KR100905269B1 - Image sensor with infrared ray correction - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 카메라 모듈에서 사용되는 IR(Infrared Ray) 컷-오프 필터 없이 사용할 수 있는 이미지센서에 관한 것으로, 저조도일 때의 촬영도 가능하여 감시카메라 등에서 저조도 촬영 시 IR 컷-오프 필터의 탈, 장착을 위한 모터를 사용하지 않게 하여 제품의 가격을 낮추고 소형 카메라에서 불가능했던 저조도 적외선 촬영을 가능하게 한다.The present invention relates to an image sensor that can be used without an IR (infrared ray) cut-off filter used in a camera module, and can be taken in low light, so that the IR cut-off filter can be removed and mounted during low-light shooting in a surveillance camera. It eliminates the use of a motor for the purpose of lowering the price of the product and making it possible to shoot low-light infrared light, which was impossible with a small camera.
최근 이미지 센서를 구비한 휴대용 장치(예를 들어, 디지털 카메라, 이동 통신 단말기 등)가 개발되어 판매되고 있다. 이미지 센서는 픽셀(pixel)들 또는 포토사이트(photosite)들로 불리는 작은 감광 다이오드들의 어레이로서 구성된다. 픽셀들 자체는 보통 광으로부터 컬러를 추출하지 않으며, 넓은 스펙트럼 밴드로부터의 광자들을 전자들로 변환한다. 따라서 단일 센서를 가지고 컬러 이미지들을 기록하기 위해서 센서는 상이한 픽셀들이 상이한 컬러 조명을 수신하도록 필터링 된다. 이러한 타입의 센서는 컬러 필터 어레이 또는 CFA(Color Filter Array)로 알려져 있으며, 각각의 상이한 칼라 필터들이 센서를 가로질러 미리 정의된 패턴으로 배열 된다.Recently, portable devices (eg, digital cameras, mobile communication terminals, etc.) equipped with image sensors have been developed and sold. The image sensor is configured as an array of small photosensitive diodes called pixels or photosites. The pixels themselves usually do not extract color from the light and convert photons from the broad spectral band into electrons. Thus, in order to record color images with a single sensor, the sensor is filtered so that different pixels receive different color illumination. This type of sensor is known as a color filter array or color filter array (CFA), where each different color filter is arranged in a predefined pattern across the sensor.
컬러 필터 어레이(CFA)에는 투과광이 적(R), 녹(G) 및 청(B)인 원색계의 필터 세트나, 시안(Cy), 마젠타(Mg) 및 옐로우(Ye)인 보색계의 필터 세트가 있다. 이들 컬러 필터는 예를 들면, 유기 재료를 기재로 하고, 이것을 착색하여 형성되고, 각각 대응하는 색의 가시광을 투과하지만, 그 재질 상 적외광도 투과한다. 각 색의 컬러 필터의 투과율은 가시광 영역에서는 각각의 착색에 따라서 고유의 분광 특성을 나타내지만, 적외광 영역에서 거의 공통의 분광 특성을 나타낸다.The color filter array (CFA) includes a primary color filter set having transmitted light of red (R), green (G), and blue (B), or a complementary filter of cyan (Cy), magenta (Mg), and yellow (Ye). There is a set. These color filters are based on an organic material, for example, are formed by coloring them, and transmit visible light of a corresponding color, respectively, but also transmit infrared light on the material. The transmittance of the color filter of each color shows intrinsic spectral characteristics in accordance with the respective coloring in the visible light region, but shows almost common spectral characteristics in the infrared light region.
한편, 이미지 센서를 구성하는 포토사이트는 파장이 380~780nm 정도의 가시광선 영역 전반 외에, 장파장의 근적외 영역까지 감도를 갖는다. 그 때문에, 적외선 성분(IR 성분)이 수광 화소에 입사하면, 상기 적외선 성분은 칼라 필터를 투과하여 포토사이트에서 신호전하를 발생한다. On the other hand, the photosite constituting the image sensor has a sensitivity up to the near-infrared region of the long wavelength, in addition to the visible region in the wavelength range of about 380 to 780 nm. Therefore, when the infrared component (IR component) enters the light receiving pixel, the infrared component passes through the color filter to generate signal charges at the photosite.
도 1 은 각각 RGB 각 필터가 배치된 RGB 각 수광 화소의 분광 감도 특성을 도시하는 그래프이다. 이때 x축은 파장(nm)을 나타내고, y축은 투명도(%)를 나타낸다.1 is a graph showing the spectral sensitivity characteristics of each RGB light-receiving pixel in which respective RGB filters are disposed. At this time, the x axis represents the wavelength (nm), the y axis represents the transparency (%).
