JP2003304455A - イメージセンサの画素配列部及びそれを含むイメージセンサ並びにイメージセンサの自動ブラックレベル補償方法 - Google Patents

イメージセンサの画素配列部及びそれを含むイメージセンサ並びにイメージセンサの自動ブラックレベル補償方法

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JP2003304455A
JP2003304455A JP2002382275A JP2002382275A JP2003304455A JP 2003304455 A JP2003304455 A JP 2003304455A JP 2002382275 A JP2002382275 A JP 2002382275A JP 2002382275 A JP2002382275 A JP 2002382275A JP 2003304455 A JP2003304455 A JP 2003304455A
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莞 喜 趙
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用環境に関係なしに特性低下を防止できる
イメージセンサの画素配列部及びそれを含むイメージセ
ンサを提供することである。 【解決手段】 本発明によるイメージセンサは、N×M
(N、Mは自然数)の単位画素を含む第1画素群と、前
記第1画素群の列側の片側及び他側に配列されてその構
成画素に対するブラックレベルのオフセット値を算出す
るための第2画素群と、第2画素群の周辺に配列されて
第2画素群に入射する光を遮断するための第3画素群を
含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、イメージセンサに
関し、特に、ブラックレベル(Black leve
l)、すなわち、暗信号(Dark current)
を自動的に補償できるイメージセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】イメージセンサとは、半導体が光に反応
する性質を利用してイメージを再生する装置であるが、
各々の被写体から出るそれぞれ異なる光の明るさ及び波
長を画素が感知して電気的な値で読み出す装置である。
この電気的な値を信号処理が可能なレベルに作るのがイ
メージセンサの役割である。即ち、イメージセンサと
は、光学画像を電気信号に変換させる半導体素子であっ
て、この中で電荷結合素子(CCD:Charge C
oupled Device)は、個々のMOS(Me
tal−Oxide−Silicon)キャパシタが互
いに非常に近接した位置にありながら電荷キャリアがキ
ャパシタに格納されて移送される素子であり、CMOS
イメージセンサは、制御回路及び信号処理回路を周辺回
路に使用するCMOS技術を利用して画素数のMOSト
ランジスタを作ってこれを利用して順に出力を検出する
スイッチング方式を採用する素子である(例えば、特許
文献1参照)。
【0003】CMOSイメージセンサは、省電力という
大きい長所を有しているので、携帯電話等個人携帯用シ
ステムに非常に有用である。従って、イメージセンサ
は、PCカメラ、医学用、玩具用など多様にその応用が
可能である。
【0004】図1は、従来の技術に係るイメージセンサ
を示すブロック図である。図1を参照すると、従来のイ
メージセンサは、制御及び外部システムインターフェー
ス部10と、画素配列部(Pixel array)1
1と、アナログラインバッファ部12と、カラムデコー
ダ13aと、ロウデコーダ(Row decoder)
13bと、可変増幅部14と、アナログ−デジタル変換
部(Analog to Digital Conve
rter:以下、ADCと記す)15とを備えて構成さ
れる。以下、前記のようにイメージセンサを構成する各
構成要素の動作について詳細に述べる。
【0005】画素配列部11は、光に反応する性質を増
大させるように、画素を横N個、縦M個(N、Mは自然
数)に配置して、外部から入るイメージに対する情報を
感知する部分であって、全体イメージセンサの最も核心
的な部分であり、制御及び外部システムインターフェー
ス部10は、FSM(Finite State Ma
chine)を利用してイメージセンサの全体的な動作
を制御し、外部システムに対するインターフェース役割
を担当するが、配置レジスタ(図示せず)を持っている
ため、種々の内部動作に関連した事項に対するプログラ
ムが可能であり、このプログラムされた情報によって全
体チップの動作を制御する役割をする。アナログライン
バッファ部12は、選択された一つのカラムの複数の画
素の電圧を感知して格納する役割をし、アナログライン
