KR101724086B1 - 3차원 적층 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 컬러 이미지 센서를 3차원으로 적층하고, 각 색상 화소의 중심을 어긋나게 배치함으로써 베이어 패턴을 적용한 이미지 센서보다 더욱 해상도가 높은 이미지를 획득할 수 있는 3차원 적층 이미지 센서를 제공한다.

Description

3차원 적층 이미지 센서{Three-Dimensionally Stacked Image Sensor}
본 발명에 따른 일 실시예는 3차원 적층 이미지 센서에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명에 따른 일 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
이미지 센서(Image Sensor)는 입사되는 빛을 전기신호로 변환하는 소자이다. 디지털 스틸 카메라(Digital Still Camera), 디지털 비디오 카메라(Digital Video Camera) 등과 같이 촬상 기능을 구비한 대부분의 디지털 장치는 컬러 필터 어레이(Color Filter Array)가 결합된 이미지 센서를 포함한다.
컬러 필터 어레이에 이용되는 가장 일반적인 패턴이 베이어 패턴(Bayer Pattern)이다. 베이어 패턴은 빛의 삼원색인 적색(R; Red), 녹색(G; Green) 및 청색(B; Blue) 화소(Pixel)가 각각 한 개, 두 개, 한 개씩 배치된 2×2 행렬인 단위 행렬(Unit Matrix)을 2차원으로 확장함으로써 형성된다.
베이어 패턴을 이용한 이미지 센서는 원색을 가공없이 획득할 수 있기 때문에 색을 풍부하게 표현할 수 있다는 장점을 지닌다. 그러나 각각의 화소는 한 가지 색상만을 검출할 수 있기 때문에 누락되는 색상이 존재한다는 단점이 있으며, 해당 화소에서 누락된 색상을 보상하기 위해 인접한 화소들의 색상값을 이용하여 보간(Interpolation)처리한다.
보간처리에 의한 오차는 단위 화소(Unit Pixel)의 크기를 줄여 해상도를 높임으로써 완화할 수 있다. 하지만 이러한 방법은 보간처리에 의한 오차를 없애기 위한 근원적인 해결책이 될 수 없다. 또한, 공정 상의 기술적 문제점으로 인해 단위 화소의 크기를 1.1 μm 이하로 줄이는 것은 어렵다.
이러한 한계를 뛰어넘는 초고해상도의 컬러 이미지를 획득하기 위해서는 단순히 이미지 센서 화소의 크기를 줄이는 것이 아닌 새로운 접근 방법이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컬러 이미지 센서를 3차원으로 적층하여 배치하고, 각 색상 화소의 중심을 어긋나게 배치함으로써 베이어 패턴을 적용한 이미지 센서보다 더욱 해상도가 높은 이미지를 획득할 수 있는 이미지 센서를 제공하는 데에 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하고 매트릭스(Matrix) 형태로 배열된 다수의 광전변환 소자(Unit Photoelectric Conversion Device)를 포함하는 제1 색상 센서 레이어(Layer); 상기 제1 색상 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제1 색상 센서 레이어 상에 배치되며 제2 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하여 출력하는 제2 색상 센서 레이어; 상기 제1 색상 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제2 색상 센서 레이어 상에 배치되며 제3 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하여 출력하는 제3 색상 센서 레이어; 및 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어의 광전변환 소자와 전기적으로 연결되어 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어로부터의 전기신호를 수신하여 디지털화하는 신호처리부를 포함하되, 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어가 적층되는 방향을 기준으로, 상기 광전변환 소자 중 어느 한 광전변환 소자의 중심도 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 입사된 빛을 전기신호로 변환하여 출력하고 매트릭스(Matrix) 형태로 배열된 다수의 광전변환 소자(Unit Photoelectric Conversion Device)를 포함하는 제1 센서 레이어(Layer); 상기 제1 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제1 센서 레이어 상에 배치되는 제2 센서 레이어; 상기 제1 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제2 센서 레이어 상에 배치되는 제3 센서 레이어; 및 상기 제1 센서 레이어, 상기 제2 센서 레이어 및 상기 제3 센서 레이어의 광전변환 소자와 전기적으로 연결되어 상기 제1 센서 레이어, 상기 제2 센서 레이어 및 상기 제3 센서 레이어로부터의 전기신호를 수신하여 디지털화하는 신호처리부를 포함하되, 상기 제1 센서 레이어 및 상기 제2 센서 레이어 각각은 제1 파장대역 및 제2 파장대역을 투과시키는 제1 대역통과 필터층(Bandpass Filter Layer) 및 제2 대역통과 필터층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 제1 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하고 매트릭스(Matrix) 형태로 배열된 다수의 광전변환 소자(Unit Photoelectric Conversion Device)를 포함하는 제1 색상 센서 레이어(Layer); 상기 제1 색상 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제1 색상 센서 레이어 상에 