KR100325954B1 - 광전변환장치 - Google Patents

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KR100325954B1
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Abstract

열 단위로 판독된 전압 Vsigl의 차이가 발생하여 수직 방향 세이딩(shading)이 발생하고 그래서 화질이 저하되는 문제와 전원 배선에 유한 저항이 분포되어 소스 폴로우어(follower) 회로의 다이나믹 레인지가 열 단위마다 다르다는 문제를 해결하기 위해서, 광전 변환 장치는, 복수의 열로 배열된 광전 변환부와, 수직 출력 배선 단위로 배열된 부하부를 포함하고, 복수의 열에 배열된 광전 변환부에 축적된 신호 전하를 증폭하기 위한 증폭부와, 증폭부에 의해 증폭된 신호를 순차적으로 주사해서 수직 출력 배선상의 신호들을 판독하기 위한 수직 주사부와, 및 증폭부에 의해 증폭된 신호를 순차적으로 주사해서 수평 출력 배선상의 신호를 판독하기 위한 수평 주사부를 포함한다. 여기에서 부하부는 증폭부로부터 신호가 출력하는 방향과 수직 방향의 반대측에 배열된다.

Description

광전 변환 장치{PHOTOELECTRIC CONVERSION APPARATUS}
본 발명은 매트릭스 형태로 배열된 광전 변환 소자를 가지고 있고, 고화질을 성취할 수 있는 광전 변환 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 광전 변환 장치를 설명하기 위한 다이어그램이다. 도 1을 참조하면, 광전 변환 소자(예를 들면 포토 다이오드)(1)는 입사 광선량에 따라 전하를 저장하고, 2차원 배열(도 1에서 4×4 소자들)을 형성한다. 광전 변환 소자(1)의 한 단자는 소스 폴로우어(follower) 입력 MOS(2)의 게이트에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 소스는 수직 선택 스위치 MOS(3)의 드레인에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 드레인은 전원 배선(4)을 통해서 전원 단자(5)에 접속된다. 수직 선택 스위치 MOS(3)의 소스는 수직 출력 배선(6)을 통해서 부하 전원(7)에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2), 수직 선택 스위치 MOS(3), 및 부하 전원(7)은 소스 폴로우어 회로를 형성한다. 광전 변환 소자(1), 소스 폴로우어입력 MOS(2), 수직 선택 스위치 MOS(3), 및 부하 전원(7)은 픽셀을 형성한다.
광전 변환 소자(1)의 신호 전압은 각 픽셀의 광전 변환 소자에 축적된 전하에 따라서 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 게이트에 유도된다. 이 신호 전압이 전류 증폭되며 소스 폴로우어 회로에 의해 판독된다.
수직 선택 스위치 MOS(3)의 게이트는 수직 게이트 배선(8)을 경유해서 수직 주사 회로(9)에 접속된다. 소스 폴로우어 회로로부터 출력 신호는 수직 출력 배선(6), 수평 전송 MOS 스위치(10), 수평 출력 배선(11), 및 출력 증폭기(12)를 통해서 외부에 출력된다. 각 수평 전송 MOS 스위치(10)의 게이트는 수평 주사 회로(13)에 접속된다. 이러한 배열로, 수직 주사 회로(9)에 접속된 수직 게이트 배선(8)상의 펄스 전압에 의해 수직 선택 스위치 MOS(3)를 순차적으로 턴온(turn on)해서 각 광전 변환 소자들의 신호 전압을 대응하는 수직 배선상에서 판독한다. 수평 전송 MOS 스위치(10)는 수평 주사 회로(13)의 시프트 레지스터 신호에 의해 순차적으로 턴온된다. 각 광전 변환 소자들의 신호 전압은 시계열 신호로서 출력 증폭기(12)로부터 픽셀 단위로 출력된다.
상기한 이전 기술에서, 수직 출력 배선(6)에 유한 저항이 분포되어 있으므로, 저항에 의한 전위의 저하에 따라 수직 방향으로 세이딩이 신호에 발생한다. 설명의 편이상, 하나의 픽셀과 그것의 주변부가 도 2에 설명된다. 도 2를 참조하면, 저항(201)이 수직 출력 배선(6)에 분포된다. M개의 픽셀 열이 존재한다고 가정하고, r1을 열당 수직 출력 배선의 저항값이라고 하자. 그러면, k번째 열의 픽셀과 수평 전송 MOS 스위치(10)의 사이의 전체 저항은
로 정의된다.
Ia, Rm, Vth0, 및 Vsig0를 각각 부하 전원(7)을 통해 흐르는 전류, 수직 선택 스위치 MOS(3)의 직렬 저항, 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 임계 전압, 및 소스 폴로우어 입력 MOS(2) 게이트상의 신호 전압이라고 하자. 그러면, 소스 폴로우어 회로에 의해 전류 증폭되어 판독된 신호 Vsigl은
로 정의된다. 다시 말하면, 동일한 신호 전압들 Vsig0이 픽셀들에 유도된다하더라도, 수직 출력 배선(6)의 저항 r1에 의한 전압 강하 때문에 열 단위로 판독된 전압 Vsig1의 차이가 발생하고, 그래서 수직 방향 세이딩을 유발한다. 화질이 크게 나빠진다.
