KR100927002B1 - 이미지센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 이미지센서는 피사체를 향해 빛을 조사하는 광원부, 상기 광원부에 흐르는 전류를 제어하는 광원 제어부, 및 상기 피사체로부터 반사되고 렌즈를 통과한 빛으로부터 외부 주변의 조도를 감지하는 조도 센서부 및 상기 피사체로부터 반사된 빛으로부터 이미지 신호를 감지하는 이미지 센서부를 포함하는 센서부를 구비함으로써, 특정한 IR band를 투과하는 IR cutoff filter를 사용하거나, IR filter를 제거하는 기계적 장치가 필요 없이 야간 촬영이 가능하며, 별도의 조도센서나 근접센서 없이 이미지센서를 사용하여 조도센서 기능과 근접센서 기능을 구현할 수 있어서 야간 촬영, 조도센서 및 근접센서 기능을 할 수 있는 저렴한 이미지센서를 제공하는 기술적 장점이 있다.
이미지센서, 근접모드, 야간모드, 조도, 조도센서, 레드 픽셀

Description

이미지센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 650nm 또는 610nm 이상 650nm 미만의 파장대역을 갖는 발광다이오드(LED), 조도센서(Luminance Sensor) 및 레드 픽셀(red pixel)을 포함하는 조도 센서부를 구비하여 조도 측정이 가능하고, 야간 모드나 근접 측정 모드 시 화질의 손상 없이 손쉽게 촬상 가능한 이미지센서에 관한 것이다.
상기와 같은 일반적인 CCD 카메라의 단점을 보완하기 위해 적외선 조명 장치를 이용하여 야간에도 피사체의 촬상이 가능한 적외선 CCD 카메라가 부각되었다. 상기 CCD 적외선 카메라는 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선 영역까지 촬상이 가능하여 주간에는 물론이고 야간에도 피사체의 촬상이 가능하다는 이유로 최근 감시 카메라로서 큰 인기를 끌고 있는 추세이다．
CCD나 CMOS를 사용한 이미지센서는 400nm~1100nm까지의 흡수 대역을 갖는다. 가시광선은 보통은 38Onm 내지 650nm 정도의 파장을 가지고 있고，적외선은 약 650nm 내지 1100nm의 파장을 가지고 있는데, 컬러를 표시하기 위하여 IR cutoff filter(650nm 이하의 파장대를 통과시키고, 650nm이상의 파장대의 빛을 차단하는 filter)를 사용하여 사람이 보는 색과 동일한 컬러를 감지하는 방법을 사용한다. 이러한 이미지센서에서 감시 카메라 등과 같이 외부 광이 미약한 야간의 촬영을 위해서는 보통 다음의 두 가지의 방법을 사용한다.
제1 방법은 야간 시에 IR cutoff filter를 기계적으로 제거하고 IR 대역(주로 850nm)의 LED를 켜주는 방식을 사용하며, 제2 방법은 IR cutoff filter의 특성을 특정 IR 대역(주로 850nm 대역) 만을 투과하게 하고 외부에서 특정 대역(주로 850nm)의 LED를 조명으로 사용하는 방식이다.
그러나 상기 제1 방법은 IR cutoff filter를 기계적으로 움직여 주는 장치가 필요하므로 제조 비용이 상승하는 문제가 있으며, 상기 제2 방법은 IR cutoff filter를 기계적으로 움직여 주는 기계적 장치가 필요 없지만, 주간에 850nm의 빛이 투과함으로 인하여 컬러(color)의 특성이 나빠지는 문제가 있다.
한편 근접 기능은 인체 등이 이미지센서 (혹은 mobile 기기)에서 얼마나 멀리 떨어져 있는 가를 측정하여 인체가 가까운 경우(예를 들어 통화 중인 경우) LCD의 백라이트유닛(Back light unit, BLU)의 전원을 차단하여 전력 소모를 줄이거나, 터치 센서(touch sensor)의 작동을 차단하여 오동작을 방지하는 기능을 구현하는데 사용되며, 최근 그 요구가 증가하는 추세에 있다.
종래의 근접 기능은 보통 LED와 수광 소자로 구성되며, 일반적으로는 별도의 근접센서로 제작되어 이동기기 등에 장착되고 있다.
