KR20240005532A - 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 이미지 센서는, 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및 상기 센서 기판의 입광면에 마주하여 배치된 것으로, 입사광을 집광하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 화소 각각은 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되어 독립적으로 입사광을 감지하는 복수의 광감지셀 및 상기 복수의 광감지셀을 전기적으로 분리하는 분리막을 포함하고, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고, 상기 복수의 나노 구조물은 상기 제1 방향과 제2 방향 사이의 대각선 방향을 따른 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다.

Description

나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 {Image sensor nano-photonic microlens array and electronic apparatus including the image sensor}
개시된 실시예들은 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
이미지 센서의 해상도가 증가함에 따라 이미지 센서에서 단위 화소의 크기가 점점 작아지고 있다. 이로 인해 저조도 환경에서 영상 품질이 저하되는 것을 방지하기 위하여, 복수의 독립적인 광감지셀을 묶어 하나의 색을 표현하는 화소를 형성하는 기술이 제안되고 있다. 예를 들어, 하나의 색을 표현하는 화소는 2×2 형태로 배열된 총 4개의 광감지셀을 포함할 수 있다. 이 경우, 화소의 출력 신호는 4개의 광감지셀의 출력 신호의 합이 될 수 있다. 또한, 이러한 구성을 갖는 화소를 이용하여 위상차 검출 자동 초점(phase-detection auto-focus) 방식으로 자동 초점 기능을 구현할 수 있다. 예를 들어, 하나의 화소에 포함된 복수의 광감지셀로부터 출력된 신호의 차이를 이용하여 자동 초점 신호를 생성할 수 있다.
나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하면서 광 이용 효율 및 자동 초점 기능이 향상된 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는, 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및 상기 센서 기판의 입광면에 마주하여 배치된 것으로, 입사광을 집광하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 화소 각각은 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되어 독립적으로 입사광을 감지하는 복수의 광감지셀 및 상기 복수의 광감지셀을 전기적으로 분리하는 분리막을 포함하고, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고, 상기 복수의 나노 구조물은 상기 제1 방향과 제2 방향 사이의 대각선 방향을 따른 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다.
상기 제1 방향 또는 제2 방향으로 인접한 2개의 나노 구조물 사이의 간격은 상기 대각선 방향으로 인접한 2개의 나노 구조물 사이의 간격과 동일하거나 그보다 클 수 있다.
상기 제1 방향 또는 제2 방향을 따라 배열된 복수의 나노 구조물의 배열 주기는 상기 대각선 방향을 따라 배열된 복수의 나노 구조물의 배열 주기와 동일하거나 그보다 클 수 있다.
각각의 나노 광학 마이크로렌즈 내에 배열된 복수의 나노 구조물은, 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부를 투과한 광의 위상이 가장 크고 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부로부터 멀어질수록 투과광의 위상이 작아지도록 하는 폭 또는 직경을 가질 수 있다.
각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부에 배치된 나노 구조물은 상기 제1 방향으로 연장된 분리막 및 상기 제2 방향으로 연장된 분리막과의 교차점과 연직 방향으로 마주할 수 있다.
상기 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부에 배치된 나노 구조물과 가장 가까이 배치된 나노 구조물은 상기 분리막과 연직 방향으로 마주하지 않도록 배치될 수 있다.
각각의 나노 광학 마이크로렌즈 내에 배열된 복수의 나노 구조물 중에서, 서로 동일한 폭 또는 직경을 갖는 복수의 나노 구조물들은 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태로 다른 나노 구조물을 둘러싸도록 배열될 수 있다.
상기 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광은 상기 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다.
상기 제1 방향을 따라 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부를 지나는 단면에서 상기 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최솟값은 상기 제1 방향을 따라 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 가장자리를 지나는 단면에서 상기 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최솟값보다 클 수 있다.
상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 복수의 화소와 일대일로 대응하며, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 상기 복수의 화소 중 대응하는 화소에 입사광을 집광하도록 배치될 수 있다.
상기 복수의 화소 각각에서 상기 복수의 광감지셀은 2×2 어레이 형태로 배열되고, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 상기 2×2 어레이 형태로 배열된 복수의 광감지셀과 마주하여 배치되며, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에 의해 형성된 초점 스폿은 상기 2×2 어레이의 중심에 위치할 수 있다.
상기 복수의 화소 각각은 2×2 어레이 형태로 배열된 4개의 서브 화소를 포함하며, 상기 4개의 서브 화소 각각에서 상기 복수의 광감지셀은 2×2 어레이 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 복수의 서브 화소와 일대일로 대응하며, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 상기 복수의 서브 화소 중 대응하는 서브 화소에 입사광을 집광하도록 상기 2×2 어레이 형태로 배열된 복수의 광감지셀과 마주하여 배치되고, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에 의해 형성된 초점 스폿은 상기 복수의 광감지셀의 2×2 어레이의 중심에 위치할 수 있다.
상기 센서 기판과 상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이 사이에 배치된 컬러 필터층을 더 포함할 수 있다.
상기 컬러 필터층은 입사광 중에서 서로 다른 파장 대역의 광을 각각 투과시키는 복수의 컬러 필터를 포함하며, 상기 복수의 컬러 필터 각각은 유기 컬러 필터, 무기 컬러 필터, 및 유기/무기 하이브리드 컬러 필터 중에서 하나를 포함할 수 있다.
상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 입광면 위에 배치된 반사방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 상기 복수의 나노 구조물 사이의 공간을 채우는 유전체층을 더 포함하며, 상기 복수의 나노 구조물의 굴절률은 상기 유전체층의 굴절률보다 클 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물은 원 기둥, 다각 기둥, 원통, 또는 다각통의 형태를 가질 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물 각각은 제1 나노 구조물 및 상기 제1 나노 구조물 위에 적층된 제2 나노 구조물을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 전자 장치는, 피사체의 광학 상을 형성하는 렌즈 어셈블리; 상기 렌즈 어셈블리가 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서에서 생성된 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하며, 상기 이미지 센서는: 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및 상기 센서 기판의 입광면에 마주하여 배치된 것으로, 입사광을 집광하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 화소 각각은 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되어 독립적으로 입사광을 감지하는 복수의 광감지셀 및 상기 복수의 광감지셀을 전기적으로 분리하는 분리막을 포함하고, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고, 상기 복수의 나노 구조물은 상기 제1 방향과 제2 방향 사이의 대각선 방향을 따른 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다.
실시예에 따르면, 각각의 나노 광학 마이크로렌즈는 그에 대응하는 화소에 포함된 복수의 광감지셀의 넓은 영역에 걸쳐 초점 스폿을 형성시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 광감지셀들 사이에 위치한 분리막에 의한 광 손실을 최소화할 수 있어서 이미지 센서의 광 이용 효율이 향상될 수 있다. 또한, 각각의 광감지셀에서 빛이 입사하는 면적이 증가하기 때문에, 이미지 센서의 자동 초점 성능이 향상될 수 있으며 크로스토크가 감소할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 이미지 센서의 화소 어레이의 다양한 화소 배열을 예시적으로 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 화소 어레이의 센서 기판의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 일 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 하나의 나노 광학 마이크로렌즈의 나노 패턴 구조를 보다 상세하게 보이는 평면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 직후의 투과광의 위상 프로파일을 등고선의 형태로 예시적으로 보인다.
도 8a는 도 6에서 A-A' 라인을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 단면에서 투과광의 위상 프로파일을 예시적으로 보이고, 도 8b는 도 6에서 B-B' 라인을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 단면에서 투과광의 위상 프로파일을 예시적으로 보이고, 도 8c는 도 6에서 C-C' 라인을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 단면에서 투과광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 9는 도 6에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈에 의해 화소 위에 형성된 초점 스폿의 분포를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 하나의 나노 광학 마이크로렌즈에 의해 화소 위에 형성된 초점 스폿의 분포를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 12는 도 5에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 실시예에 따른 이미지 센서와 도 10에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 비교예에 따른 이미지 센서의 양자 효율을 예시적으로 비교하여 보이는 그래프이다.
