KR20110075397A - Method for improving sensitivity of image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지 센서(image sensor)의 컬러필터(color filter)에 관한 것으로, 특히 CMOS(complementary MOS) 이미지 센서의 컬러필터 어레이(array) 배치 구조에서 적색컬러필터(red color filter)와 청색컬러필터(blue color filter) 보다 비율상 2배의 수를 차지하는 녹색컬러필터(green color filter)의 위치에 백색컬러필터(white color filter)를 교번적으로 배치시킴으로써 백색컬러필터를 통해 입사광을 필터링(filtering) 없이 수신하여 포토 다이오드(photo-diode)로 입사되는 광량을 증가시키고, 백색컬러필터의 컬러값에 대해서는 인접 컬러필터로부터의 컬러값을 이용하여 보간(interpolation)하는 것을 통해 이미지 센서의 감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있도록 하는 이미지 센서의 감도 향상 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a color filter of an image sensor, in particular a red color filter and a blue color filter in a color filter array arrangement of a complementary MOS (CMOS) image sensor. Filtering incident light through the white color filter by alternately arranging the white color filter at the position of the green color filter, which is twice as many as the blue color filter. The sensitivity of the image sensor is increased by increasing the amount of light incident to the photo-diode and incident to the photo-diode, and interpolating the color values of the white color filter using color values from adjacent color filters. It relates to a method of improving the sensitivity of the image sensor to improve the.
일반적으로, 이미지센서는 광학영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하결합소자(CCD: charge couple device) 이미지센서와 CMOS(Complementaty MOS) 이미지센서가 널리 활용되고 있다. 이러한 이미지 센서는 컬러 구현을 위해 R,G,B 등으로 구현된 컬러필터 어레이(color filter array : CFA)를 사용하고 있다. In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and a charge couple device (CCD) image sensor and a CMOS (Complementaty MOS) image sensor are widely used. The image sensor uses a color filter array (CFA) implemented with R, G, B, etc. to implement color.
도 1은 베이어(Bayer) 형태의 컬러필터 어레이의 패턴을 예시한 것이다. 일반적인 컬러 영상은 R, G, B(Red, Green, Blue)의 삼원색으로 구성되지만, 대부분의 CCD 또는 CMOS 이미지센서는 각 픽셀 위치에서 상기 삼원색 중 하나의 성분만을 출력한다. 1 illustrates a pattern of a color filter array of Bayer type. A general color image is composed of three primary colors of red, green, and blue (R, G, B), but most CCD or CMOS image sensors output only one component of the three primary colors at each pixel position.
위와 같은 이미지센서에서는 인간의 시각 시스템(human visual system)의 휘도(luminance) 성분(즉, 녹색(green))에 대해서 가장 높은 분해능을 가지는 특성을 고려하여 휘도 성분에 대한 컬러필터를 전체 포토셀(photo cell)의 50%가 되도록 배치하고 나머지 크로미넌스(chrominance) 성분(즉, 적색(red)과 청색(blue))은 반복 교차 형태로 배치하고 있다. 따라서, 도 1에 도시된 컬러필터 어레이 수는 R, G, B에 대해 1:2:1의 비율을 갖는 것을 알 수 있다. In the image sensor as described above, the color filter for the luminance component is applied to the entire photocell in consideration of the characteristic having the highest resolution with respect to the luminance component (ie, green) of the human visual system. 50% of the photo cells are placed and the remaining chrominance components (ie, red and blue) are arranged in a repetitive cross form. Therefore, it can be seen that the number of color filter arrays shown in FIG. 1 has a ratio of 1: 2: 1 for R, G, and B.
