KR102392711B1 - Color camera and method for acquiring color image thereof - Google Patents

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Abstract

복수의 픽셀이 어레이 형태로 배열되어 있는 컬러 카메라에서, 복수의 픽셀 중 적어도 일부의 픽셀은 각각 렌즈를 통해 입력되는 광 신호로부터 해당 컬러 신호만을 출력하는 컬러 필터, 상기 컬러 필터로부터 출력되는 컬러 신호를 전기적 신호로 변환하는 센서, 그리고 상기 컬러 필터의 상부에 위치하며 상기 광 신호로부터 상기 컬러 필터에 해당하는 컬러와 다른 컬러의 광 신호를 해당 컬러의 인접한 컬러 픽셀로 회절시키는 홀로그램 마스크를 포함한다. In a color camera in which a plurality of pixels are arranged in an array form, at least some of the plurality of pixels each receive a color filter that outputs only a corresponding color signal from an optical signal input through a lens, and a color signal output from the color filter. a sensor for converting an electrical signal, and a hologram mask positioned above the color filter and diffracting an optical signal of a color different from the color corresponding to the color filter from the optical signal to adjacent color pixels of the corresponding color.

Description

컬러 카메라 및 그의 컬러 영상 획득 방법{COLOR CAMERA AND METHOD FOR ACQUIRING COLOR IMAGE THEREOF}COLOR CAMERA AND METHOD FOR ACQUIRING COLOR IMAGE THEREOF

본 발명은 컬러 카메라 및 그의 컬러 영상 획득 방법에 관한 것으로, 특히 센서의 픽셀 크기를 증가시키지 않으면서 각 센서에 도달하는 빛의 양을 증가시킬 수 있는 컬러 카메라 및 그의 영상 획득 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a color camera and a color image acquisition method thereof, and more particularly, to a color camera capable of increasing the amount of light reaching each sensor without increasing the pixel size of the sensor and an image acquisition method thereof.

기존의 카메라는 입력되는 빛의 세기를 전기적 신호로 변환하여 영상을 획득한다. A conventional camera acquires an image by converting the intensity of input light into an electrical signal.

컬러 영상을 획득하기 위한 방법으로 베이어(Bayer) 방식의 마스크를 이용하는 방식이 가장 많이 이용된다. 이 경우, 각각의 광학 소자에 해당하는 센서 상에 형성된 컬러 필터가 각각 해당 색상만을 통과시킴으로써, 해당 픽셀에서의 광량을 특정 색상을 위한 값으로 이용하게 된다. 각 색상 별로 전체 픽셀의 1/4 또는 1/2에 해당하는 픽셀만이 실제 해당하는 색상 값을 가지게 되어 있으며, 나머지 색상이 없는 픽셀은 인접한 픽셀의 색상 채널로부터 보간(interpolation)을 통해 값을 채운다. 이 경우, 실제로 각 컬러 영상 입장에서 볼 때, 실제 전체 카메라로 들어오는 빛의 1/4 또는 1/2 만이 센서로 전달된다. 따라서 외부 조명이 어두운 환경의 경우, 영상의 화질이 열화 되거나, 노이즈가 심하게 발생되는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 센서 자체의 면적을 증가시켜 각 픽셀에서 수신되는 빛의 양을 늘리는 방법이 있으나, 카메라 자체가 커지는 문제 및 제작에 따른 비용적인 문제, 전력 소모 증가 등의 문제가 있을 수 있다. 또한 휴대용 카메라와 같은 소형화된 시스템에서는 적용이 어려운 문제가 있다.As a method for obtaining a color image, a method using a Bayer method is the most used. In this case, the color filter formed on the sensor corresponding to each optical element passes only the corresponding color, so that the amount of light from the corresponding pixel is used as a value for a specific color. For each color, only the pixels corresponding to 1/4 or 1/2 of the total pixels have the actual color value, and pixels without the remaining color fill the value through interpolation from the color channel of the adjacent pixel. . In this case, from the viewpoint of each color image, only 1/4 or 1/2 of the light that actually enters the entire camera is transmitted to the sensor. Therefore, in the case of an environment in which external lighting is dark, the image quality is deteriorated or noise is severely generated. In order to solve this problem, there is a method of increasing the amount of light received by each pixel by increasing the area of the sensor itself, but there may be problems such as an increase in the camera itself, a problem in manufacturing cost, and an increase in power consumption. . In addition, there is a problem in that it is difficult to apply in a miniaturized system such as a portable camera.

