JP2009272620A - 積層型イメージセンサー - Google Patents

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Abstract

【課題】 カラー映像と、IR情報を含む白黒映像とを同時に獲得することができる積層型イメージセンサーを提供する。
【解決手段】 カラー映像と、IR情報を含む白黒映像とを同時に獲得することができる積層型イメージセンサーに関し、上層部では、カラー映像と白黒映像とを獲得し、下層部では、IR情報を獲得する積層型構造を通じてイメージの感度を向上させる。この際、IR情報は、赤外線遮断機能のないカラーフィルターと光の波長による吸収位置の差を用いて獲得することができ、白黒映像は、カラーフィルターの一部に備えられた透明部によって獲得することができる。これによれば、可視帯域より広域のIR信号を利用するので、低照度環境でも高感度映像を獲得し、カラー映像を平面的にそれぞれ抽出するために色成分間のカラークロストークを減らしうる。
【選択図】 図4

Description

本発明は、イメージセンサーに係り、特に、カラー映像と、IR情報を含む白黒映像とを同時に獲得することができる積層型イメージセンサーに関する。
最近、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話のように高解像度カメラを装着した装置の普及が拡散している。このようなカメラは、通常、レンズ、イメージセンサー、DSP(Digital Signal Processor)などを含んで構成される。この際、レンズは、被写体からの反射光を集めてイメージセンサーに伝達する役割を、イメージセンサーは、集められた光を検出して電気的な信号に変換する役割を果たす。DSPは、撮影された映像をユーザが見られるように、または撮影された映像を保存できるように、イメージセンサーの電気的な信号を映像処理する機能を担当する。
このうちイメージセンサーは、大きく撮像管と固体イメージセンサーとに分けることができるが、固体イメージセンサーの代表的な例としては、電荷結合素子(CCD)と金属酸化物半導体(CMOS)とがある。
CCDセンサーは、複数個のキャパシタが対に相互連結されている回路で構成されており、各キャパシタは蓄積された電荷を伝達する。また、CCDチップは、多くのフォトダイオードが集まっているチップに、それぞれのフォトダイオードに光が照射されれば、光量によって電子が発生する。以後、当該フォトダイオードで発生した情報を再構成することでイメージ情報を作ることが可能である。
CMOSイメージセンサーは、汎用半導体製造装置を用いて製造が可能であるために、CCDイメージセンサーより安価に製造することができる長所がある。これにより、CMOSイメージセンサーは、低価のデジタルカメラや遅いフレームのテレビカメラで活発に使われている。しかし、CMOSイメージセンサーは、低照度状況で素子が容易に不安定になって撮影された画像にノイズが多発する短所がある。
一方、CMOSイメージセンサーと関連して、最近提案されたCIS(Contact Image Sensor)は、制限された大きさでの有効ピクセル数の増加によって撮像されたイメージの感度が急減する問題点がある。
本発明の目的は、カラー映像と、IR情報を含む白黒映像とを同時に獲得することができる積層型イメージセンサーを提供することである。
本発明の一態様による積層型イメージセンサーは、光スペクトルの可視領域の特定領域に該当する光を検出する第1受光部と、第1受光部と同一層に形成され、光スペクトルの可視領域に該当するすべての光を検出する第2受光部と、第1受光部または第2受光部の下部に形成され、光スペクトルの赤外領域に該当する光を検出する第3受光部と、を含みうる。
前記第1受光部は、入力される光に対する色情報、例えば、RGB信号またはCMY信号などを抽出することが可能である。また、第2受光部は、白色光を検出することができ、第3受光部は、赤外光を検出することができる。
また、第1受光部または第2受光部は、前記イメージセンサーの上層に形成され、第3受光部は、前記イメージセンサーの下層に形成されることが可能である。この際、第2受光部と第3受光部は、一体にまたは独立的に形成される。
一体に形成される場合、第3受光部が第2受光部の下部にのみ形成されるか、第2受光部の下部及び第1受光部の下部にかけて形成されることが可能である。
また、下層に形成された第3受光部が赤外光を検出できるように、上層の第1受光部及び第2受光部は赤外領域に該当する光をそのまま透過させることが可能である。
本発明の他の態様による積層型イメージセンサーは、赤外線遮断機能のないカラーフィルターをさらに含みうるが、前記カラーフィルターは光スペクトルの可視領域の特定領域に該当する光と、赤外領域に該当する光を透過させるカラーパートと、光スペクトルのあらゆる領域に該当する光を透過させる透明パートと、を含みうる。
このような場合、カラーパートの下部には、第1受光部が配され、透明パートの下部には、第2受光部が配されることが可能である。
本発明のまた他の態様による積層型イメージセンサーは、光スペクトルの可視領域に該当する光のうち特定領域に該当する光を検出するRGB画素部と、光スペクトルの可視領域に該当するすべての光と、赤外領域に該当する光を検出するW+IR画素部と、を含みうる。
