133)과 제4 영역(134)도 제1 방향을 따라 서로 인접하여 배치된다. 그리고, 제1 영역(131)과 제3 영역(133)은 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 서로 인접하여 배치되며, 제3 영역(133)과 제4 영역(134)도 제2 방향을 따라 서로 인접하여 배치된다. 제1 영역(131)과 제4 영역(134)은 대각선 방향을 따라 배열되며, 제2 영역(133)과 제3 영역(133)은 다른 대각선 방향을 따라 배열된다.The first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 may be arranged on the same plane in the form of, for example, 2×2. Accordingly, the first area 131 and the second area 132 are disposed adjacent to each other in the first direction, and the third area 133 and the fourth area 134 are also disposed adjacent to each other in the first direction. do. In addition, the first region 131 and the third region 133 are disposed adjacent to each other in a second direction perpendicular to the first direction, and the third region 133 and the fourth region 134 are also arranged in the second direction. Are arranged adjacent to each other along the line. The first and fourth regions 131 and 134 are arranged along a diagonal direction, and the second and third regions 133 and 133 are arranged along different diagonal directions.

실시예에 따르면, 색분리 렌즈 어레이(130)에 입사하는 입사광 중에서, 제1 파장의 빛(λ1)은 제1 영역(131)과 연직 방향을 따라 마주하는 제1 타깃 영역(R1)에 집광되고, 제2 파장의 빛(λ2)은 제2 영역(132)과 연직 방향을 따라 마주하는 제2 타깃 영역(R2)에 집광되고, 제3 파장의 빛(λ3)은 제3 영역(133)과 연직 방향을 따라 마주하는 제3 타깃 영역(R3)에 집광되고, 제4 파장의 빛(λ4)은 제4 영역(134)과 연직 방향을 따라 마주하는 제4 타깃 영역(R4)에 집광되도록, 제1 내지 제4 패턴이 결정될 수 있다. 이러한 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 구체적인 패턴은 색분리 렌즈 어레이(130)가 적용되는 이미지 센서의 화소 배열 및 색 특성에 따라 다양하게 설계될 수 있다.According to an embodiment, of the incident light incident on the color separation lens array 130, the light of the first wavelength λ1 is condensed in the first target region R1 facing the first region 131 along a vertical direction. , The light of the second wavelength λ2 is focused on the second target region R2 facing the second region 132 along the vertical direction, and the light of the third wavelength λ3 is focused on the third region 133 It is condensed on the third target region R3 facing along the vertical direction, and the light of the fourth wavelength λ4 is focused on the fourth target region R4 facing the fourth region 134 and along the vertical direction, The first to fourth patterns may be determined. Specific patterns of the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 may be variously designed according to the pixel arrangement and color characteristics of the image sensor to which the color separation lens array 130 is applied.

도 3에 도시된 색분리 렌즈 어레이(130)를 도 2a에 도시된 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용하는 경우, 제1 영역(131)과 제4 영역(134)은 녹색 화소(G)에 마주하여 배치되고, 제2 영역(132)은 청색 화소(B)에 마주하여 배치되고, 제3 영역(133)은 적색 화소(R)에 마주하여 배치될 수 있다. 그리고, 제1 파장의 빛(λ1)과 제4 파장의 빛(λ4)은 녹색광이고, 제2 파장의 빛(λ2)은 청색광이고, 제3 파장의 빛(λ3)은 적색광일 수 있다.When the color separation lens array 130 shown in FIG. 3 is applied to the Bayer pattern type image sensor shown in FIG. 2A, the first area 131 and the fourth area 134 face the green pixel G. The second region 132 may be disposed to face the blue pixel B, and the third region 133 may be disposed to face the red pixel R. In addition, the first wavelength light λ1 and the fourth wavelength light λ4 may be green light, the second wavelength light λ2 may be blue light, and the third wavelength light λ3 may be red light.

도 4는 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있는 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 4를 참조하면, 녹색 화소(G)에 마주하는 제1 영역(131)은 제1 패턴을 형성하는 제1 유전체(131a) 및 제1 유전체(131a) 사이에 채워진 제2 유전체(131b)를 포함한다. 청색 화소(B)에 마주하는 제2 영역(132)은 제2 패턴을 형성하는 제1 유전체(132a) 및 제1 유전체(132a) 사이에 채워진 제2 유전체(132b)를 포함하고, 적색 화소(R)에 마주하는 제3 영역(133)은 제3 패턴을 형성하는 제1 유전체(133a) 및 제1 유전체(133a) 사이에 채워진 제2 유전체(133b)를 포함하며, 녹색 화소(G)에 마주하는 제4 영역(134)은 제4 패턴을 형성하는 제1 유전체(134a) 및 제1 유전체(134a) 사이에 채워진 제2 유전체(134b)를 포함한다.4 is a plan view illustrating a unit pattern array of a color separation lens array that can be applied to a Bayer pattern type image sensor. Referring to FIG. 4, a first region 131 facing the green pixel G includes a first dielectric 131a forming a first pattern and a second dielectric 131b filled between the first dielectric 131a. Includes. The second region 132 facing the blue pixel B includes a first dielectric 132a forming a second pattern and a second dielectric 132b filled between the first dielectric 132a, and the red pixel ( The third region 133 facing R) includes a first dielectric 133a forming a third pattern and a second dielectric 133b filled between the first dielectric 133a, and the green pixel G The facing fourth region 134 includes a first dielectric 134a forming a fourth pattern and a second dielectric 134b filled between the first dielectric 134a.

제1 영역(131)과 제2 영역(132)은 둘 다 녹색 화소를 마주하고 있어 동일한 형태를 가지지만 그 회전 방향은 다를 수 있다. 예를 들어 도 4와 같이 제4 영역(134)의 패턴은 제1 영역(131)의 패턴이 90도 회전된 형태를 가질 수 있다. 이와 같은 차이는 인접한 화소의 배치에 따라 결정될 수 있다. 도 4의 경우, 제1 영역(131)을 마주하는 녹색 화소(G)의 좌우에는 청색 화소(B)가 배치되고 제4 영역(134)을 마주하는 녹색 화소(G)의 좌우에는 적색 화소(R)가 배치되는 차이에서 이처럼 동일하지만 다른 회전 방향으로 배치된 패턴이 형성될 수 있다.The first region 131 and the second region 132 both face the green pixel and thus have the same shape, but their rotation directions may be different. For example, as shown in FIG. 4, the pattern of the fourth region 134 may have a shape in which the pattern of the first region 131 is rotated 90 degrees. This difference may be determined according to the arrangement of adjacent pixels. In the case of FIG. 4, blue pixels B are disposed on the left and right sides of the green pixel G facing the first area 131, and red pixels B are disposed on the left and right sides of the green pixel G facing the fourth area 134. In the difference in which R) is arranged, a pattern arranged in a different direction of rotation may be formed as described above.

제1 유전체(131a, 132a, 133a, 134a)는 모두 동일한 재료로 이루어질 수 있으며, 제2 유전체(131b, 132b, 133b, 134b) 또한 모두 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 유전체(131a, 132a, 133a, 134a)는 TiO2, GaN, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 등과 같이 고굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 재료로 이루어질 수 있으며, 제2 유전체(131b, 132b, 133b, 134b)는 공기(air), SiO2, 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass) 등과 같이 저굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 제2 유전체(131b, 132b, 133b, 134b)가 공기로 이루어지는 경우, 도 4에 도시된 색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 유전체(131a, 132a, 133a, 134a)를 식각하여 간단히 형성될 수 있다.All of the first dielectrics 131a, 132a, 133a, and 134a may be made of the same material, and all of the second dielectrics 131b, 132b, 133b, and 134b may be made of the same material. For example, the first dielectric 131a, 132a, 133a, 134a is made of a dielectric material having a high refractive index, such as TiO 2 , GaN, SiN 3 , ZnS, ZnSe, Si 3 N 4, etc., and having a low absorption rate in the visible light band. The second dielectrics 131b, 132b, 133b, and 134b have a low refractive index such as air, SiO 2 , and silanol-based spin on glass (SOG) and have a low absorption rate in the visible light band. It can be made of a dielectric material. When the second dielectrics 131b, 132b, 133b, and 134b are made of air, the color separation lens array 130 shown in FIG. 4 can be formed simply by etching the first dielectrics 131a, 132a, 133a, and 134a. have.

도 5는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이를 A-A' 라인(X 방향)을 따라 절개한 수직 단면을 예시적으로 보이는 단면도이고, 도 6은 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이를 B-B' 라인(Y 방향)을 따라 절개한 수직 단면을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 유전체(131a, 132a, 133a, 134a)와 제2 유전체(131b, 132b, 133b, 134b)는 연직 방향으로 평행하게 연장될 수 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 수직 단면의 형태는 예시적인 것이며, A-A' 라인 및 B-B' 라인의 위치에 따라 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 수직 단면의 형태가 달라질 수 있다. 예를 들어, A-A' 라인이 Y방향을 따라 이동함에 따라 도 5에 도시된 수직 단면의 형태가 변화하게 되며, B-B' 라인이 X방향을 따라 이동함에 따라 도 6에 도시된 수직 단면의 형태가 변화하게 된다. 이러한 수직 단면 형태의 변화와 관계 없이, 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 모든 수직 단면에서 제1 유전체(131a, 132a, 133a, 134a)와 제2 유전체(131b, 132b, 133b, 134b)가 함께 존재할 수 있다.FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a vertical cross section of the unit pattern array shown in FIG. 4 taken along the AA′ line (X direction), and FIG. 6 is a BB′ line (Y It is a cross-sectional view showing a vertical cross section cut along the direction) as an example. 5 and 6, the first dielectrics 131a, 132a, 133a, and 134a and the second dielectrics 131b, 132b, 133b, and 134b may extend in parallel in a vertical direction. The shape of the vertical cross section shown in FIGS. 5 and 6 is exemplary, and the shape of the vertical cross section of the first to fourth regions 131, 132, 133 and 134 varies according to the positions of the AA' line and the BB' line. I can. For example, as the line AA' moves along the Y direction, the shape of the vertical section shown in FIG. 5 changes, and as the line BB' moves along the X direction, the shape of the vertical section shown in FIG. It will change. Regardless of the change in the shape of the vertical section, the first dielectrics 131a, 132a, 133a, 134a and the second dielectrics 131b, 132b in all vertical sections of the first to fourth regions 131, 132, 133, 134 , 133b, 134b) may exist together.

도 7은 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이를 복수 개 포함하는 색분리 렌즈 어레이의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 도 4에 도시된 2×2의 단위 패턴 어레이가 반복적으로 2차원 배열된 형태를 가질 수 있다7 is a plan view illustrating an arrangement of a color separation lens array including a plurality of unit pattern arrays illustrated in FIG. 4. As shown in FIG. 7, the color separation lens array 130 may have a form in which a 2×2 unit pattern array shown in FIG. 4 is repeatedly two-dimensionally arranged.

이하에서는 상술한 색분리 렌즈 어레이(130)가 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)에 적용된 예를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, an example in which the above-described color separation lens array 130 is applied to the pixel array 1100 of the image sensor 1000 will be described in more detail.

도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 각각 다른 단면에서 보이는 도면이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 광을 센싱하는 복수의 광감지셀(111, 112, 113, 114)을 포함하는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 상에 배치된 투명한 스페이서층(120), 및 스페이서층(120) 상에 배치된 색분리 렌즈 어레이(130)를 포함한다.8A and 8B are views each showing a pixel array of an image sensor according to an exemplary embodiment from different cross-sections. 8A and 8B, the pixel array 1100 of the image sensor 1000 includes a sensor substrate 110 including a plurality of light sensing cells 111, 112, 113, and 114 for sensing light, and a sensor substrate. A transparent spacer layer 120 disposed on the (110) and a color separation lens array 130 disposed on the spacer layer 120 are included.

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. 제1 광감지셀(111), 제2 광감지셀(112), 제3 광감지셀(113), 및 제4 광감지셀(114)은 번갈아 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 8a에 도시된 바와 같이, 제1 광감지셀(111)과 제2 광감지셀(112)이 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열된다. 또한, Y 방향의 위치가 다른 단면에서는 도 8b에 도시된 바와 같이, 제3 광감지셀(113)과 제4 광감지셀(114)이 번갈아 배열될 수 있다. 이러한 영역 구분은 입사광을 화소 단위로 구분하여 센싱하기 위한 것이며, 예를 들어, 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)은 제1 화소에 해당하는 제1 파장의 광을 센싱하고, 제2 광감지셀(112)은 제2 화소에 해당하는 제2 파장의 광을 센싱하며, 제3 광감지셀(113)은 제3 화소에 해당하는 제3 파장의 광을 센싱할 수 있다. 이하에서, 제1 파장의 광은 녹색광, 제2 파장의 광은 청색광, 제3 파장의 광은 적색광으로 예시하며, 제1 화소, 제2 화소, 제3 화소는 각각 녹색 화소(G), 청색 화소(B), 적색 화소(R)일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 셀 간 경계에는 도시되지는 않았으나, 셀 분리를 위한 분리막이 더 형성될 수도 있다.The sensor substrate 110 includes a first photo-sensing cell 111, a second photo-sensing cell 112, a third photo-sensing cell 113, and a fourth photo-sensing cell 114 that converts light into an electrical signal. Can include. The first light sensing cell 111, the second light sensing cell 112, the third light sensing cell 113, and the fourth light sensing cell 114 may be alternately arranged. For example, as shown in FIG. 8A, the first light sensing cells 111 and the second light sensing cells 112 are alternately arranged along the first direction (X direction). In addition, in a cross section having a different position in the Y direction, as shown in FIG. 8B, the third and fourth light sensing cells 113 and 114 may be alternately arranged. The division of the area is for sensing incident light by dividing the incident light into a pixel unit. For example, the first light sensing cell 111 and the fourth light sensing cell 114 receive light of a first wavelength corresponding to the first pixel. Sensing, the second light sensing cell 112 senses light of a second wavelength corresponding to the second pixel, and the third light sensing cell 113 senses light of a third wavelength corresponding to the third pixel. I can. Hereinafter, the light of the first wavelength is illustrated as green light, the light of the second wavelength is blue light, and the light of the third wavelength is red light, and the first pixel, the second pixel, and the third pixel are green pixels (G) and blue light, respectively. It may be a pixel B or a red pixel R, but is not limited thereto. Although not shown at the boundary between cells, a separator for cell separation may be further formed.

스페이서층(120)은 센서 기판(110) 위에 색분리 렌즈 어레이(130)를 지지하면서 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 스페이서층(120)은 가시광에 대해 투명한 재료, 예를 들어, SiO2, 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass) 등과 같이 색분리 렌즈 어레이(130)의 제1 유전체(131a, 132a, 133a, 134a)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 스페이서층(120)은 제2 유전체(131b, 132b, 133b, 134b)와 동일한 재료로 이루어질 수도 있다.The spacer layer 120 serves to maintain a constant gap between the sensor substrate 110 and the color separation lens array 130 while supporting the color separation lens array 130 on the sensor substrate 110. The spacer layer 120 is a material transparent to visible light, for example, SiO 2 , silanol-based glass (SOG; siloxane-based spin on glass), the first dielectrics 131a and 132a of the color separation lens array 130, It may be made of a dielectric material having a refractive index lower than those of 133a and 134a and having a low absorption rate in the visible light band. The spacer layer 120 may be made of the same material as the second dielectrics 131b, 132b, 133b, and 134b.

