KR101030684B1 - 넓은 동적범위를 갖는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 - Google Patents

Abstract

본 발명의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀은, 수광 소자; 상기 수광 소자에 축적된 전하를 전달 받아서 저장하는 제 1 플로팅 디퓨전 영역; 상기 수광 소자에 축적된 전하를 상기 제1 플로팅 디퓨젼 영역으로 전달하기 위한 제1 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제1 플로팅 디퓨전 영역을 리셋하기 위한 제1 리셋 트랜지스터; 상기 제1 플로팅 디퓨젼 영역의 전기적 특성을 검출하기 위한 제1 액티브 트랜지스터; 상기 제1 액티브 트랜지스터의 검출 신호를 외부로 출력하기 위한 제1 어드레싱 트랜지스터; 상기 수광 소자에 축적된 전하를 전달 받아서 저장하는 제 2 플로팅 디퓨전 영역; 상기 수광 소자에 축적된 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역으로 전달하기 위한 제2 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역을 리셋하기 위한 제2 리셋 트랜지스터; 상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역의 전기적 특성을 검출하기 위한 제2 액티브 트랜지스터; 및 상기 제2 액티브 트랜지스터의 검출 신호를 외부로 출력하기 위한 제2 어드레싱 트랜지스터를 구비할 수 있다.

Description

넓은 동적범위를 갖는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀{Unit Pixel of Wide Dynamic Range CMOS Image Sensor}

본 발명은, 빛의 밝기에 대하여 넓은 동적범위를 가지는 씨모스 이미지 센서 및 이를 구성하는 단위 픽셀에 관한 것이다.

본 발명은 빛의 밝기에 대하여 넓은 동적 범위에서 작동하는 씨모스 이미지 센서를 만들기 위하여 고안된 센서의 픽셀 구조 및 그 구조에 따른 영상 신호를 획득하는 방법에 관한 기술이다.

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제작된 센서로서, 센서의 각 픽셀(pixel)로 입사되는 빛을 포토 다이오드를 이용하여 전자들로 바꾼 후에, 전자들의 개수에 비례하는 전압신호를 출력함으로써 이미지화 하는 센서이다.

일반적인 씨모스 이미지 센서가 빛의 밝기에 반응하는 동적범위는 대략 60 dB 정도이다. 다시 말해, 센싱 가능한 최소 밝기의 빛에서 약 1000배 정도 밝은 빛까지 정상적으로 반응하여 신호를 출력할 수 있다. 종래에도 씨모스 이미지 센서의 동적범위를 넓히기 위한 다양한 방법이 제시되고 있었다.

예컨대, 미국등록특허 US 7443427호는 빛에 대하여 대수적(Logarithmic)인 동적범위를 가지는 픽셀구조를 개시하고 있으며, 미국등록특허 US 7442910호 및 US 7209166호는 픽셀 내부에 전자의 저장장소인 커패시터를 스위치 조작을 통하여 변화시킴으로써 동적범위를 증가 시키는 방법을 제시하고 있다.

또한, 대한민국특허 제0835894호, 제0865111호 및 미국등록특허 US 7489352호는 크고 작은 두 개의 포토다이오드를 구성하고 그들로부터 빛에 대한 반응도가 다른 두 신호를 출력하는 방법을 개시하고 있다.

일반적으로 사용되고 있는 4-트랜지스터 구조의 픽셀에서 신호를 회득하는 과정에서 트랜스퍼 게이트(Transfer Gate)나 리셋(Reset) 트랜지스터를 여러 차례 동작시킴으로써 센서의 동적범위를 확장시킨 방법 등도 발표되고 있다.

이러한 다양한 해결 방법들은 그 장점과 단점이 대비되어 어느 것이 뚜렷하게 우세한 기술이라 할 수 없는 정도이다.

본 발명의 목적은, 감도에 대하여 넓은 동적 범위를 가지면서도 영상처리가 간단한 씨모스 이미지 센서 및 그 단위 픽셀을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 롤링 셔터링(Rolling Shuttering)과 글로벌 셔터링(Global Shuttering) 방식 모두에서 넓은 동적 범위를 가지는 씨모스 이미지 센서 및 그 단위 픽셀을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 넓은 동적범위를 가지는 씨모스 이미지 센서의 픽셀을 제작하기 위하여 종래의 4-트랜지스터 씨모스 이미지 센서 픽셀을 제작하기 위한 공정 이외에 어떠한 추가적인 공정이 필요 없는 씨모스 이미지 센서 및 그 단위 픽셀을 제공함에 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀은, 수광 소자; 상기 수광 소자에 축적된 전하를 전달 받아서 저장하는 제 1 플로팅 디퓨전 영역; 상기 수광 소자에 축적된 전하를 상기 제1 플로팅 디퓨젼 영역으로 전달하기 위한 제1 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제1 플로팅 디퓨전 영역을 리셋하기 위한 제1 리셋 트랜지스터; 상기 제1 플로팅 디퓨젼 영역의 전기적 특성을 검출하기 위한 제1 액티브 트랜지스터; 상기 제1 액티브 트랜지스터의 검출 신호를 외부로 출력하기 위한 제1 어드레싱 트랜지스터; 상기 수광 소자에 축적된 전하를 전달 받아서 저장하는 제 2 플로팅 디퓨전 영역; 상기 수광 소자에 축적된 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역으로 전달하기 위한 제2 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역을 리셋하기 위한 제2 리셋 트랜지스터; 상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역의 전기적 특성을 검출하기 위한 제2 액티브 트랜지스터; 및 상기 제2 액티브 트랜지스터의 검출 신호를 외부로 출력하기 위한 제2 어드레싱 트랜지스터를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 수광 소자는, 애노드가 접지 전압에 연결되고, 캐소드가 상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터에 연결된 포토다이오드일 수 있다.

여기서, 상기 제 1 트랜스퍼 트랜지스터의 오프 게이트 전압과 상기 제 2 트랜스퍼 트랜지스터의 오프 게이트 전압이 서로 다를 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 씨모스 이미지 센서는, 단위 픽셀들의 메트릭스; 상기 메트릭스의 열(Column) 별로 마련된 제1 출력 신호선 및 제2 출력 신호선을 구비할 수 있으며, 상기 단위 픽셀은, 수광 소자; 상기 수광 소자의 빛에 의한 전기적 특성을 증폭하여 데이터 처리가 용이한 전기적 특성으로 변환하여, 상기 제1 출력 신호선으로 출력하는 제1 센싱 회로; 및 상기 수광 소자의 빛에 의한 전기적 특성을 증폭하여 데이터 처리가 용이한 전기적 특성으로 변환하여, 상기 제2 출력 신호선으로 출력하는 제2 센싱 회로를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 제1 센싱 회로 및/또는 제2 센싱 회로는, 상기 수광 소자에 축적된 전하를 전달 받아서 저장하는 플로팅 디퓨전 영역; 상기 수광소자에 축적된 전하를 상기 플로팅 디퓨젼 영역으로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 플로팅 디퓨전 영역을 리셋하기 위한 리셋 트랜지스터; 상기 플로팅 디퓨젼 영역의 전기적 특성을 검출하기 위한 액티브 트랜지스터; 및 상기 액티브 트랜지스터의 검출 신호를 상기 제1 출력 신호선 또는 제2 출력 신호선으로 출력하기 위한 어드레싱 트랜지스터를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 제1 센싱 회로는, 제1 노출누적시간 동안 상기 수광 소자에 축적된 전하량을 데이터 처리가 용이한 전기적 특성으로 변환하여, 상기 제1 출력 신호선으로 출력하며, 상기 제2 센싱 회로는, 제2 노출누적시간 동안 상기 수광 소자에 축적된 전하량을 데이터 처리가 용이한 전기적 특성으로 변환하여, 상기 제2 출력 신호선으로 출력할 수 있다.

