JP4884552B2 - 照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ - Google Patents

照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ Download PDF

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Description

本発明は、イメージセンサに関するものであり、より詳細には、特定帯域の波長を有する赤外線及び可視光の有無による出力電圧値の変化を利用して、現在の照度、被写体との近接度及び被写体の色温度を測定することができる照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサに関するものである。
一般に、ＣＣＤやＣＭＯＳなどを使用したイメージセンサは、４００ｎｍ〜１１００ｎｍまでの吸収帯域を有する。また、可視光線は、普通３８０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長を有し、赤外線は、６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長を有する。このような一般的なイメージセンサは、人が見る色と同一なカラーを感知して表示できるように、６５０ｎｍ以下の波長を有する光は通過させて、６５０ｎｍ以上の波長を有する光、すなわち赤外線帯域は遮断する赤外線カットオフフィルタ(IR cutoff filter)を利用することが一般的である。
このようなイメージセンサを利用して、監視カメラなど外部光が微弱な環境、すなわち夜間や消灯状態の密閉空間などを撮影して映像を得るために、従来は、赤外線領域の光を光源として利用することが一般的であった。このように外部環境に応じて赤外線領域の光を光源として利用する態様として、外部光源による光が十分な場合、赤外線カットオフフィルタによって赤外線領域の光を遮断して画質を向上させ、一方、外部光源が不足で赤外線領域の光を光源として利用する場合、赤外線カットオフフィルタを除去して赤外線領域の光がイメージセンサに到逹できるようにする必要がある。
そのため従来は、イメージセンサを利用するシステム上に外部光源の有無によって赤外線カットオフフィルタの位置を変化させる移動手段を備える必要があるが、赤外線カットオフフィルタを機械的に移動させる移動手段を設置すると、監視カメラ自体が大型化し、製造費用も増加するようになる問題点があった。
また、従来のイメージセンサ用に用いられる赤外線発光ダイオードは、暗い環境での映像獲得のための光源としての機能のみに限定されることが一般的であった。
そして、近年、デジタルカメラや携帯電話のようなモバイル機器または電子機器などを利用する際、使用者がモバイル機器からどの程度離れているかの可否を判断して、モバイル機器を自動的に制御できるようにする近接機能に関する要求が増加している。それによって、使用者とモバイル機器との間の距離を判断して、その距離情報に基づいてモバイル機器から使用者が身近にいる場合には液晶表示窓にあるバックライトユニット(Back light unit、ＢＬＵ)の電源供給を自動的に遮断して電力消費を低減したり、またはタッチセンサの作動を自動で遮断して、誤動作を防止するようにした機能が提案されている。
従来、このような近接機能を具現するために、発光ダイオード（ＬＥＤ）と受光素子を用いて別個に製作した近接センサを、モバイル機器や電子機器などに設置することが一般的であった。
しかし、このように別個の近接センサを設置すると、モバイル機器や電子機器などのサイズが増加するため、製品の小型化、複数機能の実装など、最近の技術動向に逆行することになる。また、このような別個の近接センサを設置するための製造費用も増加するという問題点があった。
また、被写体の色感や色温度(color temperature)などを測定しようとする場合にも撮像画素全体を利用する必要があり、これによって電力消費が大きくなる問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、イメージセンサを備えた、カメラなどのシステムにおいて、撮像画素を備えた第１センシング部の周辺に、照度感知部、近接度感知部及び色温度感知部で構成される別個の第２センシング部を設けて、特定帯域の波長を有する赤外線及び可視光の有無による第２センシング部での出力電圧値の変化によって現在の照度、被写体との近接度及び被写体の色温度を測定できるように考案された照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサを提供することにある。
