KR20210105056A - 이미지 센서 및 이를 포함하는 촬영 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 제1 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제1 위상차 픽셀, 및 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제2 위상차 픽셀을 포함하며, 상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 수광 영역에서 마이크로 렌즈를 덮는 반사 방지층을 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서 및 이를 포함하는 촬영 장치{Image Sensor and Photographing Apparatus including the same}
본 개시는 자동 초점 조절 기능을 갖는 이미지 센서 및 이를 포함하는 촬영 장치에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 게임기기, 사물 인터넷(Internet of Things), 로봇, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
이미지 센서는 크게 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고, 화질이 우수하다. 하지만, CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 용이하고 전력 소모가 매우 낮으며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가가 낮다. 최근에는 모바일 기기에 보다 적합한 특성으로 인하여 CMOS 이미지 센싱 장치가 많이 이용되고 있다.
최근 이미지 센서를 탑재한 촬영 장치는 피사체에 자동적으로 핀트를 맞추는 오토 포커스(autofocus) 기능을 갖추는 추세에 있다. 오토 포커스 기능은 대표적으로 위상차 검출 방식 또는 콘트라스트 검출 방식을 이용하여 구현되고 있다. 위상차 검출 방식은 동시에 촬영된 두개의 상 간의 위상차를 계산하여 촬영 렌즈를 광축 방향으로 이동시켜 초점을 맞추는 방식이다. 콘트라스트 검출 방식은 촬영 렌즈를 광축 방향으로 이동시키면서 피사체 광의 콘트라스트를 반복 검출해, 그 콘트라스트가 가장 커질 때의 렌즈 위치를 정초점 위치로 결정하는 방식이다.
본 발명의 기술적 사상은 개선된 성능을 갖는 위상차 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 촬영 장치를 제공하기 위함이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 제1 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제1 위상차 픽셀, 및 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제2 위상차 픽셀을 포함하며, 상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 수광 영역에서 마이크로 렌즈를 덮는 반사 방지층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬영 장치는, 제1 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제1 위상차 픽셀 및 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제2 위상차 픽셀을 포함하는 이미지 센서; 상기 제1 위상차 픽셀의 제1 위상차 검출 신호와 상기 제2 위상차 픽셀의 제2 위상차 검출 신호에 기초하여 디포커스 값(defocus value)을 산출하는 초점 검출기; 및 상기 디포커스 값에 따라 상기 이미지 센서의 전방에 배치된 렌즈의 위치를 조절하는 렌즈 드라이버를 포함하며, 상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 수광 영역에서 마이크로 렌즈를 덮는 반사 방지층을 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 위상차 픽셀의 수광 영역에 높은 성능의 반사 방지층을 배치함으로써 위상차 픽셀의 광 감도 저하를 방지할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촬영 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서를 간략히 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 픽셀 어레이를 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6은 촬영 장치가 오토 포커싱 동작을 수행하는 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제1 위상차 픽셀의 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 제2 위상차 픽셀의 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7과 도 8에 도시된 반사 방지층을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 10은 제1 위상차 픽셀의 단면의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 제2 위상차 픽셀의 단면의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 12 내지 도 14는 촬영 장치가 오토 포커싱 동작을 수행하는 방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 제1 위상차 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 16은 제2 위상차 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촬영 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 촬영 장치(1)는 정지 영상을 촬영하는 디지털 스틸 카메라나 동영상을 촬영하는 디지털 비디오 카메라 등의 장치를 의미할 수 있다. 예를 들어, 촬영 장치(1)는 디지털 일안 리플렉스 카메라(Digital Single Lens Reflex; DSLR), 미러리스(mirrorless) 카메라 또는 스마트폰으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 촬영 장치(1)는 렌즈 및 촬상 소자를 포함하여 피사체를 촬영하고 이미지를 생성할 수 있는 장치를 포함하는 개념일 수 있다.
촬영 장치(1)는 렌즈(10), 조리개(20), 렌즈 드라이버(30), 조리개 드라이버(40), 이미지 센서(100) 및 이미지 신호 프로세서(200)를 포함할 수 있다.
렌즈(10)는 광축을 기준으로 정렬된 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈(10)는 이미지 센서(100)의 전방에 배치되어 광학 신호를 이미지 센서(100)로 전달할 수 있으며, 렌즈 드라이버(30)에 의해 위치가 조절될 수 있다. 예를 들어, 렌즈(10)는 렌즈 드라이버(30)에 의해 광축을 따라 이동할 수 있다.
조리개(20)는 조리개 드라이버(40)에 의해 개폐 정도가 조절되어, 이미지 센서(100)로 입사되는 광량을 조절할 수 있다.
렌즈(10) 및 조리개(20)를 투과한 광학 신호는 이미지 센서(100)의 수광면으로 입사되어 피사체의 상을 결상할 수 있다.
렌즈 드라이버(30)는 이미지 신호 프로세서(200)로부터 제공된 제어 신호에 따라 렌즈(10)의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 드라이버(30)는 렌즈(10)의 위치를 조절하여, 오토 포커싱, 줌 변경, 초점 변경 등의 동작을 수행할 수 있다.
조리개 드라이버(40)는 이미지 신호 프로세서(200)로부터 제공된 제어 신호에 따라 조리개(20)의 개폐 정도를 조절할 수 있다. 조리개 드라이버(40)는 조리개(20)의 개폐 정도를 조절하여, 이미지 센서(100)로의 광량 노출 정도를 제어할 수 있다.
이미지 센서(100)는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 CIS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)일 수 있다. 이미지 센서(100)는 이미지 신호 프로세서(200)에 의해 온/오프(on/off), 동작 모드, 감도 등이 조절될 수 있다. 이미지 센서(100)의 보다 상세한 구성 및 동작은 도 2를 참조하여 후술하기로 한다.
이미지 신호 프로세서(200)는 이미지 센서(100)로부터 입력되는 영상 데이터를 처리하고, 처리 결과에 따라 또는 외부 입력 신호에 따라 촬영 장치(10)의 각 구성을 제어할 수 있다. 이미지 신호 프로세서(200)는 영상 데이터에 대해 노이즈를 저감하고, 감마 보정(Gamma Correction), 색 필터 배열 보간(color filter array interpolation), 색 매트릭스(color matrix), 색보정(color correction), 색 향상(color enhancement) 등의 화질 개선을 위한 영상 신호 처리를 수행할 수 있다. 또한, 화질 개선을 위한 영상 신호 처리를 수행하여 생성한 영상 데이터를 압축 처리하여 영상 파일을 생성할 수 있고, 또는 상기 영상 파일로부터 영상 데이터를 복원할 수 있다. 영상의 압축 형식은 가역 형식 또는 비가역 형식일 수 있다. 압축 형식의 예로서, 정지 영상의 경우, JPEG(Joint Photographic Experts Group) 형식이나 JPEG 2000 형식 등이 이용될 수 있다. 또한, 동영상의 경우, MPEG(Moving Picture Experts Group) 표준에 따라 복수의 프레임들을 압축하여 동영상 파일이 생성될 수 있다. 영상 파일은 예를 들면 Exif(Exchangeable image file format) 표준에 따라 생성될 수 있다.
