KR20070074902A - 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

분해능을 향상시킬 수 있는 이미지 센서에 있어서, 제1 라인 스캔 어레이들은 홀수열 상에 일정한 간격으로 배열된 제1 픽셀들로 이루어진다. 제2 라인 스캔 어레이들은 짝수열 상에 위치하고, 상기 각 제1 라인 스캔 어레이 내의 제1 픽셀들 사이의 갭과 각각 대응하도록 배치되는 제2 픽셀들로 이루어진다. 따라서, 제1 라인 스캔 어레이의 제1 픽셀들 사이의 갭을 통과하는 피사체의 광이 상기 제2 픽셀에 의해 감지됨으로써 이미지 센서의 피사체 분해능이 크게 향상될 수 있다.

Description

이미지 센서{Image sensor}

도 1은 종래 기술에 따른 TDI 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 3은 도 2에 도시된 TDI 이미지 센서의 A 부위를 확대하여 나타낸 개략적인 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : TDI 이미지 센서 110 : 제1 라인 스캔 어레이

112 : 제1 픽셀(pixel) 114 : 제1 광(light)

116 : 제1 패스(path) 120 : 제2 라인 스캔 어레이

122 : 제2 픽셀 124 : 제2 광

126 : 제2 패스 G1 : 제1 갭

G2 : 제2 갭

본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, TDI 라인 스캔(time delay integration line scan) 방식을 이용하는 이미지 센서에 관한 것이다.

최근, 생산 설비가 대량화, 자동화 및 정밀화됨에 따라 사람의 육안 또는 각종 센서에 의존하던 기능이 점차 이미지 센서를 채용하는 비전 머신(vision machine)으로 대체되고 있는 추세에 있다. 이러한 이미지 센서에 주로 사용되고 있는 반도체 소자가 바로 전하 결합 소자(charge coupled devices; CCD)이다. CCD는 하나의 소자로부터 인접한 다른 소자로 전하를 전송할 수 있는 소자를 말한다.

상기 CCD를 채용한 센서는 광량에 의한 각 셀(cell) 내의 자유 전하량의 변화를 전기적 신호로 변환하는 구조를 가진다. 구조적으로, CCD는 크게, 실제 광량에 의해 전하가 축적되는 셀 영역 및 축적된 전하를 차례대로 전송하는 통로 역할을 하는 자리 이동 레지스터(shift register)로 구분된다. CCD는 각 셀이 어떤 어레이(array)로 배치되어 영상을 생성하는가에 따라 영역 스캔(area scan) 방식, 라인 스캔(line scan) 방식, TDI(time delay integration) 라인 스캔 방식 등으로 나뉘어진다.

라인 스캔 방식의 이미지 센서(이하 "라인 센서"라 한다)는 화상광을 수광하는 픽셀이 라인 상에 배열된 1차원 센서이다. 2차원으로 넓어진 화상을 촬상하는 경우에는 라인 센서 또는 피사체를 이동시켜서 피사체를 한 라인씩 순차로 촬상한다. 즉, 라인 스캔 방식은 한 번에 한 라인씩 임의의 속도로 노출 및 전송하는 방식으로 영역 스캔 방식에 비해 저가로 고속 및 고분해능 영상을 얻을 수 있다는 장점을 갖는다. 예를 들면, 2048*2048 크기의 프레임을 얻기 위해 영역 스캔 방식은 4M의 픽셀(pixel) 수가 필요한데 반해 라인 스캔 방식은 2k의 픽셀만 있으면 2048*2048 뿐만 아니라 2048*1000 등 임의의 크기를 프레임을 얻을 수 있다.

