KR101356698B1 - 화소 간 크로스토크의 영향을 저감하는 이미지 센서, 컬러필터 어레이, 및 촬상 장치 - Google Patents

화소 간 크로스토크의 영향을 저감하는 이미지 센서, 컬러필터 어레이, 및 촬상 장치 Download PDF

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Abstract

상기 기술적 과제를 해결하기위한 본 발명에 따른 이미지 센서는 광원으로부터 입사된 광학 신호을 집광하는 마이크로렌즈, 상기 마이크로렌즈를 통과한 광학 신호를 입력받아, 일정 영역 주파수의 광학 신호만을 통과시키는 컬러 필터 어레이, 및 상기 컬러 필터 어레이로부터 광학 신호를 입력받아, 입사된 상기 광학 신호의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시키는 광감지소자를 포함하고, 상기 컬러 필터 어레이는 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀을 포함하며 상기 옐로우 필터 픽셀의 면적 비율이 가장 높은 것을 특징으로 한다. 상기 컬러 필터 어레이는, 상기 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀의 면적 비율이 2:1:1인 것을 특징으로 한다.

Description

화소 간 크로스토크의 영향을 저감하는 이미지 센서, 컬러 필터 어레이, 및 촬상 장치{Image sensor for reducing crosstalk effect inter-pixel, and color filter array and image pickup apparatus thereof}
본 발명은 촬상 장치에 관한 것으로, 특히 픽셀 간 크로스토크의 영향을 저감하는 이미지 센서, 컬러 필터 어레이, 및 촬상 장치에 관한 것이다.
촬상 장치는 광학 신호를 전기적인 신호로 변환시키는 장치이다. 촬상 장치는 이를위해 광학 신호를 전기적인 신호로 변환시키는 광감지소자를 구비한다. 이는 광감지소자의 종류에 따라 CCD(Charge-coupled device)와 CIS(CMOS image sensor) 등으로 분류된다. CIS 형은 CCD 형에 비해 저전압 동작이 가능하고 소비전력이 작으며, CMOS(Complimentary metal oxide semiconductor) 공정을 사용하고, 집적화에 유리한 장점으로 인해 CCD 형을 대체하여 현재 많은 분야에서 사용되고 있다.
CIS형 고체 촬상 소자는 휴대폰 카메라(mobile camera), 디지털 스틸 카메라(digital still camera) 등에 장착되어, 시야에 전개되는 영상을 촬상하여 전기적 신호로 변환하여, 디지털 신호 처리부로 전송한다. 디지털 신호 처리부는 고체 촬상 소자에서 출력되는 컬러 이미지 데이터(R, G, B 데이터)를 신호 처리하여 LCD(liquid crystal display)와 같은 디스플레이 장치를 구동한다.
광감지소자는 일반적으로 광학 신호의 세기만을 측정할 뿐 분광 특성은 감지할 수 없기 때문에 컬러 필터를 통해 일정 영역 주파수의 광학 신호만을 통과시켜 소정의 개수의 주파수 영역에 대해 각각 컬러 필터 및 광감지소자를 구비하여, 각 주파수 영역에 대한 광학 신호의 세기를 구하고 이로부터 컬러 이미지 데이터(R, G, B 데이터)를 얻는다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 휘도 성분이 많은 그린 계열의 주파수 영역을 포함하는 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀을 이용하여 광감도를 향상시킨 컬러 필터 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서 및 촬상 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 픽셀간의 크로스토크 영향을 감소시키기 위하여 크로스토크로 인한 색의 변화를 미리 보상하는 컬러 필터 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서 및 촬상 장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기위한 본 발명에 따른 이미지 센서는 광원으로부터 입사된 광학 신호을 집광하는 마이크로렌즈, 상기 마이크로렌즈를 통과한 광학 신호를 입력받아, 일정 영역 주파수의 광학 신호만을 통과시키는 컬러 필터 어레이, 및 상기 컬러 필터 어레이로부터 광학 신호를 입력받아, 입사된 상기 광학 신호의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시키는 광감지소자를 포함하고, 상기 컬러 필터 어레이는 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀을 포함하며 상기 옐로우 필터 픽셀의 면적 비율이 가장 높은 것을 특징으로 한다. 상기 컬러 필터 어레이는, 상기 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀의 면적 비율이 2:1:1인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컬러 필터 어레이는 2행 2열 형태로 배치된 4개의 서브 픽셀을 포함하는 단위 픽셀들로 이루어지고, 상기 단위 픽셀은,
대각선 방향으로 배치된 2개의 상기 옐로우 필터 픽셀, 및 나머지 2개의 상기 서브 픽셀에 각각 배치된 상기 그린 필터 픽셀 및 상기 시안 필터 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 옐로우 필터 픽셀, 상기 그린 필터 픽셀, 및 상기 시안 필터 픽셀은 인접 서브 픽셀에 의한 크로스토크의 영향이 상쇄되도록 상기 옐로우 필터 픽셀, 상기 그린 필터 픽셀, 및 상기 시안 필터 픽셀의 안료 성분의 종류 및 비율을 조절하여 분광 특성이 미리 보상될 수 있다.