본 발명이 해결하려는 과제는 센서의 픽셀 크기를 증가시키지 않으면서 각 센서에 도달하는 빛의 양을 증가시킬 수 있는 컬러 카메라 및 그의 컬러 영상 획득 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a color camera capable of increasing the amount of light reaching each sensor without increasing the pixel size of the sensor and a method for acquiring a color image thereof.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 복수의 픽셀이 어레이 형태로 배열되어 있는 컬러 카메라가 제공된다. 컬러 카메라의 상기 복수의 픽셀 중 적어도 일부의 픽셀은 각각 렌즈를 통해 입력되는 광 신호로부터 해당 컬러 신호만을 출력하는 컬러 필터, 상기 컬러 필터로부터 출력되는 컬러 신호를 전기적 신호로 변환하는 센서, 그리고 상기 컬러 필터의 상부에 위치하며 상기 광 신호로부터 상기 컬러 필터에 해당하는 컬러와 다른 컬러의 광 신호를 해당 컬러의 인접한 컬러 픽셀로 회절시키는 홀로그램 마스크를 포함한다. According to one embodiment of the present invention, there is provided a color camera in which a plurality of pixels are arranged in an array form. At least some of the pixels of the color camera each have a color filter that outputs only a corresponding color signal from an optical signal input through a lens, a sensor that converts a color signal output from the color filter into an electrical signal, and the color and a hologram mask disposed on the filter and diffracting an optical signal of a color different from the color corresponding to the color filter from the optical signal to adjacent color pixels of the corresponding color.

상기 적어도 일부의 픽셀은 적색 필터, 녹색 필터 및 청색 필터로 구성되고, 상기 복수의 픽셀 중 나머지 일부의 픽셀은 적외선 영상을 획득하기 위한 적외선 픽셀일 수 있다. The at least some pixels may include a red filter, a green filter, and a blue filter, and the remaining pixels among the plurality of pixels may be infrared pixels for obtaining an infrared image.

상기 적어도 일부의 픽셀은 적색 필터, 녹색 필터 및 청색 필터가 1:2:1의 비율을 가지는 베이어 패턴으로 배열되어 있을 수 있다. The at least some pixels may be arranged in a Bayer pattern in which a red filter, a green filter, and a blue filter have a ratio of 1:2:1.

상기 적색 필터, 녹색 필터 및 청색 필터 상부에 각각 장착된 홀로그램 마스크는 적외선 성분을 회절시켜 상기 적외선 필터로 전달할 수 있다. A hologram mask mounted on the red filter, the green filter, and the blue filter, respectively, may diffract an infrared component and transmit it to the infrared filter.

상기 적어도 일부의 픽셀은 각각 상기 홀로그램 마스크와 상기 컬러 필터 사이에 광 신호의 전달을 위해 배치된 도파로를 더 포함할 수 있다.Each of the at least some pixels may further include a waveguide disposed to transmit an optical signal between the hologram mask and the color filter.

어느 하나의 픽셀의 홀로그램 마스크는 인접한 픽셀의 홀로그램 마스크와 상기 도파로를 사이에 두고 서로 다른 층에 위치할 수 있다. The hologram mask of one pixel may be located on different layers with the hologram mask of an adjacent pixel and the waveguide interposed therebetween.

상기 도파로의 상부에 위치한 홀로그램 마스크는 반사형이고, 상기 도파로의 하부에 위치한 홀로그램 마스크는 투과형일 수 있다. The hologram mask positioned above the waveguide may be of a reflective type, and the hologram mask positioned below the waveguide may be of a transmissive type.

상기 어느 하나의 픽셀의 홀로그램 마스크는 인접한 픽셀의 홀로그램 마스크와 다른 컬러의 파장을 회절시킬 수 있다. A hologram mask of one pixel may diffract a wavelength of a different color from that of a hologram mask of an adjacent pixel.

본 발명의 다른 한 실시 예에 따르면, 복수의 픽셀이 어레이 형태로 배열되어 있는 컬러 카메라의 컬러 영상 획득 방법이 제공된다. 컬러 영상 획득 방법은 각 픽셀의 홀로그램 마스크가, 입력되는 광 신호로부터 해당 픽셀의 컬러와 동일한 컬러의 광 신호를 투과시키고 다른 컬러의 광 신호를 해당 컬러의 인접한 픽셀로 회절시키는 단계, 상기 각 픽셀의 컬러 필터가, 상기 홀로그램 마스크로부터 전달 받은 해당 컬러의 신호만을 상기 각 픽셀의 센서로 출력하는 단계, 그리고 상기 각 픽셀의 센서가, 수신한 컬러의 신호를 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a color image acquisition method of a color camera in which a plurality of pixels are arranged in an array form. The color image acquisition method comprises the steps of: transmitting, by a hologram mask of each pixel, an optical signal having the same color as that of the corresponding pixel from an input optical signal and diffracting the optical signal of a different color to adjacent pixels of the corresponding color; outputting, by a color filter, only the signal of the corresponding color received from the hologram mask to the sensor of each pixel, and converting, by the sensor of each pixel, the signal of the received color into an electrical signal.

