KR20160072508A

KR20160072508A - 컬러 필터 어레이 및 이를 구비한 이미지 센서

Info

Publication number: KR20160072508A
Application number: KR1020140180215A
Authority: KR
Inventors: 차수람; 이종석
Original assignee: 에스케이하이닉스 주식회사
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-23
Also published as: US20160173835A1; US9716867B2; KR102219784B1

Abstract

컬러 필터 어레이를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이는 가시광영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제1픽셀; 상기 가시광영역에서 제1영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제2픽셀; 상기 가시광영역에서 제2영역의 파장들을 통화시키는 복수의 제3픽셀; 및 상기 가시광영역에서 상기 제1영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제1하프픽셀 및 상기 제2영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제2하프픽셀을 포함한 복수의 크로스토크 검출 픽셀을 포함할 수 있다.

Description

컬러 필터 어레이 및 이를 구비한 이미지 센서{COLOR FILTER ARRAY AND IMAGE SENSOR HAVING THE SAME}

본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 컬러 필터 어레이 및 이를 구비한 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서는 광학영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 컬러 구현을 위해 컬러 필터 어레이(Color Filter Array, CFA)를 사용하고 있다. 컬러 필터 어레이는 광전변환소자 위에 위치하여 입사광의 특정한 파장 대역을 통과시키는 모자이크 필터를 지칭한다. 컬러 필터 어레이의 디자인 패턴으로는 베이어 패턴(Bayer pattern)이 대표적이다. 베이어 패턴은 2×2 행렬 구조로 구성되며, 2×2 행렬 구조 내에 R 픽셀 및 G 픽셀(RG)과, G 픽셀 및 B 픽셀(GB)이 배치된다. 즉, 베이어 패턴은 RG/GB 픽셀이 반복되는 구조를 갖고 있다.

베이어 패턴은 원색을 가공 없이 획득할 수 있기 때문에 색을 풍부하게 표현할 수 있다. 그러나, 광량의 손실이 심하여 감도가 낮고, RG/GB 픽셀이 반복되는 구조로 인해 픽셀 사이의 크로스토크에 기인한 컬러 재현성이 열악하다는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 감도 및 컬러 재현성을 향상시킬 수 있는 컬러 필터 어레이 및 이를 구비한 이미지 센서를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이는 가시광영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제1픽셀; 상기 가시광영역에서 제1영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제2픽셀; 상기 가시광영역에서 제2영역의 파장들을 통화시키는 복수의 제3픽셀; 및 상기 가시광영역에서 상기 제1영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제1하프픽셀 및 상기 제2영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제2하프픽셀을 포함한 복수의 크로스토크 검출 픽셀을 포함할 수 있다.