또한, 상기 이미지 센서는 CIS(CMOS Image Sensor)일 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 이미지 센서에 구비되는 컬러 필터 어레이는 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀을 포함하고, 상기 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀의 면적 비율을 달리 하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 옐로우 필터 픽셀의 면적 비율이 가장 높고, 상기 옐로우 필터 픽셀, 상기 그린 필터 픽셀, 및 상기 시안 필터 픽셀의 면적 비율이 2:1:1일 수 있다.
상기 컬러 필터 어레이는 2행 2열 형태로 배치된 4개의 서브 픽셀을 포함하는 단위 픽셀들로 이루어지고, 상기 단위 픽셀은, 대각선 방향으로 배치된 2개의 상기 옐로우 필터 픽셀, 및 나머지 2개의 상기 서브 픽셀에 각각 배치된 상기 그린 필터 픽셀 및 상기 시안 필터 픽셀을 포함한다.
본 발명에 따른 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀을 포 함하고, 이들의 면적 비율이 2:1:1인 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치는 상기 이미지 센서는 각 단위 픽셀에 대해 4개의 서브 픽셀에 대한 신호를 출력하고, 상기 촬상 장치는, 각각의 상기 단위 픽셀들로부터 출력된 신호를 레드 출력, 그린 출력, 및 블루 출력으로 변환하여 출력하는 신호 처리부를 포함한다.
상기 신호 처리부는, 단위 픽셀로부터 출력된 출력 신호를 입사광의 휘도로 출력하는 휘도 출력부, 및 상기 그린 필터 픽셀이 배치된 상기 서브 픽셀로부터 출력된 출력 신호를 임시 그린 출력으로 출력하고, 상기 옐로우 필터 픽셀이 배치된 상기 서브 픽셀로부터 출력된 출력 신호로부터 상기 임시 그린 출력을 감산한 신호를 임시 레드 출력으로 출력하고, 상기 시안 필터 픽셀이 배치된 상기 서브 픽셀로부터 출력된 출력 신호로부터 상기 임시 그린 출력을 감산한 신호를 임시 블루 출력으로 출력하는 색 변환부를 포함한다.
상기 휘도 출력부는 저역통과필터를 구비하고, 상기 단위 픽셀로부터 출력된 신호를 상기 저역통과필터에 통과시켜 휘도로 출력할 수 있다.
또한 상기 촬상 장치는 상기 색 변환부로부터 출력된 상기 임시 그린 출력, 상기 임시 레드 출력, 및 상기 임시 블루 출력을 선형 결합하여 색의 순도를 높인 그린 출력, 레드 출력, 및 블루 출력을 출력하는 색 보정부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 이미지 센서는 CIS(CMOS Image Sensor)일 수 있다.
본 발명은 휘도 성분이 많은 그린 계열의 주파수 영역을 포함하는 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀을 이용함으로써 광감도를 향상시키 고, SNR을 증가시킨 효과가 있다.
또한, 크로스토크의 영향을 미리 보정함으로써 디지털 신호 처리부에서의 증폭률을 낮춰 노이즈의 증폭을 방지하고, 색 재현성을 높이는 효과가 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 이미지 센서의 단면도이다.
이미지 센서(100)는 광원으로부터 입사된 빛을 집광하는 마이크로렌즈(110), 마이크로 렌즈를 통과한 빛을 입력받아, 일정 영역 주파수의 광학 신호만을 통과시키는 컬러 필터 어레이(120, 122), 광감지소자(140) 이외의 영역으로 광학 신호가 입사되는 것을 방지하기 위한 광차폐층(130) 및 컬러 필터 어레이(120, 122)를 통과하여 입사된 광학 신호의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시키는 광감지소자(140)를 포함한다.
광감지소자(140)는 광학 신호의 세기만을 감지할 뿐, 광학 신호의 주파수 특성을 감지할 수 없기 때문에, 컬러 필터 어레이(120, 122)에서 각각의 광감지소자(140)에 특정 영역 주파수의 광학 신호만을 통과시켜 전달하고, 광감지소자(140) 는 입사된 광학 신호의 주파수 영역에 대한 광학 신호의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시킨다. 예를들면 일정 문턱값 이상에서 광학 신호의 세기가 커질수록 광감지소자(140)에서 발생하는 전류의 크기가 증가한다. 광감지소자(140)는 광학 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 소자라면 어떠한 소자라도 가능하고, 예를들면 포토다이오드가 있다.
광감지소자(140)는 컬러 필터 어레이(120, 122)에 구비된 각각의 컬러 필터들에 대하여 전기적으로 절연되도록 구비되어야 한다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이의 구조를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 컬러 필터 어레이(200)는 옐로우 필터 픽셀(210), 시안 필터 픽셀(220), 및 그린 필터 픽셀(230)를 구비한다. 도 2a는 옐로우 필터 픽셀(210), 시안 필터 픽셀(220), 및 그린 필터 픽셀(230)를 서로 다른 평면상에 도시하였으나, 이는 단지 설명을 위한 것이고, 실제로는 도 2b에 도시된 바와 같이 옐로우 필터 픽셀(210), 시안 필터 픽셀(220), 및 그린 필터 픽셀(230) 모두 하나의 평면에 존재한다.