도 13a 및 도 13b는 다른 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 하나의 나노 광학 마이크로렌즈의 구성을 보이는 평면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 18은 도 17에 도시된 화소 어레이의 센서 기판의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 19는 도 17에 도시된 일 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 20은 도 19에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 실시예에 따른 이미지 센서와 비교예에 따른 이미지 센서의 양자 효율을 예시적으로 비교하여 보이는 그래프이다.
도 21은 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 22는 도 22의 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 23 내지 도 32는 실시예들에 따른 이미지센서들이 적용된 전자 장치 다양한 예를 보이는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 나노 광학 마이크로렌즈 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 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 이미지 센서(1000)의 색 특성에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 아래에서는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것을 예로 설명하지만, 동작 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.
이하에서는 편의상 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴 구조를 갖는 경우에 대해 예시적으로 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 화소 어레이(1100)는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 위에 배치된 컬러 필터층(120), 및 컬러 필터층(120) 위에 배치된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 포함할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 화소 어레이의 센서 기판의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 4를 참조하면, 센서 기판(110)은 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 기판(110)은 입사광을 전기적 신호로 변환하여 영상 신호를 생성하는 제1 화소(111), 제2 화소(112), 제3 화소(113), 및 제4 화소(114)를 포함할 수 있다. 제1 화소(111), 제2 화소(112), 제3 화소(113), 및 제4 화소(114)는 하나의 단위 베이어 패턴을 형성할 수 있다. 예컨대, 제1 화소(111)와 제4 화소(114)는 녹색광을 감지하는 녹색 화소이고, 제2 화소(112)는 청색광을 감지하는 청색 화소이고, 제3 화소(113)는 적색광을 감지하는 적색 화소일 수 있다.
도 3 및 도 4에는 4개의 화소를 포함하는 하나의 단위 베이어 패턴만이 예시적으로 도시되었지만, 화소 어레이(1100)는 2차원 배열된 복수의 베이어 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 화소(111)와 복수의 제2 화소(112)가 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되고, 제1 방향(X 방향)에 수직한 제2 방향(Y 방향)으로 위치가 다른 단면에서 복수의 제3 화소(113)와 복수의 제4 화소(114)가 번갈아 배열될 수 있다.
제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각은 독립적으로 입사광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각은 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)은 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 2차원 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각에서 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)은 2×2 어레이 형태로 배열될 수 있다.
실시예에 따르면, 인접한 광감지셀들의 출력 신호들 사이의 차이로부터 자동 초점 신호를 얻을 수 있다. 예를 들어, 제1 광감지셀(c1)의 출력 신호와 제2 광감지셀(c2)의 출력 신호 사이의 차이, 제3 광감지셀(c3)의 출력 신호와 제4 광감지셀(c4)의 출력 신호 사이의 차이, 또는 제1 광감지셀(c1)과 제3 광감지셀(c3)의 출력 신호의 합과 제2 광감지셀(c2)과 제4 광감지셀(c4)의 출력 신호의 합 사이의 차이로부터 제1 방향(X 방향)의 자동 초점 신호를 생성할 수 있다. 또한, 제1 광감지셀(c1)의 출력 신호와 제3 광감지셀(c3)의 출력 신호 사이의 차이, 제2 광감지셀(c2)의 출력 신호와 제4 광감지셀(c4)의 출력 신호 사이의 차이, 또는 제1 광감지셀(c1)과 제2 광감지셀(c2)의 출력 신호의 합과 제3 광감지셀(c3)과 제4 광감지셀(c4)의 출력 신호의 합 사이의 차이로부터 제2 방향(Y 방향)의 자동 초점 신호를 생성할 수 있다.
한편, 일반적인 영상 신호는 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 얻을 수 있다. 예를 들어, 제1 화소(111)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 제1 녹색 영상 신호를 생성하고, 제2 화소(112)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 청색 영상 신호를 생성하고, 제3 화소(113)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 적색 영상 신호를 생성하고, 제4 화소(114)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 출력 신호들을 합하여 제2 녹색 영상 신호를 생성할 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각은 복수의 광감지셀을 전기적으로 분리하는 분리막(DTI)을 포함할 수 있다. 분리막(DTI)은, 예를 들어, 딥 트렌치(deep trench isolation) 구조로 형성될 수 있다. 딥 트렌치는 공기(air) 또는 전기적으로 절연성인 재료로 채워질 수 있다. 분리막(DTI)은 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각을 4분할하도록 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 연장될 수 있다. 분리막(DTI)에 의해 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들이 서로 분리될 수 있다. 제1 방향(X 방향)으로 연장된 분리막(DTI)과 제2 방향(Y 방향)으로 연장된 분리막(DTI)은 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 각각의 중심에서 서로 교차할 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 중 인접한 화소들 사이에도 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 분리막(DTI)이 배치될 수 있다. 따라서, 분리막(DTI)에 의해 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)들이 서로 분리될 수 있다. 제1 방향(X 방향)으로 연장된 분리막(DTI)과 제2 방향(Y 방향)으로 연장된 분리막(DTI)은 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)를 포함하는 단위 베이어 패턴의 중심에서 서로 교차할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 컬러 필터층(120)은 센서 기판(110)과 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130) 사이에 배치될 수 있다. 컬러 필터층(120)은 입사광 중에서 서로 다른 파장 대역의 광을 각각 투과시키는 복수의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 복수의 컬러 필터는 센서 기판(110)의 복수의 화소들과 일대일로 대응할 수 있다. 복수의 컬러 필터 각각은 센서 기판(110)의 복수의 화소 중 대응하는 화소에 마주하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터층(120)은 제1 화소(111)와 마주하여 배치되는 제1 컬러 필터(121), 제2 화소(112)와 마주하여 배치되는 제2 컬러 필터(122), 제3 화소(113)와 마주하여 배치되는 제3 컬러 필터(123), 및 제4 화소(114)와 마주하여 배치되는 제4 컬러 필터(124)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)와 마찬가지로, 복수의 제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124)가 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 2차원 배열될 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제4 컬러 필터(121, 124)는 입사광 중에서 녹색 파장 대역의 광을 투과시키는 녹색 필터이고, 제2 컬러 필터(122)는 입사광 중에서 청색 파장 대역의 광을 투과시키는 청색 필터이고, 제3 컬러 필터(123)는 입사광 주엥서 적색 파장 대역의 광을 투과시키는 적색 필터일 수 있다. 이러한 제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124)는 유기 염료 또는 유기 안료를 포함하는 유기 컬러 필터일 수 있다.
제1 내지 제4 컬러 필터(121, 122, 123, 124)는 그에 각각 대응하는 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들에 마주하여 배치될 수 있다. 따라서, 제1 컬러 필터(121)를 투과한 녹색광은 제1 화소(111)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)에 입사하고, 제2 컬러 필터(122)를 투과한 청색광은 제2 화소(112)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)에 입사하고, 제3 컬러 필터(123)를 투과한 적색광은 제3 화소(113)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)에 입사하고, 제4 컬러 필터(124)를 투과한 녹색광은 제4 화소(114)의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)에 입사할 수 있다.
나노 광학 마이크로렌즈 어레이(150)는 센서 기판(110)의 입광면과 마주하도록 컬러 필터층(120) 위에 배치될 수 있다. 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(150)는 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 중 대응하는 화소에 입사광을 각각 집광하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함할 수 있다. 복수의 나노 광학 마이크로렌즈는 센서 기판(110)의 복수의 화소들 및 컬러 필터층(120)의 복수의 컬러 필터와 일대일로 대응할 수 있다. 예를 들어, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(150)는 제3 방향(Z 방향)을 따라 제1 화소(111)와 마주하도록 제1 컬러 필터(121) 위에 배치된 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131), 제3 방향(Z 방향)을 따라 제2 화소(112)와 마주하도록 제2 컬러 필터(122) 위에 배치된 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132), 제3 방향(Z 방향)을 따라 제3 화소(113)와 마주하도록 제3 컬러 필터(123) 위에 배치된 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133), 및 제3 방향(Z 방향)을 따라 제4 화소(114)와 마주하도록 제4 컬러 필터(124) 위에 배치된 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)를 포함할 수 있다. 따라서, 복수의 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각은 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114) 중 대응하는 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)과 마주하여 배치될 수 있다. 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)와 마찬가지로, 복수의 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 2차원 배열될 수 있다.
