KR20210046989A - 개선된 감도를 가지는 이미지 센서 및 이미지 센싱 방법 - Google Patents

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KR20210046989A
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조양호
한승훈
최규환
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삼성전자주식회사
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Abstract

이미지 센서는 박형 렌즈 엘리먼트를 통해 컬러 정보를 센싱하고, 마이크로 렌즈 엘리먼트를 통해 밝기 정보를 센싱하며, 센싱된 컬러 정보 및 밝기 정보로부터 새로운 장면 이미지를 복원할 수 있다.

Description

개선된 감도를 가지는 이미지 센서 및 이미지 센싱 방법{IMAGE SENSOR AND IMAGE SENSING METHOD WITH IMPROVED SENSITIVITY}
이하, 이미지 센서 관련 기술이 제공된다.
광학 기술 및 영상 처리 기술의 발달로 인해, 멀티미디어 컨텐츠, 보안 및 인식 등 광범위한 분야에 촬영 장치가 활용되고 있다. 예를 들어, 촬영 장치는 모바일 기기, 카메라, 차량 및 컴퓨터 등에 탑재되어, 영상을 촬영하거나, 객체를 인식하거나, 기기를 제어하기 위한 데이터를 획득할 수 있다. 촬영 장치의 부피는 렌즈의 사이즈, 렌즈의 초점 거리(focal length) 및 센서의 사이즈 등에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 렌즈의 사이즈와 센서의 사이즈에 기반하여 촬영 장치의 부피가 조절될 수 있다. 센서의 사이즈가 감소함에 따라, 센서에 입사되는 광량이 감소할 수 있다. 이에 따라, 영상의 해상도가 낮아지거나, 저조도 환경에서의 촬영이 어려울 수 있다. 촬영 장치의 부피를 감소시키기 위해, 소형 렌즈들로 구성된 멀티 렌즈가 이용될 수 있다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는 상기 이미지 센서로 입사되는 빛 중 일부 파장 대역의 빛을 집광(concentrate)하도록 배치된 복수의 산란체들(scatters)을 포함하는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(thin lens elements); 상기 일부 파장 대역보다 넓은 파장 대역의 빛을 집광하는 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array); 및 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빛을 센싱하는 센싱 엘리먼트를 포함할 수 있다.
상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 적어도 두 박형 렌즈 엘리먼트들은 서로 다른 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다.
상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 제1 박형 렌즈 엘리먼트는 제1 색상에 대응하는 제1 파장 대역의 빛을 통과시키고, 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 제2 박형 렌즈 엘리먼트는 제2 색상에 대응하는 제2 파장 대역의 빛을 통과시키며, 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 제3 박형 렌즈 엘리먼트는 제3 색상에 대응하는 제3 파장 대역의 빛을 통과시키고, 상기 제1 색상, 상기 제2 색상, 및 상기 제3 색상은 서로 다를 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 상기 제1 파장 대역, 상기 제2 파장 대역, 및 상기 제3 파장 대역을 포함하는 범위 이상의 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다.
상기 센싱 엘리먼트가 배열된 센싱 어레이의 평면 상에 초점을 형성하도록 배치될 수 있다.
이미지 센서는 센싱 엘리먼트가 배열된 센싱 어레이에서 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들에 의해 커버되는 센싱 영역으로부터 색도 정보(chrominance information)를 산출하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이에 의해 커버되는 센싱 영역으로부터 밝기 정보(luminance information)를 산출하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 색도 정보 및 상기 밝기 정보에 기초하여 장면 이미지를 생성할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 어레이 평면을 따라 배치되는 복수의 마이크로 렌즈 엘리먼트들을 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 복수의 마이크로 렌즈 엘리먼트들을 통해 상기 센싱 엘리먼트에 의해 수신되는 빛에 기초하여 복안 시야 이미지를 획득하고, 상기 복안 시야 이미지에 기초하여 상기 밝기 정보를 산출할 수 있다.
상기 복수의 산란체들의 각각은, 해당 산란체로 입사된 빛의 위상을 지연시킴으로써 상기 빛의 경로를 변경할 수 있다.
상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들의 각각은, 해당 박형 렌즈 엘리먼트에 포함된 복수의 산란체들의 형상, 배열, 및 간격에 따른 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다.
이미지 센서는 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 마이크로 렌즈 어레이로부터 상기 센싱 엘리먼트 사이에 배치되는 투명 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 투명 기판은, 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 한 박형 렌즈 엘리먼트에 의해 커버되는 센싱 영역으로 다른 렌즈 엘리먼트를 통과한 빛이 입사하는 것을 차단하는 차단부(block unit)를 포함할 수 있다.
상기 차단부는, 상기 센싱 영역의 외곽 경계 중 적어도 일부를 따라 배치될 수 있다.
상기 투명 기판은, 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 초점 거리만큼 상기 센싱 엘리먼트로부터 이격시키고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 상기 투명 기판의 일면 상에 형성될 수 있다.
상기 복수의 산란체들은, 상기 투명 기판의 일면에 배치될 수 있다.
상기 복수의 산란체들 중 적어도 일부 산란체는, 상기 투명 기판의 외부로 돌출되고, 상기 복수의 산란체들 중 나머지 산란체는, 상기 투명 기판의 내부에 형성될 수 있다.
상기 복수의 산란체들 중 적어도 일부 산란체 및 나머지 산란체는, 상기 센싱 엘리먼트가 배열된 평면에 평행한 가상의 면을 기준으로 반대편에 위치할 수 있다.
이미지 센서는 상기 복수의 렌즈 엘리먼트들로부터 이격되면서 상기 이미지 센서로 입사되는 빛을 상기 복수의 렌즈 엘리먼트들로 집광하도록 구성되는 추가 렌즈 엘리먼트들을 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는, 모바일 단말로 구현(implement)될 수 있다.
일 실시예에 따른 이미지 센서에 의해 수행되는 이미지 센싱 방법에 있어서, 복수의 산란체들을 포함하는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들이 상기 이미지 센서로 입사되는 빛 중 일부 파장 대역의 빛을 집광하는 단계; 마이크로 렌즈 어레이가 상기 일부 파장 대역보다 넓은 파장 대역의 빛을 집광하는 단계; 및 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빛을 센싱 엘리먼트가 센싱하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는, 상기 이미지 센서로 입사되는 빛 중 컬러 파장 대역의 빛을 집광(concentrate)하도록 배치된 복수의 산란체들(scatters)을 포함하는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(thin lens elements); 상기 컬러 파장 대역보다 넓은 모노크롬(Monochrome) 파장 대역의 빛을 집광하는 모노크롬 렌즈 엘리먼트들; 및 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 렌즈 엘리먼트들을 통과한 빛을 센싱하는 센싱 엘리먼트를 포함할 수 있다.
상기 모노크롬 렌즈 엘리먼트들은, 상기 모노크롬 파장 대역의 빛을 집광하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
상기 모노크롬 렌즈 엘리먼트들은, 상기 모노크롬 파장 대역의 빛을 집광하는 박형 렌즈 엘리먼트를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 예시적인 단면을 도시한다.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 박형 렌즈 엘리먼트를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따라 서로 다른 파장 대역의 빛을 통과시키는 박형 렌즈 엘리먼트들 및 광대역의 빛을 통과시키는 마이크로 렌즈 엘리먼트를 포함하는 이미지 센서를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 렌즈 엘리먼트에 의해 커버되는 센싱 영역을 설명하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따라 예시적으로 배치된 박형 렌즈 엘리먼트들 및 마이크로 렌즈 엘리먼트의 탑뷰를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 고해상도 이미지 생성 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 산란체가 양면으로 배치되는 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 렌즈 엘리먼트가 복수의 레이어에 형성되는 구조를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개괄적인 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 예시적인 단면을 도시한다.
