JP-2026076984-A - イメージセンサ及びこれを含む電子装置

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Abstract

【課題】イメージセンサ及びこれを含む電子装置を提供する。【解決手段】イメージセンサは、連続配列された複数の第１画素を含む第１画素グループ、連続配列された複数の第２画素を含む第２画素グループ、連続配列された複数の第３画素を含む第３画素グループ、及び連続配列された複数の第４画素を含む第４画素グループを含むセンサ基板；及び第１画素グループに対向する第１画素対応領域、第２画素グループに対向する第２画素対応領域、第３画素グループに対向する第３画素対応領域、第４画素グループに対向する第４画素対応領域を含み、第１ないし第４画素対応領域は、それぞれ１つ以上のナノポストを含み、入射光を波長によって分離し、緑色光を複数の第１画素、複数の第４画素にマルチフォーカシングし、青色光を第２画素グループに単一フォーカシングし、赤色光を第３画素グループに単一フォーカシングする、ナノ光学レンズアレイ；を含む。【選択図】図６

Inventors

盧淑英
文祥銀
魯堯煥
李載昊

Assignees

三星電子株式会社

Dates

Publication Date: 20260512
Application Date: 20251023
Priority Date: 20241024

Claims (20)

連続配列された複数の第１画素を含む第１画素グループ、連続配列された複数の第２画素を含む第２画素グループ、連続配列された複数の第３画素を含む第３画素グループ、及び連続配列された複数の第４画素を含む第４画素グループを含むセンサ基板と、前記第１画素グループに対向する第１画素対応領域、前記第２画素グループに対向する第２画素対応領域、前記第３画素グループに対向する第３画素対応領域、前記第４画素グループに対向する第４画素対応領域を含み、前記第１ないし第４画素対応領域は、それぞれ１つ以上のナノポストを含み、入射光を波長によって分離し、緑色光を前記複数の第１画素と前記複数の第４画素にマルチフォーカシングし、青色光を前記第２画素グループに単一フォーカシングし、赤色光を前記第３画素グループに単一フォーカシングするナノ光学レンズアレイと、を含む、イメージセンサ。
前記ナノ光学レンズアレイは、青色光に係わる焦点距離が緑色光に係わる焦点距離の８０％以上１２０％以下である、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第１画素対応領域のナノポストは、前記第１画素対応領域の中心を基準に、前記中心を含む所定領域以内で、４回対称を有するように配列される、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記所定領域の面積は、前記第１画素対応領域の全体面積の１／４である、請求項３に記載のイメージセンサ。
前記第１画素対応領域のナノポストは、第１画素対応領域の中心を基準に２回対称を有するように配列される、請求項３に記載のイメージセンサ。
前記第２画素対応領域を通過した直後の断面視において青色光位相分布での位相差πを示す距離は、前記第２画素対応領域の一幅を２ｐとするとき、ｐよりも大きく、１．２５ｐよりも小さい、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第３画素対応領域を通過した直後の断面視において赤色光位相分布での位相差πを示す距離は、前記第３画素対応領域の一幅を２ｐとするとき、１．２５ｐよりも小さい、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第１画素対応領域のナノポストのうち最大サイズのナノポストは、前記第１画素対応領域に対向する前記複数の第１画素の中心とそれぞれ整列されるように配置される、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第１画素対応領域のナノポストのうち最大サイズのナノポストは、前記第１画素対応領域に対向する前記複数の第１画素の中心に比べて、前記第１画素対応領域を中心に向かう方向に所定距離ほどシフトされるように配置される、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第１画素対応領域で最も隣接したナノポストの中心間の第１方向距離は、第１周期であり、前記第２画素対応領域で最も隣接したナノポストの中心間の第１方向距離は、第２周期であり、前記第３画素対応領域で最も隣接したナノポストの中心間の第１方向距離は、第３周期であり、前記第１周期と前記第２周期は、互いに異なる、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第１周期は、前記第２周期よりも小さい、請求項１０に記載のイメージセンサ。
