JP2008017486A - 分解能が向上するイメージセンサ及びこれを用いたイメージ感知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、従来に使われる光電変換半導体素子をそのまま使用しながら感知されるイメージの分解能を向上させて、原価の上昇や性能の低下なしに分解能が向上するイメージセンサを提供する。
【解決手段】本発明は、分解能が向上するイメージセンサ及びこれを用いたイメージ感知方法に関し、より詳しくは、イメージを感知するための光電変換半導体素子の分解能を変化させないながらイメージの分解能を向上させる効果を有する分解能が向上するイメージセンサ及びこれを用いたイメージ感知方法に関する。本発明の分解能が向上するイメージセンサは、光電変換を通じてイメージを感知するもので、平面上で移動可能なスキャナ部と、その上に固定されて装着され、全面に配列された多数の画素を有する光電変換半導体素子と、その上に前記画素に対応して配列されたカラーフィルタアレイを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、分解能が向上するイメージセンサ及びこれを用いたイメージ感知方法に関し、より詳しくは、イメージを感知するための光電変換半導体素子の分解能を変化させずにイメージの分解能を向上させる効果を有する分解能が向上するイメージセンサ及びこれを用いたイメージ感知方法に関する。

イメージセンサ（image sensor）は、１次元または２次元以上の光学情報を電気信号に変換する装置である。イメージセンサの種類は撮像管と固体撮像素子に大別される。 撮像管はテレビを中心にして画像処理技術を駆使した計測、制御、認識などに広く常用されて、応用技術が発展して来た。固体撮像素子は、半導体基板を用いて光学的イメージを電気的信号に変換する光電変換半導体素子であって、ＭＯＳ（metal oxide semiconductor）型とＣＣＤ（charge coupled device）型の２種類がある。

ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＭＯＳ製造技術を用いて、光学的イメージを電気的信号に変換させる素子であって、画素数だけのＭＯＳトランジスタを作って、これを用いて順次に出力を検出するスイッチ方式を採用している。ＣＭＯＳイメージセンサは、従来に広く使われているＣＣＤイメージセンサに比べて駆動方式が便利で、多様なスキャニング方式の具現が可能で、信号処理回路を単一チップに集積できるので、製品の小型化が可能な長所がある。

最近、携帯電話やＰＤＡ（personal digital assistant）等、多様なマルチメディア機器でイメージを撮影したりディスプレイする装置が装着されて使われているが、イメージ入力装置として小型カメラモジュールが使われている。このような機器でさらに高品質のイメージを要求する消費者の欲求により、イメージ入力装置として使われるイメージセンサの分解能を高めようとする努力が要求されている。

図１は、光電変換を通じてイメージを感知する従来のイメージセンサの斜視図である。

図１に示すように、従来のイメージセンサは、光電変換半導体素子１０、カラーフィルタアレイ（color filter array）２０及びマイクロレンズ（microlens）アレイ３０を含む。

光電変換半導体素子１０は、スキャナの上部に固定されて装着されたものであって、全面に多数の画素が配列されている。 光電変換半導体素子１０の画素は受光部であって、各々の画素に対応して各画素に入射した光の強度に対応する信号電荷を発生させる。

カラーフィルタアレイ２０は、カラーデジタルイメージを形成するためのものであって、光電変換半導体素子１０の画素に一対一に対応して、各画素に対して、例えば、赤色、緑色及び青色フィルタの中の１つが配列されてあり、光電変換半導体素子１０の受光部の上部にリソグラフィー工程などにより形成されている。

マイクロレンズアレイ３０は、カラーフィルタアレイ２０の上部に２次元に配列された多数のレンズであって、例えば、半球形状のマイクロレンズ３１で積層され、光電変換半導体素子１０の受光部に入射される光量を増加させるように、各々の画素に対応して前記カラーフィルタアレイ２０と共に配置される。

このような構造を有する従来のイメージセンサにおいて、分解能を向上させるためには、光電変換半導体素子１０の画素を増加させることが必要であった。

図２は、従来のイメージセンサにおいて、光電変換半導体素子の分解能を増加させるために、光電変換半導体素子の画素数を増加させる方式を説明する図である。

図２に示すように、従来のイメージセンサにおいて、分解能を向上させるために光電変換半導体素子１０で画素１１の数を増加させる場合、光電変換半導体素子１０の大きさが大きくなったり各画素１１の大きさを減少させて、画素数を増加させる方法がある。

