KR20210048401A - Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
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 복수의 제1 광감지셀 및 복수의 제2 광감지셀을 포함하는 센서 기판: 및 상기 복수의 제1 광감지셀에 각각 대응하며 제1 미소 구조를 갖는 복수의 제1 영역, 및 상기 복수의 제2 광감지셀에 각각 대응하며 상기 제1 미소 구조와 상이한 제2 미소 구조를 갖는 복수의 제2 영역을 구비하는 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 제1 미소 구조와 제2 미소 구조는, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광 중에서 서로 다른 제1 파장의 광과 제2 파장의 광이 서로 다른 방향으로 분기되어 각각 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 집광되는 위상 분포를 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 통과한 위치에서 형성시키고, 상기 색분리 렌즈 어레이의 중심부에서 상기 제1 영역 및 제2 영역의 위치는 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀의 위치와 일치하며, 상기 색분리 렌즈 어레이의 주변부에서 상기 제1 영역 및 제2 영역의 위치는 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 대해서 상기 색분리 렌즈 어레이의 중심부 방향을 향해 시프트 될 수 있다.An image sensor according to an exemplary embodiment includes a sensor substrate including a plurality of first photo-sensing cells and a plurality of second photo-sensing cells that sense light, and each corresponding to the plurality of first photo-sensing cells, A color separation lens array including a plurality of first regions having a structure, and a plurality of second regions each corresponding to the plurality of second light sensing cells and having a second microstructure different from the first microstructure; In the first microstructure and the second microstructure, light of a first wavelength and light of a second wavelength different from among incident light incident on the color separation lens array are diverged in different directions, respectively, so that a first light sensing cell is formed. And a phase distribution condensed on the second light sensing cell at positions passing through the first region and the second region, and positions of the first region and the second region at the center of the color separation lens array are respectively The positions of the corresponding first light sensing cells and the second light sensing cells coincide with the positions of the corresponding first and second light sensing cells, and the positions of the first and second regions in the periphery of the color separation lens array are respectively The light sensing cell may be shifted toward the center of the color separation lens array.
상기 색분리 렌즈 어레이의 주변부에서 상기 제1 영역 및 제2 영역이 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 대해서 시프트되는 정도는 상기 색분리 렌즈 어레이의 중심부로부터 멀어질수록 더 커질 수 있다.The degree to which the first region and the second region at the periphery of the color separation lens array are shifted with respect to the corresponding first and second light sensing cells, respectively, increases as the distance from the center of the color separation lens array increases. It can be big.
상기 제1 영역 및 제2 영역이 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 대해서 시프트되는 거리 s는 를 만족할 수 있으며, 여기서 d는 상기 색분리 렌즈 어레이의 하부 표면과 상기 센서 기판의 상부 표면 사이의 최단 직선 거리이고, CRA’는 상기 센서 기판에 입사하는 빛의 입사각이다.The distance s at which the first and second regions are shifted with respect to the corresponding first and second photosensitive cells, respectively, is Wherein d is the shortest linear distance between the lower surface of the color separation lens array and the upper surface of the sensor substrate, and CRA' is the incident angle of light incident on the sensor substrate.
예를 들어, 상기 제1 미소 구조와 제2 미소 구조는, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에서 2Nπ, 상기 제2 광감지셀의 중심부에서 (2N-1)π의 위상 분포를 형성할 수 있다. 여기서, N은 0보다 큰 정수이다.For example, in the first microstructure and the second microstructure, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a first wavelength is 2Nπ at the center of the first light sensing cell, and the second light senses A phase distribution of (2N-1)π can be formed at the center of the cell. Here, N is an integer greater than 0.
예를 들어, 상기 제1 미소 구조와 제2 미소 구조는, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에서 (2M-1)π, 상기 제2 광감지셀의 중심부에서는 2Mπ의 위상 분포를 형성할 수 있다. 여기서, M은 0보다 큰 정수이다.For example, in the first microstructure and the second microstructure, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a second wavelength is (2M-1)π at the center of the first light sensing cell, A phase distribution of 2Mπ may be formed in the center of the second light sensing cell. Here, M is an integer greater than 0.
상기 이미지 센서는 상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 배치되어 상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 거리를 형성하는 스페이서층을 더 포함할 수 있다.The image sensor may further include a spacer layer disposed between the sensor substrate and the color separation lens array to form a distance between the sensor substrate and the color separation lens array.
상기 스페이서층의 이론 두께를 ht, 상기 제1 광감지셀과 제2 광감지셀 각각의 피치를 p라고 할 때, 상기 스페이서층의 두께 h는 ht - p ≤ h ≤ ht - p이고, 상기 스페이서층의 이론 두께는 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 입사광의 파장 대역의 중심 파장에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 초점 거리일 수 있다.When the theoretical thickness of the spacer layer is h t , and the pitch of each of the first and second light sensing cells is p, the thickness h of the spacer layer is h t -p ≤ h ≤ h t -p , The theoretical thickness of the spacer layer may be 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 굴절률을 n, 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 광의 파장 대역의 중심파장을 λ0 라 할 때, 상기 스페이서층의 이론 두께 ht는 다음 식When the refractive index of the spacer layer is n and the center wavelength of the wavelength band of light color-separated by the color separation lens array is λ 0 , the theoretical thickness h t of the spacer layer is the following equation:
으로 표현될 수 있다. It can be expressed as
상기 센서 기판은 광을 감지하는 복수의 제3 광감지셀 및 복수의 제4 광감지셀을 더 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 복수의 제3 광감지셀에 각각 대응하며 제1 및 제2 미소 구조와 상이한 제3 미소 구조를 갖는 복수의 제3 영역, 및 상기 복수의 제4 광감지셀에 각각 대응하며 상기 제1 내지 제3 미소 구조와 상이한 제4 미소 구조를 갖는 복수의 제4 영역을 포함하고, 각각의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역은 4개의 사분면을 따라 각각 배열될 수 있다.The sensor substrate further includes a plurality of third photo-sensing cells and a plurality of fourth photo-sensing cells for sensing light, and the color separation lens array corresponds to the plurality of third photo-sensing cells, 2 A plurality of third regions having a third microstructure different from the microstructure, and a plurality of fourth microstructures each corresponding to the plurality of fourth light sensing cells and having a fourth microstructure different from the first to third microstructures A region is included, and each of the first region, the second region, the third region, and the fourth region may be respectively arranged along the four quadrants.
상기 이미지 센서의 중심부에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역의 위치는 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀, 제2 광감지셀, 제3 광감지셀, 및 제4 광감지셀의 위치와 일치하며, 상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역은 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀, 제2 광감지셀, 제3 광감지셀, 및 제4 광감지셀에 대해서 상기 이미지 센서의 중심부를 향해 시프트 될 수 있다.Positions of the first, second, third, and fourth regions of the color separation lens array in the center of the image sensor are respectively corresponding to the first light sensing cell, the second light sensing cell, and the third light. The first region, the second region, the third region, and the fourth region of the color separation lens array at the periphery of the image sensor correspond to the positions of the sensing cell and the fourth light sensing cell, respectively. The light sensing cell, the second light sensing cell, the third light sensing cell, and the fourth light sensing cell may be shifted toward the center of the image sensor.
상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역이 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀, 제2 광감지셀, 제3 광감지셀, 및 제4 광감지셀에 대해서 시프트되는 정도는 상기 이미지 센서의 중심부로부터 멀어질수록 더 커질 수 있다.The first, second, third, and fourth regions of the color separation lens array at the periphery of the image sensor respectively correspond to a first light sensing cell, a second light sensing cell, and a third light sensing cell. , And the degree of shift with respect to the fourth light sensing cell may increase as the distance from the center of the image sensor increases.
상기 제1 미소 구조 내지 제4 미소 구조는, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광 중에서 서로 다른 제1 파장 내지 제3 파장의 광이 서로 다른 방향으로 분기되어 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀과 상기 제4 광감지셀에 집광되고, 제2 파장의 광이 상기 제2 광감지셀에 집광되고, 제3 파장의 광이 상기 제3 광감지셀에 집광되는 위상 분포를 상기 제1 영역 내지 상기 제4 영역을 통과한 위치에서 형성할 수 있다.In the first to fourth microstructures, light having different first wavelengths to third wavelengths among incident light incident on the color separation lens array is diverged in different directions, so that light of the first wavelength is converted into the first light. The first phase distribution in which light of a sensing cell and the fourth light sensing cell is condensed, light of a second wavelength is condensed on the second light sensing cell, and light of a third wavelength is condensed to the third light sensing cell. It can be formed in the region through the fourth region.
예를 들어, 상기 제1 파장은 녹색광이고, 상기 제2 파장은 청색광이며, 상기 제3 파장은 적색광일 수 있다.For example, the first wavelength may be green light, the second wavelength may be blue light, and the third wavelength may be red light.
상기 제1 미소 구조 내지 제4 미소 구조는: 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부와 상기 제4 광감지셀의 중심부에서 2Nπ, 상기 제2 광감지셀의 중심부와 상기 제3 광감지셀의 중심부에서 (2N-1)π의 위상 분포를 형성하도록 하고, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부 및 상기 제4 광감지셀의 중심부에서 (2M-1)π, 상기 제2 광감지셀의 중심부에서 2Mπ, 상기 제3 광감지셀의 중심부에서 (2M-2)π보다 크고 (2M-1)π보다 작은 위상 분포를 형성하도록 하고, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부 및 상기 제4 광감지셀의 중심부에서 (2L-1)π, 상기 제3 광감지셀의 중심부에서 2Lπ, 상기 제2 광감지셀의 중심부에서 (2L-2)π보다 크고 (2L-1)π보다 작은 위상 분포를 형성도록 할 수 있다. 여기서, L은 0보다 큰 정수이다.The first to fourth microstructures include: light having a first wavelength at a position immediately after passing through the color separation lens array is 2Nπ at a center of the first photosensitive cell and a center of the fourth photosensitive cell, A phase distribution of (2N-1)π is formed at the center of the second photosensitive cell and the center of the third photosensitive cell, and light of the second wavelength is transmitted at a position immediately after passing through the color separation lens array. (2M-1)π from the center of the first photosensitive cell and the center of the fourth photosensitive cell, 2Mπ from the center of the second photosensitive cell, and (2M-2) from the center of the third photosensitive cell A phase distribution that is larger than π and smaller than (2M-1)π is formed, and at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a third wavelength is detected at the center of the first light sensing cell and the fourth light sensing. A phase distribution greater than (2L-1)π at the center of the cell, 2Lπ at the center of the third photosensitive cell, and less than (2L-2)π at the center of the second photosensitive cell Can be formed. Here, L is an integer greater than 0.
상기 제1 내지 제4 영역의 상기 제1 미소 구조 내지 제4 미소 구조는 복수의 나노포스트를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 영역은 상기 나노포스트들의 형상, 크기, 배열 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.The first to fourth microstructures of the first to fourth regions include a plurality of nanoposts, and the first to fourth regions have at least one of the shape, size, and arrangement of the nanoposts different from each other. I can.
예를 들어, 상기 이미지 센서는 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소를 포함하는 복수의 단위 화소가 반복 배열된 화소 배열 구조를 가지며, 상기 제1 영역 내지 제4 영역 중에서 녹색 화소에 대응하는 영역에 구비된 나노포스트는 제1 방향 및 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 서로 다른 분포 규칙을 가질 수 있다.For example, the image sensor has a pixel arrangement structure in which a plurality of unit pixels including a red pixel, a green pixel, and a blue pixel are repeatedly arranged, and is provided in a region corresponding to a green pixel among the first to fourth regions. The resulting nanoposts may have different distribution rules along a first direction and a second direction perpendicular to the first direction.
상기 제1 영역 내지 제4 영역 중에서 청색 화소 및 적색 화소에 대응하는 영역에 구비된 나노포스트는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향을 따라 대칭적인 분포 규칙을 가질 수 있다.Nanoposts provided in regions corresponding to blue and red pixels among the first to fourth regions may have a symmetrical distribution rule along the first and second directions.
상기 복수의 나노포스트 각각은 제1 나노포스트 및 상기 제1 나노포스트 위에 적층된 제2 나노포스트를 포함하며, 상기 이미지 센서의 중심부에서 상기 제2 나노포스트의 위치는 상기 제1 나노포스트의 위치와 일치하고, 상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 제2 나노포스트는 상기 제1 나노포스트에 대해서 상기 이미지 센서의 중심부 방향을 향해 시프트될 수 있다.Each of the plurality of nanoposts includes a first nanopost and a second nanopost stacked on the first nanopost, and the position of the second nanopost in the center of the image sensor is the position of the first nanopost and Coincidentally, the second nanoposts at the periphery of the image sensor may be shifted toward the center of the image sensor with respect to the first nanoposts.
상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 제2 나노포스트가 상기 제1 나노포스트에 대해서 시프트되는 정도는 상기 이미지 센서의 중심부로부터 멀어질수록 더 커질 수 있다.The degree to which the second nanopost is shifted with respect to the first nanopost in the periphery of the image sensor may increase as the distance from the center of the image sensor increases.
상기 복수의 나노포스트 각각은 제1 나노포스트, 상기 제1 나노포스트 위에 적층된 제2 나노포스트, 및 상기 제2 나노포스트 위에 적층된 제3 나노포스트를 포함하며, 상기 이미지 센서의 중심부에서 상기 제2 나노포스트의 위치 및 상기 제3 나노포스트의 위치는 상기 제1 나노포스트의 위치와 일치하고, 상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 제2 나노포스트는 상기 제1 나노포스트에 대해서 상기 이미지 센서의 중심부 방향을 향해 시프트되어 있고, 상기 제3 나노포스트는 상기 제2 나노포스트에 대해서 상기 이미지 센서의 중심부 방향을 향해 시프트될 수 있다.Each of the plurality of nanoposts includes a first nanopost, a second nanopost stacked on the first nanopost, and a third nanopost stacked on the second nanopost. 2 The position of the nanopost and the position of the third nanopost coincide with the position of the first nanopost, and the second nanopost from the periphery of the image sensor is directed toward the center of the image sensor with respect to the first nanopost. And the third nanopost may be shifted toward the center of the image sensor with respect to the second nanopost.
상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역 중에서 어느 한 영역 내에 배치된 나노포스트의 선폭은 상기 이미지 센서의 중심부에서 동일 영역 내의 동일 위치에 배치된 나노포스트의 선폭보다 클 수 있다.The line width of the nanoposts disposed in any one of the first, second, third, and fourth areas at the periphery of the image sensor is a nano-post disposed at the same location in the same area from the center of the image sensor. May be larger than the line width of the post.
상기 이미지 센서의 주변부에서 나노포스트의 선폭이 w이고, 상기 이미지 센서의 중심부에서 나노포스트의 선폭이 w0일 때,When the line width of the nanopost at the periphery of the image sensor is w, and the line width of the nanopost at the center of the image sensor is w 0 ,
을 만족할 수 있으며, Can be satisfied,
여기서 CRA는 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 빛의 입사각이다.Here, CRA is an angle of incidence of light incident on the color separation lens array.
상기 이미지 센서의 가장 가장자리에서 상기 나노포스트의 선폭은 상기 이미지 센서의 중심부에서의 상기 나노포스트의 선폭에 비하여 2.5% 내지 6.5% 더 클 수 있다.The line width of the nanopost at the edge of the image sensor may be 2.5% to 6.5% larger than the line width of the nanopost at the center of the image sensor.
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 센서 기판의 가장자리에 대해 돌출하여 배치되며 연직 방향으로 상기 센서 기판의 어떠한 광감지셀과도 마주하지 않는 복수의 제1 영역 및 복수의 제2 영역을 더 포함할 수 있다.The color separation lens array may further include a plurality of first regions and a plurality of second regions that are disposed to protrude from the edge of the sensor substrate and do not face any light sensing cells of the sensor substrate in a vertical direction. .
상기 색분리 렌즈 어레이의 전체 면적은 상기 센서 기판의 전체 면적보다 작을 수 있다.The total area of the color separation lens array may be smaller than the total area of the sensor substrate.
상기 색분리 렌즈 어레이는 제1 색분리 렌즈 어레이 및 상기 제1 색분리 렌즈 어레이 위에 배치된 제2 색분리 렌즈 어레이를 포함하며, 상기 제1 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역 및 제2 영역의 제1 미소 구조 및 제2 미소 구조는 복수의 나노포스트를 포함하고, 상기 제2 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역 및 제2 영역의 제1 미소 구조 및 제2 미소 구조는 복수의 나노포스트를 포함하며, 상기 제1 색분리 렌즈 어레이의 복수의 나노포스트의 배열 형태는 상기 제2 색분리 렌즈 어레이의 복수의 나노포스트의 배열 형태와 상이할 수 있다.The color separation lens array includes a first color separation lens array and a second color separation lens array disposed on the first color separation lens array, and a first area and a second area of the first color separation lens array The first microstructure and the second microstructure include a plurality of nanoposts, and the first and second microstructures of the first region and the second region of the second color separation lens array include a plurality of nanoposts, , The arrangement of the plurality of nanoposts of the first color separation lens array may be different from the arrangement of the plurality of nanoposts of the second color separation lens array.
다른 실시예에 따른 이미지 센서는, 광을 감지하는 복수의 제1 광감지셀 및 복수의 제2 광감지셀을 포함하는 센서 기판: 및 제1 굴절률을 가지며 제1 패턴을 형성하는 제1 유전체 및 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 가지며 상기 제1 패턴의 제1 유전체 사이에 채워진 제2 유전체를 구비하며 상기 복수의 제1 광감지셀에 각각 대응하는 복수의 제1 영역, 및 제1 굴절률을 가지며 제1 패턴과 상이한 제2 패턴을 형성하는 제1 유전체 및 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 가지며 상기 제2 패턴의 제1 유전체 사이에 채워진 제2 유전체를 구비하며 상기 복수의 제2 광감지셀에 각각 대응하는 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 제1 영역과 제2 영역은, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광 중에서 서로 다른 제1 파장의 광과 제2 파장의 광이 서로 다른 방향으로 분기되어 각각 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 집광되는 위상 분포를 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 통과한 위치에서 형성시키고, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 제1 패턴의 형태 및 제2 패턴의 형태가 상기 색분리 렌즈 어레이의 중심부로부터 상기 색분리 렌즈 어레이의 주변부를 향해 가면서 점진적으로 변화할 수 있다.An image sensor according to another exemplary embodiment includes a sensor substrate including a plurality of first photo-sensing cells and a plurality of second photo-sensing cells for sensing light, and a first dielectric material having a first refractive index and forming a first pattern, and A plurality of first regions having a second refractive index smaller than the first refractive index, having a second dielectric filled between the first dielectrics of the first pattern, and respectively corresponding to the plurality of first light sensing cells, and a first refractive index. And a first dielectric material that forms a second pattern that is different from the first pattern, and a second dielectric having a second refractive index less than the first refractive index, and having a second dielectric filled between the first dielectrics of the second pattern, and detecting the plurality of second photos And a color separation lens array corresponding to each cell, wherein the first region and the second region have different first and second wavelengths of incident light incident on the color separation lens array. A phase distribution branched in the direction and condensed on the first and second light sensing cells, respectively, is formed at a position passing through the first region and the second region, and a second region of the first region and the second region is formed. The shape of the first pattern and the shape of the second pattern may gradually change from the center of the color separation lens array toward the periphery of the color separation lens array.
또 다른 실시예에 따른 전자 장치는, 피사체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 촬상부; 및 상기 촬상부에서 형성한 광학상을 전기적 신호로 변환하는 상술한 이미지 센서;를 포함할 수 있다.An electronic device according to another embodiment includes: an image pickup unit configured to form an optical image by focusing light reflected from a subject; And the above-described image sensor for converting the optical image formed by the imaging unit into an electrical signal.
예를 들어, 상기 전자 장치는 스마트 폰(smart phone), 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), 또는 PC(personal computer)일 수 있다.For example, the electronic device may be a smart phone, a mobile phone, a personal digital assistant (PDA), a laptop, or a personal computer (PC).