前記技術的課題を解決するため、本発明による照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサは、被写体に向けて特定帯域の波長を有する赤外線を照射する光源部と、該光源部への電源供給を制御する光源制御部と、前記被写体で反射した後、レンズを通じて入射する光のうち、特定帯域の波長を有する赤外線と可視光のみを選択的に透過させる赤外線透過フィルタと、前記赤外線透過フィルタを通過した前記被写体のイメージを取り込む撮像画素を備える第１センシング部と、及び前記赤外線透過フィルタを通過した赤外線と可視光を受光して、現在の照度、前記被写体の近接度及び前記被写体の色温度を測定する第２センシング部とを具備し、
前記第２センシング部は、前記赤外線透過フィルタを通過した外部光を受光して照度状態を測定する照度感知部と、前記赤外線透過フィルタを通過した赤外線を受光して前記光源部のオンオフによる出力電圧の差によって前記被写体の近接度を測定する近接度感知部と、前記赤外線透過フィルタを通過した特定帯域の波長を有する可視光線による出力電圧を生成し、前記被写体の色温度を測定する色温度感知部を具備することを特徴とする。
本発明による照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサは、撮像画素を備える第１センシング部の周辺に、別個の第２センシング部を設け、第１センシング部と別個に動作させるように構成することによって、電力消費を低減しつつ、現在の照度、被写体との近接度及び被写体の色温度を容易に測定することができる。
本発明による照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサの構成図である。 本発明に従って、第１センシング部の周りに第２センシング部を設けた構成を示す図面である。 図２に示した第２センシング部の構成を具体的に示す図面である。 本発明による赤外線透過フィルタの透過率を示すグラフである。 本発明に従って、近接度感知部の出力電圧変化を利用して被写体との近接度を判定する手法を示すグラフである。
以下、本発明の具体的な実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
図１は、本発明による照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサの構成図である。
図１を参照して、本発明による照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ１００は、光源部１１０、光源制御部１２０、赤外線透過フィルタ１５０、第１センシング部１６０及び第２センシング部１７０を備える。
光源部１１０は、被写体に向けて特定帯域の波長を有する赤外線を照射する。このとき、前記光源部１１０は、例えば、８５０ｎｍの波長を有する赤外線を被写体に照射する赤外線発光ダイオード(ＬＥＤ:Light Emitted Diode)で構成されることが望ましい。
光源制御部１２０は、前記光源部１１０のオンオフを調節する制御信号を生成するＬＥＤコントローラ１２１と、前記制御信号によって光源部１１０への電源供給を調節するＬＥＤドライバ１２２を備える。
赤外線透過フィルタ１５０は、被写体１３０で反射した後、レンズ１４０を通じて入射する光のうち、特定帯域の波長を有する赤外線と可視光のみを選択的に透過させる。
第１センシング部１６０は、撮像画素を備え、前記赤外線透過フィルター１５０を通過した前記被写体１３０のイメージを取り込む。
第２センシング部１７０は、前記赤外線透過フィルタ１５０を通過した特定帯域の波長を有する赤外線と可視光を受光して、現在の照度、前記被写体との近接度及び前記被写体の色温度を測定する。
図２は、本発明に従って、第１センシング部の周りに第２センシング部を設けた構成を示す図面である。
図２に示したように、前記第２センシング部１７０は、前記第１センシング部１６０の周辺に別個に設置され、前記第１センシング部１６０の撮像画素と連結されずに独立に動作する。
図３は、図２に示した第２センシング部の構成を具体的に示す図面である。
図３に示したように、第２センシング部１７０は、照度感知部１７１、近接度感知部１７２及び色温度感知部１７３を備える。
照度感知部１７１は、前記赤外線透過フィルタ１５０を通過した特定帯域の波長を有する赤外線と可視光を受光して、現在の照度状態を測定する。
近接度感知部１７２は、前記赤外線透過フィルタ１５０を通過した特定波長帯域の赤外線を受光して、前記光源部１１０のオンオフによる出力電圧の差によって前記被写体の近接度を測定する。
色温度感知部１７３は、前記赤外線透過フィルタ１５０を通過した特定帯域の波長を有する可視光による出力電圧を生成して、前記被写体の色温度を測定する。
図２及び図３に示したように、前記照度感知部１７１は、外部からレンズ１４０に入射する光の明るさを容易に測定できるように、第２センシング部１７０全体に複数の感知部を配置することが望ましい。また、被写体の近接度を判断するための近接度感知部１７２及び色温度感知部１７３も、前記照度感知部と同様に、第２センシング部１７０全体に複数の感知部を配置することが望ましい。
