KR100340052B1

KR100340052B1 - 이미지센서

Info

Publication number: KR100340052B1
Application number: KR1019980025287A
Authority: KR
Inventors: 이석중; 황규태
Original assignee: 박종섭; 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2002-07-18
Also published as: US6707493B1; TW444501B; JP2000050317A; KR20000003979A; JP4332687B2

Abstract

본 발명은 이미지 센서의 부분 오류를 보정하여 고화질을 얻는 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로, 현 픽셀값과 이전 픽셀값의 차와 일정한 기준값을 비교하여 오류를 검출하기 위한 오류검출수단; 및 상기 현 픽셀값을 이전픽셀값으로 대체하여 오류픽셀을 보정하기 위한 오류보정수단을 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명에 의한 이미지 센서는 상태 머신을 이용하여 이미지 센서의 전체적인 동작을 제어하며, 외부 시스템에 대한 인터페이스 역할을 담당하는 제어 및 외부 시스템 인터페이스 수단; 물체로부터 이미지를 감지하여 입사된 빛의 양에 따라 아날로그 신호를 발생시키는 다수의 픽셀들로 이루어진 픽셀어레이; 상기 각 픽셀에서 감지한 아날로그 전압을 디지털 시스템에서 처리가 가능하도록 디지털 전압으로 바꿔주는 아날로그-디지털 변환 수단; 현 픽셀값과 이전 픽셀값 간의 차를 기준값과 비교하여 오류를 검출하기 위한 오류검출수단; 및 상기 현 픽셀값을 이전픽셀값으로 대체하여 오류픽셀을 보정하기 위한 오류보정수단을 포함하여 이루어진다.

Description

이미지 센서{Image sensor}

본 발명은 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로서, 특히 고화질 화상을 위한 오류 셀 보정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서란 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어(capture)내는 장치를 말하는 것이다. 자연계에 존재하는 각 피사체의 부분부분은 빛의 밝기 및 파장 등이 서로 달라서 감지하는 장치의 각 픽셀(pixel)에서 다른 전기적인 값을 보이는데, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지 센서가 하는 일이다.

이러한 이미지 센서는 어느 정도의 고화질 화상을 보여주느냐에 따라 시장에서의 비교 우위가 결정된다. 그러나, 이미지 센서가 수만에서 수십만 개의 픽셀과, 수백개 정도의 픽셀에서 감지한 아날로그(analog) 전압을 디지털(digital) 전압으로 바꿔주는 장치와, 수백에서 수천개의 저장 장치 등으로 구성됨으로 인해 공정상의 오류 가능성이 항상 존재한다. 이미지 센서에 오류가 있는 경우 오류는 화면 상에 작은 반점 혹은 줄로 나타나는데, 부분 오류가 있는 이미지 센서를 모두 불량 칩으로 판정하면 수율(yield)이 감소하고, 자원의 낭비를 초래하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이미지 센서의 부분 오류를 보정하여 고화질을 얻는 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 블록도.

도 2는 상호 연관된 이중 샘플링에 대한 개념도.

도 3은 오류 판정에 관련된 개념도.

도 4는 본 발명에 따른 오류 보정부의 내부 블록도.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명

10 : 제어 및 외부 시스템 인터페이스 부20 : 픽셀어레이

30 : 아날로그-디지털 변환기

31 : 램프 전압 발생기(ramp voltage generator)

32 : 비교부40 : 이중 버퍼

50 : 오류정정로직(error correction logic)

60 : 오류 한계값 레지스터(defect boundary value register)

70 : 보정 제어 레지스터(defect correction on/off register)

80 : 오류 검출 로직(error detection logic)

120 : 이전 픽셀값 레지스터(previous pixel register)

130, 140 : 멀티플렉서

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이미지 센서의 부분 오류를 보정하여 고화질을 얻는 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로 현 픽셀값과 이전 픽셀값의 차와 일정한 기준값을 비교하여 오류를 검출하기 위한 오류검출수단; 및 상기 현 픽셀값을 이전픽셀값으로 대체하여 오류픽셀을 보정하기 위한 오류보정수단을 포함하여 이루어진다.

본 발명은 수만에서 수십 만개의 픽셀을 갖는 이미지 센서가 임의의 픽셀과 그 옆 픽셀이 보통 어느 정도 범위에서 연속된 값을 갖는다는 점을 이용하여 각각의 픽셀 값을 주변 픽셀과 비교하여 큰 차이를 보이는 경우 오류라 생각하고 주변 셀들의 값을 이용해 오류 셀을 보정한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 살펴본다.