상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀 각각은 적어도 둘 이상의 상기 복수의 제1픽셀, 상기 복수의 제2픽셀 및 상기 복수의 제3픽셀과 인접하게 배치될 수 있다. 상기 제1하프픽셀 및 상기 제2하프픽셀은 각각 상기 제1영역의 에지에 대응하는 파장들 및 상기 제2영역의 에지에 대응하는 파장들을 통과시킬 수 있다. 상기 제1하프픽셀은 상기 제2픽셀과 상호 분광 감도가 클 수 있고, 상기 제2하프픽셀은 상기 제3픽셀과 상호 분광 감도가 클 수 있다. 상기 복수의 제1픽셀은 바둑판 형태로 배치될 수 있다. 복수의 크로스토크 검출 픽셀 각각은 상기 복수의 제1픽셀 각각과 서로 동일한 행 및 열에 배치되거나, 또는 서로 다른 행 및 열에 배치될 수 있다. 상기 복수의 제1픽셀은 가시광영역의 파장들과 더불어서 적외선영역의 파장들도 통과시킬 수 있다. 복수의 제1픽셀 개수와 상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀 개수의 합은 전체 픽셀 개수의 40% 내지 60% 범위일 수 있다. 상기 복수의 제1픽셀 개수는 상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀 개수와 동일하거나, 또는 더 많을 수 있다. 상기 복수의 제2픽셀 및 상기 복수의 제3픽셀은 상기 복수의 제1픽셀 및 상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀을 제외한 나머지 공간에 램덤하게 배치될 수 있다. 상기 복수의 제2픽셀의 개수는 상기 복수의 제3픽셀의 개수와 동일할 수 있다. 상기 복수의 제2픽셀 및 상기 복수의 제3픽셀은 레드픽셀, 그린픽셀, 블루픽셀, 사이언픽셀, 옐로우픽셀 및 마젠타픽셀로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 복수의 제2픽셀은 상기 복수의 제3픽셀에 대한 상호 분광 감도가 가장 낮은 필터를 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1픽셀은 화이트픽셀 또는 투명픽셀을 포함하고, 상기 복수의 제2픽셀 및 상기 복수의 제3픽셀은 각각 블루픽셀 및 레드픽셀을 포함하며, 상기 제1하프픽셀 및 상기 제2하프픽셀은 각각 사이언픽셀 및 옐로우픽셀을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이는 3×3 행렬 구조를 갖는 복수의 서브 어레이를 포함하고, 상기 복수의 서브 어레이 각각은, 가시광영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제1픽셀; 상기 가시광영역에서 제1영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제2픽셀; 상기 가시광영역에서 제2영역의 파장들을 통화시키는 복수의 제3픽셀; 및 상기 가시광영역에서 상기 제1영역의 파장들 중 일부를 공유하는 제1하프픽셀 및 상기 제2영역의 파장들 중 일부를 공유하는 제2하프픽셀을 포함하여 상기 서브 어레이의 센터에 배치된 크로스토크 검출 픽셀을 포함할 수 있다.

상기 서브 어레이에서 상기 복수의 제1픽셀, 상기 복수의 제2픽셀, 상기 복수의 제3픽셀 및 상기 크로스토크 검출 픽셀의 개수비는 4:2:2:1 일 수 있다. 상기 복수의 서브 어레이 각각은 상기 크로스토크 검출 픽셀을 제외한 나머지 픽셀들을 일부 공유할 수 있다. 상기 제1하프픽셀 및 상기 제2하프픽셀은 각각 상기 제1영역의 에지에 대응하는 파장들 및 상기 제2영역의 에지에 대응하는 파장들을 통과시킬 수 있다. 상기 제1하프픽셀은 상기 제2픽셀과 상호 분광 감도가 클 수 있고, 상기 제2하프픽셀은 상기 제3픽셀과 상호 분광 감도가 클 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 가시광영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제1픽셀; 상기 가시광영역에서 제1영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제2픽셀; 상기 가시광영역에서 제2영역의 파장들을 통화시키는 복수의 제3픽셀; 상기 가시광영역에서 상기 제1영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제1하프픽셀 및 상기 제2영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제2하프픽셀을 포함한 복수의 크로스토크 검출 픽셀을 포함하는 컬러 필터 어레이; 및 상기 컬러 필터 어레이 하부에 형성되어 상기 복수의 제1픽셀, 상기 복수의 제2픽셀, 상기 복수의 제3픽셀 및 상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀 각각에 대응하는 복수의 광전변환소자를 포함하는 광전변환층을 포함할 수 있다.

상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술의 컬러 필터 어레이는 복수의 제1픽셀 및 복수의 크로스토크 검출 픽셀을 구비함에 따라 광량 손실에 기인한 감도 저하를 방지함과 동시에 컬러 재현성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 포함하는 이미지 센서를 간략히 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 장치를 간략히 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에서 픽셀 신호를 출력하는 각각의 픽셀들에 대한 등가회로도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 이용한 컬러 정보 획득 방법을 설명하기 위한 플로우 차트.

이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1 층이 제2 층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1 층이 제2 층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1 층과 제2 층 사이 또는 제1 층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.