배치되며 제2 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하여 출력하는 제2 색상 센서 레이어; 상기 제1 색상 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제2 색상 센서 레이어 상에 배치되며 제3 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하여 출력하는 제3 색상 센서 레이어; 및 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어의 광전변환 소자와 전기적으로 연결되어 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어로부터의 전기신호를 수신하여 디지털화하는 신호처리부를 포함하되, 상기 제2 색상 센서 레이어는 상기 제1 색상 센서 레이어를 기준으로, 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어가 적층되는 방향이 아닌 두 직교(Orthogonal) 방향 중 선택된 한 방향인 제1 직교 방향으로 상기 광전변환 소자의 제1 직교 방향 폭인 w1의 1/m(m은 자연수)배만큼 이동되어 배치되고, 상기 제3 색상 센서 레이어는 상기 제2 색상 센서 레이어가 이동된 방향이 아닌 제2 직교 방향으로 상기 광전변환 소자의 제2 직교 방향 폭인 w2의 1/n(n은 자연수)배만큼 이동되어 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컬러 이미지 센서를 3차원으로 적층하고, 각 색상 화소의 중심을 서로 어긋나게 배치함으로써 베이어 패턴을 적용한 이미지 센서보다 더욱 해상도가 높은 이미지를 획득할 수 있는 이미지 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 다른 측면에 의하면, 단위 화소의 크기를 줄이지 않고도 종래의 이미지 센서보다 해상도가 높은 이미지를 획득할 수 있는 이미지 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 트랜지스터 등의 구동 소자를 추가하지 않고도 종래의 이미지 센서보다 해상도가 높은 이미지를 획득할 수 있는 이미지 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 베이어 패턴이 적용된 이미지 센서의 개념도이다.
도 2는 베이어 패턴이 적용된 이미지 센서의 색상 감지 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 및 도 4는 베이어 패턴이 적용된 이미지 센서의 색상 감지 원리를 설명하기 위한 구체적인 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서의 개념도이다.
도 6은 도 5에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서 평면 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서에서의 센서 화소와 이미지 데이터 매칭 방법을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서의 물리적 화소를 나타낸 색상 센서 레이어의 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서의 유효 화소를 나타낸 색상 센서 레이어의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서에서의 이미지 데이터 획득 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서를 이용하여 획득된 이미지의 예시도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 일 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서 제1, 제2, ⅰ), ⅱ), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 베이어 패턴이 적용된 이미지 센서의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 R 화소, G 화소 및 B 화소의 컬러 필터 어레이 레이어(110)와 빛의 세기를 감지하는 센서 레이어(120)를 포함한다.
컬러 필터 어레이는 R 화소와 G 화소가 번갈아 배치된 행(Row)과 B 화소와 G 화소가 번갈아 배치된 행이 반복하여 형성된 행렬을 포함한다. 컬러 필터 어레이의 각 화소는 입사되는 빛의 해당 색상이 지니는 파장대역(Wavelength Band)의 성분(Component)만을 통과시킨다. 즉, R 화소는 입사되는 빛의 적색 파장대역의 성분만을 통과시키고, G 화소는 녹색 파장대역의 성분만을 통과시키며 B 화소는 청색 파장대역의 성분만을 통과시킨다.
센서 레이어(120)는 컬러 필터 어레이를 통과한 빛의 세기를 감지하는 레이어로서, 주로 CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술을 이용하여 제작된다. CMOS 이미지 센서는 전력 특성과 가격 효율성을 확보할 수 있고, 주변 회로와 단일 칩으로 구성할 수 있다. 이에 따라 최근에 출시되고 있는 디지털 촬상 장치의 대부분은 CMOS 기술을 이용한 이미지 센서를 구비한다.
외부로부터 렌즈 등의 광학계를 통해 입사된 빛은 컬러 필터 어레이 레이어(110)에 입사된다. 컬러 필터 어레이 레이어(110)는 R, G 또는 B에 해당하는 색상의 파장대역 성분만을 통과시킨다. 컬러 필터 어레이 레이어(110)를 통과한 빛은 센서 레이어(120)로 입사되고 센서 레이어(120)에서 광전변환된다.
도 2는 베이어 패턴이 적용된 이미지 센서의 색상 감지 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서는 예를 들어, 4×4 행렬 형태로 배치된 16개의 화소를 포함한다. 빛의 세기를 감지하는 센서 레이어(120)의 상부에는 베이어 패턴으로 구성된 컬러 필터 어레이 레이어(110)가 배치된다.
