KR20240030813A - 이미지 센서 및 그를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

복수의 서브 픽셀들을 포함하는 공유 픽셀; 및 상기 복수의 서브 픽셀들의 상부에 배치되는 복수의 마이크로 렌즈들; 을 포함하고, 상기 공유 픽셀은 하나의 컬러 패턴을 공유하며, 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 최고점은 상기 공유 픽셀의 중심점으로 치우쳐진 것을 특징으로 하는 이미지 센서가 개시된다.

Description

이미지 센서 및 그를 포함하는 전자 장치{IMAGE SENSOR AND ELECTONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 개시는 이미지 센서 및 그를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 이미지 센서가 포함하는 마이크로 렌즈의 구조에 관한 것이다.
화상을 촬영하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대전화용 카메라 및 휴대용 캠코더와 같은 일반 소비자용 전자기기뿐만 아니라, 자동차, 보안장치 및 로봇에 장착되는 카메라에도 사용된다. 이러한 이미지 센서는 픽셀 어레이를 구비하며, 픽셀 어레이에 포함된 각각의 픽셀은 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 화상 촬영을 빠른 시간에 정확하게 수행할 수 있도록, 오토 포커싱(auto focusing, AF) 기능을 수행할 것이 요구된다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, AF 특성을 개선할 수 있는 구조의 마이크로 렌즈를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 복수의 서브 픽셀들을 포함하는 공유 픽셀; 및 상기 복수의 서브 픽셀들의 상부에 배치되는 복수의 마이크로 렌즈들; 을 포함하고, 상기 공유 픽셀은 하나의 컬러 패턴을 공유하며, 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 최고점은 상기 공유 픽셀의 중심점으로 치우쳐질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, N*N 의 형태로 배열되는 제1 내지 제n 서브 픽셀들을 포함하는 공유 픽셀; 및 상기 N*N 의 형태로 배열되는 제1 내지 제n 서브 픽셀들 각각의 상부에 배치되는 N*N개의 제1 내지 제n 마이크로 렌즈들;을 포함하고, 제m 마이크로 렌즈의 최고점과, 상기 공유 픽셀의 중심점 사이의 거리는, 상기 제m 마이크로 렌즈의 하부에 배치되는 제m 서브 픽셀의 중심점과, 상기 공유 픽셀의 중심점 사이의 거리보다 짧으며, 상기 m은 1 이상 n 이하의 자연수이고, n은 4 이상의 자연수, N은 2 이상의 자연수일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 전자 장치는, 제1 포토 다이오드와, 제2 포토 다이오드를 포함하는 제1 서브 픽셀; 제3 포토 다이오드와, 제4 포토 다이오드를 포함하며, 상기 제1 서브 픽셀에 인접하여 배치되는 제2 서브 픽셀; 상기 제1 서브 픽셀의 상부에 배치되는 제1 마이크로 렌즈; 및 상기 제2 서브 픽셀의 상부에 배치되는 제2 마이크로 렌즈;를 포함하는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서와 연결되어, 상기 이미지 센서의 데이터를 처리하는 프로세서;를 포함하고, 상기 제1 마이크로 렌즈의 최고점은 상기 제2 포토 다이오드가 배치되는 영역에 위치하며, 상기 제2 마이크로 렌즈의 최고점은 상기 제3 포토 다이오드가 배치되는 영역에 위치할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서에 의하면, AF 감도가 높은 데이터 쌍과 AF 콘트라스트가 높은 데이터 쌍을 분류할 수 있고, 분류한 데이터를 활용하여 목적에 맞게 활용할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서에 의하면, 비닝 모드(binning mode)에서의 해상도 개선 효과가 있을 수 있다.
본 개시의 예시적 실시 예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 이하의 본 개시의 예시적 실시 예들에 대한 기재로부터 본 개시의 예시적 실시 예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 개시의 예시적 실시 예들을 실시함에 따른 의도하지 아니한 효과들 역시 본 개시의 예시적 실시 예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 전자 장치의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 컬러 필터 어레이에 대응하는 픽셀 어레이의 구현 예들을 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈에 의해 얻어지는 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈에 대한 평면도이다.
도 9는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈에 대한 평면도이다.
이하, 본 개시의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시 예에 따른 전자 장치(1000)의 구조를 나타낸 도면이다.
본 개시의 예시적 실시 예에 따른 전자 장치(1000)는 촬상부(1100), 이미지 센서(100) 및 프로세서(1200)를 포함할 수 있다. 전자 장치(1000)는 초점 검출 기능을 구비할 수 있다. 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 전자 장치(1000)는 이미지 또는 광 센싱 기능을 갖는 전자 장치일 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(1000)는 카메라, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)), 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation) 장치 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(1000)는 차량, 가구, 제조 설비, 도어, 각종 계측 기기 등에 부품으로서 구비되는 장치일 수 있다.
전자 장치(1000)의 동작들은 프로세서(1200)에 의해 제어될 수 있다. 프로세서(1200)는 렌즈 구동부(1120), 조리개 구동부(1140), 타이밍 컨트롤러(190) 등에 각 구성 요소의 동작을 위한 제어 신호를 제공할 수 있다.
촬상부(1100)는 광을 수신하는 구성 요소로서, 렌즈(1110), 렌즈 구동부(1120), 조리개(1130), 조리개 구동부(1140)를 포함할 수 있다. 렌즈(1110)는 복수의 렌즈들을 구비할 수 있다.
렌즈 구동부(1120)는 프로세서(1200)와 초점 검출에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(1200)에서 제공된 제어 신호에 따라 렌즈(1110)의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)는 렌즈(1110)를 객체(2000)로부터의 거리가 증가하는 방향 또는 감소하는 방향으로 이동시킬 수 있고, 렌즈(1110)와 객체(2000) 사이의 거리가 조절될 수 있다. 렌즈(1110)의 위치에 따라 객체(2000)에 대한 초점이 맞거나 흐려질 수 있다.
이미지 센서(100)는 입사되는 광을 이미지 신호로 변환할 수 있다. 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 타이밍 컨트롤러(190)를 포함할 수 있다. 렌즈(1110) 및 조리개(1130)를 투과한 광학 신호는 픽셀 어레이(110)의 수광면에 이르러 피사체의 상을 결상할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 CIS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)일 수 있다. 이와 같은 픽셀 어레이(110)는 타이밍 컨트롤러(190)에 의해 감도 등이 조절될 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행하기 위한 픽셀들(Pixels)을 포함할 수 있다.
이미지 센서(100)는 프로세서(1200)로 이미지 신호를 제공할 수 있고, 프로세서(1200)는 이미지 신호를 이용하여 위상차 연산을 수행할 수 있다. 프로세서(1200)는 이미지 센서(100)에서 출력된 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서(1200)는 위상차 연산 결과로 초점의 위치, 초점의 방향 또는 객체(2000)와 이미지 센서(100) 사이의 거리 등을 구할 수 있다. 프로세서(1200)는 위상차 연산 결과를 기초로 하여, 렌즈(1110)의 위치를 이동시키기 위해 렌즈 구동부(1120)로 제어 신호를 출력할 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시 예에서, 프로세서(1200)는 픽셀 어레이(110)에서 인가된 포토 다이오드의 전기적 신호들을 AF 감도가 높은 좌우 데이터 쌍과, AF 콘트라스트(AF contrast)가 높은 좌우 데이터 쌍으로 분류할 수 있다. AF 감도가 높은 좌우 데이터 쌍과, AF 콘트라스트가 높은 좌우 데이터 쌍으로 분류하는 기준은 픽셀 어레이(110) 내의 마이크로 렌즈의 구조와, 마이크로 렌즈의 하부에 배치된 서브 픽셀이 포함하는 포토 다이오드의 배치 방향에 따라 달라질 수 있다. 프로세서(1200)는 픽셀 어레이(110)에서 인가된 전기적 신호들을 분류하는 것을 통해 목적에 맞는 데이터 처리를 수행할 수 있다. 이에 대한 자세한 사항은 도 6a 및 도 6b를 통해 후술한다.
