KR101103956B1 - 이미지 센서 및 카메라 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서는 입사광을 전하로 변환하여 능동 이미징 픽셀의 경계 어레이를 형성하는 다수의 감광 영역과, 사전결정된 위치에 배치되고 상기 능동 이미징 픽셀의 경계 사이에 산재되는 하나 이상의 치환 픽셀 영역을 포함하되, 상기 치환 픽셀은 상기 능동 이미징 픽셀과는 그 설계가 상이하며, 치환 픽셀이 데이터, 정보 또는 상기 능동 이미징 픽셀과는 상이한 기능을 제공하여 상기 이미지 센서의 성능, 동작, 제조 및/또는 어셈블리를 개선한다.
Description
본 발명은 전반적으로 능동 이미징 픽셀 어레이를 구비한 이미지 센서 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 성능 개선을 위해 정보 또는 기능 등을 제공하는 픽셀 어레이에서 이미징 픽셀과는 설계 면에서 실질적으로 상이한 치환 픽셀을 산재시키는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 몇 개의 픽셀이 다소 바람직하지 않은 특성을 갖게 되는 특정 허용한계 사양 내에서 제조된다. 이러한 픽셀은 일반적으로 "결함 픽셀(defective pixels)"이라고 지칭되는데, 이는 그러한 픽셀이 사용될 수는 있지만 다른 픽셀과 동일하게 바람직한 성능 특성을 갖고 있지 않기 때문이다. 밀도가 충분히 낮은 경우, 이러한 결함 픽셀은 캡쳐된 이미지의 품질을 실질적으로 저하시키지 않는데, 이는 일반적으로 그러한 결함 픽셀이 결함이 없는 경우의 값에 거의 근접하게 계산된 치환 값으로 대체되기 때문이다.
이러한 기술 중 한 가지는 결합 픽셀 값을 사전결정된 수의 가장 근접한 인 접 값의 평균으로 대체하는 것이다. 이 사전결정된 수의 가장 근접한 인접 픽셀은 가장 인접한 2개의 픽셀 또는 가장 인접한 4개의 픽셀일 수 있다.
또한, 이미지 센서는 동일한 픽셀(일반적으로는 가장 인접한 4개의 픽셀)의 어레이로부터도 형성되어 그 센서의 이미징 특성이 어레이 전체에서 실질적으로 균일하게 된다는 점에 유의하는 것이 유익하다. 이러한 셀의 설계는 흔히 판독 속도, 감광도 및 광 응답 불균일성과 같은 여러 대등한 이미징 성능 파라미터의 상충(trade-off) 또는 절충(compromise)이다.
따라서, 다른 특성을 실질적으로 저하시키지 않고서 특정 이미징 성능 파라미터를 개선하는 기술 또는 방법이 필요하다. 이러한 개선안 중 한 가지는 다른 이미징 파라미터를 강화하는데 있어 결함 픽셀이 이미지 품질을 실질적으로 저하시키지 않는다는 지식을 이용하는 것이다.
본 발명은 전술한 문제점 중 한 가지 이상을 극복하는 것에 관한 것이다. 간단히 말해서, 본 발명의 일 양상에 따르면, 본 발명은 (a) 입사광을 전하로 변환하여 능동 이미징 픽셀의 경계 어레이를 형성하는 다수의 감광 영역과, (b) 사전결정된 위치에 배치되고 상기 능동 이미징 픽셀의 경계 사이에 산재되는 하나 이상의 치환 픽셀 영역을 포함하되, 상기 치환 픽셀은 상기 능동 이미징 픽셀과는 그 설계가 상이하며, 치환 픽셀이 데이터, 정보 또는 상기 능동 이미징 픽셀과는 상이한 기능을 제공하여 상기 이미지 센서의 성능, 동작, 제조 및/또는 어셈블리를 개선하는 이미지 센서에 존재한다.
본 발명의 이러한 양상 및 그 밖의 양상, 목적, 특징 및 이점은 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명 및 첨부한 청구범위를 검토하고 첨부한 도면을 참조하면 더욱 명백히 이해되고 통찰될 것이다.
본 발명의 유리한 효과
본 발명은 픽셀의 다른 성능 양상을 저하시키지 않고 이미지 센서의 성능, 동작, 제조 및/또는 어셈블리의 특정한 양상을 개선한다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 이미지 센서의 평면도.
도 2는 도 1의 이미지 센서에 대한 바람직한 상업적 실시예를 구현하기 위한 카메라를 도시한 도면.
