KR20220111711A - 이미지 센서 및 그 준비 방법 및 전자 장치 - Google Patents

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KR20220111711A
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Abstract

본 출원은 이미지 센서 및 그 준비 방법 및 전자 장치를 제공한다. 이미지 센서는 메타표면 구조 어레이와 광-전 변환 유닛 어레이를 포함한다. 메타표면 구조의 어레이는 광-전 변환 유닛의 어레이 위에 위치하고, 광-전 변환 유닛은 복수의 광-전 변환 요소를 포함하며, 광-전 변환 유닛의 각각의 광-전 변환 요소는 스펙트럼의 하나의 주파수 대역에 대응하고, 메타표면 구조는 제1 기판과 제1 기판 위에 위치한 미세 구조를 포함하고, 제1 기판은 각각의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소를 전송하도록 구성되며, 미세구조는 회전 대칭 구조이고, 회전 대칭 구조의 회전 각도는 90도 이하이다. 본 출원의 기술 솔루션은 각 스펙트럼 채널의 광 투과율을 개선하고 이미지 센서의 전반적인 광 활용을 향상시킬 수 있다.

Description

이미지 센서 및 그 준비 방법 및 전자 장치
본 출원의 실시예는 광학 이미징 분야에 관한 것으로, 특히 이미지 센서 및 그 준비 방법, 그리고 전자 장치에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 이미지를 전기 신호로 변환할 수 있으며, 디지털 카메라와 같은 다수의 전자 장치에 널리 적용되고 있다. 디지털 카메라의 하드웨어는 주로 렌즈 그룹, 이미지 센서, 전기 신호 프로세서 등을 포함한다. 렌즈 그룹은 이미지 센서에 광학 이미지를 이미징하도록 구성된다. 이미지 센서는, 이미지의 광학 신호를 아날로그 전기 신호로 변환하고 아날로그 전기 신호를 전기 신호 프로세서에 입력하도록 구성된다. 전기 신호 프로세서는 아날로그 전기 신호를 디지털 신호로 변환하고 데이터 처리 후의 픽처를 출력한다. 이미지 센서는 광-전 컨버터(optical-to-electrical converter)로서 디지털 카메라의 핵심 부품 중 하나이며, 그 성능이 출력 픽처의 품질을 직접적으로 결정한다.
이미지 센서의 광-전 변환 요소(optical-to-electrical conversion element)는 상이한 세기의 광 신호를 상이한 세기의 전기 신호로 변환할 수 있다. 그러나 광-전 변환 요소는 광의 주파수, 즉 색을 구별할 수 없다. 따라서 색 집합층이 없는 이미지 센서를 통해 직접 얻은 픽처는 흑백이다. 컬러 픽처를 얻기 위해서는, 컬러 필터링 시스템을 컬러 수집 계층으로 사용하여 픽처의 컬러 정보를 얻어야 한다. 예를 들어, 인간의 눈은 적색, 초록, 청색(red, green, blue, RGB)의 삼원색 스펙트럼에 민감하다는 특성을 바탕으로, 광-전 변환 요소에 RGB 컬러 필터를 배치하여 RGB 모자이크 Bayer 컬러 필터 시스템을 형성함으로써, 컬러 픽처를 얻을 수 있다. 그러나, 각각의 스펙트럼 채널에 대해, 70% 이상의 광이 Bayer 컬러 필터에 의해 필터링되고 광의 30% 미만만이 광-전 변환 요소에 도달하여 최종적인 컴퓨터 이미징을 위한 전기 신호로 변환된다. 결과적으로, Bayer 컬러 필터 시스템에 기반한 이미지 센서의 광 활용도는 매우 낮다.
본 출원은 이미지 센서의 광 활용도를 향상시키기 위한 이미지 센서 및 그 준비 방법 및 전자 장치를 제공한다.
제1 측면에 따르면, 이미지 센서가 제공되며, 이는: 메타표면 구조의 어레이 및 광-전 변환 유닛의 어레이를 포함한다. 메타표면 구조의 어레이는 광-전 변환 유닛의 어레이 위에 위치하고, 메타표면 구조는 제1 기판과 제1 기판 위에 위치한 미세구조를 포함하고, 미세구조와 제1 기판은 각각의 주파수 대역에서 광 신호를, 각각의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하도록 구성되고, 미세구조는 회전 대칭 구조이고, 회전 대칭 구조의 회전 각도는 90도 이하이다.
본 출원의 이 실시예에서, 미세구조 및 제1 기판은 각 주파수 대역에서 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하도록 구성된다는 것을 이해해야 한다. 경우에 따라, 미세구조 및 제1 기판은 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소에 집속(focus)시키도록 구성되는 것으로 이해될 수도 있다.
회전 대칭 구조는 회전 대칭 구조의 중심점을 중심으로 비스듬히 회전하며, 회전 대칭 구조와 중첩될 수 있는 구조이다. 회전의 각도가 회전 각도이다. 본 출원의 이 실시예에서 미세구조는 미세구조의 중심점을 중심으로 90도 회전하거나 90도 미만의 각도로 회전하며, 미세구조와 겹칠 수 있다.
메타표면 구조에는 하나 이상의 미세구조가 있을 수 있다.
본 출원의 이 실시예의 솔루션에 따르면, 메타표면 구조는 광 신호의 전송 방향을 조정하고 전체 메타표면 구조에 의해 수신된 광 신호의 각 주파수 대역에서 광 신호를 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소에 전송하는 데 사용될 수 있다. 기존의 광 필터링 방식을 광 분할 방식으로 대체하여 광 필터링 과정에서 광 신호의 손실을 방지한다. 회전각이 90도 이하인 회전 대칭 구조가 사용되며, 편광이 다른 광 신호에 대해 동일한 응답을 가지므로 편광 의존성이 없다. 이는 각 스펙트럼 채널의 광 투과율, 이미지 센서의 전반적인 광 활용도 및 출력 이미지의 이미징 품질을 향상시킨다. 예를 들어, 편광은 선형 편광 및 원형 편광을 포함할 수 있다.
제1 측면을 참조하여, 제1 측면의 일부 구현에서, 미세구조 및 제1 기판은 공간 투과 위상 구배를 획득하기 위해, 메타표면 구조의 어레이의 접선 방향으로 공간 투과 위상을 생성하도록 구성된다. 공간 투과 위상 구배는 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하는 데 사용된다.
본 출원의 이 실시예의 솔루션에 따르면, 메타표면 구조채의 어레이에서 생성된 공간 투과 위상 구배를 사용하여 상이한 주파수 대역에서 광 신호의 전송 방향이 제어되어, 상이한 주파수 대역에서의 광 신호가 서로 다른 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송될 수 있다. 이렇게 하면 각 스펙트럼 채널의 광 투과율이 향상되고 이미지 센서의 전반적인 광 활용도가 향상된다.
제1 측면을 참조하면, 제1 측면의 일부 구현에서, 공간 투과 위상 분포는 각 주파수 대역에서 광 신호의 파장, 각 주파수 대역에서 광 신호가 메타표면 구조에 입사하는 위치, 및 각 주파수 대역의 광 신호가 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달되는 위치에 관련된다.
선택적으로, 메타표면 구조는 광-전 변환 유닛과 직접 접촉하지 않을 수 있다. 공간 투과 위상 분포는 메타표면 구조와 광-전 변환 요소 사이의 매체의 굴절률과 더 관련이 있다. 어떤 경우에는 공간 투과 위상 분포가 메타표면 구조와 광-전 변환 유닛 사이의 매체의 굴절률과 관련이 있다.
예를 들어, 메타표면 구조 상의 한 위치에서 n번째 주파수 대역의 공간 투과 위상은 n번째 주파수 대역에서 광 신호의 파장, n번째 주파수 대역에서 광 신호가 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소에 전송되는 위치의 좌표, 및 메타표면 구조와 광-전 변환 유닛 사이의 매체의 굴절률과 관련된다.
제1 측면을 참조하면, 제1 측면의 일부 구현에서 공간 투과 위상 분포
Figure pct00001
는 다음을 충족한다.
Figure pct00002
Figure pct00003
는 메타표면 구조 상의 위치 좌표를 나타내고,
Figure pct00004
Figure pct00005
는 n번째 주파수 대역에서 광 신호의 파장을 나타내고,
Figure pct00006
은 n번째 주파수 대역에서 광 신호에 대응하는 초점 거리를 나타내고,
Figure pct00007
및
Figure pct00008
은 상기 n번째 주파수 대역에서의 광 신호가 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달되는 위치의 좌표를 나타내며,
Figure pct00009
는 메타표면 구조와 광-전 변환 유닛 사이의 매체의 굴절률을 나타내고, C는 임의의 위상이다.
제1 측면과 관련하여, 제1 측면의 일부 구현에서, 매체는 공기이다.
즉, 메타표면 구조와 광-전 변환 유닛 사이에 중공 구조가 형성될 수 있고, 중공 구조에 공기가 존재할 수 있다.
제1 측면을 참조하면, 제1 측면의 일부 구현들에서, 매체는 제2 기판을 포함한다.
메타표면 구조는 제2 기판을 이용하여 광-전 변환 유닛과 접촉할 수 있고, 제2 기판은 메타표면 구조를 지지하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 제2 기판의 재료는 저손실 투명 유전 재료일 수 있다.
예를 들어, 제2 기판의 재료는 이산화규소 유리(silicon dioxide glass) 등일 수 있다.
제1 측면을 참조하면, 제1 측면의 일부 구현에서, 미세구조는 원통형 구조, 정사각형 기둥 구조, 또는 십자형 구조를 포함한다.
제1 측면을 참조하면, 제1 측면의 일부 구현에서, 미세구조의 재료는 이산화티타늄, 질화갈륨 또는 탄화규소(titanium dioxide, gallium nitride, or silicon carbide)를 포함한다.
제1 측면을 참조하여, 제1 측면의 일부 구현들에서, 제1 기판의 재료는 이산화규소, 이산화티탄, 질화갈륨, 또는 탄화규소(silicon dioxide, titanium dioxide, gallium nitride, or silicon carbide)를 포함한다.
제1 측면을 참조하여, 제1 측면의 일부 구현에서, 복수의 광-전 변환 요소는 스펙트럼에서 V개의 상이한 주파수 대역에 대응하고, V는 3보다 큰 정수이다.
예를 들어, V는 4일 수 있다. 4개의 주파수 대역은 적색, 황색, 청록색 및 자주색일 수 있다. 4개의 주파수 대역은 또한 청록색, 자홍색, 노란색 및 흰색일 수 있다.