후술하는 본 발명의 실시예는 감도 및 컬러 재현성을 향상시킬 수 있는 컬러 필터 어레이 및 이를 구비한 이미지 센서를 제공한다. 본 발명의 실시예는 광량 손실에 기인한 감도 저하를 방지하고 보간처리(interpolation processing)시 컬러 재현성을 향상시키기 위하여 화이트픽셀(또는 투명픽셀) 및 크로스토크 정보를 획득할 수 있는 크로스토크 검출 픽셀을 구비한다. 크로스토크 검출 픽셀로부터 획득한 크로스토크 정보를 이용하여 이미지 프로세싱 예컨대, auto white balance 또는 lens shading correction에 대한 정확도를 향상시킬 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 컬러 필터 어레이(100)는 가시광영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제1픽셀(110), 가시광영역에서 제1영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제2픽셀(120), 가시광영역에서 제2영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제3픽셀(130) 및 가시광영역에서 제1영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제1하프픽셀(First Half-pixel, 141)과 제2영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제2하프픽셀(Second Half-pixel, 142)을 포함하는 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140) 각각은 적어도 둘 이상의 제1픽셀(110), 둘 이상의 제2픽셀(120) 및 둘 이상의 제3픽셀(130)과 인접하게 배치될 수 있다.

크로스토크 검출 픽셀(140)에서 제1하프픽셀(141) 및 제2하프픽셀(142)은 제1픽셀(110) 내지 제3픽셀(130) 대비 절반의 면적을 가질 수 있으며, 제1하프픽셀(141)은 및 제2하프픽셀(142)로 구성된 크로스토크 검출 픽셀(140)은 제1픽셀(110) 내지 제3픽셀(130)과 동일한 면적을 가질 수 있다. 제1하프픽셀(141) 및 제2하프픽셀(142)은 각각 제1영역의 에지에 대응하는 파장들 및 제2영역의 에지에 대응하는 파장들을 통과시킬 수 있다. 이는, 제1하프픽셀(141)은 제2픽셀(120)과 상호 분광 감도(correlation of spectral sensitivity)가 크고, 제2하프픽셀(142)은 제3픽셀(130)과 상호 분광 감고도 크다는 것을 의미할 수 있다. 상호 분광 감도가 크다는 것은 두 픽셀에 대응하는 영역의 파장들 사이의 간격 또는 파장길이의 차이가 작은 것을 의미할 수 있다. 예컨대, 제2픽셀(120) 및 제3픽셀(130)이 각각 블루픽셀(blue pixel) 및 레드픽셀(red pixel)인 경우에 제1하프픽셀(141)은 블루픽셀과 상호 분광 감도가 큰 사이언픽셀(cyan pixel)일 수 있고, 제2하프픽셀(142)은 레드픽셀과 상호 분광 감도가 큰 옐로우픽셀(yellow pixel)일 수 있다.

복수의 크로스토크 검출 픽셀(140) 각각은 복수의 제1픽셀(110) 각각과 서로 다른 행 및 열에 배치될 수 있다. 이 경우, 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140) 및 복수의 제1픽셀(110)은 사선방향으로 서로 번갈아 배치될 수 있다. 또한, 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140)은 복수의 제1픽셀(110) 각각과 서로 동일한 행 및 열에 배치될 수 있다. 이로써, 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140) 각각을 복수의 제1픽셀(110)이 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 이를 통해, 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140)에 대한 후처리 예컨대, 보간처리시 컬러 재현성을 향상시킬 수 있다.

가시광영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제1픽셀(110)은 광량 손실에 기인한 감도 저하를 방지하고, 보간처리시 가시광영역에서 제1영역 및 제2영역을 제외한 나머지 영역 예컨대, 제3영역의 파장들에 대응하는 컬러 정보를 획득하기 위한 것일 수 있다. 복수의 제1픽셀(110)을 화이트픽셀(White pixel)일 수 있다. 또한, 복수의 제1픽셀(110)은 컬러 정보와 더불어 적외선 정보 또는 거리 정보를 획득하기 위하여 가시광영역과 더불어서 적외선영역의 파장들도 통과시키는 투명픽셀(transparent pixel)일 수도 있다. 복수의 제1픽셀(110)은 바둑판 형태(checker pattern)로 배치될 수 있다.