이미지 신호 프로세서(200)로부터 출력된 이미지 데이터는 사용자의 요청에 따라 또는 자동적으로 촬영 장치(1)의 내부 메모리 또는 외장 메모리에 저장되거나, 디스플레이를 통해 표시될 수 있다.
또한, 이미지 신호 프로세서(200)는 불선명 처리, 블러 처리, 엣지 강조 처리, 영상 해석 처리, 영상 인식 처리, 영상 이펙트 처리 등을 수행할 수 있다.
아울러, 이미지 신호 프로세서(200)는 디스플레이를 위한 표시 영상 신호 처리를 행할 수 있다. 예를 들어, 이미지 신호 프로세서(200)는 휘도 레벨 조정, 색 보정, 콘트라스트 조정, 윤곽 강조 조정, 화면 분할 처리, 캐릭터 영상 생성 및 영상의 합성 처리 등을 행할 수 있다.
이미지 신호 프로세서(200)는 실시간으로 입력되는 영상 신호에 의해 자동으로 생성되는 제어 신호 또는 사용자의 조작에 의해 수동으로 입력되는 제어 신호에 따라 렌즈 드라이버(30), 조리개 드라이버(40) 및 이미지 센서(100)를 제어할 수 있다
특히, 이미지 신호 프로세서(200)는 초점 검출기(250)를 포함할 수 있는데, 다른 실시예에 따라 초점 검출기(250)는 이미지 신호 프로세서(200)와 독립적으로 구현될 수도 있다.
초점 검출기(250)는 이미지 센서(100)에 포함된 복수의 위상차 픽셀들의 픽셀 신호들을 기초로 영상의 초점을 검출할 수 있다. 즉, 초점 검출기(250)는 위상차 픽셀들의 픽셀 신호들을 비교하여 상관 연산을 수행함으로써 디포커스 값(defocus value)을 산출할 수 있다.
구체적으로, 초점 검출기(250)는 제1 위상차 픽셀들의 픽셀 신호들과 제2 위상차 픽셀들의 픽셀 신호들 간의 상관 연산 값(Sum of Absolute Difference; SAD)을 최소로 하는 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다. 초점 검출기(250)는 픽셀 쉬프트 값과 디포커스 값이 서로 맵핑되어 미리 저장된 테이블을 참조하여, 계산된 픽셀 쉬프트 값에 대응하는 디포커스 값을 산출할 수 있다. 여기서, 픽셀 쉬프트 값은 제1 위상차 픽셀들에 대응하는 상과 제2 위상차 픽셀들에 대응하는 상이 광축을 중심으로 얼마나 어긋나 있는지를 나타내는 값일 수 있다. 디포커스 값은 렌즈 드라이버(30)를 제어하여 초점 거리를 조절할 수 있는 제어 신호일 수 있다. 렌즈 드라이버(30)는 디포커스 값에 상응하는 위치로 렌즈(10)를 이동시킬 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서를 간략히 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 디코더(row decoder, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 디코더(column decoder, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 복수의 로우들(rows)과 복수의 컬럼들(columns)로 구성된 2차원 매트릭스로 배열된 복수의 단위 픽셀들(Unit Pixels, 200)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들은 각각 또는 적어도 2 이상의 단위 픽셀들이 적어도 하나의 소자를 공유하는 공유 픽셀(shared pixel) 단위로 광학 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 각 단위 픽셀 또는 공유 픽셀은 3T 픽셀, 4T 픽셀 또는 5T 픽셀에 해당할 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 픽셀 어레이(110)는 로우 디코더(120)로부터 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)는 구동될 수 있다.
로우 디코더(120)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 픽셀 어레이(110)를 구동할 수 있다. 구체적으로, 로우 디코더(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우를 선택할 수 있다. 로우 디코더(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 로우 디코더(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호와 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각각의 컬럼들에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. ADC(140)는 각각의 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호 및 타이밍 컨트롤러(170)로부터 제공되는 램프 신호(ramp signal)를 기반으로 카운팅 동작과 연산 동작을 수행함에 따라 각각의 컬럼에 해당하는 노이즈(예컨대, 각 픽셀 고유의 리셋 노이즈)가 제거된 디지털 형태의 영상 데이터를 생성할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함하고, 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시켜 영상 데이터를 생성할 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시킬 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 캡쳐하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 ADC(140)에서 출력되는 영상 데이터를 일시적으로 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센서(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 선택된 출력 버퍼(150) 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력될 수 있다. 구체적으로, 컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 디코더(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 선택된 출력 버퍼(150)의 컬럼으로부터 영상 데이터가 출력 신호(SO)로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 디코더(120), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 디코더(160)를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센서(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 디코더(120), 컬럼 디코더(160), ADC(140) 및 출력 버퍼(150)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)는 로직 제어회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop, PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(timing control circuit) 및 통신 인터페이스 회로(communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 픽셀 어레이를 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 8x8 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 도 3의 실시예에서는 복수의 픽셀들이 2x2 매트릭스 단위로 베이어 패턴 형태로 배열되어 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 또한, 설명의 편의상 8x8 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀들에 대해 설명되나, 픽셀 어레이(110)는 임의의 개수의 로우들 및 컬럼들로 구성될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 베이어 패턴에 따라 배열된 컬러 픽셀들(R(레드) 픽셀, G(그린) 픽셀 및 B(블루) 픽셀)을 포함할 수 있다. 여기서, G 픽셀은 R 픽셀과 동일한 로우에 배치된 Gr 픽셀과, B 픽셀과 동일한 로우에 배치된 Gb 픽셀로 구분될 수 있다. 또한, 픽셀 어레이(110)는 이산적으로 분포되어 있는 제1 위상차 픽셀들(RP; 112, 116)과 제2 위상차 픽셀들(LP; 114, 118)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)에 포함된 제1 위상차 픽셀들(112, 116)과 제2 위상차 픽셀들(114, 118)의 위치 및 개수는 예시적인 것에 불과하다. 도 3의 실시예에서는 제1 위상차 픽셀들(112, 116)과 제2 위상차 픽셀들(114, 118)이 베이어 패턴에서 Gb 픽셀의 위치에 배치되어 있다. 또한, 제1 위상차 픽셀(112 or 116)과 제2 위상차 픽셀(114 or 118)은 서로 가능한 가깝게 위치하도록 인접하는 베이어 패턴들에 포함되어 있다. 이는 이상적인 위상차 검출을 위해서는 제1 및 제2 위상차 픽셀이 동일한 위치에서 동일한 광학 신호를 받아들일 것이 요구되기 때문이다. 여기서, 좌우로 인접하는 베이어 패턴들에 제1 및 제2 위상차 픽셀이 포함되나, 다른 실시예에 따라 상하로 인접하는 베이어 패턴들에 제1 및 제2 위상차 픽셀이 포함될 수도 있다.