도 1에 도시된 바와 같이, 각 수광 화소(10)(20)(30)가 적외선(IR) 성분(40)에도 감도를 갖기 때문에 IR(Infrared Ray) 성분(40)을 포함하는 입사광에 대하여 정확한 색을 표현할 수 없는 문제가 발생한다. 즉, B(Blue) 성분(10)의 경우 450nm 파장대 외에 850nm 파장대에서도 IR 성분(40)에 따른 신호 전하(12)가 발생하고, G(Green) 성분(20)의 경우 550nm 파장대 외에 850nm 파장대에서도 IR 성분(40)에 따른 신호 전하(22)가 발생함을 알 수 있다. 또한 R(Red) 성분(30)의 경우에도 850nm 파장대 외에 950nm 파장대에서 IR 성분(40)에 따른 신호 전하(32)가 발생함을 알 수 있다. As shown in FIG. 1, since each of the
그 때문에 일반적으로 이미지 센서는 렌즈와 칼라 필터 사이에 적외선 광을 차단할 수 있는 별도의 IR 컷-오프 필터를 배치하고 있다.For this reason, image sensors typically have a separate IR cut-off filter between the lens and the color filter that can block infrared light.
그러나 상기 IR 컷-오프 필터는 적외광을 컷트함과 동시에, 가시광도 10~20%정도 감쇠시킨다. 그 때문에 수광화소에 입사하는 가시광의 강도가 감소하고, 그것에 따라서 출력 신호의 S/N 비(신호대 잡음비)가 저하하여, 화질의 열화를 초래하는 문제가 발생하였다. 또한 이동통신단말기와 같은 소형의 휴대 카메라에서는 IR 컷-오프 필터 탈, 장착용 모터를 사용할 공간이 없고 가격부담으로 인하여 적용을 하지 못하고 있으며, IR 컷-오프 필터 없이 구현한 카메라의 경우 주간에서 사용할 경우 색 반전을 인하여 정상적인 카메라의 기능을 수행할 수 없는 문제점이 있다.However, the IR cut-off filter cuts infrared light and attenuates visible light by about 10 to 20%. As a result, the intensity of visible light incident on the light receiving pixel is reduced, and accordingly, the S / N ratio (signal-to-noise ratio) of the output signal decreases, resulting in a problem of deterioration of image quality. In addition, in small portable cameras such as mobile communication terminals, there is no space for removing or mounting the IR cut-off filter and it cannot be applied due to the price burden, and the camera implemented without the IR cut-off filter can be used during the day. In this case, there is a problem that a normal camera function cannot be performed due to color inversion.
이 문제에 대한 대처로서, 상기 IR 컷-오프 필터를 없애는 한편, R,G,B 등의 특정색의 광성분을 투과하는 컬러 필터가 배치된 수광화소(색 수광화소) 외에 추가로, 입사광 중의 IR 성분만을 투과하는 적외광 필터(IR 필터)가 배치되고, 기본적으로 IR 성분만을 검출하는 수광화소(적외 수광화소)를 가진 고체 촬상 소자가 제안되어 있다.In order to cope with this problem, the IR cut-off filter is eliminated, and in addition to a light receiving pixel (color light receiving pixel) in which a color filter that transmits light components of a specific color such as R, G, and B is disposed, An infrared light filter (IR filter) which transmits only an IR component is disposed, and a solid-state imaging device having a light receiving pixel (infrared light receiving pixel) that basically detects only an IR component has been proposed.
적외 수광화소가 출력하는 신호는 각 수광화소에서 IR 성분에 기인하여 발생하는 신호량에 관한 정보를 부여하는 참조신호로 된다. 이 참조신호를 이용하여 색 수광화소로부터 출력되는 각 색 신호에 포함되는 IR 성분의 영향을 제거하는 색 신호 처리를 행할 수 있다.The signal output by the infrared light receiving pixel becomes a reference signal for giving information on the signal amount generated due to the IR component in each light receiving pixel. Using this reference signal, color signal processing for removing the influence of the IR component included in each color signal output from the color light receiving pixel can be performed.
도 2 는 기존의 베이어 배열을 갖는 컬러 필터 어레이의 구성을 갖는 이미지센서를 도시하는 모식적인 평면도이고, 도 3 은 도 2에서 IR 컷-오프 필터를 없애고 IR 필터를 가진 이미지 센서를 도시하는 모식적인 평면도이다.FIG. 2 is a schematic plan view showing an image sensor having a configuration of a color filter array having a conventional Bayer arrangement, and FIG. 3 is a schematic view showing an image sensor having an IR filter without the IR cut-off filter in FIG. Top view.
도 3과 같이, 도 2의 문제 해결을 위해 개량된 컬러 필터 어레이는 베이어 배열에 있어서의 2x2 화소의 필터 어레이의 반복단위로, 대각 방향의 2화소에 배치되는 G 필터의 한 쪽을 IR(Infrared Ray) 필터에 의한 치환 구성을 갖는다.As shown in FIG. 3, the color filter array improved to solve the problem of FIG. 2 is an iteration unit of a filter array of 2 × 2 pixels in a Bayer array, and one side of a G filter disposed at two pixels in a diagonal direction is IR (Infrared). Ray) filter has a substitution configuration.
