KR101613973B1 - 컬러 필터 어레이 - Google Patents

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Abstract

컬러 필터 어레이(color filter array)가 개시된다. 본 발명의 일 양상에 따른 컬러 필터 어레이는, 2x4, 4x2, 또는 4x4 행렬 구조를 가지며 컬러 픽셀과 투명 픽셀로 구성되는 기본 단위가 반복 배치되어 형성된다. 그리고 기본 단위 내에 임의의 2x2 크기의 윈도우를 설정한 경우, 윈도우 내에 1개의 투명 픽셀과 서로 다른 3개의 컬러 픽셀이 형성되고, 기본 단위 내의 모든 행 또는 모든 열에 적어도 1개의 투명 픽셀이 형성된다.
컬러 필터 어레이(color filter array), 컬러 픽셀(color pixel), 투명 픽셀(transparent pixel), 이미지 센서(image sensor), 기본 단위(basis unit)

Description

컬러 필터 어레이{color filter array}
이미지 센서에 사용되는 컬러 필터 어레이와 관련된다.
통상적으로, 컬러 필터 어레이(color filter array)란 컬러 정보를 획득하기 위해 이미지 센서 위에 위치하여 빛의 특정한 파장 대역을 통과시키는 모자이크 필터를 말한다.
컬러 필터 어레이의 디자인 패턴으로는 베이어 패턴(Bayer pattern)이 대표적이다. 베이어 패턴은 2x2 행렬 구조로 구성되며, 2x2 행렬 구조 내에 R 픽셀 및 G 픽셀(RG)과, G 픽셀 및 B 픽셀(GB)이 배치된다. 즉, 베이어 패턴은 RG/GB 픽셀이 반복되는 구조를 갖고 있다.
베이어 패턴은 원색을 가공 없이 획득할 수 있기 때문에 색을 풍부하게 표현할 수 있다. 그러나 감도 측면에서 광량의 일부가 손실되는 단점이 있다. 광량의 일부가 손실되는 베이어 패턴의 단점을 해결하기 위해, 백색광을 통과시키는 이른바 화이트 픽셀(white pixel)을 추가한 컬러 필터 어레이가 등장하게 되었다.
화이트 픽셀을 추가한 컬러 필터 어레이는 2x2 행렬 구조 내에 투명한 픽셀을 갖는다. 화이트 픽셀이 추가된 컬러 필터 어레이는 이 투명한 픽셀로 인해 영 상의 감도를 증가시킬 수 있다. 그렇지만 2x2 행렬 구조 내에서 투명한 픽셀이 동일한 패턴으로 나타나기 때문에 저조도 환경에서 영상의 해상도를 높이기가 어렵다.
저조도 환경에서 획득되는 영상의 해상도를 증가시키는 컬러 필터 어레이가 제공된다.
본 발명의 일 양상에 따른 컬러 필터 어레이는, 2x4 행렬 구조 또는 4x2 행렬 구조를 가지며, 다수의 컬러 픽셀 및 다수의 투명 픽셀로 구성되는 기본 단위를 포함하며, 기본 단위 내의 모든 2x2 행렬 구조 내에 1개의 투명 픽셀과 서로 다른 3개의 컬러 픽셀이 형성되고, 기본 단위의 모든 열 또는 모든 행 내에 적어도 1 이상의 투명 픽셀이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 양상에 따른 컬러 필터 어레이는, 4x4 행렬 구조를 가지며, 다수의 컬러 픽셀 및 다수의 투명 픽셀로 구성되는 기본 단위를 포함하며, 기본 단위 내의 임의의 2x2 행렬 구조 내에 1개의 투명 픽셀과 서로 다른 3개의 컬러 픽셀이 형성되고, 기본 단위의 모든 열 및 모든 행 내에 적어도 1 이상의 투명 픽셀이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 2x2 행렬 구조 내에 형성되는 3개의 컬러 픽셀은, 붉은색의 빛을 통과시키는 R 픽셀(red pixel), 녹색의 빛을 통과시키는 G 픽셀(green pixel), 및 파란색의 빛을 통과시키는 B 픽셀(blue pixel)이 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 2x2 행렬 구조 내에 형성되는 3개의 컬러 픽셀은, 청록색의 빛을 통과시키는 C 픽셀(cyan pixel), 자홍색의 빛을 통과시키는 M 픽셀(magenta pixel), 및 노랑색의 빛을 통과시키는 Y 픽셀(yellow pixel)이 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 투명 픽셀은, 적외선을 통과 또는 차단시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 컬러 필터 어레이는, 기본 단위가 반복적으로 배치되어 형성될 수 있다.