제1 위상차 픽셀들(112, 116)과 제2 위상차 픽셀들(114, 118)은 베이어 패턴에서 Gb 픽셀 대신 배치됨에 따라, 컬러 이미지 측면에서 위상차 픽셀은 결함 픽셀(defect pixel)에 해당할 수 있다. 이러한 결함 픽셀은 이미지 신호 프로세서(200)의 컬러 보간 동작에 의해 보정될 수 있다. 예를 들어, 손실된 Gb 픽셀의 정보는 위상차 픽셀을 중심으로 하는 3x3 매트릭스에 포함된 4개의 G 픽셀의 평균값을 이용하여 산출할 수 있다.
제1 위상차 픽셀들(112, 116)은 로우 방향을 따라 정의된 제1 방향(예컨대, 우측 방향)으로 편향되어 배치된 제한된 수광 영역을 가질 수 있다. 이와 반대로, 제2 위상차 픽셀들(114, 118)은 제1 방향의 반대인 제2 방향(예컨대, 좌측 방향)으로 편향되어 배치된 제한된 수광 영역을 가질 수 있다. 제1 위상차 픽셀들(112, 116)과 제2 위상차 픽셀들(114, 118) 각각의 제한된 수광 영역은 로우 방향과 수직인 컬럼 방향을 따라 길게 연장된 형태를 가질 수 있다.
이미지 센서(100)는 위상차 픽셀들(RP, LP)을 구비하기 때문에, 일반적인 이미지 센서와는 다른 사출 동공을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 광축에 그 중심을 갖는 원 또는 타원으로 정의된 컬러 픽셀들(R, G, B)의 사출 동공과, 광축으로부터 제1 방향으로 편향되어 배치된 원 또는 타원으로 정의되는 제1 위상차 픽셀(RP)의 사출 동공과, 광축으로부터 제2 방향으로 편향되어 배치된 원 또는 타원으로 정의되는 제2 위상차 픽셀(LP)의 사출 동공이 조합된 형태의 사출 동공을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이러한 사출 동공의 조합에 의하여, 이미지 센서(100)에서 입사광에 따른 컬러 신호를 생성하면서, 동시에 오토 포커싱 동작을 위한 위상차 검출이 가능해지도록 한다.
도 4 내지 도 6은 촬영 장치가 오토 포커싱 동작을 수행하는 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 4를 참조하면, 피사체에 대한 초점 상태가 정초점인 경우를 나타낸다. 정초점 상태에서는 도 4의 (a)와 같이 렌즈(10)를 통해 이미지 센서(100)로 입사되는 광학 신호가 이미지 센서(100)의 수광면의 중심부(A0)에서 초점이 맞게 된다.
이러한 정초점 상태에서는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 수광면의 중심부(A0)의 제1 위상차 픽셀(RP)와 제2 위상차 픽셀(LP)에서 모두 수광할 수 있고, 중심부(A0)에서 유효한 위상차 검출용 신호가 검출될 수 있다. 제1 위상차 픽셀(RP)은 좌측에 배치된 광 차단 영역(300)과 우측 방향으로 편향된 제한된 수광 영역(310)을 갖는다. 또한, 제2 위상차 픽셀(LP)은 우측에 배치된 광 차단 영역(300)과 좌측 방향으로 편향된 제한된 수광 영역(310)을 갖는다.
초점 검출기(250)는 제1 위상차 픽셀들(RP)이 생성한 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 픽셀들(LP)이 생성한 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 간의 상관 연산을 통해 상관 연산 값을 최소로 하는 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다. 도 4의 (c)에 나타난 바와 같이, 픽셀 위치와 신호 세기의 그래프 상에 나타난 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴을 비교(즉, 상관 연산)한 결과를 통해, 초점 검출기(250)는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴을 일치(또는 일치에 근접) 시키기 위해 필요한 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다. 픽셀 쉬프트 값이 소정의 임계치 이하로 계산되면 정초점 상태로 판단될 수 있으며 초점 검출기(250)는 렌즈(10)를 이동시키지 않도록 렌즈 드라이버(30)를 제어할 수 있다.
도 5를 참조하면, 피사체에 대한 초점 상태가 전초점인 경우를 나타낸다. 전초점 상태에서는 도 5의 (a)와 같이 렌즈(10)를 통해 이미지 센서(100)로 입사되는 광학 신호가 이미지 센서(100)의 수광면의 중심부(A0)가 아닌 수광면의 앞에서 초점이 맞게 된다.
이러한 전초점 상태에서는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 광축으로부터 좌측 방향에 위치한 제1 영역(A1)에서, 제1 위상차 픽셀(RP)은 우측 방향으로 편향된 제한된 수광 영역(310)을 가지므로 광학 신호가 제1 위상차 픽셀(RP)의 내부로 입사될 수 있다. 그러나, 제2 위상차 픽셀(LP)은 좌측 방향으로 편향된 제한된 수광 영역(310)을 가지므로 광학 신호가 광 차단 영역(300)에 의해 차단되어 제2 위상차 픽셀(LP)의 내부로 입사되지 못한다. 반대로, 광축으로부터 우측 방향에 위치한 제2 영역(A2)에서는 광학 신호가 제1 위상차 픽셀(RP)의 내부로 입사되지 못하고, 제2 위상차 픽셀(LP)의 내부로 입사될 수 있다.
도 5의 (c)에 나타난 바와 같이, 제1 영역(A1)에서는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴만이 나타나고, 제2 영역(A2)에서는 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴만이 나타나게 된다. 초점 검출기(250)는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴을 일치(또는 일치에 근접) 시키기 위해 필요한 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다. 초점 검출기(250)는 픽셀 쉬프트 값에 대응하는 디포커스 값을 산출하여 렌즈 드라이버(30)로 전달함으로써 렌즈(10)를 정초점 위치로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 디포커스 값은 부호를 가진 정수일 수 있고, 부호는 렌즈(10)를 이미지 센서(100)의 수광면으로부터 멀어지는 쪽으로 이동시키거나 수광면에 가까워지는 쪽으로 이동시키는 방향을 의미하고, 디포커스 값의 절대값은 렌즈(10)의 이동량을 의미할 수 있다. 즉, 도 5와 같이, 전초점인 경우 디포커스 값은 수광면에 가까워지는 쪽으로 이동시키는 방향을 나타내는 (+)의 부호를 갖고 픽셀 쉬프트 값에 비례하는 절대값을 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 피사체에 대한 초점 상태가 후초점인 경우를 나타낸다. 후초점 상태에서는 도 6의 (a)와 같이 렌즈(10)를 통해 이미지 센서(100)로 입사되는 광학 신호가 이미지 센서(100)의 수광면의 중심부(A0)가 아닌 수광면의 뒤에서 초점이 맞게 된다.