최근, 광전 변환 장치의 발전으로 픽셀의 수는 증가하고 크기는 감소하고 있다. 광전 변환 장치에 이용되는 배선은 얇고 길어지는 경향이 있다. 수직 출력 배선(6)의 저항 r1에 의한 전압 강하는 중대한 문제가 된다.
유한 저항이 전원 배선(4)에 분포됨으로 인해 열 단위마다의 소스 폴로우어 회로의 다이나믹 레인지(dynamic range)가 다르다는 또 하나의 문제가 대두된다. 이 문제는 도 2를 참조해서 기술될 것이다. 도 2의 저항(202)은 전원 배선(4) 상에 분포된다. M개의 픽셀열이 존재하고 r2를 열당 전원 배선의 저항값이라고 하자. 그러면, K번째 열상의 픽셀과 전원 단자(5)의 사이의 전체 저항값은
이다.
Vd를 전원 단자(5)의 전압이라하면, 소스 폴로우어 회로를 선형 증폭기로 작동하기 위해 소스 폴로우어 입력 MOS(2)는 5극 진공관으로 작동해야한다. 이것에 대한 조건은
이다. 상기 조건을 다시 쓰면
이다.
상기 조건을 만족시키지 않는 신호 전압값은 열에 따라 달라진다. 다시 말하면, 신호들은 다른 다이나믹 레인지를 가지고 있다.
이것은 결과적으로 포토 다이오드(1)의 극성들의 조합에 의해 포화 전압의 세이딩이나 저광량 특성측의 출력 세이딩이 발생되어 화질을 크게 저하시킨다.
본 발명의 목적은 광전 변환 장치의 화질의 저하를 방지하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 제1 의 실시예에 따른 광전 변환 장치는 복수열에 마운트된 광전 변환 소자와, 수직 출력 배선 단위로 배열된 부하 수단을 포함하고 복수의 열로 마운트된 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하를 증폭하기 위한 증폭 수단과, 증폭 수단에 의해 증폭된 신호를 순차적으로 주사하여 수직 출력 배선상의 신호를 판독하는 수직 주사 수단과, 및 증폭 수단에 의해 증폭된 신호를 순차적으로 주사해서 수평 출력 배선상의 신호를 판독하기 위한 수평 주사 수단으로 구성되어진다. 여기에서 부하 수단은 증폭 수단으로부터의 신호 출력의 방향과 수직방향으로 반대쪽에 배치된다.
다른 하나의 실시예에서 광전 변환 장치는 복수열에 마운트된 광전 변환 소자와, 수직 출력 배선 단위로 배열된 부하 수단을 포함하고 복수의 열로 마운트된 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하를 증폭하기 위한 증폭 수단과, 증폭 수단에 의해 증폭된 신호를 순차적으로 주사하여 수직 출력 배선상의 신호를 판독하는 수직 주사 수단과, 및 증폭 수단에 의해 증폭된 신호를 순차적으로 주사해서 수평 출력 배선상의 신호를 판독하기 위한 수평 주사 수단으로 구성되어진다. 여기에서 부하 수단은 증폭 수단으로부터 신호를 출력하는 방향과 수직 방향으로 동일한 쪽에 위치하며, 증폭 수단으로부터의 신호들 중 일부는 신호 출력의 방향과 반대 방향으로 출력된다.
또 다른 하나의 실시예에서, 광전 변환 장치는 복수열로 마운트된 광전 변환 소자와, 복수의 열로 마운트된 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하를 증폭하기 위한 증폭 수단과, 증폭 수단에 의해 증폭된 신호를 순차적으로 주사하여 수직 출력배선상의 신호를 판독하는 수직 주사 수단과, 증폭 수단에 의해 증폭된 신호를 순차적으로 주사해서 수평 출력 배선상의 신호를 판독하기 위한 수평 주사 수단과, 및 증폭 수단에 전원 전압을 공급하기 위한 전원 수단을 포함한다. 여기에서 전원 수단중의 하나는 증폭 수단으로부터의 신호 출력의 방향과 수직 방향으로 반대측에 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 광전 변환 장치는 복수열로 마운트된 광전 변환 소자와, 복수열로 마운트된 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하를 전압 신호로 출력하기 위한 출력 수단과, 출력 수단으로부터의 전압 신호를 순차적으로 주사해서 수직 출력 배선상의 전압 신호를 판독하기 위한 수직 주사 수단과, 수직 출력 배선상의 전압 신호를 순차적으로 주사해서 수평 출력 배선상의 전압 신호를 판독하기 위한 수평 출력 수단과, 및 다른 열들의 광전 변환 소자들의 전압 신호 - 출력 수단으로부터 출력됨 - 레벨 차이로 기인하는 세이딩을 정정하기 위한 세이딩 정정 수단을 포함한다.