그러나, 고속으로 이동하는 피사체를 촬영하는 경우나, 라인 센서를 고속으로 이동시켜 피사체를 촬영하는 경우와 같이 고속 스캔을 수행하는 경우, 각 라인마다 고속으로 전하의 축적과 전송을 반복하게 되므로 한 라인당 전하를 축적할 수 있는 시간이 짧게 되어 화상의 광량이 부족해진다. 이렇게, 광량에 대한 요구가 증가하고 있으나 조명 장치의 한계로 광량을 무한정 증가시킬 수 없다. 이에 따라, PPD(pinned-photodiode), CMOS 센서 등의 재료를 개선하여 감도를 높이는 연구가 진행되고 있는 한편, 여러 개의 라인 센서를 배열하여 광량을 누적시켜 감도를 높이는 방법이 제안되었다.

TDI 라인 스캔 방식의 이미지 센서(이하, "TDI 이미지 센서"라 한다)는 라인 센서가 스캔 방향으로 복수단 배열된 것으로서, 각 라인의 CCD에 축적한 신호 전하를 화상의 이동과 동기시켜서 다음 라인의 CCD로 전송한다. 이것에 의하여 신호 전하는 복수의 CCD에 있어서 중첩되고, 결과적으로 고속 스캔에 있어서도 광량을 충분히 만족하는 화상을 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 TDI 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 구성도로서, 도시된 TDI 이미지 센서(10)는 라인 스캔 어레이들(12)로 구성되며, 상기 라인 스캔 어레이들(12) 내부에는 개별 픽셀들(14)이 소정의 갭(gap)(G)만큼 이격되며 종 방향의 일렬로 배열되어 있다. 상기 라인 스캔 어레이들(12) 사이에서 인접하는 개별 픽셀들(14)은 상기 라인 스캔 어레이들(12)의 연장 방향과 실질적으로 수직하는 횡 방향으로 배열된다. 피사체는 상기 TDI 이미지 센서(10)에 대하여 상대적으로 운동하면서 스캔된다.

상술한 픽셀 배열 구조를 갖는 이미지 센서(10)는 상기 픽셀들(14)과 오버랩되는 피사체의 제1 광들(16)은 감지하나, 상기 갭(G)을 통과하는 제2 광들(18)은 충분히 감지하지 못한다. 이에 따라, 상기와 같은 구조를 갖는 TDI 이미지 센서는 상기 픽셀들(14) 사이의 공간(G)에 의해 이미지 분해능이 저하되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 픽셀의 셀 디자인 룰을 축소하지 않고도 분해능을 향상시킬 수 있는 TDI 라인 스캔 방식의 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 TDI 라인 스캔 방식의 이미지 센서는 홀수열 상에 일정한 간격으로 배열된 제1 픽셀들로 이루어진 제1 라인 스캔 어레이들과, 짝수열 상에 위치하고 상기 각 제1 라인 스캔 어레이 내의 제1 픽셀들 사이의 공간과 각각 대응하도록 배치되는 제2 픽셀들로 이루어진 제2 라인 스캔 어레이들을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 픽셀들은 상기 제1 픽셀들 사이의 간격과 실질적으로 동일한 간격으로 배열될 수 있다.

상술한 바에 의하면, 상기 제1 라인 스캔 어레이들이 형성된 갭에 대응하는 피사체의 일부가 상기 제2 픽셀들에 의해 촬상될 수 있다. 그러므로, 상기 제1 라 인 스캔 어레이들로만 이루어진 이미지 센서에 비해 분해능이 크게 향상될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나, 본 발명은 하기의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 도면들에 있어서, 각 장치 또는 막(층) 및 영역들의 두께는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시되었으며, 또한 각 장치는 본 명세서에서 설명되지 아니한 다양한 부가 장치들을 구비할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 이미지 센서를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 2를 참조하면, 도시된 TDI 이미지 센서(100)는 서로 평행하게 배치되는 다수의 라인 스캔 어레이들(line scan array)(110, 120)을 포함한다. 상기 각각의 라인 스캔 어레이(110, 120) 상에는 픽셀들(112, 122)이 일정한 간격을 가지고 일렬로 배치된다.

