KR20220099469A - 이미지-감지 디바이스 - Google Patents

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Abstract

이미지-감지 디바이스는 입사광을 수신하기 위한 광전 소자를 포함한다. 광전 소자는 단위 셀로 배열되고, 단위 셀의 각각은 제1, 제2, 제3 및 제4 광전 소자를 포함한다. 단위 셀의 각각의 제1, 제2, 제3 및 제4 광전 소자는 기둥 구조로 형성되고, 제1, 제2, 제3 및 제4 광전 소자는 상이한 크기이다. 제1 광전 소자는 제1 위상의 제1 이미지를 캡처하고, 제2 광전 소자는 제2 위상의 제2 이미지를 캡처하고, 제3 광전 소자는 제3 위상의 제3 이미지를 캡처하고, 제4 광전 소자는 제4 위상의 제4 이미지를 캡처한다. 제1 위상, 제2 위상, 제3 위상 및 제4 위상은 상이하다.

Description

이미지-감지 디바이스 {IMAGE-SENSING DEVICE}
본 개시는 이미지-감지 디바이스에 관한 것이다.
기술이 발전함에 따라, 카메라가 장착된 전자 디바이스가 매우 인기를 얻게 되었다. 그러나, 컬러 이미지 감지(CIS: color image sensing) 디바이스로 알려진 통상의 카메라의 모듈형 렌즈는 일반적으로 진입하는 광을 캡처하고 캡처된 광을 디지털 이미지로 변환하는 데 필수적인 구성 요소이다. 그러나, 통상의 이미징 기술의 한계로 인해, 이미지는 렌즈로 형성되고, 모듈형 렌즈는 카메라 내에서 이용 가능한 공간의 많은 부분을 차지한다. 휴대용 전자 디바이스의 크기가 점점 더 작아짐에 따라, 대형 모듈형 렌즈는 이러한 디바이스에 적합하지 않다.
따라서, 카메라의 크기를 감소시키기 위한 무렌즈(lens-free) 이미지 센서가 요구되고 있다.
본 개시는 입사광을 수신하기 위한 복수의 광전 소자를 포함하는 이미지-감지 디바이스를 제공한다. 광전 소자는 복수의 단위 셀로 배열되고, 단위 셀의 각각은 제1 광전 소자, 제2 광전 소자, 제3 광전 소자 및 제4 광전 소자를 포함한다. 단위 셀의 각각에서 제1 광전 소자, 제2 광전 소자, 제3 광전 소자 및 제4 광전 소자는 기둥 구조로 형성되고, 제1 광전 소자, 제2 광전 소자, 제3 광전 소자 및 제4 광전 소자는 모두 상이한 크기이다. 단위 셀의 각각에서 제1 광전 소자는 제1 위상의 제1 이미지를 캡처하고, 단위 셀의 각각에서 제2 광전 소자는 제2 위상의 제2 이미지를 캡처하고, 단위 셀의 각각에서 제3 광전 소자는 제3 위상의 제3 이미지를 캡처하고, 단위 셀의 각각에서 제4 광전 소자는 제4 위상의 제4 이미지를 캡처한다. 제1 위상, 제2 위상, 제3 위상 및 제4 위상은 상이하다.
본 개시는 첨부 도면을 참조하여 후속하는 상세한 설명 및 예를 읽음으로써 보다 완전히 이해될 수 있으며, 여기서:
도 1은 위상-천이 디지털 홀로그래피 디바이스(phase-shifting digital holography device)의 개략도이다.
도 2a는 본 개시의 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스의 평면도이다.
도 2b는 본 개시의 다른 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스의 평면도이다.
도 3은 도 2a의 이미지-감지 디바이스의 단면도이다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 광전 소자의 직경과 위상의 대응 관계의 개략도이다.
도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스의 평면도이다.
도 6은 본 개시의 다른 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스의 평면도이다.
도 7은 본 개시의 다른 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스의 평면도이다.
도 8은 본 개시의 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스에서 사용하기 위한 4-단계 위상-천이 홀로그래피 방법의 흐름도이다.
도 9는 본 개시의 다른 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스의 평면도이다.
도 10은 도 9의 이미지-감지 디바이스의 단면도이다.
도 11은 도 9의 이미지-감지 디바이스의 다른 단면도이다.
도 12는 도 9의 이미지-감지 디바이스의 다른 단면도이다.
도 13은 도 9의 이미지-감지 디바이스의 다른 단면도이다.
도 14는 본 개시의 다른 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스에서 사용하기 위한 4-단계 위상-천이 홀로그래피 방법의 흐름도이다.
본 개시의 기술 용어는 본 개시의 기술 분야에서의 일반적인 정의에 기초한다. 본 개시가 하나 또는 일부 용어를 기술하거나 설명하는 경우, 해당 용어의 정의는 본 개시의 기술 또는 설명에 기초한다. 개시된 실시예의 각각은 하나 이상의 기술적 특징을 갖는다. 가능한 구현에서, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 개시의 임의의 실시예의 모든 또는 일부 기술적 특징을 선택적으로 구현하거나 본 개시의 실시예의 모든 또는 일부 기술적 특징을 선택적으로 조합할 것이다.