제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)는 제1 화소(111)에 입사광을 집광하고, 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)는 제2 화소(112)에 입사광을 집광하고, 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)는 제3 화소(113)에 입사광을 집광하고, 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)는 제4 화소(114)에 입사광을 집광하도록 구성될 수 있다. 집광되는 입사광 중에서, 녹색 파장 대역의 광만이 제1 및 제4 컬러 필터(121, 124)를 통과하여 제1 및 제4 화소(111, 114)에 집광되고, 청색 파장 대역의 광만이 제2 컬러 필터(122)를 통과하여 제2 화소(112)에 집광되며, 적색 파장 대역의 광만이 제3 컬러 필터(123)를 통과하여 제3 화소(113)에 집광될 수 있다.
제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 입사광을 집광시킬 수 있는 나노 패턴 구조를 가질 수 있다. 나노 패턴 구조는 입사광의 위상을 각각의 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 입사 위치에 따라 상이하게 변화시키는 복수의 나노 구조물(NP)을 포함할 수 있다. 복수의 나노 구조물(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등은 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 각각 투과한 직후의 광이 소정의 위상 프로파일(phase profile)을 갖도록 결정될 수 있다. 이러한 위상 프로파일에 따라 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)를 각각 투과한 광의 초점 거리가 결정될 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 일 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 3 및 도 5를 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(150)의 나노 구조물(NP)은 단면 폭 또는 지름이 서브 파장의 치수를 갖는 나노 기둥일 수 있다. 서브 파장은 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(150)에 의해 집광되는 광의 파장 대역보다 작은 파장을 의미한다. 입사광이 가시광인 경우, 나노 구조물(NP)의 단면의 지름은, 예를 들어, 400 nm, 300 nm, 또는 200 nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 나노 구조물(NP)의 높이는 300 nm 내지 1500 nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다.
나노 구조물(NP)은 주변 물질에 비하여 상대적으로 고굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 비교적 낮은 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(NP)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 나노 구조물(NP) 주변은 나노 구조물(NP)보다 상대적으로 저굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 비교적 낮은 유전체 재료(DL)로 채워질 수 있다. 예컨대, 나노 구조물(NP) 주변은 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass), SiO2, Si3N4, Al2O3, 공기(air) 등으로 채워질 수 있다.
고굴절률 나노 구조물(NP)의 굴절률은 약 630 nm 파장의 빛에 대해 약 2.0 이상일 수 있으며, 저굴절률 유전체 재료(DL)의 굴절률은 약 630 nm 파장의 빛에 대해 약 1.0 이상 2.0 미만일 수 있다. 또한, 나노 구조물(NP)의 굴절률과 유전체 재료(DL)의 굴절률 사이의 차이는 약 0.5 이상일 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노 구조물(NP)은 나노 구조물(NP)을 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노 구조물(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노 구조물(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다.
제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)는 복수의 나노 구조물(NP)의 배열 형태가 서로 유사한 나노 패턴 구조들을 각각 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각은 동일한 개수의 나노 구조물(NP)을 가질 수 있다. 또한, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 내부에서 동일한 위치들에 복수의 나노 구조물(NP)이 배치될 수 있다. 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에 배치된 복수의 나노 구조물(NP) 중, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심부에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경이 가장 크고, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심으로부터 멀어질수록 나노 구조물(NP)들의 폭 또는 직경이 작아질 수 있다.
제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)가 서로 다른 파장 대역의 광을 대응하는 화소에 집광시키기 위하여 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 내의 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)들의 중심부에 각각 배치된 나노 구조물(NP) 중에서, 적색광을 집광하는 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 중심부에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경이 가장 크고, 청색광을 집광하는 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 중심부에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경이 가장 작을 수 있다. 녹색광을 집광하는 제1 및 제4 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 중심부에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경은, 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)의 중심부에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경보다 작고, 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)의 중심부에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경보다 클 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 하나의 나노 광학 마이크로렌즈의 나노 패턴 구조를 보다 상세하게 보이는 평면도이다. 또한, 도 6은 나노 광학 마이크로렌즈에 대응하는 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)에 대한 나노 구조물(NP)들의 상대적인 위치를 예시적으로 보인다. 도 6에서 동일한 폭 또는 직경을 갖는 나노 구조물(NP)은 동일한 숫자로 표시되었으며, 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경이 작을수록 나노 구조물(NP)에 표시된 숫자가 크다. 도 6에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈의 나노 패턴 구조의 원리는 도 5에 도시된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134)들에 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 하나의 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 가장 큰 폭 또는 직경을 갖는 제1 나노 구조물(1)을 중심으로 복수의 나노 구조물이 대칭적으로 배치될 수 있다. 제1 나노 구조물(1)은 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부에 배치될 수 있다. 또한, 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부에 배치된 제1 나노 구조물(1)은 나노 광학 마이크로렌즈에 대응하는 화소에서 제1 방향(X 방향)으로 연장된 분리막(DTI) 및 제2 방향(Y 방향)으로 연장된 분리막(DTI)과의 교차점과 연직 방향으로 마주하여 배치될 수 있다.
나노 광학 마이크로렌즈의 중심부로부터 더 멀리 배치된 나노 구조물들은 더 작은 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 나노 구조물(1)보다 작은 치수를 갖는 복수의 제2 나노 구조물(2)이 제1 나노 구조물(1)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 그리고, 제2 나노 구조물(3)보다 작은 치수를 갖는 복수의 제3 나노 구조물(3)이 제2 나노 구조물(3)보다 바깥쪽에 배치될 수 있다. 제3 나노 구조물(3)보다 더 작은 치수를 갖는 복수의 제4 나노 구조물(4)은 나노 광학 마이크로렌즈의 꼭지점 부근에 배치될 수 있다.
도 6에는 나노 광학 마이크로렌즈가 4개의 상이한 폭 또는 직경을 갖는 총 25개의 나노 구조물을 포함하는 것으로 도시되었으나, 이는 단지 하나의 예일 뿐이며 반드시 이에 한정되지 않는다. 또한, 도 6에는 나노 광학 마이크로렌즈가 하나의 가장 큰 제1 나노 구조물(1)을 포함하는 것으로 도시되었으나, 나노 광학 마이크로렌즈 내에 가장 큰 제1 나노 구조물(1)이 복수 개 존재할 수도 있다. 또는, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 중에서 일부의 나노 광학 마이크로렌즈에는 복수의 제1 나노 구조물(1)이 존재하고, 다른 일부의 나노 광학 마이크로렌즈에는 하나의 제1 나노 구조물(1)만이 존재할 수도 있다. 예를 들어, 청색광을 집광하는 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)는 중심부에 동일한 폭 또는 직경을 갖는 9개의 제1 나노 구조물(1)을 포함할 수도 있다. 나노 광학 마이크로렌즈 내에 배치되는 나노 구조물의 치수, 개수 및 종류는 카메라의 대물렌즈의 광학적 특성, 화소의 크기, 광감지셀의 크기와 감도, 집광 효율, 자동 초점 성능, 크로스토크 등의 다양한 요소들을 고려하여 선택될 수도 있다.
실시에에 따르면, 나노 광학 마이크로렌즈 내에서 복수의 나노 구조물은 제1 방향(X 방향)과 제2 방향(Y 방향) 사이의 대각선 방향을 따른 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 다시 말해, 2차원 격자 어레이가 대각선 방향으로 기울어진 형태로 복수의 나노 구조물이 배열될 수 있다. 따라서, 내부에 다른 나노 구조물이 존재하지 않도록 인접한 4개의 나노 구조물을 연결하여 형성된 도형은 나노 광학 마이크로렌즈 또는 화소의 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태를 가질 수 있다. 각각의 화소 또는 나노 광학 마이크로렌즈가 정사각형인 경우, 복수의 나노 구조물의 배열이 기울어진 각도는 45도일 수 있다. 각각의 화소 또는 나노 광학 마이크로렌즈가 정사각형이 아닌 경우, 복수의 나노 구조물의 배열이 기울어진 각도는 각각의 화소 또는 나노 광학 마이크로렌즈의 종횡비에 따라 달라질 수 있으며 약 30 내지 약 60도의 범위 내에 있다.