バッファ部12に格納されたアナログデータは、カラム
デコーダ13aとロウデコーダ13bの制御により選択
されたデータ値がアナログバスを介して可変増幅部14
に伝送される。
【0006】可変増幅部14、例えば、PGA(Pro
grammable Gain Amplifier)
は、アナログラインバッファ部12に格納された画素電
圧が小さい場合、これを増幅する役割をし、可変増幅部
14を経たアナログデータは、色補間(Color I
nterpolation)及び色補正などの過程を経
た後、ADC15を介してデジタル値に変換される。
【0007】イメージセンサは、製造工程上の微細な差
によりオフセット電圧による固定パターン雑音(Fix
ed pattern noise)が発生する。この
ような固定パターン雑音を補償するため、イメージセン
サは、画素配列部11の各画素からリセット信号を読み
出しデータ信号を読み出した後、その差を出力する相互
連関した二重サンプリング(Correlated D
ouble Sampling:以下、CDSと記す)
技法を使用する。
【0008】一方、イメージセンサの動的温度範囲は、
通常0℃〜40℃であるが移動や特殊な環境では60℃
以上でも特性の低下なしに動作するべきである。しか
し、イメージセンサも半導体素子から構成されているの
で、高温や熱による電流成分が発生する。したがって、
このような電流、例えば、暗電流が発生する時、イメー
ジセンサは、光学的要因の他に信号成分が含まれて非常
に暗い環境、すなわち、光を加えない場合でも一定値の
信号レベルが検出されるが、これは熱雑音及びシステム
雑音であり、イメージセンサの雑音成分の中最も重要な
要素であってブラックレベルという。したがって、既存
のイメージセンサではこのようなブラックレベルが常に
存在するため、使用環境に制約を受けたり特性が低下す
る問題が生じる。
【0009】
【特許文献1】米国特許5,659,355
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
技術の問題点に鑑みてなされたものであって、目的とす
るところは、使用環境に関係なしに特性低下を防止でき
るイメージセンサの画素配列部及びそれを含むイメージ
センサを提供することである。また、本発明の一つの目
的は、イメージセンサのブラックレベルを效果的に除去
するためのイメージセンサの自動ブラックレベル補償方
法を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明は、N×M(N、Mは自然数)の単位画素を含
む第1画素群と、前記第1画素群の列側の片側及び他側
に配列されてその構成画素に対するブラックレベルのオ
フセット値を算出するための第2画素群とを含むことを
特徴とするイメージセンサの画素配列部を提供する。
【0012】また、本発明は、N×Mの単位画素を含む
第1画素群と、前記第1画素群の列側の片側及び他側に
配列されてその構成画素に対するブラックレベルのオフ
セット値を算出するための第2画素群を含む画素配列部
と、前記ブラックレベルのオフセット値に応じて前記第
1画素群のオフセット値を変化させて前記ブラックレベ
ルによるオフセット変化を除去するためのオフセット調
整手段とを含むことを特徴とするイメージセンサを提供
する。
【0013】また、本発明は、イメージセンシングのた
めの第1画素群とブラックレベル補償のための第2画素
群を含む画素配列部を含むイメージセンサの自動ブラッ
クレベル補償方法において、前記第2画素群に対するブ
ラックレベルのオフセット値を測定するステップと、前
記ブラックレベルのオフセット値と初期設定されたオフ
セット値によりアップデートされたオフセット値を決定
するステップと、前記第1画素群に対するイメージデー
タに前記アップデートされたオフセット値を加算してブ
ラックレベルを補償するステップとを含むことを特徴と
するイメージセンサの自動ブラックレベル補償方法を提
供する。
【0014】ブラックレベル成分が発生しない画素を作
ることは現在の技術ではほぼ不可能であるが、ブラック
レベルは、全体的な信号成分を温度によってシフトさせ
る特性、例えば、温度が増加するほど信号成分を全体的
に上方シフトさせる特性があるため、これを補正するこ
とが可能であるが、本発明はこのような特性を利用する
ため、ブラックレベルをまず測定し、これに基づいてA
DCオフセット機能を利用して実際画素信号でブラック
レベルほどこれを補正することによって、使用環境の変
化に伴うブラックレベルの増加に起因したイメージセン
サの特性低下を最小化することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の最も好ましい実施
例を添付する図面を参照して説明する。図2は、本発明
の一実施例に係るイメージセンサの画素配列部を示す平
