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公開番号2025107579
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-18
出願番号2025002873
出願日2025-01-08
発明の名称ナノ光学レンズアレイを具備するイメージセンサ及びこれを含む電子装置
出願人三星電子株式会社,Samsung Electronics Co.,Ltd.
代理人個人,個人
主分類H10F 39/12 20250101AFI20250711BHJP()
要約【課題】ナノ光学レンズアレイを具備する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、第1画素、第2画素、第3画素、及び第4画素を具備する複数の単位画素パターンを含むセンサ基板と、第1画素に対応する第1メタ領域、第2画素に対応する第2メタ領域、第3画素に対応する第3メタ領域、及び第4画素に対応する第4メタ領域を具備する複数の単位メタパターンを含むナノ光学レンズアレイと、を含み、第1ないし第4メタ領域それぞれは、ナノ光学レンズアレイのそれぞれの単位メタパターンに入射する入射光を色分離し、色分離された光を第1ないし第4画素に集光するように配列された複数のナノ構造物を含み、複数の単位メタパターンの間に光の交換が起こらず、単位メタパターン別に独立して色分離及び集光が起こるように複数のナノ構造物が配列される。
【選択図】図3A
特許請求の範囲【請求項１】
光を感知する第１画素、第２画素、第３画素、及び第４画素を具備し、第１方向及び第２方向に沿って二次元的に配列された複数の単位画素パターンを含むセンサ基板と、
前記第１画素に対応する第１メタ領域、前記第２画素に対応する第２メタ領域、前記第３画素に対応する第３メタ領域、及び前記第４画素に対応する第４メタ領域を具備し、第１方向及び第２方向に沿って二次元的に配列された複数の単位メタパターンを含むナノ光学レンズアレイと、
を含み、
前記第１ないし第４メタ領域それぞれは、前記ナノ光学レンズアレイのそれぞれの単位メタパターンに入射する入射光を色分離し、色分離された光を第１ないし第４画素に集光するように配列された複数のナノ構造物を含み、
前記複数の単位メタパターンそれぞれにおいて、複数のナノ構造物の断面積分布は、前記複数の単位メタパターンそれぞれの中心を基準として第１方向、第２方向、第１対角線方向、及び第２対角線方向に非対称であり、
前記複数の単位メタパターンそれぞれにおいて、前記第１メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布と、前記第４メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布とは、前記複数の単位メタパターンそれぞれの中心を基準として１８０°回転対称関係である、イメージセンサ。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
前記第１メタ領域、第２メタ領域、第３メタ領域、及び第４メタ領域において、複数のナノ構造物の高さ、位置、及び周期が互いに同一である、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記第１メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布、第２メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布、第３メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布、及び第４メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布は、前記複数の単位メタパターンの間に光の交換が起こらず、単位メタパターン別に独立して色分離及び集光が起こるように決定される、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記第１メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布は、前記第１メタ領域の中心を基準として第１方向、第２方向、第１対角線方向、及び第２対角線方向に非対称であり、
前記第４メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布は、前記第１メタ領域の中心を基準として第１方向、第２方向、第１対角線方向、及び第２対角線方向に非対称である、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記第１メタ領域の複数のナノ構造物のうち、前記第２メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延、及び前記第３メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延が他のナノ構造物による光の位相遅延より大きく、
前記第４メタ領域の複数のナノ構造物のうち、前記第２メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延、及び前記第３メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延が他のナノ構造物による光の位相遅延より大きい、請求項４に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
前記第１メタ領域の中心を第１方向に沿って通る水平中心線に対して第２方向に互いに対向する２つのナノ構造物の複数の対のうち少なくとも一対のナノ構造物が互いに異なる断面積を有し、
前記第１メタ領域の中心を第２方向に沿って通る垂直中心線に対して第１方向に互いに対向する２つのナノ構造物の複数の対のうち少なくとも一対のナノ構造物が互いに異なる断面積を有し、
前記第１メタ領域の中心を通る第１対角線に対して互いに対向する２つのナノ構造物の複数の対のうち少なくとも一対のナノ構造物が互いに異なる断面積を有し、
前記第１メタ領域の中心を通る第２対角線に対して互いに対向する２つのナノ構造物の複数の対のうち少なくとも一対のナノ構造物が互いに異なる断面積を有し、
前記第１メタ領域が属する単位メタパターンと異なる単位メタパターンに隣接し、第２対角線を基準として対向する２つのナノ構造物が同一の断面積を有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項７】
前記第４メタ領域の中心を第１方向に沿って通る水平中心線に対して第２方向に互いに対向する２つのナノ構造物の複数の対のうち少なくとも一対のナノ構造物が互いに異なる断面積を有し、
前記第４メタ領域の中心を第２方向に沿って通る垂直中心線に対して第１方向に互いに対向する２つのナノ構造物の複数の対のうち少なくとも一対のナノ構造物が互いに異なる断面積を有し、
前記第４メタ領域の中心を通る第１対角線に対して互いに対向する２つのナノ構造物の複数の対のうち少なくとも一対のナノ構造物が互いに異なる断面積を有し、
