KR100455395B1 - 다크 픽셀 센서 메트릭을 이용한 이미지 센서에서 다크레벨 보상을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

다크 픽셀 센서 메트릭을 이용한 이미지 센서에서 다크레벨 보상을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

이미지 센서는 다수의 픽셀 센서들, 즉 CMOS 픽셀 센서들을 구비하며, 다수의 다크 픽셀들을 포함한다. 다크 레벨 보상회로는 상기 다크 픽셀 센서들에 의하여 생성된 다크 픽셀 이미지 신호들로부터 유도되는 집합 다크 레벨 메트릭, 예를 들면 평균 다크 메트릭에 응답하여 픽셀 센서에 의하여 발생되는 이미지 신호에 인가되는 오프셋을 제어한다. 예를 들면, 컬럼 평행구조를 이용하는 CMOS 이미지 센서를 위한 상기 다크 레벨 보상회로는 픽셀 센서로부터의 아날로그 이미지 신호를 다크 레벨 보상된 디지털 이미지 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로에 의하여 사용되는 기준 신호의 오프셋을 변화시키는 오프셋 제어신호를 발생시킨다.

Description

다크 픽셀 센서 메트릭을 이용한 이미지 센서에서 다크 레벨 보상을 위한 장치 및 방법{Apparatus and methods for dark level compensation in image sensors using dark pixel sensor metrics}
본 발명은 이미지 센서와 그 작동방법에 관한 것으로, 특히 다크(dark) 레벨 보상 이미지 센서와 그 작동방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 디지털 사진, 스캐너(scanners), machine vision system, 감시 카메라 등과 같은 응용분야에 널리 이용되고 있다. 전하결합소자(Charge Coupled Device;CCD) 이미지 센서가 비교적 오랫동안 그러한 응용분야에 이용되어 왔지만, CMOS(complimentary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 점점 많이 이용되고 있다. CMOS 이미지 센서의 바람직한 특징은 그것이 예컨대 이미지 처리 회로와 같이, 주변회로와 같은 칩 안에서 제조될 수 있으며, 그래서 "칩 내부의 카메라(camera on a chip)" 및 다른 응용분야를 가능하게 만든다는 것이다. 또한 CMOS 이미지 센서는 그것이 보통의 CMOS 제작기술을 이용하여 제조될 수 있기 때문에 CCD 이미지 센서보다 더 적은 제조비용이 든다.
이미지 센서는 다수의 픽셀 센서들이 행과 열을 가지는 정사각형으로 배열되는 "컬럼 평행(column parallel)" 아키텍쳐를 보통 이용한다. 각각의 컬럼에서의 픽셀 센서는 각각의 컬럼 데이터 라인에 연결되어 있고, 컬럼 데이터 라인들을 구동시키기 위하여 로우 대 로우(row by row)로 선택된다. 컬럼 데이터 라인에서 발생되는 이미지 신호들은 전형적으로 상기 컬럼 데이터 라인들에 연결된 각각의 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로에 의하여 디지털 신호로 변환된다. 아날로그 이미지 신호로부터 디지털 값을 발생하기 위하여 다양한 다른 기술들이 이용될 수 있는데,예컨대 단기울기(single slope) 또는 연속적 근사(successive approximation) 아날로그 디지털 변환 기술을 이용하는 상관이중샘플링(correlated double sampling; CDS)과 같은 기술 등이 그것이다.
이미지 센서를 작동하는 데 있어서, 목표지의 "다크 레벨(또는 블랙 레벨)" 즉 어두운(또는 검은) 장면(scene)에 대응하는 신호 레벨을 확립하는 것이 바람직하다. 이미지 센서에 의하여 생성된 이미지 신호는 이러한 신호로부터 발생된 이미지가 더 좋은 이미지 질을 위한 적합한 광도를 가지도록 이러한 다크 레벨에 기초하여 조정될 수 있다. 균일한 다크 레벨 보상을 하는 것은 까다로울 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다크 레벨을 보상하는 회로를 구비하는 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 다크 레벨을 보상하는 단계를 구비하는 이미지 센서의 작동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다크 레벨 보상회로를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 다크 레벨 보상회로를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 CDS ADC를 위한 보상회로를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서를 위한 이득과 오프셋 교정회로를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서는, 다수의 CMOS 픽셀 센서 로우들을 구비하고 각각의 CMOS 픽셀 센서들은 적어도 하나의 다크 픽셀 센서를 구비하는 CMOS 픽셀 센서 어레이를 구비한다.
