KR101483356B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 실시예의 이미지 센서는, 이미지 센서의 단위 픽셀 각각은, 수광 소자인 광전 변환부와, 상기 광전 변환부의 전하를 플로팅 디퓨전 영역으로 전달하는 전송 스위칭부와, 상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 1 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 1 스위칭부와, 상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 2 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 2 스위칭부를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 상기 제 1 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 1 센서부; 및 상기 제 2 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 2 센서부;를 더 포함하고, 상기 제 1 센서부와 제 2 센서부는 소정 타이밍에 서로 다른 행의 픽셀로부터 획득한 서로 다른 노출시간을 갖는 전하 정보들에 대한 데이터 처리를 수행한다.

Description

이미지 센서{Image sensor}
본 발명은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서의 품질을 나타내는 데 있어, 중요한 판단 기준이 되는 것 중에 하나가 다이내믹 레인지(Dynamic Range)이다. 다이내믹 레인지는 일반적으로 입력 신호를 왜곡하지 않으면서 신호를 처리할 수 있는 최대 범위를 나타낸다. 이미지 센서의 경우에는 다이내믹 레인지가 넓을수록 넓은 범위의 명도 변화에 관계없이 좋은 이미지를 얻을 수 있다.
그러나 기존의 컬러 이미지 센서는 다이내믹 레인지가 좁아서 레드(Red), 그린(Green) [0003] 및 블루(Blue) 중 어느 하나 이상의 컬러가 포화상태인 경우 이미지 원래의 색을 잘 표현하지 못하는 단점이 있다. 이러한 다이내믹 레인지가 좁은 단점을 극복하기 위하여 WDR(Wide Dynamic Range) 픽셀(Pixel)을 구현하는 방법이 제시되고 있다.
예를 들면, F/D(Floating Diffusion)의 커패시티(capacity)의 변화를 줄 수 있도록 커패시터를 추가시키고, 추가된 커패시터를 조절하는 트랜지스터(Tr)도 추가되는 구조가 있다.
또 다른 방법으로, 한 개의 픽셀(Pixel) 내에 독립적인 2개의 PD를 구성시키는 경우도 있다.
위의 경우들은, 커패시터 또는 PD를 추가하는 것에 의하여 칩 사이즈가 커지고, 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 한 픽셀에서 노출 시간이 상이한 이미지 신호를 획득할 수 있도록 하여, 다이나믹 레인지가 넓은 이미지 센서 및 그 구동방법을 제안하고자 한다.
또한, 본 발명의 제 2 실시예는 추가적인 회로를 구성시키지 않으면서, PD에서 오버플로우되는 전하의 측정을 통하여, 촬영된 이미지의 색 재현력을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 구동방법을 제안하고자 한다.
본 실시예의 이미지 센서는, 이미지 센서의 단위 픽셀 각각은, 수광 소자인 광전 변환부와, 상기 광전 변환부의 전하를 플로팅 디퓨전 영역으로 전달하는 전송 스위칭부와, 상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 1 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 1 스위칭부와, 상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 2 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 2 스위칭부를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 상기 제 1 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 1 센서부; 및 상기 제 2 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 2 센서부;를 더 포함하고, 상기 제 1 센서부와 제 2 센서부는 소정 타이밍에 서로 다른 행의 픽셀로부터 획득한 서로 다른 노출시간을 갖는 전하 정보들에 대한 데이터 처리를 수행한다.
