JP2008011528A - デジタルカメラモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 デジタルカメラモジュールを提供する。
【解決手段】 被写体から反射された光を集光する複数のレンズと、複数のレンズにそれぞれ対応し、前記被写体から反射された光に反応して電気的な映像信号を生成する複数のサブイメージセンサーと、を備えるが、前記複数のサブイメージセンサーにそれぞれ含まれるカラーフィルタは、互いに重畳されない一つの単一カラー領域で構成される。
【選択図】 図３Ａ

Description

本発明は、複数のレンズを備えるデジタルカメラモジュールに係り、より詳細には、携帯電話、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤーのような小型デジタル機器に装着されるデジタルカメラにおいて、デジタルカメラを小型化しつつカラーフィルタにコーティングされるカラーの透過度を異ならせて光量の差を発生させることによって、高感度及び低減度イメージセンシングを具現する広域逆光補正（Ｗｉｄｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ；ＷＤＲ）機能を持つデジタルカメラモジュールに関する。

大部分のデジタル機器のように、デジタルカメラは人間に新たな世界を開いて見せた。
デジタルカメラは、フィルムカメラとは違って簡便な操作でも専門家に劣らない写真を撮ることができ、現像と焼き付けしなくても現場で撮った写真を直ちに確認でき、きれいな画質の写真を変形なしに半永久的に使用可能な長所がある。

また、デジタルカメラが小型化されて携帯が簡便になり、携帯電話やＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤーのような小型デジタル機器に内蔵されつつ、過去のように特別な日にのみ写真を撮ることではなく、日常生活で写真を撮って楽しむことが自然になり、小型デジタル機器を選択して購買するに当ってデジタルカメラの内蔵如何は重要な要素として位置を占めた。

最近、デジタル機器は益々小型化される勢いであり、自分だけの個性及び便利さを追求する傾向と共に、消費者は今よりさらに小さくてさらに薄い小型デジタル機器製品を要求している。

結局、デジタルカメラが内蔵された小型デジタル機器が今よりさらに小型化されてスリム化されるためには、内蔵されるデジタルカメラが小型化及びスリム化されねばならないということは明らかである。

図１は、従来の小型デジタル機器に内蔵されたデジタルカメラの原理を簡単に図示した図面である。
直径Ｄ_ａ，Ｄ_ｂの相異なるそれぞれのレンズ１０１ａ、１０１ｂを通じてユーザが撮った被写体１０１の映像は、該当デジタルカメラのイメージセンサー１０２ａ、１０２ｂに形成される。

この時、レンズ１０１ｂの直径Ｄ_ｂが大きければ解像度に優れた長所があるが、被写体の映像（イメージＢ）が結ばれるための焦点距離ｆ_ｂが長くなるので、小型デジタル機器に内蔵されるデジタルカメラモジュールが高くなる。

したがって、大きいレンズ及び長くなった焦点距離によって小型化及びスリム化には難点がある。
一方、相対的にレンズ１０１ａの直径Ｄ_ａが小さな場合、被写体１０１の映像（イメージＡ）が結ばれるための焦点距離ｆ_ａも減少するので、小型化及びスリム化には適しているが、デジタルカメラの最も重要な要素である解像度がレンズの直径に比例して低くなるので、鮮明な高解像度写真を所望する消費者の要求とは距離がある。

一方、従来にはＷＤＲされた映像を具現するための研究が持続的に進んでいる。
ＷＤＲとは、一般的な逆光補正より発展された技術であって、照明の明るい所や暗い所を撮影する時にも人の目で見るような映像を得られるようにする。

このために従来には、イメージセンサー上に低感度センシング領域及び低感度センシング領域に比べて光に敏感な高感度センシング領域を別途に具現し、さらに多くの光を感知できるようにセンシング領域の構造を変更する技術が提示されたが、センシング領域の構造が複雑なだけでなく、センシング領域の構造変更による新たな工程技術が要求されるという問題がある。

これにより、焦点距離の減少と同時に高感度及び低感度イメージセンシングを具現するためのいろいろな発明（例えば、特許文献１）が提示されたが、前述した問題は依然として解決していない。
韓国公開特許第２００３−００８４３４３号公報

本発明は、デジタルカメラモジュールを通じて小型デジタル機器に内蔵されるデジタルカメラの大きさ及び高さを低減させて、デジタルカメラが内蔵される小型デジタル機器の小型化及びスリム化に寄与するところにその目的がある。

本発明の他の目的は、カラーフィルタにコーティングされるカラーの透過度を異ならせて光量の差を発生させて新たな設計及び工程技術の追加なしにも高感度及び低感度イメージセンシングを具現することである。