상기 이미지 센서는 상기 다크 픽셀 센서들에 의하여 생성된 다크 픽셀 이미지로부터 얻은 집단 다크레벨 메트릭(aggregate dark level metric)에 응답하여 상기 CMOS 픽셀 어레이의 CMOS 픽셀 센서에 의하여 발생된 이미지 신호에 인가되는 오프셋을 제어하는 다크 레벨 보상회로를 더 구비한다. 예를 들면, 상기 다크 레벨 보상회로는 상기 다크 픽셀 이미지 신호들로부터 평균다크 레벨을 결정하고 상기 결정된 평균 다크레벨에 응답하여 상기 CMOS 픽셀 센서에 의하여 발생되는 상기 이미지 신호에 인가되는 상기 오프셋을 제어할 수 있다.
컬럼 평행 구조에 대한 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 CMOS 픽셀 센서는 아날로그 이미지 신호를 생성하고, 상기 이미지 센서는 상기 CMOS 픽셀 센서에 의하여 생성되는 상기 아날로그 이미지 신호를 상기 오프셋 신호에 의하여 제어되는 오프셋에 종속되는 디지털 출력신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로를 더 구비한다. 예를 들면, 상기 오프셋 제어신호는 상기 단기울기 ADC회로에 의하여 생성되는 기준신호의 오프셋을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 CMOS 픽셀 어레이는 제 1로우에 제 1컬러 픽셀 센서를 구비하고 제 2로우에 제 2컬러 픽셀 센서를 구비하며, 상기 제 1컬러 픽셀 센서 및 상기 제 2컬러 픽셀 센서는 같은 이미지 데이터 라인에 연결되는 것을 특징으로 한다. 상기 이미지 센서는 상기 이미지 데이터 라인에 연결되고 상기 ADC 회로에 인가되는 오프셋 제어 신호에 의하여 제어되는 오프셋에 종속되는 상기 이미지 데이터 라인에 있는 아날로그 이미지 신호로부터 디지털 출력신호를 생성하는 ADC 회로를 더 구비한다. 상기 다크 레벨 보상회로는 각각의 상기 제 1컬러 픽셀 센서와 상기 제 2컬러 픽셀 센서를 지원하기 위하여 각각의 제 1오프셋 신호 및 제 2오프셋 신호를 발생시키고 상기 제 1오프셋 신호와 상기 제 2오프셋 신호를 상기 ADC 회로로 선택적으로 인가한다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 이미지 센서는 각각의 아날로그 이미지 신호들을 생성하는 다수의 픽셀 센서들, 예컨대 CMOS 또는 전하결합소자(CCD) 센서들을 포함한다. 상기 다수의 픽셀 센서들은 다수의 다크 픽셀 센서들을 포함한다. 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로는 상기 다수의 픽셀 센서들 중 하나의 픽셀 센서에 의하여 발생된 아날로그 신호를 수신하고 그것으로부터 오프셋 제어 신호에 의하여 제어되는 오프셋에 종속되는 디지털 이미지 신호를 생성한다. 다크 레벨 보상회로는 상기 다크 픽셀 센서들에 의하여 생성되는 아날로그 이미지 신호들에 응답하여 상기 오프셋 제어신호를 발생한다. 예를 들면, 상기 다크 레벨 보상회로는 상기 다크 픽셀 센서들에 의하여 생성된 상기 아날로그 이미지 신호들로부터 유도된 평균 다크 레벨 신호와 같은 집단 다크레벨 메트릭(aggregate dark level metric)에 기초하여 상기 오프셋 제어신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 ADC 회로는 상기 오프셋 제어신호에 응답하여 변하는 오프셋을 가지는 기준 램프 신호를 발생하는 램프신호 발생회로를 구비한다. 상기 ADC 회로는 상기 기준 램프 신호와 복수의 픽셀 센서 중 상기 픽셀 센서에 의하여 생성되는 상기 아날로그 신호와 비교하는 비교회로를 더 포함한다. 상기 ADC 회로는 또한 카운터 출력신호를 생성하는 카운터회로를 포함할 수 있으며, 상기 비교회로에 의하여 생성되는 출력신호에 응답하여 상기 카운터 출력을 래치하는 래치회로를 구비할 수 있다.
이미지 센서를 작동하는 관련된 방법들이 또한 설명된다.
