카메라모듈의기술동향mtnu.co.kr/download/camera1.pdf · 2009. 11. 2. · MT&U Co., Ltd 카메라모듈의기술동향 M ob ileT chn gy & U q ut s 2 009 .1 29

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카메라모듈의 기술동향Mobile Technology & Ubiquitous

2009. 10. 29


▣ 카메라 모듈의 기술 및 동향

▶ 이미지 센서

▶ 렌즈 및 코팅

▶ 구동계

▶ 카메라 모듈의 기본 공정

▶ 카메라 모듈 기술의 방향

목 차 < Contents >


이미지 센서


CCD 와 CMOS 비교

고화소 고품질 지향 제품저품질 저가격 디지털 입력 기기

고화질 디지털 입력 기기활용분야

dynamic range가 좁음주변 IC와 1chip화 하기 어려움전력소모가 큼영상 처리 속도가 다소 느림

낮은 감도주변 회로의 복잡성과 추가 전원부 설계 필요

노이즈 특성 발생고가격

단점

저가격빠른 영상 처리 속도

저조도(low light condition) 특성이 우수

저소비 전력(CCD의 1/10)Dynamic range 가 넓음

주변 IC와 1chip화 가능감도가 좋음

회로의 고집적화대량 생산의 용이성

화질이 우수(노이즈가 적고 피사체 구분이 용이함)

장점

빛 에너지로 발생된 전하를 반도체 스위치로 읽어냄빛에너지로 발생된 전하를 축적후 전송원리

광전변환 반도체와 CMOS소자로 구성광전변환 반도체와 전하 결합 소자로 구성구조

CMOSCCD구분


CCD 와 CMOS 의 비중

300

250

200

150

100

50

0

Camera Phone 用 Image Sensor中 CMOS / CCD의 비중

자료출처 : 전자정보센터, 동양종합금융증권 리서치 센터 추정

44%

56%

57%

43%

62%

38%

65%

35%

2002 2003 2004(E) 2005(E) 2006(E) 2007(E)

CCD

CMOS

(백민개)

수량


Sensor 의 구조

유효 Pixel Area

OPB Pixel Area

OPB

SU

M A

rea

유효Pixel Area의RGB 구성

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

B G B G B G

G R G R G R

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 2074

2075

2076

2077

2078

2079

← Dummy

← Dummy

← Dummy

OpticalBlack

← Dummy

1536

Active

Lines

← Dummy

← Dummy

← Dummy

← Dummy

1540

1541

1542

1543

1544

1545

Column

ROW

←

←

←

←

←

←


픽셀의 단면도


CRA의 이해

3P Lens의 광경로 예 이미지 영역 Height에 따른 CRA 예


CRA의 이해

이미지 센서

포토다이오드

마이크로 렌즈와 포토다이오드는, 이미지 센서의 주변부로 갈 수록, 수직한 위치에

놓이지 않고 CRA각도만큼 더 많이 틀어져 위치하게 된다.


CRA와 픽셀 의 구조

Microlens

Color Filters

Thick Aluminum Layers

Photodiode

Microlens

Color Filters

Thin Copper Layers

Pinned Photodiode

작은 CRA를 갖는 단위화소 단면도 큰 CRA를 갖는 단위화소 단면도

Photodiode


Opitcal Format 의 이해

마이크로 렌즈와 포토다이오드는, 이미지 센서의 주변부로 갈 수록, 수직한 위치에

놓이지 않고 CRA각도만큼 더 많이 틀어져 위치하게 된다.


현재 생산중인 이미지 센서의 종류

1.75um x 1.75um1/3.2"5MEGA2600x19005MEGA

1.75um x 1.75um1/4"

2.2umx2.2um1/3.2"3.0~3.2M2080x15603MEGA

1.75um x 1.75um1/5"

2.2umx2.2um1/4"2.0 MEGA1600x12002MEGA

1.75um x 1.75um1/6"1.3 MEGA1280x1024

2.25um x 2.25um1/5"1 MEGA1152x864

1MEGA

2.8um x 2.8um1/8"

2.2um x 2.2um1/11"31만화소640x480VGA

Pixel

Size

Optical

Format총화소수

Effective

Resolution화소수


이미지 센서의 개발 방향

● 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의거리를 낮춤(초점 거리를 줄어듦)

● 마이크로 렌즈의 크기를 최대화● 단위화소 설계에서 변환이득을 높여 줌

(노이즈문제 발생에도 불구하고..) ● 포토다이오드 면적을 극대화● 회로 및 데이터 전송Line 설계 개선


23.5㎛

EFL

D

0.4

0.73.7

1.28

Area0.0458 [㎟]

Durst : 23.5 [㎛]

Area : 0.000434 [㎟]

Durst Ratio : 0.95%[ => Durst/Total Area*100 ]

이물 영향 분석


렌즈 및 코팅


• 오목렌즈를 통과한 빛은 흩어진다.

