KR100738181B1 - 자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사용 환경, 즉 노말(normal) 환경 및 저조도 환경하에서 무관하게 특성 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 제1 및 제2 화소군을 포함하는 화소 배열부와, 상기 제1 화소군으로부터 독출된 화소 데이터의 컬럼 라인별 오프셋 평균값과 초기 제1 오프셋 값을 비교하여 업데이트된 제2 오프셋 값을 생성하고, 상기 제2 오프셋 값을 이용하여 상기 제2 화소군으로부터 독출된 화소 데이터를 보상해주는 오프셋 보상부를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
이미지 센서, ABLC

Description

자동 블랙 레벨 보상 기능을 갖는 이미지 센서{IMAGE SENSOR HAVING AUTOMATIC BLACK LEVEL COMPENSATION FUNCTION}
도 1은 일반적인 이미지 센서에서 발생되는 오프셋(offset)을 설명하기 위하여 도시한 도면.
도 2는 종래기술에 따른 자동 블랙 레벨 기능을 갖는 이미지 센서의 구성을 도시한 블럭도.
도 3은 도 2에 도시된 화소 배열부의 구조를 설명하기 위하여 도시한 도면.
도 4는 도 2에 도시된 이미지 센서에서 발생되는 문제점을 설명하기 위하여 도시한 파형도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동 블랙 레벨 기능을 갖는 이미지 센서의 구성을 도시한 블럭도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 110 : 화소 배열부
11, 111 : 제1 화소군
12, 112 : 제2 화소군
13, 113 : 제3 화소군
20, 120 : 로우 디코더
30, 130 : 컬럼 디코더
40, 140 : 아날로그 라인 버퍼
50, 150 : PGA
60, 160 : ADC
70, 170 : 라인 버퍼
80, 180 : 비교부
90, 190 : 타이밍 제어부
100 : 오프셋 보상부
본 발명은 반도체 설계 기술에 관한 것으로, 특히 블랙 레벨(black level), 즉 암신호(dark current)를 자동으로 보상할 수 있는 이미지 센서 및 블랙 레벨 보상방법에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈은 기본적으로 이미지 센서를 포함한다. 일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 소자를 말한다. 이러한 이미지 센서로는 전하 결합 소자(Charge Coupled Device, 이하, CCD라 함)와 시모스(CMOS; Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서가 널리 사용되고 있다.
CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소모가 많으며, 제조공정시 마스크 공정 수가 많아 공정이 복잡하고, 시그날 프로세싱 회로(signal processing circuit)를 칩 내에 구현할 수 없어 원 칩(one chip)화가 어렵다는 등의 여러 단점이 있다. 이에 반해, 시모스 이미지 센서는 하나의 단일 칩 상에 제어, 구동 및 신호 처리 회로의 모놀리식 집적화가 가능하기 때문에 최근에 보다 주목을 받고 있다. 게다가, 시모스 이미지 센서는 저전압 동작 및 저전력 소모, 주변기기와의 호환성 및 표준 CMOS 제조 공정의 유용성으로 인하여 기존의 CCD에 비해 잠재적으로 적은 비용을 제공한다.
이미지 센서, 특히 시모스 이미지 센서의 경우 반도체 소자로 이루어져 있기 때문에 제조공정 또는 외부 환경에 의해 불필요한 전류 성분이 발생한다. 이러한 전류를 암전류라 한다. 암전류 발생시 이미지 센서 내에는 광학적 요인 외의 신호 성분이 포함되어 아주 어두운 환경, 즉 빛을 가하지 않는 환경에서도 일정 치의 신호레벨이 검출된다. 이러한 신호레벨은 열 잡음 및 시스템 잡음으로 블랙 레벨이라 한다.
실제 동일한 빛이 이미지 센서에 입사되더라도 각각의 화소 간의 변동과 아날로그 신호 처리 경로 간의 오프셋(offset)과 이득 증폭값의 차이로 인하여 아날로그 신호의 최종 출력단인 아날로그 디지털 컨버터(analog digital converter)를 통해 출력된 출력값이 동일한 디지털 코드(digital code)값이 아닌 서로 다른 코드 값을 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 입력의 초기값에 어떠한 빛도 없는 상태에서 초기값을 '127code'로 셋팅(setting)을 하면, 전체 출력의 평균값이 '127code'가 되어야 하나, 실제 공정 상의 차이로 인해 서로 일치하지 않게 된다. 이는, 각각의 화소마다 서로 다른 데이터 값을 출력으로 내보내기 때문이다. 실제 초기에 입력보다 전체적으로 작은 값을 갖는 경우 평균을 구하면 네가티브 오프셋(negative offset)(-)을 갖게 되고, 반대인 경우 초기값보다 큰 포지티브 오프셋(positive offset)(+)을 갖는다.