일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는, 기판(110), 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123), 및 센싱 어레이(140)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 판 형상을 가질 수 있다. 기판(110)의 제1 면(191)과 제2 면(192)은 실질적으로 서로 평행할 수 있다. 다만, 제1 면(191) 및 제2 면(192)이 완전히 평행할 필요는 없으며, 서로 비스듬하게 형성될 수도 있다. 기판(110)과 센싱 어레이(140)는 사이에 공기층을 두고 서로 이격될 수 있다. 기판(110)은 투명 물질을 포함할 수 있다. 투명 물질은 빛의 투과율이 높은 물질을 의미한다. 예를 들어, 기판(110)은 Si3N4 SiO2와, PMMA(Poly methyl methacrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 입사광은 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)에 의해 진행 경로가 바뀐 후, 기판(110)을 통과하여 센싱 어레이(140)에 입사될 수 있다.
복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)은 기판(110)의 제1 면(191) 상에 배치될 수 있다. 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)의 각각은 미리 정해진 파장 대역의 빛을 센싱 어레이(121, 122, 123)에 집광하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)은 각각 복수의 산란체들(131, 132, 133)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 박형 렌즈 엘리먼트는 산란체들(131, 132, 133)이 일으키는 위상 지연(phase delay)의 차이에 의해 광의 경로를 변경하는 광학 소자로 구성될 수 있다. 이러한 빛의 위상차를 이용하여 설계된 렌즈를 메타 렌즈(meta-lens)라고 나타낼 수 있다. 따라서, 박형 렌즈 엘리먼트는 광학 렌즈에 비해 두께에 대한 제한이 적을 수 있으며 얇게 설계될 수 있다. 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)의 표면에 배치된 산란체들(131, 132, 133)은 산란체들(131, 132, 133)의 각각으로 입사되는 빛을 공진시킬 수 있다. 각 산란체들(131, 132, 133)은 산란체들(131, 132, 133)의 각각에 입사된 빛의 투과 위상을 적절히 지연시키도록 설계될 수 있다.
빛의 투과 위상을 지연시키는 산란체들(131, 132, 133)은 기판(110)의 제1 면(191) 상에 배열될 수 있다. 산란체들(131, 132, 133)은 기판(110)의 제1 면(191)을 투과하는 빛의 파면을 센싱 어레이(140) 상의 목표 지점에 형성하도록 배열될 수 있다. 그리고, 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)은 빛의 파면을 변조함으로써, 입사광 대비 투사광의 진행방향을 변경할 수 있다.
제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)는 입사광 중 제1 파장 대역(예를 들어, λ1의 파장을 포함하는 대역)의 빛을 집광할 수 있다. 제2 박형 렌즈 엘리먼트(122)는 입사광 중 제2 파장 대역(예를 들어, λ2의 파장을 포함하는 대역)의 빛을 집광할 수 있다. 제3 박형 렌즈 엘리먼트(123)는 입사광 중 제3 파장 대역(예를 들어, λ3의 파장을 포함하는 대역)의 빛을 집광할 수 있다. 각 박형 렌즈 엘리먼트는 나머지 파장 대역의 빛을 차단할 수 있다. 예를 들어, 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)는 제2 파장 대역 및 제3 파장 대역의 빛을 차단하고, 제2 박형 렌즈 엘리먼트(122)는 제1 파장 대역 및 제3 파장 대역의 빛을 차단하며, 제3 박형 렌즈 엘리먼트(123)는 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역의 빛을 차단할 수 있다. 따라서, 개별 박형 렌즈 엘리먼트는 추가적인 컬러 필터 없이도, 서로 다른 스펙트럼 정보를 통과시킬 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것에 불과할 뿐 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 내지 제3 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)가 모두 서로 다른 파장 대역의 빛을 집광할 필요는 없으며, 셋 중 어느 둘은 같은 파장의 빛을 집광할 수도 있다.
센싱 어레이(140)는 기판(110)의 제1 면(191)과 마주보는 제2 면(192)에 배치될 수 있다. 센싱 어레이(140)는 복수의 센싱 엘리먼트들(141, 142, 143)을 포함할 수 있다. 복수의 센싱 엘리먼트들(141, 142, 143)의 각각은 빛의 입사에 응답하여, 입사되는 빛의 세기를 지시하는 신호를 생성할 수 있다. 아래 도 5에서 후술하겠으나, 센싱 어레이(140)는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)의 각각에 의해 커버되는 센싱 영역들로 분류될 수 있다. 예를 들어, 센싱 어레이(140)에서 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)에 의해 커버되는 영역을 제1 센싱 영역, 제2 박형 렌즈 엘리먼트(122)에 의해 커버되는 영역을 제2 센싱 영역, 및 제3 박형 렌즈 엘리먼트(123)에 의해 커버되는 영역을 제3 센싱 영역으로 나타낼 수 있다. 제1 센싱 영역에 포함되는 센싱 엘리먼트를 제1 센싱 엘리먼트(141), 제2 센싱 영역에 포함되는 센싱 엘리먼트를 제2 센싱 엘리먼트(142), 제3 센싱 영역에 포함되는 센싱 엘리먼트를 제3 센싱 엘리먼트(143)라고 나타낼 수 있다. 도 1에서는 센싱 엘리먼트들이 서로 인접하여 배치된 것으로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 센싱 엘리먼트들은 서로 분리되어 배치될 수도 있다.
센싱 엘리먼트들(141, 142, 143)은 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)에 대응하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 센싱 엘리먼트(141)는 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)를 통과한 빛을 감지할 수 있다. 제2 센싱 엘리먼트(142)는 제2 박형 렌즈 엘리먼트(122)를 통과한 빛을 감지할 수 있다. 제3 센싱 엘리먼트(143)는 제3 박형 렌즈 엘리먼트(123)를 통과한 빛을 감지할 수 있다. 제1 센싱 엘리먼트 내지 제3 센싱 엘리먼트들(141, 142, 143)은 각각 빛을 수광할 수 있다. 프로세서는 제1 센싱 엘리먼트 내지 제3 센싱 엘리먼트들(141, 142, 143)에서 획득된 센싱 정보들에 기초하여 제1 이미지 내지 제3 이미지를 생성할 수 있다.
예를 들어, 센싱 엘리먼트들(141, 142, 143)의 각각은 광 신호를 전기적 신호로 변환하는 소자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센싱 엘리먼트들(141, 142, 143)은 CCD(Charge-Coupled Device), CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor) 등을 포함할 수 있다. 다른 예로, 센싱 엘리먼트들(141, 142, 143) 빛 에너지를 전기에너지로 전환하는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수도 있다.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 박형 렌즈 엘리먼트를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 박형 렌즈 엘리먼트들(121, 122, 123)중 어느 한 렌즈 엘리먼트(200)를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 임의의 표면을 따라 복수의 산란체들(210)이 배열됨으로써 렌즈 엘리먼트(200)를 형성할 수 있다. 산란체들(210)의 형상과 배열 간격, 배열 모양에 따라 박형 렌즈 엘리먼트(200)를 통과한 빛의 파형이 변화할 수 있다. 도 2에서 나타낸 바와 같이 형성된 산란체들(210)을 포함하는 박형 렌즈 엘리먼트(200)를 통과한 빛은 집광될 수 있다. 즉, 도 2에서 나타낸 박형 렌즈 엘리먼트(200)는 예시적으로 양의 굴절력을 가지는 렌즈의 기능을 수행할 수 있다.
