KR101057435B1 - 촬상 소자 유닛 - Google Patents

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KR101057435B1
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모토히코 오츠키
히로후미 후루사와
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알프스 덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 구조의 복잡화나 고비용화를 초래하지 않고, 가시광의 광량이 충분한 환경뿐만 아니라 불충분한 환경 하에서도 피사체를 선명하게 촬상하는 것이 가능한 촬상 소자 유닛을 얻는 것이다.
촬상 소자(18)의 R 화소, G 화소, 및, B 화소 고유의 감도의 합성값인 RGB 합산 상대감도와, 적외선 커트 필터(17)의 투과율 특성에 의하여 결정되는 촬상면(19)의 상대감도가 이하의 감도를 나타내는 바와 같이, 적외선 커트 필터의 투과율 특성을 정한다. λ(파장 : 단위 nm) 650 : 상대감도 77±10, λ700 : 상대감도 62±10, λ750 : 상대감도 44±7, λ800 : 상대감도 26±7, λ850 : 상대감도 7±5, λ900 : 상대감도 5±5.

Description

촬상 소자 유닛{IMAGING DEVICE UNIT}
본 발명은, 촬상 소자와 적외선 커트 필터를 구비하는 촬상 소자 유닛에 관한 것이다.
촬상 소자(CCD나 CMOS)는 일반적으로, 전자파의 넓은 범위의 파장에 대하여 높은 RGB 합산 상대감도를 나타낸다. 그 때문에 촬상 소자를 구비하는 카메라 모듈에 가시광과 적외광이 함께 입사되면, 촬상 소자에 의해 촬상된 화상의 색 재현성이 악화된다.
그 때문에 종래는 촬상 소자를 구비하는 카메라 모듈에, 400∼600 nm 파장의 가시광을 대략 100% 투과시킴과 동시에 650 nm 정도 파장의 전자파를 약 50% 커트하고, 또한 파장이 700 nm보다 긴 적외선을 거의 모두 커트하는 적외광 커트 필터를 설치하고 있다.
한편, 야간과 같이 가시광의 광량이 충분하지 않은 어두운 환경 하에서 피사체를 확실하게 촬상하기 위해서는, 적외광을 이용하면서 촬상을 행할 필요가 있다. 그러나, 상기와 같은 적외선 커트 필터를 설치하면 촬상 소자의 600 nm보다 긴 파장에 대한 상대감도가 대폭으로 저하하기 때문에, 어두운 환경 하에서는 적외광을 이용하면서 촬상하였다 하여도, 피사체상을 선명하게 촬상할 수 없다.
이와 같은 문제를 해결하기 위한 종래 기술로서는, 예를 들면 특허문헌 1에 개시된 것이 있다. 이 공보에 개시된 카메라는, 촬상 소자의 촬상면의 직전 위치와, 촬상면의 직전 위치로부터 퇴피하는 위치로 이동 가능한 적외선 커트 필터를 구비하고 있다.
이 카메라는, 주간과 같이 가시광의 광량이 충분한 환경 하에서는 적외선 커트 필터를 촬상 소자의 직전에 위치시키고, 야간과 같이 가시광의 광량이 불충분한 환경 하에서는 적외선 커트 필터를 촬상 소자의 직전으로부터 퇴피시킴으로써, 상기 문제를 해결하고 있다.
[특허문헌 1]
일본국 실개평2-88851호 공보
그러나 특허문헌 1의 고안은, 적외선 커트 필터를 진퇴시키기 위한 기구가 필요하기 때문에 제조 비용이 비싸다. 또한, 적외선 커트 필터를 퇴피시키기 위한 스페이스를 확보할 필요가 있기 때문에, 그 만큼 카메라 모듈이 대형화된다.
본 발명은, 이상의 문제 의식에 의거하여 이루어진 것으로, 구조의 복잡화나 고비용화를 초래하지 않고, 가시광의 광량이 충분한 환경뿐만 아니라 불충분한 환경 하에서도 피사체를 선명하게 촬상하는 것이 가능한 촬상 소자 유닛를 제공하는 것을 목적으로 한다.