이러한 후초점 상태에서는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 광축으로부터 좌측 방향에 위치한 제1 영역(A1)에서, 제1 위상차 픽셀(RP)은 우측 방향으로 편향된 제한된 수광 영역(310)을 가지므로 광학 신호가 광 차단 영역(300)에 의해 차단되어 제1 위상차 픽셀(RP)의 내부로 입사되지 못한다. 그러나, 제2 위상차 픽셀(LP)은 좌측 방향으로 편향된 제한된 수광 영역(310)을 가지므로 광학 신호가 제2 위상차 픽셀(LP)의 내부로 입사될 수 있다. 반대로, 광축으로부터 우측 방향에 위치한 제2 영역(A2)에서는 광학 신호가 제1 위상차 픽셀(RP)의 내부로 입사되고, 제2 위상차 픽셀(LP)의 내부로 입사되지 못한다.
도 6의 (c)에 나타난 바와 같이, 제1 영역(A1)에서는 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴만이 나타나고, 제2 영역(A2)에서는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴만이 나타나게 된다. 초점 검출기(250)는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴을 일치(또는 일치에 근접) 시키기 위해 필요한 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다. 초점 검출기(250)는 픽셀 쉬프트 값에 대응하는 디포커스 값을 산출하여 렌즈 드라이버(30)로 전달함으로써 렌즈(10)를 정초점 위치로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 디포커스 값은 부호를 가진 정수일 수 있고, 부호는 렌즈(10)를 이미지 센서(100)의 수광면으로부터 멀어지는 쪽으로 이동시키거나 수광면에 가까워지는 쪽으로 이동시키는 방향을 의미하고, 디포커스 값의 절대값은 렌즈(10)의 이동량을 의미할 수 있다. 즉, 도 6과 같이, 후초점인 경우 디포커스 값은 수광면에 멀어지는 쪽으로 이동시키는 방향을 나타내는 (-)의 부호를 갖고 픽셀 쉬프트 값에 비례하는 절대값을 가질 수 있다.
도 7은 제1 위상차 픽셀의 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 제1 위상차 픽셀의 단면(400-1)은 도 3에 도시된 제1 위상차 픽셀(RP)을 절단한 단면일 수 있다. 여기서, 절단 방향은 로우 방향 또는 컬럼 방향일 수 있다.
제1 위상차 픽셀의 단면(400-1)은 기판(410), 광전 변환 소자(420), 광학 필터(430), 마이크로 렌즈(440), 반사 방지층(450) 및 차광층(460)을 포함할 수 있다.
기판(410)은 서로 대향하는 상부면과 하부면을 포함하는 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(410)은 P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다.
광전 변환 소자(420)는 기판(410) 내에 제1 위상차 픽셀(RP)에 대응하는 영역에 배치될 수 있다. 광전 변환 소자(420)는 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성 및 축적할 수 있다. 광전 변환 소자(420)는 수광 효율을 나타내는 필 팩터(fill-factor)를 높이기 위해, 가능한 넓은 면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자(420)는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀형(pinned) 포토 다이오드 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.
광전 변환 소자(420)가 포토 다이오드로 구현되는 경우, N형 이온을 주입하는 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 N형 도핑 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 포토 다이오드는 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 P형 이온 및 N+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 N-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다.
광학 필터(430)는 기판(410)의 상부에 형성될 수 있고, 특정 파장의 광(예컨대, 적외선(infrared ray), 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue) 등)을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 일 실시예에 따라, 광학 필터(430)는 제1 위상차 픽셀(RP)의 위치에 대응하는 베이어 패턴 상의 컬러 픽셀(예컨대, G 픽셀)과 동일한 컬러 필터일 수 있다. 다른 실시예에 따라, 광학 필터(430)는 제1 위상차 픽셀(RP)에서 생략될 수 있다.
마이크로 렌즈(440)는 광학 필터(430)의 상부에 형성될 수 있고, 입사광에 대한 집광력(light gathering power)을 높여 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
반사 방지층(450)은 제1 위상차 픽셀(RP)의 중심을 기준으로 마이크로 렌즈(450)의 우측 절반을 덮을 수 있다. 반사 방지층(450)은 외부로부터 입사되는 광학 신호의 난반사를 방지하여 플레어 특성을 억제하고 수광 효율을 증가시킬 수 있다. 반사 방지층(450)의 보다 상세한 구조 및 공정에 대해 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.
차광층(460)은 제1 위상차 픽셀(RP)의 중심을 기준으로 마이크로 렌즈(450)의 좌측 절반을 덮을 수 있다. 차광층(460)은 외부로부터 입사되는 광학 신호를 차단(반사 또는 흡수)함으로써 제1 위상차 픽셀(RP)의 내부로 전달하지 않을 수 있다. 예를 들어, 차광층(460)은 텅스텐일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
마이크로 렌즈(440)의 상부의 좌측 절반이 차광층(460)에 의해 덮여짐에 따라, 제1 위상차 픽셀(RP)의 광 차단 영역(300)이 구현될 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(440)의 상부의 우측 절반이 반사 방지층(450)에 의해 덮여짐에 따라, 제1 위상차 픽셀(RP)의 수광 영역(310)이 구현될 수 있다. 아울러, 차광층(460)으로 인해 제1 위상차 픽셀(RP)의 광전 변환 소자(420)로 입사되는 광학 신호의 양은 차광층(460)이 없는 컬러 픽셀에 비해 적게 되는데, 반사 방지층(450)은 마이크로 렌즈(440)에 의한 반사를 최소화함으로써 광 감도 저하를 방지할 수 있다.
도 8은 제2 위상차 픽셀의 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 제2 위상차 픽셀의 단면(400-2)은 도 3에 도시된 제2 위상차 픽셀(LP)을 절단한 단면일 수 있다. 여기서, 절단 방향은 로우 방향 또는 컬럼 방향일 수 있으나, 도 7에서 설명된 제1 위상차 픽셀의 단면(400-1)과 동일한 방향일 수 있다.
제2 위상차 픽셀의 단면(400-2)은 기판(410), 광전 변환 소자(420), 광학 필터(430), 마이크로 렌즈(440), 반사 방지층(450) 및 차광층(460)을 포함할 수 있다. 제2 위상차 픽셀의 단면(400-2)은 도 7에서 설명된 제1 위상차 픽셀의 단면(400-1)과는 일부 차이점을 제외하고는 상응하는 구조 및 기능을 가지는 바, 설명의 편의상 제1 위상차 픽셀의 단면(400-1)과의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
반사 방지층(450)은 제2 위상차 픽셀(LP)의 중심을 기준으로 마이크로 렌즈(450)의 좌측 절반을 덮을 수 있다. 반사 방지층(450)은 외부로부터 입사되는 광학 신호의 난반사를 방지하여 플레어 특성을 억제하고 수광 효율을 증가시킬 수 있다. 반사 방지층(450)의 보다 상세한 구조 및 공정에 대해 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.