그러나 도 3에 도시하는 종래의 필터 어레이를 이용하면, 2x2 화소의 필터 어레이의 반복 단위 내에서의 G화소가 1화소만으로 구성된다. 즉, 도 2에서 도시하고 있는 베이어 배열과 같이 G화소를 2화소로 구성하던 것을, 도 3과 같이 1화소에 IR 필터로 구성함에 따라 G화소의 구성이 1화소로 작아지게 된다. However, using the conventional filter array shown in Fig. 3, the G pixels in the repeating unit of the filter array of 2x2 pixels are composed of only one pixel. That is, when the G pixel is composed of two pixels as in the Bayer arrangement shown in Fig. 2, and the IR filter is configured in one pixel as shown in Fig. 3, the configuration of the G pixel is reduced to one pixel.
이와 같이, IR 필터의 구성으로 G화소가 감소함에 따라, IR 컷-오프 필터의 제거를 통한 가격 및 공간 확보의 용이성을 얻는데 반해 상기 컬러 필터 어레이를 탑재한 고체 촬상 소자로부터 얻어지는 화상 신호의 해상도는 저하하게 되는 문제점이 추가로 발생하게 된다.In this way, as the G pixel is reduced by the configuration of the IR filter, the resolution of the image signal obtained from the solid-state imaging device equipped with the color filter array is obtained, while the cost and space can be easily obtained by removing the IR cut-off filter. There is an additional problem of degradation.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로써, IR 컷-오프 필터의 제거를 통한 가격 및 공간 확보의 용이성과 함께 컬러 필터 어레이를 탑재한 고체 촬상 소자로부터 얻어지는 화상 신호의 해상도나 감도의 향상을 함께 도모할 수 있는 컬러 필터 어레이를 갖는 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센 서를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and the resolution and the resolution of the image signal obtained from the solid-state image pickup device equipped with a color filter array with the ease of cost and space through the removal of the IR cut-off filter It is an object of the present invention to provide an image sensor having an infrared correction function having an array of color filters capable of improving the sensitivity.
본 발명의 다른 목적은 카메라 모듈에서 사용되는 IR 컷-오프 필터를 사용하지 않고, 또한 저조도일 때 적외선 촬영이 가능한 카메라 모듈에서 IR 컷-오프 필터의 탈, 장착을 위한 모터를 사용하지 않게 하여 제품의 가격을 낮출 수 있는 이미지센서를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to avoid the use of the IR cut-off filter used in the camera module, and also to use the motor for removing and mounting the IR cut-off filter in the camera module capable of infrared imaging in low light To provide an image sensor that can lower the price of.
본 발명의 또 다른 목적은 IR 컷-오프 필터의 제거를 통해 가격 및 공간 확보의 용이성을 제공하고, 주간에도 색 반전의 발생을 억제할 수 있도록 하여 이동통신단말기와 같은 소형의 휴대 카메라에 적용 가능한 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an easy price and space by removing the IR cut-off filter, and to suppress the occurrence of color reversal even during the day to be applicable to a small portable camera such as a mobile communication terminal An image sensor having an infrared correction function is provided.
본 발명의 또 다른 목적은 IR 컷-오프 필터를 사용하지 않음에 따라 근접센서 및 조도센서를 함께 통합하여 온 칩으로 구성 가능한 이미지센서를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide an image sensor that can be configured as an on-chip by integrating a proximity sensor and an illumination sensor together without using an IR cut-off filter.
본 발명의 또 다른 목적은 2밴드 필터를 사용하여 R,G,B셀과 IR셀의 감응정도가 틀린 파장 영역은 제외되고 거의 감응도가 비슷한 파장 영역만 보정하게 하여 단일 수식으로 보다 정확한 보정이 가능한 이미지센서를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to use a two-band filter to exclude only the wavelength range where the sensitivity of the R, G, B cells and IR cells are different, and to correct only the wavelength range where the sensitivity is almost the same. An image sensor is provided.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적용 가능한 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서의 특징은 기판 상에 이차원적으로 배열된 복수의 수광화소로 이루어지는 촬상부를 갖는 이미지센서에 있어서, 컬러필터를 이용하여 서로 다른 색에 대응하는 분광감도를 갖고 동일 평면상에 체크무늬 형상으로 배열되는 각 화소에 대응하는 R,G,B 셀과, 적외광에 대응하는 분광감도를 갖고, 상기 R,G,B 셀의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀과, 촬상부에 촬상된 R,G,B 값을 검출하고 IR 값을 기반으로 상기 검출된 R,G,B 값을 컬러 값별로 보정하는 컬러 보정부와, 상기 컬러 보정부 상단에 위치하며, 400~650 파장(nm) 영역과 850~950 파장(nm) 영역만을 통과시키는 2밴드 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서를 포함하는데 있다. 이때 상기 IR 셀을 R,G,B 셀의 아래에 위치하게 하는 것은 적외선이 가시광선에 비하여 장파장이기 때문에 반도체의 깊은 곳까지 도달하지만 가시광선은 그렇지 못하기 때문이다.A feature of an image sensor with an infrared correction function applicable according to the present invention for achieving the above object is that in the image sensor having a plurality of light receiving pixels arranged two-dimensionally on a substrate, the color filter R, G, and B cells corresponding to different pixels having spectral sensitivity corresponding to different colors and arranged in a checkered pattern on the same plane, and spectral sensitivity corresponding to infrared light. IR cells arranged on a vertical line below and below the surface of the B cell, and detecting R, G, and B values captured by the image pickup unit, and correcting the detected R, G, and B values by color values based on IR values. And a two-band filter positioned at an upper end of the color correction unit and passing only a 400-650 wavelength (nm) region and a 850-950 wavelength (nm) region. With image sensor There is. In this case, the IR cells are positioned under the R, G, and B cells because infrared rays reach a deeper portion of the semiconductor because they have a longer wavelength than visible rays, but visible rays do not.