이 경우, 각각의 화소 또는 나노 광학 마이크로렌즈의 2개의 대각선 방향을 따라 복수의 나노 구조물이 동일한 주기 또는 간격으로 배열될 수 있다. 다시 말해, 제1 대각선 방향을 따른 복수의 나노 구조물의 주기 또는 간격은 제1 대각선에 교차하는 제2 대각선 방향을 따른 복수의 나노 구조물의 주기 또는 간격과 동일할 수 있다. 또한, 대각선 방향 및 대각선에 평행한 방향으로 모든 단면 위치에서 복수의 나노 구조물의 주기 또는 간격이 동일할 수 있다. 예를 들어, 나노 광학 마이크로렌즈의 중심을 지나는 대각선을 따라 배열된 복수의 나노 구조물(4, 3, 2, 1, 2, 3, 4)들의 주기 또는 간격은 나노 광학 마이크로렌즈의 중심을 지나지 않는 대각선에 평행한 방향을 따라 배열된 복수의 나노 구조물(3, 2, 2, 2, 3)들의 주기 또는 간격과 동일할 수 있다.
일 예에서, 제1 방향(X 방향) 또는 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 2개의 나노 구조물 사이의 간격(d2)은 대각선 방향으로 인접한 2개의 나노 구조물 사이의 간격(d1)보다 클 수 있다. 따라서, 제1 방향(X 방향) 또는 제2 방향(Y 방향)을 따라 배열된 복수의 나노 구조물의 배열 주기는 대각선 방향을 따라 배열된 복수의 나노 구조물의 배열 주기보다 클 수 있다. 이 경우, 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부에 배치된 제1 나노 구조물(1)과 가장 가까이 배치된 제2 나노 구조물(2)은 제1 나노 구조물(1)에 대해 대각선 방향에 위치하기 때문에 분리막(DTI)과 연직 방향으로 마주하지 않도록 배치될 수 있다.
도 6에는 서로 가장 가까이 인접한 3개의 나노 구조물들이 이등변 삼각형 형태로 배열된 것으로 도시되었지만, 서로 가장 가까이 인접한 3개의 나노 구조물들은 정삼각형 형태로 배열될 수도 있다. 예를 들어, 제1 나노 구조물(1), 제1 나노 구조물(1)에 대해 제1 방향(X 방향)으로 인접한 제2 나노 구조물(2), 및 제1 나노 구조물(1)에 대해 대각선 방향으로 인접한 제2 나노 구조물(2)은 밑변의 길이가 가장 큰 이등변 삼각형 형태로 배열된 것으로 도 6에 도시되었다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 예에서 제1 나노 구조물(1), 제1 나노 구조물(1)에 대해 제1 방향(X 방향)으로 인접한 제2 나노 구조물(2), 및 제1 나노 구조물(1)에 대해 대각선 방향으로 인접한 제2 나노 구조물(2)이 정삼각형 형태로 배열될 수도 있다. 이 경우, 제1 방향(X 방향) 또는 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 2개의 나노 구조물 사이의 간격(d2)은 대각선 방향으로 인접한 2개의 나노 구조물 사이의 간격(d1)과 동일할 수 있고, 제1 방향(X 방향) 또는 제2 방향(Y 방향)을 따라 배열된 복수의 나노 구조물의 배열 주기는 대각선 방향을 따라 배열된 복수의 나노 구조물의 배열 주기와 동일할 수 있다.
또한, 각각의 나노 광학 마이크로렌즈 내에 배열된 복수의 나노 구조물 중에서, 서로 동일한 폭 또는 직경을 갖는 적어도 3개의 나노 구조물들을 연결한 직선은 대각선 방향에 평행하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 3개의 제2 나노 구조물(2)을 연결한 직선 또는 3개의 제3 나노 구조물(3)을 연결한 직선은 대각선 방향에 평행할 수 있다. 이에 따라, 서로 동일한 폭 또는 직경을 갖는 나노 구조물들은 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태로 다른 나노 구조물을 둘러싸도록 배열될 수 있다. 예컨대, 제2 나노 구조물(2)들은 제1 나노 구조물(1)을 둘러싸며 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태로 배열되고, 제3 나노 구조물(3)들은 제2 나노 구조물(1)을 둘러싸며 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태로 배열될 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 직후의 투과광의 위상 프로파일을 등고선의 형태로 예시적으로 보인다. 도 7에서 하나의 사각형은 동일한 위상을 갖는 지점들을 연결하여 얻은 것이다. 도 7을 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 직후, 다시 말해 나노 광학 마이크로렌즈의 하부 표면에서 투과광은 나노 광학 마이크로렌즈 또는 화소에 대해 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다. 도 7에서 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부에 있는 가장 안쪽의 사각형은 가장 큰 위상을 나타내며, 중심부로부터 더 바깥쪽으로 배치된 사각형은 안쪽의 사각형보다 더 작은 위상을 나타낸다. 따라서, 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 직후의 투과광의 위상은 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부에서 가장 크고 바깥쪽을 향해 점차적으로 작아질 수 있다. 그리고, 나노 광학 마이크로렌즈의 4개의 꼭지점 부근에서 투과광의 위상이 가장 작을 수 있다. 특히, 투과광의 위상이 동일한 지점을 연결한 도형은 나노 광학 마이크로렌즈 또는 화소에 대해 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태를 가질 수 있다.
또한, 도 8a는 도 6에서 A-A' 라인을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 단면에서 투과광의 위상 프로파일을 예시적으로 보이고, 도 8b는 도 6에서 B-B' 라인을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 단면에서 투과광의 위상 프로파일을 예시적으로 보이고, 도 8c는 도 6에서 C-C' 라인을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 단면에서 투과광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 직후의 투과광의 위상 프로파일은 볼록한 형태를 가질 수 있다. 도 8a 내지 도 8c에는 편의상 볼록한 곡선 형태로 위상 프로파일을 도시하였지만, 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 직후의 투과광은 볼록한 계단 형태의 위상 프로파일을 가질 수도 있다.
도 8a을 참조하면, 제1 방향(X 방향)을 따라 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부를 지나는 단면(즉, A-A' 라인을 따른 단면)에서 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상은 중심부에서 최대값 Φ1을 갖고 양측 가장자리에서 최솟값 Φ2을 가질 수 있다. 또한, 도 8b를 참조하면, 제1 방향(X 방향)을 따라 나노 광학 마이크로렌즈의 가장자리를 지나는 단면(즉, B-B' 라인을 따른 단면)에서 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상은 중심부에서 최대값 Φ3을 갖고 양측 가장자리에서 최솟값 Φ4를 가질 수 있다. 제1 방향(X 방향)을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부를 지나는 단면에서 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최솟값 Φ2는 제1 방향(X 방향)을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 가장자리를 지나는 단면에서 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최솟값 Φ4보다 클 수 있다.
도 8c를 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈의 대각선을 따른 단면(즉, C-C' 라인을 따른 단면)에서 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상은 중심부에서 최대값 Φ1을 갖고 양측 가장자리에서 최솟값 Φ4를 가질 수 있다. 따라서, 대각선을 따른 단면에서 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최대값은 제1 방향(X 방향)을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부를 지나는 단면에서 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최대값과 동일할 수 있다. 또한, 대각선을 따른 단면에서 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최솟값은 제1 방향(X 방향)을 따른 나노 광학 마이크로렌즈의 가장자리를 지나는 단면에서 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최솟값과 동일할 수 있다.