이하의 각각의 실시예에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소 또는 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 위상-천이 디지털 홀로그래피 디바이스의 개략도이다. 도 1을 참조한다. 위상-천이 디지털 홀로그래피 디바이스(100)는 레이저 광원(110), 빔 방출기(beam emitter)(120), 빔 스플리터(beam splitter)(130 및 140), 압전 변환기(PZT: piezoelectric transducer) 미러(150), 미러(160) 및 센서 어레이(170)를 포함한다. 레이저 광원(110)으로부터 방출된 레이저 광은 빔 방출기(120)에서 추가로 강화되고, 빔 방출기(120)로부터 방출된 광은 빔 스플리터(130)에 의해 물체 광(object light)과 기준 광(reference light)으로 분할된다. 기준 광은 빔을 위상 변조하는 PZT 미러(150)에 의해 반사된다. 기준 빔에 대해 일정 위상(constant phase)을 천이시킴으로써, 상이한 홀로그램 이미지가 획득되어 물체파의 복소 진폭(complex amplitude)이 도출된다.
예를 들어, 기준파의 초기 위상은 0이고, 각 단계(step)에서 π/2씩 변화한다. 4-단계 위상-천이 디지털 홀로그래피 알고리즘이 사용되고 0, π/2, π, 3π/2와 같은 상이한 위상에서 간섭 패턴의 강도는 각각 식 (1) 내지 (4)로 표현될 수 있는 것으로 가정한다:
Figure pat00001
위상 0, π/2, π 및 3π/2에서 간섭 패턴의 강도를 획득한 후, 물체 광의 복소 진폭은 이하의 식 (5)에 의해 주어진다:
Figure pat00002
물체 광의 복소 진폭은 디지털 역-전파를 수행함으로써
Figure pat00003
로부터 물체 평면(object plane)의 물체 광의 진폭 분포를 복구할 수 있기 때문에 때로는 복소 홀로그램 이미지라고 칭한다.
따라서, 물체파를 계산하기 위해서는 기준 광의 복소 진폭을 알아야 한다. 일반적으로, 기준 광은 평면파 또는 구형파이므로 그 위상은 어떠한 측정 없이도 알려져 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자라면 상이한 위상에서 물체파를 이용하여 물체 이미지를 재구성(reconstructing)하기 위한 기술을 이해할 것이며, 따라서 상세 사항은 본원에서 생략될 것이다.
도 1의 예에서 설명된 위상-천이 디지털 홀로그래피 디바이스(100)는 각 단계에서 위상을 변경해야 하고, 그리고 위상을 변경하고, 간섭 패턴의 강도를 계산하고, 물체 이미지를 재구성하는 데 시간이 걸린다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 현재 시장에서 판매되고 있는 임의의 휴대용 전자 디바이스에 디바이스(100)를 채용하는 것은 실용적이지 않다.
그러나, 위상-천이 디지털 홀로그래피 알고리즘의 위상 지연의 개념은 본 개시의 이미지-전송 디바이스에서 사용될 수 있다. 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스의 평면도이다. 도 3은 도 2a의 이미지-감지 디바이스의 단면도이다. 실시예에서, 이미지-감지 디바이스(200)는 예를 들어, 모노-컬러(mono-color) 이미지 센서이다. 도 2a 및 도 3을 참조한다. 이미지 감지 디바이스(200)는 센서 어레이(210)를 포함할 수 있다. 센서 어레이(210)는 입사광을 수신하기 위한 복수의 광전 소자를 포함한다. 광전 소자는 반도체 제조 프로세스를 통해 (도 3에 나타낸 바와 같이) 기판(250) 상에 구현될 수 있다. 이미지-감지 디바이스(200)에는 렌즈가 사용되지 않음에 유의해야 한다.
센서 어레이(210)에서, 광전 소자는 복수의 단위 셀(220, 230, 240 및 250)로 배열된다. 예를 들어, 각각의 단위 셀(220, 230, 240 및 250)은 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)를 포함하고, 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)는 2×2 어레이로 배열된다.
또한, 각각의 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)는 기둥 구조로 형성된다. 실시예에서, 기둥 구조의 재료는 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(poly Si), 비정질 실리콘, Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2, 임의의 다른 적용 가능한 재료, 또는 이들의 조합이지만, 본 개시의 실시예는 이에 한정되지 않는다.
또한, 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)는 상이한 크기를 갖는다. 예를 들어, 광전 소자(221)의 크기는 광전 소자(222)의 크기보다 작다. 광전 소자(222)의 크기는 광전 소자(223)의 크기보다 작다. 광전 소자(223)의 크기는 광전 소자(224)의 크기보다 작다.
또한, 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)는 상이한 직경을 가질 수 있으며, 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 각각의 직경은 대응하는 위상-천이 홀로그램 이미지의 특정 위상을 나타낸다.
