KR101823238B1

KR101823238B1 - 이미지 센서

Info

Publication number: KR101823238B1
Application number: KR1020160056348A
Authority: KR
Inventors: 김현
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2018-01-29
Anticipated expiration: 2036-05-09
Also published as: CN107360348B; CN107360348A; KR20170126226A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 기판; 및 상기 기판에 형성되는 제1 픽셀 어레이 및 제2 픽셀 어레이를 포함하는 픽셀 어레이부; 를 포함하고, 상기 제1 픽셀 어레이 및 상기 제2 픽셀 어레이 중 하나는 컬러 픽셀 어레이이고, 다른 하나는 컬러 픽셀 어레이 및 모노 컬러 픽셀 어레이 중 하나일 수 있다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.

최근 들어, 휴대폰, 태블릿 등 모바일 기기에 적용되는 디스플레이의 화소수 및 사이즈 증가 급속히 이루어지고 있다. 디스플레이의 화소수가 증가함에 따라 모바일 기기에 채용되는 카메라 모듈에 자동 초점 조절 기능 및 광학식 손떨림 보정 기능의 탑재가 점차 확대되고 있는 추세이다.

모바일 기기의 카메라 모듈의 발전 추세에도 불구하고 모바일 기기의 소형화 및 슬림화에 따라 이미지 센서의 픽셀 사이즈가 줄어들고 있고, 감소된 픽셀 사이즈에 의해 저조도에서의 밝기 부족 및 노이즈 과다, 역광 상황에서의 계조 표현력 부족과 같은 문제점이 있다. 또한, 디지털 줌 기능으로 멀리 떨어져 있는 피사체를 확대하여 사진 촬영시 광학 줌 기능 대비 해상력이 크게 감소하는 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 2010-0138453

본 발명의 과제는 두 개의 픽셀 어레이를 이용하여 이미지 화질 개선 및 고화질 줌 기능 구현이 가능한 이미지 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 기판; 및 상기 제1 기판에 형성되는 제1 픽셀 어레이 및 제2 픽셀 어레이를 포함하는 픽셀 어레이부; 를 포함하고, 상기 제1 픽셀 어레이 및 상기 제2 픽셀 어레이 중 하나는 컬러 픽셀 어레이이고, 다른 하나는 컬러 픽셀 어레이 및 모노 컬러 픽셀 어레이 중 하나일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 두 개의 픽셀 어레이의 광축 정렬을 용이하게 수행할 수 있고, 두 개의 픽셀 어레이로부터 출력되는 이미지의 화질을 개선하고, 고화질 줌 기능을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 컬러 픽셀 어레이를 나타내는 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호 처리부를 나타내는 블럭도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 모듈의 개략적인 구성을 나타내는 분해 사시도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서(10)는 기판(100), 픽셀 어레이부(200), 디지털 신호 획득부(300), 및 디지털 신호 처리부(400)를 포함할 수 있다.

기판(100)은 실리콘 기판일 수 있으며, 기판(100)에는 픽셀 어레이부(200), 디지털 신호 획득부(300), 및 디지털 신호 처리부(400)가 형성될 수 있다. 기판(100)의 가장자리 영역에는 복수의 패드(111)가 마련될 수 있고, 복수의 패드(111)는 이미지 센서(10)에 외부로부터 인가되는 전원을 공급하고, 이미지 센서(10)를 호스트와 전기적으로 연결하여 데이터 및 신호를 전달할 수 있다.

픽셀 어레이부(200)는 적어도 하나의 픽셀 어레이(210, 220)을 포함할 수 있고, 보다 상세하게는 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220)를 포함할 수 있다.

제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220) 각각은 행렬 형태로 배치되는 M(2이상의 자연수)행 N(2이상의 자연수)열의 복수의 픽셀을 포함할 수 있고, 복수의 픽셀 각각에는 포토 다이오드가 구비될 수 있다.

제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220)는 기판(100) 상에서 일정 거리 이격되어 배치될 수 있고, 또한, 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220)의 복수의 픽셀 중 대응하는 픽셀 각각이 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220) 중 하나는 컬러 픽셀 어레이 일 수 있고, 다른 하나는 컬러 픽셀 어레이 및 모노 컬러(mono color) 픽셀 어레이 중 하나일 수 있다. 컬러 픽셀 어레이는 빨강색(red), 녹색(green), 파랑색(blue) 형태의 RGB 포맷의 컬러 픽셀 어레이일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 컬러 픽셀 어레이 및 모노 컬러(mono color) 픽셀 어레이 중 적어도 하나는 광 동적 범위(WDR: Wide Dynamic Range)를 가지는 픽셀 어레이일 수 있다.