도 2는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), 램프 신호 생성기(130), 카운팅 코드 생성기(140), 아날로그-디지털 변환 회로(150)(이하, ADC 회로라고 지칭 함), 데이터 출력 회로(180), 타이밍 컨트롤러(190)를 포함할 수 있다. ADC 회로(150) 및 데이터 출력 회로(180)를 포함하는 구성은 리드아웃 회로로 지칭 될 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 복수의 로우 라인(RL), 복수의 컬럼 라인(CL) 및 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX)은 복수의 로우 라인(RL) 및 복수의 컬럼 라인(CL)과 접속되며, 행열로 배열될 수 있다. 복수의 픽셀(PX)은 APS(active pixel sensor)일 수 있다.
복수의 픽셀(PX) 각각은 적어도 하나의 광전 변환 소자를 포함할 수 있으며, 픽셀(PX)은 광전 변환 소자를 이용하여 빛을 감지하고, 감지된 빛에 따른 전기적 신호인 이미지 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 광전 변환 소자는 포토(photo) 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photodiode) 등을 포함할 수 있다. 본 개시에서, 광전 변환 소자는 포토 다이오드인 것을 가정하여 설명하도록 한다.
한편, 각 픽셀(PX)의 상부, 또는 인접한 픽셀(PX)들로 구성되는 픽셀 그룹들 각각의 상부에 집광을 위한 마이크로 렌즈(도 4a; ML1-ML4)가 배치될 수 있다. 복수의 픽셀(PX)들 각각은 상부에 배치된 마이크로 렌즈(도 4a; ML1-ML4)를 통해 수신된 빛으로부터 특정 스펙트럼 영역의 빛을 감지할 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 복수의 마이크로 렌즈(도 4a; ML1-ML4)들은, 복수의 마이크로 렌즈들의 중심점을 향해 치우쳐진 구조일 수 있다. 이와 같은 구조를 통해, AF 픽셀에 의한 데이터들의 특성을 극대화 할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 4a 이하에서 후술한다.
픽셀 어레이(110)는 적어도 하나의 AF(Auto Focusing) 픽셀을 포함할 수 있다. AF 픽셀이란, 자동 초점을 맞추기 위한 회로 또는 물리적 구조를 갖는 픽셀일 수 있다. 본 개시에 따른 마이크로 렌즈들(도 4a; ML1-ML4)은, AF 픽셀의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈들일 수 있다.
복수의 픽셀(PX) 상부에는 특정 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 컬러 필터 어레이(도 3a; CF)가 배치될 수 있으며, 복수의 픽셀 각각의 상부에 배치된 컬러 필터에 따라 해당 픽셀이 감지할 수 있는 색상이 결정될 수 있다. 컬러 필터 어레이와 복수의 픽셀(PX) 간의 배치 구조에 대해서는, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 후술한다.
로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)를 행(row) 단위로 구동한다. 로우 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(190)로부터 수신되는 행 제어 신호(예컨대, 어드레스 신호)를 디코딩하고, 디코딩된 행 제어 신호에 응답하여 픽셀 어레이(110)를 구성하는 행 라인들 중에서 적어도 어느 하나의 행 라인을 선택할 수 있다. 예컨대, 로우 드라이버(120)는 복수의 행 중 하나를 선택하는 선택 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 픽셀 어레이(110)는 로우 드라이버(120)로부터 제공된 선택 신호에 의해 선택되는 행(row)으로부터 픽셀 신호, 예컨대 픽셀 전압을 출력할 수 있다. 픽셀 신호는 리셋 신호와 이미지 신호를 포함할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 픽셀 신호를 출력하기 위한 제어 신호들을 픽셀 어레이(110)에 전송할 수 있으며, 픽셀(PX)은 제어 신호들에 응답하여 동작함으로써, 픽셀 신호를 출력할 수 있다.
램프 신호 생성기(130)는 타이밍 컨트롤러(190)의 제어에 따라 소정의 기울기로 레벨이 상승 또는 하강하는 램프 신호(예컨대 램프 전압)를 생성할 수 있다. 램프 신호(RAMP)는 ADC 회로(150)에 구비되는 복수의 CDS 회로(160)에 각각 제공될 수 있다.
카운팅 코드 생성기(140)는 타이밍 컨트롤러(190)의 제어에 따라 카운팅 코드(CCD)를 생성할 수 있다. 카운팅 코드(CCD)는 복수의 카운터 회로(170) 각각에 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 카운팅 코드 생성기(140)는 그레이 코드 생성기로 구현될 수 있다. 카운팅 코드 생성기(140)는 설정된 비트 수에 따른 해상도를 가지는 복수의 코드 값들을 카운팅 코드(CCD)로서 생성할 수 있다. 예컨대, 10-비트(bit) 코드가 설정된 경우, 카운팅 코드 생성기(140)는 순차적으로 증가 또는 감소하는 1024개의 코드 값을 포함하는 카운팅 코드(CCD)를 생성할 수 있다.
ADC 회로(150)는 복수의 CDS 회로(160)(Correlated Double Sampling 회로) 및 복수의 카운터 회로(170)를 포함할 수 있다. ADC 회로(150)는 픽셀 어레이(110)로부터 입력되는 픽셀 신호(예컨대 픽셀 전압)를 디지털 신호인 픽셀 값으로 변환할 수 있다. 복수의 칼럼 라인(CL) 각각을 통해 수신되는 각 픽셀 신호는 CDS 회로(160) 및 카운터 회로(170)에 의하여, 디지털 신호인 픽셀 값으로 변환될 수 있다.
CDS 회로(160)는 컬럼 라인(CL)을 통해 수신되는 픽셀 신호, 예컨대 픽셀 전압을 램프 신호(RAMP)와 비교하고, 비교 결과를 비교 결과 신호로서 출력할 수 있다. CDS 회로(160)는 램프 신호(RAMP)의 레벨과 픽셀 신호의 레벨이 동일할 때, 제1 레벨(예컨대 로직 하이)에서 제2 레벨(예컨대 로직 로우)로 천이하는 비교 신호를 출력할 수 있다. 비교 신호의 레벨이 천이되는 시점은 픽셀 신호의 레벨에 따라 결정될 수 있다.
CDS 회로(160)는 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS) 방식에 따라 픽셀(PX)로부터 제공되는 픽셀 신호를 샘플링 할 수 있다. CDS 회로(160)는 픽셀 신호로서 수신되는 리셋 신호를 샘플링 하고 리셋 신호를 램프 신호(RAMP)와 비교하여 리셋 신호에 따른 비교 신호를 생성할 수 있다. 이후 CDS 회로는, 리셋 신호에 상관된(correlated) 이미지 신호를 샘플링 하고, 이미지 신호와 램프 신호(RAMP)를 비교하여 이미지 신호에 따른 비교 신호를 생성할 수 있다.