도 3은 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)를 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)를 예로 들어 설명하지만, 도 3을 참조한 설명은 다른 박형 렌즈 엘리먼트들(122, 123)에도 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 임의의 평면 상에 기둥 형상의 산란체들(330)이 배열될 수 있다. 도 3에서는 예시적으로, 산란체들(330)이 원기둥 형상을 가지는 예를 도시하였으나, 실시예가 이로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 산란체들(330)은 다면체 기둥, 원기둥, 타원 기둥 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한 산란체들(330)은 기판의 평면에 평행한 단면이 'L' 모양인 기둥 형상을 가질 수도 있다. 아울러, 본 명세서에서는 산란체들(330)이 배치되는 평면이 주로 기판의 일면인 것으로 설명하지만, 이로 한정하는 것은 아니다. 산란체들(330)은 임의의 지지 부재에 의해 센싱 엘리먼트로부터 이격되어 배치될 수도 있다.
산란체들(330)에 포함된 물질의 굴절률은 기판에 포함된 물질의 굴절률 보다 높을 수 있다. 따라서, 기판은 제1 굴절률의 물질을 포함하고 산란체들(330)은 제2 굴절률의 물질을 포함할 수 있으며, 제2 굴절률은 제1 굴절률보다 높을 수 있다. 예를 들어, 산란체들(330)은 결정질 실리콘(Crystalline silicon; c-Si), 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO02, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 예시적으로 기판은 PMMA, PDMS와 같은 폴리머, Si3N4, SiO2 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 저 굴절률 물질로 구성된 기판 상에 고 굴절률의 산란체들(330)을 둘러싸서 덮는 추가의 클래드 층이 형성될 수 있다.
다만, 산란체들(330)이 기판의 일면 상에 형성되거나, 기판이 제1 굴절률의 물질로만 구성되는 것으로 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 산란체들(330)은 기판 없이 임의의 지지 부재에 의해 지지되어 센싱 엘리먼트로 이격되거나, 기판 내부가 비어서 기판이 공기 층을 포함하거나, 기판이 센싱 엘리먼트로부터 이격되어 기판 및 센싱 엘리먼트 사이에 공기 층이 존재할 수도 있다. 이와 같이, 산란체들(330) 및 센싱 엘리먼트 사이에 적어도 일부 공기층이 존재할 수도 있고, 제2 굴절률은 공기 층의 굴절률보다 높을 수 있다.
산란체들(330)의 배열 모습(예를 들어, 배열 패턴)은, 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)가 집광하는 빛의 파장 대역에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 박형 렌즈 엘리먼트(330)가 집광하는 제1 파장(λ1)에 대응하여 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)에 포함된 산란체들(330)의 사이의 간격(T), 배열 방향 등이 결정될 수 있다. 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)의 산란체들(330) 사이의 간격(T)은 제1 파장(λ1)보다 작을 수 있다. 예시적으로, 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)의 산란체들(330) 사이의 간격(T)은 제1 파장(λ1)의 3/4 이하 또는 2/3 이하일 수 있다. 또한, 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)의 산란체들(330)의 높이(h)도 제1 파장(λ1) 보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)의 산란체들(330)의 높이(h)는 제1 파장(λ1)의 2/3 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면 박형 렌즈 엘리먼트들에 포함된 산란체들은 기둥 형상(pillar structure)를 가질 수 있다. 이러한 기둥 형상은 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형 중 어느 한 형태의 단면을 가질 수 있다. 상술한 기둥 형상은 높이 방향으로 적절히 경사 지어 있을 수도 있다. 또한, 산란체들의 형상을 이로 한정하는 것은 아니고, 다면체 기둥 또는 단면이 'L'모양인 기둥 형상을 가질 수도 있다. 다른 예를 들어, 산란체들은 높이 방향으로 서로 다른 굴절률을 가지는 물질들의 다층구조로 구성될 수도 있다. 산란체들의 형상은 특정방향으로 대칭성이 없을 수도 있다. 예를 들어, 산란체들의 단면은 타원과 같이 수평방향으로 대칭성이 없는 모양일 수 있다. 또한, 산란체들의 단면이 높이에 따라 달라짐으로써, 산란체들의 형상이 높이에 대해 대칭성을 가지지 않을 수도 있다.
산란체들(330)의 형상에 따라 박형 렌즈 엘리먼트들의 파장 선택성이 달라질 수 있다. 여기서, 파장 선택성은 박형 렌즈 엘리먼트들 각각이 미리 정한 파장 대역의 빛을 선택적으로 센싱 엘리먼트를 포함하는 센싱 어레이에 집광하는 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)에 포함된 산란체들(330)은 제1 파장(λ1)을 포함하는 제1 파장 대역의 빛을 집광하기에 적합한 형상을 가질 수 있다. 예시적으로 산란체들(330)의 단면 모양, 산란체들(330)의 폭과 높이 사이의 비율 등이 달라질 수 있다. 또한, 제2 박형 렌즈 엘리먼트(122)에 포함된 산란체들은 제2 파장(λ2)을 포함하는 제2 파장 대역의 빛을 집광하기에 적합한 형상을 가질 수 있다. 또한, 제3 박형 렌즈 엘리먼트(123)에 포함된 산란체들은 제3 파장(λ3)을 포함하는 제3 파장 대역의 빛을 집광하기에 적합한 형상을 가질 수 있다.
산란체들(330)의 형상에 따라 박형 렌즈 엘리먼트의 파장 선택성이 변화하는 것을 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 산란체들의 높이, 간격 등에 의해서도 박형 렌즈 엘리먼트의 파장 선택성이 달라질 수 있다. 또한, 산란체들(330)의 형상, 높이, 및 간격 등에 의해 박형 렌즈 엘리먼트의 초점 거리가 달라질 수 있다. 산란체들(330)의 형상, 높이, 및 간격은 통상의 메타 렌즈 설계 방법론에 따라 결정될 수 있다.
이상에서 도 3을 참조하여 제1 박형 렌즈 엘리먼트(121)에 대한 산란체들(330)의 형상을 주로 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니고 나머지 제2 박형 렌즈 엘리먼트(122) 및 제3 박형 렌즈 엘리먼트(123)에 포함된 산란체들에도 적용될 수 있다. 이 때, 산란체들의 구체적인 형상과, 배열 간격 배열 방향 등은 각 박형 렌즈 엘리먼트의 파장 선택성 및 초점 거리 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제2 박형 렌즈 엘리먼트(122)에 포함된 산란체들 사이의 간격과 높이는 제2 파장(λ2)에 따라 결정될 수 있다. 제2 박형 렌즈(122)에 포함된 산란체들의 사이 간격과 높이는 제2 파장(λ2)보다 작을 수 있다. 또한, 제3 박형 렌즈 엘리먼트(123)에 포함된 산란체들 사이의 간격과 높이는 제3 파장(λ3)에 따라 결정될 수 있다. 제3 박형 렌즈 엘리먼트(123)에 포함된 산란체들의 사이 간격과 높이는 제3 파장(λ3)보다 작을 수 있다.
박형 렌즈 엘리먼트는 메타 렌즈 엘리먼트(mate lens element)라고도 나타낼 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따라 서로 다른 파장 대역의 빛을 통과시키는 박형 렌즈 엘리먼트들 및 광대역의 빛을 통과시키는 마이크로 렌즈 엘리먼트를 포함하는 이미지 센서를 도시한다.
일 실시예에 따르면 이미지 센서는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423), 모노크롬 렌즈 엘리먼트들, 및 센싱 엘리먼트(449)를 포함할 수 있다. 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 및 모노크롬 렌즈 엘리먼트들로부터 센싱 엘리먼트(449) 사이에 기판(410)이 배치될 수도 있다.
복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)은 이미지 센서로 입사되는 빛 중 일부 파장 대역(예를 들어, 컬러 파장 대역)의 빛을 집광(concentrate)하도록 배치된 복수의 산란체들(430)(scatters)을 포함할 수 있다. 복수의 산란체들(430)의 각각은, 해당 산란체로 입사된 빛의 위상을 지연시킴으로써 빛의 경로를 변경할 수 있다. 복수의 산란체들(430)의 각각은, 해당 박형 렌즈 엘리먼트에 포함된 복수의 산란체들(430)의 형상, 배열, 및 간격에 따른 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 산란체들(430)의 형상 및 배치는 도 1 내지 도 3에서 설명하였으므로, 생략한다.