도 2는 종래 이미지센서의 구조를 도시한 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 이미지 센서는 실리콘 기판(11)에 단위화소(unit pixel)간 분리를 위한 필드 절연막(12)을 형성하고, 필드 절연막(12)을 제외한 실리콘 기판(11)에 불순물 이온주입(ion implantation)이나 확산(diffusion)에 의해 수광 영역인 포토 다이오드(photo-diode)(13)를 형성한다. FIG. 2 illustrates a structure of a conventional image sensor, and as shown in FIG. 2, a conventional image sensor forms a
그리고, 포토 다이오드(13)의 상부에는 금속 배선간 절연을 위한 층간 절연막 및 소자 보호막(14)을 형성한다. 또한, 층간 절연막 및 소자 보호막(14) 상부에 컬러 이미지(color image) 구현을 위한 컬러 감광막(color photo-resist)을 도포하고 순차적으로 형성하여 적색컬러필터(R)(15), 녹색컬러필터(G)(16), 청색컬러필터(B)(17)의 컬러필터배열(CFA)을 구현한다. 그 후, 컬러펄터배열(CFA) 상부에 평탄화를 위하여 평탄층(18)을 형성하고 각 포토 다이오드(13) 상에 빛을 집속하기 위한 일정 폭의 마이크로 렌즈(micro lens)(19)를 형성한다.In addition, an interlayer insulating film and a
도 3은 종래 가시광선의 범위에서 각 필터별의 투과 특성(spectral response)을 그래프로 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 청색컬러필터를 사용한 픽셀에는 짧은 파장을 가지는 가시광선만이 통과하고 녹색 및 적색에 해당하는 빛은 통과하지 못하기 때문에, 전체 빛의 약 1/3만이 청색컬러필터를 통과한다. 이는 녹색컬러필터 또는 적색컬러필터에 있어서도 마찬가지이다. FIG. 3 is a graph illustrating a spectral response of each filter in a range of conventional visible light. Referring to FIG. 3, since only visible light having a short wavelength passes through the pixel using the blue color filter and no light corresponding to green and red passes, only about one third of the total light passes through the blue color filter. do. The same applies to the green color filter or the red color filter.
이와 같이 종래의 컬러필터의 각각의 픽셀에는 입사되는 광의 약 1/3만이 투과될 수 있기 때문에 포토 다이오드에 입사되는 전체 광량이 줄어들게 되고, 이로 인해 이미지 센서의 감도가 떨어지는 문제점이 있었다.As such, since only about one third of the incident light is transmitted to each pixel of the conventional color filter, the total amount of light incident on the photodiode is reduced, which causes a problem that the sensitivity of the image sensor is lowered.
따라서, 본 발명은 CMOS 이미지 센서의 컬러필터 어레이 배치 구조에서 적색컬러필터와 청색컬러필터 보다 비율상 2배의 수를 차지하는 녹색컬러필터의 위치에 백색컬러필터를 교번적으로 배치시킴으로써 백색컬러필터를 통해 입사광을 필터링 없이 수신하여 포토 다이오드로 입사되는 광량을 증가시키고, 백색컬러필터의 컬러 값에 대해서는 인접 컬러필터로부터의 컬러값을 이용하여 보간하는 것을 통해 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있도록 하는 이미지 센서의 감도 향상 방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a white color filter by alternately disposing the white color filter at the position of the green color filter, which occupies twice the ratio of the red color filter and the blue color filter in the color filter array arrangement of the CMOS image sensor. Image to receive the incident light without filtering to increase the amount of light incident on the photodiode and to improve the sensitivity of the image sensor by interpolating the color value of the white color filter using color values from adjacent color filters. It is intended to provide a method for improving the sensitivity of the sensor.
상술한 본 발명은 이미지 센서의 감도 향상 방법으로서, 이미지 센서의 컬러필터 어레이의 녹색컬러필터의 공간에 교번적으로 백색컬러필터를 배치시키는 단계와, 상기 백색컬러필터를 통해 입사광을 필터링 없이 수신하는 단계와, 상기 필터링 없이 수신된 입사광을 포토 다이오드로 입사시켜 광량을 증가시키는 단계를 포함한다. The above-described present invention provides a method for improving the sensitivity of an image sensor, comprising: alternately disposing a white color filter in a space of a green color filter of a color filter array of an image sensor, and receiving incident light through the white color filter without filtering. And increasing the amount of light by injecting the incident light received without the filtering into the photodiode.
또한, 상기 방법은, 상기 백색컬러필터를 통해 상기 포토 다이오드로 입사된 입사광의 컬러값에 대해서 인접 RGB 컬러필터를 통해 형성되는 컬러값을 이용하여 보간처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include interpolating the color values of incident light incident through the white color filter to the photodiode using color values formed through adjacent RGB color filters.
또한, 상기 보간처리 단계는, 상기 이미지 센서 어레이 구조에서 상기 백색컬러필터와 인접한 적색, 청색 및 녹색컬러필터의 각 컬러값을 순차적으로 저장시키는 단계와, 상기 컬러필터별 컬러값의 평균값을 산출하여 상기 백색컬러필터의 컬러값으로 보간시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The interpolation may include sequentially storing the color values of the red, blue, and green color filters adjacent to the white color filter in the image sensor array structure, and calculating an average value of the color values of the color filters. And interpolating the color values of the white color filter.
