KR20110118377A - 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 카메라용 플래시 발광 다이오드로서,
카메라용 이미지 센서의 분광 감도(spectral sensitivity)와 매칭되는 분광 출력 분포(spectral power distribution; SPD)를 가지며,
블루, 그린 및 레드 영역에서 각각 광도의 피크 값을 갖는 발광 다이오드가 개시된다.

Description

발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 일반적으로 카메라 플래시(flash)나 각종 결상기기의 보조광원으로 사용되는 발광 다이오드에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 발광 다이오드로부터 출사되는 광의 블루(Blue), 그린(Green), 레드(Red) 파장의 피크가 CMOS 센서의 분광 감도 곡선과 매칭됨으로써 피사체에서 반사된 플래시 광을 카메라가 효율적으로 수광하여 사진의 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 발광장치에 관한 것이다.

일반적으로 백색광원을 이용하여 이미지 센서와 같은 검출기에 상을 형성시키는 결상기기에서 저조도의 경우에 보조광원은 매우 중요한 역할을 한다.

여기서, 이미지 센서란, 카메라 필름에 도포되어 있는 감광 유제가 빛에 반응하여 잠상을 형성하듯이, 피사체에서 반사된 빛에 반응하여 전기적인 영상 신호를 형성해 내는 즉, 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서로 구분될 수 있다.

특히, CMOS 이미지 센서는, 등가회로 단위의 셀 마다 증폭기를 갖고 있으며 빛이 변환된 전기신호의 노이즈가 적고, 레드/그린/블루 광에 대응하는 셀을 엇갈려 배치함으로써 사실적인 색상을 구현할 수 있다. 또한, CCD 이미지 센서와 비교해서, CMOS 이미지 센서는 CMOS 로직 LSI 제조 프로세서의 응용으로 대량생산이 가능하기 때문에 제조 단가가 낮고 소자의 크기가 작아서 소비 전력이 적다는 장점이 있어, 최근 카메라폰 또는 소형화 트랜드로 급변하는 DSLR 시장에서 중요한 부품이 되고 있다.

다만, 카메라폰 또는 최신 디지털 카메라에 채용되고 있는 이미지 센서인 CMOS는 저조도 상황에서 센싱 감도가 낮고 소자가 쉽게 불안정해지며 촬영된 화상에 노이즈가 많이 발생되는 경향이 있기 때문에, 저조도에서 보조광원으로서의 플래시의 중요도 역시 한층 더 해지고 있다.

따라서, CMOS 센서 탑재 카메라의 보조 광원으로서 플래시용 발광 다이오드를 채용하여 보다 고품질의 영상을 제공하기 위한 시도가 계속되고 있다.

본 발명의 목적은, 최근 대부분의 카메라폰 내지 디지털 카메라에 사용되고 있는 CMOS 이미지 센서의 분광 감도 곡선과 매칭되는 광을 출사시킴으로써 피사체에서 반사된 플래시 광을 이용한 사진영상의 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 발광장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 카메라용 플래시 발광 다이오드로서,

카메라용 이미지 센서의 분광 감도(spectral sensitivity)와 매칭되는 분광 출력 분포(spectral power distribution; SPD)를 가지며,

블루, 그린 및 레드 영역에서 각각 광도의 피크 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 발광 다이오드는, 상기 카메라의 이미지 센서가 CMOS 이미지 센서인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 발광 다이오드는, 420 내지 480nm 영역, 520 내지 560nm 영역, 및 580 내지 650nm 영역에서 각각 광도의 피크 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 발광 다이오드의 그린 및 레드 영역의 광도의 피크 값은 블루 영역에서의 광도의 피크 값의 약 30% 내에 존재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따를 때, 카메라 플래시용 발광 다이오드를 보조광원으로 하여 촬영한 사진이 블루시(bluish)하거나 옐로우시(yellowish)한 현상이 방지되어 보다 자연스러운 색감의 사진 화질을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 카메라용 이미지 센서인 CMOS 이미지 센서의 분광 감도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 종래의 발광 다이오드의 파장별 광도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 또 다른 종래의 발광 다이오드의 파장별 광도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 종래의 발광 다이오드를 보조 광원으로 채용한 카메라의 촬영 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 발광 다이오드의 연색성을 나타내기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 파장별 광도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래의 발광 다이오드의 파장별 광도와 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 파장별 광도를 대비하여 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 파장별 광도를 CMOS 이미지 센서의 분광 감도 그래프와 대비하여 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 연색성을 나타내기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 카메라용 이미지 센서인 CMOS 이미지 센서의 분광 감도(spectral sensitivity)를 나타내는 그래프이다. 도면에서 각각 블루, 그린, 레드 컬러로 도시된 곡선은 각각 블루, 그린, 레드 광에 대한 CMOS 이미지 센서의 감도를 나타낸다.