面図であり、図3は、本発明の画素配列部を含むイメー
ジセンサを示すブロック図であり、図4ないし図5は、
本発明の自動ブラックレベル補償を説明するための概略
図である。
【0016】図2を参照すると、本発明の画素配列部
は、N×M(N、Mは自然数)の単位画素を含む第1画
素群20、例えば、コア画素配列部と、第1画素群20
の列方向A−A’の片側及び他側に配列されてその構成
画素に対するブラックレベルのオフセット値を算出する
ための第2画素群21とを備えて構成される。前述した
オフセット値は、第2画素群21を構成する画素全体の
オフセット値に対する平均値であり、第1画素群20と
第2画素群21との間、及び第2画素群21の外側周辺
に配置されて第2画素群21に入射する光を遮断するた
めの第3画素群22、例えば、ダミー画素配列部(Du
mmy pixel array)を含むが、第3画素
群22は、アドレスを有しない。一方、従来の場合、画
素配列部のブルーミング(Blooming)現象によ
る画素配列部以外の領域への光の入射を防止するため、
ダミーピクセルを用いたが、本発明における第3画素群
22とはその役割が相違すると言える。
【0017】具体的に、第1画素群20の上段と下段に
遮蔽された第2画素群21を配置し、これらの完全な光
遮断のため、第3画素群22が周囲を取り囲んでいる。
このような第3画素群22の内部的な構造は、第1画素
群20内の単位画素と同一であるが、アドレスが割り当
てられていないため、動作とは関係しないようにするこ
とができる。
【0018】また、ブラックレベル検出のための第2画
素群21の位置が第1画素群20の上段と下段に位置し
ているが、図に示すように、アドレッシングは、一番最
初にする。例えば、行の「0」から「m−1」の順にア
ドレッシングをするので、「0」から「3」のアドレス
はブラックレベル検出のため、第2画素群21をアクセ
スすることになる。
【0019】ここでは、第2画素群21の画素行と第3
画素群22の画素行を各々4と10としたが、精密なブ
ラックレベル測定のため、より多く配列することもでき
る。
【0020】一方、図3は、前述した画素配列部を含む
ブラックレベルを補償するためのイメージセンサを示す
平面図である。図3を参照すると、本発明のイメージセ
ンサは、光に反応する性質を増大させるように、画素を
横N個、縦M個(N、Mは自然数)に配置して、外部か
ら入るイメージに対する情報を感知する第1画素群2
0、すなわち、コア画素配列部と、第1画素群20の列
側の片側及び他側に配列されてその構成画素に対するブ
ラックレベルのオフセット値を算出するための第2画素
群21、及び光遮断のための第3画素群22を含む画素
配列部30と、ブラックレベルのオフセット値によって
第2画素群30のオフセット値を変化させてブラックレ
ベルによるオフセット変化を除去するためのオフセット
調整部31とを備えて構成される。
【0021】具体的に、画素配列部30からの信号を伝
達されてバッファリングするアナログラインバッファ部
33と、アナログラインバッファ部33の出力、即ち、
画素データを増幅するための増幅部34と、ADC35
と画素配列部30の行と列を各々制御するためのロウデ
コーダ32aと、カラムデコーダ32bとを備え、オフ
セット調整部31は、算出されたブラックレベルのオフ
セット値と初期設定されたオフセット値(Initia
l offset)との差によって、R(赤色)、G
(緑色)、B(青色)の各色別にアップデートされたオ
フセット値(Update ADC offset)の
タイミングに合うように適用するためのタイミング制御
部31aと、タイミング制御部31aにより提供される
アップデートされたオフセット値と第1画素群20から
のアナログ画素データを加算してアナログデータを補償
するための加算部31bとを含む。
【0022】アナログラインバッファ部33は、選択さ
れた一行の複数の画素の電圧を感知して格納する役割を
し、増幅部34、例えば、PGAは、アナログラインバ
ッファ部33に格納された画素電圧が小さい場合、これ
を増幅する役割をし、増幅部34を経たアナログデータ
は、色補間及び色補正のため、RGB各々の利得を調節
でき、ADC35を介してデジタル値に変換されて出力
する。
【0023】前述した構成を有する本発明のイメージセ
ンサにおける自動ブラックレベル補償動作を図4及び図
5を参照して詳細に述べる。まず、前述したように、例
えば、「0」から「3」のアドレスに該当する行、すな
わち、第2画素群21に対するブラックレベルの平均値
を測定した後、これの平均値とこれのために使用した初
期のADCオフセット値を利用してアップデートされた
オフセット値を決定した後、第1画素群20に対するイ
メージデータにアップデートされたオフセット値を加算
してブラックレベルを補償する。