다른 예를 들어, V는 7일 수 있다. 7개의 주파수 대역은 적색, 주황색, 황색, 녹색, 청록색, 청색 및 보라색일 수 있다. 본 출원의 본 실시예의 솔루션에 따르면, 하나의 광-전 변환 유닛에 대응하는 상이한 주파수 대역의 양이 증가되어, 적은 광 활용 손실로 더 많은 주파수 스펙트럼 정보를 얻을 수 있다. 이는 이미지 센서의 주파수 스펙트럼 활용도를 높이고 이미지의 컬러 정보 손실을 줄이며 이미징의 컬러 충실도를 향상시키고 이미징 품질을 향상시킨다.
제2 측면에 따르면, 이미지 센서 준비 방법이 제공되는데, 이는: 광-전 변환 유닛의 어레이를 준비하는 단계; 및 광-전 변환 유닛의 어레이 상에 메타표면 구조의 어레이를 준비하는 단계를 포함한다. 광-전 변환 유닛은 복수의 광-전 변환 요소를 포함하고, 광-전 변환 유닛의 각각의 광-전 변환 요소는 스펙트럼에서 하나의 주파수 대역에 대응하고, 메타표면 구조는 제1 기판 및 제1 기판 위에 위치한 미세구조를 포함하고, 미세구조 및 제1 기판은 각각의 주파수 대역에서 광 신호를 각각의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하도록 구성되고, 미세구조는 회전 대칭 구조이고, 회전 대칭 구조의 회전 각도는 90도 이하이다. 예를 들어, 광-전 변환 유닛의 어레이와 메타표면 구조의 어레이는 상보형 금속 산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 공정을 사용하여 통합된 방식으로 처리된다.
본 출원의 이 실시예의 솔루션에 따르면, 광-전 변환 유닛의 어레이 및 메타표면 구조의 어레이가 통합된 방식으로 처리되어, 광-전 변환 유닛과 메타표면 구조 사이의 양호한 정렬을 확보할 수 있다. 이는 이미지 센서의 정밀도를 향상시킨다.
메타표면 구조는 전체 메타표면 구조가 수신한 광 신호 중 각 주파수 대역의 광 신호를 그 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달할 수 있다. 기존의 광 필터링 방식을 광 분할 방식으로 대체하여 광 필터링 과정에서의 광 신호의 손실을 방지한다. 회전각이 90도 이하인 회전 대칭 구조를 사용하며, 광 신호의 편광에 대해 동일한 응답을 가지므로 편광 의존성이 없다. 이는 각각의 스펙트럼 채널의 광 투과율, 이미지 센서의 전반적인 광 활용도 및 출력 이미지의 이미징 품질을 향상시킨다. 예를 들어, 광 신호의 편광은 선편광과 원편광을 포함할 수 있다.
제2 측면을 참조하면, 제2 측면의 일부 구현에서, 미세구조 및 제1 기판은 공간 투과 위상 구배를 획득하기 위해 메타표면 구조의 어레이의 접선 방향으로 공간 투과 위상을 생성하도록 구성된다. 공간 투과 위상 구배는 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하는 데 사용된다.
본 출원의 이 실시예의 솔루션에 따르면, 메타표면 구조의 어레이에서 생성된 공간 투과 위상 기울기를 사용하여 상이한 주파수 대역의 광 신호의 전송 방향이 변경되고, 이에 따라 상이한 주파수 대역의 광 신호가 서로 다른 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송될 수 있다. 이렇게 하면 각 스펙트럼 채널의 광 투과율이 향상되고 이미지 센서의 전반적인 광 활용도가 향상된다.
제3 측면에 따르면, 이미지 센서 준비 방법이 제공되는데, 이는: 광-전 변환 유닛의 어레이를 준비하는 단계; 메타표면 구조의 어레이를 준비하는 단계; 및 메타표면 구조의 어레이와 광-전 변환 유닛의 어레이를 조립하여 이미지 센서를 획득하는 단계를 포함한다. 광-전 변환 유닛은 복수의 광-전 변환 요소를 포함하고, 광-전 변환 유닛의 각각의 광-전 변환 요소는 스펙트럼에서 하나의 주파수 대역에 대응하고, 메타표면 구조는 제1 기판 및 제1 기판 위에 위치한 미세구조를 포함하며, 미세구조 및 제1 기판은 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하도록 구성되고, 미세구조는 회전 대칭 구조이고, 회전 대칭 구조의 회전 각도는 90도 이하이다.
예를 들어, 메타표면 구조의 어레이는 CMOS 프로세스를 사용하여 준비된 다음, 광-전 변환 유닛 어레이와 조립된다. 본 출원의 이 실시예의 솔루션에 따르면, 광-전 변환 유닛의 어레이와 메타표면 구조의 어레이가 개별적으로 처리되고, 처리 기술이 간단하다. 메타표면 구조는 전체 메타표면 구조가 수신한 광 신호 중 각 주파수 대역의 광 신호를 대응 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달할 수 있다. 기존의 광 필터링 방식을 광 분할 방식으로 대체하여 광 필터링 과정에서 광 신호의 손실을 방지한다. 회전각이 90도 이하인 회전 대칭 구조를 사용하며, 광 신호의 편광에 대해 동일한 응답을 가지므로 편광 의존성이 없다. 이는 각 스펙트럼 채널의 광 투과율, 이미지 센서의 전반적인 광 활용도 및 출력 이미지의 이미징 품질을 향상시킨다. 예를 들어, 광 신호의 편광은 선편광과 원편광을 포함할 수 있다.
제3 측면을 참조하면, 제3 측면의 일부 구현에서, 미세구조 및 제1 기판은 공간 투과 위상 구배를 획득하기 위해 메타표면 구조 어레이의 접선 방향으로 공간 투과 위상을 생성하도록 구성된다. 공간 투과 위상 구배는 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하는 데 사용된다.
본 출원의 이 실시예의 솔루션에 따르면, 메타표면 구조의 어레이에서 생성된 공간 투과 위상 기울기를 사용하여 상이한 주파수 대역의 광 신호의 전송 방향이 변경되고, 이에 따라 상이한 주파수 대역의 광 신호가 상이한 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송될 수 있다. 이를 통해, 각 스펙트럼 채널의 광 투과율이 향상되고 이미지 센서의 전반적인 광 활용도가 향상된다.
제4 측면에 따르면, 제1 측면 또는 제1 측면의 구현들 중 어느 하나에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치가 제공된다.
본 출원의 이 실시예의 솔루션에 따르면, 전자 장치는 메타표면 구조에 기초한 이미지 센서를 포함한다. 메타표면 구조는 전체 메타표면 구조가 수신한 광 신호 중 각 주파수 대역의 광 신호를 대응 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달할 수 있다. 기존의 광 필터링 방식을 광 분할 방식으로 대체하여 광 필터링 과정에서 광 신호의 손실을 방지한다. 회전각이 90도 이하인 회전 대칭 구조를 사용하며, 광 신호의 편광에 대해 동일한 응답을 가지므로 편광 의존성이 없다. 이는 각 스펙트럼 채널의 광 투과율, 이미지 센서의 전반적인 광 활용도 및 출력 이미지의 이미징 품질을 향상시킨다. 예를 들어, 광 신호의 편광은 선편광과 원편광을 포함할 수 있다.
도 1은 전자 장치의 구조의 개략도이다.
도 2는 베이어 필터 시스템을 기반으로 하는 이미지 센서의 구조의 개략도이다.
도 3은 베이어 필터 방식을 기반으로 하는 이미지 센서의 단색 픽셀 유닛의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4는 하나의 스펙트럼 채널에서 광 신호 전송의 개략도이다.
도 5는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 센서의 구조의 개략도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 출원의 실시예에 따른 미세구조의 구조의 개략도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 센서에서의 광로 전송의 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 센서에서 하나의 컬러 픽셀 유닛의 개략도이다.
도 9는 본 출원의 실시예에 따른 광-전 변환 요소의 배치 방식의 개략도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 출원의 실시예에 따른 광 신호의 굴절 및 반사의 개략도이다.
도 11a 내지 도 11c는 본 출원의 실시예에 따른 상이한 주파수 대역에 대응하는 공간 투과 위상 분포의 개략도이다.
도 12는 본 출원의 일 실시예에 따른 이미지 센서 준비 방법의 개략도이다.
도 13은 본 출원의 실시예에 따른 다른 이미지 센서 준비 방법의 개략도이다.
도 14는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 센서 설계 방법의 개략도이다.
다음은 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 기술 솔루션을 설명한다.
본 출원의 실시예에서 전자 장치는 핸드헬드 장치, 차량 내 장치, 웨어러블 장치, 컴퓨팅 장치, 또는 무선 모뎀에 연결된 다른 프로세싱 장치를 포함할 수 있다. 전자 장치는 디지털 카메라(digital camera), 휴대폰(cellular phone), 스마트폰(smartphone), 개인 휴대 정보 단말기 personal digital assistant, PDA) 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터(laptop computer), 기계식 통신(Machine Type Communication, MTC) 단말기, 판매 시점(point of sales, POS) 단말기, 차량용 컴퓨터 및 이미징 기능을 갖는 다른 전자 장치를 더 포함할 수 있다.
다음은 이해의 편의를 위해 먼저 이 응용 프로그램의 기술 용어를 설명하고 설명한다.
메타물질(metamaterial): 넓은 의미에서 메타물질은 수작업으로 설계한 유닛 구조의 복합체를 말하며, 기존의 천연소재에는 없는 물리적 성질을 갖는다. 메타물질의 물성은 주로 서브파장(파장보다 훨씬 작은) 유닛 구조의 구조와 배열에 의해 결정된다.
메타표면(metasurface): 메타표면은 메타물질의 2차원적 형태, 즉 서브파장 마이크로 유닛 구조에 의해 형성된 표면 구조이다.
초점: 광이 메타표면 구조로 방출되면 광은 메타표면 구조 뒤의 여러 지점에서 수렴된다. 광이 수렴하는 여러 지점이 초점이다.
초점 거리(focal length): 거리와 관련하여, 광학 시스템에서 광의 수렴 또는 발산을 측정하는 데 사용되는 측정 지표이다. 본 출원의 실시예에서, 초점 거리는 메타표면 구조를 이용하여 무한히 먼 장면이 초점면에 선명한 상을 형성할 때, 메타표면 구조의 광학 중심에서 초점까지의 거리를 나타내며, 이는 메타표면 구조의 광학 중심에서 초점면까지의 수직 거리로 이해될 수도 있다.
