KR100681667B1 - 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 ｃｍｏｓ 이미지센서 및그의 자동 블랙 레벨 보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 추정 오프셋 값을 실제 오프셋 값에 가깝게 표현함으로써 자동 블랙 레벨 보상 기능을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지센서 및 CMOS 이미지센서의 자동 블랙 레벨 보상 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 포토리셉터의 광전변환 특성을 이용하여 입사광을 전기적 신호로 변환하기 위한 픽셀 영역과 메탈 쉴드된 더미 픽셀 영역을 포함하는 픽셀 어레이; 실제 오프셋 값과 추정 오프셋 값의 차이를 줄이기 위해 상기 더미 픽셀 영역에서 출력된 신호를 노이즈 세이핑 기술을 이용하여 처리함으로써 추정 오프셋 값을 출력하는 추정 오프셋 값 생성부; 및 상기 픽셀 영역으로부터 제공되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하며, 상기 추정 오프셋 값을 이용하여 자동 블랙 레벨 보상을 실시하기 위한 아날로그 디지털 변환 및 오프셋 제어부를 포함하는 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 더미 픽셀 영역의 출력이 양의 값을 갖도록 클램핑하는 단계; 상기 클램핑된 더미 픽셀 영역의 출력을 적분하는 단계; 상기 적분된 더미 픽셀 영역의 출력을 수직동기신호에 맞춰 출력하는 단계; 및 상기 동기화된 신호가 아날로그디지털 변환시의 입력 레벨에 해당함에 따라 상기 동기화된 신호를 추정 오프셋 값으로 하여 블랙 레벨 보상을 실시하는 단계를 포함하는 CMOS 이미지센서의 자동 블랙 레벨 보상 방법을 제공한다.

CMOS 이미지센서, 자동 블랙 레벨 보상(ABLC), 아날로그 디지털 변환, 추정 오프셋 값, 적분, 클램핑, 더미 픽셀 영역.

Description

자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 ＣＭＯＳ 이미지센서 및 그의 자동 블랙 레벨 보상 방법{CMOS IMAGE SENSOR HAVING AUTO BLACK LEVEL COMPENSATION FUNCTION AND METHOD FOR COMPENSATION OF AUTO BLACK LEVEL THEREOF}

도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 픽셀 어레이를 개략적으로 도시한 평면도.

도 2는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서를 개략적으로 도시한 블럭 구성도.

도 3은 기준값의 위치에 따른 실제 오프셋 값과 추정 오프셋 값의 변화를 비교도시한 그래프.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서를 개략적으로 도시한 블럭 구성도.

도 5는 도 4의 적분부의 일예를 도시한 회로도.

도 6은 더미 픽셀 영역의 출력 파형을 도시한 도면.

도 7은 클램핑부의 출력 파형을 도시한 도면.

도 8은 적분부의 입력 및 출력 파형을 도시한 도면.

도 9는 상기한 바와 같은 본 발명의 CMOS 이미지센서의 자동 블랙 레벨 보상 과정을 도식화한 플로우챠트.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

40 : 픽셀 어레이 41 : 로디코더

42 : 제어부 43 : 추정 오프셋 값 생성부

44 : 칼럼 제어부 45 : 증폭부

46 : ADC/오프셋 제어부 401 : 픽셀 영역

402 : 더미 픽셀 영역 431 : 클램핑부

432 : 적분부 433 : 동기부

434 : 더미 출력 증폭부 441 : 노이즈 제거부

442 : 칼럼 디코더

본 발명은 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서에 관한 것으로, 특히 암전류 및 트랜지스터 오프셋으로 인한 저조도 시의 노이즈를 보상할 수 있는 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서에 관한 것이다.

이미지센서란 반도체가 빛에 반응하는 성질을 이용하여 이미지를 찍어내는 장치를 말한다. 즉 각각의 피사체에서 나오는 각기 다른 빛의 밝기 및 파장을 픽셀이 감지하여 전기적인 값으로 읽어내는 장치이다. 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 것이 바로 이미지센서의 역할이다.

이미지센서란 반도체가 빛에 반응하는 성질을 이용하여 이미지를 재생해내는 장치로서, 각각의 피사체에서 나오는 각기 다른 빛의 밝기 및 파장을 감지하여 전기적인 값을 읽어내고, 이 전기적인 값을 신호처리가 가능한 레벨로 만들어 주는 역할을 한다.