본 발명에 따른 컬러 필터 어레이(200)는 4개의 서브 픽셀(242, 244, 246, 및 248)로 이루어진 단위 픽셀들(240_1, 240_2, 240_3, 및 240_4)이 반복된 형태로 이루어진다. 각각의 서브 픽셀(242, 244, 246, 및 248)은 일정 면적의 컬러 필터를 구비한다. 각각의 단위 픽셀(240_1, 240_2, 240_3, 및 240_4)에 구비된 4개의 서브 픽셀은 두 개의 옐로우 필터 픽셀(242 및 248), 한 개의 시안 필터 픽셀(244), 및 한 개의 그린 필터 픽셀(246)에 대응된다. 이 세 종류의 색 필터는 모두 그린 성분을 포함하기 때문에, 입사광의 휘도 성분이 많이 통과하여 감도를 향상시키는 효과가 있다. 특히 고화질 이미지를 얻기 위하여 이미지 센서의 픽셀을 고집적하면서, 이미지 센서 내의 셀 사이즈가 감소하여 하나의 픽셀 당 입력되는 광학 신호의 크기가 작아지고, 이에 SNR이 감소하는 문제가 발생하는데, 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이는 휘도 성분을 보다 많이 통과시킴으로써, 고집적 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
각각의 단위 픽셀(240)에 포함된 4개의 서브 픽셀(242, 244, 246, 248)은 2행 2열 형태로 배열된다. 이때 두 개의 옐로우 필터 픽셀(242, 248)는 대각선 방향으로 배치되고 나머지 두개의 영역에 시안 필터 픽셀(244)와 그린 필터 픽셀(246)가 각각 배치된다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 옐로우 필터 픽셀에 있어서 크로스토크 영향을 미리 보상하기 위한 옐로우 필터 픽셀의 주파수 특성을 구하는 과정을 도시한 도면이다.
고화질 이미지를 얻기 위해 이미지 센서의 픽셀을 고집적하면서, 이미지 센서내의 픽셀 사이즈가 감소함으로 인하여, 픽셀 간 크로스토크(crosstalk)가 증가하는 문제가 발생한다. 크로스토크는 임의의 픽셀에 대하여 인접 화소에서 발생한 신호가 영향을 주어, 임의의 픽셀에서 발생한 신호의 분광특성을 변화시켜, 색 재현성을 열하시키는 것을 의미한다. 이러한 현상을 극복하기 위하여, 종래의 이미지 센서에서는 컬러 보정 회로로 크로스토크로 인한 색 재현성 열하를 보정하였다. 그 러나 컬러 보정 회로에는 증폭기와 매트릭스(matrix) 회로를 이용하기 때문에, 노이즈가 증폭되어 SNR이 감소하므로 색 재현 향상에 한계가 있었다.
본 발명은 크로스토크 현상에 의하여 이미지 센서에서 입력된 광학 신호를 전기적인 신호로 변환함에 있어서, 전기적인 신호에서의 분광 특성이 입력된 광학 신호의 분광 특성과 달라지는 현상을 보정하여 색 재현을 향상시키기 위하여 컬러 필터 어레이에서 크로스토크에 의한 색 변화를 미리 보정한다. 물론, 이 때 입력된 광학 신호의 분광 특성은 컬러 필터의 투과율만을 고려한 것이며, 전기적 신호의 분광 특성은 실제 픽셀 어레이에서의 광학적 크로스토크까지 포함한다. 컬러 필터 어레이에서 분광 특성은 각 서브 픽셀에 대응되는 컬러 필터의 흡수 스펙트럼에 의하여 결정되기 때문에, 본 발명은 크로스토크 현상을 미리 보상하기 위하여 컬러 필터의 흡수 스펙트럼을 조절한다. 컬러 필터의 흡수 스펙트럼은 컬러 필터를 이루는 안료의 성분 및 그들의 비율에 의하여 결정되므로, 안료의 성분 및 이들의 비율을 조절하여 컬러 필터의 흡수 스펙트럼을 조절할 수 있다.
도 3a 내지 도 3g에서는 옐로우 필터 픽셀의 분광 특성 조절에 대하여, 도 4a 내지 도 4g에서는 시안 필터 픽셀의 분광 특성 조절에 대하여, 도 5a 내지 도 5g에서는 그린 필터 픽셀의 분광 특성 조절에 대하여 설명한다.
도 3a는 옐로우 필터 픽셀과 인접한 픽셀들을 나타낸 도면이다. 옐로우 필터 픽셀은 좌우 그린 필터 픽셀, 상하 시안 필터 픽셀, 및 대각의 옐로우 필터 픽셀로부터 크로스토크의 영향을 받는다. 좌우의 그린 필터 픽셀에서의 크로스토크 성분을 G'', 상하의 시안 필터 픽셀에서의 크로스토크 성분을 Cy'', 대각의 옐로우 필 터 픽셀에서의 크로스토크 성분을 Ye''라도 하고, 도 3a에 도시된 바와 같이 각각의 픽셀로부터의 크로스토크 성분을 C1부터 C8로 나타낸다면 각각의 크로스토크 성분(G'', Cy'', Ye'')은 수학식 1과같이 나타낼 수 있다.