이러한 현상을 제거하기 위하여 제안된 회로가 ABLC(Automatic Black Level Compensation) 회로이다.
도 2는 종래기술에 따른 ABLC 회로를 구비한 이미지 센서를 도시한 블럭도이고, 도 3은 도 2에 도시된 이미지 센서의 화소 어레이를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 종래기술에 따른 이미지 센서는 빛에 반응하는 성질을 극대화시키도록 화소를 가로 N개, 세로 M개(N, M은 자연수)로 배치하여, 외부에서 들어오는 이미지에 대한 정보를 감지하는 제1 화소군(11), 즉 코아 화소(core pixel) 배열부와, 제1 화소군(11)의 열방향의 일측 및 타측에 배열되어 그 구성 화소에 대한 블랙 레벨의 오프셋(offset) 값을 산출하기 위한 제2 화소군(12)과, 광이 완전히 차단되어 더미(dummy) 화소군으로 기능하는 제3 화소군(13)을 포함하는 화소 배열부(10)를 구비한다.
구체적으로 설명하면 다음과 같다.
로우 디코더(row decoder)(20)에 의해 로우 라인(row line)별로 선택된 화소 배열부(10)의 제2 화소군(12)로부터 신호를 전달받아 버퍼링하는 아날로그 라인 버퍼부(analog line buffer)(40)와, 컬럼 디코더(column decoder)(30)의 제어에 응답하여 컬럼 라인(column line)별로 아날로그 라인 버퍼부(33)로부터 출력되는 화소 데이터를 증폭하기 위한 이득 증폭부, 예컨대 프로그램어블 이득 증폭기(Programmable Gain Amplifier; 이하, PGA라 함)(50)와, PGA(50)의 출력신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter; 이하, ADC라 함)(60)와, 제2 화소군(12)의 화소 데이터(블랙 레벨 문턱값)를 프레임별 평균값(Frame_everage_offset)을 저장하는 라인 버퍼(line buffer)(70)와, 라인 버퍼(70)에 저장된 프레임별 평균값과 초기 오프셋 값(ADC_initial_offset)을 비교하는 비교부(80)와, 비교부(80)의 결과에 따라 업데이트된 오프셋 값(ADC_update_offset)에 응답하여 PGA(50)를 제어하는 타이밍 제어부(90)를 구비한 다.
이러한 구성을 갖는 종래기술에 따른 이미지 센서를 이용한 자동 블랙 보상방법을 설명하면 다음과 같다.
한 프레임 내에 구성된 모든 제2 화소군(12)으로부터 화소 데이터를 독출(readout)한 후 프레임별 평균값을 계산하여 라인 버퍼(70)에 저장한다. 라인 버퍼(70)에 저장된 프레임별 평균값(Frame_everage_offset)과 초기 오프셋 값(ADC_initial_offset)을 비교하여 업데이트된 오프셋 값(ADC_update_offset)을 갱신한다.
이후, 타이밍 제어부(90)는 업데이트된 오프셋 값(ADC_update_offset)에 응답하여 PGA(50)의 이득값을 제어한다. PGA(50)는 타이밍 제어부(90)에 의해 설정된 이득값을 이용하여 제1 화소군(11)으로부터 독출된 화소 데이터를 증폭시켜 보상해준다.