또한, 본 실시예의 이미지 센서는, 수광 소자인 광전 변환부; 상기 광전 변환부의 전하를 플로팅 디퓨전 영역으로 전달하는 전송 스위칭부; 상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 1 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 1 스위칭부; 상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 2 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 2 스위칭부; 상기 제 1 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 1 센서부; 및 상기 제 2 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 2 센서부;를 포함하고, 제 1 타이밍에, 상기 광전 변환부로부터 오버 플로우된 전하를 검출하기 위하여, 상기 제 1 스위칭부가 동작되는 것에 의하여 상기 플로팅 디퓨전 영역의 제 1 전하정보가 상기 제 1 센싱라인 및 제 1 센서부로 전달되고, 제 2 타이밍에, 상기 전송 스위칭부가 동작되어 상기 광전 변환부에 저장된 전하가 상기 플로팅 디퓨전 영역으로 전달되고, 상기 제 2 스위칭부가 동작되는 것에 의하여 상기 플로팅 디퓨전 영역의 제 2 전하정보가 제 2 센싱라인 및 제 2 센서부로 전달된다.
제안되는 본 발명의 실시예의 이미지 센서에 의해서, 서로 다른 노출시간을 갖는 영상을 합성하여 WDR 영상을 생성하는 때의 프레임 레이트를 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 광전 변환부에서 오버플로우되는 전하들을 센싱할 수 있도록 회로가 동작됨으로써, 색 재현력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 이미지 센서에서 복수의 픽셀들과 회로구성을 보여주는 도면이다.
도 3과 도 4는 본 실시예에 따라 제 1 집적구간과 제 2 집적구간 각각에 획득되는 영상을 처리하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 오버플로우되는 전하도 함께 측정하는 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서는 광전 변환부(PD), 전송 스위칭부(TX), 플로팅 디퓨전 영역(F/D), 리셋 스위칭부(RX), 드라이브 스위칭부(DX), 선택 스위칭부(SX1, SX2), 센서부를 포함한다.
이들 구성에 대해서 간략히 설명하여 보면, 상기 광전 변환부(PD)는 광을 감지하여 이를 전하로 변환하여 집적하는 포토다이오드(Photo diode)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전송 스위칭부(TX)는 트랜지스터로 구성될 수 있고, 광전 변환부(PD)와 연결되며, 광전 변환부(PD)에서 수집된 전하를 구동전원에 의하여 온(ON)되었을때 플로팅 디퓨전 영역(F/D)으로 전달하는 역할을 한다.
또한, 상기 플로팅 디퓨전 영역(F/D, Floating Diffusion Region)의 커패시턴스(capactance)는 커패시터나 pn 정션(junction) 커패시턴스와 관련된 기생 커패시턴스를 포함할 수 있다. 그리고 전송 스위칭부(TX)와 연결되며, 광전 변환부(PD)에서 집적된 전하를 전송 스위칭부(TX)에 의해 전달받아서 저장할 수 있다.
또한, 상기 리셋 스위칭부(RX)는 트랜지스터로 구성될 수 있고, 플로팅 디퓨전 영역(F/D)과 연결되며, 플로팅 디퓨전 영역(F/D)과 광전 변환부(PD)의 전하를 전원 전압(VDD)로 드레인하여 제거할 수 있다.
또한, 상기 드라이브 스위칭부(DX)는 트랜지스터로 구성될 수 있고, 플로팅 디퓨전 영역(F/D)와 연결되며, 플로팅 디퓨전 영역(F/D)에 저장된 전하를 소스팔로워와 같이 증폭시켜서 전하 정보를 갖는 신호로 만들 수 있다.
특히, 본 실시예의 이미지 센서는, 제 1 집적구간 동안의 플로팅 디퓨전 영역(F/D)의 저장된 전하 신호를 출력하는 제 1 선택 스위칭부(SX1)와, 제 2 집적구간 동안의 플로팅 디퓨전 영역(F/D)의 저장된 전하 신호를 출력하는 제 2 선택 스위칭부(SX2)를 포함한다.
제 1 집적구간과 제 2 집적구간은 시간의 길이를 나타내는 것이며, 본 실시예에 따라 이미지 센서의 노출시간을 표현하는 것이다. 본 실시예에서는, 이미지 센서의 노출시간을 상이하게 함으로써, 고조도 및 중저도의 광을 모두 감지할 수 있다. 이하에서는, 이해를 돕기 위하여, 제 1 집적시간은 노출시간이 긴 장시간, 제 2 집적시간은 노출시간이 상대적으로 짧은 단시간으로 표현하여 설명하여 본다.