도 1은 전자 장치의 개략도를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 전자 장치는 렌즈(lens) 그룹(110), 이미지 센서(sensor)(120) 및 전기 신호 프로세서(130)를 포함할 수 있다. 전기 신호 프로세서(130)는 아날로그-디지털(A/D) 컨버터(131) 및 디지털 신호 프로세서(132)를 포함할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(131)는 아날로그-디지털 신호 컨버터로서, 아날로그 전기 신호를 디지털 전기 신호로 변환하도록 구성된다.
도 1에 도시된 전자 장치는 전술한 구성 요소에 한정되지 않고, 배터리, 플래시, 버튼, 센서 등의 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 본 출원의 본 실시예에서는 이미지 센서(120)가 설치된 전자 장치만을 예로 들어 설명하나, 전자 장치에 설치되는 구성요소가 이에 한정되는 것은 아니다.
촬영된 물체에서 반사된 광 신호는 렌즈 그룹(110)을 이용하여 수렴되어 이미지 센서(120)에 결상(imaged)된다. 이미지 센서(120)는 광 신호를 아날로그 전기 신호로 변환한다. 아날로그 전기 신호는 전기 신호 프로세서(130)에서 A/D(Analog-to-Digital) 컨버터(131)를 이용하여 디지털 전기 신호로 변환되고, 디지털 전기 신호는 디지털 신호 프로세서(132)를 이용하여 처리된다.
예를 들어, 데이터 전기 신호는 일련의 복잡한 수학적 알고리즘 연산을 사용하여 최적화되고 최종적으로 이미지가 출력된다. 전기 신호 프로세서(130)는 이미지 센서에서 전송된 아날로그 전기 신호를 전처리하고, 전처리된 아날로그 전기 신호를 아날로그-디지털 컨버터(131)로 출력하도록 구성된 아날로그 신호 전처리기(133)를 더 포함할 수 있다.
이미지 센서(120)의 성능은 최종 출력 이미지의 품질에 영향을 미친다. 이미지 센서(120)는 감광 칩, 감광 소자 등으로도 지칭될 수 있으며, 수십만 내지 수백만 개의 광-전 변환 요소를 포함한다. 이미지 센서(120)가 광에 노출되면 전하가 발생하고 아날로그-디지털 컨버터 칩을 이용하여 디지털 신호로 변환된다.
일반적으로 이미지 센서(120)는 컬러 필터링 시스템을 이용하여 이미지의 컬러 정보를 획득할 수 있다. 컬러 필터링 시스템은 Bayer 컬러 필터(Bayer color filter) 시스템일 수 있다. 즉, 이미지 센서(120)의 광-전 변환 요소 위에 Bayer 컬러 필터를 덮어 컬러 필터링 시스템을 형성한다. 광-전 변환 요소는 포토다이오드일 수 있다. Bayer 필터는 바이엘 필터라고도 한다. 도 2는 바이엘 컬러 필터 시스템에 기반한 이미지 센서의 개략도를 도시한다. 이미지 센서는 마이크로 렌즈(121), 바이엘 컬러 필터(122), 포토다이오드(123)를 포함한다. 바이엘 컬러 필터(122)는 RGB 컬러 필터를 포함하고, RGB 컬러 필터는 포토다이오드의 그리드 상에 배열되어 RGB 모자이크 컬러 필터 시스템을 형성한다. 인간의 눈의 망막에 있는 녹색 감광 세포의 양이 가장 많다는 생물학적 특성에 따라 바이엘 필터는 일반적으로 RGGB 형태로 배열된다.
도 3은 바이엘 컬러 필터 방식에 기반한 이미지 센서에서 하나의 컬러 픽셀 유닛의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 컬러 픽셀 유닛은 4개의 컬러 필터(122) 및 4개의 대응하는 포토다이오드(123) 픽셀 요소를 포함한다. 4개의 컬러 필터(122)는 RGGB 형태로 배열되어 있는데, 구체적으로 적색 컬러 필터와 청색 컬러 필터는 대각선 위치에 위치하고, 두 개의 초록 광 필터는 대각선 위치에 위치한다. 포토 다이오드(123)의 광 감지 영역은 포토 다이오드 픽셀 소자가 차지하는 영역의 중앙에 위치하므로, 하나의 컬러 픽셀 유닛은 컬러 필터(122) 위에 마이크로 렌즈(121) 어레이를 더 포함한다. 마이크로 렌즈(121) 어레이는 광 활용을 보장하기 위해 포토다이오드(123)의 광 감지 영역에 광 신호를 수렴하도록 구성된다. 마이크로 렌즈(121) 어레이는 입사된 광 신호를 4개의 컬러 필터(122)로 개별적으로 수렴한다. 4개의 컬러 필터(122)에 의해 필터링된 후, 입사된 광 신호는 4개의 컬러 필터(122)에 의해 덮인 포토다이오드(123)로 개별적으로 전달된다. 이와 같이 영상의 광도 정보와 대략적인 색 정보를 동시에 얻을 수 있으며, 소프트웨어 차분 알고리즘을 이용한 최적화를 통해 실제에 가장 가까운 색 영상을 복원할 수 있다.
그러나, 바이엘 필터 방식에 기반한 이미지 센서의 광 활용도는 매우 낮다. 스펙트럼 채널이라고도 하는 각 컬러 픽셀 채널에 대해 광 신호의 70% 이상이 바이엘 컬러 필터에 의해 필터링되고 30% 미만의 광만이 포토다이오드에 도달하여 최종 컴퓨터 이미징을 위한 전기 신호로 변환될 수 있다. 도 4는 컬러 픽셀 유닛에서 하나의 스펙트럼 채널의 광속의 개략도를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, RGGB 형태로 배열된 하나의 컬러 픽셀 유닛에 대해, 입사광이 백색광일 때, 구체적으로, 컬러 필터가 이상적인 컬러 필터링 효과를 갖는다면, 400nm 내지 700nm의 모든 파장의 광 신호를 포함하고, 컬러 필터링 후의 광속(luminous flux)의 이론적인 최대값은 입사 광속의 1/3에 불과하다. 입사광이 적색광 또는 청색광일 때, 컬러 필터링 후의 광속의 이론상 최대값은 입사 광속의 1/4이다. 입사광이 녹색광일 때 녹색 채널이 2개 있기 때문에 컬러 필터링 후의 이론상 최대 광속은 입사 광속의 1/2이다. 또한, 실제로 컬러 필터의 컬러 필터링 효과는 완벽하지 않은데, 즉, 컬러 필터의 컬러 필터링 및 광 투과 효율은 100%에 도달할 수 없다. 따라서, 실제 조명 활용도는 더 낮다. 입사광이 백색광일 때 전체 광 활용률은 약 25%에 불과하다. 입사광이 적색광일 때 광 활용률은 약 23%이다. 입사광이 청색광일 때 광 활용률은 약 20%에 불과하다. 입사광이 녹색광일 때 광 활용도는 약 32%이다.
또한, 바이엘 컬러 필터 시스템을 기반으로 하는 이미지 센서에서 얻은 이미지는 컬러 왜곡이 있다. 바이엘 필터에는 RGB라는 3개의 스펙트럼 채널만 있는 반면 실제 이미지 스펙트럼은 400~700nm의 가시광선 대역에서 연속적으로 분포된다. 따라서 바이엘 컬러 필터를 사용하여 얻은 스펙트럼 정보는 실제로 RGB 3색을 사용하여 연속 스펙트럼에 대해 이산 디지털화를 수행하여 얻은 것인데, 즉 400~500나노미터 대역에서의 모든 광은 청색으로 간주되고, 500~600나노미터 대역에서의 모든 광은 녹색으로 간주되며, 600~700나노미터 대역의 모든 광은 적색으로 간주된다. 이러한 주파수 스펙트럼 대역의 값은 단지 참고자료일 뿐이며, 각 주파수 스펙트럼 채널의 특정 주파수 범위는 실제 이미지 센서의 전체 주파수 스펙트럼 설계 및 포토다이오드의 실제 주파수 스펙트럼 응답 범위의 대상이다. 위의 솔루션에서는 이미지의 실제 스펙트럼 정보가 크게 손실되어 최종 이미지의 컬러 왜곡이 발생한다. 또한, 실제로 컬러 필터는 투과 스펙트럼에서 중복된다. 이와 같이 입사 스펙트럼이 겹치는 위치에 있는 경우, 컬러 필터는 광이 동시에 두 개의 스펙트럼 채널에 들어가도록 하여 컬러 재현 오류를 더욱 발생시킨다.
바이엘 필터의 본질은 스펙트럼 정보 또는 컬러 정보와 교환하여 광 활용을 희생하는 것이다. 하나의 컬러 픽셀 유닛에서 서로 다른 스펙트럼 채널의 양을 늘리면 더 많은 스펙트럼 정보를 얻을 수 있다. 물리적 하드웨어의 경우, 연속 스펙트럼을 이산 스펙트럼 정보로 변환할 때 발생하는 현재의 스펙트럼 정보 손실은 바이엘 컬러 필터의 스펙트럼 채널 수를 늘리는 것만으로도 줄일 수 있지만, 이는 광 활용을 더욱 감소시킨다.
도 5는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 센서(200)의 구조의 개략도를 도시한다. 이미지 센서(200)는 도 1의 이미지 센서(120)일 수 있다.
이미지 센서(200)는 메타표면 구조(210)의 어레이 및 광-전 변환 유닛(220)의 어레이를 포함한다. 메타표면 구조(210)의 어레이는 광-전 변환 유닛(220)의 어레이 위에 위치된다. 광-전 변환 유닛(220)는 복수의 광-전 변환 요소를 포함한다. 광-전 변환 유닛(220)의 각 광-전 변환 요소는 스펙트럼의 하나의 주파수 대역에 대응한다. 메타표면 구조(210)는 제1 기판 및 제1 기판 위에 위치하는 미세구조를 포함하고, 미세구조 및 제1 기판은 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하도록 구성된다. 미세구조는 회전 대칭 구조이며, 회전 대칭 구조의 회전각은 90도 이하이다.
하나의 메타표면 구조(210)는 복수의 미세구조를 포함할 수 있다.