前記第２周期と前記第３周期は、互いに同一である、請求項１０に記載のイメージセンサ。
前記第２画素対応領域のナノポストのうち最大サイズのナノポストは、前記第２画素対応領域に対向する前記複数の第２画素の中心とそれぞれ整列されるように配置される、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第３画素対応領域のナノポストのうち最大サイズのナノポストは、前記第３画素対応領域に対向する前記第３画素グループの中心と整列されるように配置される、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記複数のナノポストのうち最大サイズのナノポストは、前記第３画素対応領域に位置する、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第１画素対応領域のナノポスト数が前記第２画素対応領域のナノポスト数よりも多い、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第１画素グループ、前記第２画素グループ、前記第３画素グループ、前記第４画素グループは、それぞれ複数個であり、前記ナノ光学レンズアレイは、入射光を波長によって分離し、緑色光の一部を前記複数の第１画素グループのうち１つに単一フォーカシングし、緑色光の他の一部を前記複数の第４画素グループのうち１つに単一フォーカシングし、青色光を前記複数の第２画素グループのうち１つに単一フォーカシングし、赤色光を前記複数の第３画素グループのうち１つに単一フォーカシングするように複数のナノポストが配列された補充構造領域をさらに含む、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第１画素グループ、前記第２画素グループ、前記第３画素グループ、前記第４画素グループは、それぞれ複数個であり、前記ナノ光学レンズアレイは、入射光を波長によって分離し、緑色光の一部を前記複数の第１画素グループのうち１つに単一フォーカシングし、緑色光の他の一部を前記複数の第４画素グループの複数の第４画素にマルチフォーカシングし、青色光を前記複数の第２画素グループのうち１つに単一フォーカシングし、赤色光を前記複数の第３画素グループのうち１つに単一フォーカシングするように複数のナノポストが配列された補充構造領域をさらに含む、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記センサ基板と前記ナノ光学レンズアレイとの間に配置されたカラーフィルタアレイをさらに含む、請求項１に記載のイメージセンサ。
被写体の光学像を形成するレンズアセンブリーと、前記レンズアセンブリーが形成した光学像を電気的信号に変換するイメージセンサと、前記イメージセンサで生成された信号を処理するプロセッサと、を含み、前記イメージセンサは、連続配列された複数の第１画素を含む第１画素グループ、連続配列された複数の第２画素を含む第２画素グループ、連続配列された複数の第３画素を含む第３画素グループ、及び連続配列された複数の第４画素を含む第４画素グループを含むセンサ基板と、前記第１画素グループに対向する第１画素対応領域、前記第２画素グループに対向する第２画素対応領域、前記第３画素グループに対向する第３画素対応領域、前記第４画素グループに対向する第４画素対応領域を含み、前記第１ないし第４画素対応領域は、それぞれ１つ以上のナノポストを含み、入射光を波長によって分離し、緑色光を前記複数の第１画素、前記複数の第４画素にマルチフォーカシングし、青色光を前記第２画素グループに単一フォーカシングし、赤色光を前記第３画素グループに単一フォーカシングするナノ光学レンズアレイと、を含む、電子装置。