상기 배열로 고화질의 광전 변환 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 및 잇점은 첨부한 도면을 참조한 양호한 실시예의 상세한 설명을 통해 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 종래의 광전 변환 장치를 설명하는 다이어그램.
도 2는 종래의 광전 변환 장치의 작동을 설명하기 위한 회로 다이어그램.
도 3은 본 발명의 제1 의 실시예의 동작을 설명하기 위한 다이어그램.
도 4는 본 발명의 제1 의 실시예의 동작을 설명하기 위한 회로 다이어그램.
도 5는 본 발명의 제2 의 실시예를 설명하기 위한 다이어그램.
도 6은 본 발명의 제3 의 실시예를 설명하기 위한 다이어그램.
도 7은 본 발명의 제4 의 실시예를 설명하기 위한 다이어그램.
도 8은 본 발명의 제5 의 실시예를 설명하기 위한 다이어그램.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 광전 변환 소자
2 : 소스 폴로우어 입력 MOS
3 : 수직 선택 스위치 MOS
4 : 전원 배선
5 : 전원 단자
6 : 수직 출력 배선
7 : 부하 전류원
8 : 수직 게이트 배선
9 : 수직 주사 회로
10 : 수평 전송 MOS 스위치
11 : 수평 출력 배선
12 : 출력 증폭기
13 : 수평 주사 회로
도 3은 본 발명의 제1 의 실시예를 설명하기 위한 다이어그램이다. 정전류원(7)은 소스 폴로우어 회로로부터 신호 전압을 출력하는 방향과 수직 방향으로 반대측에 배치된다. 도 3을 참조하면, 광전 변환 소자(예를 들면 포토 다이오드)(1)는 입사 광선양에 따라 전하를 저장하고 2차원의 배열(도 3의 4×4 소자들)을 형성한다. 광전 변환 소자(1)의 한 단자는 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 게이트에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 소스는 수직 선택 스위치 MOS(3)의 드레인에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 드레인은 전원 배선(4)를 통해서 전원 단자(5)에 접속된다. 수직 선택 스위치 MOS(3)의 소스는 수직 출력 배선(6)을 통해서 부하 전원(7)에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2), 수직 선택 스위치 MOS(3), 및 부하 전원(7)은 소스 폴로우어 회로를 형성한다. 광전 변환 소자(1), 소스 폴로우어 입력 MOS(2), 수직 선택 스위치 MOS(3), 및 부하 전원(7)은 픽셀을 형성한다.
광전 변환 소자(1)의 신호 전압은 각 픽셀의 광전 변환 소자에 축적된 전하에 따라 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 게이트에 유도된다. 이 신호 전압은 전류 증폭되며, 소스 폴로우어 회로에 의해 판독된다.
수직 선택 스위치 MOS(3)의 게이트는 수직 게이트 배선(8)을 경유해서 수직 주사 회로(9)에 접속된다. 소스 폴로우어 회로로부터의 출력 신호는 수직 출력 배선(6), 수평 전송 MOS 스위치(10), 수평 출력 배선(11), 및 출력 증폭기(12)를 통해서 외부에 출력된다. 각 수평 전송 MOS 스위치(10)의 게이트는 수평 주사 회로(13)에 접속된다. 이러한 배열로, 수직 주사 회로(9)에 접속된 수직 게이트 배선(8)상의 펄스 전압에 의해 수직 선택 스위치 MOS(3)를 순차적으로 턴온해서 각 광전 변환 소자의 신호 전압을 대응하는 수직 배선상에서 판독한다. 수평 전송 MOS 스위치(10)는 수평 주사 회로(13)의 시프트 레지스터 신호에 의해 순차적으로턴온된다. 각 광전 변환 소자들의 신호 전압은 시계열 신호로서 출력 증폭기(12)로부터 픽셀 단위로 출력된다. 고입력 임피던스를 갖는 MOS 증폭기와 같은 증폭기는 출력 증폭기(12)로서 양호하다.
도 4는 설명의 편의상 하나의 픽셀과 그것의 주변부를 도시한다. 도 4를 참조하면, 저항(401)은 소스 폴로우어와 정전류원(7)과의 사이에 존재한다. 정전류원(7)의 정상 전류는 이 저항(401)를 경유하여 정전류원(7)에 유입된다. 저항(201)은 소스 폴로우어와 출력 단자의 사이에 존재한다.
소스 폴로우어의 출력 단자의 전압 Vsig1′는
으로 주어진다. 이 값은 트랜지스터의 설계값과 정상 전류에 의해 결정되는 상수값이다.