도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서의 블루 광에 대한 감도는 다른 컬러(그린, 레드) 광에 대한 감도보다 상대적으로 낮고, 레드 광에 대한 감도가 가장 높음을 알 수 있다.

한편, 디지털 카메라의 영상 화질을 개선하기 위해서는 조명광원이 이미지 센서의 분광 감도에 매칭되는 충분한 광을 제공하여야 한다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 종래의 발광 다이오드의 파장별 광도 및 이를 통한 각 발광 다이오드의 분광 출력 분포(spectral power distribution; SPD)를 살펴보기로 한다.

도 2는 예를들어, 블루 LED를 여기 광원으로 사용하고, 여기 광이 YAG(Yttrium Aluminum Garnet)의 옐로우(yellow) 컬러(560nm) 형광체를 통과하는 형태의 종래의 백색 LED의 파장별 광도 그래프로서, 노멀라이즈된 값이다.

도 2를 참조하면, 광도 그래프가 약 455nm 파장 및 약 570nm 파장에서, 즉 블루 및 옐로우 영역에서 피크 값을 갖고, 블루 피크 값이 다른 컬러에 비하여 상당히 높으며, 그린 파장 영역에서는 출력(pvwer)에 있어 상당한 갭이 존재하고, 약 630nm 이상의 레드 영역에서는 30% 미만의 광도를 갖는다는 것을 알 수 있다.

도 2의 종래의 백색 LED는 COMS 센서의 블루 영역의 피크에 부합하는 블루 피크는 갖지만 CMOS 센서의 그린 및 레드 영역에 부합하는 피크는 갖지 않고, 블루 피크 대비 그린 및 레드의 피크값 사이의 차이가 크므로, 도 4와 같이 사진 영상이 블루쉬해 진다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.

한편, 도 3은 블루 LED를 여기 광원으로 사용하고, 여기 광이 그린 및 레드 형광체를 통과하는 형태의 종래의 백색 LED의 파장별 광도 그래프로서, 노멀라이즈된 값이며, 도면에서 블루, 그린 및 레드 영역 각각의, 총 3개의, 피크 값을 갖는다. 또한, 도 2에서와 마찬가지로, 블루 피크 값이 다른 컬러에 비하여 상당히 높음을 알 수 있다.

따라서, 도 1과 도 2 및 3을 각각 대비할 때, 도 1의 CMOS 센서의 분광 감도 그래프와 도 2 및 3의 파장별 광도 그래프가 서로 매칭되지 않음을 알 수 있고, 이로써, 블루칩+옐로우 형광체의 경우(도 2)나 블루칩+그린 및 레드 형광체(도 3)의 종래의 백색 LED는 CMOS 이미지 센서의 모든 레드(R), 그린(G), 블루(B) 영역에서 충분한 광 에너지를 제공하지는 못함을 알 수 있다. 따라서, 백색 광원 전체의 광도는 높을지라도, 보다 자연스러운 색감의 사진 화질을 제공하도록 하는 보조광원으로서의 역할 면에서는 부족하다.

도 4는 도 2 및 도 3과 같은 분광 출력 분포를 갖는 종래의 백색 LED를 카메라 플래시용 보조광원으로 채용한 경우의 사진 촬영이미지를 나타낸다.

도 4에서 볼 수 있듯이, 종래의 백색 LED를 채용한 경우, 예를들어, 블루칩+ 옐로우 형광체의 백색 LED를 카메라 플래시로 사용하는 경우, 블루 피크와 옐로우 피크만 존재하고 레드 및 그린 컬러 광의 광도가 약하여 한가지 색감 즉, 블루시(bluish)한 색감에 치우친 사진 결과물을 만들어 내게 된다. 또한, 예를들어, 블루칩+그린 및 레드 형광체의 백색 LED를 사용하는 경우, 블루 피크가 다른 컬러광의 피크값보다 상대적으로 너무 크기 때문에 블루 컬러의 광이 다른 색상에 영향을 주어 결과적으로 블루시한 색감을 나타내게 된다.