그러나, 종래기술에 따른 이미지 센서를 이용한 ABLC 방법에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 이득값이 1배일 경우(A) 오프셋의 차이가 크지 않아 어느 정도 오프셋을 제거할 수는 있으나, 실제 이미지 촬영시 저조도에서 이득값을 6배 정도로 증가시키면 오프셋도 동일하게 6배(B)로 증가하게 되고, 이로 인하여, 프레임별 오프셋 평균을 구해 보상을 하는 경우 오히려 오프셋은 더 크게 차이가 벌어지는 문제가 발생된다. 또한, 종래기술에 따른 이미지 센서에서는 PGA를 이용하여 정수배로 이득값을 조정하도록 설계되기 때문에 타이밍 제어부를 통한 세밀한 이득값 조정이 사실상 불가능하다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 사용 환경, 즉 노말(normal) 환경 및 저조도 환경하에서 무관하게 특성 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 이미지 센서의 블랙 레벨을 효과적으로 제거할 수 있는 이미지 센서의 자동 블랙 레벨 보상방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 제1 및 제2 화소군을 포함하는 화소 배열부와, 상기 제1 화소군으로부터 독출된 화소 데이터의 컬럼 라인별 오프셋 평균값과 초기 제1 오프셋 값을 비교하여 업데이트된 제2 오프셋 값을 생성하고, 상기 제2 오프셋 값을 이용하여 상기 제2 화소군으로부터 독출된 화소 데이터를 보상해주는 오프셋 보상부를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 이미징 센싱을 위한 제1 화소군과, 블랙 레벨 보상을 위한 제2 화소군을 포함하는 화소 배열부의 포함하는 이미지 센서의 자동 블랙 레벨 보상방법에 있어서, 상기 제2 화소군으로부터 독출된 화소 데이터의 컬럼 라인별 오프셋 평균값을 계산하는 단계와, 상기 평균값과 초기 제1 오프셋 값을 비교하여 업데이트된 제2 오프셋 값 을 갱신하는 단계와, 상기 제2 오프셋 값을 이용하여 상기 제1 화소군의 화소 데이터를 보상해주는 단계를 포함하는 이미지 센서의 자동 블랙 레벨 보상방법을 제공한다.
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 설명한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 기능을 수행하는 동일 요소들을 나타낸다.
실시예
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ABLC 회로를 구비한 이미지 센서를 도시한 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 화소 배열부(110)와, 화소 배열부(110)의 제2 화소군(112)로부터 독출된 화소 데이터의 컬럼 라인별 오프셋 평균값(Column_everage_offset)과 초기 오프셋 값(ADC_initial_offset)을 비교하여 업데이트된 오프셋 값(ADC_update_offset)을 생성하고, 업데이트된 오프셋 값을 이용하여 제1 화소군(111)으로부터 독출된 화소 데이터를 보상해주는 오프셋 보상부(100)를 포함한다.
오프셋 보상부(100)는 화소 배열부(110)의 제2 화소군(112)을 검출한 후 칼 럼 라인별로 평균값을 계산하고, 계산된 칼럼 라인별 평균값을 저장하는 라인 버퍼(170)와, 라인 버퍼(170)에 저장된 칼럼 라인별 오프셋 평균값(Column_everage_offset)과 초기 오프셋 값(ADC_initial_offset)을 비교하는 비교부(180)와, 비교부(180)의 비교 결과에 응답하여 업데이트된 오프셋 값(ADC_update_offset)에 응답하여 ADC(160)의 코드(code) 값을 제어하는 타이밍 제어부(190)를 포함한다.
구체적으로 설명하면 다음과 같다.
화소 배열부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 빛에 반응하는 성질을 극대화시키도록 화소를 가로 N개, 세로 M개(N, M은 자연수)로 배치하여, 외부에서 들어오는 이미지에 대한 정보를 감지하는 제1 화소군(111)과, 제1 화소군(111)의 열방향의 일측 및 타측에 배열되어 그 구성 화소에 대한 블랙 레벨의 오프셋 값을 산출하기 위한 제2 화소군(112)과, 광이 완전히 차단되어 더미 화소군으로 기능하는 제3 화소군(113)을 포함한다.
아날로그 라인 버퍼(140)는 로우 디코더(120)에 의해 선택된 화소 배열부(110)의 제1 화소군(111)과 제2 화소군(112)의 화소 데이터를 로우 라인별로 입력받아 버퍼링하여 저장한 후 칼럼 디코더(130)의 제어신호에 응답하여 순차적으로 PGA(150)로 출력한다. 또한, 아날로그 라인 버퍼부(140)는 화소 배열부(110)로부터 독출된 화소 데이터에 대해 상호 연관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling) 동작을 수행한다.
PGA(150)는 아날로그 라인 버퍼부(140)로부터 순차적으로 출력된 화소 데이 터를 미리 설정된 이득값으로 증폭시켜 출력한다. 예컨대, 저조도 환경하에서는 노말 환경에 비해 이득값을 높게 설정한다.
ADC(160)는 PGA(150)로부터 출력된 화소 데이터를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 이때, 타이밍 제어부(190)로부터 출력된 코드값 제어신호에 응답하여 제 1 화소군(111)으로부터 독출된 화소 데이터의 코드값을 보상하여 준다. 예컨대, 타이밍 제어부(190)로부터 '3code'를 보상하라는 제어신호가 입력되면, 현재 화소 데이터의 디지털 코드값이 '117code'인 경우 현재 화소 데이터의 디지털 코드값에 '3code'를 가산해 준다.