촬상 소자의 RGB 합산 상대감도(촬상 소자 고유의 상대감도)는 촬상 소자를 제조한 후에 변경할 수는 없으나, 적외선 커트 필터를 촬상면에 씌움으로써, 촬상 소자의 실제의 상대감도를 조정하는 것이 가능하다. 본 출원인은, 적외선 커트 필터의 투과율 특성을 연구하여, 600∼900 nm 파장의 전자파에 대한 촬상 소자의 상대감도를 소정의 범위로 설정함으로써, 가시광을 이용한 촬상의 색 재현성의 악화를 최소한으로 억제하면서, 적외광을 이용한 촬상을 선명하게 행할 수 있는 것을 찾아내었다.
이와 같은 기술사상에 의거하는 본 발명의 촬상 소자 유닛은, 다수의 R 화소, G 화소, 및, B 화소를 가지는 촬상면을 구비하는 촬상 소자와, 당해 촬상면의 직전 위치에 배치된 적외선 커트 필터를 구비하는 촬상 소자 유닛에 있어서, 상기 R 화소, G 화소, 및, B 화소 고유의 감도의 합성값인 RGB 합산 상대감도와, 상기적외선 커트 필터의 투과율 특성에 의하여 결정되는 상기 촬상면의 상대감도가, 600 nm보다 긴 이하의 각 파장에 대하여 각각 이하의 감도를 나타내도록, 상기 적외선 커트 필터의 투과율 특성을 정한 것을 특징으로 하고 있다.
λ(파장 : 단위 nm) 상대감도
650 77±10
700 62±10
750 44± 7
800 26± 7
850 7± 5
900 5± 5
다른 형태에 의하면, 본 발명의 촬상 소자 유닛은, 다수의 R 화소, G 화소, 및, B 화소를 가지는 촬상면을 구비하는 촬상 소자와, 당해 촬상면의 직전 위치에 배치된 적외선 커트 필터를 구비하는 촬상 소자 유닛에 있어서, 상기 R 화소, G 화소, 및, B 화소 고유의 감도의 합성값인 RGB 합산 상대감도와, 상기 적외선 커트 필터의 투과율 특성에 의하여 결정되는 상기 촬상면의 상대감도가, 전자파의 파장을 가로축에 취하고 각 파장에 대한 상기 상대감도를 세로축에 취할 때에, 650 nm∼900 nm의 각 파장에 대한 상기 상대감도가 하기의 P1과 P2, P2와 P4, P4와 P6, P6과 P5, P5와 P3, 및, P3과 P1을 각각 연결한 직선에 의해 둘러싸인 범위 내에 위치하도록, 상기 적외선 커트 필터의 투과율 특성을 정한 것을 특징으로 하고 있다.
파장(λ)이 650 nm일 때의 제 1 상대감도 P1 : 87
파장(λ)이 650 nm일 때의 제 2 상대감도 P2 : 67
파장(λ)이 850 nm일 때의 제 1 상대감도 P3 : 12
파장(λ)이 850 nm일 때의 제 2 상대감도 P4 : 2
파장(λ)이 900 nm일 때의 제 1 상대감도 P5 : 10
파장(λ)이 900 nm일 때의 제 2 상대감도 P6 : 0
어느 형태의 촬상 소자 유닛도 차량 탑재 카메라에 내장시키는 것이 가능하다.
본 발명의 적외선 커트 필터는 촬상 소자에 대하여 이동 불가능하고, 촬상 소자의 직전에 배치한 그대로이나, 주간과 같이 가시광의 광량이 충분한 환경 하뿐만 아니라, 야간과 같이 가시광의 광량이 불충분한 환경 하에서도 피사체를 선명하게 촬상할 수 있다. 또한, 적외선 커트 필터를 촬상 소자에 대하여 이동시킬 필요가 없기 때문에, 구조가 복잡화하거나 제조 비용이 비싸지는 일도 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태인 카메라 모듈의 종단면도,
도 2는 전자파의 파장과 촬상 소자의 상대감도의 대응관계를 나타내는 분광특성 그래프,
도 3(a)는 실시예 1에서의 다른 파장에 대한 촬상 소자 고유의 RGB 합산 상대감도를 나타내는 분광 특성 그래프,
도 3(b)는 실시예 1에서의 적외선 커트 필터의 투과율을 나타내는 분광 특성 그래프,
도 3(c)는 실시예 1에서의 적외선 커트 필터를 장착하였을 때의 촬상 소자의 상대감도를 나타내는 분광 특성 그래프,
도 3(d)는 (a)∼(c)의 각 그래프를 하나로 정리한 분광 특성 그래프,
도 4는 실시예 2의 도 3과 동일한 분광 특성 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명한다.
