KR101629287B1 - 넓은 동적 범위를 갖는 이미지센싱장치 및 방법 - Google Patents

넓은 동적 범위를 갖는 이미지센싱장치 및 방법 Download PDF

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류승탁
김현준
황선일
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한국과학기술원
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    • H04N5/3745—
    • H04N5/374—

Abstract

넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지센싱장치 및 방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이와 상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 신호 간의 차이를 생성하는 신호차 생성부와 상기 신호차 생성부로부터 출력되는 신호차를 수신하여 적분하는 신호차 적분부와 상기 신호차 적분부로부터 출력되는 적분된 신호차를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센싱장치를 제공한다.

Description

넓은 동적 범위를 갖는 이미지센싱장치 및 방법{Image Sensing Method And Apparatus Having Wide Dynamic Range}
본 실시예는 CIS(CMOS Image Sensor) 시스템에 있어서, 넓은 동적 범위를 갖는 이미지센싱장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
CMOS 이미지센싱장치(CMOS Image Sensor; CIS)는 이미지의 어두운 부분과 밝은 부분을 동시에 잘 표현하기 위하여 넓은 동적 범위(Wide Dynamic Range, 이하 'WDR'로 약칭함)를 갖는 것이 필요하다. WDR을 구현하기 위해서는 감도(Signal to Noise Ratio; SNR)을 개선하는 것이 필요한데 출력 신호를 증폭시키며 동시에 노이즈를 감소시키는 것이 중요한 과제이다.
이를 해결하기 위해 종래의 CMOS 이미지 센서는 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; 이하 'CDS'로 약칭함) 동작의 결과를 아날로그-디지털 변환하기 전에 CDS 회로와 아날로그-디지털 변환기(Analog Digital Converter; 이하 'ADC'로 약칭함) 사이에 PGA(Programmable Gain Amplifier)회로를 삽입한다.
PGA 회로는 다수의 캐패시터를 이용하여 구성되므로, PGA 회로를 각 열마다 추가하는 경우 불가피하게 이미지 센서의 전체적인 면적을 증가시키게 된다. 따라서 제한된 면적 내에서 효율적으로 감도를 향상시킬 필요가 있다.
본 발명의 실시예들은, 이미지센싱장치가 이미지를 센싱함에 있어, 다수의 캐패시터를 이용하여 감도(SNR)를 향상시키고 동시에 상대적으로 작은 용량의 캐패시터로 회로를 구현하여 설계상 면적을 줄여 결과적으로 넓은 동적 범위를 갖는 CMOS 이미지센싱장치 및 그 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이와 상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 신호차를 생성하는 신호차 생성부와 상기 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 신호차를 생성하는 신호차 적분부와 상기 적분된 신호차를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센싱장치를 제공한다.
상기 장치의 실시예는 다음의 특징들을 하나 이상 더 포함할 수 있다.
상기 연속하는 두 열은, 상기 화소 어레이의 k(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (k+1)번째 열일 수 있다.
상기 신호차 생성부는 각각의 홀수 열로부터 출력된 복수의 신호를 수신하는 홀수 열 신호차 생성부와 각각의 짝수 열로부터 출력된 복수의 신호를 수신하는 짝수 열 신호차 생성부를 포함하되, 상기 홀수 열 신호차 생성부는 상기 화소 어레이의 (2k-1)(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (2k+1)번째 열로부터 출력된 신호들 간의 차이를 생성하고, 상기 짝수 열 신호차 생성부는 상기 화소 어레이의 2k번째 열과 (2k+2)번째 열로부터 출력된 신호들 간의 차이를 생성할 수 있다.
상기 신호차 적분부는, 상기 신호차 생성부가 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 리셋 신호들을 수신하여 생성한 리셋 신호들 간의 차이를 샘플링하고 적분하는 동작을 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행하고, 상기 신호차 생성부가 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 이미지 신호들을 수신하여 생성한 이미지 신호들 간의 차이를 샘플링하고 적분하는 동작을 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행할 수 있다.