카운터 회로(170)는 CDS 회로(150)로부터 출력되는 비교 결과 신호의 레벨 천이 시점을 카운트하고, 카운트 값을 출력할 수 있다. 일부 실시 예에서, 카운터 회로(170)는 래치 회로 및 연산 회로를 포함할 수 있다. 래치 회로는 카운팅 코드 생성기(140)로부터의 카운팅 코드(CCD) 및 CDS 회로(160)로부터의 비교 신호를 수신하고, 비교 신호의 레벨이 천이되는 시점에 카운팅 코드(CCD)의 코드 값을 래치 할 수 있다. 래치 회로는 리셋 신호에 대응하는 코드 값, 예컨대 리셋 값 및 이미지 신호에 대응하는 코드 값, 예컨대 이미지 신호 값 각각을 래치할 수 있다. 연산 회로는 리셋 값과 이미지 신호 값을 연산하여, 픽셀(PX)의 리셋 레벨이 제거된 이미지 신호 값을 생성 할 수 있다. 카운터 회로(170)는 리셋 레벨이 제거된 이미지 신호 값을 픽셀 값으로서 출력할 수 있다.
데이터 출력 회로(180)는 ADC 회로(150)로부터 출력된 픽셀 값을 임시 저장한 후 출력할 수 있다. 데이터 출력 회로(180)는 복수의 칼럼 메모리(181) 및 컬럼 디코더(182)를 포함할 수 있다. 칼럼 메모리(181)는 카운터 회로(170)로부터 수신되는 픽셀 값을 저장한다. 일부 실시예에서, 복수의 칼럼 메모리(181) 각각은 카운터 회로(170)에 구비될 수도 있다. 복수의 컬럼 메모리(181)에 저장된 복수의 픽셀 값은 칼럼 디코더(182)의 제어 하에 이미지 데이터(IDT)로서 출력될 수 있다.
타이밍 컨트롤러(190)는 로우 드라이버(120), 램프 신호 생성기(130), 카운팅 코드 생성기(140), ADC 회로 (150), 및 데이터 출력 회로(180) 각각에 제어 신호를 출력하여, 로우 드라이버(120), 램프 신호 생성기(130), 카운팅 코드 생성기(140), ADC 회로(150), 및 데이터 출력 회로(180)의 동작 또는 타이밍을 제어할 수 있다.
이미지 센서(100)와 연결되는 프로세서(1200)는 이미지 데이터에 대하여 노이즈 저감 처리, 게인 조정, 파형 정형화 처리, 보간 처리, 화이트밸런스 처리, 감마 처리, 에지 강조 처리, 비닝 등을 수행할 수 있다. 일부 실시 예에서, 프로세서(1200)는 이미지 센서(100)의 내부에 구비될 수도 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 컬러 필터 어레이에 대응하는 픽셀 어레이의 구현 예들을 나타내는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 픽셀 어레이(110a)는 다수의 로우들 및 컬럼들에 따라 배치되는 다수의 픽셀들을 포함하며, 예컨대 2개의 로우들 및 2개의 컬럼들에 배치되는 픽셀들을 포함하는 단위로 정의되는 공유 픽셀(Shared Pixel)은 각각 4개의 서브 픽셀들(Sub Pixel)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110a)는 제1 내지 제 16 공유 픽셀들(SP0~SP15)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110a)는 공유 픽셀들(SP0~SP15)이 다양한 컬러를 센싱할 수 있도록 컬러 필터 어레이(CF)를 더 포함할 수 있다. 일 예로서, 컬러 필터 어레이(CF)는 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)를 센싱하는 필터들을 포함하며, 하나의 공유 픽셀(SP0~SP15)은 동일한 컬러 필터가 배치된 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 공유 픽셀(SP0), 제3 공유 픽셀(SP2), 제9 공유 픽셀(SP8) 및 제11 공유 픽셀(SP10)은 블루(B) 컬러 필터를 구비하는 서브 픽셀들을 포함할 수 있고, 제2 공유 픽셀(SP1), 제4 공유 픽셀(SP3), 제5 공유 픽셀(SP4), 제7 공유 픽셀(SP6), 제10 공유 픽셀(SP9), 제12 공유 픽셀(SP11), 제13 공유 픽셀(SP12) 및 제15 공유 픽셀(SP14)은 그린(G) 컬러 필터를 구비하는 서브 픽셀들을 포함할 수 있으며, 제6 공유 픽셀(SP5), 제8 공유 픽셀(SP7), 제14 공유 픽셀(SP13) 및 제16 공유 픽셀(SP15)은 레드(R) 컬러 필터를 구비하는 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 또한, 제1 공유 픽셀(SP0), 제2 공유 픽셀(SP1), 제5 공유 픽셀(SP4) 및 제6 공유 픽셀(SP5)을 포함하는 그룹, 제3 공유 픽셀(SP2), 제4 공유 픽셀(SP3), 제7 공유 픽셀(SP6) 및 제8 공유 픽셀(SP7)을 포함하는 그룹, 제9 공유 픽셀(SP8), 제10 공유 픽셀(SP9), 제13 공유 픽셀(SP12) 및 제14 공유 픽셀(SP13)을 포함하는 그룹, 제11 공유 픽셀(SP10), 제12 공유 픽셀(SP11), 제15 공유 픽셀(SP14) 및 제16 공유 픽셀(SP15)을 포함하는 그룹은 각각 베이어 패턴(Bayer pattern)에 대응되도록 픽셀 어레이(110a)에 배치될 수 있다. 일 예시에 따르면, 제1 공유 픽셀(SP0), 제2 공유 픽셀(SP1), 제5 공유 픽셀(SP4) 및 제6 공유 픽셀(SP5)을 포함하는 그룹, 제3 공유 픽셀(SP2), 제4 공유 픽셀(SP3), 제7 공유 픽셀(SP6) 및 제8 공유 픽셀(SP7)을 포함하는 그룹, 제9 공유 픽셀(SP8), 제10 공유 픽셀(SP9), 제13 공유 픽셀(SP12) 및 제14 공유 픽셀(SP13)을 포함하는 그룹, 제11 공유 픽셀(SP10), 제12 공유 픽셀(SP11), 제15 공유 픽셀(SP14) 및 제16 공유 픽셀(SP15)을 포함하는 그룹 각각은 컬러 필터 어레이(CF)의 블록에 대응될 수 있다.
다만, 이는 일 실시예에 불과한 것으로서, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀 어레이(110a)는 다양한 종류의 컬러 필터들을 포함할 수 있다. 예컨대, 컬러 필터 어레이(CF)는 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue)뿐 아니라 옐로우(yellow), 사이언(Cyan), 마젠타(Magenta), 화이트(White) 컬러를 센싱하는 필터들을 포함하여도 무방하다. 또한, 픽셀 어레이(110a)는 더 많은 공유 픽셀들을 포함할 수 있으며, 각 공유 픽셀들(SP0~SP15)의 배치는 다양하게 구현될 수 있다.
도 3b의 픽셀 어레이(110b)를 참조하면, 하나의 공유 픽셀(SP0, SP1, SP4, SP5)은 각각 9개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 제1 공유 픽셀(SP0)은 블루(B) 컬러 필터를 구비하는 9개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있고, 제2 공유 픽셀(SP1) 및 제5 공유 픽셀(SP4)은 각각 그린(G) 컬러 필터를 구비하는 9개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 제6 공유 픽셀(SP5)은 레드(R) 컬러 필터를 구비하는 9개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 공유 픽셀(SP0, SP1, SP4, SP5)은 노나 셀(nona cell)로 지칭될 수 있다.
