KR20030087471A - 씨모스이미지센서 및 이를 사용한 카메라 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 평면적으로 수광소자를 충분히 덮도록 마이크로렌즈가 설계되되, 수광소자의 중심축과 마이크로렌즈의 중심축은 픽셀어레이의 최중앙 픽셀의 수광소자에서만 일직선 상에 놓이게 되고, 외곽으로 벗어난 픽셀일수록 일직선상에 놓이지 않는다. 즉, 외곽 픽셀로 갈수록 마이크로렌즈와 수광소자는 상호 중심축이 점차 벌어지는 구조를 가지게 되고, 이때 마이크로렌즈의 중심축이 수광소자의 중심축에 비해 최중앙 픽셀 방향에 놓이는 형상을 갖는다. 따라서, 카메라모듈이 소형화되어 광학계 렌즈와 CMOS이미지센서칩 사이의 거리가 짧아져서 광학계 렌즈로부터 CMOS이미지센서칩의 외곽 픽셀에 입사각이 큰 빛이 전달되더라도, 중심에서 비켜난 구조의 마이크로렌에 의해 최외각 픽셀의 수광소자에서는 충분한 광량을 전달받을 수 있다.

Description

씨모스이미지센서 및 이를 사용한 카메라 장치{CMOS image sensor and camera system using the same}
본 발명은 CMOS 이미지센서(image sensor) 및 이를 사용한 카메라(camera) 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. CMOS 이미지센서는 저저력 소비라는 큰 장점을 가지고 있기 때문에 휴대폰 등 개인휴대용 시스템에 매우 유용하게 사용될 수 있으며, 도트 코드 인식을 위한 카메라 등에도 널리 이용되고 있다.
도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 단면도로서, 픽셀(pixel) 어레이(array) 부분을 간단히 도시하고 있다,
도 1을 참조하면, 반도체기판(101)에 포토다이오드(PD) 및 트랜지스터 등에 의해 픽셀을 구성하는 소자들과 금속배선이 형성된 다음, 그 상부에 패시베이션층(passivation, 102)이 형성된다. 패시베이션층(102) 상에는 예컨대 레드(R), 그린(G), 블루(B)와 같은 칼라필터어레이(color filter array)(104)가 형성되고, 그 상부에 칼라필터어레이(104)에 의해 발생된 단차를 평탄화시키고 초점거리를 조절하기 위한 OCL층(over coating layer)(106)이 형성된다. OCL층(106) 상에는 각 픽셀의 포토다이오드(PD)에 대응되도록 집광을 위한 마이크로렌즈(microlens)(108)가 형성된다. 칼라필터어레이(104), OCL층(106) 및 마이크로렌즈(108)의 재질로는 빛을 통과시키기 위한 투광 재질의 포토레지스트가 사용되는 것이 통상적인다.
상기한 구조의 CMOS 이미지센서를 휴대폰 및 코드인식 등에 사용하기 위해서는 인쇄회로기판(PCB) 상에 CMOS 이미지센서 칩을 로딩한 다음, 광학계 렌즈를 형성하여 카메라 모듈을 형성하여야 한다.
도 2는 통상적인 카메라 모듈을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 카메라 모듈은 인쇄회로기판(220) 상에 CMOS 이미지센서 칩(240)이 로딩되고, 그 상부에 일정거리 이격되어 광학계 렌즈(260)가 형성된다. 광학계 렌즈(260)는 CMOS 이미지센서 칩(240) 또는 인쇄회로기판(220)에 지지되어 형성되는 것이 통상적인 바, 이러한 지지 구조 등은 생략되어 있다. 설명의 편의를 위하여 CMOS 이미지센서 칩(240)에는 각 필셀의 수광부인 포토다이오드(242)와 마이크로렌즈(244)만을 도시하였다.
포토다이오드(242)와 마이크로렌즈(244) 사이의 상호 위치 관계를 언급하면, 평면적으로 포토다이오드(242)를 충분히 덮도록 마이크로렌즈(244)가 설계되며, 포토다이오드(242)의 중심축과 마이크로렌즈(244)의 중심축은 일직선 상에 놓이게 되고, 칩의 중심 및 외곽 에지의 각 마이크로렌즈(244a, 244b)는 사이즈가 균일하다.
한편, 휴대폰 등에 상기한 카메라모듈을 적용하기 위해서는 휴대폰의 경소단박에 대응되어 광학계 렌즈(260)와 CMOS 이미지센서 칩(240)간의 거리(도 2의 D)가 짧아져야 한다.
그런데, 소형화에 따라 광학계 렌즈(260)와 CMOS 이미지센서 칩(240)간의 거리(도 2의 D)가 짧아지게 되면, 도2에 도시된 바와 같이 CMOS 이미지센서 칩(240)의 외곽으로 벗어날수록 광학계 렌즈(260)로부터 입사되는 빛의 입사각(θ)는 커지고, 예컨대 픽셀어레이의 최외곽 마이크로렌즈(240)에 의해 집광된 빛의 광축 중심은 포토다이오드(242) 밖으로 빗나간다.