상기 신호차 적분부는, 상기 홀수 열 신호차 생성부가 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 리셋 신호들 및 이미지 신호들을 각각 수신하여 생성한 리셋 신호들 간의 차이 및 이미지 신호들 간의 차이를 각각 샘플링하고 적분하는 동작을 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행하는 홀수 열 신호차 적분부와 상기 짝수 열 신호차 생성부가 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 리셋 신호들 및 이미지 신호들을 각각 수신하여 생성한 리셋 신호들 간의 차이 및 이미지 신호들 간의 차이를 각각 샘플링하고 적분하는 동작을 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행하는 짝수 열 신호차 적분부를 포함할 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이와 상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 신호차를 생성하는 신호차 생성부와 상기 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 신호차를 생성하는 신호차 적분부와 상기 적분된 신호차를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 이미지센싱장치와 상기 이미지센싱장치에 의해 생성된 이미지 데이터를 처리하는 이미지 신호 프로세서를 포함하는 이미지처리장치를 제공한다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이와 상기 화소 어레이의 각각의 홀수 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 홀수 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 홀수 열 신호차를 생성하는 홀수 열 신호차 생성부와 상기 화소 어레이의 각각의 짝수 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 짝수 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 짝수 열 신호차를 생성하는 짝수 열 신호차 생성부와 상기 홀수 열 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 홀수 열 신호차를 생성하는 홀수 열 신호차 적분부와 상기 짝수 열 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 짝수 열 신호차를 생성하는 짝수 열 신호차 적분부와 상기 적분된 홀수 열 신호차 및 상기 적분된 짝수 열 신호차를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 이미지센싱장치 및 상기 이미지센싱장치에 의해 생성된 이미지 데이터를 처리하는 이미지 신호 프로세서를 포함하는 이미지처리장치를 제공한다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이와 상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 신호차를 생성하는 신호차 생성부와 상기 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 신호차를 생성하는 신호차 적분부와 상기 적분된 신호차를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 이미지센싱장치 및 상기 이미지센싱장치에 의해 처리된 이미지 데이터를 처리하는 애플리케이션 프로세서를 포함하는 휴대용 전자장치를 제공한다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 반도체 이미지센싱장치를 이용하여 이미지를 센싱하는 방법에 있어서, 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이(Array)의 각각의 열로부터 복수의 리셋 신호를 입력하는 과정과 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 입력된 상기 복수의 리셋 신호 간의 차이를 생성하는 과정과 상기 복수의 리셋 신호 간의 차이를 적분하는 과정과 상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 복수의 이미지 신호를 입력하는 과정과 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 입력된 상기 복수의 이미지 신호 간의 차이를 생성하는 과정과 상기 복수의 이미지 신호 간의 차이를 적분하는 과정과 상기 복수의 리셋 신호 간의 차이와 상기 복수의 이미지 신호 간의 차이를 적분한 결과를 디지털 신호로 변환하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱방법을 제공한다.
상기 방법의 실시예는 다음의 특징들을 하나 이상 더 포함할 수 있다.
상기 연속하는 두 열은, 상기 화소 어레이의 k(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (k+1)번째 열일 수 있다.
상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 복수의 리셋 신호를 입력하는 과정은, 홀수 열로부터 복수의 리셋 신호를 각각 입력하는 과정과 짝수 열로부터 복수의 리셋 신호를 각각 입력하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 복수의 이미지 신호를 입력하는 과정은, 홀수 열로부터 복수의 이미지 신호를 각각 입력하는 과정과 짝수 열로부터 복수의 이미지 신호를 각각 입력하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 홀수 열로부터 입력된 상기 리셋 신호들 간의 차이를 생성하는 과정은 (2k-1)(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (2k+1)번째 열로부터 입력된 리셋 신호들 간의 차이를 생성하는 과정이고, 상기 짝수 열로부터 입력된 상기 리셋 신호들 간의 차이를 생성하는 과정은 2k번째 열과 (2k+2)번째 열로부터 입력된 리셋 신호들 간의 차이를 생성하는 과정일 수 있다.
상기 홀수 열로부터 입력된 상기 이미지 신호들 간의 차이를 생성하는 과정은 (2k-1)(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (2k+1)번째 열로부터 입력된 이미지 신호들 간의 차이를 생성하는 과정이고, 상기 짝수 열로부터 입력된 상기 이미지 신호들 간의 차이를 생성하는 과정은 2k번째 열과 (2k+2)번째 열로부터 입력된 이미지 신호들 간의 차이를 생성하는 과정일 수 있다.
상기 리셋 신호들 간의 차이를 적분하는 과정은, 상기 리셋 신호들 간의 차이를 샘플링하여 샘플링 리셋 신호차를 생성하는 제1샘플링 과정과 상기 샘플링 리셋 신호차를 적분하는 제1적분 과정과 상기 제1샘플링 과정과 제1적분 과정을 기 설정된 횟수만큼 반복하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 이미지 신호들 간의 차이를 적분하는 과정은, 상기 이미지 신호들 간의 차이를 샘플링하여 샘플링 이미지 신호차를 생성하는 제2샘플링 과정과 상기 샘플링 이미지 신호차를 상기 샘플링 리셋 신호차의 반대 위상으로 적분하는 제2적분 과정과 상기 제2샘플링 과정과 제2적분 과정을 기 설정된 횟수만큼 반복하는 과정을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 화소 어레이에서 연속 또는 근접하는 두 열로부터 출력되는 두 신호들 간의 신호차를 생성하기 때문에 불필요한 오프셋을 제거하여 적분할 수 있다. 따라서 상대적으로 면적이 작은 회로로 화소 어레이로부터 출력되는 신호의 감도를 향상시켜 결과적으로 넓은 동적 범위를 가지도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센싱장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 이미지센싱장치의 판독부를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이지센싱장치의 판독부의 보다 상세한 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 신호차 적분부 회로도의 일부분이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센싱장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지센싱장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지센싱장치의 판독부를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 처리장치의 개략적인 블록도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 이미지센싱장치, 예컨대 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지센싱장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지센싱장치(100)는 화소 어레이(110), 행 선택부(120), 로직부(130), 판독부(140), 레지스터부(150) 및 H스캐너(160)을 포함한다.