• 오목렌즈에 의한 상은 항상 물체보다 작다.

• 볼록렌즈에 의해 빛은 한 지점으로 모아진다.

• 볼록렌즈에 의한 상은 물체와의 거리에 따라 달라진다.


결상의 기본 원리

※ 상의 위치를 찾을 때 쓰는 빛살

• 광축에 나란한 빛살

• 앞초점을 지나는 빛살

• 렌즈(거울)의 정점을 지나는 빛살

O1

2

3F1

F2

I

F1

F21

2

3O

I

O

I F1F2

1

2

3


결상면 과 심도

· F#가 클수록, 초점거리가 짧을수록, 피사체 거리가 멀수록 피사계 심도, 초점 심도는 깊어진다.

· 전방의 심도 보다 후방의 심도가 깊다.


촛점거리 Factor

Ray

Optical system

Image sensor

초점거리 = f’(Focal length)

화각 =2θ

(FOV)

hθ

1) 광학계의 화각을 결정함.

• 화각 (2θ) = 2 x { tan-1(h / f’) }


촛점거리와 해상도

Optical system

Ray VGA (1/7”)

초점거리 = 2.07

화각 =62° 1.28

1.3 M (1/4”)

초점거리 = 3.77

화각 =62°2.2

⇒ Image sensor의 크기가 커지게 되면 동일한 화각을 갖기 위해 초점거리가 길어지며,만약 동일한 초점거리를 가지게 되면 화각이 너무 커지므로 over spec.에 해당하고설계에도 어려움을 갖게 된다.


센서 크기에 따른 촛점거리

⇒ 화소 크기가 동일한 경우 해상도를 높이기 위해서는 많은 화소가 들어가므로Image sensor의 크기가 커지게 되고, 핸드폰 카메라의 기본 사양인화각 60°를 얻기 위해서, 초점거리가 길어지게 된다.

VGA

Pixel

HH’ H’‘

1.3M 2M


픽셀 크기에 따른 촛점거리

⇒ Image sensor의 크기가 동일하며 동일한 화각을 갖는 광학계의 경우 초점거리는모두 동일하다. 그러나 해상도를 높일 경우 고해상도에서 단위 화소 크기가작아지므로 광학계의 분해능(MTF)이 높도록 설계되어야 한다.

H

Pixel

H H

VGA 1.3M 2M


광원과 색

⇒ 사람의 눈으로 보는 색은 가시광선 Source 에서 나온 빛이 사물에 반사되어 오는 빛을보는 것이므로, 카메라 에서는 광원이 매우 중요하다 할 수 있다.

LUX Controller

DNP Gamma chart

DNP Color chart

1. Light Source Box_GregMacbeth

2. Multi-source light box, Spectralight III with color temperature ranges from D75 to D28

3. DNP pattern box

3.1 Resolution chart

3.2 color bar chart

3.3 Gamma chart

3.4 Moire chart

3.5 Girl chart

3.6 Lens distortion Chart

4. Minolta Lux meter

5. GregMacbeth 24 box Color Checker

6. Q13 Gamma Table

7. Kodak Gray 18% Chart

8. Dark room or Dark box

9. Calibrated CRT monitor

10. Adobe Photoshop

Lux meter : For lighting condition measurement

Multi-source light box, Spectralight IIIwith color temperature ranges from D75 to D28: AWB tuning and verification

GregMacbeth 24 box Color Checker: For Image tuning and evaluation use

Kodak Gray 18% Chart : For AE / AWB tuning and verification


Black-Light-Blue광원으로 자외선 영역을볼수 있는 표준 Lamp 이며 주로 White 색상의샘플중에서 형광 염료의사용여부를 확인 할 수있다.

UV

TL84보다 더 Redder한 광원이며주로 미국 Buyer가 사용하면 Store Lighting에서많이 쓰인다.

3100KU30

해가 지고 뜰 때 북쪽하늘의 태양광선을 말한다.2300KHorizon

CWF보다 약간 Yellower & Redder 한 광원이며주로 유럽지역 또는 백화점 등에서 많이 쓰이며,Store & Office Lighting에서 많이 쓰인다.

4100KTL84

백열광원을 대표하는 표준 광원이며HOME & STORE Lighting에서 Color를Confirm 하는데 사용한다.