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 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이고, 도 5a는 이미지 센서의 화소 어레이에서 광감지셀의 배열을 개략적으도 보이는 평면도이며, 도 5b는 이미지 센서의 화소 어레이에서 색분리 렌즈 어레이의 복수 영역에 복수의 나노포스트가 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이며, 도 5c는 도 5b의 일부를 확대하여 상세히 보인 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 청색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 청색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 6c는 청색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제2 영역과 그 주변에 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6d는 청색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.
도 7a 및 도 7b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 녹색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 7c는 녹색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역과 그 주변에 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7d는 녹색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.
도 8a 및 도 8b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 적색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 8c는 적색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제3 영역과 그 주변에 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 8d는 적색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.
도 9a 내지 도 9e는 광감지셀의 피치가 0.7 μm인 경우에 색분리 렌즈 어레이와 센서 기판 사이의 거리에 따른 색분리 렌즈 어레이의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10a 내지 도 10e는 광감지셀의 피치가 0.8 μm인 경우에 색분리 렌즈 어레이와 센서 기판 사이의 거리에 따른 색분리 렌즈 어레이의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 11a 내지 도 11e는 광감지셀의 피치가 1.0 μm인 경우에 색분리 렌즈 어레이와 센서 기판 사이의 거리에 따른 색분리 렌즈 어레이의 효율 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 12는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이에 채용될 수 있는 나노포스트의 예시적인 형태를 보이는 사시도이다.
도 13a 내지 도 13h는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이에 채용될 수 있는 나노포스트의 예시적인 형상을 보이는 평면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이를 이루는 복수의 나노포스트의 배열 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이를 이루는 복수의 나노포스트의 배열 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이를 이루는 복수의 나노포스트의 배열 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이를 이루는 복수의 나노포스트의 배열 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 18은 도 17의 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서의 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 19a 및 도 19b는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 구조를 각각 다른 단면에서 보이는 단면도이다.
도 20 및 도 21은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프로서, 각각 컬러 필터가 구비된 경우와 컬러 필터가 구비되지 않은 경우에 대한 것이다.
도 22는 일 실시예에 따른 카메라를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 23a 내지 도 23c는 이미지 센서 상의 위치에 따른 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트들의 배열 형태 변화를 보이는 평면도이다.
도 24는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 25는 도 22에 도시된 카메라의 이미지 센서에 적용된 색분리 렌즈 어레이에서 2차원 배열된 나노포스트들의 시프트 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 26은 도 25에 도시된 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 27은 도 26의 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이에 채용되는 나노포스트의 예시적인 형상을 보이는 사시도이다.
도 28은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 29a 내지 도 29c는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프로서, 각각 이미지 센서 상의 위치에 따른 주광선 각도의 변화를 고려하지 않은 경우, 주광선 각도의 변화를 고려하여 나노포스트의 위치를 변화시킨 경우, 주광선 각도의 변화를 고려하여 나노포스트를 이단으로 구성한 경우에 대한 것이다.
도 30a 및 도 30b는 다른 실시예에 따른 이미지 센서 상의 위치에 따른 나노포스트의 선폭 변화를 보이는 평면도이다.
도 31은 도 30에 도시된 이미지 센서의 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 32 및 도 33은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이에 채용되는 나노포스트의 다양한 형상을 보이는 평면도이다.
도 34 및 도 35는 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이에 채용되는 나노포스트의 다양한 단면 형상을 보이는 단면도이다.
도 36은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 37은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도이다.
도 38은 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있는 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 39는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이를 A-A' 라인을 따라 절개한 수직 단면을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 40은 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이를 B-B' 라인을 따라 절개한 수직 단면을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 41은 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이를 복수 개 포함하는 색분리 렌즈 어레이의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 42a는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제1 영역을 예시적으로 보이며, 도 42b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다.
도 43a는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제2 영역을 예시적으로 보이며, 도 43b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다.
도 44a는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제3 영역을 예시적으로 보이며, 도 44b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다.
도 45a는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제4 영역을 예시적으로 보이며, 도 45b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다.
도 46은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 47은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 48a 및 도 48b는 색분리 렌즈 어레이를 채용한 이미지 센서의 화소 어레이의 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다.
도 49는 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 50은 도 49에 도시된 색분리 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 51은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 복수의 단위 패턴 어레이들의 배치를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 52는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 53은 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 54 내지 도 64는 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.
4A and 4B are schematic cross-sectional views of a pixel array of an image sensor according to an embodiment, and FIG. 5A is a plan view schematically showing an arrangement of photosensitive cells in a pixel array of an image sensor, and FIG. 5B is a plan view exemplarily showing a form in which a plurality of nanoposts are arranged in a plurality of regions of a color separation lens array in a pixel array of an image sensor, and FIG. 5C is a partially enlarged plan view of FIG. 5B.
6A and 6B 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. 6C 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. 6D exemplarily shows a micro lens array that acts equivalently to a color separation lens array for blue light.
7A and 7B are diagrams that simulate the phase distribution of green light passing through the color separation lens array and the focusing distribution of green light in the opposing photosensitive cells, and FIG. 7C 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. 7D exemplarily shows a micro lens array that acts equivalently to a color separation lens array for green light.
8A and 8B 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 an opposing photosensitive cell, and FIG. 8C 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. 8D exemplarily shows a micro lens array that acts equivalently to a color separation lens array for red light.
9A to 9E 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.
10A to 10E 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.
11A to 11E 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.
12 is a perspective view showing an exemplary form of a nanopost that may be employed in a color separation lens array of an image sensor according to an exemplary embodiment.
13A to 13H are plan views showing exemplary shapes of nanoposts that may be employed in a color separation lens array of an image sensor according to another exemplary embodiment.
14 is a plan view illustrating an arrangement of a plurality of nanoposts constituting a color separation lens array of an image sensor according to another exemplary embodiment.
15 is a plan view exemplarily showing an arrangement of a plurality of nanoposts forming a color separation lens array of an image sensor according to another exemplary embodiment.
16 is a plan view illustrating an arrangement of a plurality of nanoposts constituting a color separation lens array of an image sensor according to another exemplary embodiment.
17 is a plan view illustrating an arrangement of a plurality of nanoposts constituting a color separation lens array of an image sensor according to another exemplary embodiment.
18 is a graph exemplarily showing spectral distributions of light incident on a red pixel, a green pixel, and a blue pixel of the image sensor including the color separation lens array of FIG. 17.
19A and 19B are cross-sectional views illustrating a schematic structure of a pixel array of an image sensor according to another exemplary embodiment, respectively.
20 and 21 are graphs showing spectral distributions of light incident on a red pixel, a green pixel, and a blue pixel of an image sensor according to an exemplary embodiment, respectively, when a color filter is provided and a color filter is provided. It is for the case that it is not.
22 is a conceptual diagram schematically showing a camera according to an embodiment.
23A to 23C are plan views showing a change in the arrangement shape of the nanoposts of the color separation lens array according to the position on the image sensor.
24 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a pixel array of an image sensor according to another exemplary embodiment.
25 is a plan view exemplarily showing a shift form of nanoposts arranged in two dimensions in a color separation lens array applied to the image sensor of the camera shown in FIG. 22.
26 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a pixel array of an image sensor including a color separation lens array shown in FIG. 25.
FIG. 27 is a perspective view illustrating an exemplary shape of a nanopost employed in the color separation lens array of the image sensor of FIG. 26.
28 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a pixel array of an image sensor according to another exemplary embodiment.
29A to 29C are graphs showing spectral distributions of light incident on a red pixel, a green pixel, and a blue pixel of the image sensor according to an exemplary embodiment. If not considered, the case where the position of the nanopost is changed in consideration of the change in the principal ray angle, and the case in which the nanopost is configured in two stages in consideration of the change in the principal ray angle.
30A and 30B are plan views illustrating a line width change of a nanopost according to a position on an image sensor according to another exemplary embodiment.
FIG. 31 is a graph exemplarily showing a spectral distribution of light incident on a red pixel, a green pixel, and a blue pixel of the image sensor illustrated in FIG. 30.
32 and 33 are plan views showing various shapes of nanoposts used in a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
34 and 35 are cross-sectional views showing various cross-sectional shapes of nanoposts used in a color separation lens array according to another embodiment.
36 is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of a pixel array of an image sensor according to another exemplary embodiment.
37 is a conceptual diagram showing a schematic structure and operation of a color separation lens array according to another embodiment.
38 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.
39 is a cross-sectional view illustrating a vertical cross section of the unit pattern array shown in FIG. 38 taken along the line AA′.
40 is a cross-sectional view illustrating a vertical cross section of the unit pattern array shown in FIG. 38 taken along line BB′.
41 is a plan view illustrating an arrangement of a color separation lens array including a plurality of unit pattern arrays illustrated in FIG. 38.
FIG. 42A is an exemplary view of a first area of the unit pattern array illustrated in FIG. 38, and FIG. 42B is an exemplary view of a pixel of an image sensor corresponding thereto and pixels surrounding the same.
43A is an exemplary view of a second area of the unit pattern array illustrated in FIG. 38, and FIG. 43B is an exemplary view of a pixel of an image sensor corresponding thereto and pixels surrounding the same.
FIG. 44A exemplarily shows a third area of the unit pattern array shown in FIG. 38, and FIG. 44B exemplarily shows a pixel of an image sensor corresponding thereto and a pixel surrounding it.
FIG. 45A exemplarily shows a fourth region of the unit pattern array illustrated in FIG. 38, and FIG. 45B exemplarily shows a pixel of an image sensor corresponding thereto and a pixel surrounding the same.
46 is a plan view exemplarily showing a shape of a unit pattern array of a color separation lens array according to another embodiment.
47 is a plan view exemplarily showing a shape of a unit pattern array of a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
48A and 48B are schematic cross-sectional views of different cross-sections of a pixel array of an image sensor employing a color separation lens array.
49 is a plan view illustrating a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
50 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a pixel array of an image sensor including the color separation lens array illustrated in FIG. 49.
51 is a plan view illustrating an arrangement of a plurality of unit pattern arrays of a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
52 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a pixel array of an image sensor according to another exemplary embodiment.
53 is a schematic block diagram of an electronic device including an image sensor according to embodiments.
54 to 64 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
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
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
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
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
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)는 소정의 규칙에 따라 동일한 평면에 배치된 나노포스트(NP)들을 포함한다. 이러한 색분리 렌즈 어레이(130)는 스페이서층(120) 상에 배치될 수 있다.According to an embodiment, the
여기서, 규칙(rule)은 나노포스트(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용되는 것으로, 입사광(Li)에 대해 색분리 렌즈 어레이(130)가 구현하고자 하는 타깃 위상 분포(TP)에 따라 정해질 수 있다. 타깃 위상 분포(TP)는 입사광(Li)의 파장을 분리하여 집광하고자 하는 타깃 영역(R1, R2)을 고려하여 정해질 수 있다. 타깃 위상 분포(TP)는 색분리 렌즈 어레이(130)와 타깃 영역(R1, R2) 사이에 표시되어 있으나, 이는 단지 도시의 편의에 의한 것이다. 실제의 타깃 위상 분포(TP)는 입사광(Li)이 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 직후의 위치, 예를 들어 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면 또는 스페이서층(120)의 상부 표면에서의 위상 분포를 의미한다.Here, the rule is applied to parameters such as the shape, size (width, height), spacing, and arrangement shape of the nanopost (NP), and the color
색분리 렌즈 어레이(130)는 서로 다른 제1 미소 구조와 제2 미소 구조를 각각 갖는 제1 영역(131)과 제2 영역(132)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(131)과 제2 영역(132)은 각각이 하나 또는 복수의 나노포스트(NP)들을 포함할 수 있다. 제1 영역(131) 및 제2 영역(132)은 각각 제1 타깃영역(R1) 및 제2 타깃영역(R2)과 마주하게 배치되며 일대일로 대응할 수 있다. 제1 영역(131)과 제2 영역(132)에는 각각 세 개의 나노포스트(NP)가 배치된 것으로 도시되고 있으나 이는 예시적인 것이다. 또한, 나노포스트(NP)는 제1 영역(131)과 제2 영역(132) 중 어느 한 영역 내에 전체적으로 위치하도록 도시되어 있으나 이에 한정되지 않으며 일부의 나노포스트(NP)는 제1 영역(131)과 제2 영역(132) 사이의 경계에 배치될 수도 있다.The color
색분리 렌즈 어레이(130)의 나노포스트(NP)들은 입사광(Li)에 포함된 서로 다른 파장의 광을 서로 다른 방향으로 분기하여 집광하는 위상 분포를 형성할 수 있다. 예를 들어, 입사광(Li)에 포함된 제1 파장의 광(Lλ1)은 제1 위상분포를 갖고 제2 파장의 광(Lλ2)은 제2 위상분포를 갖는 타깃 위상 분포(TP)를 형성하도록, 제1 영역(131)과 제2 영역(132)에 분포되는 나노포스트(NP)들의 형상, 크기, 배열등이 정해질 수 있다. 이러한 타깃 위상 분포(TP)에 따라 나노포스트(NP)들의 어레이와 소정의 이격 거리(A)에 있는 타깃 위치(R1, R2)에 각각 제1 파장의 광(Lλ1)과 제2 파장의 광(Lλ2)이 집광될 수 있다.The nanoposts NP of the color
나노포스트(NP)가 제1 영역(131)에 배치되는 규칙과 제2 영역(132)에 배치되는 규칙은 서로 다를 수 있다. 다시 말하면, 제1 영역(131)에 구비된 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 배열 중 어느 하나는 제2 영역(132)에 구비된 나노포스트(NP)의 형상, 크기 배열과 다를 수 있다.A rule in which the nanoposts NP is disposed in the
나노포스트(NP)는 분기 대상인 파장 대역보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가질 수 있다. 나노포스트(NP)는 제1 파장, 제2 파장 중 짧은 파장보다 작은 형상 치수를 가질 수 있으며, 입사광(Li)이 가시광인 경우, 400nm, 300nm, 또는 200nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다.The nanopost NP may have a shape dimension of a sub-wavelength smaller than a wavelength band to be branched. The nanopost NP may have a shape dimension smaller than the shorter of the first wavelength and the second wavelength, and when the incident light Li is visible light, the nanopost NP may have a dimension smaller than 400 nm, 300 nm, or 200 nm.
나노포스트(NP)는 주변 물질의 굴절률에 비하여 높은 굴절률을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노포스트(NP)는 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 및/또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노포스트(NP)는 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 서브 파장의 형상 치수가 야기하는 위상 지연(phase delay)이 원인이며, 위상이 지연되는 정도는 나노포스트(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등이 결정한다. 주변 물질은 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 재료 물질, 예를 들어, SiO2 또는 공기(air)로 이루어질 수 있다.The nanopost NP may be made of a material having a refractive index higher than that of surrounding materials. For example, the nanopost (NP) may be made of c-Si, p-Si, a-Si and III-V compound semiconductors (GaP, GaN, GaAs, etc.), SiC, TiO2, SiN, and/or combinations thereof. have. The nanopost (NP) having a difference in refractive index from the surrounding material may change the phase of passing light. This is due to the phase delay caused by the shape dimension of the sub-wavelength, and the degree of the phase delay is determined by the detailed shape dimension and arrangement shape of the nanopost (NP). The surrounding material may be made of a dielectric material material having a refractive index lower than that of the nanopost (NP), for example, SiO2 or air.
제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)은 가시광선 파장 대역일 수 있나, 이에 한정되지 않으며 배치된 나노포스트(NP)들의 규칙에 따라 다양한 파장 대역을 구현할 수 있다. 도 3은 두 가지의 파장이 분기되어 집광되는 것을 예시하였으나 이에 한정되지 않으며, 입사광이 파장에 따라 세 방향 이상으로 분기되어 집광될 수도 있다.The first wavelength λ1 and the second wavelength λ2 may be a visible light wavelength band, but are not limited thereto, and various wavelength bands may be implemented according to the rules of the arranged nanoposts NP. FIG. 3 illustrates that two wavelengths are branched and condensed, but the present invention is not limited thereto, and incident light may be divided and condensed in three or more directions depending on the wavelength.