본 발명에서는 CMOS 이미지 센서의 컬러필터 어레이 배치 구조에서 적색컬러 필터와 청색컬러필터 보다 비율상 2배의 수를 차지하는 녹색컬러필터의 위치에 백색컬러필터를 교번적으로 배치시킴으로써 백색컬러필터를 통해 입사광을 필터링 없이 수신하여 포토 다이오드로 입사되는 광량을 증가시키고, 백색컬러필터의 컬러값에 대해서는 인접 컬러필터로부터의 컬러값을 이용하여 보간하는 것을 통해 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.In the present invention, the incident light is incident on the white color filter by alternately disposing the white color filter at the position of the green color filter which occupies twice the ratio of the red color filter and the blue color filter in the color filter array arrangement of the CMOS image sensor. Is received without filtering to increase the amount of light incident on the photodiode, and the sensitivity of the image sensor may be improved by interpolating the color value of the white color filter using color values from an adjacent color filter.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operating principle of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intentions or customs of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 컬러필터 어레이 구조를 도시한 것이다.4 illustrates a structure of a color filter array of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
이하, 도 4를 참조하면, 본 발명의 이미지 센서(image sensor) 컬러필터 어레이(array)에서는 종래 2개의 녹색컬러필터가 배치되는 영역 중 1개의 영역을 외부로부터 입사되는 모든 빛을 투과시킬 수 있는 백색컬러필터로 대치시키며, 도 4 에 도시된 바와 같이 백색컬러필터의 배치를 이미지센서의 컬러필터 어레이에서 반복적으로 실시한다.Hereinafter, referring to FIG. 4, in the image sensor color filter array of the present invention, one of the areas where two green color filters are conventionally disposed may transmit all light incident from the outside. The white color filter is replaced, and the arrangement of the white color filter is repeatedly performed in the color filter array of the image sensor as shown in FIG.
이때, 백색컬러필터의 물질은 컬러가 들어가지 않은 모든 포토레지스트(photo resist)계열의 물질이 될 수도 있고, 당업계에 알려진 모든 옥사이드(oxide) 계열의 물질이 될 수도 있다.In this case, the material of the white color filter may be any photoresist-based material that does not contain color, or may be any oxide-based material known in the art.
위와 같이 이미지 센서(image sensor)의 컬러필터 어레이 구조 내 녹색컬러필터에 위치에 교번적으로 배치되는 백색컬러필터는 다른 적색컬러필터, 녹색컬러필터, 청색컬러필터와는 달리 입사광을 필터링(filtering)하지 않고 모든 빛을 투과시킨다. As described above, the white color filter alternately disposed at the position of the green color filter in the color filter array structure of the image sensor filters the incident light unlike other red color filters, green color filters, and blue color filters. It transmits all light.
즉, 백색컬러필터는 녹색컬러필터를 대신하여 배치된 것으로, 입사광으로부터 녹색광만을 필터링하여 투과하는 녹색컬러필터와는 달리 입사광의 모든 빛을 그대로 투과시킨다. That is, the white color filter is disposed in place of the green color filter, and unlike the green color filter which filters and transmits only the green light from the incident light, it transmits all the light of the incident light as it is.
따라서, 백색컬러필터를 통해 투과된 입사광은 이미지 센서 컬러필터 어레이의 하부에 존재하는 포토 다이오드로 그대로 입사되어 광량이 증가하기 때문에, 본 발명의 이미지 센서의 컬러필터는 빛의 감도를 높일 수 있다. 또한, 이로 인해 본 발명의 실시 예에 따른 백색컬러필터를 구비하는 이미지 센서의 컬러필터 어레이에서는 효율적인 휘도성분을 제공할 뿐만 아니라 감도가 뛰어나 저조도 상태에서도 효율적인 촬영이 가능하게 된다.Therefore, since the incident light transmitted through the white color filter is incident as it is to the photodiode present in the lower portion of the image sensor color filter array, the amount of light is increased, the color filter of the image sensor of the present invention can increase the sensitivity of the light. As a result, the color filter array of the image sensor including the white color filter according to the embodiment of the present invention not only provides an efficient luminance component but also has excellent sensitivity and enables efficient photography even in a low light condition.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 백색컬러필터가 구비되는 이미지센서 컬러필터 어레이에서 백색 픽셀을 컬러를 보간(interpolation)처리하는 개념을 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates a concept of interpolating a white pixel from an image sensor color filter array including a white color filter according to an exemplary embodiment of the present invention.