本発明のさらに他の目的は、デジタルカメラモジュールを通じてデジタルカメラが内蔵される小型デジタル機器の設計自由度を高めることである。

本発明の目的は、以上で言及した目的に制限されず、言及されていない他の目的は下の記載から当業者に明確に理解されうる。

前記目的を達成するために、本発明の実施形態によるデジタルカメラモジュールは、被写体から反射された光を集光する複数のレンズと、前記複数のレンズにそれぞれ対応し、前記被写体から反射された光に反応して電気的な映像信号を生成する複数のサブイメージセンサーと、を備えるが、前記複数のサブイメージセンサーにそれぞれ含まれるカラーフィルタは、互いに重畳されない一つの単一カラー領域で構成される。

前記カラーフィルタは、相異なる透過度を持ち、第１フィルタ領域と前記第１フィルタ領域より高い透過度を持つ第２フィルタ領域とに区分される。

前記目的を達成するために、本発明の他の実施形態によるデジタルカメラモジュールは、被写体から反射された光を集光する複数のカラーレンズと、前記複数のカラーレンズにそれぞれ対応し、前記被写体から反射された光に反応して電気的な映像信号を生成する複数のサブイメージセンサーと、を備える。

前記複数のカラーレンズは、互いに重畳されない一つの単一カラーで構成されて相異なっている透過度を持って、レンズカラーの透過度によって第１レンズ領域と第２レンズ領域とに区分される。
その他の実施例の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。

本発明のデジタルカメラモジュールによれば、次のような効果が一つあるいはそれ以上ある。
小型デジタル機器に内蔵されるデジタルカメラの大きさ及び高さを減らしてデジタルカメラが内蔵される小型デジタル機器の小型化及びスリム化に寄与する長所がある。

カラーフィルタにコーティングされるカラーの透過度を異ならせて光量の差を発生させて、新たな設計及び工程技術の追加なしにも高感度及び低感度イメージセンシングを具現する長所もある。
デジタルカメラが内蔵される小型デジタル機器の設計自由度を高める長所もある。

本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、この実施例から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亙って同一な参照符号は同一な構成要素を示す。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。

一般的にデジタルカメラは、画素数を通じて該当デジタルカメラの性能を察することができる。画素数が高いほどさらに鮮明な映像を得ることができるためである。

画素数以外にもレンズの輝度を通じてもデジタルカメラの性能が分かるが、レンズの輝度は‘Ｆナンバー’または‘しぼり値’と呼ばれる。
Ｆナンバーは、デジタルカメラのイメージセンサーに到達する単位面積当たり光量を表現したものであって、
Ｆナンバー＝ｆ（焦点距離）／Ｄ（レンズ直径）
すなわち、レンズの焦点距離とレンズ直径との割合で表すことができる。

Ｆナンバーが大きいほど、デジタルカメラのイメージセンサーに到達する単位面積当たり光量は減少し、Ｆナンバーが低いほどデジタルカメラのイメージセンサーに到達する単位面積当たり光量は増加して明るい映像を得る。

したがって、Ｆナンバーの大きさは、デジタルカメラのイメージセンサーに到達する光量及びデジタルカメラを通じて得る映像の解像度と密接な関係がある。

もし、レンズの大きさ及び焦点距離そして画素数の異なる２台のデジタルカメラでＦナンバーが相等しいならば、レンズの大きさと焦点距離、画素数は相異なるが、光量が同一なために同じ輝度の映像を得ることができる。

本発明は、このような原理を利用してレンズの直径及び焦点距離を縮めつつも高解像度映像を表現できる複数のレンズを含むデジタルカメラモジュールを提案しようとする。
図２Ａは、従来のデジタルカメラの基本構造を示す図面である。

従来のデジタルカメラの基本構造は、被写体から反射された光を集光する直径がＤ_２である一つのレンズ２０１と、このレンズ２０１で集光された光に反応して電気的な映像信号を生成する画素単位のイメージセンサー２０２と、を備える。

イメージセンサー２０２内には、レンズ２０１が受け入れた光を元来の天然色に具現するベイヤーパターン（Ｂａｙｅｒ Ｐａｔｔｅｎ）のカラーフィルタが含まれており、図２Ａに図示されたイメージセンサー２０２は、これを上から見たものである。

ベイヤーパターンは、１９７０年代に発表した以降に現在までデジタルイメージの最も重要な基本原理であって、理論の開始は、自然界に存在する実際映像は点でなるものではないのに対し、デジタル映像は、点で具現されざるをえないということから出発する。

対象の輝度及び色相を集めて点からなるイメージを作るために、２次元平面上にレッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）それぞれの輝度を受け入れる点を配置する。