ここで、RGB画素部は、それぞれ赤色、緑色または青色光を感知し、その感知された光量を電気的な信号に変換して出力する多数の受光素子で構成されうる。
また、W+IR画素部は、RGB画素部と同一層に形成され、光スペクトルの可視領域に該当するすべての光を検出するW画素部と、RGB画素部及びW画素部の下部に形成され、光スペクトルの赤外領域に該当する光を検出するIR画素部と、を含みうる。
また、RGB画素部及びW+IR画素部は、別途のリードアウト回路によってそれぞれ制御されることが可能であり、このような別途の制御を通じて各画素部の光露出時間を調節して、W+IR画素部の光露出時間がRGB画素部の光露出時間より短くすることができる。
本発明によれば、可視帯域より広域のIR信号を利用するので、低照度環境でも高感度映像を獲得することができ、カラー映像を平面的にそれぞれ抽出するために色成分間のカラークロストークを減らしうる。
本発明の一実施形態による積層型イメージセンサーの全体構造を示す図である。 光スペクトルの各領域を示す図である。 図1による積層型イメージセンサーに使用可能なカラーフィルターの一例を示す図である。 本発明の一実施形態による積層型イメージセンサーの概略的な断面を示す図である。 本発明の他の実施形態による積層型イメージセンサーの全体構造を示す図である。 図5による積層型イメージセンサーに使用可能なカラーフィルターの一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるリードアウト回路を示す図である。 本発明の一実施形態によってそれぞれの画素を別途に制御するための信号の一例を示す図である。 本発明の一実施形態によって第2受光部と第3受光部とが一体にまたは独立的に形成された例を示す図である。 本発明の一実施形態によって第2受光部と第3受光部とが一体にまたは独立的に形成された例を示す図である。 本発明の一実施形態によって第2受光部と第3受光部とが一体にまたは独立的に形成された例を示す図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を詳しく説明する。本発明を説明するに当たって、関連した公知機能または構成についての具体的な説明が、本発明の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。また、後述する用語は、本発明での機能を考慮して定義された用語であって、これは、ユーザ、運用者の意図または慣例などによって変わりうる。したがって、その定義は、本明細書全般に亘った内容に基づいて下さなければならない。
図1は、本発明の一実施形態によるイメージセンサーを示す。図1を参照するに、本発明の一実施形態によるイメージセンサーは、第1受光部101、第2受光部102及び第3受光部103を含み、少なくとも2以上の層構造を有する。
例えば、上層には、第1受光部101と第2受光部102とが形成され、下層には、第3受光部103が形成されることが可能である。この際、それぞれの受光部101、102、103は、半導体工程を用いて製作されたシリコン素子からなりうる。したがって、光が入射される場合、波長が相対的に短い光はシリコン層の上部で吸収され、波長が相対的に長い光はシリコン層の下部で吸収されることが可能である。
それぞれの受光部101、102、103は、入射された光を感知し、その感知された光量を電気的な信号に変換して出力する方式で光を検出するフォトダイオードの使用が可能で、各受光部101、102、103から検出される光は相異なる種類であり得る。
例えば、前記イメージセンサーに入射される光は、図2のように、その波長によって紫外領域、可視領域、赤外領域に区分することができる。ここで、可視領域の特定領域に該当する光(例えば、201)は第1受光部101から検出され、前記可視領域のあらゆる領域に該当する光(例えば、200)は第2受光部102から検出され、前記赤外領域に該当する光(例えば、202)は第3受光部103から検出されることが可能である。
このために、第1受光部101は、前記光スペクトルの可視領域の特定領域に該当する光(例えば、赤色光、緑色光、青色光など)に対する色情報を抽出するフォトダイオードが使われる。ここで、光に対する色情報は、RGB信号またはCMY信号などになりうる。本実施形態では、第1受光部101として、光に対するRGB信号を検出するRGBセンサーが使われたが、必ずしもこれに限定されず、それ以外にも光に対する色情報を検出することができる光センサーが多様に利用されうる。
また、第2受光部102は、可視領域のあらゆる領域に該当する光(例えば、白色光)を検出するフォトダイオードが使われ、第3受光部103は、赤外領域に該当する光(例えば、赤外光)を検出するフォトダイオードが使われる。
この際、上層に備えられる第1受光部101または第2受光部102は、下層に備えられる第3受光部103が赤外領域に該当する光を検出できるように、前記赤外領域に該当する光を吸収せずにそのまま透過させることが可能である。