도 3c의 픽셀 어레이(110c)를 참조하면, 하나의 공유 픽셀(SP0, SP1, SP4, SP5)은 각각 16개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 제1 공유 픽셀(SP0)은 블루(B) 컬러 필터를 구비하는 16개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있고, 제2 공유 픽셀(SP1) 및 제5 공유 픽셀(SP4)은 각각 그린(G) 컬러 필터를 구비하는 16개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 제6 공유 픽셀(SP5)은 레드(R) 컬러 필터를 구비하는 16개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 공유 픽셀(SP0, SP1, SP4, SP5)은 헥사디카 셀(Hexadeca cell)로 지칭될 수 있다.
공유 픽셀은 동일한 컬러 필터를 구비하면서 서로 인접한 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 공유 픽셀은 N*N 배치의 서브 픽셀들을 포함하는 예시로 개시되었으나, 공유 픽셀이 포함할 수 있는 서브 픽셀들의 배치는 N*N에 한정되지 아니한다. N은 2 이상의 자연수일 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 공유 픽셀의 상부에 마이크로 렌즈가 배치된 구조를 가정하여 설명하도록 한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈가 공유 픽셀의 상부에 배치된 구조를 도시한 평면도이다.
도 4a를 참조하면, 공유 픽셀(SP0)은 제1 서브 픽셀(Sbp1), 제2 서브 픽셀(Sbp2), 제3 서브 픽셀(Sbp3) 및 제4 서브 픽셀(Sbp4)을 포함할 수 있다. 제1 서브 픽셀(Sbp1)과 제2 서브 픽셀(Sbp2)은 X축 방향으로 인접하여 배치될 수 있다. 제1 서브 픽셀(Sbp1)과 제3 서브 픽셀(Sbp3)은 Y축 방향으로 인접하여 배치될 수 있다. 제2 서브 픽셀(Sbp2)과 제4 서브 픽셀(Sbp4)은, Y축 방향으로 인접하여 배치될 수 있다.
제1 서브 픽셀(Sbp1), 제2 서브 픽셀(Sbp2), 제3 서브 픽셀(Sbp3) 및 제4 서브 픽셀(Sbp4)은 각각 2개의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 제1 서브 픽셀(Sbp1)은 제1 포토 다이오드(LPD1)와 제2 포토 다이오드(RPD1)를 포함할 수 있다. 제2 서브 픽셀(Sbp2)은 제1 포토 다이오드(LPD2)와 제2 포토 다이오드(RPD2)를 포함할 수 있다. 제3 서브 픽셀(Sbp3)은 제1 포토 다이오드(LPD3)와 제2 포토 다이오드(RPD3)를 포함할 수 있다. 제4 서브 픽셀(Sbp4)은 제1 포토 다이오드(LPD4)와 제2 포토 다이오드(RPD4)를 포함할 수 있다. 제1 서브 픽셀(Sbp1), 제2 서브 픽셀(Sbp2), 제3 서브 픽셀(Sbp3) 및 제4 서브 픽셀(Sbp4)에 포함된 각각의 제1 포토 다이오드들(LPD1-LPD4) 및 제2 포토 다이오드들(RPD1-RPD4)은, 각각의 서브 픽셀 내에서 X축 방향으로 인접하여 배치될 수 있다.
공유 픽셀(SP0)의 상부에는 복수의 마이크로 렌즈들(ML1-ML4)이 배치될 수 있다. 제1 서브 픽셀(Sbp1)의 상부에는 제1 마이크로 렌즈(ML1)가 배치될 수 있다. 제2 서브 픽셀(Sbp2)의 상부에는 제2 마이크로 렌즈(ML2)가 배치될 수 있다. 제3 서브 픽셀(Sbp3)의 상부에는 제3 마이크로 렌즈(ML3)가 배치될 수 있다. 제4 서브 픽셀(Sbp4)의 상부에는 제4 마이크로 렌즈(ML4)가 배치될 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML1)와, 제2 마이크로 렌즈(ML2), 제3 마이크로 렌즈(ML3) 및 제4 마이크로 렌즈(ML4)의 형상은 모두 상이할 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML1)의 최고점(HP1)과, 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 최고점(HP2)과, 제3 마이크로 렌즈(ML3)의 최고점(HP3)과, 제4 마이크로 렌즈(ML4)의 최고점(HP4)은 공유 픽셀(SP0)의 중심점(center)을 향해 치우쳐질 수 있다. 본 개시에서 마이크로 렌즈의 최고점의 의미는, 마이크로 렌즈가 Z축 방향으로 가장 높은 높이를 가지는 지점의 위치를 의미할 수 있다. 본 개시에서 마이크로 렌즈의 최저점의 의미는, 마이크로 렌즈가 Z축 방향으로 가장 낮은 높이를 가지는 지점의 위치를 의미할 수 있다.
제1 마이크로 렌즈(ML1)의 최고점(HP1)은, 제1 서브 픽셀(Sbp1)이 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD1) 및 제2 포토 다이오드(RPD1) 중 제2 포토 다이오드(RPD1)가 위치하는 영역에 위치할 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 최고점(HP2)은, 제2 서브 픽셀(Sbp2)이 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD2) 및 제2 포토 다이오드(RPD2) 중 제1 포토 다이오드(LPD2)가 위치하는 영역에 위치할 수 있다. 제3 마이크로 렌즈(ML3)의 최고점(HP3)은, 제3 서브 픽셀(Sbp3)이 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD3) 및 제2 포토 다이오드(RPD3) 중 제2 포토 다이오드(RPD3)가 위치하는 영역에 위치할 수 있다. 제4 마이크로 렌즈(ML4)의 최고점(HP4)은, 제4 서브 픽셀(Sbp4)이 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD4) 및 제2 포토 다이오드(RPD4) 중 제1 포토 다이오드(LPD4)가 위치하는 영역에 위치할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 공유 픽셀(SP0)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈들(ML1-ML4)은, 각각의 마이크로 렌즈(ML1-ML4)의 하부에 배치된 서브 픽셀(Sbp1-Sbp4)이 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD1-LPD4)와 제2 포토 다이오드(RPD1-RPD4) 중 어느 하나의 포토 다이오드 방향으로 치우쳐진 구조일 수 있다. 공유 픽셀(SP0)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈들(ML1-ML4)은, 각각의 마이크로 렌즈(ML1-ML4)의 하부에 배치된 서브 픽셀(Sbp1-Sbp4)이 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD1-LPD4)와 제2 포토 다이오드(RPD1-RPD4) 중 중심점(center)에 가까이 위치한 포토 다이오드 방향으로 치우쳐진 구조일 수 있다.
제1 마이크로 렌즈(ML1)와, 제4 마이크로 렌즈(ML4)는 공유 픽셀(SP0)의 중심점(Center)을 기준으로 대칭될 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML2)와, 제3 마이크로 렌즈(ML3)는 공유 픽셀(SP0)의 중심점(Center)을 기준으로 대칭될 수 있다. 도 3a를 참조하면, 공유 픽셀(SP0)의 중심점(Center)을 기준으로 하여, 마주하는 마이크로 렌즈들은 대칭된 구조로 제공될 수 있다.
도 4b는 도 4a의 이미지 센서를 I-I' 방향으로 자른 단면도이다.
