최근 고집적화를 통한 작은 크기의 소자 설계와 효율성이 큰 CMOS 이미지 센서는 인간의 눈을 대체할 만큼 그 성능이 점점 발달하고 있으며, 이에 따라 CMOS 이미지 센서를 이용한 카메라 시장이 급격하게 성장하고 있다. CMOS 이미지 센서는 주변회로 집적화 및 저가화가 가능하여 휴대용기기, 디지털 카메라, ...
최근 고집적화를 통한 작은 크기의 소자 설계와 효율성이 큰 CMOS 이미지 센서는 인간의 눈을 대체할 만큼 그 성능이 점점 발달하고 있으며, 이에 따라 CMOS 이미지 센서를 이용한 카메라 시장이 급격하게 성장하고 있다. CMOS 이미지 센서는 주변회로 집적화 및 저가화가 가능하여 휴대용기기, 디지털 카메라, 블랙박스, CCTV, 산업용 카메라, 의료용 카메라 등 다양한 분야에 이용되고 있다. 그러나 CMOS 이미지 센서를 이용한 카메라는 단지 2D 이미지만을 획득할 수 있다. 거리정보를 포함한 3D 이미지를 획득하기 위해서는 time of flight, stereo, structured light 기술을 사용하여야 한다. 하지만 time of flight 기술은 높은 전력소모를 가지는 광원을 필요로 하고, stereo 기술은 여러 개의 카메라를 이용해야 하며, structured light 기술은 복잡한 시스템을 구성해야 한다는 단점이 있다. 본 논문에서는 높은 전력소모를 가지는 광원이 필요하지 않고 하나의 카메라를 이용한 간단한 시스템으로 3D 이미지를 획득하기 위한 화소 조리개 기술이 적용된 CMOS 이미지 센서를 제안하였다. 0.11 µm CMOS 이미지 센서 공정을 이용하여 칩을 제작하였으며 화소 어레이는 2.8 × 2.8 µm2 면적의 4 트랜지스터 핀드 포토다이오드를 통해 구성되어 공간해상도의 손해가 없다. 화소 조리개 기술은 조리개를 화소에 집적화함으로써 구현되었으며 화소 패턴은 레드, 블루, 화이트 화소를 기반으로 한다. 화소 조리개 기술을 통한 거리정보 획득 방법은 화소 패턴에서 채널에 따른 영상을 취득 후 이미지 간의 비교를 통해 진행되었다. 화소 조리개 기법, 오프셋 화소 조리개 기법, 테스트 패턴 등이 적용된 CMOS 이미지 센서는 다양한 측정 방법을 통해 평가되었다. 제작된 CMOS 이미지 센서의 면적은 7 × 10 mm2 이며 화소 어레이, 리드아웃 회로, 구동 회로 등으로 구성되어 있다. 화소 조리개 기법이 적용된 CMOS 이미지 센서를 측정한 결과, 화소 조리개 기법이 적용되지 않은 화소에서 획득한 이미지는 픽셀에 입사되는 광의 최대 입사각도가 크기 때문에 화소 조리개 기법이 적용된 화소에서 획득한 이미지보다 더 초점이 맞지 않는 것을 확인하였다. 또한 거리에 따라 두 이미지의 블러 차이가 커짐을 확인하였다. 이 측정결과를 기반으로 일정한 간격으로 물체를 두고 거리정보가 포함된 이미지를 획득하였다. 칩을 제작하기 전에 화소 조리개의 크기에 따른 특성은 광학 시뮬레이션을 통해 모의실험 하였으며 다양한 조리개 크기를 테스트 패턴으로 형성함으로써 칩 제작 후 측정을 통해 특성을 확인하였다. 오프셋 화소 조리개 기법이 적용된 CMOS 이미지 센서는 거리에 따라 디스패리티가 커짐을 확인할 수가 있었으며 거리정보가 포함된 이미지를 획득하였다. 화소 조리개를 사각형과 원형으로 제작하여 두 모양으로부터 획득된 이미지의 차이점도 확인하였다. 이 측정된 결과를 바탕으로, 제안한 화소 조리개 기술이 상용화된 CMOS 이미지 센서를 이용한 카메라에 적용된다면 2D 이미지뿐만 아니라 거리정보까지 실시간으로 획득할 수 있을 것이다. 