색분리 렌즈 어레이(130)는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열된 제1 영역(131)과 제2 영역(132), 및 Y 방향의 위치가 다른 단면에서 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열된 제3 영역(133)과 제4 영역(134)을 포함할 수 있다. 제1 영역(131)은 스페이서층(120)을 사이에 두고 제1 광감지셀(111)과 마주하여 배치되며, 제2 영역(132)은 스페이서층(120)을 사이에 두고 제2 광감지셀(112)과 마주하여 배치되고, 제3 영역(133)은 스페이서층(120)을 사이에 두고 제3 광감지셀(113)과 마주하여 배치되고, 제4 영역(134)은 스페이서층(120)을 사이에 두고 제4 광감지셀(111)과 마주하여 배치될 수 있다. 그러면, 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(130)에 입사하는 입사광 중에서, 녹색광은 제1 영역(131)과 연직 방향을 따라 마주하는 제1 광감지셀(111) 및 제4 영역(134)과 연직 방향을 따라 마주하는 제4 광감지셀(114)에 집광되고, 청색광은 제2 영역(132)과 연직 방향을 따라 마주하는 제2 광감지셀(112)에 집광되고, 적색광은 제3 영역(133)과 연직 방향을 따라 마주하는 제3 광감지셀(113)에 집광될 수 있다.As shown in FIG. 8A, the color separation lens array 130 has a first region 131 and a second region 132 alternately arranged along a first direction (X direction), and a position in the Y direction different from each other. In cross section, as shown in FIG. 8B, the third region 133 and the fourth region 134 may be alternately arranged along the first direction (X direction). The first region 131 is disposed to face the first light sensing cell 111 with the spacer layer 120 therebetween, and the second region 132 detects the second light with the spacer layer 120 therebetween. It is disposed facing the cell 112, the third area 133 is disposed facing the third light sensing cell 113 with the spacer layer 120 therebetween, and the fourth area 134 is a spacer layer ( It may be disposed to face the fourth light sensing cell 111 with 120 interposed therebetween. Then, for example, of the incident light incident on the color separation lens array 130, the green light is formed with the first light sensing cell 111 and the fourth region 134 facing along the vertical direction to the first region 131. The fourth light sensing cell 114 facing along the vertical direction is focused, the blue light is focused on the second area 132 and the second light sensing cell 112 facing along the vertical direction, and the red light is focused on the third area Light may be focused on the third light sensing cell 113 facing along the vertical direction to the 133.

베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용되는 색분리 렌즈 어레이(130)에서, 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 제1 내지 제4 패턴은 소정의 규칙을 가질 수 있다. 예컨대, 도 9a는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제1 영역(131)의 패턴을 예시적으로 보이며, 도 9b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다. 도 9b를 참조하면, 제1 영역(131)에 대응하는 녹색 화소(G)의 좌우 방향으로 청색 화소(B)가 배치되며 상하 방향으로는 적색 화소(R)가 배치된다. 제1 영역(131)에 대응하는 녹색 화소(G)의 대각선 방향으로는 제4 영역(134)에 대응하는 녹색 화소들이 배치되며, 도 9b에는 표시되지 않았다. 따라서, 제1 영역(131)을 투과한 투과광 중에서 청색광은 제1 영역(131)의 좌우 방향으로 진행하고 적색광은 제1 영역(131)의 상하 방향으로 진행하는 것과 동일한 광학적인 효과를 얻기 위하여, 제1 영역(131)의 제1 패턴은 2방 대칭(2-fold symmetry)일 수 있다. 예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같이, 제1 영역(131)의 제 1 패턴은 Y방향을 따른 제1 축(Ⅰ)에 대칭인 동시에 X방향을 따른 제2 축(Ⅱ)에 대칭일 수 있다.In the color separation lens array 130 applied to the Bayer pattern type image sensor, the first to fourth patterns of the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 may have a predetermined rule. For example, FIG. 9A exemplarily shows a pattern of the first region 131 of the unit pattern array shown in FIG. 4, and FIG. 9B exemplarily shows a pixel of an image sensor corresponding thereto and a pixel surrounding it. Referring to FIG. 9B, a blue pixel B is disposed in a left-right direction of a green pixel G corresponding to the first region 131 and a red pixel R is disposed in a vertical direction. Green pixels corresponding to the fourth region 134 are disposed in a diagonal direction of the green pixels G corresponding to the first region 131, and are not displayed in FIG. 9B. Therefore, among the transmitted light that has passed through the first region 131, in order to obtain the same optical effect as the blue light proceeds in the left and right direction of the first region 131 and the red light proceeds in the vertical direction of the first region 131, The first pattern of the first region 131 may have a 2-fold symmetry. For example, as shown in FIG. 9A, the first pattern of the first region 131 is symmetrical to the first axis (I) along the Y direction and symmetrical to the second axis (II) along the X direction. I can.

도 10a는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제2 영역(132)의 형태를 예시적으로 보이며, 도 10b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다. 도 10b를 참조하면, 제2 영역(132)에 대응하는 청색 화소(B)의 좌우 방향과 상하 방향으로 녹색 화소(G)들이 배치된다. 그리고, 2개의 교차하는 대각선 방향으로 적색 화소(R)들이 배치된다. 따라서, 제2 영역(132)을 투과한 투과광 중에서 녹색광은 제2 영역(132)의 좌우 방향과 상하 방향으로 진행하고 적색광은 제2 영역(132)의 대각선 방향으로 진행하는 것과 동일한 광학적인 효과를 얻기 위하여, 제2 영역(132)의 제2 패턴은 4방 대칭(4-fold symmetry)일 수 있다. 예를 들어, 도 10a에 도시된 바와 같이, 제2 영역(132)의 제 2 패턴은 Y방향을 따른 제1 축(Ⅰ)에 대칭이고, X방향을 따른 제2 축(Ⅱ)에 대칭이고, 대각선 방향을 따른 제3 축(Ⅲ)과 제4 축(Ⅳ)에 대칭일 수 있다.10A is an exemplary view of the shape of the second region 132 of the unit pattern array illustrated in FIG. 4, and FIG. 10B is an exemplary view of a pixel of an image sensor corresponding thereto and a pixel surrounding it. Referring to FIG. 10B, green pixels G are disposed in the left and right directions and vertical directions of the blue pixels B corresponding to the second region 132. In addition, red pixels R are disposed in two diagonal directions intersecting. Therefore, among the transmitted light passing through the second region 132, the green light proceeds in the left and right directions and the vertical direction of the second region 132, and the red light has the same optical effect as proceeding in the diagonal direction of the second region 132. To obtain, the second pattern of the second region 132 may have a 4-fold symmetry. For example, as shown in FIG. 10A, the second pattern of the second region 132 is symmetrical to the first axis (I) along the Y direction, and is symmetrical to the second axis (II) along the X direction. , It may be symmetrical to the third axis (III) and the fourth axis (IV) along the diagonal direction.

도 11a는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제3 영역(133)의 형태를 예시적으로 보이며, 도 11b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다. 도 11b를 참조하면, 제3 영역(133)에 대응하는 적색 화소(R)의 좌우 방향과 상하 방향으로 녹색 화소(G)들이 배치된다. 그리고, 2개의 교차하는 대각선 방향으로 청색 화소(B)들이 배치된다. 따라서, 제3 영역(133)을 투과한 투과광 중에서 녹색광은 제3 영역(133)의 좌우 방향과 상하 방향으로 진행하고 청색광은 제3 영역(133)의 대각선 방향으로 진행하는 것과 동일한 광학적인 효과를 얻기 위하여, 제3 영역(133)의 제 3 패턴은 4방 대칭일 수 있다. 예를 들어, 도 11a에 도시된 바와 같이, 제3 영역(133)의 제 3 패턴은 Y방향을 따른 제1 축(Ⅰ)에 대칭이고, X방향을 따른 제2 축(Ⅱ)에 대칭이고, 대각선 방향을 따른 제3 축(Ⅲ)과 제4 축(Ⅳ)에 대칭일 수 있다.FIG. 11A is an exemplary view showing the shape of the third area 133 of the unit pattern array illustrated in FIG. 4, and FIG. 11B is an exemplary view showing pixels of an image sensor corresponding thereto and surrounding pixels thereof. Referring to FIG. 11B, green pixels G are disposed in the left and right directions and up and down directions of the red pixels R corresponding to the third area 133. In addition, blue pixels B are disposed in two diagonal directions intersecting. Therefore, among the transmitted light that has passed through the third area 133, the green light proceeds in the left and right directions and the vertical direction of the third area 133, and the blue light produces the same optical effect as the diagonal direction of the third area 133. To obtain, the third pattern of the third region 133 may be four-way symmetrical. For example, as shown in FIG. 11A, the third pattern of the third region 133 is symmetrical to the first axis (I) along the Y direction, and is symmetrical to the second axis (II) along the X direction. , It may be symmetrical to the third axis (III) and the fourth axis (IV) along the diagonal direction.

도 12a는 도 4에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제4 영역(134)의 형태를 예시적으로 보이며, 도 12b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다. 도 12b를 참조하면, 제 4 영역(134)에 대응하는 녹색 화소(G)의 좌우 방향으로 적색 화소(R)가 배치되며 상하 방향으로는 청색 화소(B)가 배치된다. 대각선 방향으로는 제1 영역(131)에 대응하는 녹색 화소들이 배치되며, 도 12b에는 표시되지 않았다. 따라서, 제4 영역(134)을 투과한 투과광 중에서 적색광은 제4 영역(134)의 좌우 방향으로 진행하고 청색광은 제4 영역(401)의 상하 방향으로 진행하는 것과 동일한 광학적인 효과를 얻기 위하여, 제4 영역(134)의 제 4 패턴은 2방 대칭일 수 있다. 예컨대, 도 12a에 도시된 바와 같이, 제4 영역(134)의 제 4 패턴은 Y방향을 따른 제1 축(Ⅰ)에 대칭인 동시에 X방향을 따른 제2 축(Ⅱ)에 대칭일 수 있다. 또한, 도 12b에 도시된 화소 배치는 도 9b에 도시된 화소 배치에 대해 90도 회전된 상태이다. 따라서, 제4 영역(134)의 제 4 패턴은 제1 영역(131)의 제 1 패턴에 대해 90도 회전된 것과 동일한 형태를 가질 수 있다.12A is an exemplary view of the shape of the fourth region 134 of the unit pattern array illustrated in FIG. 4, and FIG. 12B is an exemplary view of a pixel of an image sensor corresponding thereto and pixels surrounding the same. Referring to FIG. 12B, a red pixel R is disposed in a left-right direction of a green pixel G corresponding to the fourth region 134 and a blue pixel B is disposed in a vertical direction. Green pixels corresponding to the first area 131 are arranged in a diagonal direction, and are not shown in FIG. 12B. Accordingly, in the transmitted light passing through the fourth region 134, the red light proceeds in the left and right direction of the fourth region 134 and the blue light proceeds in the vertical direction of the fourth region 401 in order to obtain the same optical effect, The fourth pattern of the fourth region 134 may be two-way symmetric. For example, as shown in FIG. 12A, the fourth pattern of the fourth region 134 may be symmetrical to the first axis (I) along the Y direction and symmetrical to the second axis (II) along the X direction. . Also, the pixel arrangement shown in FIG. 12B is rotated by 90 degrees with respect to the pixel arrangement shown in FIG. 9B. Accordingly, the fourth pattern of the fourth region 134 may have the same shape as rotated 90 degrees with respect to the first pattern of the first region 131.

베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용되는 색분리 렌즈 어레이(130)에서, 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 제 1 내지 제 4 패턴의 또 다른 규칙으로서, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 청색광, 녹색광, 및 적색광이 소정의 타깃 위상 분포를 갖도록 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 제1 내지 제4 패턴이 설계될 수 있다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 청색광이 제2 영역(132)에 대응하는 청색 화소(B)의 위치로 집광되는 위상을 형성하고 제2 영역(132)에 인접한 제1 영역(131) 및 제4 영역(134)에 대응하는 위치들로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 제 1 내지 제 4 패턴이 정해질 수 있다.In the color separation lens array 130 applied to the Bayer pattern type image sensor, as another rule of the first to fourth patterns of the first to fourth regions 131, 132, 133, 134, a color separation lens array The first to fourth patterns of the first to fourth regions 131, 132, 133 and 134 may be designed so that the blue light, green light, and red light transmitted through 130 have a predetermined target phase distribution. For example, a first region adjacent to the second region 132 forms a phase in which blue light transmitted through the color separation lens array 130 is condensed to the position of the blue pixel B corresponding to the second region 132 The first to fourth patterns of the first to fourth regions 131, 132, 133 and 134 may be determined to form a phase that does not proceed to positions corresponding to the 131 and the fourth regions 134. .

또한, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 녹색광이 제1 영역(131)과 제4 영역(134)에 대응하는 녹색 화소(G)의 위치로 집광되는 위상을 형성하고 제1 영역(131)과 제4 영역(134)에 인접한 제2 영역(132)과 제3 영역(133)에 대응하는 위치로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 제 1 내지 제 4 패턴이 정해질 수 있다.In addition, a phase in which green light transmitted through the color separation lens array 130 is condensed to the positions of the green pixels G corresponding to the first region 131 and the fourth region 134 is formed, and the first region 131 And the first to fourth regions 131, 132, 133 and 134 to form a phase that does not proceed to positions corresponding to the second region 132 and the third region 133 adjacent to the fourth region 134. ) Of the first to fourth patterns may be determined.

또한, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 적색광이 제3 영역(133)에 대응하는 적색 화소(R)로 집광되는 위상을 형성하고 제3 영역(133)에 인접한 제1 영역(131)과 제4 영역(134)에 대응하는 위치로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 제1 내지 제4 패턴이 정해질 수 있다.In addition, a phase in which red light transmitted through the color separation lens array 130 is condensed to the red pixel R corresponding to the third region 133 is formed, and the first region 131 adjacent to the third region 133 and First to fourth patterns of the first to fourth regions 131, 132, 133 and 134 may be determined to form a phase that does not proceed to a position corresponding to the fourth region 134.

예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(130)가 구현하고자 하는 타겟 위상 분포는 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 위치에서 청색광의 위상이 제2 광감지셀(112)에 대응하는 제2 영역(132)의 중심부에서 2Mπ이고, 제1 광감지셀(111)에 대응하는 제1 영역(131)의 중심부 및 제4 광감지셀(114)에 대응하는 제4 영역(134)의 중심부에서는 (2M-1)π이고 제3 광감지셀(113)에 대응하는 제3 영역(133)의 중심부에서는 (2M-2)π보다 크고 (2M-1)π보다 작게 되는 분포일 수 있다. 여기서, M은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 청색광의 위상은, 제2 영역(132)의 중심부에서 최대가 되며, 제2 영역(132)의 중심부로부터 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져, 제3 영역(133)의 중심부에서 국소적으로 최소가 된다. 예를 들어, M=1인 경우, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 위치에서 청색광의 위상은 제2 영역(132)의 중심부에서 2π, 제1 영역(131)의 중심부와 제4 영역(134)의 중심부에서 π, 제3 영역(133)의 중심부에서 약 0.2π 내지 0.7π가 될 수 있다.For example, the target phase distribution to be implemented by the color separation lens array 130 is a second region in which the phase of blue light at a position passing through the color separation lens array 130 corresponds to the second light sensing cell 112 ( 2Mπ at the center of 132, and (2M) at the center of the first region 131 corresponding to the first light sensing cell 111 and the center of the fourth region 134 corresponding to the fourth light sensing cell 114 The distribution may be greater than (2M-2)π and smaller than (2M-1)π in the center of the third region 133 corresponding to the third light sensing cell 113 and is -1)π. Here, M is an integer greater than 0. In other words, the phase of blue light at the position immediately after passing through the color separation lens array 130 is maximized at the center of the second region 132, and becomes concentric as the distance from the center of the second region 132 increases. It gradually decreases, and is locally minimized in the center of the third region 133. For example, in the case of M=1, the phase of blue light at a position passing through the color separation lens array 130 is 2π from the center of the second region 132, and the center of the first region 131 and the fourth region ( It may be π at the center of 134 and about 0.2π to 0.7π at the center of the third region 133.