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
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 화소 어레이의 단면도들이고, 도 5a는 화소 어레이의 광감지셀 배열을 개략적으도 보이는 평면도이며, 도 5b는 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트들이 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.4A and 4B are cross-sectional views of a pixel array according to an exemplary embodiment, FIG. 5A is a plan view schematically showing an arrangement of photosensitive cells of the pixel array, and FIG. 5B is a configuration in which nanoposts of a color separation lens array are arranged. This is an exemplary plan view.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 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.4A and 4B, the
센서 기판(110)은 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광감지셀(111), 제2 광감지셀(112), 제3 광감지셀(113), 및 제4 광감지셀(114)을 포함할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 광감지셀(111)과 제2 광감지셀(112)은 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되고, Y 방향의 위치가 다른 단면에서는 도 4b에 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 적색광이고, 제1 화소, 제2 화소, 제3 화소는 각각 녹색 화소(G), 청색 화소(B), 적색 화소(R)인 경우를 예로 들어 설명한다. 셀 간 경계에는 도시되지는 않았으나, 셀 분리를 위한 분리막이 더 형성될 수도 있다.The
스페이서층(120)은 색분리 렌즈 어레이(130)를 지지하면서 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 역할을 하며, 가시광에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 스페이서층(120)은 SiO2, 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass) 등과 같이 색분리 렌즈 어레이(130)의 나노포스트(NP)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 재료로 이루어질 수 있다.The
색분리 렌즈 어레이(130)는 소정의 규칙으로 배열된 나노포스트(NP)들을 포함한다. 도시되지는 않았지만, 색분리 렌즈 어레이(130)는나노포스트(NP)를 보호하는 보호층을 더 구비할 수 있다. 보호층은 나노포스트(NP)를 이루는 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어질 수 있다.The color
색분리 렌즈 어레이(130)는 복수의 광감지셀(111, 112, 113, 114)과 일대일로 대응하며 마주하는 복수의 영역(131, 132, 133, 134)으로 구획된다. 복수의 영역(131, 132, 133, 134) 각각에는 하나 또는 복수의 나노포스트(NP)들이 배치될 수 있고 형상, 크기, 배열 중 어느 하나가 영역에 따라 다를 수 있다.The color
색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)로 제1 파장의 광을 분기하여 집광하고, 제2 광감지셀(112)로 제2 파장의 광을 분기하여 집광하며, 제3 광감지셀(113)로 제3 파장의 광을 분기하여 집광하도록 영역이 구분되며, 영역마다 나노포스트(NP)들의 크기, 형상, 배열이 정해진다.The color
화소 어레이(1100)가 도 2a에 도시된 바와 같은 베이어 패턴의 배열을 가지는 경우, 도 5a의 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)은 녹색 화소(G)에 대응하고, 제2 광감지셀(112)은 청색 화소(B)에 대응하고, 제3 광감지셀(113)은 적색 화소(R)에 대응하게 된다.When the
도 5b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제1 및 제4 영역(131, 134)이 녹색 화소(G)에 대응하고, 제2 광감지셀(112)과 제2 영역(132)이 청색 화소(B)에 대응하며, 제3 광감지셀(113)과 제3 영역(133)이 적색 화소(R)에 대응한다. 따라서, 색분리 렌즈 어레이(130)는 2차원 배열된 복수의 단위 패턴 어레이를 포함하며, 각각의 단위 패턴 어레이는 2×2의 형태로 배열된 제1 영역(131), 제2 영역(132), 제3 영역(133), 및 제4 영역(134)을 포함한다.Referring to FIG. 5B, the first and
도 5b에 도시된 바와 같이, 녹색 화소(G)에 대응하는 제1 및 제4 영역(131, 134), 청색 화소(B)에 대응하는 제2 영역(132), 적색 화소(R)에 대응하는 제3 영역(133)들은 원형단면을 가지는 원기둥 형태의 나노포스트(NP)들을 포함할 수 있다. 제1 영역(131), 제2 영역(132), 제3 영역(133), 및 제4 영역(134)들의 중심부에는 단면적이 서로 다른 나노포스트(NP)가 배치되며, 화소간 경계선 상의 중심 및 화소 경계선의 교차점에도 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다. 화소간 경계에 배치된 나노포스트(NP)의 단면적은 화소 중심부에 배치된 나노포스트(NP)보다 작은 단면적을 가질 수 있다.5B, the first and
도 5c는 도 5b의 일부 영역, 즉, 단위 패턴 어레이를 구성하는 제1 내지 제4 영역(131, 132, 133, 134)의 나노포스트(NP)들 배열을 상세히 보인다. 도 5c에서 나노포스트(NP)들은 단위 패턴 어레이 내의 세부 위치에 따라 p1~p9로 표시되어 있다. 도 5c를 참조하면, 나노포스트(NP)들 중 제1 영역(131)의 중심부에 배치된 나노포스트(p1) 및 제4 영역(134)의 중심부에 배치된 나노포스트(p4)의 단면적이 제2 영역(132)의 중심부에 배치된 나노포스트(p2)나 제3 영역(133)의 중심부에 배치된 나노포스트(p3)의 단면적보다 크며, 제2 영역(132)의 중심부에 배치된 나노포스트(p2)의 단면적이 제3 영역(133)의 중심부에 배치된 나노포스트(p3)의 단면적보다 크다. 다만, 이는 하나의 예에 불과하고, 필요에 따라 다양한 형상, 크기, 배열의 나노포스트(NP)들이 적용될 수 있다.5C shows the arrangement of nanoposts NPs in a partial region of FIG. 5B, that is, the first to
녹색 화소(G)에 대응하는 제1 및 제4 영역(131, 134)에 구비된 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 서로 다른 분포 규칙을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제4 영역(131, 134)에 배치된 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 다른 크기 배열을 가질 수 있다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 나노포스트(NP)들 중, 제1 영역(131)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 제2 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트(p5)의 단면적과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 제3 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트(p6)의 단면적은 서로 다르다. 마찬가지로, 제4 영역(134)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 제3 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트(p7)의 단면적과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 제2 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트(p8)의 단면적은 서로 다르다.The nanoposts NP provided in the first and
반면, 청색 화소(B)에 대응하는 제2 영역(132) 및 적색 화소(R)에 대응하는 제3 영역(133)에 배치된 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 대칭적인 분포 규칙을 가질 수 있다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 나노포스트(NP)들 중, 제2 영역(132)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(p5) 및 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(p6)의 단면적은 서로 같으며, 또한, 제3 영역(133)에서도 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(p7) 및 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(p6)의 단면적이 서로 같다.On the other hand, the nanoposts NP disposed in the
한편, 제1영역(131), 제2영역(132), 제3영역(133), 제4영역(134) 각각의 네 모서리, 즉, 네 영역이 교차하는 위치에 배치된 나노포스트(p9)들은 같은 단면적을 갖는다. 이러한 분포는, 베이어 패턴의 화소 배열에 기인한다. 청색 화소(B)와 적색 화소(R)는 모두 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소들이 녹색 화소(G)로 동일한 반면, 제1 영역(131)에 대응하는 녹색 화소(G)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(B)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(R)로 서로 다르고, 제4 영역(134)에 대응하는 녹색 화소(G)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(R)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(B)로 서로 다르다. 그리고, 제1 영역(131), 제4 영역(134)에 대응하는 녹색 화소(G)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 녹색 화소(G)로 서로 같고, 제2 영역(132)에 대응하는 청색 화소(B)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 적색 화소(R)로 서로 같고, 제3 영역(133)에 대응하는 적색 화소(R)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 청색 화소(B)로 서로 같다. 따라서, 청색 화소(B)와 적색 화소(R)에 각각 대응하는 제2 영역(132)과 제3 영역(133)에서는 4방 대칭(4-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NP)들이 배열되고, 녹색 화소(G)에 대응하는 제1 및 제4 영역(131, 134)에서는 2방 대칭(2-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NP)들이 배열될 수 있다. 특히, 제1 영역(131)과 제4 영역(134)은 서로에 대해 90도 회전되어 있다.Meanwhile, the
나노포스트(NP)들은 모두 대칭적인 원형의 단면 형상을 갖는 것으로 도시되었으나 이에 한정되는 것은 아니며 비대칭 형상의 단면 형상을 갖는 나노포스트가 일부 포함될 수도 있다. 예를 들어, 녹색 화소(G)에 대응하는 제1 영역(131)과 제4 영역(134)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 서로 다른 비대칭 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용되고, 청색 화소(B)와 적색 화소(R)에 각각 대응하는 제2 영역(132)과 제3 영역(133)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 같은 대칭적인 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용될 수 있다.All of the nanoposts NP are illustrated to have a symmetrical circular cross-sectional shape, but are not limited thereto, and some nanoposts having an asymmetrical cross-sectional shape may be included. For example, the
예시된 색분리 렌즈 어레이(130)의 배열 규칙은 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)에 제1 파장의 광을 분기하여 집광시키고, 제2 광감지셀(112)에 제2 파장의 광을 분기하여 집광시키고, 제3 광감지셀(113)에 제3 파장의 광을 분기하여 집광시키게 하는 타깃 위상 분포를 구현하기 위한 일 예시이며, 도시된 패턴에 한정되는 것은 아니다.The illustrated arrangement rule of the color
색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 위치에서 제1 파장의 광이 제1 광감지셀(111)과 제4 광감지셀(114)로 집광되는 위상을 형성하고 제2 광감지셀(112)과 제3 광감지셀(113)로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 색분리 렌즈 어레이(130)의 각 영역에 구비되는 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다. At a position passing through the color
마찬가지로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 위치에서 제2 파장의 광이 제2 광감지셀(112)로 집광되는 위상을 형성하고 제1 광감지셀(111), 제3 광감지셀(113), 및 제4 광감지셀(114)로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 색분리 렌즈 어레이(130)의 각 영역에 구비되는 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다.Similarly, a phase in which light of a second wavelength is condensed to the second
또한 마찬가지로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 위치에서 제3 파장의 광이 제3 광감지셀(113)로 집광되는 위상을 형성하고 제1 광감지셀(111), 제2 광감지셀(112), 및 제4 광감지셀(114)로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 색분리 렌즈 어레이(130)의 각 영역에 구비되는 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다.Similarly, a phase in which light of a third wavelength is condensed to the third
이러한 조건들을 모두 만족시키는 나노포스트(NP)의 형상, 크기, 및/또는 배열이 정해질 수 있으며, 이러한 색분리 렌즈 어레이(130)는 그를 통과한 직후의 빛이 다음과 같은 타깃 위상 분포를 가지게 할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 직후 위치에서, 다시 말해 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면 또는 스페이서층(120)의 상부 표면에서, 제1 파장의 광의 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)π의 위상을 나타내는 분포일 수 있다. 여기서, N은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광의 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. 여기서, 위상은 빛이 나노포스트(NP)을 통과하기 직전의 위상에 대한 상대적인 위상 값을 의미할 수 있다.The shape, size, and/or arrangement of the nanopost (NP) that satisfies all of these conditions may be determined, and the color
또한, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광의 위상은 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 제2 파장의 광의 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 제2 파장의 광의 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.In addition, the phase of the light of the second wavelength at the position immediately after passing through the color
또한 마찬가지로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광의 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 작을 수 있다. 여기서, L은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광의 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 제3 파장의 광의 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.Likewise, the phase of the light of the third wavelength at the position immediately after passing through the color
앞서 언급했듯이, 타깃 위상 분포는 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 빛의 위상 분포를 의미한다. 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 빛이 이러한 위상 분포를 가지면 제1 파장 내지 제3 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 효과를 얻을 수 있다.As mentioned above, the target phase distribution means a phase distribution of light at a position immediately after passing through the color
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 9a 내지 도 9e, 도 10a 내지 도 10e, 및 도 11a 내지 도 11e를 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
도 6a 및 도 6b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 청색광의 위상 분포 및마주보는 광감지셀에서의 청색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 6c는 청색 화소(B)에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제2 영역과 그 주변에 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6d는 청색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.6A and 6B are diagrams for computational simulation of the phase distribution of blue light passing through the color separation lens array and the focusing distribution of blue light in the facing light sensing cell, and FIG. 6C 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 illustrated as an example, and FIG. 6D exemplarily shows a microlens array that acts equivalently to a color separation lens array for blue light.
도 6a에 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.Looking at the phase distribution illustrated in FIG. 6A, 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).
이러한 위상 분포는 도 6b와 같은 청색광의 포커싱 분포를 나타낼 수 있다. 청색광은 청색 화소(B)에 대응하는 영역에 대부분 집광되며, 다른 화소에 대응하는 영역에는 청색광이 거의 도달하지 않는다.This phase distribution may represent a focusing distribution of blue light as shown in FIG. 6B. 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 6c에 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) 상에 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
따라서, 도 6d에 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. 6D, the color
도 7a 및 도 7b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 녹색광 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 7c는 녹색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역 및 제4 영역과 그 주변에 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7d는 녹색광에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.7A and 7B are diagrams that simulate the phase distribution of green light passing through the color separation lens array and the focusing distribution of green light in the opposing photosensitive cells, and FIG. 7C 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. 7D exemplarily shows a microlens array that acts equivalently to a color separation lens array for green light.
도 7a에 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.Looking at the phase distribution illustrated in FIG. 7A, 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.
이러한 위상 분포는 도 7b와 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.This phase distribution may represent a focusing distribution of green light as shown in FIG. 7B. 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 7c에 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) 상에 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) 상에 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
따라서, 도 7d에 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. 7D, the color
도 8a 및 도 8b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광의 위상 분포 및 마주보는 광감지셀에서의 적색광의 포커싱 분포를 전산 모사한 도면이고, 도 8c는 적색 화소에 대응하는 색분리 렌즈 어레이의 제3 영역과 그 주변에 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 8d는 적색 화소(R)에 대해서 색분리 렌즈 어레이와 등가적으로 작용하는 마이크로 렌즈 어레이를 예시적으로 보인다.8A and 8B 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 an opposing light sensing cell, and FIG. 8C is a diagram illustrating a color separation lens array corresponding to a red pixel. 3 exemplarily shows the traveling direction of red light incident on the region and its periphery, and FIG. 8D exemplarily shows a microlens array that acts equivalently to the color separation lens array for the red pixel R. FIG.
도 8a에 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.Looking at the phase distribution illustrated in FIG. 8A, 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).
이러한 위상 분포는 도 8b와 같은 적색광의 포커싱 분포를 나타낼 수 있다. 적색광은 적색 화소(R)에 대응하는 영역에 집광되고 있으며 다른 화소에 대응하는 영역에는 적색광이 거의 도달하지 않는다.This phase distribution may represent a focusing distribution of red light as shown in FIG. 8B. 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 8c에 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) 상에 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
따라서, 도 8d에 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. 8D, the color
도 6c, 도 6d, 도 7c, 도 7d, 도 8c, 및 도 8d에 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.6C, 6D, 7C, 7D, 8C, and 8D are differently expressed. Among the incident light incident on the
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
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
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 이론 두께(ht)를 기준으로 소정의 범위 내에서 스페이서층(120)의 실제 두께가 선택될 수 있다.As described in
도 9a 내지 도 9e는 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 9a는 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 9b는 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 9c는 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.9A to 9E show the color
도 9a 및 도 9c의 경우, 하나의 광감지셀에 대해 4개의 영역이 배치되므로 이론상 최대값이 4이다. 도 9b의 경우에는, 2개의 광감지셀에 대해 4개의 영역이 배치되므로 이론상 최대값이 2이다. 도 9a 내지 도 9c의 그래프에서 색분리 렌즈 어레이(130)의 집광 효율이 가장 높은 거리가 수학식 1을 만족하는 이론 두께(ht)가 된다. 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 이론 두께(ht)는 파장에 따라 조금씩 달라진다.In the case of FIGS. 9A and 9C, since four regions are arranged for one light sensing cell, the theoretical maximum value is 4. In the case of FIG. 9B, since four regions are arranged for two light sensing cells, the theoretical maximum value is 2. In the graphs of FIGS. 9A to 9C, the distance of the color
도 9d는 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 9a의 그래프에 가장 낮은 가중치를 부여하고, 도 9c의 그래프에 청색광보다 높은 가중치를 부여하고, 도 9b에 가장 높은 가중치를 부여한 후에 합산한 값을 평균함으로써 도 9d의 그래프를 얻을 수 있다. 도 9e는 도 9d의 그래프를 규준화한 결과를 보이는 그래프이다.9D 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. 9D can be obtained by assigning the lowest weight to the graph of Fig. 9A, giving the graph of Fig. 9C a higher weight than the blue light, and giving the highest weight to Fig. 9B and then averaging the summed values. . 9E is a graph showing the results of normalizing the graph of FIG. 9D.
도 9d 및 도 9e의 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. 9D and 9E, when the pitch of the
도 10a 내지 도 10e는 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 10a 내지 도 10e를 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.10A to 10E show the color
도 11a 내지 도 11e는 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 11a 내지 도 11e를 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.11A to 11E show the color
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
상술한 색분리 렌즈 어레이(130)는 입사광을 흡수하거나 차단하지 않으면서 파장 별로 분기하고 분기된 빛을 특정 영역에 각각 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
도 12는 일 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이에 채용될 수 있는 나노포스트의 예시적인 형태를 보이는 사시도이다. 도 12를 참조하면, 나노포스트는 직경 D, 높이 H인 원기둥 형상을 가질 수 있다. 직경 D, 및/또는 높이 H는 서브 파장의 값을 가질 수 있으며, 직경 D는 나노포스트가 배치되는 위치에 따라 달라질 수 있다.12 is a perspective view showing an exemplary form of a nanopost that may be employed in a color separation lens array according to an exemplary embodiment. Referring to FIG. 12, the nanopost may have a cylindrical shape having a diameter D and a height H. The diameter D and/or the height H may have a value of the sub-wavelength, and the diameter D may vary depending on the position where the nanopost is disposed.
나노포스트는 이외에도 다양한 단면 형상을 갖는 기둥으로 형성될 수 있다. 도 13a 내지 도 13h는 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이에 채용될 수 있는 나노포스트의 예시적인 형상을 보이는 평면도이다.In addition, the nanopost may be formed as a pillar having various cross-sectional shapes. 13A to 13H are plan views showing exemplary shapes of nanoposts that may be employed in a color separation lens array of an image sensor.
도 13a와 같이, 나노포스트의 단면 형상은 외경 D, 내경 Di인 원형 링 형상일 수 있다. 링의 폭, w가 서브 파장의 값을 가질 수 있다. 도 13b와 같이, 나노포스트의 단면 형상은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 장축과 단축 길이, Dx, Dy가 서로 다른 타원 형상일 수도 있다. 이러한 형상은 예를 들어, 도 5b의 실시예를 설명할 때 언급한 바와 같이, 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(131)과 제4 영역(134)에 채용될 수 있다.13A, the cross-sectional shape of the nanopost may have a circular ring shape having an outer diameter D and an inner diameter Di. The width of the ring, w, may have a sub-wavelength value. 13B, the cross-sectional shape of the nanopost may have an elliptical shape in which the major and minor lengths, Dx, and Dy are different from each other in the first direction (X direction) and the second direction (Y direction). Such a shape may be employed, for example, in the
추가적으로, 나노포스트의 단면 형상은, 도 13c, 도 13d, 도 13f에 도시한 바와 같이, 정사각형 형상, 정사각형 링 형상 또는 십자 형상, 또는, 도 13e, 도 13g에 도시한 바와 같이, 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 길이, Dx, Dy가 서로 다른 직사각형 형상 또는 십자 형상일 수 있다. 이러한 직사각형 또는 십자 형상은 도 5b의 실시에를 설명할 때 언급한 바와 같이, 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(131)과 제4 영역(134)에 채용될 수 있다.Additionally, the cross-sectional shape of the nanopost is a square shape, a square ring shape, or a cross shape, as shown in Figs. 13C, 13D, and 13F, or, as shown in Figs. 13E and 13G, in the first direction ( X-direction) and the second direction (Y-direction) lengths, Dx, and Dy may have different rectangular shapes or cross-shaped shapes. Such a rectangle or cross shape may be employed in the
또 다른 예로, 나노포스트의 단면 형상은, 도 13h에 도시된 바와 같이, 나노포스트의 단면 형상은 복수의 오목한 원호를 갖는 형상일 수도 있다.As another example, the cross-sectional shape of the nanopost may be a shape having a plurality of concave arcs, as shown in FIG. 13H.