본 발명은 지금부터 본 발명의 실시예들이 나타난 첨부도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태들로 구현될 수 있고 여기에서 설명된 실시예에 한정된 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 발명의 실시예들은 발명의 개시가 철저하고 완전하도록 제공되며, 당해 기술분야에 숙련된 지식을 가진 자들에게 본 발명이 미치는 영역을 완전하게 전달할 것이다. 같은 숫자는 전체를 통하여 같은 구성요소를 언급한다. 구성요소들이 서로 결합된 것으로 언급될 때, 이러한 결합은 직접적이거나 또는 하나 또는 그 이상의 개재하는 구성요소일 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)를 나타낸다. 이미지 센서(100)는 행들(111)에서 정렬되고 이미지 신호(115)를 발생하는 다수의 CMOS 픽셀 센서들(112, 114)을 구비하는 픽셀 센서 어레이(110)를 포함한다. CMOS 픽셀 센서들(112, 114)은 장면(scene)을 보기 위하고(예컨대, 렌즈 그리고/또는 다른 광학기구를 통하여) 이미지 신호들을 발생하기 위하여 배치된 액티브 픽셀 센서들(112), 기준의 다크 장면들(예컨대, 광학적으로 검은 마스크)를 보기 위하여, 그리고 이미지 신호들을 발생하기 위한 다크 픽셀 센서들(114)을 구비한다. 도시된 바와 같이, 다크 픽셀 센서들(114)은 액티브 픽셀 센서들(112)의 사각 어레이의 반대편에 첫 번째 및 두 번째 컬럼으로 배열되어 있다. 그러나, 액티브 픽셀 센서들(112)과 다크 픽셀 센서들(114)은 다른 방법으로 배열할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예컨대, 다수의 다크 픽셀 센서들이 각각의 예시된 첫 번째 그리고 두 번째 컬럼들을 대신하여 사용될 수 있다.
이미지 센서(100)는 또한 이미지 신호 프로세서 회로(120)를 구비한다. 이미지 신호 프로세서 회로(120)는 이미지 신호들(115)을 수신하도록 배치되고 다크 픽셀 이미지 신호들(125)과 그로부터 액티브 픽셀 이미지 신호들(127)을 생성하는 작용을 한다. 예를 들면, 이미지 신호들(115)은 아날로그 이미지 신호들을 구비할 수 있고, 이미지 신호 프로세서 회로(120)는 다크 픽셀 이미지 신호들(125) 및/또는 액티브 픽셀 이미지 신호들(127)을 디지털 신호의 형태로 생성하는 작용을 하는 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로를 구비할 수 있다.
이미지 센서(100)는 다크 레벨 보상회로(130)를 더 구비한다. 다크 레벨 보상회로(130)는 다크 픽셀 이미지 신호들(125)을 수신하도록 배치되고, 그것에 응답하여 이미지 신호 프로세서 회로(120)에 의하여 이미지 신호들에 인가되는 오프셋을 제어하는 작용을 한다. 예를 들면, 다크 레벨 보상회로(130)는 다크 픽셀 이미지 신호들(125)과 연관된, 평균 다크 레벨 또는 다른 평균과 같은 집합 메트릭(aggregate metric)을 결정하도록 배치될 수 있으며, 액티브 픽셀 센서들(112) 및/또는 다크 픽셀 센서들(114)과 연관된 이미지 신호들(115)에 인가되는 오프셋을 제어하기 위하여 배치될 수 있다.
본 발명이 많은 다른 방법으로 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들면, 픽셀 센서 어레이(110)는 전하결합소자(charge coupled device;CCD)와 CMOS 이미지 센서들을 포함하는 다양한 다른 형태들의 이미지 센싱 셀들 중 어느 것을 구비할 수 있다. 예를 들면 이미지 신호 프로세서 회로(120)는 상기 센서들에 의하여 생성되는 아날로그 출력 신호들로부터 디지털 신호들을 발생시키는 아날로그 디지털 변환(120) 회로를 구비할 수 있다. 다크 레벨 보상회로(130)는 상기 센서들에 의하여 직접적으로 생성되는 아날로그 출력 신호들에 응답하여 또는 이를테면 ADC 회로에 의하여 생성되는 디지털 이미지 신호와 같은 상기 출력 신호들로부터 도출된 아날로그 및/또는 디지털 신호들에 응답하여 작동할 수 있다. 다크 레벨 보상회로(130)는 아날로그 및/또는 디지털 신호 도메인에서 오프셋을 인가할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다크 레벨 보상회로(230)를 나타낸다. 다크레벨 보상회로(230)는 다크 픽셀 이미지 신호들을 수신하도록 배치되고 그것으로부터 평균 다크레벨 신호(233)를 발생시키는 기능을 수행하는 평균회로(232)를 구비한다. 평균 다크레벨 신호(233)는 평균 다크레벨 신호(233)와 목표 다크레벨 신호(237)를 비교하여 그 결과에 기초하는 오프셋 제어신호(235)를 발생시키는 오프셋 제어 신호 발생기 회로(234)에 인가된다. 오프셋 제어신호(235)는 아날로그 디지털 변환기(ADC) 회로(220)에 인가되어 이미지 신호들(215)에 인가되는 오프셋을 제어한다. 그래서 다크 레벨 보상된 이미지 신호들(225)을 생성한다.