회전 대칭 구조는 회전 대칭 구조의 중심점을 중심으로 비스듬히 회전하며, 회전 대칭 구조와 중첩될 수 있는 구조이다. 회전의 각도는 회전 각도이다. 본 출원의 이 실시예에서 미세구조는 미세구조의 중심점을 중심으로 90도 회전하거나 90도 미만의 각도로 회전하며, 미세구조와 겹칠 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서, 각각의 광-전 변환 요소가 스펙트럼의 하나의 주파수 대역에 대응한다는 것은 각각의 광-전 변환 요소가 하나의 주파수 스펙트럼 채널에 대응하는 것일 수도 있다.
선택적으로 도 6a 내지 도 6c는 본 출원의 실시예에 따른 미세구조의 개략도를 도시한다. 미세구조는 도 6a에 도시된 바와 같이 원통형 구조일 수 있다. 대안적으로, 미세구조는 도 6b에 도시된 바와 같이 십자형 구조일 수 있다. 대안적으로, 미세구조는 도 6c에 도시된 바와 같이 정사각형 기둥 구조일 수 있다. 3가지 구조는 예시일 뿐이며, 미세구조의 형태가 3가지 구조에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다.
선택적으로, 메타표면 구조(210)는 광-전 변환 유닛(220)과 직접 접촉하지 않을 수 있는데, 즉, 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이에 매체가 있을 수 있다.
구체적으로, 매체는 공기일 수 있다.
예를 들어, 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이에 중공 구조가 형성될 수 있고, 중공 구조에 공기가 존재할 수 있다.
구체적으로, 매체는 제2 기판(230)일 수 있다.
예를 들어, 메타표면 구조(210)는 제2 기판(230)을 이용하여 광-전 변환 유닛(220)와 접촉하고, 제2 기판은 메타표면 구조(210)를 지지하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 제2 기판의 재료는 저손실 투명 유전 재료일 수 있다.
예를 들어, 제2 기판의 재료는 이산화규소 유리 등일 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서, 미세구조 및 제1 기판은 각 주파수 대역에서 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하도록 구성된다는 것을 이해해야 한다.
경우에 따라, 미세구조 및 제1 기판은 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소에 집속시키도록 구성되는 것으로 이해될 수도 있다.
하나의 메타표면 구조(210)는 하나의 광-전 변환 유닛(220)에 대응할 수 있고, 메타표면 구조(210)는 광-전 변환 유닛(220)를 커버할 수 있으며, 각 메타표면 구조(210) 상의 미세구조 및 제1 기판은 메타표면 구조(210)에 대응하는 광-전 변환 유닛(220)에 입사 광 신호를 전송할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 메타표면 구조(210) 상의 미세구조 및 제1 기판이 입사 광 신호를 메타표면 구조(210)에 대응하는 광-전 변환 유닛(220)로 전달하는 것은, 다르게는 메타표면 구조(210)가 메타표면 구조(210)에 대응하는 광-전 변환 유닛(220)에 입사 광 신호를 전달하는 것일 수 있다.
하나의 컬러 픽셀 유닛은 하나의 메타표면 구조(210) 및 하나의 광-전 변환 유닛(220)을 포함할 수 있다. 컬러 픽셀 유닛은 제2 기판(230)을 더 포함할 수 있다. 이미지 센서(200)는 복수의 컬러 픽셀 유닛을 포함할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 이미지 센서에서 하나의 컬러 픽셀 유닛에서의 광로 투과의 개략도를 도시한다. 도 7a 내지 7c에 도시된 바와 같이, 도 7a 내지 7c의 메타표면 구조(210)는 도 7a 내지 도 7c의 광-전 변환 유닛(220)(광-전 변환 유닛(220)의 일례)에 대응한다. 광-전 변환 유닛(220)은 n개의 광-전 변환 요소를 포함하고, n개의 광-전 변환 요소는 스펙트럼의 n개의 주파수 대역에 각각 대응되며, n개의 주파수 대역은 동일한 주파수 대역을 포함할 수 있다. 메타표면 구조(210)는 n개의 주파수 대역에 기초하여, 수신된 모든 광 신호를 광-전 변환 유닛(220)에서 n개의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 개별적으로 전송할 수 있다.
각 주파수 대역의 광 신호에 있어서, 각 주파수 대역에서의 광 신호는 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소 상의 광 감지 영역으로 각 주파수 대역의 광 신호를 전달할 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이, 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소 아래에 초점이 위치할 수 있고; 초점은 도 7b에 도시된 바와 같이 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소 위에 위치할 수도 있고; 초점은 도 7c에 도시된 바와 같이 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소에 위치할 수도 있다. 본 출원의 이 실시예에서 초점의 위치는 제한되지 않는다.
광-전 변환 요소는 광 신호를 전기 신호로 변환하도록 구성된다. 예를 들어, 광-전 변환 요소는 상보형 금속 산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)의 포토다이오드일 수 있다. 다른 예로서, 광-전 변환 요소는 대안적으로 전하 결합 소자(charge-coupled device, CCD)일 수 있다.
도 5 및 도 7a 내지 7c의 광-전 변환 요소가 1차원 방식으로 배열된 것은 예시일 뿐이고, 본 출원의 이 실시예에 대한 제한으로 간주되어서는 안 됨을 이해해야 한다. 광-전 변환 요소는 또한 2차원 방식으로 배열될 수 있다.
예를 들어, 하나의 광-전 변환 유닛(220)는 4개의 광-전 변환 요소를 포함할 수 있다. 4개의 광-전 변환 요소는 적색광, 녹색광, 청색광의 3가지 주파수 대역 중 하나에 개별적으로 대응할 수 있다. 적색광의 파장은 600 내지 700나노미터, 녹색광의 파장은 500 내지 600나노미터, 청색광의 파장은 400 내지 500나노미터일 수 있다. 4개의 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역은 RGGB 방식으로 배열될 수 있으며, 구체적으로 한 대각선에 위치한 2개의 광-전 변환 요소는 녹색광의 주파수 대역에 대응하고, 다른 대각선에 위치한 2개의 광-전 변환 요소는 각각 적색광의 주파수 대역과 청색광의 주파수 대역에 대응한다. 설명의 편의를 위해, 본 출원의 본 실시예에서 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역은 또한 광-전 변환 요소의 배치 방식으로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 광-전 변환 요소가 RGGB 방식으로 배열된다는 것은 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역이 RGGB 방식으로 배열될 수 있음을 의미한다.
도 8a는 본 출원의 실시예에 따른 하나의 컬러 픽셀 유닛의 구조의 개략도를 도시한다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 하나의 컬러 픽셀 유닛은 하나의 메타표면 구조(210) 및 메타표면 구조(210) 아래의 4개의 인접한 2차원적으로 배열된 광-전 변환 요소를 포함할 수 있다. 4개의 광-전 변환 요소는 각각 도 8b에서의 광-전 변환 요소 A, 광-전 변환 요소 B, 광-전 변환 요소 C, 광-전 변환 요소 D에 대응한다. 4개의 광-전 변환 요소는 RGGB 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 광-전 변환 요소 A, 광-전 변환 요소 B, 광-전 변환 요소 C, 광-전 변환 요소 D는 각각 3개의 주파수 대역: 적색광, 녹색광, 청색광에 대응할 수 있다. 메타표면 구조(210)는 광-전 변환 요소 A, 광-전 변환 요소 B, 광-전 변환 요소 C, 및 광-전 변환 요소 D 각각의 광 감지 위치에 적색광, 녹색광, 청색광을 집속(focus)시킬 수 있다.
전술한 주파수 스펙트럼 대역의 값은 설명을 위한 참조 데이터일 뿐이며, 본 출원의 이 실시예에 대한 제한으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 각 주파수 스펙트럼 채널의 특정 주파수 범위는 실제 이미지 센서의 전체 주파수 스펙트럼 설계와 광-전 변환 요소의 실제 주파수 스펙트럼 응답 범위에 따라 달라진다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 하나의 컬러 픽셀 유닛에서 광-전 변환 요소의 수량은 단지 예시일 뿐이며, 본 출원의 이 실시예에 대한 제한을 구성하지 않는다.
도 9는 광-전 변환 유닛(220)의 어레이의 개략도를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 광-전 변환 유닛(220)은 4개의 광-전 변환 요소에 대응할 수 있으며, 4개의 광-전 변환 요소는 RGGB 방식으로 배열된다.
도 8a 및 도 8b, 도 9에 도시된 하나의 광-전 변환 유닛(220)에서의 광-전 변환 요소의 수량은 단지 예시일 뿐이며, 본 출원의 이 실시예에 대한 제한을 구성하지 않음을 이해해야 한다.
전술한 바와 같이, 각 광-전 변환 유닛(220)은 n개의 광-전 변환 요소를 포함하고, n개의 광-전 변환 요소는 n개의 주파수 대역에 대응할 수 있다. n개의 주파수 대역은 V개의 서로 다른 주파수 대역을 포함할 수 있다. 즉, n과 V가 상이할 수 있고, 각 광-전 변환 유닛(220)는 스펙트럼에서 V개의 서로 다른 주파수 대역에 대응할 수 있다.
예를 들어, n은 4이고 V는 3일 수 있다. 예를 들어, 3개의 주파수 대역은 적색광, 녹색광, 청색광일 수 있다. 하나의 광-전 변환 유닛(220)는 4개의 광-전 변환 요소를 포함할 수 있는데, 즉, 하나의 메타표면 구조(210)는 4개의 광-전 변환 요소를 커버할 수 있다. 4개의 광-전 변환 요소는 적색광, 녹색광 및 청색광의 3가지 주파수 대역 중 하나에 개별적으로 대응할 수 있다.
선택적으로, 복수의 광-전 변환 요소는 스펙트럼에서 V개의 상이한 주파수 대역에 대응하고, V는 3보다 큰 정수일 수 있다.
즉, 하나의 광-전 변환 유닛(220)에 포함되는 광-전 변환 요소의 수량도 3개보다 많다.
예를 들어, V는 4이고 4개의 주파수 대역은 적색, 황색, 녹색 및 자주색일 수 있다. 4개의 주파수 대역은 또한 청록(cyan, C), 마젠타(magenta, M), 옐로우(yellow, Y) 및 화이트(white, W)일 수 있다. V 및 n은 동일할 수 있다. 예를 들어, 하나의 광-전 변환 유닛(220)는 4개의 광-전 변환 요소를 포함할 수 있는데, 즉, 하나의 메타표면 구조(210)는 4개의 광-전 변환 요소를 커버할 수 있다. 4개의 광-전 변환 요소는 각각 적색, 황색, 청록색 및 자주색의 4가지 주파수 대역에 대응한다.