Description

本発明は、イメージセンサ及びこれを含む電子装置に関する。イメージセンサは、通常カラーフィルタを用いて入射光の色を感知する。ところが、カラーフィルタは、当該色の光を除いた残り色の光を吸収するので、光利用効率が低下しうる。例えば、ＲＧＢカラーフィルタを使用する場合、入射光の１／３のみを透過させ、残り２／３は、吸収してしまうので、光利用効率が３３％ほどに過ぎない。したがって、カラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサの場合、ほとんどの光損失がカラーフィルタで発生する。これにより、ナノポストを活用して色を分離する構造がイメージセンサに採用されており、色分離能を向上させるための多様な方案が模索されている。実施形態によるイメージセンサの概略的なブロック図である。実施形態によるイメージセンサの画素アレイが示すカラー配列を示す平面図である。実施形態によるイメージセンサの画素アレイに備えられるセンサ基板、ナノ光学レンズアレイ及びカラーフィルタアレイを示す平面図である。実施形態によるイメージセンサの画素アレイに備えられるセンサ基板、ナノ光学レンズアレイ及びカラーフィルタアレイを示す平面図である。実施形態によるイメージセンサの画素アレイに備えられるセンサ基板、ナノ光学レンズアレイ及びカラーフィルタアレイを示す平面図である。実施形態によるイメージセンサの画素アレイを互いに異なる断面で示す断面図である。実施形態によるイメージセンサの画素アレイを互いに異なる断面で示す断面図である。実施形態によるイメージセンサの画素アレイに備えられるナノ光学レンズアレイの複数の領域による集光レンズの大きさを概念的に示す平面図である。青色光、緑色光、赤色光がナノ光学レンズアレイを通過した直後の位置での位相分布を示す。青色光、緑色光、赤色光がナノ光学レンズアレイを通過した直後の位置での位相分布を示す。青色光、緑色光、赤色光がナノ光学レンズアレイを通過した直後の位置での位相分布を示す。実施形態によるイメージセンサの画素アレイに備えられるナノ光学レンズアレイのナノポスト配列形態を例示的に示す平面図である。他の実施形態によるイメージセンサの画素アレイに備えられるナノ光学レンズアレイのナノポスト配列形態を例示的に示す平面図である。さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素アレイに備えられるナノ光学レンズアレイの概念的な構造を例示的に示す平面図である。さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素アレイに備えられるナノ光学レンズアレイの概念的な構造を例示的に示す平面図である。さらに他の実施形態によるイメージセンサの画素アレイを例示的に示す断面図である。実施形態によるイメージセンサを含む電子装置を概略的に示すブロック図である。図１１の電子装置に備えられたカメラモジュールを概略的に示すブロック図である。マルチカメラモジュールを含む電子装置のブロック図である。図１３の電子装置に備えられた１つのカメラモジュールの詳細ブロック図である。以下、添付された図面を参照して実施形態を詳細に説明する。説明される実施形態は、ただ一例示に過ぎず、このような実施形態から多様な変形が可能である。以下の図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を指称し、図面上で各構成要素の大きさは、説明の明瞭性と便宜上、誇張されてもいる。以下、「上部」や「上」という記載は、接触して直ぐ上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含みうる。第１、第２などの用語は、多様な構成要素を説明するのに使用されうるが、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。このような用語は、構成要素の物質または構造が異なることを限定するものではない。単数表現は、文脈上、明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むということを意味する。また、明細書に記載の「部」、「モジュール」などの用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアまたはソフトウェアによって具現されるか、ハードウェアとソフトウェアとの結合によって具現されうる。「前記」の用語及びこれと類似した指示用語の使用は、単数及び複数の両方に該当するものでもある。方法を構成する段階は、説明順に行わなければならないという明白な言及がなければ、適当な順序で行われうる。また、全ての例示的な用語（例えば、など）の使用は、単に技術的思想を詳細に説明するためのものであって、請求項によって限定されない以上、このような用語によって権利範囲が限定されるものではない。図１は、一実施形態によるイメージセンサの概略的なブロック図である。図１を参照すれば、イメージセンサ１０００は、画素アレイ１１００、タイミングコントローラ１０１０、ロウデコーダ１０２０、及び出力回路１０３０を含みうる。イメージセンサは、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサまたは、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｍｅｔａｌｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサでもある。画素アレイ１１００は、複数のロウとカラムに沿って２次元配列された画素を含む。ロウデコーダ１０２０は、タイミングコントローラ１０１０から出力されたロウアドレス信号に応答して画素アレイ１１００のロウを１つ選択する。出力回路１０３０は、選択されたロウに沿って配列された複数の画素からカラム単位で光感知信号を出力する。このために、出力回路１０３０は、カラムデコーダとアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ；ａｎａｌｏｇｔｏｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を含みうる。