복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 중 적어도 두 박형 렌즈 엘리먼트들은 서로 다른 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)은 각각 통과시킨 파장 대역의 빛을 센싱 어레이(440)에 집광 하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 중 제1 박형 렌즈 엘리먼트(421)는 제1 색상에 대응하는 제1 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 제2 박형 렌즈 엘리먼트(422)는 제2 색상에 대응하는 제2 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 제3 박형 렌즈 엘리먼트(423)는 제3 색상에 대응하는 제3 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 제1 색상, 제2 색상, 및 제3 색상은 서로 다를 수 있다. 제1 파장 대역은 제1 파장(λ1)을 포함하고, 제2 파장 대역은 제2 파장(λ2)을 포함하며, 제3 파장 대역은 제3 파장(λ3)을 포함할 수 있다. 즉, 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 중 적어도 두 박형 렌즈 엘리먼트들은 서로 다른 파장에 대한 파장 선택성을 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 파장 대역은 적색 스펙트럼에 대응할 수 있고 620 nm 내지 750 nm의 파장 범위로서, 제1 파장(λ1)은 656nm일 수 있다. 제2 파장 대역은 녹색 스펙트럼에 대응할 수 있고, 495 nm 내지 570 nm의 파장 범위로서 제2 파장(λ2)은 555nm일 수 있다. 제3 파장 대역은 청색 스펙트럼에 대응할 수 있고, 450 nm 내지 495 nm의 파장 범위로서 제3 파장(λ3)은 454nm일 수 있다. 컬러 파장 대역은 임의의 한 색상을 지시하는 파장 대역으로서, 예를 들어, 상술한 제1 파장 대역, 제2 파장 대역, 및 제3 파장 대역 중 한 파장 대역을 나타낼 수 있다. 다만, 색상 별 파장 대역은 예시적인 것으로서 이로 한정하는 것은 아니다. 상술한 색상 별 파장 대역은 중복되는 대역 없는 것으로 설명되었으나, 서로 인접한 색상 파장 대역(예를 들어, 적색 및 녹색 대역, 녹색 및 청색 대역) 간에는 일부 대역이 중복될 수도 있다. 색상 별 파장의 빛만 통과시키도록 설계된 메타 렌즈는 좁은 대역폭을 가지므로 보다 작은 색수차, 및 보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)의 초점 거리(f)는 서로 동일할 수 있고, 기판(410)에서 각 박형 렌즈 엘리먼트를 지지하는 제1 부분(411), 제2 부분(412), 및 제3 부분(413)의 높이도 초점 거리(f)로 동일할 수 있다.
모노크롬 렌즈 엘리먼트들(monochrome lens elements)은 컬러 파장 대역보다 넓은 모노크롬 파장 대역의 빛을 집광할 수 있다. 모노크롬 파장 대역은 예를 들어, 상술한 제1 파장 대역, 제2 파장 대역, 및 제3 파장 대역을 모두 포함하는 광대역일 수 있으며, 더 나아가 적외선 대역 및 자외선 대역까지도 포함할 수 있다. 예를 들어, 모노크롬 렌즈 엘리먼트들은, 모노크롬 파장 대역의 빛을 집광하는 마이크로 렌즈 어레이(429)(micro lens array)를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 모노크롬 렌즈 엘리먼트들은, 모노크롬 파장 대역의 빛을 집광하는 박형 렌즈 엘리먼트를 포함할 수 있다. 다만, 모노크롬 렌즈 엘리먼트들의 예시를 이로 한정하는 것은 아니고, 모노크롬 렌즈 엘리먼트들은 박형의 사이즈를 가지면서 모노크롬 파장 대역 센싱이 가능한 다양한 형태, 재질, 및 구조의 렌즈들을 포함할 수 있다. 아래에서는 모노크롬 렌즈 엘리먼트가 마이크로 렌즈 어레이(429)를 포함하는 예시를 주로 설명한다.
마이크로 렌즈 어레이(429)는 어레이 평면을 따라 배치된 복수의 마이크로 렌즈 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(429)는 일부 파장 대역보다 넓은 파장 대역의 빛을 집광할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이(429)는 제1 파장 대역, 제2 파장 대역, 및 제3 파장 대역을 포함하는 범위 이상의 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이(429)는 가시광선 대역(예를 들어, 390nm 내지 700nm의 파장 범위)의 빛을 통과시킬 수 있다.
참고로, 산란체들(430)로 구성되는 박형 렌즈 엘리먼트는 협소한 파장 대역에 대해서는 선명한 초점을 형성할 수 있으나, 광대역에 대해서는 초점이 블러(blur)해지고 광학 수차 문제가 발생할 수 있다. 반면, 마이크로 렌즈 어레이(429)는 산란체들(430) 대비 두꺼운 두께를 가지지만, 광대역에 대해서도 선명한 초점을 형성할 수 있다. 따라서 마이크로 렌즈 어레이(429)는 광대역의 빛을 통과시킴으로써 나머지 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)보다 많은 양의 빛을 수광하면서도 명확한 초점을 형성할 수 있다. 이 때, 마이크로 렌즈 어레이(429) 상에 적외선 대역을 차단하는 필터가 추가될 수도 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 마이크로 렌즈 어레이(429) 상에 배치되는 필터는 적외선 대역 뿐만 아니라 자외선 대역을 차단할 수도 있고, 더 나아가 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 상에도 배치될 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이(429)의 초점 거리(f')는 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)의 초점 거리(f)와 다를 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 마이크로 렌즈 어레이(429)의 초점 거리(f') 및 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)의 초점 거리(f)는 동일할 수도 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이(429)를 구성하는 마이크로 렌즈 엘리먼트의 렌즈 크기가 작아질수록, 초점 거리(f')가 감소하므로, 마이크로 렌즈 엘리먼트의 렌즈 크기는, 마이크로 렌즈 엘리먼트의 초점 거리(f')가 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)의 초점 거리(f)와 동일하거나 유사하도록, 결정될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 박형 렌즈 엘리먼트의 두께 및 초점 거리(f)의 합은 마이크로 렌즈 어레이의 두께 및 초점 거리(f')의 합과 동일하게 설계될 수도 있다. 이 경우, 이미지 센서는 전반적으로 균일한 높이를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이 마이크로 렌즈 엘리먼트의 크기가 작아지면 초점 거리(f')가 감소되면서 얇아지고 광학 수차도 감소할 수 있다.
일 실시예에 따르면 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 및 마이크로 렌즈 어레이(429)는 센싱 엘리먼트(449)가 배열된 센싱 어레이(440)의 평면 상에 초점을 형성하도록 배치될 수 있다. 빛(401)은 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 및 마이크로 렌즈 어레이(429)에 의해 센싱 어레이(440) 상에 집광될 수 있다.
센싱 엘리먼트(449)는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 및 마이크로 렌즈 어레이(429)를 통과한 빛을 센싱할 수 있다. 센싱 엘리먼트(449)는 센싱 어레이(440)의 평면을 따라 배치될 수 있고, 센싱 엘리먼트(449)를 커버하는 렌즈 엘리먼트에 의해 센싱 엘리먼트(449)가 속하는 센싱 영역이 분류될 수 있다.
제1 박형 렌즈 엘리먼트 내지 제3 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 중 적어도 둘이 서로 다른 파장 선택성을 가지므로, 제1 센싱 영역 내지 제3 센싱 영역(441, 442, 443) 중 적어도 두 센싱 영역은 서로 다른 색상에 대응하는 센싱 정보를 측정할 수 있다. 따라서, 제1 센싱 영역 내지 제3 센싱 영역(441, 442, 443)에서 측정된 제1 센싱 정보 내지 제3 센싱 정보를 합성하면 컬러 이미지가 획득될 수 있다.