화소 어레이(110)는 복수의 행과 복수의 열의 2차원으로 화소가 배치된 구성이다. 화소는 빛이 입사하면 입사하는 빛의 크기에 따라 전하를 출력하는 소자로서, 화소 어레이(110)는 이러한 화소가 2차원적으로 복수의 행과 복수의 열이 배치된 구성을 갖는다.
행 선택부(120)는 화소 어레이(110)에서 전하를 출력할 화소의 행을 선택하는 역할을 한다. 화소 어레이(110)의 각각의 행에 존재하는 화소에 인가되는 신호를 제어하여 선택된 행에 존재하는 일부 또는 모든 화소가 판독부(140)로 전하를 전달한다.
로직부(130)는 행 선택부(120)에 의해 선택된 행에 존재하는 일부 또는 모든 화소가 판독부(140)로 전하를 전달하여 판독부(140)가 전달받은 전하를 토대로 각각의 화소의 신호를 판독한 경우, 행 선택부(120)는 다음 행을 선택할 필요가 있다. 로직부(130)는 행 선택부(120)와 판독부(140)를 연결하며, 판독부(140)가 판독을 완료한 경우 행 선택부(120)가 다음 행을 선택하도록 제어하는 역할을 한다.
판독부(140)는 화소 어레이(110)의 각각의 행 또는 열에 존재하는 화소로부터 전하를 수신하는 경우, 수신한 전하를 토대로 각각의 화소의 신호를 판독하여 디지털 코드로 변환하는 역할을 한다. 구체적인 구성 및 동작은 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
레지스터부(150)는 판독부(140)가 판독한 신호를 변환한 디지털 코드를 저장하는 역할을 하며, H 스캐너(160)는 컴퓨터, 이미지 처리 장치 등 외부 장치로부터 디지털 코드의 요청이 있는 경우, 레지스터에 저장되어 있는 디지털 코드를 외부 장치로 전송하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 CMOS 이미지센싱장치의 판독부를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2에서는 설명의 편의를 위해, 연속하는 두 개의 열로부터 출력된 신호를 처리하는 판독부(140)의 일부분이 도시된다.
도 2를 참조하면, 판독부(140)는 신호차 생성부(210), 신호차 적분부(230), 아날로그 디지털 변환기(240)를 포함한다.
신호차 생성부(210)는 화소 어레이(110)에서 연속하는 두 개의 열인 열 k(k는 자연수)열과 (k+1)열로부터 출력되는 신호를 수신하여 두 신호 간의 차이(220)를 생성한다. 여기서 신호차 생성부(210)는 차동증폭기를 포함할 수 있으며 도 2에 도시된 신호차 생성부(210)는 블록에 불과하며 구체적인 회로를 나타내는 것이 아니다.
화소 어레이(110)의 각각의 열로부터 신호차 생성부(210)에 입력되는 복수의 신호는 오프셋(Offset)을 포함하고 있다. 종래 기술의 경우, 이러한 복수의 신호가 신호차 생성부(210)를 거치지 않고 바로 신호차 적분부(230)에 입력되어 오프셋을 포함한 채로 적분되어 증폭된다. 그러나 본 발명에 따르면, 신호차 적분부(230)에 앞서 신호차 생성부(210)를 배치함으로써 오프셋을 제외한 두 신호간의 차이(또는 변화량)만을 적분하여 증폭할 수 있다. 특히 화소 어레이(110)에서 연속하는 두 열 또는 근접한 두 열로부터 입력되는 신호들 간의 차이는 통상적으로 매우 작을 것이므로 캐패시터 용량에 따른 설계상의 한계를 크게 극복할 수 있다.