상기 각 픽셀은 상기 각 픽셀의 컬러 필터 상부에 형성되어 있는 도파로를 더 포함할 수 있다. Each of the pixels may further include a waveguide formed on the color filter of each pixel.

상기 도파로는 상기 각 픽셀의 컬러 필터와 상기 각 픽셀의 홀로그램 마스크 사이에 형성되어 있을 수 있다. The waveguide may be formed between the color filter of each pixel and the hologram mask of each pixel.

적어도 하나의 하나의 픽셀의 홀로그램 마스크는 인접한 픽셀의 홀로그램 마스크와 상기 도파로를 사이에 두고 서로 다른 층에 위치할 수 있다. The hologram mask of at least one pixel may be positioned on different layers with the hologram mask of an adjacent pixel and the waveguide interposed therebetween.

상기 어느 하나의 픽셀의 홀로그램 마스크는 인접한 픽셀의 홀로그램 마스크와 다른 컬러의 파장을 회절시킬 수 있다.A hologram mask of one pixel may diffract a wavelength of a different color from that of a hologram mask of an adjacent pixel.

본 발명의 실시 예에 의하면, 카메라의 센서의 픽셀 크기를 늘이지 않으면서 각 센서에 도달하는 빛의 양을 증가시켜 더 큰 구경을 가지는 효과를 가지도록 하며, 이를 통해 영상의 화질을 높일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the amount of light reaching each sensor is increased without increasing the pixel size of the sensor of the camera to have the effect of having a larger aperture, thereby increasing the image quality. .

도 1 및 도 2은 기존 컬러 카메라의 구조를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 컬러 카메라의 컬러 영상 표시 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 카메라의 구조를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 카메라에서의 빛의 전달 경로를 나타낸 도면이다.
도 6은 각 컬러 픽셀에 따라 서로 다른 홀로그램 마스크를 이용하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 각각 두 층의 서로 다른 홀로그램 마스크를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 컬러 카메라의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 컬러 카메라에서의 빛의 전달 경로를 나타낸 도면이다.
1 and 2 are diagrams for explaining the structure of a conventional color camera.
FIG. 3 is a view for explaining a color image display method of the color camera shown in FIG. 1 .
4 is a diagram schematically illustrating a structure of a color camera according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a light transmission path in a color camera according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating an example of using a different hologram mask according to each color pixel.
7 and 8 are views showing different hologram masks of two layers, respectively.
9 is a diagram illustrating a structure of a color camera according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a light transmission path in the color camera shown in FIG. 9 .

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification and claims, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 카메라 및 그의 컬러 영상 획득 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. Now, a color camera and a method for obtaining a color image thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1 및 도 2은 기존 컬러 카메라의 구조를 설명하는 도면이다. 1 and 2 are diagrams for explaining the structure of a conventional color camera.

도 1을 참고하면, 베이어 방식의 컬러 카메라는 센서층(10) 상에 컬러 필터층(20)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 1 , in the Bayer type color camera, the color filter layer 20 is formed on the sensor layer 10 .

컬러 필터층(20)은 컬러 필터들(21, 23, 25)이 베이어 패턴(Bayer Pattern)에 따라 배열되어 있는 컬러 필터 어레이를 포함한다. 컬러 필터들(21, 23, 25)은 예를 들면, 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)를 포함할 수 있다. 베이어 패턴은 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)가 1:2:1의 비율을 가지며, 적색 필터(R)와 청색 필터(B)가 대각선 방향으로 배치되고, 이와 교차되는 대각선 방향으로 두 개의 녹색 필터(G)들이 배치된다.The color filter layer 20 includes a color filter array in which the color filters 21 , 23 , and 25 are arranged according to a Bayer pattern. The color filters 21 , 23 , and 25 may include, for example, a red filter (R), a green filter (G), and a blue filter (B). In the Bayer pattern, the red filter (R), the green filter (G), and the blue filter (B) have a ratio of 1:2:1, and the red filter (R) and the blue filter (B) are arranged in a diagonal direction, and Two green filters (G) are disposed in a diagonal direction that intersects.

적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)는 각각 렌즈(도시하지 않음)를 통해 입력되는 광 신호를 필터링하여 각각의 컬러에 해당되는 파장을 갖는 컬러 신호들을 대응하는 센서(11, 13, 15)로 전달한다. The red filter (R), the green filter (G), and the blue filter (B) filter the optical signal input through a lens (not shown), respectively, and transmit color signals having a wavelength corresponding to each color to the sensor ( 11, 13, 15).