복수의 제1픽셀(110) 개수와 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140) 개수의 합은 전체 픽셀 개수의 50% 내외일 수 있다. 구체적으로, 전체 픽셀 개수의 40% 내지 60% 범위일 수 있다. 여기서, 복수의 제1픽셀(110) 개수와 상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140) 개수의 합이 40% 미만인 경우에는 광량 손실에 기인한 감도 저하를 보상하기 어려울 수 있고, 개수의 합이 60%를 초과하는 경우에는 컬러 재현성이 저하될 수 있다. 복수의 제1픽셀(110) 개수는 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140) 개수와 동일하거나, 또는 더 많을 수 있다. 복수의 제1픽셀(110) 개수보다 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140) 개수가 더 많으며 후처리 예컨대, 보간처리에 대한 난이도 및 시간이 증가할 우려가 있다.

복수의 제2픽셀(120) 및 복수의 제3픽셀(130)은 컬러 정보를 획득하기 위한 것일 수 있다. 복수의 제2픽셀(120) 및 복수의 제3픽셀(130)은 복수의 제1픽셀(110) 및 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140)이 배치된 공간을 제외한 나머지 공간에서 램덤하게 배치될 수 있다. 이때, 컬러 필터 어레이(100) 내에서 복수의 제2픽셀(120) 개수와 복수의 제3픽셀(130) 개수는 서로 동일할 수 있다.

복수의 제2픽셀(120) 및 복수의 제3픽셀(130)은 레드픽셀(red pixel), 그린픽셀(green pixel), 블루픽셀(blue pixel), 사이언픽셀(cyan pixel), 옐로우픽셀(yellow pixel) 및 마젠타픽셀(magenta pixel)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 상술한 픽셀들 중에서 복수의 제2픽셀(120)은 복수의 제3픽셀(130)에 대한 상호 분광 감도(correlation of spectral sensitivity)가 가장 작은 것일 수 있다. 상호 분광 감도가 작은 것은 제2픽셀(120)에 대응하는 제1영역의 파장들과 제3픽셀(130)에 대응하는 제2영역의 파장들 사이의 간격 또는 파장길이의 차이가 큰 것을 의미할 수 있다. 예컨대, 제2픽셀(120)이 블루픽셀인 경우에 제3픽셀(130)은 레드픽셀일 수 있다. 이는, 후처리 예컨대, 보간처리를 통해 양질의 컬러 정보를 획득하기 위함이다. 즉, 컬러 재현성을 향상시키기 위함이다.

또한, 실시예에 따른 컬러 필터 어레이(100)는 3×3 행렬 구조를 갖는 복수의 서브 어레이(101)를 포함할 수 있다. 복수의 서브 어레이(101)는 컬러 필터 어레이(100) 내에서 램덤하게 배치될 수 있다. 서브 어레이(101)는 센터에 배치된 크로스토크 검출 픽셀(140), 크로스토크 검출 픽셀(140)을 둘러싸는 복수의 제1픽셀(110), 복수의 제2픽셀(120) 및 복수의 제3픽셀(130)을 포함할 수 있다. 복수의 제2픽셀(120) 및 복수의 제3픽셀(130)은 복수의 제1픽셀(110) 사이에 배치될 수 있다. 일례로, 시계방향으로 제1픽셀(110), 제2픽셀(120), 제1픽셀(110), 제3픽셀(130) 순서로 복수의 제1픽셀(110), 복수의 제2픽셀(120) 및 복수의 제3픽셀(130)이 크로스토크 검출 픽셀(140)을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 서브 어레이(101)에서 제1픽셀(110), 제2픽셀(120), 제3픽셀(130) 및 크로스토크 검출 픽셀(140)의 개수비는 4:2:2:1일 수 있다. 복수의 서브 어레이(101) 각각은 크로스토크 검출 픽셀(140)을 제외한 나머지 제1픽셀(110) 내지 제3픽셀(130)을 일부 공유할 수 있다. 서브 어레이(101)는 보간처리를 포함한 이미지 프로세싱의 기본 단위로 작용할 수 있다.

