KR100746469B1 - 블랙 시그널 개선 이미지 센서 및 그 개선 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 픽셀 어레이부의 액티브 셀을 블랙라인의 일부로 활용함으로써 블랙 시그널(암전류: dark current)의 영향을 최소화하고 양질의 이미지를 얻을 수 있는 이미지 센서 및 암전류 개선 방법에 관한 것으로, 제1 제어신호에 응답하여 포토다이오드에 생성된 광전하를 센싱 노드로 운송하기 위한 전송 트랜지스터(Tx) 및 제2 제어신호(Reset)에 응답하여 상기 센싱 노드에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)를 구비한 단위 픽셀, 상기 단위 픽셀이 다수개 형성되어 이루어진 액티브 픽셀 어레이 및 ADC 블록을 가지는 CMOS 이미지 센서에 있어서, 암전류를 산출하기 위하여 상기 액티브 픽셀 어레이내의 일부 라인에 블랙라인을 포함한다.

CMOS, 이미지 센서, 블랙 시그널. 암전류, 블랙라인, 액티브 픽셀

Description

블랙 시그널 개선 이미지 센서 및 그 개선 방법{apparatus and method for improving black signal in CMOS image sensor}

도 1a는 종래의 ABLC(Auto black level compensation) 블록도.

도 1b는 종래의 ABLC 처리 흐름도.

도 2는 종래 기술의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 구조도.

도 3은 종래 기술의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 구조도.

도 4는 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀 회로도.

도 5는 본 발명에 따른 ABLC 블록도.

도 6은 본 발명에 따른 ABLC 처리 흐름도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의설명

30: 화소배열부 33: 아날로그 라인 버퍼부

32a: 로디코더 32b: 칼럼디코더

Tx: 전송 트랜지스터 Rx: 리셋 트랜지스터

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 픽셀 어레이부의 액티브 셀을 블랙라인의 일부로 활용함으로써 블랙 시그널(암전류: dark current)의 영향을 최소화하고 양질의 이미지를 얻을 수 있는 이미지 센서 및 암전류 개선 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서의 이용분야는 스틸 카메라, PC카메라, 의학용, 완구용, 휴대용 단말기등 다양하다. 이미지 센서는 블랙 시그널이 여러 환경에서 각기 다른 값으로 생성하게 되는데 이는 출력 화면을 전체적으로 뿌옇게 만드는 현상을 초래한다. 따라서 좋은 이미지를 얻기 위해서는 환경에 따라 변환하는 블랙 시그널을 해결해야 한다.

CMOS 이미지 센서는 기본적으로 블랙 시그널을 가지고 있다. 이 블랙 시그널에 의해서 출력되는 이미지가 뿌옇게 변색되어 보인다. 여기서 블랙 시그널이란 센서에 빛이 전혀 들어가지 않은 상태에서 출력되는 시그널 코드 레벨을 말한다. 이론적으로 빛이 전혀 인가되지 않는 상태에서 출력되는 코드값은 0 이어야 한다. 그러나 실제로는 빛을 전혀 인가하지 않은 상태에서도 픽셀이나 아날로그 채널의 기본적인 노이즈에 의해 출력되는 데이터는 0 코드가 아니라 어느 정도 높은 코드값을 가지게 된다. 보통 5코드 정도의 값을 가지는데 심할 경우 10코드 이상의 높은 블랙 시그널값을 가질 경우도 있다.

위와 같은 블랙 시그널을 막기 위해서 ABLC(Auto black level compensation) 이라는 알고리즘을 사용한다. 이 알고리즘은 도 1a과 같이 액티브 픽셀(1)의 아래 위 2개씩의 라인을 메틸로 덮어서(이하, 블랙라인(2)이라 칭함) 빛이 전혀 인가되지 못하게 한 상태에서 그 출력 데이터의 평균을 산출하는 것이다. 빛이 전혀 인가되지 않은 상태이므로 이론상의 출력 코드값은 0이 되지만 실제 전체 평균을 산출하면 5코드 정도의 코드값이 출력되며 이를 ADC 블록의 offset DAC 에 계산된 평균값만큼 빼주는 코드값을 인가함으로써 실제 출력 코드도 0이 되게끔 만들어 주는 것이다. 도면에 도시된 ADC블록(3)은 일력받은 아날로그 데이터를 디지털 값으로 변환하는 동작을 수행하고, 디지털 블록(4)은 디지털로 변환된 값에서의 오프셋 값을 결정하는 기능을 수행하는데 아래에 구체적으로 설명될 것이다.