一方、図３では、照度感知部１７１として、別個のグリーン画素(Green pixel)を使用する例を示しているが、別個のグリーン画素を使用する代わりに、色温度感知部１７３に設けられたグリーン画素を使用して現在状態の照度を測定することも可能である。
このとき、前記照度感知部１７１は、外部光が前記被写体１３０で反射されてレンズ１４０を通過した後に入射する光の明るさを測定する感知部として、一般に、人が感じる明るさ曲線と同一なスペクトラムを有するように設計される。また、前記照度感知部１７１は、撮像画素を備えた第１センシング部１６０の外周に接して複数個の感知部を配置することにより、被写体で反射した光の平均値を求めることができる。また、求めた光の平均値に基づいて、外部光による現在の照度状態を比較的正確に測定することが可能になる。
前記近接度感知部１７２は、赤外線画素(IR pixel)を備え、赤外線画素の上部にはブルーカラーフィルタ(Blue CF)とレッドカラーフィルタ(Red CF)をさらに設けることが望ましい。また、前記近接度感知部１７２は、前記光源部１１０によって照射され、被写体１３０で反射しレンズ１４０に入射する特定帯域の波長を有する赤外線による出力電圧値が生成されるように構成される。
また、前記近接度感知部１７２の上部に設置されたブルーカラーフィルタとレッドカラーフィルタは、レンズ１４０を通過して入射する可視光帯域の光を遮断する可視光遮断フィルタの役割を有する。このように前記近接度感知部１７２の赤外線画素の上部に可視光遮断フィルタを設けることにより、可視光が前記近接度感知部１７２に到逹することを防止して、被写体で反射した特定帯域の波長を有する赤外線のみによって誘起される出力電圧値の差を演算して、近接度判断の正確性を向上させることができる。
色温度感知部１７３は、レッド画素(Red pixel)、グリーン画素(Green pixel)及びブルー画素(Blue pixel)を備え、前記赤外線透過フィルタ１５０を通過した特定帯域の波長を有する可視光による出力電圧を感知して、前記被写体の色温度を測定する。また、前記レッド画素、グリーン画素及びブルー画素上部には、レッドカラーフィルタ(Red CF)、グリーンカラーフィルタ(Green CF)及びブルーカラーフィルタ(Blue CF)をそれぞれ設けることが望ましい。
このとき、前記レッド画素、グリーン画素及びブルー画素は、第１センシング部の撮像画素が設置された領域以外の場所に別個に設置されており、第１センシング部の撮像画素とは独立に動作する。したがって、被写体の色温度を測定するにおいて、電力消費が大きい撮像画素を直接使用せず、色温度感知部１７３に設けたレッド画素、グリーン画素及びブルー画素を使用することによって、少ない消費電力で被写体の色温度を容易に測定することができる。
図４は、本発明による赤外線透過フィルタの透過率を示すグラフである。
図４を参照すると、前記赤外線透過フィルタは、画像取り込みのために、可視光領域である４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長を有する光を透過させて、カラー特性を悪化させる赤外線領域を遮断(cutoff)し、そして、被写体の近接度判定のための光源や色温度測定のための照明としての光源である８５０ｎｍ帯域の特定波長を有する赤外線のみを透過させるように、２つの透過帯域で構成されていることが分かる。
このように前記赤外線透過フィルタを使用して赤外線のうちで可視光領域の波長と連続的ではない赤外線領域の特定帯域の波長のみを透過させることによって、カラー特性の悪化を最小化しつつ、赤外線発光ダイオードを単純に光源としてだけではなく、被写体の近接度判断及び色温度測定のための光源として活用することができる。
図５は、本発明に従って、近接度感知部の出力電圧変化を利用して被写体との近接度を判定する手法を示すグラフである。
図５を参照すると、Ｖ１は、８５０ｎｍ帯域の波長を有する赤外線を照射する光源部１１０をオンした場合に、レンズを通じて入射する光によって前記近接度感知部で測定される出力電圧値を示している。Ｖ２は、光源部１１０をオフした場合に、近接度感知部で出力される出力電圧値を示している。ΔＶｄは、Ｖ１とＶ２の差を示す。
前記光源部１１０がオフした場合、被写体で反射して近接度感知部１７２に入射する光の強さは、外部光の強さのみによって決まる。一方、前記光源部１１０がオンした場合、被写体で反射して近接度感知部に入射する光の強さは、外部光および光源部１１０で放射された光の強さの合計によって決まる。
従って、前記光源部がオフした状態での近接度感知部の出力値Ｖ２と、前記光源部がオンした状態での近接度感知部の出力値Ｖ１の差は、外部光とは無関係になり、光源部が照射した光と被写体との関係のみによって決まる。また、前記ΔＶｄ値は、被写体と前記光源部との間の距離に依存するようになる。