여기서, 상기 제1 노출누적시간이 상기 제2 노출누적시간 보다 앞서며, 상기 제2 노출누적시간의 종료 시점 이전의 제1 시간 구간에서는, 상기 제1 출력 신호선으로 상기 제1 센싱 회로의 상기 축적된 전하량에 의한 신호가 출력되고, 상기 제2 출력 신호선으로 상기 제2 센싱 회로의 리셋 상태의 신호가 출력되며,

상기 제2 노출누적시간의 종료 시점 이후의 제2 시간 구간에서는, 상기 제1 출력 신호선으로 상기 제1 센싱 회로의 리셋 상태의 신호가 출력되고, 상기 제2 출력 신호선으로 상기 제2 센싱 회로의 상기 축적된 전하량에 의한 신호가 출력될 수 있다.

구현에 따라, 상기 제1 센싱 회로 및 제2 센싱 회로에서 출력되는 신호는, 상기 제1 출력 신호선 및 제2 출력 신호선에 동시에 전달될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 씨모스 이미지 센서는, 단위 픽셀들의 메트릭스; 및 상기 메트릭스의 열(Column) 별로 마련된 출력 신호선을 구비하되,

상기 단위 픽셀은, 수광 소자; 제1 노출누적시간 동안 상기 수광 소자에 축적된 전하량을 데이터 처리가 용이한 전기적 특성으로 변환하여, 상기 출력 신호선으로 출력하는 제1 센싱 회로; 및 제2 노출누적시간 동안 상기 수광 소자에 축적된 전하량을 데이터 처리가 용이한 전기적 특성으로 변환하여, 상기 출력 신호선으로 출력하는 제2 센싱 회로를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 제1 센싱 회로 또는 제2 센싱 회로는, 상기 수광 소자에 축적된 전하를 전달 받아서 저장하는 플로팅 디퓨전 영역; 상기 수광소자에 축적된 전하를 상기 플로팅 디퓨젼 영역으로 전달하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 플로팅 디퓨전 영역을 리셋하기 위한 리셋 트랜지스터; 상기 플로팅 디퓨젼 영역의 전기적 특성을 검출하기 위한 액티브 트랜지스터; 및 상기 액티브 트랜지스터의 검출 신호를 상기 출력 신호선으로 출력하기 위한 어드레싱 트랜지스터를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 씨모스 이미지 센서는, 상기 제1 센싱 회로를 위한 아날로그 디지털 컨버터 및 상기 출력 신호선 사이에 구비된 제1 스위치; 및 상기 제2 센싱 회로를 위한 아날로그 디지털 컨버터 및 상기 출력 신호선 사이에 구비된 제2 스위치를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 씨모스 이미지 센서는, 단위 픽셀들의 메트릭스; 상기 메트릭스의 열(Column) 별로 마련된 적어도 3개 이상의 출력 신호선들을 구비하되,

상기 단위 픽셀은, 수광 소자; 상기 수광 소자의 빛에 의한 전기적 특성을 증폭하여 데이터 처리가 용이한 전기적 특성으로 변환하여, 상기 적어도 3개 이상의 출력 신호선 각각에 출력하는, 적어도 3개 이상의 센싱 회로들을 구비할 수 있다.

상기 구성에 따른 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 감도에 대하여 넓은 동적 범위를 가지면서도 영상처리가 간단한 이점이 있다.

예컨대, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 하나의 포토 다이오드를 이용하여 빛의 노출에 의해 생기는 전자들을 여러 번에 나누어 누적시키고, 그 노출누적에 따른 출력신호들을 한 픽셀의 복수 개의 신호로서 병렬적으로 출력하는 단위 픽셀을 포함하여 이미지 센서의 빛의 밝기에 반응하는 동적범위가 크게 개선되었다.

나아가, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 넓은 동적범위를 위해, 픽셀 어레이 외부에 별도의 메모리를 구비할 필요 없으며, 그 영상처리도 비교적 간단하다.

또는, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는, 글로벌 셔터링(global shuttering )방식과 롤링 셔터링(rolling shuttering)방식의 동작 모두에서 넓은 동적범위를 획득할 수 있다.

또는, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀의 제작을 위해, 종래의 일반적인 4-Tr 이미지 센서 픽셀을 제작하기 위한 공정 이외에 어떠한 추가적인 공정 개발이 필요없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 및 출력 신호선을 도시한 회로도.
도 2는 도 1의 단위 픽셀로 이루어지는, 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 픽셀 메트릭스 구조를 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 롤링 셔터링 방식의 검출 신호 획득 동작을 도시한 타이밍도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 롤링 셔터링 방식의 검출 신호 획득 동작을 도시한 타이밍도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 글로벌 셔터링 방식의 검출 신호 획득 동작을 도시한 타이밍도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 및 출력 신호선을 도시한 회로도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 및 출력 신호선을 도시한 회로도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 검출 신호 획득 동작을 도시한 타이밍도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 및 출력 신호선을 도시한 회로도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 픽셀 메트릭스 구조와 제어 구성들을 도시한 블록도.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구성을 도시한 회로도이다.

본 실시예의 씨모스 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀(100)은, 하나의 수광 소자와 2개의 센싱 회로를 이용하여 이미지 센서의 감도 범위를 넓히고자 한다.

상기 수광 소자는 외부에서 입사되는 빛 에너지에 따라 전기적 특성의 정도가 결정되는 특징을 가진 소자이며, 상기 센싱 회로는 상기 수광 소자의 전기적 특성을 증폭하여 데이터 처리가 용이한 전기적 특성(예: 전압, 전류)으로 변환하는 구성이다.

도시한 단위 픽셀(100)은 수광 소자로서 외부에서 입사되는 빛에 대응하여 전하(공지의 포토 다이오드는 광변환 전자를 생성하는데, 이하 설명에서는 전하라고 통칭하겠다)를 생성하는 포토다이오드(PD)를 적용하였다.

또한, 상기 센싱 회로로서, 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 소스 팔로워 방식으로 구동되는 액티브 트랜지스터 및 어드레싱 트랜지스터로 이루어지는 4-Tr 센싱 구조를 적용하였다. 그런데, 하나의 포토다이오드(PD)에 대하여 2개의 센싱 회로들(110, 130)이 적용되므로, 도시한 단위 픽셀(100)은 1-포토다이오드 8-Tr 구조를 가진다.