즉, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이 중 전하결합소자(CCD; Charge Coupled Device)는 개개의 MOS 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다, CMOS 이미지센서는 저전력 소비라는 큰 장점을 가지고 있기 때문에 휴대폰 등 개인휴대용 시스템에 매우 유용하다. 따라서, 이미지센서는 PC(Personal Computer)용 카메라, 의학용, 완구용 등 다양하게 그 응용이 가능하다.

도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 픽셀 어레이를 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 1을 참조하면, CMOS 이미지센서의 픽셀 어레이(Pixel array)는 포토리셉터(Photoreceptor)의 광전변환 특성을 이용하여 입사광을 전기적 신호로 변환하는 픽셀 영역(10)과 메탈로 쉴드되고 자신의 출력을 이용하여 오프셋 조절을 하기 위한 더미 픽셀 영역(11)으로 이루어진다.

도 2는 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서를 개략적으로 도시한 블럭 구성도이다.

도 2를 참조하면, CMOS 이미지센서는 복수의 유닛 픽셀(Unit pixel)을 포함하고 픽셀 영역(10)과 그 주변의 더미 픽셀 영역(11)으로 이루어진 픽셀 어레이(20)와, 픽셀 어레이(20)의 로 어드레싱을 위한 로 디코더(21)와, 픽셀 어레이(20)의 칼럼 어드레싱 및 픽셀 어레이(20)의 출력에서 노이즈 성분을 제거하기 위한 칼럼 제어부(23)와, 칼럼 제어부(23)를 통해 출력된 출력 신호를 증폭하기 위한 증폭부(24)와, 증폭부(24)의 출력인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그 디지털 변환부(25, Analog to Digital Converter; 이하 ADC라 함)와, 로 디코더(21)와 칼럼 제어부(23)를 제어하기 위한 제어부(22)를 구비하여 구성된다.

픽셀 어레이(20)는 빛에 반응하는 성질을 극대화시키도록 픽셀을 복수개 배치하여 외부에서 들어오는 이미지에 대한 정보를 감지하는 부분으로 전체적인 이미지센서의 가장 핵심적인 부분이다.

제어부(22)는 자동 노출 제어 및 외부시스템 인터페이스부라고도 하며, FSM(Finite State Machine)을 이용하여 CMOS 이미지센서의 전체적인 동작을 제어하며, 외부 시스템에 대한 인터페이스 동작을 담당한다. 따라서, 제어부(22)는 배치 레지스터(도시하지 않음)를 갖고 있으며, 여러가지 내부 동작에 관련된 사항에 대한 프로그램이 가능하며, 이 프로그램된 정보에 따라 전체 칩의 동작을 제어하는 역할을 한다.

칼럼 제어부(23)는 제어부(22)로부터 제공되는 어드레스를 디코딩하여 픽셀 어레이(20)의 칼럼을 제어하기 위한 칼럼 디코더(232)와, 각 칼럼 별로 출력되는 픽셀 어리에(20)의 출력에서 노이즈 성분을 제거하기 위한 노이즈 제거부(231)를 포함한다.

픽셀 어레이(20)에서 출력된 출력 신호는 도면에 도시되지는 않았지만, 아날로그 라인 버퍼와 아날로그 버스 등을 통해 노이즈 제거부(231)로 제공되고, 노이즈 제거부(231)로부터 출력된 신호는 증폭부(11) 예컨대, PGA(Programmable Gain Amplifier)로 입력된다.

즉, 아날로그 라인 버퍼는 선택된 한 로(Row)의 픽셀들의 전압을 감지하여 저장하는 역할을 하며 뒷단에서 사용될 색상 보간(Color interpolation) 및 이미지 신호 처리에 이용하기 위해 여러 라인으로 구성되며, 아날로그 라인 버퍼에 저장된 아날로그 데이터는 칼럼 디코더(232)의 제어에 의해 선택된 칼럼의 데이터 값이 아날로그 버스를 통해 증폭부(24)로 전송된다.