외부로부터 렌즈 등의 광학계를 통해 입사된 빛은 컬러 필터 어레이 레이어(110)에 입사된다. 컬러 필터 어레이 레이어(110)는 R, G 또는 B에 해당하는 색상의 파장대역 성분만을 통과시킨다.
각각의 컬러 필터 화소는 한 가지 색상만을 통과시킬 수 있기 때문에 각 화소의 위치에서 감지된 한 가지 색상 성분 이외의 나머지 두 가지 색상 성분은 주변의 화소의 색상값을 계산함으로써 얻어진다.
적색은 (1, 1), (1, 3), (3, 1) 및 (3, 3) 위치에 존재하는 화소에 의해서 감지된다. 녹색은 (1, 2), (1, 4), (2, 1), (2, 3), (3, 2), (3, 4), (4, 1) 및 (4, 3) 위치에 존재하는 화소에 의해 감지된다. 청색은 나머지 화소인 (2, 2), (2, 4), (4, 2) 및 (4, 4) 위치에 존재하는 화소에 의해 감지된다.
입사되는 빛의 적색 성분은 (1, 1), (1, 3), (3, 1) 및 (3, 3) 위치에 존재하는 화소에 의해서만 감지되기 때문에 (1, 2), (1, 4), (2, 1), (2, 2), (2, 3), (2, 4), (3, 2), (3, 4), (4, 1), (4, 2), (4, 3) 및 (4, 4) 위치로 입사되는 빛의 적색 성분은 계산된 값으로 출력된다.
입사되는 빛의 녹색 성분은 (1, 2), (1, 4), (2, 1), (2, 3), (3, 2), (3, 4), (4, 1) 및 (4, 3) 위치에 존재하는 화소에 의해 감지되기 때문에, (1, 1), (1, 3), (2, 2), (2, 4), (3, 1), (3, 3), (4, 2) 및 (4, 4) 위치로 입사되는 빛의 녹색 성분은 계산된 값으로 출력된다.
적색과 녹색에서와 마찬가지로 입사되는 빛의 청색 성분은 (2, 2), (2, 4), (4, 2) 및 (4, 4) 위치에 존재하는 화소에 의해 감지되기 때문에, (1, 1), (1, 2), (1, 3), (1,4), (2, 1), (2, 3), (3, 1), (3, 2), (3, 3), (3, 4), (4, 1) 및 (4, 3) 위치로 입사되는 빛의 청색 성분은 계산된 값으로 출력된다.
도 3 및 도 4는 베이어 패턴이 적용된 이미지 센서의 색상 감지 원리를 설명하기 위한 구체적인 예시도이다.
2차원 행렬에서의 임의의 위치를 i번째 행과 j번째 열의 조합인 (i, j)로 정의할 수 있고, 해당 위치 (i, j)에서의 적색, 녹색, 청색 색상값은 R(i, j), G(i, j) 및 B(i, j)로 나타낼 수 있다.
도 3은 (2, 2) 위치에 존재하는 화소의 색상값을 구하기 위한 예시도로서, 도 3을 참조하면 (2, 2) 위치에 존재하는 화소에 입사된 빛의 적색, 녹색, 청색 색상 성분은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112016066352913-pat00001
(2, 2) 위치에 존재하는 적색 색상값 R(2, 2)는 위치 (2, 2) 주변에 존재하는 적색 색상값의 평균값으로서 그 값은 (1, 1), (1, 3), (3, 1) 및 (3, 3) 위치의 적색 색상값인 R1, R2, R3 및 R4의 산술 평균값으로 구할 수 있다.
여기서, 주변이라는 말은 해당 위치의 화소를 중심으로 하는 8개의 화소를 의미한다.
(2, 2) 위치에 존재하는 녹색 색상값 G(2, 2)는 위치 (2, 2) 주변에 존재하는 녹색 색상값의 평균값으로서 그 값은 (1, 2), (2, 1), (2, 3) 및 (3, 2) 위치의 녹색 색상값인 G1, G3, G4 및 G5의 산술 평균값으로 구할 수 있다.
(2, 2) 위치에 존재하는 청색 색상값 B(2, 2)는 위치 (2, 2)에 존재하는 청색 색상값인 B1으로 정해진다.
도 4는 (3, 2) 위치에 존재하는 화소의 색상값을 구하기 위한 다른 예시도로서, 도 4를 참조하면 (3, 2) 위치에 존재하는 화소에 입사된 빛의 적색, 녹색, 청색 색상 성분은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112016066352913-pat00002
(2, 3) 위치에 존재하는 적색 색상값 R(2, 3)은 위치 (2, 3) 주변에 존재하는 적색 색상값의 평균값으로서 그 값은 (1, 3) 및 (3, 3) 위치의 적색 색상값인 R2 및 R4의 산술 평균값으로 구할 수 있다.