조도 기능은 모바일(mobile) 기기에서 외부 광의 밝기를 측정하기 위한 장치 로, 외부 광이 밝은 경우 모바일(mobile) 기기의 표시장치의 밝기를 높여주어 표시되는 정보의 가독성을 높여주고, 외부 광이 어두울 경우 모바일(mobile) 기기의 표시장치의 밝기를 낮추어 눈부심을 방지하고 전력 소모를 줄이는 데 주로 사용되며, 일반적으로는 이미지센서와 무관하게 별도의 조도 센서를 장착하는 방법을 사용해 왔다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 별도의 조도센서나 근접센서 없이 이미지센서를 사용하여 조도센서 기능, 근접센서 기능 및 야간촬영이 가능한 이미지센서를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 이미지센서는, 피사체를 향해 빛을 조사하는 광원부, 상기 광원부에 흐르는 전류를 제어하는 광원 제어부, 및 상기 피사체로부터 반사되고 렌즈를 통과한 빛으로부터 외부 주변의 조도를 감지하는 조도 센서부 및 상기 피사체로부터 반사된 빛으로부터 이미지 신호를 감지하는 이미지 센서부를 포함하는 센서부를 갖는다.
본 발명은 특정한 IR band를 투과하는 IR cutoff filter를 사용하거나, IR filter를 제거하는 기계적 장치가 필요 없이 야간 촬영이 가능하며, 별도의 조도센 서나 근접센서 없이 이미지센서를 사용하여 조도센서 기능과 근접센서 기능을 구현할 수 있어서 야간 촬영, 조도센서 및 근접센서 기능을 할 수 있는 저렴한 이미지센서를 제공하는 기술적 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 의한 야간모드, 근접 센서 기능 및 조도 센서 기능을 구현한 이미지센서의 시스템을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 야간모드, 근접센서 및 조도센서를 구현한 이미지센서 시스템(100)은 광원부(110), 광원제어부(120), 피사체(130), 렌즈(140), 센서부(150)로 구성된다.
상기 광원부(110)는 파장 650nm 대역의 발광다이오드(LED, Light Emitted Diode)를 사용하여 상기 피사체(130)를 향하여 빛을 조사한다. 여기서 650nm 대역의 파장을 사용하는 이유는 야간 조명이나 거리 측정용 발광다이오드(LED)를 턴 온(turn on) 한 경우, 사람은 눈부심이나 발광다이오드(LED)의 깜박임을 거의 인지할 수 없을 정도의 최소한의 밝기이어야 하고, 피사체로부터 반사된 빛을 감지하는 센서의 감도(sensitivity)는 높아야 하는데 이를 이상적으로 만족시키는 파장대역이기 때문이다. 바람직하게는 650nm를 사용하는 것이 이상적이지만, 이의 구현이 어려울 경우 610nm 내지 660nm 이하의 레드(red) 대역의 파장을 사용할 수 있음은 당연하다. 또한 350nm 내지 450nm 미만의 블루(blue) 대역의 파장을 사용할 수 있 다.
도 2는 650nm의 파장에 있어서 야간 암실(scotopic), 주간 조명(photopic) 상태에서 사람이 느끼는 휘도 반응곡선을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 650nm의 파장의 주간 조명(photopic)의 밝기 자극은(Luminous stimuli)(210)은 0.1(10%) 이고, 야간 암실(scotopic)의 밝기 자극(Luminous stimuli)(220)은 0(0%) 이다. 여기에서 밝기 자극은 물리적으로 동일한 출력을 갖는 빛에 대하여 인간이 느끼는 밝기 자극의 세기로 표현되며, 예를 들면 색의 구분이 가능한 조명 상태(Photopic)에서 1W의 출력을 갖는 550nm 파장대의 빛에 대해 사람이 느끼는 밝기 자극을 1이라 하면, 1W의 출력을 갖는 650nm의 파장대의 빛은 약 0.1정도의 밝기로 느낀다는 것을 의미한다. 