통상의 이미지 센서의 픽셀 어레이의 동적 범위(dynamic range)는 60~65dB 수준에 불과하여 픽셀 어레이에서 자동 노출 제어 알고리즘을 적용하는 경우, 고조도 영역이 쉽게 포화되어 저조도 환경에서 계조 표현에 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 컬러 픽셀 어레이 및 모노 컬러(mono color) 픽셀 어레이 중 적어도 하나를 80dB 이상의 동적 범위를 가지는 픽셀 어레이로 구현하여, 고조도 영역이 포화되는 문제점을 해결할 수 있다.

광 동적 범위(WDR)를 가지는 픽셀 어레이의 복수의 픽셀 중 일부 픽셀의 노출 시간은 나머지 픽셀의 노출 시간과 상이할 수 있다. 예를 들어, RGB 포맷의 픽셀 어레이의 RGB에 해당하는 세 개의 픽셀의 노출 시간은 G에 해당하는 하나의 픽셀 시간 보다 짧거나 길 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 픽셀 어레이는 빨강색(red), 녹색(green), 파랑색(blue), 하얀색(white) 형태의 RGBW 포맷의 컬러 픽셀 어레이 및 빨강색(red), 하얀색(white), 파랑색(blue) 형태의 RWB 포맷의 컬러 픽셀 어레이 중 하나일 수 있다. 컬러 픽셀 어레이에 하얀색(white) 픽셀을 추가하여, 감도를 개선하여 저조도에서 밝기를 보상할 수 있다.

하기의 표 1은 조합 가능한 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220)를 나타낸다. 하기의 표 1을 참조하면, 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220) 중 하나는 RGB 포맷, 광 동적 범위(WDR)를 가지는 RGB 포맷, RGBW 포맷, RWB 포맷 중 하나의 형태의 컬러 픽셀 어레이일 수 있고, 다른 하나는 광 동적 범위(WDR)를 가지는 모노 컬러(mono color) 픽셀 어레이일 수 있다(Case 1-4).

또한, 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220)는 모두 RGBW 포맷의 컬러 픽셀 어레이일 수 있고(Case 5), 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220)는 모두 RWB 포맷의 컬러 픽셀 어레이일 수 있고(Case 6), 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220) 중 하나는 RWB 포맷의 형태의 컬러 픽셀 어레이일 수 있고, 다른 하나는 RGBW 포맷의 형태의 컬러 픽셀 어레이일 수 있다(Case 7).

	제1, 2 픽셀 어레이
Case 1	RGB 포맷	WDR mono color
Case 2	WDR RGB 포맷
Case 3	RGBW 포맷
Case 4	RWB 포맷
Case 5	RGBW 포맷	RGBW 포맷
Case 6	RWB 포맷	RWB 포맷
Case 7	RWB 포맷	RGBW 포맷

본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 픽셀 어레이는 적어도 2개 이상의 픽셀 어레이층이 수직 방향으로 적층된 적층형 컬러 픽셀 어레이일 수 있다. 3차원으로 배치되는 적층형 컬러 픽셀 어레이는 통상의 2차원으로 배치되는 컬러 픽셀 어레이 대비 촬상 영역을 작게 가져갈 수 있으므로 카메라 모듈의 사이즈 및 높이를 줄일 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 컬러 픽셀 어레이를 나타내는 개략 사시도이다. 도 2a는 2층으로 배치되는 적층형 컬러 픽셀 어레이를 나타내는 사시도이고, 도 2b는 3층으로 배치되는 적층형 컬러 픽셀 어레이를 나타내는 사시도이다.

도 2a 및 도 2b에서 픽셀 어레이의 하나의 층의 행 방향으로는 3264개의 픽셀이 배치되고, 열 방향으로는 2448개의 픽셀이 배치되어 하나의 층의 픽셀 어레이는 약 8백만 화소의 해상력를 가지는 것으로 가정한다.

도 2a를 참조하면, 1층(Layer 1)의 녹색(Green) 픽셀 어레이는 약 8백만 화소의 해상력을 가지고, 2층(Layer 2)의 파란색(Blue)/빨강색(Red) 픽셀 어레이는 약 8백만 화소의 해상력을 가지므로, 2층 적층형 컬러 픽셀 어레이는 1천6백만 화소의 해상력을 가질 수 있다.