또한, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 위치에서 녹색광의 위상은 제1 광감지셀(111)에 대응하는 제1 영역(131)의 중심부와 제4 광감지셀(114)에 대응하는 제4 영역(134)의 중심부에서 2Nπ이고 제2 광감지셀(112)에 대응하는 제2 영역(132)의 중심부 및 제3 감지셀(113)에 대응하는 제3 영역(132)의 중심부에서는 (2N-1)π일 수 있다. 여기서, N은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 녹색광의 위상이, 제1 영역(131)의 중심부와 제4 영역(134)의 중심부에서 최대가 되며, 제1 영역(131)의 중심부와 제4 영역(134)의 중심부로부터 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서 제2 영역(132)의 중심부와 제3 영역(132)의 중심부에서 최소가 될 수 있다. 예를 들어, N=1인 경우, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 위치에서 녹색광의 위상은 제1 영역(131)의 중심부와 제4 영역(134)의 중심부에서 2π, 제2 영역(132)의 중심부와 제3 영역(132)의 중심부에서 π가 될 수 있다.In addition, the phase of the green light at the position passing through the color separation lens array 130 is the center of the first region 131 corresponding to the first light sensing cell 111 and the first light sensing cell 114 corresponding to the fourth light sensing cell 114. 4 2Nπ at the center of the area 134 and at the center of the second area 132 corresponding to the second light sensing cell 112 and the center of the third area 132 corresponding to the third sensing cell 113 ( It may be 2N-1)π. Here, N is an integer greater than 0. In other words, the phase of the green light at the position immediately after passing through the color separation lens array 130 becomes maximum at the center of the first region 131 and the center of the fourth region 134, and the first region 131 As the distance from the center of the fourth area 134 and the center of the fourth area 134 gradually decreases in a concentric circle shape, the center of the second area 132 and the center of the third area 132 may be minimized. For example, in the case of N=1, the phase of green light at a position passing through the color separation lens array 130 is 2π at the center of the first region 131 and the center of the fourth region 134, and the second region ( It may be π at the center of 132 and the center of the third area 132.

또한, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 위치에서 적색광의 위상은 제3 광감지셀(113)에 대응하는 제3 영역(133)의 중심부에서 2Lπ이고 제1 광감지셀(111)에 대응하는 제1 영역(131) 및 제4 광감지셀(114)에 대응하는 제4 영역(134)의 중심부에서는 (2L-1)π이고 제2 광감지셀(112)에 대응하는 제2 영역(132)의 중심부에서는 (2L-2)π보다 크고 (2L-1)π보다 작게 될 수 있다. 여기서, L은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 적색광의 위상은, 제3 영역(133)의 중심부에서 최대가 되며, 제3 영역(133)의 중심부로부터 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져 제2 영역(132)의 중심부에서 국소적으로 최소가 된다. 예를 들어, L=1인 경우, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 위치에서 적색광의 위상은 제3 영역(133)의 중심부에서 2π, 제1 영역(131)의 중심부와 제4 영역(134)의 중심부에서 π, 제2 영역(132)의 중심부에서 약 0.2π 내지 0.7π가 될 수 있다.In addition, the phase of the red light at the position passing through the color separation lens array 130 is 2Lπ at the center of the third area 133 corresponding to the third light sensing cell 113 and corresponds to the first light sensing cell 111. The center of the fourth region 134 corresponding to the first region 131 and the fourth light sensing cell 114 is (2L-1) π and a second region corresponding to the second light sensing cell 112 ( At the center of 132), it may be larger than (2L-2)π and smaller than (2L-1)π. Here, L is an integer greater than 0. In other words, the phase of the red light at the position immediately after passing through the color separation lens array 130 becomes a maximum in the center of the third area 133, and becomes concentric as the distance from the center of the third area 133 increases. It gradually becomes smaller and becomes a local minimum in the center of the second region 132. For example, in the case of L=1, the phase of red light at a position passing through the color separation lens array 130 is 2π from the center of the third area 133, and the center of the first area 131 and the fourth area ( It may be π at the center of the second region 134 and about 0.2π to 0.7π at the center of the second region 132.

앞서 언급했듯이, 타깃 위상 분포는 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치, 다시 말해 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면 또는 스페이서층(120)의 상부 표면에서 빛의 위상 분포를 의미한다. 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 빛이 이러한 위상 분포를 가지면 제1 파장 내지 제4 파장의 빛들이 각각 해당하는 제1 광감지셀(111) 내지 제4 광감지셀(114)에 모이게 된다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 빛은 파장에 따라 분기하여 각각 서로 다른 방향으로 진행하여 집광되는 광학적 효과를 얻을 수 있다.As mentioned above, the target phase distribution refers to the position immediately after passing through the color separation lens array 130, that is, the phase distribution of light on the lower surface of the color separation lens array 130 or the upper surface of the spacer layer 120. do. When the light passing through the color separation lens array 130 has such a phase distribution, the first to fourth wavelengths of light are collected in the corresponding first to fourth light sensing cells 111 to 114, respectively. . In other words, the light transmitted through the color separation lens array 130 may be divided according to a wavelength and proceed in different directions to obtain an optical effect of condensing.

이렇게 해당 파장의 광이 해당 광감지셀에 집광되기 위해 소정의 전파 거리 요건이 정해질 수 있고, 이에 따라 스페이서층(120)의 두께(h)가 정해질 수 있다. 스페이서층(120)의 두께(h)는 분기 대상인 파장(λ)이나 화소 크기 및 광감지셀의 배치 주기(p)에 따라 달라질 수 있다. 스페이서층(120)의 두께(h)는 분기 대상인 가시광선 파장 대역의 중심 파장(λ)보다 클 수 있으며, 인접하는 광감지셀 중심간의 거리인 광감지셀 배치 주기(p)와 비교하면, 1p~3p의 범위일 수 있다. 구체적으로, 스페이서층(120)의 두께(h)는 500nm 내지 5μm의 범위일 수 있다. 스페이서층(120)의 두께(h)를 설정하는 보다 세부적인 사항에 대해서는 도 16a 내지 도 16e, 도 17a 내지 도 17e, 및 도 18a 내지 도 18e를 참조하여, 다시 후술한다.In this way, a predetermined propagation distance requirement may be determined so that light of a corresponding wavelength is condensed to the corresponding light sensing cell, and accordingly, the thickness h of the spacer layer 120 may be determined. The thickness h of the spacer layer 120 may vary depending on the wavelength λ that is a branching target, the pixel size, and the arrangement period p of the photosensitive cells. The thickness (h) of the spacer layer 120 may be greater than the center wavelength (λ) of the visible light wavelength band to be branched, and compared to the photosensitive cell arrangement period (p), which is the distance between the centers of adjacent photosensitive cells, 1p It can be in the range of ~3p. Specifically, the thickness h of the spacer layer 120 may range from 500 nm to 5 μm. For more detailed information about setting the thickness h of the spacer layer 120, referring to FIGS. 16A to 16E, 17A to 17E, and 18A to 18E, it will be described later.

도 13a 및 도 13b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 청색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 청색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 13c는 청색 화소(B)에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제2 영역과 그 주변에 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 13d는 청색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.13A and 13B are diagrams that simulate the phase distribution of blue light passing through the color separation lens array and the focusing distribution of blue light in an opposing photosensitive cell, and FIG. 13C is a color separation lens array corresponding to the blue pixel (B). The second region of and the direction of blue light incident thereto are exemplarily shown, and FIG. 13D exemplarily shows a microlens array that acts equivalently to a color separation lens array for blue light.

도 13a에 예시된 위상 분포를 살펴보면, 청색 화소(B)에 대응하는 영역의 중심부에서의 위상은 대략적으로 2π이며, 인접한 녹색 화소(G)에 대응하는 영역의 중심부에서의 위상은 대략적으로 π의 값을 나타내고, 대각선 방향의 적색 화소(R)에 대응하는 영역의 중심부에서의 위상은 대략적으로 π보다 작은 값(예컨대, 약 0.2π 내지 0.7π)을 나타낸다. 이러한 위상 분포는 도 13b와 같은 청색광의 포커싱 분포를 나타낼 수 있다. 청색광은 청색 화소(B)에 대응하는 영역에 대부분 집광되며, 다른 화소에 대응하는 영역에는 청색광이 거의 도달하지 않는다.Referring to the phase distribution illustrated in FIG. 13A, the phase at the center of the region corresponding to the blue pixel B is approximately 2π, and the phase at the center of the region corresponding to the adjacent green pixel G is approximately π. Value, and the phase at the center of the area corresponding to the red pixel R in the diagonal direction is approximately smaller than π (eg, about 0.2π to 0.7π). This phase distribution may represent a focusing distribution of blue light as shown in FIG. 13B. Most of the blue light is condensed in the area corresponding to the blue pixel B, and the blue light hardly reaches the area corresponding to the other pixel.

결과적으로, 청색 화소(B)에 대응하는 제2 영역(132)과 그 주변에 입사한 청색광은 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 후 도 13c에 도시된 바와 같이 진행하게 된다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제2 영역(132)과 제2 영역(132)을 둘러싸는 다른 영역들의 일부에 입사하는 입사광 중에서 청색광은 제2 영역(132) 직하부의 제2 광감지셀(112)의 중심부에 집광된다. 다시 말해, 하나의 청색 화소(B)에는 그 청색 화소(B)에 대응하는 제2 영역(132)에서 오는 청색광, 제2 영역(132)과 가로 방향으로 인접하는 2개의 제1 영역(131)에서 오는 청색광, 제2 영역(132)과 세로 방향으로 인접하는 2개의 제4 영역(134)에서 오는 청색광, 및 제2 영역(132)과 대각 방향으로 인접하는 4개의 제3 영역(113)에서 오는 청색광이 입사한다.As a result, the second region 132 corresponding to the blue pixel B and the blue light incident thereto pass through the color separation lens array 130 and then proceed as shown in FIG. 13C. For example, of incident light incident on some of the second region 132 and other regions surrounding the second region 132 of the color separation lens array 130, blue light is the second region directly under the second region 132. It is condensed in the center of the light sensing cell 112. In other words, one blue pixel B includes blue light coming from the second region 132 corresponding to the blue pixel B, and two first regions 131 adjacent to the second region 132 in the horizontal direction. Blue light coming from, blue light coming from two fourth areas 134 adjacent to the second area 132 in a vertical direction, and four third areas 113 adjacent to the second area 132 in a diagonal direction. Blue light that comes is incident.

따라서, 도 13d에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 청색광에 대해서는 제2 광감지셀(112)을 중심으로 배열된 복수의 마이크로 렌즈(ML1) 어레이와 등가적인 역할을 할 수 있다. 각각의 등가적인 마이크로 렌즈(ML1)는 그에 대응하는 제2 광감지셀(112)보다 크기 때문에, 제2 광감지셀(112)의 영역에 입사하는 청색광뿐만 아니라 제2 광감지셀(112)을 둘러싸는 다른 영역으로 입사하는 청색광도 제2 광감지셀(112)에 집광시킬 수 있다. 예를 들어, 각각의 마이크로 렌즈(ML1)는 그에 대응하는 제2 광감지셀(112)보다 4배 정도 크며 각각의 마이크로 렌즈(ML1)의 네변은 제2 광감지셀(112)의 네변과 평행할 수 있다.Accordingly, as shown in FIG. 13D, the color separation lens array 130 may play an equivalent role to an array of a plurality of micro lenses ML1 arranged around the second light sensing cell 112 for blue light. . Since each equivalent microlens ML1 is larger than the corresponding second light sensing cell 112, the second light sensing cell 112 as well as the blue light incident on the region of the second light sensing cell 112 Blue light incident to another surrounding area may also be condensed to the second light sensing cell 112. For example, each microlens ML1 is about 4 times larger than the corresponding second light sensing cell 112, and the four sides of each microlens ML1 are parallel to the four sides of the second light sensing cell 112. can do.

도 14a 및 도 14b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 녹색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 14c는 녹색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역 및 제4 영역과 그 주변에 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 14d는 녹색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.14A and 14B are diagrams for computational simulation of the phase distribution of green light passing through the color separation lens array and the focusing distribution of green light in an opposing light sensing cell, and FIG. 14C is a first diagram of a color separation lens array corresponding to a green pixel. The moving direction of the green light incident on the area, the fourth area, and the periphery thereof is shown as an example, and FIG. 14D exemplarily shows a microlens array that acts equivalently to a color separation lens array for green light.

도 14a에 예시된 위상 분포를 살펴보면, 녹색 화소(G)에 대응하는 영역의 중심부에서의 위상은 대략적으로 2π이며, 인접한 청색 화소(B)와 적색 화소(R)에 대응하는 영역의 중심부에서의 위상은 대략적으로 π의 값을 나타낸다. 이러한 위상 분포는 도 14b와 같은 녹색광의 포커싱 분포를 나타낼 수 있다. 녹색광은 두 녹색 화소(G)에 대응하는 영역에 나뉘어 집광되고 있으며 다른 화소에 대응하는 영역에는 녹색광이 거의 도달하지 않는다.Looking at the phase distribution illustrated in FIG. 14A, the phase at the center of the area corresponding to the green pixel G is approximately 2π, and at the center of the area corresponding to the adjacent blue pixel B and the red pixel R. The phase roughly represents the value of π. This phase distribution may represent a focusing distribution of green light as shown in FIG. 14B. The green light is divided into areas corresponding to the two green pixels G and condensed, and the green light hardly reaches the areas corresponding to the other pixels.

결과적으로, 녹색 화소(G)에 대응하는 제1 및 제4 영역(131, 134)과 그 주변에 입사한 녹색광은 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 후 도 14c에 도시된 바와 같이 진행하게 된다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제1 영역(131) 및 제1 영역(131)을 둘러싸는 다른 영역들의 일부에 입사하는 입사광 중에서 녹색광은 제1 영역(131) 직하부의 제1 광감지셀(111)의 중심부에 집광된다. 또한 도시되지는 않았지만, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제4 영역(134) 및 제4 영역(134)을 둘러싸는 다른 영역들의 일부에 입사하는 입사광 중에서 녹색광은 제4 영역(134) 직하부의 제4 광감지셀(114)의 중심부에 집광된다. 다시 말해, 하나의 녹색 화소(G)에는 그 녹색 화소(G)에 대응하는 제1 영역(131) 또는 제4 영역(134)에서 오는 녹색광, 제1 영역(131) 또는 제4 영역(134)과 가로 및 세로 방향으로 인접하는 2개의 제2 영역(132)과 2개의 제3 영역(113)에서 오는 녹색광이 입사한다.As a result, the first and fourth regions 131 and 134 corresponding to the green pixel G and the green light incident thereto pass through the color separation lens array 130 and then proceed as shown in FIG. 14C. do. For example, among incident light incident on a part of the first region 131 and other regions surrounding the first region 131 of the color separation lens array 130, green light is the first region directly under the first region 131. It is condensed in the center of the light sensing cell 111. Also, although not shown, among the incident light incident on some of the fourth region 134 and other regions surrounding the fourth region 134 of the color separation lens array 130, the green light is directly under the fourth region 134. It is condensed in the center of the fourth light sensing cell 114. In other words, in one green pixel G, green light from the first region 131 or the fourth region 134 corresponding to the green pixel G, the first region 131 or the fourth region 134 The green light coming from the two second regions 132 and the two third regions 113 adjacent to each other in the horizontal and vertical directions is incident.