바람직하게 상기 컬러 보정부는 검출된 R 값은 수식 R = r - (A * IR + B)에 적용하여 산출하고, 검출된 G 값은 수식 G = g - (C * IR + D)에 적용하여 산출하고, 검출된 B 값은 수식 B = b - (E * IR + F)에 적용하여 산출하는 것을 특징으로 하며, 이때, r은 R(Red) 셀의 출력값, g는 G(Green) 셀의 출력값, b는 B(Blue) 셀의 출력값이고, IR은 IR(Infrared Ray) 셀의 출력값이며, R, G, B는 보정된 컬러값이고, A, B, C, D, E, F는 계수 및 상수값인 것을 특징으로 한다.Preferably, the color corrector calculates the detected R value by applying the formula R = r-(A * IR + B) and calculates the detected G value by applying the formula G = g-(C * IR + D). And, the detected B value is calculated by applying the formula B = b-(E * IR + F), where r is the output value of the R (Red) cell, g is the output value of the G (Green) cell , b is the output value of the B (Blue) cell, IR is the output value of the Infrared Ray (IR) cell, R, G, B are the corrected color values, and A, B, C, D, E, F are the coefficients and It is characterized by a constant value.
바람직하게 상기 IR 셀은 R,G,B 셀의 전면 또는 R,G,B의 각 셀 중 선택적으로 배치되는 것을 특징으로 한다. 실제 이미지센서의 베이어 셀에서는 면적을 줄이기 위하여 2x2 셀이 하나의 화소가 되는 것이 아니라 각 셀이 하나의 화소에 대응된다. 그러므로 R 셀의 G,B 값은 인접한 G 또는 B 셀의 값을 보간(interpolation)하여 구한다. 그러므로 IR 셀을 모든 셀에 구성하면 IR의 해상도가 상당히 뛰어난 값을 얻을 수가 있다. 만일 2x2 셀 중 하나의 셀에 배치된다면 나머지 셀에서의 IR 값은 컬러값과 동일하게 보간(interpolation)하여야 한다.Preferably, the IR cell is disposed on the front surface of the R, G, B cells or selectively selected from each cell of R, G, B. In a Bayer cell of an actual image sensor, in order to reduce an area, a 2x2 cell does not become one pixel, but each cell corresponds to one pixel. Therefore, the G and B values of R cells are obtained by interpolating the values of adjacent G or B cells. Therefore, if the IR cell is configured in every cell, the resolution of the IR can be quite excellent. If placed in one of the 2x2 cells, the IR values in the remaining cells should be interpolated equally to the color values.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적용 가능한 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서의 다른 특징은 기판 상에 이차원적으로 배열된 복수의 수광화소로 이루어지는 촬상부를 갖는 이미지센서에 있어서, 서로 다른 색에 대응하는 분광감도를 갖고 동일 평면상에 체크무늬 형상으로 배열되는 각 화소에 대응하는 R,G,B 셀과, 적외광에 대응하는 분광감도를 갖고, 상기 R,G,B 셀의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀과, 적외광을 출력하는 IR 출력부와, 촬상부에 촬상된 R,G,B 값을 검출하고 상기 IR 출력부에서 출력되는 IR 값을 기반으로 상기 검출된 R,G,B 값을 컬러 값별로 보정하는 컬러 보정부와, 상기 컬러 보정부 상단에 위치하며, 400~650 파장(nm) 영역과 850~950 파장(nm) 영역만을 통과시키는 2밴드 필터와, 상기 컬러 보정부를 통해 보정된 R,G,B 값을 출력하는 컬러 출력부를 포함하는데 있다.Another feature of an image sensor having an infrared correction function applicable according to the present invention for achieving the above object is that in the image sensor having a plurality of light receiving pixels arranged two-dimensionally on the substrate, R, G, B cells corresponding to each pixel arranged in a checkered pattern on the same plane with a spectral sensitivity corresponding to color, and spectral sensitivity corresponding to infrared light, and the planes of the R, G and B cells And IR cells arranged on a vertical line below, IR output unit for outputting infrared light, and R, G, and B values captured by the imaging unit and detected based on IR values output from the IR output unit. A color correction unit for correcting the R, G, and B values for each color value, and a 2-band filter positioned at an upper end of the color correction unit and passing only a 400 to 650 wavelength (nm) region and a 850 to 950 wavelength (nm) region And corrected through the color correction unit. It includes a color output unit for outputting the R, G, B value.
바람직하게 상기 이미지센서는 상기 이미지센서의 적어도 하나 이상의 일측에 위치하며, 가시(visible) 셀, 및 상기 가시 셀의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀을 포함하는 근접센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the image sensor further comprises a proximity sensor positioned on at least one side of the image sensor and including a visible cell and an IR cell disposed on a vertical line below and below the surface of the visible cell. It features.