기판(410)은 투명 소재로 구성될 수 있으며, 투명 기판(410)이라고도 나타낼 수 있다. 투명 기판(410)은, 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)의 각각을 해당 렌즈 엘리먼트가 가지는 초점 거리만큼 센싱 어레이(440)로부터 이격시킬 수 있다. 도 4에 도시된 제1 박형 렌즈 엘리먼트 내지 제3 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)은 동일한 초점 거리(f)를 가지므로, 투명 기판(410)은 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)을 센싱 어레이(440)로부터 초점 거리(f)만큼 이격된 위치에서 지지할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(429)가 다른 초점 거리(f')를 가지는 경우, 마이크로 렌즈 어레이(429)는 스페이서 등과 같은 임의의 지지 부재에 의해 지지되어 센싱 어레이(440)로부터 초점 거리(f')만큼 이격되고 제4 부분(404)은 공기 층으로 구성될 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 제4 부분(404)은 초점 거리(f')만큼의 높이를 가지는 투명 기판(410)으로 구성될 수도 있다.
또 다른 예를 들면, 제1 박형 렌즈 엘리먼트 내지 제3 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)의 초점 거리(f) 및 마이크로 렌즈 어레이(429)의 초점 거리(f')가 동일한 경우, 해당 초점 거리(f)에 대응하는 높이를 가지는 투명 기판(410)이 제1 박형 렌즈 엘리먼트 내지 제3 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 및 마이크로 렌즈 어레이(429)를 모두 지지할 수 있다. 투명 기판(410)은, 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 및 마이크로 렌즈 어레이(429)를 초점 거리(f)만큼 센싱 엘리먼트(449)로부터 이격시킬 수 있다. 투명 기판(410)의 제1 부분(411), 제2 부분(412), 제3 부분(413), 및 제4 부분(404)의 높이가 모두 초점 거리(f)로 동일할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(429)는, 투명 기판(410)의 일면 상에 형성될 수 있다. 따라서 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 및 마이크로 렌즈 어레이(429)가 동일한 높이의 기판 상에 형성될 수 있으므로, 이미지 센서의 제조 공정이 간소화되고, 제조 단가가 절감될 수 있다.
투명 기판(410)은, 차단부(451, 452, 453)를 더 포함할 수 있다. 차단부(block unit) (451, 452, 453)는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423) 중 한 박형 렌즈 엘리먼트에 의해 커버되는 센싱 영역으로 다른 렌즈 엘리먼트를 통과한 빛이 입사하는 것을 차단할 수 있다. 차단부(451, 452, 453)는, 센싱 영역의 외곽 경계 중 적어도 일부를 따라 배치될 수 있다. 차단부(451, 452, 453)는 임의의 센싱 영역이 다른 센싱 영역과 접하는 부위에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 제1 차단부(451)는 제1 박형 렌즈 엘리먼트(421)를 통과한 빛이 제2 센싱 영역(442)으로 향하는 것을 차단할 수 있다. 또한, 제1 차단부(451)는 제2 박형 렌즈 엘리먼트(422)를 통과한 빛이 제1 센싱 영역(441)으로 향하는 것을 차단할 수 있다. 제2 차단부(452)는 제2 박형 렌즈 엘리먼트(422)를 통과한 빛이 제3 센싱 영역(443)으로 향하는 것을 차단할 수 있다. 또한, 제2 차단부(452)는 제3 박형 렌즈 엘리먼트(423)를 통과한 빛이 제2 센싱 영역(442)으로 향하는 것을 차단할 수 있다. 제3 차단부(453)는 제3 박형 렌즈 엘리먼트(423)를 통과한 빛이 제4 센싱 영역으로 향하는 것을 차단할 수 있다. 또한, 제3 차단부(453)는 마이크로 렌즈 어레이(429)를 통과한 빛이 제3 센싱 영역(443)으로 향하는 것을 차단할 수 있다. 따라서, 차단부(451, 452, 453)는 각 센싱 영역에서 원하는 정보 이외의 정보가 센싱되는 것을 방지할 수 있다. 참고로, 도 4는 렌즈 엘리먼트들이 일렬로 배열된 구조에서의 차단부(451, 452, 453)을 설명하였으나, 다른 평면적인 구조로 배열되는 경우, 차단부(451, 452, 453)는 각 센싱 영역을 둘러싸는 형태로 구성될 수도 있다.
센싱 어레이(440)의 센싱 영역들은 서로 다른 시야각을 가지는 각 렌즈 엘리먼트의 시야각에 맞게 초점이 형성된 이미지 정보를 센싱할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 렌즈 엘리먼트에 의해 커버되는 센싱 영역을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서는 센싱 어레이(440) 및 센싱 어레이(440)로부터 초점 거리만큼 이격된 렌즈 엘리먼트(520)를 포함한다. 렌즈 엘리먼트(520)가 박형 렌즈 엘리먼트인 경우, 렌즈 엘리먼트(520)는 산란체들(430)을 포함할 수 있다. 렌즈 엘리먼트가 마이크로 렌즈 엘리먼트인 경우, 마이크로 렌즈 엘리먼트는 광학 렌즈로 구성될 수 있다. 센싱 어레이(440)는 복수의 센싱 엘리먼트들(449)을 포함한다.
개별 렌즈 엘리먼트(520)는 자신의 렌즈 크기(lens size)에 대응하는 센싱 어레이(440)의 일정 센싱 영역(540)을 커버할 수 있다. 렌즈 크기는 각 렌즈 엘리먼트가 차지하는 면적에 대응할 수 있다. 렌즈 엘리먼트(520)가 박형 렌즈 엘리먼트인 경우, 렌즈 크기는 산란체들(430)이 배열되는 영역의 크기로서, 예를 들어, 해당 영역이 원형인 경우 직경에 대응할 수 있다. 렌즈 엘리먼트(520)가 마이크로 렌즈 엘리먼트인 경우, 렌즈 크기는 광학 렌즈의 직경에 대응할 수 있다.
센싱 영역(540)은, 일정한 시야각 범위의 광선들이 해당 렌즈 엘리먼트(520)를 통과한 후 도달하는 센싱 어레이(440)의 상의 영역을 나타낼 수 있다. 센싱 어레이(440)에서 렌즈 엘리먼트(520)에 의해 커버되는 센싱 영역(540)은, 해당 렌즈 엘리먼트(520)의 렌즈 크기에 따라 결정될 수 있다. 센싱 영역(540)의 크기는 센싱 영역(540)의 중심으로부터 최외곽 지점까지의 거리(591)로 표현될 수 있다. 다시 말해, 센싱 영역(540)에 포함된 센싱 어레이(440) 의 센싱 엘리먼트들(449)에는 해당 개별 렌즈 엘리먼트(520)를 통과한 빛이 입사될 수 있다. 빛은 복수의 광선들을 포함할 수 있다. 광선은 광자(photon)의 흐름에 대응할 수 있다.