구체적으로, 4-단계 위상-천이 홀로그래피 방법이 이미지-감지 디바이스(200)의 아키텍처에 채용된다. 예를 들어, 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 직경은 각각 위상(δ0), 위상(δ1), 위상(δ2) 및 위상(δ3)에 대응하는 d0, d1, d2 및 d3이다. 위상(δ0), 위상(δ1), 위상(δ2) 및 위상(δ3)의 값은 예를 들어, 각각 0, π/2, π 및 3π/2이다. 실시예에서, 광전 소자의 직경과 위상의 대응 관계는 도 4에 나타낸 바와 같다. 또한, 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 직경은 예를 들어, 120 nm 내지 350 nm이고, 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 높이는 예를 들어, 300 nm 내지 750 nm이다.
단위 셀(220)은 센서 어레이(210)에 반복적으로 배열되고, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 각각은 4개의 상이한 위상의 개별 위상에서 이미지를 캡처할 수 있다. 예를 들어, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 광전 소자(221)는 제1 위상(예컨대 위상(δ0))의 제1 이미지를 캡처하고, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 광전 소자(222)는 제2 위상(예컨대 위상(δ1))의 제2 이미지를 캡처하고, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 광전 소자(223)는 제3 위상(예컨대 위상(δ2))의 제3 이미지를 캡처하고, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 광전 소자(224)는 제4 위상(예컨대 위상(δ3))의 제4 이미지를 캡처한다.
제1 이미지, 제2 이미지, 제3 이미지 및 제4 이미지가 각 단위 셀(250)의 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)에 의해 캡처되므로, 제1 이미지, 제2 이미지, 제3 이미지 및 제4 이미지의 위치는 실질적으로 동일하다. 예를 들어, 위상(δ0)에 대한 위상-천이 홀로그램 이미지는 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 광전 소자(221)의 캡처된 이미지로부터 획득될 수 있다. 유사하게, 위상(δ1), 위상(δ2) 및 위상(δ3)에 대한 위상-천이 홀로그램 이미지는 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 캡처된 이미지로부터 각각 획득될 수 있다.
4-위상의 위상-천이 홀로그램 이미지를 획득한 후, 푸리에 영역의 물체파가 식 (5)를 사용하여 획득될 수 있다. 후속적으로, 공간 영역에서 물체 이미지를 재구성하기 위해 물체파에 대해 역 푸리에 변환이 수행된다. 대안적으로, 푸리에 영역의 물체파를 공간 영역의 물체 이미지로 변환하기 위한 전달 함수 H(x, y)가 사전에 추정되어, 물체파와 전달 함수 간의 컨벌루션이 수행되어 물체 이미지를 획득할 수 있다.
실시예에서, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)은 2×2 어레이로 형성되며, 2×2 어레이의 제1 광전 소자(221), 제2 광전 소자(222), 제3 광전 소자(223) 및 제4 광전 소자(224)의 순서(order)가 고정(fixed)되고, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 순서가 고정된다. 따라서, 단위 셀(220, 230, 240 및 250)에 의해 형성된 패턴은 동일할 수 있다. 그러나, 본 개시의 실시예는 이에 한정되지 않는다.
일부 실시예에서, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)은 2×2 어레이로 형성되며, 2×2 어레이의 제1 광전 소자(221), 제2 광전 소자(222), 제3 광전 소자(223) 및 제4 광전 소자(224)의 순서가 탄력적(flexible)이고, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 순서가 탄력적이다. 따라서, 단위 셀(220, 230, 240 및 250)에 의해 형성되는 패턴이 다를 수 있다.
대안적으로, 일부 실시예에서, 도 5, 도 6 또는 도 7에 나타낸 바와 같이, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)은 2×2 어레이로 형성되고, 2×2 어레이의 제1 광전 소자(221), 제2 광전 소자(222), 제3 광전 소자(223) 및 제4 광전 소자(224)의 순서가 고정되고, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)이 우측으로 사전 결정된 각도의 회전으로 반복되거나, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)이 우측으로 플립(flip) 및 사전 결정된 각도의 회전으로 반복된다. 사전 결정된 각도는 예를 들어, 90 도, 180 도 또는 270 도일 수 있다.
도 5에서, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 2×2 어레이의 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 순서는 고정될 수 있으며, 단위 셀(220)은 단위 셀(250)로부터 우측으로 사전 결정된 각도(예를 들어, 90 도)의 회전으로 반복되며, 단위 셀(250)은 단위 셀(240)에서 우측으로 사전 결정된 각도(예를 들어, 180 도) 회전으로 반복되고, 단위 셀(240)은 단위 셀(230)로부터 우측으로 (수직) 플립 및 사전 결정된 각도(예를 들어, 90 도) 회전으로 반복되고, 단위 셀(230)은 단위 셀(220)로부터 우측으로 (수직) 플립으로 반복됨을 알 수 있다. 따라서, 단위 셀(220, 230, 240 및 250)에 의해 형성되는 패턴은 상이하다.