상기 기술한대로, 정상 전류 Ia는 저항(401)를 경유하여 정전류원(7)로 유입되고, 정전류원(7)과 저항(401)사이의 접속점의 전압 Vsig1는 상기 수학식 2에 의해 지적된 것처럼 저항(401)의 존재로 인해 픽셀 열단위로 전위차를 가지고 있다.
부하 전원(7)은 소스 폴로우어 회로로부터 신호 전압을 출력하는 방향과 수직 방향으로 반대측에 배치된다. 그러므로, 초기 판독 기간의 과도 전류만이 저항(201)에 흐르고, 어떠한 정상 전류도 이것에는 흐르지 않는다. 저항(201)과 수평 전송 MOS 스위치(10)의 접속점에서의 전압 Vsig2는
로 주어진다. 저항에 의한 어떠한 전위 효과도 발생하지 않는다. 그래서, 수직 방향 세이딩은 크게 감소될 수 있고 화질은 향상될 수 있다.
본 실시예에서, 정전류형 부하를 이용하는 소스 폴로우어 회로가 상기 기술되었다. 그러나 본 발명은 이것에 국한되지 않는다. 이것은 또한 미국 특허 번호 5,698,844에 첨부된 것처럼 소스 폴로우어 회로가 아닌 광전 변환 소자에 축적된 전하를 반전시키고 증폭하며 전하를 수직 출력 배선상에 출력하기 위한 회로인 반전 증폭형 회로의 이용도 유효하다.
또한, 신호가 증폭기로 직접 입력되는 대신에 정전 용량에 일시적으로 저장되었다가 판독하는 경우에서도 동일 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에서, 세이딩 정정 수단의 배열은 정전류원(7)이 소스 폴로우어 회로로부터 신호 전압을 출력하는 방향과 수직 방향으로 반대측에 배치된다. 이러한 배열은 각 열의 소스 폴로우어 회로로부터 출력된 신호의 레벨 차이로부터 발생하는 세이딩을 정정하는 기능을 가지고 있다.
본 실시예에서, 전류 출력 수단의 배열은 정전류원(7)이 소스 폴로우어 회로로부터 신호 전압을 출력하는 방향과 수직 방향으로 반대측에 배치된다.
상기 배열은 신호의 출력 방향을 소스 폴로우어 회로로부터 신호가 출력되는 방향으로 하지 않고, 수직 출력 배선상의 전류를 정전류원 쪽으로 흐르게 하는 기능을 가지고 있다.
도 5는 본 발명의 제2 의 실시예를 설명하는 차트이다. 정전류원은 소스 폴로우어 회로로부터 신호 전압을 출력하는 방향과 수직 방향으로 같은 쪽에 배치되며, 동시에 신호 전압이 열 단위로 반대 측에 교대로 출력된다.
도 5를 참조하면, 광전 변환 소자(예를 들면 포토 다이오드)(1)는 입사 광선량에 따라 전하를 저장하고 2차원 배열(도 5에서 4×4 소자들)을 형성한다. 광전 변환 소자(1)의 한 단자는 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 게이트에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 소스는 수직 선택 스위치 MOS(3)의 드레인에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 드레인은 전원 배선(4)을 통해서 전원 단자(5)에 접속된다. 수직 선택 스위치 MOS(3)의 소스는 수직 출력 배선(6)을 통해 부하 전원(7)에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2), 수직 선택 스위치 MOS(3), 및 부하 전원(7)은 소스 폴로우어 회로를 형성한다. 광전 변환 소자(1), 소스 폴로우어 입력 MOS(2), 수직 선택 스위치 MOS(3), 및 부하 전원(7)은 픽셀을 형성한다.
광전 변환 소자(1)의 신호 전압은 각 픽셀의 광전 변환 소자에 축적된 전하에 따라 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 게이트에 유도된다. 이 신호 전압은 전류 증폭되며, 소스 폴로우어 회로에 의해 판독된다.
수직 선택 스위치 MOS(3)의 게이트는 수직 게이트 배선(8)을 경유해서 수직 주사 회로(9)에 접속된다. 소스 폴로우어 회로의 출력 신호는 수직 출력 배선(6), 수평 전송 MOS 스위치(10), 수평 출력 배선(11), 및 출력 증폭기(12)를 경유하여 외부에 출력된다. 각 수평 전송 MOS 스위치(10)의 게이트는 수평 주사 회로(13)에 접속된다. 이러한 배열로, 수직 주사 회로(9)에 접속된 수직 게이트 배선(8)상의펄스에 의해 수직 선택 스위치 MOS(3)를 순차적으로 턴온해서 각 광전 변환 소자의 신호 전압을 대응하는 수직선상에서 판독한다. 수평 전송 MOS 스위치(10)은 수평 주사 회로(13)의 시프트 레지스터 신호에 의해 순차적으로 턴온된다. 각 광전 변환 소자들의 신호 전압은 시계열 신호로서 출력 증폭기(12)로부터 픽셀 단위로 출력된다.