바람직하게 상기 이미지센서는 상기 이미지센서의 적어도 하나 이상의 일측에 위치하며, 가시(visible) 셀, 및 상기 가시 셀의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀을 포함하는 조도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the image sensor further comprises an illuminance sensor positioned on at least one side of the image sensor and including a visible cell and an IR cell disposed on a vertical line below and below the surface of the visible cell. It features.
바람직하게 상기 이미지센서는 상기 이미지센서의 적어도 하나 이상의 일측에 위치하며, 가시(visible) 셀, 및 상기 가시 셀의 면과 아래에 수직선상에 배치 되는 IR 셀을 포함하는 근접센서와, 상기 이미지센서의 적어도 하나 이상의 일측에 위치하며, 가시(visible) 셀, 및 상기 가시 셀의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀을 포함하는 조도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the image sensor is located on at least one side of the image sensor, the proximity sensor including a visible cell, and an IR cell disposed in a vertical line below and below the surface of the visible cell, and the image sensor Located on at least one side of the, characterized in that it further comprises an illumination sensor comprising a visible cell, and an IR cell disposed on a vertical line below and below the surface of the visible cell.
바람직하게 상기 근접센서 및 조도센서는 적어도 하나 이상의 셀 단위로 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서.Preferably, the proximity sensor and the illuminance sensor is an image sensor having an infrared correction function, characterized in that composed of at least one cell unit.
바람직하게 상기 근접센서 및 조도센서는 상기 이미지센서의 측면 중앙에 위치하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the proximity sensor and the illuminance sensor are located at the center of the side of the image sensor.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서는 다음과 같은 효과가 있다.As described above, an image sensor having an infrared correction function according to the present invention has the following effects.
첫째, 이미지 센서에 기존의 R,G,B 셀 외에 적층형태로 IR 셀을 추가하여 R,G,B 값과 IR 값을 분리해서 취득하고 R,G,B 값에 포함되어 있는 IR 값을 보정하여 로직을 구현함으로써, 기존의 카메라 모듈에서 사용되는 IR 컷-오프 필터가 불필요하게 되고, IR 컷-오프 필터를 탈, 장착하기 위한 모터가 필요 없이 일반 촬영과 적외광 촬영을 전자적으로 전환시킬 수 있는 효과가 있다.First, by adding IR cells in a stacked form in addition to the existing R, G, B cells to the image sensor, the R, G, B values and IR values are obtained separately, and the IR values included in the R, G, B values are corrected. This eliminates the need for an IR cut-off filter used in traditional camera modules and electronically switches between normal and infrared imaging without the need for a motor to remove and mount the IR cut-off filter. It has an effect.
둘째, IR 컷-오프 필터 없이도 화상 신호의 해상도나 감도의 저하를 억제시킬 수 있어, 가시광선 영역에서의 촬영은 물론 저조도에서도 적외선 촬영이 가능하다.Second, the degradation of the resolution and the sensitivity of the image signal can be suppressed without the IR cut-off filter, so that infrared imaging can be performed even in low light as well as in the visible light region.
셋째, 화상 신호의 해상도나 감도의 저하없이 IR 컷-오프 필터를 제거할 수 있어 모터 사용으로 인한 가격 증가 및 장착 공간 확보를 해소하여 이동통신단말기 와 같은 소형 장치에 적용이 가능하다. Third, the IR cut-off filter can be removed without degrading the resolution or sensitivity of the image signal, which can be applied to small devices such as mobile communication terminals by eliminating the cost increase and securing the mounting space.
넷째, 기존의 이미지센서는 IR 컷-오프 필터를 사용하므로 근접센서 기능 구현이 불가능하고 IR 컷-오프 필터를 없앤다고 해도 가시광선과 적외광을 같이 인식하므로 근접 및 조도센서 기능의 구현이 불가능하였으나, 본 발명의 이미지센서를 이동통신단말기의 영상통화용 카메라에 적용할 경우 최근 스마트폰에 적용되고 있는 근접센서 및 조도센서의 기능의 구현이 가능하다.Fourth, the conventional image sensor uses the IR cut-off filter, so it is impossible to implement the proximity sensor function. Even if the IR cut-off filter is removed, the visible and infrared light are recognized together, so the proximity and illumination sensor functions cannot be implemented. When the image sensor of the present invention is applied to a video call camera of a mobile communication terminal, it is possible to implement the functions of a proximity sensor and an illuminance sensor that are recently applied to a smartphone.
다섯째, 2밴드 필터를 사용하여 R,G,B셀과 IR셀의 감응정도가 틀린 파장 영역은 제외되고 거의 감응도가 비슷한 파장 영역만 보정하게 하여 단일 수식으로 보다 정확한 보정이 가능하다.Fifth, by using a two-band filter, the wavelength range where the R, G, B cells and IR cells have different sensitivity are excluded, and only the wavelength range with similar sensitivity is corrected.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Referring to the accompanying drawings, a preferred embodiment of an image sensor having an infrared correction function according to the present invention will be described. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. It is provided to inform you.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 따른 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서를 도시하는 모식적 평면도이다.4 is a schematic plan view showing an image sensor with an infrared ray correction function according to an embodiment of the present invention.