따라서, 1천 6백만 화소의 해상력을 가지는 2차원 픽셀 어레이 센서 대비 2층 적층형 픽셀 어레이의 가로 및 세로 길이 각각은 약 70% 수준으로 감소될 수 있고, 줄어든 픽셀 어레이의 영역을 커버하는 렌즈의 광학 사이즈(optical format) 및 높이가 감소될 수 있다.

도 2b를 참조하면, 1층(Layer 1)의 파란색(Blue) 픽셀 어레이는 약 8백만 화소의 해상력을 가지고, 2층(Layer 2)의 녹색(green) 픽셀 어레이는 약 8백만 화소의 해상력을 가지고 3층(Layer 3)의 빨강색(Red) 픽셀 어레이는 약 8백만 화소의 해상력을 가지므로, 3층 적층형 컬러 픽셀 어레이는 2천4백만 화소의 해상력을 가질 수 있다.

따라서, 2천 4백만 화소의 해상력을 가지는 2차원 픽셀 어레이 센서 대비 3층 적층형 픽셀 어레이의 가로 및 세로 길이 각각은 약 58% 수준으로 감소될 수 있고, 줄어든 픽셀 어레이의 영역을 커버하는 렌즈의 광학 사이즈 및 높이가 감소될 수 있다.

하기의 표 2는 조합 가능한 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220)를 나타낸다. 하기의 표 2을 참조하면, 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220) 중 하나는 2층 적층형 컬러 픽셀 어레이일 수 있고, 다른 하나는 광 동적 범위(WDR)를 가지는 모노 컬러(mono color) 픽셀 어레이 및 2층 적층형 컬러 픽셀 어레이 중 하나일 수 있다(Case 8, 9)

또한, 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220) 중 하나는 3층 적층형 컬러 픽셀 어레이일 수 있고, 다른 하나는 광 동적 범위(WDR)를 가지는 모노 컬러(mono color) 픽셀 어레이 및 3층 적층형 컬러 픽셀 어레이 중 하나일 수 있다(Case 10, 11)

	제1, 2 픽셀 어레이
Case 8	2층 적층형 color	WDR mono color
Case 9	2층 적층형 color	2층 적층형 color
Case 10	3층 적층형 color	WDR mono color
Case 11	3층 적층형 color	3층 적층형 color

다시, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 픽셀 어레이(210)와 제2 픽셀 어레이(220)는 하나의 실리콘 기판(100)에서 동일 마스크(mask)를 이용한 반도체 공정 기술에 의해 제조될 수 있다. 이로써, 제1 픽셀 어레이(210) 및 제2 픽셀 어레이(220)의 대응하는 픽셀 간의 이격 거리는 일정할 수 있고, 수평/수직(X축 및 Y축 방향) 이동 정렬(shift alignment) 및 Z축에 대한 회전 정렬(rotational alignment)은 목표 설계 값으로부터 공정 오차 없이 제조될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(10)는 종래 인쇄 회로 기판(PCB) 상에서 제조하는 방식 대비 공정 오차를 감소시킬 수 있고, 이로써, 픽셀 어레이부(200)로부터 출력되는 신호의 캘리브레이션(calibration) 과정을 간소화하여 디지털 신호 처리부(400)에서의 계산 부하를 효과적으로 줄일 수 있다.

전술한 적층형 컬러 픽셀 어레이의 경우, 상술한 바와 같이 적층형 컬러 픽셀 어레이와 단층의 픽셀 어레이를 하나의 실리콘 기판(130)에서 제조할 수 있으나, 마스크 제작 효율 및 제작 수율을 고려하여 적층형 컬러 픽셀 어레이 및 단층의 픽셀 어레이를 서로 다른 기판에서 형성한 후에 조립하여 제조할 수 있다.

디지털 신호 획득부(300)는 픽셀 어레이부(200)와 인접하게 배치되어, 픽셀 어레이부(200)로부터 디지털 신호를 획득할 수 있다.