도 14는 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이를 이루는 나노포스트들의 배열 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.14 is a plan view illustrating an arrangement of nanoposts forming a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
색분리 렌즈 어레이(140)는 도 2a에서 예시한 베이어 패턴의 화소 배열과 대응하는 형태로, 녹색 화소(G)에 대응하는 제1 영역(141), 청색 화소(B)에 제2 영역(142), 적색 화소(R)에 대응하는 제3 영역(143), 및 녹색 화소(G)에 대응하는 제4 영역(144)으로 사분된 영역을 포함할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 이러한 단위 패턴 어레이가 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 반복적으로 배열될 수 있다. 각 영역은 복수의 서브 영역으로 등분될 수 있고, 서브 영역들 경계의 교차점에 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다. 도 14는 서브 영역의 개수가 9개인 예를 보여주고 있으며, 9개로 서브 영역을 구획한 격자점 상에 나노포스트(NP)들이 배치되고 있어, 각 영역(141, 142, 143, 144)의 정중앙에는 나노포스트(NP)가 배치되지 않으며 같은 크기의 네 개의 나노포스트(NP)가 중심부를 이루는 형태이다. 주변부의 나노포스트(NP)는 다른 영역과의 경계선상에 배치되는 형태이다. 나노포스트(NP)들은 단위 패턴 어레이 내의 세부 위치에 따라 r1~r9로 표시되어 있다.The color
도 14를 참조하면, 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(141)의 중심부에 배치된 나노포스트(r1)는 주변부에 배치된 나노포스트(r5, r6, r9)보다 큰 단면적을 가지며, 녹색 화소에 대응하는 제4 영역(144)의 중심부에 배치된 나노포스트(r4)는 주변부에 배치된 나노포스트(r7, r8, r9)보다 큰 단면적을 가지며 갖는다. 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(141)과 제4 영역(144)의 중심부에 배치된 나노포스트(r1, r4)의 단면 크기가 청색 화소에 대응하는 제2 영역(142)의 중심부에 배치된 나노포스트(r2), 적색 화소에 대응하는 제3 영역(143)의 중심부에 배치된 나노포스트(r3)의 단면 크기보다 클 수 있다. 또한, 청색 화소에 대응하는 제2 영역(142)의 중심부에 배치된 나노포스트(r2)의 단면적이 적색 화소에 대응하는 제3 영역(143)의 중심부에 배치된 나노포스트(r3)의 단면적보다 클 수 있다.Referring to FIG. 14, the nanoposts r1 disposed at the center of the
제2 영역(142)과 제3 영역(143)에서의 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 대칭적으로 배치될 수 있으며, 제1 영역(141)과 제4 영역(144)의 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 비대칭적으로 배치될 수 있다. 다시 말해, 청색 화소와 적색 화소에 각각 대응하는 제2 영역(142)과 제3 영역(143)의 나노포스트(NP)는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 동일한 분포 규칙을 가질 수 있고, 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(141)과 제4 영역(144)의 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 서로 다른 분포 규칙을 가질 수 있다.The nanoposts NP in the
나노포스트(NP)들 중, 제1 영역(141)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 제2 영역(142)과의 경계에 위치하는 나노포스트(r5)의 단면적과 제1 영역(141)과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 제3 영역(143)과의 경계에 위치하는 나노포스트(r6)의 단면적은 서로 다르다. 또한, 제4 영역(144)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 제3 영역(143)과의 경계에 위치하는 나노포스트(r7)의 단면적과 제4 영역(144)과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 제2 영역(142)과의 경계에 위치하는 나노포스트(r8)의 단면적은 서로 다르다.Among the nanoposts NP, the cross-sectional area and the
반면, 제1 영역(141)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 제2 영역(142)과의 경계에 위치하는 나노포스트(r5)의 단면적과 제4 영역(144)과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 제2 영역(142)과의 경계에 위치하는 나노포스트(r8)의 단면적이 동일하고, 제1 영역(141)과 제2 방향(Y방향)으로 인접한 제3 영역(143)과의 경계에 위치하는 나노포스트(r6)의 단면적과 제4 영역(144)과 제1 방향(X방향)으로 인접하는 제3 영역(143)과의 경계에 위치하는 나노포스트(r7)의 단면적이 동일하다.On the other hand, the cross-sectional area of the nanopost r5 positioned at the boundary between the
한편, 제1영역(141), 제2영역(142), 제3영역(143), 제4영역(144) 각각의 네 모서리, 즉, 네 영역이 교차하는 위치에 배치된 나노포스트(r9)들은 같은 단면적을 갖는다.On the other hand, the
이와 같이, 청색 화소와 적색 화소에 각각 대응하는 제2 영역(142)과 제3 영역(143)에서는 4방 대칭(4-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NP)들이 배열되고, 녹색 화소에 대응하는 제1 및 제4 영역(141, 144)에서는 2방 대칭(2-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NP)들이 배열되며, 제1 영역(141)과 제4 영역(144)은 서로에 대해 90도 회전되어 있다. 이러한 형태는 후술할 도 16, 도 17의 실시예에도 동일하게 나타난다.In this way, in the
도 15는 또 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이를 이루는 나노포스트들의 배열 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.15 is a plan view exemplarily showing an arrangement of nanoposts forming a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
색분리 렌즈 어레이(150)는 베이어 패턴의 화소 배열과 대응하는 형태로, 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(151), 청색 화소에 제2 영역(152), 적색 화소에 대응하는 제3 영역(153), 및 녹색 화소에 대응하는 제4 영역(154)으로 사분된 영역을 포함할 수 있다.The color
각 영역은 복수의 서브 영역으로 등분될 수 있고, 서브 영역들 경계의 교차점에 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다. 도 15는 서브 영역의 개수가 16개인 예를 보여준다는 점에서, 도 14의 나노구조물 배열과 차이가 있으며, 16개로 서브 영역을 구획한 격자점 상에 나노포스트(NP)가 배치되어 있어 각각의 영역(151, 152, 153, 154) 정중앙에 나노포스트(NP)가 배치된다. 나노포스트(NP)들은 단위 패턴 어레이 내의 세부 위치에 따라 s1~s11로 표시되어 있다.Each region may be divided into a plurality of sub-regions, and a nanopost NP may be disposed at an intersection of the boundaries of the sub-regions. 15 is different from the arrangement of the nanostructures of FIG. 14 in that it shows an example in which the number of sub-regions is 16, and nanoposts (NPs) are arranged on the grid points divided into 16 sub-regions, respectively. A nanopost NP is disposed in the center of the
도 15의 실시예는 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(151)의 정중앙에 위치한 나노포스트(s1), 제4 영역(154)의 정중앙에 위치한 나노포스트(s4)가 주변부에 위치한 나노포스트(NP)보다 큰 단면적을 가지며 또한, 청색 화소에 대응하는 제2 영역(152) 및 적색 화소에 대응하는 제3 영역(153)에 배치된 나노포스트(NP)들보다 큰 단면적을 가질 수 있다.In the embodiment of FIG. 15, a nanopost s1 located in the center of the
제1 영역(151)에서 단면적이 가장 큰 나노포스트(s1)가 정중앙에 배치되며, 주변부로 갈수록 단면적이 점차 감소하는 나노포스트(s10, s5, s6)들이 배치된다. 제4 영역(154)에서도 단면적이 가장 큰 나노포스트(s4)가 정중앙에 배치되며 주변부로 갈수록 단면적이 점차 감소하는 나노포스트(s11, s7, s8)들이 배치된다. 이와 달리, 제2 영역(152)에서는 중심부에 단면적이 같은 나노포스트(s2) 9개가 배치되고, 이보다 큰 단면적을 갖는 나노포스트(s5, s8)들이 주변부에 배치된다. 제3 영역(153)에서도 중심부에 단면적이 같은 나노포스트(s3) 9개가 배치되고, 이보다 큰 단면적을 갖는 나노포스트(s6, s7)들이 주변부에 배치된다. 제2 영역(152), 제3 영역(153)에서 주변부의 나노포스트(NP)는 다른 영역과의 경계선상에 배치되는 형태이다.In the
도 15의 실시예도 도 14의 실시예와 마찬가지로, 제2 영역(152)과 제3 영역(153)의 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 대칭적으로 배치될 수 있으며, 제1 영역(151)과 제4 영역(154)의 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 비대칭적으로 배치될 수 있다. 또한, 제1 영역(151), 제2 영역(152), 제3 영역(153), 제4 영역(154) 각각의 네 모서리, 즉, 네 영역이 인접하는 위치에 배치된 나노포스트(s9)들은 같은 단면적을 갖는다.In the embodiment of FIG. 15, as in the embodiment of FIG. 14, the nanoposts NP of the
도 16은 또 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이를 이루는 나노포스트들의 배열 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.16 is a plan view exemplarily showing an arrangement of nanoposts forming a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
색분리 렌즈 어레이(160)는 베이어 패턴의 화소 배열과 대응하는 형태로, 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(161), 청색 화소에 제2 영역(162), 적색 화소에 대응하는 제3 영역(163), 및 녹색 화소에 대응하는 제4 영역(164)으로 사분된 영역을 포함할 수 있다.The color
각 영역은 복수의 서브 영역으로 등분될 수 있고, 서브 영역들 내에 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(160)는 도 14와 마찬가지로 각 영역이 9개의 서브 영역으로 구획되지만, 나노포스트(NP)가 서브 영역들 간의 교차점이 아닌 내부에 배치되는 점에서 차이가 있다. 나노포스트(NP)들은 단위 패턴 어레이 내의 세부 위치에 따라 t1~t16으로 표시되어 있다.Each region may be divided into a plurality of sub-regions, and nanoposts NP may be disposed within the sub-regions. In the color
도 16의 실시예는 제1 영역(161)의 중심부에 위치한 나노포스트(t1)와 제4 영역(164)의 중심부에 위치한 나노포스트(t4)가 그 주변부에 위치한 나노포스트(NP)들뿐 아니라, 제2 영역(162) 및 제3 영역(163)에 배치된 나노포스트(NP)들보다 단면 크기가 클 수 있다.In the embodiment of FIG. 16, the nanopost t1 located in the center of the
제2 영역(162)의 중심부에 배치된 나노포스트(t2)의 단면적은 제3 영역(163)의 중심부에 배치된 나노포스트(t3)의 단면적보다 클 수 있다. 제2 영역(162)의 경우, 중심부에서 제1 방향(X방향), 제2 방향(Y방향)으로 이격된 주변부에 위치하는 나노포스트(s6, s10)들의 단면적이 중심부 나노포스트(t2)의 단면적보다 더 크며, 이와 달리, 중심부에서 대각선 방향으로 이격된 주변부에 위치한 나노포스트(t14)들의 단면적은 중심부 나노포스트(t2)의 단면적보다 작다.The cross-sectional area of the nanopost t2 disposed in the center of the
제3 영역(163)의 경우, 중심부 나노포스트(t3)의 단면적이 가장 작고, 주변부의 나노포스트(t7, t11, t15)들은 모두 중심부 나노포스트(t3)보다 큰 단면적을 갖는다. In the case of the
제2 영역(162)과 제3 영역(163)의 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 대칭적으로 배치될 수 있으며, 제1 영역(161)과 제4 영역(164)의 나노포스트(NP) 배치는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 비대칭적으로 배치될 수 있다. 다시 말해, 청색 화소와 적색 화소에 각각 대응하는 제2 영역(162)과 제3 영역(163)에서의 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 동일한 분포 규칙을 나타내며, 녹색 화소에 대응하는 제1 영역(161)과 제4 영역(164)에서의 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 서로 다른 분포 규칙을 나타내고 있다. The nanoposts NP of the
제1 영역(161)은 중심부의 나노포스트(t1)와 제1 방향(X방향)으로 인접한 나노포스트(t5) 및 제2 방향(Y방향)으로 인접한 나노포스트(t9)가 서로 다른 단면적을 갖는다. 제4 영역(164)도 중심부의 나노포스트(t4)와 제1 방향(X방향)으로 인접한 나노포스트(t8) 및 제2 방향(Y방향)으로 인접한 나노포스트(t12)가 서로 다른 단면적을 갖는다. 또한, 제1 영역(161) 중심부의 나노포스트(t1)와 제1 방향(X방향)으로 인접한 나노포스트(t5)는 제4 영역(164) 중심부의 나노포스트(t4)와 제2 방향(Y방향)으로 인접한 나노포스트(t12)와 동일한 단면적을 가지며, 제1 영역(161) 중심부의 나노포스트(t1)와 제2 방향(Y방향)으로 인접한 나노포스트(t9)는 제4 영역(164) 중심부의 나노포스트(t4)와 제1 방향(X방향)으로 인접한 나노포스트(t8)와 동일한 단면적을 갖는다. 제1 영역(161)의 네 모서리에 인접한 위치의 나노포스트(t13)들, 제4 영역(164)의 네 모서리에 인접한 위치의 나노포스트(t16)들은 같은 단면적을 갖는다. 이와 같이, 제1영역(161), 제4영역(164)은 서로에 대해 90도 회전되어 있다.In the
제2 영역(162)은, 중심부의 나노포스트(t2)와 제1 방향(X방향)으로 인접한 나노포스트(t6) 및 제2 방향(Y방향)으로 인접한 나노포스트(t10)는 서로 같은 단면적을 갖는다. 제2 영역(162)의 네 모서리에 인접한 위치의 나노포스트(t14)들은 같은 단면적을 갖는다.In the
제3 영역(163)의 경우도, 중심부의 나노포스트(t3)와 제1 방향(X방향)으로 인접한 나노포스트(t7) 및 제2 방향(Y방향)으로 인접한 나노포스트(t11)는 서로 같은 단면적을 갖는다. 제3 영역(163)의 네 모서리에 인접한 위치의 나노포스트(t15)들은 같은 단면적을 갖는다.Also in the case of the
도 17은 또 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이를 이루는 복수의 나노포스트 배열 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.17 is a plan view illustrating an arrangement of a plurality of nanoposts constituting a color separation lens array according to another exemplary embodiment.
본 실시예의 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이(170)는 가장 단순한 구조의 실시예이다. 녹색 화소와 대응하는 제1 영역(171), 청색 화소와 대응하는 제2 영역(172), 적색 화소와 대응하는 제3 영역(173), 및 녹색 화소와 대응하는 제4 영역(174)에 각각 하나의 나노포스트(NP)가 배치되며, 제1 영역(171)과 제4 영역(174)에 구비된 나노포스트(NP)의 단면적이 가장 크고, 제2 영역(172)에 구비된 나노포스트(NP)의 단면적은 제1 영역(171)에 구비된 나노포스트(NP)의 단면적보다 작고, 제3 영역(173)의 나노포스트(NP) 단면적이 가장 작다.The color
도 18은 도 17의 색분리 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 적색 화소(R), 녹색 화소(G), 청색 화소(B) 각각에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.18 is a graph exemplarily showing a spectral distribution of light incident on each of a red pixel (R), a green pixel (G), and a blue pixel (B) of an image sensor including the color separation lens array of FIG. 17.
도 19a 및 도 19b는 다른 실시예에 따른 화소 어레이의 개략적인 구조를 각각 다른 단면에서 보이는 단면도이다.19A and 19B are cross-sectional views illustrating a schematic structure of a pixel array according to another exemplary embodiment, respectively.
화소 어레이(1100a)는 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이에 컬러 필터(105)가 더 배치된 점에서 전술한 도 4a 및 도 4b의 실시예와 차이가 있다. 컬러 필터(105)는 센서 기판(110)과 스페이서층(120) 사이에 배치될 수 있다.The
화소 어레이(1100a)는 색분리 렌즈 어레이(130)를 보호하는 투명한 유전체층(121)을 더 포함할 수 있다. 유전체층(121)은 인접한 나노포스트(NP)들 사이의 공간 및 나노포스트(NP)의 상부 표면을 덮도록 배치될 수 있다. 유전체층(121)은 나노포스트(NP)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질, 예를 들어, 스페이서층(120)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.The
컬러 필터(105)는 베이어 패턴의 화소 배열에 대응하는 형태의 필터 영역을 구비한다. 도 19a에 도시된 바와 같이, 녹색 필터 영역(CF1), 청색 필터 영역(CF2)이 번갈아 배치되고, 도 19b에 도시된 바와 같이, Y방향으로 이격한 다음 행에서는 적색 필터 영역(CF3)과 녹색 필터 영역(CF1)이 번갈아 배치된다. 색분리 렌즈 어레이(130)가 복수의 광감지셀(111, 112, 113, 114)에 서로 다른 파장의 광을 분기하여 집광시키는 점에서, 컬러 필터(105)의 구성은 필수적인 구성요소는 아니다. 다만, 이와 같이 추가적으로 컬러 필터(105)를 구비함으로써 색순도가 보완될 수 있으며, 상당 정도로 색분리된 빛이 컬러 필터(105)에 입사하므로 광손실은 크지 않다.The
도 20 및 도 21은 이미지 센서의 적색 화소(R), 녹색 화소(G), 청색 화소(B)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프로서, 각각 컬러 필터가 구비된 실시예와 컬러 필터가 구비되지 않은 실시예의 스펙트럼 분포를 보여준다.20 and 21 are graphs showing spectral distributions of light incident on a red pixel (R), a green pixel (G), and a blue pixel (B) of an image sensor as an example. It shows the spectral distribution of an example without a color filter.
도 20의 그래프는 도 19a 및 도 19b에서 도시한 컬러 필터를 구비한 이미지 센서의 스펙트럼이고 도 21의 그래프는 도 4a 및 도 4b에서 도시한 컬러 필터가 없는 이미지 센서의 스펙트럼이다. 도 20 및 도 21은 화소의 폭이 약 0.7μm인 이미지 센서의 시뮬레이션 결과이며 컬러 필터가 구비된 경우 전체적인 광량이 낮아지는 경향이 있으나 색분리 성능은 모두 비교예에 비해 개선되었다.The graph of FIG. 20 is a spectrum of the image sensor with the color filter shown in FIGS. 19A and 19B, and the graph of FIG. 21 is a spectrum of the image sensor without the color filter shown in FIGS. 4A and 4B. 20 and 21 are simulation results of an image sensor having a pixel width of about 0.7 μm. When a color filter is provided, the overall amount of light tends to decrease, but all of the color separation performance is improved compared to the comparative example.
상술한 실시예들에 따른 색분리 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서는 카메라와 같은 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 22는 일 실시예에 따른 카메라를 개략적으로 보이는 개념도이다.The image sensor including the color separation lens array according to the above-described embodiments can be applied to various optical devices such as a camera. For example, FIG. 22 is a conceptual diagram schematically showing a camera according to an embodiment.
도 22를 참조하면, 일 실시예에 따른 카메라(2000)는 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 대물렌즈(2010) 및 대물렌즈(2010)에 의해 형성된 광학상을 전기적인 영상 신호로 변환하는 이미지 센서(1000)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1000)는 상술한 색분리 렌즈 어레이를 포함한다. 또한, 카메라(2000)는 이미지 센서(1000)로부터 출력된 전기적 신호를 영상 신호로 처리하는 프로세서(2200)를 더 포함한다. 프로세서(2200)는 이미지 센서(1000)로부터 출력되는 색상별 신호에 대해, 노이즈 제거, 색 보간(color interpolation) 등의 작업을 수행하여 영상을 형성한다. 도시되지는 않았지만, 카메라(2000)는 또한, 이미지 센서(1000)와 대물렌즈(2010) 사이에 배치되는 적외선 차단 필터, 프로세서(2200)에서 형성한 영상을 표시하는 디스플레이 패널, 프로세서(2200)에서 형성한 영상 데이터를 저장하는 메모리를 더 포함할 수도 있다. 이러한 카메라(2000)는, 예를 들어, 핸드폰, 노트북, 태블릿 PC 등과 같은 모바일 전자 장치 내에 장착될 수 있다.Referring to FIG. 22, the
대물렌즈(2010)는 카메라(2000)의 외부에 있는 피사체의 상을 이미지 센서(1000) 상에 포커싱하는 역할을 한다. 이미지 센서(1000)가 대물렌즈(2010)의 초점 평면 상에 정확하게 위치하면, 피사체의 어느 한 점에서 출발한 빛은 대물렌즈(2010)를 통해 이미지 센서(1000) 상의 한 점으로 다시 모이게 된다. 예를 들어, 광축(OX) 상의 어느 한 점(A)에서 출발한 빛은 대물렌즈(2010)를 통과한 후, 광축(OX) 상에 있는 이미지 센서(1000)의 중심에 모이게 된다. 광축(OX)에서 벗어난 어느 한 점(B, C, D)에서 출발한 빛은 대물렌즈(2010)에 의해 광축(OX)을 가로질러 이미지 센서(1000)의 주변부의 한 점에 모이게 된다. 예를 들어, 도 22에서 광축(OX)보다 위쪽에 있는 한 점(B)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 이미지 센서(1000)의 아래쪽 가장자리에 모이게 되며, 광축(OX)보다 아래쪽에 있는 한 점(C)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 이미지 센서(1000)의 위쪽 가장자리에 모이게 된다. 또한, 광축(OX)과 점(B) 사이에 위치한 점(D)에서 출발한 빛은 이미지 센서(1000)의 중심과 아래쪽 가장자리 사이에 모이게 된다.The
따라서, 서로 다른 점(A, B, C, D)들에서 각각 출발한 빛은 상기 점(A, B, C, D)들과 광축(OX) 사이의 거리에 따라 서로 다른 각도로 이미지 센서(1000)에 입사한다. 이미지 센서(1000)에 입사하는 빛의 입사각은 통상적으로 주광선 각도(CRA; chief ray angle)로 정의된다. 주광선(chief ray)은 피사체의 한 점으로부터 대물렌즈(2010)의 중심을 지나 이미지 센서(1000)에 입사하는 광선을 의미하며, 주광선 각도는 주광선이 광축(OX)과 이루는 각도를 의미한다. 광축(OX)에 있는 점(A)에서 출발한 빛은 주광선 각도가 0도이며, 이미지 센서(1000)에 수직하게 입사한다. 출발점이 광축(OX)에서 멀어질수록 주광선 각도는 증가하게 된다.Therefore, the light from each of the different points (A, B, C, D) is at different angles depending on the distance between the points (A, B, C, D) and the optical axis (OX). 1000). The incident angle of light incident on the
이미지 센서(1000)의 관점에서 보면, 이미지 센서(1000)의 중심부에 입사하는 빛의 주광선 각도는 0도이며, 이미지 센서(1000)의 가장자리로 갈수록 입사광의 주광선 각도가 커지게 된다. 예컨대, 점(B)와 점(C)에서 출발하여 이미지 센서(1000)의 제일 가장자리에 입사하는 빛의 주광선 각도가 가장 크고, 점(A)에서 출발하여 이미지 센서(1000)의 중심부에 입사하는 빛의 주광선 각도는 0도이다. 또한, 점(D)에서 출발하여 이미지 센서(1000)의 중심과 가장자리 사이에 입사하는 빛의 주광선 각도는 점(B)와 점(C)에서 출발한 빛의 주광선 각도보다 작고 0도보다 크다.From the viewpoint of the
그런데, 상술한 색분리 렌즈 어레이는 일반적으로 방향성을 가질 수 있다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이가 특정한 각도 범위로 입사하는 빛에 대해서는 효율적으로 동작하지만, 입사각이 특정한 각도 범위로부터 멀어지게 되면 색분리 렌즈 어레이의 색분리 성능이 저하된다. 따라서, 이미지 센서(1000)의 전체 영역에서 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트들이 모두 동일한 배열 형태를 가지면, 이미지 센서(1000)의 전체 영역에서 색분리 효율이 균일하지 않고 이미지 센서(1000)의 영역에 따라 색분리 효율이 달라지게 된다. 이로 인해 카메라(2000)가 제공하는 영상의 품질이 저하될 수 있다.However, the color separation lens array described above may generally have directionality. In other words, the color separation lens array operates efficiently with respect to light incident in a specific angular range, but when the incident angle is away from the specific angular range, the color separation performance of the color separation lens array deteriorates. Therefore, if all the nanoposts of the color separation lens array have the same arrangement in the entire area of the
따라서, 이미지 센서(1000) 상의 위치에 따라 달라지는 입사광의 주광선 각도를 고려하여, 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트들의 배열 형태를 다르게 설계할 수 있다. 예를 들어, 도 23a 내지 도 23c는 이미지 센서 상의 위치에 따른 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트들의 배열 형태 변화를 보이는 개략적인 평면도이다. 특히, 도 23a는 이미지 센서(1000)의 중심부에 배치된 나노포스트(NP)의 위치를 나타내며, 도 23b는 이미지 센서(1000)의 중심부와 가장자리 사이에 배치된 나노포스트(NP)의 위치를 나타내고, 도 23c는 이미지 센서(1000)의 가장자리에 배치된 나노포스트(NP)의 위치를 나타낸다. 도 23a 내지 도 23c는 나노포스트(NP)의 특정 배열을 한정하기 위한 것이 아니며, 단지 이미지 센서(1000) 상의 위치에 따른 나노포스트(NP)의 상대적인 위치 변화를 개념적으로 설명하기 위한 것이다.Accordingly, the arrangement of the nanoposts of the color separation lens array may be designed differently in consideration of the main ray angle of incident light that varies depending on the position on the
도 23a 내지 도 23c에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(1000)의 중심부에서 가장자리로 갈수록 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역은 그에 대응하는 화소 또는 광감지셀들로부터 더 멀리 시프트되어 위치할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1000)의 중심부, 또는 색분리 렌즈 어레이의 중심부, 또는 센서 기판의 중심부에서 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역의 위치는 그에 대응하는 녹색 화소, 청색 화소, 적색 화소, 및 녹색 화소의 위치(또는 그에 대응하는 광감지셀들의 위치)와 일치할 수 있다. 그리고, 이미지 센서(1000)의 중심부, 또는 색분리 렌즈 어레이의 중심부, 또는 센서 기판의 중심부로부터 멀어질수록 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역은 그에 각각 대응하는 녹색 화소, 청색 화소, 적색 화소, 및 녹색 화소의 위치(또는 그에 대응하는 광감지셀들의 위치)로부터 더 멀리 시프트될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역이 시프트되는 정도는 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 빛의 주광선 각도에 의해 결정될 수 있다. 특히, 이미지 센서(1000)의 주변부, 또는 색분리 렌즈 어레이의 주변부, 또는 센서 기판의 주변부에서 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역은 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀, 제2 광감지셀, 제3 광감지셀, 및 제4 광감지셀에 대해서 이미지 센서(1000)의 중심부 방향을 향해 시프트된다.23A to 23C, the first, second, third, and fourth regions of the color-separating lens array from the center of the
이하에서는 편의상 이미지 센서(1000)의 중심부라고 표현하지만, 이미지 센서(1000), 색분리 렌즈 어레이, 및 센서 기판이 서로 마주하여 배치되기 때문에, 이미지 센서(1000)의 중심부는 또한 색분리 렌즈 어레이의 중심부 또는 센서 기판의 중심부를 의미할 수도 있다. 마찬가지로, 이하에서 이미지 센서(1000)의 주변부/가장자리는 색분리 렌즈 어레이의 주변부/가장자리 또는 센서 기판의 주변부/가장자리를 의미할 수도 있다.Hereinafter, for convenience, it is expressed as the center of the
도 24는 다른 실시예에 따른 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.24 is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of a pixel array according to another exemplary embodiment.