또한 색의 구분이 불가능한 어두운 상태(Scotopic, 암실이나 어두운 환경 등)에 대해서는 650nm 발광다이오드(LED)에서 방사되는 빛에 대하여 사람이 느끼는 밝기는 거의 없다는 것을 의미하며, 따라서 650nm 대의 조명은 어두운 환경에서 사람이 느끼는 밝기가 거의 없으므로 눈부심을 느끼지 못하게 되며, 따라서 야간 모드 조명으로 사용하는데 이상적임을 알 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 광원 제어부(120)는 LED controller(121) 및 LED driver(122)를 구비한다. 야간 모드는 발광다이오드(LED)에 전류를 인가하여 발광 시키고 피사체로부터 반사된 빛을 이미지센서(152)를 사용하여 영상을 얻는 방식을 사용한다. 야간 모드의 선택은 발광다이오드(LED)를 턴 오프(Turn Off)한 상태에서의 밝기가 기준치보다 낮은 경우에 선택될 수 있다. 따라서 이미지센서를 동작시킨 상태에서 이미지의 밝기가 아주 낮은 상태 즉 야간이라고 판단한 경우, 상기 LED controller(121)는 발광다이오드(LED)를 발광다이오드(LED)를 턴 온(Turn On) 시키고, LED driver(122)는 발광다이오드(LED)에게 전류를 공급하도록 한다. 상기의 발광다이오드(LED)는 전술하였듯이 650nm 대역의 빛을 사용하는 것이 바람직하며, 이미지센서의 파장별 감도 곡선(도3)을 참고하면, 레드 픽셀(Red pixel)의 650nm 대역에서의 감도는 레드(Red)의 정점(peak) 대역인 600nm의 감도에 비하여 약 50% 정도임을 알 수 있다. 즉, 야간모드에서 조명은 사람이 느끼는 눈부심을 방지하고, 센서의 감도가 충분히 높은 조건을 만족시키기 위하여 650nm대역의 발광다이오드(LED)를 사용하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도4를 참조하면, 상기 센서부(150)는 제1 조도센서(151a)와 제2 조도센서(151b)를 구비한 조도 센서부(151), 이미지 센서부(152)를 구비한다. 상기 이미지 센서부(152)의 양 인접하는 부위에 각각 제1 조도센서(151a)와 제2 조도센서(151b)가 배열되어 있다. 상기 조도 센서부(151)는 조도센서(Luminance Sensor, 410a, 410b), 레드 픽셀(red pixel, 420a, 420b)을 구비한다. 상기 조도센서(410a, 410b)와 레드픽셀(420a, 420b)은 도 4에서 도시한 바대로 서로 인접하게 교대로(alternate) 배열되어 있다. 또한 조도센서와 레드픽셀은 이미지 센서부(152)의 바깥 부분에 인접하여 다수로 배치되는 것이 바람직하다.
여기서 본 발명은 610nm 이상 660nm 이하의 발광대역에 대한 레드 픽셀(red pixel)의 실시에 대해서만 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 350nm 이상 450nm 미만의 발광대역에 대한 블루 픽셀(red pixel)에 대해 실시할 수 있음은 당연하다.
상기 조도센서(410a, 410b)는 외부 광이 상기 피사체에서 반사되어 렌즈를 통과하여 조도센서로 입사하는 빛의 세기를 측정하는 센서로서, 일반적으로 조도센서의 스펙트럼은 사람이 느끼는 밝기 곡선과 동일한 스펙트럼을 갖도록 설계된다. 또한 조도센서는 이미지센서부(152)의 바깥 부분에 인접하여 다수로 배치되므로 피사체에서 반사되는 빛의 평균치를 구할 수 있으며, 이로부터 외부 광에 의한 현재의 조도상태를 측정할 수 있다.
상기 조도센서(410a, 410b)와 같이 배열되는 레드픽셀(420a, 420b) 또는 블루픽셀(미도시)은 발광다이오드(110)와 조합되어 근접센서로 사용된다.
도 5는 본 발명에 의해 레드 픽셀(Red pixel)의 출력 전압을 이용해 피사체와의 근접 거리를 산출하는 방법을 그래프로 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, V1은 야간 모드에서 조명으로 사용되는 650nm 대역의 발광다이오드(LED)를 턴 온(Turn On) 한 경우 레드 픽셀(Red pixel)의 출력 전압 값을 나타내며, V2은 650nm 대역의 발광다이오드(LED)를 턴 오프(Turn Off) 한 경우 레드 픽셀(Red pixel)의 출력 전압 값을 나타내며, △Vd는 V1의 값과 V2의 차이를 나타낸다.