수평 전송 MOS 스위치(10)은 모두 다른 수직 출력 배선(6)에 접속되고, 각 수평 주사 회로(13)는 각 수직 출력 배선(6)에 대해서 대응하는 수평 전송 MOS 스위치(10)로부터 대응하는 수평 출력 배선(11)으로 신호를 출력한다. 소스 폴로우어 회로의 부하로 되는 정전류원(7)은 수직 출력 배선(6)상에 수평 전송 MOS 스위치(10)의 소스에 접속된다. 수직 출력 배선의 저항값은 수직 게이트 배선(8)의 위치에 따라 다르다. 수평 주사 회로(13)는 각 수직 출력 배선(6)의 양단에 배치된다. 양단의 수평 주사 회로(13)는 동기 동작해서 각 수평 전송 MOS 스위치(10)를 수직 출력 배선(6) 단위로 턴온한다. 각 수평 주사 회로(13)는 광전하 변환 소자(1)로부터 대응하는 수평 출력 배선(11)에서 광학 전하 신호를 독출하고 대응하는 출력 증폭기(12)로부터 신호를 출력한다. 이러한 경우에, 양단에서의 수평 전송 MOS 스위치(10)가 턴온되어 판독율이 증가한다.
도시되지 않았지만, 양단에서의 출력 증폭기(12)로부터의 출력 신호는 시계열 화상 신호 시퀀스로 연결되고, 샘플/홀드 회로, 세이딩 정정 회로 등을 경유해서 영상 신호로서 출력될 수도 있다.
광전 변환 장치가 상기 배열로 M개 열과 N개 행의 소자들을 갖는다고 가정하자. K번째 열과 L번째 행(1≤K≤M,1≤L≤N)에서 픽셀로부터 판독된 신호 전압은
에 의해 주어진다(여기에서 Rm은 수직 선택 스위치 MOS(3)의 직렬 ON 저항값이고, r1은 열당 수직 출력 배선(6)의 저항값이고, Vsig0는 광전 변환 소자(1)의 출력 전압이고, Vth0는 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 임계 전압이고, Ia는 정전류원(7)의 전류이다). K번째 열과 L+1번째 행(1≤K≤M,1≤L≤N)에서 판독된 신호 전압은 전압 추출 방향이 반대이므로 다른 저항값에 의해 영향을 받으며,
(1≤K≤M)
이 된다.
상기 수학식에서 분명해진 것처럼, 예를 들면 홀수번째 행을 고려한 경우, 종래의 경우처럼 본 실시예에서는 세이딩이 발생했지만 홀수번째 행의 세이딩과는 반대의 세이딩이 짝수번째 행에서 발생하고, 그럼으로 인해 세이딩을 평균화하고 상쇄함으로써 화질을 대폭 개선하게 된다.
실제 근접 신호를 가산하고 혹은 평균화해서 세이딩을 더 감소시키기 위해서 장치의 내부 혹은 외부에 적절한 외부 회로를 마운트할 수 있다. 예를 들면 보색 칼라의 칼러 필터를 이용해서 칼러 화상을 센싱하기 위한 광전 변환 장치에서, 근접 신호를 가산하고 판독하기 위한 프로세싱은 근접 픽셀의 신호를 가산하고 판독하며, 외부에서 매트릭스 동작에 의해 영상 신호를 복원하는 것으로서 일반적으로 수행된다. 이러한 경우에 본 발명의 배열 이용은 어떠한 문제도 발생하지 않고 세이딩을 감소시킬 수 있다.
본 실시예는 정전류원이 행에 교대로 접속하는 경우를 예시한다. 정전류원은 상기 기술된 동일한 효과를 얻기 위해 세이딩의 정도에 따라 매번 2개 또는 3개의 행들에 접속된다. 다른 방법으로는 정전류원은 광전 변환 장치의 수광부의 중앙 부분의 행에 교대로 접속될 수 있다.
본 실시예에서, 정전류 부하를 이용한 소스 폴로우어 회로가 기술되었다. 그러나 본 발명이 이것에만 국한되는 것은 아니다. 본 발명과 동일한 효과를 저항형 부하를 이용해서도 얻을 수 있다. 이것은 또한 미국 특허 번호 5,698,844에 설명되어있는 것처럼, 소스 폴로우어 회로가 아니라, 광전 변환 소자에 축적된 전하를 반전시키고 증폭하며 전하를 수직 출력 배선상에 출력하기 위한 회로인 반전 증폭기형 회로를 이용하는 것도 유효하다.
또한, 증폭기에 직접 입력시키는 대신에 정전 용량에 일시 저장했다가 판독하는 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에서, 세이딩 정정 수단은 정전류원(7)이 소스 폴로우어 회로로부터 신호 전압을 출력하는 방향과 수직 방향으로 동일 방향측에 배치되며, 동시에 신호 전압은 열 단위로 반대측에 교대로 출력되는 배열이다. 이러한 배열은 각 열의 소스 폴로우어 회로로부터 출력된 신호들의 레벨 차이로부터 기인하는 세이딩을정정하는 기능을 가지고 있다.