예를 들어, V는 7이고, 7개의 주파수 대역은 적색, 주황색, 황색, 녹색, 청록색, 청색 및 자주색일 수 있다.
V와 n은 다를 수 있다. 예를 들어, 하나의 광-전 변환 유닛(220)는 9개의 광-전 변환 요소를 포함할 수 있는데, 즉, 하나의 메타표면 구조(210)는 9개의 광-전 변환 요소를 커버할 수 있다. 9개의 광-전 변환 요소는 각각 적색, 주황색, 황색, 녹색, 청록색, 청색, 보라색의 7개 주파수 대역에 대응하는데, 즉 9개의 광-전 변환 요소에 대응하는 9개의 주파수 대역에 2개의 동일한 주파수 대역이 존재한다.
하나의 광-전 변환 유닛(220)에 대응하는 서로 다른 주파수 대역의 수량이 증가하는데, 즉 하나의 메타표면 구조(210)가 커버하는 광-전 변환 요소의 수량이 증가한다. 이것은 광 활용 손실이 작으면서 이미지 센서에 의해 수집된 주파수 스펙트럼 정보의 손실을 크게 줄이고, 더 많은 주파수 스펙트럼 정보를 얻을 수 있으므로, 이미지 센서의 주파수 스펙트럼 활용을 향상시키고 이미지의 컬러 정보 손실을 줄이며, 및 이미징의 컬러 충실도가 증가될 수 있다. 하나의 광-전 변환 유닛(220)에서, 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역의 수량을 주파수 스펙트럼 채널의 수량으로 지칭할 수 있고, 하나의 주파수 대역에 대응하는 하나의 광-전 변환 요소의 위치는 주파수 스펙트럼 채널의 위치라고 지칭할 수 있다.
주파수 스펙트럼 채널의 수량과 주파수 스펙트럼 채널의 위치는 서로 다른 이미징 요구 사항과 관련이 있다. 주파수 스펙트럼 채널의 상이한 수량 및/또는 주파수 스펙트럼 채널의 상이한 위치는 상이한 이미징 요구 사항을 충족할 수 있다.
예를 들어, 다분광(multispectral) 촬영이 필요한 경우, 즉 촬영 대상물의 주파수 스펙트럼 정보를 획득하여 촬영 대상물의 재질을 결정하는 경우, 하나의 광-전 변환 유닛(220)는 9개의 광-전 변환 유닛을 포함할 수 있는데, 즉, 각각의 메타표면 구조(210)는 9개의 광-전 변환 요소를 커버할 수 있고, 각각의 광-전 변환 요소는 하나의 주파수 대역에 대응할 수 있다. 예를 들어, 9개의 광-전 변환 요소는 각각 적색, 주황색, 황색, 녹색, 청록색, 청색 및 보라색의 7개 주파수 대역에 대응한다.
예를 들어, 다른 컬러 배열이 필요한 경우, 예를 들어 시안(cyan, C), 마젠타(magenta, M), 옐로우(yellow, Y) 및 화이트(white, W)의 4가지 주파수 대역이 필요하고, 하나의 광-전 변환 유닛(220)은 4개의 광-전 변환 요소를 포함할 수 있는데, 즉, 각각의 메타표면 구조(210)는 4개의 광-전 변환 요소를 커버할 수 있고, 4개의 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역은 CMYW 방식으로 배열될 수 있다. 다른 예로 적색, 황색, 청색의 세 가지 주파수 대역이 필요하다. 하나의 광-전 변환 유닛(220)는 4개의 광-전 변환 요소를 포함할 수 있는데, 즉, 각각의 메타표면 구조(210)는 4개의 광-전 변환 요소를 커버할 수 있다. 4개의 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역은 RYYB 방식으로 배열될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 광 신호의 반사 및 굴절의 전송 경로의 개략도를 도시한다. 일반화된 스넬(Snell) 법칙에 따르면 반사광과 투과광의 방향은 계면 물질의 굴절률뿐만 아니라 계면의 위상 구배 분포에 따라 달라진다. 일반화된 스넬 법칙의 굴절률을 계산하는 공식은 다음과 같다.
Figure pct00010
Figure pct00011
은 입사 공간의 굴절률을 나타내고,
Figure pct00012
는 출사(emergent) 공간의 굴절률을 나타내며,
Figure pct00013
는 입사각을 나타내고,
Figure pct00014
은 굴절각을 나타내며,
Figure pct00015
는
Figure pct00016
방향에 따른 공간 투과 위상 구배를 나타내고,
Figure pct00017
는 광 신호의 파장을 나타낸다.
도 10a는 경계면의 공간 투과 위상 기울기가 0일 때 굴절광과 반사광의 투과 경로를 나타낸다. 10b는 경계면의 공간 투과 위상 기울기가 0이 아닌 경우 굴절광과 반사광의 투과 경로를 나타낸 것이다.
선택적으로, 미세구조 및 제1 기판은 메타표면 구조(210)의 어레이의 접선 방향으로 공간 투과 위상을 생성하여 공간 투과 위상 구배를 얻도록 구성된다. 공간 투과 위상 구배는 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하는 데 사용된다. 본 출원의 이 실시예에서, 투과 위상은 또한 전송 위상으로 지칭될 수 있다.
공간 투과 위상 구배의 존재는 입사 광 신호가 메타표면 구조(210)와 공진 효과를 형성할 수 있게 한다. 서로 다른 주파수 대역의 광 신호가 메타표면 구조(210)를 통과할 때, 메타표면 구조(210)에서 서로 다른 전송 위상 변화가 발생하여, 이에 따라 광 신호의 굴절각이 변경될 수 있는데, 즉 광 신호의 전파 방향이 제어될 수 있고, 서로 다른 주파수 대역의 광 신호가 서로 다른 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송될 수 있다.
광-전 변환 유닛(220)에서 서로 다른 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소의 위치에 기초하여, 메타표면 구조(210)의 각 위치에서 주파수 대역별 광 신호에 대응하는 굴절각, 즉, 각각의 위치의 각각의 주파수 대역에서 광 신호에 대응하는 전송 방향을 연산에 의해 획득할 수 있어서, 이에 따라 메타표면 구조(210)의 공간 투과 위상 분포를 획득할 수 있다.
공간 투과 위상 분포는 각 주파수 대역의 광 신호의 파장, 각 주파수 대역의 광 신호가 메타표면 구조에 입사되는 위치, 각 주파수 대역의 광 신호가 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달되는 위치와 관련이 있다.
선택적으로, 메타표면 구조(210)가 광-전 변환 유닛(220)과 직접 접촉하지 않는 경우, 즉 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이에 매체가 존재하면, 공간 투과 위상 분포는 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이의 매체의 굴절률과 더 관련이 있다. 즉, 공간 투과 위상 분포가 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이의 매체의 굴절률과 관련된 경우가 있다. 예를 들어, 하나의 광-전 변환 유닛(220)에 포함된 복수의 광-전 변환 요소와 메타표면 구조(210) 사이의 매체가 동일한 경우, 공간 투과 위상 분포는 메타표면 구조(210) 및 광-전 변환 유닛(220) 사이의 매체의 굴절률과 관련이 있다. 공간 투과 위상 분포는 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이의 매체의 굴절률과 관련이 있음을 이해할 수 있다.
예를 들어, 메타표면 구조(210) 상의 한 위치에서 n번째 주파수 대역의 공간 투과 위상은 n번째 주파수 대역에서의 광 신호의 파장, n번째 주파수 대역에서 광 신호가 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달되는 위치의 좌표, 그리고 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이의 매체의 굴절률과 관련된다.
광 신호는 전송 과정에서 서로 다른 거리를 통과하기 때문에 위상차가 발생한다. 임의의 주파수 대역에 대해, 메타표면 구조는 대상 지점에서 메타표면 구조 상의 임의의 위치로 입사되는 광 신호가, 광-전 변환 요소에서 도달할 때 동일한 위상을 가지도록 할 수 있는데, 즉 메타표면 구조가 상이한 광 경로에 의해 야기되는 위상 차를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 메타표면 구조의 위치 A에서 공간 투과 위상은
Figure pct00018
이고, 위치 A에서 광-전 변환 요소의 위치 B로의 전송에 의해 생성된 위상은
Figure pct00019
이며, 메타표면 구조의 위치 C로부터 광-전 변환 요소의 위치 B로의 거리가 가장 짧고, 위치 C로부터 광-전 변환 요소의 위치 B로의 전송에 의해 생성된 위상은
Figure pct00020
이고, 위치 A에서의 공간 투과 위상은:
Figure pct00021
를 만족한다.
구체적으로, n번째 주파수 대역에 대해,
Figure pct00022
는 다음을 만족한다:
Figure pct00023
n번째 주파수 대역에 대해,
Figure pct00024
은 다음을 만족한다:
Figure pct00025
Figure pct00026
는 n번째 주파수 대역의 광 신호의 파장을 나타내고,
Figure pct00027
은 n번째 주파수 대역의 광 신호에 대응하는 초점 거리를 나타내며, 초점 거리는 n번째 주파수 대역의 광 신호가 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소의 광 감지 위치에 전송되는 것을 보장하기 위해 사용되며,
Figure pct00028
는 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이의 매체의 굴절률을 나타내며, C는 임의의 위상이다. n번째 주파수 대역에서 광 신호에 대응하는 초점 거리는 메타표면 구조와 n번째 주파수 대역에서 광 신호에 대응하는 초점 사이의 수직 거리일 수 있다.
예를 들어, n번째 주파수 대역에서의 광 신호가 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소 상의 광 감지 영역으로 전달될 수 있기만 하면, 초점은 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소에 위치하거나, n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소 위에 위치하거나, n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소 아래에 위치할 수 있다.
선택적으로, 메타표면 구조(210)의 공간 투과 위상 분포
Figure pct00029
는 다음을 충족한다:
Figure pct00030
Figure pct00031
Figure pct00032
는 메타표면 구조(210) 상의 각 위치 및 주파수 대역에 대응하는 위상 분포를 나타내고,
Figure pct00033
는 메타표면 구조(210) 상의 좌표를 나타내고,
Figure pct00034
은 n번째 주파수 대역에서의 광 신호의 파장을 나타내고,
Figure pct00035
은 n번째 주파수 대역에서의 광 신호에 대응하는 초점 거리를 나타내며, 여기서 초점 거리는 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소의 광 감지 위치로 n번째 주파수 대역의 광 신호가 전달되도록 보장하기 위해 사용되며,
Figure pct00036
및
Figure pct00037
은 n번째 주파수 대역의 광 신호가 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달되는 위치의 좌표를 나타내며,
Figure pct00038
는 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이의 매체의 굴절률을 나타내며, C는 임의의 위상이다.