点を配置する時に人の目に最も敏感なグリーン（Ｇ）の比率が５０％、レッド（Ｒ）とブルー（Ｂ）とはそれぞれ２５％ずつ割り当てて格子網を形成するが、これをベイヤーパターンカラーフィルタという。

ベイヤーパターンカラーフィルタで格子網を形成するそれぞれの画素は、総天然色を認識するものではなく、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）のうち割り当てられた色のみを認識し、後ほどこれを補間して天然色を類推し出す。

図２Ｂは、図２Ａに図示されたイメージセンサーを構成する単位画素についての断面図である。
イメージセンサーを構成する単位画素の一部分２０２ａないし２０２ｄに対する断面を見れば、イメージセンサー内にベイヤーパターンのカラーフィルタ２０３が含まれていることが分かる。

図３Ａないし図３Ｂは、本発明の実施形態による 複数のレンズを含むデジタルカメラの構造を図示した図面である。

本発明の実施形態による複数のレンズを含むデジタルカメラの構造は、被写体から反射された光を集光する同径の複数のレンズ３０１と、被写体から反射された光に反応して電気的な映像信号を生成する複数のサブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄとを備え、レンズが集光した光を元来の天然色で具現する複数のカラー領域に分割されたカラーフィルタがサブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄ内に含まれる。

参考までに、図３Ｂは、図３Ａに図示されたデジタルカメラモジュールの構造を側面から見た図面であって、直径Ｄ_３の大きさの同じ複数のレンズから被写体の映像が形成されるイメージセンサーまでの焦点距離ｆ_３はいずれも同一であると仮定する。

したがって、直径の大きさの同じ複数のレンズ３０１は、同一平面上に位置することが望ましい。
また、複数のレンズ配列方式において、本発明の実施形態は上下左右対称形態に配列したが、複数のレンズを横または縦形態の一直線状に配列してもよく、レンズの数が奇数である場合、一つのレンズを中心に放射形態の配列も可能であり、これ以外にも本発明で言及されていないいろいろな形態のレンズ配列が可能である。

以下、本発明では説明の便宜上４個のレンズが横Ｘ縦２Ｘ２の形態に配列された場合を実施形態として説明する。

前述したように、レンズの大きさと焦点距離そして画素数の異なる２台のデジタルカメラで、Ｆナンバーが互いに同一ならば、レンズの大きさと焦点距離、画素数は相異なるが、光量が同一であるために同じ輝度の映像を得ることができるという原理を利用して、本発明の実施形態では、図２で図示されたレンズ２０１よりサイズの小さいレンズ３０１ａないし３０１ｄと、図２で図示されたイメージセンサー２０２より画素数の少ないイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄを使用し、焦点距離ｆ_３は図２で図示された焦点距離ｆ_２より短い。

図２で図示されたイメージセンサー２０２の画素数を４００万画素と仮定し、図３で図示されたサブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄの画素数はそれぞれ１００万と仮定する。

したがって、図３で図示されたサブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄは、１００万画素のサブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄの４つが配列されたイメージセンサーになり、直径の大きさＤ_３の同じ各４個のレンズ３０１ａないし３０１ｄは、各レンズにマッチングされたサブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄに被写体の映像を生成する。

また、サブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄ内に含まれるカラーフィルタは、各サブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄの大きさに合わせて４分割されて、互いに重畳されない一つの単一カラーでコーティングされる。

前述したカラーフィルタが含まれた一つのサブイメージセンサー３０２ｄを構成する単位画素３０２ｄ−１ないし４に対する断面が図３Ｃに図示されており、同じサブイメージセンサー３０２ｄ内に存在するためにいずれも同じカラーフィルタ３０３を含んでいる。

この時、カラーフィルタ３０３は、コーティングされるカラーの透過度によって第１フィルタ領域と第２フィルタ領域とに区分される。

第１フィルタ領域及び第２フィルタ領域にコーティングされるカラーの透過度を異ならせて光量を差を発生させることによって、高感度及び低感度のイメージセンシングを具現できる。

フィルタ領域の区分は、カラーフィルタを構成するカラー領域のうち透過度の最も高いカラー領域を第２フィルタ領域に区分し、カラーフィルタで第２カラー領域を除外した残りの部分を第１フィルタ領域に区分することが望ましい。