증폭부(24)는 아날로그 라인 버퍼에 저장된 픽셀 전압이 작은 경우 이를 증폭하는 역할을 하며, 증폭부(24)를 거친 아날로그 데이터는 색상 보정 등의 과정을 거친 후, ADC(25)를 통해 디지털 값으로 변환된다.

디지털 값으로 변환된 데이터는 도면에 도시되지는 않았지만, 뒷 단의 화상 신호 처리부의 다양한 기능을 수행하기 위해 여러 라인으로 구성된 픽셀 라인 메모리부에 저장되며, 화상 신호 처리부는 CMOS 이미지센서의 기능에 따라 색 보간(Color interpolation), 색 보정(Color correction), 감마 보정(Gamma correction), 자동 화이트 밸런스(Auto white balance), 자동 노출(Auto exposure) 등 픽셀 라인 메모리부에 저장된 픽셀의 출력 값을 바탕으로 이미지센서의 성능 향상을 위한 여러가지 기능을 포함하고 있다.

한편, CMOS 이미지센서는 제조 공정 상의 미세한 차이에 의해 오프셋 전압(Offset voltage)에 의한 고정 패턴 잡음(Fixed pattern noise)이 발생한다. 이러한 고정 패턴 잡음을 보상하기 위해 이미지센서는 픽셀 어레이(20)의 각 유닛 픽셀에서 리셋 신호(Reset voltage signal)와 데이터 신호(Data voltage signal)를 순차적으로 읽은 후 그 차를 출력하는 상호 연관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; 이하 CDS라 함) 방식을 사용한다. CDS는 아날로그 또는 디지털 방식을 모두 사용할 수 있다.

한편, CMOS 이미지센서는 자동 블랙 레벨 보상(Auto Black Level Compensation; 이하 ABLC라 함) 기능을 갖는다.

ABLC는 어떤 기준값을 설정하고, 이 기준값에서 상한값과 하한값을 정한 다음, 이 상한값과 하한값을 벗어나는 출력신호는 버리거나 상한값/하한값으로 대체하는 것이다.

이러한 ABLC에서 사용될 기준값을 제공하는 부분이 바로 픽셀 어레이(20)의 더미 픽셀 영역(11)이다. 상술한 바와 같이 더미 픽셀 영역(11)은 메탈로 쉴드되어 있어 빛이 입사되지 않는다. 따라서, 더미 픽셀 영역(11)의 출력은 입사 광이 없을 때의 픽셀 출력이며, 이를 이용하여 픽셀 간의 오프셋을 제거한다.

도 2에서 알 수 있듯이 더미 픽셀 영역(11)의 출력은 증폭부(24)에서 증폭된다. 만약, 픽셀 간의 오프세이 많이 존재하는 경우에는 증폭부(24)를 통해 출력되 는 값이 상한값이나 하한값을 벗어나게 되어 실제 레벨(Real lavel)값과 추정 레벨(Estimated level)값에 많은 차이가 나타난다.

도 3은 기준값의 위치에 따른 실제 오프셋 값과 추정 오프셋 값의 변화를 비교도시한 그래프이다.

도 3의 (a)와 도 3의 (b)에서 가로축은 칼럼 어드레스(Column address)를 나타내고, 세로축은 오프셋 신호(Offset signal)를 나타낸다.

도 3의 (a)는 기준값(TL; Threshold Level(+255코드))이 상한값 부근에 위치한 경우를 나타낸다.

도 3의 (a)에서 알 수 있듯이 상한값이나 하한값을 벗어나는 경우 이를 상한값 또는 하한값으로 대체함에 따라 기준값(TL)이 상한값 또는 하한값 부근에 위치할 경우에는 출력값이 하한값 또는 상한값으로 표시되는 문제가 발생한다.

여기서, RO는 실제 오프셋(Real Offset) 값을 나타내고, EO는 추정 오프셋(Estimated Offset) 값을 나타내며, IO는 +127코드의 초기 오프셋 레벨(Initial Offset level)을 나타낸다.

즉, 도 3의 (a)의 경우 픽셀 및 트랜지스터 오프셋의 출력값이 TL 보다 큰 값이 몇몇 존재함으로 인해 RO 보다 EO가 낮게 나온 경우이다.