따라서, 도 14d에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 녹색광에 대해서는 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)을 중심으로 배열된 복수의 마이크로 렌즈(ML2) 어레이와 등가적인 역할을 할 수 있다. 각각의 등가적인 마이크로 렌즈(ML2)는 그에 대응하는 제1 광감지셀(111)이나 제4 광감지셀(114)보다 크기 때문에, 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)의 영역에 입사하는 녹색광뿐만 아니라 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)을 둘러싸는 다른 영역으로 입사하는 녹색광도 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)에 집광시킬 수 있다. 예를 들어, 각각의 마이크로 렌즈(ML2)는 그에 대응하는 제1 광감지셀(111) 또는 제4 광감지셀(114)보다 2배 정도 크며 그에 대응하는 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)에 대해 대각선 방향으로 접하도록 배치될 수 있다.Accordingly, as shown in FIG. 14D, the color separation lens array 130 includes a plurality of micro lenses ML2 arranged around the first and fourth light sensing cells 111 and 114 for green light. It can play an equivalent role to an array. Since each of the equivalent micro lenses ML2 is larger than the first photo-sensing cell 111 or the fourth photo-sensing cell 114 corresponding thereto, the first photo-sensing cell 111 and the fourth photo-sensing cell 114 ), as well as green light incident on the other areas surrounding the first and fourth photo-sensing cells 111 and 114, as well as the first photo-sensing cell 111 and the fourth photo-sensing cell. It can be condensed at (114). For example, each micro-lens ML2 is about twice as large as the first light-sensing cell 111 or the fourth light-sensing cell 114 corresponding thereto, and the first light-sensing cell 111 and the corresponding 4 It may be arranged to be in contact with the light sensing cell 114 in a diagonal direction.

도 15a 및 도 15b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 적색광의 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 15c는 적색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제3 영역과 그 주변에 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 15d는 적색 화소(R)에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.15A and 15B are diagrams for computational simulation of the phase distribution of red light passing through the color separation lens array and the focusing distribution of red light in an opposing light sensing cell, and FIG. 15C is a diagram illustrating a color separation lens array corresponding to a red pixel. The traveling direction of the red light incident on the region 3 and its surroundings is exemplarily shown, and FIG. 15D exemplarily shows a microlens array that acts equivalently to the color separation lens array for the red pixel R. FIG.

도 15a에 예시된 위상 분포를 살펴보면, 적색 화소(R)에 대응하는 영역의 중심부에서의 위상은 대략적으로 2π이며, 인접한 녹색 화소(G)에 대응하는 영역의 중심부에서의 위상은 대략적으로 π의 값을 나타내고, 대각선 방향의 청색 화소(B)에 대응하는 영역의 중심부에서의 위상은 대략적으로 π보다 작은 값(예컨대, 약 0.2π 내지 0.7π)을 나타낸다. 이러한 위상 분포는 도 15b와 같은 적색광의 포커싱 분포를 나타낼 수 있다. 적색광은 적색 화소(R)에 대응하는 영역에 집광되고 있으며 다른 화소에 대응하는 영역에는 적색광이 거의 도달하지 않는다.Looking at the phase distribution illustrated in FIG. 15A, the phase at the center of the region corresponding to the red pixel R is approximately 2π, and the phase at the center of the region corresponding to the adjacent green pixel G is approximately π. Value, and the phase at the center of the area corresponding to the blue pixel B in the diagonal direction is approximately smaller than π (eg, about 0.2π to 0.7π). This phase distribution may represent a focusing distribution of red light as shown in FIG. 15B. The red light is condensed in the area corresponding to the red pixel R, and the red light hardly reaches the area corresponding to the other pixels.

결과적으로, 적색 화소(R)에 대응하는 제3 영역(133)과 그 주변에 입사한 광은 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 후 도 15c에 도시된 바와 같이 진행하게 된다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제3 영역(133)과 제3 영역(133)을 둘러싸는 다른 영역들의 일부에 입사하는 입사광 중에서 적색광은 제3 영역(133) 직하부의 제3 광감지셀(113)의 중심부에 집광된다. 다시 말해, 하나의 적색 화소(R)에는 그 적색 화소(R)에 대응하는 제3 영역(133)에서 오는 적색광, 제3 영역(133)과 가로 방향으로 인접하는 2개의 제4 영역(134)에서 오는 적색광, 제3 영역(133)과 세로 방향으로 인접하는 2개의 제1 영역(131)에서 오는 적색광 및 제3 영역(133)과 대각선 방향으로 인접하는 4개의 제2 영역(132)에서 오는 적색광이 입사한다.As a result, the third region 133 corresponding to the red pixel R and the light incident thereto pass through the color separation lens array 130 and then proceed as shown in FIG. 15C. For example, of incident light incident on some of the third area 133 and other areas surrounding the third area 133 of the color separation lens array 130, the red light is the third area directly under the third area 133. It is condensed in the center of the light sensing cell 113. In other words, one red pixel R includes red light coming from the third region 133 corresponding to the red pixel R, and two fourth regions 134 adjacent to the third region 133 in the horizontal direction. Red light coming from, red light coming from two first areas 131 adjacent to the third area 133 in the vertical direction, and red light coming from four second areas 132 adjacent to the third area 133 in a diagonal direction. Red light enters.

따라서, 도 15d에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 적색광에 대해서는 제3 광감지셀(113)을 중심으로 배열된 복수의 마이크로 렌즈(ML3) 어레이와 등가적인 역할을 할 수 있다. 각각의 등가적인 마이크로 렌즈(ML3)는 그에 대응하는 제3 광감지셀(113)보다 크기 때문에, 제3 광감지셀(113)의 영역에 입사하는 적색광뿐만 아니라 제3 광감지셀(113)을 둘러싸는 다른 영역으로 입사하는 적색광도 제3 광감지셀(113)에 집광시킬 수 있다. 예를 들어, 각각의 마이크로 렌즈(ML3)는 그에 대응하는 제3 광감지셀(113)보다 4배 정도 크며 각각의 마이크로 렌즈(ML3)의 네변은 제3 광감지셀(113)의 네변과 평행할 수 있다.Accordingly, as shown in FIG. 15D, the color separation lens array 130 may play a role equivalent to an array of a plurality of micro lenses ML3 arranged around the third light sensing cell 113 for red light. . Since each equivalent microlens ML3 is larger than the corresponding third light sensing cell 113, not only the red light incident on the region of the third light sensing cell 113 but also the third light sensing cell 113 Red light incident to another surrounding area may also be condensed to the third light sensing cell 113. For example, each microlens ML3 is about 4 times larger than the corresponding third light sensing cell 113, and the four sides of each microlens ML3 are parallel to the four sides of the third light sensing cell 113. can do.

도 13c, 도 13d, 도 14c, 도 14d, 도 15c, 및 도 15d에 도시된 결과를 다르게 표현하자면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제1 영역(131)에 입사하는 입사광 중에서, 녹색광은 제1 영역(131)에 대응하는 제1 광감지셀(111)의 중심부를 향해 진행하고, 청색광은 제1 영역(131)에 대응하는 제1 광감지셀(111) 주변의 제2 광감지셀(112)의 중심부를 향해 진행하고, 적색광은 제1 영역(131)에 대응하는 제1 광감지셀(111) 주변의 제3 광감지셀(113)의 중심부를 향해 진행한다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제2 영역(132)에 입사하는 입사광 중에서, 청색광은 제2 영역(132)에 대응하는 제2 광감지셀(112)의 중심부를 향해 진행하고, 녹색광은 제2 영역(132)에 대응하는 제2 광감지셀(112) 주변의 제1 광감지셀(111) 및 제4 광감지셀(114)의 중심부를 향해 진행하고, 적색광은 제2 영역(132)에 대응하는 제2 광감지셀(112) 주변의 제3 광감지셀(113)의 중심부를 향해 진행한다. 마찬가지로, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제3 영역(133)에 입사하는 입사광 중에서, 적색광은 제3 영역(133)에 대응하는 제3 광감지셀(113)의 중심부를 향해 진행하고, 녹색광은 제3 영역(133)에 대응하는 제3 광감지셀(113) 주변의 제1 광감지셀(111) 및 제4 광감지셀(114)의 중심부를 향해 진행하고, 청색광은 제3 영역(133)에 대응하는 제3 광감지셀(113) 주변의 제2 광감지셀(112)의 중심부를 향해 진행하게 된다. 마지막으로, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제4 영역(134)에 입사하는 입사광 중에서, 녹색광은 제4 영역(134)에 대응하는 제4 광감지셀(114)의 중심부를 향해 진행하고, 청색광은 제4 영역(134)에 대응하는 제4 광감지셀(114) 주변의 제2 광감지셀(112)의 중심부를 향해 진행하고, 적색광은 제4 영역(134)에 대응하는 제4 광감지셀(114) 주변의 제3 광감지셀(113)의 중심부를 향해 진행하게 된다.13C, 13D, 14C, 14D, 15C, and 15D to express differently, among the incident light incident on the first region 131 of the color separation lens array 130, green light is The first light sensing cell 111 corresponding to the first region 131 proceeds toward the center, and the blue light is applied to the second light sensing cell around the first light sensing cell 111 corresponding to the first region 131. The red light travels toward the central portion of 112 ), and the red light proceeds toward the central portion of the third optical sensing cell 113 around the first optical sensing cell 111 corresponding to the first region 131. In addition, among the incident light incident on the second region 132 of the color separation lens array 130, the blue light proceeds toward the center of the second light sensing cell 112 corresponding to the second region 132, and the green light is The second light-sensing cell 111 and the fourth light-sensing cell 114 around the second light-sensing cell 112 corresponding to the second area 132 are directed toward the center of the second area 132, and the red light is transmitted to the second area 132 It proceeds toward the center of the third light-sensing cell 113 around the second light-sensing cell 112 corresponding to ). Similarly, among the incident light incident on the third area 133 of the color separation lens array 130, the red light proceeds toward the center of the third light sensing cell 113 corresponding to the third area 133, and the green light is The first light sensing cell 111 and the fourth light sensing cell 114 around the third light sensing cell 113 corresponding to the third region 133 are directed toward the center of the third region 133, and the blue light is transmitted to the third region 133. ), the second light sensing cell 112 around the third light sensing cell 113 corresponding to ). Finally, among the incident light incident on the fourth region 134 of the color separation lens array 130, the green light proceeds toward the center of the fourth light sensing cell 114 corresponding to the fourth region 134, and the blue light Silver proceeds toward the center of the second light sensing cell 112 around the fourth light sensing cell 114 corresponding to the fourth region 134, and the red light senses the fourth light corresponding to the fourth region 134. It proceeds toward the center of the third light sensing cell 113 around the cell 114.

이와 같은 색분리와 집광은 스페이서층(120)의 두께를 적절히 설정하여 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 스페이서층(120)의 이론 두께는 ht, λ0의 파장에 대한 스페이서층(120)의 굴절률을 n, 광감지셀의 피치를 p라고 할 때, 다음의 수학식 1을 만족할 수 있다.Such color separation and light collection may be performed more effectively by appropriately setting the thickness of the spacer layer 120. For example, when the theoretical thickness of the spacer layer 120 is the refractive index of the spacer layer 120 with respect to the wavelength of h t and λ 0 is n, and the pitch of the photosensitive cell is p, the following equation (1) may be satisfied. I can.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, 스페이서층(120)의 이론 두께 ht는 λ0의 파장을 갖는 광이 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 상부 표면 상에 집광되는 초점 거리를 의미할 수 있다. 다시 말해, λ0의 파장을 갖는 광은 색분리 렌즈 어레이(130)를 지나면서 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면으로부터 ht만큼 떨어진 거리에 포커싱될 수 있다. Here, the theoretical thickness h t of the spacer layer 120 is a focal point at which light having a wavelength of λ 0 is condensed on the upper surface of the light sensing cells 111, 112, 113 and 114 by the color separation lens array 130. Can mean distance. In other words, light having a wavelength of λ 0 may pass through the color separation lens array 130 and be focused at a distance h t from the lower surface of the color separation lens array 130.

수학식 1에 기재된 바와 같이, 스페이서층(120)의 이론 두께 ht는 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 피치(p)와 스페이서층(120)의 굴절률(n)에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 가시광선 대역의 중심 파장(λ0)을 540 nm, 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 피치(p)를 0.8 μm, 540 nm의 파장에서 스페이서층(120)의 굴절률(n)을 1.46이라고 가정하면, 스페이서층(120)의 이론 두께 ht, 다시 말해 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면과 센서 기판(110)의 상부 표면 사이의 거리는 약 1.64 μm일 수 있다. 그러나, 스페이서층(120)의 실제 두께는 수학식 1에 기재된 이론 두께(ht)로만 제한될 필요는 없다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율을 고려하여 수학식 1의 이론 두께(ht)를 기준으로 소정의 범위 내에서 스페이서층(120)의 실제 두께가 선택될 수 있다.As described in Equation 1, the theoretical thickness h t of the spacer layer 120 varies depending on the pitch (p) of the photosensitive cells 111, 112, 113, 114 and the refractive index (n) of the spacer layer 120 I can. For example, the center wavelength (λ 0 ) of the visible light band is 540 nm, the pitch (p) of the light sensing cells 111, 112, 113, 114 is 0.8 μm, and the spacer layer 120 has a wavelength of 540 nm. Assuming that the refractive index (n) is 1.46, the theoretical thickness h t of the spacer layer 120, that is, the distance between the lower surface of the color separation lens array 130 and the upper surface of the sensor substrate 110 may be about 1.64 μm. have. However, the actual thickness of the spacer layer 120 need not be limited only to the theoretical thickness (h t) described in Equation (1). For example, the actual thickness of the spacer layer 120 may be selected within a predetermined range based on the theoretical thickness h t of Equation 1 in consideration of the efficiency of the color separation lens array 130.

도 16a 내지 도 16e는 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 피치가 0.7 μm인 경우에 색분리 렌즈 어레이(130)와 센서 기판(110) 사이의 거리에 따른 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 16a는 색분리 렌즈 어레이(130)의 단위 패턴 어레이를 구성하는 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)으로부터 제2 광감지셀(112)에 입사하는 청색광에 대한 색분리 렌즈 어레이(130)의 집광 효율을 나타내고, 도 16b는 단위 패턴 어레이를 구성하는 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)으로부터 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)에 입사하는 녹색광에 대한 색분리 렌즈 어레이(130)의 집광 효율을 나타내고, 도 16c는 단위 패턴 어레이를 구성하는 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)으로부터 제3 광감지셀(113)에 입사하는 적색광에 대한 색분리 렌즈 어레이(130)의 집광 효율을 나타낸다.16A to 16E show the color separation lens array 130 according to the distance between the color separation lens array 130 and the sensor substrate 110 when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 0.7 μm. ) Is a graph showing the change in efficiency. 16A is a color separation lens for blue light incident on the second light sensing cell 112 from the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 constituting the unit pattern array of the color separation lens array 130 It shows the light-converging efficiency of the array 130, and FIG. 16B shows the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 constituting the unit pattern array, and the first photo-sensing cell 111 and the fourth photo-sensing cell ( 114) shows the condensing efficiency of the color separation lens array 130 for green light, and FIG. 16C shows the third light detection from the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 constituting the unit pattern array. It shows the condensing efficiency of the color separation lens array 130 for red light incident on the cell 113.