도 6에서, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 2×2 어레이의 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 순서는 고정될 수 있고, 단위 셀(220)은 단위 셀(250)로부터 우측으로 사전 결정된 각도(예를 들어, 90 도)의 회전으로 반복되고, 단위 셀(250)은 단위 셀(240)로부터 우측으로 사전 결정된 각도(예를 들어, 180 도)의 회전으로 반복되고, 단위 셀(240)은 단위 셀(230)로부터 우측으로 (수평) 플립 및 사전 결정된 각도(예를 들어, 90 도)의 회전으로 반복되고, 단위 셀(230)은 단위 셀(220)로부터 (수평) 플립으로 반복됨을 알 수 있다. 따라서, 단위 셀(220, 230, 240 및 250)에 의해 형성되는 패턴은 상이하다.
도 7에서, 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 2×2 어레이의 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 순서가 고정될 수 있고, 단위 셀(220)은 단위 셀(250)로부터 우측으로 사전 결정된 각도(예를 들어, 270 도)의 회전으로 반복되고, 단위 셀(250)은 단위 셀(240)로부터 우측으로 사전 결정된 각도(예를 들어, 180 도)의 회전으로 반복되고, 단위 셀(240)은 단위 셀(230)로부터 우측으로 (수직) 플립 및 사전 결정된 각도(예를 들어, 90 도)의 회전으로 반복되고, 단위 셀(230)은 단위 셀(220)로부터 우측으로 (수평) 플립으로 반복됨을 알 수 있다. 따라서, 단위 셀(220, 230, 240, 250)에 의해 형성되는 패턴이 상이하다. 각 단위 셀(220, 230, 240 및 250)의 2×2 어레이의 광전 소자(221), 광전 소자(222), 광전 소자(223) 및 광전 소자(224)의 다른 배열은 도 5, 도 6 및 도 7의 실시예를 참조할 수 있으며, 그 설명을 본원에서 반복하지 않는다.
따라서, 도 2b, 도 5, 도 6 및 도 7의 이미지-감지 디바이스(200)는 도 2a의 이미지-감지 디바이스와 동일한 효과를 또한 달성할 수 있다.
도 8은 본 개시의 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스에서 사용하기 위한 4-단계 위상-천이 홀로그래피 방법의 흐름도이다. 도 8의 흐름도는 (모노-컬러 이미지 센서와 같은) 이미지-감지 디바이스(200)에서 사용하기 위한 것이다. 단계 S810에서, 본 방법은 상이한 위상의 4개의 위상-천이 홀로그램 이미지를 획득하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 2a, 도 2b, 도 5, 도 6 또는 도 7에 나타낸 이미지-감지 디바이스(200)가 이하의 실시예에서 사용될 수 있다. 구체적으로, 4개의 위상-천이 홀로그램 이미지는 위상 0, π/2, π 및 3π/2에 대응한다.
단계 S820에서, 본 방법은 상이한 위상의 4개의 위상-천이 홀로그램 이미지에 따라 푸리에 영역에서 물체파를 계산하는 단계를 포함한다. 예를 들어, (0, π/2, π 및 3π/2와 같은) 상이한 위상의 위상-천이 홀로그램 이미지의 강도가 식 (1) 내지 (4)를 사용하여 계산될 수 있으며, 물체파는 식 (5)를 사용하여 계산될 수 있다. 그러나, 물체파의 계산을 단순화하기 위해, 물체파(
Figure pat00004
0)가 이하의 식 (6)을 사용하여 근사적으로 계산될 수 있다:
Figure pat00005
단계 S830에서, 본 방법은 물체파에 따라 물체 이미지를 재구성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 물체파(
Figure pat00006
0)는 푸리에 영역에 있고 물체 이미지는 공간 영역에 있으므로, 물체 이미지를 복원하기 위해 물체파(
Figure pat00007
0)에 대해 역 푸리에 변환이 적용될 수 있다. 대안적으로, 푸리에 영역의 물체파를 공간 영역의 물체 이미지로 변환하기 위한 전달 함수 H(x, y)가 사전에 추정될 수 있어, 물체파와 전달 함수 간의 컨벌루션이 수행되어 물체 이미지를 획득할 수 있다.
도 9는 본 개시의 다른 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스의 평면도이다. 도 10은 도 9의 이미지-감지 디바이스의 단면도이다. 실시예에서, 이미지-감지 디바이스(900)는 예를 들어, 컬러 이미지 센서이다. 도 9 및 도 10을 참조한다. 이미지-감지 디바이스(900)는 센서 어레이(910) 및 필터 어레이(970)를 포함할 수 있다.
센서 어레이(910)는 입사광을 수신하기 위한 복수의 광전 소자를 포함한다. 센서 어레이(910)에는, 광전 소자가 복수의 단위 셀(930, 940, 950 및 960)로 배열된다. 예를 들어, 단위 셀(930)(예컨대 제1 단위 셀)은 광전 소자(931), 광전 소자(932), 광전 소자(933) 및 광전 소자(934)를 포함한다. 단위 셀(940)(예컨대 제2 단위 셀)은 광전 소자(941), 광전 소자(942), 광전 소자(943) 및 광전 소자(944)를 포함한다. 단위 셀(950)(예컨대 제3 단위 셀)은 광전 소자(951), 광전 소자(952), 광전 소자(953) 및 광전 소자(954)를 포함한다. 단위 셀(960)(예컨대 제4 단위 셀)은 광전 소자(961), 광전 소자(962), 광전 소자(963) 및 광전 소자(964)를 포함한다.