도 4와 같이, 이미지센서는 컬러필터를 이용하여 서로 다른 색에 대응하는 분광감도를 갖고 동일 평면상에 체크무늬 형상으로 배열되는 각 화소에 대응하는 R,G,B 셀(100)과, 적외광에 대응하는 분광감도를 갖고, 상기 R,G,B 셀(100)의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀(200)을 포함한다.As shown in FIG. 4, the image sensor has a spectral sensitivity corresponding to a different color using a color filter, and has R, G, and
상기 IR 셀(200)은 기존에는 도 3과 같이 R,G,B 셀(100)과 동일 평면상에 수평적으로 배치되었지만, 본 발명에서는 도 4와 같이 R,G,B 셀(100)과 수직적으로 배치되는데 특징이 있다.The
이처럼 R,G,B 셀(100)과 IR 셀(200)의 수직적 배치 시에는 적외광의 파장이 가시광선보다 길어서 적외선이 반도체 내부 깊숙이 침투하기 때문에 적외광만 촬상이 가능하도록 설계를 할 수 있다. As such, when the R, G,
또한, 이처럼 R,G,B 셀(100)과 IR 셀(200)의 수직적 배치 시에는 기존의 수평적 배치의 경우에 발생하는 G 셀의 감소로 인한 화질 열화를 없앨 수 있으며, IR 셀(200)의 면적이 수평적 배치의 경우에 비해 최대 4배가 커지므로 적외광의 감도가 훨씬 우수하다.In addition, in the vertical arrangement of the R, G, and
한편, IR 값은 주파수 특성상 R 값과 가까워 R 값에 많은 영향을 주고, G 값 및 B 값은 상대적으로 영향이 작다. 그러므로 R,G,B 값에 부가되어 있는 IR 값을 보정하기 위해서 컬러 값 별로 보정이 이루어져야만 한다.On the other hand, the IR value is close to the R value due to the characteristics of the frequency, and has a large influence on the R value, and the G value and the B value are relatively small. Therefore, in order to correct the IR value added to the R, G, and B values, correction must be made for each color value.
따라서 상기 이미지센서는 적외광을 출력하는 IR 출력부와, 촬상부에 촬상된 R,G,B 값을 검출하고 상기 IR 출력부에서 출력되는 IR 값을 기반으로 상기 검출된 R,G,B 값을 컬러 값별로 보정하는 컬러 보정부와, 상기 컬러 보정부를 통해 보정된 R,G,B 값을 출력하는 컬러 출력부를 추가로 구성한다.Accordingly, the image sensor detects R, G, and B values captured by the IR output unit that outputs infrared light, and the imaging unit, and detects R, G, and B values based on the IR values output from the IR output unit. It further comprises a color correction unit for correcting for each color value, and a color output unit for outputting the R, G, B values corrected through the color correction unit.
이때, 상기 컬러 보정부에서 수행되는 컬러 값별 보정은 기본적으로 다음 수학식 1, 2, 3으로 구현되며, 도 5와 같이 구현된다. In this case, the color value correction performed by the color correction unit is basically implemented by the following equations (1), (2) and (3), as shown in FIG.
상기 수학식 1은 R 값을 보정하기 위한 수식이고, 상기 수학식 2는 G 값을 보정하기 위한 수식이며, 상기 수학식 3은 B 값을 보정하기 위한 수식을 나타낸다.Equation 1 is an equation for correcting an R value, Equation 2 is an equation for correcting a G value, and Equation 3 represents an equation for correcting a B value.
또한 상기 수학식 1 내지 수학식 3에서 r은 R 셀의 출력값, g는 G 셀의 출력값, b는 B 셀의 출력값이고, IR은 IR 셀의 출력값이다. 그리고 R, G, B는 보정된 컬러값이고, A, B, C, D, E, F는 계수 및 상수값이다. 상기 각 컬러에 대한 계수값은 반도체 구조 및 특성상 실험에 의하여 얻어지는 값으로 변경 가능하다.In Equations 1 to 3, r is an output value of an R cell, g is an output value of a G cell, b is an output value of a B cell, and IR is an output value of an IR cell. And R, G, and B are corrected color values, and A, B, C, D, E, and F are coefficients and constant values. The coefficient value for each of the colors can be changed to a value obtained by an experiment due to the semiconductor structure and characteristics.