여기서, '장시간(Long)'과, '단시간(Short)'은 노출시간의 장단을 구별하기 위한 상대적인의미이므로, 실시예의 변경 또는 추가에 따라 해당 시간의 길이 등은 변경될 수 있다.
한편, 본 실시예의 이미지 센서는, 제 1 선택 스위칭부(SX1)에서 출력된 전하 신호를 센싱라인(101)을 통해 입력받는 제 1 센서부(1st sensing part)와, 제 2 선택 스위칭부(SX2)에서 출력된 전하 신호를 센싱라인(102)로 입력받는 제 2 센서부(1st sensing part)를 더 포함한다.
여기서, 센서부 각각은 AFE(Analog Front End)로 구성될 수 있으며, AFE는 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 역할을 수행한다. 그리고, 이들 센서부(AFE)는 각각 샘플링 회로와 아날로그 디지털 컨버터를 포함할 수 있다.
도시되어 있지는 않지만 ISP(Image Signal Processer)를 더 포함하고, ISP는 이미지 합성등의 ISP 처리를 한다.
제 1 선택 스위칭부(SX1)과 제 2 선택 스위칭부(SX2)는 플로팅 디퓨전 영역(F/D)에 저장된 전하를 선택적으로 제 1 센서부 또는 제 2 센서부로 전달하는 역할을 수행한다.
상세히, 제 1 선택 스위칭부(SX1)는 드라이브 스위칭부(DX)와 연결되고, 트랜지스터로 이루어질 수 있다. 그리고, 제 1 선택 스위칭부(SX1)는 제 1 집적구간 동안에 온(ON)되어 제 1 센싱라인(101)에 연결된다. 따라서, 제 1 집적구간에는, 플로팅 디퓨전 영역(F/D)에 저장된 전하들이 제 1 센싱라인(101)으로 전달될 수 있다.
또한, 제 2 선택 스위칭부(SX2) 역시 드라이브 스위칭부(DX)와 연결되고, 트랜지스터로 이루어질 수 있다. 그리고, 제 2 선택 스위칭부(SX2)는 제 2 집적구간 동안에 온 되어 제 2 센싱 라인(102)에 연결된다. 따라서, 제 2 집적구간에는, 플로팅 디퓨전 영역(F/D)에 저장된 전하들이 제 2 센싱라인(102)으로 전달될 수 있다.
예를 들어, 장시간 노출되어 얻어진 제 1 전하정보를 제 1 센싱라인(101)으로 전달하기 위하여, 제 1 선택 스위칭부(SX1)이 온(ON)되고, 제 2 선택 스위칭부(SX2)가 오프(OFF)된다. 따라서, 제 1 선택 스위칭부(SX1)와 제 1 센싱라인(101)은 연결되고, 제 1 전하정보는 제 1 센싱라인(101)을 통해 제 1 센서부로 전달될 수 있다. 제 1 센싱라인(101)으로 전달되는 제 1전하정보가 장시간 노출된 이미지 정보라고 설명하였으나, 단시간 노출된 이미지 정보인 제 2 전하정보가 제 1 센싱라인(101)으로 전달되는 것도 가능하다.
한편, 단시간 노출되어 얻어진 제 2 전하정보를 제 2 센싱라인(102)으로 전달하기 위하여, 제 1 선택 스위칭부(SX1)이 오프(OFF)되고, 제 2 선택 스위칭부(SX2)가 온 된다. 따라서, 제 2 선택 스위칭부(SX2)와 제 2 센싱라인(102)은 연결되고, 제 2 전하정보는 제 2 센싱라인(102)을 통해 제 2 센서부로 전달될 수 있다.
이러한 과정을 통해서, 하나의 픽셀에서 장시간 노출된 이미지 정보와, 단시간 노출된 이미지 정보 모두를 감지할 수 있게 된다. 이에 대해서는, 첨부되는 도면과 함께 보다 상세히 설명하여 본다.