센서층(10)은 컬러 필터들(21, 23, 25)에 대응하여 형성된 센서들(11, 13, 15)을 포함할 수 있다. 각 센서(11, 13, 15)는 컬러 필터들(21, 23, 25)로부터 출력되는 컬러 신호를 전기적 신호로 변환한다. The sensor layer 10 may include sensors 11 , 13 , and 15 formed to correspond to the color filters 21 , 23 , and 25 . Each of the sensors 11 , 13 , and 15 converts a color signal output from the color filters 21 , 23 , and 25 into an electrical signal.

이때 하나의 컬러 필터와 하나의 센서가 하나의 컬러 픽셀을 형성할 수 있고, 하나의 컬러 픽셀은 해당 컬러에 관한 픽셀 이미지를 얻는 동작을 수행한다. 예를 들어, 적색 필터(R)와 이에 대응되는 센서(11)가 적색 픽셀을 형성하고, 적색 필터(R)와 이에 대응되는 센서(11)가 적색 픽셀을 형성하고, 녹색 필터(G)와 이에 대응되는 센서(13)가 녹색 픽셀을 형성하며, 청색 필터(B)와 이에 대응되는 센서(15)가 청색 픽셀을 형성한다. In this case, one color filter and one sensor may form one color pixel, and one color pixel performs an operation of obtaining a pixel image for a corresponding color. For example, a red filter (R) and a corresponding sensor 11 form a red pixel, a red filter (R) and a corresponding sensor 11 form a red pixel, and a green filter (G) and The corresponding sensor 13 forms a green pixel, and the blue filter B and the corresponding sensor 15 form a blue pixel.

도 3은 도 1에 도시된 컬러 카메라의 컬러 영상 표시 방법을 설명하는 도면이다. FIG. 3 is a view for explaining a color image display method of the color camera shown in FIG. 1 .

도 3을 참고하면, 기존 베이어 방식의 컬러 카메라는 컬러 별로 전체 픽셀의 1/4 또는 1/2에 해당하는 픽셀만이 실제 해당하는 컬러 값을 가지게 된다. 실제 적색이나 청색을 가지는 픽셀은 전체 픽셀의 1/4에 해당하고, 실제 녹색을 가지는 픽셀은 전체 픽셀의 1/2에 해당한다. Referring to FIG. 3 , in the existing Bayer type color camera, only pixels corresponding to 1/4 or 1/2 of all pixels for each color have actual color values. A pixel having an actual red or blue color corresponds to 1/4 of all pixels, and a pixel having an actual green color corresponds to 1/2 of all pixels.

이때 색상이 없는 나머지 픽셀은 인접한 픽셀의 해당 컬러 채널로부터 보간을 통해 컬러 값을 가지게 된다. In this case, the remaining pixels without color have color values through interpolation from the corresponding color channels of adjacent pixels.

이러한 베이어 방식의 컬러 카메라는 실제 카메라로 들어오는 빛의 1/4 또는 1/2만이 센서(11, 13, 15)로 전달이 되므로, 영상의 화질이 열화되거나, 노이즈가 심하게 발생될 수 있다. In such a Bayer type color camera, since only 1/4 or 1/2 of the light that actually enters the camera is transmitted to the sensors 11, 13, and 15, image quality may deteriorate or noise may be severely generated.

본 발명의 실시 예에 따르면, 센서의 픽셀 크기를 증가시키지 않으면서 각 센서에 도달하는 빛의 양을 증가시킬 수 있는 컬러 카메라를 제안한다. According to an embodiment of the present invention, a color camera capable of increasing the amount of light reaching each sensor without increasing the pixel size of the sensor is proposed.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 카메라의 구조를 간략하게 나타낸 도면이다. 4 is a diagram schematically illustrating a structure of a color camera according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 카메라는 센서들(111, 113, 115)을 포함하는 센서층 상에 컬러 필터들(121, 123, 125)을 포함하는 컬러 필터층이 형성되고, 컬러 필터층 상에 홀로그램 마스크(141, 145)가 형성된다. 그리고 홀로그램 마스크(141, 145)와 컬러 필터층 사이에 빛의 전달 경로를 위해 얇은 두께의 도파로(Wave Guide)(130)가 형성될 수 있다. 일반적으로, 녹색의 경우 파장이 넓게 작용하므로, 도 4에서는 적색 필터(R)와 청색 필터(B) 상에 홀로그램 마스크(141, 145)가 형성되는 것으로 도시하였지만, 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B) 하나의 이상의 컬러 필터 상에 홀로그램 마스크가 형성될 수 있다. 예를 들면, 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B) 상에 홀로그램 마스크가 형성될 수 있다. 컬러 필터층 상에 도파로 없이 홀로그램 마스크가 바로 형성될 수도 있고, 컬러 필터층 상에 도파로를 두고 그 위에 홀로그램 마스크가 형성될 수도 있다. 또한 컬러 필터층 상에 홀로그램 마스크 기능을 가지는 도파로가 형성될 수도 있다. Referring to FIG. 4 , in a color camera according to an embodiment of the present invention, a color filter layer including color filters 121 , 123 , and 125 is formed on a sensor layer including sensors 111 , 113 , and 115 , , hologram masks 141 and 145 are formed on the color filter layer. In addition, a thin waveguide 130 may be formed between the hologram masks 141 and 145 and the color filter layer for a light transmission path. In general, since green has a wide wavelength, FIG. 4 shows that the hologram masks 141 and 145 are formed on the red filter R and the blue filter B, but the red filter R and the green filter (G) and blue filter (B) A hologram mask may be formed on one or more color filters. For example, a hologram mask may be formed on the red filter (R), the green filter (G), and the blue filter (B). The hologram mask may be directly formed on the color filter layer without the waveguide, or the hologram mask may be formed on the color filter layer with the waveguide placed thereon. Also, a waveguide having a hologram mask function may be formed on the color filter layer.