【0024】具体的に、図2の画素配列部構造において
自動ブラックレベルの補償のため、「0」〜「3」まで
のラインをまず読み出してオフセット調整の初期設定さ
れたオフセット値が反映されたR、G、B 画素の平均
値を計算するが、実際これらの複数の画素の構造は、カ
ラーフィルタと光源が完全遮断された故に、その差がな
いが、増幅部34でR、G、B各色別に各々利得を制御
するため、その結果に差が出ることになる。
【0025】これから得られたR、G、B各々の平均値
は、全体画素のブラックレベル値を代表することにな
る。すなわち、正常状態ではこれらの各々の平均値は、
「0」に近い数値であるべきであるが、ブラックレベル
効果が発生すると、所定の値を有するようになるので、
実際の正常画素を読み出す時には、この値を引いて画素
からブラックレベルを補償することになる。
【0026】初期設定されたオフセット値は、初期ブラ
ックレベル補償のための第2画素群21を読み出す時、
これからR、G、Bの各々の平均値を算出すると、これ
を利用してアップデートされたオフセット値を生成し
て、実際画素のデータを読み出す時、これを使用してブ
ラックレベルを補償するようになる。
【0027】ADC35のオフセット値は、−31〜3
1まで制御でき、これは符号化絶対値(Signed
magnitude)方式で6ビットで表現した。この
場合、MSB(Most Significant B
it)は、符号ビットで、例えば、「0」である場合は
「+」を、「1」である場合は「−」を意味して、
[4:0]のビットは信号の絶対値であって、この信号
の大きさを意味する。
【0028】一方、ここではADC35が8ビットであ
る場合に限定され、ADC35が10ビットである場合
には、8ビットで表現するが、ADCによってビットの
大きさが変わり得る。したがって、算出された各々の平
均値は、次の数式1によってアップデートされたADC
オフセット値が決定される。
【0029】
【数1】Update ADC offset = −
(Average − initial ADC of
fset)
【0030】ここで、「Update ADC off
set」は、アップデートされたオフセット値を、「A
verage」は、ブラックレベルの平均値を、「In
itial offset」は初期設定されたオフセッ
ト値を各々示す。
【0031】図5に示すように、まず4個のラインに対
するブラックレベルのオフセット値を算出(Evalu
ation)する間は(行アドレス「0」〜「3」)ブ
ラックレベル算出スイッチ「S」がオンされており、こ
の期間の間遮蔽された画素からR、G、Bの各々の平均
値を求める。求められた平均値と初期設定されたオフセ
ット値を持ってR、G、Bの各々を求めて格納する。求
められたR、G、Bの各々のオフセット値は、第2画素
群20の画素データ値を算出する時用いられるが、この
場合タイミング制御部31aで各々のタイミングに合う
ように、オフセット値を出力してブラックレベルが補償
された画素データを得ることができる。
【0032】図5のブラックレベルしきい値と示された
ブロックは、不良画素が発生した場合に不良画素(De
ad pixel)値は平均値に反映しないために平均
値を求める以前に設置して特定以上の値は除去する。
【0033】また、初期設定されたオフセット値は、ブ
ラックレベル測定時には不要であるが、前述した
【数1】で「+」の値を有するようになると、ブラック
レベルに対する補償のみでなく、回路内での他のエラー
(システム雑音)を補正できるようにする。
【0034】本発明は、温度に応じて増加するブラック
レベルのオフセット値を自動的に測定して補償できるよ
うに、簡単なデジタルロジックで既存の画素をそのまま
活用することによって、使用環境に関係なしにイメージ
センサの一定の特性を維持できるようにすることを実施
例を通して明らかにした。尚、本発明は、本実施例に限
られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲
内で多様に変更実施することが可能である。
【0035】
【発明の効果】上述したように本発明によると、使用環
境の変化に関係なしにイメージセンサの特性を一定に維
持できるようにすることによって、窮極的にイメージセ
ンサの応用分野を拡張させることができ、他製品との競
争優位を確保できる優れた効果を期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の技術に係るイメージセンサを示すブロッ
ク図である。
【図2】本発明の一実施例に係るイメージセンサの画素
配列部を示す平面図である。
【図3】本発明の画素配列部を含むイメージセンサを示
す平面図である。
【図4】本発明の自動ブラックレベル補償を説明するた
めの概略図である。
【図5】本発明の自動ブラックレベル補償を説明するた