신호차 적분부(230)는 신호차 생성부(210)로부터 출력되는 신호차를 수신하여 샘플링을 하고 샘플된 신호를 적분한다. 적분을 통해 신호차의 신호 성분은 증폭되고 노이즈 성분은 감소하는 효과를 얻을 수 있다. 신호차 적분부(230)의 구성 및 동작은 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
ADC(240)는 신호차 적분부(230)로부터 신호차를 수신하여 이를 디지털 코드로 변환하는 역할을 한다. ADC(240)는 시그마-델타 모듈레이터(Sigma-delta,미도시)와 디지털 필터(Digital Filter,미도시)를 포함할 수 있다. 또한 복수의 스위치드 캐패시터들(Switched Capacitors)을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지센싱장치의 판독부의 보다 상세한 블록도이다.
도 3을 참조하면 판독부(140)는 복수의 신호차 생성부(210), 복수의 신호차 적분부(230) 및 복수의 ADC(240)를 포함한다.
도 3에 도시된 채널 1(310)은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호차 적분부(230)의 개략적인 회로도이다. 채널 1(310)은 증폭기, 제1캐패시터(C1), 제2캐패시터(C2) 및 다수의 스위치들(Φ1, Φ2, Φ3, Φ4, ΦRST)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 나머지 채널들 역시 채널 1과 같은 구성을 갖는다.
제1캐패시터(C1)는 화소 어레이로부터 출력된 신호를 샘플링하기 위해 사용되고, 제2캐패시터(C2)는 피드백을 위해 사용된다. 화소 어레이로부터 출력된 신호는 제1캐패시터(C1)에 전송될 수 있으며 제2캐패시터(C2)는 제1캐패시터(C1)로부터 전송받은 신호를 누적할 수 있다. 전압 VD는 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력된 리셋 레벨(Reset Level)의 신호(간단히, 리셋 신호)들 간의 차이 또는 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력된 신호 레벨(Signal Level)의 신호(간단히, 이미지 신호)들 간의 차이가 될 수 있다.
도 3을 참조하면 복수의 신호차 생성부(210)가 화소 어레이에서 연속하는 두 열 간의 신호차를 각각 생성한다. 상기 복수의 신호차는 복수의 채널에 각각 입력되어 처리된 후 복수의 ADC(240)에 각각 입력된다. 각각의 채널에서 수행하는 동작은 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
도 4는 도 3에 도시된 신호차 적분부(230) 회로도의 일부분이다. 도 4는 설명의 편의를 위해 단순화된 회로도 이므로 신호차 적분부는 이에 한정되지 않는다.
도 4(a), 4(b), 4(c)는 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력된 리셋 신호들 간의 차이에 대한 처리를 설명하기 위한 도면이고, 도 4(d), 4(e)는 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력된 이미지 신호들 간의 차이에 대한 처리를 설명하기 위한 도면이다.
리셋 신호들 간의 차이(VR)와 이미지 신호들 간의 차이(Vs)는 각각 신호차 적분부(230)에서 샘플링되고 샘플링된 신호차는 다시 적분이 된다. 샘플링과 적분을 수행하는 동작은 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행할 수 있다. 이러한 동작을 CMS(Correlated Multiple Sampling)라고 한다. 이하 샘플링된 리셋 신호들 간의 차이를 샘플링 리셋 신호차, 샘플링된 이미지 신호들 간의 차이를 샘플링 이미지 신호차로 정의한다. 또한 이하 설명의 편의상 캐패시터에서 원호로 그려진 측면을 제1단, 직선으로 그려진 측면을 제2단이라 칭한다.
도 3과 도 4(a)를 참조하면, 스위치 Φ1과 스위치 Φ2가 턴-온되면 제1캐패시터(C1)의 제1단에 리셋 신호들 간의 차이(VR)가 인가되고 제2단에는 기준 전압(Vref)이 인가된다. 이로써 제1캐패시터(C1)에 리셋 신호들 간의 차이(VR)가 샘플링된다. 한편, 기준 전압(Vref)은 DC전압 또는 접지 전압(GND)일 수 있다. 또한 스위치 ΦRST가 턴-온 되며 제2캐패시터(C2)는 방전된다. 이어서 도 4(b)와 같은 동작이 이어진다.
도 3과 도 4(b)를 참조하면, 스위치 Φ2와 스위치 Φ4가 턴-온되며 제1캐패시터(C1)의 제1단에 기준전압(Vref)이 인가되고 제2단은 제2캐패시터(C2)의 제2단과 연결된다. 이로써 제1캐패시터(C1)에 충전된 전하는 제2캐패시터(C2)로 전달된다. 이어서 도 4(c)와 같은 동작이 이어진다.
