KR20220058386A - 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서가 개시된다. 개시된 이미지 센서는 제1 파장 광을 감지하기 위한 제1 화소, 및 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판; 및 센서 기판 상부에 배치되어 입사광 중 제1 파장 광을 제1 화소에 집광하는 제1 파장 광 집광 영역을 포함하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하고, 제1 파장 광 집광 영역의 면적은 제1 화소의 면적보다 크고, 센서 기판과 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 제1 파장 광 집광 영역에 의한 제1 파장 광의 초점거리보다 작을 수 있다.

Description

색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 {Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor}
입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
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.
입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 이미지센서는, 제1 파장 광을 감지하기 위한 제1 화소, 및 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판; 및 센서 기판 상부에 배치되어 입사광 중 제1 파장 광을 제1 화소에 집광하는 제1 파장 광 집광 영역을 포함하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하고, 제1 파장 광 집광 영역의 면적은 제1 화소의 면적보다 크고, 센서 기판과 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 제1 파장 광 집광 영역에 의한 제1 파장 광의 초점거리 보다 작을 수 있다.
다른 실시예에 따른 이미지센서는, 제1 파장 광을 감지하기 위한 제1 화소, 및 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판; 및 센서 기판 상부에 배치되어 입사광 중 제1 파장 광을 제1 화소에 집광하는 제1 화소의 면적보다 큰 면적을 가지는 제1 파장 광 집광 영역을 포함하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하고, 센서 기판의 화소 피치는 0.9 um 내지 1.3 um이고, 센서 기판과 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 센서 기판의 화소 피치의 110% 내지 180%일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이미지센서는, 제1 파장 광을 감지하기 위한 제1 화소, 및 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판; 및 센서 기판 상부에 배치되어 입사광 중 제1 파장 광을 제1 화소에 집광하는 제1 화소의 면적보다 큰 면적을 가지는 제1 파장 광 집광 영역을 포함하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하고, 센서 기판의 화소 피치가 0.5 um 내지 0.9 um 이고, 센서 기판과 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 센서 기판의 화소 피치의 70% 내지 120%일 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치는, 광학상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서 및 이미지센서의 동작을 제어하고, 이미지센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서를 포함하고, 이미지 센서는, 제1 파장 광을 감지하기 위한 제1 화소, 및 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판; 및 센서 기판 상부에 배치되어 입사광 중 제1 파장 광을 제1 화소에 집광하는 제1 파장 광 집광 영역을 포함하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하고, 제1 파장 광 집광 영역의 면적은 제1 화소의 면적보다 크고, 센서 기판과 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 제1 파장 광 집광 영역에 의한 제1 파장 광의 초점거리 보다 작을 수 있다.
색분리 렌즈 어레이는 입사광을 흡수하거나 차단하지 않으면서 파장 별로 분리하여 집광할 수 있기 때문에, 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지센서의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 이미지센서의 화소 어레이의 다양한 화소 배열을 예시적으로 도시한다.
도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 이미지센서의 화소 어레이의 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다.
도 5a는 화소 어레이에서 화소의 배열을 개략적으로 보이는 평면도이며, 도 5b는 색분리 렌즈 어레이의 복수 영역에 복수의 나노포스트가 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 5c는 도 5b의 일부를 확대하여 상세히 보인 평면도이다.
도 6a는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 5b의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 보이고, 도 6b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이고, 도 6c는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이는 도면이다.
도 6d는 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6e는 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 6f는 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6g는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 7a 내지 도 7g는 스페이서층의 두께와 광이 집광되는 영역의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광 및 녹색광의 위상 분포를 도 5b의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 보이고, 도 8b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이고, 도 8c는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이는 도면이다.
도 8d는 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 8e는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 8f는 제2 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 8g는 제2 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 9는 실시예들에 따른 이미지센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 10은 도 9의 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 11 내지 도 20은 실시예들에 따른 이미지센서들이 적용된 전자 장치 다양한 예를 보이는 도면이다.
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.
이하에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 하나 또는 복수의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 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.
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 하나를 선택한다. 출력 회로(1030)는 선택된 로우를 따라 배열된 복수의 화소로부터 컬럼 단위로 광감지 신호를 출력한다. 이를 위하여, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog to digital converter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 화소 어레이(1100) 사이에서 컬럼 별로 각각 배치된 복수의 ADC, 또는, 컬럼 디코더의 출력단에 배치된 하나의 ADC를 포함할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)는 하나의 칩 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리하기 위한 프로세서가 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)와 함께 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.
화소 어레이(1100)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 화소의 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 내지 도 2c는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 다양한 화소 배열을 도시한다.
먼저, 도 2a는 이미지 센서(1000)에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer Pattern)을 보인다. 도 2a를 참조하면, 하나의 단위 패턴은 네 개의 사분 영역(Quadrant region)을 포함하며, 제1 내지 제4 사분면이 각각 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)가 될 수 있다. 이러한 단위 패턴이 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원적으로 반복 배열된다. 다시 말해, 2×2 어레이 형태의 단위 패턴 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 2개의 녹색 화소(G)가 배치되고, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 1개의 청색 화소(B)와 1개의 적색 화소(R)가 배치된다. 전체적인 화소 배열을 보면, 복수의 녹색 화소(G)와 복수의 청색 화소(B)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 복수의 적색 화소(R)와 복수의 녹색 화소(G)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이 제2 방향을 따라 반복적으로 배열된다.
화소 어레이(1100)의 배열 방식은 베이어 패턴 이외에도 다양한 배열 방식이 가능하다. 예를 들어, 도 2b를 참조하면, 마젠타(Magenta) 화소(M), 사이안(Cyan) 화소(C), 옐로우(Yellow) 화소(Y), 및 녹색 화소(G)가 하나의 단위 화패턴을 구성하는 CYGM 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도 2c를 참조하면, 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 청색 화소(B), 및 백색 화소(W)가 하나의 단위 패턴을 구성하는 RGBW 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도시되지는 않았지만 단위 패턴이 3×2 어레이 형태를 가질 수도 있다. 그 밖에도 화소 어레이(1100)의 화소들은 이미지센서(1000)의 색 특성에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 아래에서는 이미지센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것을 예로 설명하지만, 동작 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.
이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 특정 화소에 대응하는 색의 빛을 집광하는 색분리 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 색분리 렌즈 어레이의 구조와 동작을 보이는 개념도이다.