개시된 내용에 따르면, 컬러 필터 어레이에 투명 픽셀이 형성되었기 때문에, 투명 픽셀을 통과한 빛을 이용하여 컬러 영상의 감도를 향상시키고 잡음을 제거하는 것이 가능하다. 또한, 투명 픽셀이 컬러 필터 어레이의 모든 열 또는 모든 행에서 적어도 1번은 나타나고, 2x2 행렬 구조 내에 투명 픽셀과 컬러 픽셀이 모두 나타나기 때문에, 획득되는 영상의 공간 해상도를 증가시킬 수가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 도시한다.
도 1을 참조하면, 컬러 필터 어레이(100)는 기본 단위(101)가 반복적으로 배치되어 형성된다.
기본 단위(101)는 컬러 픽셀(R, G, B)과 투명 픽셀(T)로 구성된다.
컬러 픽셀(R, G, B)은 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 통과시키는 부분이다. 예를 들어, 컬러 픽셀(R, G, B)은 붉은색을 통과시키는 red pixel(R), 녹색을 통과시키는 green pixel(G), 파란색을 통과시키는 blue pixel(B) 등으로 구성될 수 있다. 또한, 구체적으로 도시하지는 않았으나, 컬러 픽셀(R, G, B)은 청록색을 통과시키는 cyan pixel(C), 자홍색을 통과시키는 magenta pixel(M), 노랑색을 통과시키는 yellow pixel(Y) 등으로 구성될 수도 있다.
투명 픽셀(T)은 모든 파장 대역의 빛을 통과시키는 부분이다. 예를 들어, 투명 픽셀(T)은 백색광을 통과시키는 transparent pixel(T)이 될 수 있다. 이 때, 투명부(103)는 적외선(infra red, IR)을 통과시키거나 차단시키는 것도 가능하다.
기본 단위(101)는 2x4 행렬 구조를 갖는다. 2x4 행렬 구조란 픽셀(예컨대, R, G, B, T)이 가로 2줄 및 세로 4줄로 총 8개가 배치된 구조를 말한다. 예컨대, 기본 단위(101)는 2개의 행(r1~r2)과 4개의 열(c1~c4)로 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 기본 단위(101) 내에 임의의 2x2 크기의 윈도우(102)를 설정한 경우, 윈도우(102) 안에는 1개의 투명 픽셀(T)과 서로 다른 3개의 컬러 픽셀(R, G, B)이 형성된다. 이 때, 윈도우(102)를 어느 위치에 설정하더라도 모든 윈도우(102) 안에는 1개의 투명 픽셀(T)과 서로 다른 3개의 컬러 픽셀(R, G, B)이 나타남을 알 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 투명 픽셀(T)은 기본 단위(101) 내의 모든 행(r1~r2)에서 적어도 1이상 형성된다. 예를 들어, 첫 번째 행(r1)에는 세 번째 열(c3)에 투명 픽셀(T)이 형성되고, 두 번째 행(r2)에는 첫 번째 열(c1)에 투명 픽셀(T)이 형성될 수 있다. 즉, 기본 단위(101) 내의 모든 행(r1~r2)에서 적어도 한 번의 투명 픽셀(T)이 나타남을 알 수 있다.