차광층(460)은 제2 위상차 픽셀(RP)의 중심을 기준으로 마이크로 렌즈(450)의 우측 절반을 덮을 수 있다. 차광층(460)은 외부로부터 입사되는 광학 신호를 차단(반사 또는 흡수)함으로써 제2 위상차 픽셀(LP)의 내부로 전달하지 않을 수 있다. 예를 들어, 차광층(460)은 텅스텐일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
마이크로 렌즈(440)의 상부의 우측 절반이 차광층(460)에 의해 덮여짐에 따라, 제2 위상차 픽셀(LP)의 광 차단 영역(300)이 구현될 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(440)의 상부의 좌측 절반이 반사 방지층(450)에 의해 덮여짐에 따라, 제2 위상차 픽셀(LP)의 수광 영역(310)이 구현될 수 있다. 아울러, 차광층(460)으로 인해 제2 위상차 픽셀(LP)의 광전 변환 소자(420)로 입사되는 광학 신호의 양은 차광층(460)이 없는 컬러 픽셀에 비해 적게 되는데, 반사 방지층(450)은 마이크로 렌즈(440)에 의한 반사를 최소화함으로써 광 감도 저하를 방지할 수 있다.
도 9는 도 7과 도 8에 도시된 반사 방지층을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 매질 표면에서의 반사는 매질 간의 굴절률 차이에 의해서 발생하는데, 마이크로 렌즈(440)와 외부 매질(예컨대, 공기) 간에는 다소 굴절률 차이(예를 들어, 0.3~0.6)가 존재한다. 이러한 굴절률 차이로 인한 반사를 저감하기 위해 제1 및 제2 위상차 픽셀(RP, LP) 각각은 반사 방지층(450)을 포함할 수 있다.
반사 방지층(450)은 마이크로 렌즈(440)의 상부에 배치된 나노 패턴들(455)로 구성될 수 있다. 나노 패턴들(455) 각각은 원(또는 타원) 모양의 단면을 가지고 상부로 갈수록 단면적이 작아지는, 끝이 둥근 형태의 원뿔(또는 타원뿔) 형상을 가질 수 있다. 나노 패턴들(455) 각각은 약 수십nm~수백nm의 높이를 가질 수 있고, 서로 인접하는 나노 패턴들(455) 사이의 간격은 일정할 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 이러한 나노 패턴들(455)은 반사 방지에 가장 효과적인 moth eye nano structure를 구성할 수 있다.
반사 방지층(450)의 두께, 나노 패턴들(455)의 형상 및 배치 간격은 위상차 검출 성능의 최적화를 위해 실험적으로 결정될 수 있다.
이하에서는 반사 방지층(450)을 형성하는 공정에 대해 간략히 설명하기로 한다.
먼저 마이크로 렌즈(440)의 상부 중 반사 방지층(450)이 배치될 영역에 PS 볼들(polystyrene ball)을 빈틈없이 분포시킬 수 있다. 이후, O2 플라즈마 공정을 통해 분포된 PS 볼들에 대한 에칭을 수행하여 각 PS 볼의 체적을 감소시킬 수 있다. 이로 인해, PS 볼들 사이의 공간이 확보될 수 있으며, PS 볼들 사이의 공간에 AU(금) 필름을 증착(deposition)할 수 있다.
이후, PS 볼들을 에칭 마스크로 하여 에칭 공정이 수행될 수 있다. 여기서, 에칭 공정은 플루오린화 수소(diluted hydrofluoric acid; HF)를 이용한 습식 에칭 공정일 수 있다. 이러한 에칭 공정을 통해 나노 패턴(455)의 형상이 형성되면, PS 볼들과 AU 필름이 제거될 수 있다. 또한, 나노 패턴(455)의 형상의 내구성 및 강도 향상을 위해, 나노 패턴(455)의 형상 위에 산화막(SiOx)을 코팅할 수 있다. 또한, CF4 플라즈마 공정을 통해 산화막(SiOx)을 식각함으로써 나노 패턴(455)의 형성이 완료될 수 있다.
도 10은 제1 위상차 픽셀의 단면의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1 위상차 픽셀의 단면(500-1)은 도 3에 도시된 제1 위상차 픽셀(RP)을 절단한 단면일 수 있다. 여기서, 절단 방향은 로우 방향 또는 컬럼 방향일 수 있다.
제1 위상차 픽셀의 단면(500-1)은 기판(510), 광전 변환 소자(520), 광학 필터(530), 마이크로 렌즈(540), 반사 방지층(550) 및 차광층(560)을 포함할 수 있다. 도 7에서 설명된 제1 위상차 픽셀의 단면(400-1)과 대응되는 제1 위상차 픽셀의 단면(500-1)의 구성들은 실질적으로 동일한 구조 및 기능을 가지는 바, 설명의 편의상 제1 위상차 픽셀의 단면(400-1)과의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제1 위상차 픽셀의 단면(500-1)에서 차광층(560)은 마이크로 렌즈(540)의 상부가 아닌 광학 필터(530)의 하부에 배치될 수 있다. 차광층(560)은 광학 필터(530)의 하부 중 제1 위상차 픽셀(RP)의 중심을 기준으로 좌측 절반을 덮을 수 있다. 차광층(560)은 외부로부터 입사되는 광학 신호를 차단(반사 또는 흡수)함으로써 제1 위상차 픽셀(RP)의 광전 변환 소자(520)로 전달하지 않을 수 있다. 다른 실시예에 따라, 차광층(560)은 광학 필터(530)와 마이크로 렌즈(540) 사이에 배치될 수 있다.
광학 필터(530)의 하부의 좌측 절반이 차광층(560)에 의해 덮여짐에 따라, 제1 위상차 픽셀(RP)의 광 차단 영역(300)이 구현될 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(540)의 상부의 우측 절반이 반사 방지층(550)에 의해 덮여짐에 따라, 제1 위상차 픽셀(RP)의 수광 영역(310)이 구현될 수 있다. 아울러, 차광층(560)으로 인해 제1 위상차 픽셀(RP)의 광전 변환 소자(520)로 입사되는 광학 신호의 양은 차광층(560)이 없는 컬러 픽셀에 비해 적게 되는데, 반사 방지층(550)은 마이크로 렌즈(540)에 의한 반사를 최소화함으로써 광 감도 저하를 방지할 수 있다.
도 11은 제2 위상차 픽셀의 단면의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 제2 위상차 픽셀의 단면(500-2)은 도 3에 도시된 제2 위상차 픽셀(LP)을 절단한 단면일 수 있다. 여기서, 절단 방향은 로우 방향 또는 컬럼 방향일 수 있으나, 도 10에서 설명된 제1 위상차 픽셀의 단면(500-1)과 동일한 방향일 수 있다.