이미지 센서(200)가 제2 기판(230)을 포함하는 경우, 매체는 제2 기판(230)일 수 있다.
예를 들어, 도 8a에 도시된 컬러 픽셀 유닛의 경우, 도 11c는 상이한 주파수 대역에서 메타표면 구조(210)의 공간 투과 위상 분포의 개략도를 도시한다. 하나의 광-전 변환 요소의 크기는 1.6 um * 1.6 um일 수 있고, 즉, 하나의 광-전 변환 유닛(220)의 크기는 3.2 um * 3.2 um일 수 있고, 하나의 메타표면 구조물(210)의 크기는 3.2 um * 3.2 um일 수 있고, 제2 기판의 두께는 15 um일 수 있다. 적색 스펙트럼의 중심 파장 650nm의 광은 광-전 변환 요소 A의 중심에 집광되고, 녹색 스펙트럼의 중심 파장 550nm의 광은 광-전 변환 요소 B와 광-전 변환 요소 C의 중심에 집광되고, 그리고 청색 스펙트럼의 중심 파장이 450nm인 광은 광-전 변환 요소 D의 중심에 집속된다. 제2 기판의 재료는 굴절률
Figure pct00039
= 1.47~1.46인 이산화규소 유리일 수 있으며, 획득된 공간 투과 위상 분포를 도 11a 내지 11c에 도시한다. 도 11a는 650nm 파장에 대응하는 공간 투과 위상 분포를 나타내고, 도 11b는 550nm 파장에 따른 공간 투과 위상 분포를 나타내고, 도 11c는 450nm의 파장에 대응하는 공간 투과 위상 분포를 나타낸다.
위에서는 각 주파수 대역의 중심 파장만을 예로 들어 설명하였다. 다른 주파수 또는 다른 파장에 대해, 대응하는 공간 투과 위상 분포는 또한 전술한 공식을 사용하여 계산될 수 있다.
예를 들어, 각 주파수 대역의 중심 주파수는 최대 집속 효율을 달성할 수 있고, 주파수 대역에서 다른 주파수의 집속 효율은 중심 주파수의 집속 효율보다 낮을 수 있다. 즉, 중심 주파수는 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소의 중심 위치에 집중되고, 주파수 대역의 다른 주파수는, 속하는 주파수 대역을 기준으로 하여, 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소 상의 대응하는 광 전송 위치에 집성되어야 한다.
메타표면 구조(210)에서 발생하는 투과 위상 변화는 미세구조의 크기, 미세구조의 형상, 미세구조의 재료, 제1 기판의 재료와 같은 인자와 관련이 있다.
선택적으로, 미세구조의 재료는 저손실 유전 재료, 예를 들어 이산화티타늄, 질화갈륨 또는 탄화규소일 수 있다.
선택적으로, 제1 기판의 재료는 저손실 유전 재료, 예를 들어, 이산화규소, 이산화티타늄, 질화갈륨 또는 탄화규소일 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서 제공된 솔루션에 따르면, 메타표면 구조는 광 신호의 전송 방향을 조정하고 전체 메타표면 구조에 의해 수신된 광 신호의 각 주파수 대역에서 광 신호를 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소에 전달하기 위해 사용될 수 있다. 기존의 광 필터링 방식을 광 분할 방식으로 대체하여 광 필터링 과정에서 광 신호의 손실을 방지한다. 회전각이 90도 이하인 회전 대칭 구조가 사용되며 편광이 다른 광 신호에 대해 동일한 응답을 가지므로 편광 의존성이 없다. 이는 각 스펙트럼 채널의 광 투과율, 이미지 센서의 전반적인 광 활용도 및 출력 이미지의 이미징 품질을 향상시킨다. 예를 들어, 편광은 선형 편광 및 원형 편광을 포함할 수 있다. 바이엘 컬러 필터 시스템과 비교하여, 본 출원의 본 실시예의 솔루션에서는 광 필터링이 수행되지 않고, 마이크로 렌즈 어레이 및 바이엘 컬러 필터가 메타표면 구조의 어레이로 대체되는데, 즉 컬러 분할 및 포커싱 솔루션이 광 필터링 및 포커싱 솔루션을 대체하는 데 사용된다. 이는 광 필터링 과정에서 광 신호 손실을 방지하고, 원칙적으로 이미지 센서의 광 활용도를 향상시키며, 출력 이미지의 이미지 품질을 향상시킨다. 또한, 본 출원의 본 실시예의 솔루션에서, 하나의 광-전 변환 유닛에 대응하는 상이한 주파수 대역의 양이 증가되어, 적은 광 활용 손실로 더 많은 주파수 스펙트럼 정보가 획득될 수 있다. 이는 이미지 센서의 주파수 스펙트럼 활용도를 높이고 이미지의 컬러 정보 손실을 줄이며 이미징의 컬러 충실도를 향상시키고 이미징 품질을 향상시킨다.
도 12는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 센서 준비 방법(300)의 개략도를 도시한다. 이 방법(300)은 본 출원의 전술한 실시예에서 이미지 센서(200)를 준비하는 데 사용될 수 있다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 이하에서는 본 출원의 본 실시예에서 이미지 센서 준비 방법을 설명할 때 반복되는 설명을 적절하게 생략한다. 이 방법(300)은 단계 310 및 320을 포함한다. 다음은 단계 310 및 단계 320에 대해 상세히 설명한다.
310: 광-전 변환 유닛의 어레이를 준비한다.
320: 광-전 변환 유닛의 어레이 상에 메타표면 구조 어레이를 준비한다. 광-전 변환 유닛은 복수의 광-전 변환 요소를 포함하고, 광-전 변환 유닛의 각 광-전 변환 요소는 스펙트럼의 하나의 주파수 대역에 대응하고, 메타표면 구조는 제1 기판 및 제1 기판 위에 위치한 미세구조를 포함하고, 미세구조 및 제1 기판은 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하도록 구성되고, 미세구조는 회전 대칭 구조이고, 회전 대칭 구조의 회전 각도는 90도 이하이다.
예를 들어, 광-전 변환 유닛 어레이와 메타표면 구조 어레이는 CMOS 공정을 사용하여 통합된 방식으로 처리된다.
예를 들어, 단계 320은 광-전 변환 유닛의 어레이 상에 제1 기판을 증착하고, 제1 기판 상에 미세구조를 준비하는 것일 수 있다.
선택적으로, 미세구조 및 제1 기판은 공간 투과 위상 구배를 얻기 위해 메타표면 구조 어레이의 접선 방향으로 공간 투과 위상을 생성하도록 구성된다. 공간 투과 위상 구배는 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하는 데 사용된다.
선택적으로, 이미지 센서는 제2 기판을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 단계 320은 광-전 변환 유닛들의 어레이 상에 제2 기판을 증착하고, 제2 기판 상에 메타표면 구조의 어레이를 준비하는 것일 수 있다.
본 출원의 이 실시예의 솔루션에 따르면, 광-전 변환 유닛의 어레이 및 메타표면 구조의 어레이가 통합된 방식으로 처리되어, 광-전 변환 유닛과 메타표면 구조 사이의 양호한 정렬을 확보할 수 있다. 이는 이미지 센서의 정밀도를 향상시킨다. 메타표면 구조는 전체 메타표면 구조가 수신한 광 신호 중 각 주파수 대역의 광 신호를 그 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달할 수 있다. 기존의 광 필터링 방식을 광 분할 방식으로 대체하고 회전각이 90도 이하인 회전대칭 구조를 사용하여 편광이 다른 광 신호에 대해 동일한 응답을 하므로 편광 의존성이 없다. 이렇게 하면 각 스펙트럼 채널의 광 투과율이 향상되고 이미지 센서의 전반적인 광 활용도가 향상된다.
도 13은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 센서 준비 방법(400)의 개략도를 도시한다. 이 방법(400)은 본 출원의 전술한 실시예에서 이미지 센서(200)를 준비하는 데 사용될 수 있다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 이하에서는 본 출원의 본 실시예에서 이미지 센서 준비 방법을 설명할 때 반복되는 설명을 적절하게 생략한다. 이 방법(400)은 단계 410 내지 430을 포함한다. 이하에서는 단계 410 내지 단계 430에 대해 구체적으로 설명한다.
410: 광-전 변환 유닛의 어레이를 준비한다.
420: 메타표면 구조의 어레이를 준비한다.
430: 메타표면 구조의 어레이와 광-전 변환 유닛의 어레이를 조립하여 이미지 센서를 획득한다. 광-전 변환 유닛은 복수의 광-전 변환 요소를 포함하고, 광-전 변환 유닛의 각 광-전 변환 요소는 스펙트럼의 하나의 주파수 대역에 대응하고, 메타표면 구조는 제1 기판 및 제1 기판 위에 위치한 미세구조를 포함하며, 미세구조 및 제1 기판은 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하도록 구성되고, 미세구조는 회전 대칭 구조이고, 회전 대칭 구조의 회전 각도는 90도 이하이다.
예를 들어, 메타표면 구조의 어레이는 CMOS 공정을 사용하여 준비된 다음 광-전 변환 유닛 어레이와 조립된다.
예를 들어, 단계 420은 메타표면 구조의 어레이에 제1 기판을 증착하고, 제1 기판 상에 메타표면 구조의 어레이에 미세구조를 준비하는 것일 수 있다.
선택적으로, 미세구조 및 제1 기판은 공간 투과 위상 구배를 얻기 위해 메타표면 구조 어레이의 접선 방향으로 공간 투과 위상을 생성하도록 구성된다. 공간 투과 위상 구배는 각 주파수 대역의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전송하는 데 사용된다.
선택적으로, 이미지 센서는 제2 기판을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 단계 430은 광-전 변환 유닛들의 어레이 상에 제2 기판을 증착하고, 제2 기판 및 메타표면 구조의 어레이를 포함하는 광-전 변환 유닛의 어레이를 조립하여 이미지 센서를 획득하는 것일 수 있다.
본 출원의 이 실시예의 솔루션에 따르면, 광-전 변환 유닛의 어레이와 메타표면 구조의 어레이가 개별적으로 처리되고, 처리 기술이 간단하다.