본 발명의 일면에 따르면, 다크 레벨 오프셋은 픽셀 센서에 의하여 생성된 아날로그 이미지 신호를 대응하는 디지털 이미지 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환단계의 일부분으로 인가될 수 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이미지 센서(300)는 다수의 행(row)(311)들로 배열되고 이미지 신호들(315)을 발생시키는 다수의 픽셀 센서들(312, 314)(예컨대, CMOS 픽셀 센서들)을 구비하는 픽셀 센서 어레이(310)를 구비한다. 픽셀 센서들(312, 314)은 장면을(예를 들면, 렌즈나 다른 광학 기구를 통하여) 보고 그에 관한 대표 이미지 신호들을 발생하도록 배치된 액티브 픽셀 센서들(312)과, 기준 다크 장면(예를 들면, 광학적으로 검은 마스크)을 보고 그에 관한 대표 이미지 신호들을 발생시키기 위한 다크 픽셀 센서들(314)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 다크 픽셀 센서들(314)은 액티브 픽셀 센서들(312)의 사각형 어레이의 반대편에 있는 제 1컬럼 및 제 2컬럼으로 배열된다. 그러나, 액티브 픽셀 센서들(312)과 다크 픽셀 센서들(314)은 다른 방법으로 배열될 수 있다.
이미지 센서(300)는 비교 어레이 회로(322), 램프신호 발생회로(324), 래치 어레이 회로(326) 및 카운터 회로(328)를 포함하는 ADC 회로(320)를 더 구비한다. 비교 어레이 회로(322)는 이미지 신호들(315)을 수신하도록 배치되고 카운터 회로(328)에 의하여 발생되는 카운터 값들의 래칭을 이미지 신호들(315)과 램프신호 발생회로(324)에 의하여 발생된 램프신호와의 비교에 응답하여 래치 어레이 회로(326)에 의하여 제어하는 작용을 한다.
이미지 센서(300)는 또한 램프신호 발생회로(324), 카운터회로(328) 및 로우 디코더/드라이버 회로(340)를 제어하는 타이밍회로(350)를 구비한다. 로우 디코더/드라이버 회로(340)는 타이밍회로(350)에 의하여 발생되는 타이밍 정보에 응답하여 CMOS 픽셀 센서 어레이(310)의 로우들(311)에 주소를 할당한다. 타이밍 회로(350)는 또한 래치 어레이 회로(326)가 다크 픽셀 센서들(314)에 대응하여 다크 픽셀 이미지 신호들(325)을 생성하고 액티브 픽셀 센서들(312)에 대응하여 액티브 픽셀 이미지 신호들(237)을 생성하도록 램프신호 발생회로(324), 카운터회로(328) 및 래치어레이회로(326)를 제어한다. 이미지 센서(300)는 다크 픽셀 이미지 신호들(325)을 수신하고 램프신호 발생회로(324)에 인가된 오프셋 제어신호(335)를 발생시키는 다크 레벨 보상회로(330)를 더 포함한다.