상술한 바와 같이, 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함할 수 있다. 그러면, 각각의 나노 광학 마이크로렌즈는 그에 대응하는 화소에 입사광을 집광할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각에 배치된 복수의 나노 구조물(NP)은 도 7 및 도 8a 내지 도 8c에 도시된 위상 프로파일을 구현하도록 배열될 수 있다. 다시 말해, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심부를 투과한 광의 위상이 가장 크고 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심부로부터 멀어질수록 투과광의 위상이 작아지도록 복수의 나노 구조물(NP)이 배열될 수 있다. 일반적으로, 각각의 나노 구조물(NP)을 투과한 광의 위상은 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경에 비례할 수 있다. 이에 따라, 도 5에서는 편의상 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심부에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경이 가장 큰 것으로 도시되었다.
그러나, 위상 지연이 상대적으로 작은 영역에 배치된 나노 구조물(NP)의 직경이 반드시 상대적으로 작은 것은 아니다. 도 7 및 도 8a 내지 도 8c에 예시된 위상 프로파일에서 위상 지연의 값은 2π의 배수를 뺀 나머지 값으로 표기된 것이다. 예를 들어, 어느 영역에서 위상 지연이 3π라면 위상 지연은 2π를 제거하고 남은 π와 광학적으로 동일하게 된다. 따라서, 나노 구조물(NP)의 직경이 작아서 제조하기 어려운 경우에는 2π만큼 증가시킨 위상 지연을 구현하도록 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경을 선택할 수 있다. 예를 들어, 0.5π의 위상 지연을 달성하기 위한 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경이 지나치게 작은 경우에, 2.5π의 위상 지연을 달성하도록 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경을 선택할 수 있다. 따라서, 다른 예에서, 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 꼭지점 부근에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경이 가장 크고 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심부에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경이 두 번째로 클 수도 있으며, 또는 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심부에 배치된 나노 구조물(NP)의 폭 또는 직경이 가장 작고 제1 내지 제4 나노 광학 마이크로렌즈(131, 132, 133, 134) 각각의 중심으로부터 멀어질수록 나노 구조물(NP)들의 폭 또는 직경이 커질 수도 있다.
도 9는 도 6에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈에 의해 화소 위에 형성된 초점 스폿의 분포를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 9를 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈에 의해 형성된 초점 스폿(FS)은 화소의 중심부에 주로 분포할 수 있다. 다시 말해, 초점 스폿(FS)은 4개의 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들의 2×2 어레이의 중심에 위치할 수 있다. 따라서, 초점 스폿(FS)은 2개의 분리막(DTI)이 교차하는 교차점 위에 형성될 수 있다. 또한, 초점 스폿(FS)은 화소의 형태와 대체로 닯은 사각형 형태를 가질 수 있다. 특히, 초점 스폿(FS)은 화소의 사각형 형태와 평행한 사각형 형태를 가질 수 있다. 그 결과, 초점 스폿(FS)은 화소 내의 4개의 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들 각각의 중심부까지 분포할 수 있다.
도 10은 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 10을 참조하면, 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(10)에서 복수의 나노 광학 마이크로렌즈(11, 12, 13, 14) 각각은 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 규칙적으로 배열된 나노 구조물(NP)들을 포함할 수 있다. 따라서, 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(10)에서 복수의 나노 구조물(NP)은 분리막의 연장 방향과 평행 방향을 따라 주기성을 갖고 배열된다. 결과적으로, 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 나노 구조물(NP)들과 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(10)의 나노 구조물(NP)들은 서로 대해 대각선 방향의 각도만큼 회전된 배열을 가질 수 있다.
도 11은 도 10에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(10)의 하나의 나노 광학 마이크로렌즈에 의해 화소 위에 형성된 초점 스폿의 분포를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 11을 참조하면, 비교예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈에 의해 형성되는 초점 스폿(FS1)은 화소의 중심부에 주로 분포할 수 있다. 특히, 초점 스폿(FS1)은 화소의 사각형에 대해 대각선 방향으로 기울어져 있다. 또한, 초점 스폿(FS1)은 초점 스폿(FS1)의 4개의 변이 오목한 형태로 분포할 수 있다. 그 결과, 비교예에 따르면, 화소 내의 4개의 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들 각각의 중심부에는 초점 스폿(FS1)이 거의 분포하지 않는다.
도 9에 도시된 초점 스폿(FS)의 분포와 도 11에 도시된 초점 스폿의 분포(FS1)를 비교하면, 비교예에 따른 초점 스폿(FS1)이 분리막(DTI)과 중첩하는 면적은 실시예에 따른 초점 스폿(FS)이 분리막(DTI)과 중첩하는 면적보다 크다. 따라서, 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 사용할 경우, 비교예에 비하여 광 손실을 줄일 수 있다. 또한, 비교예에 따른 초점 스폿(FS1)은 화소 내의 4개의 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들의 중심부에 거의 분포하지 않지만, 실시예에 따른 초점 스폿(FS)은 화소 내의 4개의 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들의 중심부까지 분포할 수 있다. 즉, 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들 내에서 초점 스폿(FS)의 분포 면적은 비교예의 초점 스폿(FS1)에 비해 실시예에서 더 넓을 수 있다. 이로 인해, 실시예에 따른 광감지셀(c1, c2, c3, c4)들 각각의 출력 신호의 세기가 증가할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)를 사용할 경우, 인접한 광감지셀들 사이의 크로스토크를 줄일 수 있으며, 인접한 광감지셀들의 출력 신호를 비교하여 구현하는 자동 초점 기능의 정확도가 향상될 수 있다.
도 12는 도 5에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 실시예에 따른 이미지 센서와 도 10에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 비교예에 따른 이미지 센서의 양자 효율을 예시적으로 비교하여 보이는 그래프이다. 도 12에서 B', G', R'로 표시된 그래프는 비교예에 따른 이미지 센서의 청색광, 녹색광, 및 적색광에 대한 양자 효율을 나타내고 B, G, R로 표시된 그래프는 실시예에 따른 이미지 센서의 청색광, 녹색광, 및 적색광에 대한 양자 효율을 나타낸다. 도 12를 참조하면, 실시예에 따른 이미지 센서가 비교예에 따른 이미지 센서보다 청색광 영역에서 향상된 양자 효율을 가질 수 있으며, 전체적으로 감소된 크로스토크를 가질 수 있다. 이에 따라, 위상차 검출 자동 초점 방식의 자동 초점 기능이 향상될 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 다른 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 하나의 나노 광학 마이크로렌즈의 구성을 보이는 평면도이다. 도 3, 도 5, 및 도 6에서는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130) 내의 나노 구조물(NP)이 원 기둥의 형태를 갖는 것으로 도시되었으나, 나노 구조물(NP)은 다양한 다른 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 13a에 도시된 바와 같이, 나노 구조물(NP)은 사각 기둥과 같은 다각 기둥의 형태를 가질 수 있다. 또한, 도 13b에 도시된 바와 같이, 나노 구조물(NP)은 사각통과 같은 다각통의 형태 또는 원통의 형태를 가질 수도 있다. 나조 구조물(NP)의 형태는 카메라의 대물렌즈의 광학적 특성, 화소의 크기, 광감지셀의 크기와 감도, 집광 효율, 자동 초점 성능, 크로스토크 등의 다양한 요소들을 고려하여 선택될 수도 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 14를 참조하면, 화소 어레이(1101)의 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)는 제1 층(L1) 및 제1 층(L1) 위에 적층된 제2 층(L2)을 포함할 수 있다. 제1 층(L1)은 복수의 제1 나노 구조물(NP1)을 포함할 수 있다. 제2 층(L2)은 복수의 제2 나노 구조물(NP2)을 포함할 수 있다. 복수의 제2 나노 구조물(NP2)은 대응하는 복수의 제1 나노 구조물(NP1) 위에 적층될 수 있다. 복수의 제2 나노 구조물(NP2)의 폭 또는 직경은 대응하는 제1 나노 구조물(NP1)의 폭 또는 직경과 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 제2 나노 구조물(NP2)의 폭 또는 직경은 대응하는 제1 나노 구조물(NP1)의 폭 또는 직경보다 작을 수도 있다. 복수의 제1 나노 구조물(NP1)과 복수의 제2 나노 구조물(NP2)은 도 6에서 설명한 배열 규칙을 따라 배열될 수 있다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 15를 참조하면, 화소 어레이(1102)는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 입광면 위에 배치된 반사 방지층(140)을 더 포함할 수 있다. 반사 방지층(140)은 입사광 중 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 상부 표면에서 반사되는 광을 줄여 화소 어레이(1102)의 광 이용 효율을 개선할 수 있다. 반사 방지층(140)은 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130)의 나노 구조물의 재료와 굴절률이 상이한 재료, 예를 들어, SiO2, Si3N4, 및 Al2O3 중 어느 하나의 재료로 형성된 1개 층일 수 있다. 반사 방지층(140)은 80 nm 내지 120 nm 두께로 형성될 수 있다. 또는, 반사 방지층(140)은 서로 다른 유전체 재료를 번갈아 적층하여 형성된 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 반사 방지층(140)은 SiO2, Si3N4, 및 Al2O3 중 2개 또는 3개의 재료를 번갈아 적층하여 형성될 수 있다. 또는, 반사 방지층(140)은 입사광의 방지하도록 패터닝된 다양한 패턴을 포함할 수도 있다.