반면, 도 3의 (b)는 상한값을 넘어서는 값들이 출력되어, RO가 상한값과 거의 같은 값으로 표현된 경우를 나타낸다.

따라서, 종래의 경우 출력값의 분포가 변화함에 따라 도 3의 (a)와 같이 추정 오프셋 값이 실제 오프셋 값과 튼 차이를 갖는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 추정 오프셋 값을 실제 오프셋 값에 가깝게 표현함으로써 자동 블랙 레벨 보상 기능을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지센서 및 CMOS 이미지센서의 자동 블랙 레벨 보상 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 포토리셉터의 광전변환 특성을 이용하여 입사광을 전기적 신호로 변환하기 위한 픽셀 영역과 메탈 쉴드된 더미 픽셀 영역을 포함하는 픽셀 어레이; 실제 오프셋 값과 추정 오프셋 값의 차이를 줄이기 위해 상기 더미 픽셀 영역에서 출력된 신호를 노이즈 세이핑 기술을 이용하여 처리함으로써 추정 오프셋 값을 출력하는 추정 오프셋 값 생성부; 및 상기 픽셀 영역으로부터 제공되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하며, 상기 추정 오프셋 값을 이용하여 자동 블랙 레벨 보상을 실시하기 위한 아날로그 디지털 변환 및 오프셋 제어부를 포함하는 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서를 제공한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 더미 픽셀 영역의 출력이 양의 값을 갖도록 클램핑하는 단계; 상기 클램핑된 더미 픽셀 영역의 출력을 적분하는 단계; 상기 적분된 더미 픽셀 영역의 출력을 수직동기신호에 맞춰 출력하는 단계; 및 상기 동기화된 신호가 아날로그디지털 변환시의 입력 레벨에 해당함에 따라 상기 동기화된 신호를 추정 오프셋 값으로 하여 블랙 레벨 보상을 실시하는 단계를 포함하는 CMOS 이미지센서의 자동 블랙 레벨 보상 방법을 제공한다.

픽셀 및 트랜지스터로부터 발생하는 오프셋 값이 상한 또는 하한의 기준값을 벗어나는 경우가 많을 경우 추정 오프셋 값과 실제 오프셋 값의 차이가 발생하므로, 본 발명은 더미 픽셀 영역으로부터 출력된 값을 노이즈 세이핑 기술을 이용하여 실제 오프셋과 추정 오프셋의 차이를 줄인 후 자동 불략 레벨 보상이 이루어지도록 한다. 이를 통해 CMOS 이미지센서에서 저조도시의 노이즈 레벨을 감소시킬 수 있다.

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 4는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서를 개략적으로 도시한 블럭 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서는 복수의 유닛 픽셀을 포함하고 픽셀 영역(401)과 그 주변의 더미 픽셀 영역(402)으로 이루어진 픽셀 어레이(40)와, 픽셀 어레이(40)의 로 어드레싱을 위한 로 디코더(41)와, 픽셀 어레이(40)의 칼럼 어드레싱 및 픽셀 어레이(40)의 출력에서 노이즈 성분을 제거하기 위한 칼럼 제어부(44)와, 칼럼 제어부(44)를 통해 출력된 신호를 증폭하 기 위한 증폭부(45)와, 실제 오프셋 값과 추정 오프셋 값의 차이를 줄이기 위해 더미 픽셀 영역(402)에서 출력된 신호를 노이즈 세이핑 기술을 이용하여 처리함으로써 추정 오프셋 값을 출력하는 추정 오프셋 값 생성부(43)와, 증폭부(24)의 출력인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 추정 오프셋 값 생성부(43)로부터 제공되는 추정 오프셋 값(Out)을 이용하여 자동 블랙 레벨 보상을 실시하기 위한 ADC/오프셋 제어부(46)와, 로 디코더(41)와 칼럼 제어부(44) 및 추정 오프셋 값 생성부(43)에 대한 타이밍과 동작을 각각 제어하기 위한 제어부(42)를 구비하여 구성된다.