즉, 도시한 회로에서 하나의 단위 픽셀(100)은, 애노드가 접지 전압에 연결되고, 캐소드가 하기 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M11) 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M21)에 연결된 하나의 포토다이오드(PD); 상기 포토다이오드(PD)에 축적된 전하를 하기 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)으로 전달하기 위한 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M11); 상기 제 1트랜스퍼 트랜지스터(M11)에 연결되어서 상기 포토다이오드(PD)로부터 전달 받은 전하를 저장하는 제 1 플로팅 확산영역(FD1); 상기 제1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)을 리셋하기 위한 제1 리셋 트랜지스터(M13); 상기 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)의 전기적 특성을 검출하기 위한 제1 액티브 트랜지스터(M15); 상기 제1 액티브 트랜지스터(M15)의 검출값의 외부로 출력하기 위한 제1 어드레싱 트랜지스터(M17); 상기 포토다이오드(PD)에 축적된 전하를 하기 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)으로 전달하기 위한 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M21); 상기 제 2트랜스퍼 트랜지스터(M21)에 연결되어서 상기 포토다이오드(PD)로부터 전달 받은 전하를 저장하는 제 2 플로팅 확산영역(FD2); 상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)을 리셋하기 위한 제2 리셋 트랜지스터(M23); 상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)의 전기적 특성을 검출하기 위한 제2 액티브 트랜지스터(M25); 및 상기 제2 액티브 트랜지스터(M25)의 검출값의 외부로 출력하기 위한 제2 어드레싱 트랜지스터(M27)로 이루어질 수 있다.

다른 구현에서는, 상기 수광 소자로서 포토트랜지스터 등을 적용할 수 있으며, 상기 센싱 회로로서, 리셋 트랜지스터, 액티브 트랜지스터 및 어드레싱 트랜지스터로 이루어진 3-Tr 센싱 구조를 적용할 수 있다.

도시한 센싱 회로를 구성하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M11)의 드레인(또는 소스)과 제 1 액티브 트랜지스터(M15)의 게이트가 형성된 반도체 기판 상의 레이어에는, pn 정션(junction) 커패시턴스(capacitance)에 의해 플로팅 디퓨젼 영역(FD1, FD2)이라는 전하 저장 영역이 형성될 수 있다.

상기 하나의 수광 소자에 대하여 2개의 센싱 회로들(110, 130)을 적용한 것은, 이미지 센서의 감도의 범위(특히, 동적 범위)를 넓히기 위한 것으로, 상기 2개의 센싱 회로들(110, 130)의 규격을 서로 다르게 하여 서로 다른 감도 범위를 가지게 하는 방법 및/또는 상기 2개의 센싱 회로들(110, 130)에 서로 다른 노출시간을 부여하여 서로 다른 감도 범위를 가지게 하는 방법을 이용할 수 있다.

이중 전자의 방법을 간략히 설명하면 다음과 같다. 예컨대, 4-Tr 센싱 구조를 가지는 2개의 센싱 회로의 경우, 상기 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)과 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)의 커패시턴스를 서로 다르게 하거나, 상기 제1 액티브 트랜지스터 및 제2 액티브 트랜지스터의 소스 팔로워(Source follower) 구동 특성을 서로 다르게 하여, 상기 2 센싱 회로의 감도 범위를 서로 다르게 할 수 있다.

다음, 보다 복잡한 후자의 방법에 대하여 설명하겠다.

후자의 방법을 적용한 픽셀(100)은 하나의 영상 프레임을 위한 셔터링 구간 동안 포토다이오드(PD)에 축적되는 전자를 복수 개(K)의 처리부가 복수 개의 구간으로 나누어 셔터링하고 샘플링함으로써, 빛에 반응하는 픽셀 감도의 동적 범위를 넓힐 수 있다.

상기 방법이 적용된 이미지 센서의 각 픽셀은, 셔터링에 의해 획득한 신호를 읽어가는 샘플링 과정을 별도의 회로를 통해 수행하는 것과 더불어, 처리부의 개수(K)만큼의 출력 신호선을 구비하여 샘플링 신호의 출력이 동시에 이루어지도록 한다.

도 1은 2 개의 처리부를 포함하고, 2 개의 처리부에 대응되는 2개의 출력 신호선을 구비한 예(K=2)이다. 즉, 도 1에 도시한 씨모스 이미지 센서는 하나의 포토다이오드(PD)에 대하여 2개의 센싱 회로들(110, 130)이 부여되는데, 상기 2개의 센싱 회로들(110, 130)은 각각 하나의 출력 신호선(SL1, SL2)에 대하여 센싱된 신호를 출력한다. 구체적으로, 상기 제1 센싱 회로(110)는 제1 출력 신호선(SL1)에 연결되고, 상기 제2 센싱 회로(130)는 제2 출력 신호선(SL2)에 연결된다.

제1 센싱 회로(110) 및 제2 센싱 회로(130)는 동일한 회로 구조를 가지는 것이 바람직하나, 서로 다른 회로 구조를 가질 수도 있다. 후자의 경우 예컨대, 제1 센싱 회로는 4-Tr 센싱 구조를 가지고, 제2 센싱 회로(130)는 3-Tr 센싱 구조를 가질 수 있다.

도 1의 제1 센싱 회로(110) 및 제2 센싱 회로(130)는 4-Tr 구조의 예를 제시하고 있다.

도시한 제1 센싱 회로(110)는 제1 플로팅 디퓨젼(Floating Diffusion) 영역(FD1), 제1 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(이하, '트랜스퍼 트랜지스터'라 약칭함)(M11), 제1 리셋 트랜지스터(M13), 제1 소스 팔로워(Source Follower) 구동 방식의 액티브 트랜지스터(이하, '액티브 트랜지스터'라 약칭함)(M15) 및 제1 어드레싱 트랜지스터(M17)로 이루어질 수 있다.

제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)은 포토다이오드(PD)에서 전달받은 전하(전자)를 저장하며, 저장한 전하량에 따라서 그 전압이 변화하는 특성을 띤다.

제1 트랜스퍼 트랜지스터(M11)는 포토다이오드(PD)와 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1) 사이에 연결되며, 트랜스퍼 게이트(Transfer Gate) 신호(tx1)에 의해 동작하여 포토다이오드(PD)에 생성된 전하를 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)으로 전달한다.

제1 리셋 트랜지스터(M13)는 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)과 전원전압(VDD) 사이에 연결되며, 리셋 신호(rst1)에 의해 동작하여 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)의 전압을 리셋시킨다. 제1 액티브 트랜지스터(M15)는 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)의 전압을 게이트 단자로 입력 받아서 소스(Source) 단자로 증폭된 신호 v1을 출력한다. 제1 어드레싱 트랜지스터(M17)는 어드레스 신호(ad1)에 의해 동작하여, 제1 액티브 트랜지스터(M15)의 소스 단자를 제1 출력 신호선(SL1)에 연결하여 검출 신호(v1)를 출력한다.

제1 센싱 회로(110)와 동일한 구조를 가지는 제2 센싱 회로(130)는, 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2), 트랜스퍼 게이트 신호(tx2)에 의해 동작하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M21)와, 리셋 신호(rst2)에 의해 동작하는 제2 리셋 트랜지스터(M23)와, 소스 팔로워로 동작하여 검출 신호(v2)를 출력하는 제2 액티브 트랜지스터(M25)와 및 어드레스 신호(ad2)에 의해 동작하여 검출 신호(v2)를 제2 출력 신호선(L2)에 전달하는 제2 어드레싱 트랜지스터(M27)를 포함한다. 도 1의 예에 따른 제2 센싱 회로(130)의 각 트랜지스터(M21 내지 M27)는 제1 센싱 회로(110)의 각 트랜지스터(M11 내지 M17)에 대응되며 별도로 언급하는 사항을 제외하고는 동일하게 설명될 수 있다.