도 16a 및 도 16c의 경우, 하나의 광감지셀에 대해 4개의 영역이 배치되므로 이론상 최대값이 4이다. 도 16b의 경우에는, 2개의 광감지셀에 대해 4개의 영역이 배치되므로 이론상 최대값이 2이다. 도 16a 내지 도 16c의 그래프에서 색분리 렌즈 어레이(130)의 집광 효율이 가장 높은 거리가 수학식 1을 만족하는 이론 두께(ht)가 된다. 도 16a 내지 도 16c에 도시된 바와 같이, 이론 두께(ht)는 파장에 따라 조금씩 달라진다.In the case of FIGS. 16A and 16C, since four regions are arranged for one light sensing cell, the theoretical maximum value is 4. In the case of FIG. 16B, since four regions are arranged for two light sensing cells, the theoretical maximum value is 2. In the graphs of FIGS. 16A to 16C, the distance of the color separation lens array 130 having the highest light collection efficiency becomes a theoretical thickness h t that satisfies Equation 1. As shown in FIGS. 16A to 16C, the theoretical thickness h t varies slightly depending on the wavelength.

도 16d는 가시광선에 대한 사람의 눈의 민감도 특성을 고려한 색분리 렌즈 어레이의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 예를 들어, 사람의 눈은 통상적으로 녹색광에 대해 민감도가 가장 높고, 청색광에 대해 민감도가 가장 낮다. 따라서, 도 16a의 그래프에 가장 낮은 가중치를 부여하고, 도 16c의 그래프에 청색광보다 높은 가중치를 부여하고, 도 16b에 가장 높은 가중치를 부여한 후에 합산한 값을 평균함으로써 도 16d의 그래프를 얻을 수 있다. 도 16e는 도 16d의 그래프를 규준화한 결과를 보이는 그래프이다.16D is a graph showing an example of a change in efficiency of a color separation lens array in consideration of a sensitivity characteristic of a human eye to visible light. For example, the human eye is typically the most sensitive to green light and the least sensitive to blue light. Therefore, the graph of FIG. 16D can be obtained by assigning the lowest weight to the graph of FIG. 16A, giving the graph of FIG. 16C a higher weight than that of blue light, and giving the highest weight to FIG. 16B and then averaging the summed values. . 16E is a graph showing the results of normalizing the graph of FIG. 16D.

도 16d 및 도 16e의 그래프를 참조하면, 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 피치가 0.7 μm인 경우에, 사람의 눈의 민감도 특성을 고려한 가시광선 전체에 대한 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율은 약 1.2 μm의 거리에서 가장 높다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율은 약 0.5 μm의 거리에서 최대 효율의 약 80% 정도가 되며, 약 1.9 μm의 거리에서 최대 효율의 약 95% 정도가 된다.Referring to the graphs of FIGS. 16D and 16E, when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 0.7 μm, the color separation lens array for the entire visible light considering the sensitivity characteristics of the human eye ( 130) is the highest at a distance of about 1.2 μm. Further, the efficiency of the color separation lens array 130 becomes about 80% of the maximum efficiency at a distance of about 0.5 μm, and about 95% of the maximum efficiency at a distance of about 1.9 μm.

도 17a 내지 도 17e는 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 피치가 0.8 μm인 경우에 색분리 렌즈 어레이(130)와 센서 기판(110) 사이의 거리에 따른 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 17a 내지 도 17e를 참조하면, 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 피치가 0.8 μm인 경우에, 사람의 눈의 민감도 특성을 고려한 가시광선 전체에 대한 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율은 약 1.64 μm의 거리에서 가장 높다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율은 약 0.8 μm의 거리에서 최대 효율의 약 85% 정도가 되며, 약 2.5 μm의 거리에서 최대 효율의 약 93% 정도가 된다.17A to 17E show the color separation lens array 130 according to the distance between the color separation lens array 130 and the sensor substrate 110 when the pitch of the light sensing cells 111, 112, 113, and 114 is 0.8 μm. ) Is a graph showing the change in efficiency. 17A to 17E, when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 0.8 μm, the color separation lens array 130 for the entire visible light considering the sensitivity characteristics of the human eye The efficiency of is highest at a distance of about 1.64 μm. In addition, the efficiency of the color separation lens array 130 becomes about 85% of the maximum efficiency at a distance of about 0.8 μm, and about 93% of the maximum efficiency at a distance of about 2.5 μm.

도 18a 내지 도 18e는 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 피치가 1.0 μm인 경우에 색분리 렌즈 어레이(130)와 센서 기판(110)사이의 거리에 따른 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 18a 내지 도 18e를 참조하면, 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 피치가 1.0 μm인 경우에, 사람의 눈의 민감도 특성을 고려한 가시광선 전체에 대한 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율은 약 2.6 μm의 거리에서 가장 높다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)의 효율은 약 1.6 μm의 거리에서 최대 효율의 약 87% 정도가 되며, 약 3.6 μm의 거리에서 최대 효율의 약 94% 정도가 된다.18A to 18E show the color separation lens array 130 according to the distance between the color separation lens array 130 and the sensor substrate 110 when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 1.0 μm. ) Is a graph showing the change in efficiency. 18A to 18E, when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 1.0 μm, the color separation lens array 130 for the entire visible light considering the sensitivity characteristics of the human eye The efficiency of is highest at a distance of about 2.6 μm. In addition, the efficiency of the color separation lens array 130 becomes about 87% of the maximum efficiency at a distance of about 1.6 μm, and about 94% of the maximum efficiency at a distance of about 3.6 μm.

결과적으로, 스페이서층(120)의 실제 두께(h)가 수학식 1의 이론 두께(ht)에 비하여 광감지셀(111, 112, 113, 114)의 피치(p)만큼 크거나 작더라도, 색분리 렌즈 어레이(130)는 최대 효율의 80% 이상, 90% 이상, 또는 95% 이상의 높은 효율을 갖는다는 것을 알 수 있다. 상술한 결과를 고려할 때, 스페이서층(120)의 실제 두께(h)는 ht - p ≤ h ≤ ht + p의 범위 내에서 선택될 수 있다.As a result, even if the actual thickness (h) of the spacer layer 120 is larger or smaller than the theoretical thickness (h t ) of Equation 1 by the pitch p of the photosensitive cells 111, 112, 113, 114, It can be seen that the color separation lens array 130 has a high efficiency of 80% or more, 90% or more, or 95% or more of the maximum efficiency. Considering the above result, the actual thickness (h) of the spacer layer 120 is h t - may be chosen within the range of p ≤ h ≤ h t + p .

상술한 색분리 렌즈 어레이(130)는 입사광을 흡수하거나 차단하지 않으면서 파장 별로 분기하고 분기된 빛을 특정 영역에 집광시킬 수 있기 때문에, 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)는 향상된 색분리 성능을 갖기 때문에 색분리 렌즈 어레이(130)를 채용한 이미지 센서는 우수한 색 순도를 가질 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)를 채용한 이미지 센서는 이미지 센서에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴 방식을 유지할 수 있어, 기존의 화소 구조와 동일한 이미지 처리 알고리즘을 활용할 수 있다. 더욱이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 입사광을 집광하는 렌즈의 역할도 할 수 있기 때문에, 색분리 렌즈 어레이(130)를 채용한 이미지 센서는 빛을 각각의 화소에 집광시키기 위한 별도의 마이크로 렌즈를 필요로 하지 않는다.Since the above-described color separation lens array 130 can diverge by wavelength and condense the branched light to a specific area without absorbing or blocking incident light, it is possible to improve the light utilization efficiency of the image sensor. In addition, since the color separation lens array 130 has improved color separation performance, an image sensor employing the color separation lens array 130 may have excellent color purity. In addition, the image sensor employing the color separation lens array 130 can maintain the Bayer pattern method generally adopted in the image sensor, and thus can utilize the same image processing algorithm as the existing pixel structure. Moreover, since the color separation lens array 130 can also serve as a lens for condensing incident light, an image sensor employing the color separation lens array 130 provides a separate microlens for condensing light to each pixel. I don't need it.

도 19는 도 8a 및 도 8b에 도시된 이미지 센서의 청색 화소, 녹색 화소, 적색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 청색 화소는 제2 광감지셀(112)에 대응할 수 있으며, 녹색 화소는 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)에 대응할 수 있고, 적색 화소는 제3 광감지셀(113)에 대응할 수 있다.19 is a graph exemplarily showing spectral distributions of light incident on a blue pixel, a green pixel, and a red pixel of the image sensor illustrated in FIGS. 8A and 8B. The blue pixel may correspond to the second photo-sensing cell 112, the green pixel may correspond to the first photo-sensing cell 111 and the fourth photo-sensing cell 114, and the red pixel may correspond to the third photo-sensing cell ( 113).

도 19에서 굵은 선들은 색분리 렌즈 어레이(130)를 사용하는 경우에 청색 화소, 녹색 화소, 적색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 나타낸다. 굵은 실선은 청색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이고, 굵은 점선은 녹색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이고, 굵은 쇄선은 적색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이다. 비교를 위하여, 색분리 렌즈 어레이(130) 대신에 일반적인 컬러 필터를 사용하는 경우에 청색 화소, 녹색 화소, 적색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포가 도 19에서 가는 선들로 표시되었다. 가는 실선은 청색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이고, 가는 점선은 녹색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이고, 가는 쇄선은 적색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이다. 도 19를 참조하면, 굵은 선으로 표시된 빛의 세기가 가는 선으로 표시된 빛의 세기보다 더 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 색분리 렌즈 어레이(130)를 사용함으로써 이미지 센서(1000)의 광 이용 효율이 향상될 수 있다.In FIG. 19, thick lines indicate spectral distributions of light incident on a blue pixel, a green pixel, and a red pixel, respectively, when the color separation lens array 130 is used. The thick solid line is the spectral distribution of light incident on the blue pixel, the thick dotted line is the spectral distribution of light incident on the green pixel, and the thick dashed line is the spectral distribution of light incident on the red pixel. For comparison, when a general color filter is used instead of the color separation lens array 130, spectral distributions of light incident on a blue pixel, a green pixel, and a red pixel are indicated by thin lines in FIG. 19. The thin solid line is the spectral distribution of light incident on the blue pixel, the thin dotted line is the spectral distribution of light incident on the green pixel, and the thin chain line is the spectral distribution of light incident on the red pixel. Referring to FIG. 19, it can be seen that the intensity of light indicated by a thick line is greater than the intensity of light indicated by a thin line. Accordingly, the use of the color separation lens array 130 may improve light utilization efficiency of the image sensor 1000.

상술한 위상 분포 및 성능을 만족하는 색분리 렌즈 어레이(130)의 패턴은 다양한 방식의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 자동화된 설계가 가능하다. 예를 들자면, 유전자 알고리즘(genetic algorithm), 입자 군집 최적화(particle swarm optimization) 알고리즘, 개미 집단 최적화(ant colony optimization) 등과 같은 자연 모사 알고리즘(nature-inspired algorithm)을 이용하거나 또는 어드조인트 최적화(adjoint optimization) 알고리즘에 기반한 역설계 방식을 통해 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 패턴을 최적화할 수 있다.The pattern of the color separation lens array 130 that satisfies the above-described phase distribution and performance can be automatically designed through various computer simulations. For example, using a nature-inspired algorithm such as genetic algorithm, particle swarm optimization algorithm, ant colony optimization, or adjoint optimization ) The pattern of the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 may be optimized through an algorithm-based reverse engineering method.

색분리 렌즈 어레이(130)의 설계를 위하여, 색분리 스펙트럼, 광 효율, 신호대잡음비 등의 평가 요소들로 복수의 후보 색분리 렌즈 어레이들의 성능을 평가하면서 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 제 1 내지 제 4 패턴을 최적화할 수 있다. 예를 들어, 각각의 평가 요소에 대한 목표 수치값을 미리 결정한 후, 복수의 평가 요소들에 대한 목표 수치값과의 차이의 합을 최소화하는 방식으로 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 제1 내지 제4 패턴을 최적화할 수 있다. 또는, 각각의 평가 요소 별로 성능을 지표화하고, 성능을 나타내는 값이 최대가 되도록 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 제1 내지 제4 패턴을 최적화할 수 있다.For the design of the color separation lens array 130, the first to fourth regions 131 and 132, while evaluating the performance of a plurality of candidate color separation lens arrays using evaluation factors such as color separation spectrum, light efficiency, signal-to-noise ratio, etc. The first to fourth patterns of 133 and 134 may be optimized. For example, after determining a target numerical value for each evaluation element in advance, the first to fourth regions 131, 132, 133 are minimized in a manner that minimizes the sum of the differences between the target numerical values for the plurality of evaluation elements. , 134) of the first to fourth patterns may be optimized. Alternatively, performance may be indexed for each evaluation element, and first to fourth patterns of the first to fourth regions 131, 132, 133 and 134 may be optimized so that a value representing the performance is maximized.

도 4에 도시된 색분리 렌즈 어레이(130)는 단지 하나의 예이며, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 크기, 두께, 색분리 렌즈 어레이(130)가 적용될 이미지 센서의 색 특성, 화소 피치, 색분리 렌즈 어레이(130)와 이미지 센서 사이의 거리, 입사광의 입사각 등에 따라, 상술한 최적화 설계를 통해 다양한 형태의 색분리 렌즈 어레이(130)를 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 20은 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있는 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이며, 도 21은 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있는 또 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.The color separation lens array 130 shown in FIG. 4 is only an example, and the size, thickness, and color separation lens of the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 of the color separation lens array 130 According to the color characteristics of the image sensor to which the array 130 is applied, the pixel pitch, the distance between the color separation lens array 130 and the image sensor, the incident angle of incident light, etc., various types of color separation lens array 130 ) Can be obtained. For example, FIG. 20 is a plan view exemplarily showing the shape of a unit pattern array of a color separation lens array according to another embodiment that can be applied to a Bayer pattern type image sensor, and FIG. 21 is a view showing a Bayer pattern type image sensor. It is a plan view exemplarily showing a shape of a unit pattern array of a color separation lens array according to another embodiment that can be applied.