도 3은 치환 픽셀에 대한 픽셀 값으로서 사용될 수도 있는 가장 인접한 값의 평균을 계산하는 기술에 대한 예시도.
도 4는 다른 RGBG 패턴에서 능동 픽셀 상의 컬러 필터의 배치도.
본 발명에 대해 논의하기 전에, 전체적으로 상이한 품질을 설명하기 위해 다른 용어와 함께 사용되거나 호칭되는"능동"과 같은 이미지 센서 기술용어에 대한 통상적인 이해를 갖는 것이 유익하다. 이와 관련하여, 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 기술 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 기술을 이용하여 형성될 수 있다. CMOS 기술을 이용하여 제조된 이미지 센서는 각 픽셀의 트랜지스터와 같은 "능동 소자"를 사용한다. 이것은 일반적으로 "능동 CMOS" 이미지 센서라고 지칭된다. 능동 CMOS 이미저에서, 픽셀 내의 하나 이상의 능동 소자는 신호 전하를 전압으로 변환하여, 광 세기를 나타내는 전압을 그 픽셀 상에 제공한다. 그 기술과는 상관없이, 실질적으로 입사광을 캡쳐하여 전하로 변환하는 픽셀 어레이는 "능동 이미징 픽셀"이라고 지칭된다. 이미지 센서는 또한 일반적으로 능동 이미징 픽셀로부터 이격된 관계로 배치된 "암 기준 픽셀(dark reference pixels)"도 포함한다는 점에 유의한다. 이러한 픽셀은 조정 목적으로 사용되며, 본 명세서에서 능동 이미징 픽셀과는 명확히 식별되도록 기재된다.
이제, 도 1을 참조하면, 본 발명의 이미지 센서(10)의 평면도가 도시되어 있다. 이와 관련하여, 다수의 픽셀(20)은 경계 능동 이미징 어레이 또는 영역을 형성하는 NxM 픽셀의 어레이 내에 배치되는데, 여기서 N 및 M은 예를 들어 200개 내지 4000개와 같은 픽셀의 임의의 사전결정된 수이다. 각각의 픽셀(20)은 입사광을 캡쳐하여 그 입상광의 세기를 나타내는 전하로 변환한다. 명료성을 위해, 이러한 픽셀은 총체적으로 능동 이미징 픽셀을 형성한다는 점에 유의한다. 이러한 디바이스에서, 능동 이미징 픽셀(20)은 본 분야에서 잘 알려져 있는 사전결정된 전압 레벨로 에너지가 인가된 다수의 전원 버스(30)를 통해서 동작을 위해 에너지를 인가받는다.
계속해서 도 1을 참조하면, 사전결정된 수의 능동 이미징 픽셀(20)은 그 능동 픽셀과는 전체적으로 또는 실질적으로 상이한 목적으로 사용되는 픽셀(40)로 대체된다. 이러한 픽셀(40)은 이하 치환 픽셀이라고 지칭된다. 이러한 치환 픽셀(40)은 이미지 센서(10)의 성능, 동작, 제조 및/또는 어셈블리를 개선하기 위해 능동 픽셀과는 상이한 데이터, 정보 및/또는 기능을 제공하는 데 사용된다. 예를 들어, 치환 픽셀(40)은 능동 이미징 픽셀 어레이 전체에 걸쳐 전류 또는 전압의 분포를 개선하기 위한 증폭기 회로 또는 버퍼 회로로서 사용될 수 있다. 이러한 증폭기 회로 및 버퍼 회로는 본 분양에서 잘 알려져 있으며, 본 명세서에서는 상세히 설명하지 않는다. 이러한 증폭기 회로 또는 버퍼 회로는 또한 픽셀 어레이 내에서 또는 픽셀 어레이 전체에 걸쳐 신호의 무결성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 대형 어레이에서, 픽셀 내의 능동 소자에 의해 제공된 전압은 약간의 저항 및 커패시턴스를 갖는 긴 금속 출력 라인을 통해서 공급되어야 한다. 대형 어레이의 경우, 금속 라인의 저항 및 커패시턴스는 전체 라인을 따라 그 전압을 설정하는 데 요구되는 시간을 증가시킬 수 있다. 이러한 경우, 이미저의 동작 속도가 절충되거나, 또는 긴 금속 라인의 커패시턴스 및 저항으로 인해 광 응답의 불균일성이 발생할 수 있다. 이 경우, 버퍼 증폭기가 치환 픽셀 내에 사용되어 전체 라인을 따라 전압을 설정하는 데 요구되는 시간을 감소시킬 수 있다.