제1 출력 신호선(SL1)과 연결되어 있는 제1 전류원(I1)은 제1 액티브 트랜지스터(M15)와 함께 소스 팔로워 증폭기를 형성하며, 제2 출력 신호선(SL2)과 연결되어 있는 제2 전류원(I2)은 제2 액티브 트랜지스터(M25)와 함께 소스 팔로워 증폭기를 형성한다.

이상에서 설명된 도 1의 구성을 가지는 픽셀(100)들이 메트릭스를 형성하면서 본 발명의 씨모스 이미지 센서를 형성하게 된다. 도 2는 그 일 예로서, 도 1의 픽셀을 단위 픽셀로 하여 이루어진 Nr × Nc 메트릭스의 씨모스 이미지 센서(200)이다.

예컨대, 제1 출력 신호선(SL1)으로 출력되는 검출 신호(v1)는 상대적으로 짧은 노출 시간 동안 획득된 이미지 값이며, 제2 출력 신호선(SL2)으로 출력되는 검출 신호(v2)는 상대적으로 긴 노출 시간 동안 획득된 이미지 값일 수 있다. 이 경우, 조도가 높은 환경에서 촬영이 수행되는 경우에는 상기 검출 신호(v1)가 유용하며, 조도가 낮은 환경에서 촬영이 수행되는 경우에는 상기 검출 신호(v2)가 유용하다.

도 2는 하나의 단위 픽셀에 2개의 출력 신호선들(SL1, SL2)이 연결되는 구조를 가진 이미지 센서의 픽셀 메트릭스 구조를 도시한다.

도 2를 참조하면, 각 단위 픽셀(100)은 열(Column)마다 별도로 마련된 2 개의 제1 출력 신호선(SL1) 및 제2 출력 신호선(SL2)과 연결되며, 행(row)마다 마련된 제어신호선(CLs)과 연결된다. 하나의 컬럼에 두 개의 제1 출력 신호선(SL1) 및 제2 출력 신호선(SL2)를 포함하므로, Nc 개 열의 이미지 센서의 경우, Nc × 2 개의 출력 신호선을 포함한다.

제어신호선(CLs)은, 트랜스퍼 게이트 신호(tx1, tx2)와, 리셋 신호(rst1, rst2)와, 어드레스 신호(ad1, ad2)를 공급하며, 각 행의 단위 픽셀들에 공통된다. 제어신호선(CLs)은 이미지 센서(200)의 특정 행(row)을 지정하여 해당 행의 단위 픽셀들을 제어한다.

부가적으로 씨모스 이미지 센서(200)는 도 2와 같이 Nv개의 수직 블랭크(Vertical Blank) 및 Nh 개의 수평 블랭크(Horizontal Blank)를 더 포함할 수 있다. 수직 블랭크 및 수평 블랭크는 시간에 따른 이미지 센서의 동작 상의 필요에 따라 삽입하는 가상의 픽셀 어레이로서 물리적 실체가 없이 클럭 카운팅(Clock Counting)만 할당된다. 예를 들어서 수평 블랭크는 픽셀 어레이의 한 개의 행(Row)에 해당하는 동작 시간을 조절하고, 수직 블랭크는 한 개의 프레임에 해당하는 시간을 조절하는 데 사용된다.

본 실시예의 단위 픽셀(100)이 포토다이오드(PD)를 통해 이미지 신호를 획득하는 과정은 셔터링 동작과 셔터링에 의해 획득한 신호를 읽어오는 샘플링 과정을 포함한다.

다른 구현의 이미지 센서를 구성하는 하나의 단위 픽셀은, 3개 이상 복수 개의 센싱 회로들을 구비할 수 있으며, 한 개 영상 프레임을 위한 셔터링 구간은 상기 센싱 회로들의 개수에 대응되는 복수 개의 구간으로 나누어진다. 셔터링은 각 처리부에 의해 복수 개 구간별로 별도로 이루어진다. 나아가 상기 이미지 센서는 열(Column) 마다 각 처리부의 개수 만큼의 출력 신호선들을 구비하여 동시에 샘플링하거나, 또는 하나의 출력 신호선을 구비하여 순차적으로 샘플링할 수 있다.

도 1의 픽셀(100)은 2개의 처리부(110, 130)를 포함하고 있으므로, 한 개 영상 프레임의 노출누적시간은 제1 노출누적시간(Exposure Integration Time)(T1) 및 제2 노출누적시간(T2)으로 구분된다. 제1 노출누적시간(T1)은 제1 센싱 회로(110)를 위한 노출누적시간이고, 제2 노출누적시간(T2)는 제2 센싱 회로(130)를 위한 노출누적시간에 해당한다. 넓은 동적범위의 이미지 센싱을 위해, 제1 노출누적시간(T1)과 제2 노출누적시간(T2)의 차이는 크게 설정되는 것이 바람직하다.

제1 센싱 회로(110) 및 제2 센싱 회로(130)는 각각의 노출 누적시간 동안 빛에 노출된 포토다이오드(PD)에 축적된 전자들의 개수에 비례하는 출력 전압신호 V1과 V2를 동시에 제1 출력 신호선(SL1)과 제2 출력 신호선(SL2)으로 출력한다. 픽셀(100)로부터 동시에 출력된 검출 신호들(v1, v2)은, 각각 아날로그 디지털 컨버터 ADC1(미도시)과 ADC2(미도시)에게 전달되어, 픽셀(100)의 디지털 영상 신호 값들로 변환된다.

도 1의 씨모스 이미지 센서(100)는 글로벌 셔터링(Global shuttering) 방식 또는 롤링 셔터링(Rrolling shuttering) 방식으로 이미지 획득을 수행할 수 있다.

이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여, 이중 노출누적에 의한 본 발명의 이미지 센서(200)의 검출 신호 획득 동작을 설명한다. 도 3 및 도 4는 롤링 셔터링 동작의 설명에 제공되는 타이밍 다이어그램이고, 도 5는 글로벌 셔터링 동작의 설명에 제공되는 타이밍 다이어그램이다.

도 3 내지 도 5의 타이밍 다이어그램은 도 1의 픽셀(100)이 N형 트랜지스터로 구현된 경우의 예이다. 나아가 이하에서는, N형 트랜지스터를 기준으로 각 신호 tx1, tx2, rst1, rst2, ad1 및 ad2가 해당 트랜지스터를 턴 온(Turn On)시킬 때의 전압을 '논리 하이(High)'라 하고, 턴 오프(Turn Off) 시킬 때의 전압을 '논리 로우(Low)'라 한다. 당연히, 도 1의 픽셀(100)이 P형 트랜지스터로 구현될 경우, 해당 트랜지스터가 턴 온되기 위해서 신호는 논리 로우가 되어야 할 것이다.

먼저 도 3을 참조하여, 롤링 셔터링(rolling shuttering )방식의 동작방법의 일 실시예를 설명하겠다.