카메라 모듈(10)은 도 1에 나타내는 구조로서, 도시를 생략한 자동차에 탑재되는 차량 탑재 카메라나, 건물에 고정되는 감시 카메라로서 이용 가능하다.
자신의 축선을 중심으로 하는 중공의 회전체인 홀더(11)의 축선방향의 한쪽 끝부는 완전히 개구되어 있고, 다른쪽 끝부의 중심부에는 작은 지름의 채광 구멍(12)이 설치되어 있다. 홀더(11)의 내부에는 2매의 렌즈(13), 렌즈(14)와 중심부에 중심 구멍(16)을 가지는 스페이서(15)가 홀더(11)의 축선방향으로 겹친 상태로 수납되어 있고, 렌즈(14)와 스페이서(15)의 사이에는 적외선 커트 필터(IRCF) (17)가 고정상태로 끼워 넣어져 있다.
적외선 커트 필터(17)는 유리로 이루어지는 필터 기판의 한쪽 면(전후 어느 것이어도 된다)에 적외광에 대한 투과율이 가시광에 대한 투과율보다 낮은 박막을 설치한 적층형(반사형)의 것이다. 이 박막은, 수십∼수백 nm의 두께로 이루어지는 수십매의 층을 굴절율 및 두께가 다른 층끼리를 서로 겹쳐서 증착한 것이다. 또한, 적외선 커트 필터(17)의 필터 기판의 다른쪽 면에는 400 nm∼900 nm의 전자파에 대한 반사율이 1% 이하인 반사방지 코팅이 형성되어 있다. 상기 박막의 각 층의 매수, 두께, 굴절율 등을 적절하게 선택하여 적외선 커트 필터(17)에 원하는 투과율 특성을 부여하는 설계방법은 종래부터 주지이다.
홀더(11)의 상기 한쪽 끝부에는, 촬상 소자(18)(예를 들면 CCD나 CMOS)와 전기적으로 접속한 상태에서 촬상 소자(18)를 지지한 기판(20)이 고정되어 있고, 촬상 소자(18)의 촬상면(19)의 표면에 고정한 커버 유리(도시 생략)가 스페이서(15)의 렌즈(14)와 반대측 면에 접촉하고 있다. 촬상면(19)은 G(초록), B(파랑), R(빨강) 중 어느 하나의 색의 원색 필터에 의해 덮힌 다수의 화소를 구비하고 있고, 각 화소에 광(전자파)이 입사되면 각 화소는 대응하는 필터와 동일한 색의 색 신호(전기신호)를 발생한다.
이상 구성의 카메라 모듈(10)은, 채광 구멍(12), 렌즈(13), 렌즈(14), 적외선 커트 필터(17) 및 중심 구멍(16)을 빠져 나간 피사체로부터의 반사광을 촬상 소자(18)의 촬상면(19)이 수광함으로써, 피사체상의 촬상을 행한다. 또, 카메라 모듈(10)의 구성부품 중 적외선 커트 필터(17)와 촬상 소자(18)가 촬상 소자 유닛(U)의 구성요소이다.
촬상 소자(18)의 촬상면(19)의 각 화소 고유의 감도는 전자파의 파장에 따라 다르고, 촬상면(19)의 모든 화소 고유의 감도를 합성함으로써 RGB 합산 상대감도가 얻어진다.