도 4는 도 3에 예시된 배치(configuration)와 함께 사용될 수 있는 다크 레벨 보상회로(400)를 나타낸다. 비교기 어레이(322)의 비교기들(322'-1, 322'-2, ..., 322'-2N)은 다크 픽셀 센서들(314)에 의하여 발생되는 이미지 신호들(315')을 수신하고, 래치 어레이(326)의 제어래치들(326'-1, 326'-2, ..., 326'-2N)은 그레이 코드(Gray code) 디지털 이미지 신호들(325)을 생성한다. 디지털 이미지 신호들(325)은 디지털 합산(summing) 회로(410)에서 합산되고, 그 결과의 디지털 합산신호(415)는 디바이더(divider) 회로에서 2N으로 나누어져 평균 다크 레벨 신호(425)를 발생시킨다. 이러한 평균 다크 레벨 신호(425)는 감산회로(430)에서 타겟 다크 레벨 신호(427)로부터 감산되어 에러신호(435)를 발생시킨다. 에러신호(435)는 적분회로(440)(e.g., 디지털 축적기(accumulator))에서 적분되어 보상된 오프셋 신호(445)를 발생시킨다. 변환회로(450)는 2의 보수 포맷 에러신호(445)를 변환하여 이진 포맷을 가지는 오프셋 제어신호(455)를 발생시킨다. 오프셋 제어신호(455)에 응답하여, 램프신호 발생회로(324)는 액티브 픽셀 센서들(312)에 의하여 생성되는 이미지 신호들(315")로부터 디지털 이미지 신호들(327)을 발생시키기 위하여 래치들(326"-1, 326"-2, ..., 326"-M)과 함께 사용되는 비교기들(322"-1, 322"-2, ..., 322"-M)을 위한 오프셋을 제공한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 사용될 수 있는 단기울기의(single-slope) 상관이중샘플링(Correlated Double Sampling; CDS) 회로(500)를 나타낸다. 비교회로(500)는 직렬연결된 인버터들(520a, 520b), 샘플링 커패시터들(C1, C2, C3), 그리고 제 1클럭신호(Φ1) 제 2클럭신호(Φ2)에 의하여 제어되는 스위치들(510a, 510b, 510c, 510d, 510e, 510f)을 구비한다. 비교회로(500)는 CMOS 픽셀 센서에 의하여 생성되는 기준신호 및 이미지 신호를 샘플링하고 상기 샘플링된 값을 램프신호 발생회로(524)에 의하여 발생된 제 1램프신호(525a) 및 제 2램프신호(525b)와 비교한다. 제 1램프신호(525a)와 제 2램프신호(525b)의 오프셋들은 오프셋 제어신호(535)에 응답하여 제어된다.
본 발명에 있어서 다크 레벨 보상 오프셋을 제공하는 다른 방법들을 사용할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들면, 도 4 및 도 5에 예시된 접근과 비슷한 접근이 도 5에 도시된 것들 이외의 형태의 ADC 회로들과 더불어 사용될 수 있다. 이러한 ADC 회로들은 이중 기울기(dual-slope) 및 연속적인 추산 ADC 회로들을 포함할 수 있으나 이들에 제한되지 않는다. 오프셋 보상은 디지털 영역에서도 또한 구현될 수 있다. 예를 들면, 다크 레벨 보상 오프셋은 도 3 내지 도 5에서 나타난 것처럼 ADC 제어신호의 오프셋을 제어하기보다는, 다크 픽셀 이미지 신호들로부터 얻은 디지털 오프셋 값을 도 3의 ADC 회로(320)와 같은 회로에 의하여 생성된 디지털 이미지 신호들에 인가함으로써 얻을 수 있다.
도 6은 이른바 베이어(Bayer) 패턴으로 배열된 빨강, 녹색 그리고 파랑의 픽셀 센서들(R, G, B)을 구비하는 이미지 센서에서 오프셋과 이득제어를 위한 예시적인 배치(configuration)을 나타낸다. 상기 베이어 패턴에서 빨강과 녹색 픽셀 센서들(R, G)은 제 1컬럼 데이터 라인(612a)에 연결되어 있고, 녹색과 파랑 픽셀 센서들(G, B)은 제 2컬럼 데이터 라인(612b)에 연결되어 있다. 각각의 빨강, 녹색, 파랑의 이득제어 레지스터들(610a, 610b, 610c)은 이득값들을 빨강, 녹색 파랑의 픽셀 센서들(R, G, B)의 각각의 출력에 인가되도록 유지시키기 위하여 제공된다. 비슷하게, 각각의 빨강, 녹색 그리고 파랑 오프셋 제어 레지스터들(610a, 610b, 610c)은 오프셋 값들이 각각의 빨강, 녹색, 파랑의 픽셀 센서들(R, G, B)의 출력에 인가되도록 유지시키기 위하여 제공된다. 예를 들면, 오프셋 제어 레지스터들(610a, 610b, 610c)에 의하여 저장된 값들은 예컨대 도 2 및 도 4에서 나타난 것처럼, 발생된 예상 오프셋을 대표하는 값들일 수 있다.