ところが、画素の大きさを維持しながら画素の数を増加させる場合、光電変換半導体素子１０のチップの大きさが同一な割合で増加して費用が増加する問題がある。そして、チップ大きさが増加すれば歩留まりが減少するため、その費用の増加はより大きくなる問題がある。

また、光電変換半導体素子１０のチップの大きさを維持しながら画素の数を増加させる場合には、画素１１の大きさが小さくなるため、製作に困難性が発生し、画素の感度が低下して、より一層ノイズに敏感になって性能が低下する問題があるため、実際の適用には困難性がある。

従って、本発明は、前記のような従来技術の問題を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、従来に使われる光電変換半導体素子をそのまま使用しつつ感知されるイメージの分解能を向上させて、原価の上昇や性能の低下なしに分解能が向上するイメージセンサを提供することにある。

また、本発明は、分解能が向上するイメージセンサにより感知されるイメージの分解能を容易に向上させることができるイメージセンサによるイメージ感知方法を提供することにある。

前記の目的を達成するための本発明の実施例に係る分解能が向上するイメージセンサは、光電変換を通じてイメージを感知するものであって、平面上で移動可能なスキャナ部と、前記スキャナ部の上に固定されて装着され、全面に配列された多数の画素を有する光電変換半導体素子と、前記光電変換半導体素子の上に前記画素に対応して配列されたカラーフィルタアレイと、を含む。

好ましい実施例において、前記画素に対応して前記カラーフィルタアレイの上部に形成されて光を集光するマイクロレンズアレイを更に含むことを特徴とする。

前記スキャナ部は、前記平面上で水平方向及び垂直方向に移動可能であり、前記スキャナ部は、前記画素間の距離より小さな間隔で移動可能であることを特徴とする。

また、本発明のイメージセンサによるイメージ感知方法は、光電変換を通じてイメージを感知するイメージセンサによるイメージ感知方法であって、停止されたスキャナ部の上に装着された光電変換半導体素子の多数の画素を通じてイメージが感知されるステップと、前記光電変換半導体素子を通じて感知された前記イメージのデータが格納されるステップと、前記スキャナ部が平面上で移動されるステップと、移動された位置で前記光電変換半導体素子の多数の画素を通じて他のイメージが感知されるステップと、前記他のイメージのデータが格納されるステップと、前記イメージのデータと前記他のイメージのデータとを比較分析して分解能が向上した結果イメージのデータが形成されるステップと、を含む。

好ましい実施例において、前記スキャナ部が移動した距離は互いに隣接した前記画素間の距離よりも小さくて、前記スキャナ部は、前記平面上で水平方向または垂直方向に移動したことを特徴とする。

また、本発明のイメージセンサによるイメージ感知方法は、光電変換を通じてイメージを感知するものであって、（ａ）停止されたスキャナ部の上に装着された光電変換半導体素子の多数の画素を通じてイメージが感知されるステップと、（ｂ）前記光電変換半導体素子を通じて感知された前記イメージのデータが格納されるステップと、（ｃ）前記スキャナ部が平面上で移動されるステップと、（ｄ）移動された位置で前記光電変換半導体素子の多数の画素を通じて他のイメージが感知されるステップと、（ｅ）前記他のイメージのデータが格納されるステップと、（ｆ）前記スキャナ部の位置を移動して前記（ｃ）ステップ乃至前記（ｅ）ステップを反復実施するステップと、（ｇ）前記光電変換半導体素子の位置によって格納された前記データを比較分析して分解能が向上した結果イメージのデータが形成されるステップと、を含む。

好ましい実施例において、前記スキャナ部が移動した距離は互いに隣接した前記画素間の距離よりも小さいことを特徴とする。

前記スキャナ部が前記平面上で水平方向または垂直方向に移動され、前記スキャナ部が前記平面上で移動する方向は直前の移動方向と異なることを特徴とする。

前述したように、本発明によれば、次のような効果を達成する。

本発明の分解能が向上するイメージセンサは、スキャナ部に固定された光電変換半導体素子を移動させながらイメージを感知することによって、従来に使われる光電変換半導体素子をそのまま使用しながら従来には感知できなかったイメージのデータまで感知してコスト高や性能の低下なしにイメージの分解能が向上する効果がある。