이때, 도 1과 같이 R,G,B 셀의 파장별 감도(10)(20)(30)를 나타내는데 반해, IR 셀의 감도(40)는 G,B의 IR 파장대역에서 나타나는 곡선과 유사하게 나타난다. 그러므로 650~850 파장(nm) 영역에서는 각 칼라별 감도가 틀리기 때문에 감응되는 파장에 따라 보정하기가 어렵다. In this case, as shown in FIG. 1, the
따라서 본 발명에서는 2밴드 필터(미도시)를 구성하여 보다 정확하게 보정한다. 이때 상기 2밴드 필터의 밴드 영역은 가시광선 영역인 400~650 파장(nm) 영역 과, IR 영역인 850~950 파장(nm) 영역만 통과하도록 한다. 그렇게 하면 R,G,B 셀과 IR셀의 감응정도가 틀린 650~850 파장(nm) 영역은 제외되고 거의 감응도가 비슷한 850~950 파장(nm) 영역만 보정을 하게 되므로, 상기 수학식 1, 2, 3과 같은 단일 수식으로 보다 정확하게 보정이 가능하게 된다.Therefore, in the present invention, a two-band filter (not shown) is configured to correct more accurately. At this time, the band region of the two-band filter passes only the 400-650 wavelength (nm) region, which is the visible light region, and the 850-950 wavelength (nm) region, which is the IR region. This excludes the 650-850 wavelength (nm) region where the sensitivity of the R, G, B cells and the IR cells are different, and corrects only the 850-950 wavelength (nm) region, which has almost the same sensitivity. Single equations such as 2 and 3 allow for more accurate calibration.
한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서를 도시하는 모식적 평면도이다.6 is a schematic plan view showing an image sensor with an infrared ray correction function according to another embodiment of the present invention.
도 6 과 같이, 동일 평면상에 체크무늬 형상으로 배열되는 각 화소에 대응하는 R,G,B 셀(100)의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀(200)이 R,G,B 셀(100)의 전면이 아닌 각 셀 면 중 선택적으로 배치할 수도 있다. As shown in FIG. 6, the
그러나 실제 이미지센서의 베이어 셀에서는 면적을 줄이기 위하여 2x2 셀이 하나의 화소가 되는 것이 아니라 각 셀이 하나의 화소에 대응된다. 그러므로 R 셀의 G,B 값은 인접한 G 또는 B 셀의 값을 보간(interpolation)하여 구한다. 그러므로 IR 셀을 모든 셀에 구성하면 IR의 해상도가 상당히 뛰어난 값을 얻을 수가 있다. 만일 2x2 셀 중 하나의 셀에 배치된다면 나머지 셀에서의 IR 값은 컬러값과 동일하게 보간(interpolation)하여야 한다.However, in a Bayer cell of an actual image sensor, in order to reduce an area, 2x2 cells do not become one pixel, but each cell corresponds to one pixel. Therefore, the G and B values of R cells are obtained by interpolating the values of adjacent G or B cells. Therefore, if the IR cell is configured in every cell, the resolution of the IR can be quite excellent. If placed in one of the 2x2 cells, the IR values in the remaining cells should be interpolated equally to the color values.
이와 같이 구성되는 본 발명의 이미지센서를 이동통신단말기의 영상통화용 카메라에 적용할 경우 최근 스마트폰에 적용되고 있는 근접센서의 기능을 구현할 수 있다. When the image sensor of the present invention configured as described above is applied to a video call camera of a mobile communication terminal, a function of a proximity sensor that is recently applied to a smartphone can be implemented.
통상적으로 근접센서는 IrED에서 조사되어 반사되는 IR을 받아들여 거리를 센싱하는 포토다이오드로 구성이 되는데, 이 때문에 IR 컷-오프 필터를 사용하는 기존의 이미지센서와 통합할 수가 없다. In general, the proximity sensor is composed of a photodiode that senses the distance by receiving IR reflected from the IrED, and thus cannot be integrated with an existing image sensor using an IR cut-off filter.
그러나 본 발명과 같이, IR 컷-오프 필터를 사용하고 있지 않는 경우는 이미지센서에서 IR 값만 읽어 들여 근접센서의 역할을 대신할 수가 있다. 또한 본 발명과 같은 구조의 이미지센서는 조도센서 기능도 구현이 가능하다. 즉 조도센서는 가시광선 값만을 받아들여 디스플레이 LCD의 밝기를 조절하기 위한 것으로 적외선 보정회로에 의하여 가시광선만을 분리할 수 있으므로 조도센서는 가시(visible) 셀에서 얻어진 값에서 IR 값을 보정하여 구현이 가능하다.However, when the IR cut-off filter is not used as in the present invention, only the IR value is read from the image sensor to replace the role of the proximity sensor. In addition, the image sensor having the same structure as the present invention can implement the illumination sensor function. That is, the illuminance sensor adjusts the brightness of the display LCD by accepting only the visible light value. Since the infrared light correction circuit can separate only the visible light, the illuminance sensor corrects the IR value from the value obtained from the visible cell. It is possible.
본 발명에서는 이미지센서와 근접 및 조도센서의 동시 작동과 근접/조도센서 동작시의 파워 소비를 최소화하기 위하여 이미지센서와 별도의 셀로 이미지센서에 근접센서 및 조도센서를 함께 통합하여 온 칩으로 구현한다. 즉, 도 4 또는 도 6의 형상을 갖는 이미지센서 전체를 근접센서 또는 조도센서로 사용하는 경우에는 파워 소비가 높으며, 또한 카메라 동작 중에는 근접, 조도 기능의 사용이 어렵기 때문에 도 7 및 도 8과 같이 이미지센서와 통합하여 근접센서 및 조도센서를 구현하였다.In the present invention, in order to minimize the power consumption during the simultaneous operation of the image sensor and the proximity and illumination sensor and the proximity / illuminance sensor operation, the proximity sensor and the illumination sensor are integrated into the image sensor and implemented as an on-chip. . That is, when the entire image sensor having the shape of FIG. 4 or FIG. 6 is used as a proximity sensor or an illuminance sensor, power consumption is high, and it is difficult to use the proximity and illuminance functions during camera operation. Together with the image sensor, a proximity sensor and an illuminance sensor were implemented.