이는 이른바, 플래시용 LED에 대한 "루멘 경주(Lumens race)"의 결과로서, 종래기술의 경우, 약 555nm 파장에서의 좁은 밴드(banded) 피크가 더 높은 루멘 값을 제공하고 이를 통해 카메라 영상 화질을 높일 수 있다고 믿었기 때문이다. 따라서, 카메라 사진 화질을 개선하기 위해서는 플래시용 LED의 광도뿐만 아니라 다른 요소도 고려하여야 함을 간과하였다.

한편, "루멘"은 카메라(또는 이미지 센서)가 아닌 인간의 눈이 느끼는 밝기에 대한 개념인 것으로, 실질적으로 카메라 영상 화질 개선을 위해서는 인간이 아닌, 물체에서 반사되어 들어오는 빛을 수용하는 "이미지 센서"에 대한 고려가 필요함을 알게 되었고, 이를 관련하여, 플래시용 LED의 연색성 지수(color rendering index; CRI)와 분광 출력 분포(SPD)를 고려하여야 함을 본 발명의 발명자는 알게 되었다. 즉, 예를들어, 루멘스 값이 30% 증가되었다고 하더라도, 그 경우 반드시 카메라 사진 영상이 30% 더 밝다고(birghter) 볼 수는 없고, 개선된 화질을 위해서는 연색성 지수(CRI)가 높을 필요가 있다.

여기서, 연색성 지수(CRI)라 함은, 기준광원에서 본 사물의 색과 인공 광원에서 본 사물의 색이 어느 정도 유사한가를 수치로 표현한 것으로서, 기준 광원(백열전구)대비, 백분율(%)로 표기하며, 단위는 Ra이다.

기준 광원(또는 자연광)을 100으로 하므로, 연색성 지수가 100에 가까울수록 조명된 사물의 색재현 충실도를 나타내는 광원의 성질, 즉 연생성이 높다는 것을 의미한다.

같은 물체라도 비추는 조명광의 분광 분포가 다르면 물체에서 반사하는 빛의 분광 분포도 달라져 그 물체의 색은 다르게 보이게 된다. 또한, 조명광원의 분광 출력 분포와 기준 광원의 분광 출력 분포 사이의 차이(variation)는 조명광원의 CRI 값에서의 변화를 초래하게 된다.

따라서, 카메라 촬영 영상 이미지를 보다 자연스러운 색감으로 표현하기 위해서는 보조광원인 LED의 CRI 값 및 분광 출력 분포(SPD)를 고려하여야 한다. 바람직하게, 조명광원의 SPD가 기준광원의 SPD와 완전히 일치한다면, 조명광원의 CRI 값은 100(Ra)이 될 것이다. 다시말해, 조명광원의 SPD가 기준광원의 SPD와 큰 차이가 날수록, 연색성 지수(CRI)는 더 낮아지게 될 것이다.

예를들어, 도 5는 종래의 발광 다이오드의 연색성을 나타내기 위한 도면으로서, 후방(background)에 위치한 컬러 차트(color chart)는 약 1.5 m 뒤에 배치되어 텅스텐 램프(tungsten lamp)에 의해 조명되고, 전방(foreground)에 위치한 컬러 차트는 종래의 백색 LED에 의해 조명되는 경우, 카메라에 의해 촬영된 두 개의 컬러 차트의 색감을 비교하면, 전방의 컬러 차트의 색감이 더 블루시함을 알 수 있다. 즉, 관련 색온도(correlated color temperature; CCT)가 5000K 일지라도, 이미지 센서는 플래시 광을 보다 냉광원(cold light source)으로 인식할 것이기 때문에, 전방의 컬러 차트는 블루시해진다. 관련 색온도가 LED의 컬러 특정에 중요한 역할을 하기는 하지만, 관련 색온도 자체만의 변화에 의하여 연색성에 영향을 미치는 것이 아니라, 연색성의 변화에는 분광 출력 분포(SPD)가 연관되어 있기 때문이다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 백색 LED의 분광 출력 분포를 조절하여 연색성을 높이고자 한다. 이하, 본 발명에 따른 카메라 플래시용 발광장치를 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 파장별 광도를 나타내는 그래프로서, 노멀라이즈된 값이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 분광 출력 분포를 살펴보면, 블루(420~480nm), 그린(520~560nm) 및 레드(580~650nm) 영역에서 피크가 존재하며, 다른 영역 대비 블루 영역에서의 피크값은 도 2 및 도 3의 경우와 비교하여 크지 않으며, 그린 및 레드의 피크값이 최대 블루 피크값을 기준으로 하여 30% 내에 위치한다.