제2 위상차 픽셀의 단면(500-2)은 기판(510), 광전 변환 소자(520), 광학 필터(530), 마이크로 렌즈(540), 반사 방지층(550) 및 차광층(560)을 포함할 수 있다. 제2 위상차 픽셀의 단면(500-2)은 도 10에서 설명된 제1 위상차 픽셀의 단면(500-1)과는 일부 차이점을 제외하고는 상응하는 구조 및 기능을 가지는 바, 설명의 편의상 제1 위상차 픽셀의 단면(500-1)과의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
반사 방지층(550)은 제2 위상차 픽셀(LP)의 중심을 기준으로 마이크로 렌즈(550)의 좌측 절반을 덮을 수 있다.
차광층(560)은 제2 위상차 픽셀(RP)의 중심을 기준으로 광학 필터(530) 하부의 우측 절반을 덮을 수 있다.
광학 필터(530)의 하부의 우측 절반이 차광층(560)에 의해 덮여짐에 따라, 제1 위상차 픽셀(RP)의 광 차단 영역(300)이 구현될 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(540)의 상부의 좌측 절반이 반사 방지층(550)에 의해 덮여짐에 따라, 제1 위상차 픽셀(RP)의 수광 영역(310)이 구현될 수 있다. 아울러, 차광층(560)으로 인해 제1 위상차 픽셀(RP)의 광전 변환 소자(520)로 입사되는 광학 신호의 양은 차광층(560)이 없는 컬러 픽셀에 비해 적게 되는데, 반사 방지층(550)은 마이크로 렌즈(540)에 의한 반사를 최소화함으로써 광 감도 저하를 방지할 수 있다.
도 12 내지 도 14는 촬영 장치가 오토 포커싱 동작을 수행하는 방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 12를 참조하면, 피사체에 대한 초점 상태가 정초점인 경우를 나타낸다. 정초점 상태에서는 도 12의 (a)와 같이 렌즈(10)를 통해 이미지 센서(100)로 입사되는 광학 신호가 이미지 센서(100)의 수광면의 중심부(A0)에서 초점이 맞게 된다.
이러한 정초점 상태에서는 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 수광면의 중심부(A0)의 제1 위상차 픽셀(RP)와 제2 위상차 픽셀(LP)에서 모두 수광할 수 있고, 중심부(A0)에서 유효한 위상차 검출용 신호가 검출될 수 있다. 제1 위상차 픽셀(RP)은 좌측에 배치된 서브 수광 영역(600)과 우측 방향으로 편향된 수광 영역(610)을 갖는다. 또한, 제2 위상차 픽셀(LP)은 우측에 배치된 서브 수광 영역(600)과 좌측 방향으로 편향된 수광 영역(610)을 갖는다. 여기서, 서브 수광 영역(600)은 수광 영역(610)에 비해 광 투과율이 소정의 비율만큼 낮은 영역을 의미할 수 있다. 예를 들어, 서브 수광 영역(600)은 수광 영역(610)의 광 투과율의 약 50%에 해당하는 광 투과율을 가질 수 있다. 제1 위상차 픽셀(RP) 또는 제2 위상차 픽셀(LP)에 입사되는 광 중 실선으로 표시된 광은 상대적으로 높은 광 투과율로 입사되는 광을 의미하며, 점선으로 표시된 광은 상대적으로 낮은 광 투과율로 입사되는 광을 의미한다.
초점 검출기(250)는 제1 위상차 픽셀들(RP)이 생성한 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 픽셀들(LP)이 생성한 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 간의 상관 연산을 통해 상관 연산 값을 최소로 하는 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다. 도 12의 (c)에 나타난 바와 같이, 픽셀 위치와 신호 세기의 그래프 상에 나타난 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴을 비교(즉, 상관 연산)한 결과를 통해, 초점 검출기(250)는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴을 일치(또는 일치에 근접) 시키기 위해 필요한 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다. 픽셀 쉬프트 값이 소정의 임계치 이하로 계산되면 정초점 상태로 판단될 수 있으며 초점 검출기(250)는 렌즈(10)를 이동시키지 않도록 렌즈 드라이버(30)를 제어할 수 있다.
한편, 도 12에 도시된 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴은 각각 도 4에 도시된 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴보다 높은 신호 레벨을 가질 수 있다. 이는 서브 수광 영역(600)에서도 광학 신호를 일부 통과시킬 수 있기 때문이며, 이로 인해 광학 신호가 부족한 저조도 환경에서도 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴이 식별될 수 있어, 오토 포커싱 성능이 개선될 수 있다.
도 13을 참조하면, 피사체에 대한 초점 상태가 전초점인 경우를 나타낸다. 전초점 상태에서는 도 13의 (a)와 같이 렌즈(10)를 통해 이미지 센서(100)로 입사되는 광학 신호가 이미지 센서(100)의 수광면의 중심부(A0)가 아닌 수광면의 앞에서 초점이 맞게 된다.
이러한 전초점 상태에서는 도 13의 (b)에 도시된 바와 같이, 광축으로부터 좌측 방향에 위치한 제1 영역(A1)에서, 제1 위상차 픽셀(RP)은 우측 방향으로 편향된 수광 영역(610)을 가지므로 광학 신호가 높은 광 투과율로 제1 위상차 픽셀(RP)의 내부로 입사될 수 있다. 그러나, 제2 위상차 픽셀(LP)은 좌측 방향으로 편향된 수광 영역(610)을 가지므로 광학 신호가 서브 수광 영역(600)으로 입사되어 낮은 광 투과율로 제2 위상차 픽셀(LP)의 내부로 입사될 수 있다. 반대로, 광축으로부터 우측 방향에 위치한 제2 영역(A2)에서는 광학 신호가 제1 위상차 픽셀(RP)의 내부로 낮은 광 투과율로 입사되고, 제2 위상차 픽셀(LP)의 내부로 높은 광 투과율로 입사될 수 있다.
도 13의 (c)에 나타난 바와 같이, 제1 영역(A1)에서 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴이 함께 나타나며, 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴의 평균 레벨은 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴의 평균 레벨보다 높을 수 있다. 제2 영역(A2)에서도 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴이 함께 나타나며, 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴의 평균 레벨은 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴의 평균 레벨보다 낮을 수 있다. 이는 수광 영역(610)과 서브 수광 영역(600) 간의 광 투과율이 서로 다르기 때문이다.
설명의 편의상, 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 각각의 패턴 중 평균 레벨이 높은 패턴을 메인 패턴으로 정의하고, 평균 레벨이 낮은 패턴을 서브 패턴으로 정의하기로 한다. 그리고, 이미지 센서(100)로 입사되는 광량에 따른 조도는 저조도, 중조도 및 고조도로 구분될 수 있다. 여기서, 저조도는 광량이 낮아 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 각각의 서브 패턴이 나타나지 않는 상태를 의미할 수 있다. 중조도는 광량이 적정 범위 이내에 있어 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 각각의 메인 패턴 및 서브 패턴이 나타나는 상태를 의미할 수 있다. 고조도는 광량이 높아 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 각각의 메인 패턴이 포화되어 나타나지 않는 상태를 의미할 수 있다. 저조도 및 고조도는 각각 제1 조도 및 제2 조도로 불릴 수 있다.