픽셀 센서들(R, G, B)의 열들을 스캔할 때, 멀티플렉서들(620a, 620b)은 선택적으로 빨강, 녹색, 파랑 이득값들을 제 1이득제어 및 제 2이득제어 디지털 아날로그 변환기(DAC)회로(630a, 630b)에 인가하며, 상기 DAC 회로들(630a, 630b)은 제 1컬럼 데이터라인 및 제 2컬럼 데이터라인(612a, 612b)과 연결된 각각의 ADC 회로들(622a, 622b)을 위하여 각각의 이득 제어 신호들을 생성한다. 예를 들면, 상기 이득 제어 신호들은 도 5를 참조하여 설명된 것과 같은 연관된 더블 샘플링(CDS) 램프 형태의 비교기에서 사용되는 램프 기준신호의 기울기를 변화시키는 작용을 한다. 비슷하게, 멀티플렉서들(620a, 620b)은 빨강, 녹색 그리고 파랑의 오프셋 값들을 제 1오프셋 제어 DAC회로 및 제 2오프셋제어 DAC회로(630a, 630b)에 선택적으로 인가하며, 상기 DAC 회로들(630a, 630b)은 각각의 제 1컬럼 데이터 라인과 제 2컬럼 데이터 라인(612a, 612b)에 연결된 각각의 ADC 회로들(622a, 622b)을 위하여 각각의 오프셋 제어신호들을 생성한다. 상기 오프셋 제어신호들은 예컨대, 도 5를 참조하여 설명된 것과 같은 상관이중샘플링(CDS) 램프 형태의 비교기들에서 사용되는 램프 기준신호의 오프셋을 제어하는 데 사용될 수 있다.
상기 도면과 명세서에 전형적인 발명의 실시예들이 개시되었다. 여기에서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이들은 일반적이고 기술적인 의미에서만 사용되는 것이고 후술할 특허청구범위에서 설명되는 본 발명의 영역을 제한하기 위한 의도로 사용되는 것이 아니다. 비록 본 발명이 특별한 실시예에 관하여 상세하게 설명되었으나, 그 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자에게 그 설명된 실시예의 변경이 본 발명의 사상(spirit)과 영역을 벗어나지 않고 이루어질 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 작동방법은 각 라인마다 다르게 존재하는 다크 레벨 오프셋을 보상함으로써 화면상의 블랙 신호를 개선하는 효과가 있다.
아울러 해당 라인에 대해서도 미세한 오프셋 제어가 가능하기 때문에 CMOS 이미지 센서의 이미지의 질을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (25)

  1. 다수의 CMOS 픽셀 센서 로우(pixel sensor row)들을 구비하고, 각각의 CMOS 픽셀 센서 로우는 적어도 하나의 다크 픽셀 센서(dark pixel sensor)를 구비하는 CMOS 픽셀 센서 어레이(array);
    상기 다크 픽셀 센서들에 의하여 생성된 다크 픽셀 이미지로부터 얻은 집단 다크레벨 메트릭(aggregate dark level metric)에 응답하여 상기 CMOS 픽셀 어레이의 CMOS 픽셀 센서에 의하여 발생된 이미지 신호에 인가되는 오프셋을 제어하는 다크 레벨 보상회로를 구비하는 CMOS 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 다크 레벨 보상회로는,
    상기 다크 픽셀 이미지 신호들로부터 평균다크 레벨을 결정하고 상기 결정된 평균 다크 레벨에 응답하여 상기 CMOS 픽셀 센서에 의하여 발생되는 상기 이미지 신호에 인가되는 상기 오프셋을 제어하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 다크 레벨 보상회로는,
    상기 평균 다크 레벨과 목표 다크 레벨의 비교에 응답하여 상기 CMOS 픽셀 센서에 의하여 발생된 상기 이미지 신호에 인가되는 상기 오프셋을 제어하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 다크 레벨 보상회로는,
    평균 다크 레벨 신호를 발생시키기 위하여 상기 다크 픽셀 이미지 신호를 처리하는 평균회로; 및,
    상기 평균회로에 응답하여 상기 평균 다크 레벨신호와 목표 레벨신호의 비교에 기초하여 상기 CMOS 픽셀 센서에 의하여 발생되는 상기 이미지 신호에 인가되는오프셋 제어신호를 발생시키는 오프셋 제어신호 발생회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 CMOS 픽셀 센서는 아날로그 이미지 신호를 생성하는 제 1CMOS 픽셀 센서를 구비하고,
    상기 이미지 센서는 상기 제 1CMOS 픽셀 센서에 의하여 생성되는 상기 아날로그 이미지 신호를 상기 오프셋 신호에 의하여 제어되는 오프셋에 종속되는 디지털 출력신호로 변환하는 제 1 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제 1ADC회로는,
    상관이중샘플링(CDS) ADC회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 CDS ADC회로는,