도 1a의 블랙라인을 처리하는 과정을 도시한 도 1b를 참조하면, 먼저 블랙 라인의 전체 평균을 구하고 그 결과값을 초기에 넣어준 offsetDAC의 초기(initial) 값과의 차를 구해서 더 높은 코드가 나오면 offsetDAC 에 -코드값을 넣어주고 초기(initial) 값보다 낮은 코드가 나오면 offset DAC 에 + 코드값을 넣어 주어 빛이 인가되지 않았을 때의 이론 코드인 0 코드를 맞추어 주는 것이다.

액티브셀의 각 ADC 데이터를 구성하는 방법을 구체적으로 살펴보면, 먼저, 블랙라인으로부터 데이터를 읽어와(11), ADC블록에서 디지털 값을 형성하게 되는데(12), 이때 OffsetDAC(초기)값과 블랙라인의 데이터를 합하여 ADC데이터를 형성하게된다. 디지털 블록에서는 초기 Offset값과 ADC값의 차이를 구하여 OffsetDAC값을 재설정하고(13), 이렇게 재설정된 OffsetDAC값은 ADC블록에서 액티브셀 데이터에 반영되게 된다.

한편, 미합중국특허 공개번호 제 2003/0184666A1 호는 업데이트된 오프셋 값의 타이밍을 조절하는 방법을 개시하고 있는데, 도 2를 통해 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 빛에 반응하는 성질을 극대화 시키도록 화소(Pixel)를 가로 N개, 세로 M개(N,M은 자연수)로 배치하여, 외부에서 들어오는 이미지에 대한 정보를 감지하는 제1화소군(20) 즉, 코아 화소배열부와, 제1화소군(20)의 열방향의 일측 및 타측에 배열되어 그 구성 화소에 대한 블랙 레벨의 오프셋 값을 산출하기 위한 제2화소군(21) 및 광차단을 위한 제3화소군(22)을 포함하는 화소배열부(30)와, 블랙 레벨의 오프셋 값에 따라 제2화소군(30)의 오프셋 값을 변화시켜 블랙 레벨에 의한 오프셋 변화를 제거하기 위한 오프셋 조정부(31)를 구비하여 구성된다.

구체적으로, 화소배열부(30)로부터의 신호를 전달받아 버퍼링하는 아날로그 라인 버퍼부(33)와, 아날로그 라인 버퍼부(33)의 출력 즉, 화소데이타을 증폭하기 위한 증폭부(34)와 ADC(35)와 화소배열부(30)의 행과 열을 각각 제어하기위한 로디코더(32a)와, 칼럼디코더(32b)를 구비하며, 오프셋 조정부(31)는 산출된 블랙 레벨의 오프셋 값과 초기설정된 오프셋 값(Initial offset)의 차에 따라 R(적색), G(녹색), B(청색) 각 색상별로 업데이트된 오프셋 값(Update ADC offset)의 타이밍에 맞게 적용하기 위한 타이밍제어부(31a)와, 타이밍제어부(31a)에 의해 제공되는 업데이트된 오프셋 값과 제1화소군(20)으로부터의 아날로그 화소 데이타를 가산하여 아날로그 데이타를 보상하기 위한 가산부(31b)를 포함한다. 아날로그 라인 버퍼부(33)는 선택된 한 행의 화소들의 전압을 감지하여 저장하는 역할을 하며, 증 폭부(34) 예컨대, PGA는 아날로그 라인 버퍼부(33)에 저장된 화소 전압이 작은 경우 이를 증폭하는 역할을 하며, 증폭부(34)를 거친 아날로그 데이타는 색상 보간 및 색상 보정을 위하여 RGB 각각의 이득을 조절할 수 있으며, ADC(35)를 통해 디지탈 값으로 변환되어 출력하게 된다.

그러나, 상기 종래의 타이밍 조절역시 특정 지역의 블랙라인만을 참조하기 때문에 정확한 암 전류값을 산출하는 것은 불가능 하다는 문제점이 있었다.

한편, 미합중국특허 공개번호 제 2005/0024502A1 호를 참조하면, 픽셀 값을 ADC 변환하기 전 아날로그증폭시에 블랙라인을 통한 오프셋을 고려하는 방법을 개시하고 있다. 구체적으로 도 3을 참조하면, ADC 변환기의 출력과 블랙라인으로부터의 참조신호(도면에 도시되어 있지 않음)를 입력받아 디지털 블록에서 수정(오차) 신호를 생성하면, 이 신호를 기반으로 컴퓨팅 수단 및 DAC에서 상기 아날로그증폭기의이득을 조절하는 오프셋 전압을 생성하게 된다.