それぞれの受光部101、102、103は、半導体工程を用いて製作されたシリコン素子からなり、光の波長によって吸収されるシリコン層の深さ(または、位置)が異なるので、第1受光部101及び第2受光部102では、可視領域に該当する光が吸収され、第3受光部103では、それより長波長である赤外領域に該当する光が吸収されることができる。
第1受光部101及び第2受光部102から検出される光の種類は、イメージセンサーに付着されるカラーフィルターによって決定されることが可能である。
図3は、このようなカラーフィルターに対する一例を示す。図3を参照するに、前記カラーフィルターは、カラーパート104と透明パート105とを含む。また、このカラーフィルターは、赤外線遮断機能のないカラーフィルターである。したがって、入射される赤外光をすべて透過させることができる。
カラーパート104は、光スペクトルの可視領域の特定領域に該当する光(例えば、赤色、緑色、青色など)と赤外領域に該当する光(例えば、赤外光)とを透過させる部分である。透明パート105は、前記光スペクトルのあらゆる領域に該当する光を透過させる部分である。例えば、図2を参照するに、カラーパート104は、可視領域200のうち一部(例えば、201)と赤外領域202とを通過させ、透明パート105は、可視領域の全部200と赤外領域202とを通過させると理解することができる。
このため、カラーパート104は、赤色光、緑色光または青色光を選択的に透過させ、赤外線遮断機能のないRGBフィルターが利用され、透明パート105は、ガラス、プラスチックのような透明な物体が使われる。例えば、図3で、R、G、Bは、それぞれ赤色光、緑色光、青色光の選択的な透過を表わし、Wは、前記光がすべて合わせられた白色光が透過されることを表わす。
言い換えれば、本発明の一実施形態によるカラーフィルターは、赤外領域に該当する光はすべて通過させ、カラーパート104を通じてRGBのような色情報を有する光のみ選択的に通過させ、透明パート104を通じてすべての光を通過させることが可能である。
このようなカラーフィルターを図1のイメージセンサー上に載せることを考えれば、カラーパート104の下部には、第1受光部101が配され、透明パート105の下部には、第2受光部102が配されることが可能である。
このような場合、第1受光部101には、カラーパート104のフィルタリング特性を通じて特定領域に該当する光のみ結像され、第2受光部102には、透明パート105の全透過特性を通じて白色光が結像されることが可能である。
図4は、本発明の一実施形態によってカラーフィルターが備えられたイメージセンサーの概略的な断面を示す。図4を参照するに、前記イメージセンサーは、カラーフィルター106と多数の受光部101、102、103とを含む。
カラーフィルター106は、前述したように、カラーパート104と透明パート105とを含み、赤外線遮断機能を備えない。例えば、赤色、緑色または青色の光のみ選択的に透過させるRGBフィルターが、カラーパート104と、透明プラスチックが、透明パート105として使われる。
カラーパート104の下部には、第1受光部101が配され、透明パート105の下部には、第2受光部102が配される、第1受光部101と第2受光部102は、同一の平面上に位置することが可能である。第3受光部103は、第1受光部101または第2受光部102の下部に配される。
本実施形態によるイメージセンサーが、デジタルカメラに使われる場合、被写体から反射された光は所定のレンズを経て前記イメージセンサーに入射される。入射される光は、先にカラーフィルター106を通過するが、カラーフィルター106に到逹した光のうちカラーパート104に到逹した光は、カラーパート104のフィルタリング特性によって特定波長の光のみ通過する。例えば、カラーパート104としてRGBフィルターが使われる場合、カラーパート104の下部に位置した第1受光部101には、赤色、緑色または青色に該当する光のみ選択的に入力される。また、透明パート105に到逹した光は、カラーパート104とは異なりフィルタリングされずにすべて透明パート105を通過して第2受光部102に到逹する。
したがって、第1受光部101では、光スペクトルの特定領域に該当する光のみ選択的に透過させるカラーパート104を通じてRGB信号のような色情報が感知され、第2受光部102では、光スペクトルのあらゆる領域に該当する光を透過させる透明パート105を通じてホワイト(White)信号のような輝度情報が感知されることが可能である。
また、カラーフィルター106には、赤外線遮断機能がなく、第1受光部101及び第2受光部102は、赤外線を通過させる特性を有するので、第1受光部101及び第2受光部102の下部に形成される第3受光部103では、赤外領域に該当する光が感知されることが可能である。
一方、本発明の他の実施形態として、第1受光部101は、複数個が一つの単位を成してRGB画素部111で構成されうる。例えば、3個の第1受光部101が集まって、それぞれR、G、B信号を検出することが可能である。また、第2受光部102及び第3受光部103が一体に形成されて、W+IR画素部112で構成されうる。例えば、W画素部は、RGB画素部111と同一平面で白色光を検出する第2受光部102が、IR画素部はRGB画素部111が形成された層の下部で赤外光を検出する第3受光部103になりうる。