また、本発明のイメージセンサによるイメージ感知方法は、移動できるスキャナ部が形成されたイメージセンサを用いて画素間の種々の位置で感知されたイメージデータを更に確保することによって、イメージセンサにより感知されるイメージの分解能を容易に向上させることができる長所がある。

以下、添付した図面を参照しつつ本発明の一実施例を詳細に説明する。

図３は本発明の一実施例に係る分解能が向上するイメージセンサの斜視図であり、図４は図３に示す本発明による分解能が向上するイメージセンサの部分断面図である。

図３及び図４に示すように、本発明による分解能が向上するイメージセンサは、スキャナ部１００、光電変換半導体素子１１０及びカラーフィルタアレイ（color filter array）１２０を含む。この際、前記カラーフィルタアレイ１２０の上部にはマイクロレンズ（microlens）アレイ１３０が形成されることが好ましい。

スキャナ部１００は１つの平面上で移動する支持部であって、その上部に光電変換半導体素子１１０を固定させて装着できる支持台の役割をして、外部の制御部に連結されてソフト方式により決まった距離だけ水平方向または垂直方向に移動できることが好ましい。

この際、スキャナ部１００が移動する距離は、光電変換半導体素子１１０の互いに隣接した画素間の距離よりも小さい間隔で移動できる位の精密度を有して、スキャナ部１００の移動により前記光電変換半導体素子１１０が水平方向または垂直方向に画素間の距離よりも小さい距離を移動することが好ましい。

前記光電変換半導体素子１１０は、スキャナの上部に固定されて装着されたものであって、全面に多数の画素が配列されている。光電変換半導体素子１１０の画素は、受光部１１１であって、各々の画素に対応して各画素に入射された光の強度に対応する信号電荷を発生させる。光電変換半導体素子１１０としては、固体撮像素子としてＭＯＳ（metal oxide semiconductor）型とＣＣＤ（charge coupled device）型が使われることができる。

カラーフィルタアレイ１２０は、カラーデジタルイメージを形成するためのものであって、光電変換半導体素子１１０の画素に一対一に対応して各画素に対して、例えば、赤色フィルタ１２１、緑色フィルタ１２２及び青色フィルタ１２３の中の１つが配列されてあり、光電変換半導体素子１１０の受光部の上部にリソグラフィー工程などにより形成されている。

マイクロレンズアレイ１３０は、カラーフィルタアレイ１２０の上部に２次元で配列された多数のレンズであって、例えば、半球形状のマイクロレンズ１３１で積層されて、光電変換半導体素子１１０の受光部に入射される光量を増加させるように、各々の画素に対応して前記カラーフィルタアレイ１２０と共に配置される。

本発明で分解能が向上するイメージセンサは、スキャナ部１００の上部に固定装着された光電変換半導体素子１１０の位置をスキャナ部１００により移動させることで、固定された光電変換半導体素子１１０で得られるイメージデータと移動された位置で得られた他のイメージデータをイメージプロセシングにより結合修正することで、分解能が向上した結果のイメージが得られる。この際、スキャナ部１００により移動した光電変換半導体素子１１０の距離は画素間の距離より小さくすることで、従来のイメージセンサでは感知しなかった位置で他のイメージデータを更に感知することになる。

以下、本発明の分解能が向上するイメージセンサにより分解能を向上させる効果があるイメージセンサによるイメージ感知方法について説明する。

図５は、本発明の一実施例によりイメージセンサによるイメージ感知方法を順に示す順序図である。

図５に示すように、光電変換を通じてイメージを感知するイメージセンサによるイメージ感知方法により停止したスキャナ部の上に装着された光電変換半導体素子の多数の画素を通じて第１イメージが感知される（Ｓ１１０）。この際、第１イメージのデータは光電変換半導体素子の受光部に入射された光の強度（光信号の大きさ）が電気的信号に変更されたものであって、カラーフィルタアレイによりカラーデータと共に得られる。