또한, 화소 어레이(1102)는 유기 컬러 필터 대신에 무기 컬러 필터를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 화소 어레이(1102)는 센서 기판(110)과 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(130) 사이에 배치된 무기 컬러 필터층(220)을 포함할 수 있다. 무기 컬러 필터층(220)은 제1 화소(111) 위에 배치된 제1 무기 컬러 필터(221) 및 제2 화소(112) 위에 배치된 제2 무기 컬러 필터(222)를 포함할 수 있다. 도 15에는 도시되지 않았지만, 무기 컬러 필터층(220)은 제3 화소(113) 위에 배치된 제3 무기 컬러 필터와 제4 화소(114) 위에 배치된 제4 무기 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
제1 무기 컬러 필터(221)는, 예를 들어, 녹색광을 투과하고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하도록 구성된 복수의 제1 나노 패턴(221a)을 포함할 수 있다. 제2 무기 컬러 필터(222)는, 예를 들어, 청색광을 투과하고 다른 파장 대역의 광을 흡수 또는 반사하도록 구성된 복수의 제2 나노 패턴(222a)을 포함할 수 있다. 제1 나노 패턴(221a)은 녹색광의 파장 대역보다 작은 폭, 간격, 주기 등을 갖도록 배열되고, 제2 나노 패턴(222a)은 청색광의 파장 대역보다 작은 폭, 간격, 주기 등을 갖도록 배열될 수 있다. 또한, 제3 무기 컬러 필터는 적색광을 투과하고 다른 파장 대역을 흡수 또는 반사하도록 구성된 복수의 제3 나노 패턴을 포함하고, 제4 무기 컬러 필터는 녹색광을 투과하고 다른 파장 대역을 흡수 또는 반사하도록 구성된 복수의 제4 나노 패턴을 포함할 수 있다. 또한, 무기 컬러 필터층(220)은 제1 나노 패턴(221a)의 주변 및 제2 나노 패턴(222a)의 주변을 둘러싸며 제1 나노 패턴(221a)의 굴절률 및 제2 나노 패턴(222a)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 유전체 재료(220a)를 더 포함할 수 있다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 16을 참조하면, 화소 어레이(1103)는 복수의 유기 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터층(120)과 복수의 무기 컬러 필터를 포함하는 무기 컬러 필터층(220)을 모두 포함할 수 있다. 도 16에는 컬러 필터층(120) 위에 무기 컬러 필터층(220)이 배치된 것으로 도시되었으나, 무기 컬러 필터층(220) 위에 컬러 필터층(120)이 배치될 수도 있다. 이 경우, 제1 컬러 필터(121)와 제1 무기 컬러 필터(221)는 함께 제1 유기/무기 하이브리드 컬러 필터를 형성할 수 있다. 또한, 제2 컬러 필터(122)와 제2 무기 컬러 필터(222)는 함께 제2 유기/무기 하이브리드 컬러 필터를 형성할 수 있다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 17을 참조하면, 화소 어레이(1104)는 센서 기판(210), 센서 기판(210) 위에 배치된 컬러 필터층(120), 및 컬러 필터층(120) 위에 배치된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(230)를 포함할 수 있다.
도 18은 도 17에 도시된 화소 어레이의 센서 기판의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 18을 참조하면, 센서 기판(210)은 베이어 패턴 형태로 배열된 제1 화소(211), 제2 화소(212), 제3 화소(213), 및 제4 화소(214)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 화소(211)와 제4 화소(214)는 녹색광을 감지하는 녹색 화소이고, 제2 화소(212)는 청색광을 감지하는 청색 화소이고, 제3 화소(213)는 적색광을 감지하는 적색 화소일 수 있다. 도 18에는 제1 내지 제4 화소(211, 212, 213, 214)가 하나씩만 도시되었지만, 복수의 제1 내지 제4 화소(211, 212, 213, 214)가 베이어 패턴 형태로 2차원 배열될 수 있다.
제1 내지 제4 화소(211, 212, 213, 214) 각각은 2×2 어레이 형태로 배열된 독립적인 4개의 서브 화소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 화소(211)는 제1 서브 화소(211A), 제2 서브 화소(211B), 제3 서브 화소(211C), 및 제4 서브 화소(211D)를 포함할 수 있다. 또한, 제2 화소(212)는 제1 서브 화소(212A), 제2 서브 화소(212B), 제3 서브 화소(212C), 및 제4 서브 화소(212D)를 포함하고, 제3 화소(213)는 제1 서브 화소(213A), 제2 서브 화소(213B), 제3 서브 화소(213C), 및 제4 서브 화소(213D)를 포함하고, 제4 화소(214)는 제1 서브 화소(214A), 제2 서브 화소(214B), 제3 서브 화소(214C), 및 제4 서브 화소(214D)를 포함할 수 있다. 또한, 복수의 서브 화소(211A, 211B, 211C, 211D, 212A, 212B, 212C, 212D, 213A, 213B, 213C, 213D, 214A, 214B, 214C, 214D) 각각은 2×2 어레이 형태로 배열된 독립적인 복수의 광감지셀들, 예를 들어, 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 화소(211, 212, 213, 214) 각각은 4개의 서브 화소 및 16개의 광감지셀들을 포함할 수 있다.
다시 도 17을 참조하면, 제1 컬러 필터(121)는 대응하는 제1 화소(211)와 마주하여 배치되고, 제2 컬러 필터(122)는 대응하는 제2 화소(212)와 마주하여 배치되고, 제3 컬러 필터(123)는 대응하는 제3 화소(213)와 마주하여 배치되고, 제4 컬러 필터(124)는 대응하는 제4 화소(214)와 마주하여 배치될 수 있다. 따라서, 제1 컬러 필터(121)는 제1 화소(211)의 제1 내지 제4 서브 화소(211A, 211B, 211C, 211D) 전체와 마주하여 배치될 수 있고, 제2 컬러 필터(122)는 제2 화소(212)의 제1 내지 제4 서브 화소(212A, 212B, 212C, 212D) 전체와 마주하여 배치될 수 있고, 제3 컬러 필터(123)는 제3 화소(213)의 제1 내지 제4 서브 화소(213A, 213B, 213C, 213D) 전체와 마주하여 배치될 수 있고, 제4 컬러 필터(124)는 제4 화소(214)의 제1 내지 제4 서브 화소(214A, 214B, 214C, 214D) 전체와 마주하여 배치될 수 있다.