상기 TDI 이미지 센서(100)는 피사체에 대한, 실질적으로 일정한 속력을 갖는 상대적인 운동을 통해 피사체를 스캐닝하게 된다. 이 때, 상기 스캐닝은 상기 라인 스캔 어레이(110, 120)의 연장 방향과 실질적으로 수직하는 방향으로 이루어진다.

구체적으로, 상기 TDI 이미지 센서(100)는 일정한 간격으로 일렬로 배치된 제1 픽셀들(112)을 포함하는 제1 라인 스캔 어레이들(110)과, 상기 제1 라인 스캔 어레이들(110) 사이에 배치된 제2 픽셀들(122)을 포함하는 제2 라인 스캔 어레이들(120)을 포함하여 구성된다. 예를 들면, 상기 제1 라인 스캔 어레이들(110)은 홀수번열(2n-1)에 배치되고, 상기 제2 라인 스캔 어레이들(120)은 짝수열(2n)에 배치된다.

여기서, 상기 제2 픽셀들(122)은 상기 제1 픽셀들(112)에 대해서 다음과 같은 배치 관계를 갖는다. 상기 제1 라인 스캔 어레이(110)에서 인접하며 서로 이격된 제1 픽셀들(112) 사이에는 제1 갭(G1)이 형성되어 있다. 이러한 제1 라인 스캔 어레이들(110) 사이에 배치되는 상기 제2 라인 스캔 어레이(120)의 개별 제2 픽셀들(122)은 상기 제1 갭(G1)과 각각 대응하도록 상기 제2 라인 스캔 어레이(120) 내부에 배치된다. 이때, 상기 제2 픽셀들(122)은 상기 제1 픽셀들(122)의 간격과 실질적으로 동일한 간격으로 배열되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 피사체에서 상기 제1 갭(G1)에 대응하는 피사체의 이미지 정보가 상기 제2 픽셀들(122)에 의해 용이하게 스캐닝될 수 있다. 이에 대해서는 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 도 2에 도시된 TDI 이미지 센서(100)의 A 부위를 확대한 것으로서, 피사체로부터 반사되어 제1 픽셀들(112)과 오버랩(overlap)되는 제1 광들(114)들은 상기 제1 픽셀들(112)에 의해 감지된다. 그러나, 상기 제1 픽셀들(112) 사이로 통과하는 제2 광들(124)은 상기 제1 픽셀들(112)에 의해 감지되지 못한 채로 제1 라 인 스캔 어레이(110)를 통과한다.

상기 피사체가 상기 제2 라인 스캔 어레이(120)와 근접함에 따라, 상기 제2 광들(124)은 제1 갭들(G1)을 통과한 후 상기 제1 갭들(G1)과 대응하도록 배치된 제 2 픽셀들(122)과 오버랩된다. 따라서, 상기 제2 광들(124) 역시 상기 TDI 이미지 센서(100)에 의해 감지될 수 있다.

이와 같이 배치된 제1 및 제2 라인 스캔 어레이(110, 120)는 피사체의 이미지 정보를 보다 효과적으로 획득함으로써 상기 픽셀들(112, 122)의 셀 디자인 룰을 축소시키지 않고도 피사체에 대한 분해능을 용이하게(예컨대, 2배) 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 픽셀들(112, 122)은 CCD 또는 CMOS 소자에 의해 구성되고, 광량(photon)에 의한 각 셀 내의 자유 전하량의 변화를 전기적 신호를 변환하는 기능을 수행한다. 상기 CCD는 실제 광량에 의해 전하가 축적되는 포토 이펙티브(photo effective) 영역(미도시)과 상기 축적된 전하를 수평 방향으로 차례대로 전송하는 통로 역할을 수행하는 자리 이동 레지스터(shift register)(미도시)로 크게 구분될 수 있다.