롤링 셔터링 방식에서, 셔터링 동작과 리딩 동작은, 한 행씩 순차적으로 진행된다. 예를 들어서 제i+1 행(Row i+1)의 모든 동작들(셔터링 및 샘플링)은 제i 행(Row i)의 모든 동작들과 동일하되, 다만 동일한 시간적 차이를 두고 후행(後行)된다.

제 i행(Row i)의 신호를 외부로 출력해서 읽는 시각을 t(i, read)라고 가정한다. t(i, reset PD) 시각에서, 리셋 신호(rst1)가 하이인 상태에서 트랜스퍼 게이트 신호(tx1)가 하이로 변함에 따라, 상기 포토다이오드(PD)에 축적된 전하를 제거하는 동작(즉, 포토다이오드에 대한 리셋)이 수행된다. 다음, t(i, read)-T1-T2 시각에서 트랜스퍼 게이트 신호(tx1)가 로우로 변함에 따라 포토다이오드(PD)는 센싱 회로(110)와 단절되어 광전 변환에 따른 전자들을 축적하기 시작한다.

t(i, read)-T2에 도달하기 전, 리셋 신호(rst1)가 논리 로우로 변함에 따라, 제1 센싱 회로(110)의 제1 리셋 트랜지스터(M13)가 턴 오프되어 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)이 플로팅되고, 트랜스퍼 게이트 신호(tx1)에 의해 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M11)가 턴 온되어 제1 노출누적시간(T1) 동안 포토다이오드(PD)에 의해 누적된 광변환 전하를 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)으로 전달한다. 이후, t(i, read)-T2에서, 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M11)가 다시 턴 오프되어 포토다이오드(PD)와 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)이 서로 차단된다. 이로써, 제1 노출누적시간(T1) 동안 누적된 광변환 전하가 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 저장된다.

t(i, read)-T2 시각부터 t(i, read)-d 시각까지 tx1 및 tx2가 로우를 유지한다. 그 후 t(i, read)-d부터 t(i, read)까지 tx2를 하이로 하여 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M21)가 턴 온시킴으로써 포토다이오드(PD)에 축적된 전하를 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)으로 전달한다. 그 결과, t(i, read) 시각에서, 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)은 제2 노출누적시간(T2) 동안 포토다이오드(PD)에서 축적된 광변환 전하를 저장하게 된다. 즉, 제2 노출누적시간(T2)에 따른 제2 센싱 회로(130)의 셔터링 과정이 t(i, read)에서 완료된다.

도면에서, 각 트랜스퍼 트랜지스터(M11, M21)가 턴온되기 전까지의 각 센싱 회로의 노출누적시간(T1, T2) 동안, 각 리셋 트랜지스터(M13, M23)를 턴 온시키고 있다. 이는 상기 포토다이오드(PD)로부터 전하를 전달받기 전에 각 플로팅 디퓨젼 영역(FD1, FD2)의 전하를 제거(즉, 플로팅 디퓨젼 영역에 대한 리셋)하기 위함이다.

또한, 위의 셔터링 과정에서 제 1 센싱회로의 트랜스퍼 트랜지스터(M11)의 오프시 게이트 신호 tx1의 전압을 제 2 센싱회로의 트랜스퍼 트랜지스터(M21)의 오프시 게이트 신호 tx2의 전압보다 낮게 설정함으로써, 제 1 셔터링 후에 제 2 노출 누적시간(T2) 동안 포토다이오드(PD)가 넘칠 경우에도 제 1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)에 저장하여 놓은 정보가 훼손되지 않도록 할 수 있다.

위의 셔터링 과정에서 제 1 센싱회로의 트랜스퍼 트랜지스터(M11)의 오프시 게이트 신호 tx1의 전압을 제 2 센싱회로의 트랜스퍼 트랜지스터(M21)의 오프시 게이트 신호 tx2의 전압보다 낮게 설정함으로써 제 1 셔터링 후에 제 2 노출 누적시간동안 포토다이오드(PD)가 넘칠 경우에도 제 1 플로팅 디퓨전에 저장하여 놓은 정보가 훼손되지 않도록 할 수 있다.

예컨대, 제1 노출누적시간(T1) 보다 제2 노출누적시간(T2)이 더 긴 경우, 제2 노출누적시간에 축적된 광변환 전하가 포토다이오드에서 넘치더라도, 제1 센싱회로(110)의 출력 신호의 왜곡을 방지할 수 있다.

이미지 센서(100)의 각 행에서의 롤링 셔터링은 셔터링 동작과 출력 신호를 읽어가는 리딩(샘플링) 동작이 일련의 동작으로 연속적으로 이루지는 특징을 가지고 있으며, 이점이 신호를 읽어가는 동작이 셔터링 동작과 분리되는 글로벌 셔터링과 다르다.

이하, 신호의 리딩 과정을 구체적으로 살펴보겠다. 제 1 센싱회로의 이중 샘플링(Double Sampling) 과정을 서술하면 아래와 같다.

t(i, read)에 도달하기 전 t(i, read)-ta에서, 제1 센싱 회로(110)의 제1 어드레싱 트랜지스터(M17)가 어드레싱 신호(ad1)에 의해 턴 온되어 제1 액티브 트랜지스터(M15)의 출력 단자를 제1 출력 신호선(SL1)에 연결시킨다. 리셋 신호(rst1)는 여전히 논리 로우 상태이므로, 이미 플로팅되어 포토다이오드(PD)로부터 전달받은 전하에 의해 형성된 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)의 전압이 제1 액티브 트랜지스터(M15)에 의해 증폭되고, 증폭된 전압(V1(a))가 tb 구간동안 제1 출력 신호선(SL1)으로 출력된다. 상기 동작은 리셋 신호(rst1)가 논리 하이 상태가 되는 t(i, read)-ta 시각 이전에 종료된다.

그리고 t(i, read)에서 리셋 신호(rst1)가 논리 하이상태로 전환됨에 따라, 제1 리셋 트랜지스터(M13)에 의해 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)이 리셋된다. 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)의 리셋 전압이 제1 액티브 트랜지스터(M15)에 의해 증폭되고, 증폭된 전압 V1(b)가 tc 구간동안 제1 액티브 트랜지스터(M15)를 통하여 제1 출력 신호선(SL1)으로 출력된다. 이러한 이중 샘플링 (Double Sampling) 과정을 통해 전압들(V1(a), V1(b))이 출력되는 동안, 어드레싱 신호(ad1)는 논리 하이를 유지한다.

상기 전압들(V1(a), V1(b)) 전압을 입력받은 아날로그 디지털 컨버터는 전압들(V1(a), V1(b))의 차이값(V1(b)-V1(a))을, 제1 노출누적시간(T1)에 대한 상기 단위 픽셀(100) 위치의 디지털 영상 신호 값으로 결정한다.

한편, 제2 센싱 회로(130)는 제1 센싱 회로(110)의 전압들(V1(a), V1(b))과 동시에 자신의 전압들(V2(a), V2(b))을 제2 출력 신호선(SL2)으로 출력할 수 있다.

제2 센싱회로(120)의 상관이중샘플링(Correlated Double Sampling)과정을 기술하면 아래와 같다.