또한, 이러한 치환 픽셀은 다른 컬러, 적외선 성분 또는 그 밖의 광-계측 파라미터를 포함하는 다른 이미지 파라미터를 결정하는 데에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 입사된 복사선의 적외선 성분의 샘플링이 얻어질 수 있도록 픽셀의 감광 영역을 적외선만이 통과할 수 있게 허용하는 필터가 픽셀 위에 배치될 수 있다. 특히 픽셀 어레이가 기판과 반대되는 도전성의 웰 내에 형성된 CCD 이미지 센서에서, 소정 픽셀의 용량을 처리하는 최대 전하의 저하는 그 저항성으로 인해 웰 내에 균일한 접지 전위를 유지시킬 수 없기 때문에 저하될 수 있다. 치환 픽셀 영역은 이미지 센서 내에 접지 콘택트를 제공하여 웰 내에 더욱 균일한 접지 전위를 유지시키는 데 사용될 수 있다. 치환 픽셀은 또한 기준 소자로도 사용되어 이미지 센서를 정렬시키는 메커니즘에 사용될 수 있다. 마지막으로, 이러한 치환 픽셀은 이미지 프로세싱을 위한 암 기준 레벨을 제공할 수 있다. 암 기준 신호는 소정 방식으로 광에 노출되지 않도록 피복된 픽셀로 얻어진다. 이후, 이 "암" 노출로부터의 값은 이미지 프로세싱 동안의 조정에 사용된다. 치환 픽셀로부터의 이 암 기준 신호는 일반 암 기준 픽셀 값을 대신하거나 또는 그 값에 추가될 수 있다.
도 2를 참조하면, 일반 소비자에게 익숙한 전형적인 상업적 실시예에 본 발명의 이미지 센서(10)를 구현한 디지털 카메라(50)가 도시되어 있다. 이 카메라(50)는 또한 치환 픽셀 위치에 있는 이미지 영역에 신호 레벨을 제공함으로써 다수의 능동 이미징 픽셀에 의해 생성된 이미지를 보정하는 메커니즘, 바람직하게는 알고리즘을 포함한다. 카메라(50)의 프로세서(60)는 이 보정 값을 공지된 프로그래밍 기술을 이용하여 계산한다. 이 알고리즘은, 예를 들어 사전결정된 수의 가장 인접한 픽셀 값의 평균을 계산할 수 있다. 도 3을 참조하면, 가장 인접한 값은 관심 픽셀(X)의 가장 인접한 2개의 픽셀(A, B) 또는 관심 픽셀(Y)의 가장 인접한 픽셀(C, D, E, F)일 수 있다.
컬러 이미지 센서의 경우, 도 4(a)에 도시한 바와 같이, 컬러 필터는 일반적으로 바이엘 패턴으로 알려져 있는 다른 RGBG 패턴에서 능동 픽셀 상에 배치되는데, 여기서 R은 적색 필터, B는 청색 필터 및 G는 녹색 필터를 나타낸다. 이 경우, 보정 값은 가장 가까운 인접 컬러 픽셀을 사용할 수 있다. 도 4(b)를 참조하면, 가장 인접한 픽셀은 녹색 관심 픽셀 X의 경우에 A 및 B이거나 녹색 관심 픽셀 Y의 경우 C, D, E 및 F일 수 있다. 청색 관심 픽셀 Z의 경우, 가장 인접한 픽셀은 G, H, I 및 J일 수 있다. 적절한 좌표 변환을 통해 적색 픽셀의 경우에도 유사한 계산이 이루어질 수 있다. 다른 더욱 정교한 보정 알고리즘도 사용될 수 있다는 점에 유의한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되고 있다. 그러나, 당업자라면 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 변형 및 수정이 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
부품 목록
10 이미지 센서
20 픽셀
30 전원 버스
40 치환 픽셀
50 디지털 카메라
60 프로세서
Claims (16)
- 이미지 센서로서,(a) 입사광을 전하로 변환하여 능동 이미징 픽셀의 경계(bounded) 어레이를 형성하는 다수의 감광 영역과,(b) 사전결정된 위치에 배치되고, 상기 능동 이미징 픽셀의 어레이의 경계 사이에 산재되는 하나 이상의 치환 픽셀 영역을 포함하되,사전결정된 상기 하나 이상의 치환 픽셀 영역에 위치하는 각각의 능동 이미징 픽셀은 상기 능동 이미징 픽셀과 상이한 설계의 회로를 포함하는 치환 픽셀로 대체되며, 하나 이상의 치환 픽셀은 상기 이미지 센서의 성능, 동작, 제조 및 어셈블리 중 적어도 하나를 개선하기 위해 상기 능동 이미징 픽셀과는 상이한 데이터, 정보 또는 기능을 제공하는이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 상기 픽셀 어레이에 걸쳐서 전류 또는 전압의 분포를 개선하기 위한 증폭기 회로 또는 버퍼 회로인이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 상기 픽셀 어레이 내에서 또는 상기 픽셀 어레이에 걸쳐서 신호의 무결성을 개선하기 위한 증폭기 회로 또는 버퍼 회로인이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 다른 컬러, 적외선 성분 또는 기타 광-계측 파라미터를 포함하는 다른 이미지 파라미터를 결정하기 위한 응답 특성을 갖는이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 상기 이미지 센서를 정렬시키는 메커니즘에 사용되는 기준 소자인이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 접지 콘택트를 제공하는이미지 센서.