결국, 픽셀 어레이 중앙에서 벗어난 외곽 픽셀로 갈수록 그 픽셀의 수광부(포토다이오드)에서 입사받는 광량이 점차 적어지게 되고, 이는 화면에서 중심대비 주변 에지지부분이 현격히 어두워지는 현상이 발생하게 된다.
통상적으로, 광학시스템 제조사는 주변밝기가 중심대비 50∼60% 이상되기를 원하고 있는 바, 이를 만족하기 위하여서는 비록 카메라가 소형화되어 광학계 렌즈와 CMOS이미지센서 칩 사이의 거리가 짧아지더라도 외곽 픽셀에 대한 광량 확보 문제를 필히 해결하여야만 한다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 카메라 모듈의 소형화와 함께 외곽 픽셀에서의 광량 감소 문제를 함께 해결할 수 있는 CMOS이미지센서 및 이를 사용한 카메라 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 단면도.
도 2는 통상적인 카메라 모듈의 단면도.
도 3은 본 발명의 CMOS 이미지센서 칩과 그를 탑재한 카메라 모듈을 보여주는 개념도,
도 4a는 최중앙 픽셀의 수광소자와 마이크로렌즈 간의 상호 위치관계를 도시한 도면,
도 4b는 최중앙 픽셀과 인접한 픽셀에 대한 수광소자)와 마이크로렌즈 간의 상호 위치관계를 도시한 도면,
도 4c는 최외곽 픽셀의 수광소자와 마이크로렌즈 간의 상호 위치관계를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 수광소자 및 마이크로렌즈의 어레이 상태를 보여주는 평면도.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMOS 이미지센서는, 단위 픽셀 당 상호 오버랩된 수광소자와 마이크로렌즈를 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 어레이의 최중앙 픽셀의 수광소자와 마이크로렌즈는 가상의 중심축이 실질적으로 일직선상에서 상호 일치하고, 상기 최중앙 픽셀에서 외곽으로 벗어날수록 점차 수광소자와 마이크로렌즈의 가상의 중심축이 상호 간격차가 커지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 카메라장치는, 광학계 렌즈; 및 상기 광학계 렌즈를 통과한 빛을 전달받아 전기적신호를 생성하는 CMOS 이미지센서 칩을 포함하며, 상기 CMOS 이미지센서 칩은, 단위 픽셀 당 적어도 하나의 수광소자와 마이크로렌즈를 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 어레이의 최중앙 픽셀의 수광소자와 마이크로렌즈는 가상의 중심축이 실질적으로 일직선상에서 상호 일치하고, 상기 최중앙 픽셀에서 외곽으로 벗어날수록 점차 수광소자와 마이크로렌즈의 가상의 중심축이 상호 간격차가 커지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 CMOS 이미지센서 칩과 그를 탑재한 카메라 모듈을 보여준다.
종래와 동일하게 카메라 모듈은 인쇄회로기판(320) 상에 에폭시등에 의해 접착되어 로딩된 CMOS 이미지센서 칩(340)과, 그 상부에 일정거리 이격되어 형성된 광학계 렌즈(360)를 포함하게 된다. 광학계 렌즈(360)는 CMOS 이미지센서 칩(340) 또는 인쇄회로기판(320)에 지지되어 형성되는 것이 통상적인 바, 이러한 지지 구조 등은 생략되어 있다. 그리고 설명의 편의를 위하여 CMOS 이미지센서 칩(340) 역시 각 필셀의 수광소자(342)와 마이크로렌즈(244)만을 도시하였다.
본 발명은 수광소자(242)와 마이크로렌즈(244) 사이의 상호 위치 관계가 종래기술과 상이한 바, 평면적으로 수광소자(342)를 충분히 덮도록 마이크로렌즈(344)가 설계되되, 수광소자(342)의 중심축과 마이크로렌즈(344)의 중심축은 픽셀어레이의 최중앙 픽셀의 수광소자에서만 일직선 상에 놓이게 되고, 외곽으로 벗어난 픽셀일수록 일직선상에 놓이지 않는다. 즉, 외곽 픽셀로 갈수록 마이크로렌즈와 수광소자는 상호 중심축이 점차 벌어지는 구조를 가지게 되고, 이때 마이크로렌즈의 중심축이 수광소자의 중심축에 비해 최중앙 픽셀 방향에 놓이는 형상을 갖는다.
따라서, 카메라모듈이 소형화되어 광학계 렌즈와 CMOS이미지센서칩 사이의 거리(D)가 짧아져서 광학계 렌즈(360)로부터 CMOS이미지센서칩(340)의 외곽 픽셀에 입사각(θ)이 큰 빛이 전달되더라도, 중심에서 비켜난 구조의 마이크로렌(344c)에 의해 최외각 픽셀의 수광소자(342c)에서는 충분한 광량을 전달받을 수 있다.
도 4a는 최중앙 픽셀의 수광소자(342a)와 마이크로렌즈(344a) 간의 상호 위치관계를 도시한 것이고, 도 4b는 최중앙 픽셀과 인접한 픽셀에 대한수광소자(342b)와 마이크로렌즈(344b) 간의 상호 위치관계를 도시한 것이며, 도 4c는 최외곽 에지쪽의 픽셀의 수광소자(342c)와 마이크로렌즈(344c) 간의 상호 위치관계를 보다 상세히 도시한 것이다.
