KR100597651B1

KR100597651B1 - 이미지 센서, 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100597651B1
Application number: KR1020050006433A
Authority: KR
Inventors: 한상욱; 윤의식
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-07-05
Also published as: US7619674B2; JP4611215B2; JP2006211663A; US20060181625A1

Abstract

본 발명은 다이내믹 레인지(dynamic range)를 증대시켜 저 잡음 고품질 영상을 획득할 수 있는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치 및 그 방법, 그리고 이미지센서를 제공하기 위한 것으로 이를 위해 본 발명은 이전 프레임의 광원에 의해 추정된 현재 프레임의 광전류 누적시간을 저장하기 위한 다수의 화소로 구성된 화소 어레이와, 상기 화소에 저장된 광전류 누적시간에 따라 현재 프레임의 광전류 누적시간을 제어하기 위한 제어수단을 포함하는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치를 제공한다.

다이내믹 레인지(Dynamic range), 제어 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 접합 캐패시터, 메모리, 포토다이오드, CDS.

Description

이미지 센서, 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치 및 그 방법{IMAGE SENSOR, APPARATUS AND METHOD FOR CHANGING A REAL IMAGE FOR AN ELECTRIC SIGNAL}

도 1은 종래기술에 따른 이미지센서를 도시한 블럭도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 블럭도.

도 3은 도 2의 구조를 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 동작을 설명하기 위한 도면.

도 4는 임의의 행의 영상을 읽어들일 때 조건부 리셋을 수행하는 행들의 예를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 5개의 트랜지스터를 구비한 CMOS 이미센서의 단위 화소를 도시한 회로도.

도 6은 2×2의 단위 화소가 트랜지스터를 서로 공유한 구조를 도시한 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

T1 : 트랜스퍼 트랜지스터 T2 : 제어 트랜지스터

T3 : 리셋 트랜지스터 T4 : 셀렉트 트랜지스터

T5 : 드라이브 트랜지스터 PD : 포토다이오드

Tx : 트랜스퍼 신호 Rst : 리셋 신호

Sel : 셀렉트 신호 C : 접합 캐패시터

Ctrl_1 : 제1제어신호 Ctrl_2 : 제2제어신호

본 발명은 이미지센서(Image sensor)에 관한 것으로, 특히 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이내믹 레인지(Dynamic range)가 증대된 CMOS 이미지센서의 단위화소와 그 구조에 관한 것이다.

CMOS 이미지센서는 현재 모바일 폰(Mobile phone), PC(Personal Computer)용 카메라(Camera) 및 전자기기 등에서 광범위하게 사용되고 있는 디바이스(Device)이다. CMOS 이미지센서는 기존에 이미지센서로 사용되던 CCD(Charge Coupled Device)에 비해 구동방식이 간편하며, 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 한 칩에 집적할 수 있어서 SOC(System On Chip)가 가능하므로 모듈의 소형화를 가능하게 한다.

또한, 기존에 셋-업(Set-up)된 CMOS 기술을 호환성 있게 사용할 수 있으므로 제조 단가를 낮출 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있다.

종래의 일반적인 CMOS 이미지센서는 60dB 전후의 다이내믹 레인지를 갖기 때문에 한 영상 내에 넓은 범위의 밝기를 갖는 다양한 실사의 영상을 동일 화면에 담아내는 것에 한계를 드러낸다. 또한 이미지센서를 제작하는 CMOS 공정기술의 발달과 저전력의 센서를 제작하기 위한 요구에 부응하기 위해 보다 낮은 전원전압을 사용하고 있기 때문에 충분한 다이내믹 레인지를 확보하는 것이 점점 더 어려워지고 있다.

다이내믹 레인지는 영상의 품질을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이기 때문에 이를 넓히기 위한 여러 가지 시도가 이루어지고 있다.

대표적인 방법으로 여러 장의 영상을 획득하여 영상을 재구성하는 방법이 Stanford Univ. El Gamal 그룹에서 제안 되었다(“A 640X480 CMOS Image Sensor with Ultrawide Dynamic Range Floating-Point Pixel-Level ADC”, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 34, No. 12, December 1999). 이 방법은 광 누적 시간이 다른 여러 장의 이미지를 받아들이고 각 화소 마다 포화(Saturation) 되지 않은 이미지 중에서 가장 광 누적 시간이 긴 이미지를 선택하여 한 장의 이미지를 재구성한다. 이 방법은 밝은 쪽 영역의 다이내믹 레인지를 효과적으로 확장시킬 수 있지만 한 장의 영상을 얻기 위해 여러 장의 영상을 얻어야 하고 실시간 화면을 얻기 위해서는 매우 빠른 속도로 영상을 얻어야 하기 때문에 이미지센서의 전력 소모가 크다는 단점이 있다. 또한 빠른 속도로 영상을 얻기 위해 디지탈 화소(Digital pixel)를 제안하였는데, 이는 기존의 3 트랜지스터 혹은 4 트랜지스터 기반의 화소 보다 상대적으로 많은 수의 트랜지스터를 요구하고 큰 노이즈를 가지므로 화소의 크기와 어두운 쪽 영역으로의 다이내믹 레인지 특성이 나빠지는 단점이 있다.