めの概略図である。
【符号の説明】
20 第1画素群 21 第2画素群 22 第3画素群

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 N×M(N、Mは自然数)の単位画素を
    含む第1画素群と、 前記第1画素群の列側の片側及び他側に配列されてその
    構成画素に対するブラックレベルのオフセット値を算出
    するための第2画素群とを含むことを特徴とするイメー
    ジセンサの画素配列部。
  2. 【請求項2】 前記オフセット値は、前記第2画素群を
    構成する画素全体のオフセット値に対する平均値である
    ことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサの画
    素配列部。
  3. 【請求項3】 前記第1画素群と前記第2画素群との間
    及び前記第2画素群の外側周辺に配置されて前記第2画
    素群に入射する光を遮断するための第3画素群をさらに
    含むことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ
    の画素配列部。
  4. 【請求項4】 前記第3画素群は、アドレスを有しない
    ことを特徴とする請求項3に記載のイメージセンサの画
    素配列部。
  5. 【請求項5】 N×Mの単位画素を含む第1画素群と、
    前記第1画素群の列側の片側及び他側に配列されてその
    構成画素に対するブラックレベルのオフセット値を算出
    するための第2画素群を含む画素配列部と、 前記ブラックレベルのオフセット値に応じて前記第1画
    素群のオフセット値を変化させて前記ブラックレベルに
    よるオフセット変化を除去するためのオフセット調整手
    段とを含むことを特徴とするイメージセンサ。
  6. 【請求項6】 前記ブラックレベルのオフセット値は、
    前記第2画素群を構成する画素全体のブラックレベルの
    オフセット値に対する平均値であることを特徴とする請
    求項5に記載のイメージセンサ。
  7. 【請求項7】 前記第1画素群と前記第2画素群との間
    及び前記第2画素群の外側周辺に配置されて前記第2画
    素群に入射する光を遮断するための第3画素群をさらに
    含むことを特徴とする請求項5に記載のイメージセン
    サ。
  8. 【請求項8】 前記第3画素群は、アドレスを有しない
    ことを特徴とする請求項7に記載のイメージセンサ。
  9. 【請求項9】 前記オフセット調整手段は、 前記算出されたブラックレベルのオフセット値と初期設
    定されたオフセット値との差によってR(赤)、G
    (緑)、B(青)の各色別にアップデートされたオフセ
    ット値のタイミングに合うように適用するためのタイミ
    ング制御部と、 前記タイミング制御部により提供される前記アップデー
    トされたオフセット値と前記第1画素群からのアナログ
    データを加算して前記アナログデータを補償するための
    加算部とを含むことを特徴とする請求項5に記載のイメ
    ージセンサ。
  10. 【請求項10】 イメージセンシングのための第1画素
    群とブラックレベル補償のための第2画素群を含む画素
    配列部を含むイメージセンサの自動ブラックレベル補償
    方法において、 前記第2画素群に対するブラックレベルのオフセット値
    を測定するステップと、 前記ブラックレベルのオフセット値と初期設定されたオ
    フセット値によりアップデートされたオフセット値を決
    定するステップと、 前記第1画素群に対するイメージデータに前記アップデ
    ートされたオフセット値を加算してブラックレベルを補
    償するステップとを含むことを特徴とするイメージセン
    サの自動ブラックレベル補償方法。
  11. 【請求項11】 前記ブラックレベルのオフセット値
    は、前記第2画素群を構成する画素全体のブラックレベ
    ルのオフセット値に対する平均値であることを特徴とす
    る請求項10に記載のイメージセンサの自動ブラックレ
    ベル補償方法。
  12. 【請求項12】 前記初期設定されたオフセット値は、
    外部で制御が可能であることを特徴とする請求項10に
    記載のイメージセンサの自動ブラックレベル補償方法。
JP2002382275A 2002-03-29 2002-12-27 イメージセンサの画素配列部及びそれを含むイメージセンサ並びにイメージセンサの自動ブラックレベル補償方法 Pending JP2003304455A (ja)

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