도 3a를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(CSLA, Color Separating Lens Array) 는 입사광(Li)의 위상을 입사 위치에 따라 다르게 변화시키는 복수의 나노포스트(NP)를 포함할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 다양한 방식으로 구획될 수 있다. 예를 들어, 입사광(Li)에 포함된 제1 파장 광(Lλ1)이 집광되는 제1 화소(PX1)에 대응하는 제1 화소 대응 영역(R1), 및 입사광(Li)에 포함된 제2 파장 광(Lλ2)이 집광되는 제2 화소(PX2)에 대응하는 제2 화소 대응 영역(R2)으로 구획될 수 있다. 제1 및 제2 화소 대응 영역(R1, R2)은 각각 하나 이상의 나노포스트(NP)를 포함할 수 있고, 각각 제1 및 제2 화소(PX1, PX2)와 마주하게 배치될 수 있다. 다른 예로, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 제1 파장 광(Lλ1)을 제1 화소(PX1)에 집광하는 제1 파장 집광 영역(L1), 제2 파장 광(Lλ2)을 제2 화소(PX2)에 집광하는 제2 파장 집광 영역(L2)으로 구획될 수 있다. 제1 파장 집광 영역(L1)과 제2 파장 집광 영역(L2)은 일부 영역이 중첩될 수 있다.
색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 입사광(Li)에 포함된 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)에 각각 다른 위상 분포(Phase Profile)를 형성하여, 제1 파장 광(Lλ1)을 제1 화소(PX1)에 집광하고, 제2 파장 광(Lλ2)을 제2 화소(PX2)로 집광할 수 있다.
예를 들어, 도 3b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 직후의 위치, 즉, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)의 하부 표면 위치에서, 제1 파장 광(Lλ1)이 제1 위상 분포(PP1)를 갖고 제2 파장 광(Lλ2)이 제2 위상 분포(PP2)를 갖도록 하여, 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)이 각각 대응하는 제1 및 제2 화소(PX1, PX2)에 집광되도록 할 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 제1 파장 광(Lλ1)은 제1 화소 대응 영역(R1)의 중심에서 가장 크고, 제1 화소 대응 영역(R1)의 중심에서 멀어지는 방향, 즉 제2 화소 대응 영역(R2) 방향으로 감소하는 제1 위상 분포(PP1)를 가질 수 있다. 이러한 위상 분포는 볼록 렌즈, 예를 들면, 제1 파장 집광 영역(L1)에 배치된 중심부가 볼록한 마이크로 렌즈를 통과하여 한 지점으로 수렴하는 광의 위상 분포와 유사하며, 제1 파장 광(Lλ1)은 제1 화소(PX1)에 집광될 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 제2 파장 광(Lλ2)은 제2 화소 대응 영역(R2)의 중심에서 가장 크고, 제2 화소 대응 영역(R2)의 중심에서 멀어지는 방향, 즉 제1 화소 대응 영역(R1) 방향으로 감소하는 제2 위상 분포(PP2)를 가져, 제2 파장 광(Lλ2)은 제2 화소(PX2)로 집광될 수 있다.
물질의 굴절률은 반응하는 빛의 파장에 따라 다르게 나타나기 때문에, 도 3b와 같이, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)에 대해 서로 다른 위상 분포를 제공할 수 있다. 다시 말하면, 동일한 물질이라도 물질과 반응하는 빛의 파장에 따라 굴절률이 다르고 물질을 통과했을 때 빛이 겪는 위상지연도 파장마다 다르기 때문에 파장별로 다른 위상 분포가 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 화소 대응 영역(R1)의 제1 파장 광(Lλ1)에 대한 굴절률과 제1 화소 대응 영역(R1)의 제2 파장 광(Lλ2)에 대한 굴절률이 서로 다를 수 있고, 제1 화소 대응 영역(R1)을 통과한 제1 파장 광(Lλ1)이 겪는 위상지연과 제1 화소 대응 영역(R1)을 통과한 제2 파장 광(Lλ2)이 겪는 위상지연이 다를 수 있으므로, 이러한 빛의 특성을 고려하여 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 설계하면, 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)에 대해 서로 다른 위상 분포를 제공하도록 할 수 있다.
색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)이 각각 제1 및 제2 위상 분포(PP1, PP2)를 가지도록 특정한 규칙으로 배열된 나노포스트(NP)를 포함할 수 있다. 여기서, 규칙(rule)은 나노포스트(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용되는 것으로, 이들 파라미터는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통해 구현하고자 하는 위상 분포(Phase Profile)에 따라 정해질 수 있다.
나노포스트(NP)가 제1 화소 대응 영역(R1)에 배치되는 규칙과 제2 화소 대응 영역(R2)에 배치되는 규칙은 서로 다를 수 있다. 다시 말하면, 제1 화소 대응 영역(R1)에 구비된 나노포스트(NP)의 크기, 형상, 간격 및/또는 배열이 제2 화소 대응 영역(R2)에 구비된 나노포스트(NP)의 크기, 형상, 간격 및/또는 배열과 다를 수 있다.
나노포스트(NP)는 단면의 지름이 서브 파장의 치수를 가질 수도 있다. 여기서 서브 파장은 분기 대상인 광의 파장 대역보다 작은 파장을 의미한다. 나노포스트(NP)는, 예를 들어, 제1 파장, 제2 파장 중 짧은 파장보다 작은 치수를 가질 수 있다. 입사광(Li)이 가시광인 경우, 나노포스트(NP)의 단면의 지름은 예를 들어 400 nm, 300 nm, 또는 200 nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 한편 나노포스트(NP)의 높이는 500 nm 내지 1500 nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다. 도시하지는 않았지만, 나노포스트(NP)는 높이 방향(Z방향)으로 적층된 2개 이상의 포스트가 결합된 것일 수 있다.
나노포스트(NP)는 주변 물질에 비하여 높은 굴절률을 갖는 재료로 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 조합을 포함할 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노포스트(NP)는 나노포스트(NP)를 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노포스트(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노포스트(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다. 나노포스트(NP) 주변 물질은 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 주변 물질은 SiO2 또는 공기(air)를 포함할 수 있다.
제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)은 적외선 및 가시광선 파장 대역일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 복수의 나노포스트(NP)의 어레이의 배열 규칙에 따라 다양한 파장에서 동작할 수 있다. 또한, 두 개의 파장이 분기되어 집광되는 것을 예시하였으나 입사광이 파장에 따라 세 방향 이상으로 분기되어 집광될 수도 있다.
또한 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 1개 층인 경우를 예로 설명하였으나, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 복수의 층이 적층된 구조일 수도 있다. 예를 들면, 1층은 가시광선을 특정 화소에 집광하고 2층은 적외선을 다른 화소에 집광하도록 설계할 수 있다.
아래에서는 앞서 설명한 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 이미지센서(1000)의 화소 어레이(1100)에 적용된 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이고, 도 5a는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)에서 화소의 배열을 개략적으로 보이는 평면도이며, 도 5b는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)에서 색분리 렌즈 어레이의 복수 영역에 복수의 나노포스트가 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 5c는 도 5b의 일부를 확대하여 상세히 보인 평면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 광을 센싱하는 복수의 화소(111, 112, 113, 114)를 포함하는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 상에 배치된 투명한 스페이서층(120), 및 스페이서층(120) 상에 배치된 색분리 렌즈 어레이(130)를 포함한다.
