JP4443112B2 - イメージセンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、イメージセンサに係り、特に、自動にリセット電圧を制限する機能を有するイメージセンサ及びイメージセンサのリセット電圧自動制御方法に関するものである。
【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、イメージを捕獲する装置であるが、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するものがイメージセンサの役割である。
【0003】
すなわち、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 Coupled Device)は、個々のMOS(Metal−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、一方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ほど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。
【0004】
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。(例えば、特許文献1参照)
したがって、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。
【0005】
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、画素配列部10と、制御及び外部システムインターフェース部11と、アナログラインバッファ部12と、画像信号処理部13とを備えて構成される。
【0006】
以下、前記イメージセンサを構成する各構成要素の動作を詳細に述べる。
画素配列部10は、光に反応する性質を極大化させるように、画素を横N個、縦M個(N、Mは正数)に配置し、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11は、FSM(Finite State Machine)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)を持っているので、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。
【0007】
アナログラインバッファ部12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、後段で用いられる色補間(Color Interpolation)及びイメージ信号処理に利用するために複数のラインから構成され、画像信号処理部13は、イメージセンサの機能に応じて色補間(Colorinterpolation)、色補正(Color correction)、ガンマ補正(Gamma correction)、オートホワイトバランス(Auto white balance)、自動露出(Auto exposure)等アナログラインバッファ部12に格納された画素の出力値に基づいてイメージセンサのセンサの性能向上のため、付加的な種々の機能を行う。
【0008】
一方、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(Offset voltage)による固定パターン雑音(Fixed 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10の各画素からリセット電圧信号を読み出しデータ信号電圧を読み出した後、その差を出力する相互連関した二重サンプリング(Correlated Double Sampling:以下、CDSと記す)技法を使用する。
【0009】
しかし、画素配列部の各画素から出力されるリセット電圧信号のレベルが適正な領域に維持されない場合、CDS技法を利用しても画像の歪みが現れる。
例えば、太陽のように極度に明るい物体のイメージが黒く表現される歪みが発生する。
【0010】
このような問題点を解決するため、従来のイメージセンサでは、ユーザが外部環境に合う適切なクランピング(Clamping)電圧をセンサ外部で直接制御してリセット電圧信号がクランピング電圧以下に下がらないようにした。
【0011】
しかし、このような方法は、イメージセンサを使用する外部環境が変わる都度にリセット電圧信号の分布(Reset voltage sigal distribution)を考慮して適切なクランピング電圧値を決めるべき不便さがあり、また外部環境の変化がない場合にも、イメージセンサの製造工程上の変化によりセンサごとに動作特性が異なるため、ユーザが外部でクランピング電圧を制御しなければならない短所がある。
【0012】
【特許文献1】
米国特許6,423,957B1