このように得られた第１イメージのデータは、外部の制御部により、例えば、デジタルカメラなどのようなイメージ撮影機器のデータ格納部に格納される（Ｓ１２０）。

次に、上部に光電変換半導体素子が装着されたスキャナ部が同一平面上で移動される（Ｓ１３０）。この際、前記スキャナ部は平面上で水平方向または垂直方向に移動して、スキャナ部が移動される距離は画素間の距離よりも小さいことが好ましい。

このようにスキャナ部が光電変換半導体素子の画素間よりも小さい距離を移動すれば、移動された位置で各画素の中心は移動前の各画素の中心位置間に変化することになる。この際、スキャナ部が移動された距離は、例えば、画素間の距離の１／２または１／３等で、画素間の距離がスキャナ部移動距離の定数倍になるようにすることが好ましい。

例えば、水平方向または垂直方向に移動されたスキャナ部の移動距離が画素間の距離の１／２の場合に、移動された位置で光電変換半導体素子の画素は各々水平方向または垂直方向に対して移動前の各画素の中心位置間の中央に位置することになる。

スキャナ部が移動した位置で光電変換半導体素子の多数の画素を通じて第２イメージが感知され（Ｓ１４０）、スキャナが移動した位置で得られた第２イメージは移動前に得た第１イメージのデータが格納された前記データ格納部に格納される（Ｓ１５０）。

結果的に、この際、前記に格納された第１イメージのデータと第２イメージのデータはスキャナ部が移動する前に画素の中心で感知されたデータと画素間の中心の位置で感知されたデータにそれぞれ対応するものであって、これらのデータを結合すれば、スキャナ部が移動する前に各画素間の中心の位置に対等な他の画素があることと同一な効果のデータが得られるようになる。

次に、前記データ格納部に格納された第１イメージデータと第２イメージデータをイメージプロセシングにより互いに比較分析して、これらのデータを結合すれば、分解能が向上した結果イメージのデータが得られる（Ｓ１６０）。

また、前記結果イメージの分解能を更に向上させるために、第２イメージデータが前記データ格納部に格納された後に、前記スキャナ部の位置を前記平面上でまた移動させて、また移動された位置で光電変換半導体素子の多数の画素を通じて移動された位置の第３イメージが感知されて、第３イメージのデータがデータ格納部に更に格納される過程を繰り返すことが好ましい。

この際、スキャナ部がまた移動する方向は、直前の移動方向と異なる方向、例えば、水平方向に以前に移動したら、垂直方向に移動することが好ましい。勿論、スキャナ部が垂直方向に以前に移動したら、次には水平方向に移動することが好ましい。

また、分解能をより向上させるために、水平方向または垂直方向に移動したスキャナ部の移動距離が画素間の距離の１／２以下、例えば１／３、または、１／４の場合に、スキャナ部は画素間の距離から１／３と２／３、または、１／４、２／４と３／４位置に移動し、各々の位置に対するイメージのデータを続けて感知して格納することが可能である。この際、移動する方向は、スキャナ部は平面上で水平方向または垂直方向に移動し、順序に関係なしに可能な全ての位置に移動して各位置で光電変換半導体素子により感知されたイメージのデータが続けて格納される。

このようにスキャナ部の移動位置別に得られたイメージのデータに対してイメージプロセシングにより互いに比較分析して、これらのデータを結合すれば、より分解能が向上した結果イメージのデータが得られることになる。

本発明の分解能が向上するイメージセンサによるイメージ感知方法の結果を説明すれば、次の通りである。

図６は、本発明によるイメージセンサによるイメージ感知方法の結果を示すためのグラフである。

図６を参照して説明すれば、図６のグラフにおいて縦軸は光電変換半導体素子の各画素で感知される光信号の相対的大きさを表示したものであって、横軸は各画素の位置を表示したものであって、例えば、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４等は、移動前の画素の位置であり、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３及びＹ４は、スキャナ部により移動された後の画素の位置にする。

このようにスキャナ部を移動してイメージを感知する場合、図６に示すように、移動前の位置で感知できない光信号の微細な大きさの変化が感知できるため、これらのイメージデータを結合してイメージプロセシングを行う場合に分解能が向上した結果イメージが得られる。

以上、本発明の構成及び動作を前記した説明及び図面により図示したが、これは、例示に過ぎないものであり、本発明の技術的思想及び特許請求範囲から外れない範囲内で多様な変化及び変更が可能であることは勿論である。