도 4a를 참조하면 최중앙 픽셀의 수광소자(342a)의 가상의 수직 중심축(B)와 그에 대응하는 마이크로렌즈(344a)의 가상의 수직 중심축(A)은 실질적으로 일치되어 일직선상에 놓이게 된다.
도 4b를 참조하면 수광소자(342b)의 중심축(B)와 그에 대응하는 마이크로렌즈(344b)의 가상의 수직 중심축(A)은 일치되지 않고 간격 d를 가지고 있다. 이때 마이크로렌즈(344b)의 가상의 수직 중심축(A)이 중앙 픽셀 부분 방향에 놓이게 된다.
도 4c를 참조하면, 최외곽 픽셀의 수광소자(342c)의 중심축(B)와 그에 대응하는 마이크로렌즈(344c)의 가상의 수직 중심축(A)은 일치되지 않고 간격 d'를 가지고 있다. 물론 간격 d'는 간격 d 보다 크다.
도 5는 10×10 픽셀어레이를 갖는 센서를 가상하여 수광소자(342) 및 마이크로렌즈(344)가 오버랩된 상태의 평면도를 도시하고 있다. 통상적으로, 수광소자 및 마이크로렌즈는 어레이된 픽셀의 개수만큼 형성되며, 예컨대 CiF급 센서인 경우 352×288 개수 만큼 형성되고, VGA급 센서인 경우 640×640 개수만큼 형성된다.
도 5를 참조하면, 종래와는 다르게 중심에서 외곽 에지로 벗어날수록 수광소자(342)의 중심에서 마이크로렌즈(344)가 비켜 놓이는 구조를 갖고 있음을 알 수 있다. 그리고, 평면상으로 수광소자(342)의 사이즈 보다 상기 마이크로렌즈(344)의사이즈가 더 커서 마이크로렌즈(344)가 수광소자(342)를 충분히 덮는 구조를 가지며, 어레인된 모든 수광소자(342)들은 그 사이즈가 균일하고, 마이크로렌즈(344) 역시 균일한 사이즈를 갖고 있다. 최외곽 에지의 픽셀이라 하더라도 마이크로렌즈(344)는 수광소자(342)를 충분히 덮는 구조를 갖는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 설계 구조는, 기존의 설계 방식을 가져가되 예컨대 0.005㎛ 만큼 마이크로렌즈의 사이즈를 줄이거나, 또는 수광소자(포토다이오드)의 사이즈를 늘리는 것에 의해 가능하게 된다. 실직적으로 CMOS 이미지센서 제조상 포토다이오드의 사이즈를 조정하는 것은 많은 제약이 따르는 바, 마이크로렌즈의 사이즈를 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 CMOS이미지센서는 카메라모듈이 소형화되어 광학계 렌즈와 CMOS이미지센서칩 사이의 거리(D)가 짧아져서 광학계 렌즈로부터 CMOS이미지센서칩의 외곽 픽셀에 입사각(θ)이 큰 빛이 전달되더라도, 중심에서 비켜난 구조의 마이크로렌에 의해 최외각 픽셀의 수광소자에서는 충분한 광량을 전달받을 수 있다. 이에 따라 중심대비 주변밝기가 양호한 카메라모듈의 제공이 가능하다.

Claims (5)

  1. CMOS 이미지센서에 있어서,
    단위 픽셀 당 상호 오버랩된 수광소자와 마이크로렌즈를 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며,
    상기 픽셀 어레이의 최중앙 픽셀의 수광소자와 마이크로렌즈는 각 가상의 중심축이 실질적으로 일직선상에서 상호 일치하고, 상기 최중앙 픽셀에서 외곽으로 벗어날수록 점차 수광소자와 마이크로렌즈의 각 가상의 중심축이 상호 간격차가 커지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    평면상으로 상기 수광소자의 사이즈 보다 상기 마이크로렌즈의 사이즈가 더 커서 상기 마이크로렌즈가 상기 수광소자를 충분히 덮는 것은 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이의 모든 픽셀들의 수광소자들이 균일한 사이즈를 같는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이의 모든 픽셀들의 마이크로렌즈들이 균일한 사이즈를 같는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  5. 카메라장치에 있어서,
    광학계 렌즈; 및
    상기 광학계 렌즈를 통과한 빛을 전달받아 전기적신호를 생성하는 CMOS 이미지센서 칩을 포함하며,
    상기 CMOS 이미지센서 칩은,
    단위 픽셀 당 적어도 하나의 수광소자와 마이크로렌즈를 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 어레이의 최중앙 픽셀의 수광소자와 마이크로렌즈는 가상의 중심축이 실질적으로 일직선상에서 상호 일치하고, 상기 최중앙 픽셀에서 외곽으로 벗어날수록 점차 수광소자와 마이크로렌즈의 가상의 중심축이 상호 간격차가 커지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
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