참고로, 일 실시예에 따르면 복수의 렌즈 엘리먼트들 중 적어도 하나의 렌즈 엘리먼트(520)는, 복수의 센싱 엘리먼트들(449) 중 적어도 하나의 센싱 엘리먼트에 대해 엇갈리도록(eccentric) 배치될 수 있다. 예를 들어, 렌즈 엘리먼트(520)는 정수 개수의 센싱 엘리먼트들(449)을 커버하는 것이 아니라, 비정수(non-integer) 개수의 센싱 엘리먼트들(449)을 커버할 수 있다. 각 렌즈 엘리먼트(520)는 렌즈 엘리먼트들의 개수 L 및 센싱 엘리먼트들(449)의 개수 P 간의 비율인 P/L 개의 센싱 엘리먼트를 커버할 수 있다. L 및 P는 서로소 관계이고, P/L은 실수(real number)로 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 이미지 센서의 단면도인데, 도시된 이미지 센서의 임의의 한 축에 대해 제1 박형 렌즈 엘리먼트(421)는 37/3개의 센싱 엘리먼트들(449)을 커버할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(429)는 12개의 센싱 엘리먼트를 커버하고 있는데, 마이크로 렌즈 어레이(429)가 5개의 마이크로 렌즈 엘리먼트로 구성되므로, 마이크로 렌즈 어레이(429)를 구성하는 개별 마이크로 렌즈 엘리먼트는 12/5개의 센싱 엘리먼트들(449)을 커버할 수 있다.
상술한 바와 같이, 이미지 센서는, 각 렌즈 엘리먼트(520)의 광학 중심 축(OCA, optical center axis)이 센싱 어레이(440)에 대해 서로 조금씩(slightly) 다른 배치를 가질 수 있다. 따라서, 각 렌즈 엘리먼트(520)는 서로 다른 광학 정보를 수신한다. 각 렌즈 엘리먼트(520)의 주 광선(chief ray)의 방향(direction)도 달라지게 되므로, 이미지 센서는 광학적으로 보다 많은 센싱 정보를 획득할 수 있다. 따라서, 이미지 센서는 이와 같이 획득된 다양한 센싱 정보를 통해 보다 고해상도의 이미지를 복원할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따라 예시적으로 배치된 박형 렌즈 엘리먼트들 및 마이크로 렌즈 엘리먼트의 탑뷰를 도시한다.
도 6에 도시된 예시에서, 제1 박형 렌즈 엘리먼트(621)는 적색 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 제2 박형 렌즈 엘리먼트(622)는 녹색 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 제3 박형 렌즈 엘리먼트(623)는 청색 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(629)는 가시광선 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 제1 박형 렌즈 엘리먼트(621), 제2 박형 렌즈 엘리먼트(622), 및 제3 박형 렌즈 엘리먼트(623), 및 마이크로 렌즈 어레이(629)는 센싱 어레이(640)의 평면에 평행한 평면을 따라 배치될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 제1 박형 렌즈 엘리먼트(621), 제2 박형 렌즈 엘리먼트(622), 및 제3 박형 렌즈 엘리먼트(623), 및 마이크로 렌즈 어레이(629)의 각각은 센싱 어레이(640)의 일부 영역들(예를 들어, 센싱 영역)을 커버할 수 있다. 다만, 렌즈 엘리먼트들이 배치를 도 6에 도시된 바로 한정하는 것은 아니다. 렌즈 엘리먼트들은 일렬로 배치될 수도 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 고해상도 이미지 생성 동작을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따르면 프로세서는 센싱 어레이(440)에 의해 센싱된 정보에 기초하여 고감도 이미지를 생성할 수 있다. 프로세서는 마이크로 렌즈 어레이(429)에 의해 획득된 가시광 전체 대역에 대한 정보를 이용하여 기존 컬러 스펙트럼의 정보에 합성함으로써 저조도 환경에서 센서의 감도를 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 상술한 바와 같이 제1 박형 렌즈 엘리먼트(421)에 의해 커버되는 제1 센싱 영역은 제1 색상에 대응하는 정보를 측정할 수 있다. 제2 박형 렌즈 엘리먼트(422)에 의해 커버되는 제2 센싱 영역 및 제3 박형 렌즈 엘리먼트(423)에 의해 커버되는 제3 센싱 영역은 각각 제2 색상 및 제3 색상에 대응하는 정보를 측정할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(429)에 의해 커버되는 제4 센싱 영역은 모든 색상의 빛을 수광하므로, 밝기에 대응하는 정보를 측정할 수 있다.
우선, 단계(760)에서 프로세서는 박형 렌즈 엘리먼트들에 의해 커버되는 센싱 영역들에서 측정된 정보에 기초하여 컬러 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 제1 센싱 영역에서 측정된 제1 색상에 대응하는 정보에 기초하여 제1 색상 채널 이미지를 생성할 수 있다. 프로세서는 나머지 제2 센싱 영역, 및 제3 센싱 영역에서 측정된 제2 색상 및 제3 색상에 대응하는 정보에 기초하여 제2 색상 채널 이미지 및 제3 색상 채널 이미지를 생성할 수 있다. 제1 색상 채널 이미지는 적색 채널 이미지, 제2 색상 채널 이미지는 녹색 채널 이미지, 제3 색상 채널 이미지는 청색 채널 이미지일 수 있다. 다만, 색공간을 상술한 바와 같이 RGB 색공간으로 한정하는 것은 아니고, 다른 색공간에 따른 색상 채널 이미지들이 획득될 수도 있다. 프로세서는 색상 채널 이미지들로부터 컬러 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 3개의 색상 채널 이미지들로부터 RGB 이미지를 획득할 수 있다.
프로세서는 컬러 이미지를 변환함으로써 색도 채널 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 RGB 이미지를 변환하여 YCbCr 이미지를 획득할 수 있다. Cb 성분 및 Cr 성분은 색도 성분에 대응할 수 있다. 따라서 프로세서는 센싱 엘리먼트가 배열된 센싱 어레이(440)에서 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(421, 422, 423)에 의해 커버되는 센싱 영역으로부터 색도 정보(chrominance information)를 산출할 수 있다.
그리고 단계(770)에서 프로세서는 밝기 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 마이크로 렌즈 어레이(429)에 의해 커버되는 센싱 영역으로부터 밝기 정보(luminance information)를 산출할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이(429)는, 센싱 어레이로부터 이격된 임의의 가상 평면을 따라 배치되는 복수의 마이크로 렌즈 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 프로세서는, 복수의 마이크로 렌즈 엘리먼트들을 통해 센싱 엘리먼트에 의해 수신되는 빛에 기초하여 복안 시야 이미지를 획득하고, 복안 시야 이미지에 기초하여 밝기 정보를 산출할 수 있다.
예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이(429)에 의해 커버되는 제4 센싱 영역은 마이크로 렌즈 엘리먼트들의 개수의 저해상도 이미지들을 복안 시야 이미지로서 센싱할 수 있다. 개별 저해상도 이미지의 해상도는 개별 마이크로 렌즈 엘리먼트에 의해 커버되는 센싱 엘리먼트에 대응할 수 있다. 따라서 개별 마이크로 렌즈 엘리먼트의 크기가 작아질수록, 해당 마이크로 렌즈 엘리먼트의 초점 거리도 감소하고, 개별 저해상도 이미지의 해상도도 감소할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(429)가 n×m개의 마이크로 렌즈 엘리먼트들을 포함하는 경우, 제4 센싱 영역에서는 n×m개의 저해상도 이미지들이 획득될 수 있다. 여기서, n, m은 1이상의 정수일 수 있다.
프로세서는 복안 시야 이미지를 구성하는 복수의 저해상도 이미지의 픽셀들을 재배열 및 조합할 수 있다. 프로세서는 서로 동일한 지점으로부터 반사된 광선들에 대응하는 픽셀들끼리 서로 인접하도록 복안 시야 이미지의 픽셀들을 재배함으로써, 재배열된 고해상도의 단일 이미지를 획득할 수 있다. 고해상도의 단일 이미지는 개별 저해상도 이미지에 비해 대략적으로 n×m 배의 해상도를 가질 수 있다. 복안 시야 이미지를 고해상도 단일 이미지로 변환하기 위해 다양한 이미지 복원 알고리즘이 사용될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제4 센싱 영역은 색상에 따른 파장 대역을 구분하지 않고 광대역의 빛을 센싱하였으므로, 단일 이미지는 단색 이미지(monochromatic image)일 수 있다. 이러한 단색 이미지에서 각 픽셀이 지시하는 세기(intensity)는 밝기를 지시할 수 있다. 따라서 상술한 단색 이미지를 밝기 이미지라고도 나타낼 수 있다. 프로세서는 마이크로 렌즈 어레이(429)를 통해 획득된 정보를 아래 단계(780)에서 장면 이미지를 복원하기 위해 새로운 밝기 정보(Y')로서 사용할 수 있다.