이탈리아의 David Stoppa 등은 각 화소 마다 특정 전압으로 포토다이오드의 전압이 떨어 질 때까지의 광 전류 누적 시간을 읽어내는 방법으로 다이내믹 레인지를 132dB까지 확장시켰으나, 단위 화소 내에 비교기와 아날로그 메모리를 구현해야 하므로 화소 크기가 매우 크게 되어 고해상도의 센서로 구현하는데 한계가 있다 (“Novel CMOS Image Sensor With a 132dB Dynamic Range”, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 37, No. 12, December 2002).

위 방법들과는 달리 각 화소 마다 광 전류의 누적 시간을 조절하여 다이내믹 레인지를 확장하는 방법도 제안되고 있다. 전체 센서의 노출 시간을 기계, 전기 적으로 동시에 바꾸는 것이 아니라 각 화소 마다 노출 시간을 조절하여 한 영상 내의 다이내믹 레인지를 넓히는 것이다.

밝은 빛을 받아들이는 화소는 광 전류의 누적시간을 상대적으로 짧게 하고 어두운 빛을 받아들이는 화소는 누적시간을 길게 하여 화소 자체가 받아들일 수 있는 광 입력범위에 제한되지 않도록 한다. MIT의 Sodini 그룹 (P. M. Acosta-Serafini, I. Masaki, C. G. Sodini, “A 1/3'' VGA linear wide dynamic range CMOS image sensor implementing a predictive multiple sampling algorithm with overlapping integration intervals, “IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 39, pp. 1487-1496, Sept. 2004.)과 이스라엘의 Yadid-Pecht 그룹(“In-Pixel Autoexposure CMOS APS”, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 38, No. 8, August 2003)에서 제안한 화소별 광 전류 누적 시간 조절을 통한 넓은 다이내믹 레인지 이미지센서의 대략적인 개념도는 도 1과 같다.

즉, 도 1은 종래기술에 따른 이미지센서를 도시한 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 이미지센서는, N×M개의(N,M은 자연수) 단위 화소로 구성된 화소 배열부(10)와, 신호 처리부(12)와 제어부(11) 및 메모리부(13)로 이루어진다.

화소 배열부(10)는 빛의 반응하는 성질을 극대화시키도록 만든 복수 개의 단위 화소로 이루어져 있으며, 제어부(11)는 이미지센서의 전체적인 동작을 제어하고, 외부시스템에 대한 인터페이스 역할을 담당하며, 각 화소별 누적 시간을 열 단위로 조절한다.

신호 처리부(12)는 화소 배열부(10)로부터 전달된 신호를 가공하는 블럭으로, 아날로그 동작만을 수행할 수도 있고, 아날로그/디지털 변환을 포함한 디지탈 동작을 모두 수행할 수도 있다.

메모리부(13)는 화소 배열부(10)와 같이 행 방향 어드레싱을 하고, 제어부(11)로부터 제공되는 각 화소 별 누적 시간을 저장한다.

상기한 구성을 갖는 종래의 이미지센서는, 밝은 쪽의 다이내믹 레인지의 확장 측면에서는 효과적으로 구현하였다고 볼 수 있으나 실제 구현 시 누적 시간을 기록하기 위한 메모리가 차지하는 실리콘 면적이 전체 센서의 면적보다 오히려 더 크기 때문에 센서 제작 단가 및 수율 등의 문제를 유발한다는 큰 단점이 있다.

또한, 랜덤 리셋 노이즈를 효과적으로 제거하는 트루 CDS(Correlated Double Sampling) 방식을 적용할 수 없기 때문에 고품질의 영상을 획득하는데 한계를 갖고 어두운 쪽 영역으로의 다이내믹 레인지 특성이 나쁘다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 단위 화소별 광 전류 누적 시간을 조절하여 다이내믹 레인지를 증가시키고 아울러 저 잡음 고품질 영상을 획득할 수 있는 CMOS 이미지센서의 단위 화소 및 그를 포함하는 CMOS 이미지센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 복수의 단위 화소가 트랜지스터를 서로 공유함으로써, 집적도를 높일 수 있는 CMOS 이미지센서를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 이전 프레임의 광원에 의해 추정된 현재 프레임의 광전류 누적시간을 저장하기 위한 다수의 화소로 구성된 화소 어레이와, 상기 화소에 저장된 광전류 누적시간에 따라 현재 프레임의 광전류 누적시간을 제어하기 위한 제어수단을 포함하는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치를 제공한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 실제 이미지를 전기신호로 바꾸는 이미지 센서에 있어서, 이전 프레임의 광원에 의해 추정된 현재 프레임의 광 전류 누적 시간을 저장하는 단위 화소가 N×M개(N,M은 1보다 큰 자연수) 배열된 화소 배열부와, 상기 각 단위 화소에 저장된 광 전류 누적 시간에 따라 현재 프레임의 광전류 누적 시간을 열 단위로 조절하기 위해 열 개수(M개)에 해당하는 단위 제어부를 포함하는 이미지센서를 제공한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 실제 이미지를 전기신호로 바꾸는 방법에 있어서, 이전 프레임의 광원에 의해 추정된 현재 프레임의 광 전류 누적 시간을 단위 화소가 N×M개(N,M은 1보다 큰 자연수)로 배열된 화소 배열부의 각 단위 화소에 저장하는 단계; 및 상기 각 단위 화소에 저장된 광 전류 누적 시간에 따라 현재 프레임의 광 전류 누적 시간을 열 단위로 제어하는 단계를 포함하는 실제 이미지를 전기신호로 바꾸는 방법을 제공한다.