도 19는 도 17에 도시된 일 실시예에 따른 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 19를 참조하면, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(230)는 복수의 서브 화소와 일대일로 대응하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 광학 마이크로렌즈 어레이(230)는 제1 화소(211)의 제1 내지 제4 서브 화소(211A, 211B, 211C, 211D)에 각각 마주하여 배치된 복수의 제1 나노 광학 마이크로렌즈(231), 제2 화소(212)의 제1 내지 제4 서브 화소(212A, 212B, 212C, 212D)에 각각 마주하여 배치된 복수의 제2 나노 광학 마이크로렌즈(232), 제3 화소(213)의 제1 내지 제4 서브 화소(213A, 213B, 213C, 213D)에 각각 마주하여 배치된 복수의 제3 나노 광학 마이크로렌즈(233), 및 제4 화소(214)의 제1 내지 제4 서브 화소(214A, 214B, 214C, 214D)에 각각 마주하여 배치된 복수의 제4 나노 광학 마이크로렌즈(234)를 포함할 수 있다. 따라서, 하나의 제1 화소(211)에 대해 2×2 어레이 형태로 배열된 4개의 제1 나노 광학 마이크로렌즈(231)가 배치되며, 하나의 제2 화소(212)에 대해 2×2 어레이 형태로 배열된 4개의 제2 나노 광학 마이크로렌즈(232)가 배치되고, 하나의 제3 화소(213)에 대해 2×2 어레이 형태로 배열된 4개의 제3 나노 광학 마이크로렌즈(233)가 배치되고, 하나의 제4 화소(214)에 대해 2×2 어레이 형태로 배열된 4개의 제4 나노 광학 마이크로렌즈(234)가 배치될 수 있다.
또한, 4개의 제1 나노 광학 마이크로렌즈(231) 각각은 제1 화소(211)의 제1 내지 제4 서브 화소(211A, 211B, 211C, 211D) 중 대응하는 서브 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)과 마주하여 배치될 수 있고, 4개의 제2 나노 광학 마이크로렌즈(232) 각각은 제2 화소(212)의 제1 내지 제4 서브 화소(212A, 212B, 212C, 212D) 중 대응하는 서브 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)과 마주하여 배치될 수 있고, 4개의 제3 나노 광학 마이크로렌즈(233) 각각은 제3 화소(213)의 제1 내지 제4 서브 화소(213A, 213B, 213C, 213D) 중 대응하는 서브 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)과 마주하여 배치될 수 있고, 4개의 제4 나노 광학 마이크로렌즈(234) 각각은 제4 화소(214)의 제1 내지 제4 서브 화소(214A, 214B, 214C, 214D) 중 대응하는 서브 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)과 마주하여 배치될 수 있다.
4개의 제1 나노 광학 마이크로렌즈(231) 각각은 도 5에 도시된 제1 나노 광학 마이크로렌즈(131)와 동일한 나노 패턴 구조를 가질 수 있으며, 4개의 제2 나노 광학 마이크로렌즈(232) 각각은 도 5에 도시된 제2 나노 광학 마이크로렌즈(132)와 동일한 나노 패턴 구조를 가질 수 있고, 4개의 제3 나노 광학 마이크로렌즈(233) 각각은 도 5에 도시된 제3 나노 광학 마이크로렌즈(133)와 동일한 나노 패턴 구조를 가질 수 있고, 4개의 제4 나노 광학 마이크로렌즈(234) 각각은 도 5에 도시된 제4 나노 광학 마이크로렌즈(134)와 동일한 나노 패턴 구조를 가질 수 있다.
따라서, 4개의 제1 나노 광학 마이크로렌즈(231) 각각은 제1 화소(211)의 제1 내지 제4 서브 화소(211A, 211B, 211C, 211D) 중 대응하는 서브 화소에 입사광을 집광하도록 구성될 수 있다. 그러면, 4개의 제1 나노 광학 마이크로렌즈(231) 각각에 의해 형성된 초점 스폿은 대응하는 서브 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 2×2 어레이의 중심에 위치할 수 있다. 또한, 4개의 제2 나노 광학 마이크로렌즈(232) 각각은 제2 화소(212)의 제1 내지 제4 서브 화소(212A, 212B, 212C, 212D) 중 대응하는 서브 화소에 입사광을 집광하도록 구성될 수 있다. 4개의 제2 나노 광학 마이크로렌즈(232) 각각에 의해 형성된 초점 스폿은 대응하는 서브 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 2×2 어레이의 중심에 위치할 수 있다. 4개의 제3 나노 광학 마이크로렌즈(233) 각각은 제3 화소(213)의 제1 내지 제4 서브 화소(213A, 213B, 213C, 213D) 중 대응하는 서브 화소에 입사광을 집광하도록 구성될 수 있다. 4개의 제3 나노 광학 마이크로렌즈(233) 각각에 의해 형성된 초점 스폿은 대응하는 서브 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 2×2 어레이의 중심에 위치할 수 있다. 4개의 제4 나노 광학 마이크로렌즈(234) 각각은 제4 화소(214)의 제1 내지 제4 서브 화소(214A, 214B, 214C, 214D) 중 대응하는 서브 화소에 입사광을 집광하도록 구성될 수 있다. 4개의 제4 나노 광학 마이크로렌즈(234) 각각에 의해 형성된 초점 스폿은 대응하는 서브 화소의 제1 내지 제4 광감지셀(c1, c2, c3, c4)의 2×2 어레이의 중심에 위치할 수 있다.
도 20은 도 19에 도시된 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 실시예에 따른 이미지 센서와 비교예에 따른 이미지 센서의 양자 효율을 예시적으로 비교하여 보이는 그래프이다. 비교예에 따른 이미지 센서는 도 18에 도시된 센서 기판(210)을 포함하며, 제1 화소(211)의 복수의 서브 화소(211A, 211B, 211C, 211D)에 대해 도 10에 도시된 제1 나노 광학 마이크로렌즈(11)가 각각 배치되고, 제2 화소(212)의 제1 내지 제4 서브 화소(212A, 212B, 212C, 212D)에 대해 도 10에 도시된 제2 나노 광학 마이크로렌즈(11)가 각각 배치되고, 제3 화소(213)의 제1 내지 제4 서브 화소(213A, 213B, 213C, 213D)에 대해 도 10에 도시된 제3 나노 광학 마이크로렌즈(13)가 각각 배치되고, 제4 화소(214)의 제1 내지 제4 서브 화소(214A, 214B, 214C, 214D)에 대해 도 10에 도시된 제4 나노 광학 마이크로렌즈(14)가 각각 배치된다.
도 20에서 B', G', R'로 표시된 그래프는 비교예에 따른 이미지 센서의 청색광, 녹색광, 및 적색광에 대한 양자 효율을 나타내고 B, G, R로 표시된 그래프는 실시예에 따른 이미지 센서의 청색광, 녹색광, 및 적색광에 대한 양자 효율을 나타낸다. 도 20을 참조하면, 실시예에 따른 이미지 센서가 비교예에 따른 이미지 센서보다 청색광 영역에서 향상된 양자 효율을 가질 수 있으며, 전체적으로 감소된 크로스토크를 가질 수 있다. 따라서, 인접한 광감지셀들의 출력 신호를 비교하여 구현하는 자동 초점 기능의 정확도가 향상될 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 다양한 성능의 모듈 렌즈와 함께 카메라 모듈을 구성할 수 있고, 다양한 전자 장치에 활용될 수 있다.
도 21은 이미지센서(1000)를 포함하는 전자 장치(ED01)의 일 예를 나타내는 블록도다. 도 21을 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.
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 22는, 도 21의 전자 장치(ED01)에 구비된 카메라 모듈(ED80)을 예시하는 블록도다. 도 22를 참조하면, 카메라 모듈(ED80)은 렌즈 어셈블리(1110), 플래쉬(1120), 이미지센서(1000), 이미지 스태빌라이저(1140), 메모리(1150)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(1160)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(1110)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 복수의 렌즈 어셈블리(1110)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(1110)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(1110)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
플래쉬(1120)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래쉬(1120)는 가시광 또는 적외선 광을 방출할 수 있다. 플래쉬(1120)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(1110)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다.
이미지 스태빌라이저(1140)는 카메라 모듈(ED80) 또는 이를 포함하는 전자 장치(1101)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(1110)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(1140)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(1140)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(1150)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(1150)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(1160)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(1150)는 전자 장치(ED01)의 메모리(ED30)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(1160)는 이미지센서(1000)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(1150)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(1160)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(1160)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(1150)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(1160)는 프로세서(ED20)에 통합되거나, 프로세서(ED20)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)가 프로세서(ED20)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(1160)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(ED20)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(ED60)를 통해 표시될 수 있다.