센서 기판(110)은 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 녹색 화소(111), 청색 화소(112), 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)를 포함할 수 있고, 제1 녹색 화소(111) 및 청색 화소(112)가 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되고, Y 방향의 위치가 다른 단면에서는 도 4b에 도시된 바와 같이, 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)가 번갈아 배열될 수 있다. 도 5a는 이미지센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 도 2a와 같이 베이어 패턴 배열을 가지는 경우의 화소들의 배열을 보인다. 이러한 배열은 입사광을 베이어 패턴과 같은 단위 패턴으로 구분하여 센싱하기 위한 것이며, 예를 들어, 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)는 녹색광을 센싱하고, 청색 화소(112)는 청색광을 센싱하며, 적색 화소(113)는 적색광을 센싱할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 셀 간 경계에는 셀 분리를 위한 분리막이 더 형성될 수도 있다.
도 5a를 참조하면, 화소들(111, 112, 113, 114)의 전부 또는 일부는 4개 이상의 광감지셀을 포함할 수 있고, 1개의 화소에 포함된 4개 이상의 광감지셀은 색분리 렌즈 어레이의 집광 영역을 공유할 수 있다. 하나의 화소 내에 독립적으로 신호를 감지할 수 있는 복수개의 광감지셀을 포함하는 경우, 이미지센서의 해상도가 향상될 수 있고, 각각의 광감지셀로부터 획득한 신호들의 차이를 이용하여 이미지 센서(1000) 및/또는 이미지 센서(1000)를 포함하는 카메라 장치의 자동 초점 기능을 구현할 수 있다. 도 5a의 실시예에서는 녹색, 청색, 및 적색 화소(111, 112, 113, 114)가 모두 4개의 광감지셀을 포함하는 경우, 예를 들면, 제1 녹색 화소(111)는 제1-1 내지 제1-4 녹색광 감지셀(111a, 111b, 111c, 111d)을 포함하고, 청색 화소(112)는 제1 내지 제4 청색광 감지셀 (112a, 112b, 112c, 112d)을 포함하고, 적색 화소(113)는 제1 내지 제4 적색광 감지셀(113a, 113b, 113c, 113d)을 포함하고, 제2 녹색 화소(114)는 제2-1 내지 제2-4 녹색광 감지셀(114a, 114b, 114c, 114d)을 포함하는 경우를 예로 설명한다.
스페이서층(120)은 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이에 배치되어 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 스페이서층(120)은 가시광에 대해 투명한 물질, 예를 들어, SiO2, 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass) 등 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 스페이서층(120)의 두께(120h)는 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 집광되는 광의 초점거리를 기준으로 정해질 수 있으며, 예를 들면, 후술하는 바와 같이 기준파장(λ0) 광의 초점거리의 1/2일 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 집광되는 기준파장(λ0) 광의 초점거리(f)는, 기준파장(λ0)에 대한 스페이서층(120)의 굴절률을 n, 화소의 피치를 p라고 할 때, 다음의 [수학식 1]로 표시될 수 있다.
Figure pat00001
기준파장(λ0)을 녹색광인 540 nm, 화소(111, 112, 113, 114)의 피치를 0.8 μm, 540 nm의 파장에서 스페이서층(120)의 굴절률(n)을 1.46이라고 가정하면, 녹색광의 초점거리(f), 즉, 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면과 센서 기판(110)의 하부 표면에서 녹색광이 수렴하는 지점 사이의 거리는 약 1.64 μm일 수 있고, 스페이서층(120)의 두께(120h)는 0.82 μm일 수 있다. 다른 예로 기준파장(λ0)을 녹색광인 540 nm, 화소(111, 112, 113, 114)의 피치를 1.2 μm, 540 nm의 파장에서 스페이서층(120)의 굴절률(n)을 1.46이라고 가정하면, 녹색광의 초점거리(f)는 약 3.80 μm일 수 있고, 스페이서층(120)의 두께(120h)는 1.90 μm일 수 있다.
앞서 설명한 스페이서층(120)의 두께(120h)를 다른 말로 표현하면, 스페이서층(120)의 두께(120h)는 화소 피치가 0.5 μm 내지 0.9 μm 일 때, 화소 피치의 70% 내지 120% 일 수 있고, 화소 피치가 0.9 μm 내지 1.3 μm 일 때, 화소 피치의 110% 내지 180% 일 수 있다.
색분리 렌즈 어레이(130)는 스페이서층(120)에 의해 지지되며, 입사광의 위상을 변화시키는 나노포스트(NP)들 및 나노포스트(NP)들 사이에 배치되고 나노포스트(NP)보다 굴절률이 낮은 유전체, 예를 들면, 공기 또는 SiO2 를 포함할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)는 도 5a의 각 화소들(111, 112, 113, 114)에 대응하는 4개의 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)으로 구획될 수 있다. 제1 녹색 화소 대응 영역(131)은 제1 녹색 화소(111)에 대응하며 연직 방향으로 제1 녹색 화소(111) 상부에 배치될 수 있고, 청색 화소 대응 영역(132)은 청색 화소(112)에 대응하며 연직 방향으로 청색 화소(112) 상부에 배치될 수 있고, 적색 화소 대응 영역(133)은 적색 화소(113)에 대응하며 연직 방향으로 적색 화소(113) 상부에 배치될 수 있고, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)은 제2 녹색 화소(114)에 대응하며 연직 방향으로 제2 녹색 화소(114) 상부에 배치될 수 있다. 즉, 색분리 렌즈 어레이(130)의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)은 센서 기판(110)의 각 화소(111, 112, 113, 114)와 연직 방향으로 마주하게 배치될 수 있다. 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)은 제1 녹색 화소 대응 영역 및 청색 화소 대응 영역(131, 132)이 번갈아 배열되는 제1 행과 적색 화소 대응 영역 및 제2 녹색 화소 대응 영역(133, 134)이 번갈아 배열되는 제2 행이 서로 교대로 반복되도록 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원 배열될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)도 센서 기판(110)의 화소 어레이와 같이 2차원 배열된 복수의 단위 패턴을 포함하며, 각각의 단위 패턴은 2×2의 형태로 배열된 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)을 포함한다.
한편, 색분리 렌즈 어레이(130)는 도 3b에서 설명한 것과 유사하게, 녹색광을 집광하는 녹색광 집광 영역, 청색광을 집광하는 청색광 집광 영역, 및 적색광을 집광하는 적색광 집광 영역으로 구획될 수도 있다.
색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)로 녹색광이 분기되어 집광되고, 청색 화소(112)로 청색광이 분기되어 집광되며, 적색 화소(113)로 적색 광이 분기되어 집광되도록 크기, 형상, 간격 및/또는 배열이 정해진 나노포스트(NP)들을 포함할 수 있다. 한편, 제3 방향(Z방향)을 따른 색분리 렌즈 어레이(130)의 두께는 나노포스트(NP)의 높이와 유사할 수 있으며, 500 nm 내지 1500 nm일 수 있다.