본 발명은 CMOS 이미지 센서에서 단위 화소 별 광 전류 누적 시간의 조절을 통해 다이내믹 레인지를 증가시킨다. 또한, 랜덤 리셋 노이즈를 제거할 수 있는 트루 CDS기법을 적용할 수 있는 동작 방법을 사용하여 저 잡음의 특성을 갖고 화소 배열부 이외의 영역에 별도의 메모리부를 구현하지 않아 실리콘 면적을 최소한으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 블럭도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서는, N×M개의(N,M은 자연수) 단위 화소로 구성된 화소 배열부(20)와, 신호 처리부(22)와 제어부(21)로 이루어진다.

화소 배열부(20)는 빛의 반응하는 성질을 극대화시키도록 만든 가로 N개, 세로 M개로 단위 화소를 배치시켰으며, 외부에서 들어오는 이미지에 대한 정보를 감지하는 부분으로 전체 센서의 핵심적인 부분이다.

제어부(21)는 이미지센서의 전체적인 동작을 제어하며, 외부시스템에 대한 인터페이스 역할을 담당한다. 또한, 배치 레지스터를 갖고 있어, 여러가지 내부동작에 관련된 사항에 대해 프로그램이 가능하며, 이 프로그램 정보에 따라 전체 칩의 동작을 제어한다. 또한, 제어부(21)는 각 화소별 누적 시간을 열 단위로 조절하기 위한 열 개수에 해당하는 단위 제어부를 포함한다.

신호 처리부(22)는 화소 배열부(20)로부터 전달된 신호를 가공하는 블럭으로, 아날로그 동작만을 수행할 수도 있고, 아날로그/디지털 변환을 포함한 디지탈 동작을 모두 수행할 수도 있다.

예컨대, 이미지센서의 디지탈 신호 처리로는 색 보간(Color interpolation), 색 보정(Color correction), 감마 보정(Gamma correction), 자동 화이트 밸런스 (Auto white balance), 자동 노출(Auto exposure) 등의 기능을 포함하고 있다.

상기한 도 2의 구조에서 알 수 있듯이, 종래의 경우 화소 배열부(20) 이외의 영역에 화소 배열부(20)와 같이 행 방향 어드레싱을 하는 메모리부를 별도로 설치하고, 이를 통해 제어부(21)로부터 제공되는 각 화소 별 누적 시간을 저장하였다.

그러나, 본 발명에서는 각 화소 별 누적시간의 기록을 각 단위 화소 안의 아날로그 메모리를 이용하여 구현한다.

즉, 화소 배열부(20)를 이루는 각 단위 화소는 그 자체에 메모리를 구비하고, 이 메모리를 통해 기존의 메모리부에서와 같은 각 화소 별 누적 시간 저장 기능을 담당하도록 한다.

각 화소의 아날로그 메모리는 센싱 노드(즉, 기존의 4개의 트랜지스터 또는 3개의 트랜지스터 구조에서 리셋 트랜지스터의 소스와 드라이브 트랜지스터의 게이트의 접합 노드)의 기생 캐패시터를 이용하여 구현 가능하기 때문에 필 팩터(Fill factor)의 희생 없이 작은 사이즈로 각 단위 화소를 구현할 수 있도록 한다.

도 3은 도 2의 구조를 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 동작을 설명하기 위한 도면으로서, 이를 참조하여 이미지센서의 동작 원리를 살펴본다.

이미지센서가 256 × 256 크기의 화소 배열을 가지며, 한 프레임의 광 전류 누적시간을 100msec 라고 가정한다.

첫 번째 프레임에서 각 화소에서 읽어 들인 영상을 바탕으로 각 화소의 적절한 광 전류 누적시간을 각 열 별로 있는 단위 제어부에서 판단한다. 그리고 이 결과를 각 화소의 아날로그 메모리에 기록하여 준다.

두 번째 프레임에서 1번째 행의 이미지를 리드아웃 할 때 동시에 128번째 행의 화소들에 저장되어 있던 광 전류 누적시간 기록을 열 별로 읽어 들이고, 저장되어 있던 적절한 광 전류 누적시간이 50msec인 화소들은 리셋을 통해 그 동안 누적된 광량을 모두 제거하고 100msec인 화소들은 리셋을 하지 않고 계속 누적한다.

마찬가지로 2번째 행의 이미지를 리드아웃 할 때 동시에 (128+1)번째 행에 저장되어 있던 광 전류 누적시간 기록을 각 열 별로 읽어들이고 저장되어 있던 적절한 광 전류 누적시간이 50msec인 화소들은 리셋을 통해 그 동안 저장되어 있던 광량을 모두 제거하고 아니라면 계속 누적한다.