본 발명에서는 편의상 800x600 픽셀로 구성된 픽셀 어레이부(20)와, 800개의 비교기로 구성된 비교부(32)와, 800x4x8개의 래치로 구성된 이중 버퍼(40)로 이루어진 이미지 센서를 일예로하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 씨모스 이미지 센서에 대한 블록도로서, FSM(Finite State Machine)을 이용하여 이미지 센서의 전체적인 동작을 제어하며, 외부 시스템(system)에 대한 인터페이스(interface) 역할을 담당하는 제어 및 외부 시스템 인터페이스 부(10), 빛에 반응하는 성질을 극대화 시키도록 만든 픽셀을 가로 N개, 세로 M개로 배치하여 외부에서 들어오는 상(image)에 대한 정보를 감지하는 픽셀 어레이부(20), 센서의 각 픽셀에서 감지한 아날로그 전압을 디지털 시스템에서 처리가 가능하도록 디지털 전압으로 바꿔주는 아날로그-디지털 변환기(Analog-digital converter, 30), 상기 아날로그-디지털 변환기(30)의 출력에 응답하여 디지털화된 픽셀의 이미지 신호값을 저장하는 이중 버퍼(40) 및 이중 버퍼(40)에서 읽어오는 데이터(read data)를 프로그램된 오류 판정 값과 출력 모드 값에 따라서 적절하게 보정하여 보정한 데이터를 제어 및 외부 시스템 인터페이스부(10)로 출력하는 오류 보정부(50)로 이루어진다. 그리고, 아날로그-디지털 변환기(30)는 각 화소에서 감지한 전압과 비교하는 데 사용되는, 클럭에 따라 선형적으로 감소하는 램프(ramp)형태의 비교 기준 전압(reference voltage)을 만들어내는 램프전압발생기(ramp voltage generator, 31) 및 픽셀 어레이(20)로부터 출력되는 감지 전압(아날로그 전압)과 램프 전압발생기(31)로부터 출력되는 비교 기준 전압을 비교하여, 비교 기준 전압이 화소 전압보다 큰 동안 제어 및 외부 시스템 인터페이스 부(10)로부터 출력되는 카운터 값을 이중 버퍼(40)에 쓰여지도록 하는 쓰기 가능 신호를 출력하는 N개의 배열로 구성된 비교부(32)로 이루어진다.

이미지 센서의 전체적인 동작은 살펴보면, 먼저 칩 외부 시스템이 제어 및 외부 시스템 인터페이스 부(10) 내 배치 레지스터에 원하는 동작을 지시하도록 프로그래밍을 한다. 그리고, 프로그래밍된 정보에 따라 제어 및 외부 시스템 인터페이스 부(10)는 적절하게 픽셀 어레이부(20)를 구동하여 차례로 1라인씩 읽어낼 수있도록 한다. 전압 비교기(32)에서 픽셀 어레이부(20)로부터 읽어낸 아날로그 전압과 램프전압발생기(31)로부터 출력되는 비교 기준 전압을 비교하며, 비교된 결과는 이중 버퍼(40)에 대한 쓰기 가능(write enable)신호가 된다.

이때 비교 기준 전압이 픽셀의 아날로그 전압보다 높으면, 쓰기 가능 신호가 인에이블되어 제어 및 외부 시스템 인터페이스 부(10)로부터 출력되는 카운터 정보를 이중 버퍼(40)에 쓰며, 다음 클럭에 램프전압발생기(31)로부터 출력되는 비교 기준 전압은 정해진 램프(ramp) 전압만큼 작아지고, 이 값을 다시 픽셀로부터 출력되는 아날로그 전압과 비교하는 작업을 매 클럭마다 반복적으로 실시하여 비교 기준 전압이 픽셀의 전압보다 낮아지면 쓰기 가능 신호가 디스에이블(disable) 되어 직전 클럭에 쓰여진 카운터 값이 바로 디지털로 변환된 픽셀 전압이 된다.

이렇게 변환되어 이중 버퍼(40)에 저장된 데이터는 오류보정부(50)로 출력되어 오류 한계값 레지스터와 출력 모드 값에 따라 적절한 보정을 거친 후 제어 및 외부 시스템 인터페이스 부(10)로 보내지며, 출력 모드에 맞춰 외부 시스템으로 출력된다.