도 4에 도시된 제 1 내지 제 4 영역(131, 132, 133, 134) 각각은 14×14의 직사각형 배열로 디지털화 된 바이너리 형태로 최적화되었으며, 도 20에 도시된 제 1 내지 제 4 영역(131, 132, 133, 134)의 각각은 16×16의 직사각형 배열로 디지털화 된 바이너리 형태로 최적화되었다. 따라서, 도 4에 도시된 색분리 렌즈 어레이(130)의 단위 패턴 어레이는 28×28의 직사각형 배열로 이루어진 형태를 가지며, 도 20에 도시된 색분리 렌즈의 단위 패턴 어레이는 32×32의 직사각형 배열로 이루어진 형태를 가진다. 이 경우, 도 5 및 도 6에 도시된 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 수직 단면의 형태는 A-A' 라인이 Y방향을 따라 이동함에 따라 또는 B-B' 라인이 X방향을 따라 이동함에 따라 불연속적으로 변화하게 된다.Each of the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 shown in FIG. 4 is optimized in a digitized binary form in a 14×14 rectangular arrangement, and the first to fourth regions 131 shown in FIG. 20 , 132, 133, and 134) are each optimized in a digitized binary form in a 16×16 rectangular array. Accordingly, the unit pattern array of the color separation lens array 130 shown in FIG. 4 has a shape consisting of a 28×28 rectangular array, and the unit pattern array of the color separation lens shown in FIG. 20 is a 32×32 rectangular array. It has a form consisting of. In this case, the shape of the vertical cross section of the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 shown in FIGS. 5 and 6 is as the AA' line moves along the Y direction or the BB' line moves in the X direction. As it moves along, it changes discontinuously.

이와 달리, 도 21에 도시된 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134) 각각은 디지털화 되지 않은 연속적인 곡선 형태로 최적화될 수도 있다. 이 경우, 도 5 및 도 6에 도시된 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 수직 단면의 형태는 A-A' 라인이 Y방향을 따라 이동함에 따라 또는 B-B' 라인이 X방향을 따라 이동함에 따라 연속적으로 변화하게 된다.Alternatively, each of the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 shown in FIG. 21 may be optimized in the form of a continuous curve that is not digitized. In this case, the shape of the vertical cross section of the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 shown in FIGS. 5 and 6 is as the AA' line moves along the Y direction or the BB' line moves in the X direction. It changes continuously as it moves along.

도 22a 및 도 22b는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다. 도 22a 및 도 22b를 참조하면, 화소 어레이(1100a)는 입사광의 세기를 전기적인 신호로 변환하는 복수의 광감지셀(111, 112, 113, 114)을 포함하는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 위에 배치된 컬러 필터층(105), 컬러 필터층(105) 상에 배치된 스페이서층(120), 및 스페이서층(120) 상에 배치된 색분리 렌즈 어레이(130)를 포함한다.22A and 22B are schematic cross-sectional views illustrating a pixel array of an image sensor according to another exemplary embodiment, respectively. 22A and 22B, the pixel array 1100a includes a sensor substrate 110 including a plurality of light sensing cells 111, 112, 113, and 114 that convert the intensity of incident light into an electrical signal, and a sensor substrate. (110) A color filter layer 105 disposed above, a spacer layer 120 disposed on the color filter layer 105, and a color separation lens array 130 disposed on the spacer layer 120.

컬러 필터층(105)은 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114) 위에 배치된 제1 컬러 필터(CF1), 제2 광감지셀(112) 위에 배치된 제2 컬러 필터(CF2), 및 제3 광감지셀(113) 위에 배치된 제3 컬러 필터(CF3)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 컬러 필터(CF1)는 입사광 중에서 녹색광만을 투과시키고 나머지를 흡수하는 녹색 컬러 필터이고, 제2 컬러 필터(CF2)는 입사광 중에서 청색광만을 투과시키고 나머지를 흡수하는 청색 컬러 필터이고, 제3 컬러 필터(CF3)는 입사광 중에서 적색광만을 투과시키고 나머지를 흡수하는 적색 컬러 필터일 수 있다. 이러한 컬러 필터(CF1, CF2, CF3)를 사용함으로써 이미지 센서(1000)는 보다 높은 색순도를 달성할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 이미 상당 정도로 색분리된 빛이 각각 컬러 필터(CF1, CF2, CF3)에 입사하므로, 컬러 필터층(105)에 의한 광 손실은 크지 않다. 색분리 렌즈 어레이(130)에 의한 색분리가 충분하다면 컬러 필터층(105)은 생략될 수도 있으며, 제 1 내지 제 3 컬러 필터(CF1, CF2, CF3)들 중에서 일부만이 생략될 수도 있다.The color filter layer 105 includes a first color filter CF1 disposed on the first photo-sensing cell 111 and the fourth photo-sensing cell 114, and a second color filter disposed on the second photo-sensing cell 112. CF2), and a third color filter CF3 disposed on the third light sensing cell 113. For example, the first color filter CF1 is a green color filter that transmits only green light from the incident light and absorbs the rest, the second color filter CF2 is a blue color filter that transmits only blue light from the incident light and absorbs the rest, and the third color filter. The color filter CF3 may be a red color filter that transmits only red light and absorbs the rest of incident light. By using these color filters CF1, CF2, and CF3, the image sensor 1000 can achieve higher color purity. Since light, which has already been color-separated to a considerable extent by the color separation lens array 130, enters the color filters CF1, CF2, and CF3, respectively, the light loss due to the color filter layer 105 is not large. If color separation by the color separation lens array 130 is sufficient, the color filter layer 105 may be omitted, and only some of the first to third color filters CF1, CF2, and CF3 may be omitted.

지금까지 설명한 색분리 렌즈 어레이(130)의 구체적인 패턴들은 단지 예시적인 것이며, 이들의 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 다른 패턴 형태들에 따라 가시광선 이외의 파장 대역의 분리도 가능하다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)의 단위 패턴 어레이를 구성하는 색분리 패턴의 개수도 색분리 렌즈 어레이(130)의 적용예에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 이미지 센서의 화소 배열은 베이어 패턴을 예시하여 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 도 2b 및 도 2c에 도시된 화소 배열에도 적용될 수 있다. 이러한 화소 배열에 알맞은 패턴은 색분리 렌즈 어레이(130)의 영역들을 채택하고 각 영역별로 상술한 최적화 방식을 통해 결정될 수 있다.The specific patterns of the color separation lens array 130 described so far are merely exemplary, and various modifications thereof are possible. For example, according to different pattern shapes of the first to fourth regions 131, 132, 133, and 134 of the color separation lens array 130, wavelength bands other than visible light may be separated. Also, the number of color separation patterns constituting the unit pattern array of the color separation lens array 130 may be variously changed according to an application example of the color separation lens array 130. The pixel arrangement of the image sensor has been described by exemplifying the Bayer pattern, but is not limited thereto, and may also be applied to the pixel arrangement shown in FIGS. 2B and 2C. A pattern suitable for this pixel arrangement may be determined by adopting regions of the color separation lens array 130 and using the above-described optimization method for each region.

도 23은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 23을 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(140)는 굵은 선으로 표시된 복수의 2차원 배열된 단위 패턴 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 단위 패턴 어레이는 제1 영역(141), 제2 영역(142), 제3 영역(143), 및 제4 영역(144)을 포함하는 2 ×2의 형태로 배열될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(140)의 전체 구성을 볼 때, 하나의 행(row) 내에서 제1 영역(141)과 제2 영역(142)이 가로 방향을 따라 번갈아 배열되며, 다른 행 내에서 제3 영역(143)과 제4 영역(144)이 가로 방향을 따라 번갈아 배열된다. 또한, 하나의 열(column) 내에서 제1 영역(141)과 제3 영역(143)이 세로 방향을 따라 번갈아 배열되며, 다른 열 내에서 제2 영역(142)과 제4 영역(144)이 세로 방향을 따라 번갈아 배열된다.23 is a plan view illustrating a color separation lens array according to another exemplary embodiment. Referring to FIG. 23, the color separation lens array 140 may include a plurality of two-dimensional array of unit patterns indicated by thick lines. Each unit pattern array may be arranged in a 2×2 shape including the first region 141, the second region 142, the third region 143, and the fourth region 144. When looking at the overall configuration of the color separation lens array 140, the first regions 141 and the second regions 142 are alternately arranged in the horizontal direction in one row, and the third region in the other row. The regions 143 and the fourth regions 144 are alternately arranged along the horizontal direction. In addition, the first region 141 and the third region 143 are alternately arranged along the vertical direction in one column, and the second region 142 and the fourth region 144 are arranged in another column. They are arranged alternately along the longitudinal direction.

또한, 색분리 렌즈 어레이(140)는 어떠한 단위 패턴 어레이에도 속하지 않는 복수의 제1 내지 제4 영역(141, 142, 143, 144)을 더 포함할 수 있다. 어떠한 단위 패턴 어레이에도 속하지 않는 제1 내지 제4 영역(141, 142, 143, 144)은 색분리 렌즈 어레이(140)의 가장자리를 따라 배열될 수 있다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(140)의 좌측 가장자리에 하나의 열을 구성하는 복수의 제2 영역(142)과 복수의 제4 영역(144)이 추가적으로 배열되고, 우측 가장자리에에 하나의 열을 구성하는 복수의 제1 영역(141)과 복수의 제3 영역(143)이 추가적으로 배열되고, 상부측 가장자리에 하나의 행을 구성하는 복수의 제3 영역(143)과 복수의 제4 영역(144)이 추가적으로 배열되고, 하부측 가장자리에 하나의 행을 구성하는 복수의 제1 영역(141)과 복수의 제2 영역(142)이 추가적으로 배열될 수 있다.In addition, the color separation lens array 140 may further include a plurality of first to fourth regions 141, 142, 143 and 144 that do not belong to any unit pattern array. The first to fourth regions 141, 142, 143 and 144 that do not belong to any unit pattern array may be arranged along the edge of the color separation lens array 140. In other words, a plurality of second regions 142 and a plurality of fourth regions 144 constituting one column are additionally arranged on the left edge of the color separation lens array 140, and one column is formed on the right edge. A plurality of first regions 141 and a plurality of third regions 143 are additionally arranged, and a plurality of third regions 143 and a plurality of fourth regions 144 constituting one row at the upper edge. ) May be additionally arranged, and a plurality of first regions 141 and a plurality of second regions 142 constituting one row may be additionally arranged at the lower edge.

도 24는 도 23에 도시된 색분리 렌즈 어레이(140)를 C-C' 라인을 따라 절개한 수직 단면이다. 도 24를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(140)는 센서 기판(110)의 가장자리에 대해 수평 방향으로 돌출하여 배치되며 연직 방향으로 센서 기판(110)의 어떠한 광감지셀과도 마주하지 않는 복수의 제1 영역(141)과 복수의 제2 영역(142)을 포함할 수 있다. 비록 도 24에 모두 도시되지 않았지만, 도 23에서 어떠한 단위 패턴 어레이에도 속하지 않는 복수의 제1 내지 제4 영역(141, 142, 143, 144)은 모두 센서 기판(110)의 가장자리에 대해 수평 방향으로 돌출하여 배치되며 연직 방향으로 어떠한 광감지셀과도 마주하지 않는다.FIG. 24 is a vertical cross-section of the color separation lens array 140 shown in FIG. 23 taken along a line C-C'. Referring to FIG. 24, the color separation lens array 140 is disposed to protrude in a horizontal direction with respect to the edge of the sensor substrate 110 and does not face any light sensing cells of the sensor substrate 110 in the vertical direction. A first region 141 and a plurality of second regions 142 may be included. Although not all shown in FIG. 24, in FIG. 23, the plurality of first to fourth regions 141, 142, 143, and 144 that do not belong to any unit pattern array are all in a horizontal direction with respect to the edge of the sensor substrate 110. It is arranged to protrude and does not face any light sensing cells in the vertical direction.

도 13a 내지 도 13d, 도 14a 내지 도 14d, 및 도 15a 내지 도 15d에서 설명한 바와 같이, 광감지셀은 연직으로 대응하는 색분리 렌즈 어레이(140)의 영역뿐만 아니라 그 영역 주변에 있는 복수의 다른 영역들로부터도 빛을 제공받는다. 따라서, 색분리 렌즈 어레이(140)의 가장자리를 따라 추가된 제1 내지 제4 영역(141, 142, 143, 144)이 없을 경우, 센서 기판(110)의 가장자리를 따라 배열된 광감지셀들에 입사하는 빛의 광량이 작아지고 색순도도 저하될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(140)의 가장자리를 따라 추가적으로 제1 내지 제4 영역(141, 142, 143, 144)을 배열함으로써, 센서 기판(110)의 가장자리를 따라 배열된 광감지셀들에도 센서 기판(110)의 내측에 배열된 광감지셀들과 동일하게 빛이 제공될 수 있다.As described in FIGS. 13A to 13D, 14A to 14D, and 15A to 15D, the photosensitive cell is not only a region of the color separation lens array 140 corresponding to a vertically, but also a plurality of other regions around the region. It is also provided with light from the realms. Therefore, in the absence of the first to fourth regions 141, 142, 143, and 144 added along the edge of the color separation lens array 140, the light sensing cells arranged along the edge of the sensor substrate 110 The amount of incident light is reduced, and color purity may also decrease. By further arranging the first to fourth regions 141, 142, 143, and 144 along the edge of the color separation lens array 140, the sensor substrate ( Light may be provided in the same manner as the light sensing cells arranged on the inside of 110).

상술한 실시예들에 따른 이미지 센서는 컬러 필터에 의한 광 손실이 거의 없기 때문에 화소의 크기가 작아지더라도 화소에 충분한 양의 빛을 제공할 수 있다. 따라서 수 억개 이상의 화소를 갖는 초고해상도 초소형 고감도 이미지 센서의 제작이 가능하다. 이러한 초고해상도 초소형 고감도 이미지 센서는 다양한 고성능 광학 장치 또는 고성능 전자 장치에 채용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 전자 장치는, 예컨대, 스마트 폰(smart phone), 휴대폰, 핸드폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 휴대용 기기, 가전제품, 보안 카메라, 의료용 카메라, 자동차, 사물인터넷(IoT; Internet of Things), 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 일 수 있고, 이에 제한되지 않는다.Since the image sensor according to the above-described embodiments hardly loses light due to the color filter, a sufficient amount of light can be provided to the pixel even if the size of the pixel is reduced. Therefore, it is possible to manufacture an ultra-high resolution, ultra-small, high-sensitivity image sensor having hundreds of millions of pixels or more. Such an ultra-high resolution, ultra-small, high-sensitivity image sensor may be employed in various high-performance optical devices or high-performance electronic devices. For example, such electronic devices include, for example, smart phones, mobile phones, mobile phones, personal digital assistants (PDAs), laptops, PCs, various portable devices, home appliances, security cameras, medical cameras, and automobiles. , Internet of Things (IoT), other mobile or non-mobile computing devices, but is not limited thereto.

도 25는 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 전자 장치는 이미지 센서(1000), 프로세서(2200), 메모리(2300), 디스플레이(2400) 및 버스(2500)를 포함한다. 이미지 센서(1000)는 프로세서(2200)의 제어에 따라 외부의 피사체에 대한 영상 정보를 획득하여 프로세서(2200)에 제공한다. 프로세서(2200)는 이미지 센서(1000)로부터 제공된 영상 정보를 버스(2500)를 통하여 메모리(2300)에 저장하고, 메모리(2300)에 저장된 영상 정보를 디스플레이(2400)로 출력하여 사용자에게 표시할 수 있다. 또한, 프로세서(2200)는 이미지 센서(1000)로부터 제공된 영상 정보에 대해 다양한 영상 처리를 수행할 수도 있다.25 is a schematic block diagram of an electronic device including an image sensor according to embodiments. The electronic device includes an image sensor 1000, a processor 2200, a memory 2300, a display 2400, and a bus 2500. The image sensor 1000 acquires image information on an external subject under the control of the processor 2200 and provides it to the processor 2200. The processor 2200 may store the image information provided from the image sensor 1000 in the memory 2300 through the bus 2500, and output the image information stored in the memory 2300 to the display 2400 to be displayed to the user. have. Also, the processor 2200 may perform various image processing on image information provided from the image sensor 1000.