따라서, 기본 단위(101)가 상하좌우 반복적으로 배치되어 컬러 필터 어레이(100)가 형성되면, 컬러 필터 어레이(100)의 모든 행에서 적어도 1 이상의 투명 픽셀(T)이 나타나고, 임의의 2x2 행렬 구조 내에 투명 픽셀과 빛의 삼원색을 구성하는 컬러 픽셀이 모두 나타나기 때문에, 영상의 해상도 및 감도를 향상시킬 수가 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 도시한다.
도 2를 참조하면, 컬러 필터 어레이(200)는 기본 단위(201)가 반복적으로 배치되어 형성된다. 기본 단위(201)를 구성하는 컬러 픽셀(R, G, B)과 투명 픽셀(T)은 도 1에서 설명한 것과 같다.
도 2에서, 기본 단위(201)는 4x2 행렬 구조를 갖는다. 4x2 행렬 구조란 픽셀(예컨대, R, G, B, T)이 가로 4줄 및 세로 2줄로 총 8개가 배치된 구조를 말한다. 예컨대, 기본 단위(201)는 4개의 행(r1~r4)과 2개의 열(c1~c2)로 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 기본 단위(201) 내에 임의의 2x2 크기의 윈도우(202)를 설정한 경우, 윈도우(202) 안에는 1개의 투명 픽셀(T)과 서로 다른 3개의 컬러 픽셀(R, G, B)이 형성된다. 이 때, 윈도우(202)를 어느 위치에 설정하더라도 모든 윈도우(202) 안에는 1개의 투명 픽셀(T)과 서로 다른 3개의 컬러 픽셀(R, G, B)이 나타남을 알 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 투명 픽셀(T)은 기본 단위(201) 내의 모든 열(c1~c2)에서 적어도 1이상 형성된다. 예를 들어, 첫 번째 열(c1)에는 두 번째 행(r2)에 투명 픽셀(T)이 형성되고, 두 번째 열(c2)에는 네 번째 행(r4)에 투명 픽셀(T)이 형성될 수 있다. 즉, 기본 단위(101) 내의 모든 열(c1~c2)에서 적어도 한 번의 투명 픽셀(T)이 나타남을 알 수 있다.
따라서, 기본 단위(201)가 상하좌우 반복적으로 배치되어 컬러 필터 어레이(200)가 형성되면, 컬러 필터 어레이(200)의 모든 열에서 적어도 1 이상의 투명 픽셀(T)이 나타나고, 임의의 2x2 행렬 구조 내에 투명 픽셀과 빛의 삼원색을 구성하는 컬러 픽셀이 모두 나타나기 때문에, 영상의 해상도 및 감도를 향상시킬 수가 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 도시한다.
도 3을 참조하면, 컬러 필터 어레이(300)는 기본 단위(301)가 반복적으로 배치되어 형성된다. 기본 단위(301)를 구성하는 컬러 픽셀(R, G, B)과 투명 픽셀(T)은 도 1에서 설명한 것과 같다.