그리고, 본 발명의 이미지 센서는 픽셀마다 생기는 옵셋(Offset) 및 비교부(32)에서 발생하는 비교기 옵셋 등 여러 요인으로 생기는 옵셋을 보정하기 위해서 상호 연관된 이중 샘플링 방식(correlated double sampling method)을 지원한다. 이중 샘플링 방식은 픽셀을 구성하는 리셋 트랜지스터를 턴-온(turn-on), 트랜스퍼 트랜지스터를 턴-오프(turn-off) 시켜 리셋 레벨에 해당하는 전압을 얻고, 그다음 리셋 트랜지스터를 턴-오프시킨 상태에서 트랜스퍼 트랜지스터를 턴-온 시켜 포토 다이오드에서 생성된 전하를 읽어내어 데이터 전압을 얻은 후 리셋 레벨의 전압에서 데이터 레벨의 전압을 빼 픽셀(20) 및 비교부(32)에서의 옵셋(offset)을 제거할 수 있으며, 이것이 CDS의 기본 개념이다

도 2는 상호 연관된 이중 샘플링을 위해서 DAC(31)에서 2개의 램프 기준 전압을 만들어 내는 것을 도시한 것으로, 리셋 레벨 전압 샘플은 64클락 동안 이루어지며, 실제 데이터 레벨에 대한 샘플은 256 클락 동안 이루어지며, 정상적인 동작을 하는 경우 리셋레벨은 항상 데이터 레벨보다 크다.

도 3은 오류 판정(error decision) 에 관련된 개념도로서, 감산기에 의해 이전 픽셀 값과 현재 픽셀 값에 대한 차를 구하고, 두 값의 차가 오류 한계값 레지스터(Defect Boundary Value Register, 60)에 저장된 오류로 판정할 수 있는 오류 한계값(critical value)보다 큰 경우에 보정 제어 레지스터(Correction ON/OFF Register,70)로부터 출력되는 보정 제어 신호에 응답하여 오류를 출력한다. 즉, 옆 셀들과 어떤 정해진 값(오류 한계값) 이상의 차이를 보이는 셀을 오류가 있는 셀로 판정하고, 오류 한계값은 주변의 밝기나 피사체의 정도에 따라서 효율적으로 다르게 정한다.

이를 위해 본 발명의 오류 보정부(50)는 오류 한계값을 저장하되, 프로그램 가능한 오류 한계값 레지스터(60) 및 보정 제어 신호를 저장하되, 역시 프로그램 가능한 보정 제어 레지스터(70)를 포함한다. 보정 제어 레지스터(70)는 오류 보정작업이 필요할 경우 사용된다.

도 4는 상술한 오류 판정 개념에 기초한 본 발명의 오류보정부(도1의 50)의내부 블록도를 도시한 것으로서, 오류로 판정할 수 있는 오류 한계값을 저장하는 오류 한계값 레지스터(60), 보정 여부를 제어하는 제어 신호를 결정하는 보정 제어 레지스터(70), 여러 가지 오류 판정 요인(A, B, C)을 논리합하여 오류 발생 여부를 결정하는 논리합 게이트(100), 논리합 게이트(100)로부터의 출력 및 상기 보정 제어 레지스터(70)로부터 출력되는 보정 제어 신호를 논리곱하여 오류 신호를 출력하는 논리곱 게이트(110), 클럭에 동기되어 이전 픽셀값을 저장하고 있는 이전 픽셀값 레지스터(120), 상기 이전 픽셀값 레지스터(120)로부터의 이전 픽셀값과 현재 픽셀값을 입력받아 그 차를 구한 후 상기 오류 한계값과의 비교를 통해 C 신호를 출력하는 오류 검출 로직(80), 상기 오류 신호에 응답하여 이전 픽셀값 레지스터(120)에 저장된 이전 픽셀값 및 현재 픽셀값 중 하나를 선택하여 이전 픽셀값 레지스터(12)로 출력하는 제1 멀티플렉서(130), 및 상기 오류 신호에 응답하여 이전 픽셀값 및 현재 픽셀값 중 하나를 선택하여 보정된 데이터로 최종 출력하는 제2 멀티플렉서(140)로 이루어진다.

오류 여부를 결정하기 위해 논리합 게이트(100)로 입력되는 여러 가지 오류 판정 요인(A, B, C) 중 A는 상술한 연관된 이중 샘플 방식의 리셋-데이타 모드에서 리셋 레벨(Vreset)이 데이터 레벨(Vdata)보다 크다는 점에 착안해 리셋 레벨(Vreset)이 데이타 레벨(Vdata)보다 작은 경우 이전 셀값과 비교할 필요도 없이 무조건 오류로 판정하기 위해 입력되는 신호이다. 또한, B는 리셋 모드에서 헥사값 ff로부터 64 클럭만 카운팅을 하기 때문에 리셋 레벨(Vreset)이 64클럭을 카운팅한 후의 값(Vc0)보다 작은 경우 이전 셀값과 비교할 필요도 없이 무조건 오류로 판정하기 위해 입력되는 신호이다. C는 오류의 원인이 픽셀, 전압 비교기, 또는 래치에 있는가에 상관없이 오류 검출 로직(80)에서 이전 픽셀값과 현재 픽셀값의 차를 구하여 그 차와 오류 한계값을 비교한 결과 신호이다.