도1을 참조하면, 발광다이오드(LED)가 턴 오프(Turn Off) 되었을 때 피사체로부터 반사되어 레드 픽셀로 입사하는 빛의 세기는 외부 광의 세기에 의하여 결정된다. 이제 발광다이오드(LED)가 턴 온(Turn On) 된 경우에 피사체로부터 반사되어 레드 픽셀로 입사하는 빛의 세기는 외부 광과 발광다이오드(LED)에서 방사된 빛의 세기에 의하여 결정된다. 따라서 발광다이오드(LED)가 턴 오프(Turn Off)된 상태에 서의 레드 픽셀의 값과, 발광다이오드(LED)가 턴 온(Turn On) 된 상태에서의 레드 픽셀의 값의 차이는 외부 광에 무관하게 발광다이오드(LED)에서 방사된 빛과 피사체에 의하여 결정된다. 상기 △Vd 값은 또한 피사체와 발광다이오드(LED) 사이의 거리에 의존하게 된다. 만일 동일한 피사체가 발광다이오드(LED)에서 아주 멀리 있는 경우, 발광다이오드(LED)에서 방사된 빛이 피사체에서 반사되어 레드 픽셀로 입사하는 양은 거의 없다. 이에 비하여 피사체가 점점 가까워지면, 발광다이오드(LED)에서 방사된 빛이 피사체에서 반사되어 레드 픽셀로 입사하는 양은 커지게 된다. 따라서 △Vd 값은 높아지게 된다. 즉, 상기 △Vd 값은 피사체의 반사율(R)에 비례하고, 레드 픽셀(Red pixel)과 피사체 사이의 거리(d)의 제곱에 반비례하므로, 상기 거리(d)가 매우 큰 경우(원거리) 레드 픽셀(Red pixel)의 값은 발광다이오드(LED)를 턴 온(Turn On)/턴 오프(Turn Off)시 차이가 없으나, 상기 거리(d)가 작은 경우(근접 거리) 상기 레드 픽셀(Red pixel)의 차이 값 즉 △Vd를 구함으로써, 피사체와의 거리(d)를 정확히 산출해 낼 수 있다.
여기서 본 발명은 610nm 이상 660nm 이하의 발광대역에 대한 레드 픽셀(red pixel)의 실시에 대해서만 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 350nm 이상 450nm 미만의 발광대역에 대한 블루 픽셀(red pixel)에 대해 실시할 수 있음은 당연하다.
실제의 구현에 있어서 상기 피사체와의 거리(d)를 보다 정확히 산출해 내기 위해 발광다이오드(LED)의 턴 온(Turn On) 시간 간격(△t)은 0.1sec 이하로 3회 내지 5회 반복해서 측정하는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명에 의한 야간모드, 근접 센서 기능 및 조도 센서 기능을 구현한 이미지센서의 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 650nm의 파장에 있어서 야간 암실(scotopic), 주간 조명(photopic) 상태에서 사람이 느끼는 휘도 반응곡선을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 적외선 컬러 필터(IR Color Filter)를 장착한 경우 RGB pixel의 상대적인 감도를 그래프로 도시한 것이다.
도 4는 조도센서(Luminance Sensor)와 레드 픽셀(Red Pixel)이 서로 인접하게 교대로(alternate) 배열된 상태를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 의해 레드 픽셀(Red pixel)의 출력 전압을 이용해 피사체와의 근접 거리를 산출하는 방법을 그래프로 도시한 것이다.

Claims (10)

  1. 피사체를 향해 빛을 조사하는 광원부;
    상기 광원부에 흐르는 전류를 제어하는 광원 제어부; 및
    주변의 조도를 감지하는 조도 센서부와 이미지 신호를 감지하는 이미지 센서부를 포함하는 센서부를 구비하되,
    상기 조도 센서부는 상기 이미지센서부의 양 쪽에 인접하여 배치되는 조도센서(Luminance Sensor) 및 레드 픽셀(red pixel)을 포함하거나, 조도센서(Luminance Sensor) 및 블루 픽셀(blue pixel)을 포함하고,
    상기 레드 픽셀(red pixel) 또는 상기 블루 픽셀(blue pixel) 각각은 상기 광원부의 전원을 턴 온(Turn On)/턴 오프(Turn Off) 시 각각 출력되는 전압 값의 차이로부터 상기 레드 픽셀(red pixel) 또는 상기 블루 픽셀(blue pixel)과 상기 피사체 사이의 거리를 각각 산출하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광원부는
    610nm 이상 660nm 이하의 발광대역을 갖는 발광다이오드(LED, Light Emitted Diode)를 사용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광원부는
    350nm 이상 450nm 미만의 발광대역을 갖는 발광다이오드(LED, Light Emitted Diode)를 사용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 조도 센서부는
    상기 이미지센서부의 양 쪽에 인접하여 배치되는 조도센서(Luminance Sensor)를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서, 상기 광원 제어부는
    LED controller 및 LED driver를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 LED controller 및 LED driver 각각은
    상기 피사체로부터 반사된 빛의 밝기와 상기 이미지센서부의 평균밝기를 비교하여 조도가 낮다고 판단한 경우 발광다이오드(LED)를 턴 온(Turn On)시키고, 발광다이오드(LED)에게 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
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