어드레싱 신호(ad2)는 어드레싱 신호(ad1)가 논리 로우에서 하이로 변하는 시점에서 함께 논리 하이로 변하지만, 제2 노출누적시간(T2)이 종료되지 않았으며, 리셋 신호(rst2)는 논리 하이를 유지한다. 이에 따라, 제2 센싱 회로(130)의 제2 어드레싱 트랜지스터(M27)는 턴 온되어 제2 액티브 트랜지스터(M25)의 출력 단자를 제2 출력 신호선(SL2)에 연결시킴으로써 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)의 전압 (V2(a))를 tb시간동안 제2 출력 신호선(SL2)으로 출력한다. 이때, 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)의 전압(V2(a))은 전하들이 제거된 리셋 전압을 띠게 되며, 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)과 단절된 포토다이오드(PD)는 광변환 전하의 축적을 계속한다.

이후 t(i, read)-ta+tb에서 리셋신호 rst2가 논리 하이에서 로우상태로 변함에 따라 제2 리셋 트랜지스터(M23)이 턴 오프되어 제2 플로팅 디퓨젼(FD2)를 플로팅시킨 다음, 제2 트랜스퍼 게이트(M21)가 턴 온되어 t(i, read)까지 포토다이오드(PD)와 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)을 연결하여, 제2 노출누적시간(T2) 동안 포토다이오드(PD)에 축적된 광변환 전하를 제2 플로팅 디퓨젼(FD2)으로 전달한다.

광변환 전하를 전달받은 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)의 전압(V2(b))는 t(i, read)부터 t(i, read)+tc 구간동안 제2 액티브 트랜지스터(M25)에 의해 증폭되어 제2 출력 신호선(SL2)으로 출력된다.

상기 전압들(V2(a), V2(b))을 입력받은 아날로그 디지털 컨버터는 전압들(V2(a), V2(b))의 차이값(V2(a)-V2(b))을, 제2 노출누적시간(T2)에 대한 상기 단위 픽셀(100) 위치의 디지털 영상 정보 값으로 결정한다.

도 4는 롤링 셔터링(rolling shuttering )방식의 동작 방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 타이밍도이다.

도 3의 동작 방법과 다른 점은 노출누적시간 T1과 노출누적시간 T2 사이에 시간적 간격 ΔT가 있는 점이다. 즉, 첫번째 노출누적을 마친 후 두번째 노출누적전 시간 간격 ΔT 동안 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M21)와 제2 리셋 트랜지스터(M23)를 턴 온상태로 전환하여, 포토다이오드(PD)를 리셋시킨다. 이어서 제2 트랜스퍼 트랜지스터(M21)를 턴 오프 상태로 전환하여 포토다이오드(PD)를 단절시킴으로써 두 번째 노출누적을 시작한다.

상기 시간 간격 ΔT를 제외하고는 상기 도 3의 동작 방법과 유사하므로, 중복되는 상세 설명은 생략한다.

다음, 도 5를 참조하여 글로벌 셔터링(global shuttering) 방식의 동작을 설명하겠다. 글로벌 셔터링 방식에 의하면, 셔터링 동작은 전체 픽셀 어레이에 대하여 동시에 수행된다. 셔터링 동작 후의 리딩 과정은 한 행(row)씩 순차적으로 수행된다.

도 5는 글로벌 셔터링 방식으로 동작하는이미지 센서를 위한 제어 신호들의 타이밍을 도시한다.

픽셀들의 신호들을 읽는 시각을 t(read) 라고 가정한다. t(reset PD) 시각에서, 모든 픽셀에 대한 리셋 신호(rst1)가 하이인 상태에서 트랜스퍼 게이트 신호(tx1)가 하이로 변함에 따라서, 상기 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하를 제거하는 동작(즉, 포토 다이오드에 대한 리셋)이 수행된다. 다음, t(i, read)-T1-T2-ΔT 시각에서 트랜스퍼 게이트 신호(tx1)가 로우로 변함에 따라 포토다이오드(PD)는 센싱 회로와 차단되어 광전 변환에 따른 전하를 축적하기 시작한다.

t(read)-T2-ΔT-d1 에 도달하기 직전, 리셋 신호(rst1)가 논리 로우로 변함에 따라, 제1 센싱 회로(110)의 제1 리셋 트랜지스터(M13)가 턴 오프되어 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)이 플로팅되고, 트랜스퍼 게이트 신호(tx1)에 의해 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M11)가 구간 d1 동안 턴 온되어 제1 노출누적시간(T1) 동안 포토다이오드(PD)에 의해 누적된 광변환 전하를 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)으로 전달한다. 이후, t(read)-T2-ΔT 에서, 제1 트랜스퍼 트랜지스터(M11)가 다시 턴 오프되어 포토다이오드(PD)와 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)이 서로 차단된다. 이로써, 제1 노출누적시간(T1) 동안 축적된 광변환 전하가 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 저장된다.

제 2 노출누적시간(T2) 동안 포토다이오드(PD)에 광변환 전하를 축적한 후에 제 2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)으로 옮겨서 저장하는 과정을 서술한다.

t(read)-T2-d3 시각부터 t(read)-T2 시각까지 트랜스퍼 게이트 신호 tx2를 하이로 유지함으로써 트랜스퍼 트랜지스터(M21)을 턴 온한다. 이때 포토다이오드(PD)가 다시 리셋된다. 이어서 트랜스퍼 트랜지스터(M21)을 턴 오프되고 포토다이오드(PD)는 다시 광변환 전하를 축적하기 시작한다. t(read)-d2 시각 직전에 리셋 신호(rst2)를 로우로 하여 리셋 트랜지스터(M23)를 턴 오프하여 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)를 플로팅시킨다. 이어서 트랜스퍼 트랜지스터(M21)을 t(read)-d2부터 t(read)까지 턴 온하여 포토다이오드(PD)에 축적된 전하를 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)으로 전달한다. 다시 트랜스퍼 트랜지스터(M21)을 t(read)에서 턴 오프한다. 이로써 디퓨젼 영역(FD2)은 제2 노출누적시간(T2) 동안 포토다이오드(PD)에서 축적된 광변환 전하를 저장하게 된다. 위와 같이하여 제 1 노출누적시간(T1) 및 제2 노출누적시간(T2)에 따른 셔터링 과정이 t(read)에서 완료된다. 도면에서는 제1 노출누적시간(T1)과 제2 노출누적시간(T2) 사이에 시간 간격(ΔT)를 두었다. 다른 구현에서는 제1 노출누적시간(T1)과 제2 노출누적시간(T2)이 바로 이어서 진행될 수도 있다.

상술한 바와 같은 셔터링 동작이 이미지 센서(200)의 제i 행(Row i) 및 제i+1 행(Row i+1)을 포함하는 모든 픽셀에 대하여 동시에 수행된다. 즉 모든 픽셀의 포토다이오드가 동시에 신호전자들을 축적하고 축적된 광변환 전하들이 동시에 플로팅 디퓨젼으로 전달되어 저장됨으로써, 글로벌 셔터링이 이루어진다.

위의 셔터링 과정에서 제 1 센싱회로의 트랜스퍼 트랜지스터(M11)의 오프시 게이트 신호 tx1의 전압을 제 2 센싱회로의 트랜스퍼 트랜지스터(M21)의 오프시 게이트 신호 tx2의 전압보다 낮게 설정함으로써 제 1 셔터링 후에 제 2 노출 누적시간동안 포토다이오드(PD)가 넘칠 경우에도 제 1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)에 저장하여 놓은 정보가 훼손되지 않도록 할 수 있다.