본 실시예에서 광전 소자(931 내지 934), 광전 소자(941 내지 944), 광전 소자(951 내지 954) 및 광전 소자(961 내지 964)는 각각 2×2 어레이로 배열될 수 있다. 광전 소자(931 내지 934), 광전 소자(941 내지 944), 광전 소자(951 내지 954) 및 광전 소자(961 내지 964)는 도 2a의 광전 소자(221 내지 224)와 동일하거나 유사하다. 따라서, 광전 소자(931 내지 934), 광전 소자(941 내지 944), 광전 소자(951 내지 954) 및 광전 소자(961 내지 964)는 도 2a 내지 도 6의 실시예를 참조할 수 있으며, 그 설명을 본원에서 반복하지 않는다.
또한, 단위 셀(930, 940, 950 및 960)은 복수의 매크로 단위 셀(a plurality of macro unit cells)(920)로 배열된다. 예를 들어, 각 매크로 단위 셀(920)은 단위 셀(930), 단위 셀(940), 단위 셀(950) 및 단위 셀(960)을 포함할 수 있다. 실시예에서, 단위 셀(930), 단위 셀(940), 단위 셀(950) 및 단위 셀(960)은 2×2 어레이로 배열될 수 있다.
필터 어레이(970)는 광전 소자 상에 배치되며, 즉, 필터 어레이(970)는 센서 어레이(910) 상에 배치된다. 또한, 필터 어레이(970)는 적색 필터(972), 녹색 필터(974 및 976) 및 청색 필터(978)와 같은 복수의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 2개의 녹색 필터(974 및 976), 하나의 적색 필터(972) 및 하나의 청색 필터(978)가 2×2 어레이로 배열된다. 실시예에서, 녹색 필터(974 및 976)는 입사광으로부터 녹색 광을 추출할 수 있고, 적색 필터(972)는 입사광으로부터 적색 광을 추출할 수 있고, 청색 필터(978)는 입사광으로부터 청색 광을 추출할 수 있다.
센서 어레이(910)는 필터 어레이(970)를 통해 입사광을 수신할 수 있다. 단위 셀(930)은 필터 어레이(970)의 녹색 필터(974)에 대응할 수 있고, 단위 셀(940)은 필터 어레이(970)의 녹색 필터(976)에 대응할 수 있고, 단위 셀(950)은 필터 어레이(970)의 적색 필터(972)에 대응할 수 있고, 단위 셀(960)은 필터 어레이(970)의 청색 필터(978)에 대응할 수 있다. 따라서, 각각의 매크로 단위 셀(920)의 단위 셀(930, 940, 950 및 960)은 필터 어레이(910)의 녹색 필터(974), 녹색 필터(976), 적색 필터(972) 및 청색 필터(978)를 통해 녹색 광, 녹색 광, 적색 광 및 청색 광을 각각 수신할 수 있다. 구체적으로, 각각의 매크로 단위 셀(920)의 4개의 단위 셀(930, 940, 950 및 960)은 0, π/2, π 및 3π/2와 같은 4개의 상이한 위상의 녹색, 청색, 적색 및 녹색 이미지를 캡처하도록 구성된다.
Figure pat00008
,
Figure pat00009
및
Figure pat00010
가 각각 적색 광, 녹색 광 및 청색 광의 파장을 나타낸다고 할 때, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광 중에서 적색 광이 가장 긴 파장을 갖고 청색 광이 가장 짧은 파장을 갖기 때문에 파장 간의 관계는
Figure pat00011
인 것으로 결론지을 수 있다. 따라서, 센서 어레이(910)의 광전 소자가 동일한 재료로 이루어진다고 가정하면, 적색 광을 수신하기 위한 단위 셀(950)의 광전 소자(951 내지 954)는 매크로 단위 셀(920)의 다른 단위 셀의 광전 소자보다 상대적으로 큰 높이를 갖는다. 즉, 각각의 단위 셀의 광전 소자의 높이는 수신된 광의 파장에 비례한다.
예를 들어, 도 10에 나타낸 바와 같이, 단위 셀(950)(적색 필터(972)에 대응)의 광전 소자(951 내지 954)의 높이는 단위 셀(930) 및 단위 셀(940)(녹색 필터(941 및 976)에 대응)의 광전 소자(931 내지 934 및 941 내지 944)의 높이보다 높고, 단위 셀(930 및 940)(녹색 필터(941 및 976)에 대응)의 광전 소자(931 내지 934 및 941 내지 944)의 높이는 단위 셀(960)의 광전 소자(961 내지 964)의 높이보다 높다.