먼저, 본 발명의 이미지 센서 컬러필터 어레이 구조에서는 도 5의 참조번호 (500)에서와 같이 적색컬러필터, 녹색컬러필터, 청색컬러필터 중 하나의 컬러값만을 번갈아 출력하는 격자 모양의 RGB 컬러필터 어레이 구조(array structure)에서 종래 2개의 녹색컬러필터가 배치되는 영역 중 1개의 영역을 외부로부터 입사되는 모든 빛을 투과시킬 수 있는 백색컬러필터(W, W1, W2)로 대치시켜 이미지 센서의 감도를 높이도록 한다.First, in the image sensor color filter array structure of the present invention, as shown by
이때, 위와 같이 RGB 컬러필터에 모든 빛을 투과시키는 백색컬러필터를 포함하여 컬러필터를 구성함에 따라 백색컬러필터로부터 입사되는 빛에 대한 컬러값 보간이 필요하게 된다.At this time, as the color filter is configured by including a white color filter that transmits all light to the RGB color filter as described above, color value interpolation for light incident from the white color filter is required.
이하, 백색컬러필터의 컬러값을 보간하는 동작을 설명하면, 먼저 RGB 컬러필터로 입사된 입사광은 각각의 컬러필터를 통해 해당하는 적색, 녹색 또는 청색 컬러값으로 필터링되어 필터링된 컬러값이 컬러값 저장부(502)에 저장된다. 컬러값 저장부(502)는 FIFO(first in first out) 또는 쉬프트 라인 버퍼(shift line buffer)로 구성된다.Hereinafter, the operation of interpolating the color values of the white color filter will be described. First, incident light incident on the RGB color filter is filtered to the corresponding red, green, or blue color values through the respective color filters. It is stored in the
그러면, 보간 처리부(504)에서는 백색컬러필터(white color filter)를 통해 입사된 입사광의 컬러값(W)에 대해서 백색컬러필터의 주변에 위치한 적색컬러필터, 녹색컬러필터, 청색컬러필터로부터의 필터링된 컬러값(R1, R2, B1, B2, G1, G2)을 조합하여 보간된 컬러값을 산출하여 백색컬러필터로부터의 컬러값으로 산출하게 된다.Then, the
즉, 보간 처리부(504)는 컬러값 저장부(502)로부터 백색컬러필터와 인접한 녹색, 청색, 녹색컬러필터의 각 컬러값을 순차적으로 읽어들인 후, 각 컬러값의 평균값을 산출하여 예를 들어 아래의 [수학식 1]에서와 같이 백색 컬러필터의 컬러값을 보간시키게 된다.That is, the
W = (B1+B2)/2W = (B1 + B2) / 2
W = (G1+G2)/2W = (G1 + G2) / 2
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 CMOS 이미지 센서의 컬러필터 어레이 배치 구조에서 적색컬러필터와 청색컬러필터 보다 비율상 2배의 수를 차지하는 녹색컬러필터의 위치에 백색컬러필터를 교번적으로 배치시킴으로써 백색컬러필터를 통해 입사광을 필터링 없이 수신하여 포토 다이오드로 입사되는 광량을 증가시키고, 백색컬러필터의 컬러값에 대해서는 인접 컬러필터로부터의 컬러값을 이용하여 보간하는 것을 통해 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있도록 한다.As described above, in the present invention, the white color filter is alternately arranged at the position of the green color filter, which occupies twice the ratio of the red color filter and the blue color filter in the color filter array arrangement of the CMOS image sensor. Through the color filter, the incident light can be received without filtering to increase the amount of light incident on the photodiode, and the sensitivity of the image sensor can be improved by interpolating the color value of the white color filter using color values from adjacent color filters. Make sure
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of the invention should not be limited by the described embodiments but should be defined by the appended claims.
도 1은 종래 컬러필터 어레이 구조도,1 is a structural diagram of a conventional color filter array;
도 2는 종래 이미지 센서 단면 모식도,2 is a schematic cross-sectional view of a conventional image sensor;
도 3은 종래 가시광선의 컬러필터별 투과 특성 그래프 예시도,3 is a diagram illustrating a transmission characteristic graph for each color filter of conventional visible light;
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 컬러필터 어레이 구조도,4 is a structural diagram of a color filter array according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 백색컬러필터의 컬러값 보간 처리 개념도.5 is a conceptual diagram of color value interpolation processing of a white color filter according to an exemplary embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>
500 : RGB 컬러필터 어레이 502 : 컬러값 저장부500: RGB color filter array 502: color value storage unit
504 : 보간 처리부504: interpolation processing unit
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150122064A (en) * | 2014-04-22 | 2015-10-30 | 옵티즈 인코포레이티드 | Color filter and photodiode patterning configuration |
| CN111756974A (en) * | 2020-05-15 | 2020-10-09 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | Image sensor and electronic device |
-
2009
- 2009-12-28 KR KR1020090131839A patent/KR20110075397A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150122064A (en) * | 2014-04-22 | 2015-10-30 | 옵티즈 인코포레이티드 | Color filter and photodiode patterning configuration |
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