このように、平面的に配列された複数個の第1受光部101を通じて色情報をそれぞれ抽出すれば、色成分間のクロストークを減らし、第2受光部102及び第3受光部103を通じて色情報の以外にホワイト(white)情報及びIR情報のような付加的な情報も抽出することができて、低照度環境で高感度の映像を獲得することが可能である。
図5は、本発明の他の実施形態によるイメージセンサーを示す。図5を参照するに、前記イメージセンサーは、図1のように、上下に積層された構造を有し、多数の受光部101、102、103で構成される。これは、上層に備えられた第1受光部101と第2受光部102との配置を変更することに関する一例であって、その配置が、必ずしもこれに限定されない。例えば、上層中央部に第2受光部102を配置し、その周辺に第1受光部101を配置することもできる。
しかし、如何なる場合にも、第1受光部101の上側には、光スペクトルの特定領域に該当する光のみ透過させるカラーフィルター(例えば、前記カラーパート)が備えられ、第2受光部102の上側には、あらゆる領域の光を透過させるカラーフィルター(例えば、前記透明パート)を備えなければならないことはいうまでもない。例えば、このような構造では、図6で例示したカラーフィルターが使われる。図6で、R、G、Bは、それぞれ赤色、緑色、青色光のみ選択的に透過させるカラーパート104を、Wは、すべての光を透過させる透明パート105を示すものであって、具体的な内容は前述した通りである。
また、図5で、第1受光部101は、3個が集まって一つの単位を成すことができる。例えば、3個の第1受光部101は、光スペクトルの可視領域に該当する光のうち赤色光、緑色光または青色光を選択的に検出するRGB画素部111になりうる。また、第2受光部102及び第3受光部103が一体に形成されて、前記光スペクトルの可視領域に該当するすべての光と、赤外領域に該当する光を検出するW+IR画素部112で構成されることが可能である。例えば、第2受光部102は、RGB画素部111と同一平面で白色光を検出するW画素部として利用され、第3受光部103は、RGB画素部111の下層部で赤外光を検出するIR画素部として利用されることが可能である。
一方、前述した実施形態では、第2受光部102と第3受光部103とが一体に形成されることを例示したが、これと異なり各受光部が独立的に形成されることも可能である。例えば、図9及び図10を参照するに、図4とは異なり、第2受光部102と第3受光部103とが一体に形成されずに独立的に形成されることが分かる。
また、第2受光部102と第3受光部103とが一体に形成される場合においても、図11のように、第3受光部103が、第2受光部102の下部にのみ形成されることも可能である。
図7は、本発明の一実施形態によるイメージセンサーのリードアウト連結を示す。図7で、R、G、Bは、第1受光部101で構成されたRGB画素部111を、W+IRは、第2受光部102及び第3受光部103で構成されたW+IR画素部112を表わす(図5参照)。
図示のように、RGB画素部111とW+IR画素部112は、別途のリードアウト回路によってそれぞれ相異なる制御部107、108に連結されることが可能である。
ここで、制御部107、108は、各画素部111、112から出力された電気的信号をデジタル信号に変換するか、各画素部111、112の露出時間を調節するなどの各種制御機能を有する部分を意味する。制御部107、108を二つ示したのは、RGB画素部111とW+IR画素部112とを別途に制御することができることを強調するためであり、必ずしも2個の制御部107、108が要求されるのではない。
RGB画素部111とW+IR画素部112とに入力される光は、その波長領域が異なるために各画素部111、112の光露出時間が調節される必要がある。言い換えれば、W+IR画素部112には、特別なフィルタリングなしにすべての波長の光が入射されるので、RGB画素部111に比べて相対的に光露出時間が短くなければならない。このような光露出時間は、図8のような制御信号によって調節されることが可能である。
図8を参照するに、RGB画素部111とW+IR画素部112とに別途の制御信号が印加されることが分かる。このような制御信号は、制御部107、108によって各画素部111、112に提供されることができる。図8で、制御信号がHighである時、画素部111、112が光に露出されると仮定すれば、W+IR画素部112の光露出時間がRGB画素部111の光露出時間より相対的に短く調節されることが分かる。
このように、別途の制御信号を用いて光にさらに敏感なW+IR画素部112の光露出時間を、光にそれほど敏感ではないRGB画素部111の光露出時間より短くして高画質の映像を得ることが可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述した特定の実施形態に限定されない。すなわち、当業者ならば、特許請求の範囲の思想及び範疇を逸脱せず、本発明に対する多数の変更及び修正が可能であり、そのようなすべての適切な変更及び修正の均等物も、本発明の範囲に属するものと見なされなければならない。