이와 같은 방식으로 256번째 행까지 모두 수행하면 첫번째 프레임에서 읽은 영상을 바탕으로 미리 기록된 적절한 광 전류 누적 시간에 대한 정보에 따라 리셋을 수행하지 않은 화소들은 100msec의 누적 시간을 갖게 되고 중간에 리셋을 수행한 화소들은 50msec의 누적시간을 갖게 된다.

세 번째 프레임에서 각 화소의 적절한 광 전류 누적 시간에 대한 정보는 두 번째 프레임에서 영상을 읽어 들일 때 제어 회로부에서 다시 각 단위 화소에 있는 아날로그 메모리에 저장한다. 이와 같이 항상 이전 프레임의 영상으로부터 다음 프레임 영상의 적절한 광 전류 누적시간을 얻어내도록 한다.

상기한 바와 같이 설명한 방식은 임의의 행을 읽어 들이는 시간에 하나의 다른 행 리셋을 제어함으로써 전체 센서가 2가지의 광 전류 누적 시간을 갖도록 한 것이다.

이를 확장하여 임의의 한 행을 읽어 들이는 시간에 N개의 다른 행에 N번의 조건부 리셋을 수행한다면 N개의 서로 다른 광전류 누적시간을 갖는 센서를 구현 할 수 있다.

일반적으로 화소로부터 신호 처리부로 신호를 전달하는 시간인 수평 공백(Horizontal Blanking) 기간은 수μsec로 매우 짧은 반면, 열 단위로 어드레싱하여 한 화소씩 값을 출력하는 기간은 상대적으로 매우 길다. 따라서, 한 화소씩 값을 출력하는 기간에 N 개의 다른 행들의 조건부 리셋을 실시하는 것이 가능하다.

도 4는 임의의 행(i번째 행)의 영상을 읽어들일 때 조건부 리셋을 수행하는 행들의 예를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 임의의 N개 행을 2의 배수로 증가된 행으로 선택한다면 가장 짧은 광 누적 시간을 갖는 화소와 가장 긴 누적시간을 갖는 화소는 2N 배의 광 누적 시간 차이를 갖게 된다. 이는 다이내믹 레인지를 밝은 쪽 영역으로 2N배만큼 더 확장시킬 수 있는 것을 의미한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 5개의 트랜지스터를 구비한 CMOS 이미센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위 화소는(U/P; Unit Pixel)는, PNP, PNPN 등의 구조를 이루며, 빛을 입력받아 이에 해당하는 만큼 전자-정공 쌍 즉, 광전하(Photogenerated Charge)을 생성하는 포토다이오드(PD)와, 턴-온 동작에 따라 포토다이오드에 축적된 광전하를 영상 신호 출력시 센싱 노드로 동작하는 접합 캐패시터(C)로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(T1)와, 일측에 인가된 제1제어신호(Ctrl_1)와 게이트를 통해 인가되는 트랜스퍼 신호 (Tx)에 의해 제어받아 트랜스퍼 트랜지스터(T1)의 턴-온 동작을 선택적으로 제어하기 위한 제어 트랜지스터(T2)와, 트랜스퍼 트랜지스터(T1)의 턴-온 동작시에는 전달된 광전하를 전달받으며, 상기 광전하가 전달되기 전에는 메모리로서 동작하는 접합 캐패시터(C)와, 일측에 인가된 제2제어신호(Ctrl_2)와 게이트를 통해 인가되는 리셋 신호(Rst)에 의해 제어받아 접합 캐패시터(C)를 일정 전압 레벨로 리셋시키거나, 제2제어신호(Ctrl_2)를 통해 제공된 화소의 광 전류 누적 시간을 접합 캐패시터(C)에 저장하기 위한 리셋 트랜지스터(T3)와, 접합 캐패시터(C)로 부터 전달되는 광전하에 해당하는 전기 신호에 따라 턴-온되는 양이 달라지며, 이에 따라 광전하의 양에 비례하는 전기 신호를 출력하는 드라이브 트랜지스터(T5)와, 셀렉트 신호(Sel)의 제어를 받아 턴-온되며 전원전압(VDD)과 드라이브 트랜지스터(T5) 사이에 접속되어, 드라이브 트랜지스터(T5)를 통해 출력되는 신호를 선택적으로 출력하기 위한 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 구비하여 구성된다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 CMOS 이미지센서의 단위 화소는 5개의 트랜지스터(T1 ∼ T5)와 1개의 포토다이오드(PD)로 구성되어 있다. 일반적인 4개의 트랜지스터를 구비하는 단위 화소 구조에 단위 화소별 제어를 가능하게 하기 위해 열 방향 제어 신호인 제1제어신호(Ctrl_1)에 의해 제어되는 제어 트랜지스터(T2)를 추가 하였다.

트랜스퍼 트랜지스터(T1)는 포토다이오드(PD)에 축적된 광 전하를 접합 캐패시터(C, 이 때에는 센싱 노드)로 전달하는 기능을 수행하며, 드라이브 트랜지스터(T5)는 센싱 노드로 동작하는 접합 캐패시터(C)의 전압을 증폭하여 출력한다. 셀렉 트 트랜지스터(T4)는 향(Row)방향 선택 신호인 셀렉트 신호(Sel)에 의해 스위칭되는 행 방향 화소 선택 스위치 역할을 한다.