도 1을 참조하면, 디지털 신호 획득부(300)가 픽셀 어레이부(200)의 제1, 2 픽셀 어레이(210, 220) 각각에 대응되는 두 개의 디지털 신호 획득 블록(310, 320)를 구비하고 있는 것으로 도시되어 있으나, 디지털 신호 획득부(300)에 구비되는 디지털 신호 획득 블록의 수는 픽셀 어레이부(200)에 구비되는 픽셀 어레이의 수에 대응되게 변경될 수 있으며, 또한, 복수의 디지털 신호 획득 블록이 하나의 디지털 신호 획득 블록으로 통합되어 복수의 픽셀 어레이로부터 출력되는 전압으로부터 디지털 신호를 획득할 수 있다.

디지털 신호 획득부(300)는 제1 디지털 신호 획득 블록(310) 및 제2 디지털 신호 획득 블록(320)을 포함할 수 있다. 제1 디지털 신호 획득 블록(310)은 제1 픽셀 어레이(210)를 구동하여 제1 픽셀 어레이(210)로부터 기준 이미지에 해당하는 디지털 신호를 획득하고, 제2 디지털 신호 획득 블록(320)은 제2 픽셀 어레이(220)를 구동하여 제2 픽셀 어레이(220)로부터 상대 이미지에 디지털 신호를 획득할 수 있다.

제1 디지털 신호 획득 블록(310)은 픽셀 어레이 구동부(311), 샘플링부(312), 클럭 신호 생성부(313), 기준 전압 생성부(314), 및 디지털 변환부(315)를 포함할 수 있고, 제2 디지털 신호 획득 블록(320)은 픽셀 어레이 구동부(321), 샘플링부(322), 클럭 신호 생성부(323), 기준 전압 생성부(324), 및 디지털 변환부(325)를 포함할 수 있다.

제1 디지털 신호 획득 블록(310)과 제2 디지털 신호 획득 블록(320)의 구성 및 동작은 유사하므로, 이하에서는 동일하거나 중복되는 제2 디지털 신호 획득 블록(320)의 설명은 생략하고, 제1 디지털 신호 획득 블록(310)을 중심으로 설명하도록 한다.

픽셀 어레이 구동부(311)는 행 구동부(311a) 및 열 구동부(311b)를 포함할 수 있다. 행 구동부(311a)는 제1 픽셀 어레이(210)의 행렬 형태로 배치되는 복수의 픽셀 중 행 방향으로 배치되는 픽셀을 선택하여, 선택된 행 방향의 픽셀을 구동할 수 있고, 열 구동부(311b)는 제1 픽셀 어레이(210)의 행렬 형태로 배치되는 복수의 픽셀 중 열 방향으로 배치되는 픽셀을 선택하여, 선택된 열 방향의 픽셀을 구동할 수 있다. 행 구동부(311a) 및 열 구동부(311b)에 의해 선택된 제1 픽셀 어레이(210)의 픽셀의 포토 다이오드는 전압을 출력할 수 있다.

샘플링부(312)는 제1 픽셀 어레이(210)의 출력 신호를 샘플링할 수 있다. 샘플링부(312)는 제1 픽셀 어레이(210)의 포토 다이오드의 출력 전압을 샘플링할 수 있는데, 샘플링부(312)는 제1 픽셀 어레이(210)의 포토 다이오드로부터 출력되는 전압을 샘플링하기 위한 CDS(Correlated Double Sampling) 회로를 구비할 수 있다. 또한, 샘플링부(312)는 CDS 회로로부터 샘플링된 포토 다이오드 출력 전압을 증폭하기 위한 증폭기 회로를 포함할 수 있다.

클럭 신호 생성부(313)는 픽셀 어레이 구동부(311) 및 샘플링부(312)에 클럭 신호를 제공할 수 있다. 클럭 신호 생성부(313)는 외부로부터 입력되는 클럭 신호로부터 내부 클럭 신호를 생성하는 PLL(Phase Locked Loop) 회로 및 제1 픽셀 어레이(210)의 복수의 픽셀 각각의 포토 다이오드의 노출 시간 타이밍, 리셋(reset) 타이밍, 판독 타이밍 및 프레임 출력 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 발생기(Timing Generator, T/G) 회로를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이 구동부(311) 및 샘플링부(312)는 클럭 신호 생성부(313)으로부터 인가되는 클럭 신호에 따라 제1 픽셀 어레이(210)의 노출 및 샘플링 타이밍을 설정 및 제어할 수 있다.