홀로그램 마스크(141, 145)는 각각 대응하는 컬러 필터들(121, 125)의 컬러와 다른 컬러의 빛이 입사되면, 다른 컬러(예를 들면, 녹색)의 빛을 회절시켜 해당 컬러의 컬러 필터(예를 들면, 녹색 필터)로 전달한다. 이는 각 컬러 픽셀의 실효 면적을 넓이는 효과가 있다. When light of a color different from the color of the corresponding color filters 121 and 125 is incident, the hologram masks 141 and 145 diffract light of a different color (eg, green) to filter the color filter ( For example, a green filter). This has the effect of increasing the effective area of each color pixel.

즉, 홀로그램 마스크(141, 145)에 빛이 입사되면, 홀로그램 마스크(141, 145)의 파장 선택성에 따라 해당하는 컬러의 빛을 회절시키고, 회전될 빛은 회절 각도에 따라 해당하는 컬러 필터로 전달된다. 이때 선택되지 않은 컬러의 파장은 그대 홀로그램 마스크(141, 145)를 그대로 투과하여 대응하는 컬러 필터로 전달된다.That is, when light is incident on the hologram masks 141 and 145 , the light of the corresponding color is diffracted according to the wavelength selectivity of the hologram masks 141 and 145 , and the light to be rotated is transmitted to the corresponding color filter according to the diffraction angle. do. At this time, the wavelength of the unselected color passes through the hologram masks 141 and 145 as it is and is transmitted to the corresponding color filter.

이러한 홀로그램 마스크(141, 145)는 일반적인 DOE(Diffractive Optic Elements)나 HOE(Holographic Optic Elements)와 같은 회절격자(Diffractive Grating)소자를 이용하여 제작될 수 있다. The hologram masks 141 and 145 may be manufactured using a diffraction grating device such as a general DOE (Diffractive Optic Elements) or HOE (Holographic Optic Elements).

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 카메라에서의 빛의 전달 경로를 나타낸 도면이다. 5 is a diagram illustrating a light transmission path in a color camera according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참고하면, 적색 필터(R)와 청색 필터(B) 상에 형성된 홀로그램 마스크(141, 145)는 파장 선택성에 따라 녹색의 빛을 회절시켜 녹색 필터(G)로 전달할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the hologram masks 141 and 145 formed on the red filter R and the blue filter B may transmit green light to the green filter G by diffracting the green light according to wavelength selectivity.

한편, 기존 베이어 방식의 컬러 카메라의 경우, 각 컬러 필터에서는 다른 컬러 신호를 차단함으로써, 다른 컬러 신호가 센서로 전달되지 않는다. On the other hand, in the case of the existing Bayer type color camera, each color filter blocks other color signals, so that other color signals are not transmitted to the sensor.

이와 같이, 홀로그램 마스크(141, 145)를 사용하게 되면, 점선으로 나타낸 바와 같이 픽셀 크기를 증가시키지 않고도 녹색 픽셀의 실효 면적이 넓어지게 된다. As such, when the hologram masks 141 and 145 are used, the effective area of the green pixel is increased without increasing the pixel size as indicated by the dotted line.

홀로그램 마스크(141, 145)에서의 회절 각도 및 도파로(130)의 두께에 따라 센서(111, 113)에 전달되는 광의 효율이 달라지게 된다. 홀로그램 마스크(141, 145)의 회절 각도의 경우, 1차 회절광만 이용한다고 가정할 때 수학식 1이 정의될 수 있다.The efficiency of light transmitted to the sensors 111 and 113 varies according to the diffraction angle of the hologram masks 141 and 145 and the thickness of the waveguide 130 . In the case of the diffraction angles of the hologram masks 141 and 145, Equation 1 may be defined on the assumption that only the first-order diffracted light is used.