예컨대, 제1 노출누적시간(T1) 보다 제2 노출누적시간(T2)이 더 긴 경우, 제2 노출누적시간에 축적된 광변환 전하가 포토다이오드에서 넘치더라도, 제1 센싱회로(110)의 출력 신호의 왜곡을 방지할 수 있다.

이하에서는, 글로벌 셔터링에서의 이중 샘플링에 의한 리딩 과정을 설명한다. 도면에서는 영상 프레임에 대한 리딩 동작의 시작 시각인 t(read)부터, Nr개의 행이 순차적으로 한 행씩 동작하면서 출력 신호를 읽는다. 다만, 각 행에 속한 모든 컬럼의 픽셀들에 대하여 평행적으로 동시에 출력신호를 읽을 수 있다. 도면에서는 t(read) 시각으로부터 소정 시간 경과한 후에 먼저 제i 행(Row i)에 대한 리딩 동작이 수행되고, 다음에 제i+1 행(Row i+1)에 대한 리딩 동작이 수행됨을 보여준다.

제1 센싱 회로(110)의 제1 어드레싱 트랜지스터(M17)가 어드레싱 신호(ad1)에 의해 턴 온되어 제1 액티브 트랜지스터(M15)의 출력 단자를 제1 출력 신호선(SL1)에 연결시킨다. 이에 따라, 상기 광변환 전하를 전달받은 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)의 전압이 제1 액티브 트랜지스터(M15)에 의해 증폭되고, 증폭된 전압 V1(a)가 제1 출력 신호선(SL1)으로 출력된다.

이어서 리셋 신호(rst1)가 다시 논리 하이 상태로 됨에 따라 제1 리셋 트랜지스터(M13)가 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)을 리셋하게 되고, 리셋된 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)의 전압(V1(b))도 제1 액티브 트랜지스터(M15)를 통하여 제1 출력 신호선(SL1)으로 출력된다.

이러한 이중 샘플링 (Double Sampling) 과정을 통해 전압들(V1(a), V1(b))이 출력되는 동안, 어드레싱 신호(ad1)는 논리 하이를 유지한다. 상기 전압들(V1(a), V1(b))을 입력받은 아날로그 디지털 컨버터는, 이중 샘플링을 적용하여, 전압들(V1(a), V1(b))의 차이값(V1(a)-V1(b))을, 제1 노출누적시간(T1)에 대한 상기 단위 픽셀(100) 위치의 디지털 영상 신호 값으로 결정한다.

제2 센싱 회로(130)의 이중 샘플링에 의한 디지털 영상 신호화 과정은 제1 센싱 회로(110)와 동시에 병렬적으로 처리된다. 다시 말해, 샘플링을 하는 동안 리셋 신호(rst2)와 어드레싱 신호(ad2)는 리셋 신호(rst1) 및 어드레싱 신호(ad1)와 동일한 상태 변화를 가진다. 이에 따라, 제1 센싱 회로(110)의 샘플링 동작과 동시에 병렬적으로, 제2 플로팅 디퓨젼 영역(FD2)의 전압들(V2(a), V2(b))로 이중 샘플링되어 제2 출력 신호선(SL2)에 전달한다. 따라서 신호처리를 진행하는 시간을 단축시키는 이점이 있다.

마찬가지로, 아날로그 디지털 컨버터는 이중 샘플링을 적용하여, 전압들(V2(a), V2(b))의 차이값(V2(b)-V2(a))을 제2 노출누적시간(T2)에 대한 상기 단위 픽셀(100) 위치의 디지털 영상 신호 값으로 결정한다.

이상의 리딩 과정은 각 행에 속하는 픽셀 전체에 대해 동시에 이루어진다. 따라서 도 3과 같이 제i 행(Row i)의 리딩 과정이 완료되면, 바로 제i+1 행(Row i+1)의 이중 샘플링이 수행된다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀 회로도로서, 도 1의 제1 출력 신호선(SL1) 및 제2 출력 신호선(SL2)을 대신하여 하나의 출력 신호선(SL)이 구비된 예이다.

대신에, 제1 어드레싱 트랜지스터(M17)과 위상 차 없이 동기되어 동작하는 제1 스위치(SW1)가 출력신호선(SL)과 아날로그 디지털 컨버터 ADC1(미도시) 사이에 마련되고, 제2 어드레싱 트랜지스터(M27)과 위상 차 없이 동기되어 동작하는 제2 스위치(SW2)가 출력신호선(SL)과 아날로그 디지털 컨버터 ADC2(미도시) 사이에 구비된다.

도 6의 예는 도 1처럼 단위 픽셀에 연결되는 출력 신호선이 두 개인 경우와 비교하여 픽셀 어레이의 면적이 줄어드는 효과가 있다. 그러나 두 개의 검출 신호들(v1, v2)을 단위 픽셀로부터 완전히 동시에 병행하여 출력하지 못하고 약간의 시간 차이를 두고 처리해야 한다.

또 다른 실시예에 따라, 도 6의 예에서 하나의 출력 신호선(SL)과 하나의 아날로그 디지털 컨버터를 구비하면서 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)를 포함하지 아니할 수 있으며, 도 7은 그 예이다.

단위 픽셀(100)로부터 나오는 두 개의 신호는 제1 어드레싱 트랜지스터(M17)와 제2 어드레싱 트랜지스터(M27)에 동시에 동작하지 아니하고 시간을 나누어 순차적으로 하나의 아날로그 디지털 컨버터에 연결된다. 이러한 구조를 이용하면 픽셀 어레이 면적과 신호처리 회로 부분의 면적을 줄일 수가 있다. 그러나 한 행에 할당된 시간을 둘로 나누어서 픽셀로부터 나오는 두 개의 신호처리에 사용해야 하는 시간상의 신호처리 속도에 부담이 있다.

도 8은 도 7의 씨모스 이미지 센서를 구동하는 제어 신호들의 타이밍을 도시한다. 도 8에서는 i 열에 대해서만 나타내었는데, 글로벌 셔터링을 적용한 경우 나머지 열도 i 열과 동일한 타이밍의 제어 신호들을 인가받으며, 롤링 셔터링을 적용한 경우 나머지 열과 i 열은, 동일한 패턴이 서로 순차적으로 형성된 제어 신호들을 인가받는다.

셔터링 구간에서는, 도 5와 유사한 과정으로 셔터링 동작이 수행되며, 리딩 구간에서는, 도 5와 유사하나 제1 센싱 회로(116)에 대한 제어 신호들과 제2 센싱 회로(136)에 대한 제어 신호들이 순차적으로 진행됨에 도 5와 차이가 있다. 즉, 제1 센싱 회로(116)에 대한 리딩 동작을 위한 제어 신호들은 t(i, read1) 시점부터 활성화되며, 제2 센싱 회로(136)에 대한 리딩 동작을 위한 제어 신호들은 t(i, read2) 시점부터 활성화된다. 상기 제어 신호들에 의한 리딩 동작은, 도 5의 설명에서 용이하게 유추가능하므로 중복되는 설명을 생략하겠다.