    단기울기(single-slope)의 ADC회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 오프셋 제어신호는,
    상기 단기울기 ADC회로에 의하여 생성되는 기준신호의 오프셋을 제어하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제 5항에 있어서,
    각각의 상기 다크 기준 픽셀 센서들은 각각의 아날로그 다크 레벨 이미지 신호들을 발생시키는 각각의 제 2CMOS 픽셀 센서들을 구비하고,
    상기 이미지 센서는 각각의 상기 아날로그 다크 레벨 이미지 신호들을 각각의 디지털 다크 레벨신호들로 변환하는 다수의 제 2ADC회로를 구비하고,
    상기 평균회로는,
    상기 디지털 다크 레벨 신호들을 합산하여 디지털 다크 레벨 합산신호를 생성하는 합산회로; 및,
    상기 디지털 다크 레벨 합산신호를 상기 CMOS 픽셀 어레이의 복수의 열로부터 유도된 값으로 나누어 디지털 평균 다크 레벨 신호를 생성하는 디바이더(divider)를 구비하고,
    상기 오프셋 제어신호 발생회로는
    디지털 목표 다크레벨 신호로부터 상기 디지털 평균 다크레벨 신호를 감산하여 디지털 에러 신호를 생성하는 감산회로;
    상기 디지털 에러신호를 보상하는 디지털 축적회로; 및,
    상기 축적된 디지털 에러신호로부터 아날로그 오프셋 제어신호를 생성하는 디지털 아날로그 변환(DAC) 회로를 구비하고,
    상기 제 1ADC회로는 상기 제 1CMOS 픽셀 센서에 의하여 생성된 상기 아날로그 이미지 신호를 상기 아날로그 오프셋 제어신호에 의하여 제어되는 오프셋에 종속되는 상기 디지털 출력신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 CMOS 픽셀 어레이는 제 1로우에 제 1컬러 픽셀 센서를 구비하고 제 2로우에 제 2컬러 픽셀 센서를 구비하며,
    상기 제 1컬러 픽셀 센서 및 상기 제 2컬러 픽셀 센서는 같은 이미지 데이터 라인에 연결되며,
    상기 이미지 센서는 상기 이미지 데이터 라인에 연결되고 상기 ADC 회로에 인가되는 오프셋 제어 신호에 의하여 제어되는 오프셋에 종속되는 상기 이미지 데이터 라인상의 아날로그 이미지 신호로부터 디지털 출력신호를 생성하는 ADC 회로를 더 구비하며,
    상기 다크 레벨 보상회로는 각각의 상기 제 1컬러 픽셀 센서와 상기 제 2컬러 픽셀 센서를 지원하기 위하여 각각의 제 1 오프셋 신호 및 제 2오프셋 신호를 발생시키고, 상기 제 1오프셋 신호와 상기 제 2오프셋 신호를 상기 ADC 회로로 선택적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 각각의 아날로그 이미지 신호들을 생성하고, 다수의 다크 픽셀 센서(dark pixel sensor)들을 포함하는 다수의 픽셀센서들;
    상기 다수의 픽셀 센서들 중 하나의 픽셀 센서에 의하여 발생된 아날로그 신호를 수신하고 그것으로부터 오프셋 제어 신호에 의하여 제어되는 오프셋에 종속되는 디지털 이미지 신호를 생성하는 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로; 및,
    상기 다크 픽셀 센서들에 의하여 생성되는 아날로그 이미지 신호들에 응답하여 상기 오프셋 제어신호를 발생하는 다크 레벨 보상회로를 구비하는 이미지 센서.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 다크 레벨 보상회로는,
    상기 다크 픽셀 센서들에 의하여 생성된 상기 아날로그 이미지 신호들로부터 유도된 집단 다크 레벨 메트릭에 기초하여 상기 오프셋 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 ADC 회로는 상기 다크 픽셀 센서들에 의하여 생성되는 상기 아날로그 이미지 신호들로부터 디지털 다크 픽셀 이미지 신호들을 생성하며,
    상기 다크 레벨 보상회로는 상기 디지털 다크 픽셀 이미지 신호들로부터 상기 오프셋 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 다크 레벨 보상회로는,
    상기 디지털 다크 픽셀 이미지 신호들로부터 평균 다크 레벨 신호를 발생하는 평균회로; 및,
    상기 평균 다크 레벨 신호와 목표 다크 레벨 신호의 비교에 기초하여 상기오프셋 제어신호를 발생하는 오프셋 신호 발생회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 ADC 회로는,
    상기 오프셋 제어신호에 응답하여 변하는 오프셋을 가지는 기준 램프 신호를 발생하는 램프신호 발생회로; 및,
    상기 기준 램프 신호와 복수의 픽셀 센서 중 상기 픽셀 센서에 의하여 생성되는 상기 아날로그 신호와 비교하는 비교회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 ADC회로는,