도 3과 도 4(c)를 참조하면, 스위치 Φ1과 스위치 Φ3이 턴-온되며 제1캐패시터(C1)의 제1단에 리셋 신호들 간의 차이(VR)가 인가되고 제2단에는 기준 전압(Vref)이 인가된다. 리셋 신호들 간의 차이(VR)에 대한 CMS 동작은 도 4(b)와 도 4(c)를 기 설정된 횟수만큼 반복하여 제2캐패시터(C2)에 샘플링 리셋 신호차를 누적하여 증폭하는 방식으로 수행될 수 있다. 이어서 이미지 신호들 간의 차이(VS)에 대한 CMS 동작이 시작되는데 이하 도 4(d)와 도 4(e)를 참조하여 설명한다.
도 3과 도 4(d)를 참조하면, 스위치 Φ1과 스위치 Φ3이 턴-온되며 제1캐패시터(C1)의 제1단에 기준 전압(Vref)이 인가되고 제2단에도 기준 전압(Vref)이 인가된다. 이로써 제1캐패시터(C1)가 방전된다. 이이서 도 4(e)와 같은 동작이 이어진다.
도 3과 도 4(e)를 참조하면, 스위치 Φ2와 스위치 Φ4가 턴-온되며 제1캐패시터(C1)의 제1단에 이미지 신호들 간의 차이(VS)가 인가되고 제2단은 제2캐패시터(C2)의 제2단과 연결된다. 이로써 제1캐패시터(C1)의 전하가 제2캐패시터(C2)에 전달된다. 이미지 신호들 간의 차이(VS)에 대한 CMS 동작 역시 리셋 신호들 간의 차이(VR)에 대한 CMS 동작과 같이 샘플링과 적분하는 동작을 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행된다. 다만, 리셋 신호들 간의 차이(VR)에 대한 CMS 동작과는 반대의 위상으로 적분이 되어야 한다. 화소의 오프셋과 화소에 저장된 신호를 수신하여 오프셋이 제거된 신호를 생성하기 위함이다. 단순히 화소에 저장된 신호만을 수신한다면, 각각의 화소 내에 존재하는 화소 고유의 오프셋 값이 포함되기 때문에, 동일한 빛이 복수의 화소에 조사되더라도 각각의 화소마다 출력하는 신호의 값은 달라지게 된다. 이러한 문제를 방지하기 위하여 리셋 신호들 간의 차이(VR)에 대한 CMS 동작과는 반대의 위상으로 적분함으로써 신호에 포함된 오프셋을 제거한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지센싱장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여, 도 1에 도시된 CMOS 이미지센싱장치의 동작에 대하여 설명하나, 도 6에 도시된 CMOS 이미지센싱장치의 동작 또한 유사할 수 있다.
도 3과 도 5를 참조하면, 시간축(t)의 시간 t1-t2에서 하이레벨(High Level)을 갖는 스위칭 신호에 의해 스위치 ΦRST가 턴-온 되어 제2캐패시터(C2)가 방전될 수 있다.
시간 t2-t3에서 하이레벨을 갖는 리셋 제어 신호(RX)에 의해 화소 어레이의 각각의 열로부터 리셋 신호가 출력된다. 시간 t3-t4에서 하이레벨을 갖는 디퍼런스 신호(DX)에 의해 연속하는 두 열로부터 출력된 리셋 신호들 간의 차이(VR)를 생성한다. 신호차 적분부(230)는 시간 t4-t5에서 기 설정된 횟수 n번 만큼 VR을 샘플링(S1,S2,…,Sn)하고 적분한다. 이에 따라 신호차 적분부(230)의 출력 전압 VO는 누적되어 증폭된다.
시간 t5-t6에서 하이레벨을 갖는 트랜스퍼 신호(TX)에 의해 화소 어레이의 각각의 열로부터 이미지 신호가 출력된다. 시간 t6-t7에서 하이레벨을 갖는 디퍼런스 신호(DX)에 의해 연속하는 두 열로부터 출력된 이미지 신호들 간의 차이(VS)를 생성한다. 신호차 적분부(230)는 시간 t7-t8에서 기 설정된 회수 n번 만큼 VS를 샘플링(S1,S2,…,Sn)하고 적분한다. 이에 따라 신호차 적분부(230)의 출력 전압 VO는 VS와는 반대 위상으로 누적되어 적분된다. 적분 횟수는 캐패시터 용량과 설계 면적 등을 종합적으로 고려하여 설정된다.
시간 t8-t9에서 하이레벨을 갖는 ADC 제어 신호에 의해 신호차 적분부(230)에서 출력된 신호가 아날로그 디지털 변환기에서 디지털 코드로 변환된다.