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、目的とするところは、外部環境変化と工程上の変化に応じてイメージセンサ自らが自動に適切なクランピング電圧範囲を調節できる、自動にリセット電圧を制限する機能を有するイメージセンサ及びイメージセンサのリセット電圧自動制御方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明によるイメージセンサは、外部の光情報を感知するための複数の画素を含む画素配列部と、選択された一行の前記複数の画素の電圧を感知して格納するアナログラインバッファ部と、前記画素配列部の出力値を前記アナログラインバッファ部に格納する前に前記画素出力のリセット電圧分布に応答してクランピング電圧値を調節する自動リセット電圧クランピング部とを含むことを特徴とする。
【0015】
また、好ましくは、前記課題を解決するために本発明によるイメージセンサは、イメージセンサのリセット電圧自動制御方法において、画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧及び最小クランピング電圧と比較して「第1レベル」または「第2レベル」の信号を出力するステップと、前記「第1レベル」及び前記「第2レベル」の信号をカウントするステップと、前述した過程を通して得られた一つの画面に対する前記カウント結果を比較してクランピング電圧を調整するステップとを含むことを特徴とする。
【0016】
本発明では、イメージセンサが用いられる外部環境の変化と工程上の変化に応じたリセット電圧信号の分布を見て、イメージセンサ自らが適切なクランピング電圧範囲を調節して歪みのないイメージセンサの画像を具現できるようにすることを技術的思想とするが、各々の画素から出力されるリセット電圧信号と基準電圧とを比較器を介して比較した後、その出力された値をカウントしてその結果により、毎画面(Frame)ごとに自動に適切なクランピング電圧範囲を調節するようにし、基準電圧を最大クランピング電圧と最小クランピング電圧と比較し、その際、その値は任意に定めることができるようにしたことを特徴とする。
【0017】
【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ながら説明する。
図2は、本発明に係るイメージセンサを示すブロック図である。
図2を参照すると、本発明のイメージセンサは、外部の光情報を感知するための画素配列部20と、制御及び外部システムインターフェース部21と、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アナログラインバッファ部22と、画像信号処理部23と、画素配列部20の出力値をアナログラインバッファ22に格納する前に画素出力のリセット電圧分布に応答してクランピング電圧値を調節する自動リセット電圧クランピング部24とを備えて構成される。
【0018】
以下、前記したような各構成要素の動作を詳細に述べる。
画素配列部20は、光に反応する性質を極大化させるように、画素を横N個、縦M個に配置して、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21は、FSM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。
【0019】
アナログラインバッファ部22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、後段で用いられる色補間及びイメージ信号処理に利用するため、複数のラインから構成され、画像信号処理部23は、イメージセンサの機能に応じて色補間、色補正、ガンマ補正、オートホワイトバランス、自動露出等アナログラインバッファ部22に格納された画素の出力値に基づいてイメージセンサのセンサの性能向上のために付加的な種々の機能を行う。
【0020】
また、自動リセット電圧クランピング部24は、クランピング電圧範囲を調整するため、画素配列部20の出力値をアナログラインバッファ部22に格納する前にクランピング電圧値を画素出力のリセット電圧信号分布に合せて適切に調節する。
【0021】
また、一般にイメージセンサは、現実の、理想的でない工程や経路上で発生する固定パターン雑音をなくすため、CDS技法を利用するが、CDS技法が効果を有するためには、リセット電圧信号分布の幅が狭く、画素出力信号の領域の中の上位にあるべきである。
【0022】
しかし、外部から太陽のような極度に明るい物体に対する光情報が入る場合、画素出力のリセット電圧信号とデータ電圧信号との差が極めて小さいため、CDS技法による画像が歪曲される。したがって、リセット電圧信号の分布があまり低い場合に、リセット電圧値を適切な水準で制限することによって、画像の歪みを除去すると、良い画質の画面が得られる。
【0023】
これを解決するため、既存のイメージセンサは、リセット電圧信号値を適切な水準で制限するため、イメージセンサのユーザが外部環境の変化に合せてクランピング電圧値を直接設定した。
【0024】
しかし、このような方法は設定されたクランピング電圧値が外部環境変化や予想しなかった変化に対してイメージセンサ自らが補正できなかった故に問題が生じ得るし、このような現象を防止するためには、イメージセンサを使用するユーザが常にクランピング電圧値を補正しなければならない。しかし、リセット電圧信号を制限するクランピング電圧値が適当ではない場合、かえってまた別のCDS技法によりオフセットを誘発し得る。
【0025】
図3は、クランピング電圧調節を示す概念図である。図3(A)のように、リセット電圧信号がクランピング電圧より若干下にある場合、CDS技法による値は、リセット電圧信号からデータ電圧信号を引いたものではなく、クランピング電圧からデータ電圧信号を引いた値であるので、図3(A)に示すように、クランピングエラー(Clamping error)ほどのエラーが発生しこのエラーが画像歪みの原因となる。