(2, 3) 위치에 존재하는 녹색 색상값 G(2, 3)는 위치 (2, 3)에 존재하는 녹색 색상값인 G4로 정해진다.
(2, 3) 위치에 존재하는 청색 색상값 B(2, 3)는 위치 (2, 3) 주변에 존재하는 청색 색상값의 평균값으로서 그 값은 (2, 2) 및 (2, 4) 위치의 청색 색상값인 B1 및 B2의 산술 평균값으로 구할 수 있다.
이와 같이 베이어 패턴을 적용한 이미지 센서의 경우, 개별 화소가 검출할 수 있는 색상은 적색, 녹색, 청색의 색상 중 오직 한 가지 색상이기 때문에 해당 위치에서의 화소 자체의 색상을 제외한 나머지 색상값은 주변 화소의 색생값을 이용하여 구하며, 이에 따라 원본 이미지에 대한 이미지 센서 화소에서의 색 정확도는 33%가 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서의 개념도이다.
도 5를 참조하면, 3차원 적층 이미지 센서는 제1 색상 센서 레이어(510), 제2 색상 센서 레이어(520) 및 제3 색상 센서 레이어(530)를 포함한다. 제1 색상 센서 레이어(510), 제2 색상 센서 레이어(520) 및 제3 색상 센서 레이어(530) 각각은 다수의 행(Row) 및 다수의 열(Column) 형태로 배열되어 입사된 빛을 전기신호로 변환하여 출력하는 다수의 단위 광전변환 소자를 포함한다.
여기서, 제1 색상 센서 레이어(510), 제2 색상 센서 레이어(520) 및 제3 색상 센서 레이어(530) 각각이 광전변환하는 빛의 색상은 빛의 삼원색인, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)일 수도 있고, 싸이언(Cyan; C), 마젠타(Magenta; M), 옐로우(Yellow; Y)일 수도 있다. 하지만 천연색을 근사적으로 구성할 수 있는 색상의 조합이라면 어떠한 색상도 될 수 있다.
제1 색상 센서 레이어(510), 제2 색상 센서 레이어(520) 및 제3 색상 센서 레이어(530) 각각에 포함되는 다수의 단위 광전변환 소자는 전기배선을 통해 외부의 신호처리부와 연결될 수 있다.
제2 색상 센서 레이어(520)는 제1 색상 센서 레이어(510) 상에 배치되고, 제 3 색상 센서 레이어(530)는 제2 색상 센서 레이어(520) 상에 적층되어 배치된다.
제1 색상 센서 레이어(510), 제2 색상 센서 레이어(520) 및 제3 색상 센서 레이어(530)는 각각 제1 색상 파장대역, 제2 색상 파장대역 및 제3 색상 파장대역의 빛을 흡수하여 전기신호로 변환할 수 있는 물질을 포함하여 구성된다. 예컨대, 제1 색상 파장대역, 제2 색상 파장대역 및 제3 색상 파장대역은 적색, 녹색 및 청색 파장대역일 수 있다.
제1 색상 센서 레이어(510), 제2 색상 센서 레이어(520) 및 제3 색상 센서 레이어(530)는 서로 다른 밴드갭(Bandgap) 에너지를 갖는 반도체 물질을 포함하여 구성될 수도 있다. 또한, 자외선부터 적외선까지의 파장대역의 빛을 광전변환할 수 있는 층에 기설정된 파장대역을 통과시킬 수 있는 대역통과 필터(Bandpass Filter)를 추가로 포함하여 형성될 수도 있다. 제1 색상 센서 레이어(510)의 대역통과 필터층은 사람의 눈이 인지하는 적색 빛만을 통과시키며, 제2 색상 센서 레이어(520)의 대역통과 필터층은 사람의 눈이 인지하는 적색 및 녹색의 빛을 통과시킨다.
또한, 입사되는 빛의 반사를 줄이기 위해, 제1 색상 센서 레이어(510), 제2 색상 센서 레이어(520) 및 제3 색상 센서 레이어(530) 각각은 반사 방지층(Anti-reflection Layer)을 포함할 수 있다. 반사 방지층은 레이어와 레이어의 사이에 배치되거나, 외부와 접촉하는 최상층에 배치되는 색상 센서 레이어의 표면 상에만 형성될 수도 있다.