도 7 및 도 8과 같이, 이미지센서는 컬러필터를 이용하여 서로 다른 색에 대응하는 분광감도를 갖고 동일 평면상에 체크무늬 형상으로 배열되는 각 화소에 대응하는 R,G,B 셀, 및 적외광에 대응하는 분광감도를 갖고 상기 R,G,B 셀의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀을 포함하는 이미지센서에 있어서, 상기 이미지센서의 적어도 하나 이상의 일측에 위치하며, 컬러필터를 사용하지 않은 가시(visible) 셀, 및 적외광에 적합한 감도를 갖고 상기 가시 셀의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀을 포함하는 근접센서(300)와, 상기 이미지센서의 적어도 하나 이상의 일측에 위치하며, 컬러필터를 사용하지 않은 가시(visible) 셀, 및 적외광에 적합한 감도를 갖고 상기 가시 셀의 면과 아래에 수직선상에 배치되는 IR 셀을 포함하는 조도센서(400)를 포함한다.As shown in Figs. 7 and 8, the image sensor has a spectral sensitivity corresponding to different colors using a color filter, and R, G, B cells corresponding to each pixel arranged in a checkered pattern on the same plane, and red An image sensor having an spectral sensitivity corresponding to external light and including an IR cell disposed in a vertical line below and below the planes of the R, G, and B cells, wherein the image sensor is disposed on at least one side of the image sensor. A
상기 근접센서(300)는 IR 셀을 사용하고, 상기 조도센서(400)는 가시광선만을 인식하여 동작되므로, 이러한 특성을 통해 가시(visible) 셀에서 얻어진 값에서 IR 값을 보정하여 근접 기능 또는 조도 기능을 각각 구현한다.Since the
한편, 도면에서는 상기 근접센서(300) 및 조도센서(400)를 하나의 셀 단위로 구성하고 있지만, 2개 이상의 셀 단위로 구성할 수도 있다.In the drawing, the
또한, 상기 근접센서(300) 및 조도센서(400)는 상기 이미지센서의 적어도 하나 이상의 일측에 위치하며, 2개 이상의 셀로 구현되는 경우에는 각각의 셀에서 검출된 값의 평균값으로 근접값 또는 조도값을 산출한다.In addition, the
그리고 상기 근접센서(300) 및 조도센서(400)는 상기 이미지센서의 측면 중앙에 위치하도록 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. Although the technical spirit of the present invention described above has been described in detail in a preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1 은 각각 RGB 각 필터를 배치된 RGB 각 수광 화소의 분광 감도 특성을 도시하는 그래프1 is a graph showing the spectral sensitivity characteristics of each of the RGB light receiving pixels in which the respective RGB filters are disposed;
도 2 는 기존의 베이어 배열을 갖는 컬러 필터 어레이의 구성을 갖는 이미지센서를 도시하는 모식적인 평면도FIG. 2 is a schematic plan view showing an image sensor having a configuration of a color filter array having a conventional Bayer arrangement. FIG.
도 3 은 도 2에서 IR 컷-오프 필터를 없애고 IR 필터를 가진 이미지 센서를 도시하는 모식적인 평면도FIG. 3 is a schematic plan view showing an image sensor with an IR filter with the IR cut-off filter removed in FIG.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서를 도시하는 모식적 평면도4 is a schematic plan view showing an image sensor with an infrared correction function according to an embodiment of the present invention.
도 5 은 도 4의 컬러 보정부를 통한 컬러 값별 보정의 수행 과정을 설명하기 위한 구성도 FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a process of performing correction for each color value through the color correction unit of FIG. 4. FIG.
도 6 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서를 도시하는 모식적 평면도6 is a schematic plan view showing an image sensor with an infrared correction function according to another embodiment of the present invention.
도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서에 근접센서 및 조도센서가 포함된 구조를 도시하는 모식적 평면도FIG. 7 is a schematic plan view illustrating a structure in which an image sensor with an infrared ray correction function and a proximity sensor and an illuminance sensor are included according to another embodiment of the present invention.
도 8 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 보정 기능을 구비한 이미지센서에 근접센서 및 조도센서가 포함된 구조를 도시하는 모식적 평면도8 is a schematic plan view showing a structure in which an image sensor having an infrared correction function and a proximity sensor and an illuminance sensor are included according to another embodiment of the present invention;
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : B 성분 20 : G 성분10: B component 20: G component
30 : R 성분 40 : IR 성분30: R component 40: IR component
100 : R,G,B 셀 200 : IR 셀100: R, G, B cell 200: IR cell
300 : 근접센서 400 : 조도센서300: proximity sensor 400: illumination sensor
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