스위치 ΦRST의 스위칭 신호, 리셋 제어 신호(RX), 트랜스퍼 신호(TX), 디퍼런스 신호(DX)는 로직부(130)에 포함된 타이밍 생성기(미도시)가 생성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지센싱장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6을 참조하면, 화소 어레이(110)의 짝수 열들에 대한 로직부(132), 판독부(142), 레지스터부(152),및 H스캐너(162)와 홀수 열들에 대한 로직부(131), 판독부(141), 레지스터부(151) 및 H스캐너(161)가 분리되어 구성될 수 있다. 그러나 도 1에 도시된 CMOS 이미지센싱장치와 동작은 유사하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지센싱장치의 판독부를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 화소 어레이(110)의 복수의 짝수 열에 대한 판독부를 개략적으로 도시한다. 신호차 생성부(212)는 복수의 짝수 열 중에서 연속하는 두 개의 짝수 열로부터 출력되는 신호를 입력 받는다. 예를 들면, 2k번째 열과 (2k+2)번째 열로부터 출력되는 두 신호를 입력받는다(k는 자연수). 신호차 생성부(212)에서 출력된 복수의 신호차를 신호차 적분부(232)가 각각 입력받아 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 신호차 적분부(230)와 같은 동작을 수행한다. 도 7에 도시되어 있지는 않지만, 화소 어레이(110)의 복수의 홀수 열에 대한 판독부는 신호차 생성부가 복수의 홀수 열 중에서 연속하는 두 개의 홀수 열((2k-1)번째 열과 (2k+1)번째 열)을 따라 출력되는 신호를 입력 받는 차이가 있을 뿐이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지처리장치의 개략적인 블록도이다.
도 8을 참조하면, 이미지처리장치(800)는 휴대용 전자 장치, 예컨대 디지털 카메라, 캠코더, 이동 전화기, 스마트폰, 태블릿 PC, PDA(Personal Digital Assistant) 또는 모바일 인터넷 장치(Mobile Internet Device; MID)로 구현될 수 있다.
이미지처리장치(800)는 CMOS 이미지센싱장치(100), 광학렌즈(820), 디지털 신호 프로세서(830), 및 디스플레이(840)를 포함한다. 실시예에 따라서는 이미지 처리장치(800)는 광학 렌즈(820)를 포함하지 않을 수 있다.
CMOS 이미지센싱장치(100)는 광학렌즈(820)를 통해 입사된 피사체(810)의 이미지에 대한 이미지 데이터(IDATA)를 생성한다.
CMOS 이미지센싱장치(100)는, 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor(DSP); 830)의 제어에 따라, 광학렌즈(820)를 통해 촬영 또는 캡쳐된 피사체(810)의 이미지를 감지하고 감지 결과에 상응하는 이미지 데이터(IDATA)를 생성한다.
디지털 신호 프로세서(830)는 CMOS 이미지센싱장치(100)로부터 출력된 이미지 데이터(IDATA)에 상응하는 이미지 신호들을 디스플레이(840)로 출력할 수 있다.
또한, 디지털 신호 프로세서(830)는 카메라 컨트롤러(831), 이미지 신호 프로세서(832), 및 인터페이스(833)를 포함한다.
카메라 컨트롤러(831)는 로직부(130)의 동작을 제어한다. 카메라 컨트롤러(831)는 프로토콜, 예컨대 I2C(Inter-integrated Circuit)를 이용하여 CMOS 이미지센싱장치(100), 즉 로직부(130)의 동작을 제어할 수 있으나 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
이미지 신호 프로세서(832)는 H스캐너(160)로부터 출력된 이미지 데이터(IDATA)를 수신하고, 수신된 이미지 데이터(IDATA)를 사람이 보기 좋도록 가공(또는 처리)하고 가공(또는 처리)된 이미지 데이터를 인터페이스(833)를 통해 디스플레이(840)로 출력한다.
도 8에서는 이미지 신호 프로세서(832)가 디지털 신호 프로세서(830) 내부에 위치하는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라 이미지 신호 프로세서(832)는 CMOS 이미지센싱장치(100)의 내부에 위치할 수 있다. 또한 CMOS 이미지센싱장치(100)와 이미지 신호 프로세서(832)는 하나의 패키지, 예컨대 MCP(Multi-chip Package)로 구현될 수 있다. 도시되지 않았지만, 도 6의 CMOS 이미지센싱장치를 포함하는 이미지처리장치 역시 도 8과 유사하게 구현될 수 있다.
이미지처리장치(800)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface)를 사용 또는 지원할 수 있는 휴대용 전자장치(미도시)로 구현될 수 있다. 휴대용 전자장치는 랩탑 컴퓨터, PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Media Player), 이동전화기, 스마트폰, 태블릿 PC(Tablet Personal Computer), 디지털 카메라, 또는 모바일 인터넷장치(Mobile Internet Device(MID))로 구현될 수 있다.
이미지처리장치(800)는 애플리케이션 프로세서(Application Processor; 이하 ‘AP’로 약칭함. 미도시), CMOS 이미지센싱장치(100) 및 디스플레이(840)를 포함한다.