또한, 도 7을 참조하여, 도면에서 파랑색 곡선으로 도시된 종래의 백색 LED(예를들어, 5680K, 60Ra) 출사광의 파장별 광도와 붉은 색 곡선으로 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 LED(예를들어, 5020K, 88Ra) 출사광의 파장별 광도를 비교하면, 본 발명에 따른 백색 LED는 종래의 백색 LED 보다 블루 영역에서 더 낮은 피크값을 갖고, 그린 영역(460-490nm)에서의 출력(power)의 갭도 더 작아졌으며, 레드 영역(590nm 이상)에서 증가된 광도를 갖는다.

또한, 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 파장별 광도 그래프는 CMOS 이미지 센서의 분광 감도 그래프와 매칭됨을 알 수 있다.

구체적으로, 각각 레드, 그린, 블루 곡선으로 도시된 CMOS 이미지 센서의 분광 감도 곡선의 피크 값과 검은색 곡선으로 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 백색 LED의 파장별 광도 곡선의 피크 값의 위치는 대략 일치되고 곡선의 모양도 유사하다는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드의 분광 출력 분포는 카메라의 CMOS이미지 센서의 분광 출력 분포와 거의 매칭됨을 알 수 있다.

따라서, 종래 LED 대비 450nm 파장 근처에서의 감소된 에너지의 영향으로 이미지 센서의 블루 채널은 보다 덜 포화(saturation)되게 되고, 또한, 그린 영역에서의 출력의 갭이 줄어들기 때문에 보조광원은 이미지 센서의 그린 채널까지 완벽히 커버할 수 있게 된다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 연색성을 나타내기 위한 도면으로서, 도 5와 달리, 전방의 컬러 차트가 블루시한 문제는 발견되지 않으며, 보다 자연스러운 색감을 확인할 수 있다.

또한, 도시하지는 않았으나, 카메라 내부의 자동 화이트 밸런싱 소프트웨어(auto white balance software;AWB) 기능을 이용하는 경우, 도 5 및 도 8과 같은 상황에서, 사용자가 전방의 컬러 차트를 기준으로 화이트 밸런싱을 맞추거나 후방의 컬러 차트를 기준으로 화이트 밸런싱을 맞추는 경우, 종래의 백색 LED를 사용하는 경우는 각각 사진이 블루시하거나 옐로우시 해질 수 있는 반면, 본 발명에 따른 발광 다이오드를 사용하는 경우는 사진이 보다 양호한 색재현력을 가지고 자연스러운 색감으로 표현될 수 있다.

본 발명에 따를 경우, 종래기술과 달리, 카메라의 이미지 센서의 분광 출력 분포와 매칭되는 분광 출력 분포를 갖는 플래시용 LED를 채용함으로써, 연색성 지수를 높일 수 있고 디지털 카메라에 의해 촬영된 사진 화질을 개선하여 카메라 사용자의 만족도를 높일 수 있게 된다.

이상, 본 발명의 몇몇 실시예들에 대해 예시적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 앞서 설명된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 더 잘 이해할 수 있도록 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 권리 범위는 이러한 실시예들에 의해 한정되지 않으며, 아래 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

1. 카메라용 플래시 발광 다이오드로서,
   카메라용 이미지 센서의 분광 감도(spectral sensitivity)와 매칭되는 분광 출력 분포(spectral power distribution; SPD)를 가지며,
   블루, 그린 및 레드 영역에서 각각 광도의 피크 값을 갖는 발광 다이오드.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 카메라의 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서인 발광 다이오드.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 발광 다이오드는 420 내지 480nm 영역, 520 내지 560nm 영역, 및 580 내지 650nm 영역에서 각각 광도의 피크 값을 갖는 발광 다이오드.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 발광 다이오드의 그린 및 레드 영역의 광도의 피크 값은 블루 영역에서의 광도의 피크 값의 약 30% 내에 존재하는 발광 다이오드.

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