먼저, 저조도에서는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 각각의 서브 패턴이 나타나지 않으므로, 초점 검출기(250)는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 메인 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 메인 패턴을 이용해 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다.
다음으로, 중조도에서는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 각각의 메인 패턴 및 서브 패턴이 모두 나타나므로, 초점 검출기(250)는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 메인 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 메인 패턴을 이용하거나, 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 서브 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 서브 패턴을 이용해 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다. 일 실시예에 따라, 초점 검출기(250)는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 메인 패턴과 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 서브 패턴을 이용하거나, 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 메인 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 서브 패턴을 이용해 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 초점 검출기(250)는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 메인 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 메인 패턴을 이용하여 계산된 픽셀 쉬프트 값과, 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 서브 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 서브 패턴을 이용해 계산된 픽셀 쉬프트 값을 비교 및 검증함에 의해 픽셀 쉬프트 값을 결정할 수 있다. 이와 같이, 중조도 조건에서는 초점 검출기(250)의 연산량 및 정확도를 고려하여 다양한 픽셀 쉬프트 값의 계산 방식이 이용될 수 있다.
마지막으로 고조도에서는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 각각의 메인 패턴이 나타나지 않으므로, 초점 검출기(250)는 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 서브 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 서브 패턴을 이용해 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있다.
각 조도 조건에서 초점 검출기(250)는 계산된 픽셀 쉬프트 값에 대응하는 디포커스 값을 산출하여 렌즈 드라이버(30)로 전달함으로써 렌즈(10)를 정초점 위치로 이동시킬 수 있다.
즉, 초점 검출기(250)는, 조도에 따라, 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 메인 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 메인 패턴을 비교하는 방법 및 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 서브 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 서브 패턴을 비교하는 방법 중 적어도 하나를 선택적으로 이용하여 디포커스 값을 산출할 수 있다.
조도 조건은 이미지 신호 프로세서(200)가 메인 패턴 및 서브 패턴의 검출 여부에 따라 판단하거나, 이미지 신호 프로세서(200)가 별도의 조도 센서(미도시)를 통해 검출된 광량에 기초하여 판단하여 판단 결과를 초점 검출기(250)로 제공할 수 있다.
위와 같이, 초점 검출기(250)는 저조도 또는 고조도 조건에서 메인 패턴과 서브 패턴을 선택적으로 이용하여 픽셀 쉬프트 값을 계산할 수 있어, 저조도 또는 고조도와 같은 악조건 하에서도 정상적으로 오토 포커싱 기능이 구현될 수 있다.
도 14를 참조하면, 피사체에 대한 초점 상태가 후초점인 경우를 나타낸다. 후초점 상태에서는 도 14의 (a)와 같이 렌즈(10)를 통해 이미지 센서(100)로 입사되는 광학 신호가 이미지 센서(100)의 수광면의 중심부(A0)가 아닌 수광면의 뒤에서 초점이 맞게 된다.
이러한 후초점 상태에서는 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이, 광축으로부터 좌측 방향에 위치한 제1 영역(A1)에서, 제1 위상차 픽셀(RP)은 우측 방향으로 편향된 수광 영역(610)을 가지므로 광학 신호가 서브 수광 영역(600)으로 입사되어 낮은 광 투과율로 제1 위상차 픽셀(RP)의 내부로 입사될 수 있다. 그러나, 제2 위상차 픽셀(LP)은 좌측 방향으로 편향된 수광 영역(610)을 가지므로 높은 광 투과율로 제2 위상차 픽셀(LP)의 내부로 입사될 수 있다. 반대로, 광축으로부터 우측 방향에 위치한 제2 영역(A2)에서는 광학 신호가 제1 위상차 픽셀(RP)의 내부로 높은 광 투과율로 입사되고, 제2 위상차 픽셀(LP)의 내부로 낮은 광 투과율로 입사될 수 있다.
도 14의 (c)에 나타난 바와 같이, 제1 영역(A1)에서 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴이 함께 나타나며, 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴의 평균 레벨은 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴의 평균 레벨보다 높을 수 있다. 제2 영역(A2)에서도 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴과 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴이 함께 나타나며, 제1 위상차 검출 신호(PDS1)의 패턴의 평균 레벨은 제2 위상차 검출 신호(PDS2)의 패턴의 평균 레벨보다 낮을 수 있다.
저조도, 중조도 및 고조도의 각 조도 조건에서 초점 검출기(250)가 제1 위상차 검출 신호(PDS1)와 제2 위상차 검출 신호(PDS2) 각각의 메인 패턴 및 서브 패턴을 이용하여 픽셀 쉬프트 값을 계산하는 방법은 도 13에서 설명된 바와 실질적으로 동일한 바, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 15는 제1 위상차 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 제1 위상차 픽셀의 단면(700-1)은 도 3에 도시된 제1 위상차 픽셀(RP)을 절단한 단면일 수 있다. 여기서, 절단 방향은 로우 방향 또는 컬럼 방향일 수 있다.
제1 위상차 픽셀의 단면(700-1)은 기판(710), 광전 변환 소자(720), 광학 필터(730), 마이크로 렌즈(740) 및 반사 방지층(750)을 포함할 수 있다. 도 7에서 설명된 제1 위상차 픽셀의 단면(400-1)과 대응되는 제1 위상차 픽셀의 단면(700-1)의 구성들은 실질적으로 동일한 구조 및 기능을 가지는 바, 설명의 편의상 제1 위상차 픽셀의 단면(400-1)과의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제1 위상차 픽셀의 단면(700-1)에서 차광층이 생략될 수 있다. 즉, 제1 위상차 픽셀(RP)의 중심을 기준으로 마이크로 렌즈(740)의 우측 절반은 반사 방지층(750)에 의해 덮여지나, 마이크로 렌즈(740)의 좌측 절반에 차광층이 배치되지 않고 마이크로 렌즈(740)가 외부로 노출될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 마이크로 렌즈(740)의 좌측 절반에는 광 저해층이 배치될 수 있다. 광 저해층은 마이크로 렌즈(740)의 내부로의 광 전달 효율을 감소시킬 수 있다. 일 예로, 광 저해층은 마이크로 렌즈(740)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 다른 예로, 광 저해층은 광 흡수율이 높은 물질(예컨대, 텅스텐)로 구성된 패턴들이 소정의 간격으로 이격되어 배치된 형태로 구현될 수 있다.
마이크로 렌즈(740)의 좌측 절반이 차광층이 배치되지 않음(또는 광 저해층이 배치됨)에 따라, 제1 위상차 픽셀(RP)의 서브 수광 영역(600)이 구현될 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(740)의 상부의 우측 절반이 반사 방지층(750)에 의해 덮여짐에 따라, 제1 위상차 픽셀(RP)의 수광 영역(610)이 구현될 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈(740)의 상부의 우측에만 반사 방지층(750)이 배치됨에 따라 광 투과율이 낮은 서브 수광 영역(600)과 광 투과율이 높은 수광 영역(610)이 구현될 수 있다. 달리 말하면, 반사 방지층(750)은 수광 영역(610)과 서브 수광 영역(600) 중 수광 영역(610)에만 배치될 수 있다.