AP에 구현된 CSI(Camera Serial Interface) 호스트(미도시)는 카메라 시리얼 인터페이스(CSI; 미도시)를 통하여 CMOS 이미지센싱장치(100)와 직렬 통신할 수 있다. 그리고 AP에 구현된 DSI(Display Serial Interface) 호스트(미도시)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(DSI; 미도시)를 통하여 디스플레이(840)와 직렬 통신할 수 있다. 또한, 이미지처리장치(800)는 AP와 통신할 수 있는 RF(Radio Frequency) 칩(미도시)을 더 포함할 수 있어 AP의 PHY(Physical Layer)와 RF칩의 PHY는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
이미지처리장치(800)는, 도시되지 않았지만 GPS 수신기, DRAM(Dynamic Random Access Memory)와 같은 메모리, NAND 플래시 메모리와 같은 불휘발성 메모리로 구현된 데이터 저장장치, 마이크, 또는 스피커를 더 포함할 수 있다.
또한, 이미지처리장치(800)는 적어도 하나의 통신 프로토콜(또는 통신 표준), 예컨대, WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access), WLAN(Wireless LAN), UWB(Ultra-wideband), 또는 LTE(Long Term Evolution)등을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 이에 더하여 이미지처리장치(800)는 블루투스 또는 와이파이(WiFi)를 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: CMOS 이미지센싱장치 110: 화소 어레이 120: 행 선택부 130: 로직부 140: 판독부 150: 레지스터부 160: H 스캐너 210: 신호차 생성부 230: 신호차 적분부 240: ADC 310: 채널 1 800: 이미지 처리장치 810: 피사체 820: 광학렌즈 830: 디지털 신호 프로세서 831: 카메라 컨트롤러
832: 이미지 신호 프로세서 833: 인터페이스
840: 디스플레이

Claims (16)

  1. 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이;
    상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 모든 두 열에 대하여 상기 두 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 신호차를 생성하는 신호차 생성부;
    상기 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 신호차를 생성하는 신호차 적분부; 및
    상기 적분된 신호차를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센싱장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연속하는 두 열은,
    상기 화소 어레이의 k(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (k+1)번째 열인 것을 특징으로 하는 이미지센싱장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호차 생성부는 각각의 홀수 열로부터 출력된 복수의 신호를 수신하는 홀수 열 신호차 생성부와 각각의 짝수 열로부터 출력된 복수의 신호를 수신하는 짝수 열 신호차 생성부를 포함하되,
    상기 홀수 열 신호차 생성부는 상기 화소 어레이의 (2k-1)(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (2k+1)번째 열로부터 출력된 신호들 간의 차이를 생성하고,
    상기 짝수 열 신호차 생성부는 상기 화소 어레이의 2k번째 열과 (2k+2)번째 열로부터 출력된 신호들 간의 차이를 생성하는 것을 특징으로 하는 이미지센싱장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호차 적분부는,
    상기 신호차 생성부가 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 리셋 신호들을 수신하여 생성한 리셋 신호들 간의 차이를 샘플링하고 적분하는 동작을 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행하고,
    상기 신호차 생성부가 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 이미지 신호들을 수신하여 생성한 이미지 신호들 간의 차이를 샘플링하고 적분하는 동작을 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지센싱장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 신호차 적분부는,
    상기 홀수 열 신호차 생성부가 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 리셋 신호들 및 이미지 신호들을 각각 수신하여 생성한 리셋 신호들 간의 차이 및 이미지 신호들 간의 차이를 각각 샘플링하고 적분하는 동작을 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행하는 홀수 열 신호차 적분부; 및
    상기 짝수 열 신호차 생성부가 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 출력되는 리셋 신호들 및 이미지 신호들을 각각 수신하여 생성한 리셋 신호들 간의 차이 및 이미지 신호들 간의 차이를 각각 샘플링하고 적분하는 동작을 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행하는 짝수 열 신호차 적분부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센싱장치.
  6. 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이;
    상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 모든 두 열에 대하여 상기 두 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 신호차를 생성하는 신호차 생성부;
    상기 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 신호차를 생성하는 신호차 적분부; 및
    상기 적분된 신호차를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 이미지센싱장치; 및
    상기 이미지센싱장치에 의해 생성된 이미지 데이터를 처리하는 이미지 신호 프로세서를 포함하는 이미지처리장치.