실시예에 따른 컬러 필터 어레이(100)는 복수의 제1픽셀(110) 및 복수의 크로스토크 검출 픽셀(140)을 구비함에 따라 광량 손실에 기인한 감도 저하를 방지함과 동시에 컬러 재현성을 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 포함하는 이미지 센서를 간략히 도시한 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 장치를 간략히 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(300)는 픽셀 어레이(200), 로우 디코더(220), 타이밍 생성기(240) 및 CDS/ADC 회로(260)를 포함할 수 있다.

픽셀 어레이(200)는 실시예에 따른 컬러 필터 어레이(100) 및 컬러 필터 어레이(100) 하부에 형성되어 컬러 필터 어레이(100) 각각의 픽셀에 대응하는 복수의 광전변환소자(photoelectric conversion element)를 포함하는 광전변환층(210)을 포함할 수 있다. 제1하프픽셀(141) 및 제2하프픽셀(142)에 각각 대응하는 광전변환소자는 제1픽셀(110) 내지 제3픽셀(130)에 대응하는 광전변환소자보다 작은 면적을 가질 수 있다. 픽셀 어레이(200)는 입사광에 포함한 컬러 정보를 출력하기 위한 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각은 대응하는 컬러 필터 어레이(100)를 통과한 입사광에 상응하는 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 광전변환소자는 포토다이오드를 포함할 수 있다.

로우 디코더(220)는 타이밍 생성기(240)로부터 출력된 어드레스와 제어 신호들에 응답하여 다수의 로우들 중에서 하나의 로우(row)를 선택할 수 있다. CDS/ADC 회로(260)는 타이밍 생성기(240)로부터 출력된 제어 신호들에 응답하여 픽셀 어레이(200)로부터 출력된 신호들 각각에 대하여 CDS(correlated double sampling)을 수행하고 CDS된 신호들 각각을 아날로그-디지털 변환하여 디시털 신호들 각각을 출력할 수 있다. 디지털 신호들 각각은 대응하는 컬러 필터 어레이(100)를 통과한 입사광 파장들의 세기에 대응하는 신호들일 수 있다.

또한, 실시예에 따른 이미지 센서(300)는 출력 버퍼(270)와 신호 처리 회로(280)를 더 포함할 수 있다. 신호 처리 회로(280)는 도 4에 도시된 이미지 처리 장치(image processing system)의 프로세서의 일부로서 구현될 수 있다. 신호 처리 회로(280)는 다수의 픽셀 신호들 또는 다수의 디지털 신호들을 기초로 이미지 정보 및 깊이 정보를 생성할 수 있다. 출력 버퍼(270)는 CDS/ACC 회로(260)로부터 출력된 디지털 신호들을 저장하는 다수의 버퍼들로 구현될 수 있다. 출력 버퍼(270)는 상기 디지털 신호들을 신호 처리 회로(280)로 출력할 수 있다. 실시예에 따라 출력 버퍼(270)는 생략될 수 있다.

실시예에 따른 이미지 처리 장치(image processing system)는 디지털 카메라, 디지털 카메라가 내장된 이동 전화기, 또는 디지털 카메라를 포함하는 모든 전자 장치를 포함한다. 이미지 처리 장치는 2차원 이미지 정보 또는 3차원 이미지 정보를 처리할 수 있다. 이미지 처리 장치는 실시예에 따른 이미지 센서(300) 및 이미지 센서(300)의 동작을 제어하기 위한 프로세서(340)를 포함할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 이미지 장치는 인터페이스(360) 및 메모리(380)를 더 포함할 수 있다. 인터페이스(360)는 영상 표시 장치 또는 입출력 장치일 수 있다. 메모리(380)는 프로세서(340)의 제어하에 이미지 센서로부터 제공되는 정보 및 이를 이용하여 가공된 정보를 저장할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에서 픽셀 신호를 출력하는 각각의 픽셀들에 대한 등가회로도이다. 구체적으로, 도 4a는 제1픽셀 내지 제3픽셀에 대응하는 등가회로를 도시한 도면이고, 도 4b는 크로스토크 검출 픽셀에 대응하는 등가회로를 도시한 도면이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 제1픽셀 내지 제3픽셀은 광전변환소자(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx, transfer transistor), 리셋 트랜지스터(Rx, reset transistor), 드라이브 트랜지스터(Dx, Drive transistor) 및 선택 트랜지스터(Sx, selection transistor)를 포함할 수 있다. 참고로, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 '소스팔로워 트랜지스터(Source Follower transister)'라 지칭되기도 한다.