리셋 트랜지스터(T3)는 일반적인 4개의 트랜지스터를 구비하는 단위 화소에서 사용하는 기능과 동일하다. 다만 리셋 트랜지스터(T3)의 드레인 노드가 전원 전압(VDD)에 연결되어 있는 것이 아니라, 단위 제어부의 출력과 연결되어 제2제어신호(Ctrl_2)를 드레인을 통해 인가받는다.

한편, 제어 트랜지스터(T2) 또한 그 드레인 노드가 단위 제어부의 출력 노드에 연결되어 있다.

드라이브 트랜지스터(T5)의 게이트 노드인 접합 캐패시터(C)는 트랜스퍼 트랜지스터(T1)를 통해 누적된 광 전하가 전달되기 전까지 아날로그 메모리로써 사용된다.

한편, 접합 캐패시터(C)는 별도로 형성된 캐패시터가 아닌 해당 노드의 기생 캐패시터의 합으로 구현된 것이다.

각 열마다 배치된 복수의 단위 제어부에서 적절한 광 전류 누적 시간을 계산하여 그 정보를 리셋 트랜지스터(T3)를 통해 아날로그 메모리인 접합 캐패시터(C)에 저장한다.

저장된 정보는 해당 행의 리셋 여부를 판단해야 하는 시점에 드라이브 트랜지스터(T5)를 통해 단위 제어부에 전달되고 단위 제어부는 리셋 여부를 판단한다. 리셋이 필요하다고 여겨지면 제1제어신호(Ctrl_1)와 제2제어신호(Ctrl_2)와 트랜스퍼 트랜지스터(T1)와 리셋 트랜지스터(T3) 및 제어 트랜지스터(T2)를 이용하여 접 합 캐패시터(C)를 리셋시키며, 리셋이 필요하지 않다고 판단하면 계속 광 전류를 누적한다.

해당 행을 읽어서 영상을 얻어야 하는 시점에는 기존의 4개의 트랜지스터를 갖는 단위 화소와 동일한 방식으로 CDS 방식을 적용하여 영상을 읽어낸다.

이 때의 동작을 보다 상세하게 살펴본다.

포토다이오드(PD)는 동안 광을 집적하고 있고, 제2제어신호(Ctrl_2)가 전원전압(VDD) 레벨이 되고, 이 때 리셋 신호(Rst)가 인가되어 접합 캐패시터(C) 즉, 센싱 노드를 거의 전원전압(VDD) 레벨로 리셋 시킨다. 센싱 노드의 전위 변화는 드라이브 트랜지스터(T5)의 게이트 노드의 입력 변화를 야기하고, 행 셀렉트 신호(Sel)가 인가되어 셀렉트 트랜지스터(T4)가 턴-온 됨에 따라 소스 팔로워(Source follower)로 동작하는 드라이브 트랜지스터(T5)의 출력 노드(Out)를 통해 리셋 동작시의 단위 화소의 출력 신호가 출력된다.

적정 시간 후, 트랜스퍼 트랜지스터(T1)가 턴-온되어 포토다이오드에서 센싱된 광전하가 센싱 노드로 동작하는 접합 캐패시터(C)로 전달된다. 센싱 노드의 전위 변화는 드라이브 트랜지스터(T5)의 게이트 노드의 입력 변화를 야기하고, 행 셀렉트 신호(Sel)가 인가되어 셀렉트 트랜지스터(T4)가 턴-온 됨에 따라 드라이브 트랜지스터(T5)의 출력 노드(Out)를 통해 포토다이오드로부터 제공된 단위 화소의 출력 신호가 출력된다.

이어서, 두 출력 신호의 차를 통해 단위 화소의 출력을 최종적으로 출력하게 된다.

상기한 CDS 방식은 고정 패턴 잡음(Fixed pattern noise) 뿐만 아니라 랜덤 리셋 노이즈도 효과적으로 줄일 수 있기 때문에 어두운 쪽 영역으로의 다이내믹 확장이 가능하고 또한 고품질의 영상을 획득할 수 있다.

영상을 얻은 후, 리셋 신호(Rst)가 인에이블되고 해당 화소의 광 전류 누적 시간에 해당하는 전압의 크기로 제2제어신호(Ctrl_2)가 제공됨으로써, 접합 캐패시터(C)는 해당 화소의 광 전류 누적 시간을 저장하는 메모리 역할을 하게된다.

접합 캐패시터(C) 저장된 광 전류 누적 시간에 해당하는 전압은 행 선택을 위한 셀렉트 트랜지스터(T4)가 턴-온되고 단위 화소 내에서는 도시되지 않았지만 열 선택신호가 인가됨에 따라 출력 노드(T5)를 통해 출력되며, 해당 열에 위치한 단위 제어부는, 출력되는 광 전류 누적 시간에 해당하는 전압을 이용하여 다음 프레임에서의 해당 화소의 리셋 타이밍을 조절하게 된다.

이는 제1제어신호(Ctrl_1)와 트랜스퍼 신호(Tx)를 이용하여 해당 행에서 해당 열에 위치하는 그 화소에 대해서 개별적으로 즉, 각 화소별로 제어할 수 있게 됨을 의미한다.