추정 오프셋 값 생성부(43)는 더미 픽셀 영역(402)으로부터 출력된 더미 픽셀 영역(402)의 출력이 음(-)의 값이 되는 것을 방지하기 위해 더미 픽셀 영역(402)의 출력을 소정의 레벨 만큼 클랭핑하기 위한 클램핑부(431)와, 클램핑부(431)의 출력을 적분하기 위한 적분부(432)와, 적분부(432)로부터 출력되는 신호를 수직 동기 신호에 맞추어 선택적으로 출력하기 위한 동기부(433)와, 동기부(433)로부터 출력되는 신호를 소정의 레벨로 증폭하기 위한 더미 출력 증폭부(434)를 구비하여 구성된다.

픽셀 어레이(40)는 빛에 반응하는 성질을 극대화시키도록 픽셀을 복수개 배치하여 외부에서 들어오는 이미지에 대한 정보를 감지하는 부분으로 전체적인 이미지센서의 가장 핵심적인 부분이다. 픽셀 영역(401)은 포토리셉터의 광전변환 특성을 이용하여 입사광을 전기적 신호로 변환함으로써, CMOS 이미지센서의 실제적인 동작이 이루어지는 부분이며, 더미 픽셀 영역(402)은 그 상부가 메탈로 쉴드되어 있으며, 자신의 출력을 이용하여 오프셋 조절을 하기 위한 영역이다.

제어부(42)는 자동 노출 제어 및 외부시스템 인터페이스부라고도 하며, FSM을 이용하여 CMOS 이미지센서의 전체적인 동작을 제어하며, 외부 시스템에 대한 인터페이스 동작을 담당한다. 따라서, 제어부(42)는 배치 레지스터(도시하지 않음)를 갖고 있으며, 여러가지 내부 동작에 관련된 사항에 대한 프로그램이 가능하며, 이 프로그램된 정보에 따라 전체 칩의 동작을 제어하는 역할을 한다.

칼럼 제어부(44)는 제어부(42)로부터 제공되는 어드레스를 디코딩하여 픽셀 어레이(40)의 칼럼을 제어하기 위한 칼럼 디코더(442)와, 각 칼럼 별로 출력되는 픽셀 어리에(40)의 출력에서 노이즈 성분을 제거하기 위한 노이즈 제거부(441)를 포함한다.

픽셀 어레이(40)에서 출력된 출력 신호는 도면에 도시되지는 않았지만, 아날로그 라인 버퍼와 아날로그 버스 등을 통해 노이즈 제거부(441)로 제공되고, 노이즈 제거부(441)로부터 출력된 신호는 증폭부(45) 예컨대, PGA로 입력된다.

즉, 아날로그 라인 버퍼는 선택된 한 로의 픽셀들의 전압을 감지하여 저장하는 역할을 하며 뒷단에서 사용될 색상 보간 및 이미지 신호 처리에 이용하기 위해 여러 라인으로 구성되며, 아날로그 라인 버퍼에 저장된 아날로그 데이터는 칼럼 디코더(442)의 제어에 의해 선택된 칼럼의 데이터 값이 아날로그 버스를 통해 증폭부(45)로 전송된다.

증폭부(45)는 아날로그 라인 버퍼에 저장된 픽셀 전압이 작은 경우 이를 증폭하는 역할을 하며, 증폭부(45)를 거친 아날로그 데이터는 색상 보정 등의 과정을 거친 후, ADC/오프셋 제어부(46)를 통해 디지털 값으로 변환된다.

디지털 값으로 변환된 데이터는 도면에 도시되지는 않았지만, 뒷 단의 화상 신호 처리부의 다양한 기능을 수행하기 위해 여러 라인으로 구성된 픽셀 라인 메모리부에 저장되며, 화상 신호 처리부는 CMOS 이미지센서의 기능에 따라 색 보간, 색 보정, 감마 보정, 자동 화이트 밸런스, 자동 노출 등 픽셀 라인 메모리부에 저장된 픽셀의 출력 값을 바탕으로 이미지센서의 성능 향상을 위한 여러가지 기능을 포함하고 있다.

한편, CMOS 이미지센서는 제조 공정 상의 미세한 차이에 의해 오프셋 전압에 의한 고정 패턴 잡음이 발생한다. 이러한 고정 패턴 잡음을 보상하기 위해 이미지센서는 픽셀 어레이(40)의 각 유닛 픽셀에서 리셋 신호와 데이터 신호를 순차적으로 읽은 후 그 차를 출력하는 CDS 방식을 사용한다. CDS는 아날로그 또는 디지털 방식을 모두 사용할 수 있다.