광전변환소자(PD)는 포토다이오드(photo diode)일 수 있다. 광전변환소자(PD)의 일측은 그라운드에 연결될 수 있다. 전송신호(TRF)에 응답하여 동작하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 일측(예컨대, 소스)은 광전변환소자(PD)에 연결되고, 타측(예컨대, 드레인)은 플로팅디퓨젼노드(FD)에 연결될 수 있다. 아울러, 플로팅디퓨젼노드(FD)는 리셋신호(RST)에 응답하여 동작하는 리셋 트랜지스터(Rx)의 일측에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(Rx)의 타측은 전원전압단(VDD)에 연결될 수 있고, 드라이브 트랜지스터(Dx)의 일측도 전원전압단(VDD)에 연결될 수 있다. 드라이브 트랜지스터(Dx)의 드라이브 게이트는 플로팅디퓨젼노드(FD)에 연결될 수 있다. 드라이브 트랜지스터(Dx)의 타측은 선택신호(SEL)에 응답하여 동작하는 선택 트랜지스터(Sx)의 일측에 연결될 수 있고, 선택 트랜지스터(Sx)의 타측을 통해 픽셀신호(POUT)가 출력될 수 있다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 크로스토크 검출 픽셀은 제1픽셀 내지 제3픽셀과 기본적으로 동일하되, 제1하프픽셀 및 제2하프픽셀에 대응하도록 광전변환소자(PD1, PD2)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 두 개로 분리된 점에서 차이가 있다. 제1하프픽셀 및 제2하프픽셀에 대응하는 광전변환소자(PD1, PD2)는 제1픽셀 내지 제3픽셀에 대응하는 광전변환소자(PD)의 절반의 면적을 가질 수 있다. 두 개의 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 각각 제1전송신호(TRF1) 및 제2전송신호(TRF2)에 응답하여 개별적으로 동작할 수 있다. 즉, 제1하프픽셀에 대응하는 광전변환소자(PD1)에서 생성된 광전하는 제1전송신호(TRF1)에 응답하여 플로팅디퓨전노드(FD)로 전달될 수 있고, 제2하프픽셀에 대응하는 광전변환소자(PD2)에서 생성된 광전하는 제2전송신호(TRF2)에 응답하여 플로팅디퓨전노드(FD)로 전달될 수 있다.

이하에서는, 도 1 내지 도 4를 통해 설명한 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이 및 이를 구비한 이미지 센서로부터 컬러 정보를 획득하는 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 제1픽셀, 제2픽셀, 제3픽셀, 크로스토크 검출 픽셀의 제1하프픽셀 및 제2하프픽셀은 각각 화이트픽셀, 블루픽셀, 레드픽셀, 사이언픽셀 및 옐로우픽셀이라 가정한다. 그리고, 3×3 행렬 구조를 갖는 서브 어레이에서 하나의 크로스토크 검출 픽셀이 서브 어레이의 센터에 위치하고, 네 개의 화이트픽셀이 서브 어레이 모서리에 각각 위치한다고 가정한다. 그리고, 행 방향으로 화이트픽셀 사이에 두 개의 블루픽셀이 위치하고, 행 방향으로 크로스토크 검출 픽셀 양측에 두 개의 레드픽셀이 위치한다고 가정한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 이용한 컬러 정보 획득 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.

먼저, 신호 처리 회로(도 2의 도면부호 '280' 참조) 또는 프로세서(도 3의 도면부호 '340' 참조)에 픽셀신호들을 로딩한다. 이때, 픽셀신호들은 서브 어레이 단위로 로딩될 수 있다. 즉, 하나 이상의 서브 어레이에서 출력된 픽셀신호들을 신호 처리 회로 또는 프로세서로 로딩한다.