도 26 내지 도 36은 실시예들에 따른 이미지 센서가 적용된 전자 장치의 다양한 예를 보인다.26 to 36 show various examples of electronic devices to which an image sensor according to embodiments is applied.

실시예들에 따른 이미지 센서는 영상 촬영 기능을 구비하고 있는 다양한 멀티미디어 장치들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서는 도 26에 도시된 카메라(2000)에 적용될 수 있다. 카메라(2000)는 디지털 카메라 또는 디지털 캠코더일 수 있다.The image sensor according to the embodiments may be applied to various multimedia devices having an image capturing function. For example, the image sensor may be applied to the camera 2000 shown in FIG. 26. The camera 2000 may be a digital camera or a digital camcorder.

도 27을 참조하면, 카메라(2000)는 촬상부(2100), 이미지 센서(1000), 및 프로세서(2200)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 27, the camera 2000 may include an imaging unit 2100, an image sensor 1000, and a processor 2200.

촬상부(2100)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성한다. 촬상부(2100)는 대물렌즈(2010), 렌즈 구동부(2120), 조리개(2130), 및 조리개 구동부(2140)를 포함할 수 있다. 도 27에는 편의상 하나의 렌즈만이 대표적으로 표시되었으나, 실제로 대물렌즈(2010)는 크기와 형태가 각기 다른 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 렌즈 구동부(2120)는 프로세서(2200)와 초점 검출에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(2200)에서 제공된 제어 신호에 따라 대물렌즈(2010)의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)는 대물렌즈(2010)를 이동시켜 대물렌즈(2010)와 피사체(OBJ) 사이의 거리를 조절하거나, 대물렌즈(2010) 내의 개별 렌즈들의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 구동부(2120)가 대물렌즈(2010)를 구동시킴으로써 피사체(OBJ)에 대한 초점이 조절될 수 있다. 이러한 카메라(2000)는 자동 초점 기능을 구비할 수 있다.The imaging unit 2100 forms an optical image by focusing light reflected from the subject OBJ. The imaging unit 2100 may include an objective lens 2010, a lens driving unit 2120, a diaphragm 2130, and a diaphragm driving unit 2140. In FIG. 27, only one lens is representatively displayed for convenience, but the objective lens 2010 may actually include a plurality of lenses having different sizes and shapes. The lens driver 2120 may communicate information on focus detection with the processor 2200 and may adjust the position of the objective lens 2010 according to a control signal provided from the processor 2200. The lens driver 1120 may move the objective lens 2010 to adjust the distance between the objective lens 2010 and the object OBJ, or may adjust the positions of individual lenses in the objective lens 2010. The focus on the subject OBJ may be adjusted by the lens driver 2120 driving the objective lens 2010. The camera 2000 may have an auto focus function.

조리개 구동부(2140)는 프로세서(2200)와 광량에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(2200)에서 제공된 제어 신호에 따라 조리개(2130)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 조리개 구동부(2140)는 대물렌즈(2010)를 통해 카메라(2000) 내부에 들어오는 빛의 양에 따라 조리개(2130)의 구경을 증가시키거나 감소시킬 수 있으며, 조리개(2130)의 개방 시간을 조절할 수 있다.The iris driver 2140 may communicate information on the amount of light with the processor 2200 and may adjust the iris 2130 according to a control signal provided from the processor 2200. For example, the aperture driver 2140 may increase or decrease the aperture of the aperture 2130 according to the amount of light entering the camera 2000 through the objective lens 2010, and the aperture 2130 may be opened. You can adjust the time.

이미지 센서(1000)는 입사되는 광의 세기를 기초로 전기적인 이미지 신호를 생성할 수 있다. 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 비록 도 27에는 도시되지 않았지만, 이미지 센서(1000)는 도 1에 도시된 로우 디코더를 더 포함할 수 있다. 대물렌즈(2010) 및 조리개(2130)를 투과한 빛은 화소 어레이(1100)의 수광면에 피사체(OBJ)의 상을 결상할 수 있다. 화소 어레이(1100)는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 CCD 또는 CMOS일 수 있다. 화소 어레이(1100)는 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행하기 위한 추가적인 화소들을 포함할 수 있다. 또한, 화소 어레이(1100)는 상술한 색분리 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.The image sensor 1000 may generate an electrical image signal based on the intensity of incident light. The image sensor 1000 may include a pixel array 1100, a timing controller 1010, and an output circuit 1030. Although not shown in FIG. 27, the image sensor 1000 may further include a row decoder shown in FIG. 1. Light transmitted through the objective lens 2010 and the aperture 2130 may form an image of the object OBJ on the light-receiving surface of the pixel array 1100. The pixel array 1100 may be a CCD or CMOS that converts optical signals into electrical signals. The pixel array 1100 may include additional pixels for performing an AF function or a distance measurement function. Also, the pixel array 1100 may include the above-described color separation lens array.

프로세서(2200)는 카메라(2000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있으며 영상 처리 기능을 구비할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(2200)는 렌즈 구동부(2120), 조리개 구동부(2140), 타이밍 컨트롤러(1010) 등에 각 구성 요소의 동작을 위한 제어 신호를 제공할 수 있다.The processor 2200 may control the overall operation of the camera 2000 and may have an image processing function. For example, the processor 2200 may provide a control signal for the operation of each component to the lens driver 2120, the aperture driver 2140, the timing controller 1010, and the like.

실시예들에 따른 이미지 센서는 도 28에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(3000), 도 29에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(3100), 도 30에 도시된 노트북 컴퓨터(3200), 도 31에 도시된 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(3300) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰(3000) 또는 스마트 태블릿(3100)은 고해상 이미지 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.The image sensor according to the embodiments is a mobile phone or smart phone 3000 shown in FIG. 28, a tablet or smart tablet 3100 shown in FIG. 29, a notebook computer 3200 shown in FIG. 30, and shown in FIG. 31 It can be applied to the TV or smart television (3300). For example, the smart phone 3000 or the smart tablet 3100 may include a plurality of high-resolution cameras each equipped with a high-resolution image sensor. Using high-resolution cameras, depth information of subjects in an image can be extracted, out-focusing of an image can be adjusted, or subjects in an image can be automatically identified.

또한, 이미지 센서는 도 32에 도시된 스마트 냉장고(3400), 도 33에 도시된 보안 카메라(3500), 도 34에 도시된 로봇(3600), 도 35에 도시된 의료용 카메라(3700) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(3400)는 이미지 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(3500)는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(3600)은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라(3700)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.In addition, the image sensor can be applied to the smart refrigerator 3400 shown in FIG. 32, the security camera 3500 shown in FIG. 33, the robot 3600 shown in FIG. 34, the medical camera 3700 shown in FIG. 35, and the like. have. For example, the smart refrigerator 3400 may automatically recognize food in the refrigerator using an image sensor, and inform the user of the existence of a specific food, the type of food stocked or released, and the like to the user through the smartphone. The security camera 3500 may provide an ultra-high resolution image, and may use high sensitivity to recognize an object or person in the image even in a dark environment. The robot 3600 may be input at a disaster or industrial site that cannot be directly accessed by humans to provide a high-resolution image. The medical camera 3700 can provide a high-resolution image for diagnosis or surgery, and can dynamically adjust a field of view.

또한, 이미지 센서는 도 36에 도시된 바와 같이 차량(3800)에 적용될 수 있다. 차량(3800)은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라(3810, 3820, 3830, 3840)를 포함할 수 있으며, 각각의 차량용 카메라(3810, 3820, 3830, 3840)는 실시예에 따른 이미지 센서를 포함할 수 있다. 차량(3800)는 복수의 차량용 카메라(3810, 3820, 3830, 3840)를 이용하여 차량(3800) 내부 또는 주변에 대한 다양한 정보를 운전자에게 제공할 수 있으며, 영상 내의 사물 또는 사람을 자동으로 인식하여 자율 주행에 필요한 정보를 제공할 수 있다.Also, the image sensor may be applied to the vehicle 3800 as shown in FIG. 36. The vehicle 3800 may include a plurality of vehicle cameras 3810, 3820, 3830, and 3840 arranged at various locations, and each vehicle camera 3810, 3820, 3830, and 3840 uses an image sensor according to an embodiment. Can include. The vehicle 3800 may provide a variety of information about the interior or surroundings of the vehicle 3800 to the driver using a plurality of vehicle cameras 3810, 3820, 3830, and 3840, and automatically recognizes objects or people in the image. It can provide information necessary for autonomous driving.

상술한 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치가 비록 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.Although the image sensor having the above-described color separation lens array and the electronic device including the same have been described with reference to the embodiment shown in the drawings, this is only exemplary, and those of ordinary skill in the art have various It will be appreciated that variations and other equivalent embodiments are possible. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the rights is indicated in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the rights.

105.....컬러 필터
110.....센서 기판
111, 112, 113, 114.....광감지셀
120.....스페이서층
130, 140.....색분리 렌즈 어레이
131, 141.....제1 영역
132, 142.....제2 영역
133, 143.....제3 영역
134, 144.....제4 영역
1000.....이미지 센서
1010.....타이밍 컨트롤러
1020.....로우 디코더
1030.....출력 회로
1100.....화소 어레이
105.....color filter
110.....sensor board
111, 112, 113, 114.....light sensing cell
120.....spacer layer
130, 140.....color-separated lens array
131, 141.....the first area
132, 142.....Second area
133, 143.....3rd area
134, 144.....4th area
1000.....image sensor
1010.....Timing controller
1020.....low decoder
1030.....output circuit
1100.....pixel array

Claims (25)