본 발명의 CMOS 이미지센서도 역시 ABLC 기능을 수행하며, 이는 ADC/오프셋 제어부(46)를 통해 이루어진다.

앞서 설명한 바와 같이, ABLC는 어떤 기준값을 설정하고, 이 기준값에서 상한값과 하한값을 정한 다음, 이 상한값과 하한값을 벗어나는 출력신호는 버리거나 상한값/하한값으로 대체하는 것이다.

이러한 ABLC에서 사용될 기준값을 제공하는 부분이 바로 픽셀 어레이(40)의 더미 픽셀 영역(404)이며, 더미 픽셀 영역(402)은 메탈로 쉴드되어 있어 빛이 입사되지 않는다. 따라서, 더미 픽셀 영역(402)의 출력은 입사 광이 없을 때의 픽셀 출 력이며, 이를 이용하여 픽셀 간의 오프셋을 제거한다.

종래의 경우 별다른 신호 처리 과정 없이 더미 픽셀 영역(402)에서 출력되는 신호를 이용하여 ABLC를 위한 기준값을 설정하였으므로, 이러한 기준값의 상한 또는 하한 근처에 위치하는 오프셋의 출력값이 다수 존재하는 경우에는 추정 오프셋 값과 실제 오프셋 값 사이의 차이가 증가하여 ABLC 기능이 제대로 이루어지지 않고, 이로 인해 저조도시의 노이즈 보상이 이루어지지 않고 화질이 열화되었다.

본 발명에서는 픽셀 어레이(40) 다음 단에 더미 픽셀 영역(402)의 출력을 가공하여 추정 오프셋 값을 실제 오프셋 값에 가깝게 할 수 있는 추정 오프셋 값 추정부(43)를 추가하였다.

추정 오프셋 값 추정부(43)는 노이즈 세이핑 기술을 사용하는 바, 이하에서는 그 동작을 상세하게 살펴본다.

클랭핑부(431)는 더미 픽셀 영역(402)의 출력값이 음(-)의 값이 되는 것을 방지하기 위해 더미 픽셀 영역(402)의 출력값을 일정한 레벨로 클램핑한다. 이 때, 클램핑하는 전압의 레벨은 더미 픽셀 영역(402)의 출력값의 분포에 따라 가변적으로 조절 가능하다.

적분부(432)는 적분 기능을 통해 오프셋을 제거하는 기능을 한다. 즉, 적분부(43)는 클램핑된 더미 픽셀 영역(402)의 출력을 적분함으로써, 각 유닛 더미 픽셀 간의 출력값이 서로 적분되어져 기준 레벨을 만들기가 쉽도록 하는 역할을 한다.

동기부(433)는 일종의 멀티플렉서(Multiplexer)이다. 적분부(432)의 출력값 은 실제 영상 신호가 아니므로 수직동기신호 내에서 이루어져야 한다. 동기부(433)는 이러한 수직동기신호에 따라 적분부(432)의 출력을 출력함으로써, 수직동기신호에 동기되도록 한다.

수직동기신호에 동기되어 출력되는 적분부(432)의 출력 신호를 임의의 값으로 증폭시키는 역할을 하며, 수직동기신호에 동기되어 출력되는 적분부(432)의 출력 신호 중에서 인접 픽셀간의 레벨이 상대적으로 큰 출력 신호를 검출(Detect)하는 기능을 한다.

더미 출력 증폭부(434)로부터 출력되는 신호 Out은 추정 오프셋 값이 되며, 이는 ADC/오프셋 제어부(46)로 제공된다.

도 5는 도 4의 적분부(432)의 일예를 도시한 회로도이다.

도 5를 참조하면, 적분부(432)는 입력단과 출력단 사이에 직렬 배치된 저항(R)과 출력단과 접지전압(GND) 사이에 접속된 캐패시터(C1)로 이루어진 일종의 저역통과필터(Low pass filter)를 이루고 있다.

따라서, 입력되는 신호 중에서 고주파 성분이 강한 오프셋(노이즈) 성분은 캐패시터(C1)를 통해 제거된다. 한편, 캐패시터(C1)의 용량이 부족할 경우를 대비하여 각각 스위치 S1과 S2를 통해 캐패시터 C1에 병렬접속되는 캐패시터 C2와 C3를 더 구비할 수 있다.