상기한 단위 화소는 여러 단위 화소가 트랜지스터를 서로 공유하려 그 집적도를 더 높이도록 설계할 수 있다.

도 6은 2×2의 단위 화소가 트랜지스터를 서로 공유한 구조를 도시한 회로도이다.

도 6을 참조하면, 'A'로 도시된 바와 같이 제1열과 제2열의 두개의 열과 제1행과 제2행의 두개의 행에 4개의 포토다이오드(PDa ∼ PDd)와 9개의 트랜지스터 (T1a, T1b, Tic, Tid, T2a, T2b, T3a, T4a, T5a)로 이루어진 2×2 형태의 4개의 단위 화소(U/P1 ∼ U/P4)가 배치되어 있다. 따라서, 하나의 화소 당 하나의 포토다이오드와 2.25개의 트랜지스터로 구성되어 도 5에 비해 거의 2배의 집적도를 가지며, 특히 기존의 3개 또는 4개의 트랜지스터를 갖는 단위 화소 구조에 비해 단위 화소의 집적도가 더 높은 것을 알 수 있다.

제1열 제1행에 위치한 단위 화소(U/P1)는, 포토다이오드 PDa와 제어 트랜지스터 T2a와 트랜스퍼 트랜지스터 T1a와 리셋 트랜지스터 T3a와 셀렉트 트랜지스터 T4a 및 드라이브 트랜지스터 T5a로 이루어진다.

제2열 제1행에 위치한 단위 화소(U/P2)는, 포토다이오드 PDb와 제어 트랜지스터 T2b와 트랜스퍼 트랜지스터 T1b와 리셋 트랜지스터 T3a와 셀렉트 트랜지스터 T4a 및 드라이브 트랜지스터 T5a로 이루어진다.

따라서, 제1열 제1행에 위치한 단위 화소(U/P1)와 제2열 제1행에 위치한 단위 화소(U/P2)는 접합 캐패시터(도시하지 않음)와 리셋 트랜지스터 T3a와 셀렉트 트랜지스터 T4a 및 드라이브 트랜지스터 T5a를 서로 공유한다.

제1열 제2행에 위치한 단위 화소(U/P3)는, 포토다이오드 PDc와 제어 트랜지스터 T2a와 트랜스퍼 트랜지스터 T1c와 리셋 트랜지스터 T3b와 셀렉트 트랜지스터 T4b 및 드라이브 트랜지스터 T5b로 이루어진다.

제2열 제2행에 위치한 단위 화소(U/P4)는, 포토다이오드 PDd와 제어 트랜지스터 T2b와 트랜스퍼 트랜지스터 T1d와 리셋 트랜지스터 T3b와 셀렉트 트랜지스터 T4b 및 드라이브 트랜지스터 T5b로 이루어진다.

따라서, 제1열 제2행에 위치한 단위 화소(U/P3)와 제2열 제2행에 위치한 단위 화소(U/P4)는 접합 캐패시터(도시하지 않음)와 리셋 트랜지스터 T3b와 셀렉트 트랜지스터 T4b 및 드라이브 트랜지스터 T5b를 서로 공유한다.

아울러, 제1열 제1행에 위치한 단위 화소(U/P1)와 제1열 제2행에 위치한 단위 화소(U/P3)는 제어 트랜지스터(T2a)를 서로 공유하며, 제2열 제1행에 위치한 단위 화소(U/P3)와 제2열 제2행에 위치한 단위 화소(U/P4)는 제어 트랜지스터(T2b)를 서로 공유한다.

제1열 제1행에 위치한 단위 화소(U/P1)와 제2열 제1행에 위치한 단위 화소(U/P2)가 리셋 트랜지스터 T3a와 셀렉트 트랜지스터 T4a 및 드라이브 트랜지스터 T5a를 공유하는 반면, 그 위 행에 위치한 두 개의 단위 화소(도시하지 않음)에서도 이 3개의 트랜지스터를 공유하므로, 제1열 제2행에 위치한 단위 화소(U/P3)와 제2열 제2행에 위치한 단위 화소(U/P4)가 'A'의 밖에 위치한 리셋 트랜지스터 T3b와 셀렉트 트랜지스터 T4b 및 드라이브 트랜지스터 T5b를 서로 공유하도라도 실제 2×2 구조의 단위 화소에 필요한 트랜지스터는 9개이다.

단위 화소 U/P1과 U/P3는 제어 트랜지스터 T2a를 공유하므로 영상 신호를 동시에 출력하며, 단위 화소 U/P2와 U/P4도 역시 제어 트랜지스터 T2b를 공유하므로 영상 신호를 동시에 출력한다.

한편, 제1열에 위치한 단위 화소 U/P1과 U/P3는 각각 제2열에 위치한 U/P2 및 U/P4와 출력을 위한 3개의 트랜지스터와 접합 캐패시터를 공유하므로, 서로 쌍을 이루는 열끼리는 교번적인 동작이 이루어져야 한다.

따라서, 도 6에 도시된 구조에서는 하나의 프레임 동작을 위해 홀수 열과 짝수 열을 위한 2번의 스캔 작업이 필요하다.