2850KINCAND A(백열등)

형광광원을 대표하는 표준광원이며. Office Lghting에서 Color를 confirm 하는 데사용한다.

4150KCWF (형광등)

6500K, 7599K의 두종류가 있으며 한낮의북쪽하늘에 뜨는 자연광을 말한다. 주로 미국에서는 D75광원을, 유럽지역은D65광원을 표준광원으로 Color를Confirm 하는데 사용한다.

6500KDaylight (자연광)

비고색온도광원

[색온도가 높으면 푸른색을,낮으면 붉은 색을 나타낸다.]


조리개 값 변화에 따른 사진의 심도

F 2.8 F 3.6

F 7.0 F 11.0


셔터 스피드의 차이

1,600 x 1,280 1/125초 F2.8

1,600 x 1,280 1/125초 F2.8

1,600 x 1,280 1초 F11

1,600 x 1,280 1초 F11


조리개 F# (Fno)

Fno가 클수록 피사체심도가 깊다

F12

F 5.6

F 1.6

0 1.5m 3m 4.5m 6m 7.5m 9m 10.5m


카메라 모듈용 Lens

렌즈가 곡면 이고 재질이 유리이며 광의 파장이 각기 다르므로 해서 광선이 초점면에 정확히 집속

되지 않는 현상을 수차라 하며, 이 수차의 발생 정도에 따라 렌즈의 품질이 평가된다.

수차의 종류로는, 구면수차, 코마수차, 비점수차 상면만곡, 색수차등이 있다.


구면 Lens 와 비구면 Lens의 이해

렌즈는 빛을 모으는 역할을 하는데,

디지탈 카메라의 렌즈는 여러 장의 볼록렌즈와 오목렌즈가 조합하여 이루어져 있다.

일반적으로 가공이 용이한 구면 형태의 렌즈를 가장 많이 사용하는데,

이 경우 구면 수차가 발생하게 된다.

구면 Lens 비구면 Lens

구면수차란? 빛이 렌즈를 투과할 때 렌즈의 주변부를 통 통과한 빛이 중심부를 통과한 빛보다 더

짧은 거리에 초점을 맺는 현상으로 중심부와 주변부의 초점 위치가 달라지게 되는 것을 말한다.

구면 수차로 인해 빛이 한 점으로 모이지 않고 주변부로 흩어지게 되므로 피사체의 초점이 정확하게

맺히지 않아 사진이 선명하게 나오지 않게 되지요. 이를 해결하기 위한 것이 비구면 렌즈이다.


색 수차의 이해

유리의 굴절률은 일반 투명물질과 마찬가지로 빛의 파장이 길어짐에 따라 차차 작아지므로, 렌즈를통해 물체의 상을 맺게 하면 물체의 색(빛의 파장)에 따라 상의 위치나 배율이 달라진다. 이 현상이색수차 인데, 색수차를 가진 렌즈를 통해 백색광을 보면 빨강에 가까운 긴 파장의 빛일수록 초점이렌즈에서 먼 곳에, 보라에 가까운 짧은 파장의 빛일수록 렌즈와 가까운 곳에 초점이 맻히므로 상이아롱져 덜 선명해 보인다.


IR CUT OFF FILTER

380 550 780

Blue Green Red650

50%

IR IR cutcut--off off FilterFilterIR Coating on GlassIR Coating on Glass

tBFL

IR Coating


IR CUT OFF FILTER 삽입후 BFL 변화

D

D = N

(N-1)T


Coating

WithWithoout ut AR coAR coatingating With With AR cAR coatingoating

100%92%

Reflection 4%

100%

99.8%- 4%

- 4%

Multi Coating

Multi Layer CoatingMulti Layer Coating

100%

Single Layer CoatingSingle Layer Coating

96.6%

100%

99.8%


구동계


A/F(Autofocus) 란?

자동으로 카메라의 초점을 맞추어주는 것으로, 스텝모터 방식과 VCM방식이 주류를 이루고 있다.

이동 가이드 축

위치 검출 광

초기 위치 센서

너트

Lead Screw

Stepping Motor


이동 가이드 축

위치 검출 광

초기 위치 센서

너트

Lead Screw

Stepping Motor

□ 렌즈의 이송에 스텝 모터를 사용하며, 모터 축에는 스크류가 부착

□ 모터가 회전하면 스크류와 너트에 의해 렌즈가 장착된 구동부가 상하 직선운동 하게 됨

□ 운동 방향을 정확히 하기 위하여 이동 Guide축이 사용됨

□ 초기 위치를 인식하기 위해 광학적인 위치 센서를 사용함

□ Step Motor는 FDK, Sanyo, Tokyo, Micro의 것이 사용됨

- 크기가 비교적 크고, 저온동작특성이 상대적으로 않 좋음

A/F 구현방식의 비교 (Stepping Motor 방식)