光電変換を通じてイメージを感知する従来のイメージセンサの斜視図である。 従来のイメージセンサにおいて、光電変換半導体素子の分解能を増加させるために光電変換半導体素子の画素数を増加させる方式を説明する図である。 本発明の一実施例に係る分解能が向上するイメージセンサの斜視図である。 図３に示す本発明による分解能が向上するイメージセンサの部分断面図である。 本発明の一実施例によりイメージセンサによるイメージ感知方法を順に示す順序図である。 本発明によるイメージセンサによるイメージ感知方法の結果を示すためのグラフである。

符号の説明

１０、１１０ 光電変換半導体素子
２０、１２０ カラーフィルタアレイ
３０、１３０ マイクロレンズアレイ
１００ スキャナ部
１２１、１２２、１２３ カラーフィルタ

Claims (11)

1. 光電変換を通じてイメージを感知するイメージセンサであって、
   平面上で移動可能なスキャナ部と、
   前記スキャナ部の上に固定されて装着され、全面に配列された多数の画素を有する光電変換半導体素子と、
   前記光電変換半導体素子の上に前記画素に対応して配列されたカラーフィルタアレイと、
   を含むことを特徴とする分解能が向上するイメージセンサ。
2. 前記画素に対応して前記カラーフィルタアレイの上部に形成されて光を集光するマイクロレンズアレイを更に含むことを特徴とする請求項１記載の分解能が向上するイメージセンサ。
3. 前記スキャナ部は、前記平面上で水平方向及び垂直方向に移動可能であることを特徴とする請求項１記載の分解能が向上するイメージセンサ。
4. 前記スキャナ部は、前記画素間の距離よりも小さな間隔で移動可能であることを特徴とする請求項１記載の分解能が向上するイメージセンサ。
5. 光電変換を通じてイメージを感知するイメージセンサによるイメージ感知方法であって、
   停止されたスキャナ部の上に装着された光電変換半導体素子の多数の画素を通じてイメージが感知されるステップと、
   前記光電変換半導体素子を通じて感知された前記イメージのデータが格納されるステップと、
   前記スキャナ部が平面上で移動されるステップと、
   移動された位置で前記光電変換半導体素子の多数の画素を通じて他のイメージが感知されるステップと、
   前記他のイメージのデータが格納されるステップと、
   前記イメージのデータと前記他のイメージのデータとを比較分析して、分解能が向上した、結果イメージのデータが形成されるステップと、
   を含むことを特徴とするイメージセンサによるイメージ感知方法。
6. 前記スキャナ部が移動した距離は互いに隣接した前記画素間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項５記載のイメージセンサによるイメージ感知方法。
7. 前記スキャナ部は、前記平面上で水平方向または垂直方向に移動されることを特徴とする請求項５記載のイメージセンサによるイメージ感知方法。
8. 光電変換を通じてイメージを感知するイメージセンサによるイメージ感知方法であって、
   （ａ）停止されたスキャナ部の上に装着された光電変換半導体素子の多数の画素を通じてイメージが感知されるステップと、
   （ｂ）前記光電変換半導体素子を通じて感知された前記イメージのデータが格納されるステップと、
   （ｃ）前記スキャナ部が平面上で移動されるステップと、
   （ｄ）移動された位置で前記光電変換半導体素子の多数の画素を通じて他のイメージが感知されるステップと、
   （ｅ）前記他のイメージのデータが格納されるステップと、
   （ｆ）前記スキャナ部の位置を移動して前記（ｃ）ステップ乃至前記（ｅ）ステップを反復実施するステップと、
   （ｇ）前記光電変換半導体素子の位置によって格納された前記データを比較分析して分解能が向上した結果イメージのデータが形成されるステップと、
   を含むことを特徴とするイメージセンサによるイメージ感知方法。
9. 前記スキャナ部が移動した距離は互いに隣接した前記画素間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項８記載のイメージセンサによるイメージ感知方法。
10. 前記スキャナ部が前記平面上で水平方向または垂直方向に移動されることを特徴とする請求項８記載のイメージセンサによるイメージ感知方法。
11. 前記スキャナ部が前記平面上で移動する方向は、直前の移動方向と異なることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載のイメージセンサによるイメージ感知方法。

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