한편, 제 1 및 제 2 센서부는 전하 정보를 획득하여 상관 이중 샘플링(CDS, Correlated Double Sampling) 또는 이중 샘플링(Double Sampling) 처리 후 아날로그 정보를 디지털 정보로 컨버팅(ADC)하여 이미지 정보를 출력할 수 있다. 참고로, CDS와 DS는 플로팅 디퓨전 영역을 리셋하기 전과 리셋한 다음의 전하량을 측정하여, 그 값을 이용하여 제 1 집적구간 또는 제 2 집적구간에서 측정되는 전하값을 정확히 연산하는 것이다. 이에 대해서는, 자세한 설명은 생략한다.
그리고, 이미지 처리부(ISP)는 센서부와 버퍼 메모리로부터 이미지 정보를 획득하고, ISP 처리 이후에 다이나믹 레인지를 갖는 최종 이미지를 출력할 수 있다.
전술한 본 발명의 구성요소들이 구동되는 방법을 설명하면 아래와 같다.
먼저, 리셋 스위칭부(RX)와 전송 스위칭부(TX)가 온되고, 상기 광전 변환부(PD)와 상기 플로팅 디퓨전 영역(F/D)의 전하는 제거된다.
그 다음, 상기 리셋 스위칭부(RX)와 전송 스위칭부(TX)는 오프되고, 상기 광전 변환부는(PD) 광을 감지하여 전하로 집적한다.
상기 리셋 스위칭부(RX)는 전송 스위칭부(TX)가 온되기 전에 다시 온되어서, 플로팅 디퓨전 영역(F/D)의 전하를 드레인하여 제거한다.
그 다음, 상기 전송 스위칭부(TX)가 온되면 광전 변환부(PD)의 전하는 플로팅 디퓨전 영역(F/D)로 전달되고, 전송 스위칭부(TX)가 온되는 시기에 따라서, 노출시간이 긴 이미지 정보가 포함되거나, 노출시간이 짧은 이미지 정보가 포함될 수 있다.
즉, 광의 집적구간은 리셋 스위칭(RX)와 전송 스위칭부(TX)가 구동 이후 다시 전송 스위칭부(TX)가 동작하는 구간이다. 전송 스위칭부(TX)의 구동 타이밍을 조절하여 제 1 집적구간(장시간의 노출시간)과 제 2 집적구간(단시간의 노출시간)을 구분할 수 있다.
상기 제 1 선택 스위칭부(SX1)가 온되어 제 1 집적구간동안의 플로팅 디퓨전 영역의(F/D)의 제 1 전하정보를 제 1 센싱라인(101)을 통해 제 1 센서부로 출력하게 된다.
한편, 상기의 제 1 집적구간에서의 전하정보가 제 1 센서부로 출력된 다음에는, 위에서 설명한 RX, TX의 동작이 더 수행된다.
그리고, 제 2 집적구간에서의 전하정보를 획득하기 위하여, 제 2 집적구간동안 광전 변환부(PD)에 저장된 전하는 플로팅 디퓨전 영역으로 전달된다. 그리고, 제 2 집적구간에서는, 제 2 선택 스위칭부(SX2)가 온되어서, 플로팅 디퓨전 영역의 전하정보는 제 2 센싱라인(102)을 통하여 제 2 센서부로 전달된다.
제 1 집적구간과 제 2 집적구간 각각의 시간 동안 제 1 및 제 2 센서부로 전달되었던 전하정보는, 센서부 각각에 의하여 상관 이중 샘플링(CDS, Correlated Double Sampling) 또는 이중 샘플링(DS,Double Sampling) 처리 후 아날로그 정보를 디지털 정보로 컨버팅(ADC)하여 이미지 정보를 출력할 수 있다.
하나의 픽셀에 대한 제 1 집적구간과 제 2 집적구간은 시간상의 차이가 있기 때문에, 위의 CDS 또는 DS에 의한 신호처리 과정은 다른 시간대에 수행될 수 있다.