본 실시예에서, 전류 출력 수단은 정전류원(7)이 소스 폴로우어 회로로부터의 신호 전압을 출력하는 방향과 수직 방향으로 반대측에 배치되는 배열이며, 신호 전압은 열 단위로 반대 방향에서 교대로 출력된다. 이러한 배열에서 소스 폴로우어 회로로부터 출력된 전압 신호의 다른 열간의 레벨 차이는 교대로 서로 반대이다.
도 6은 본 발명의 제3 의 실시예를 설명하기 위한 다이어그램이다. 소스 폴로우어 회로의 전원 단자는 수직 방향으로 반대측에 교대 배치된다.
도 6을 참조하면, 광전 변환 소자(예를 들면 포토 다이오드)(1)는 입사 광선의 양에 따라 전하를 저장하고 2차원의 배열(도 3의 4×4 소자들)을 형성한다. 광전 변환 소자(1)의 한 단자는 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 게이트에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 소스는 수직 선택 스위치 MOS(3)의 드레인에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 드레인은 전원 배선(4)를 통해서 전원 단자(5)에 접속된다. 수직 선택 스위치 MOS(3)의 소스는 수직 출력 배선(6)을 통해서 부하 전원(7)에 접속된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2), 수직 선택 스위치 MOS(3), 및 부하 전원(7)은 소스 폴로우어 회로를 형성한다. 광전 변환 소자(1), 소스 폴로우어 입력 MOS(2), 수직 선택 스위치 MOS(3), 및 부하 전원(7)은 픽셀을 형성한다.
광전 변환 소자(1)의 신호 전압이 각 픽셀의 광전 변환 소자에 축적된 전하에 따라 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 게이트에 유도된다. 이 신호 전압은 전류증폭되며, 소스 폴로우어 회로에 의해 판독된다. 각 소스 폴로우어 회로의 전원은 열 단위로 전원 배선(4)에 접속된다. 전원 배선(4)는 전원 단자(5)에 교대로 접속된다.
수직 선택 스위치 MOS(3)의 게이트는 수직 게이트 배선(8)을 경유해서 수직 주사 회로(9)에 접속된다. 소스 폴로우어 회로로부터의 출력 신호는 수직 출력 배선(6), 수평 전송 MOS 스위치(10), 수평 출력 배선(11), 및 출력 증폭기(12)를 통해서 외부에 출력된다. 각 수평 전송 MOS 스위치(10)의 게이트는 수평 주사 회로(13)에 접속된다. 이러한 배열로, 수직 주사 회로(9)에 접속된 수직 게이트 배선(8)상의 펄스 전압에 의해 수직 선택 스위치 MOS(3)를 순차적으로 턴온해서 각 광전 변환 소자의 신호 전압을 대응하는 수직선상에서 판독한다. 수평 전송 MOS 스위치(10)는 수평 주사 회로(13)의 시프트 레지스터 신호에 의해 순차적으로 턴온된다. 각 광전 변환 소자들의 신호 전압은 시계열 신호로서 출력 증폭기(12)로부터 픽셀 단위로 출력된다.
상기 배열로 K번째 열과 L번째 행(1≤K≤M,1≤L≤N)의 픽셀로부터 판독된 신호의 다이나믹 레인지는
의 레인지 내에 존재한다.(여기에서 Vd는 전원 전압이고 Vth0는 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 임계 전압이고, r2는 전원 배선(4)의 각 수직 게이트 배선(8)에 대응하는 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 드레인과 다음 수직 게이트 배선(8)에 대응하는 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 드레인과의 사이의 저항값이다). 이 경우에 K번째 열과 L+1번째 행(1≤K≤M,1≤L≤N)에서 픽셀로부터 판독된 신호의 다이나믹 레인지는
이다.
상기 수학식에서 분명해진 것처럼, 예를 들면 홀수번째 행을 고려한 경우, 광전 변환 소자(1)의 광전 변환 특성의 포화 전압의 세이딩 혹은 저광량쪽 출력 세이딩은 종래의 경우처럼 본 실시예에서도 발생했지만 홀수번째 행의 세이딩과는 반대의 세이딩이 짝수번째 행에서 발생하고, 그럼으로 인해 세이딩을 평균화하고 상쇄함으로써 화질을 대폭 개선하게 된다.
본 실시예는 정전류원이 행에 교대로 접속하는 경우를 예시한다. 정전류원은 상기 기술된 동일한 효과를 얻기 위해 세이딩의 정도에 따라 매번 2개 또는 3개의 행들에 접속된다. 다른 방법으로는 정전류원은 광전 변환 장치의 수광부의 중앙 부분만의 행에 교대로 접속될 수 있다.