도 4b를 참조하면, 제1 서브 픽셀(Sbp1)과 제2 서브 픽셀(sbp2)의 상부에 컬러 필터 어레이(CF)와, 제1 마이크로 렌즈(ML1) 및 제2 마이크로 렌즈(ML2)가 배치된 단면도가 도시된다.
도 4b를 참조하면, 제1 마이크로 렌즈(ML1)와 제2 마이크로 렌즈(ML2)는 공유 픽셀의 중심점(center)을 기준으로 대칭일 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML1)는, 제1 서브 픽셀(Sbp1)의 오른쪽 포토 다이오드인 제2 포토 다이오드(RPD1) 방향으로 치우쳐진 구조일 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML2)는, 제2 서브 픽셀(Sbp2)의 왼쪽 포토 다이오드인 제1 포토 다이오드(LPD2) 방향으로 치우쳐진 구조일 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML1)의 최고점(HP1)의 높이와, 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 최고점(HP2)의 높이는 동일할 수 있다.
도 4c는, 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 공유 픽셀과, 공유 픽셀의 상부에 배치된 마이크로 렌즈의 최고점 사이의 길이 조건을 설명하기 위한 도면이다. 도 4c에서는, 설명의 편의를 위해 서브 픽셀들(Sbp1-Sbp4)과 마이크로 렌즈들(ML1-ML4)을 분리하여 도시하였다.
도 4c를 참조하면, 4개의 서브 픽셀(Sbp1-Sbp4)을 포함하는 공유 픽셀(SP0)의 X축 방향 길이는 A일 수 있다. A는 픽셀의 피치(pixel pitch)일 수 있다.
도 4c를 참조하면, 4개의 서브 픽셀(Sbp1-Sbp4)과, 4개의 서브 픽셀(Sbp1-Sbp4)의 상부에 각각 배치되는 4개의 마이크로 렌즈들(ML1-ML4)이 도시된다. 4개의 마이크로 렌즈들(ML1-ML4)의 최고점(HP1-HP4)의 위치와, 공유 픽셀(SPO)의 중심점(Center) 사이의 거리는 B일 수 있다. 일 예시에 따르면, 4개의 마이크로 렌즈들(ML1-ML4)의 최고점(HP1-HP4)의 위치와, 공유 픽셀의 중심점(Center) 사이의 거리 B는 같은 평면의 같은 높이에서 측정된 직선 거리를 의미할 수 있다. 일 예시에 따르면, A와 B 사이의 관계는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 공유 픽셀(SP0)의 X축 방향 길이가 A일 때, 공유 픽셀(SP0)의 Y축 방향 길이도 A일 수 있다. 공유 픽셀(SP0)의 X축 방향의 라인과, Y축 방향의 라인을 잇는 대각선의 길이는 일 수 있다. 공유 픽셀(SP0)의 X축 방향의 라인과, Y축 방향의 라인을 잇는 대각선은 제2 마이크로 렌즈(ML2)와 제3 마이크로 렌즈(ML3)가 배치되는 영역을 관통할 수 있다. 의 값은, 공유 픽셀(SP0)이 포함하는 4개의 마이크로 렌즈(ML1-ML4)가 모두 동일한 곡률을 가지고 완전한 반구의 형태로 배치됨을 가정했을 때의, 공유 픽셀의 중심점(center)과 마이크로 렌즈의 중심점과의 거리를 의미할 수 있다.의 값은, 공유 픽셀의 중심점(center)과, 마이크로 렌즈의 하부에 배치된 서브 픽셀의 중심점과의 거리를 의미할 수도 있다.
도 4c를 참조하면, 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 최고점(HP1-HP4)과 공유 픽셀의 중심점(center) 사이의 거리는, 보다 작은 값을 가질 수 있다. 즉, 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 최고점(HP1-HP4)은 공유 픽셀의 중심점(center)에 가깝도록 치우쳐질 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 구조는, 같은 컬러 패턴을 공유하는 공유 픽셀 내의 서브 픽셀들이 각각 복수의 포토 다이오드들을 포함하고, 각각 복수의 서브 픽셀들이 각각 대응하는 개수의 복수의 마이크로 렌즈를 포함할 때 적용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 비교 예에 따른 마이크로 렌즈의 빛의 투과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 2개의 포토 다이오드들을 포함하는 서브 픽셀의 상부에 동일한 곡률을 가지는 완전한 반구 형태의 마이크로 렌즈(ML) 2개가 배치되는 구조가 개시된다. 도 5a의 비교 예를 참조하면, 빛의 입사로 인한 에어리 디스크(Airy disc)가 크게 형성되어, 크로스토크에 의해 AF 픽셀의 좌/우 전기적 신호의 구분이 모호할 수 있다. 또한, 도 5a를 참조하면, 인접한 픽셀로부터 넘어온 신호도 있을 수 있어 해상도가 열화될 염려도 있을 수 있다.
도 5b를 참조하면, 도 4b과 같은 마이크로 렌즈의 구조를 가질 때의 빛의 투과를 설명하기 위한 도면이다. 도 5b에 따르면, 마이크로 렌즈(ML1, ML2)가 공유 픽셀의 중심점(Center)으로 치우쳐진 구조를 통해 빛이 포토 다이오드로 인가되는 경로가 도 5a와 상이할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 도 5a의 구조에 의한 빛의 투과 경로를 도 5b에서는 점선으로 표시하였다.
도 5b를 참조하면, 제1 마이크로 렌즈(ML1)의 제1 포토 다이오드(LPD1)에 대응하는 영역에서, 도 5a와 비교하여 오른쪽으로 더 치우친 방향으로 빛이 인가될 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML1)의 제2 포토 다이오드(RPD1)에 대응하는 영역에서, 도 5a와 비교하여 오른쪽으로 더 치우친 방향으로 빛이 인가될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 제1 포토 다이오드(LPD2)에 대응하는 영역에서, 도 5a와 비교하여, 왼쪽으로 더 치우친 방향으로 빛이 인가될 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 제2 포토 다이오드(RPD2)에 대응하는 영역에서, 도 5a와 비교하여 왼쪽으로 더 치우진 방향으로 빛이 인가될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제1 마이크로 렌즈(ML1)는 공유 픽셀의 중심 방향인 오른쪽으로 치우쳐진 구조인 바, 도 5a와 비교하여 빛이 오른쪽 방향으로 보다 치우쳐져 인가될 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML2)는 공유 픽셀의 중심 방향인 왼쪽으로 치우쳐진 구조인 바, 도 5a와 비교하여 빛이 왼쪽 방향으로 보다 치우쳐져 인가될 수 있다.
이와 같은 구조를 통해, 제1 마이크로 렌즈(ML1)와, 제2 마이크로 렌즈(ML2)를 통과하는 빛은 공유 픽셀의 중심점(Center)을 향해 인가될 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML1)가 포함하는 제2 포토 다이오드(RPD1)와, 제2 마이크로 렌즈(ML2)가 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD2)는 공유 픽셀의 중심부에 배치된 포토 다이오드일 수 있다. 따라서, 제1 마이크로 렌즈(ML1)가 포함하는 제2 포토 다이오드(RPD1)와, 제2 마이크로 렌즈(ML2)가 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD2)로 인가되는 빛의 양이 많아지는 바, 제2 포토 다이오드(RPD1) 및 제1 포토 다이오드(LPD2)에 의한 데이터는 AF 픽셀의 감도가 확보된 좌측 및 우측 데이터일 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML1)가 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD1)와, 제2 마이크로 렌즈(ML2)가 포함하는 제2 포토 다이오드(RPD2)로 인가되는 빛의 양은 제1 마이크로 렌즈(ML1)가 포함하는 제2 포토 다이오드(RPD1)와, 제2 마이크로 렌즈(ML2)가 포함하는 제1 포토 다이오드(LPD2)보다 적을 수 있으나, 이에 의한 데이터는 AF 콘트라스트가 높은 좌측 및 우측 데이터일 수 있다.