Figure 112017127910046-pat00001
Figure 112017127910046-pat00001

여기서, θ는 홀로그램 마스크의 회절 각도를 나타내고, λ는 빛의 파장을 나타내며, d는 회절 격자의 간격을 나타낸다.Here, θ represents the diffraction angle of the hologram mask, λ represents the wavelength of light, and d represents the spacing between the diffraction gratings.

수학식 1에 따르면, 회절 각도(θ) 및 파장(λ)에 따라 회절 격자의 간격(d)이 결정된다. According to Equation 1, the spacing d of the diffraction grating is determined according to the diffraction angle θ and the wavelength λ.

도 6은 각 컬러 픽셀에 따라 서로 다른 홀로그램 마스크를 이용하는 일 예를 나타낸 도면이다. 6 is a diagram illustrating an example of using a different hologram mask according to each color pixel.

도 6에 도시한 바와 같이, 녹색 필터(G) 상에도 홀로그램 마스크(143)가 형성될 수 있다. 이때 홀로그램 마스크(143)는 홀로그램 마스크(41, 145)와 달리 적색의 빛을 회절시켜 인접한 적색 필터(R)에 전달한다. As shown in FIG. 6 , a hologram mask 143 may be formed on the green filter G as well. At this time, unlike the hologram masks 41 and 145 , the hologram mask 143 diffracts red light and transmits it to the adjacent red filter R.

예를 들어, 적색 픽셀 및 청색 픽셀에 해당하는 홀로그램 마스크(141, 145)는 녹색의 빛만을 회절시켜 인접한 녹색 픽셀의 녹색 필터(123)로 전달하고, 녹색 픽셀에 해당하는 홀로그램 마스크(143)는 적색의 빛만을 회절시켜 인접한 적색 픽셀의 적색 필터(121)로 전달한다. For example, the hologram masks 141 and 145 corresponding to the red pixel and the blue pixel diffract only green light and transmit it to the green filter 123 of the adjacent green pixel, and the hologram mask 143 corresponding to the green pixel is Only red light is diffracted and transmitted to the red filter 121 of the adjacent red pixel.

또한 도파로(130)의 두께를 줄이고, 픽셀의 실효 면적을 증가시키기 위해 두 층 이상의 홀로그램 마스크가 이용될 수도 있다. In addition, in order to reduce the thickness of the waveguide 130 and increase the effective area of the pixel, a hologram mask of two or more layers may be used.

도 7 및 도 8은 각각 두 층의 서로 다른 홀로그램 마스크를 나타낸 도면이다. 7 and 8 are views showing different hologram masks of two layers, respectively.

도 7 및 도 8을 참고하면, 서로 다른 홀로그램 마스크(141, 145/143')가 도파로(130)를 사이에 두고 서로 다른 층에 위치할 수 있다. 7 and 8 , different hologram masks 141 and 145/143 ′ may be positioned on different layers with the waveguide 130 interposed therebetween.

적색 픽셀 및 청색 픽셀에 해당하는 1차 홀로그램 마스크(141, 145)가 녹색의 빛만을 회절시켜 인접한 녹색 픽셀의 녹색 필터(123)로 전달한다고 가정한다. 녹색 픽셀에 해당하는 홀로그램 마스크(143', 143)는 제작 방식에 따라녹색의 빛만을 투과시킬 수 있고, 녹색의 빛만을 투과시키고 다른 색상의 빛은 다른 방향으로 반사시킬 수도 있다. It is assumed that the primary hologram masks 141 and 145 corresponding to the red pixel and the blue pixel diffract only green light and transmit it to the green filter 123 of the adjacent green pixel. The hologram masks 143 ′ and 143 corresponding to green pixels may transmit only green light, transmit only green light, and reflect light of other colors in different directions, depending on a manufacturing method.

이때, 홀로그램 마스크(141, 145/143')가 투과형 홀로그램 마스크인 경우, 도 7에 도시한 바와 같이 적색 픽셀 및 청색 픽셀에 해당하는 1차 홀로그램 마스크(141, 145)는 도파로(130)의 상부에 위치하고, 녹색 픽셀에 해당하는 2차 홀로그램 마스크(143')는 도파로(130)의 하부에 위치할 수 있다.In this case, when the hologram masks 141 and 145/143 ′ are transmissive hologram masks, the primary hologram masks 141 and 145 corresponding to the red pixel and the blue pixel are disposed above the waveguide 130 as shown in FIG. 7 . The secondary hologram mask 143 ′ corresponding to the green pixel may be positioned below the waveguide 130 .