기준 전압 생성부(314)는 픽셀 어레이 구동부(311) 및 샘플링부(312)로 공급되는 기준 전압을 생성할 수 있다. 일 예로, 기준 전압 생성부(314)는 패드(111)를 통해 외부로부터 인가되는 전원을 통해 기준 전압을 생성할 수 있다.

디지털 변환부(315)는 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 포함하여, 샘플링부(312)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 기준 이미지(reference image)를 생성할 수 있다. 또한, 이와 유사하게, 제2 디지털 신호 획득 블록(320)의 디지털 변환부(325)는 샘플링부(322)로부터 샘플링된 포토 다이오드의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하여 상대 이미지(target image)를 생성할 수 있다. 기준 이미지는 제1 픽셀 어레이로부터 획득되는 복수의 디지털 신호로 구성되고, 상대 이미지는 제2 픽셀 어레이로부터 획득되는 복수의 디지털 신호로 구성된다. 디지털 변환부(315, 325)에서 생성되는 기준 이미지와 상대 이미지는 디지털 신호 처리부(400)로 제공될 수 있다.

디지털 신호 처리부(400)는 디지털 신호 획득부(300)로부터 제공되는 디지털 신호로 구성되는 이미지를 이미지 처리(Image Processing) 할 수 있다. 디지털 신호 처리부(400)는 기준 이미지와 상대 이미지를 동기화하고, 동기화된 기준 이미지와 상대 이미지를 정렬한 후, 정렬된 기준 이미지와 상대 이미지를 호스트로 전달할 수 있고, 정렬된 기준 이미지와 상대 이미지를 이용하여 거리 정보를 생성할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호 처리부를 나타내는 블럭도이다.

도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호 처리부(400)는 동기화부(410), 이미지 처리부(420), 메모리(430), 버퍼(440), 거리 정보 생성부(450), 및 출력 인터페이스(460)를 포함할 수 있다.

동기화부(410)는 제1 픽셀 어레이(210)의 복수의 픽셀 및 제2 픽셀 어레이(220)의 복수의 픽셀 중 대응되는 한 쌍의 픽셀에 구비되는 포토 다이오드의 노출 시점 및 시간을 동일하게 제어할 수 있고, 한 쌍의 픽셀에 구비되는 포토 다이오드로부터 생성되는 디지털 신호를 동일 시점에서 판독할 수 있다. 여기서 대응되는 한 쌍의 픽셀이란 행렬 형태의 복수의 픽셀 중 서로 동일한 배열에 위치하는 한 쌍의 픽셀을 말한다.

예를 들어, 동기화부(410)는 제1 픽셀 어레이(210)의 4행 및 4열 픽셀의 포토 다이오드 및 제2 픽셀 어레이(220)의 4행 및 4열 픽셀의 포토 다이오드의 노출 시점 및 시간을 동일하게 제어하고, 동일 시점에서 제1 픽셀 어레이(210)의 4행 및 4열 픽셀의 포토 다이오드 및 제2 픽셀 어레이(220)의 4행 및 4열 픽셀의 포토 다이오드로부터 생성되는 디지털 신호를 판독할 수 있다.

또한, 동기화부(410)는 복수의 디지털 변환부(315, 325)로부터 전달되는 기준 이미지와 상대 이미지를 동기화할 수 있다. 예를 들어, 동기화부(410)는 기준 이미지와 상대 이미지의 디지털 신호를 판독한 후, 디지털 신호들 간의 동기가 맞지 않은 경우 라인 블랭킹(line blanking) 추가하여 디지털 신호들을 동기화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(10)는 동기화부(410)를 채용하여, 기준 이미지와 상대 이미지를 합성하는 호스트에서 이미지의 프레임 동기를 맞추기 위한 지연 시간을 제거할 수 있고, 지연 시간을 제거함으로써 움직이는 피사체를 촬상하는 경우에도 모션 블러 (motion blur)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이미지 처리부(420)는 기준 이미지를 기준으로 상대 이미지를 정렬할 수 있다. 또한, 이미지 처리부(420)는 기준 이미지와 상대 이미지를 자동 노출(AE: Auto Exposure) 조절, 자동 화이트 밸런스(AWB: Auto White Balance), 자동 초점(AF: Auto Focus) 조절, 및 렌즈 음영 왜곡 보상(LSC: Lens Shading Correction) 할 수 있다.