적외선 커트 필터(17)는 상기 박막의 각 층의 매수, 두께, 굴절율 등을 적절하게 선택함으로써, 400 nm∼650 nm(또는 650 nm 부근) 파장의 전자파에 대해서는 아주 큰 투과율(90% 이상)을 나타내고, 650 nm(또는 650 nm 부근)보다 긴 파장의 전자파에 대해서는 파장이 길어짐에 따라 투과율이 서서히 저하하도록, 그 투과율특성을 설정하고 있다.
이와 같은 기능을 가지는 적외선 커트 필터(17)를 촬상 소자(18)의 촬상면(19)의 직전에 배치하고 있기 때문에, 촬상면(19)의 실제 감도인 상대감도는 RGB 합산 상대감도와는 다르다. 즉, 촬상면(19)의 상대감도는, 400 nm∼650 nm 파장의 전자파에 관해서는 RGB 합산 상대감도와 거의 변하지 않으나, 650 nm∼900 nm 파장의 전자파에 대해서는 RGB 합산 상대감도에 비하여 저하되어 있다. 구체적으로는, 가로축에 전자파의 파장을 취하고, 세로축에 상대감도를 취한 도 2의 분광 특성 그래프에 나타내는 바와 같이, 650 nm∼850 nm에 대응하는 부분은 대략 직선적으로 오른쪽 상단이 내려가게 되고, 850∼900 nm에서는 완만한 구배가 된다(파장이 650 nm보다 짧은 범위, 및, 900 nm보다 긴 범위에 대해서는 생략). 이 650 nm∼900 nm의 파장에 대응하는 부분을 더욱 상세하게 설명하면, 이 파장범위에 대응하는 촬상면(19)의 상대감도는, 파장(λ)이 650 nm일 때의 제 1 상대감도(P1)(제 1 상대감도는 MAXIMUM 값. 이하 동일)와 파장(λ)이 650 nm일 때의 제 2 상대감도(P2)(제 2 상대감도는 MINIMUM 값. 이하 동일), P2와 파장(λ)이 850일 때의 제 2 상대감도 (P4), P4와 파장(λ)이 900 nm일 때의 제 2 상대감도(P6), P6과 파장(λ)이 900 nm일 때의 제 1 상대감도(P5), P5와 파장 850 nm일 때의 제 1 상대감도(P3), P3과 제 1 상대감도(P1)를 각각 연결한 직선에 의해 둘러싸인 영역(A) 내에 위치한다. 또한, 650 nm, 700 nm, 750 nm, 800 nm, 850 nm, 900 nm의 각 파장과 촬상면(19)의 상대감도의 관계는 이하의 표와 같이 된다(상대감도는, 각 파장에서의 센터값과, 센터값으로부터의 허용 어긋남량(±)으로 나타내고 있다).
λ(파장 : 단위 nm) 상대감도(a.u.= arbitrary unit)
650 77±10
700 62±10
750 44± 7
800 26± 7
850 7± 5
900 5± 5
가령 촬상면(19)의 상대감도가 이 범위의 숫자값보다 낮아지면 적외광에 대한 감도가 떨어지기 때문에, 야간과 같이 가시광의 광량이 불충분한 환경 하에서 적외광(차의 조명광이나 건물의 조명 등에 포함되는 적외광)을 이용하여 촬상하여도, 촬상 소자(18)에 의해 피사체상을 선명하게 촬상할 수는 없다. 한편, 상대감도가 이 범위의 수치보다 커지면, 주간과 같이 가시광의 광량이 충분한 환경 하에서 촬상하여도, 촬상 소자(18)가 적외광(태양광선에 포함되는 적외광 등)의 영향을 크게 받기 때문에, 촬상된 화상의 색 재현성은 악화된다. 예를 들면, 종래의 적외선 커트 필터와 같이 650 nm 정도 파장의 전자파를 약 50% 커트하고, 파장이 700 nm보다 긴 적외선을 거의 모두 커트하는 경우는, 야간과 같이 가시광의 광량이 불충분한 환경 하에서는 적외광을 이용하여도 촬상 소자(18)에 의해 피사체상을 선명하게 촬상할 수는 없다.