제1 색상 센서 레이어(510)는 제2 색상 센서 레이어(520)를 기준으로, x 방향으로 x 방향 단위 화소 폭의 절반만큼 이동되어 배치되고, 제3 색상 센서 레이어(530)는 제2 색상 센서 레이어(520)를 기준으로 y 방향으로 y 방향 단위 화소 폭의 절반만큼 이동되어 배치된다.
여기서, x 방향 및 y 방향 단위 화소 폭은 각각 단위 화소의 x 방향 길이 및 단위 화소의 y 방향의 길이를 의미한다.
제1 색상 센서 레이어(510) 및 제3 색상 센서 레이어(530)를 제2 색상 센서 레이어(520)를 기준으로 각각 x 방향 및 y 방향으로 단위 화소 폭의 절반만큼씩 이동하여 배치함으로써 각 센서 레이어의 화소 중심이 어긋나게 된다.
제1 색상 센서 레이어(510) 및 제3 색상 센서 레이어(530)를 제2 색상 센서 레이어(520)를 기준으로 이동하여 배치하였지만, 제2 색상 레이어(520)가 아닌 다른 레이어를 기준으로 이동하여 배치할 수도 있으며 이동되는 방향도 x 방향 및 y 방향으로 국한될 필요는 없다. 또한, 이동 배치하는 거리도 단위 화소 폭의 절반만큼으로 제한되지 않는다.
도 6은 도 5에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서 평면 개념도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 색상 센서 레이어(510)는 R 색상 센서 레이어이고, 제2 색상 센서 레이어(520)는 G 색상 센서 레이어이며 제3 색상 센서 레이어(530)는 B 색상 센서 레이어이다.
제1 색상 센서 레이어(510)를 제2 색상 센서 레이어(520)를 기준으로 x방향으로 단위 화소 폭의 절반만큼 이동시켜 배치하고, 제3 색상 센서 레이어(530)를 제2 색상 센서 레이어(520)를 기준으로 y방향으로 단위 화소 폭의 절반만큼 이동시켜 배치함으로써, 겹쳐진 세 개의 색상 센서 레이어가 이루는 경계가 각각의 단위 화소를 네 등분한 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서에서의 센서 화소와 이미지 데이터 매칭 방법을 나타낸 도면이다.
제1 색상 센서 레이어(510)와 제3 색상 센서 레이어(530)를 각각 제2 색상 센서 레이어(520)를 기준으로 단위 화소 크기의 절반만큼씩 x방향 및 y방향으로 이동시켜 배치함으로써, 제1 색상 센서 레이어(510), 제2 색상 센서 레이어(520) 및 제3 색상 센서 레이어(530)가 겹쳐져 이루는 경계가 각각의 물리적 화소(Pa)를 네 개의 유효 화소(Effective Pixel, Pe)로 나눈다.
각 센서 레이어가 포함하는 단위 화소의 수를 천만 화소로 가정하면, 겹쳐진 세 개의 색상 센서 레이어가 형성하는 유효 화소 수는 사천만 화소로 4배가 된다. 획득한 이미지는 기존 베이어 패턴이 적용된 이미지 센서를 이용하여 획득한 이미지보다 4배 높은 해상도를 지니게 된다.
이렇게 형성된 각 센서 레이어의 유효 화소 중 동일한 xy 좌표를 갖는 유효 화소끼리 묶으면, 제1 색상 센서 레이어(510)의 B1 화소, 제2 색상 센서 레이어(520)의 G3 화소 및 제3 색상 센서 레이어(530)의 R4 화소가 하나의 그룹이 된다. 이와 마찬가지로, 제1 색상 센서 레이어(510)의 B2 화소, 제2 색상 센서 레이어(520)의 G4 화소 및 제3 색상 센서 레이어(530)의 R3 화소가 하나의 그룹이 되고, 제1 색상 센서 레이어(510)의 B3 화소, 제2 색상 센서 레이어(520)의 G1 화소 및 제3 색상 센서 레이어(530)의 R2 화소가 하나의 그룹이 된다.
각각의 그룹에 존재하는 제1 색상 센서 레이어(510)의 화소, 제2 색상 센서 레이어(520)의 화소 및 제3 색상 센서 레이어(530)의 화소의 색상값을 계산함으로써 최종적으로 원하는 이미지를 출력할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서의 물리적 화소를 나타낸 색상 센서 레이어의 개념도이다.
도 8의 (a)는 3×3 행렬 형태로 배치된 R 색상의 센서 레이어이고, (b)는 3×3 행렬 형태로 배치된 G 색상의 센서 레이어이며, (c)는 3×3 행렬 형태로 배치된 B 색상의 센서 레이어이다.