매크로 단위 셀(920)이 센서 어레이(910)에서 반복적으로 배열되므로, 센서 어레이(910)의 매크로 단위 셀(920)의 각 단위 셀(930, 940, 950 및 960)에 의해 캡처된 이미지를 조합하여 4개의 위상-천이 홀로그램 이미지가 획득되어, 총 16개의 위상-천이 홀로그램 이미지가 획득될 수 있다. 단위 셀(930)에 의해 캡처된 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지는 단위 셀(940)에 의해 캡처된 것과 동일함에 유의해야 한다. 예를 들어, 총 16개의 위상-천이 홀로그램 이미지는 (Rδ0, Rδ1, Rδ2, Rδ3), (G1δ0, G1δ1, G1δ2, G1δ3), (G2δ0, G2δ1, G2δ2, G2δ3) 및 (Bδ0, Bδ1, Bδ2, Bδ3)일 수 있으며, 여기서 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지 (G1δ0, G1δ1, G1δ2, G1δ3)은 단위 셀(930)에 의해 캡처되고, 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지 (G2δ0, G2δ1, G2δ2, G2δ3)은 단위 셀(940)에 의해 캡처된다.
일 실시예에서, 녹색 필터(974) 및 녹색 필터(976)는 도 11에 나타낸 바와 같이, 각각 녹색 컬러 필터(예를 들어, 도 11의 "GCF")로 형성되고, 적색 필터(972)는 적색 컬러 필터(예를 들어, 도 11의 "RCF")로 형성되고, 청색 필터(978)는 청색 컬러 필터로 형성된다.
일 실시예에서, 녹색 필터(974) 및 녹색 필터(976)는 도 12에 나타낸 바와 같이, 각각 녹색 다중-필름(예를 들어, 도 12의 "MFG")으로 형성되고, 적색 필터(972)는 적색 다중-필름(예를 들어, 도 12의 "MFR")으로 형성되고, 청색 필터(978)는 청색 다중-필름으로 형성된다.
일 실시예에서, 녹색 필터(974) 및 녹색 필터(976)는 도 13에 나타낸 바와 같이, 각각 녹색 격자(green grating)로 형성되고, 적색 필터(972)는 적색 격자로 형성되고, 청색 필터(978)는 청색 격자로 형성된다.
도 14는 본 개시의 실시예에 따른 이미지-감지 디바이스에서 사용하기 위한 4-단계 위상-천이 홀로그래피 방법의 흐름도이다. 도 14의 흐름도는 (컬러 이미지 센서와 같은) 이미지-감지 디바이스(900)에서 사용하기 위한 것이다. 단계 S1410에서, 본 방법은 상이한 컬러 채널 및 상이한 위상의 16개의 위상-천이 홀로그램 이미지를 획득하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 9의 이미지-감지 디바이스(900)가 이하의 실시예에서 사용될 수 있다. 16개의 위상-천이 홀로그램 이미지는 상술한 바와 같이 (Rδ0, Rδ1, Rδ2, Rδ3), (G1δ0, G1δ1, G1δ2, G1δ3), (Bδ0, Bδ1, Bδ2, Bδ3) 및 (G2δ0, G2δ1, G2δ2, G2δ3)이다. 상술한 컬러 채널은 각각 단위 셀(930, 940, 950 및 960)에 대응할 수 있다.
단계 S1420에서, 본 방법은 상이한 컬러 채널 및 상이한 위상의 16개의 위상-천이 홀로그램 이미지에 따라 푸리에 영역의 각 컬러 채널에서 물체파를 계산하는 단계를 포함한다.
단계 S1430에서, 본 방법은 각 컬러 채널에서 물체파에 따라 각 컬러 채널에 대한 물체 이미지를 재구성하는 단계를 포함한다. 구체적으로, (컬러 이미지 센서와 같은) 이미지-감지 디바이스(900)에 대한 하나의 적색 채널, 하나의 청색 채널 및 2개의 녹색 채널과 같은 4개의 컬러 채널이 있으며, 물체파를 계산하고 단일 컬러 채널에서 물체 이미지를 재구성하는 동작이 도 8의 실시예에서 참조될 수 있으며, 그 설명은 본원에서 반복하지 않는다.
따라서, 단계 S1430 이후에 하나의 적색 채널, 하나의 청색 채널 및 2개의 녹색 채널을 나타내는 4개의 물체 이미지가 획득되고, 이미지-감지 디바이스(900)에 커플링된 이미지 신호 프로세서(미도시)가 4개의 물체 이미지를 사용하여 원래의 컬러 이미지를 복원할 수 있다.
요약하면, 본 개시의 실시예에 의해 개시된 이미지-감지 디바이스에 따르면, 각 단위 셀의 광전 소자는 기둥 구조로 형성되고, 광전 소자는 상이한 크기를 갖는다. 4-단계 위상-천이 홀로그래피 알고리즘에서 상이한 위상에 맞게 설계된 다양한 크기를 갖는 광전 소자를 이미지-감지 디바이스의 센서 어레이에 배열함으로써, 광전 소자에 의해 캡처된 위상-천이 홀로그램 이미지를 사용하여 물체 이미지가 재구성될 수 있으며, 따라서 무렌즈 이미지 센서를 사용하는 카메라 모듈에 모듈형 렌즈가 필요하지 않아서, 전체 카메라 모듈의 비용이 절감될 수 있고, 카메라 모듈의 두께가 얇아질 수 있다.