【0026】
このようなエラーを補正するため、図3(B)では、イメージセンサが自動にクランピング電圧値をリセット電圧より下に下げることによって、CDS技法による出力値がリセット電圧からデータ電圧を引いた差となるので、図3(A)のようなエラーまでは補正できる。
【0027】
一方、前述した問題点を解決するため、本発明では、イメージセンサ自らがクランピング電圧値を適切に調整できるようにする自動リセット電圧クランピング機能を付加したものであって詳細な動作は以下の通りである。
【0028】
図4は、本発明による自動リセット電圧クランピング機能に係る概念図を示すものであって、これを参照すると、現在のクランピング電圧値と、最大クランピング電圧、そして最小クランピング電圧値を設定し画素のリセット電圧信号値を比較する。
【0029】
図4は、本発明における自動リセット電圧クランピング機能を示す概念図である。
図4に示すように、リセット電圧信号値が現在クランピング電圧より高いながら最大クランピング電圧より低い領域と、現在クランピング電圧より低いながら最小クランピング電圧よりは高い領域に対してその個数を各々カウントして、その結果を比較して毎画面ごとにクランピング電圧値を自動に調節する。
【0030】
このような補正過程は、毎画面ごとに自動に行なうことがができるので、イメージセンサの外部環境変化に対する影響やイメージセンサ製造工程上の問題による変化の影響を直ぐに調整できる。
【0031】
図5は、図2の自動リセット電圧クランピング部を示す詳細ブロック図であって、図6は、図5のクランピング電圧比較器を示す詳細回路図である。
【0032】
図5を参照すると、自動リセット電圧クランピング部24は、画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧、最小クランピング電圧と比較するクランピング電圧比較器50と、クランピング電圧比較器50の比較結果に応じて「第1レベル」と「第2レベル」、例えば、「ハイレバル」と「ロウレベル」をカウントするカウンタ51と、一つの画面に対する動作が完了すると、カウント結果に応じてアップ/ダウン信号を発生するレベル比較器52と、アップ/ダウン信号によって調整されたクランピング電圧を出力するクランピング電圧調整器53とを備えて構成される。
【0033】
図6を参照すると、クランピング電圧比較器50は、最大クランピング電圧を正入力とし、リセット電圧信号を負入力とする第1比較器500aと、リセット電圧信号を正入力とし、現在クランピング電圧を負入力とする第2比較器500bと、現在クランピング電圧を正入力とし、リセット電圧信号を負入力とする第3比較器500cと、リセット電圧信号を正入力とし、最小クランピング信号を負入力とする第4比較器500dと、第1比較器500aと第2比較器500bとの出力を論理積して「第1レベル」の信号、例えば、「High」を 出力する第1論理積ゲート501aと、第3比較器500cと第4比較器500dとの出力を論理積して「第2レベル」の信号、例えば、「Low」を出力する第2論理積ゲート501bとを備えて構成される。
【0034】
以下では、前述したような構成による本発明の自動リセット電圧クランピング機能を詳細に述べる。
【0035】
まず、画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧、最小クランピング電圧とクランピング電圧比較器50を介して比較した後、条件を満足するカウンタ51、Highカウンタ51a、Lowカウンタ51bの値を増加させる。例えば、リセット電圧信号が現在クランピング電圧より高いながら最大クランピング電圧より低いと、Highカウンタ51aの値を増加させ、現在クランピング電圧より低いながら最小クランピング電圧より高いと、Lowカウンタ51bの値を増加させる。一つの画面が終わると、「Frame End」信号が発生し、一つの画面の間カウントされた値を比較して、その結果に応じてアップ(UP)またはダウン(DOWN)信号を発生させ、UP/DOWN信号がない場合は、クランピング電圧値がリセット電圧信号分布領域に適切にあるので、クランピング電圧値を調整しないが、このようなクランピング電圧値の調整範囲は、繰り返し探し、画面の突然な変化を回避するため、小さい範囲で調整する。
【0036】
イメージセンサのリセット電圧信号の値が外部環境の変化によって何らの制限なしに変わると、画面に縞などの形態で発生する雑音と明暗の分布及び色にも悪い影響を及ぼすことになり、外部環境が変わらない場合にも、イメージセンサの製造工程上の問題によって画像の歪みは種々の形態に現れるが、前記したようになされる本発明は、このような影響をなくすため、画素のリセット電圧信号の分布に応じてイメージセンサ自らがクランピング電圧値を調整することによって、リセット電圧値の範囲を制限してイメージセンサの製造工程上の問題及び外部環境の突然な変化に対する画質の低下を除去できることが実施例を通して分かった。
【0037】
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。
【0038】
【発明の効果】