모듈 부피가 상대적으로 큼부 피

리드 스크류 등이 충격에 약함저온 시 샤프트 부 응결에 의한 구동문제

모터 단품의 신뢰성 문제 없음신 뢰 성

모터 단품 단가 +위치센서 및 드라이버 부품

비 용

위치 센서 필요구동 정밀도 한계 5~10[um]

모터를 제외한 구조 단순히스테리시스 특성 없음

기계적 특성

구동전류가 >200[mA] 이상(A,B상)전용 드라이버 필요연속초점(Movie)모드시 전류사용 과다

정지 상태에서 전류 소모 없음전기적 특성

고정초점과 동일화 질

단 점장 점항 목

A/F 구현방식의 비교 (Stepping Motor 장단점)


□ VCM의 원리를 이용하여 렌즈 부 구동력을 발생(VCM의 기본 원리 참조)

□ VCM의 구조는 업체 별로 매우 다양하게 적용

□ 양 방향에 대칭 적으로 구성된 2개의 판 스프링이 구동부의 직선 운동을 Guide

□ 동시에 판 스프링이 스프링 역할을 하여 VCM 이 작동 하지 않을 경우 초기 위치로 복원

A/F 구현방식의 비교 (VCM 방식)


Step Motor 보다 비교적 작음부 피

부품이 가벼워 신뢰성 확보가 상대적으로 용이신 뢰 성

초기 판스프링 부 공정의 수율확보 시간 필요

비 용

판 스프링 부의 조립 난이위치 센서 필요 없음마찰부가 없어 Stick Slip 문제 없음

기계적 특성

정지 상태에서 전류 소모Macro mode에서 최대 전류사용

연속초점(Movie) 모드에서 소모 전류량 낮음전기적 특성

고정 초점과 동일화 질

단 점장 점항 목

A/F 구현방식의 비교 (VCM 방식 – Leaf Spring 방식


카메라 모듈의 기본 공정


카메라 모듈의 부품구성 (COB 메가픽셀급 페키지)

카메라 모듈의 부품구성

렌즈 Holder

플라스틱 Lens

플라스틱 Lens

글래스 Lens

글래스 Lens

IR 필터

이미지 센서

PCB

콘넥터

연성 PCB


고화소 / 소형화

조리개

전자회로기판에 Bare Chip을 Wire Bonding하여

연결하고 난 후 Molding하는 공정.

패키징 투과율에는 문제가 없지만 Wire 를 PAD

까지 Bonding하여야 하기 때문에 칩사이즈가 비

교적 커지고 wireing과정에서 쉽게 wire가 끊어

지는 문제때문에 공정상의 수율이 낮아지는 단점

이 있다.

COB ( Chip On Board)

bare chip을 패키징한 형태로서, 패키징으로 인

하여 면적은20%정도 증가하지만, 안정성이 증

가하고 handling 이 용이하다.

비교적 칩을작게 만들수 있는 장점이 있지만,

epoxy에 의해 투과율이 낮아지는 단점이 있다.

CSP (Chip Scale Packaging)

PLCC (Plastic Leadless Carry Packaging)CLCC (Ceramic Leadless Carry Packaging)

lead 가 밖으로 튀어나오지 않고 몸쪽에 붙어 있으며 Ceramic으로 패키징되어 있다.

CLCC와 같은 모양이며 Plastic으로 패키징되어 있다.