도 5c는, 도 5b에 도시된 제1 마이크로 렌즈(ML1)의 하부에 배치되는 제1 포토 다이오드(LPD1), 제2 포토 다이오드(RPD1), 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 하부에 배치되는 제1 포토 다이오드(LPD2) 및 제2 포토 다이오드(RPD2) 각각에 의한 신호의 감도를 입사각에 따라 도시한 그래프이다. 도 5c의 그래프의 X축은 입사각을 의미하며, Y축은 신호의 감도를 의미한다. 그래프의 X축의 입사각은, 0도를 기준으로 하여 -90 내지 +90의 범위를 가질 수 있다. 도 5c의 그래프에서, AF 콘트라스트는 포토 다이오드에서 출력되는 신호 간의 최대 감도와, 최소 감도 간의 크기를 의미할 수 있다. 최대 감도와 최소 감도 간의 크기가 클수록, AF 콘트라스트가 높다고 볼 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제1 마이크로 렌즈(ML1)의 하부에 배치되는 제2 포토 다이오드(RPD1)의 신호와, 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 하부에 배치되는 제1 포토 다이오드(LPD2)의 신호는 각각 서로 반대되는 입사각에서, 가장 높은 감도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 해당 전기적 신호의 데이터들은 AF 픽셀의 감도와 관련한 좌우 데이터 쌍으로 활용할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제1 마이크로 렌즈(ML1)의 하부에 배치되는 제1 포토 다이오드(LPD1)의 신호의 최대값과, 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 하부에 배치되는 제2 포토 다이오드(RPD2)의 신호 사이의 최소값 사이의 크기를 AF 콘트라스트 값으로 활용할 수 있다. 따라서, 해당 전기적 신호의 데이터들은 AF 픽셀의 콘트라스트와 관련한 좌우 데이터 쌍으로 활용할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈에 의해 얻어지는 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 4개의 서브 픽셀들(Sbp1-Sbp4)을 포함하는 공유 픽셀(SP0)의 상부에 마이크로 렌즈(ML1-ML4)가 배치된 이미지 센서의 상면도가 개시된다. 이는 도 4a에서 도시된 구조와 동일한 바, 중복되는 설명은 생략한다.
도 6a를 참조하면, 제1 서브 픽셀(Sbp1)의 오른쪽 방향에 배치된 제2 포토 다이오드(RPD1)와, 제2 서브 픽셀(Sbp2)의 왼쪽 방향에 배치된 제1 포토 다이오드(LPD2)와, 제3 서브 픽셀(Sbp3)의 오른쪽 방향에 배치된 제2 포토 다이오드(RPD3)와, 제4 서브 픽셀(Sbp4)의 왼쪽 방향에 배치된 제1 포토 다이오드(LPD4)에서 인가되는 전기적 신호의 데이터는, AF 감도가 높은 데이터 쌍일 수 있다. 이 때, 제2 포토 다이오드(RPD1)와, 제1 포토 다이오드(LPD2)에서 인가된 전기적 신호의 데이터를 좌우 데이터 쌍으로, 2 포토 다이오드(RPD3)와, 제1 포토 다이오드(LPD4)에서 인가된 전기적 신호의 데이터를 좌우 데이터 쌍으로 분류할 수 있다.
도 6a를 참조하면, 제1 서브 픽셀(Sbp1)의 왼쪽 방향에 배치된 제1 포토 다이오드(LPD1)와, 제2 서브 픽셀(Sbp2)의 오른쪽 방향에 배치된 제2 포토 다이오드(RPD2)와, 제3 서브 픽셀(Sbp3)의 왼쪽 방향에 배치된 제1 포토 다이오드(LPD3)와, 제4 서브 픽셀(Sbp4)의 오른쪽 방향에 배치된 제2 포토 다이오드(RPD4)에서 인가되는 전기적 신호의 데이터는, AF 콘트라스트가 높은 데이터 쌍일 수 있다. 이 때, 제1 포토 다이오드(LPD1)와, 제2 포토 다이오드(RPD2)에서 인가된 전기적 신호의 데이터를 좌우 데이터 쌍으로, 제1 포토 다이오드(LPD3)와, 제2 포토 다이오드(RPD4)에서 인가된 전기적 신호의 데이터를 좌우 데이터 쌍으로 분류할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 공유 픽셀이 포함하는 복수의 서브 픽셀들(Sbp1'-Sbp4')에 포함되어 있는 포토 다이오드들이 도 6a와 상이한 방향으로 배치되어 있는 경우를 도시한다. 도 6b를 참조하면, 각각의 서브 픽셀들(Sbp1'-Sbp4')에 포함된 제1 포토 다이오드(LPD1'-LPD4')와 제2 포토 다이오드들(RPD1'-RPD4')은, 각각의 서브 픽셀들(Sbp1'-Sbp4') 내에서 Y축 방향으로 나란히 배치될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 제1 서브 픽셀(Sbp1')의 아래쪽에 배치된 제3 포토 다이오드(LPD1')와, 제2 서브 픽셀(Sbp2')의 아래쪽에 배치된 제3 포토 다이오드(LPD2')와, 제3 서브 픽셀(Sbp3')의 위쪽에 배치된 제4 포토 다이오드(RPD3')와, 제4 서브 픽셀(Sbp4')의 위쪽에 배치된 제4 포토 다이오드(RPD4')에서 인가되는 전기적 신호의 데이터는, AF 감도가 높은 데이터 쌍일 수 있다.
제1 서브 픽셀(Sbp1')의 위쪽에 배치된 제4 포토 다이오드(RPD1')와, 제2 서브 픽셀(Sbp2')의 위쪽에 배치된 제4 포토 다이오드(RPD2')와, 제3 서브 픽셀(Sbp3')의 아래쪽에 배치된 제3 포토 다이오드(LPD3')와, 제4 서브 픽셀(Sbp4')의 아래쪽에 배치된 제3 포토 다이오드(LPD4')에서 인가되는 전기적 신호의 데이터는, AF 콘트라스트가 높은 데이터 쌍일 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 서브 픽셀에 포함된 포토 다이오드의 배치 방향에 따라 AF 감도가 높은 데이터 쌍과, AF 콘트라스트가 높은 데이터 쌍을 결정하는 대상이 되는 포토 다이오드는 달라질 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 공유 픽셀의 중심점(Center)을 기준으로 인접하는 포토 다이오드들에 인가되는 전기적 신호들은 AF 감도가 높은 좌우 데이터 쌍으로 분류할 수 있고, 공유 픽셀의 중심점과 인접하지 않는 포토 다이오드들에 인가되는 전기적 신호들은 AF 콘트라스트가 높은 좌우 데이터 쌍으로 분류할 수 있다.
도 1의 프로세서(1200)는, 이와 같은 전기적 신호의 데이터들을 목적에 맞게 데이터를 분석하거나, 처리할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 프로세서(1200)는 AF 감도가 높은 데이터 쌍들을 이용하여, AF 감도를 조절하기 위한 상황에서 해당 데이터들을 적용할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 프로세서(1200)는 AF 콘트라스트가 높은 데이터 쌍들을 이용하여, AF 콘트라스트를 조절하기 위한 상황에서 해당 데이터들을 적용할 수 있다.