G'' = C4 + C8
Cy''= C2 + C6
Ye''= C1 + C3 + C5 + C7
크로스토크 현상이 발생하지 않았을 때 옐로우 필터 픽셀을 투과하여 얻을 수 있는 광학 신호를 Ye로 나타내면, 크로스토크 현상을 고려한 옐로우 필터 픽셀을 투과한 광학 신호 Ye'는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Ye' = Ye + G'' + Cy'' + Ye''
이때 대각 방향의 크로스토크 성분인 Ye''는 G'' 및 Cy''에 비하여 미세하기 때문에 무시할 수 있다.
도 3b는 옐로우 필터 픽셀과 옐로우 필터 픽셀에 영향을 주는 크로스토크 성분(G'', Cy'')의 분광특성을 나타낸 그래프이다. 이때 가로축은 파장이고 세로축은 광 감도이다. 시안 필터 픽셀과 그린 필터 픽셀로부터의 크로스토크 성분은 옐로우 필터 픽셀과 분광 특성이 상이하므로 시안 필터 픽셀 및 그린 필터 픽셀로부터의 크로스토크로 인하여 옐로우 필터 픽셀의 분광 특성이 변화할 것임을 예상할 수 있다.
도 3c는 Ye, Ye', G'', 및 Cy''를 색 공간(color space)에 벡터로 표시한 도면이다. 색 공간(color space)이란 색상을 좌표로 나타낼 수 있는 공간이다. 색 공간은 좌표계에 따라 다양하며, 같은 색상을 여러 색 공간상에 나타낼 수 있다. 본 명세서는 도 3c와 같이 B-Y, R-Y 좌표계의 색 공간을 이용하여 광학 신호의 위상 및 크기를 표현한다.
크로스토크의 영향이 없는 상태에서 옐로우 필터 픽셀을 통과한 광학 신호를 나타내는 Ye는 인접한 그린 필터 픽셀에 의한 G'' 및 시안 필터 픽셀에 의한 Cy''에 의한 크로스토크로 인하여 Ye'로 이동된다. 이때 크로스토크에 의하여 Ye의 위상은 변화하였으나, 벡터 크기의 변화는 거의 없으므로 광학 신호의 양은 감소되지 않음을 알 수 있다. 그러나 Ye의 위상은 Ye'로 변하였고, 이는 크로스토크로 인해 광학 신호의 분광 특성이 변화된 것을 나타낸다. 그러므로 본 발명은 크로스토크가 없는 상태에서의 Ye로 돌아가기 위하여 크로스토크의 영향을 컬러 필터 어레이, 즉 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀에서 미리 보상한다. 이를 위해 색 공간상에서 미리 보상해야 할 위상을 계산하고, 이로부터 광학 특성을 나타내는 색 감도 그래프의 주파수 축 상에서 쉬프트 해야할 양을 계산한다.
우선 도 3c의 색 공간에서 위상을 계산하는 과정을 예시적인 값을 이용하여 설명한다. 좌우의 그린 필터 픽셀로부터 G''와 상하의 시안 필터 픽셀로부터의 크로스토크 Cy''를 각각 -16dB라 하면, 크로스토크 성분, 즉 G''+Cy'' 벡터의 크기는 수학식 3과 같다.
Figure 112007070760113-pat00001
도 3e는 크로스토크 성분(G''+Cy''), Ye, 및 Ye'를 나타낸다. 이때 크로스토크 성분(G''+Cy'')과 Ye'의 각도를 수직으로 근사하면, Ye와 Ye'의 각도는
Figure 112007070760113-pat00002
이다. 따라서 크로스토크의 영향을 옐로우 필터 픽셀에서 미리 보상하기 위해서는, 옐로우 필터 픽셀의 분광 특성을 색 공간상에서의 15˚만큼 미리 보상하여 크로스토크의 영향을 줄일 수 있다.
도 3f 및 도 3g를 이용하여 옐로우 필터 픽셀의 분광 특성에 대한 주파수 축 상에서의 쉬프트 양을 계산한다. 색 공간상에서의 위상을 주파수 축상에서의 값으로 변환하기 위하여 레드(R)를 나타내는 벡터 및 분광 특성을 이용하여 주파수 축상에서의 쉬프트 양을 구한다. 레드(R)는 도 3f에 도시된 바와 같이 Ye 벡터와 64.6˚의 각도를 이루며 색 공간상에 존재한다. 또한 도 3d에 도시된 바와 같이 600nm에서 최대값을 갖는 분광 특성을 갖는다. Ye는 G''와 Cy''에 의한 크로스트크로 인하여 레드(R)와 멀어지는 방향으로 쉬프트되므로, 이를 미리 보상하기 위하여 레드(R) 쪽으로 색 공간상에서 15˚에 해당하는 위상만큼 옐로우 필터 픽셀의 분광 특성을 쉬프트해야 한다. 색 공간상에서 15˚에 해당하는 주파수 간격을 계산하면 수학식 4와 같다.
Figure 112007070760113-pat00003
따라서 옐로우 필터 픽셀의 분광 특성은 도 3g에 도시된 바와 같이 Ye에서 레드(R) 방향으로 11.6nm만큼 쉬프트 된 Ye(0)가 되어야 한다.