다음으로, 화이트픽셀, 블루픽셀 및 레드픽셀에 비해 면적이 작은 광전변환소자로부터 출력되는 크로스토크 검출 픽셀의 제1하프픽셀 및 제2하프픽셀의 출력에 대한 이득을 조정한다. 즉, 제1하프픽셀 및 제2하프픽셀의 출력에 대한 세기(intensity)를 증폭시킨다.

다음으로, 증폭된 크로스토크 검출 픽셀의 출력은 기반으로 블루픽셀 및 레드픽셀 위치에서 크로스토크 정보를 추출한다. 추출된 크로스토크 정보는 auto white balance 또는 lens shading correction에 사용될 수 있다.

다음으로, 블루픽셀 및 레드픽셀의 출력에 추출된 크로스토크 정보를 보상해준다. 이를 통해, 컬러 재현성을 향상시킬 수 있다.

다음으로, 크로스토크 검출 픽셀을 둘러싸는 네 개의 화이트픽셀 출력을 이용하여 크로스토크 검출 픽셀의 위치에서 화이트값을 추정한다. 즉, 크로스토크 검출 픽셀을 화이트픽셀로 보간한다

다음으로, 보간된 화이트픽셀을 포함한 다섯개의 화이트픽셀에 대응하는 픽셀신호의 평균값을 기준으로 각 화이트픽셀의 밝기 차이에 따른 가중치를 산출한다. 이어서, 각각의 화이트픽셀과 인접한 블루픽셀 및 레드픽셀을 비교하고, 각각의 화이트픽셀에 밝기 차이에 따른 가중치 및 크로스토크 정보를 반영하여 각각의 화이트픽셀을 그린픽셀로 보간한다. 이로써, RGB 컬러 정보를 생성할 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 컬러 필터 어레이 101 : 서브 어레이
110 : 제1픽셀 120 : 제2픽셀
130 : 제3픽셀 140 : 크로스토크 검출 픽셀
141 : 제1하프픽셀 142 : 제2하프픽셀