説明の便宜上、複数で分割されるカラーフィルタの領域と各サブイメージセンサーの図面表示記号とを共に使用して実施形態を説明する。

例えば、図３Ａに図示されたサブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄ内に含まれたカラーフィルタを構成する４分割されたそれぞれのカラー領域、すなわち、グリーン（Ｇ）３０２ａ、レッド（Ｒ）３０２ｂ、ブルー（Ｂ）３０２ｃ、グレー（Ｇｒ）３０２ｄ領域のうち透過度の最も高いカラーであるグレー（Ｇｒ）３０２ｄ領域を第２フィルタ領域に区分すれば、カラーフィルタでグレー（Ｇｒ）３０２ｄ領域を除外した残りのカラー領域、すなわち、グリーン（Ｇ）３０２ａ、レッド（Ｒ）３０２ｂ、ブルー（Ｂ）３０２ｃ領域が第１フィルタ領域に含まれる。

また、カラーフィルタを構成するそれぞれのカラー領域のうち第２フィルタ領域にはグレー以外のカラーが形成されてもよい。

例えば、ホワイト（Ｗ、ｎｏ ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃｙａｎ）またはマゼンタ（Ｍａｇｅｎｔａ）のうちいずれか一つのカラーを持つカラー領域が形成されうる。
しかし、第２フィルタ領域に形成されるカラーは、前述した例に限定されるものではなく、第１フィルタ領域に形成されたカラーに比べて高い透過度を持つカラーならば本発明の範ちゅうに属すると見なすことができる。

結果的に、図３Ａに図示されたカラーフィルタの透過度は、ブルー（Ｂ）、グリーン（Ｇ）、レッド（Ｒ）、グレー（Ｇｒ）のうちグレー（Ｇｒ）が最も高い透過度を持つ。

このように、第２フィルタ領域３０２ｄに該当するカラーの透過度が、第１フィルタ領域３０２ａないし３０２ｃに該当するカラーの透過度より高いカラーフィルタを形成すれば、各カラーフィルタ領域を通過する光量に差が発生する。

これは、該当カラーフィルタ領域とマッチングされるサブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄに到達する光量に差が発生することを意味し、各サブイメージセンサー３０２ａないし３０２ｄに高感度センシング機能及び低感度センシング機能を同時に具現できる。

前述したカラーフィルタコーティング方法の実施形態には、写真石版印刷技法とインク低減技法（Ｉｎｋｊｅｔ Ｍｅｔｈｏｄ）とがあり、図４Ａ及び図４Ｂに図示されている。

例えば、グリーン（Ｇ）、レッド（Ｒ）、ブルー（Ｂ）、グレー（Ｇｒ）の４種つの単一カラーをコーティングする場合、写真石版印刷技法はまずイメージセンサー全体にグリーン（Ｇ）カラーをコーティングし（４０２）、１／４のグリーン（Ｇ）カラーコーティング部分を残した後、残りの３／４のグリーン（Ｇ）カラーコーティングは除去する（４０３）。

グリーン（Ｇ）カラーコーティングを剥いだ３／４のイメージセンサー上に再びレッド（Ｒ）カラーをコーティングし（４０４）、１／４のレッド（Ｒ）カラーコーティング部分を残した後、残りの２／４のレッド（Ｒ）カラーコーティングは除去する（４０５）。

サブイメージセンサーにはグリーン（Ｇ）、レッド（Ｒ）カラーがそれぞれ１／４ずつコーティングされており、残りの２／４ほどのコーティングはグリーン（Ｇ）、レッド（Ｒ）カラーコーティング方法のようにブルー（Ｂ）、グレー（Ｇｒ）コーティングを行える（４０６〜４０８）。
写真石版印刷技法は、ベイヤーパターンカラーフィルタ工程に比べて容易な長所がある
図４Ｂは、２番目コーティング方法の実施形態であるインク低減コーティング方法を図示した図面である。
インク低減コーティング方法は、イメージセンサーにレンズの数と同じ４個の分割壁を形成し（４１０）、各分割された１／４の空間に所望のカラーのインクをコーティングしてカラーフィルタを生成する方法である（４１１〜４１４）。

インク低減コーティング方法は非常に簡単な工程であり、インクが低減される効果と共にセンサー製造コストを低減できる長所がある。

前述した方法でコーティングされたカラーフィルタは、各レンズ及び各サブイメージセンサーにマッチングされ、新たな設計及び工程技術の追加なしにも高感度イメージセンシング及び低感度イメージセンシングを同時に具現するＷＤＲ機能を持つカメラモジュールを提供できる。

本発明の実施形態による複数のレンズを含むデジタルカメラモジュールは、複数のレンズと複数のサブイメージセンサーとの間に複数に分割されたカラーフィルタが存在せず、複数のレンズ自体にカラーを付与することによって複数のそれぞれのレンズがカラーフィルタの役割を代えて、各レンズを通じて入った被写体の光が直ちに各レンズとマッチングされるサブイメージセンサーに映像を形成する。