例えば、出力回路１０３０は、カラムデコーダと画素アレイ１１００との間からカラム別にそれぞれ配置された複数のＡＤＣ、または、カラムデコーダの出力端に配置された１つのＡＤＣを含みうる。タイミングコントローラ１０１０、ロウデコーダ１０２０、及び出力回路１０３０は、１つのチップまたはそれぞれ別個のチップとして具現されうる。出力回路１０３０を通じて出力された映像信号を処理するためのプロセッサがタイミングコントローラ１０１０、ロウデコーダ１０２０、及び出力回路１０３０と共に１つのチップとして具現されうる。画素アレイ１１００は、互いに異なる波長の光を感知する複数の画素を含みうる。画素の配列は、多様な方式で具現されうる。画素アレイ１１００は、互いに異なる波長の光を感知する複数の画素を含みうる。画素の配列は、多様な方式で具現されうる。図２Ａは、実施形態によるイメージセンサの画素アレイが示すカラー配列を示す平面図であり、図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄは、実施形態によるイメージセンサの画素アレイに備えられるセンサ基板、ナノ光学レンズアレイ及びカラーフィルタアレイを示す平面図である。図２Ａに図示されたカラー配列は、ベイヤーパターン（ＢａｙｅｒＰａｔｔｅｒｎ）と類似しているが、同じカラーが２×２配列で隣接して示される配列である点で、一般的なベイヤーパターンと差がある。緑色（Ｇ）カラーの２×２配列、青色（Ｂ）カラーの２×２配列、赤色（Ｒ）カラーの２×２配列、及び緑色（Ｇ）カラーの２×２配列が単位パターンＵＰをなし、このような単位パターンＵＰが第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って２次元的に繰り返し配列される。このようなカラー配列は、マイクロイメージセンサで感度向上のために使用されうる。図２Ａのカラー配列は、例示的なものであり、それに限定されない。例えば、１つの単位パターンでマゼンタ（Ｍａｇｅｎｔａ）、シアン（Ｃｙａｎ）、イエロー（Ｙｅｌｌｏｗ）、及び緑色（Ｇｒｅｅｎ）が示されるＣＹＧＭ方式の配列や、１つの単位パターンで緑色、赤色、青色、及び白色が示されるＲＧＢＷ方式の配列が使用されうる。また、単位パターンが３×２アレイ状に具現され、その他にも画素アレイ１１００の画素は、イメージセンサ１０００の色特性によって多様な方式で配列されうる。以下の説明は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に基づくカラー配列を例示して説明するが、他の形態のカラー配列に変更して適用されうる。イメージセンサ１０００の画素アレイ１１００は、このようなカラー配列に相応する画素配列を有するセンサ基板１１０と、入射光を波長によって分離し、各画素に対応する波長の光を集光するナノ光学レンズアレイ１３０を備えることができる。図２Ｂ及び図２Ｃは、このようなセンサ基板１１０及びナノ光学レンズアレイ１３０を示す平面図である。図２Ｂを参照すれば、センサ基板１１０は、入射光を感知、すなわち、入射光を電気的信号に変換して映像信号を生成する複数の画素ＰＸを含みうる。センサ基板１１０は、複数の単位画素グループ１１０Ｇを含みうる。単位画素グループ１１０Ｇは、図２Ａに示す単位パターンＵＰと一対一で対応する。単位画素グループ１１０Ｇは、第１画素グループ１１１、第２画素グループ１１２、第３画素グループ１１３、第４画素グループ１１４を含む。第１画素グループ１１１、第２画素グループ１１２、第３画素グループ１１３、第４画素グループ１１４は、第１方向（Ｘ方向）、第２方向（Ｙ方向）に沿って２×２配列される。第１画素グループ１１１は、２×２に配列された４つの第１画素１１、１２、１３、１４を含み、第２画素グループ１１２は、２×２に配列された４つの第２画素２１、２２、２３、２４を含み、第３画素グループ１１３は、２×２に配列された４つの第３画素３１、３２、３３、３４を含み、第４画素グループ１１４は、２×２に配列された４つの第４画素４１、４２、４３、４４を含む。センサ基板１１０の画素配列は、入射光を図２Ａに図示されたような配列のカラーで区分してセンシングするためのものである。第１画素グループ１１１と第４画素グループ１１４は、緑色光に対応し、第２画素グループ１１２は、青色光、第３画素グループ１１３は、赤色光に対応しうる。以下、第１画素グループは、第１緑色画素グループ、第２画素グループは、青色画素グループ、第３画素グループは、赤色画素グループ、第４画素グループは、第２緑色画素グループと名称が混用されうる。また、第１画素は、第１緑色画素、第２画素は、青色画素、第３画素は、赤色画素、第４画素は、第２緑色画素と名称が混用されうる。図示された画素ＰＸは、それぞれ、独立して入射光を感知する光感知セルを含みうる。個別画素、すなわち、第１画素グループ１１１の４つの第１画素１１、１２、１３、１４、第２画素グループ１１２の４つの第２画素２１、２２、２３、２４、第３画素グループ１１３の４つの第３画素３１、３２、３３、３４、第４画素グループ１１４の４つの第４画素４１、４２、４３、４４は、それぞれ独立した映像画素として使用されうる。第１画素グループ１１１の４つの第１画素１１、１２、１３、１４、第２画素グループ１１２の４つの第２画素２１、２２、２３、２４、第３画素グループ１１３の４つの第３画素３１、３２、３３、３４、第４画素グループ１１４の４つの第４画素４１、４２、４３、４４のうち一部画素は、自動焦点画素として活用されうる。このような一部画素は、自動焦点信号生成用のみで活用され、独立した映像画素として使用されない。但し、これは、例示的なものであり、それに限定されず、複数の画素それぞれは、映像信号生成用、自動焦点信号生成用としていずれも活用されうる。自動焦点信号は、隣接した自動焦点画素の出力信号間の差から獲得されうる。例えば、第２画素グループ１１２内の４つの第２画素２１、２２、２３、２４が自動焦点画素として活用される場合、左側の２つの第２画素２１、２３の出力信号の和と右側の２つの第２画素２２、２４の出力信号の和との差から自動焦点信号を生成しうる。隣接する画素ＰＸは、隔離