도 16은 제2 위상차 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 16을 참조하면, 제2 위상차 픽셀의 단면(700-2)은 도 3에 도시된 제2 위상차 픽셀(LP)을 절단한 단면일 수 있다. 여기서, 절단 방향은 로우 방향 또는 컬럼 방향일 수 있으나, 도 15에서 설명된 제1 위상차 픽셀의 단면(700-1)과 동일한 방향일 수 있다.
제2 위상차 픽셀의 단면(700-2)은 기판(710), 광전 변환 소자(720), 광학 필터(730), 마이크로 렌즈(740) 및 반사 방지층(750)을 포함할 수 있다. 제2 위상차 픽셀의 단면(700-2)은 도 15에서 설명된 제1 위상차 픽셀의 단면(700-1)과는 일부 차이점을 제외하고는 상응하는 구조 및 기능을 가지는 바, 설명의 편의상 제1 위상차 픽셀의 단면(700-1)과의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
반사 방지층(750)은 제2 위상차 픽셀(LP)의 중심을 기준으로 마이크로 렌즈(750)의 좌측 절반을 덮을 수 있다.
제2 위상차 픽셀의 단면(700-2)에서 차광층이 생략될 수 있다. 즉, 제2 위상차 픽셀(LP)의 중심을 기준으로 마이크로 렌즈(740)의 좌측 절반은 반사 방지층(750)에 의해 덮여지나, 마이크로 렌즈(740)의 우측 절반에 차광층이 배치되지 않고 마이크로 렌즈(740)가 노출될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 마이크로 렌즈(740)의 우측 절반에는 광 저해층이 배치될 수 있다. 광 저해층은 마이크로 렌즈(740)의 내부로의 광 전달 효율을 감소시킬 수 있다. 일 예로, 광 저해층은 마이크로 렌즈(740)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 다른 예로, 광 저해층은 광 흡수율이 높은 물질(예컨대, 텅스텐)로 구성된 패턴들이 소정의 간격으로 이격되어 배치된 형태로 구현될 수 있다.
마이크로 렌즈(740)의 우측 절반이 차광층이 배치되지 않음(또는 광 저해층이 배치됨)에 따라, 제2 위상차 픽셀(LP)의 서브 수광 영역(600)이 구현될 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(740)의 좌측 절반이 반사 방지층(750)에 의해 덮여짐에 따라, 제2 위상차 픽셀(LP)의 수광 영역(610)이 구현될 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈(740)의 상부의 좌측에만 반사 방지층(750)이 배치됨에 따라 광 투과율이 낮은 서브 수광 영역(600)과 광 투과율이 높은 수광 영역(610)이 구현될 수 있다. 달리 말하면, 반사 방지층(750)은 수광 영역(610)과 서브 수광 영역(600) 중 수광 영역(610)에만 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 반사 방지층, 광 차단층, 광 저해층 등이 마이크로 렌즈의 좌측 또는 우측 절반에 배치된다고 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 즉, 반사 방지층, 광 차단층, 광 저해층 등은 마이크로 렌즈의 면적 중 소정의 비율에 해당하는 면적을 차지하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 반사 방지층은 마이크로 렌즈의 제1 비율에 대응하는 면적에 배치되고 광 차단층 또는 광 저해층은 마이크로 렌즈의 제2 비율에 대응하는 면적에 배치될 수 있다. 도 7 또는 도 15의 실시예에서 제1 비율과 제2 비율은 각각 0.5에 해당한다. 다른 실시예에 따라, 제1 비율과 제2 비율은 임의로 가변될 수 있고, 제1 비율과 제2 비율의 합은 1일 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 제1 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제1 위상차 픽셀; 및
    상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제2 위상차 픽셀을 포함하며,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 수광 영역에서 마이크로 렌즈를 덮는 반사 방지층을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사 방지층은 복수의 나노 패턴들을 포함하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 나노 패턴들 각각은 상부로 갈수록 단면적이 작아지는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 수광 영역에 인접한 광 차단 영역을 포함하는 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 광 차단 영역에서 마이크로 렌즈를 덮는 차광층을 포함하는 이미지 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 광 차단 영역에서 광학 필터의 하부에 배치된 차광층을 포함하는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 수광 영역에 인접한 서브 수광 영역을 포함하는 이미지 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각에 포함된 반사 방지층은 상기 수광 영역과 상기 서브 수광 영역 중 상기 수광 영역에 배치되는 이미지 센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 서브 수광 영역에서 마이크로 렌즈를 덮는 광 저해층을 포함하는 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수광 영역은 상기 마이크로 렌즈의 면적 중 절반을 차지하는 이미지 센서.
  11. 제1 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제1 위상차 픽셀 및 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 편향되어 배치된 수광 영역을 갖는 제2 위상차 픽셀을 포함하는 이미지 센서;
    상기 제1 위상차 픽셀의 제1 위상차 검출 신호와 상기 제2 위상차 픽셀의 제2 위상차 검출 신호에 기초하여 디포커스 값(defocus value)을 산출하는 초점 검출기; 및
    상기 디포커스 값에 따라 상기 이미지 센서의 전방에 배치된 렌즈의 위치를 조절하는 렌즈 드라이버를 포함하며,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 수광 영역에서 마이크로 렌즈를 덮는 반사 방지층을 포함하는 촬영 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 수광 영역에 인접한 광 차단 영역을 포함하는 촬영 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 초점 검출기는 상기 제1 위상차 검출 신호의 패턴과 상기 제2 위상차 검출 신호의 패턴을 비교하여 디포커스 값을 산출하는 촬영 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 위상차 픽셀과 상기 제2 위상차 픽셀 각각은 상기 수광 영역에 인접한 서브 수광 영역을 포함하는 촬영 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 초점 검출기는, 조도에 따라, 상기 제1 위상차 검출 신호의 메인 패턴과 상기 제2 위상차 검출 신호의 메인 패턴을 비교하는 방법 및 상기 제1 위상차 검출 신호의 서브 패턴과 상기 제2 위상차 검출 신호의 서브 패턴을 비교하는 방법 중 적어도 하나를 선택적으로 이용하여 디포커스 값을 산출하는 촬영 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    제1 조도에서, 상기 초점 검출기는 상기 제1 위상차 검출 신호의 메인 패턴과 상기 제2 위상차 검출 신호의 메인 패턴을 비교하여 디포커스 값을 산출하고,
    상기 제1 조도보다 높은 제2 조도에서, 상기 초점 검출기는 상기 제1 위상차 검출 신호의 서브 패턴과 상기 제2 위상차 검출 신호의 서브 패턴을 비교하여 디포커스 값을 산출하는 촬영 장치.
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