일 예로, 모노 컬러(mono color) 픽셀 어레이로부터 출력되는 이미지에 자동 노출(AE) 조절 기능이 적용될 수 있다. 이미지 처리부(420)는 자동 노출(AE) 조절을 수행하여 적정 밝기를 가지는 이미지를 호스트로 전송할 수 있다. 호스트는 적정 밝기를 가지는 이미지를 전송받을 수 있으므로, 이미지 합성 처리를 위한 사전 작업(pre-processing) 과정을 제거할 수 있으므로, 계산 부하가 크게 감소할 수 있다. 또한, 모노 컬러(mono color) 픽셀 어레이로부터 출력되는 이미지에 자동 초점(AF) 조절, 및 렌즈 음영 왜곡 보상(LSC) 기능이 적용될 수 있다.

메모리(430)는 펌웨어(firmware)를 구비하는 ROM(Read Only Memory), 이미지 처리 연산에 필요한 RAM(Random Access Memory), 교정(Calibration) 정보를 기록하기 위한 OTP(One-Time Programmable) 메모리를 포함할 수 있다.

메모리(430)는 OTP(One-Time Programmable) 메모리에 이미지 정렬 과정에서 요구되는 기준 이미지 대비 상대 이미지의 피치(pitch), 요(yaw), 롤(roll) 회전량과 X축, Y축, Z축 이미지 쉬프트(shift)량을 교정(calibration) 제조 과정에서 교정정보로 기록할 수 있다. 이미지 처리부(420)는 메모리(430)에 저장된 교정 정보를 이미지 정렬 연산 과정에서 사용될 수 있다.

또한, 메모리(430)는 렌즈 음영 왜곡 보상(LSC: Lens Shading Correction) 기능을 위한 교정(calibration) 데이터, 자동 초점(AF: Auto Focus) 조절 수행을 위한 교정(calibration) 데이터, 자동 화이트 밸런스(AWB: Auto White Balance) 수행을 위한 RGB 포맷의 컬러 픽셀 어레이의 픽셀 감도비를 측정한 교정(calibration) 데이터를 저장할 수 있다. 렌즈 음영 왜곡 교정(LSC: Lens Shading Correction)을 위한 교정(calibration) 데이터 및 자동 초점(AF: Auto Focus) 조절 교정(calibration) 데이터는 기준 이미지 및 상대 이미지에 적용될 수 있다. 자동 화이트 밸런스(AWB: Auto White Balance) 수행을 위한 보상(calibration) 데이터는 컬러 픽셀 어레이로부터 출력되는 이미지에 적용될 수 있다.

버퍼(440)는 이미지 처리부(420)로부터 출력되는 정렬된 기준 이미지와 상대 이미지를 버퍼링하여 거리 정보 생성부(450)로 출력할 수 있다.

거리 정보 생성부(450)는 정렬된 기준 이미지와 상대 이미지를 이용해서 카메라 모듈과 피사체의 거리 정보를 생성하고, 거리 정보 생성부(450)는 생성된 거리 정보를 출력 인터페이스(460)를 통해 호스트로 전달할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(10)는 동기화된 기준 이미지와 상대 이미지를 이용하여 이미지 정렬을 수행하고, 정렬된 기준 이미지와 상대 이미지를 이용하여 거리 정보를 산출하므로, 호스트에서 이미지 정렬 또는 거리 정보 산출에 소요되는 부가적인 연산 부하를 제거할 수 있다.

출력 인터페이스(460)는 거리 정보 생성부(450)에서 생성되는 거리 정보를 호스트로 출력할 수 있고, 이 외에도, 이미지 처리부(420)로부터 전달되는 기준 이미지와 상대 이미지를 호스트로 출력할 수 있다. 일 예로, 기준 이미지는 첫 번째 MIPI (Mobile Industry Processor Interface) 포트를 이용하여 출력되고, 상대 이미지는 두 번째 MIPI 포트를 이용하여 출력되고, 거리 정보는 두 개의 포트 가운데 어느 하나의 MIPI 가상 채널(Virtual Channel)을 통하여 출력될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 사시도이다.

도 4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 이미지 센서의 하면의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다. 제2 실시예에 따른 이미지 센서(10)는 제1 실시예에 따른 이미지 센서(10)와 유사하므로, 동일하거나 중복되는 설명은 생략하고 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서(10)는 기판(100), 픽셀 어레이부(200), 디지털 신호 획득부(300), 및 디지털 신호 처리부(400)를 포함할 수 있다.