도 7은, 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, X축 방향으로 나란히 배치되는 공유 픽셀들 2개의 단면도가 개시된다. 도 7을 참조하면, 공유 픽셀의 상부에 배치되는 복수의 마이크로 렌즈들(ML11, ML12, ML13, ML14)이 개시된다.
도 7을 참조하면, 공유 픽셀의 상부에 배치되는 복수의 마이크로 렌즈들(ML11, ML12, ML13, ML14)은 X축 방향으로 쉬프트(Shift) 되어 배치될 수 있다. 복수의 마이크로 렌즈들(ML11, ML12, ML13, ML14)은 쉬프트 라인(Shift Line)에 따라 X축 방향으로 쉬프트 되어 배치될 수 있다. 복수의 마이크로 렌즈들(ML11, ML12, ML13, ML14)의 배치 위치들은 촬상부(도 1; 1100)의 렌즈(도 1; 1110)와의 상대적인 위치에 따라 달라질 수 있다. 복수의 마이크로 렌즈들(ML11, ML12, ML13, ML14)이 렌즈(도 1; 1110)의 중심점으로부터 멀어질수록 복수의 마이크로 렌즈들(ML11, ML12, ML13, ML14)의 위치는 렌즈(도 1; 1110)의 중심점을 향해 쉬프트 될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 마이크로 렌즈(ML11)의 최고점(HP11)과 공유 픽셀의 중심점(C1) 사이의 X축 방향 거리(d1)는, 제1 마이크로 렌즈(ML11)의 최고점(HP11)과 공유 픽셀의 엣지점(E1) 사이의 X축 방향 거리(d2)보다 작은 값을 가질 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML12)의 최고점(HP12)과 공유 픽셀의 중심점(C1) 사이의 X축 방향 거리(d3)는, 제1 마이크로 렌즈(ML12)의 최고점(HP12)과 공유 픽셀의 엣지점(E2) 사이의 X축 방향 거리(d4)보다 작은 값을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 제1 마이크로 렌즈(ML11)의 최고점(HP11)과 공유 픽셀의 중심점(C1) 사이의 X축 방향 거리(d1)와, 제2 마이크로 렌즈(ML12)의 최고점(HP12)과 공유 픽셀의 중심점(C1) 사이의 X축 방향 거리(d3)는 동일한 값일 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 제1 마이크로 렌즈(ML11)의 지름은 2R일 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML11)의 최고점(HP11)과 공유 픽셀의 중심점(C1) 사이의 X축 방향 거리(d1)는 R보다 작은 값일 수 있다.
도 7을 참조하면, 제3 마이크로 렌즈(ML13)의 최고점(HP13)의 높이(h1)와 제4 마이크로 렌즈(ML14)의 최고점(HP14)의 높이(h4)는 동일할 수 있다. 제3 마이크로 렌즈(ML13)의 최저점(E2)의 높이(h2)와 제4 마이크로 렌즈(ML14)의 최저점(E3)의 높이(h5)는 동일할 수 있다. 제3 마이크로 렌즈(ML3)의 엣지점(E2)에서의 최저점의 높이(h2)와 제3 마이크로 렌즈(ML14)가 포함된 공유 픽셀의 중심점(C2)에서의 최저점의 높이(h3)는 상이할 수 있다. 제3 마이크로 렌즈(ML3)의 엣지점(E2)에서의 최저점의 높이(h2)는, 제3 마이크로 렌즈(ML14)가 포함된 공유 픽셀의 중심점(C2)에서의 최저점의 높이(h3)보다 낮을 수 있다.
도 8은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈에 대한 평면도이다. 도 8에서는, 설명의 편의를 위해 서브 픽셀들(Sbp21, Sbp22)과 마이크로 렌즈들(ML21-ML22)을 분리하여 도시하였다.
도 8을 참조하면, 공유 픽셀은 2개의 서브 픽셀(Sbp21, Sbp22)을 포함할 수 있다. 2개의 서브 픽셀(Sbp21, Sbp22) 각각은 제1 포토 다이오드(LPD21, LPD22)와, 제2 포토 다이오드(RPD21, RPD22)를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 2개의 서브 픽셀(Sbp21, Sbp22) 각각의 상부에 배치되는 제1 마이크로 렌즈(ML21)와, 제2 마이크로 렌즈(ML22)는 서로 대칭되는 구조를 가질 수 있다.
도 8의 예시적인 실시예에 따르면, 공유 픽셀은 N*N 개가 아닌 개수의 서브 픽셀들(Sbp21, Sbp22)을 포함할 수 있으며, 공유 픽셀이 포함하는 서브 픽셀들의 개수에 따라 마이크로 렌즈의 구체적인 형상은 달라질 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML21)와, 제2 마이크로 렌즈(ML22)는 공유 픽셀의 중심점(Center)을 기준으로 하여 대칭일 수 있다.
도 8에서는, 제1 마이크로 렌즈(ML21)의 최고점(HP21)과, 제2 마이크로 렌즈(ML22)의 최고점(HP22)이 공유 픽셀의 중심점(Center)과 같은 라인 상에 배치되어 있으나, 본 개시는 이에 한정되지 아니할 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML21)의 최고점(HP21)과, 제2 마이크로 렌즈(ML22)의 최고점(HP22)은 공유 픽셀의 중심점(Center)과 다른 라인 상에 배치될 수도 있다. 제1 마이크로 렌즈(ML21)의 최고점(HP21)은 제1 서브 픽셀(Sbp21)의 우측 포토 다이오드(RPD21)가 대응하는 영역 내에서 배치될 수 있고, 제2 마이크로 렌즈(ML22)의 최고점(HP22)은 제2 서브 픽셀(Sbp22)의 좌측 포토 다이오드(LPD22)가 대응하는 영역 내에서 배치될 수 있다.
도 9는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈에 대한 평면도이다. 도 9에서는, 설명의 편의를 위해 서브 픽셀들(Sbp31-Sbp39)과 마이크로 렌즈들(ML31-ML39)을 분리하여 도시하였다.
도 9를 참조하면, 3*3개의 서브 픽셀들(Sbp31-Sbp39)과, 복수의 서브 픽셀들(Sbp31-Sbp39) 각각의 상부에 배치되며, 서브 픽셀들의 개수에 대응하는 3*3개의 마이크로 렌즈들(ML31-ML39)이 개시된다. 도 9에 도시된 3*3개의 서브 픽셀들(Sbp31-Sbp39) 각각은, 2개의 포토 다이오드들을 각각 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1 마이크로 렌즈(ML31), 제3 마이크로 렌즈(ML33), 제7 마이크로 렌즈(ML37) 및 제9 마이크로 렌즈(ML39)는 공유 픽셀의 중심점(Center)에 배치된 제5 마이크로 렌즈(ML35)와 대각선 방향으로 인접하도록 배치된 마이크로 렌즈들일 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML32), 제4 마이크로 렌즈(ML34), 제6 마이크로 렌즈(ML36) 및 제8 마이크로 렌즈(ML38)는, 공유 픽셀의 중심점(Center)에 배치된 제5 마이크로 렌즈(ML35)와, X축 방향 또는 Y축 방향으로 인접하여 배치된 마이크로 렌즈들일 수 있다.