메타표면 구조는 전체 메타표면 구조가 수신한 광 신호 중 각 주파수 대역의 광 신호를 대응 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달할 수 있다.
기존의 광 필터링 방식을 광 분할 방식으로 대체하고 회전각이 90도 이하인 회전대칭 구조를 사용하여 편광이 다른 광 신호에 대해 동일한 응답을 하므로 편광 의존성이 없다. 이렇게 하면 각 스펙트럼 채널의 광 투과율이 향상되고 이미지 센서의 전반적인 광 활용도가 향상된다.
도 14는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 센서 설계 방법(500)의 개략도를 도시한다. 이 방법(500)은 본 출원의 전술한 실시예에서 이미지 센서(200)를 설계하기 위해 사용될 수 있다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 이하에서는 본 출원의 본 실시예에서 이미지 센서 설계 방법을 설명할 때 반복되는 설명을 적절하게 생략한다. 설계 방법(500)은 단계 510 내지 550을 포함한다. 다음은 단계 510 내지 단계 550에 대해 구체적으로 설명한다.
510: 이미지 센서에서 컬러 픽셀 유닛의 구조를 설계한다.
이 구조는 도 8a에 도시될 수 있다. 이미지 센서는 복수의 컬러 픽셀 유닛을 포함할 수 있다. 하나의 컬러 픽셀 유닛은 광-전 변환 유닛과 메타표면 구조를 포함할 수 있다. 하나의 컬러 픽셀 유닛의 하부층은 광-전 변환 유닛일 수 있다. 광-전 변환 유닛은 광-전 변환 요소의 어레이일 수 있다. 광-전 변환 유닛의 각 광-전 변환 요소는 스펙트럼의 하나의 주파수 대역에 대응할 수 있다. 메타표면 구조는 광학-전기 요소의 어레이에 있을 수 있다. 다시 말해서, 메타표면 구조는 복수의 광-전 변환 요소를 커버할 수 있다. 컬러 픽셀 유닛은 광-전 변환 유닛과 메타표면 구조 사이에 위치하는 제2 기판을 더 포함할 수 있다. 제2 기판은 메타표면 구조를 지지하도록 구성될 수 있다.
520: 메타표면 구조의 기능 모델을 결정한다. 즉, 이미지 센서에서 주파수 스펙트럼 채널의 위치와 주파수 스펙트럼 채널의 수량이 결정된다.
하나의 컬러 픽셀 유닛에서 메타표면 구조는 서로 다른 광-전 변환 요소의 광 감지 위치에 서로 다른 주파수 대역의 광 신호를 개별적으로 집속하도록 구성된다. 메타표면 구조의 기능 모델을 결정하는 것은 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역, 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역의 배열방식, 광-전 변환 유닛의 광-전 변환 요소의 수량 등을 결정하는 것이다.
예를 들어, 메타표면 구조의 기능 모델은 이미징 요구 사항, 즉 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역, 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역의 배열 방식, 광-전 변환 유닛 내의 광-전 변환 요소의 수량 등은 이미징 요구사항에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역은 적색광, 녹색광 및 청색광을 포함할 수 있다. 하나의 광-전 변환 유닛은 4개의 광-전 변환 요소를 포함할 수 있고, 4개의 광-전 변환 요소는 각각 적색광, 녹색광 및 청색광의 하나의 주파수 대역에 대응한다. 4개의 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역은 도 8b에 도시된 바와 같이 RGGB 방식으로 배열될 수 있다. 메타표면 구조는 도 8a 및 도 8b의 4개의 광-전 변환 요소의 광 감지 위치에 각각 적색광, 녹색광 및 청색광을 집중시킬 수 있다.
앞서 말한 것은 단지 예시일 뿐이다. 더 많은 주파수 스펙트럼 정보가 필요한 경우, 메타표면 구조에 의해 커버되는 광-전 변환 요소의 수량과 광-전 변환 요소에 대응하는 서로 다른 주파수 대역의 수량이 증가할 수 있고, 이에 따라 메타표면 구조가 더 많은 주파수 스펙트럼 정보를 얻기 위해 적응적으로 변경될 수 있다. 다른 주파수 대역의 정보가 필요한 경우, 광전 변환 요소에 대응하는 서로 다른 주파수 대역을 변경하거나 메타표면 구조를 적응적으로 변경하는 등의 방법으로 다른 주파수 대역의 정보를 얻을 수 있다. 즉, 메타표면 구조가 커버하는 광-전 변환 요소의 수량, 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역, 광-전 변환 요소에 대응하는 주파수 대역의 배열 방식을 변경하는 등으로 메타표면 구조의 설계가 변경되고, 주파수 스펙트럼 채널의 위치와 대응하는 주파수에 기초하여 메타표면 구조의 광-분할 집속 위치를 수정함으로써, 다양한 이미징 요구 사항을 충족할 수 있는 더 많은 주파수 스펙트럼 정보를 얻을 수 있다.
530: 메타표면 구조의 이론적 모델을 설계한다. 메타표면 구조의 이론적인 모델은 메타표면 구조의 공간 투과 위상으로 이해될 수도 있다.
광-전 변환 유닛에서 서로 다른 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소의 위치는 단계 520에서 메타표면 구조의 기능적 모델에 기초하여 결정될 수 있는데, 메타표면 구조의 각각의 주파수 대역에서의 광 신호에 대해 구현되어야 하는 굴절각이 계산되고, 메타표면 구조의 각 위치에서의 각 주파수 대역에서의 광 신호에 대응하는 굴절각, 또는 각각의 위치에서의 각각의 주파수 대역의 광 신호에 대응하는 투과 방향이 계산에 의해 획득됨으로써, 메타표면 구조의 공간 투과 위상 분포를 획득할 수 있다.
선택적으로, 메타표면 구조(210)의 공간 투과 위상 분포는 다음을 충족한다:
Figure pct00040
Figure pct00041
Figure pct00042
는 메타표면 구조(210) 상의 각 위치 및 주파수 대역에 대응하는 위상 분포를 나타내고,
Figure pct00043
는 메타표면 구조(210) 상의 좌표를 나타내고,
Figure pct00044
은 n번째 주파수 대역에서의 광 신호의 파장을 나타내고,
Figure pct00045
은 n번째 주파수 대역에서의 광 신호에 대응하는 초점 거리를 나타내며, 여기서 초점 거리는 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소의 광 감지 위치로 n번째 주파수 대역의 광 신호가 전달되도록 보장하기 위해 사용되며,
Figure pct00046
및
Figure pct00047
은 n번째 주파수 대역의 광 신호가 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달되는 위치의 좌표를 나타내며,
Figure pct00048
는 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이의 매체의 굴절률을 나타내며, C는 임의의 위상이다.
이미지 센서가 제2 기판을 포함하는 경우, 매체는 제2 기판일 수 있다.
540: 메타표면 구조를 설계하는데, 즉, 메타표면 구조 유닛을 설계한다.
메타표면 구조는, 메타표면 구조에서 필요로 하고 단계 530에서 획득된 공간 투과 위상 분포를 기반으로 설계될 수 있다.
메타표면 구조는 제1 기판 및 미세구조를 포함할 수 있다. 메타표면 구조를 설계하는 것은 제1 기판과 미세구조를 설계하는 것이다.
구체적으로, 미세구조의 기하학적 구조는 공간 투과 위상 분포를 기반으로 설계될 수 있다. 미세구조는 회전 대칭 구조이며, 회전 대칭 구조의 회전각은 90도 이하이다. 예를 들어, 미세구조는 원통형, 정사각형 기둥 또는 십자형 구조일 수 있다. 미세구조의 재료도 설계될 수 있다. 미세구조의 재료는 이산화티타늄, 질화갈륨 또는 탄화규소와 같은 저손실 유전 재료일 수 있다. 제1 기판의 재료도 설계될 수 있다. 기판의 재료는 이산화티타늄, 질화갈륨 또는 탄화규소와 같은 저손실 유전 재료일 수 있다.
전술한 방법에 따르면, 메타표면 구조가 요구하는 공간 투과 위상 분포를 충족하는 복수의 제1 기판 및 미세 구조 그룹을 얻을 수 있다. 전파 시뮬레이션을 기반으로 서로 다른 주파수에서 메타표면 구조의 전송 위상 및 투과율을 얻을 수 있다. 단계 530의 이론적 모델에서 요구하는 공간 투과 위상 분포 투과 위상이 충족되면, 투과율이 가장 높은 미세구조를 최종 미세구조로 선택하여 미세구조의 공간분포를 얻는다.
550: 이미지 센서를 처리한다.
예를 들어, 광-전 변환 유닛의 어레이가 먼저 준비될 수 있고, 그 다음 메타표면 구조의 어레이가 광-전 변환 유닛의 어레이 상에 준비될 수 있다.
예를 들어, 광-전 변환 유닛의 어레이와 메타표면 구조의 어레이는 CMOS 프로세스를 사용하여 통합된 방식으로 처리될 수 있다.
예를 들어, 광-전 변환 유닛의 어레이와 메타표면 구조의 어레이가 준비될 수 있고, 메타표면 구조의 어레이와 광-전 변환 유닛의 어레이가 조립되어 이미지 센서를 얻을 수 있다. 이를 통해 기존의 이미지 센서 처리 기술을 매칭할 수 있다.
예를 들어, 메타표면 구조의 어레이는 CMOS 프로세스를 사용하여 준비된 다음 광-전 변환 유닛의 어레이로 조립된다. 본 출원에서 "중심", "상부", "하부", "좌측", "우측", "상부" 및 "하부"와 같은 방향 용어는 첨부된 도면에 개략적으로 배치된 구성 요소의 방향 또는 위치에 대해 정의된다. 이러한 방향성 용어는 상대적인 개념이며 상대적인 설명 및 설명을 위해 사용되며 표시된 장치 또는 구성요소가 지정된 방향을 갖거나 지정된 방향으로 구성 및 작동되어야 함을 나타내거나 암시하는 데 사용되지 않음을 이해해야 한다. 이러한 용어는 첨부된 도면에서 구성요소가 배치되는 방향에 따라 변경될 수 있으며, 따라서 본 출원을 제한하는 것으로 해석될 수 없다.