カラーフィルタなしにカラーレンズを通じてカラー別に分離された映像を利用して高解像度映像を復元するこのような構造は、被写体から反射された光を受光する複数のカラーレンズ及び被写体から反射された光に反応して電気的な映像信号を生成する複数のサブイメージセンサーを含む。

複数のカラーレンズは、互いに重畳されない一つの単一カラーでそれぞれ構成され、相異なる透過度を持つ。
この時、図３Ａを通じて説明したように、高感度及び低感度イメージセンシングを具現するために、レンズカラーの透過度によって第１レンズ領域と第２レンズ領域とに区分する。

レンズ領域の区分は、複数で構成されたカラーレンズのカラーのうち透過度の最も高いレンズを第２レンズ領域に区分し、複数のカラーレンズで第２レンズ領域を除外した残りの部分を第１レンズ領域に区分することが望ましく、その例は、図３Ａを通じて説明したカラーフィルタを第１フィルタ領域と第２フィルタ領域とに区分した場合と同一である。

以上、添付図を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明が属する技術分野で当業者ならば本発明がその技術的思想や必須特徴を変更せずとも他の具体的な形に実施されうるということが理解できるであろう。したがって、前述した実施例は全ての面で例示的なものであって、限定的なものではないと理解せねばならない。

本発明は、携帯電話、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤーのような小型デジタル機器に装着されるデジタルカメラに好適に用いられる。

従来の小型デジタル機器に内蔵されたデジタルカメラの原理を簡単に図示した図である。 従来のデジタルカメラの基本構造を示す図である。 図２Ａに図示されたイメージセンサーを構成する単位画素についての断面図である。 本発明の実施形態によるデジタルカメラの構造を図示した図である。 本発明の実施形態によるデジタルカメラの構造を図示した図である。 図３Ａに図示されたイメージセンサーを構成する単位画素についての断面図である。 本発明の実施形態によるカラーフィルタコーティング方法である。 本発明の実施形態によるカラーフィルタコーティング方法である。

符号の説明

３０１ａないし３０１ｄ 第１レンズ〜第４レンズ
３０２ａないし３０２ｄ 第１レンズ〜第４レンズとそれぞれマッチングされるサブイメージセンサー
３０２ｄ−１ないし３０２ｄ−４ サブイメージセンサーを構成する単位画素

Claims (10)

1. 被写体から反射された光を集光する複数のレンズと、
   前記複数のレンズにそれぞれ対応し、前記被写体から反射された光に反応して電気的な映像信号を生成する複数のサブイメージセンサーと、を備えるが、
   前記複数のサブイメージセンサーにそれぞれ含まれるカラーフィルタは、互いに重畳されない一つの単一カラー領域で構成されるデジタルカメラモジュール。
2. 前記カラーフィルタは、コーティングされるカラーの透過度によって第１フィルタ領域と第２フィルタ領域とに区分され、前記第２フィルタ領域にコーティングされるカラーの透過度は、前記第１フィルタ領域にコーティングされるカラーの透過度より高い請求項１に記載のデジタルカメラモジュール。
3. 前記複数のサブイメージセンサーは、同じピクセル数を持つことを特徴とする請求項１に記載のデジタルカメラモジュール。
4. 前記カラーフィルタは、前記各レンズ及び前記サブイメージセンサーと一対一にマッチングされる請求項１に記載のデジタルカメラモジュール。
5. 被写体から反射された光を集光する複数のカラーレンズと、
   前記複数のカラーレンズにそれぞれ対応し、前記被写体から反射された光に反応して電気的な映像信号を生成する複数のサブイメージセンサーと、を備えるデジタルカメラモジュール。
6. 前記複数のカラーレンズは、互いに重畳されない一つの単一カラーで構成される請求項５に記載のデジタルカメラモジュール。
7. 前記複数のカラーレンズは、レンズカラーの透過度によって第１レンズ領域と第２レンズ領域とに区分され、前記第２レンズ領域のレンズカラーの透過度は、前記第１レンズ領域のレンズカラーの透過度より高い請求項５に記載のデジタルカメラモジュール。
8. 前記サブイメージセンサーは、前記複数のカラーレンズとそれぞれ一対一にマッチングされる請求項５に記載のデジタルカメラモジュール。
9. 前記第２レンズ領域はグレー色相のフィルタを含む請求項７に記載のデジタルカメラモジュール。
10. 前記第２レンズ領域はホワイト、イエロー、シアンおよびマジェンダ色相のフィルタのうち、少なくとも一つのフィルタを含むデジタルカメラモジュール。

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