각 색상의 센서 레이어는 9개의 물리적 화소로 구현된다. 이 센서 레이어 각각은 9개의 화소로 이루어진 이미지를 출력할 수 있다. 이 경우, 출력되는 이미지의 해상도는 3×3이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서의 유효 화소를 나타낸 색상 센서 레이어의 개념도이다.
도 9의 (a)는 6×6 행렬 형태로 구현된 유효 화소를 포함하는 R 색상의 센서 레이어이고, (b)는 6×6 행렬 형태로 구현된 유효 화소를 포함하는 G 색상의 센서 레이어이며, (c)는 6×6 행렬 형태로 구현된 유효 화소를 포함하는 B 색상의 센서 레이어이다.
각각의 센서 레이어는 R 색상 센서 레이어와 B 색상 센서 레이어를 G 색상 센서 레이어를 기준으로 단위 화소 폭의 절반만큼씩 x방향 및 y방향으로 이동한 상황을 가정하여, 도 8에 도시된 R 색상의 센서 레이어, G 색상의 센서 레이어 및 B 색상의 센서 레이어를 4등분하여 나타내었다.
각 화소는 AXJ로 나타낼 수 있으며 A는 센서 레이어의 종류, X는 물리적 화소의 위치, J는 유효 화소의 위치를 각각 나타낸다. 예컨대, R11은 R 색상 센서 레이어의 제1 위치의 물리적 화소에 존재하는 제1 위치의 유효 화소를 의미한다.
유효 화소에서 획득된 데이터를 이미지 화소에 매칭하여 출력하는 방법은 다양하게 존재할 수 있다.
예를 들어, 각 유효 화소에 가중치를 적용하여 출력되는 이미지에 사용될 데이터를 수학식 3을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112016066352913-pat00003
수학식 3을 참조하면, J가 어떤 값이 되더라도, RX, GX 및 BX의 값에는 변화가 없다. 즉, 유효 화소의 위치에 관계없이 각 화소에서의 색상은 물리적 화소의 위치가 좌우한다는 것을 의미한다. 이는 각 물리적 화소를 나누어 유효 화소 숫자를 증가시켰지만, 실제로 얻어지는 데이터는 물리적 화소의 숫자와 동일하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서에서의 이미지 데이터 획득 및 매칭 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10의 (a)는 6×6 행렬 형태로 구현된 유효 화소를 포함하는 R 색상의 센서 레이어이고, (b)는 6×6 행렬 형태로 구현된 유효 화소를 포함하는 G 색상의 센서 레이어이며, (c)는 6×6 행렬 형태로 구현된 유효 화소를 포함하는 B 색상의 센서 레이어이다.
각 유효 화소에 가중치를 적용하여 출력되는 이미지에 사용될 데이터를 수학식 4를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112016066352913-pat00004
여기서, XL, XU, XUL은 각각 X의 왼쪽 화소, X의 위쪽 화소, X의 왼쪽 위 화소를 의미하고, α1, α2, α3, α4는 색상 R에 관련된 가중치, β1, β2, β3, β4는 색상 G에 관련된 가중치, γ1, γ2, γ3, γ3는 색상 B에 관련된 가중치이며 αl, βm, γn은 0 이상 1 이하의 값이다. 또한, l, m, n은 1에서 4사이의 양의 정수이다.
예컨대, R51은 R5 값, R4 값, R2 값 및 R1 값에 α1, α2, α3, α4를 곱한 값의 합으로 계산된다. 여기서, 가중치 α1이 1이고 α2, α3, α4가 모두 0이면, 수학식 4는 수학식 3의 경우와 동일하다.
이러한 가중치의 값은 출력되어야 하는 이미지의 특성 등을 고려하여 설정될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서를 이용하여 획득된 이미지의 예시도이다.
도 11의 (a)는 해상도가 6×6인 이미지이고, (b)는 3×3 행렬 형태로 구현된 이미지 센서, 예컨대 베이어 패턴을 이용한 이미지 센서를 이용하여 출력한 이미지이며, (c)는 3×3 행렬 형태로 구현된 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 이미지 센서를 이용하여 출력한 이미지이다.
도 11의 (b)의 이미지의 해상도는 3×3으로서, (a)의 해상도가 6×6인 이미지와는 유사도 혹은 재현도가 저조한 이미지가 출력된 것을 확인할 수 있다.
도 11의 (c)에서 보듯이, 3차원 적층 이미지 센서를 적용한 경우, 해상도는 6×6으로서 (a) 이미지가 표현하고 있는 해상도와 동일하다. 다만 개별 유효 화소에서의 색상이 이에 대응되는 해상도가 6×6인 이미지와 완전히 동일하지는 않다.