도 5b를 참조하면, 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)은 원형단면을 가지는 원기둥 형태의 나노포스트(NP)들을 포함할 수 있고, 각 영역의 중심부에는 단면적이 서로 다른 나노포스트(NP)가 배치되고, 화소간 경계선 상의 중심 및 화소 경계선의 교차점에도 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다.
도 5c는 도 5b의 일부 영역, 즉, 단위 패턴을 구성하는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에 포함된 나노포스트(NP)의 배열을 상세히 보인다. 도 5c에서 나노포스트(NP)들은 단위 패턴 단면의 크기에 따라 1 ~ 5로 표시되어 있다. 도 5c를 참조하면, 나노포스트(NP)들 중, 청색 화소 대응 영역(132) 중심에 단면의 크기가 가장 큰 나노포스트(1)가 배치되고, 단면의 크기가 가장 작은 나노포스트(5)는 나노포스트(1) 및 나노포스트(3)의 주변 및 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134) 중심에 배치될 수 있다. 이는 하나의 예에 불과하고, 필요에 따라 다양한 형상, 크기, 배열의 나노포스트(NP)들이 적용될 수 있다.
제1 및 제2 녹색 화소 대응 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 제2 녹색 화소 대응 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 녹색 화소 대응 영역(131)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 청색 화소 대응 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트(4)의 단면적과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 적색 화소 대응 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트들(5)의 단면적은 서로 다르다. 마찬가지로, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 적색 화소 대응 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트(5)의 단면적과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 청색 화소 대응 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트(4)의 단면적은 서로 다르다.
반면, 청색 화소 대응 영역(132) 및 적색 화소 대응 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, 청색 화소 대응 영역(132)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(4)와 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(4)의 단면적은 서로 같으며, 또한, 적색 화소 대응 영역(133)에서도 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(5)와 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(5)의 단면적이 서로 같다.
이러한 분포는, 베이어 패턴의 화소 배열에 기인한다. 청색 화소(112)와 적색 화소(113)는 모두 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소들이 녹색 화소(111, 114)로 동일한 반면, 제1 녹색 화소(111)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(112)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)로 서로 다르고, 제2 녹색 화소(114)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(114)로 서로 다르다. 그리고 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 녹색 화소이고, 청색 화소(112)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 적색 화소(113)로 서로 같고, 적색 화소(113)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 청색 화소(112)로 서로 같다. 따라서, 청색 화소(112)와 적색 화소(113)에 대응하는 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서는 4방 대칭(4-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NP)들이 배열되고, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서는 2방 대칭(2-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NP)들이 배열될 수 있다. 특히, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)은 서로에 대해 90도 회전되어 있다.
도 5b 및 도 5c의 나노포스트(NP)들은 모두 대칭적인 원형의 단면 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 비대칭 형상의 단면 형상을 갖는 나노포스트가 일부 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 서로 다른 비대칭 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용되고, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 같은 대칭적인 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용될 수 있다.
예시된 나노포스트(NP)의 배열 규칙은 일 예시이며, 도시된 패턴에 한정되는 것은 아니다.
도 6a는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 5b의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 보이고, 도 6b는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보이고, 도 6c는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보인다. 도 6a의 녹색광 및 청색광의 위상 분포는 도 3b에서 예시적으로 설명한 제1 및 제2 파장 광의 위상 분포와 유사하다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광은 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 가장 크고, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 직후 위치, 다시 말해 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면 또는 스페이서층(120)의 상부 표면에서, 녹색광의 위상이, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 가장 크고, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X방향 및 Y방향으로는 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서 최소가 된다. 녹색광의 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 중심에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 2π라고 정하면, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133) 중심에서는 위상이 0.9π 내지 1.1π, 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 중심에서는 위상이 2π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1 π 내지 1.5 π인 광이 출사할 수 있다. 따라서, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심을 통과한 녹색광과 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)의 중심을 통과한 녹색광의 위상 차이는 0.9π 내지 1.1π일 수 있다 .
한편, 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)는 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 중심을 통과한 광의 위상 지연량이 가장 크다는 것을 의미하는 것은 아니며, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)을 통과한 광의 위상을 2π 라고 정했을 때 다른 위치를 통과한 광의 위상 지연이 더 커서 2π 보다 큰 위상 값을 가진다면, 2nπ 만큼 제거하고 남은 값, 즉, 랩(Wrap)된 위상의 분포일 수 있다. 예를 들어, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)을 통과한 광의 위상을 2π 라고 했을 때, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심을 통과한 광의 위상이 3π 라면, 청색 화소 대응 영역(132)에서의 위상은 3π에서 2π(n=1인 경우)를 제거하고, 남은 π 일 수 있다.
도 6a 및 도 6c를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 청색광은 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 가장 크고, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 청색광 위상 분포(PPB)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 청색광의 위상이, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 가장 크고, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X방향 및 Y방향으로는 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 최소가 된다. 청색광의 청색 화소 대응 영역(132) 중심에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 적색 화소 대응 영역(133) 중심에서의 위상은 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.5π 내지 0.9π일 수 있다.
도 6d는 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6e는 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.
제1 녹색 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 6d에 도시한 것과 같이, 제1 녹색 화소(111)로 집광되며, 제1 녹색 화소(111)에는 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 외에도 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서 오는 녹색광이 입사한다. 즉, 도 6a 및 도 6b에서 설명한 녹색광의 위상 분포는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 한 변을 맞대고 인접한 2개의 청색 화소 대응 영역(132)과 2개의 적색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결한 제1 녹색광 집광 영역(GL)을 통과한 녹색광을 제1 녹색 화소(111)에 집광한다. 따라서, 도 6e에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 녹색 화소(111)에 녹색광을 집광하는 제1 녹색광 집광 영역(GL1) 어레이로 동작할 수 있다. 제1 녹색광 집광 영역(GL1)은 대응하는 제1 녹색 화소(111)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다.
도 6f는 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6g는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.
청색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 6f과 같이 청색 화소(112)로 집광되며, 청색 화소(112)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 청색광이 입사한다. 앞서 도 6a 및 도 6c에서 설명한 청색광의 위상 분포는 청색 화소 대응 영역(132)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 적색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결하여 만든 청색광 집광 영역(BL)를 통과한 청색광을 청색 화소(112)에 집광한다. 따라서, 도 6g에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 청색 화소에 청색광을 집광하는 청색광 집광 영역(BL) 어레이로 동작할 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 대응하는 청색 화소(112)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 일부 영역이 전술한 제1 녹색광 집광 영역(GL1) 및 후술하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2) 및 적색광 집광 영역(RL)과 중첩될 수 있다.