이어서 단계(780)에서 프로세서는, 고감도 이미지를 생성할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 색도 정보 및 밝기 정보에 기초하여 장면 이미지를 생성할 수 있다. 예를 들어, 단계(760)에서 프로세서는 Cb 성분 및 Cr 성분의 색도 정보를 획득하였고, 단계(770)에서 Y' 성분의 밝기 이미지를 획득하였다. 프로세서는 Y' 성부, Cb 성분, 및 Cr 성분으로부터 새로운 R'G'B' 이미지를 생성할 수 있다. 기존 RGB 이미지는 한정된 파장 대역의 빛만 수광하였으므로 밝기 정보가 충분치 않았으나, R'G'B' 이미지에서는 Y' 성분에 의해 밝기 정보가 보강될 수 있다. 새로 생성된 R'G'B' 이미지는 단계(760)에서 획득된 컬러 이미지보다 개선된 밝기 정보를 나타낼 수 있다. 따라서, 프로세서는 저조도에서 획득된 이미지 정보로부터 고해상도를 가지는 고감도 장면 이미지를 생성할 수 있다.
참고로, 개별 센싱 영역에서 획득된 제1 색상 채널 이미지, 제2 색상 채널 이미지, 제3 색상 채널 이미지, 및 밝기 이미지를 서로 시점이 다를 수 있다. 각 센싱 영역을 커버하는 렌즈 엘리먼트들의 중심 광축(optical axis)의 물리적인 위치가 서로 다르기 때문이다. 일 실시예에 따른 프로세서는 제1 색상 채널 이미지, 제2 색상 채널 이미지, 제3 색상 채널 이미지, 및 밝기 이미지를 임의의 기준 시점으로 매칭시킬 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 제1 색상 채널 이미지, 제2 색상 채널 이미지, 및 제3 색상 채널 이미지를 밝기 이미지의 시점으로 변환할 수 있다. 프로세서는 각 이미지의 시점 및/또는 광축이 일치하도록 이미지들을 변환한 후, 각 이미지로부터 색도 정보 및 밝기 정보를 추출하며, 추출된 색도 정보 및 밝기 정보로부터 저조도 환경에서도 고감도 특성을 나타내는 장면 이미지를 생성할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 산란체가 양면으로 배치되는 구조를 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면 렌즈 엘리먼트들(821)은 복수의 산란체들을 포함할 수 있다. 렌즈 엘리먼트들(821)에 포함된 복수의 산란체들(831)은, 투명 기판의 일면에 배치될 수 있다.
더 나아가, 도 8에 도시된 바와 같이 복수의 산란체들(831, 832) 중 적어도 일부 산란체(831)는, 투명 기판의 외부로 돌출될 수 있다. 복수의 산란체들(831, 832) 중 나머지 산란체(832)는, 투명 기판의 내부에 형성될 수 있다. 다만, 투명 기판에 형성되는 것으로 한정하는 것은 아니고, 복수의 산란체들(831, 832) 중 적어도 일부 산란체(831) 및 나머지 산란체(832)는, 센싱 엘리먼트가 배열된 평면에 평행한 가상의 면(819)을 기준으로 반대편에 위치할 수 있다. 따라서 산란체들(831, 832)은 임의의 면을 기준으로 양면에 배치될 수도 있다. 앞서 설명한 바와 같이 산란체들(831, 832)의 배치는 렌즈 엘리먼트들(821, 822, 823)의 파장 선택성 및 초점 거리 등에 따라 달라질 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 렌즈 엘리먼트가 복수의 레이어에 형성되는 구조를 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면 이미지 센서는 추가 렌즈 엘리먼트들(920, 929)을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 추가 렌즈 엘리먼트들(920, 929)은 복수의 렌즈 엘리먼트들(420, 429)로부터 이격되면서 이미지 센서로 입사되는 빛을 복수의 렌즈 엘리먼트들(420, 429)로 전달하도록 구성될 수 있다. 도 9에서는 박형 렌즈 엘리먼트로부터 일정 높이로 이격된 추가 기판(910)이 도시되었다. 추가 기판(910)은 추가 렌즈 엘리먼트들(920, 929)을 복수의 렌즈 엘리먼트들(420,429)로부터 이격시킬 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 추가 기판(910)이 복수의 렌즈 엘리먼트들(420, 429)에 인접하여 형성될 수도 있다. 또한, 추가 기판(910) 없이 추가 렌즈 엘리먼트들(920, 929)만 배치될 수도 있다. 상술한 추가 렌즈 엘리먼트들(920, 929)의 굴절력을 통해 기존 복수의 렌즈 엘리먼트들(420)의 굴절력이 보충될 수 있다. 도 9에서는 동일한 센싱 영역에 대해서는 동일한 타입의 렌즈 엘리먼트(예를 들어, 박형 렌즈 엘리먼트 또는 마이크로 렌즈 엘리먼트)가 추가 레이어로서 배치되는 예시를 도시하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 다른 타입의 렌즈 엘리먼트가 추가로 배치될 수도 있다.
참고로, 센싱 어레이(440)에서 동일한 센싱 영역을 커버하는 렌즈 엘리먼트 및 추가 렌즈 엘리먼트는 동일한 파장 선택성을 가질 수 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트 및 추가 렌즈 엘리먼트의 조합에 의해 형성되는 초점은 센싱 어레이(440) 상에 형성될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개괄적인 구성을 도시한 블록도이다.
일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)는 박형 렌즈 엘리먼트(1011), 마이크로 렌즈 엘리먼트(1012), 센싱 엘리먼트(1020), 및 프로세서(1030)를 포함할 수 있다.
복수의 박형 렌즈 엘리먼트들은 복수의 산란체들을 포함할 수 있다. 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들은 이미지 센서(1000)로 입사되는 빛 중 일부 파장 대역의 빛을 집광할 수 있다. 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들은 동일한 초점 거리를 가지면서, 서로 다른 파장 대역의 빛을 통과시키도록 설계될 수 있다. 각 센싱 어레이의 초점 거리에서 이미지의 상이 선명하게 맺히도록, 메타 렌즈의 산란체 구조가 설계될 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이는 복수의 마이크로 렌즈 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 마이크로 렌즈 엘리먼트(1012)는 임의의 가상 평면을 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈 엘리먼트(1012)는 센싱 어레이의 평면에 평행하면서 센싱 어레이의 평면으로서 초점 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이는 일부 파장 대역보다 넓은 파장 대역의 빛을 집광할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이는 예를 들어, 가시광선 대역의 빛을 통과시키도록 설계될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이의 초점 거리는 나머지 박형 렌즈 엘리먼트(1011)의 초점 거리와 다르게 설계될 수도 있으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 동일하게 설계될 수도 있다.
센싱 엘리먼트(1020)는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빛을 센싱할 수 있다. 센싱 엘리먼트(1020)는 센싱 어레이의 평면을 따라 배치될 수 있다.
프로세서(1030)는 개별 박형 렌즈 엘리먼트(1011)에 의해 커버되는 센싱 영역으로부터 컬러 이미지를 획득하고, 마이크로 렌즈 어레이에 의해 커버되는 센싱 영역으로부터 밝기 이미지를 획득할 수 있다. 프로세서(1030)는 밝기 이미지 및 컬러 이미지로부터, 저조도에서도 고감도 특성을 나타내는 새로운 장면 이미지를 복원할 수 있다.