上述したように、本発明によると、イメージセンサの製造工程上の問題及び外部環境の突然な変化に対する画質の低下を除去でき、窮極的に、イメージセンサの画質を改善するという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】本発明に係るイメージセンサを示すブロック図である。
【図3】(A)は、クランピング電圧調節を示す概念図である。
(B)は、クランピング電圧調節を示す概念図である。
【図4】本発明における自動リセット電圧クランピング機能を示す概念図である。
【図5】図2の自動リセット電圧クランピング部を示す詳細ブロック図である。
【図6】図5のクランピング電圧比較器を示す詳細回路図である。
【符号の説明】
20 画素配列部
21 制御及び外部システムインターフェース部
22 アナログラインバッファ部
23 画像信号処理部
24 自動リセット電圧クランピング部
Claims (10)
- 外部の光情報を感知するための複数の画素を含む画素配列部と、
選択された一行の前記複数の画素の電圧を感知して格納するアナログラインバッファ部と、
前記画素配列部の出力値を前記アナログラインバッファ部に格納する前に前記画素出力のリセット電圧分布に応答してクランピング電圧値を調節する自動リセット電圧クランピング部と
を含むことを特徴とするイメージセンサ。 - 前記自動リセット電圧クランピング部は、
前記画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧及び最小クランピング電圧と比較して「第1レベル」または「第2レベル」の信号を出力するクランピング電圧比較器と、
前記「第1レベル」及び「第2レベル」の信号を各々カウントする第1及び第2カウンタと、
一つの画面に対する動作が完了すると、前記カウント結果に応じてアップ/ダウン信号を発生するレベル比較器と、
前記アップ/ダウン信号によって調整されたクランピング電圧を出力するクランピング電圧調整器と
を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。 - 前記自動リセット電圧クランピング部は、
前記リセット信号電圧の値が前記現在クランピング電圧より高く前記最大クランピング電圧より低い場合に前記第1カウンタの値を増加させ、
前記リセット信号電圧の値が前記現在クランピング電圧より低く前記最小クランピング電圧より高い場合に前記第2カウンタの値を増加させる
ことを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサ。 - 前記アップ/ダウン信号がない場合、前記クランピング電圧の値を調整しないことを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサ。
- 前記クランピング電圧比較器は、
前記最大クランピング電圧を正入力とし、前記リセット電圧信号を負入力とする第1比較器と、
前記リセット電圧信号を正入力とし、前記現在クランピング電圧を負入力とする第2比較器と、
前記現在クランピング電圧を正入力とし、前記リセット電圧信号を負入力とする第3比較器と、
前記リセット電圧信号を正入力とし前記最小クランピング電圧を負入力とする第4比較器と、
前記第1比較器と前記第2比較器の出力を論理積して前記「第1レベル」の信号を出力する第1論理積ゲートと、
前記第3比較器と前記第4比較器の出力を論理積して前記「第2レベル」の信号を出力する第2論理積ゲートと
を含むことを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサ。 - イメージセンサのリセット電圧自動制御方法において、
画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧及び最小クランピング電圧と比較して「第1レベル」または「第2レベル」の信号を出力するステップと、
前記「第1レベル」及び前記「第2レベル」の信号をカウントするステップと、
前述した過程を通して得られた一つの画面に対する前記カウント結果を比較してクランピング電圧を調整するステップと
を含むことを特徴とするリセット電圧自動制御方法。 - 前記リセット電圧信号を比較するステップで、
前記リセット電圧信号が前記現在クランピング電圧より高いながら前記最大クランピング電圧より低いと、前記「第1レベル」の信号を出力し、
前記リセット電圧信号が前記現在クランピング電圧より低いながら前記最小クランピング電圧より高いと、前記「第2レベル」の信号を出力することを特徴とする請求項6に記載のリセット電圧自動制御方法。 - 前記クランピング電圧を調整するステップで、
前記カウント結果、前記「第1レベル」の信号に対するカウント値が前記「第2レベル」の信号に対するカウント値より大きい場合、アップ信号を出力し、
前記カウント結果、前記「第2レベル」の信号に対するカウント値が前記「第1レベル」の信号に対するカウント値より大きい場合、ダウン信号を出力することを特徴とする請求項6に記載のリセット電圧自動制御方法。 - 前記アップ/ダウン信号がない場合、前記クランピング電圧の値を調整しないことを特徴とする請求項8に記載のリセット電圧自動制御方法。
- 前記クランピング電圧値の調整範囲は、繰り返し探して、画面の突然な変化を回避できる範囲で調整することを特徴とする請求項6に記載のリセット電圧自動制御方法。
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