한편, 홀로그램 마스크(141, 145/143')가 반사형 홀로그램 마스크인 경우, 도 8에 도시한 바와 같이 적색 픽셀 및 청색 픽셀에 해당하는 1차 홀로그램 마스크(141, 145)는 도파로(130)의 하부에 위치하고, 녹색 픽셀에 해당하는 2차 홀로그램 마스크(143')는 도파로(130)의 상부에 위치할 수 있다.On the other hand, when the hologram masks 141 and 145/143' are reflective hologram masks, as shown in FIG. 8 , the primary hologram masks 141 and 145 corresponding to the red pixels and blue pixels are of the waveguide 130 . The secondary hologram mask 143 ′ located at the lower portion and corresponding to the green pixel may be located above the waveguide 130 .

이때 1차 홀로그램 마스크(141, 145)는 각 컬러의 빛을 도파로(130)의 전반사 조건에 맞춰 회절시키고, 도파로(130)를 따라서 반사된 빛은 2차 홀로그램 마스크(143)에서 방향이 전환되어 해당 컬러 픽셀로 전달된다. At this time, the primary hologram masks 141 and 145 diffract light of each color according to the total reflection condition of the waveguide 130, and the direction of the reflected light along the waveguide 130 is changed in the secondary hologram mask 143, It is passed to the corresponding color pixel.

도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 컬러 카메라의 구조를 나타낸 도면이고, 도 10은 도 9에 도시된 컬러 카메라에서의 빛의 전달 경로를 나타낸 도면이다.9 is a diagram illustrating a structure of a color camera according to another embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a diagram illustrating a light transmission path in the color camera illustrated in FIG. 9 .

도 9에 도시된 카메라는 RGB-IR(Infrared Ray) 카메라로서, 베어어 방식의 컬러 카메라에서 하나의 녹색 픽셀을 IR 픽셀로 변경하여 구성된다. IR 픽셀은 렌즈(도시하지 않음)를 통해 입력되는 광 신호 중 IR 신호만을 필터링하여 출력하는 IR 필터와 IR 필터를 통과한 IR 신호를 전기적 신호로 변환하는 IR 센서로 구성될 수 있다.The camera shown in FIG. 9 is an RGB-IR (Infrared Ray) camera, and is configured by changing one green pixel to an IR pixel in a bare-type color camera. The IR pixel may be composed of an IR filter that filters and outputs only an IR signal among optical signals input through a lens (not shown), and an IR sensor that converts an IR signal passing through the IR filter into an electrical signal.

이러한 RGB-IR 카메라에서는 적색 픽셀, 녹색 픽셀 및 청색 픽셀을 통해 가시광 영상을 획득하고, IR 픽셀을 통해 적외선 영상을 획득한다. 즉, 적색 픽셀, 녹색 픽셀, 청색 필터 및 적외선 픽셀의 조합으로 RGB-IR 카메라를 구성하게 된다. In such an RGB-IR camera, a visible light image is obtained through a red pixel, a green pixel, and a blue pixel, and an infrared image is obtained through an IR pixel. That is, the RGB-IR camera is composed of a combination of a red pixel, a green pixel, a blue filter, and an infrared pixel.

도 10을 참고하면, RGB-IR 카메라에서도 적색 픽셀, 녹색 픽셀 및 청색 픽셀에 홀로그램 마스크를 장착함으로써, 적색 픽셀, 녹색 픽셀 및 청색 픽셀의 홀로그램 마스크에서 적외선 성분을 회절시켜 IR 센서에 모이도록 할 수 있다. 이렇게 하면, IR 영상에 대한 광 효율을 높일 수 있고, 이를 통해서 적외선 영상에서 문제가 되는 노이즈를 줄일 수 있다. Referring to FIG. 10 , even in the RGB-IR camera, by mounting a hologram mask on a red pixel, a green pixel, and a blue pixel, the infrared component from the hologram mask of the red pixel, the green pixel, and the blue pixel can be diffracted and collected in the IR sensor. there is. In this way, it is possible to increase the optical efficiency of the IR image, thereby reducing noise, which is a problem in the infrared image.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다. Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also provided. is within the scope of the right.

Claims (13)