박형 렌즈 엘리먼트(1011), 마이크로 렌즈 엘리먼트(1012), 센싱 엘리먼트(1020), 및 프로세서(1030)의 상세한 동작 및 구성은 도 1 내지 도 9에서 상술하였으므로 생략한다.
일 실시예에 따르면 이미지 센서(1000)는, 모바일 단말로 구현(implement)될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1000)는 스마트폰의 전면 카메라 및/또는 후면 카메라로서 장착될 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 이미지 센서(1000)는 DSLR 카메라, 차량용/Drone/CCTV 등 인식을 위한 비전(Vision) 카메라, 화상 통화를 위한 웹캠(Webcam) 카메라, 360도 촬영 VR 카메라, 영화 및 방송을 위한 전문가 카메라 및 VR/AR 카메라 등으로 구현될 수 있다.
이미지 센서(1000)는 서로 다른 시야각을 가지는 렌즈 엘리먼트들을 통해 광학적으로 다른 줌 배율로 촬영된 이미지들을 획득할 수도 있다. 이미지 센서(1000)는 렌즈 엘리먼트들이 배열된 멀티 어레이 렌즈(Multi-array Lens)로 촬영된 서로 다른 시점 정보로부터 촬영된 물체의 깊이를 계산할 수 있다. 이미지 센서(1000)는 촬영된 물체의 깊이를 이용하여, 촬영된 물체의 3차원 좌표 정보를 산출할 수 있다. 이미지 센서(1000)는 촬영된 물체의 깊이와 시점 정보를 이용하여 새로운 시점(viewpoint)에서의 이미지를 새로 합성할 수 있다. 또한, 이미지 센서(1000)는 촬영된 물체의 깊이를 이용하여 물체에 대한 포커스(Focus)를 재조정할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.　　
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
1000: 이미지 센서
1011: 박형 렌즈 엘리먼트
1012: 마이크로 렌즈 엘리먼트
1020: 센싱 엘리먼트
1030: 프로세서

Claims (23)

  1. 이미지 센서에 있어서,
    상기 이미지 센서로 입사되는 빛 중 일부 파장 대역의 빛을 집광(concentrate)하도록 배치된 복수의 산란체들(scatters)을 포함하는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(thin lens elements);
    상기 일부 파장 대역보다 넓은 파장 대역의 빛을 집광하는 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array); 및
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빛을 센싱하는 센싱 엘리먼트
    를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 적어도 두 박형 렌즈 엘리먼트들은 서로 다른 파장 대역의 빛을 통과시키는,
    이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 제1 박형 렌즈 엘리먼트는 제1 색상에 대응하는 제1 파장 대역의 빛을 통과시키고,
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 제2 박형 렌즈 엘리먼트는 제2 색상에 대응하는 제2 파장 대역의 빛을 통과시키며,
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 제3 박형 렌즈 엘리먼트는 제3 색상에 대응하는 제3 파장 대역의 빛을 통과시키고,
    상기 제1 색상, 상기 제2 색상, 및 상기 제3 색상은 서로 다른,
    이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    상기 제1 파장 대역, 상기 제2 파장 대역, 및 상기 제3 파장 대역을 포함하는 범위 이상의 파장 대역의 빛을 통과시키는,
    이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 센싱 엘리먼트가 배열된 센싱 어레이의 평면 상에 초점을 형성하도록 배치되는,
    이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    센싱 엘리먼트가 배열된 센싱 어레이에서 상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들에 의해 커버되는 센싱 영역으로부터 색도 정보(chrominance information)를 산출하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이에 의해 커버되는 센싱 영역으로부터 밝기 정보(luminance information)를 산출하는 프로세서
    를 더 포함하는 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 색도 정보 및 상기 밝기 정보에 기초하여 장면 이미지를 생성하는,
    이미지 센서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    어레이 평면을 따라 배치되는 복수의 마이크로 렌즈 엘리먼트들
    을 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 엘리먼트들을 통해 상기 센싱 엘리먼트에 의해 수신되는 빛에 기초하여 복안 시야 이미지를 획득하고, 상기 복안 시야 이미지에 기초하여 상기 밝기 정보를 산출하는,
    이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 산란체들의 각각은,
    해당 산란체로 입사된 빛의 위상을 지연시킴으로써 상기 빛의 경로를 변경하는,
    이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들의 각각은,
    해당 박형 렌즈 엘리먼트에 포함된 복수의 산란체들의 형상, 배열, 및 간격에 따른 파장 대역의 빛을 통과시키는,
    이미지 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 마이크로 렌즈 어레이로부터 상기 센싱 엘리먼트 사이에 배치되는 투명 기판
    을 더 포함하는 이미지 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 투명 기판은,
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 중 한 박형 렌즈 엘리먼트에 의해 커버되는 센싱 영역으로 다른 렌즈 엘리먼트를 통과한 빛이 입사하는 것을 차단하는 차단부(block unit)
    를 포함하는 이미지 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 차단부는,
    상기 센싱 영역의 외곽 경계 중 적어도 일부를 따라 배치되는,
    이미지 센서.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 투명 기판은,
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 초점 거리만큼 상기 센싱 엘리먼트로부터 이격시키고,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    상기 투명 기판의 일면 상에 형성되는,
    이미지 센서.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 산란체들은,
    상기 투명 기판의 일면에 배치되는,
    이미지 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 산란체들 중 적어도 일부 산란체는,
    상기 투명 기판의 외부로 돌출되고,
    상기 복수의 산란체들 중 나머지 산란체는,
    상기 투명 기판의 내부에 형성되는,
    이미지 센서.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 산란체들 중 적어도 일부 산란체 및 나머지 산란체는, 상기 센싱 엘리먼트가 배열된 평면에 평행한 가상의 면을 기준으로 반대편에 위치하는,
    이미지 센서.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈 엘리먼트들로부터 이격되면서 상기 이미지 센서로 입사되는 빛을 상기 복수의 렌즈 엘리먼트들로 집광하도록 구성되는 추가 렌즈 엘리먼트들
    을 더 포함하는 이미지 센서.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    모바일 단말로 구현(implement)되는,
    이미지 센서.
  20. 이미지 센서에 의해 수행되는 이미지 센싱 방법에 있어서,
    복수의 산란체들을 포함하는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들이 상기 이미지 센서로 입사되는 빛 중 일부 파장 대역의 빛을 집광하는 단계;
    마이크로 렌즈 어레이가 상기 일부 파장 대역보다 넓은 파장 대역의 빛을 집광하는 단계; 및
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빛을 센싱 엘리먼트가 센싱하는 단계
    를 포함하는 이미지 센싱 방법.
  21. 이미지 센서에 있어서,
    상기 이미지 센서로 입사되는 빛 중 컬러 파장 대역의 빛을 집광(concentrate)하도록 배치된 복수의 산란체들(scatters)을 포함하는 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들(thin lens elements);
    상기 컬러 파장 대역보다 넓은 모노크롬(Monochrome) 파장 대역의 빛을 집광하는 모노크롬 렌즈 엘리먼트들; 및
    상기 복수의 박형 렌즈 엘리먼트들 및 상기 렌즈 엘리먼트들을 통과한 빛을 센싱하는 센싱 엘리먼트
    를 포함하는 이미지 센서.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 모노크롬 렌즈 엘리먼트들은,
    상기 모노크롬 파장 대역의 빛을 집광하는 마이크로 렌즈 어레이
    를 포함하는 이미지 센서.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 모노크롬 렌즈 엘리먼트들은,
    상기 모노크롬 파장 대역의 빛을 집광하는 박형 렌즈 엘리먼트
    를 포함하는 이미지 센서.
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