  7. 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이;
    상기 화소 어레이의 각각의 홀수 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 홀수 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 홀 수 열 신호차를 생성하는 홀수 열 신호차 생성부;
    상기 화소 어레이의 각각의 짝수 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 두 짝수 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 짝수 열 신호차를 생성하는 짝수 열 신호차 생성부;
    상기 홀수 열 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 홀수 열 신호차를 생성하는 홀수 열 신호차 적분부;
    상기 짝수 열 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 짝수 열 신호차를 생성하는 짝수 열 신호차 적분부; 및
    상기 적분된 홀수 열 신호차 및 상기 적분된 짝수 열 신호차를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 이미지센싱장치; 및
    상기 이미지센싱장치에 의해 생성된 이미지 데이터를 처리하는 이미지 신호 프로세서를 포함하는 이미지처리장치.
  8. 복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이;
    상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 출력되는 복수의 신호를 수신하고, 상기 화소 어레이에서 연속하는 모든 두 열에 대하여 상기 두 열로부터 출력되는 신호 간의 차이인 신호차를 생성하는 신호차 생성부;
    상기 신호차를 수신하고 적분하여 적분된 신호차를 생성하는 신호차 적분부; 및
    상기 적분된 신호차를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 이미지센싱장치; 및
    상기 이미지센싱장치에 의해 처리된 이미지 데이터를 처리하는 애플리케이션 프로세서를 포함하는 휴대용 전자장치.
  9. 반도체 이미지센싱장치를 이용하여 이미지를 센싱하는 방법에 있어서,
    복수행 및 복수열의 2차원으로 배열된 화소를 갖는 화소 어레이(Array)의 각각의 열로부터 복수의 리셋 신호를 입력하는 과정;
    상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 입력된 상기 복수의 리셋 신호 간의 차이를 생성하는 과정;
    상기 복수의 리셋 신호 간의 차이를 적분하는 과정;
    상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 복수의 이미지 신호를 입력하는 과정;
    상기 화소 어레이에서 연속하는 두 열로부터 입력된 상기 복수의 이미지 신호 간의 차이를 생성하는 과정;
    상기 복수의 이미지 신호 간의 차이를 적분하는 과정; 및
    상기 복수의 리셋 신호 간의 차이와 상기 복수의 이미지 신호 간의 차이를 적분한 결과를 디지털 신호로 변환하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연속하는 두 열은,
    상기 화소 어레이의 k(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (k+1)번째 열인 것을 특징으로 하는 이미지 센싱방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 복수의 리셋 신호를 입력하는 과정은,
    홀수 열로부터 복수의 리셋 신호를 각각 입력하는 과정; 및
    짝수 열로부터 복수의 리셋 신호를 각각 입력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 화소 어레이의 각각의 열로부터 복수의 이미지 신호를 입력하는 과정은,
    홀수 열로부터 복수의 이미지 신호를 각각 입력하는 과정; 및
    짝수 열로부터 복수의 이미지 신호를 각각 입력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 홀수 열로부터 입력된 상기 리셋 신호들 간의 차이를 생성하는 과정은 (2k-1)(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (2k+1)번째 열로부터 입력된 리셋 신호들 간의 차이를 생성하는 과정이고,
    상기 짝수 열로부터 입력된 상기 리셋 신호들 간의 차이를 생성하는 과정은 2k번째 열과 (2k+2)번째 열로부터 입력된 리셋 신호들 간의 차이를 생성하는 과정임을 특징으로 하는 이미지 센싱방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 홀수 열로부터 입력된 상기 이미지 신호들 간의 차이를 생성하는 과정은 (2k-1)(k는 자연수, 1≤k≤n, n은 자연수)번째 열과 (2k+1)번째 열로부터 입력된 이미지 신호들 간의 차이를 생성하는 과정이고,
    상기 짝수 열로부터 입력된 상기 이미지 신호들 간의 차이를 생성하는 과정은 2k번째 열과 (2k+2)번째 열로부터 입력된 이미지 신호들 간의 차이를 생성하는 과정임을 특징으로 하는 이미지 센싱방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 리셋 신호들 간의 차이를 적분하는 과정은,
    상기 리셋 신호들 간의 차이를 샘플링하여 샘플링 리셋 신호차를 생성하는 제1샘플링 과정;
    상기 샘플링 리셋 신호차를 적분하는 제1적분 과정; 및
    상기 제1샘플링 과정과 제1적분 과정을 기 설정된 횟수만큼 반복하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 이미지 신호들 간의 차이를 적분하는 과정은,
    상기 이미지 신호들 간의 차이를 샘플링하여 샘플링 이미지 신호차를 생성하는 제2샘플링 과정;
    상기 샘플링 이미지 신호차를 상기 샘플링 리셋 신호차의 반대 위상으로 적분하는 제2적분 과정; 및
    상기 제2샘플링 과정과 제2적분 과정을 기 설정된 횟수만큼 반복하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015002469A (ja) * 2013-06-17 2015-01-05 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システム、撮像装置の駆動方法、撮像システムの駆動方法

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