도 7a 내지 도 7g는 스페이서층의 두께와 광이 집광되는 영역의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 스페이서층의 두께가 녹색광 집광 영역의 초점거리와 유사할 때 녹색광이 집광되는 영역을 설명하기 위한 도면이다. 도 7a를 참조하면, 스페이서층(120)의 두께(120h), 즉, 색분리 렌즈 어레이(130)와 센서 기판(110) 사이의 거리가 제1 녹색광 집광 영역(GL1)의 초점거리와 유사하기 때문에 녹색광은 녹색 화소(111)의 중심부에 원형으로 표시한 녹색광 포커스 영역(FRG)으로 집광될 수 있다. 스페이서층(120)의 두께가 제1 녹색광 집광 영역(GL1)의 초점거리와 근접할수록 녹색광 포커스 영역(FRG)의 크기는 작아질 수 있다. 제1 녹색 화소(111)는 4개의 광감지셀들(111a, 111b, 111c, 111d)을 포함하며, 광감지셀과 광감지셀 사이에는 크로스톡 방지 등을 위한 격벽이 설치되어 있다. 따라서, 녹색광 포커스 영역(FRG)으로 집광되는 광자 중 상당수가 광감지셀 사이의 격벽에 입사하고, 격벽에 입사한 광자들은 반사 또는 산란되어 광감지셀에서 감지되지 않을 수 있기 때문에 센서 기판(110)의 광 이용 효율 저하의 원인이 될 수 있다.
도 7b는 스페이서층의 두께가 녹색광 집광 영역의 초점거리의 1/2 일 때 녹색광이 집광되는 영역을 설명하기 위한 도면이다. 도 7b를 참조하면, 스페이서층(120)의 두께(120h)가 제1 녹색광 집광 영역(GL1)의 초점거리보다 작기 때문에 녹색광은 도 7a의 녹색광 포커스 영역(FRG) 보다 확장된 면적의 보정된 녹색광 포커스 영역(FRG')에 집광될 수 있다. 특히, 녹색광은 광감지셀들(111a, 111b, 111c, 111d) 사이에 원으로 표시한 4개의 광집중부(LC)에 집중될 수 있다. 보정된 녹색광 포커스 영역(FRG')은 도 7a의 포커스 영역(FRG)에 비해 광감지셀들(111a, 111b, 111c, 111d)의 중심부로 입사하는 광이 많고, 격벽이 교차하는 제1 녹색 화소(111) 중심으로 입사하는 광이 적기 때문에 격벽에 의해 반사 또는 산란되어 손실되는 광자의 수가 감소할 수 있다. 다른 말로 표현하면, 1개의 화소가 4개의 광감지셀을 포함하는 구조에서, 스페이서층(120)의 두께(120h)를 집광 영역의 초점거리의 1/2로 설계할 경우, 스페이서층(120)의 두께(120h)를 집광 영역의 초점거리로 정한 경우보다 센서 기판(110)의 광 이용 효율이 향상될 수 있다.
센서 기판(110)의 광 이용 효율이 저하되지 않도록, 스페이서층(120)의 두께, 즉, 색분리 렌즈 어레이(130)와 센서 기판(110) 사이의 거리는, 색분리 렌즈 어레이(130)에 의한 기준파장 광 초점거리의 30% 내지 70% 또는 40% 내지 60%일 수 있다.
구체적으로, 스페이서층(120)의 두께, 즉, 색분리 렌즈 어레이(130)와 센서 기판(110) 사이의 거리는, 센서 기판(110)의 화소 피치가 0.9 um 내지 1.3 um 일 경우, 화소 피치의 110% 내지 180%일 수 있고, 또는 센서 기판(110)의 화소 피치가 0.5 um 내지 0.9 um 일 경우에는 센서 기판(110)의 화소 피치의 70% 내지 120%일 수 있다.
도 7c는 도 7b의 보정된 녹색광 포커스 영역(FRG')의 광집중부를 설명하기 위한 도면이다. 도 7c를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제1 녹색광 집광 영역(GL1)과 센서 기판(110)의 녹색 화소(111)가 도시된다, 도 6d 및 도 6e에서 설명한 것과 같이, 제1 녹색광 집광 영역(GL1)은 4각형일 수 있으며, 녹색 화소(111)에 비해 45도 회전된 배치일 수 있다. 제1 녹색광 집광 영역(GL1)의 빗금친 꼭지점 방향에 오는 광이 제1 녹색광 집광 영역(GL1)의 다른 방향, 예를 들면, 각 변의 중심 방향에서 오는 광의 양보다 상대적으로 많기 때문에 제1 녹색광 집광 영역(GL1)의 꼭지점 방향으로 광이 집중되어 '+'자 배열의 광집중부(LC)가 형성될 수 있다. 즉, 보정된 녹색광 포커스 영역(FRG')의 배열은 제1 녹색광 집광 영역(GL1)의 형상과 배치에 의해 정해질 수 있다. 이러한 제1 녹색광 집광 영역(GL1)의 형상과 배치에 의해, 인접한 2개의 광감지셀들 사이에 4개의 광집중부(LC)가 형성될 수 있다.
도 7d는 스페이서층의 두께가 청색광 집광 영역 초점거리와 유사할 때 청색광이 집광되는 영역을 설명하기 위한 도면이다. 도 7d를 참조하면, 청색광은 청색 화소(112)의 중심부에 원형으로 표시한 청색광 포커스 영역(FRB)으로 집광될 수 있다. 녹색광 포커스 영역(FRG)에서와 같이 청색광 포커스 영역(FRB)으로 집광되는 광자 중 상당수가 광감지셀(112a, 112b, 112c, 112d) 사이의 격벽에 입사하고, 격벽에 입사한 광자들은 반사 또는 산란되어 광감지셀에서 감지되지 않을 수 있기 때문에 센서 기판(110)의 광 효율 저하의 원인이 될 수 있다.
도 7e는 스페이서층의 두께가 청색광 집광 영역 초점거리의 1/2 일 때 청색광이 집광되는 영역을 설명하기 위한 도면이다. 도 7e를 참조하면, 청색광은 도 7d의 포커스 영역(FRB) 보다 확장된 면적의 보정된 청색광 포커스 영역(FRB')에 집광될 수 있다. 특히, 청색광은 광감지셀들(112a, 112b, 112c, 112d)의 중심부에 원으로 표시한 광집중부(LC)에 집중될 수 있다. 보정된 청색광 포커스 영역(FRB')은 도 7d의 포커스 영역(FRB)에 비해 광감지셀들(112a, 112b, 112c, 112d) 중심부로 입사하는 광이 많고, 격벽이 교차하는 청색 화소(112) 중심으로 입사하는 광이 적기 때문에 광 이용 효율이 향상될 수 있다.
도 7f는 도 7e의 보정된 청색광 포커스 영역(FRG')을 설명하기 위한 도면이다. 도 7f를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 청색광 집광 영역(BL)과 센서 기판(110)의 청색 화소(112)가 도시된다, 도 6d 및 도 6e에서 설명한 것과 같이, 청색광 집광 영역(BL)은 4각형일 수 있으며, 청색 화소(112)와 동일한 방향, 즉, 청색광 집광 영역(BL)의 각 변이 청색 화소(112)의 각 변과 평행한 방향으로 배치될 수 있다. 이러한 청색광 집광 영역(BL)의 배치와 형상에 의해 광이 청색광 집광 영역(BL)의 꼭지점 방향으로 집중되어 'x'자 배열의 광집중부(LC)를 형성할 수 있다.
도 8a는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 5b의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 보이고, 도 8b는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보이고, 도 8c는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보인다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광은 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 가장 크고, 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 적색광 위상 분포(PPR)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 적색광의 위상이, 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 가장 크고, 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X방향 및 Y방향으로는 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 최소가 된다. 적색광의 적색 화소 대응 영역(133) 중심에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 청색 화소 대응 영역(132) 중심에서의 위상은 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.6π 내지 0.9π일 수 있다.
도 8a 및 도 8c를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광은 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심에서 가장 크고, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)를 가질 수 있다. 도 6a의 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)와 도 8의 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)를 비교하면, 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)는 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)를 X방향 및 Y방향으로 1 화소 피치만큼 평행 이동한 것과 같다. 즉, 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 위상이 가장 큰 반면, 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 X방향 및 Y방향으로 1 화소 피치만큼 떨어 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심에서 위상이 가장 크다. 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보여주는 도 6b와 도 8c의 위상 분포는 동일할 수 있다. 다시 한번 제2 녹색 화소 대응 영역(134)을 기준으로 녹색광의 위상 분포를 설명하면, 녹색광의 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 중심에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 2π라고 정하면, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133) 중심에서는 위상이 0.9π 내지 1.1π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 중심에서는 위상이 2π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1 π 내지 1.5 π인 광이 출사할 수 있다.
도 8d는 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 8e는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.
적색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 8d와 같이 적색 화소(113)로 집광되며, 적색 화소(113)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 적색광이 입사한다. 앞서 도 8a 및 도 8b에서 설명한 적색광의 위상 분포는 적색 화소 대응 영역(133)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 청색 화소 대응 영역(132)의 중심을 연결하여 만든 적색광 집광 영역(RL)을 통과한 적색광을 적색 화소(113)에 집광한다. 따라서, 도 8e에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 적색 화소에 적색광을 집광하는 적색광 집광 영역(RL) 어레이로 동작할 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 대응하는 적색 화소(113)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 일부 영역이 제1 및 제2 녹색광 집광 영역(GL1, GL2) 및 청색광 집광 영역(BL)과 중첩될 수 있다.
도 8f 및 도 8g를 참조하면, 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 주변으로 입사한 녹색광은 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광에 대해 설명한 것과 유사하게 진행하며, 도 8f에 도시한 것과 같이, 제2 녹색 화소(114)로 집광된다. 따라서, 도 8g에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 제2 녹색 화소(114)에 녹색광을 집광하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2) 어레이로 동작할 수 있다. 제2 녹색광 집광 영역(GL2)은 대응하는 제2 녹색 화소(114)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다.
앞서 설명한 화소 어레이(1100)를 포함하는 이미지센서(1000)는 컬러 필터, 예를 들면, 유기 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 이미지센서의 제작이 가능하다. 이러한 초고해상도 초소형 고감도 이미지센서는 다양한 고성능 광학 장치 또는 고성능 전자 장치에 채용될 수 있다. 이러한 전자 장치는, 예컨대, 스마트 폰(smart phone), 휴대폰, 핸드폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 휴대용 기기, 가전 제품, 보안 카메라, 의료용 카메라, 자동차, 사물인터넷(IoT;Internet of Things) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 일 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
전자 장치는 이미지센서(1000) 외에도, 이미지센서를 제어하는 프로세서, 예를 들면, 어플리케이션 프로세서(AP: Application Processor)를 더 포함할 수 있으며, 프로세서를 통해 운영 체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 프로세서는 GPU (Graphic Processing Unit) 및/또는 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor)를 더 포함할 수 있다. 프로세서에 이미지 신호 프로세서가 포함되는 경우, 이미지센서에 의해 획득된 이미지(또는 영상)를 프로세서를 이용하여 저장 및/또는 출력할 수 있다.
도 9은 이미지센서(1000)를 포함하는 전자 장치(ED01)의 일 예를 나타내는 블럭도이다. 도 9을 참조하면, 네트워크 환경(ED00)에서 전자 장치(ED01)는 제1 네트워크(ED98)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(ED02)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(ED99)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(ED04) 및/또는 서버(ED08)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 서버(ED08)를 통하여 전자 장치(ED04)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 프로세서(ED20), 메모리(ED30), 입력 장치(ED50), 음향 출력 장치(ED55), 표시 장치(ED60), 오디오 모듈(ED70), 센서 모듈(ED76), 인터페이스(ED77), 햅틱 모듈(ED79), 카메라 모듈(ED80), 전력 관리 모듈(ED88), 배터리(ED89), 통신 모듈(ED90), 가입자 식별 모듈(ED96), 및/또는 안테나 모듈(ED97)을 포함할 수 있다. 전자 장치(ED01)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(ED60) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(ED76)(지문 센서, 홍채 센서, 조도 센서 등)은 표시 장치(ED60)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.
프로세서(ED20)는, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등)를 실행하여 프로세서(ED20)에 연결된 전자 장치(ED01) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(ED20)는 다른 구성요소(센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(ED32)에 로드하고, 휘발성 메모리(ED32)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(ED34)에 저장할 수 있다. 프로세서(ED20)는 메인 프로세서(ED21)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(ED23)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)는 메인 프로세서(ED21)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다.
보조 프로세서(ED23)는, 메인 프로세서(ED21)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(ED21)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)와 함께, 전자 장치(ED01)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(ED60), 센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(ED80), 통신 모듈(ED90) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다.
메모리(ED30)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20), 센서모듈(ED76) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(ED30)는, 휘발성 메모리(ED32) 및/또는 비휘발성 메모리(ED34)를 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리(ED32)는 전자 장치(ED01) 내에 고정 장착된 내장 메모리(ED36)과 탈착 가능한 외장 메모리(ED38)를 포함할 수 있다.
프로그램(ED40)은 메모리(ED30)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(ED42), 미들 웨어(ED44 ) 및/또는 어플리케이션(ED46)을 포함할 수 있다.
입력 장치(ED50)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(ED01)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(ED50)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다.
음향 출력 장치(ED55)는 음향 신호를 전자 장치(ED01)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(ED55)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.
표시 장치(ED60)는 전자 장치(ED01)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(ED60)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(ED60)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(ED70)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(ED70)은, 입력 장치(ED50)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(ED55), 및/또는 전자 장치(ED01)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(ED76)은 전자 장치(ED01)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(ED76)은, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(ED77)는 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 또는 복수의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(ED77)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(ED78)는, 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(ED78)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있
햅틱 모듈(ED79)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(ED79)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(ED80)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 하나 또는 복수의 렌즈들을 포함하는 렌즈 어셈블리, 도 1의 이미지센서(1000), 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다.
전력 관리 모듈(ED88)은 전자 장치(ED01)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(ED88)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(ED89)는 전자 장치(ED01)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(ED89)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(ED90)은 전자 장치(ED01)와 다른 전자 장치(전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 프로세서(ED20)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 또는 복수의 커뮤니케이션 프로세서들을 포함할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 무선 통신 모듈(ED92)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(ED94)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(ED98)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(ED99)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(ED92)은 가입자 식별 모듈(ED96)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(ED01)를 확인 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(ED97)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(ED97)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(ED90)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(ED90)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(ED97)의 일부로 포함될 수 있다.
구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.
명령 또는 데이터는 제2 네트워크(ED99)에 연결된 서버(ED08)를 통해서 전자 장치(ED01)와 외부의 전자 장치(ED04)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(ED02, ED04)은 전자 장치(ED01)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(ED01)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(ED02, ED04, ED08) 중 하나 또는 복수의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(ED01)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(ED01)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.
도 10은, 도 9의 카메라 모듈(ED80)을 예시하는 블럭도이다. 도 10을 참조하면, 카메라 모듈(ED80)은 렌즈 어셈블리(CM10), 플래시(CM20), 이미지센서(1000)(도 1의 이미지센서(1000) 등), 이미지 스태빌라이저(CM40), 메모리(CM50)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(CM60)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(CM10)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 복수의 렌즈 어셈블리(CM10)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(ED80)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(CM10)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(CM10)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
플래시(CM20)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래시(CM20)는 하나 또는 복수의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다. 이미지센서(1000)는 도 1에서 설명한 이미지센서일 수 있으며, 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(CM10)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 이미지센서(1000)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지센서(1000)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.
이미지 스태빌라이저(CM40)는 카메라 모듈(ED80) 또는 이를 포함하는 전자 장치(CM01)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(CM10)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지센서(1000)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지센서(1000)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(CM40)는 카메라 모듈(ED80)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(ED80) 또는 전자 장치(ED01)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(CM40)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(CM50)는 이미지센서(1000)를 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(CM50)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(CM60)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(CM50)는 전자 장치(ED01)의 메모리(ED30)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(CM60)는 이미지센서(1000)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(CM50)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 카메라 모듈(ED80)에 포함된 구성 요소들(이미지센서(1000) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(CM50)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(ED80)의 외부 구성 요소(메모리(ED30), 표시 장치(ED60), 전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 프로세서(ED20)에 통합되거나, 프로세서(ED20)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)가 프로세서(ED20)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(CM60)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(ED20)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(ED60)를 통해 표시될 수 있다.
전자 장치(ED01)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(ED80)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.
실시예들에 따른 이미지센서(1000)는 도 11에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(1100m), 도 12에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(1200), 도 13에 도시된 디지털 카메라 또는 캠코더(1300), 도 14에 도시된 노트북 컴퓨터(1400)에 또는 도 15에 도시된 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(1500) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰(1100m) 또는 스마트 태블릿(1200)은 고해상 이미지센서가 각각 탑재된 복수의 고해상 카메라를 포함할 수 있다. 고해상 카메라들을 이용하여 영상 내 피사체들의 깊이 정보를 추출하거나, 영상의 아웃포커싱을 조절하거나, 영상 내 피사체들을 자동으로 식별할 수 있다.
또한, 이미지센서(1000)는 도 16에 도시된 스마트 냉장고(1600), 도 17에 도시된 보안 카메라(1700), 도 18에 도시된 로봇(1800), 도 19에 도시된 의료용 카메라(1900) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(1600)는 이미지센서를 이용하여 냉장고 내에 있는 음식을 자동으로 인식하고, 특정 음식의 존재 여부, 입고 또는 출고된 음식의 종류 등을 스마트폰을 통해 사용자에게 알려줄 수 있다. 보안 카메라(1700)는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(1900)은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라(1900)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.
또한, 이미지센서(1000)는 도 20에 도시된 바와 같이 차량(2000)에 적용될 수 있다. 차량(2000)은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라(2010, 2020, 2030, 2040)를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라(2010, 2020, 2030, 2040)는 실시예에 따른 이미지센서를 포함할 수 있다. 차량(2000)은 복수의 차량용 카메라(2010, 2020, 2030, 2040)를 이용하여 차량(2000) 내부 또는 주변에 대한 다양한 정보를 운전자에게 제공할 수 있으며, 영상 내의 사물 또는 사람을 자동으로 인식하여 자율 주행에 필요한 정보를 제공할 수 있다.
상술한 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지센서 및 이를 포함하는 전자 장치가 비록 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (36)

  1. 제1 파장 광을 감지하기 위한 제1 화소, 및
    제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소
    를 포함하는 센서 기판; 및
    상기 센서 기판 상부에 배치되어 입사광 중 상기 제1 파장 광을 상기 제1 화소에 집광하는 제1 파장 광 집광 영역을 포함하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 제1 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제1 화소의 면적보다 크고,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 제1 파장 광 집광 영역에 의한 제1 파장 광의 초점거리 보다 작은,
    이미지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 제1 파장 광 집광 영역에 의한 제1 파장 광의 초점거리의 30% 내지 70%인,
    이미지센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 제1 파장 광 집광 영역에 의한 제1 파장 광의 초점거리의 40% 내지 60%인,
    이미지센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 배치되어 상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 거리를 형성하는 스페이서층을 더 포함하는,
    이미지센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서 기판의 화소의 피치를 p, 상기 스페이서층의 굴절률을 n, 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 광의 파장 대역의 중심파장을 λ0 라 할 때, 상기 제1 파장 광 집광 영역의 초점거리는,
    Figure pat00002
    인,
    이미지센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화소는 제1 파장 광을 독립적으로 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하는,
    이미지센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역을 통과한 제1 파장 광은 제1 파장 광 집광 영역의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 위상 분포를 가지는,
    이미지센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제1 화소 면적의 1.2배 내지 4배인,
    이미지센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서 기판은, 제3 파장 광을 감지하기 위한 제3화소를 더 포함하고,
    상기 색분리 렌즈 어레이는, 입사광 중 제2 파장 광을 상기 제2 화소에 집광하는 제2 파장 광 집광 영역, 및 제3 파장 광을 상기 제3 화소에 집광하는 제3 파장 광 집광 영역을 포함하고,
    상기 제2 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제2 화소의 면적보다 크고, 상기 제3 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제3 화소의 면적보다 큰,
    이미지센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역은 상기 제2 파장 광 집광 영역 및 상기 제3 파장 광 집광 영역과 일부 영역이 중첩되는,
    이미지센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 색분리 렌즈 어레이는,
    상기 제1 화소에 대응하는 위치에 배치된 제1 화소 대응 영역; 및
    상기 제2 화소에 대응하는 위치에 배치된 제2 화소 대응 영역;
    을 포함하고,
    상기 제1 화소 대응 영역의 중심을 통과한 제1 파장 광과 상기 제2 화소 대응 영역의 중심을 통과한 제1 파장 광의 위상 차이는, 0.9π 내지 1.1π인,
    이미지센서.
  12. 제1 파장 광을 감지하기 위한 제1 화소, 및
    제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소
    를 포함하는 센서 기판; 및
    상기 센서 기판 상부에 배치되어 입사광 중 상기 제1 파장 광을 상기 제1 화소에 집광하는 상기 제1 화소의 면적보다 큰 면적을 가지는 제1 파장 광 집광 영역을 포함하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 센서 기판의 화소 피치는 0.9 um 내지 1.3 um이고,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 센서 기판의 화소 피치의 110% 내지 180%인,
    이미지센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역을 통과한 제1 파장 광은 제1 파장 광 집광 영역의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 위상 분포를 가지는,
    이미지센서.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 배치되어 상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 거리를 형성하는 스페이서층을 더 포함하는,
    이미지센서.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 화소는 제1 파장 광을 독립적으로 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하는,
    이미지센서.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 센서 기판은, 제3 파장 광을 감지하기 위한 제3화소를 더 포함하고,
    상기 색분리 렌즈 어레이는, 입사광 중 제2 파장 광을 상기 제2 화소에 집광하는 제2 파장 광 집광 영역, 및 제3 파장 광을 상기 제3 화소에 집광하는 제3 파장 광 집광 영역을 포함하고,
    상기 제2 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제2 화소의 면적보다 크고, 상기 제3 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제3 화소의 면적보다 큰,
    이미지센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역은 상기 제2 파장 광 집광 영역 및 상기 제3 파장 광 집광 영역과 일부 영역이 중첩되는,
    이미지센서.
  18. 제1 파장 광을 감지하기 위한 제1 화소, 및
    제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소
    를 포함하는 센서 기판; 및
    상기 센서 기판 상부에 배치되어 입사광 중 상기 제1 파장 광을 상기 제1 화소에 집광하는 상기 제1 화소의 면적보다 큰 면적을 가지는 제1 파장 광 집광 영역을 포함하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 센서 기판의 화소 피치가 0.5 um 내지 0.9 um 이고,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 센서 기판의 화소 피치의 70% 내지 120%인,
    이미지센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역을 통과한 제1 파장 광은 제1 파장 광 집광 영역의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 위상 분포를 가지는,
    이미지센서.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 배치되어 상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 거리를 형성하는 스페이서층을 더 포함하는,
    이미지센서.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1 화소는 제1 파장 광을 독립적으로 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하는,
    이미지센서.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 센서 기판은, 제3 파장 광을 감지하기 위한 제3화소를 더 포함하고,
    상기 색분리 렌즈 어레이는, 입사광 중 제2 파장 광을 상기 제2 화소에 집광하는 제2 파장 광 집광 영역, 및 제3 파장 광을 상기 제3 화소에 집광하는 제3 파장 광 집광 영역을 포함하고,
    상기 제2 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제2 화소의 면적보다 크고, 상기 제3 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제3 화소의 면적보다 큰,
    이미지센서.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역은 상기 제2 파장 광 집광 영역 및 상기 제3 파장 광 집광 영역과 일부 영역이 중첩되는,
    이미지센서.
  24. 광학상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서 및
    상기 이미지센서의 동작을 제어하고, 상기 이미지센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서를 포함하고,
    상기 이미지 센서는,
    제1 파장 광을 감지하기 위한 제1 화소, 및
    제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소
    를 포함하는 센서 기판; 및
    상기 센서 기판 상부에 배치되어 입사광 중 상기 제1 파장 광을 상기 제1 화소에 집광하는 제1 파장 광 집광 영역을 포함하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 제1 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제1 화소의 면적보다 크고,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 제1 파장 광 집광 영역에 의한 제1 파장 광의 초점거리 보다 작은,
    전자 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 제1 파장 광 집광 영역에 의한 제1 파장 광의 초점거리의 30% 내지 70%인,
    전자 장치.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 제1 파장 광 집광 영역에 의한 제1 파장 광의 초점거리의 40% 내지 60%인,
    전자 장치.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 배치되어 상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 거리를 형성하는 스페이서층을 더 포함하는,
    전자 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 센서 기판의 화소의 피치를 p, 상기 스페이서층의 굴절률을 n, 상기 색분리 렌즈 어레이가 색분리하는 광의 파장 대역의 중심파장을 λ0 라 할 때, 상기 제1 파장 광 집광 영역의 초점거리는,
    Figure pat00003
    인,
    전자 장치.
  29. 제24항에 있어서,
    상기 제1 화소는 제1 파장 광을 독립적으로 감지하는 복수의 광감지셀을개 포함하는,
    전자 장치.
  30. 제24항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역을 통과한 제1 파장 광은 제1 파장 광 집광 영역의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 위상 분포를 가지는,
    전자 장치.
  31. 제24항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제1 화소 면적의 1.2배 내지 4배인,
    전자 장치.
  32. 제24항에 있어서,
    상기 센서 기판은, 제3 파장 광을 감지하기 위한 제3화소를 더 포함하고,
    상기 색분리 렌즈 어레이는, 입사광 중 제2 파장 광을 상기 제2 화소에 집광하는 제2 파장 광 집광 영역, 및 제3 파장 광을 상기 제3 화소에 집광하는 제3 파장 광 집광 영역을 포함하고,
    상기 제2 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제2 화소의 면적보다 크고, 상기 제3 파장 광 집광 영역의 면적은 상기 제3 화소의 면적보다 큰,
    전자 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 제1 파장 광 집광 영역은 상기 제2 파장 광 집광 영역 및 상기 제3 파장 광 집광 영역과 일부 영역이 중첩되는,
    전자 장치.
  34. 제24항에 있어서,
    상기 색분리 렌즈 어레이는,
    상기 제1 화소에 대응하는 위치에 배치된 제1 화소 대응 영역; 및
    상기 제2 화소에 대응하는 위치에 배치된 제2 화소 대응 영역;
    을 포함하고,
    상기 제1 화소 대응 영역의 중심을 통과한 제1 파장 광과 상기 제2 화소 대응 영역의 중심을 통과한 제1 파장 광의 위상 차이는, 0.9π 내지 1.1π인,
    전자 장치.
  35. 제24항에 있어서,
    상기 센서 기판의 화소 피치는 0.9 um 내지 1.3 um이고,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 센서 기판의 화소 피치의 110% 내지 180%인,
    전자 장치.
  36. 제24항에 있어서,
    상기 센서 기판의 화소 피치는 0.5 um 내지 0.9 um이고,
    상기 센서 기판과 상기 색분리 렌즈 어레이는 사이의 거리는 상기 센서 기판의 화소 피치의 70% 내지 120%인,
    전자 장치.
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