이후 이미지 처리부(ISP)는 센서부들로부터 이미지 정보를 획득하여 이미지 합성등의 ISP 처리 이후에 다이나믹 레인지를 갖는 최종 이미지를 출력할 수 있다.
이러한 본 실시예의 이미지 센서에 의해서, 별도의 소자 추가나, 공정 추가 없이 한 픽셀 내에서 집적구간을 다르게 하여 광을 감지하는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 이미지 센서에서 복수의 픽셀들과 회로구성을 보여주는 도면이다. 스위칭부의 전원(VDD)은 열(COLUMN)로 연결될 수 있으나 본 실시 예에서는 행(ROW)으로 구성되었다.
그리고, 도 3과 도 4는 본 실시예에 따라 제 1 집적구간과 제 2 집적구간 각각에 획득되는 영상을 처리하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 도시된 구성요소 중 도 1에서 설명한 구성요소와 동작방법의 중복되는 사항은 생략하여 설명하기로 한다.
도 2을 참조하면, 각 행의 픽셀들은 구동전원(201, 202)을 공유하므로 같은 동작을 한다.
전술한 본 발명의 구성요소들이 구동되는 방법을 설명하면 아래와 같으며, 도 3과 도 4에 도시된 도면을 함께 참조하여 설명한다.
한 프레임의 이미지를 측정할때 한 행(Row)의 픽셀에는 허용가능한 노출시간(T)이 한정된다. 이미지 센서의 허용가능한 노출시간은 제조회사별로 다르게 제조할 수 있을 것이지만, 본 발명의 실시예들을 설명하는데 있어서는, 특정 해당 이미지 센서가 갖는 허용가능한 노출시간을 T라고 하여 설명한다.
다이나믹 레인지를 갖는 이미지를 측정하기 위해서는 제 1 집적구간과 제 2 집적구간을 각각의 이미지 정보를 획득해야 한다. 즉, 노출시간이 긴 이미지 정보와, 노출시간이 짧은 이미지 정보가 획득되어야 한다.
또한, 센서부는 로우(row)단위로 픽셀 들의 정보를 처리한다.
그러므로, 한 행의 픽셀에 주어진 허용가능한 노출시간(T)과 센서부의 한 행 픽셀의 정보처리시간의 분배가 잘 이루어져야 프레임 레이트를 높일 수 있다.
먼저, 도 1에서 설명하였듯이, 제 1 집적구간동안 제 M행의 픽셀에 저장된 제 1 전하정보는 M행의 제 1 선택스위칭부(SX11)를 통하여 제 1 센싱라인(101)으로 출력된다.
도 2에 도시된 제 1 픽셀(501)이 포함되는 행을 M행(M-row)라고 하고, 제 2 픽셀(502)이 포함되는 행을 M+1행(M+1-row)라고 가정하고, 도 3과 함께 설명한다.
상기 제 1 전하정보는 제 1 센싱라인(101)을 통해 제 1 센서부로 전달된다. 그리고, 제 1 센서부는 전달받은 제 1 전하정보를 상관 이중 샘플링 또는 이중 샘플링 처리 후 디지털신호로 변환하여 버퍼 메모리에 저장한다.
상기 M행의 픽셀들에 대한 제 1 집적구간의 제 1 전하정보(도 3에서는 Long으로 표시)가 제 1 센서부에(410)에 의해 데이터 처리되는 동안에, 상기 M행의 픽셀들에 대한 제 2 전하정보를 획득하는 과정이 수행된다. 즉, 도 3의 M-row에 도시된 바와 같이, 제 1 집적구간 동안의 전하 정보가 획득된 다음에는, 해당 M-row의 픽셀들에 대한 제 2 집적구간 동안의 전하 정보(제 2 전하 정보)가 획득된다.