라인 버퍼부(170)는 ADC(160)로부터 출력된 제2 화소군(112)의 칼럼라인별 오프셋 평균값을 저장한다.
비교부(180)는 라인 버퍼부(170)에 저장된 컬럼라인별 오프셋 평균값(Column_everage_offset)과 초기 오프셋 값(ADC_initial_offset)을 비교하고, 그 비교 결과에 따라 업데이트 오프셋 값(ADC_update_offset)을 갱신하여 출력한다. 예컨대, 초기 오프셋 값(ADC_initial_offset)이 '120code'이고, 컬럼 라인별 오프셋 평균값이 '117code'인 경우 업데이트 오프셋 값(ADC_update_offset)은 '+3code'가 되고, 반대로 초기 오프셋 값(ADC_initial_offset)이 '120code'이고, 컬럼라인별 평균값(Column_everage_offset)이 '123code'가 되면 업데이트 오프셋 값(ADC_update_offset)은 '-3code'가 된다.
타이밍 제어부(190)는 비교부(180)로부터 출력된 업데이트 오프셋 값(ADC_update_offset)에 응답하여 ADC(160)를 제어한다. 즉, 업데이트 오프셋 값 (ADC_update_offset)이 '+3code'인 경우 ADC(160)로 하여금 현재 화소 데이터(제1 화소군의 화소 데이터)의 디지털 코드값에 '+3code'를 가산하여 출력하도록 제어한다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 이용한 자동 블랙 보상방법을 설명하면 다음과 같다.
제2 화소군(12)으로부터 화소 데이터를 독출(readout)한 후 컬럼 라인별 오프셋 평균값을 계산하여 라인 버퍼(170)에 저장한다. 라인 버퍼(170)에 저장된 컬럼 라인별 오프셋 평균값(Column_everage_offset)과 초기 오프셋 값(ADC_initial_offset)을 비교하여 업데이트된 오프셋 값(ADC_update_offset)을 갱신한다.
이후, 타이밍 제어부(190)는 업데이트된 오프셋 값(ADC_update_offset)에 응답하여 ADC(160)의 코드값을 제어한다. ADC(160)는 타이밍 제어부(190)에 의해 설정된 코드값을 이용하여 제1 화소군(111)으로부터 독출된 화소 데이터의 코드값을 보상한다.
한편, 전술한 초기 오프셋 값은 외부에서 제어가 가능하며, 임의로 설정될 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 블랙 레벨의 오프셋을 검출하기 위한 더미 화소의 화소 데이터를 컬럼 라인별로 오프셋 평균값을 계산하고, 계산된 컬럼 라인별 오프셋 평균값을 이용하여 보상해줄 오프셋 값을 결정하고, 결정된 오프셋 값으로 실제 화소 데이터를 보상해줌으로써 사용 환경과 무관하게 소자의 특성 저하를 방지할 수 있다. 결국, 원하는 이미지를 얻을 수 있어 화질을 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, PGA를 통해 이득값을 보상해주는 것이 아니라, ADC를 통해 코드값을 보상하여 줌으로써 간편하게 블랙 레벨을 효과적으로 제거할 수 있다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 제1 및 제2 화소군을 포함하는 화소 배열부; 및
    상기 제1 화소군으로부터 독출된 화소 데이터의 컬럼 라인별 오프셋 평균값과 초기 제1 오프셋 값을 비교하여 업데이트된 제2 오프셋 값을 생성하고, 상기 제2 오프셋 값을 이용하여 상기 제2 화소군으로부터 독출된 화소 데이터를 보상해주는 오프셋 보상부를 포함하되,
    상기 오프셋 보상부는,
    상기 컬럼 라인별 오프셋 평균값을 저장하는 라인 버퍼;
    상기 평균값과 상기 제1 오프셋 값을 비교하여 상기 제2 오프셋 값을 갱신하여 출력하는 비교부;
    상기 제2 오프셋 값에 응답하여 코드값 제어신호를 출력하는 타이밍 제어부; 및
    상기 코드값 제어신호에 응답하여 상기 제2 화소군으로부터 독출된 화소 데이터를 보상해주는 아날로그 디지털 컨버터
    를 포함하는 이미지 센서.
  3. 삭제
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