도 9는 4개의 처리부(110 내지 170)를 포함하는 단위 픽셀(700)의 예이다. 각 처리부(110 내지 170)는 4개의 노출누적시간 T1, T2, T3 및 T4에 해당하는 신호 전자들을 4개의 플로팅 디퓨젼(FD1, FD2, FD3, FD4)에 각각 저장하고, 이에 해당하는 전압 신호들을 외부로 출력할 수 있다. 본 픽셀 구조는 글로벌 셔터링 및 롤링 셔터링 방식의 동작 모두가 가능한 구조이다.

도 10은 본 실시예에 따른 이미지 센서를 칼럼 병렬(Column-parallel) 방식으로 구동하는 이미지 센서 블록을 도시한다.

도시한 칼럼 병렬 방식의 씨모스 이미지 센서 블록은, 본 실시예에 따른 단위 픽셀들로 이루어진 액티브 픽셀 센서 어레이(active pixel sensor array)(11), 상기 단위 픽셀들이 센싱한 값들을 디지털 영상 신호로 변환하기 위한 CDS/ADC(12), 데이터 버퍼(13), 램프(ramp) 신호 발생기(14), 상기 단위 픽셀들의 동작을 제어하기 위한 로우 드라이버(row driver)(15), 및 상기 로우 드라이버(15) 및 CDS/ADC(12)의 동작 타이밍을 제어하는 타이밍 제어신호 발생기(16)를 구비할 수 있다.

액티브 픽셀 센서 어레이(11)는 본 실시예에 따른 8개 트랜지스터와 하나의 포토다이오드를 구비한 단위 픽셀들의 어레이로 이루어질 수 있다. 즉, 도 1, 도 6, 도 7 및 도 9 중 어느 하나의 단위 픽셀들을 구비할 수 있으며, 또는 도 2의 픽셀 메트릭스를 구비할 수 있다.

도면의 CDS/ADC(12)는, 각 로우(row)마다 모든 칼럼들이 동시에 아날로그-디지털 변환 기능을 수행하는 방식을 위한 싱글 슬로우프(single-slope) ADC를 적용하였다.

CDS/ADC 회로(12)는 램프신호를 이용하여 픽셀 센서 어레이(11)의 출력신호를 상관 이중 샘플링(correlated double sampling)하여 디지털 신호로 변환할 수 있으며, 다수개의 스위치들, 커패시터들, 및 인버터들을 구비할 수 있다. 상기 CDS/ADC 회로(12)가 이용하는 상기 램프신호는 도 10의 램프(ramp) 신호 발생기(14)에서 발생된다.

이하, 본 발명의 사상의 구현을 위한 상기 씨모스 이미지 센서 블록의 동작을 설명하겠다. 여기서, 상기 로우 드라이버(15) 및 CDS/ADC(12)의 동작은, 상기 타이밍 제어신호 발생기(16)의 타이밍 제어에 따른 것이지만, 설명의 편의를 위해, 그 동작의 주체를 상기 로우 드라이버(15) 및 CDS/ADC(12)로 하여 기술하겠다.

먼저, 도 10의 구성 요소들 중 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(11)가, 도 1 및 도 2에 도시한 실시예의 단위 픽셀(100) 및 메트릭스 구조로 구성된 경우의 동작을 설명하겠다.

도시한 로우 드라이버(15)는, 도 2의 제어 신호 버스(CLS)에 제어 신호를 인가하고, 도시한 CDS/ADC 회로(12)는, 도 2의 출력 신호선 쌍(SL1, SL2)으로부터, 검출 신호들(v1, v2)을 입력받을 수 있으며, CDS 방식으로 결정된 디지털 영상 신호들을 상기 데이터 버퍼(13)에 저장할 수 있다.

상기 데이터 버퍼(13)에 저장된 베이어(bayer) 이미지 데이터는, 각 픽셀에 대하여, 상기 제1 출력 신호선(SL1)으로 출력되는 검출 신호(v1)에 대응되는 값 및 상기 제2 출력 신호선(SL2)으로 출력되는 검출 신호(v2)에 대응되는 값이, 기재될 수 있다. 상기 베이어 데이터 이미지를 사용하는 하드웨어 및/또는 소프트웨어는 필요에 따라, 상기 검출 신호(v1)에 대응되는 값들 및 검출 신호(v2)에 대응되는 값들 중 하나를 선택하여, 최종 이미지 데이터를 구성할 수도 있다.

다음, 도 10의 구성 요소들 중 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(11)가, 도 7에 도시한 실시예의 단위 픽셀(106)로 구성된 경우의 동작을 설명하겠다. 여기서, 상기 도 7의 단위 픽셀을 구성하는 센싱 회로들(116, 136)은 서로 다른 규격을 가지는 것이 바람직하다. 예컨대, 제1 센싱 회로(116)는 저조도 환경에서 고감도에 사용하는데 적합한 규격을 가지며, 제2 센싱 회로(136)는 고조도 환경에서 저감도 저노이즈 이미지를 확보하는데 적합한 규격을 가질 수 있다.

도 10의 로우 드라이버(15)는, 도 7의 제어 신호들(tx1, tx2, rst1, rst2, ad1, ad2)을 인가하고, 도 10의 CDS/ADC 회로(12)는, 도 7의 출력 신호선(SL)으로부터, 검출 신호들을 입력받을 수 있으며, CDS 방식으로 결정된 디지털 영상 신호들을 상기 데이터 버퍼(13)에 저장할 수 있다.

도시한 타이밍 제어 신호 발생기(16)는, 씨모스 이미지 센서를 이용한 촬영이 수행되는 환경 조건을 고려하여, 도 7의 2개의 센싱 회로들(116, 136) 중 하나를 선택할 수 있다. 이 경우, 상기 선택된 센싱 회로에 대해서만 제어 신호들이 활성화될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (12)

1. 수광 소자;
   제1 플로팅 디퓨전 영역;
   상기 수광 소자에 축적된 전하를 상기 제1 플로팅 디퓨젼 영역으로 전달하기 위한 제1 트랜스퍼 트랜지스터;
   상기 제1 플로팅 디퓨전 영역을 리셋하기 위한 제1 리셋 트랜지스터;
   상기 제1 플로팅 디퓨젼 영역의 전기적 특성을 검출하기 위한 제1 액티브 트랜지스터;
   상기 제1 액티브 트랜지스터의 검출 신호를 외부로 출력하기 위한 제1 어드레싱 트랜지스터;
   제2 플로팅 디퓨전 영역;
   상기 수광 소자에 축적된 전하를 상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역으로 전달하기 위한 제2 트랜스퍼 트랜지스터;
   상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역을 리셋하기 위한 제2 리셋 트랜지스터;
   상기 제2 플로팅 디퓨젼 영역의 전기적 특성을 검출하기 위한 제2 액티브 트랜지스터; 및
   상기 제2 액티브 트랜지스터의 검출 신호를 외부로 출력하기 위한 제2 어드레싱 트랜지스터를 포함하되,
   상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터의 오프 게이트 전압과 상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터의 오프 게이트 전압이 서로 다른 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 수광 소자는,
   애노드가 접지 전압에 연결되고, 캐소드가 상기 제1 트랜스퍼 트랜지스터 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터에 연결된 포토다이오드인 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀.
   
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