나아가 소프트웨어 개발을 통해 거리 정보의 정확도를 높인 카메라 시스템이 구현되면 물체 인식, 움직임 감지, 3차원 물체 복원 등과 같은 다양한 응용분야로의 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 고집적화를 통한 작은 크기의 소자 설계와 효율성이 큰 CMOS 이미지 센서는 인간의 눈을 대체할 만큼 그 성능이 점점 발달하고 있으며, 이에 따라 CMOS 이미지 센서를 이용한 카메라 시장이 급격하게 성장하고 있다. CMOS 이미지 센서는 주변회로 집적화 및 저가화가 가능하여 휴대용기기, 디지털 카메라, 블랙박스, CCTV, 산업용 카메라, 의료용 카메라 등 다양한 분야에 이용되고 있다. 그러나 CMOS 이미지 센서를 이용한 카메라는 단지 2D 이미지만을 획득할 수 있다. 거리정보를 포함한 3D 이미지를 획득하기 위해서는 time of flight, stereo, structured light 기술을 사용하여야 한다. 하지만 time of flight 기술은 높은 전력소모를 가지는 광원을 필요로 하고, stereo 기술은 여러 개의 카메라를 이용해야 하며, structured light 기술은 복잡한 시스템을 구성해야 한다는 단점이 있다. 본 논문에서는 높은 전력소모를 가지는 광원이 필요하지 않고 하나의 카메라를 이용한 간단한 시스템으로 3D 이미지를 획득하기 위한 화소 조리개 기술이 적용된 CMOS 이미지 센서를 제안하였다. 0.11 µm CMOS 이미지 센서 공정을 이용하여 칩을 제작하였으며 화소 어레이는 2.8 × 2.8 µm2 면적의 4 트랜지스터 핀드 포토다이오드를 통해 구성되어 공간해상도의 손해가 없다. 화소 조리개 기술은 조리개를 화소에 집적화함으로써 구현되었으며 화소 패턴은 레드, 블루, 화이트 화소를 기반으로 한다. 화소 조리개 기술을 통한 거리정보 획득 방법은 화소 패턴에서 채널에 따른 영상을 취득 후 이미지 간의 비교를 통해 진행되었다. 화소 조리개 기법, 오프셋 화소 조리개 기법, 테스트 패턴 등이 적용된 CMOS 이미지 센서는 다양한 측정 방법을 통해 평가되었다. 제작된 CMOS 이미지 센서의 면적은 7 × 10 mm2 이며 화소 어레이, 리드아웃 회로, 구동 회로 등으로 구성되어 있다. 화소 조리개 기법이 적용된 CMOS 이미지 센서를 측정한 결과, 화소 조리개 기법이 적용되지 않은 화소에서 획득한 이미지는 픽셀에 입사되는 광의 최대 입사각도가 크기 때문에 화소 조리개 기법이 적용된 화소에서 획득한 이미지보다 더 초점이 맞지 않는 것을 확인하였다. 또한 거리에 따라 두 이미지의 블러 차이가 커짐을 확인하였다. 이 측정결과를 기반으로 일정한 간격으로 물체를 두고 거리정보가 포함된 이미지를 획득하였다. 칩을 제작하기 전에 화소 조리개의 크기에 따른 특성은 광학 시뮬레이션을 통해 모의실험 하였으며 다양한 조리개 크기를 테스트 패턴으로 형성함으로써 칩 제작 후 측정을 통해 특성을 확인하였다. 오프셋 화소 조리개 기법이 적용된 CMOS 이미지 센서는 거리에 따라 디스패리티가 커짐을 확인할 수가 있었으며 거리정보가 포함된 이미지를 획득하였다. 화소 조리개를 사각형과 원형으로 제작하여 두 모양으로부터 획득된 이미지의 차이점도 확인하였다. 이 측정된 결과를 바탕으로, 제안한 화소 조리개 기술이 상용화된 CMOS 이미지 센서를 이용한 카메라에 적용된다면 2D 이미지뿐만 아니라 거리정보까지 실시간으로 획득할 수 있을 것이다. 나아가 소프트웨어 개발을 통해 거리 정보의 정확도를 높인 카메라 시스템이 구현되면 물체 인식, 움직임 감지, 3차원 물체 복원 등과 같은 다양한 응용분야로의 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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