도 6에 도시된 바와 같이 2×2 구조의 단위 화소가 각각 복수의 트랜지스터를 공유하도록 배치하여, 한 화소당 트랜지스터가 2.25개가 사용되도록 하였다.

이를 통해 화소당 트랜지스터의 수를 줄여서 화소의 크기를 좀 더 작게 만들 수 있으면서도, 이 경우에도 본 발명의 다이내믹 레인지 확장 방법을 효과적으로 적용할 수 있다.

전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 기존의 단위 화소별 광 전류 누적 시간을 조절하여 다이내믹 레인지를 확장한 방법들에 비해 다음과 같은 장점이 있기 때문에 실제 응용에 성공적으로 적용할 수 있음을 실시예를 통해 알아보았다.

첫째, 화소별 광 전류 누적 시간을 기억하는 메모리를 화소 배열부 이외의 영역에 따로 구현하지 않기 때문에 최소의 기판 면적을 이용하여 이미지 센서를 제작할 수 있다.

둘째, CDS 방식을 적용하여 저 잡음 고품질 영상을 획득하는 CMOS 이미지 센서를 구현할 수 있다.

셋째, 저 잡음의 특성으로 인해 어두운 쪽 영역으로의 다이내믹 레인지의 확장이 가능하다.

넷째, 공유 화소 개념을 적용하여 고해상도 센서에 적합한 작은 크기의 화소로의 구현이 가능하다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명은, CMOS 이미지센서의 다이내믹 레인지를 넓히고 랜덤 리셋 노이즈를 제거할 수 있는 트루 CDS 방식을 적용 가능하여 CMOS 이미지센서의 성능을 크게 향상시키는 효과가 있으며, 화소 공유 개념을 적용하여 단위 화소 당 트랜지스터의 수를 최소화함으로써 집적도를 높이고 생산 단가를 낮춰 가격 경쟁력을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

이전 프레임의 광원에 의해 추정된 현재 프레임의 광전류 누적시간을 저장하기 위한 다수의 화소로 구성된 화소 어레이; 및

상기 화소에 저장된 광전류 누적시간에 따라 현재 프레임의 광전류 누적시간을 제어하기 위한 제어수단

을 포함하는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 화소는,

빛을 입력받아 이에 해당하는 만큼 광전하를 생성하는 포토다이오드;

턴-온 동작에 따라 상기 포토다이오드에 축적된 광전하를 접합 캐패시터로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터;

상기 트랜스퍼 트랜지스터의 턴-온 동작을 제어하기 위한 제어 트랜지스터;

상기 트랜스퍼 트랜지스터의 턴-온 동작시에는 상기 광전하를 전달받으며, 상기 광전하가 전달되기 전에는 이전 프레임에서의 광 전류 누적 시간을 저장하기 위한 접합 캐패시터;

상기 접합 캐패시터를 리셋시키거나, 상기 접합 캐패시터에 상기 광 전류 누적 시간을 저장하기 위한 리셋 트랜지스터;

상기 접합 캐패시터로부터 전달되는 전하량에 상응하는 전기 신호를 출력하기 위한 드라이브 트랜지스터; 및

스위칭 동작을 통해 상기 드라이브 트랜지스터의 출력을 제어하기 위한 셀렉트 트랜지스터

를 포함하는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 화소는 기 설정된 열로 배열되어 있으며, 상기 제어수단은 상기 화소를 열 단위로 제어하는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 제어 트랜지스터는,

일측에 인가된 제1제어신호와 게이트를 통해 인가되는 트랜스퍼 신호에 응답하여 타측을 통해 상기 트랜스퍼 트랜지스터의 온/오프를 제어하는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 제1제어신호는 해당 열을 제어하기 위한 단위 제어부를 통해 제공되는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 리셋 트랜지스터는,

일측에 인가된 제2제어신호와 게이트를 통해 인가되는 리셋 신호에 응답하여 타측에 위치한 상기 접합 캐패시터를 일정 전압 레벨로 리셋시키거나, 상기 제2제어신호를 통해 제공된 상기 광 전류 누적 시간을 상기 접합 캐패시터에 저장하는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 제2제어신호는 해당 열을 제어하기 위한 단위 제어부를 통해 제공되며, 상기 접합 캐패시터를 리셋시킬 경우에는 일정 전압 레벨을 유지하고, 상기 접합 캐패시터에 상기 광 전류 누적 시간을 저장할 경우에는 상기 광 전류 누적 시간에 해당하는 전압 레벨을 유지하는 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 일정 전압 레벨은 전원 전압 레벨인 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 셀렉트 트랜지스터는,

셀렉트 신호의 제어를 받아 턴-온되며, 전원 전압과 상기 드라이브 트랜지스터 사이에 접속된 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치.
실제 이미지를 전기신호로 바꾸는 이미지 센서에 있어서,

이전 프레임의 광 전류 누적 시간을 저장하는 단위 화소가 N×M개(N,M은 1보다 큰 자연수) 배열된 화소 배열부; 및

상기 각 단위 화소에 저장된 광 전류 누적 시간에 따라 현재 프레임의 광전류 누적 시간을 열 단위로 조절하기 위해 열 개수(M개)에 해당하는 단위 제어부