- 삭제
- (a) 이미지 센서와,(b) 치환 픽셀 위치에 있는 이미지 영역에 신호 레벨을 제공함으로써 능동 이미징 픽셀에 의해 생성된 이미지를 보정하는 메커니즘을 포함하되,상기 이미지 센서는,(a1) 입사광을 전하로 변환하여 능동 이미징 픽셀의 경계 어레이를 형성하는 다수의 감광 영역과,(a2) 사전결정된 위치에 배치되고, 상기 능동 이미징 픽셀의 어레이의 경계 사이에 산재되는 하나 이상의 치환 픽셀 영역을 포함하되,사전결정된 상기 하나 이상의 치환 픽셀 영역에 위치하는 각각의 능동 이미징 픽셀은 상기 능동 이미징 픽셀과 상이한 설계의 회로를 포함하는 치환 픽셀로 대체되며, 하나 이상의 치환 픽셀은 상기 이미지 시스템의 성능, 동작, 제조 및 어셈블리 중 적어도 하나를 개선하기 위해 상기 능동 이미징 픽셀과는 상이한 데이터, 정보 및 기능 중 적어도 하나를 제공하는카메라.
- 제 8 항에 있어서,상기 치환 픽셀 위치에서 상기 신호 레벨을 보정하고 제공하는 상기 메커니즘은 가장 가까운 인접 보간 방법을 이용하여 행해지는카메라.
- (a) 이미지 센서를 포함하되,상기 이미지 센서는(a1) 입사광을 전하로 변환하여 능동 이미징 픽셀의 경계 어레이를 형성하는 다수의 감광 영역과,(a2) 사전결정된 위치에 배치되고, 상기 능동 이미징 픽셀의 어레이의 경계 사이에 산재되는 하나 이상의 치환 픽셀 영역을 포함하되,사전결정된 상기 하나 이상의 치환 픽셀 영역에 위치하는 각각의 능동 이미징 픽셀은 상기 능동 이미징 픽셀과 상이한 설계의 회로를 포함하는 치환 픽셀로 대체되며, 하나 이상의 치환 픽셀은 상기 이미징 시스템의 성능, 동작, 제조 및 어셈블리 중 적어도 하나를 개선하기 위해 상기 능동 이미징 픽셀과는 상이한 데이터, 정보 및 기능 중 적어도 하나를 제공하는카메라.
- 제 10 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 상기 픽셀 어레이에 걸쳐서 전류 또는 전압의 분포를 개선하기 위한 증폭기 회로 또는 버퍼 회로인카메라.
- 제 10 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 상기 픽셀 어레이 내에서 또는 상기 픽셀 어레이에 걸쳐서 신호의 무결성을 개선하기 위한 증폭기 회로 또는 버퍼 회로인카메라.
- 제 10 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 다른 컬러, 적외선 성분 또는 기타 광-계측 파라미터를 포함하는 다른 이미지 파라미터를 결정하기 위한 응답 특성을 갖는카메라.
- 제 10 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 상기 이미지 센서를 정렬시키는 메커니즘에 사용되는 기준 소자인카메라.
- 제 10 항에 있어서,상기 하나 이상의 치환 픽셀 중 적어도 하나는 접지 콘택트를 제공하는카메라.
- 삭제
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