또한, 도시되지는 않았으나, 상기 TDI 이미지 센서(100)는 상기 자리 이동 레지스터에 의해 전송된 이미지 정보를 축적하기 위한 가산기(adder) 또는 누산기(accumulator)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 획득된 이미지 정보 신호를 증폭하기 위한 증폭기(amplifier) 또는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 변환기(AD converter) 등이 설치될 수 있다. 상기 증폭된 이미지 정보는 이미징 컴퓨터 (imaging computer)에 의해 화상으로 출력될 수 있다. 상기와 같은 구성 요소들은 구현하고자 하는 적절한 이미징 방법에 따라서 선택적으로 선택된다.

이하에서는, 본 실시예에 따른 TDI 이미지 센서의 이미지 정보 전송 및 서밍(summing)에 대하여 간략하게 설명하기로 한다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 TDI 이미지 센서(100)에서 이미지 정보의 전송의 방향은 통상적인 TDI 이미지 센서와 마찬가지로 라인 스캔 어레이들(110, 120)을 따라 수평 방향으로 이루어진다. 다만, 상기 제1 라인 스캔 어레이(110) 및 제2 라인 스캔 어레이(120) 간에는 이미지 전송이 이루어지지 않고, 제1 라인 스캔 어레이(110) 또는 제2 라인 스캔 어레이(120)를 따르는 제1 패스(path)(116) 또는 제2 패스(126)로 분리된다.

예를 들면, 제1 라인 스캔 어레이(110)에 의해 획득된 피사체의 제1 광들(114)은 제1 라인 스캔 어레이(110)의 자리 이동 레지스터에 의해 수평 방향의 제1 패스(116)를 따라 전송 및 서밍된다. 마찬가지로 제2 라인 스캔 어레이(120)에 사이에서 획득된 제2 광들(124)은 제2 라인 스캔 어레이들(120)의 자리 이동 레지스터에 의해 제2 패스(126)를 따라 전송 및 서밍된다. 이와 같이, 홀수번째 열에 배치된 제1 라인 스캔 어레이(110)들에 의해 획득된 이미지 정보와 짝수번째 열에 배치된 제2 라인 스캔 어레이(120)에 획득된 이미지 정보가 합쳐져서 피사체의 최종 이미지 정보가 완성될 수 있다.

한편, 상기 각각의 제1 또는 제2 라인 스캔 어레이(110, 120)에 의해 서밍된 제1광들(112) 또는 제2 광들(122)의 광량은 상술한 종래의 TDI 이미지 센서에 비해 줄어들 수 있으나, 피사체의 최종 이미지 정보는 상기 제1 및 제2 광들(112, 122)의 광량이 합쳐진 것이므로 종래의 TDI 이미지 센서에 의해 획득되는 광량과 실질적으로 동일하다. 따라서, 피사체의 최종 광량이 동일하면서도 분해능은 향상될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 피사체의 스캔 방향으로 라인 스캔 어레이 내부의 픽셀들 사이에 소정의 공간이 존재할 수 있으므로, 상기 라인 스캔 어레이와 인접하는 라인 스캔 어레이 내부의 픽셀들을 상기 공간에 각각 대응되도록 배치시킨다.

따라서, 상기와 같은 픽셀 배열을 갖는 이미지 센서는 셀의 디자인 룰의 축소 또는 광량의 감소 없이 이미지 센서의 분해능이 크게 향상되는 효과가 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (2)

1. 홀수열 상에 일정한 간격으로 배열된 제1 픽셀들로 이루어진 제1 라인 스캔 어레이들; 및

   짝수열 상에 위치하고, 상기 각 제1 라인 스캔 어레이 내의 제1 픽셀들 사이의 공간과 각각 대응하도록 배치되는 제2 픽셀들로 이루어진 제2 라인 스캔 어레이들을 포함하는 이미지 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 픽셀들은 상기 제1 픽셀들 사이의 간격과 실질적으로 동일한 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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