본 개시는 예시의 방식으로 바람직한 실시예의 관점에서 설명되었지만, 본 개시는 개시된 실시예로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 반대로, (본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이) 다양한 수정 및 유사한 배열을 포함하도록 의도된다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위는 이러한 모든 수정 및 유사한 배열을 포함하도록 가장 넓은 해석에 따라야 한다.

Claims (12)

  1. 이미지-감지 디바이스에 있어서,
    복수의 광전 소자들을 포함하고,
    상기 복수의 광전 소자들은, 복수의 단위 셀들로 배열되고, 상기 단위 셀들의 각각은 제1 광전 소자, 제2 광전 소자, 제3 광전 소자 및 제4 광전 소자를 포함하며;
    상기 단위 셀들의 각각에서 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자는 기둥 구조들로 형성되고 상이한 크기들을 갖고;
    상기 제1 광전 소자는 제1 위상의 제1 이미지를 캡처하고, 상기 제2 광전 소자는 제2 위상의 제2 이미지를 캡처하고, 상기 제3 광전 소자는 제3 위상의 제3 이미지를 캡처하고, 상기 제4 광전 소자는 제4 위상의 제4 이미지를 캡처하고;
    상기 제1 위상, 상기 제2 위상, 상기 제3 위상 및 상기 제4 위상은 상이한, 이미지-감지 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기둥 구조들의 재료들은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(poly Si), 비정질 실리콘, Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2, 임의의 다른 적용 가능한 재료 또는 이들의 조합인, 이미지-감지 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀들의 각각은 각각 2×2 어레이로서 형성되고, 상기 2×2 어레이에서 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자의 순서가 고정되고, 상기 단위 셀들의 각각의 순서가 고정되는, 이미지-감지 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀들의 각각은 2×2 어레이로서 형성되고, 상기 2×2 어레이에서 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자의 순서가 탄력적이고, 상기 단위 셀들의 각각의 순서가 탄력적인, 이미지-감지 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀들의 각각은 2×2 어레이로서 형성되고, 상기 2×2 어레이에서 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자의 순서가 고정되고, 상기 단위 셀들의 각각은 우측으로 사전 결정된 각도의 회전으로 반복되거나, 상기 단위 셀들의 각각은 우측으로 플립(flip)으로 반복되거나, 상기 단위 셀들의 각각은 우측으로 상기 플립과 상기 사전 결정된 각도의 회전으로 반복되고, 상기 사전 결정된 각도는 90 도, 180 도 또는 270 도인, 이미지-감지 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 위상, 상기 제2 위상, 상기 제3 위상 및 상기 제4 위상은 각각 0, π/2, π 및 3π/2이고, 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자의 직경들은 120 nm 내지 350 nm이고, 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자의 높이들은 300 nm 내지 750 nm인, 이미지-감지 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 위상-천이 홀로그램 이미지, 제2 위상-천이 홀로그램 이미지, 제3 위상-천이 홀로그램 이미지 및 제4 위상-천이 홀로그램 이미지가 4-단계 위상-천이 디지털 홀로그래피 알고리즘을 통해 상기 단위 셀들에 의해 캡처된 상기 제1 위상의 상기 제1 이미지, 상기 제2 위상의 상기 제2 이미지, 상기 제3 위상의 상기 제3 이미지 및 상기 제4 위상의 상기 제4 이미지를 각각 조합하여 획득되고,
    푸리에(Fourier) 영역의 물체파가 상기 제1 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제2 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제3 위상-천이 홀로그램 이미지 및 상기 제4 위상-천이 홀로그램 이미지에 따라 계산되고,
    물체 이미지가 상기 물체파에 대한 역 푸리에 변환에 의해 재구성되는, 이미지-감지 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광전 소자들 상에 배치된 필터 어레이를 포함하고, 상기 필터 어레이는:
    입사광으로부터 녹색광을 추출하기 위한 제1 녹색 필터 및 제2 녹색 필터;
    상기 입사광으로부터 적색광을 추출하기 위한 적색 필터; 및
    상기 입사광으로부터 청색광을 추출하기 위한 청색 필터를 포함하고,
    상기 단위 셀들은 복수의 매크로 단위 셀들로 배열되고, 상기 매크로 단위 셀들의 각각은 2×2 어레이로 배열된 제1 단위 셀, 제2 단위 셀, 제3 단위 셀 및 제4 단위 셀을 포함하고;
    상기 매크로 단위 셀들의 각각의 상기 제1 단위 셀, 상기 제2 단위 셀, 상기 제3 단위 셀 및 상기 제4 단위 셀은 상기 제1 녹색 필터, 상기 제2 녹색 필터, 상기 적색 필터 및 상기 청색 필터를 통해 상기 녹색광, 상기 녹색광, 상기 적색광 및 상기 청색광을 각각 수신하는, 이미지-감지 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 단위 셀의 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자의 높이들은, 상기 제1 단위 셀 및 상기 제2 단위 셀의 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자의 높이들보다 높고,
    상기 제1 단위 셀 및 상기 제2 단위 셀의 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자의 높이들은, 상기 제4 단위 셀의 상기 제1 광전 소자, 상기 제2 광전 소자, 상기 제3 광전 소자 및 상기 제4 광전 소자의 높이들보다 높은, 이미지-감지 디바이스.