카메라 모듈 제조 공정별 장/단점

칩 가격이 고가수율이 낮음모듈사이즈가 커짐단점

모듈공정이 단순소형화 가능생산성 높음장점

칩이 만들어 질 때부터

이미 칩에 회로와 IR필터가탑재되어 추가적인 공정이

불필요

Image sensor의

Active area를 뒤집어서

FPCB에 바로 부착

PCB와 Image Sensor사이

를 Gold wire로 본딩개념

CSPCOFCOB카메라 모듈 제조 공정


COB 공정의 예

렌즈 Holder

플라스틱 Lens플라스틱 Lens글래스 Lens글래스 Lens

IR 필터

이미지 센서

PCB 콘넥터

연성 PCB


PCB CLEANING

PCB와 Image Sensor를 Gold Wire로 연결하는 공정

PCB에 Capacitor를삽입 하는 공정

원자재에 대한 검사공정

SMT후 Open, Short역 삽 등 을 검사하는공정

PCB에 Image Sensor를 접합하는 공정

PCB를 Cleaning하는공정

Image Sensor의 얼룩이물 Wire연결상태 등을 검사하는 공정

전 공정 출하를 위해전수 검사 하는 공정

Image Sensor 위에Lens Holder를 안착하는 공정

IQC SMT V/M DIE BOND

CUREV/MHOLDER ATTACHHOT PLATEV/M, OQC

Image Sensor 위에Lens Holder를 안착후 Cure하는 공정

PCB에 Image Sensor를 접합 후 Cure하는 공정

WIRE BOND

Wafer의 얼룩 이물 등을 전수검사 하는 공정

SENSOR V/M

2M 전공정 공정도


2M 후공정 공정도

BONDING

제품의 이력 관리를하기위하여 Label을부착하거나 Ink Marking 하는 공정

Array 된 PCB를 낱개로절단하는 공정

전공정 OQC 검수를마친 제품을 후공정 투입전Visual Inspection을통한 검사 공정

Actuator의 전원단자와PCB 연결단자를Soldering 하는 공정

I/F 장비를 이용하여Focusing 하는 공정

Focusing 된 Lens와Actuator를 고정하는공정

Camera Module의 모든기능검사(AF등) 와불량을 검출하는 공정

Customer에게 납품을위한 포장 공정

Module의 추가 부품을Ass’y 하는 공정

IQC LABELING ORINK MARKING SINGULATION SOLDERING I / F

A / FASS’YPREVIEWOQCPACKING

Module을 Cell Phone에실제 장착하여 이상유무를Test 하는 공정

출하대기중인 제품을 당사 출하 기준에 맞게전수 검사 하는 공정

DOWN-LOAD

ISP에 최신 Software를Down-Load하는 공정


카메라 모듈의 기술방향


기술 개발 동향

1. 고화소

2. 소형화: 특히 슬림화

3. 고기능: 조리게, 셔터, 광학줌, AF

4. 저조도 개선: 무반사 코팅, 적외선 이용

5. 응용 제품



카메라 모듈의 핵심 기술은, 이미1400만 화소 급 까지도 가능한 디지털카메라의 기술로부터 응용되어적용되고 있다. 따라서 기본적으로는모바일 폰에 적용 가능한 크기 내에서고화소를 향하여 경쟁적으로 기술개발에 임하고 있다.

고 화 소

모바일 폰에 사용되는 카메라모듈의최대 이슈는 크기이다. 특히 모바일폰이 슬림화 추세에 있고, 듀얼폰의등장으로, 낮은 높이의 카메라 모듈이2005년 이후 강세를 보이고 있다.

소 형 화

조리개는 셔터 기능과 연동하여, 렌즈를통하여 들어온 빛의 양과 초점심도를결정하게 되며 카메라가 고급화하는 과정에꼭 필요한 기능이다.

조리개카메라의 셔터는 CCD나 필름을일정시간 동안 빛에 노출시키기 위해서만들어진 장치이다.셔터를 누름으로서 셔터는 조리개와연동하여 피사체를 적절한 밝기로필름에 감광 시키거나 CCD에 의해서영상으로 기록을 하게 된다.

조 리 개 셔 터



조리개

AF 와 줌을 위한 새로운 초소형구동원이 계속 개발중이며, 디지털줌이 많이 사용되었으나, 고기능의시장요구에 따라 광학줌에 대한수요가 증가하고 있슴.

ZOOM

1.3M급 카메라 모듈에 적용시작

2-3M급 카메라 모듈에서 대중화 추세

2005년부터 일기 시작한 폰의 슬림화

바람에 밀려 현재까지 주춤 했으나,

2007년 중하반기 부터는 많이 적용될

것으로 기대되어 짐

A/F (Autofocus)

IR 코팅 : 가시광선 이외의 빛인 적외선에의해 원색과 다르게 되는 것을방지하기 위해 코팅

무반사 코팅 : 매질이 다른 두물질의접합부에서는 빛의 굴절외에 반사가일어난다. 이를 최소화 하기 위해 코팅

코 팅

저조도시에 원색의 색감을 일부

잃더라도, 원상의 형상을 보다 선명하게

확보하기 위해 적외선을 이용하기도 함. (모듈 제조시 특수 IR 필터 사용)

적외선


광학 Zoom 예

광학 Zoom 예


차량용차량용

의료용

의료용

차량용차량용

감시용감시용

모션인식용

모션인식용

군사용군사용

Line Assist

Radiation Diagram

Relative Luminous Intensity(%)

카메라 모듈의 응용


Contact Information

●서울시구로구구로동 104-2 송현오피스 302호

● Phone : 02. 855. 5254

● Fax : 02. 855. 5257

● Email : [email protected]

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