도 4a 내지 도 4g는 본 발명에 따른 시안 필터 픽셀에 있어서 크로스토크 영향을 미리 보상하기 위한 시안 필터 픽셀의 주파수 특성을 구하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4a는 시안 필터 픽셀과 인접한 픽셀들을 나타낸 도면이다. 시안 필터 픽셀은 상하좌우의 옐로우 필터 픽셀, 및 대각의 그린 필터 픽셀로부터 크로스토크의 영향을 받는다. 상하좌우의 옐로우 필터 픽셀에서의 크로스토크 성분을 Ye'', 대각의 그린 필터 픽셀에서의 크로스토크 성분을 G''라도 하고, 도 4a에 도시된 바와 같이 각각의 픽셀로부터의 크로스토크 성분을 C1부터 C8로 나타낸다면 각각의 크로스토크 성분(G'', Ye'')은 수학식 5과같이 나타낼 수 있다.
Ye'' = C2 + C4 + C6 + C8
G'' = C1 + C3 + C5 + C7
크로스토크 현상이 발생하지 않았을 때 시안 필터 픽셀을 투과하여 얻을 수 있는 광한 신호를 Cy로 나타내면, 크로스토크 현상을 고려한 시안 필터 픽셀을 투과한 광한 신호 Cy'는 수학식 6와 같이 나타낼 수 있다.
Cy' = Cy + G'' + Ye''
이때 대각 방향의 크로스토크 성분인 G''는 Ye''에 비하여 미세하기 때문에 무시할 수 있다.
도 4b는 시안 필터 픽셀과 시안 필터 픽셀에 영향을 주는 크로스토크 성분(Ye'', G'')의 분광특성을 나타낸 그래프이다. 이때 가로축은 파장이고 세로축은 광 감도이다. 옐로우 필터 픽셀과 그린 필터 픽셀로부터의 크로스토크 성분은 시안필터 픽셀과 분광 특성이 상이하므로 옐로우 필터 픽셀 및 그린 필터 픽셀로부터의 크로스토크로 인하여 시안 필터 픽셀의 분광 특성이 변화할 것임을 예상할 수 있다.
도 4c는 Cy, Cy', Ye'', 및 G''를 색 공간(color space)에 벡터로 표시한 도면이다. 크로스토크의 영향이 없는 상태에서 시안 필터 픽셀을 통과한 광학 신호를 나타내는 Cy는 인접한 옐로우 필터 픽셀에 의한 Ye'' 및 그린 필터 픽셀에 의한 G''에 의한 크로스토크로 인하여 Cy'로 이동된다. 이때 크로스토크에 의하여 Cy의 위상은 변화하였으나, 벡터 크기의 변화는 거의 없으므로 광학 신호의 양은 감소되지 않음을 알 수 있다. 그러나 Cy의 위상은 Cy'로 변하였고, 이는 크로스토크로 인해 광학 신호의 분광 특상이 변화된 것을 나타낸다. 그러므로 본 발명은 크로스토크가 없는 상태에서의 Cy로 돌아가기 위하여 크로스토크의 영향을 미리 보상한다.
우선 도 4c의 색 공간에서 위상을 계산하는 과정을 예시적인 값을 이용하여 설명한다. 상하좌우의 옐로우 필터 픽셀로부터의 Ye''의 크로스토크 성분이 -10dB는 약 0.3이고, Ye''와 G''의 합 벡터는 Ye''벡터의 위상을 변화시킬 뿐 그 크기는 같다고 본다.
도 4e는 크로스토크 성분(Ye''+G''), Cy, 및 Cy'를 나타낸다. 이때 크로스토 크 성분(Ye''+G'')과 Cy'의 각도를 수직으로 보면, Cy와 Cy'의 각도는
Figure 112007070760113-pat00004
이다. 따라서 크로스토크의 영향을 시안 필터 픽셀에서 미리 보상하기 위해서는, 시안 필터 픽셀의 분광 특성을 색 공간상에서의 17˚만큼 미리 보상하여 크로스토크의 영향을 줄일 수 있다.
도 4f 및 도 4g를 이용하여 시안 필터 픽셀의 분광 특성에 대한 주파수 축 상에서의 쉬프트 양을 계산한다. 색 공간상에서의 위상을 주파수 축상에서의 값으로 변환하기 위하여 블루(B)를 나타내는 벡터 및 분광 특성을 이용하여 주파수 축상에서의 쉬프트 양을 구한다. 블루(B)는 도 4f에 도시된 바와 같이 Cy 벡터와 약 64.1˚의 각도를 이루며 색 공간상에 존재한다. 또한 도 4d에 도시된 바와 같이 450nm에서 최대값을 갖는 분광 특성을 갖는다. Cy는 Ye''와 G''에 의한 크로스트크로 인하여 블루(B)와 멀어지는 방향으로 쉬프트되므로, 이를 미리 보상하기 위하여 블루(B) 쪽으로 색 공간상에서 17˚에 해당하는 위상만큼 시안 필터 픽셀의 분광 특성을 쉬프트해야 한다. 색 공간상에서 17˚에 해당하는 주파수 간격을 계산하면 수학식 7과 같다.