  10. 제8항에 있어서,
    제1 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지, 제2 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지, 제3 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지 및 제4 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지가 4-단계 위상-천이 디지털 홀로그래피 알고리즘을 통해 상기 제1 단위 셀들에 의해 캡처된 상기 제1 위상의 상기 제1 이미지, 상기 제2 위상의 상기 제2 이미지, 상기 제3 위상의 제3 이미지 및 상기 제4 위상의 상기 제4 이미지를 각각 조합하여 획득되고;
    제5 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지, 제6 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지, 제7 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지 및 제8 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지가 상기 4-단계 위상-천이 디지털 홀로그래피 알고리즘을 통해 상기 제2 단위 셀들에 의해 캡처된 상기 제1 위상의 상기 제1 이미지, 상기 제2 위상의 상기 제2 이미지, 상기 제3 위상의 제3 이미지 및 상기 제4 위상의 상기 제4 이미지를 각각 조합하여 획득되고;
    제1 적색 위상-천이 홀로그램 이미지, 제2 적색 위상-천이 홀로그램 이미지, 제3 적색 위상-천이 홀로그램 이미지 및 제4 적색 위상-천이 홀로그램 이미지가 상기 4-단계 위상-천이 디지털 홀로그래피 알고리즘을 통해 상기 제3 단위 셀들에 의해 캡처된 상기 제1 위상의 상기 제1 이미지, 상기 제2 위상의 상기 제2 이미지, 상기 제3 위상의 제3 이미지 및 상기 제4 위상의 상기 제4 이미지를 각각 조합하여 획득되고;
    제1 청색 위상-천이 홀로그램 이미지, 제2 청색 위상-천이 홀로그램 이미지, 제3 청색 위상-천이 홀로그램 이미지 및 제4 청색 위상-천이 홀로그램 이미지가 상기 4-단계 위상-천이 디지털 홀로그래피 알고리즘을 통해 상기 제3 단위 셀들에 의해 캡처된 상기 제1 위상의 상기 제1 이미지, 상기 제2 위상의 상기 제2 이미지, 상기 제3 위상의 제3 이미지 및 상기 제4 위상의 상기 제4 이미지를 각각 조합하여 획득되는, 이미지-감지 디바이스.
  11. 제10항에 있어서,
    푸리에 영역의 제1 녹색 물체파가 상기 제1 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제2 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제3 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지 및 상기 제4 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지에 따라 계산되고,
    상기 푸리에 영역의 제2 녹색 물체파가 상기 제5 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제6 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제7 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지 및 상기 제8 녹색 위상-천이 홀로그램 이미지에 따라 계산되고;
    상기 푸리에 영역의 적색 물체파가 상기 제1 적색 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제2 적색 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제3 적색 위상-천이 홀로그램 이미지 및 상기 제4 적색 위상-천이 홀로그램 이미지에 따라 계산되고;
    상기 푸리에 영역의 청색 물체파가 상기 제1 청색 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제2 청색 위상-천이 홀로그램 이미지, 상기 제3 청색 위상-천이 홀로그램 이미지 및 상기 제4 청색 위상-천이 홀로그램 이미지에 따라 계산되고;
    제1 녹색 물체 이미지가 상기 제1 녹색 물체파에 대해 역 푸리에 변환을 적용하여 재구성되고, 제2 녹색 물체 이미지가 상기 제2 녹색 물체파에 대해 상기 역 푸리에 변환을 적용하여 재구성되고, 적색 물체 이미지가 상기 적색 물체파에 대해 상기 역 푸리에 변환을 적용하여 재구성되고, 청색 물체 이미지가 상기 청색 물체파에 대해 상기 역 푸리에 변환을 적용하여 재구성되고,
    컬러 이미지가 상기 제1 녹색 물체 이미지, 상기 제2 녹색 물체 이미지, 상기 적색 물체 이미지 및 상기 청색 물체 이미지에 따라 획득되는, 이미지-감지 디바이스.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 녹색 필터 및 상기 제2 녹색 필터는 각각 녹색 컬러 필터, 녹색 다중-필름 또는 녹색 격자로 형성되고, 상기 적색 필터는 적색 컬러 필터, 적색 다중-필름 또는 적색 격자로 형성되고, 상기 청색 필터는 청색 컬러 필터, 청색 다중-필름 또는 청색 격자로 형성되는, 이미지-감지 디바이스.
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