이러한 과정을 통하여, M행의 픽셀들은 노출시간이 서로 상이한 전하 정보들이 연속하여 획득되고, 제 1 센서부(410)와 제 2 센서부(420)는 소정의 시간 간격을 두고서 제 1 전하 정보와 제 2 전하 정보에 대한 데이터 처리를 수행한다.
특히, M+1행으로부터 제 1 전하 정보를 획득하는 시작 시간은, M행으로부터 제 1 전하 정보를 획득하는 시작 시간 보다 T1 만큼 딜레이되는 타이밍이다. 여기서, 다음 행의 픽셀들로부터 제 1 전하 정보를 획득하기 위하여 딜레이되는 시간 T1은, 이전 행(M행)의 픽셀로부터 획득된 제 1 전하 정보를 데이터 처리하는 시간(도 3에는 410으로 도시) 보다 길 수 있다. 그 이유는, 제 1 센서부가 M행의 픽셀로부터 획득한 제 1 전하 정보에 대한 데이터 처리가 완료된 다음, M+1행으로부터 획득되는 제 1 전하 정보를 연속하여 처리하도록 하기 위함이다. 이러한 관점에서, 상기 T1은 제 1 센서부에 의하여 M행의 제 1 전하 정보가 처리되는 시간과 동일하게 이루어지는 것이 좋다.
각각의 행에 대한 이러한 스캐닝 방식으로 각 행의 픽셀들로부터 제 1 전하 정보(long)와, 제 2 전하 정보(short)를 획득해 나가며, 마찬가지로, M+2행(M+2 - row)에 대한 제 1 전하 정보를 획득하는 시점 역시 M+1행의 시작점 보다 T2(바람직하게는, T1)만큼 딜레이된다.
한편, 도 4를 참조하여, 각각의 센서부들의 동작시간을 중심으로 설명하여 본다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, M행의 픽셀들에 대한 제 1 집적 구간의 제 1 전하 정보가 획득되는 동안에, N행의 픽셀들에 대한 제 1 집적 구간의 제 1 전하 정보 역시 획득된다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이, M행의 제 1 집적 구간의 시작점과 N행 제 1 집적 구간의 시작점에는 Ti만큼의 딜레이가 있으며, M행과 N행 사이에 제 1 전하 정보를 획득하는 시작점 사이의 달레이 시간은 M행과 N행 사이에 몇개의 행들이 존재하고, 제 1 센서부 또는 제 2 센서부에 의하여 전하 정보가 처리되는 시간과도 관계된다.
예를 들어, 제 1 센서부(410)에 의하여 M행의 픽셀들로부터 획득된 제 1 전하 정보를 처리하는 시간이 0.01초이고, 제 2 집적 구간의 시간 Ts가 0.03이며, N행이 M+3행의 픽셀일 경우에는, 딜레이 시간 Ti는 0.03초가 될 수 있다. 이와 같은 경우에, M행에서 획득한 제 2 전하 정보가 제 2 센서부(420)에서 처리하는 동안에, N행에서 획득한 제 1 전하 정보는 제 1 센서부(410)에서 처리된다. 각각의 센서부에 의하여 데이터 처리되는 시간이 동일하다고 가정할 경우, 제 1 센서부와 제 2 센서부는 동일한 시간에 서로 다른 행의 픽셀에 대한 제 1 전하 정보 또는 제 2 전하 정보를 데이터 처리하고 있게 된다.
이러한 과정으로, 각각의 행들의 픽셀로부터 획득한 제 1 전하 정보와 제 2 전하 정보가 제 1 센서부 및 제 2 센서부에 의해서 처리되며, 특정 시간을 기준으로 관찰하여 보면, 제 1 센서부와 제 2 센서부는 서로 다른 행의 픽셀에 대한 데이터를 처리하게 된다.