그러나 블랙라인은 참조하는 픽셀 수와 위치에 따라 이미지 픽셀부에서 사용되는 암전류값을 정확히 대변하지 못하므로 정확한 암전류값을 산출할 수 없다는 문제점이 있었다. 더욱이, 이러한 방식으로도 맞추어 지지 않는 환경이 다양하게 존재한다. 대표적인 경우가 온도에 대한 경우이다.

온도의 변화에 따라서는 기존의 ABLC알고리즘으로는 제대로 블랙 시그널을 제거할 수 없다. 칩의 온도가 40℃ 이상 올라가게 되면 화면에 열화 현상이 일어난다. 화면 열화 현상이란 이미지의 컬러가 본래의 컬러 특성을 잃어버리고 다른 컬러를 띄게 되는 현상을 말하는 것이다. 화면 열화가 생길 때 ABLC기능을 끄게 되면 화면 열화 현상이 없어지고 본래의 컬러를 유지하게 된다. 따라서 칩의 온도가 올라가면 ABLC의 영향으로 화면 열화 현상이 생기는 것이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 액티브 셀 주변에 빛이 차단된 영역에 형성하였던 블랙라인을 제거하고, 픽셀부에서 얻은 데이터를 이용하여 ABLC를 수행함으로써, 보다 더 정확한 암전류값을 산출할 수 있는 이미지 센서 및 암전류 개선 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 액티브셀을 이용하여 암전류를 산출함으로써 보다 향상된 영상을 제공할 수 있는 이미지 센서 및 암전류 개선 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1 제어신호에 응답하여 포토다이오드에 생성된 광전하를 센싱 노드로 운송하기 위한 전송 트랜지스터와, 제2 제어신호에 응답하여 상기 센싱 노드에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터를 포함하는 단위 픽셀이 다수 개로 이루어진 액티브 픽셀 어레이, ADC 블록 및 디지털 블럭을 구비한 CMOS 이미지 센서에 있어서, 상기 액티브 픽셀 어레이를 이루는 픽셀들과 각각 연결되어 상기 픽셀들로부터 출력되는 데이터를 상기 ADC 블록으로 전달하는 액티브 라인들 중 선택된 일부 액티브 라인들을 블랙라인으로 이용하고, 상기 블랙라인과 연결된 픽셀의 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 동작을 제어하는 콘트롤러를 포함하되, 상기 콘트롤러는, 상기 블랙라인과 연결된 픽셀의 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 턴-온(turn-on)시킨 상태에서, 상기 블랙라인으로 출력되는 데이터를 읽어들일 때, 상기 블랙라인과 연결된 픽셀의 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 턴-오프(turn-off)시킨 다음, 일정 시간 후 상기 전송 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 블랙라인으로부터 데이터를 읽어들이는 CMOS 이미지 센서를 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기한 CMOS 이미지 센서의 블랙 시그널 개선방법에 있어서, 상기 ADC 블록은 상기 블랙라인으로부터 읽어들인 데이터를 입력받고, 입력받은 상기 데이터와 주어진 초기값을 가산하여 ADC 데이터 값을 산출하는 단계와, 상기 ADC 블록은 상기 ADC 데이터 값의 평균값을 산출하는 단계와, 상기 디지털 블록은 상기 ADC 데이터 값의 평균값을 입력받고, 상기 주어진 초기값과 상기 ADC 데이터 값의 평균값의 차를 구하여 오프셋 DAC 값을 설정하는 단계와, 상기 ADC 블록은 상기 오프셋 DAC 값을 입력받고, 상기 오프셋 DAC 값과 상기 블랙라인으로부터 읽어들인 데이터를 가산하여 새로운 ADC 데이터 값을 산출하는 단계를 포함하는 CMOS 이미지 센서의 블랙 시그널 개선방법을 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 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 바, 도 4는 일반적인 CMOS 이미지센서의 화소 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 ABLC알고리즘을 수행하는 이미지 센서의 세부 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 ABLC알고리즘을 도시한 흐름도이다.