Figure 112007070760113-pat00005
따라서 시안 필터 픽셀의 분광 특성은 도 4g에 도시된 바와 같이 Cy에서 블루(B) 방향으로 26.5nm만큼 쉬프트 된 Cy(0)가 되어야 한다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 따른 그린 필터 픽셀에 있어서 크로스토크 영 향을 미리 보상하기 위한 그린 필터 픽셀의 주파수 특성을 구하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5a는 그린 필터 픽셀과 인접한 픽셀들을 나타낸 도면이다. 그린 필터 픽셀은 상하좌우의 옐로우 필터 픽셀, 및 대각의 시안 필터 픽셀로부터 크로스토크의 영향을 받는다. 상하좌우의 옐로우 필터 픽셀에서의 크로스토크 성분을 Ye'', 대각의 시안 필터 픽셀에서의 크로스토크 성분을 Cy''라도 하고, 도 5a에 도시된 바와 같이 각각의 픽셀로부터의 크로스토크 성분을 C1부터 C8로 나타낸다면 각각의 크로스토크 성분(Cy'', Ye'')은 수학식 8과같이 나타낼 수 있다.
Ye'' = C2 + C4 + C6 + C8
Cy'' = C1 + C3 + C5 + C7
크로스토크 현상이 발생하지 않았을 때 그린 필터 픽셀을 투과하여 얻을 수 있는 광한 신호를 G로 나타내면, 크로스토크 현상을 고려한 그린 필터 픽셀을 투과한 광한 신호 G'는 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
G' = G + Cy'' + Ye''
이때 대각 방향의 크로스토크 성분인 Cy''는 Ye''에 비하여 미세하기 때문에 무시할 수 있다.
도 5b는 그린 필터 픽셀과 그린 필터 픽셀에 영향을 주는 크로스토크 성분(Ye'', Cy'')의 분광특성을 나타낸 그래프이다. 이때 가로축은 파장이고 세로축 은 광 감도이다. 옐로우 필터 픽셀과 시안 필터 픽셀로부터의 크로스토크 성분은 그린 필터 픽셀과 분광 특성이 상이하므로 옐로우 필터 픽셀 및 시안 필터 픽셀로부터의 크로스토크로 인하여 그린 필터 픽셀의 분광 특성이 변화할 것임을 예상할 수 있다.
도 5c는 G, G', Ye'', 및 Cy''를 색 공간에 벡터로 표시한 도면이다. 크로스토크의 영향이 없는 상태에서 그린 필터 픽셀을 통과한 광학 신호를 나타내는 G는 인접한 옐로우 필터 픽셀에 의한 Ye'' 및 시안 필터 픽셀에 의한 Cy''에 의한 크로스토크로 인하여 G'로 이동된다. 이때 크로스토크에 의하여 G의 위상은 변화하였으나, 벡터 크기의 변화는 거의 없으므로 광학 신호의 양은 감소되지 않음을 알 수 있다. 그러나 G의 위상은 G'로 변하였고, 이는 크로스토크로 인해 광학 신호의 분광 특상이 변화된 것을 나타낸다. 그러므로 본 발명은 크로스토크가 없는 상태에서의 G로 돌아가기 위하여 크로스토크의 영향을 미리 보상한다.
우선 도 5c의 색 공간에서 위상을 계산하는 과정을 예시적인 값을 이용하여 설명한다. 상하좌우의 옐로우 필터 픽셀로부터의 Ye''의 크로스토크 성분이 -10dB = 0.3이고, Ye''와 Cy''의 합 벡터는 Ye''벡터의 위상을 변화시킬 뿐 그 크기는 같다고 본다.
도 5e는 크로스토크 성분(Ye''+ Cy''), G, 및 G'를 나타낸다. 이때 크로스토크 성분(Ye''+ Cy'')과 G의 각도를 수직으로 보면, G와 G'의 각도는
Figure 112007070760113-pat00006
이다. 따라서 크로스토크의 영향을 시안 필터 픽셀에서 미리 보상하기 위해서는, 시안 필터 픽셀의 분광 특성을 색 공간상에서의 17˚만큼 미리 보상 하여 크로스토크의 영향을 줄일 수 있다.
도 5f 및 도 5g를 이용하여 시안 필터 픽셀의 분광 특성에 대한 주파수 축 상에서의 쉬프트 양을 계산한다. 색 공간상에서의 위상을 주파수 축상에서의 값으로 변환하기 위하여 블루(B)를 나타내는 벡터 및 분광 특성을 이용하여 주파수 축상에서의 쉬프트 양을 구한다. 블루(B)는 도 5c에 도시된 바와 같이 G 벡터와 106.9˚의 각도를 이루며 색 공간상에 존재한다. 또한 도 5d에 도시된 바와 같이 450nm에서 최대값을 갖는 분광 특성을 갖는다. G는 Ye''와 Cy''에 의한 크로스트크로 인하여 블루(B)와 멀어지는 방향으로 쉬프트되므로, 이를 미리 보상하기 위하여 블루(B) 쪽으로 색 공간상에서 17˚에 해당하는 위상만큼 그린 필터 픽셀의 분광 특성을 쉬프트해야 한다. 색 공간상에서 17˚에 해당하는 주파수 간격을 계산하면 수학식 10과 같다.