본 실시예에서, 정전류 부하를 이용한 소스 폴로우어 회로가 기술되었다. 그러나 본 발명이 이것에만 국한되는 것은 아니다. 본 발명과 동일한 효과를 저항형 부하를 이용해서도 얻을 수 있다. 이것은 또한 미국 특허 번호 5,698,844에 설명되어있는 것처럼, 소스 폴로우어 회로가 아니라, 광전 변환 소자에 축적된 전하를 반전시키고 증폭하며 전하를 수직 출력 배선상에 출력하기 위한 회로인 반전 증폭기형 회로를 이용하는 것도 유효하다.
또한, 증폭기에 직접 입력시키는 대신에 정전 용량에 일시 저장했다가 판독하는 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에서, 세이딩 정정 수단은 소스 폴로우어 회로의 전원 단자(5)를 행의 수직 방향으로 반대쪽에 배치하는 배열이다. 이러한 배열은 각 열의 소스 폴로우어 회로로부터 출력된 신호들의 레벨 차이로부터 기인하는 세이딩을 정정하는 기능을 가지고 있다.
본 실시예에서, 전원 전압 공급 수단은 소스 폴로우어 회로의 전원 단자(5)는 행의 수직 방향으로 반대측에 교대 배치되는 배열이다. 이 배열은 소스 폴로우어 회로로부터 신호 전압을 출력하기 위해서 전원 전압 공급량이 수직 방향으로 감소하는 방향을 행 단위로 교대 반전하는 기능을 가지고 있다.
전류 판독형 증폭기가 사용되는 경우 새로운 효과 예를 들면 출력 전류 세이딩의 감소를 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4의 실시예를 설명하기 위한 다이어그램이다. 도 7을 참조하면, 리셋 스위치(701)는 광전 변환 소자(1)에 축전된 전하를 제거한다. 리셋 스위치(701)의 소스는 광전 변환 소자(1)에 접속되고, 리셋 스위치(701)의 드레인은 소스 폴로우어 회로와 공통으로 전원 배선(4)에 접속된다. 리셋 게이트 배선(702)은 리셋 스위치(701)를 제어한다. 본 발명의 픽셀 배열은 제1의 내지 제3 의 실시예에 적용 가능하다. 이러한 픽셀 배열에서, 제1 내지 제3 의 실시예와 비교하면, 광전 변환 소자(1)의 리셋 전압이 정확히 제어될 수 있다. 리셋 전압 변화에 의해 생성된 신호 전압의 DC레벨 변화 및 강한 빛의 방사시 남아있는 리셋 전압에 의해 생성되는 잔상을 감소시킬 수 있다. 특히, 본 배열이 상기 기술된 제3 의 실시예에 적용되는 경우, 전원 단자(5)를 행 단위로 혹은 복수의 행 단위로 수직 방향으로 반대쪽에 교대로 배치함으로써 신호 전압 세이딩을 대폭 감소시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5 의 실시예를 설명하기 위한 다이어그램이다. 도 8을 참조하면, 전하 전송 스위치(801)는 광전 변환 소자(1)로부터 소스 폴로우어 입력 MOS(2)까지의 신호 전하를 완벽하게 감소시키거나 전송한다. 전송 게이트 배선(802)은 전송 스위치(801)를 제어한다. 일반적으로, 광전 변환 장치의 감도를 증가시키기 위해 광전 변환 소자(1)의 크기는 증가되고 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 변환량은 증가된다. 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 게이트의 기생 용량은 점차 증가하고, 판독율은 감소하며, 감도가 실질적으로 증가하지 못한다. 그러나 본 실시예의 배열에 있어서, 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 입력 게이트의 정전 용량 값이 광전 변환 소자(1)의 값보다 작게 디자인되어 완벽한 감소 전송이 수행되어 감도를 향상시킨다.
도 8에 도시된 것처럼 수직 선택 스위치 MOS(3)는 전원 배선(4)과 소스 폴로우어 입력 MOS(2)의 사이에 삽입되고 수직 선택 스위치 MOS(3)의 저항에 의한 전압 강하
가 수학식 2에서 제거되어 넓은 다이나믹 레인지를 얻을 수 있다.
본 실시예의 픽셀 배열은 상기 기술한 동일한 효과를 얻기 위해 제1 내지 제3 의 실시예에 적용가능하다.
제1 내지 제5 의 실시예에서 NMOS 혹은 PMOS 트랜지스터에 관계없이 동일 효과를 얻을 수 있다. 상기 실시예들은 세이딩의 발생을 더 감소시키거나 방지하기 위해 조합 가능하다. 예를 들면, 제3의 실시예에서 도시한 전원 배선의 양단에 위치한 다른 전원 단자가 제2 의 실시예에서 도시된대로 수평 출력 배선(11)이 수평 출력 배선(11)의 양단에 위치하는 경우와 조합되는 경우에, 수직 출력 배선의 저항에 기인한 세이딩과 전원 배선의 저항에 기인한 세이딩 둘 다 제거될 수 있다.