먼저, 본 발명에서 제안하는 방법은 ABLC 를 수행하는 라인 자체를 실제 동작하는 액티브한 영역의 데이터를 이용하자는 데 그 핵심이 있다. 화면 열화가 생기는 주 원인은 결국에는 ABLC 라인을 통해서 계산된 블랙 시그널값이 실제 사용해야하는 값과 틀리기 때문이다. 온도가 올라가면 액티브한 영역의 값과 ABLC 라인의 값에서 차이가 나는 것은 기본적으로 구조적인 차이 때문이다. 기존의 ABLC라인은 메탈로 덮여져 있다. 실제 액티브한 픽셀은 아무런 물질로도 덮여져 있지 않다. 여기서 온도가 올라갈수록 ABLC라인은 출력 데이터가 더 높은 데이터를 출력할 것이며 실제 이미지를 생성하는 액티브한 픽셀 블록은 ABLC 라인보다는 낮은 블랙 시그널을 요구하게 된다.

이와 같은 그 기본 구조적인 특성으로 인해서 온도에 의한 화면 열화는 피하기 어려우며 액티브한 픽셀이 요구하는 블랙 시그널을 구하기 위해서는 액티브한 픽셀에 의거해서 데이터를 얻어내는 것이 가장 정확한 방법이라 하겠다. 이에 메탈로 덮여진 ABLC 라인을 쓰는 것이 아니라 액티브한 픽셀 영역의 데이터를 구해서 블랙 시그널 코드값을 구하는 것이 본 발명의 가장 중요한 특징 중의 하나이다.

전술한 바와 같이, 어떠한 환경에서도 액티브한 블랙 시그널을 구하기 위해서는 액티브 픽셀에서 데이터를 얻는 것이 가장 정확한 것이다. 먼저, 도 4를 통해 CMOS 이미지센서의 화소 구조를 살펴보면, 저전압 포토다이오드(100)와, 제1 제어신호(transfer)에 응답하여 포토다이오드(100)에 생성된 광전하를 센싱 노드(A)로 운송하기 위한 전송 트랜지스터(Tx)와, 다음 신호 검출을 위해 제2 제어신호(Reset)에 응답하여 센싱 노드(A)에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 소스 폴로우(source follower) 역할을 수행하는 드라이브 트랜지스터(NM3) 및 제3 제어신호(Select)에 응답하여 스위칭으로 어드레싱을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(NM4)가 포함되며, 로드 트랜지스터(NM5) 바이어스 전압(Vgg)에 의해 구동되어지게 된다.

블랙 시그널을 구하기 위해서 빛이 전혀 인가되지 않는 픽셀의 평균 데이터를 구해야하는데, 이를 집적시간(integration time) 으로 조절할 경우 0의 값을 주어야 하나 기본적으로 10이상의 집적시간을 가지게 되므로 집적시간을 조절할 경우 완전히 빛이 차단된 데이터를 얻을 수가 없다. 따라서 완전히 빛이 차단된 데이터를 얻기 위해서는 픽셀 콘트롤러(controller)을 조절해서 데이터를 얻어야 한다.

빛이 완전히 차단된 상태를 얻기 위해서는 픽셀 콘트롤러에서 전송트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)를 열어놓아 픽셀 레벨을 0으로 유지시킨 후에, 픽셀 라인의 데이터를 읽을 때 Tx 와 Rx를 닫으면서 바로 Tx를 한번 열어서 데이터를 읽어와야 한다. 이렇게 하면 빛이 차단된 상태와 거의 유사한 데이터를 얻어낼 수 있다.

도 5를 참조하면, 사용하는 액티브 라인은 실제 화면을 구성하는 픽셀 중에서 전체 특성을 골고루 가질 수 있도록 전체 액티브 픽셀을 6등분하여 정가운데 경계선을 제외한 나머지 4개의 경계선을 액티브 라인으로 설정하여 데이터를 구하도록 한다. 만일 Height가 1200일 경우 블랙 시그널을 구하기 위한 Row address 는 200, 400, 800, 1000이 되는 것이다. 다음으로 빛이 전혀 인가되지 않는 상태를 구현하기 위해서 전송트랜지스터(Tx) 와 리셋트랜지스터(Rx)를 High 로 유지한 상태에서 해당 라인을 읽을 때, 동시에 전송트랜지스터(Tx)와 리셋트랜지스터(Rx)를 로우로 만들고 바로 다음 클럭에서 전송트랜지스터(Tx)를 하이로 만들면서 데이터를 읽어오면 된다. 이렇게 하면 픽셀에 빛을 전혀 인가하지 않도록 하는 동작이 되는 것이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 ABLC 알고리즘을 도시한 흐름도이다. 구체적인 동작을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 7f 또는 3f 등과 임의의 초기값(Initial)이 주어진 상태에서, 액티브 픽셀 블록내에 기 설정된 ABLC 4 라인(address=200, 400, 800, 1000)에 대한 평균 데이터 값을 산출한다. 이때 전송 트랜지스터(Tx)와 리셋 트랜지스터(Rx)는 턴온(on) 되어 있는 상태에서(61), 해당 라인을 읽을 때, 전송 트랜지스터(Tx)와 리셋 트랜지스터(Rx)는 동시에 오프(off) 시키고, 바로 다음 클럭에서 전송 트랜지스터(Tx)를 턴온 시킴으로써(62) 각 라인의 데이터 값을 읽을 수 있다. 물론, 상기 전송 트랜지스터(Tx)와 리셋 트랜지스터(Rx)의 적절한 타이밍을 갖도록 콘트롤러가 각 제어신호를 제공하여야 함은 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이다.