또한, 본 출원의 실시예에서 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소 또는 동일한 부품을 나타낸다는 점에 유의해야 한다. 본 출원의 실시예에서 동일한 부품들에 대하여, 도면에서 참조 번호로 표시된 하나의 부품 또는 구성요소만이 예시로서 사용될 수 있다. 참조 번호는 다른 동일한 부품 또는 구성 요소에도 적용할 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서에서 "및/또는"이라는 용어는 연관된 객체를 설명하기 위한 연관 관계만을 설명하고 세 가지 관계가 존재할 수 있음을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, A 및/또는 B는 다음 세 가지 경우: A만 존재하는 경우, A와 B가 모두 존재하는 경우, B만 존재하는 경우를 나타낼 수 있다. 또한, 본 명세서에서 문자 "/"는 일반적으로 연관된 객체 간의 "또는" 관계를 나타낸다.
전술한 프로세스의 시퀀스 번호는 본 출원의 다양한 실시예에서 실행 시퀀스를 의미하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 프로세스의 실행 순서는 프로세스의 기능 및 내부 로직에 따라 결정되어야 하며, 본 출원의 실시예의 구현 프로세스에 대한 제한으로 해석되어서는 안 된다.
통상의 기술자는 본 명세서에 개시된 실시예에서 설명된 예시의 유닛 및 알고리즘 단계와 함께, 본 출원이 전자 하드웨어 또는 컴퓨터 소프트웨어와 전자 하드웨어의 조합에 의해 구현될 수 있음을 알 수 있다. 기능이 하드웨어에 의해 수행되는지 소프트웨어에 의해 수행되는지 여부는 기술 솔루션의 특정 애플리케이션 및 설계 제약 조건에 따라 상이하다. 통상의 기술자는 각각의 특정 애플리케이션에 대해 설명된 기능을 구현하기 위해 다른 방법을 사용할 수 있지만 구현이 본 출원의 범위를 벗어나는 것으로 간주되어서는 안 된다.
전술한 시스템, 장치 및 유닛의 상세한 작업 과정은 편리하고 간략한 설명을 위해 전술한 방법 실시예의 대응 과정을 참조할 수 있음은 통상의 기술자에 의해 명확하게 이해될 수 있다. 세부 사항은 여기에서 다시 설명되지 않는다.
본 출원에 제공된 여러 실시예에서, 개시된 시스템, 장치 및 방법은 다른 방식으로 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 설명된 장치 실시예는 단지 예시일 뿐이다. 예를 들어, 유닛 분할은 단지 논리적 기능 분할이며 실제 구현에서 다른 분할일 수 있다. 예를 들어, 복수의 유닛 또는 구성요소가 다른 시스템으로 결합 또는 통합될 수 있거나, 일부 기능이 무시되거나 수행되지 않을 수 있다. 또한, 표시 또는 논의된 상호 결합 또는 직접 결합 또는 통신 연결은 일부 인터페이스를 통해 구현될 수 있다. 장치 또는 유닛 간의 간접 결합 또는 통신 연결은 전자, 기계 또는 기타 형태로 구현될 수 있다.
별도의 구성요소로 설명된 유닛은 물리적으로 분리되거나 분리되지 않을 수 있으며, 유닛으로 표시된 구성요소는 물리적 유닛일 수도 있고 아닐 수도 있다. 즉, 한 위치에 위치하거나 복수의 네트워크 유닛에 분산될 수 있다. 유닛의 일부 또는 전부는 실시예의 솔루션의 목적을 달성하기 위한 실제 요구사항에 기초하여 선택될 수 있다.
또한, 본 출원의 실시예에서 기능 유닛은 하나의 처리 유닛으로 통합될 수 있고, 각각의 유닛은 물리적으로 단독으로 존재할 수 있거나, 또는 둘 이상의 유닛이 하나의 유닛으로 통합될 수 있다.
상기 기능들이 소프트웨어 기능 유닛의 형태로 구현되어 독립된 제품으로 판매 또는 사용되는 경우, 그 기능들은 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장될 수 있다. 이러한 이해를 바탕으로 본 출원의 기술 솔루션은 본질적으로 기존 기술에 기여하는 부분 또는 일부 기술 솔루션은 소프트웨어 제품의 형태로 구현될 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어 제품은 저장 매체에 저장되며 컴퓨터 장치(개인용 컴퓨터, 서버 또는 네트워크 장치일 수 있음)에 본 출원의 실시예에서 설명된 방법의 단계 전체 또는 일부를 수행하도록 지시하기 위한 여러 명령을 포함한다. 전술한 저장 매체에는 범용 직렬 버스 플래시 디스크(USB flash disk, UFD), 이동식 하드 디스크, 읽기 전용 메모리(read-only memory, ROM), 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM), 자기 디스크 또는 컴팩트 디스크 등과 같이 프로그램 코드를 저장할 수 있는 모든 매체가 포함된다. UFD는 간단히 USB 플래시 드라이브 또는 USB 플래시 드라이브라고도 한다.
전술한 설명은 단지 본 출원의 특정 구현일 뿐이며 이 애플리케이션의 보호 범위를 제한하려는 것이 아니다. 본 출원에 개시된 기술적 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 용이하게 파악된 변형 또는 대체는 본 출원의 보호 범위에 속할 것이다. 따라서 본 출원의 보호 범위는 청구범위의 보호 범위에 따른다.

Claims (13)

  1. 이미지 센서로서,
    메타표면 구조의 어레이 및 광-전 변환 유닛의 어레이를 포함하고 - 상기 메타표면 구조의 어레이는 상기 광-전 변환 유닛의 어레이 위에 위치됨 - ;
    상기 광-전 변환 유닛은 복수의 광-전 변환 요소를 포함하고, 상기 광-전 변환 유닛의 각각의 광-전 변환 요소는 스펙트럼에서의 하나의 주파수 대역에 대응하고, 상기 메타표면 구조는 제1 기판 및 상기 제1 기판 위에 위치한 미세구조를 포함하고, 상기 미세구조 및 상기 제1 기판은 각각의 주파수 대역에서의 광 신호를 각각의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소에 전송하도록 구성되고, 상기 미세구조는 회전 대칭 구조이고, 상기 회전 대칭 구조의 회전 각도는 90도 이하인, 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세구조 및 상기 제1 기판은 공간 투과 위상 구배를 획득하기 위해 상기 메타표면 구조의 어레이의 접선 방향으로 공간 투과 위상을 생성하도록 구성되며, 상기 공간 투과 위상 구배는 각각의 주파수대역에서의 광 신호를 각각의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소에 전달하는데 사용되는, 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공간 투과 위상은 각각의 주파수 대역의 광 신호의 파장, 각각의 주파수 대역에서의 광 신호가 상기 메타표면 구조에 입사되는 위치, 각각의 주파수 대역에서의 광 신호가 각각의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달되는 위치 및 상기 메타표면 구조와 상기 광-전 변환 요소 사이의 매체의 굴절률과 관련되는, 이미지 센서.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 공간 투과 위상
    Figure pct00049
    은 다음을 만족하고:
    Figure pct00050
    , 여기서
    Figure pct00051
    는 상기 메타표면 구조 상의 좌표를 나타내고,
    Figure pct00052
    은 n번째 주파수 대역에서의 광 신호의 파장을 나타내고,
    Figure pct00053
    은 n번째 주파수 대역에서의 광 신호에 대응하는 초점 거리를 나타내며,
    Figure pct00054
    및
    Figure pct00055
    은 n번째 주파수 대역의 광 신호가 n번째 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달되는 위치의 좌표를 나타내며,
    Figure pct00056
    는 메타표면 구조(210)와 광-전 변환 유닛(220) 사이의 매체의 굴절률을 나타내며, C는 임의의 위상인, 이미지 센서.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 매체는 제2 기판을 포함하는, 이미지 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세구조는 원통형, 사각기둥 또는 십자형 구조를 포함하는, 이미지 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세구조의 재료는 이산화티타늄, 질화갈륨 또는 탄화규소를 포함하는, 이미지 센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 광-전 변환 요소는 스펙트럼에서의 V개의 상이한 주파수 대역에 대응하고, V는 3보다 큰 정수인, 이미지 센서.
  9. 이미지 센서 준비 방법으로서,
    광-전 변환 유닛의 어레이를 준비하는 단계; 및
    상기 광-전 변환 유닛의 어레이 상에 메타표면 구조의 어레이를 준비하는 단계 - 여기서 상기 광-전 변환 유닛은 복수의 광-전 변환 요소를 포함하고, 각각의 광-전 변환 요소는 스펙트럼에서 하나의 주파수 대역에 대응하고, 상기 메타표면 구조는 제1 기판 및 제1 기판 위에 위치한 미세구조를 포함하고, 상기 미세구조 및 상기 제1 기판은 각각의 주파수 대역에서의 광 신호를 각각의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달하도록 구성되며, 상기 미세 구조는 회전 대칭 구조이고, 상기 회전 대칭 구조의 회전 각도는 90도 이하임 -
    를 포함하는 준비 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 미세구조 및 상기 제1 기판은 상기 메타표면 구조의 어레이의 접선 방향으로 공간 투과 위상을 생성하여 공간 투과 위상 구배를 얻도록 구성되고, 여기서 상기 공간 투과 위상 구배는 각각의 주파수 대역에서의 광 신호를 각각의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달하는 데 사용되는, 준비 방법.
  11. 이미지 센서 준비 방법으로서,
    광-전 변환 유닛의 어레이를 준비하는 단계;
    메타표면 구조의 어레이를 준비하는 단계; 및
    상기 메타표면 구조의 어레이와 상기 광-전 변환 유닛의 어레이를 조립하여 이미지 센서를 얻는 단계
    를 포함하고,
    상기 광-전 변환 유닛은 복수의 광-전 변환 요소를 포함하고, 상기 광-전 변환 유닛의 각각의 광-전 변환 요소는 스펙트럼에서의 하나의 주파수 대역에 대응하고, 상기 메타표면 구조는 제1 기판 및 상기 제1 기판 위에 위치한 미세구조를 포함하고, 상기 미세구조 및 상기 제1 기판은 각각의 주파수 대역의 광 신호를 각각의 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달하도록 구성되고, 상기 미세구조는 회전 대칭 구조이고, 상기 회전 대칭 구조의 회전 각도는 90도 이하인, 준비 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 미세구조 및 상기 제1 기판은 상기 메타표면 구조의 어레이의 접선 방향으로 공간 투과 위상을 생성하여 공간 투과 위상 구배를 얻도록 구성되고, 여기서 상기 공간 투과 위상 구배는 각각의 주파수 대역에서의 광 신호를 각 주파수 대역에 대응하는 광-전 변환 요소로 전달하는 데 사용되는, 준비 방법.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.
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