일부 개별 유효 화소에서의 색상이 다른 이유는, 수학식 3과 수학식 4에서 알 수 있듯이, 각 위치에서의 유효 화소 데이터를 얻기 위해, 주변에 존재하는 화소의 정보를 획득하고 가중치를 고려하여 재가공하는 과정을 거치기 때문이다.
이러한 이유로 인해, 각 화소에서의 색 정확도는 25%이다. 이러한 색 정확도의 감소에도 불구하고, 출력되는 이미지의 해상도가 4배 증가하기 때문에 사람의 눈에 의해 감지되는 이미지는 훨씬 더 원 이미지에 근사할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명에 따른 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명에 따른 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 일 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명에 따른 일 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 베이어 컬러 필터 어레이
120: 센서 레이어
510: 제1 색상 센서 레이어
520: 제2 색상 센서 레이어
530: 제3 색상 센서 레이어

Claims (22)

  1. 제1 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하고 매트릭스(Matrix) 형태로 배열된 다수의 광전변환 소자(Unit Photoelectric Conversion Device)를 포함하는 제1 색상 센서 레이어(Layer);
    상기 제1 색상 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제1 색상 센서 레이어 상에 배치되며 제2 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하여 출력하는 제2 색상 센서 레이어;
    상기 제1 색상 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제2 색상 센서 레이어 상에 배치되며 제3 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하여 출력하는 제3 색상 센서 레이어; 및
    상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어 각각의 광전변환 소자인 제1 광전변환 소자, 제2 광전변환 소자 및 제3 광전변환 소자와 전기적으로 연결되어 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어로부터의 전기신호를 수신하여 디지털화하는 신호처리부
    를 포함하되, 상기 제2 색상 센서 레이어는 상기 제1 색상 센서 레이어를 기준으로 상부에 위치하나, 상기 제2 광전변환 소자의 중심은 상기 제1 색상 센서 레이어가 적층되는 방향이 아닌 두 방향 중 선택된 한 방향인 제1 방향으로 상기 제2 광전변환 소자의 제1 방향 폭인 w1의 1/m(m은 자연수)배만큼 이동되어 배치되고, 상기 제3 색상 센서 레이어는 상기 제 2 색상 센서 레이어를 기준으로 상부에 위치하나, 상기 제3 광전변환 소자의 중심은 상기 제2 색상 센서 레이어가 이동된 방향이 아닌 제2 방향으로 상기 제3 광전변환 소자의 제2 방향 폭인 w2의 1/n(n은 자연수)배만큼 이동되어 배치되어 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어 각각의 물리적 화소가 평면적으로 서로 중첩되어 중첩된 부분이 유효 화소로 정의되며, 상기 유효 화소의 개수는 상기 물리적 화소의 개수보다 많으며, 상기 신호처리부는 상기 유효 화소 단위로 상기 전기신호를 처리하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 w1 및 상기 w2가 동일하고 상기 m 및 상기 n이 동일한 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 파장대역, 상기 제2 파장대역 및 상기 제3 파장대역은 각각 R(Red; 적), G(Green; 녹) 및 B(Blue; 청)로부터 선택된 한 가지 색상 파장대역인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 파장대역, 상기 제2 파장대역 및 상기 제3 파장대역은 각각 C(Cyan; 싸이언), M(Magenta; 마젠타) 및 Y(Yellow; 옐로우)로부터 선택된 한 가지 색상 파장대역인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어는 각각 R, G, B 색상을 감지하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어는 각각 C, Y, M 색상을 감지하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  8. 입사된 빛을 전기신호로 변환하여 출력하고 매트릭스(Matrix) 형태로 배열된 다수의 광전변환 소자(Unit Photoelectric Conversion Device)를 포함하는 제1 센서 레이어(Layer);
    상기 제1 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제1 센서 레이어 상에 배치되는 제2 센서 레이어;
    상기 제1 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제2 센서 레이어 상에 배치되는 제3 센서 레이어;
    상기 제1 센서 레이어, 상기 제2 센서 레이어 및 상기 제3 센서 레이어 각각의 광전변환 소자인 제1 광전변환 소자, 제2 광전변환 소자 및 제3 광전변환 소자와 전기적으로 연결되어 상기 제1 센서 레이어, 상기 제2 센서 레이어 및 상기 제3 센서 레이어로부터의 전기신호를 수신하여 디지털화하는 신호처리부; 및