即ち、同一の被写体が光源部からかなり遠く離れている場合には、前記光源部が照射した光が被写体で反射して近接度感知部に入射する量は極めて少なくなるが、被写体がだんだん近くなると、光源部が照射した光が被写体で反射して近接度感知部に入射する量は増加するようになり、それによってΔＶｄ値は大きくなるようになる。
従って、前記近接度感知部は、前記ΔＶｄ値が大きければ、前記光源部が照射した赤外線が被写体で多く反射して入射するため、被写体が近接したものとして認識する。一方、前記ΔＶｄ値が小さければ、前記光源部が照射し被写体で反射し後に入射する赤外線が少ないため、被写体が遠く離れているものとして認識するようになる。
即ち、前記ΔＶｄ値は、被写体の反射率（Ｒ）に比例して、近接度感知部と被写体との間の距離（ｄ）の二乗に反比例するので、前記距離（ｄ）が非常に遠い場合（遠距離）、前記近接度感知部の出力値は光源部をオンした場合とオフした場合に差がほとんどなくなる。一方、前記距離（ｄ）が短い場合（近接距離）、光源部をオンした場合とオフした場合の間の前記近接度感知部の出力値の差が大きくなる。そのような出力値の差ΔＶｄを求めることで、被写体との距離（ｄ）を正確に算出できるようになる。
また、実際には、前記被写体との距離（ｄ）をより正確に算出するために、光源部のオン時間幅（Δｔ）は０．１ｓｅｃ以下で、３回〜５回繰り返して測定することが望ましい。
このように、特定帯域、例えば８５０ｎｍの波長を有する光を照射する発光ダイオードを備え、このような光源で照射した後、被写体で反射してレンズに入射する前記特定帯域の光を透過させる赤外線透過フィルタを備え、前記特定帯域の光の有無による近接度感知部での出力電圧値の変化を演算することによって、被写体の近接度を容易に判定することが可能になる。
また、照度測定、被写体の近接度判定、及び被写体の色温度の測定時に、各測定ごとに光源を設けずに同一の発光ダイオードを利用することで、イメージセンサを利用するシステムの大型化を防止しつつ、照度測定、近接度判断及び色温度測定を容易に実現することができるようになる。
前記光源部１１０を、８５０ｎｍ帯域の波長を有する赤外線を照射する赤外線発光ダイオードで構成した場合、夜間撮影のための照明としてオンしたとき、または近接度判断及び色温度測定のためにオンしたときでも、人が眩しさを感じなくなり赤外線発光ダイオードのちらつきを認知しにくいが、被写体で反射した光を感知するセンサの感度が高くなり、より正確な画像を取り込むことができ、より正確な近接度及び色温度測定が可能になる。
また、このように８５０ｎｍ帯域の赤外線を光源として利用し、この領域以外の他の領域の赤外線を赤外線透過フィルタで遮断することによって、カラー特性の劣化を最小化できるようになる。即ち、前記赤外線透過フィルタを夜間撮影時の光源や近接度判断及び色温度測定のための光源として利用した場合、８５０ｎｍ帯域の赤外線を透過させる透過フィルタとして機能するが、昼間撮影時には、前記８５０ｎｍ帯域以外の他の帯域の波長を有する赤外線帯域を遮断する赤外線カットオフフィルタとして機能するようになるため、カラー特性の劣化を最小化できるようになる点で望ましい。
それによって、前記発光ダイオードを夜間撮影のための光源として利用する場合には、イメージ取り込みのための外部制御信号によって、前記ＬＥＤコントローラで発光ダイオードのターンオン信号を生成する。一方、近接度判定及び色温度測定のための光源として利用する場合には、一定時間の間にオンとオフを複数回繰り返すことができる制御信号を生成するように構成することが望ましい。
前記実施例において近接度判定及び色温度測定のための制御信号は、前記発光ダイオードのオン時間を０．１秒以下に維持しながら、おおよそ３〜５回程度繰り返して、発光ダイオードがオンとオフを繰り返すように構成することが望ましい。それによって、発光ダイオードが照射する光の有無によるセンサ部での出力電圧値の差をより迅速で正確に測定することができるようになる。
また、外部光源が弱い夜間モードで画像を取り込む場合には、前記発光ダイオードが照射する光を光源にして、被写体１３０の画像を取り込むようになる。
このとき、夜間モードの選択は、発光ダイオード（ＬＥＤ）をオフした状態での明るさが基準値より低い場合に選択されるようにできる。従って、イメージセンサを動作させた状態で画像の明るさがとても低い状態、即ち、前記第２センシング部１７０に設けた照度感知部１７１に入射する光の強さが低く、夜間であると判断される場合には、発光ダイオードをオンして光源として利用するようになる。このように夜間撮影のための光源として使用する場合、前記発光ダイオードは、イメージセンサの波長別感度曲線に従って人が眩しさを感じない好適な帯域の波長を有するように選択することが望ましい。
前記実施例では、光源部を、８５０ｎｍ波長を有する赤外線を照射する赤外線発光ダイオードで構成した例を用いて説明したが、前記発光ダイオードで照射される光の特定帯域の波長は、これに制限されず、前記赤外線透過フィルタの特性によって多様に選択することができる。