도 24를 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서의 화소 어레이(1100b)는 2단으로 적층된 나노포스트(NP)들을 구비하는 색분리 렌즈 어레이(230)를 포함한다는 점에서 전술한 실시예들과 차이가 있다. 나노포스트(NP)는 스페이서층(120) 위에 배치된 제1 나노포스트(NP1), 및 제1 나노포스트(NP1) 위에 배치된 제2 나노포스트(NP2)를 포함할 수 있다. 제2 나노포스트(NP2)는 제1 나노포스트(NP1)에 대해 빛의 경사 방향을 따라 시프트될 수 있다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(230)에 입사하는 빛이 오른쪽으로부터 왼쪽으로 경사진 경우에, 제2 나노포스트(NP2)는 제1 나노포스트(NP1)에 대해 오른쪽으로 시프트될 수 있다. 반대로, 색분리 렌즈 어레이(230)에 입사하는 빛이 왼쪽으로부터 오른쪽으로 경사진 경우에, 제2 나노포스트(NP2)는 제1 나노포스트(NP1)에 대해 왼쪽으로 시프트될 수 있다.Referring to FIG. 24, the
또한, 도 22에 도시된 이미지 센서(1000)에 입사하는 빛의 주광선 각도를 고려할 때, 제2 나노포스트(NP2)는 제1 나노포스트(NP1)에 대해 이미지 센서(1000)의 중심부 방향을 향해 시프트될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1000)의 중심부로부터 왼쪽 가장자리로 갈수록 제2 나노포스트(NP2)는 제1 나노포스트(NP1)에 대해 오른쪽으로 더 시프트되며, 이미지 센서(1000)의 중심부로부터 오른쪽 가장자리로 갈수록 제2 나노포스트(NP2)는 제1 나노포스트(NP1)에 대해 왼쪽으로 더 시프트된다.In addition, when considering the main ray angle of light incident on the
마찬가지로, 색분리 렌즈 어레이(230)의 제3 영역(233)과 제4 영역(234)은 그에 각각 대응하는 적색 화소(또는 제3 광감지셀)와 녹색 화소(또는 제4 광감지셀)에 대해 이미지 센서(1000)의 중심부 방향을 향해 시프트된다. 예를 들어, 이미지 센서(1000)의 중심부로부터 왼쪽 가장자리로 갈수록 색분리 렌즈 어레이(230)의 제3 영역(233)과 제4 영역(234)은 그에 각각 대응하는 녹색 화소와 적색 화소에 대해 오른쪽으로 더 시프트된다. 도시되지는 않았지만, 색분리 렌즈 어레이(230)의 다른 단면에 배치된 제1 영역과 제2 영역도 역시 그에 대응하는 녹색 화소(또는 제1 광감지셀)와 청색 화소(또는 제2 광감지셀)에 대해 이미지 센서(1000)의 중심부 방향을 향해 시프트된다.Likewise, the
특히, 색분리 렌즈 어레이(230)의 제3 영역(233)과 제4 영역(234)은 그에 각각 대응하는 제3 광감지셀(113)의 중심부와 제4 광감지셀(114)의 중심부에 각각 적색광과 녹색광을 집광하도록 시프트될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(230)의 제3 영역(233)과 제4 영역(234)이 시프트되는 거리 s는, 예를 들어, 다음의 수학식 2에 의해 결정될 수 있다.In particular, the
수학식 2에서 d는 색분리 렌즈 어레이(230)의 하부 표면과 센서 기판(110)의 상부 표면 사이의 최단 직선 거리 또는 간격이며, CRA'는 센서 기판(110)에 입사하는 빛의 입사각이다. 또한, CRA'는 다음의 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.In
수학식 3에서 CRA는 색분리 렌즈 어레이(230)에 입사하는 빛의 입사각이고, n은 색분리 렌즈 어레이(230)와 센서 기판(110) 사이에 배치된 재료의 굴절률이다. 따라서, 색분리 렌즈 어레이(230)의 제3 영역(233)과 제4 영역(234)이 그에 대응하는 화소로부터 시프트되는 거리 s는 색분리 렌즈 어레이(230)에 입사하는 빛의 입사각, 및 색분리 렌즈 어레이(230)와 센서 기판(110) 사이에 배치된 재료의 굴절률에 의해 결정될 수 있다. 만약, 색분리 렌즈 어레이(230)와 센서 기판(110) 사이에 스페이서층(120)뿐만이 아니라 컬러 필터(105)도 배치되는 경우, 스페이서층(120)에 입사하는 빛의 입사각과 스페이서층(120)의 굴절률, 및 컬러 필터(105)에 입사하는 빛의 입사각과 컬러 필터(105)의 굴절률을 고려하여 CRA'가 결정될 수 있다.In
도 25는 도 22에 도시된 카메라의 이미지 센서에 적용된 색분리 렌즈 어레이에서 2차원 배열된 나노포스트들의 시프트 형태를 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 26은 도 25에 도시된 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.25 is a plan view exemplarily showing a shift form of nanoposts arranged in two dimensions in the color separation lens array applied to the image sensor of the camera shown in FIG. 22, and FIG. 26 is provided with the color separation lens array shown in FIG. Is a cross-sectional view showing a schematic structure of a pixel array.
도 25 및 도 26을 참조하면, 이미지 센서(1000)의 중심부(C)에서 색분리 렌즈 어레이(230)의 제1 내지 제4 영역들은 그에 대응하는 화소들(또는 광감지셀들)에 대해 시프트되지 않았다. 또한, 이미지 센서(1000)의 중심부(C)에서 제2 나노포스트(NP2)는 제1 나노포스트(NP1)에 대해 시프트되지 않았다. 그리고, 이미지 센서(1000)의 주변부(P)에서 색분리 렌즈 어레이(230)의 제1 내지 제4 영역들은 이미지 센서(1000)의 중심부(C)를 향해 시프트되어 있으며, 제2 나노포스트(NP2)도 제1 나노포스트(NP1)에 대해 이미지 센서(1000)의 중심부(C)를 향해 시프트되어 있다. 따라서, 도 22에 도시된 카메라(2000)에 채용된 이미지 센서(1000)의 경우, 색분리 렌즈 어레이(230)의 전체 면적은 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100b)의 전체 면적 또는 센서 기판(110)의 전체 면적보다 작을 수 있다.25 and 26, the first to fourth regions of the color
한편, 도 24의 실시예에는 센서 기판(110) 위에 컬러 필터(105)가 배치되었지만, 이미지 센서(1000)의 주변부(P)에서 색분리 렌즈 어레이(230)가 충분한 성능을 갖는다면, 도 26에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(105)가 생략될 수도 있다.On the other hand, in the embodiment of FIG. 24, although the
도 27은 도 26의 이미지 센서의 색분리 렌즈 어레이에 채용되는 나노포스트의 예시적인 형상을 보이는 사시도이다. 도 27에 도시된 바와 같이, 하부의 제1 나노포스트(NP1)와 상부의 제2 나노포스트(NP2)가 서로 어긋나게 적층될 수 있다. 어긋난 정도는 도 27에 b로 표시되어 있으며, 이 크기는 이미지 센서(1000)의 중심부(C)에서 주변부(P)로 갈수록, 즉 반경 방향을 따라 커질 수 있다. 제2 나노포스트(NP2)가 제1 나노포스트(NP1)로부터 어긋나는 방향은 주변부(P)에서 중심부(C)를 향하는 방향이 된다. 특히, 어긋난 정도 b는 제2 나노포스트(NP2)의 상부 표면의 중심부에 빛이 입사하고, 제1 나노포스트(NP1)의 상부 표면의 중심부에 빛이 입사하도록 결정될 수 있다.FIG. 27 is a perspective view illustrating an exemplary shape of a nanopost employed in the color separation lens array of the image sensor of FIG. 26. As shown in FIG. 27, the lower first nanoposts NP1 and the upper second nanoposts NP2 may be stacked to be offset from each other. The degree of deviation is indicated by b in FIG. 27, and the size may increase from the central portion C of the
이러한 구조로 나노포스트(NP)를 제조하기 위해, 도 26에 도시된 바와 같이, 유전체층(121)은 스페이서층(120) 위에 배치되어 제1 나노포스트(NP1)들 사이의 공간을 채우며 제2 나노포스트(NP2)를 지지하는 제1 유전체층(121a), 및 제2 나노포스트(NP2)들을 덮는 제2 유전체층(121b)을 포함할 수 있다. 제1 유전체층(121a)과 제2 유전체층(121b)은 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2)를 이루는 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 재료로 형성될 수 있다.In order to manufacture a nanopost (NP) with such a structure, as shown in FIG. 26, the
나노포스트(NP)가 2개의 층으로 적층된 구조를 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며 3층 이상의 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 28은 다른 실시예에 따른 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.Although the structure in which the nanoposts (NP) are stacked in two layers is illustrated, the structure is not limited thereto and may have a structure of three or more layers. For example, FIG. 28 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a pixel array according to another exemplary embodiment.
도 28을 참조하면, 이미지 센서의 화소 어레이(1100c)는 3단으로 적층된 나노포스트(NP)들을 구비하는 색분리 렌즈 어레이(240)를 포함한다. 나노포스트(NP)는 스페이서층(120) 위에 배치된 제1 나노포스트(NP1), 제1 나노포스트(NP1) 위에 배치된 제2 나노포스트(NP2), 및 제2 나노포스트(NP2) 위에 배치된 제3 나노포스트(NP3)를 포함할 수 있다. 제2 나노포스트(NP2)는 제1 나노포스트(NP1)에 대해 이미지 센서의 중심부를 향해 시프트되며, 제3 나노포스트(NP3)는 제2 나노포스트(NP2)에 대해 이미지 센서의 중심부를 향해 시프트된다.Referring to FIG. 28, a
또한, 색분리 렌즈 어레이(240)의 제4 영역(244)은 그에 대응하는 녹색 화소 또는 제4 광감지셀(114)에 대해 이미지 센서의 중심부를 향해 시프트되며, 제3 영역(243)은 그에 대응하는 적색 화소 또는 제3 광감지셀(113)에 대해 이미지 센서의 중심부를 향해 시프트된다.In addition, the
도 29a 내지 도 29c는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프로서, 각각 이미지 센서 상의 위치에 따른 주광선 각도의 변화를 고려하지 않은 경우, 주광선 각도의 변화를 고려하여 나노포스트의 위치를 변화시킨 경우, 주광선 각도의 변화를 고려하여 나노포스트를 이단으로 구성한 경우에 대한 것이다. 도 29a 내지 도 29c에서, B0로 표시된 그래프는 주광선 각도가 0도인 경우에 청색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이며, G0로 표시된 그래프는 주광선 각도가 0도인 경우에 녹색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이고, R0로 표시된 그래프는 주광선 각도가 0도인 경우에 적색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이다. 또한, B26으로 표시된 그래프는 주광선 각도가 26도인 경우에 청색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이며, Gb26으로 표시된 그래프는 주광선 각도가 26도인 경우에 청색 화소와 제1 방향으로 번갈아 배치된 녹색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이고, Gr26으로 표시된 그래프는 주광선 각도가 26도인 경우에 적색 화소와 제1 방향으로 번갈아 배치된 녹색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이고, R26으로 표시된 그래프는 주광선 각도가 0도인 경우에 적색 화소에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포이다.29A to 29C are graphs showing spectral distributions of light incident on a red pixel, a green pixel, and a blue pixel of the image sensor according to an exemplary embodiment. If not considered, the case where the position of the nanopost is changed in consideration of the change in the principal ray angle, and the case in which the nanopost is configured in two stages in consideration of the change in the principal ray angle. In FIGS. 29A to 29C, the graph indicated by B0 is the spectrum distribution of light incident on the blue pixel when the main ray angle is 0 degrees, and the graph indicated by G0 is the spectrum of light incident on the green pixel when the principal ray angle is 0°. Distribution, and the graph indicated by R0 is the spectral distribution of light incident on the red pixel when the main ray angle is 0 degrees. In addition, the graph indicated by B26 is the spectral distribution of light incident on the blue pixel when the main ray angle is 26 degrees, and the graph indicated by Gb26 is the blue pixel and the green pixel alternately arranged in the first direction when the main ray angle is 26 degrees. The graph indicated by Gr26 is the spectral distribution of light incident on the red pixel and the green pixel alternately arranged in the first direction when the main ray angle is 26 degrees, and the graph indicated by R26 indicates the main ray angle is 0. In the case of degrees, it is the spectral distribution of light incident on the red pixel.
도 29a의 그래프에 도시된 바와 같이, 주광선 각도의 변화를 고려하지 않은 경우에, 주광선 각도가 26도인 빛에 대한 색분리 렌즈 어레이의 성능이 저하되는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 29b의 그래프에 도시된 바와 같이, 주광선 각도의 변화를 고려하여 나노포스트를 시프트시킨 경우, 주광선 각도가 26도인 빛에 대한 색분리 렌즈 어레이의 성능이 개선되었다. 또한, 도 29c의 그래프에 도시된 바와 같이, 나노포스트의 시프트와 함께 나노포스트를 이단으로 구성한 경우, 주광선 각도가 26도인 빛에 대한 색분리 렌즈 어레이의 성능이 더욱 개선되어 주광선 각도가 0도인 빛에 대한 색분리 렌즈 어레이의 성능과 거의 가깝게 되었다.As shown in the graph of FIG. 29A, it can be seen that performance of the color separation lens array for light having a principal ray angle of 26 degrees deteriorates when the change in the principal ray angle is not considered. In addition, as shown in the graph of FIG. 29B, when the nanopost is shifted in consideration of the change of the principal ray angle, the performance of the color separation lens array for light having a principal ray angle of 26 degrees is improved. In addition, as shown in the graph of FIG. 29C, when the nanoposts are configured in two stages together with the shift of the nanoposts, the performance of the color separation lens array for light with a principal ray angle of 26 degrees is further improved, and thus light with a principal ray angle of 0 degrees. The performance of the color separation lens array for
도 30a 및 도 30b는 다른 실시예에 따른 이미지 센서 상의 위치에 따른 나노포스트의 선폭 변화를 보이는 평면도이다. 도 30a는 이미지 센서의 중심부에서 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트(NP)의 선폭을 도시하며, 도 30b는 이미지 센서의 주변부에서 색분리 렌즈 어레이의 나노포스트(NP')의 선폭을 예시적으로 도시한다. 도 30b에 도시된 실시예에서는, 나노포스트의 위치를 대응하는 화소에 대해 시프트시키고, 제2 나노포스트(NP2')를 제1 나노포스트(NP1')에 대해 시프트시키는 것과 함께 나노포스트(NP')의 선폭을 더 변화시켰다. 나노포스트(NP')의 선폭 변화는 주광선 각도에 따라 다음의 수학식 4와 같이 결정될 수 있다.30A and 30B are plan views illustrating a line width change of a nanopost according to a position on an image sensor according to another exemplary embodiment. FIG. 30A shows the line width of the nanoposts NP' of the color separation lens array at the center of the image sensor, and FIG. 30B exemplarily shows the line width of the nanoposts NP′ of the color separation lens array at the periphery of the image sensor. do. In the embodiment shown in FIG. 30B, the position of the nanopost is shifted with respect to the corresponding pixel, and the second nanopost NP2' is shifted with respect to the first nanopost NP1'. ) Has been further changed. The line width change of the nanopost NP' may be determined as shown in Equation 4 below according to the principal ray angle.
수학식 4에서, w는 이미지 센서의 주변부에서 나노포스트(NP')의 선폭이며 w0는 이미지 센서의 중심부에서 나노포스트(NP)의 선폭이다. 따라서, 이미지 센서의 주변부로 갈수록 나노포스트(NP')의 선폭이 증가할 수 있다. 도 30b는 편의상 나노포스트(NP')의 선폭 증가를 과장하여 도시하였다. 이미지 센서의 가장 가장자리에서 나노포스트(NP')의 선폭은 이미지 센서의 중심부에서의 선폭에 비하여 약 2.5% 내지 6.5% 정도 증가할 수 있다.In Equation 4, w is the line width of the nanopost NP' at the periphery of the image sensor, and w 0 is the line width of the nanopost NP at the center of the image sensor. Accordingly, the line width of the nanopost NP' may increase toward the periphery of the image sensor. 30B is an exaggerated view of the line width increase of the nanopost (NP') for convenience. The line width of the nanopost NP' at the edge of the image sensor may increase by about 2.5% to 6.5% compared to the line width at the center of the image sensor.