한편, 캐패시터 C1에 병렬접속될 수 있는 캐패시터의 수를 3개 이상으로 할 수도 있으며, 저항과 캐패시터의 조합으로 구성된 딜레이 회로로 이루어 질 수 도 있다.

한편, 도 5에서는 저항과 캐패시터의 저역통과필터를 이루는 것을 적분부(432)의 일예로 하였으나, 이외에도 플립플롭(D 또는 T 플립플롭)으로 구성되거나, 이러한 플립플롭을 딜레이 회로로 사용한 경우에도 적용이 가능하다.

도 6은 더미 픽셀 영역(402)의 출력 파형을 도시한 도면이고, 도 7은 클램핑부(431)의 출력 파형을 도시한 도면이며, 도 8은 적분부(432)의 입력 및 출력 파형을 도시한 도면이다.

도 6과 같이 '0V'를 기준으로 양(+)과 음(-)의 레벨의 규칙적인 값을 갖는 더미 픽셀 영역(402)의 출력은 클램핑부(431)의 클램핑 동작에 의해 도 7에 도시된 바와 같이 모두 구간에서 양(+)의 값을 갖는다.

도 8에 도시된 바와 같이, 양(+)의 값을 갖도록 적분부(432)는 입력되는 신호는 적분부(432)의 적분 동작(저역통과필터 동작)을 통해 어느 정도 일정한 레벨을 갖는 신호를 얻을 수 있다.

적분부(42)의 출력은 기준 레벨이 되며, 이 기준 레벨이 ADC의 입력 범위를 넘어서게 되면 더미 출력 증폭부(434)가 동작하여 ADC의 입력 범위에 들어가도록 한다. 더미 출력 증폭부(434)의 출력 Out은 ADC의 입력 신호가 되어 ADC 변환시에 픽셀 영역(401)의 출력값에 더해지게 된다.

도 9는 상기한 바와 같은 본 발명의 CMOS 이미지센서의 자동 블랙 레벨 보상 과정을 도식화한 플로우챠트로서, 이를 참조하여 추정 오프셋 값과 생성과 이를 이용한 블랙 레벨 보상 과정을 살펴본다.

먼저, 더미 픽셀 영역을 통해 다크 상태에서의 출력값 즉, 오프셋 추정을 위 한 소스 신호가 출력된다(S901). 이러한 더미 픽셀 영역의 신호가 출력되는 과정 동안 정상적인 픽셀 영역의 신호 또한 출력된다.

이어서, 더미 픽셀 영역에서 출력된 신호가 음(-)의 값을 갖지 않도록 클램핑한다(S902). 클램핑된 더미 픽셀 영역의 출력 신호를 적분하여 기준 레벨을 만들기 용이하도록 한다(S903). 적분된 더미 픽셀 영역의 출력 신호를 수직 동기 신호에 동기시킨다(S904).

동기화된 출력 신호가 ADC의 입력 범위에 햐당하는 지를 판단한다(S905). 이 때, 동기화된 출력 신호가 ADC의 입력 범위 내에 있을 경우 이를 ADC에 제공하고(S907), ADC의 입력 범위 내에 있지 않을 경우에는 ADC의 입력 범위 내에 위치하도록 게인을 조정하여 증폭한 후(S906), ADC에 제공한다(S907).

추정 오프셋 값이 ADC에 제공되면, ADC에서는 오프셋 제어를 통해 블랙 레벨을 보상하게 된다(S908).

종래의 경우 더미 픽셀에서 실제 픽셀이 가진 오프셋 값을 추정할 때, 기준 레벨이 더미 픽셀 출력값의 크기에 민감하게 변화함으로 인해 상한값과 하한값을 넘어서는 경우가 발생하여 실제의 기준 레벨과 추정된 레벨 사이에 오차가 발생하였으나, 전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 이러한 기준 신호 레벨과 추정된 레벨 사이의 오차를 줄일 수 있도록 함으로써, 보다 더 정확한 오프셋 조절이 가능하도록 함을 실시예를 통해 알아 보았다.