또한 이미지 시그널 프로세서(1160)는 이미지 센서(1000)의 각각의 화소 또는 서브 화소 내에서 인접한 광감지셀로부터 독립적으로 2개의 출력 신호를 수신하고, 2개의 출력 신호의 차로부터 자동 초점 신호를 생성할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)는 자동 초점 신호를 기초로 렌즈 어셈블리(1110)의 초점이 이미지 센서(1000)의 표면에 정확하게 맞도록 렌즈 어셈블리(1110)를 제어할 수 있다.
전자 장치(ED01)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 추가적인 하나 또는 복수의 카메라 모듈을 더 포함할 수 있다. 이러한 카메라 모듈도 도 22의 카메라 모율(ED80)과 유사한 구성을 포함할 수 있고, 이에 구비되는 이미지 센서는 CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있고, 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. 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 23에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(1200), 도 24에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(1300), 도 25에 도시된 디지털 카메라 또는 캠코더(1400), 도 26에 도시된 노트북 컴퓨터(1500)에 또는 도 27에 도시된 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(1600) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰(1200) 또는 스마트 태블릿(1300)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 28에 도시된 스마트 냉장고(1700), 도 29에 도시된 보안 카메라(1800), 도 30에 도시된 로봇(1900), 도 31에 도시된 의료용 카메라(2000) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(1700)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(1800)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(2000)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.
또한, 이미지센서(1000)는 도 32에 도시된 바와 같이 차량(2100)에 적용될 수 있다. 차량(2100)은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라(2110, 2120, 2130, 2140)를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라(2110, 2120, 2130, 2140)는 실시예에 따른 이미지센서를 포함할 수 있다. 차량(2100)은 복수의 차량용 카메라(2110, 2120, 2130, 2140)를 이용하여 차량(2100) 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 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000: 이미지 센서
1100, 1101, 1102, 1103, 1104: 화소 어레이
110, 210: 센서 기판
120, 220, 320: 컬러 필터층
130, 230: 나노 광학 마이크로렌즈 어레이
DTI: 분리막

Claims (20)

  1. 입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및
    상기 센서 기판의 입광면에 마주하여 배치된 것으로, 입사광을 집광하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 복수의 화소 각각은 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되어 독립적으로 입사광을 감지하는 복수의 광감지셀 및 상기 복수의 광감지셀을 전기적으로 분리하는 분리막을 포함하고,
    상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고,
    상기 복수의 나노 구조물은 상기 제1 방향과 제2 방향 사이의 대각선 방향을 따른 2차원 어레이의 형태로 배열되어 있는, 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 방향 또는 제2 방향으로 인접한 2개의 나노 구조물 사이의 간격은 상기 대각선 방향으로 인접한 2개의 나노 구조물 사이의 간격과 동일하거나 그보다 큰, 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 방향 또는 제2 방향을 따라 배열된 복수의 나노 구조물의 배열 주기는 상기 대각선 방향을 따라 배열된 복수의 나노 구조물의 배열 주기와 동일하거나 그보다 큰, 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    각각의 나노 광학 마이크로렌즈 내에 배열된 복수의 나노 구조물은, 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부를 투과한 광의 위상이 가장 크고 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부로부터 멀어질수록 투과광의 위상이 작아지도록 하는 폭 또는 직경을 갖는, 이미지 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부에 배치된 나노 구조물은 상기 제1 방향으로 연장된 분리막 및 상기 제2 방향으로 연장된 분리막과의 교차점과 연직 방향으로 마주하는, 이미지 센서.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부에 배치된 나노 구조물과 가장 가까이 배치된 나노 구조물은 상기 분리막과 연직 방향으로 마주하지 않도록 배치된, 이미지 센서.
  7. 제4 항에 있어서,
    각각의 나노 광학 마이크로렌즈 내에 배열된 복수의 나노 구조물 중에서, 서로 동일한 폭 또는 직경을 갖는 복수의 나노 구조물들은 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태로 다른 나노 구조물을 둘러싸도록 배열되어 있는, 이미지 센서.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광은 상기 대각선 방향으로 기울어진 사각형 형태의 위상 프로파일을 갖는, 이미지 센서 .
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 방향을 따라 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 중심부를 지나는 단면에서 상기 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최솟값은 상기 제1 방향을 따라 각각의 나노 광학 마이크로렌즈의 가장자리를 지나는 단면에서 상기 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광의 위상의 최솟값보다 큰, 이미지 센서.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 복수의 화소와 일대일로 대응하며, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 상기 복수의 화소 중 대응하는 화소에 입사광을 집광하도록 배치되는, 이미지 센서.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 복수의 화소 각각에서 상기 복수의 광감지셀은 2×2 어레이 형태로 배열되고, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 상기 2×2 어레이 형태로 배열된 복수의 광감지셀과 마주하여 배치되며, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에 의해 형성된 초점 스폿은 상기 2×2 어레이의 중심에 위치하는, 이미지 센서.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 화소 각각은 2×2 어레이 형태로 배열된 4개의 서브 화소를 포함하며, 상기 4개의 서브 화소 각각에서 상기 복수의 광감지셀은 2×2 어레이 형태로 배열된, 이미지 센서.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈는 상기 복수의 서브 화소와 일대일로 대응하며, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 상기 복수의 서브 화소 중 대응하는 서브 화소에 입사광을 집광하도록 상기 2×2 어레이 형태로 배열된 복수의 광감지셀과 마주하여 배치되고, 상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각에 의해 형성된 초점 스폿은 상기 복수의 광감지셀의 2×2 어레이의 중심에 위치하는, 이미지 센서.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 센서 기판과 상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이 사이에 배치된 컬러 필터층을 더 포함하는, 이미지 센서.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 컬러 필터층은 입사광 중에서 서로 다른 파장 대역의 광을 각각 투과시키는 복수의 컬러 필터를 포함하며, 상기 복수의 컬러 필터 각각은 유기 컬러 필터, 무기 컬러 필터, 및 유기/무기 하이브리드 컬러 필터 중에서 하나를 포함하는, 이미지 센서.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 광학 마이크로렌즈 어레이의 입광면 위에 배치된 반사방지층을 더 포함하는, 이미지 센서.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 상기 복수의 나노 구조물 사이의 공간을 채우는 유전체층을 더 포함하며,
    상기 복수의 나노 구조물의 굴절률은 상기 유전체층의 굴절률보다 큰, 이미지 센서.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물은 원 기둥, 다각 기둥, 원통, 또는 다각통의 형태를 갖는, 이미지 센서.
  19. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물 각각은 제1 나노 구조물 및 상기 제1 나노 구조물 위에 적층된 제2 나노 구조물을 포함하는, 이미지 센서.
  20. 피사체의 광학 상을 형성하는 렌즈 어셈블리;
    상기 렌즈 어셈블리가 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서에서 생성된 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하며,
    상기 이미지 센서는:
    입사광을 감지하는 복수의 화소를 포함하는 센서 기판; 및
    상기 센서 기판의 입광면에 마주하여 배치된 것으로, 입사광을 집광하는 복수의 나노 광학 마이크로렌즈를 포함하는 나노 광학 마이크로렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 복수의 화소 각각은 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 2차원 배열되어 독립적으로 입사광을 감지하는 복수의 광감지셀 및 상기 복수의 광감지셀을 전기적으로 분리하는 분리막을 포함하고,
    상기 복수의 나노 광학 마이크로렌즈 각각은 각각의 나노 광학 마이크로렌즈를 투과한 광이 볼록한 형태의 위상 프로파일을 갖도록 배열된 복수의 나노 구조물을 포함하고,
    상기 복수의 나노 구조물은 상기 제1 방향과 제2 방향 사이의 대각선 방향을 따른 2차원 어레이의 형태로 배열되어 있는, 전자 장치.
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