    카운터 출력신호를 생성하는 카운터회로; 및,
    상기 비교회로에 의하여 생성되는 출력신호에 응답하여 상기 카운터 출력을 래치하는 래치회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 다수의 픽셀 센서들은 제 1로우(row)에 제 1컬러 픽셀 센서를 구비하고 제 2로우에 제 2컬러 픽셀 센서를 구비하며,
    상기 제 1컬러 픽셀 센서와 상기 제 2컬러 픽셀 센서는 같은 이미지 데이터 라인에 연결되고,
    상기 ADC회로는 상기 이미지 데이터 라인에 연결되고, 상기 오프셋 제어신호에 의하여 제어되는 오프셋에 종속되는 상기 이미지 데이터 라인에서 아날로그 이미지 신호로부터 디지털 출력신호를 생성하고,
    상기 다크 레벨 보상회로는 상기 각각의 제 1컬러 픽셀센서와 제 2컬러 픽셀센서를 지원하기 위하여 각각의 제 1오프셋 제어신호와 제 2오프셋 제어신호를 발생하고 선택적으로 상기 ADC에 상기 제 1오프셋 신호와 상기 제 2오프셋 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  18. 제 11항에 있어서, 상기 다수의 픽셀 센서들은,
    다수의 CMOS 픽셀 센서들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  19. CMOS 픽셀 센서 어레이의 다중의로우들 상의다크 픽셀 센서들로부터 다크 픽셀 이미지 신호들을 발생하는 단계;
    상기 다크 픽셀 이미지 신호들로부터 오프셋 제어신호를 발생하는 단계;
    상기 CMOS 픽셀 센서 어레이의 픽셀 센서로부터 이미지 신호를 생성하는 단계; 및,
    상기 오프셋 제어신호에 응답하여 상기 이미지 신호에 오프셋을 인가하는 단계를 구비하는 이미지 센서를 작동하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 오프셋 제어신호를 발생하는 단계는,
    상기 다크 픽셀 이미지 신호들로부터 평균 다크 레벨신호를 발생하는 단계; 및,
    상기 평균 다크 레벨신호와 목표 다크 레벨신호의 비교로부터 상기 오프셋 제어신호를 발생하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 작동하는 방법.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 이미지 신호에 오프셋을 인가하는 단계는,
    상기 오프셋 제어신호에 응답하여 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로에 인가된 오프셋을 변화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 작동하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 ADC 회로에 인가된 오프셋을 변화시키는 단계는,
    기준 신호의 오프셋을 변화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 작동하는 방법.
  23. 다수의 픽셀 센서를 구비하는 이미지 센서를 작동하는 방법에 있어서,
    상기 다수의 픽셀 센서들에서 포함된 다수의 다크 픽셀 센서들로부터 다크 픽셀 이미지 신호들을 발생하는 단계;
    상기 다크 픽셀 이미지 신호들로부터 오프셋 제어신호를 발생하는 단계;
    다크 레벨 보상된 디지털 이미지 신호를 생성하기 위하여 상기 다수의 픽셀센서들 중 하나의 픽셀 센서에 의하여 생성되는 아날로그 이미지 신호를 수신하는 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로에 상기 오프셋 신호를 인가하는 단계를 구비하는 이미지 센서를 작동하는 방법.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 다크 레벨 보상된 디지털 이미지 신호를 생성하기 위하여 상기 다수의 픽셀 센서들 중 하나의 픽셀 센서에 의하여 생성된 아날로그 이미지 신호를 수신하는 아날로그 디지털 변환(ADC) 회로에 상기 오프셋 신호를 인가하는 단계는,
    상기 오프셋 제어신호에 응답하여 기준 신호의 오프셋을 변화시키는 단계; 및,
    다크 레벨 보상된 디지털 이미지 신호를 발생하기 위하여 상기 픽셀 센서에 의하여 생성된 상기 아날로그 이미지 신호와 상기 기준 신호를 비교하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 작동하는 방법.
  25. 제 23항에 있어서, 상기 다수의 픽셀 센서들은,
    다수의 CMOS 픽셀 센서들을 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 작동하는 방법.
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