Figure 112007070760113-pat00007
따라서 시안 필터 픽셀의 분광 특성은 도 5g에 도시된 바와 같이 G에서 블루(B) 방향으로 15.9nm만큼 쉬프트 된 G(0)가 되어야 한다.
이와 같이 공통적으로 그린 성분을 많이 포함하고, 크로스토크의 영향이 미리 보상된 컬러 필터 어레이를 사용함으로써, 각 광학 신호의 양의 감소가 적을 뿐만 아니라 색 재현성을 높인 이미지 센서를 구현할 수 있다. 다만, 실제 설계에서는 각 색 좌표의 크기 및 각도를 모두 고려하고, 모든 픽셀로부터의 크로스토크까 지 고려될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 신호 처리부를 나타낸 도면이다.
이미지 센서는 입력된 광학 신호를 전기적인 신호로 변환하고, 이를 그린 출력, 레드 출력, 및 블루 출력으로 출력한다. 본 발명에 따른 신호 처리부(600)는 이미지 센서로부터 출력된 그린 출력, 옐로우 출력, 및 시안 출력을 포함하는 단위 픽셀에 대한 전기적인 신호를 그린 출력, 레드 출력, 및 블루 출력으로 변환하여 출력한다. 또한 광학 신호를 표현하기 위해서는 그린 출력, 레드 출력, 블루 출력 이외에 휘도가 필요하므로, 이미지 센서의 단위 픽셀에서 출력된 신호로부터 휘도 출력을 구한다. 이때 단위 픽셀에서 출력된 신호는 단위 픽셀에 포함된 그린 필터 픽셀, 옐로우 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀로부터 출력된 신호의 선형 결합이다. 이때 그린 필터 픽셀, 옐로우 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀로부터 출력된 신호를 그대로 합산할 수 있다. 또한 양자택일적으로 그린 필터 픽셀, 옐로우 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀로부터 출력된 신호에 서로 다른 가중치를 부여하여 선형 결합할 수 있다.
휘도 출력부(610)는 이미지 센서의 단위 픽셀에서 출력된 신호를 휘도 출력으로 출력한다. 바람직하게는 단위 픽셀에서 출력된 신호가 저역 통과 필터(612)를 통과한 신호가 휘도 출력이다.
휘도는 빛의 밝기를 나타낸다. 휘도는 레드 출력, 그린 출력, 및 블루 출력의 선형 결합의 형태로 나타낼 수 있는데, 휘도를 나타내기 위한 이상적인 선형 결합 형태는 수학식 11과 같다.
Figure 112007070760113-pat00008
이때 G, R, 및 B는 각각 그린 출력, 레드 출력, 및 블루 출력의 세기를 나타내고, 각각의 계수는 가중치의 비율을 나타낼 뿐 절대값은 중요하지 않다.
본 발명은 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀의 면적 비율이 2:1:1이다. 그리고 옐로우 출력(Ye), 그린 출력(G), 및 시안 출력(Cy)을 그린 출력(G), 레드 출력(R), 및 블루 출력(B)으로 나타내면 수학식 12와 같다.
Figure 112007070760113-pat00009
Figure 112007070760113-pat00010
Figure 112007070760113-pat00011
단위 픽셀에서 출력되는 출력 신호는 Ye + G + Cy이므로 이를 R, G, B로 나타내면 수학식 13과 같다.
Figure 112007070760113-pat00012
Figure 112007070760113-pat00013
Figure 112007070760113-pat00014
그러므로 단위 픽셀에서 출력된 신호에 대한 어떠한 연산 없이도 저역통과필터(612)의 통과만으로 휘도 출력을 구할 수 있다.
색 변환부(620)는 단위 픽셀에서 출력된 신호로부터 그린 출력(G), 레드 출력(R), 및 블루 출력(B)을 얻는다.
색 변환부(620)는 옐로우 출력, 그린 출력, 및 시안 출력이 합산된 단위 픽셀의 출력으로부터 각 신호를 샘플링부(622)에서 분리한다. 샘플링부(622)는 임시 그린 출력(G0), 옐로우 출력(Ye), 및 시안 출력(Cy)을 출력한다. 옐로우 출력 및 시안 출력은 각각 임시 레드 출력(R0) 및 임시 블루 출력(B0)으로 변환되어야 한다. 옐로우 출력(Ye)은 옐로우 출력(Cy)에서 임시 그린 출력(G0)을 감산(626)하여 임시 레드 출력(R0)으로 변환된다. 시안 출력(Cy)은 시안 출력(Cy)에서 임시 그린 출력(G0)을 감산(628)하여 임시 블루 출력(B0)으로 변환된다.
색 보정부(624)는 임시 그린 출력(G0), 임시 레드 출력(R0), 및 임시 블루 출력(B0)으로부터 그린 출력(G), 레드 출력(R), 및 블루 출력(B)을 구한다. 이는 임시 그린 출력(G0), 임시 레드 출력(R0), 및 임시 블루 출력(B0)의 순도를 높이고 이미지 센서의 색 재현성을 높이기 위함이다. 색 보정부(624)는 수학식 14와 같은 행렬 연산을 수행한다.