여기서, 선폭 변화는 색분리 센서 어레이의 복수의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 제4 영역 중에서 동일 영역 내의 동일 위치에 배치된 나노포스트의 선폭을 비교한 것이다. 예를 들어, 이미지 센서의 중심부에서 색분리 센서 어레이의 제1 영역의 중앙에 배치된 나노포스트의 선폭과 이미지 센서의 주변부에서 색분리 센서 어레이의 제1 영역의 중앙에 배치된 나노포스트의 선폭을 비교할 수 있다. 색분리 센서 어레이의 서로 다른 영역에 배치된 나노포스트, 또는 동일 영역 내에서 서로 다른 위치에 배치된 나노포스트들은 선폭의 비교 대상이 아니다.Here, the line width change is a comparison of the line widths of nanoposts disposed at the same position in the same region among a plurality of first, second, third, and fourth regions of the color separation sensor array. For example, the line width of the nanopost disposed in the center of the first area of the color separation sensor array at the center of the image sensor and the line width of the nanopost disposed in the center of the first area of the color separation sensor array at the periphery of the image sensor. Can be compared. Nanoposts disposed in different regions of the color separation sensor array or nanoposts disposed at different positions within the same region are not subject to line width comparison.
도 31은 도 30에 도시된 이미지 센서의 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소에 각각 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 31의 그래프를 도 29c의 그래프와 비교하여 보면, 나노포스트의 시프트, 나노포스트의 이단 구성과 함께 나노포스트의 선폭을 더 변화시키는 경우, 주광선 각도가 26도인 빛에 대한 색분리 렌즈 어레이의 성능이 더욱 개선되는 것을 알 수 있다.FIG. 31 is a graph exemplarily showing a spectral distribution of light incident on a red pixel, a green pixel, and a blue pixel of the image sensor illustrated in FIG. 30. Comparing the graph of FIG. 31 with the graph of FIG. 29C, when the line width of the nanopost is further changed together with the shift of the nanopost and the two-stage configuration of the nanopost, the performance of the color separation lens array for light with a principal ray angle of 26 degrees. It can be seen that this is further improved.
도 32 및 도 33은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이에 채용되는 나노포스트의 다양한 형상을 보이는 평면도이다. 도 32 및 도 33에 도시된 바와 같이, 다양한 형태를 갖는 나노포스트들이 시프트되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 32에 도시된 바와 같이, 서로 크기가 다른 직사각형 형태의 2단 적층된 나노포스트(NP1, NP2)들이 서로에 대해 시프트될 수 있다. 또한, 도 33에 도시된 바와 같이, 2단 적층된 링형 나노포스트(NPa), 2단 적층된 원형 나노포스트(NPb), 및 2단 적층된 직사각형 나노포스트(NPc)들이 색분리 렌즈 어레이의 각각의 영역들에서 서로에 대해 시프트될 수 있다.32 and 33 are plan views showing various shapes of nanoposts used in a color separation lens array according to another exemplary embodiment. As shown in FIGS. 32 and 33, nanoposts having various shapes may be shifted and disposed. For example, as shown in FIG. 32, two-stage stacked nanoposts NP1 and NP2 in a rectangular shape having different sizes from each other may be shifted with respect to each other. In addition, as shown in FIG. 33, two-stage stacked ring-shaped nanoposts (NPa), two-stage stacked circular nanoposts (NPb), and two-stage stacked rectangular nanoposts (NPc) are each of the color separation lens array. Can be shifted relative to each other in the areas of.
도 34 및 도 35는 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이에 채용되는 나노포스트의 다양한 단면 형상을 보이는 단면도이다. 도 34 및 도 35에 도시된 바와 같이, 나노포스트의 측면에 경사면이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 34에 도시된 색분리 렌즈 어레이(250)는 하부에서 상부로 갈수록 나노포스트의 단면적이 증가하는 방식으로 나노포스트의 측면에 경사면이 형성되어 있다. 따라서, 색분리 렌즈 어레이(250)의 나노포스트는 상부면이 하부면보다 큰 사다리꼴 형태의 단면을 갖는다. 또한, 도 35에 도시된 색분리 렌즈 어레이(260)는 하부에서 상부로 갈수록 나노포스트의 단면적이 감소하는 방식으로 나노포스트의 측면에 경사면이 형성되어 있다. 따라서, 색분리 렌즈 어레이(260)의 나노포스트는 하부면이 상부면보다 큰 사다리꼴 형태의 단면을 갖는다.34 and 35 are cross-sectional views showing various cross-sectional shapes of nanoposts used in a color separation lens array according to another embodiment. 34 and 35, an inclined surface may be formed on the side of the nanopost. For example, in the color
색분리 렌즈 어레이(250, 260)의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역에 각각 배치된 나노포스트들의 경사면의 경사도들은 서로 다를 수 있다. 또한, 이미지 센서의 중심부에 대응하여 위치한 나노포스트들의 경사면의 경사도와 이미지 센서의 주변부에 대응하여 위치한 나노포스트들의 경사면의 경사도가 서로 다를 수 있다.The inclinations of the inclined surfaces of the nanoposts respectively disposed in the first region, the second region, the third region, and the fourth region of the color
도 36은 다른 실시예에 따른 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.36 is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of a pixel array according to another exemplary embodiment.
도 36을 참조하면, 이미지 센서의 화소 어레이(1100d)는 서로 다른 복수의 나노포스트들의 배열을 갖는 제1 색분리 렌즈 어레이(280)와 제2 색분리 렌즈 어레이(290)를 포함할 수 있다. 제2 색분리 렌즈 어레이(290)는 제1 색분리 렌즈 어레이(280) 위에 배치될 수 있다. 제2 색분리 렌즈 어레이(290)의 나노포스트들은 제1 색분리 렌즈 어레이(280)의 나노포스트들에 대해 시프트된 관계를 갖지 않으며, 제2 색분리 렌즈 어레이(290)의 나노포스트들의 배열 형태는 제1 색분리 렌즈 어레이(280)의 나노포스트들의 배열 형태와 상이할 수 있다.Referring to FIG. 36, a
이러한 제1 색분리 렌즈 어레이(280)의 복수의 나노포스트들의 배열과 제2 색분리 렌즈 어레이(290)의 복수의 나노포스트들의 배열은 이미지 센서에 입사하는 빛의 주광선 각도를 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 색분리 렌즈 어레이(290)와 제1 색분리 렌즈 어레이(280)를 연속적으로 투과하여 센서 기판(110)에 입사하는 빛이 입사각과 관계 없이 효율적으로 색분리되어 집광되도록 제1 색분리 렌즈 어레이(280)와 제2 색분리 렌즈 어레이(290)의 복수의 나노포스트들의 배열이 설계될 수 있다.The arrangement of the plurality of nanoposts of the first color
이상의 설명과 같이, 서브 파장의 나노포스트들을 소정 규칙으로 배열한 색분리 렌즈 어레이에 의해 색분리 효율을 높일 수 있고 이를 채용한 이미지 센서의 성능이 향상될 수 있다. 설명된 구체적인 형태는 예시적인 것이며, 이들의 다양한 변형 및 조합이 가능하다. 예를 들어, 가시 광선 파장 대역을 예시하여 설명하였으나 이에 한정되지 않으며 나노포스트 배열 규칙에 따라 다른 파장 대역의 분리도 가능하다. 또한, 나노포스트 어레이의 복수의 영역들 각각에 구비되는 나노포스트 개수는 다양하게 변경될 수 있다. 이미지 센서의 화소 배열은 베이어 패턴을 예시하여 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소가 일방향으로 순서대로 반복되는 배열도 가능하며, 또는 도 2b에 도시된 CYGM 방식의 배열이나 도 2c에 도시된 RGBW 방식의 배열도 가능하다. 또한, 2가지 이상의 색상의 화소를 포함하는 복수의 단위 화소가 반복 배열된 화소 배열 패턴에도 적용될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이는 이러한 화소 배열에 알맞은 영역 구분을 채택하고 각 영역별로 나노포스트 배열 규칙을 선택할 수 있다.As described above, color separation efficiency may be increased by a color separation lens array in which nanoposts of sub wavelengths are arranged in a predetermined rule, and performance of an image sensor employing the same may be improved. The specific forms described are exemplary, and various modifications and combinations thereof are possible. For example, although the wavelength band of visible light has been exemplified, the description is not limited thereto, and other wavelength bands may be separated according to the nanopost arrangement rule. In addition, the number of nanoposts provided in each of the plurality of regions of the nanopost array may be variously changed. The pixel arrangement of the image sensor has been described by exemplifying the Bayer pattern, but is not limited thereto. For example, an arrangement in which red pixels, green pixels, and blue pixels are repeated in one direction in order may be possible, or the CYGM method shown in FIG. 2B An arrangement of or an arrangement of the RGBW method shown in FIG. 2C is also possible. In addition, it may be applied to a pixel arrangement pattern in which a plurality of unit pixels including pixels of two or more colors are repeatedly arranged. The color separation lens array adopts a region division suitable for this pixel arrangement, and a nanopost arrangement rule can be selected for each region.
지금까지는 정의 가능한 형태로 형성된 나노포스트들의 배열을 통해 색분리 렌즈 어레이를 구성하는 것으로 설명하였으나, 색분리 렌즈 어레이는 정의될 수 없는 다른 다양한 형태의 자유 패턴으로도 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 37은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도이다.Until now, it has been described that a color separation lens array is configured through an array of nanoposts formed in a definable shape, but the color separation lens array may also be configured with a free pattern of various types that cannot be defined. For example, FIG. 37 is a conceptual diagram showing a schematic structure and operation of a color separation lens array according to another embodiment.
도 37을 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(330)의 단위 패턴 어레이는 각각 서로 구분되는 제1 미소 구조 내지 제4 미소 구조를 갖는 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(331)은 제1 패턴을 가지며, 제2 영역(332)은 제1 패턴과 상이한 형태로 패터닝된 제2 패턴을 갖고, 제3 영역(333)은 제1 패턴 및 제2 패턴과 상이한 형태로 패터닝된 제3 패턴을 갖고, 제4 영역(334)은 제1 내지 제3 패턴과 상이한 형태로 패터닝된 제4 패턴을 가질 수 있다.Referring to FIG. 37, the unit pattern array of the color
제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)은, 예를 들어, 2×2의 형태로 동일한 평면에 배열될 수 있다. 따라서, 제1 영역(331)과 제2 영역(332)은 제1 방향을 따라 서로 인접하여 배치되며, 제3 영역(333)과 제4 영역(334)도 제1 방향을 따라 서로 인접하여 배치된다. 그리고, 제1 영역(331)과 제3 영역(333)은 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 서로 인접하여 배치되며, 제3 영역(333)과 제4 영역(334)도 제2 방향을 따라 서로 인접하여 배치된다. 제1 영역(331)과 제4 영역(334)은 대각선 방향을 따라 배열되며, 제2 영역(333)과 제3 영역(333)은 다른 대각선 방향을 따라 배열된다.The first to
실시예에 따르면, 색분리 렌즈 어레이(330)에 입사하는 입사광 중에서, 제1 파장의 빛(λ1)은 제1 영역(331)과 연직 방향을 따라 마주하는 제1 타깃 영역(R1)에 집광되고, 제2 파장의 빛(λ2)은 제2 영역(332)과 연직 방향을 따라 마주하는 제2 타깃 영역(R2)에 집광되고, 제3 파장의 빛(λ3)은 제3 영역(333)과 연직 방향을 따라 마주하는 제3 타깃 영역(R3)에 집광되고, 제4 파장의 빛(λ4)은 제4 영역(334)과 연직 방향을 따라 마주하는 제4 타깃 영역(R4)에 집광되도록, 제1 내지 제4 패턴이 결정될 수 있다.이러한 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 구체적인 제1 내지 제4 패턴은 색분리 렌즈 어레이(330)가 적용되는 이미지 센서의 화소 배열 및 색 특성에 따라 다양하게 설계될 수 있다.According to the embodiment, among the incident light incident on the color
예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(330)를 도 2a에 도시된 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용하는 경우, 제1 영역(331)과 제4 영역(334)은 녹색 화소(G)에 마주하여 배치되고, 제2 영역(332)은 청색 화소(B)에 마주하여 배치되고, 제3 영역(333)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.For example, when the color
도 38은 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있는 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 38을 참조하면, 녹색 화소(G)에 마주하는 제1 영역(331)은 제1 패턴을 형성하는 제1 유전체(331a) 및 제1 유전체(331a) 사이에 채워진 제2 유전체(331b)를 포함한다. 청색 화소(B)에 마주하는 제2 영역(332)은 제2 패턴을 형성하는 제1 유전체(332a) 및 제1 유전체(332a) 사이에 채워진 제2 유전체(332b)를 포함하고, 적색 화소(R)에 마주하는 제3 영역(333)은 제3 패턴을 형성하는 제1 유전체(333a) 및 제1 유전체(333a) 사이에 채워진 제2 유전체(333b)를 포함하며, 녹색 화소(G)에 마주하는 제4 영역(334)은 제4 패턴을 형성하는 제1 유전체(334a) 및 제1 유전체(334a) 사이에 채워진 제2 유전체(334b)를 포함한다.38 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. 38, a
제1 영역(331)과 제2 영역(332)은 둘 다 녹색 화소를 마주하고 있어 동일한 형태를 가지지만 그 회전 방향은 다를 수 있다. 예를 들어 도 38과 같이 제4 영역(334)의 패턴은 제1 영역(331)의 패턴이 90도 회전된 형태를 가질 수 있다. 이와 같은 차이는 인접한 화소의 배치에 따라 결정될 수 있다. 도 38의 경우, 제1 영역(331)을 마주하는 녹색 화소(G)의 좌우에는 청색 화소(B)가 배치되고 제4 영역(334)을 마주하는 녹색 화소(G)의 좌우에는 적색 화소(R)가 배치되는 차이에서 이처럼 동일하지만 다른 회전 방향으로 배치된 패턴이 형성될 수 있다.The
제1 유전체(331a, 332a, 333a, 334a)는 모두 동일한 재료로 이루어질 수 있으며, 제2 유전체(331b, 332b, 333b, 334b) 또한 모두 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 유전체(331a, 332a, 333a, 334a)는 TiO2, GaN, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 등과 같이 고굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 재료로 이루어질 수 있으며, 제2 유전체(331b, 332b, 333b, 334b)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(331b, 332b, 333b, 334b)가 공기로 이루어지는 경우, 도 38에 도시된 색분리 렌즈 어레이(330)는 제1 유전체(331a, 332a, 333a, 334a)를 식각하여 간단히 형성될 수 있다.All of the
도 39는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이를 A-A' 라인(X 방향)을 따라 절개한 수직 단면을 예시적으로 보이는 단면도이고, 도 40은 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이를 B-B' 라인(Y 방향)을 따라 절개한 수직 단면을 예시적으로 보이는 단면도이다.39 is a cross-sectional view illustrating a vertical cross section of the unit pattern array shown in FIG. 38 taken along the AA′ line (X direction), and FIG. 40 is a cross-sectional view illustrating the unit pattern array shown in FIG. It is a cross-sectional view showing a vertical cross section cut along the direction) as an example.