기판(100)은 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)을 포함할 수 있고, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)은 열융착을 이용하여 서로 강하게 결합될 수 있다. 제1, 2 기판(110, 120)에는 복수의 비아(112)가 형성될 수 있고, 복수의 비아(112)는 제1, 2 기판(110, 120)을 관통하여 제1, 2 기판(110, 120)를 전기적으로 연결할 수 있다.

제1 기판(110)에는 복수의 패드(111), 픽셀 어레이부(200), 및 픽셀 어레이 구동부(311, 321)의 행 구동부(311a, 321a) 및 열 구동부(311b, 321b) 중 하나가 형성될 수 있다. 도 4a에는 제1 기판(110)에는 픽셀 어레이 구동부(311, 321)의 열 구동부(311b, 321b)가 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이와 달리 픽셀 어레이 구동부(311, 321)의 행 구동부(311a, 321a)가 형성될 수 있다.

제2 기판(120)에는 픽셀 어레이 구동부(311, 321), 샘플링부(312, 322), 클럭 신호 생성부(313, 323), 기준 전압 생성부(314, 324), 디지털 변환부(315, 325), 및 디지털 신호 처리부(400)가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 두 개의 기판에 디지털 신호 획득부 및 디지털 신호 처리부의 구성 요소를 분리하여 배치함으로써, 공간 효율성을 증대할 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 모듈의 개략적인 구성을 나타내는 분해 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 모듈은 이미지 센서(10), 인쇄 회로 기판(20), 액츄에이터 홀더 그룹(30), 렌즈 모듈(40), 및 케이스(50)를 포함할 수 있다.

이미지 센서(10)는 인쇄 회로 기판(20)에 실장되고, 인쇄 회로 기판(20)의 일측에는 호스트와 전기적으로 연결되기 위한 커넥터부(CON)가 마련될 수 있다.

액츄에이터 홀더 그룹(30)은 제1, 2 액츄에이터 홀더(31, 32)를 포함할 수 있다. 제1, 2 액츄에이터 홀더(31, 32)는 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 분리되어 형성될 수 있고, 이와 달리 도 6에 도시된 바와 같이, 서로 부착되어 통합된 형태로 형성될 수 있다.

렌즈 모듈(40)은 제1, 2 렌즈 조립체(41, 42)를 포함할 수 있고, 제1, 2 렌즈 조립체(41, 42) 각각은 제1, 2 액츄에이터 홀더(31, 32)에 수용될 수 있다.

이미지 센서(10)의 제1 픽셀 어레이(210) 상에는 제1 렌즈 조립체(41)와 결합된 제1 액츄에이터 홀더(actuator holder, 31)가 실장되고, 이미지 센서(10)의 제2 픽셀 어레이(220) 상에는 제2 렌즈 조립체(42)와 결합된 제2 액츄에이터 홀더(32)가 실장될 수 있다. 제1, 2 액츄에이터 홀더(31, 32)는 열 접착제를 이용하여 인쇄 회로 기판(20)과 결합될 수 있다.

케이스(50)는 제1, 2 액츄에이터 홀더(31, 32)를 내부에서 지지 및 고정할 수 있고, 일 예로, 열 변형이 적은 금속 재질로 제작될 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10, 10`: 이미지 센서
100: 기판
110: 제1 기판
120: 제2 기판
200: 픽셀 어레이부
210: 제1 픽셀 어레이
220: 제2 픽셀 어레이
300: 디지털 신호 획득부
310: 제1 디지털 신호 획득 블록
320: 제2 디지털 신호 획득 블록
311, 321: 픽셀 어레이 구동부
311a, 321a: 행 구동부
311b, 321b: 열 구동부
312, 322: 샘플링부
313, 323: 클럭 신호 생성부
314, 324: 전압 생성부
315, 325: 디지털 변환부
400: 디지털 신호 처리부
410: 동기화부
420: 이미지 처리부
430: 메모리부
440: 버퍼
450: 거리 정보 생성부
460: 출력 인터페이스