도 3에서, 기본 단위(301)는 4x4 행렬 구조를 갖는다. 4x4 행렬 구조란 픽셀(예컨대, R, G, B, T)이 가로 4줄, 세로 4줄로 총 16개가 배치된 구조를 말한다. 예컨대, 기본 단위(301)는 4개의 행(r1~r4)과 4개의 열(c1~c4)로 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 기본 단위(301) 내에 임의의 2x2 크기의 윈도우(302)를 설정한 경우, 윈도우(302) 안에는 1개의 투명 픽셀(T)과 서로 다른 3개의 컬러 픽셀(R, G, B)이 형성된다. 이 때, 윈도우(302)가 기본 단위(301)의 중앙 또는 기본 단 위(301) 간의 경계에 위치하는 경우를 제외하면, 기본 단위(301) 내의 모든 위치에서 윈도우(302) 내에 1개의 투명 픽셀(T)과 서로 다른 3개의 컬러 픽셀(R, G, B)이 나타남을 알 수 있다. 만약, 윈도우(302)가 기본 단위(301)의 중앙에 위치하면, 두 개의 투명 픽셀(T)이 나타나고, 기본 단위(301) 간의 경계에 위치하면, 컬러 픽셀(R, G, B)만 나타날 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 투명 픽셀(T)은 기본 단위(301) 내의 모든 행(r1~r4) 및 모든 열(c1~c4)에서 적어도 1이상 형성된다. 예를 들어, 기본 단위(101) 내의 모든 행(r1~r4)을 살펴본다. 첫 번째 행(r1)에는 네 번째 열(c4)에 투명 픽셀(T)이 형성된다. 두 번째 행(r2)에는 두 번째 열(c2)에 투명 픽셀(T)이 형성된다. 세 번째 행(r3)에는 세 번째 열(c3)에 투명 픽셀(T)이 형성된다. 네 번째 행(r4)에는 첫 번째 열(c1)에 투명 픽셀(T)이 형성된다. 즉, 기본 단위(301) 내의 모든 행(r1~r4)에서 적어도 한 번의 투명 픽셀(T)이 나타남을 알 수 있다. 마찬가지로, 기본 단위(301) 내의 모든 열(c1~c4)을 살펴본다. 첫 번째 열(c1)에는 네 번째 행(r4)에 투명 픽셀(T)이 형성된다. 두 번째 열(c2)에는 두 번째 행(r2)에 투명 픽셀(T)이 형성된다. 세 번째 열(c3)에는 세 번째 행(r3)에 투명 픽셀(T)이 형성된다. 네 번째 열(c4)에는 첫 번째 행(r1)에 투명 픽셀(T)이 형성된다. 즉, 기본 단위(301) 내의 모든 열(c1~c4)에서 적어도 1번의 투명 픽셀이 나타남을 알 수 있다.
따라서, 기본 단위(301)가 상하좌우 반복적으로 배치되어 컬러 필터 어레이(300)가 형성되면, 컬러 필터 어레이(300)의 모든 열 및 모든 행에서 적어도 1 이상의 투명 픽셀(T)이 나타나고, 임의의 2x2 행렬 구조 내에 투명 픽셀과 빛의 삼원색을 구성하는 컬러 픽셀이 모두 나타나기 때문에, 영상의 해상도 및 감도를 향상시킬 수가 있다.
도 1 내지 도 3에서, 컬러 픽셀이 RGB 픽셀인 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 컬러 픽셀로는 RGB 픽셀 외에 CMY 픽셀도 사용될 수 있다. 또한, 투명 픽셀이 T 픽셀인 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 적외선 차단 기능 또는 적외선 통과 기능이 있는 White pixel이 이용될 수도 있다.
또한, 도 1 내지 도 3을 참조하면, T 픽셀이 컬러 필터 어레이(100, 200, 300)의 모든 열 또는 모든 행에서 적어도 한 번은 나타나고, 임의의 2x2 행렬 구조 내에서 R, G, B, T 픽셀이 모두 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 컬러 필터 어레이(100, 200, 300)를 통과한 빛을 감지하여 영상을 획득하는 경우, T 픽셀을 통과한 빛을 이용하여 영상의 감도 및 해상도를 증가시키는 것이 가능하다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 획득 장치를 도시한다.
도 4를 참조하면, 영상 획득 장치(401)는 컬러 필터 어레이(402)를 통과한 빛을 감지하고, 감지된 빛에 대응되는 전기적 영상 신호를 생성한다. 여기서, 컬러 필터 어레이(402)는 도 1의 컬러 필터 어레이(100)가 될 수 있다. 영상 획득 장치(401)는 Charge-Coupled Device(CCD) 또는 Complemetary Metal-Oxide Semiconductor(CMOS)와 같은 이미지 센서가 될 수 있다.