보정 제어 레지스터(70)가 보정 모드를 인에이블 상태로 지정하면, 논리합 게이트(100)로부터 출력되는 신호에 응답하여 오류 신호가 발생한다.

발생된 오류 신호는 제1 및 제2 멀티플렉서(130, 140)의 선택 신호로 입력된다. 즉, 오류가 발생하면, 현재 픽셀에 오류가 있으므로 이전 픽셀값을 저장하는 이전 픽셀값 레지스터(120)에 현재 픽셀값 대신 이전 픽셀 값을 그대로 저장하고, 출력하는 데이터 역시 이전 픽셀값을 그대로 출력한다.

결과적으로, 본 발명은 수만에서 수십만개의 픽셀을 갖는 이미지 센서의 임의 픽셀과 그 옆 픽셀이 보통 어느 정도 범위에서 연속된 값을 갖는다는 점 및 연관된 이중 샘플링 개념을 이용하여 이미지 센서의 부분 오류를 보정할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 개념은 자연계에 존재하는 아날로그적인 성질과 인간이 인식할 수 있는 범위를 적절히 이용하여 약간의 오류가 있는 칩을 정상적인 것처럼 동작하도록 해주는 것으로, 비단 이미지 뿐만 아니라 음성 등을 디지털 방식으로 녹음하는 데도 적용이 가능하다. 즉, 음성을 아주 높은 주파수로 샘플하는 경우 어떤 샘플 값에 이상이 생겨도 본 발명의 오류 보정 방법을 사용하면 오류가 없는 것처럼 복원해 낼 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 임의 셀에 오류가 발생한 경우 그 옆 픽셀이 보통 어느 정도 범위에서 연속된 값을 갖는다는 점 및 연관된 이중 샘플링 개념을 이용하여 이미지 센서의 부분 오류를 보정함으로써, 많은 셀들을 포함하는 이미지 센서 칩의 수율을 높일 수 있는 효과가 있어 많은 경제적 이익을 얻을 수 있다.

Claims

연관된 이중 샘플링 방식을 지원하는 이미지센서의 오류보정장치에 있어서,

오류를 결정하기 위한 기준값을 저장하기 위한 한계값저장수단;

보정여부를 결정하기 위한 보정제어신호를 출력하는 보정제어저장수단;

클럭에 동기되어, 이전 픽셀값을 저장하기 위한 이전픽셀값저장수단;

상기 이전픽셀값저장수단으로부터 출력된 이전 픽셀값과 현 픽셀값의 차이를 구하고, 그 차이값과 상기 기준값을 비교하여 그 결과신호를 출력하는 오류검출수단;

상기 오류검출수단의 출력신호와, 상기 보정제어신호 및 연관된 이중 샘플링 방식을 위한 리셋레벨 전압이 데이터레벨 전압보다 더 클 경우 오류로써 결정하기 위한 신호에 응답하여 오류신호를 출력하는 오류신호출력수단;

상기 오류신호에 응답하여 이전픽셀값 또는 현 픽셀값을 상기 이전픽셀저장 수단으로 출력하기 위한 제1선택수단; 및

상기 오류신호에 응답하여, 상기 이전 픽셀값 또는 현 픽셀값을 선택하여 보정된 데이터를 출력하기 위한 제2선택수단

을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서의 오류보정장치.
제1항에 있어서,

상기 오류검출수단은,

이전 픽셀값과 현 픽셀값을 감산하기 위한 감산수단; 및

상기 감산수단으로부터의 값과 상기 기준값을 비교하여 그 결과신호를 출력하는 비교수단

을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서의 오류보정장치.
제1항에 있어서,

연관된 이중 샘플링 방식의 리셋레벨 전압이 리셋모드에서 상기 클럭의 일정수만큼 카운팅한 후의 전압레벨 보다 작은 경우 오류로써 결정하기 위한 신호에 응답하여 구동하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 오류보정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 오류신호출력수단은,

상기 오류검출수단의 출력신호와, 연관된 이중 샘플링 방식을 위한 리셋레벨 전압이 데이터레벨 전압보다 더 클 경우 오류로써 결정하기 위한 신호와, 연관된 이중 샘플링 방식의 리셋레벨 전압이 리셋모드에서 상기 클럭의 일정수만큼 카운팅한 후의 전압레벨 보다 작은 경우 오류로써 결정하기 위한 신호를 입력받는 논리합게이트; 및

상기 논리곱게이트의 출력신호와 상기 보정제어신호를 입력받아 상기 오류산호를 출력하는 논리곱게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 오류보정장치.