以上では、本発明に対する技術思想を添付図面とともに説明したが、これは本発明の望ましい実施例を例示的に説明しただけに過ぎず、本発明を限定するものではない。また、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者なら誰も本発明の技術的思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形及び模倣が可能であることは明白な事実である。
１００ イメージセンサ
１１０ 光源部
１２０ 光源制御部
１５０ 赤外線透過フィルタ
１６０ 第１センシング部
１７０ 第２センシング部

Claims (10)

  1. イメージセンサにおいて、
    被写体に向けて特定帯域の波長を有する赤外線を照射する光源部と、
    前記光源部への電源供給を制御する光源制御部と、
    前記被写体で反射した後、レンズを通じて入射する光のうち、特定帯域の波長を有する赤外線と可視光のみを選択的に透過させる赤外線透過フィルタと、
    前記赤外線透過フィルタを通過した前記被写体のイメージを取り込む撮像画素を備える第１センシング部と、
    前記赤外線透過フィルタを通過した赤外線と可視光を受光して、現在の照度、前記被写体の近接度及び前記被写体の色温度を測定する第２センシング部と、を具備し、
    前記第２センシング部は、
    前記赤外線透過フィルタを通過した外部光を受光して照度状態を測定する照度感知部と、
    前記赤外線透過フィルタを通過した赤外線を受光して前記光源部のオンオフによる出力電圧の差によって前記被写体の近接度を測定する近接度感知部と、
    前記赤外線透過フィルタを通過した特定帯域の波長を有する可視光線による出力電圧を生成し、前記被写体の色温度を測定する色温度感知部を具備することを特徴とする照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ。
  2. 前記第２センシング部は、
    前記第１センシング部以外の領域に別個に設けられ、前記第１センシング部と分離して独立に動作することを特徴とする請求項１に記載の照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ。
  3. 前記近接度感知部は、
    赤外線センサ（ＩＲ画素）を具備し、
    前記光源部がオフした状態での前記赤外線センサの出力電圧値と、前記光源部がオンした状態での前記赤外線センサの出力電圧値の差を比べて、被写体の近接度を感知するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ。
  4. 前記近接度感知部は、
    前記赤外線センサの上部に可視光遮断フィルタをさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ。
  5. 前記色温度感知部は、
    レッド（Ｒ）画素、グリーン（Ｇ）画素及びブルー（Ｂ）画素を具備し、前記赤外線透過フィルタを通過した特定帯域の波長を有する可視光による出力電圧を感知して、前記被写体の色温度を測定することを特徴とする請求項１に記載の照度、近接度及び色温度測定が可能なイメージセンサ。
  6. 前記光源部は、８５０ｎｍの波長を有する赤外線を照射する赤外線発光ダイオードで構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ。
  7. 前記赤外線透過フィルタは、
    ４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長を有する可視光及び前記８５０ｎｍの波長を有する赤外線を透過させることを特徴とする請求項６に記載の照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ。
  8. 前記光源制御部は、
    前記照度感知部において前記赤外線透過フィルタを通過した外部光を受光して測定した照度が基準値以下であると判断された場合、夜間撮影のための光源として前記赤外線発光ダイオードをオンすることを特徴とする請求項７に照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ。
  9. 前記光源制御部は、
    近接度判断のための光源として前記赤外線発光ダイオードを利用する場合、一定時間の間に前記赤外線発光ダイオードがオンとオフを複数回繰り返すように制御することを特徴とする請求項７に記載の照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ。
  10. 前記光源制御部は、前記赤外線発光ダイオードのオン時間を０．１秒以下に維持しながら、３〜５回繰り返してオン及びオフするように制御することを特徴とする請求項９に記載の照度、近接度及び色温度の測定が可能なイメージセンサ。
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