본 발명은 제1 내지 제5 의 실시예에 도시된 픽셀 구조에 국한되지 않는다. 예를 들면, 광전 변환 소자에 축적된 전하가 출력되기 전에 증폭되지 않는 다시 말하면 전하가 증폭없이 출력되는 배열이 적용될 수 있다. 트랜지스터는 MOS 소자에 국한되지 않고 SIT 혹은 BASIS 소자도 가능하다.
상기 기술한 바와 같이 제1 내지 제5 의 실시예에 따르면 광전 변환 장치로부터의 출력 신호의 수직 세이딩은 감소될 수 있다.
또한 광전 변환 장치로부터 출력 신호의 수직 포화 전압 세이딩도 감소될 수있으며 각 광전 변환 소자로부터의 출력의 다이나믹 레인지를 확대할 수 있다.
본 발명의 폭넓은 여러가지 다른 실시예가 본 발명의 정신과 범주를 벗어나지 않고 구성될 수 있다. 본 발명은 이후의 청구 범위에 기재된 것을 제외하고 명세서에 기술한 특정 실시예에 국한되지 않음을 이해해야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 광전 변환 장치에 있어서,
    각각이 광전 변환 요소와 상기 광전 변환 요소로부터의 신호를 증폭하여 출력하는 증폭 수단을 포함하는 수평 방향 및 수직 방향으로 배열된 복수의 화소로 이루어지는 화소 영역,
    상기 수직 방향의 복수의 화소마다 하나씩 설치되고, 상기 복수의 화소로부터의 신호를 출력하는 복수의 수직 출력선, 및
    상기 복수의 수직 출력선의 각각에 설치되고, 상기 수직 출력선에 흐르는 전류를 제어하는 정전류 부하
    를 포함하되,
    상기 정전류 부하는 상기 수직 출력선에 있어서의 상기 복수의 화소로부터의 신호의 출력 방향에 대하여 반대의 방향에 설치하고 있는
    것을 특징으로 하는 광전 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증폭 수단은 MOS 형의 트랜지스터를 포함하고 게이트의 전위 변화에 상당하는 신호를 소스로부터 출력하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 장치.
  3. 광전 변환 장치에 있어서,
    각각이 광전 변환 요소와 상기 광전 변환 요소로부터의 신호를 증폭하여 출력하는 증폭 수단을 포함하는 수평 방향 및 수직 방향으로 배열된 복수의 화소로 이루어지는 화소 영역,
    상기 수직 방향의 복수의 화소마다 하나씩 설치되고, 상기 복수의 화소로부터의 신호를 출력하는 복수의 수직 출력선, 및
    상기 복수의 수직 출력선의 각각에 설치되고, 상기 수직 출력선에 흐르는 전류를 제어하는 정전류 부하
    를 포함하되,
    복수의 상기 정전류원중 2 이상의 소정 수의 상기 정전류원의 각각은, 그것이 접속되는 수직 출력선의 적어도 한쪽에 인접하는 상기 수직 출력선에 접속된 상기 정전류원에 대하여, 상기 화소 영역을 기준으로서 반대의 방향에 설치되어 있는
    것을 특징으로 하는 광전 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 화소 영역의 한변측에 설치되고, 상기 복수의 수직 출력선으로부터의 신호를 순차 판독하기 위한 제1의 수평 출력선과, 상기 한변과 대향하는 한변측에 설치된 제2의 수평 출력선을 더 포함하고,
    상기 소정 수의 정전류원에 접속되어 있는 상기 소정 수의 수직 출력선으로부터의 신호는, 상기 제1의 수평 출력선에 판독되고, 다른 복수의 수직 출력선으로부터의 신호는, 상기 제2의 수평 출력선에 판독되는
    것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제3항에 있어서, 근접한 광전 변환 픽셀들간의 신호는 평균화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 증폭 수단은 MOS 형의 트랜지스터를 포함하고 게이트의 전위 변화에 상당하는 신호를 소스로부터 출력하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 광전 변환 장치에 있어서,
    각각이 광전 변환 요소와 상기 광전 변환 요소로부터의 신호를 증폭하여 출력하는 증폭 수단을 포함하는 수평 방향 및 수직 방향으로 배열된 복수의 화소를 포함하는 화소 영역, 및
    상기 증폭 수단에 전원을 공급하기 위한 전원공급 수단
    을 포함하되,
    상기 전원공급 수단은 상기 화소 영역의 대향하는 두개의 변측에서 전원을 공급하도록 구성되어 있는
    것을 특징으로 하는 광전 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전원공급 수단은 수직 방향의 일렬마다 또는 복수 열마다 반대측에서 전원을 공급하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제7항에 있어서, 근접한 광전 변환 픽셀들간의 신호는 평균화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 광전 변환 소자의 전하를 리셋하기 위한 리셋 수단을 더 포함하고, 상기 리셋 수단의 한 단자는 상기 전원 수단에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
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