즉, 본 발명에 의해서, 복수개로 구성된 센서부들은 각 행의 픽셀로부터 획득한 전하 정보를 순차적 및 연속적으로 처리하게 됨으로써, 노출시간이 긴 영상과 노출시간이 짧은 영상을 데이터 처리하기 위해 소요되는 시간을 줄일 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 오버플로우되는 전하도 함께 측정하는 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는, 도 1 및 도 2에 도시된 회로와 구성은 동일하지만, 그 동작 방법에 차이가 있다. 도 4에 도시된 타이밍도를 이용하여 회로가 동작하게 되면, 이미지 센서가 갖는 색 재현력의 범위를 넓힐 수 있다. 즉, 밝은 장소에서 피사체를 촬영하는 경우에, 광전 변환부에 저장되는 전하가 오버플로우되는데, 이렇게 발생되는 오버플로우를 센싱하여 신호를 검출할 수 있도록, 리셋 스위칭부(RX), 전송 스위칭부(TX), 제 1 선택스위칭부(SX1) 및 제 2 선택스위칭부(SX2)의 동작이 제어된다.
이하에서는, 빛의 세기가 강한 밝은 곳에서 피사체를 촬영하는 경우에, 광전 변환부에서 전하가 오버플로우되는 경우를 가정하여 본다.
먼저, 리셋 스위칭부(RX)와 전송 스위칭부(TX)가 온되어, 상기 광전 변환부(PD)와 상기 플로팅 디퓨전 영역(F/D)의 전하를 제거한다.
그 다음, 리셋 스위칭부(RX)와 전송 스위칭부(TX)는 오프(OFF)되고, 상기 광전 변환부는(PD) 광을 감지하여 전하로 집적한다.
이때, 입사되는 고조도의 광량이 광전 변환부(PD)의 전하 저장용량을 초과하면, 광전 변환부(PD)는 과포화(Over saturation) 상태에 이르게 된다. 과포화된 전하들은 전송 스위칭부(TX)가 오프되어 있음에도 플로팅 디퓨전 영역(F/D)로 흘러들어간다(Over-flow).
그리고, 소정 시간에 제 1 선택 스위칭부(SX1)는 온이 되고, 이때, 오버플로우된 전하가 플로팅 디퓨전 영역에 저장되어 있는 경우에는, 해당 전하가 제 1 센싱라인(101)을 통해 제 1 센서부로 전달된다.
그 다음, 상기 제 1 선택 스위칭부(SX1)가 온된 상태에서, 리셋 스위칭부(RX)가 온 되기 전과, 이후의 플로팅 디퓨전 영역을 전하를 측정하는 CDS 또는 DS가 수행된다. 이것은, 앞에서 기술한 바와 같다. 이러한 과정을 통해서, 제 1 센서부는 광전 변환부(PD)에서 오버플로우되어 플로팅 디퓨전 영역에 저장된 전하를 검출할 수 있다. 여기서, 오버플로우된 전하를 제 1 센서부가 측정하는 것으로 설명하였지만, 제 2 선택 스위칭부(SX2)가 온되어서 제 2 센서부가 오버플로우된 전하를 측정하는 것도 가능하다.
그 다음, 제 2 센서부에 의한 광전 변환부(PD)에 저장된 전하를 검출하는 과정이 수행된다.
전송 스위칭부(TX)가 온 되고, 광전 변환부(PD)에 저장된 전하가 플로팅 디퓨전 영역으로 전달된다. 그리고, 이때, 전송 스위칭부(TX)가 온되기 이전에 제 2 스위칭부(SX2)가 먼저 온되어서, 제 2 센서부에 의한 CDS 또는 DS가 수행되는 것은 동일하다.
즉, 전송 스위칭부(TX)가 온되는 것에 의하여, 플로팅 디퓨전 영역으로 전달된 전하들은, 제 2 센싱라인(102)을 통해 제 2 센서부로 전달된다.
그리고, 제 1 센서부와 제 2 센서부를 통해 획득되는 이미지 정보는 픽셀별로 합산되고, 이러한 과정을 통해서, 이미지 센서가 갖는 색 재현력의 범위를 증가시킬 수 있다.