Figure 112007070760113-pat00015
이때 임시 레드 신호(R0), 임시 그린 신호(G0), 및 임시 블루 신호(B0)의 순도가 높을수록 행렬의 대각성분(K11, K22, K33)은 1에 가깝고 나머지 성분들(K12, K13, K21, K23, K31, K33)은 0에 가까워진다. 만일 임시 레드 신호(R0), 임시 그린 신호(G0), 및 임시 블루 신호(B0)의 순도가 낮아 행렬의 대각 성분(K11, K22, K33)이 커지고 나머지 성분들(K12, K13, K21, K23, K31, K33)이 0이 아닌 큰 절대값을 갖는다면 신호가 증폭되면서 노이즈의 레벨도 높아지기 때문에 SNR이 감소하고 색 재현성이 저하된다.
본 발명은 컬러 필터 어레이에서 미리 크로스토크의 영향을 보상하여 R0, G0, 및 B0의 순도를 높여 대각 성분(K11, K22, K33)은 1에 가깝고 나머지 성분들(K12, K13, K21, K23, K31, K33)은 0에 가까운 값을 얻을 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 이미지 센서의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 옐로우 필터 픽셀에 있어서 크로스토크 영향을 미리 보상하기 위한 옐로우 필터 픽셀의 주파수 특성을 구하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4g는 본 발명에 따른 시안 필터 픽셀에 있어서 크로스토크 영향을 미리 보상하기 위한 시안 필터 픽셀의 주파수 특성을 구하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 따른 그린 필터 픽셀에 있어서 크로스토크 영향을 미리 보상하기 위한 그린 필터 픽셀의 주파수 특성을 구하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 신호 처리부를 나타낸 도면이다.

Claims (14)

  1. 광원으로부터 입사된 광학 신호을 집광하는 마이크로렌즈;
    상기 마이크로렌즈를 통과한 광학 신호를 입력받아, 일정 영역 주파수의 광학 신호만을 통과시키는 컬러 필터 어레이; 및
    상기 컬러 필터 어레이로부터 광학 신호를 입력받아, 입사된 상기 광학 신호의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시키는 광감지소자를 포함하고,
    상기 컬러 필터 어레이는 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀을 포함하며, 상기 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀의 면적 비율을 달리하고, 상기 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀 각각은 인접 서브 픽셀에 의한 크로스토크 성분을 기초로 분광특성이 쉬프트되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀 중 상기 옐로우 필터 픽셀의 면적 비율이 가장 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀의 면적 비율이 2:1:1인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 2행 2열 형태로 배치된 4개의 서브 픽셀을 포함하는 단위 픽셀들로 이루어지고, 상기 단위 픽셀은,
    대각선 방향으로 배치된 2개의 상기 옐로우 필터 픽셀, 및 나머지 2개의 상기 서브 픽셀에 각각 배치된 상기 그린 필터 픽셀 및 상기 시안 필터 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 옐로우 필터 픽셀, 상기 그린 필터 픽셀, 및 상기 시안 필터 픽셀은 인접 서브 픽셀에 의한 크로스토크의 영향이 상쇄되도록 상기 옐로우 필터 픽셀, 상기 그린 필터 픽셀, 및 상기 시안 필터 픽셀의 안료 성분의 종류 및 비율을 조절하여 분광 특성이 미리 보상된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 CIS(CMOS Image Sensor)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀을 포함하고, 상기 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀의 면적 비율이 2:1:1이고, 상기 옐로우 필터 픽셀, 그린 필터 픽셀, 및 시안 필터 픽셀 각각은 인접 서브 픽셀에 의한 크로스토크 성분을 기초로 분광특성이 쉬프트되는 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 있어서,
    상기 이미지 센서는 각 단위 픽셀에 대해 4개의 서브 픽셀에 대한 신호를 출력하고,
    상기 촬상 장치는,
    각각의 상기 단위 픽셀들로부터 출력된 신호를 레드 출력, 그린 출력, 및 블루 출력으로 변환하여 출력하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    단위 픽셀로부터 출력된 출력 신호를 입사광의 휘도로 출력하는 휘도 출력부; 및
    상기 그린 필터 픽셀이 배치된 상기 서브 픽셀로부터 출력된 출력 신호를 임시 그린 출력으로 출력하고, 상기 옐로우 필터 픽셀이 배치된 상기 서브 픽셀로부터 출력된 출력 신호로부터 상기 임시 그린 출력을 감산한 신호를 임시 레드 출력으로 출력하고, 상기 시안 필터 픽셀이 배치된 상기 서브 픽셀로부터 출력된 출력 신호로부터 상기 임시 그린 출력을 감산한 신호를 임시 블루 출력으로 출력하는 색 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 휘도 출력부는 저역통과필터를 구비하고, 상기 단위 픽셀로부터 출력된 신호를 상기 저역통과필터에 통과시켜 휘도로 출력하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 색 변환부로부터 출력된 상기 임시 그린 출력, 상기 임시 레드 출력, 및 상기 임시 블루 출력을 선형 결합하여 색의 순도를 높인 그린 출력, 레드 출력, 및 블루 출력을 출력하는 색 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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