광을 감지하는 제1 광감지셀과 제2 광감지셀을 포함하는 센서 기판;
상기 센서 기판 위에 배치된 투명한 스페이서층; 및
상기 스페이서층 위에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
상기 색분리 렌즈 어레이는 연직 방향을 따라 상기 제1 광감지셀에 마주하여 배치되며 제1 패턴을 갖는 제1 영역 및 연직 방향을 따라 상기 제2 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1 패턴과 상이한 제2 패턴을 갖는 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 패턴과 제2 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광에 대해, 상기 입사광에 포함된 서로 다른 제1 파장의 광과 제2 파장의 광을 분리하여, 상기 제1 광감지셀에 제1 파장의 광을 집광시키고 상기 제2 광감지셀에 제2 파장의 광을 집광시키는, 이미지 센서.
A sensor substrate including a first light sensing cell and a second light sensing cell for sensing light;
A transparent spacer layer disposed on the sensor substrate; And
Including; a color separation lens array disposed on the spacer layer,
The color separation lens array is disposed to face the first light sensing cell in a vertical direction and is disposed to face the first region having a first pattern and the second light sensing cell in a vertical direction. Comprising a second region having a different second pattern,
The first pattern and the second pattern separate light of a first wavelength and light of a second wavelength different from each other included in the incident light with respect to the incident light incident on the color separation lens array, and the first light sensing cell An image sensor for condensing light of a first wavelength to and condensing light of a second wavelength to the second light sensing cell.
제 1 항에 있어서,
상기 스페이서층은 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 입사광의 파장 대역의 중심파장에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 초점 거리에 해당하는 두께를 갖는, 이미지 센서.
The method of claim 1,
The spacer layer has a thickness corresponding to a focal length of the color separation lens array at a center wavelength of a wavelength band of incident light color-separated by the color separation lens array.
제 1 항에 있어서,
상기 스페이서층의 이론 두께를 ht, 각각의 광감지셀의 피치를 p, 상기 스페이서층의 굴절률을 n, 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 입사광의 파장 대역의 중심파장을 λ0 라 할 때, 상기 스페이서층의 이론 두께는
Figure pat00003
이고,
상기 스페이서층의 실제 두께 h는 ht - p ≤ h ≤ ht + p인, 이미지 센서.
The method of claim 1,
When the theoretical thickness of the spacer layer is h t , the pitch of each photosensitive cell is p, the refractive index of the spacer layer is n, and the center wavelength of the wavelength band of incident light color-separated by the color separation lens array is λ 0 . , The theoretical thickness of the spacer layer is
Figure pat00003
ego,
The actual thickness h of the spacer layer is h t -p ≤ h ≤ h t + p.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 패턴과 제2 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 2Nπ의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서는 (2N-1)π의 위상 분포를 형성하도록 하며, N은 0보다 큰 정수인, 이미지 센서.
The method of claim 1,
In the first pattern and the second pattern, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a first wavelength forms a phase distribution of 2Nπ at a position corresponding to the center of the first light sensing cell. 2 An image sensor that forms a phase distribution of (2N-1)π at a position corresponding to the center of the light sensing cell, where N is an integer greater than 0.
제 4 항에 있어서,
상기 제1 패턴과 제2 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2M-1)π의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서는 2Mπ의 위상 분포를 형성하도록 하며, M은 0보다 큰 정수인, 이미지 센서.
The method of claim 4,
The first pattern and the second pattern have a phase distribution of (2M-1)π at a position immediately after passing through the color separation lens array and at a position corresponding to the center of the first light sensing cell. And to form a phase distribution of 2Mπ at a position corresponding to the center of the second light sensing cell, and M is an integer greater than 0.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 영역은 제1 굴절률을 가지며 제1 패턴을 형성하는 제1 유전체 및 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 가지며 상기 제1 유전체 사이에 채워진 제2 유전체를 포함하고,
상기 제1 영역의 어떠한 수직 단면에서도 상기 제1 유전체가 존재하도록 제1 패턴이 형성된, 이미지 센서.
The method of claim 1,
The first region includes a first dielectric having a first refractive index and forming a first pattern, and a second dielectric having a second refractive index less than the first refractive index and filled between the first dielectrics,
The image sensor, wherein the first pattern is formed so that the first dielectric is present in any vertical cross section of the first region.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 영역은 제1 굴절률을 가지며 제2 패턴을 형성하는 제1 유전체 및 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 가지며 상기 제1 유전체 사이에 채워진 제2 유전체를 포함하고,
상기 제2 영역의 어떠한 수직 단면에서도 상기 제1 유전체가 존재하도록 제2 패턴이 형성된, 이미지 센서.
The method of claim 1,
The second region includes a first dielectric having a first refractive index and forming a second pattern, and a second dielectric having a second refractive index less than the first refractive index and filled between the first dielectrics,
The image sensor, wherein a second pattern is formed such that the first dielectric is present in any vertical cross section of the second region.
제 1 항에 있어서,
상기 센서 기판은 제3 광감지셀 및 제4 광감지셀을 더 포함하며,
상기 색분리 렌즈 어레이는 연직 방향을 따라 상기 제3 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1패턴 및 제2패턴과 상이한 제3 패턴을 갖는 제3 영역 및 연직 방향을 따라 상기 제4 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1 패턴 내지 제3 패턴과 상이한 제4 패턴을 갖는 제4 영역을 더 포함하는, 이미지 센서.
The method of claim 1,
The sensor substrate further includes a third light sensing cell and a fourth light sensing cell,
The color separation lens array is disposed to face the third light sensing cell in a vertical direction and has a third region having a third pattern different from the first pattern and the second pattern, and the fourth light sensing cell in a vertical direction. The image sensor, further comprising a fourth region disposed facing the fourth pattern and having a fourth pattern different from the first pattern to the third pattern.
제 8 항에 있어서,
상기 제3 영역은 상기 제1 영역과 인접하여 배치되고 상기 제2 영역의 대각선 방향으로 배치되며, 상기 제4 영역은 상기 제2 영역과 인접하여 배치되고 상기 제1 영역의 대각선 방향으로 배치되며,
상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광에 대해, 상기 입사광에 포함된 서로 다른 제1 파장의 광, 제2 파장의 광, 및 제3 파장의 광을 분리하여, 제1 광감지셀 및 제4 광감지셀에 제1 파장의 광을 집광시키고, 제2 광감지셀에 제2 파장의 광을 집광시키고, 제3 광감지셀에 제3 파장의 광을 집광시키는, 이미지 센서.
The method of claim 8,
The third area is disposed adjacent to the first area and disposed in a diagonal direction of the second area, and the fourth area is disposed adjacent to the second area and disposed in a diagonal direction of the first area,
The first to fourth patterns separate light of different first wavelength, light of a second wavelength, and light of a third wavelength included in the incident light with respect to the incident light incident on the color separation lens array. , Light of a first wavelength is condensed to the first and fourth light sensing cells, light of a second wavelength is condensed to the second light sensing cell, and light of a third wavelength is condensed to the third light sensing cell Let's go, the image sensor.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀 및 제4 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 2Nπ의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀 및 제3 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서는 (2N-1)π의 위상 분포를 형성하도록 하며, N은 0보다 큰 정수인, 이미지 센서.
The method of claim 9,
The first to fourth patterns have a phase of 2Nπ at a position immediately after passing through the color separation lens array and at a position corresponding to the center of the first light sensing cell and the fourth light sensing cell. The image sensor, wherein a distribution is formed and a phase distribution of (2N-1)π is formed at positions corresponding to the centers of the second and third light sensing cells, and N is an integer greater than 0.
제 10 항에 있어서,
상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부 및 상기 제4 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2M-1)π의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 2Mπ의 위상 분포를 형성하고 상기 제3 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2M-2)π보다 크고 (2M-1)π보다 작은 위상 분포를 형성하도록 하고, M은 0보다 큰 정수인, 이미지 센서.
The method of claim 10,
In the first to fourth patterns, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a second wavelength is at a position corresponding to the center of the first photosensitive cell and the center of the fourth photosensitive cell. A phase distribution of (2M-1)π is formed and a phase distribution of 2Mπ is formed at a position corresponding to the center of the second photosensitive cell, and (2M-2) at a position corresponding to the center of the third photosensitive cell. An image sensor, wherein a phase distribution greater than π and less than (2M-1)π is formed, and M is an integer greater than 0.
제 11 항에 있어서,
상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부 및 상기 제4 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2L-1)π의 위상 분포를 형성하고 상기 제2 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 (2L-2)π보다 크고 (2L-1)π보다 작은 위상 분포를 형성하고 상기 제3 광감지셀의 중심부에 대응하는 위치에서 2Lπ의 위상 분포를 형성하도록 하고, L은 0보다 큰 정수인, 이미지 센서.
The method of claim 11,
In the first to fourth patterns, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a third wavelength is at a position corresponding to the center of the first photosensitive cell and the center of the fourth photosensitive cell. A phase distribution of (2L-1)π is formed, and a phase distribution larger than (2L-2)π and smaller than (2L-1)π is formed at a position corresponding to the center of the second light sensing cell, and the third light An image sensor, in which a phase distribution of 2Lπ is formed at a position corresponding to the center of the sensing cell, and L is an integer greater than 0.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역에 입사하는 입사광 중에서, 제1 파장의 광은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제2 파장의 광은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 광감지셀 주변의 제2 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제3 파장의 광은 상기 제1 영역에 대응하는 제1 광감지셀 주변의 제3 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키는, 이미지 센서.
The method of claim 9,
In the first to fourth patterns, among incident light incident on the first region of the color separation lens array, the light of the first wavelength proceeds toward the center of the first light sensing cell corresponding to the first region, The light of the second wavelength advances toward the center of the second light-sensing cell around the first light-sensing cell corresponding to the first area, and the light of the third wavelength is a first light-sensing cell corresponding to the first area. An image sensor that advances toward the center of the surrounding third light sensing cell.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이의 제2 영역에 입사하는 입사광 중에서, 제2 파장의 광은 상기 제2 영역에 대응하는 제2 광감지셀의 중심부를 향해 진행하고, 제1 파장의 광은 상기 제2 영역에 대응하는 제2 광감지셀 주변의 제1 광감지셀 및 제4 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제3 파장의 광은 상기 제2 영역에 대응하는 제2 광감지셀 주변의 제3 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키는, 이미지 센서.
The method of claim 9,
In the first to fourth patterns, among incident light incident on the second region of the color separation lens array, light of a second wavelength proceeds toward the center of the second light sensing cell corresponding to the second region, The light of the first wavelength proceeds toward the center of the first and fourth light sensing cells around the second light sensing cell corresponding to the second region, and the light of the third wavelength corresponds to the second region. An image sensor that advances toward the center of the third light sensing cell around the second light sensing cell.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이의 제3 영역에 입사하는 입사광 중에서, 제3 파장의 광은 상기 제3 영역에 대응하는 제3 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제1 파장의 광은 상기 제3 영역에 대응하는 제3 광감지셀 주변의 제1 광감지셀 및 제4 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제2 파장의 광은 상기 제3 영역에 대응하는 제3 광감지셀 주변의 제2 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키는, 이미지 센서.
The method of claim 9,
In the first to fourth patterns, among incident light incident on a third area of the color separation lens array, light of a third wavelength proceeds toward the center of the third light sensing cell corresponding to the third area, The light of the first wavelength advances toward the center of the first and fourth light sensing cells around the third light sensing cell corresponding to the third region, and the light of the second wavelength corresponds to the third region. An image sensor that advances toward the center of the second light sensing cell around the third light sensing cell.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이의 제4 영역에 입사하는 입사광 중에서, 제1 파장의 광은 상기 제4 영역에 대응하는 제4 광감지셀의 중심부를 향해 진행하고, 제2 파장의 광은 상기 제4 영역에 대응하는 제4 광감지셀 주변의 제2 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키고, 제3 파장의 광은 상기 제4 영역에 대응하는 제4 광감지셀 주변의 제3 광감지셀의 중심부를 향해 진행시키는, 이미지 센서.
The method of claim 9,
In the first to fourth patterns, among incident light incident on a fourth region of the color separation lens array, light of a first wavelength proceeds toward a central portion of a fourth light sensing cell corresponding to the fourth region, The light of the second wavelength advances toward the center of the second light-sensing cell around the fourth light-sensing cell corresponding to the fourth area, and the light of the third wavelength is a fourth light-sensing cell corresponding to the fourth area. An image sensor that advances toward the center of the surrounding third light sensing cell.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 파장의 광은 녹색광이고, 상기 제2 파장의 광은 청색광이며, 상기 제3 파장의 광은 적색광인, 이미지 센서.
The method of claim 9,
The image sensor, wherein the light of the first wavelength is green light, the light of the second wavelength is blue light, and the light of the third wavelength is red light.
제 17 항에 있어서,
상기 제1 패턴 및 제4 패턴은 2방 대칭이며, 상기 제2 패턴 및 제3 패턴은 4방 대칭이고, 상기 제4 패턴은 상기 제1 패턴에 대해 90도 회전된 모양을 갖는, 이미지 센서.
The method of claim 17,
The first pattern and the fourth pattern are two-way symmetric, the second pattern and the third pattern are four-way symmetric, and the fourth pattern has a shape rotated 90 degrees with respect to the first pattern.
제 9 항에 있어서,
상기 색분리 렌즈 어레이는 서로 인접하는 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역을 포함하는 복수의 단위 패턴 어레이를 포함하며, 상기 복수의 단위 패턴 어레이는 2차원적으로 반복 배열되어 있는, 이미지 센서.
The method of claim 9,
The color separation lens array includes a plurality of unit pattern arrays including a first region, a second region, a third region, and a fourth region adjacent to each other, and the plurality of unit pattern arrays are arranged in a two-dimensional manner. The image sensor.
제 9 항에 있어서,
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 센서 기판의 가장자리에 대해 돌출하여 배치되며 연직 방향으로 상기 센서 기판의 어떠한 광감지셀과도 마주하지 않는 복수의 제1 영역, 복수의 제2 영역, 복수의 제3 영역, 및 복수의 제4 영역을 더 포함하는, 이미지 센서.
The method of claim 9,
The color separation lens array is disposed to protrude from the edge of the sensor substrate, and a plurality of first regions, a plurality of second regions, and a plurality of third regions that do not face any light sensing cells of the sensor substrate in a vertical direction , And a plurality of fourth regions.
제 1 항에 있어서,
상기 센서 기판과 상기 스페이서층 사이에 배치된 것으로, 복수의 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터층을 더 포함하는, 이미지 센서.
The method of claim 1,
An image sensor disposed between the sensor substrate and the spacer layer and further comprising a color filter layer including a plurality of color filters.
광을 감지하는 제1 광감지셀 내지 제4 광감지셀을 포함하는 센서 기판;
상기 센서 기판 위에 배치된 투명한 스페이서층; 및
상기 스페이서층 위에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
상기 색분리 렌즈 어레이는 연직 방향을 따라 상기 제1 광감지셀에 마주하여 배치되며 제1 패턴을 갖는 제1 영역, 연직 방향을 따라 상기 제2 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1 패턴과 상이한 제2 패턴을 갖는 제2 영역, 연직 방향을 따라 상기 제3 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1패턴 및 제2패턴과 상이한 제3 패턴을 갖는 제3 영역, 및 연직 방향을 따라 상기 제4 광감지셀에 마주하여 배치되며 상기 제1 패턴 내지 제3 패턴과 상이한 제4 패턴을 갖는 제4 영역을 포함하고,
상기 제3 영역은 상기 제1 영역과 인접하여 배치되고 상기 제2 영역의 대각선 방향으로 배치되며, 상기 제4 영역은 상기 제2 영역과 인접하여 배치되고 상기 제1 영역의 대각선 방향으로 배치되며,
상기 제1 패턴 및 제4 패턴은 2방 대칭이며, 상기 제2 패턴 및 제3 패턴은 4방 대칭이고, 상기 제4 패턴은 상기 제1 패턴에 대해 90도 회전된 모양을 갖는, 이미지 센서.
A sensor substrate including first to fourth light sensing cells for sensing light;
A transparent spacer layer disposed on the sensor substrate; And
Including; a color separation lens array disposed on the spacer layer,
The color separation lens array is disposed to face the first light sensing cell in a vertical direction, a first region having a first pattern, and is disposed to face the second light sensing cell in a vertical direction, and the first pattern and A second region having a different second pattern, a third region disposed to face the third light sensing cell along a vertical direction and having a third pattern different from the first pattern and the second pattern, and the third region along the vertical direction. It is disposed facing the fourth light sensing cell and includes a fourth region having a fourth pattern different from the first pattern to the third pattern,
The third area is disposed adjacent to the first area and disposed in a diagonal direction of the second area, and the fourth area is disposed adjacent to the second area and disposed in a diagonal direction of the first area,
The first pattern and the fourth pattern are two-way symmetric, the second pattern and the third pattern are four-way symmetric, and the fourth pattern has a shape rotated 90 degrees with respect to the first pattern.
제 22 항에 있어서,
상기 제1 패턴 내지 제4 패턴은, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광에 대해, 상기 입사광에 포함된 서로 다른 제1 파장의 광, 제2 파장의 광, 및 제3 파장의 광을 분리하여, 제1 광감지셀 및 제4 광감지셀에 제1 파장의 광을 집광시키고, 제2 광감지셀에 제2 파장의 광을 집광시키고, 제3 광감지셀에 제3 파장의 광을 집광시키는, 이미지 센서.
The method of claim 22,
The first to fourth patterns separate light of different first wavelength, light of a second wavelength, and light of a third wavelength included in the incident light with respect to the incident light incident on the color separation lens array. , Light of a first wavelength is condensed to the first and fourth light sensing cells, light of a second wavelength is condensed to the second light sensing cell, and light of a third wavelength is condensed to the third light sensing cell Let's go, the image sensor.
물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 대물렌즈; 및
상기 대물렌즈에 의해 형성된 광학상을 전기적인 영상 신호로 변환하는, 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서;를 포함하는 촬상 장치.
An objective lens that focuses light reflected from an object to form an optical image; And
An image pickup apparatus comprising: the image sensor according to any one of claims 1 to 23, which converts the optical image formed by the objective lens into an electrical image signal.
제 24 항에 따른 촬상 장치를 포함하는 전자 장치.An electronic device comprising the imaging device according to claim 24.
KR1020200116388A 2019-10-23 2020-09-10 Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor KR20210048400A (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20202814.8A EP3812802A1 (en) 2019-10-23 2020-10-20 Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
CN202011127956.XA CN112701132A (en) 2019-10-23 2020-10-20 Image sensor and electronic device including the same
JP2020177408A JP2021067691A (en) 2019-10-23 2020-10-22 Image sensor including color separation lens array, imaging device, and electronic device including the same
US17/078,670 US11978748B2 (en) 2019-10-23 2020-10-23 Image sensor including color separating lens array, including regions of different patterns, and electronic apparatus including the image sensor

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190132386 2019-10-23
KR20190132386 2019-10-23
KR1020190146233 2019-11-14
KR20190146233 2019-11-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210048400A true KR20210048400A (en) 2021-05-03

Family

ID=75911052

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200116388A KR20210048400A (en) 2019-10-23 2020-09-10 Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20210048400A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11664401B2 (en) 2020-02-11 2023-05-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor and electronic device including the same
US11948955B2 (en) 2019-10-23 2024-04-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including color separating lens array and electronic device including the image sensor
US11978748B2 (en) 2019-10-23 2024-05-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including color separating lens array, including regions of different patterns, and electronic apparatus including the image sensor
US12007584B2 (en) 2020-10-30 2024-06-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11948955B2 (en) 2019-10-23 2024-04-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including color separating lens array and electronic device including the image sensor
US11978748B2 (en) 2019-10-23 2024-05-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including color separating lens array, including regions of different patterns, and electronic apparatus including the image sensor
US11664401B2 (en) 2020-02-11 2023-05-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor and electronic device including the same
US12007584B2 (en) 2020-10-30 2024-06-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20240204022A1 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic device including the image sensor
US20210124179A1 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
KR20210048400A (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
US11935148B2 (en) Apparatus and method of acquiring image by employing color separation lens array
US11652121B2 (en) Color separation element and image sensor including the same
EP3812802A1 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
KR20210048401A (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
KR20210049670A (en) Apparatus and method for obtaining image emplying color separation element
US20230262355A1 (en) Image sensor and electronic apparatus including the same
US11682685B2 (en) Color separation element and image sensor including the same
KR20210048399A (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
US11855113B2 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic device including the image sensor
US11664401B2 (en) Image sensor and electronic device including the same
KR20210048987A (en) Image sensor and electronic apparatus having the same
KR20210102026A (en) Image sensor and electronic device including the same
KR20210048985A (en) Color separation element and image sensor including the same
KR20210066705A (en) Color separation element and image sensor including the same
EP4398304A2 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic device including the image sensor
US20220344399A1 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
US20230115006A1 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
KR20240030813A (en) Image sensor and electonic device including the same
KR20220058387A (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
KR20230046187A (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
KR20240015496A (en) Image sensor and electronic apparatus including the image sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination