KR101338589B1 - 픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서 및 그 구동 방법 - Google Patents

픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서 및 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것으로서, 특히, 기존 픽셀 어레이에 컬러 필터들의 배치만을 조절함으로써, 광감도가 개선된 새로운 컬러 필터 어레이를 제안하면서 고조도에서의 블루밍현상을 개선할 수 있다.

Description

픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서 및 그 구동 방법{PIXEL ARRAY, IMAGE SENSOR AND METHOD FOR DRIVING THEREOF}
본 발명은 픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것으로서, 특히, 기존 픽셀 어레이에 컬러 필터들의 배치만을 조절함으로써, 광감도가 개선된 새로운 컬러 필터 어레이를 제안하면서 고조도에서의 블루밍현상을 개선할 수 있는 이미지 센서의 구동 방법을 제안하도록 한다.
배이어 컬러 필터 어레이(Bayer Color filter Array)는 포토 센서의 평방 그리드에 RGB 컬러 필터를 배열하는 어레이의 일종으로서 발명자 Bryce Bayer의 이름을 따서 지어진 명칭이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 배이어 필터는 모자이크 형상의 어레이로 구성되고, RGB 컬러 필터가 25%, 50% 및 25% 의 비율로 어레이 상에 분포됨으로써 RGB 색상을 픽셀별로 감지할 수 있다. 또한, 하나의 픽셀은 필터에 따라 RGB 어느 한가지 색상만이 판별 가능하므로, 픽셀의 자체 색상은 해당 픽셀 및 주위의 다른 픽셀에서의 RGB 값을 조합한 컬러 보간(color interpolation)에 의해 획득될 수 있다. 컬러 보간 기법으로서, demosaicing 알고리즘 등이 사용될 수 있다.
한편, 배이어 컬러 필터 어레이를 구성하는 컬러 필터는 해당 컬러의 파장대에서만 입사광을 투과시키기 때문에, 광감도가 저조도에서는 매우 열악해진다. 도 1의 (b)를 참조하면, 전체 파장대를 투과하는 무색(white) 픽셀의 경우 저조도에서의 광 투과 특성(Quantumn Efficiency)이 우수하다. 따라서, 배이어 필터 어레이를 보완하기 위하여 무색 픽셀을 첨가한 컬러 필터 어레이가 다양하게 제안되었다. 이 경우 무색 픽셀의 광감도가 높기 때문에, 다른 컬러 픽셀과의 분포 비율을 조절할 필요가 있다.
한편, 무색 픽셀의 경우 광감도가 높아서 고조도의 빛이 입사되는 경우 픽셀을 구성하는 포토다이오드의 광저장 능력을 초과하여 집적된 전하가 주변 픽셀로 넘어가는, 이른바, 블루밍(blooming) 현상이 생기게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 무색 픽셀을 최적의 조합으로 배치시킴으로써 광감도가 개선된 컬러 필터 어레이를 제안하도록 한다.
본 발명은 픽셀의 구동시에 무색 픽셀들에 대한 오프 전압을 조절함으로써 고조도에서의 블루밍 현상을 방지하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 빛을 감지하는 복수의 픽셀이 행 또는 열로 배치되고, 픽셀 별로 레드, 그린, 블루 컬러 데이터 또는 무색 데이터를 출력하는 픽셀 어레이는, 컬러 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제1 행 어레이; 및 무색 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제2 행 어레이를 포함하고, 상기 제1 행 어레이 및 상기 제2 행 어레이는 교대로 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서는, 광전 변환부에서 집적된 전하를 전하 저장 영역으로 전송하는 전송 스위칭부 및 리셋 스위칭부를 포함하는 복수의 픽셀로 구성된 픽셀 어레이; 상기 픽셀 어레이의 행별로 전송 스위칭부 및 상기 리셋 스위칭부의 동작 전압을 인가하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 픽셀 어레이의 행을 구별하여 상기 전송 스위칭부 또는 상기 리셋 스위칭부에 상이한 턴-오프 신호를 인가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법은,
컬러 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제1 행 어레이; 및 무색 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제2 행 어레이가 교대로 배치되어 있는 픽셀어레이를 포함하는 이미지 센서의 구동방법은, 상기 제1행 어레이의 픽셀들의 전하 집적 구간 동안 전송 스위칭부들에 턴-오프 전압을 인가하는 단계; 및 상기 제2행 어레이에의 픽셀들의 전하 집적 기간 동안 상기 무색 데이터를 출력하는 픽셀들의 전송 스위칭부 또는 리셋 스위칭부에 상기 턴-오프 전압 레벨보다 높은 제1 전압 레벨을 인가함으로써 상기 광전 변환부와 상기 전하 저장부 사이의 전위 장벽을 낮추는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 기존 픽셀 어레이에 컬러 필터들의 배치만을 조절함으로써, 광감도가 개선된 컬러 필터 어레이를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 새로운 컬러 필터 어레이를 행 별로 오프 전압 레벨을 조절하여 무색 픽셀에 대하여 간단한 방법으로 블루밍 현상을 억제할 수 있도록 한다.
도 1의 (a)는 배이어 필터 어레이의 일례를 나타내고, 도 1의 (b)는 컬러 픽셀별 광감도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이에서 컬러 보간을 위한 컬러별 도메인을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에 따라 구동되는 픽셀의 전위도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에 따라 구동되는 픽셀의 전위도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구성에 대한 블록도를 나타낸다.
이하, 도면을 참조하며 본 발명의 일 실시예에 대해 설명한다. 본 발명에서는 새로운 컬러 필터 어레이를 제안하면서 이러한 컬러 필터 어레이로 구성되는 이미지 센서의 구동 방법에 대해 설명할 것이다. 컬러 필터 어레이는 본 발명의 픽셀 어레이를 의미할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이(10)는 빛을 감지하는 복수의 픽셀이 행 또는 열로 배치되고, 픽셀 별로 레드(R), 그린(G), 블루(B) 컬러 데이터 또는 무색(W) 데이터를 출력할 수 있다. 또한, 도 2를 참조하면, 컬러 필터 어레이(10)는, 컬러 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제1 행 어레이(11) 및 무색 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제2 행 어레이(12)를 포함하고, 제1항 어레이 및 제2행 어레이가 교대로 배치될 수 있다. 즉, 이로 인하여 제1행 어레이는 제2 행 어레이(12)를 사이에 두고 인접하여 배치될 수 있고, 마찬가지로, 제2행 어레이(12)는 제1행 어레이(11)를 사이에 두고 인접하여 배치될 수 있다.
제1행 어레이(11)는 복수의 픽셀들이 일행으로 배치되고, 레드 필터, 그린 필터, 블루 필터가 소정 순서에 따라 순차적으로 배치됨으로써, 레드, 그린, 블루 컬러 데이터를 출력하도록 할 수 있다.
제2행 어레이(12)는 컬러 필터가 배치되지 않음으로써 무색 데이터에 해당하는 이미지 신호를 출력하는 픽셀들만이 배치될 수 있다. 도 2를 참조하면, 행을 걸러서 무색 컬러 데이터를 출력하는 제2행 어레이(12)가 제1 행 어레이(11)와 교대로 배치되고 있으므로, 무색 데이터를 출력하는 픽셀들은 R, G, B 컬러 데이터를 출력하는 픽셀들과 실질적으로 동일한 비율로 존재할 수 있다. 즉, 행(ROW)을 걸러서 W 픽셀들만으로 구성되는 픽셀들이 존재함으로써, 광감도가 더욱 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 컬러 필터 어레이를 이용하여 이미지 신호를 출력하고, 각 픽셀 신호로부터 컬러 보간(color interpolation)을 수행할 필요가 있다. 이 경우에, 컬러 보간 시 생길 수 있는 폴스 컬러(false color)도 고려해야 하며, 본 발명의 컬러 필터 어레이가 폴스 컬러의 감소에도 적합한 지에 대해 도 3을 참조하며 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이에서 컬러 보간을 위한 컬러별 도메인을 나타낸다. 도 3의 (a)는 레드 컬러 픽셀(R)을 중심으로 하는 컬러 보간 수행시의 도메인을 나타낸다.
도 3의 (a)를 참조하면, 컬러 보간의 중심이 되는 레드 컬러 픽셀(P0)을 주위 영역(R0)에는 레드 컬러와 상이한 컬러 데이터를 출력하는 픽셀(B, G, W)들만이 배치되어 있다. 구체적으로 컬러 보간시 사용되는 주위 8개 픽셀들 중, 블루 컬러가 1개, 그린 컬러가 1개, 무색 컬러(W)가 6개로 배치되어 있다. 마찬가지로, 다른 레드 컬러 픽셀(P1)을 중심으로 컬러 보간을 수행하는 경우에도 주위 영역(R1) 내에 존재하는 레드 컬러와 상이한 컬러 데이터를 출력하는 픽셀들(B, G, W)만이 동일한 비율로 배치되어 있음을 알 수 있다.
즉, 컬러 보간의 수행 시 레드 컬러 데이터의 입장에서는 어떠한 픽셀을 중심으로 컬러 보간을 수행하더라도 동일한 조건하에서 컬러 보간을 수행할 수 있다. 이와 같은 컬러 보간 방식은, 다른 컬러 데이터에 대해 컬러 보간을 수행하는 경우에서도 마찬가지이다. 도 3의 (b)를 참조하면, 컬러 보간의 중심인 그린 컬러 픽셀(P2)를 중심으로 상이한 컬러 데이터(R,G,W)가 동일한 비율로 배치되어 있다. 도 3의 (c)에서도, 컬러 보간의 중심인 블루 컬러 픽셀(P3)를 중심으로 상이한 컬러 데이터(R,G,W)가 동일한 비율로 배치되어 있다.
즉, 제 1행 어레이(11)의 컬러 데이터를 출력하는 픽셀 각각은, 해당 컬러와 상이한 컬러 데이터의 픽셀들에 인접하도록 배치되고, 제2 행 어레이(12)를 사이를 두고 인접하여 배치되는 제1 행 어레이 각각은, 서로, 1 픽셀 또는 2 픽셀만큼 쉬프트되어 배치됨으로써, 특정 컬러 픽셀의 주위에는 상이한 컬러 데이터들이 동일한 분포율을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 특정 컬러 데이터를 출력하는 픽셀을 중심으로 동일한 비율로 상이한 컬러 데이터가 존재하게 됨으로써, 동일한 컬러 보간 수행식이 적용될 수 있고, 이에 따라 이미지 처리의 연산을 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 보간 대상의 픽셀 주위에 배치되는 주변 픽셀에 어떠한 정보의 손실이 생기더라도, 보간 결과 생길 수 있는 에러가 최소화될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이에서는 무색 컬러 필터 어레이가 상당수 존재하기 때문에, 이미지 출력시 고조도에서의 블루밍 현상을 방지하기 위한 대책이 필요하다. 이하에서는 이를 해결하기 위한 이미지 센서의 구동 방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에 따라 구동되는 픽셀의 전위도면이다. 구체적으로, 도 4는 본 발명의 픽셀 어레이의 제1행 어레이, 즉, 컬러 데이터를 출력하는 픽셀들로 구성되는 어레이의 픽셀을 구동할 때의 전위 도면을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 광전 변환부(PD)의 전하 집적 구간 동안에는, 광전 변환부(PD1)로부터 전하 저장부(FD) 또는 인접하는 픽셀의 포토다이오드(PD2)에 전하가 전달되지 않도록 전하 집적 구간 동안 전송 스위칭부(TX1)에 턴-오프 전압(Voff)을 인가한다. 상술한 바와 같이, 제1행 어레이의 픽셀들은 컬러 필터가 배치된 픽셀들로서, 고조도의 빛이 픽셀들에 입사되더라도 블루밍현상이 발생되는 경우가 드물다. 따라서, 전하 집적 구간동안에는, 전송 스위칭부(TX1) 및 리셋 스위칭부(RX1)에 턴-오프전압(Vt-off, Vr-off)을 인가함으로써, 광전 변환부(PD1)에만 전하가 집적되도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에 따라 구동되는 픽셀의 전위도면이다. 구체적으로, 도 5는 본 발명의 픽셀 어레이의 제2행 어레이, 즉, 무색 데이터를 출력하는 픽셀들로 구성되는 어레이의 픽셀을 구동할 때의 전위 도면을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 광전 변환부(PD)의 전하 집적 구간 동안에는, 광전 변환부(PD1)로부터 전하 저장부(FD)에 전하가 전달되도록 전하 집적 구간 동안 전송 스위칭부(TX1)에 턴-오프 전압(Voff)보다 좀더 높은 전압(V1, V2, V3) 중 한 가지 레벨을 인가함으로써, 광전 변환부(PD1)와 전하 저장부(FD1) 사이의 전위 장벽을 낮추도록 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제2행 어레이의 픽셀들은 컬러 필터가 배치되지 아니한 픽셀들로서, 고조도의 빛이 픽셀들에 입사되는 경우, 포토 다이오드의 전하들이 넘치는 블루밍현상이 발생될 수 있다. 따라서, 전하 집적 구간동안에는, 전송 스위칭부(TX1) 및 리셋 스위칭부(RX1) 중 적어도 하나에에 턴-오프전압(Vt-off, Vr-off)보다 좀더 높은 전압, 예컨대, V1, V2, V3, V4, V5, V5 과 같은 전압을 인가함으로써, 광전 변환부(PD1)로부터의 전하가 전하 저장부(FD1) 또는 전원전압(VDD)으로 상당량 흐를 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구성에 대한 블록도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(50)는, 복수의 픽셀들의 광전 변환부에서 집적된 전하를 전하 저장 영역으로 전송하는 전송 스위칭부 및 리셋 스위칭부를 포함하는 복수의 픽셀로 구성된 픽셀 어레이(10), 픽셀 어레이(10)의 행 별로 전송 스위칭부 및 상기 리셋 스위칭부의 동작 전압을 인가하는 컨트롤러(40)를 포함하고, 컨트롤러(40)는 픽셀 어레이(10)의 행을 구별하여 해당 행의 픽셀들의 전송 스위칭부 및 상기 리셋 스위칭부에 상이한 턴-오프 신호를 인가하도록 제어할 수 있다. 구체적으로, 상술한 바와같이, 컨트롤러(40)는 로 디코더(20)를 통하여 픽셀 어레이(10)의 행별 제어 신호를 인가할 수 있고, 본 발명의 제1행 어레이 및 제2행 어레이를 구별하여 전송 스위칭부의 턴-오프 전압 또는 리셋 스위칭부의 턴-오프 전압을 달리하여 인가할 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(40)는 제2 행 어레이에 포함되는 픽셀들을 제어할 때, 픽셀들의 광전 변환부의 전하 집적 구간 동안, 픽셀들의 전송 스위칭부에 전송 스위칭부의 턴-온 전압 및 턴-오프 전압 사이의 값인 제1 레벨의 턴-오프 신호를 인가하도록 함으로써, 광감도가 우수한 무색 컬러 필터 어레이의 블루밍 현상을 방지할 수 있다.
즉, 컨트롤러(40)가 광전하의 집적 구간 동안에, 제2행 어레이의 무색 데이터를 출력하는 픽셀들에 대하여 제1 레벨의 전압을 인가하는 것은 전송 스위칭부 및 리셋 스위칭부 중 하나에만, 오프 전압보다 높은 제1 레벨의 전압을 인가하여도 블루밍 현상이 방지될 수 있다.
한편, 컨트롤러(40)는, 광전 변환부의 전하 집적 구간 동안 제2행 어레이의 픽셀들의 전송 스위칭부 및 리셋 스위칭부에 턴-온 전압 및 턴-오프 전압의 사이에 존재하는 복수 레벨의 턴-오프 신호를 단계적으로 인가할 수도 있다. 상술한 도 5에서와 같이, 전송 스위칭부의 턴-오프 전압을 V1, V2, V3와 같이 인가하면서 턴-온 전압을 인가할 수 있고, 리셋 스위칭부의 턴-오프 전압을 V4, V5, V6와 같이 인가하면서 턴-온 전압을 인가하도록 함으로써 광전변환부의 전하 넘침 현상을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 이미지 센서(100)는, 컨트롤러(40)의 제어에 따라 각 행(row)의 픽셀들을 제어하기 위한 픽셀 제어 신호를 각 행 별로 출력하는 로 디코더(20), 픽셀 어레이(10)로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 카운터 회로(30)를 더 포함할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이, 이미지 센서 및 이미지 센서의 구동 방법에 대해 설명하였다. 본 발명에서는 새로운 컬러 필터 어레이를 제안하였고, 새로운 컬러 필터 어레이로부터 최적의 이미지 신호를 획득하기 위한 이미지 센서의 구동 방법에 대해서도 제안하였다. 본 발명은, 기존 픽셀 어레이의 구성을 변경시키지 않고 필터 어레이만을 변경시키면서, 변경된 필터 어레이에 최적화된 구동 방법 역시 기존 아날로그 회로에서 적용 가능하므로, 간단한 방법으로 영상의 품질을 개선할 수 있도록 한다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 청구범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 빛을 감지하는 복수의 픽셀이 행 또는 열로 배치되며, 컬러 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제1 행 어레이; 및 무색 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제2 행 어레이를 포함하고, 상기 제1 행 어레이 및 상기 제2 행 어레이는 교대로 배치되는 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    광전 변환부에서 집적된 전하를 전하 저장 영역으로 전송하는 전송 스위칭부 및 리셋 스위칭부를 포함하는 복수의 픽셀로 구성된 픽셀 어레이;
    상기 픽셀 어레이의 행별로 전송 스위칭부 및 상기 리셋 스위칭부의 동작 전압을 인가하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 픽셀 어레이의 행을 구별하여 상기 전송 스위칭부 또는 상기 리셋 스위칭부에 상이한 턴-오프 신호를 인가하며, 상기 제2 행 어레이에 포함되는 픽셀들에 대하여, 광전 변환부의 전하 집적 구간 동안, 상기 전송 스위칭부 또는 상기 리셋 스위칭부에 제1 레벨의 턴-오프 신호를 인가하고, 상기 제1 레벨은 상기 전송 스위칭부의 턴-온 전압 및 턴-오프 전압 사이의 값인 이미지 센서.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 광전 변환부의 전하 집적 구간 동안 상기 전송 스위칭부 또는 상기 리셋 스위칭부에 상기 턴-온 전압 및 상기 턴-오프 전압의 사이에 존재하는 복수의 레벨의 턴-오프 신호를 단계적으로 인가하는 이미지 센서.
  9. 컬러 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제1 행 어레이; 및 무색 데이터를 출력하는 픽셀들이 행으로 배치되는 제2 행 어레이가 교대로 배치되어 있는 픽셀어레이를 포함하는 이미지 센서의 구동방법으로서,
    상기 제1행 어레이의 픽셀들의 전하 집적 구간 동안 전송 스위칭부들에 턴-오프 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 제2행 어레이의 픽셀들의 전하 집적 기간 동안 상기 무색 데이터를 출력하는 픽셀들의 전송 스위칭부 또는 리셋 스위칭부에 상기 턴-오프 전압 레벨보다 높은 제1 전압 레벨을 인가함으로써 광전 변환부와 전하 저장부 사이의 전위 장벽을 낮추는 단계를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전위 장벽을 낮추는 단계는 상기 광전 변환부의 전하 집적 구간 동안 상기 전송 스위칭부 또는 상기 리셋 스위칭부에 턴-온 전압 및 상기 턴-오프 전압의 사이에 존재하는 복수의 레벨의 턴-오프 신호를 단계적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 구동 방법.
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