이어서, ADC블록에서는 상기 액티브 셀의 데이터값과 초기값(OffsetDAC)을 가산하여 ADC 데이터 값을 산출하고(63), 디지털 블록에서는 초기값과 산출된 평균값의 차를 구하여 오프셋 DAC값을 새로이 설정하고(64), 다시 ADC블록에서는 상기 액티브 픽셀에서 산출된 오프셋 DAC 값과 픽셀 데이터 값을 가산하여 새로운 ADC 데이터 값을 산출한다(65).

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 어떠한 환경에서도 액티브 픽셀에 맞는 블랙 시그널을 얻을 수 있으므로 화면 열화와 같은 현상을 막을 수 있으며 실제에 근접한 데이터를 얻을 수 있다. 또한 추가적인 라인이 필요치 않기 때문에 기존과 같이 픽셀 어레이 상하에 위치하는 블랙라인이 없어지므로 전체 칩의 크기 역시 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 액티브 픽셀 자체에서 블랙 시그널 코드를 산출함으로써 여러 가지 환경에서 실제 값에 근사한 블랙 시그널값을 얻을 수 있으며 이로 인해서 효과적인 ABLC(Auto black level compensation) 동작을 수행할 수 있다.

Claims (5)

1. 제1 제어신호에 응답하여 포토다이오드에 생성된 광전하를 센싱 노드로 운송하기 위한 전송 트랜지스터와, 제2 제어신호에 응답하여 상기 센싱 노드에 저장되어 있는 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터를 포함하는 단위 픽셀이 다수 개로 이루어진 액티브 픽셀 어레이, ADC 블록 및 디지털 블럭을 구비한 CMOS 이미지 센서에 있어서,

   상기 액티브 픽셀 어레이를 이루는 픽셀들과 각각 연결되어 상기 픽셀들로부터 출력되는 데이터를 상기 ADC 블록으로 전달하는 액티브 라인들 중 선택된 일부 액티브 라인들을 블랙라인으로 이용하고,

   상기 블랙라인과 연결된 픽셀의 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 동작을 제어하는 콘트롤러를 포함하되,

   상기 콘트롤러는,

   상기 블랙라인과 연결된 픽셀의 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 턴-온(turn-on)시킨 상태에서,

   상기 블랙라인으로 출력되는 데이터를 읽어들일 때, 상기 블랙라인과 연결된 픽셀의 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 턴-오프(turn-off)시킨 다음, 일정 시간 후 상기 전송 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 블랙라인으로부터 데이터를 읽어들이는 CMOS 이미지 센서.
2. 삭제
3. 제 1 항의 CMOS 이미지 센서의 블랙 시그널 개선방법에 있어서,

   상기 ADC 블록은 상기 블랙라인으로부터 읽어들인 데이터를 입력받고, 입력받은 상기 데이터와 주어진 초기값을 가산하여 ADC 데이터 값을 산출하는 단계;

   상기 ADC 블록은 상기 ADC 데이터 값의 평균값을 산출하는 단계;

   상기 디지털 블록은 상기 ADC 데이터 값의 평균값을 입력받고, 상기 주어진 초기값과 상기 ADC 데이터 값의 평균값의 차를 구하여 오프셋 DAC 값을 설정하는 단계; 및

   상기 ADC 블록은 상기 오프셋 DAC 값을 입력받고, 상기 오프셋 DAC 값과 상기 블랙라인으로부터 읽어들인 데이터를 가산하여 새로운 ADC 데이터 값을 산출하는 단계

   를 포함하는 CMOS 이미지 센서의 블랙 시그널 개선방법.
4. 삭제
5. 삭제

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