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 이미지센서에 있어 다크 레벨 노이즈를 줄일 수 있어, 수율 향상 및 화질 향상을 기할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 포토리셉터의 광전변환 특성을 이용하여 입사광을 전기적 신호로 변환하기 위한 픽셀 영역과 메탈 쉴드된 더미 픽셀 영역을 포함하는 픽셀 어레이;

   실제 오프셋 값과 추정 오프셋 값의 차이를 줄이기 위해 상기 더미 픽셀 영역에서 출력된 신호를 노이즈 세이핑 기술을 이용하여 처리함으로써 추정 오프셋 값을 출력하는 추정 오프셋 값 생성부; 및

   상기 픽셀 영역으로부터 제공되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하며, 상기 추정 오프셋 값을 이용하여 자동 블랙 레벨 보상을 실시하기 위한 아날로그 디지털 변환 및 오프셋 제어부를 포함하되,

   상기 추정 오프셋 값 생성부는,

   상기 더미 픽셀 영역의 출력이 음(-)의 값이 되는 것을 방지하기 위해 소정의 레벨 만큼 클램핑하기 위한 클램핑부;

   상기 클램핑부의 출력을 적분하기 위한 적분부;

   상기 적분부로부터 출력되는 신호를 수직 동기 신호에 맞추어 선택적으로 출력하기 위한 동기부; 및

   상기 동기부로부터 출력되는 신호를 소정의 레벨로 증폭하기 위한 더미 출력 증폭부

   를 포함하는 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 추정 오프셋 값 생성부는,

   상기 더미 픽셀 영역의 출력을 클램핑 및 적분한 다음 수직동기신호에 동기화 시키고, 아날로그 디지털 변환시의 입력 레벨에 맞도록 증폭하는 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 적분부는 입력단과 출력단 사이에 직렬 배치된 저항과 출력단과 접지전압 사이에 접속된 캐패시터로 이루어진 저역통과필터로 구성된 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 적분부는 입력단과 출력단 사이에 직렬 배치된 저항과 출력단과 접지전압 사이에 적어도 하나의 접속된 캐패시터로 이루어진 저역통과필터로 구성된 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 캐패시터는 스위칭 동작에 의해 상호 병렬 접속된 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 적분부는 D-플립플롭 또는 T-플립플롭으로 구성된 것을 특징으로 하는 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 아날로그 디지털 변환 및 오프셋 제어부는,

   아날로그 디지털 변환시 상기 픽셀 영역의 출력값에 상기 추정 오프셋 값이 더해지도록 하는 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 픽셀 영역과 상기 더미 픽셀영역은 각각 복수의 유닛 픽셀로 이루어지며, 상기 더미 픽셀 영역은 상기 픽셀 영역의 주변에 배치된 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지센서.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 픽셀 어레이의 로 어드레싱을 위한 로 디코더; 및

    상기 픽셀 어레이의 칼럼 어드레싱과 상기 픽셀 어레이의 출력에서 노이즈 성분을 제거하기 위한 칼럼 제어부

    를 더 포함하는 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 CMOS 이미지 센서.
11. 더미 픽셀 영역의 출력이 양의 값을 갖도록 클램핑하는 단계;

    상기 클램핑된 더미 픽셀 영역의 출력을 적분하는 단계;

    상기 적분된 더미 픽셀 영역의 출력을 수직동기신호에 맞춰 출력하는 단계; 및

    상기 동기화된 신호가 아날로그디지털 변환시의 입력 레벨에 해당함에 따라 상기 동기화된 신호를 추정 오프셋 값으로 하여 블랙 레벨 보상을 실시하고, 상기 동기화된 신호가 아날로그디지털 변환시의 입력 레벨에 해당하지 않음에 따라 상기 동기화된 신호를 소정의 레벨로 증폭함으로써, 이 값을 추정 오프셋 값으로 하여 블랙 레벨 보상을 실시하는 단계

    를 포함하는 CMOS 이미지센서의 자동 블랙 레벨 보상 방법.
12. 삭제
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 블랙 레벨 보상을 실시하는 단계에서,

    아날로그 디지털 변환시 실제 픽셀 영역의 출력값에 상기 추정 오프셋 값이 더해지도록 하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서의 자동 블랙 레벨 보상 방법.

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