도 39 및 도 40을 참조하면, 제1 유전체(331a, 332a, 333a, 334a)와 제2 유전체(331b, 332b, 333b, 334b)는 연직 방향으로 평행하게 연장될 수 있다. 도 39 및 도 40에 도시된 수직 단면의 형태는 예시적인 것이며, A-A' 라인 및 B-B' 라인의 위치에 따라 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 수직 단면의 형태가 달라질 수 있다. 예를 들어, A-A' 라인이 Y방향을 따라 이동함에 따라 도 39에 도시된 수직 단면의 형태가 변화하게 되며, B-B' 라인이 X방향을 따라 이동함에 따라 도 40에 도시된 수직 단면의 형태가 변화하게 된다. 이러한 수직 단면 형태의 변화와 관계 없이, 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 모든 수직 단면에서 제1 유전체(331a, 332a, 333a, 334a)와 제2 유전체(331b, 332b, 333b, 334b)가 함께 존재할 수 있다.39 and 40, the
도 41은 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이를 복수 개 포함하는 색분리 렌즈 어레이의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 41에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(330)는 도 38에 도시된 2×2의 단위 패턴 어레이가 반복적으로 2차원 배열된 형태를 가질 수 있다.41 is a plan view illustrating an arrangement of a color separation lens array including a plurality of unit pattern arrays illustrated in FIG. 38. As shown in FIG. 41, the color
베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용되는 색분리 렌즈 어레이(330)에서, 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제1 내지 제4 패턴은 소정의 규칙을 가질 수 있다. 예컨대, 도 42a는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제1 영역(331)의 패턴을 예시적으로 보이며, 도 42b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다. 도 42b를 참조하면, 제1 영역(331)에 대응하는 녹색 화소(G)의 좌우 방향으로 청색 화소(B)가 배치되며 상하 방향으로는 적색 화소(R)가 배치된다. 제1 영역(331)에 대응하는 녹색 화소(G)의 대각선 방향으로는 제4 영역(334)에 대응하는 녹색 화소들이 배치되며, 도 42b에는 표시되지 않았다. 따라서, 제1 영역(331)을 투과한 투과광 중에서 청색광은 제1 영역(331)의 좌우 방향으로 진행하고 적색광은 제1 영역(331)의 상하 방향으로 진행하는 것과 동일한 광학적인 효과를 얻기 위하여, 제1 영역(331)의 제 1 패턴은 2방 대칭(2-fold symmetry)일 수 있다. 예를 들어, 도 42a에 도시된 바와 같이, 제1 영역(331)의 제 1 패턴은 Y방향을 따른 제1 축(Ⅰ)에 대칭인 동시에 X방향을 따른 제2 축(Ⅱ)에 대칭일 수 있다.In the color
도 43a는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제2 영역(332)의 형태를 예시적으로 보이며, 도 43b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다. 도 43b를 참조하면, 제2 영역(332)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(332)을 투과한 투과광 중에서 녹색광은 제2 영역(332)의 좌우 방향과 상하 방향으로 진행하고 적색광은 제2 영역(332)의 대각선 방향으로 진행하는 것과 동일한 광학적인 효과를 얻기 위하여, 제2 영역(332)의 제2 패턴은 4방 대칭(4-fold symmetry)일 수 있다. 예를 들어, 도 43a에 도시된 바와 같이, 제2 영역(332)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.43A is an exemplary view of the shape of the
도 44a는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제3 영역(333)의 형태를 예시적으로 보이며, 도 44b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다. 도 44b를 참조하면, 제3 영역(333)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(333)을 투과한 투과광 중에서 녹색광은 제3 영역(333)의 좌우 방향과 상하 방향으로 진행하고 청색광은 제3 영역(333)의 대각선 방향으로 진행하는 것과 동일한 광학적인 효과를 얻기 위하여, 제3 영역(333)의 제 3 패턴은 4방 대칭일 수 있다. 예를 들어, 도 44a에 도시된 바와 같이, 제3 영역(333)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.44A is an exemplary view of the shape of the
도 45a는 도 38에 도시된 단위 패턴 어레이 중 제4 영역(334)의 형태를 예시적으로 보이며, 도 45b는 그에 대응하는 이미지 센서의 화소 및 그 주변 화소를 예시적으로 보인다. 도 45b를 참조하면, 제 4 영역(334)에 대응하는 녹색 화소(G)의 좌우 방향으로 적색 화소(R)가 배치되며 상하 방향으로는 청색 화소(B)가 배치된다. 대각선 방향으로는 제1 영역(331)에 대응하는 녹색 화소들이 배치되며, 도 45b에는 표시되지 않았다. 따라서, 제4 영역(334)을 투과한 투과광 중에서 적색광은 제4 영역(334)의 좌우 방향으로 진행하고 청색광은 제4 영역(401)의 상하 방향으로 진행하는 것과 동일한 광학적인 효과를 얻기 위하여, 제4 영역(334)의 제 4 패턴은 2방 대칭일 수 있다. 예컨대, 도 45a에 도시된 바와 같이, 제4 영역(334)의 제 4 패턴은 Y방향을 따른 제1 축(Ⅰ)에 대칭인 동시에 X방향을 따른 제2 축(Ⅱ)에 대칭일 수 있다. 또한, 도 45b에 도시된 화소 배치는 도 42b에 도시된 화소 배치에 대해 90도 회전된 상태이다. 따라서, 제4 영역(334)의 제 4 패턴은 제1 영역(331)의 제 1 패턴에 대해 90도 회전된 것과 동일한 형태를 가질 수 있다.FIG. 45A exemplarily shows the shape of the
베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용되는 색분리 렌즈 어레이(330)에서, 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제 1 내지 제 4 패턴의 또 다른 규칙으로서, 색분리 렌즈 어레이(330)를 투과한 청색광, 녹색광, 및 적색광이 소정의 타깃 위상 분포를 갖도록 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제1 내지 제4 패턴이 설계될 수 있다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(330)를 투과한 청색광이 제2 영역(332)에 대응하는 청색 화소(B)의 위치로 집광되는 위상을 형성하고 제2 영역(332)에 인접한 제1 영역(331) 및 제4 영역(334)에 대응하는 위치들로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제 1 내지 제 4 패턴이 정해질 수 있다.In the color
또한, 색분리 렌즈 어레이(330)를 투과한 녹색광이 제1 영역(331)과 제4 영역(334)에 대응하는 녹색 화소(G)의 위치로 집광되는 위상을 형성하고 제1 영역(331)과 제4 영역(334)에 인접한 제2 영역(332)과 제3 영역(333)에 대응하는 위치로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제 1 내지 제 4 패턴이 정해질 수 있다.In addition, a phase in which green light transmitted through the color
또한, 색분리 렌즈 어레이(330)를 투과한 적색광이 제3 영역(333)에 대응하는 적색 화소(R)로 집광되는 위상을 형성하고 제3 영역(333)에 인접한 제1 영역(331)과 제4 영역(334)에 대응하는 위치로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제1 내지 제4 패턴이 정해질 수 있다.In addition, a phase in which the red light transmitted through the color
이러한 색분리 렌즈 어레이(330)가 구현하고자 하는 타깃 위상 분포는 전술한 색분리 렌즈 어레이(130)에 대해 설명한 것과 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다. 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제1 내지 제4 패턴에 따라 색분리 렌즈 어레이(330)는 도 6a 내지 도 6d, 도 7a 내지 도 7d, 및 도 8a 내지 도 8d에서 설명한 것과 동일한 작용을 할 수 있다.Since the target phase distribution to be implemented by the color
위와 같은 위상 분포를 만족하는 색분리 렌즈 어레이(330)의 패턴은 다양한 방식의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 자동화된 설계가 가능하다. 예를 들어, 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(331, 332, 333, 334)의 패턴을 최적화할 수 있다.The pattern of the color
색분리 렌즈 어레이(330)의 설계를 위하여, 색분리 스펙트럼, 광 효율, 신호대잡음비 등의 평가 요소들로 후보 색분리 렌즈 어레이의 성능을 평가하면서 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제 1 내지 제 4 패턴을 최적화할 수 있다. 예를 들어, 각각의 평가 요소에 대한 목표 수치값을 미리 결정한 후, 다수의 평가 요소들에 대한 목표 수치값과의 차이의 합을 최소화하는 방식으로 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제1 내지 제4 패턴을 최적화할 수 있다. 또는, 각각의 평가 요소 별로 성능을 지표화하고, 성능을 나타내는 값이 최대가 되도록 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 제1 내지 제4 패턴을 최적화할 수 있다.For the design of the color
도 38에 도시된 색분리 렌즈 어레이(330)는 단지 하나의 예이며, 색분리 렌즈 어레이(330)의 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 크기, 두께, 색분리 렌즈 어레이(330)가 적용될 이미지 센서의 색 특성, 화소 피치, 색분리 렌즈 어레이(330)와 이미지 센서 사이의 거리, 입사광의 입사각 등에 따라, 상술한 최적화 설계를 통해 다양한 형태의 색분리 렌즈 어레이(330)를 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 46은 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있는 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이며, 도 47은 베이어 패턴 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있는 또 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 단위 패턴 어레이의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.The color
도 38에 도시된 제 1 내지 제 4 영역(331, 332, 333, 334) 각각은 14×14의 직사각형 배열로 디지털화 된 바이너리 형태로 최적화되었으며, 도 46에 도시된 제 1 내지 제 4 영역(331, 332, 333, 334)의 각각은 16×16의 직사각형 배열로 디지털화 된 바이너리 형태로 최적화되었다. 따라서, 도 38에 도시된 색분리 렌즈 어레이(330)의 단위 패턴 어레이는 28×28의 직사각형 배열로 이루어진 형태를 가지며, 도 46에 도시된 색분리 렌즈의 단위 패턴 어레이는 32×32의 직사각형 배열로 이루어진 형태를 가진다. 이 경우, 도 39 및 도 40에 도시된 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)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
이와 달리, 도 47에 도시된 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334) 각각은 디지털화 되지 않은 연속적인 곡선 형태로 최적화될 수도 있다. 이 경우, 도 39 및 도 40에 도시된 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)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
도 48a 및 도 48b는 색분리 렌즈 어레이를 채용한 이미지 센서의 화소 어레이의 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다. 도 48a 및 도 48b를 참조하면, 이미지 센서의 화소 어레이(1100e)는 센서 기판(110), 스페이서층(120), 및 색분리 렌즈 어레이(330)를 포함할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(330)의 제1 영역(331)은 센서 기판(110)의 제1 광감지셀(111)에 대응하여 배치되며, 색분리 렌즈 어레이(330)의 제2 영역(332)은 센서 기판(110)의 제2 광감지셀(112)에 대응하여 배치된다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(330)의 제2 영역(332)은 센서 기판(110)은 제2 광감지셀(112)에 대응하여 배치되며, 색분리 렌즈 어레이(330)의 제4 영역(334)은 센서 기판(110)의 제4 광감지셀(114)에 대응하여 배치된다. 도 48a 및 도 48b에는 도시되지 않았지만 센서 기판(110)과 스페이서층(120) 사이에는 컬러 필터가 더 배치될 수도 있다. 스페이서층의 두께는 앞에서 이미 설명한 바와 같이 색분리 렌즈 어레이(330)에 의해 분리된 서로 다른 파장의 빛이 그에 대응하는 광감지셀 위로 집광되기 위한 소정의 전파 거리 요건에 따라 정해진다.48A and 48B are schematic cross-sectional views of different cross-sections of a pixel array of an image sensor employing a color separation lens array. 48A and 48B, the
지금까지 설명한 색분리 렌즈 어레이(330)의 구체적인 패턴은 단지 예시적인 것이며, 이들의 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 색분리 렌즈 어레이(330)의 제1 내지 제4 영역(331, 332, 333, 334)의 다른 패턴 형태들에 따라 가시광선 이외의 파장 대역의 분리도 가능하다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(330)의 단위 패턴 어레이를 구성하는 색분리 패턴의 개수도 색분리 렌즈 어레이(330)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(330)의 영역들을 채택하고 각 영역별로 상술한 최적화 방식을 통해 결정될 수 있다.The specific patterns of the color
도 49는 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 49를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(340)는 굵은 선으로 표시된 복수의 2차원 배열된 단위 패턴 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 단위 패턴 어레이는 제1 영역(341), 제2 영역(342), 제3 영역(343), 및 제4 영역(344)을 포함하는 2 ×2의 차원 형태로 배열될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(340)의 전체 구성을 볼 때, 하나의 행(row) 내에서 제1 영역(341)과 제2 영역(342)이 가로 방향을 따라 번갈아 배열되며, 다른 행 내에서 제3 영역(343)과 제4 영역(344)이 가로 방향을 따라 번갈아 배열된다. 또한, 하나의 열(column) 내에서 제1 영역(341)과 제3 영역(343)이 세로 방향을 따라 번갈아 배열되며, 다른 열 내에서 제2 영역(342)과 제4 영역(344)이 세로 방향을 따라 번갈아 배열된다.49 is a plan view illustrating a color separation lens array according to another exemplary embodiment. Referring to FIG. 49, the color
또한, 색분리 렌즈 어레이(340)는 어떠한 단위 패턴 어레이에도 속하지 않는 복수의 제1 내지 제4 영역(341, 342, 343, 344)을 더 포함할 수 있다. 어떠한 단위 패턴 어레이에도 속하지 않는 제1 내지 제4 영역(341, 342, 343, 344)은 색분리 렌즈 어레이(340)의 가장자리를 따라 배열될 수 있다. 다시 말해, 색분리 렌즈 어레이(340)의 좌측 가장자리에 하나의 열을 구성하는 복수의 제2 영역(342)과 복수의 제4 영역(344)이 추가적으로 배열되고, 우측 가장자리에에 하나의 열을 구성하는 복수의 제1 영역(341)과 복수의 제3 영역(343)이 추가적으로 배열되고, 상부측 가장자리에 하나의 행을 구성하는 복수의 제3 영역(343)과 복수의 제4 영역(344)이 추가적으로 배열되고, 하부측 가장자리에 하나의 행을 구성하는 복수의 제1 영역(341)과 복수의 제2 영역(342)이 추가적으로 배열될 수 있다.In addition, the color
도 50은 도 49에 도시된 색분리 렌즈 어레이(340)를 C-C' 라인을 따라 절개한 수직 단면이다. 도 50을 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(340)는 센서 기판(110)의 가장자리에 대해 수평 방향으로 돌출하여 배치되며 연직 방향으로 센서 기판(110)의 어떠한 광감지셀과도 마주하지 않는 복수의 제1 영역(341)과 복수의 제2 영역(342)을 포함할 수 있다. 비록 도 50에 모두 도시되지 않았지만, 도 50에서 어떠한 단위 패턴 어레이에도 속하지 않는 복수의 제1 내지 제4 영역(341, 342, 343, 344)은 모두 센서 기판(110)의 가장자리에 대해 수평 방향으로 돌출하여 배치되며 연직 방향으로 어떠한 광감지셀과도 마주하지 않는다.50 is a vertical cross-section of the color
도 6a 내지 도 6d, 도 7a 내지 도 7d, 및 도 8a 내지 도 8d에서 설명한 바와 같이, 광감지셀은 연직으로 대응하는 색분리 렌즈 어레이(340)의 영역뿐만 아니라 그 영역 주변에 있는 다수의 다른 영역으로부터도 빛을 제공받는다. 따라서, 색분리 렌즈 어레이(340)의 가장자리를 따라 추가된 제1 내지 제4 영역(341, 342, 343, 344)이 없을 경우, 센서 기판(110)의 가장자리를 따라 배열된 광감지셀들에 입사하는 빛의 광량이 작아지고 색순도도 저하될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(340)의 가장자리를 따라 추가적으로 제1 내지 제4 영역(341, 342, 343, 344)을 배열함으로써, 센서 기판(110)의 가장자리를 따라 배열된 광감지셀들에도 센서 기판(110)의 내측에 배열된 광감지셀들과 동일하게 빛이 제공될 수 있다. 이러한 도 49 및 도 50에 도시된 실시예는 상술한 복수의 나노포스트들의 배열을 포함하는 색분리 렌즈 어레이에도 적용될 수 있다.As described in FIGS. 6A to 6D, 7A to 7D, and 8A to 8D, the photosensitive cell is not only a region of the color
한편, 도 22에 도시된 카메라(2000)에 적용되는 경우, 입사광의 주광선 각도를 고려하여 색분리 렌즈 어레이의 복수의 단위 패턴 어레이들의 형태를 다르게 설계할 수 있다. 예를 들어, 도 51은 다른 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 복수의 단위 패턴 어레이들의 배치를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 51을 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(350)는 이미지 센서 상의 위치에 따라 상이한 패을 갖는 복수의 상이한 단위 패턴 어레이(350a~350i)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단위 패턴 어레이(350a~350i)들이 배치된 이미지 센서 상의 위치에 입사하는 입사광의 주광선 각도를 고려하여 상술한 최적화 알고리즘을 통해 각각의 단위 패턴 어레이(350a~350i)의 제1 영역 내지 제4 영역의 패턴을 결정할 수 있다. 이미지 센서의 중심부에 입사하는 빛의 주광선 각도가 0도이고 이미지 센서의 가장자리로 갈수록 입사광의 주광선 각도가 커지는 경우, 단위 패턴 어레이(350a~350i)의 제1 영역 내지 제4 영역의 패턴은 이미지 센서의 중심부에 배치된 단위 패턴 어레이(350e)로부터 이미지 센서의 가장자리에 배치된 단위 패턴 어레이(350a, 350b, 350c, 350d, 350f, 350g, 350h, 350i)들을 향해 가면서 점진적으로 변화할 수 있다.Meanwhile, when applied to the
또한, 이미지 센서 상의 위치에 따라 달라지는 입사광의 주광선 각도의 변화에 관계 없이 일정한 색분리 효율을 얻기 위하여, 2개의 상이한 색분리 렌즈 어레이를 2층 구조로 적층할 수도 있다. 예를 들어, 도 52는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 52를 참조하면, 이미지 센서의 화소 어레이(1100f)는 스페이서층(120) 위에 배치된 제1 색분리 렌즈 어레이(360) 및 제1 색분리 렌즈 어레이(360) 위에 배치된 제2 색분리 렌즈 어레이(370)를 포함할 수 있다.In addition, two different color separation lens arrays may be stacked in a two-layer structure in order to obtain a constant color separation efficiency regardless of a change in the main ray angle of incident light that varies depending on the position on the image sensor. For example, FIG. 52 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a pixel array of an image sensor according to another exemplary embodiment. Referring to FIG. 52, the
제1 색분리 렌즈 어레이(360)는 연직 방향을 따라 제1 광감지셀(111)과 마주하여 배치되는 제1 영역(361) 및 연직 방향을 따라 제2 광감지셀(112)과 마주하여 배치되는 제2 영역(362)을 포함할 수 있다. 도 52의 단면도에는 제1 영역(361)과 제2 영역(362)만이 도시되었지만, 제1 색분리 렌즈 어레이(360)는 다른 단면 위치에서 제3 영역과 제4 영역를 더 포함할 수 있다. 제2 색분리 렌즈 어레이(370)는 연직 방향을 따라 제1 광감지셀(111)과 마주하여 배치되는 제1 영역(371) 및 연직 방향을 따라 제 2 광감지셀(112)과 마주하여 배치되는 제2 영역(372)을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 색분리 렌즈 어레이(360)의 제1 영역(361)과 제2 영역(362)은 각각 연직 방향을 따라 제2 색분리 렌즈 어레이(370)의 제1 영역(371)과 제2 영역(372)에 마주하여 배치될 수 있다. 또한, 제2 색분리 렌즈 어레이(370)도 역시 제3 영역과 제4 영역를 더 포함할 수 있다.The first color
제1 색분리 렌즈 어레이(360)의 제1 영역(361)과 제2 영역(362)은 서로 다른 형태의 패턴을 가질 수 있으며, 제2 색분리 렌즈 어레이(370)의 제1 영역(371)과 제2 영역(372)도 서로 다른 형태의 패턴을 가질 수 있다. 또한, 제1 색분리 렌즈 어레이(360)의 제1 영역(361)은 제2 색분리 렌즈 어레이(370)의 제1 영역(371) 및 제2 영역(372)과 다른 형태의 패턴을 가지며, 제1 색분리 렌즈 어레이(360)의 제2 영역(362)는 제2 색분리 렌즈 어레이(370)의 제1 영역(371) 및 제2 영역(372)와 다른 형태의 패턴을 가질 수 있다.The
이러한 구조에서, 제2 색분리 렌즈 어레이(370)와 제1 색분리 렌즈 어레이(360)를 연속적으로 투과하여 센서 기판(110)에 입사하는 빛이 입사각과 관계 없이 효율적으로 색분리 되도록 제2 색분리 렌즈 어레이(370)와 제1 색분리 렌즈 어레이(360)의 패턴을 설계할 수 있다. 예를 들어, 제2 색분리 렌즈 어레이(370)는 이미지 센서 상의 위치에 따라 다른 형태를 가지며 입사광 진행 방향을 제1 색분리 렌즈 어레이(360)의 표면 법선에 거의 평행하게 변화시킬 수 있다. 이 경우, 제1 색분리 렌즈 어레이(360)의 패턴은 이미지 센서 상의 위치에 관계 없이 일정할 수도 있다. 또는, 제1 색분리 렌즈 어레이(360)의 패턴과 제2 색분리 렌즈 어레이(370)의 패턴은 빛이 진행하는 방향을 따라 서로 시프트될 수도 있다.In this structure, light incident on the
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 53은 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.53 is a schematic block diagram of an electronic device including an image sensor according to embodiments. The electronic device includes an
도 54 내지 도 64는 실시예들에 따른 이미지 센서가 적용된 전자 장치의 다양한 예를 보인다.54 to 64 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 54에 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
도 55를 참조하면, 카메라(2000)는 촬상부(2100), 이미지 센서(1000), 및 프로세서(2200)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 55, the
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 55에는 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
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
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 55에는 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
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
실시예들에 따른 이미지 센서는 도 56에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(3000), 도 57에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(3100), 도 58에 도시된 노트북 컴퓨터(3200), 도 59에 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.Image sensors according to embodiments are a mobile phone or
또한, 이미지 센서는 도 60에 도시된 스마트 냉장고(3400), 도 61에 도시된 보안 카메라(3500), 도 62에 도시된 로봇(3600), 또는 도 63에 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. 또한, 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 is applied to the
또한, 이미지 센서는 도 64에 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)은 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
상술한 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.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, but this is only exemplary, and various modifications thereof are made to those of ordinary skill in the art. And it will be appreciated that 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
121.....유전체층
130, 140, 150, 160, 170.....색분리 렌즈 어레이
131, 141, 151, 161, 171.....제1 영역
132, 142, 152, 162, 172.....제2 영역
133, 143, 153, 163, 173.....제3 영역
134, 144, 154, 164, 174.....제4 영역
1000.....이미지 센서
1010.....타이밍 컨트롤러
1020.....로우 디코더
1030.....출력 회로
1100.....화소 어레이105.....color filter
110.....sensor board
111, 112, 113, 114.....light sensing cell
120.....spacer layer
121.....dielectric layer
130, 140, 150, 160, 170.....color-separated lens array
131, 141, 151, 161, 171.....First area
132, 142, 152, 162, 172.....Second area
133, 143, 153, 163, 173.....3rd area
134, 144, 154, 164, 174.....4th area
1000.....image sensor
1010.....Timing controller
1020.....low decoder
1030.....output circuit
1100.....pixel array
Claims (29)
상기 복수의 제1 광감지셀에 각각 대응하며 제1 미소 구조를 갖는 복수의 제1 영역, 및 상기 복수의 제2 광감지셀에 각각 대응하며 상기 제1 미소 구조와 상이한 제2 미소 구조를 갖는 복수의 제2 영역을 구비하는 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
상기 제1 미소 구조와 제2 미소 구조는, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광 중에서 서로 다른 제1 파장의 광과 제2 파장의 광이 서로 다른 방향으로 분기되어 각각 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 집광되는 위상 분포를 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 통과한 위치에서 형성시키고,
상기 색분리 렌즈 어레이의 중심부에서 상기 제1 영역 및 제2 영역의 위치는 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀의 위치와 일치하며, 상기 색분리 렌즈 어레이의 주변부에서 상기 제1 영역 및 제2 영역의 위치는 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 대해서 상기 색분리 렌즈 어레이의 중심부 방향을 향해 시프트 되어 있는, 이미지 센서.A sensor substrate including a plurality of first light sensing cells and a plurality of second light sensing cells for sensing light: And
A plurality of first regions each corresponding to the plurality of first light sensing cells and having a first microstructure, and each corresponding to the plurality of second light sensing cells and having a second microstructure different from the first microstructure. Including; a color separation lens array having a plurality of second regions,
In the first microstructure and the second microstructure, light having a first wavelength and light having a second wavelength different from among incident light incident on the color separation lens array are diverged in different directions, respectively. 2 A phase distribution condensed by the light sensing cell is formed at a position passing through the first region and the second region,
The positions of the first and second regions in the center of the color separation lens array coincide with the positions of the first and second light sensing cells respectively corresponding thereto, and the first region and the second region are located at the periphery of the color separation lens array. The positions of the first region and the second region are shifted toward the center of the color separation lens array with respect to the first and second light sensing cells corresponding thereto, respectively.