도 4에서, 영상 획득 장치(401)는 적어도 2개의 층을 포함한다. 제 1 층(410)은 R 픽셀, B 픽셀, 및 G 픽셀을 통과한 빛을 감지하여 컬러 신호를 생성한다. 또한, 제 1 층(410)은 T 픽셀을 통과한 빛 중 백색광을 감지하여 백색 신호를 생성하는 것도 가능하다. 제 2 층(420)은 T 픽셀을 통과한 빛 중 적외광을 감지하여 적외선 신호를 생성하는 것이 가능하다.
영상 획득 장치(401)에서 생성된 신호는 여러 개의 서브 채널 신호로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5와 같이, R 픽셀을 통과한 빛에 대응되는 영상 신호는 제 1 서브 채널 신호가 될 수 있다. 또한, B 픽셀을 통과한 빛에 대응되는 영상 신호는 제 2 서브 채널 신호가 될 수 있다. 또한, G 픽셀을 통과한 빛에 대응되는 영상 신호는 제 3 서브 채널 신호가 될 수 있다. 또한, T 픽셀을 통과한 빛 중 제 1 층(410)에서 감지된 백색광 신호는 제 4 서브 채널 신호가 될 수 있고, T 픽셀을 통과한 빛 중 제 2 층(420)에서 감지된 적외광 신호는 제 5 서브 채널 신호가 될 수 있다.
이 때, 각각의 채널 신호를 별도로 영상 처리 한 후, 이를 합성하여 영상을 복원하면, 제 4 서브 채널 신호 및/또는 제 5 서브 채널 신호를 이용하여 영상의 감도 및 해상력을 증가시키고 잡음을 제거하는 것이 가능하다. 예를 들어, 제 1, 제 2, 제 3 서브 채널 신호를 이용하여 컬러 영상을 만들고, 제 4, 및 제 5 서브 채널 신호를 이용하여 만들어진 컬러 영상의 감도 및 해상도를 향상시킬 수가 있다.
각 서브 채널 신호들을 처리하기 위한 신호 처리 구성은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시를 위한 구체적인 예를 살펴보았다. 전술한 실시예들은 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 특정 실시예에 한정되지 아니할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 도시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 획득 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 채널 신호를 도시한다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 4x4 행렬 구조를 가지며, 컬러 픽셀 및 투명 픽셀로 구성되는 기본 단위; 를 포함하며,
    상기 기본 단위 내의 임의의 2x2 행렬 구조에 1개의 투명 픽셀과 3개의 컬러 픽셀이 형성되고, 제1 투명 픽셀은 기본 단위의 첫 번째 행의 네 번째 열에 형성되고, 제2 투명 픽셀은 기본 단위의 두 번째 행의 두 번째 열에 형성되고, 제3 투명 픽셀은 기본 단위의 세 번째 행의 세 번째 열에 형성되고, 제4 투명 픽셀은 기본 단위의 네 번째 행의 첫 번째 열에 형성되는 컬러 필터 어레이.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 2x2 행렬 구조 내에 형성되는 3개의 컬러 픽셀은,
    붉은색의 빛을 통과시키는 R 픽셀(red pixel), 녹색의 빛을 통과시키는 G 픽셀(green pixel), 및 파란색의 빛을 통과시키는 B 픽셀(blue pixel)인 컬러 필터 어레이.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 2x2 행렬 구조 내에 형성되는 3개의 컬러 픽셀은,
    청록색의 빛을 통과시키는 C 픽셀(cyan pixel), 자홍색의 빛을 통과시키는 M 픽셀(magenta pixel), 및 노랑색의 빛을 통과시키는 Y 픽셀(yellow pixel)인 컬러 필터 어레이.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 컬러 필터 어레이는,
    상기 기본 단위가 반복적으로 배치되어 형성되는 컬러 필터 어레이.
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