이것에 대하여 본 실시형태에서는 적외선 커트 필터(17)의 투과율 특성을 연구함으로써 촬상면(19)의 상대감도가 650 nm∼900 nm인 파장에 대하여 상기 조건을 충족시키도록 하고 있기 때문에, 적외선 커트 필터(17)를 촬상 소자(18)의 직전에 배치한 그대로임에도 불구하고, 밤낮을 묻지 않고 피사체상을 선명하게 촬상할 수 있다. 또한, 적외선 커트 필터(17)를 촬상 소자(18)에 대하여 이동시킬 필요가 없기 때문에, 카메라 모듈(10)의 구조가 복잡화하거나 제조 비용이 비싸지는 일도 없다.
또한, 적외선 커트 필터(17)를 상기와 같은 적층형(반사형) 필터로 하지 않고, 예를 들면 5산화 인이나 3산화 알루미늄 등을 함유하는 소위 흡수형 필터로 하여도 된다. 함유물의 종류, 함유량 등을 적절하게 조정하여 적외선 커트 필터(17)에 원하는 투과율 특성을 부여하는 설계방법도 종래부터 주지이다.
또, 적외선 커트 필터(17)는 상기한 바와 같이 한쪽 면에만 상기 박막을 형성하는 것은 아니고, 양면에 상기 박막을 형성하여도 된다. 또한, 적외선 커트 필터(17)의 반사방지 코팅을 생략하고, 적외선 커트 필터(17)의 필터 기판과 촬상 소자(18)의 커버 유리(도시 생략)를, 필터 기판의 굴절율과 커버 유리의 굴절율에 맞춘 광학 접착제로 접착하여도 된다. 또한, 적외선 커트 필터(17)로부터 필터 기판과 반사방지 코팅을 생략하고, 적외선 커트 필터(17)의 상기 박막을 촬상 소자(18)의 커버 유리의 표면에 실시하여도 된다.
또한 카메라 모듈(10)에, 파장이 800∼900 nm인 적외광을 발하는 적외선 광원(예를 들면 적외선 LED)을 설치하여, 야간과 같이 가시광의 광량이 충분하지 않을 때에 당해 적외선 광원으로부터 피사체를 향하여 적외선을 조사하여도 된다.
계속해서 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
실시예 1의 적외선 커트 필터(17)의 투과율 특성과 촬상 소자(18)의 RGB 합성 상대감도는 도 3(a)∼도 3(d)의 그래프에 나타내는 바와 같다.
촬상 소자(18)의 촬상면(19)은, 600 nm보다 약간 긴 파장의 전자파에 대하여 가장 높은 RGB 합산 상대감도를 나타내고, 당해 파장보다 파장이 길어지면 RGB 합산 상대감도가 서서히 저하한다. 그리고, 830 nm 정도 파장의 전자파에 대하여 다시 높은 RGB 합산 상대감도를 나타내고, 파장이 830 nm보다 길어지면 RGB 합산 상대감도는 다시 저하한다.
그러나, 촬상 소자(18)의 직전에 적외선 커트 필터(17)를 위치시켰을 때의 촬상면(19)의 상대감도는 RGB 합산 상대감도와는 다른 감도가 된다. 즉, 400 nm∼650 nm의 파장(가시광)에 관해서는 RGB 합산 상대감도와 대략 동일하나, 650 nm∼900 nm에 대응하는 부분은 대략 직선적으로 오른쪽 상단이 내려가게 된다(도시는 생략하나, 900 nm보다 긴 파장에 대한 투과율은 거의 제로).
이와 같이 실시예 1의 촬상면(19)은 400 nm∼600 nm 파장의 전자파(가시광)에 대하여 높은 상대감도를 나타내기 때문에, 주간과 같이 가시광의 광량이 충분한 환경 하에서 피사체를 선명하게 촬상할 수 있다. 또, 야간과 같이 가시광의 광량이 불충분한 환경 하에서는 적외광을 이용함으로써 피사체상을 선명하게 촬상할 수 있다.
[실시예 2]
계속해서 실시예 2에 대하여 설명한다.
실시예 2의 적외선 커트 필터(17)의 투과율 특성과 촬상 소자(18)의 RGB 합성 상대감도는 도 4의 그래프에 나타내는 바와 같다.