本発明は、カラー映像と、IR情報を含む白黒映像とを同時に獲得することができる積層型イメージセンサー関連の技術分野に適用可能である。
101 第1受光部
102 第2受光部
103 第3受光部
104 カラーパート
105 透明パート
106 カラーフィルター
111 RGB画素部
112 W+IR画素部
107、108 制御部
200 可視領域
202 赤外領域

Claims (18)

  1. 光スペクトルの可視領域の特定領域に該当する光を検出する第1受光部と、
    前記第1受光部と同一層に形成され、前記光スペクトルの可視領域に該当するすべての光を検出する第2受光部と、
    前記第1受光部または前記第2受光部の下部に形成され、前記光スペクトルの赤外領域に該当する光を検出する第3受光部と、を含むことを特徴とする積層型イメージセンサー。
  2. 前記第1受光部は、
    入力される光に対する色情報を抽出することを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  3. 前記色情報は、
    RGB信号またはCMY信号であることを特徴とする請求項2に記載の積層型イメージセンサー。
  4. 前記第1受光部は、
    赤色光、緑色光または青色光を感知し、その感知された光量を電気的な信号に変換して出力することを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  5. 前記第2受光部は、
    白色光を感知し、その感知された光量を電気的な信号に変換して出力することを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  6. 前記第3受光部は、
    赤外光を感知し、その感知された光量を電気的な信号に変換して出力することを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  7. 前記第1受光部及び前記第2受光部は、
    前記赤外領域に該当する光を透過させることを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  8. 前記イメージセンサーは、
    上層と下層との構造を有し、
    前記上層には、前記第1受光部及び前記第2受光部が形成され、前記下層には、前記第3受光部が形成されることを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  9. 前記第3受光部は、
    前記第2受光部の下部にのみ形成されることを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  10. 前記第2受光部と前記第3受光部は、
    一体に形成されることを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  11. 前記第2受光部と前記第3受光部は、
    独立的に形成されることを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  12. 前記イメージセンサーは、
    赤外線遮断機能のないカラーフィルターをさらに含み、
    前記カラーフィルターは、前記光スペクトルの可視領域の特定領域に該当する光と赤外領域に該当する光とを透過させるカラーパートと、
    前記光スペクトルのあらゆる領域に該当する光を透過させる透明パートと、を含むことを特徴とする請求項1に記載の積層型イメージセンサー。
  13. 前記カラーパートの下部には、前記第1受光部が配され、
    前記透明パートの下部には、前記第2受光部が配されることを特徴とする請求項12に記載の積層型イメージセンサー。
  14. 光スペクトルの可視領域に該当する光のうち特定領域に該当する光を検出するRGB画素部と、
    前記光スペクトルの可視領域に該当するすべての光と、赤外領域に該当する光を検出するW+IR画素部と、を含むことを特徴とする積層型イメージセンサー。
  15. 前記RGB画素部は、
    赤色、緑色または青色光を感知し、その感知された光量を電気的な信号に変換して出力する多数の受光素子で構成されることを特徴とする請求項14に記載の積層型イメージセンサー。
  16. 前記W+IR画素部は、
    前記RGB画素部と同一層に形成され、前記光スペクトルの可視領域に該当するすべての光を検出するW画素部と、
    前記RGB画素部または前記W画素部の下部に形成され、前記光スペクトルの赤外領域に該当する光を検出するIR画素部と、を含むことを特徴とする請求項14に記載の積層型イメージセンサー。
  17. 前記RGB画素部及び前記W+IR画素部は、
    別途のリードアウト回路によってそれぞれ制御されることを特徴とする請求項14に記載の積層型イメージセンサー。
  18. 前記W+IR画素部の光露出時間は、
    前記RGB画素部の光露出時間より短くなるように、前記W+IR画素部及び前記RGB画素部がそれぞれ制御されることを特徴とする請求項17に記載の積層型イメージセンサー。
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