를 포함하는 이미지센서.
제 10 항에 있어서,

상기 각 단위 제어부에서 상기 이전 프레임에서 읽어 들인 영상 정보를 기반으로 상기 현재 프레임에 적합한 상기 각 단위 화소의 광 전류 누적 시간을 각각 열 별로 판단하고, 그 결과를 상기 각 단위 화소에 저장하며,

상기 현재 프레임에서 상기 화소 배열부의 첫번째 행의 영상 신호를 출력할 때, M-1개의 다른 행의 화소들에 저장되어 있는 M-1개의 서로 다른 상기 광 전류 누적 시간의 기록을 각각 열 별로 입력받고,

각각 광 전류 누적 시간에 해당하는 각 화소별 리셋을 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
제 10 항에 있어서,

상기 각 단위 화소,

빛을 입력받아 이에 해당하는 만큼 광전하를 생성하는 포토다이오드;

턴-온 동작에 따라 상기 포토다이오드에 축적된 광전하를 접합 캐패시터로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터;

상기 트랜스퍼 트랜지스터의 턴-온 동작을 제어하기 위한 제어 트랜지스터;

상기 트랜스퍼 트랜지스터의 턴-온 동작시에는 상기 광전하를 전달받으며, 상기 광전하가 전달되기 전에는 상기 이전 프레임 광원에 의해 추정된 상기 현재 프레임의 광 전류 누적 시간을 저장하기 위한 접합 캐패시터;

상기 접합 캐패시터를 리셋시키거나, 상기 접합 캐패시터에 상기 광 전류 누적 시간을 저장하기 위한 리셋 트랜지스터;

상기 접합 캐패시터로부터 전달되는 전하량에 상응하는 전기 신호를 출력하기 위한 드라이브 트랜지스터; 및

스위칭 동작을 통해 상기 드라이브 트랜지스터의 출력을 제어하기 위한 셀렉트 트랜지스터

를 포함하는 이미지센서.
제 12 항에 있어서,

상기 단위 화소 4개가 2행×2열의 구조로 배열되며,

상기 4개의 단위 화소는, 4개의 포토다이오드와 4개의 트랜스퍼 트랜지스터와 2개의 제어 트랜지스터와 1개의 리셋 트랜지스터와 1개의 셀렉트 트랜지스터 및 1개의 드라이브 트랜지스터로 이루어진 이미지센서.
제 12 항에 있어서,

제1행 제1열의 제1단위 화소와 제1행 제2열의 제2단위 화소는 제1접합 캐패시터와 제1리셋 트랜지스터와 제1셀렉트 트랜지스터 및 제1드라이브 트랜지스터를 서로 공유하는 이미지센서.
제 14 항에 있어서,

제2행 제1열의 제3단위 화소와 제2행 제2열의 제4단위 화소는 제2접합 캐패시터와 제2리셋 트랜지스터와 제2셀렉트 트랜지스터 및 제2드라이브 트랜지스터를 서로 공유하는 이미지센서.
제 15 항에 있어서,

상기 제1단위 화소와 상기 제3단위 화소는 제1제어 트랜지스터를 서로 공유하는 이미지센서.
제 16 항에 있어서,

상기 제2단위 화소와 상기 제4단위 화소는 제2제어 트랜지스터를 서로 공유하는 이미지센서.
실제 이미지를 전기신호로 바꾸는 방법에 있어서,

이전 프레임의 광원에 의해 추정된 현재 프레임의 광 전류 누적 시간을 단위 화소가 N×M개(N,M은 1보다 큰 자연수)로 배열된 화소 배열부의 각 단위 화소에 저장하는 단계; 및

상기 각 단위 화소에 저장된 광 전류 누적 시간에 따라 상기 현재 프레임의 광전류 누적 시간을 열 단위로 제어하는 단계

를 포함하는 실제 이미지를 전기신호로 바꾸는 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 광전류 누적 시간 제어 단계는,

각 단위 제어부에서 상기 이전 프레임에서 읽어들인 영상 정보를 기반으로 상기 현재 프레임에 적합한 상기 각 단위 화소의 광 전류 누적 시간을 각각 열 별로 판단하고, 그 결과를 상기 각 단위 화소에 저장하는 단계;

상기 현재 프레임에서 상기 화소 배열부의 첫번째 행의 영상 신호를 출력할 때, M-1개의 다른 행의 화소들에 저장되어 있는 M-1개의 서로 다른 상기 광 전류 누적 시간의 기록을 각각 열 별로 입력받는 단계; 및

각각의 광 전류 누적 시간에 해당하는 각 단위 화소별 리셋을 실시하는 단계

를 포함하는 실제 이미지를 전기신호로 바꾸는 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 리셋 단계는 상기 단위 화소에 저장된 광 전류 누적 시간이 일정 시간보다 작으면 상기 단위 화소를 리셋하여 광 전류 누적 시간을 짧게 하고, 그렇지 않으면, 상기 단위 화소를 리셋하지 않는 실제 이미지를 전기신호로 바꾸는 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 리셋 단계는 상기 단위 화소의 포토다이오드 및 접합 캐패시터를 리셋하는 실제 이미지를 전기신호로 바꾸는 방법.