도 9에서 도시된 B'은, 공유 픽셀의 중심점(Center)에 배치된 제5 마이크로 렌즈(ML35)의 중심점(HP35)과, 제1 마이크로 렌즈(ML31)의 최고점(HP31) 또는 제3 마이크로 렌즈(ML33)의 최고점(HP33) 또는 제7 마이크로 렌즈(ML37)의 최고점(HP37) 또는 제9 마이크로 렌즈(ML39)의 최고점(HP39) 사이의 거리를 의미할 수 있다.
도 9에서 도시된 C'은, 공유 픽셀의 중심점(Center)에 배치된 제5 마이크로 렌즈(ML35)의 중심점(HP35)과, 제2 마이크로 렌즈(ML32)의 최고점(HP32), 제4 마이크로 렌즈(ML34)의 최고점(HP34), 제6 마이크로 렌즈(ML36)의 최고점(HP36) 및 제8 마이크로 렌즈(ML38)의 최고점(HP38) 사이의 거리를 의미할 수 있다.
공유 픽셀의 X축 방향 길이는 A'일 수 있다. A'와 B' 사이의 관계를 수식으로 나타내면 다음과 같을 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 공유 픽셀의 X축 방향 길이가 A'일 때, 공유 픽셀의 Y축 방향 길이도 A'일 수 있다. 공유 픽셀의 X축 방향의 라인과, Y축 방향의 라인을 잇는 대각선의 길이는 일 수 있다. 공유 픽셀의 X축 방향의 라인과, Y축 방향의 라인을 잇는 대각선은 제3 마이크로 렌즈(ML33)와 제5 마이크로 렌즈(ML35) 및 제7 마이크로 렌즈(ML37)가 배치되는 영역을 관통할 수 있다. 의 값은, 공유 픽셀이 포함하는 9개의 마이크로 렌즈가 모두 동일한 곡률을 가지고 완전한 반구의 형태로 배치됨을 가정했을 때의, 공유 픽셀의 중심점(center)과, 대각선에 위치한 마이크로 렌즈의 중심점과의 거리를 의미할 수 있다. 의 값은, 공유 픽셀의 중심점(center)과, 공유 픽셀과 대각선에 위치한 마이크로 렌즈의 하부에 배치되는 서브 픽셀의 중심점과의 거리를 의미할 수도 있다.
도 9를 참조하면, 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 공유 픽셀의 중심점과, 공유 픽셀의 중심에 위치한 마이크로 렌즈와 대각선 방향으로 인접한 마이크로 렌즈의 최고점 사이의 거리 B'은, 보다 작은 값을 가질 수 있다. 즉, 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 최고점은 공유 픽셀의 중심점에 가깝도록 치우쳐질 수 있다.
공유 픽셀의 X축 방향 길이는 A'일 수 있다. A'와 C'과의 관계를 수식으로 나타내면 이하와 같다.
예시적인 실시예에 따르면, 공유 픽셀의 X축 방향 길이가 A'일 때, 공유 픽셀의 Y축 방향 길이도 A'일 수 있다. 의 값은, 공유 픽셀이 포함하는 9개의 마이크로 렌즈가 모두 동일한 곡률을 가지고 완전한 반구의 형태로 배치됨을 가정했을 때의, 공유 픽셀의 중심점과, X축 방향 및 Y축 방향으로 인접하게 위치한 마이크로 렌즈의 중심점과의 거리를 의미할 수 있다. 의 값은, 공유 픽셀의 중심점(center)과, 공유 픽셀과 X축 방향 및 Y축 방향으로 인접하게 위치한 마이크로 렌즈의 하부에 배치되는 서브 픽셀의 중심점과의 거리를 의미할 수도 있다.
도 9를 참조하면, 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 공유 픽셀의 중심점과, 중심에 위치한 마이크로 렌즈와 X축 및 Y축 방향으로 인접한 마이크로 렌즈의 최고점 사이의 거리 C'은, 보다 작은 값을 가질 수 있다. 즉, 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 최고점은 공유 픽셀의 중심점에 가깝도록 치우쳐질 수 있다.
도 9의 예시적인 실시예를 참조하면, 복수 개의 마이크로 렌즈들을 포함하는 픽셀 어레이의 경우, 공유 픽셀의 중심점(Center)을 포함하는 서브 픽셀(Sbp35)이 존재한다면 중심점에 배치되는 서브 픽셀(Sbp35)의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈(ML35)의 최고점(HP35)은 어느 한쪽으로 치우치지 않을 수 있다. 중심점에 배치되는 서브 픽셀(Sbp35)을 둘러싸는 마이크로 렌즈들(ML31-ML34, ML36-ML39)은, 공유 픽셀의 중심점(Center)을 향해 최고점이 치우쳐진 구조일 수 있다.
이와 같은 구조를 통해, 공유 픽셀의 중심점(Center)으로 빛을 집중시킬 수 있으며, 포토 다이오드에서 인가되는 전기적 신호를 분리하여 AF 감도가 높은 데이터와, AF 콘트라스트가 높은 데이터를 분류할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 서브 픽셀들을 포함하는 공유 픽셀; 및
    상기 복수의 서브 픽셀들의 상부에 배치되는 복수의 마이크로 렌즈들; 을 포함하고,
    상기 공유 픽셀은 하나의 컬러 패턴을 공유하며,
    상기 복수의 마이크로 렌즈들의 최고점은 상기 공유 픽셀의 중심점으로 치우쳐진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서브 픽셀은, 2개 이상의 포토 다이오드를 포함하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 서브 픽셀의 개수와 상기 마이크로 렌즈의 개수는 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈들의 최고점의 높이는 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈들의 형상은, 상기 공유 픽셀의 중심점을 기준으로 대칭되는 구조인 이미지 센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 공유 픽셀의 중심점에서의 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 최저점의 높이는,
    상기 공유 픽셀의 엣지점에서의 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 최저점의 높이보다 높은 이미지 센서.
  7. 제1 포토 다이오드와, 제2 포토 다이오드를 포함하는 제1 서브 픽셀;
    제3 포토 다이오드와, 제4 포토 다이오드를 포함하며, 상기 제1 서브 픽셀에 인접하여 배치되는 제2 서브 픽셀;
    상기 제1 서브 픽셀의 상부에 배치되는 제1 마이크로 렌즈; 및
    상기 제2 서브 픽셀의 상부에 배치되는 제2 마이크로 렌즈;를 포함하는 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서와 연결되어, 상기 이미지 센서의 데이터를 처리하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 제1 마이크로 렌즈의 최고점은 상기 제2 포토 다이오드가 배치되는 영역에 위치하며,
    상기 제2 마이크로 렌즈의 최고점은 상기 제3 포토 다이오드가 배치되는 영역에 위치하는 전자 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 포토 다이오드와, 상기 제3 포토 다이오드는 인접하여 배치되는 전자 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 포토 다이오드, 상기 제2 포토 다이오드, 상기 제3 포토 다이오드 및 상기 제4 포토 다이오드를 통해 제1 전기적 신호, 제2 전기적 신호, 제3 전기적 신호 및 제4 전기적 신호 각각을 획득하고,
    상기 제2 전기적 신호와 상기 제3 전기적 신호는, AF 감도가 높은 좌우 데이터 쌍이며,
    상기 제1 전기적 신호와 상기 제4 전기적 신호는 AF 콘트라스트가 높은 좌우 데이터 쌍인 전자 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈의 최고점의 높이와 상기 제2 마이크로 렌즈의 최고점의 높이는 동일한 전자 장치.
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