복수의 픽셀이 어레이 형태로 배열되어 있는 컬러 카메라로서,
상기 복수의 픽셀 중 적어도 일부의 픽셀은 각각
렌즈를 통해 입력되는 광 신호로부터 해당 컬러 신호만을 출력하는 컬러 필터,
상기 컬러 필터로부터 출력되는 컬러 신호를 전기적 신호로 변환하는 센서,
상기 컬러 필터의 상부에 위치하며 상기 광 신호로부터 상기 컬러 필터에 해당하는 컬러와 다른 컬러의 광 신호를 인접한 컬러 필터로 회절시키는 홀로그램 마스크, 그리고
상기 컬러 필터 상에 배치되는 도파로
를 포함하고,
상기 적어도 일부의 픽셀 중 어느 하나의 픽셀의 홀로그램 마스크는 상기 도파로의 상부에 위치하고, 상기 어느 하나의 픽셀과 인접한 픽셀의 홀로그램 마스크는 상기 도파로의 하부에 위치하는 컬러 카메라.
A color camera in which a plurality of pixels are arranged in an array form,
At least some of the pixels among the plurality of pixels are each
A color filter that outputs only the corresponding color signal from the optical signal input through the lens;
a sensor for converting a color signal output from the color filter into an electrical signal;
a hologram mask positioned above the color filter and diffracting an optical signal of a color different from the color corresponding to the color filter from the optical signal to an adjacent color filter; and
a waveguide disposed on the color filter
including,
A hologram mask of any one pixel among the at least some pixels is located above the waveguide, and a hologram mask of a pixel adjacent to the at least one pixel is located below the waveguide.
제1항에서,
상기 적어도 일부의 픽셀은 적색 필터, 녹색 필터 및 청색 필터로 구성되고, 상기 복수의 픽셀 중 나머지 일부의 픽셀은 적외선 영상을 획득하기 위한 적외선 픽셀인 컬러 카메라.
In claim 1,
The at least some pixels include a red filter, a green filter, and a blue filter, and the remaining pixels of the plurality of pixels are infrared pixels for obtaining an infrared image.
제1항에서,
상기 적어도 일부의 픽셀은 적색 필터, 녹색 필터 및 청색 필터가 1:2:1의 비율을 가지는 베이어 패턴으로 배열되어 있는 컬러 카메라.
In claim 1,
wherein the at least some pixels are arranged in a Bayer pattern in which a red filter, a green filter, and a blue filter have a ratio of 1:2:1.
제2항에서,
상기 적색 필터, 녹색 필터 및 청색 필터 상부에 각각 장착된 홀로그램 마스크는 적외선 성분을 회절시켜 상기 적외선 픽셀로 전달하는 컬러 카메라.
In claim 2,
The hologram mask mounted on the red filter, the green filter, and the blue filter, respectively, diffracts the infrared component and transmits it to the infrared pixel.
삭제delete 삭제delete 제1항에서,
상기 도파로의 상부에 위치한 홀로그램 마스크는 반사형이고, 상기 도파로의 하부에 위치한 홀로그램 마스크는 투과형인 컬러 카메라.
In claim 1,
The hologram mask positioned above the waveguide is a reflective type, and the hologram mask located below the waveguide is a transmissive type color camera.
제1항에서,
상기 어느 하나의 픽셀의 홀로그램 마스크는 상기 인접한 픽셀의 홀로그램 마스크와 다른 컬러의 파장을 회절시키는 컬러 카메라.
In claim 1,
The hologram mask of any one pixel diffracts a wavelength of a different color from that of the hologram mask of the adjacent pixel.
복수의 픽셀이 어레이 형태로 배열되어 있는 컬러 카메라의 컬러 영상 획득 방법으로서,
각 픽셀의 홀로그램 마스크가, 입력되는 광 신호로부터 해당 픽셀의 컬러와 동일한 컬러의 광 신호를 투과시키고 다른 컬러의 광 신호를 인접한 픽셀로 회절시키는 단계,
상기 각 픽셀의 컬러 필터가, 상기 홀로그램 마스크로부터 전달 받은 해당 컬러의 신호만을 상기 각 픽셀의 센서로 출력하는 단계, 그리고
상기 각 픽셀의 센서가, 수신한 컬러의 신호를 전기적 신호로 변환하는 단계
를 포함하고,
상기 각 픽셀은 상기 각 픽셀의 컬러 필터 상부에 형성되어 있는 도파로를 더 포함하며,
상기 복수의 픽셀 중 일부 픽셀의 홀로그램 마스크는 상기 도파로의 상부에 위치하고, 상기 일부 픽셀과 인접한 픽셀의 홀로그램 마스크는 상기 도파로의 하부에 위치하는 컬러 영상 획득 방법.
A method for obtaining a color image of a color camera in which a plurality of pixels are arranged in an array, comprising:
The hologram mask of each pixel transmits an optical signal of the same color as the color of the corresponding pixel from the input optical signal and diffracts the optical signal of a different color to adjacent pixels;
outputting, by the color filter of each pixel, only the signal of the corresponding color received from the hologram mask to the sensor of each pixel; and
converting, by the sensor of each pixel, the received color signal into an electrical signal
including,
Each pixel further includes a waveguide formed above the color filter of each pixel,
A hologram mask of some pixels among the plurality of pixels is located above the waveguide, and a hologram mask of pixels adjacent to the some pixels is located below the waveguide.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제9항에서,
상기 일부 픽셀의 홀로그램 마스크는 상기 인접한 픽셀의 홀로그램 마스크와 다른 컬러의 파장을 회절시키는 컬러 영상 획득 방법.
In claim 9,
The hologram mask of the partial pixel diffracts a wavelength of a color different from that of the hologram mask of the adjacent pixel.
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