    상기 제1 센서 레이어 및 상기 제2 센서 레이어 각각은 제1 파장대역 및 제2 파장대역을 투과시키는 제1 대역통과 필터층(Bandpass Filter Layer) 및 제2 대역통과 필터층
    을 포함하되, 상기 제2 센서 레이어는 상기 제1 센서 레이어를 기준으로 상부에 위치하나, 상기 제2 광전변환 소자의 중심은 상기 제1 센서 레이어가 적층되는 방향이 아닌 두 방향 중 선택된 한 방향인 제1 방향으로 상기 제2 광전변환 소자의 제1 방향 폭인 w1의 1/m(m은 자연수)배만큼 이동되어 배치되고, 상기 제3 센서 레이어는 상기 제2 센서 레이어를 기준으로 상부에 위치하나, 상기 제3 광전변환 소자의 중심은 상기 제2 센서 레이어가 이동된 방향이 아닌 제2 방향으로 상기 제3 광전변환 소자의 제2 방향 폭인 w2의 1/n(n은 자연수)배만큼 이동되어 배치되어 상기 제1 센서 레이어, 상기 제2 센서 레이어 및 상기 제3 센서 레이어 각각의 물리적 화소가 평면적으로 서로 중첩되어 중첩된 부분이 유효 화소로 정의되며, 상기 유효 화소의 개수는 상기 물리적 화소의 개수보다 많으며, 상기 신호처리부는 상기 유효 화소 단위로 상기 전기신호를 처리하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 파장대역은 사람의 눈이 인지하는 녹색과 적색 빛을 포함하는 파장대역이며, 상기 제2 파장대역은 사람의 눈이 인지하는 적색 파장대역인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 제3 센서 레이어 상에 반사 방지층(Anti-reflection Layer)이 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  13. 제1 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하고 매트릭스(Matrix) 형태로 배열된 다수의 광전변환 소자(Unit Photoelectric Conversion Device)를 포함하는 제1 색상 센서 레이어(Layer);
    상기 제1 색상 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제1 색상 센서 레이어 상에 배치되며 제2 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하여 출력하는 제2 색상 센서 레이어;
    상기 제1 색상 센서 레이어와 동일한 구조를 갖되, 상기 제2 색상 센서 레이어 상에 배치되며 제3 파장대역의 빛을 전기신호로 변환하여 출력하는 제3 색상 센서 레이어; 및
    상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어 각각의 광전변환 소자인 제1 광전변환 소자, 제2 광전변환 소자 및 제3 광전변환 소자와 전기적으로 연결되어 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어로부터의 전기신호를 수신하여 디지털화하는 신호처리부
    를 포함하되, 상기 제2 색상 센서 레이어는 상기 제1 색상 센서 레이어를 기준으로 상부에 위치하나, 상기 제2 광전변환 소자의 중심은 상기 제1 색상 센서 레이어가 적층되는 방향이 아닌 두 직교(Orthogonal) 방향 중 선택된 한 방향인 제1 직교 방향으로 상기 제2 광전변환 소자의 제1 직교 방향 폭인 w1의 1/m(m은 자연수)배만큼 이동되어 배치되고, 상기 제3 색상 센서 레이어는 상기 제 2 색상 센서 레이어를 기준으로 상부에 위치하나, 상기 제3 광전변환 소자의 중심은 상기 제2 색상 센서 레이어가 이동된 방향이 아닌 제2 직교 방향으로 상기 제3 광전변환 소자의 제2 직교 방향 폭인 w2의 1/n(n은 자연수)만큼 이동되어 배치되어 상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어 각각의 물리적 화소가 평면적으로 서로 중첩되어 중첩된 부분이 유효 화소로 정의되며, 상기 유효 화소의 개수는 상기 물리적 화소의 개수보다 많으며, 상기 신호처리부는 상기 유효 화소 단위로 상기 전기신호를 처리하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 파장대역, 상기 제2 파장대역 및 상기 제3 파장대역은 각각 R(Red; 적), G(Green; 녹) 및 B(Blue; 청)로부터 선택된 한 가지 색상 파장대역인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 파장대역, 상기 제2 파장대역 및 상기 제3 파장대역은 각각 C(Cyan; 싸이언), M(Magenta; 마젠타) 및 Y(Yellow; 옐로우)로부터 선택된 한 가지 색상 파장대역인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어는 각각 R, G, B 색상을 감지하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 색상 센서 레이어, 상기 제2 색상 센서 레이어 및 상기 제3 색상 센서 레이어는 각각 C, Y, M 색상을 감지하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  21. 제1 항 또는 제13 항에 있어서,
    상기 제3 색상 센서 레이어 상에 반사 방지층(Anti-reflection Layer)이 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
  22. 제1 항 또는 제13 항에 있어서,
    상기 제1 색상 센서 레이어와 상기 제2 색상 센서 레이어의 사이 및 상기 제2 색상 센서 레이어와 상기 제3 색상 센서 레이어의 사이에 반사 방지층이 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 이미지 센서.
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