상기 색분리 렌즈 어레이의 주변부에서 상기 제1 영역 및 제2 영역이 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 대해서 시프트되는 정도는 상기 색분리 렌즈 어레이의 중심부로부터 멀어질수록 더 커지는, 이미지 센서.The method of claim 1,
The degree to which the first region and the second region at the periphery of the color separation lens array are shifted with respect to the corresponding first and second light sensing cells, respectively, increases as the distance from the center of the color separation lens array increases. Growing, image sensor.
상기 제1 영역 및 제2 영역이 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 대해서 시프트되는 거리 s는 를 만족하며, 여기서 d는 상기 색분리 렌즈 어레이의 하부 표면과 상기 센서 기판의 상부 표면 사이의 최단 직선 거리이고, CRA’는 상기 센서 기판에 입사하는 빛의 입사각인, 이미지 센서.The method of claim 1,
The distance s at which the first and second regions are shifted with respect to the corresponding first and second photosensitive cells, respectively, is Wherein d is the shortest linear distance between the lower surface of the color separation lens array and the upper surface of the sensor substrate, and CRA′ is the incident angle of light incident on the sensor substrate.
상기 제1 미소 구조와 제2 미소 구조는, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에서 2Nπ, 상기 제2 광감지셀의 중심부에서 (2N-1)π의 위상 분포를 형성하며, N은 0보다 큰 정수인, 이미지 센서. The method of claim 1,
In the first and second microstructures, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a first wavelength is 2Nπ at the center of the first photosensitive cell, and at the center of the second photosensitive cell. An image sensor that forms a phase distribution of (2N-1)π, where N is an integer greater than 0.
상기 제1 미소 구조와 제2 미소 구조는, 상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부에서 (2M-1)π, 상기 제2 광감지셀의 중심부에서는 2Mπ의 위상 분포를 형성하며, M은 0보다 큰 정수인, 이미지 센서.The method of claim 4,
In the first microstructure and the second microstructure, at a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a second wavelength is (2M-1)π at the center of the first light sensing cell, and the second light An image sensor that forms a phase distribution of 2Mπ in the center of the sensing cell, and M is an integer greater than 0.
상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 배치되어 상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 거리를 형성하는 스페이서층을 더 포함하는, 이미지 센서.The method of claim 1,
The image sensor further comprising a spacer layer disposed between the sensor substrate and the color separation lens array to form a distance between the sensor substrate and the color separation lens array.
상기 스페이서층의 이론 두께를 ht, 상기 제1 광감지셀과 제2 광감지셀 각각의 피치를 p라고 할 때, 상기 스페이서층의 두께 h는 ht - p ≤ h ≤ ht - p이고,
상기 스페이서층의 이론 두께는 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 입사광의 파장 대역의 중심 파장에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 초점 거리인, 이미지 센서.The method of claim 6,
When the theoretical thickness of the spacer layer is h t , and the pitch of each of the first and second light sensing cells is p, the thickness h of the spacer layer is h t -p ≤ h ≤ h t -p ,
The theoretical thickness of the spacer layer is 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 굴절률을 n, 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 광의 파장 대역의 중심파장을 λ0 라 할 때, 상기 스페이서층의 이론 두께 ht는 다음 식
으로 표현되는, 이미지 센서.The method of claim 7,
When the refractive index of the spacer layer is n and the center wavelength of the wavelength band of light color-separated by the color separation lens array is λ 0 , the theoretical thickness h t of the spacer layer is the following equation:
Represented as, the image sensor.
상기 센서 기판은 광을 감지하는 복수의 제3 광감지셀 및 복수의 제4 광감지셀을 더 포함하며,
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 복수의 제3 광감지셀에 각각 대응하며 제1 및 제2 미소 구조와 상이한 제3 미소 구조를 갖는 복수의 제3 영역, 및 상기 복수의 제4 광감지셀에 각각 대응하며 상기 제1 내지 제3 미소 구조와 상이한 제4 미소 구조를 갖는 복수의 제4 영역을 포함하고,
각각의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역은 4개의 사분면을 따라 각각 배열되어 있는, 이미지 센서.The method of claim 1,
The sensor substrate further includes a plurality of third light sensing cells and a plurality of fourth light sensing cells for sensing light,
The color separation lens array corresponds to each of the plurality of third light sensing cells and includes a plurality of third regions having a third microstructure different from the first and second microstructures, and each of the plurality of fourth photosensitive cells. A plurality of fourth regions corresponding to and having a fourth microstructure different from the first to third microstructures,
Each of the first region, the second region, the third region, and the fourth region are each arranged along four quadrants.
상기 이미지 센서의 중심부에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역의 위치는 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀, 제2 광감지셀, 제3 광감지셀, 및 제4 광감지셀의 위치와 일치하며,
상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역은 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀, 제2 광감지셀, 제3 광감지셀, 및 제4 광감지셀에 대해서 상기 이미지 센서의 중심부를 향해 시프트 되어 있는, 이미지 센서.The method of claim 9,
Positions of the first, second, third, and fourth regions of the color separation lens array in the center of the image sensor are respectively corresponding to the first light sensing cell, the second light sensing cell, and the third light. It matches the position of the sensing cell and the fourth light sensing cell,
At the periphery of the image sensor, the first, second, third, and fourth regions of the color separation lens array are respectively corresponding to a first light sensing cell, a second light sensing cell, and a third light sensing cell. , And a fourth light sensing cell that is shifted toward the center of the image sensor.
상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역이 그에 각각 대응하는 제1 광감지셀, 제2 광감지셀, 제3 광감지셀, 및 제4 광감지셀에 대해서 시프트되는 정도는 상기 이미지 센서의 중심부로부터 멀어질수록 더 커지는, 이미지 센서.The method of claim 10,
The first, second, third, and fourth regions of the color separation lens array at the periphery of the image sensor respectively correspond to a first light sensing cell, a second light sensing cell, and a third light sensing cell. , And a degree of shifting with respect to the fourth light sensing cell increases as the distance from the center of the image sensor increases.
상기 제1 미소 구조 내지 제4 미소 구조는, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광 중에서 서로 다른 제1 파장 내지 제3 파장의 광이 서로 다른 방향으로 분기되어 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀과 상기 제4 광감지셀에 집광되고, 제2 파장의 광이 상기 제2 광감지셀에 집광되고, 제3 파장의 광이 상기 제3 광감지셀에 집광되는 위상 분포를 상기 제1 영역 내지 상기 제4 영역을 통과한 위치에서 형성하는, 이미지 센서.The method of claim 9,
In the first to fourth microstructures, light having different first wavelengths to third wavelengths among incident light incident on the color separation lens array is diverged in different directions, so that light of the first wavelength is converted into the first light. The first phase distribution in which light of a sensing cell and the fourth light sensing cell is condensed, light of a second wavelength is condensed on the second light sensing cell, and light of a third wavelength is condensed to the third light sensing cell. An image sensor formed at a position passing through the region to the fourth region.
상기 제1 파장은 녹색광이고, 상기 제2 파장은 청색광이며, 상기 제3 파장은 적색광인, 이미지 센서.The method of claim 12,
The first wavelength is green light, the second wavelength is blue light, and the third wavelength is red light.
상기 제1 미소 구조 내지 제4 미소 구조는:
상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부와 상기 제4 광감지셀의 중심부에서 2Nπ, 상기 제2 광감지셀의 중심부와 상기 제3 광감지셀의 중심부에서 (2N-1)π의 위상 분포를 형성하도록 하고,
상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부 및 상기 제4 광감지셀의 중심부에서 (2M-1)π, 상기 제2 광감지셀의 중심부에서 2Mπ, 상기 제3 광감지셀의 중심부에서 (2M-2)π보다 크고 (2M-1)π보다 작은 위상 분포를 형성하도록 하고,
상기 색분리 렌즈 어레이를 통과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광이 상기 제1 광감지셀의 중심부 및 상기 제4 광감지셀의 중심부에서 (2L-1)π, 상기 제3 광감지셀의 중심부에서 2Lπ, 상기 제2 광감지셀의 중심부에서 (2L-2)π보다 크고 (2L-1)π보다 작은 위상 분포를 형성도록 하며, N, M 및 L은 0보다 큰 정수인, 이미지 센서.The method of claim 12,
The first to fourth microstructures are:
At a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a first wavelength is 2Nπ at the center of the first photo-sensing cell and the center of the fourth photo-sensing cell, and the center of the second photo-sensing cell and the third Form a phase distribution of (2N-1)π at the center of the light sensing cell,
At a position immediately after passing through the color separation lens array, light of a second wavelength is (2M-1)π at the center of the first photosensitive cell and the center of the fourth photosensitive cell, 2Mπ at the center and a phase distribution larger than (2M-2)π and smaller than (2M-1)π at the center of the third light sensing cell,
At the position immediately after passing through the color separation lens array, the light of the third wavelength is (2L-1)π at the center of the first photosensitive cell and the center of the fourth photosensitive cell, 2Lπ at the center, larger than (2L-2)π and smaller than (2L-1)π at the center of the second light sensing cell, and N, M, and L are integers greater than 0.
상기 제1 내지 제4 영역의 상기 제1 미소 구조 내지 제4 미소 구조는 복수의 나노포스트를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 영역은 상기 나노포스트들의 형상, 크기, 배열 중 적어도 하나가 서로 다른, 이미지 센서.The method of claim 9,
The first to fourth microstructures of the first to fourth regions include a plurality of nanoposts, and the first to fourth regions have different shapes, sizes, and arrangements of the nanoposts. , Image sensor.
상기 이미지 센서는 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소를 포함하는 복수의 단위 화소가 반복 배열된 화소 배열 구조를 가지며,
상기 제1 영역 내지 제4 영역 중에서 녹색 화소에 대응하는 영역에 구비된 나노포스트는 제1 방향 및 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 서로 다른 분포 규칙을 가지는, 이미지 센서.The method of claim 15,
The image sensor has a pixel arrangement structure in which a plurality of unit pixels including a red pixel, a green pixel, and a blue pixel are repeatedly arranged,
The image sensor, wherein the nanoposts provided in a region corresponding to a green pixel among the first to fourth regions have different distribution rules along a first direction and a second direction perpendicular to the first direction.
상기 제1 영역 내지 제4 영역 중에서 청색 화소 및 적색 화소에 대응하는 영역에 구비된 나노포스트는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향을 따라 대칭적인 분포 규칙을 가지는, 이미지 센서.The method of claim 16,
The image sensor, wherein the nanoposts provided in regions corresponding to blue pixels and red pixels among the first to fourth regions have symmetrical distribution rules along the first and second directions.
상기 복수의 나노포스트 각각은 제1 나노포스트 및 상기 제1 나노포스트 위에 적층된 제2 나노포스트를 포함하며,
상기 이미지 센서의 중심부에서 상기 제2 나노포스트의 위치는 상기 제1 나노포스트의 위치와 일치하며,
상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 제2 나노포스트는 상기 제1 나노포스트에 대해서 상기 이미지 센서의 중심부 방향을 향해 시프트되어 있는, 이미지 센서.The method of claim 15,
Each of the plurality of nanoposts includes a first nanopost and a second nanopost stacked on the first nanopost,
The position of the second nanopost in the center of the image sensor coincides with the position of the first nanopost,
The image sensor, in which the second nanopost is shifted toward the center of the image sensor with respect to the first nanopost in the peripheral part of the image sensor.
상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 제2 나노포스트가 상기 제1 나노포스트에 대해서 시프트되는 정도는 상기 이미지 센서의 중심부로부터 멀어질수록 더 커지는, 이미지 센서.The method of claim 18,
An image sensor, wherein a degree to which the second nanopost is shifted with respect to the first nanopost in a peripheral portion of the image sensor increases as the distance from the center of the image sensor increases.
상기 복수의 나노포스트 각각은 제1 나노포스트, 상기 제1 나노포스트 위에 적층된 제2 나노포스트, 및 상기 제2 나노포스트 위에 적층된 제3 나노포스트를 포함하며,
상기 이미지 센서의 중심부에서 상기 제2 나노포스트의 위치 및 상기 제3 나노포스트의 위치는 상기 제1 나노포스트의 위치와 일치하며,
상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 제2 나노포스트는 상기 제1 나노포스트에 대해서 상기 이미지 센서의 중심부 방향을 향해 시프트되어 있고, 상기 제3 나노포스트는 상기 제2 나노포스트에 대해서 상기 이미지 센서의 중심부 방향을 향해 시프트되어 있는, 이미지 센서.The method of claim 15,
Each of the plurality of nanoposts includes a first nanopost, a second nanopost stacked on the first nanopost, and a third nanopost stacked on the second nanopost,
The position of the second nanopost and the position of the third nanopost in the center of the image sensor coincide with the position of the first nanopost,
At the periphery of the image sensor, the second nanopost is shifted toward the center of the image sensor with respect to the first nanopost, and the third nanopost is toward the center of the image sensor with respect to the second nanopost. The image sensor, which is shifted towards the.
상기 이미지 센서의 주변부에서 상기 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역 중에서 어느 한 영역 내에 배치된 나노포스트의 선폭은 상기 이미지 센서의 중심부에서 동일 영역 내의 동일 위치에 배치된 나노포스트의 선폭보다 큰, 이미지 센서.The method of claim 15,
The line width of the nanoposts disposed in any one of the first, second, third, and fourth areas at the periphery of the image sensor is a nano-post disposed at the same location in the same area from the center of the image sensor. Image sensor, larger than the line width of the post.
상기 이미지 센서의 주변부에서 나노포스트의 선폭이 w이고, 상기 이미지 센서의 중심부에서 나노포스트의 선폭이 w0일 때,
을 만족하며,
여기서 CRA는 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 빛의 입사각인, 이미지 센서.The method of claim 21,
When the line width of the nanopost at the periphery of the image sensor is w, and the line width of the nanopost at the center of the image sensor is w 0 ,
Satisfies
Here, CRA is an incidence angle of light incident on the color separation lens array, an image sensor.
상기 이미지 센서의 가장 가장자리에서 상기 나노포스트의 선폭은 상기 이미지 센서의 중심부에서의 상기 나노포스트의 선폭에 비하여 2.5% 내지 6.5% 더 큰, 이미지 센서.The method of claim 21,
The image sensor, wherein the line width of the nanopost at the edge of the image sensor is 2.5% to 6.5% larger than the line width of the nanopost at the center of the image sensor.
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 센서 기판의 가장자리에 대해 돌출하여 배치되며 연직 방향으로 상기 센서 기판의 어떠한 광감지셀과도 마주하지 않는 복수의 제1 영역 및 복수의 제2 영역을 더 포함하는, 이미지 센서.The method of claim 1,
The color separation lens array is disposed to protrude from the edge of the sensor substrate and further includes a plurality of first regions and a plurality of second regions that do not face any light sensing cells of the sensor substrate in a vertical direction. sensor.
상기 색분리 렌즈 어레이의 전체 면적은 상기 센서 기판의 전체 면적보다 작은, 이미지 센서.The method of claim 1,
The image sensor, wherein the total area of the color separation lens array is smaller than the total area of the sensor substrate.
상기 색분리 렌즈 어레이는 제1 색분리 렌즈 어레이 및 상기 제1 색분리 렌즈 어레이 위에 배치된 제2 색분리 렌즈 어레이를 포함하며,
상기 제1 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역 및 제2 영역의 제1 미소 구조 및 제2 미소 구조는 복수의 나노포스트를 포함하고, 상기 제2 색분리 렌즈 어레이의 제1 영역 및 제2 영역의 제1 미소 구조 및 제2 미소 구조는 복수의 나노포스트를 포함하며, 상기 제1 색분리 렌즈 어레이의 복수의 나노포스트의 배열 형태는 상기 제2 색분리 렌즈 어레이의 복수의 나노포스트의 배열 형태와 상이한, 이미지 센서.The method of claim 1,
The color separation lens array includes a first color separation lens array and a second color separation lens array disposed on the first color separation lens array,
The first and second microstructures of the first region and the second region of the first color separation lens array include a plurality of nanoposts, and the first region and the second region of the second color separation lens array The first microstructure and the second microstructure include a plurality of nanoposts, and the arrangement of the plurality of nanoposts of the first color separation lens array corresponds to the arrangement of the plurality of nanoposts of the second color separation lens array. Different, image sensor.
제1 굴절률을 가지며 제1 패턴을 형성하는 제1 유전체 및 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 가지며 상기 제1 패턴의 제1 유전체 사이에 채워진 제2 유전체를 구비하며 상기 복수의 제1 광감지셀에 각각 대응하는 복수의 제1 영역, 및 제1 굴절률을 가지며 제1 패턴과 상이한 제2 패턴을 형성하는 제1 유전체 및 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 가지며 상기 제2 패턴의 제1 유전체 사이에 채워진 제2 유전체를 구비하며 상기 복수의 제2 광감지셀에 각각 대응하는 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
상기 제1 영역과 제2 영역은, 상기 색분리 렌즈 어레이에 입사하는 입사광 중에서 서로 다른 제1 파장의 광과 제2 파장의 광이 서로 다른 방향으로 분기되어 각각 제1 광감지셀 및 제2 광감지셀에 집광되는 위상 분포를 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 통과한 위치에서 형성시키고,
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 제1 패턴의 형태 및 제2 패턴의 형태가 상기 색분리 렌즈 어레이의 중심부로부터 상기 색분리 렌즈 어레이의 주변부를 향해 가면서 점진적으로 변화하는, 이미지 센서.A sensor substrate including a plurality of first light sensing cells and a plurality of second light sensing cells for sensing light: And
The plurality of first light sensing cells having 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 of the first pattern A plurality of first regions respectively corresponding to, and a first dielectric having a first refractive index and forming a second pattern different from the first pattern, and a second dielectric having a second refractive index less than the first refractive index, and between the first dielectric of the second pattern Including; a color separation lens array having a second dielectric filled in and corresponding to each of the plurality of second light sensing cells,
In the first region and the second region, light of a first wavelength and light of a second wavelength different from among incident light incident on the color separation lens array are diverged in different directions, respectively, so that a first light sensing cell and a second light are formed. A phase distribution condensed by the sensing cell is formed at a position passing through the first region and the second region,
The image sensor, wherein the shape of the first pattern and the shape of the second pattern of the first area and the second area gradually change from the center of the color separation lens array toward the periphery of the color separation lens array.
상기 촬상부에서 형성한 광학상을 전기적 신호로 변환하는, 제1 항 내지 제27 항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서;를 포함하는 전자 장치.An imaging unit that focuses the light reflected from the subject to form an optical image; And
An electronic device comprising: the image sensor according to any one of claims 1 to 27, which converts the optical image formed by the imaging unit into an electrical signal.
상기 전자 장치는 스마트 폰(smart phone), 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), 또는 PC(personal computer)인, 전자 장치.The method of claim 28,
The electronic device is a smart phone, a mobile phone, a personal digital assistant (PDA), a laptop, or a personal computer (PC).
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