前記第４メタ領域の中心を通る第２対角線に対して互いに対向する２つのナノ構造物の複数の対のうち少なくとも一対のナノ構造物が互いに異なる断面積を有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
前記第４メタ領域が属する単位メタパターンと異なる単位メタパターンに隣接し、第２対角線を基準として対向する２つのナノ構造物が同一の断面積を有する、請求項７に記載のイメージセンサ。
【請求項９】
前記第２メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布は、前記第２メタ領域の中心を基準として第１対角線方向に対称であり、第１方向、第２方向、及び第２対角線方向に非対称であり、
前記第３メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布は、前記第２メタ領域の中心を基準として第１対角線方向に対称であり、第１方向、第２方向、及び第２対角線方向に非対称である、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
前記第２メタ領域の複数のナノ構造物のうち、前記第１メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延、及び前記第４メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延が他のナノ構造物による光の位相遅延より大きく、
前記第３メタ領域の複数のナノ構造物のうち、前記第１メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延、及び前記第４メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延が他のナノ構造物による光の位相遅延より大きい、請求項９に記載のイメージセンサ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ光学レンズアレイを具備するイメージセンサ及びこれを含む電子装置に関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
イメージセンサは、通常、カラーフィルタを利用して、入射光の色を感知する。しかし、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ため、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、光利用効率が約３３％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生じることになる。
【０００３】
また、一般的なイメージセンサは、互いに異なる色相の光を感知する画素が周期的に配列された構造を有するため、イメージセンサ上の全ての領域から同一色相の情報が得られない。したがって、アンダーサンプリングによる解像度劣化が生じ、損失されたカラー情報を復元するための映像処理過程でアーティファクト（artifact）が生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、ナノ光学レンズアレイを具備し、向上した光効率を有するイメージセンサ及びこれを含む電子装置を提供することである。
【０００５】
本発明が解決しようとする他の課題は、映像処理過程でデモザイキング（demosaicing）が不要であるように構成されたナノ光学レンズアレイを具備するイメージセンサ及びこれを含む電子装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態によるイメージセンサは、光を感知する第１画素、第２画素、第３画素、及び第４画素を具備し、第１方向及び第２方向に沿って二次元的に配列された複数の単位画素パターンを含むセンサ基板と、前記第１画素に対応する第１メタ領域、前記第２画素に対応する第２メタ領域、前記第３画素に対応する第３メタ領域、及び前記第４画素に対応する第４メタ領域を具備し、第１方向及び第２方向に沿って二次元的に配列された複数の単位メタパターンを含むナノ光学レンズアレイと、を含み、前記第１ないし第４メタ領域それぞれは、前記ナノ光学レンズアレイのそれぞれの単位メタパターンに入射する入射光を色分離し、色分離された光を第１ないし第４画素に集光するように配列された複数のナノ構造物を含み、前記複数の単位メタパターンそれぞれにおいて、複数のナノ構造物の断面積分布は、前記複数の単位メタパターンそれぞれの中心を基準として第１方向、第２方向、第１対角線方向、及び第２対角線方向に非対称であり、前記複数の単位メタパターンそれぞれにおいて、前記第１メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布と、前記第４メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布とは、前記複数の単位メタパターンそれぞれの中心を基準として１８０°回転対称関係である。
【０００７】
前記第１メタ領域、第２メタ領域、第３メタ領域、及び第４メタ領域において、複数のナノ構造物の高さ、位置、及び周期が互いに同一である。
【０００８】
前記第１メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布、第２メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布、第３メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布、及び第４メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布は、前記複数の単位メタパターンの間に光の交換が起こらず、単位メタパターン別に独立して色分離及び集光が起こるように決定されうる。
【０００９】
前記第１メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布は、前記第１メタ領域の中心を基準として第１方向、第２方向、第１対角線方向、及び第２対角線方向に非対称であり、前記第４メタ領域内の複数のナノ構造物の断面積分布は、前記第１メタ領域の中心を基準として第１方向、第２方向、第１対角線方向、及び第２対角線方向に非対称である。
【００１０】
前記第１メタ領域の複数のナノ構造物のうち、前記第２メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延、及び前記第３メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延が他のナノ構造物による光の位相遅延より大きく、前記第４メタ領域の複数のナノ構造物のうち、前記第２メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延、及び前記第３メタ領域に隣接するナノ構造物による光の位相遅延が他のナノ構造物による光の位相遅延より大きい。
（【００１１】以降は省略されています）

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