Claims

기판; 및
상기 기판에 형성되는 제1 픽셀 어레이 및 상기 제1 픽셀 어레이와 이격 배치되는 제2 픽셀 어레이를 포함하는 픽셀 어레이부; 를 포함하고,
상기 제1 픽셀 어레이 및 상기 제2 픽셀 어레이 중 하나는 컬러 픽셀 어레이이고, 다른 하나는 컬러 픽셀 어레이 및 모노 컬러 픽셀 어레이 중 하나이고,
상기 컬러 픽셀 어레이 및 모노 컬러 픽셀 어레이 중 하나는 광 동적 범위(Wide Dynamic Range)를 가지고, 상기 광 동적 범위는 80dB 이상의 동적 범위에 해당하는 이미지 센서.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 광 동적 범위를 가지는 픽셀 어레이의 복수의 픽셀 중 일부 픽셀의 노출 시간은 나머지 픽셀의 노출 시간과 상이한 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 컬러 픽셀 어레이는 RGB 포맷, RGBW 포맷, 및 RWB 포맷 중 하나인 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 컬러 픽셀 어레이는 2개 이상의 픽셀 어레이층이 수직 방향으로 적층되어 형성되는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 픽셀 어레이로부터 획득되는 디지털 신호에 따라 생성되는 기준 이미지와 상기 제2 픽셀 어레이로부터 획득되는 디지털 신호에 따라 생성되는 상대 이미지를 이미지 처리(Image Processing)하는 디지털 신호 처리부; 를 더 포함하는 이미지 센서.
제7항에 있어서, 상기 디지털 신호 처리부는,
상기 기준 이미지와 상기 상대 이미지를 동기화하는 동기화부; 를 포함하는 이미지 센서.
제7항에 있어서, 상기 디지털 신호 처리부는,
상기 기준 이미지를 기준으로 상기 상대 이미지를 정렬하는 이미지 처리부; 를 포함하는 이미지 센서.
제9항에 있어서, 상기 이미지 처리부는,
상기 모노 컬러 픽셀 어레이로부터 생성되는 이미지에 자동 노출 조절, 자동 초점 조절, 및 음영 왜곡 보상 기능 중 하나를 적용하는 이미지 센서.
제9항에 있어서, 상기 디지털 신호 처리부는,
정렬된 상기 기준 이미지와 상기 상대 이미지를 이용하여 피사체의 거리 정보를 생성하는 거리 정보 생성부; 를 더 포함하는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 기판인 이미지 센서.
제1 기판 및 상기 제1 기판과 접합되는 제2 기판을 포함하는 기판;
상기 제1 기판에 형성되는 제1 픽셀 어레이 및 제2 픽셀 어레이를 포함하는 픽셀 어레이부; 및
상기 제1 픽셀 어레이 및 상기 제2 픽셀 어레이의 행렬로 배치되는 복수의 픽셀 중 행 방향의 픽셀을 구동하는 행 구동부 및 열 방향의 픽셀을 구동하는 열 구동부를 구비하는 픽셀 어레이 구동부를 포함하여, 상기 픽셀 어레이부로부터 디지털 신호를 획득하는 디지털 신호 획득부; 를 포함하고,
상기 열 구동부 및 행 구동부 중 하나는 상기 제1 기판에 형성되고, 다른 하나는 상기 제2 기판에 형성되고,
상기 제1 픽셀 어레이 및 상기 제2 픽셀 어레이 중 하나는 컬러 픽셀 어레이이고, 다른 하나는 컬러 픽셀 어레이 및 모노 컬러 픽셀 어레이 중 하나이고, 상기 컬러 픽셀 어레이 및 모노 컬러 픽셀 어레이 중 하나는 광 동적 범위(Wide Dynamic Range)를 가지고, 상기 광 동적 범위는 80dB 이상의 동적 범위에 해당하는 이미지 센서.
제13항에 있어서, 상기 디지털 신호 획득부는,
상기 픽셀 어레이부로부터 출력되는 신호를 샘플링하는 샘플링부; 및
상기 샘플링부로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털 변환부; 를 더 포함하고,
상기 샘플링부 및 상기 디지털 변환부는 상기 제2 기판에 형성되는 이미지 센서.
제13항에 있어서,
상기 제1 픽셀 어레이로부터 획득되는 디지털 신호에 따라 생성되는 기준 이미지와 상기 제2 픽셀 어레이로부터 획득되는 디지털 신호에 따라 생성되는 상대 이미지를 이미지 처리(Image Processing)하는 디지털 신호 처리부; 를 더 포함하고,
상기 디지털 신호 처리부는 상기 제2 기판에 형성되는 이미지 센서.
제13항에 있어서,
상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 관통하는 복수의 비아; 더 포함하고,
상기 복수의 비아는 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 전기적으로 연결하는 이미지 센서.