한편, 광전 변환부(PD)의 전하가 오버플로우되지 않는 경우에도, 이러한 동작이 수행될 수 있으며, 이 경우, 일반적인 이미지 센서로서 동작하는 것과 유사하다.

Claims (6)

  1. 이미지 센서의 단위 픽셀 각각은,
    수광 소자인 광전 변환부와,
    상기 광전 변환부의 전하를 플로팅 디퓨전 영역으로 전달하는 전송 스위칭부와,
    상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 1 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 1 스위칭부와,
    상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 2 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 2 스위칭부를 포함하고,
    상기 이미지 센서는,
    상기 제 1 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된, 제 1 집적 구간 동안 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 1 센서부; 및
    상기 제 2 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된, 제 2 집적 구간 동안 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 2 센서부;를 더 포함하고,
    상기 제 1 센서부와 제 2 센서부는 소정 타이밍에 서로 다른 행의 픽셀로부터 획득한 서로 다른 노출시간을 갖는 전하 정보들에 대한 데이터 처리를 동시에 수행하며,
    상기 단위 픽셀에 이미지는 상기 제 1 센서부에서 제 1 집적 구간 동안 출력된 디지털 신호와, 상기 제 2 센서부에서 제 2 집적 구간 동안 출력된 디지털 신호를 통해 구해지는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 센서부가 N행의 픽셀들로부터 상기 제 2 집적 구간 동안 획득한 전하 정보에 대한 데이터 처리를 하는 동안에,
    상기 제 1 센서부는 M행의 픽셀들로부터 상기 제 1 집적 구간 동안 획득한 전하 정보에 대한 데이터 처리를 수행하며,
    상기 제 1 센서부와 상기 제 2 센서부로부터 전하 정보가 출력된 단위 픽셀들은 이미지 합성이 수행되는 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서에서 M행의 픽셀들로부터 전하 정보를 획득하는 시간과, N행의 픽셀들로부터 전하 정보를 획득하는 시간 사이에는 기설정된 시간만큼의 딜레이가 있는 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서에서 M행의 픽셀들로부터 전하 정보를 획득하는 시간과, M+1행의 픽셀들로부터 전하 정보를 획득하는 시간 사이에는 상기 제 1 센서부 또는 제 2 센서부에 의한 데이터 처리 시간 만큼의 딜레이가 있는 이미지 센서.
  5. 수광 소자인 광전 변환부;
    상기 광전 변환부의 전하를 동작여부에 따라서 선택적으로 플로팅 디퓨전 영역으로 전달할 수 있고, 상기 광전 변환부에서 오버 플로우된 전하는 오프된 상태에서 플로팅 디퓨전 영역으로 전달하는 전송 스위칭부;
    상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 1 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 1 스위칭부;
    상기 플로팅 디퓨전 영역이 제 2 센싱라인과 선택적으로 연결되도록 하는 제 2 스위칭부;
    상기 제 1 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 1 센서부; 및
    상기 제 2 센싱라인과 연결되고, 상기 플로팅 디퓨전 영역에 저장된 광전 변환된 아날로그 신호를 오프셋 값을 기준으로 디지털 신호로 변환시키는 제 2 센서부;를 포함하고,
    제 1 타이밍에, 상기 광전 변환부로부터 오버 플로우된 전하를 검출하기 위하여, 상기 제 1 스위칭부가 동작되는 것에 의하여 상기 플로팅 디퓨전 영역의 제 1 전하정보가 상기 제 1 센싱라인 및 제 1 센서부로 전달되고,
    제 2 타이밍에, 상기 전송 스위칭부가 동작되어 상기 광전 변환부에 저장된 전하가 상기 플로팅 디퓨전 영역으로 전달되고, 상기 제 2 스위칭부가 동작되는 것에 의하여 상기 플로팅 디퓨전 영역의 제 2 전하정보가 제 2 센싱라인 및 제 2 센서부로 전달되는 이미지 센서.
  6. 삭제
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