촬상 소자(18)의 촬상면(19)은 800 nm 정도의 파장에 대하여 가장 높은 RGB 합산 상대감도를 나타내고, 이것보다 파장이 길어지면 RGB 합산 상대감도가 서서히 저하한다.
한편, 촬상 소자(18)의 직전에 적외선 커트 필터(17)를 위치시켰을 때의 촬상면(19)의 상대감도는, 400 nm∼650 nm의 파장(가시광)에 관해서는 RGB 합산 상대감도와 거의 동일하나, 650 nm∼900 nm에 대응하는 부분은 대략 직선적으로 오른쪽상단이 내려가게 된다(도시는 생략하나, 900 nm보다 긴 파장에 대한 투과율은 거의 제로).
이와 같이 실시예 2의 촬상면(19)은 400 nm∼600 nm 파장의 전자파(가시광)에 대하여 높은 상대감도를 나타내기 때문에, 주간과 같이 가시광의 광량이 충분한 환경 하에서 피사체를 선명하게 촬상할 수 있다. 또, 야간과 같이 가시광의 광량이 불충분한 환경 하에서는 적외광을 이용함으로써 피사체상을 선명하게 촬상할 수 있다.
10 : 카메라 모듈 11 : 홀더
12 : 채광 구멍 13, 14 : 렌즈
15 : 스페이서 16 : 중심 구멍
17 : 적외선 커트 필터 18 : 촬상 소자
19 : 촬상면 20 : 기판
U : 촬상 소자 유닛

Claims (3)

  1. 다수의 R 화소, G 화소, 및, B 화소를 가지는 촬상면을 구비하는 촬상 소자와,
    당해 촬상면의 직전 위치에 배치된 적외선 커트 필터를 구비하는 촬상 소자 유닛에 있어서,
    상기 R 화소, G 화소, 및, B 화소 고유의 감도의 합성값인 RGB 합산 상대감도와, 상기 적외선 커트 필터의 투과율 특성에 의하여 결정되는 상기 촬상면의 상대감도가, 600 nm보다 긴 이하의 각 파장에 대하여 각각 이하의 감도를 나타내도록, 상기 적외선 커트 필터의 투과율 특성을 정한 것을 특징으로 하는 촬상 소자 유닛.
    λ(파장 : 단위 nm) 상대감도
    650 77±10
    700 62±10
    750 44± 7
    800 26± 7
    850 7± 5
    900 5± 5
  2. 다수의 R 화소, G 화소, 및, B 화소를 가지는 촬상면을 구비하는 촬상 소자와,
    당해 촬상면의 직전 위치에 배치된 적외선 커트 필터를 구비하는 촬상 소자 유닛에 있어서,
    상기 R 화소, G 화소, 및, B 화소 고유의 감도의 합성값인 RGB 합산 상대감도와, 상기 적외선 커트 필터의 투과율 특성에 의하여 결정되는 상기 촬상면의 상대감도가, 전자파의 파장을 가로축에 취하고 각 파장에 대한 상기 상대감도를 세로축에 취하였을 때에, 650 nm∼900 nm의 각 파장에 대한 상기 상대감도가 하기의 P1과 P2, P2와 P4, P4와 P6, P6과 P5, P5와 P3, 및, P3과 P1을 각각 연결한 직선에 의해 둘러싸인 범위 내에 위치하도록, 상기 적외선 커트 필터의 투과율 특성을 정한 것을 특징으로 하는 촬상 소자 유닛.
    파장(λ)이 650 nm일 때의 제 1 상대감도 P1 : 87
    파장(λ)이 650 nm일 때의 제 2 상대감도 P2 : 67
    파장(λ)이 850 nm일 때의 제 1 상대감도 P3 : 12
    파장(λ)이 850 nm일 때의 제 2 상대감도 P4 : 2
    파장(λ)이 900 nm일 때의 제 1 상대감도 P5 : 10
    파장(λ)이 900 nm일 때의 제 2 상대감도 P6 : 0
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 촬상 소자 유닛이 차량 탑재 카메라에 내장된 것임을 특징으로 하는 촬상 소자 유닛.
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