Claims

가시광영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제1픽셀;
상기 가시광영역에서 제1영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제2픽셀;
상기 가시광영역에서 제2영역의 파장들을 통화시키는 복수의 제3픽셀; 및
상기 가시광영역에서 상기 제1영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제1하프픽셀 및 상기 제2영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제2하프픽셀을 포함한 복수의 크로스토크 검출 픽셀
을 포함하는 컬러 필터 어레이.
제1항에 있어서,
상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀 각각은 적어도 둘 이상의 상기 복수의 제1픽셀, 상기 복수의 제2픽셀 및 상기 복수의 제3픽셀과 인접하게 배치되는 컬러 필터 어레이.
제1항에 있어서,
상기 제1하프픽셀 및 상기 제2하프픽셀은 각각 상기 제1영역의 에지에 대응하는 파장들 및 상기 제2영역의 에지에 대응하는 파장들을 통과시키는 컬러 필터 어레이.
제1항에 있어서,
상기 제1하프픽셀은 상기 제2픽셀과 상호 분광 감도가 크고, 상기 제2하프픽셀은 상기 제3픽셀과 상호 분광 감도가 큰 컬러 필터 어레이.
제1항에 있어서,
상기 복수의 제1픽셀은 바둑판 형태로 배치되는 컬러 필터 어레이.
제5항에 있어서,
복수의 크로스토크 검출 픽셀 각각은 상기 복수의 제1픽셀 각각과 서로 동일한 행 및 열에 배치되거나, 또는 서로 다른 행 및 열에 배치되는 컬러 필터 어레이.
제1항에 있어서,
상기 복수의 제1픽셀은 가시광영역의 파장들과 더불어서 적외선영역의 파장들도 통과시키는 컬러 필터 어레이.
제1항에 있어서,
복수의 제1픽셀 개수와 상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀 개수의 합은 전체 픽셀 개수의 40% 내지 60% 범위인 컬러 필터 어레이.
제8항에 있어서,
상기 복수의 제1픽셀 개수는 상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀 개수와 동일하거나, 또는 더 많은 컬러 필터 어레이.
제1항에 있어서,
상기 복수의 제2픽셀 및 상기 복수의 제3픽셀은 상기 복수의 제1픽셀 및 상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀을 제외한 나머지 공간에 램덤하게 배치되는 컬러 필터 어레이.
제10항에 있어서,
상기 복수의 제2픽셀의 개수는 상기 복수의 제3픽셀의 개수와 동일한 컬러 필터 어레이.
제1항에 있어서,
상기 복수의 제2픽셀 및 상기 복수의 제3픽셀은 레드픽셀, 그린픽셀, 블루픽셀, 사이언픽셀, 옐로우픽셀 및 마젠타픽셀로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 컬러 필터 어레이.
제12항에 있어서,
상기 복수의 제2픽셀은 상기 복수의 제3픽셀에 대한 상호 분광 감도가 가장 낮은 필터를 포함하는 컬러 필터 어레이.
제1항에 있어서,
상기 복수의 제1픽셀은 화이트픽셀 또는 투명픽셀을 포함하고, 상기 복수의 제2픽셀 및 상기 복수의 제3픽셀은 각각 블루픽셀 및 레드픽셀을 포함하며, 상기 제1하프픽셀 및 상기 제2하프픽셀은 각각 사이언픽셀 및 옐로우픽셀을 포함하는 컬러 필터 어레이.
3×3 행렬 구조를 갖는 복수의 서브 어레이를 포함하고,
상기 복수의 서브 어레이 각각은,
가시광영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제1픽셀;
상기 가시광영역에서 제1영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제2픽셀;
상기 가시광영역에서 제2영역의 파장들을 통화시키는 복수의 제3픽셀; 및
상기 가시광영역에서 상기 제1영역의 파장들 중 일부를 공유하는 제1하프픽셀 및 상기 제2영역의 파장들 중 일부를 공유하는 제2하프픽셀을 포함하여 상기 서브 어레이의 센터에 배치된 크로스토크 검출 픽셀
을 포함하는 컬러 필터 어레이.
제15항에 있어서,
상기 서브 어레이에서 상기 복수의 제1픽셀, 상기 복수의 제2픽셀, 상기 복수의 제3픽셀 및 상기 크로스토크 검출 픽셀의 개수비는 4:2:2:1인 컬러 필터 어레이.
제15항에 있어서,
상기 복수의 서브 어레이 각각은 상기 크로스토크 검출 픽셀을 제외한 나머지 픽셀들을 일부 공유하는 컬러 필터 어레이.
제15항에 있어서,
상기 제1하프픽셀 및 상기 제2하프픽셀은 각각 상기 제1영역의 에지에 대응하는 파장들 및 상기 제2영역의 에지에 대응하는 파장들을 통과시키는 컬러 필터 어레이.
제15항에 있어서,
상기 제1하프픽셀은 상기 제2픽셀과 상호 분광 감도가 크고, 상기 제2하프픽셀은 상기 제3픽셀과 상호 분광 감도가 큰 컬러 필터 어레이.
가시광영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제1픽셀; 상기 가시광영역에서 제1영역의 파장들을 통과시키는 복수의 제2픽셀; 상기 가시광영역에서 제2영역의 파장들을 통화시키는 복수의 제3픽셀; 상기 가시광영역에서 상기 제1영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제1하프픽셀 및 상기 제2영역의 파장들 중 일부를 통과시키는 제2하프픽셀을 포함한 복수의 크로스토크 검출 픽셀을 포함하는 컬러 필터 어레이; 및
상기 컬러 필터 어레이 하부에 형성되어 상기 복수의 제1픽셀, 상기 복수의 제2픽셀, 상기 복수의 제3픽셀 및 상기 복수의 크로스토크 검출 픽셀 각각에 대응하는 복수의 광전변환소자를 포함하는 광전변환층
을 포함하는 이미지 센서.