KR19990013661A - 고체 촬상 장치, 그 구동 방법 및 카메라 - Google Patents
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Abstract
제1 및 제2 군의 광전 변환 소자들로부터 각각의 신호 전하를 독립적으로 판독할 수 있는 CCD 고체 촬상 장치에 채용된 구동 방법은 일정한 축적 시간이 경과된 후 신호 성분 A를 형성하도록 제 1군의 광전 변환 소자들로부터 각각의 신호 전하를 판독하는 단계, 제1 및 제2 군의 광전 변환 소자들로부터 모든 각각의 신호 전하를 배출하는 단계, 제1 군의 광전 변환 소자들로부터 각각의 신호 전하를 판독하는 단계. 및 신호 성분 B를 형성하도록 수직 전송부 내의 제1 군의 광전 변환 소자들로부터 판독된 각각의 신호 전하들을 혼합하는 단계를 포함한다. 이러한 방법으로, 장 축적 측의 신호 성분 A를 1화소의 신호 전하로 구성하고 단 축적 측의 신호 성분 B를 2화소의 신호 전하로 구성하는 것이 가능해진다. 그 결과, 신호 성분 B의 축적 시간에 대한 신호 성분 A의 축적 시간의 비율이 감소될 수 있다.
Description
일반적으로, 본 발명은 고체 촬상 장치, 그 구동 방법 및 고체 촬상 장치를 채용한 카메라에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 2차원 배치된 화소의 각각의 신호 전하를 독립적으로 판독할 수 있는 고체 촬상 장치, 그 구동 방법 및 상기 고체 촬상 장치를 채용한 카메라에 관한 것이다.
CCD(Charge Coupled Device)형의 고체 촬상 소자와 같은 고체 촬상 장치의 다이나믹 레인지(dynamic range)를 확장하는 구동 방법으로서, 일본 특허 공개 공보 제7-177433호, 제7-250286호 및 제8-84298호와 같은 문서에 개시된 바와 같이, 개별 광전 변환 소자들에 의해 발생된 신호 전하가 2개 이상의 상이한 축적 시간을 갖는 신호 전하로서 출력되는 종래 기술이 공지되어 있다.
상세히, 이러한 구동 방법들은 수직 유효 영상 기간 동안 축적된 신호 전하를 수직 블랭킹(blanking) 기간 중에 한 번 판독하는 단계, 그 후에 수직 블랭킹 기간을 한 번 더 사용함으로써 단 노광 기간(short exposure period)을 설정하는 단계, 광전 변환을 수행하는 단계, 및 장 노광 기간(long exposure period)을 갖는 신호 전하와 단 노광 기간을 갖는 신호 전하를 서로 독립적으로 출력하는 단계를 각각 포함한다.
이러한 경우에, 서로 다른 축적 시간을 갖는 복수의 신호 성분은 동일한 수의 광전 변환 소자(화소)로 각각 구성된다.
그러나, 상술한 CCD 고체 촬상 소자를 구동하기 위한 종래 기술의 방법에서는, 2개의 다른 축적 시간중 하나와 다른 축적 시간의 비율의 최소값이 라인 메모리나 필드 메모리가 CCD 고체 촬상 장치의 내부 또는 외부에 제공되어 있지 않은 한 수직 유효 영상 기간에 대한 수직 블랭킹 기간의 시간 비율로 제한된다.
그러므로, CCD 고체 촬상 소자에 의해 출력된 신호가 종래의 신호 처리 회로에 직접 공급될 때, 높은 콘트래스티 비율(contrast ratio)의 조도부(luminance portions)가 얻어질 수 없다. 따라서, CCD 고체 촬상 소자를 사용함으로써 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 영상을 구현하기 위해서는, 외부적으로 이득 처리 후에 2개의 다른 신호 성분의 합계를 계산하거나 또는 외부적으로 선택 샘플링과 같은 처리를 수행하는 것이 필요하다. 이러한 이유로 인해, 상기 처리를 위한 처리 회로를 추가하는 것이 필요하다. 종래의 구동 방법에서도, 장 축적 시간측 상의 신호 전하의 축적 시간은 전자 셔터에 의해 단축될 수 있음에 주목하여야 한다. 그러나, 이러한 경우에, 단 축적 시간은 저 조도측의 감도가 불리하게 저하되는 문제점을 야기한다.
본 발명의 목적은 외부적으로 추가 회로를 설치할 필요없이 다이나믹 레인지가 확장되도록 하는 고체 촬상 장치와 이 고체 촬상 장치를 위한 구동 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 2차원 배치된 화소의 각각의 신호 전하를 독립적으로 판독할 수 있는 고체 촬상 장치를 제공하며, 상기 고체 촬상 장치는 동일한 군(group)의 화소들로부터 다른 축적 시간을 갖는 제1 및 제2 신호 성분을 판독하는 동작 중에 장 축적 시간을 갖는 제1 신호 성분을 구성하는 화소수는 단 축적 시간을 갖는 제2 신호 성분을 구성하는 화소수와 다르도록 된다.
제1 신호 성분을 구성하는 화소수는 1이고 제2 신호 성분을 구성하는 화소수는 2라고 가정한다. 이러한 경우에, 제2 신호 성분의 축적 시간에 대한 제1 신호 성분의 축적 시간의 비율은 제1 및 제2 신호 성분이 화소수가 동일한 경우에 1/2 비율이다. 그 결과, 라인 메모리 또는 필드 메모리가 고체 촬상 장치의 내부 또는 외부에 제공되어 있지 않다해도 제1 신호 성분의 축적 시간을 단축시킬 필요없이 다이나믹 레인지가 확장될 수 있다.
한편, 신호 성분이 복수의 화소로 구성되어 있는 경우에는, 개별 화소들을 판독하는 동작들 간에 전송 동작 시간이 필요하다. 전송 동작 시간은 필드 기간 내에 축적 시간에 기여하지 않는 시간의 기간이다. 그러므로, 제1 신호 성분을 구성하는 화소수보다 작은 값으로 제2 신호 성분을 구성하는 화소수를 설정하고 제1 신호 성분의 축적 시간에 더이상 요구되지 않는 전송 동작 시간을 재할당함으로써, 저조도측의 감도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의해 제공된 고체 촬상 장치를 구현한 제1 실시예의 개략 구성도.
도 2는 제1 실시예의 동작을 설명하는데 사용되는 타이밍 차트.
도 3은 제1 실시예에 채용된 전하 검출부의 전형적인 구조를 도시한 도면.
도 4는 전하 검출부의 동작을 설명하는데 사용되는 타이밍 차트.
도 5는 본 발명에 의해 제공된 구동 방법과 종래의 구동 방법을 사용함으로써 전하 검출부(5)에 의한 고체 촬상 장치의 구동으로부터 발생된 신호 성분들(A 및 B)에 대한 클리핑(clipping) 및 가산으로 발생된 광량과 출력 간의 전형적인 관계들의 곡선을 도시한 도면.
도 6은 제1 실시예의 전형적인 변형례를 도시한 개략 구성도.
도 7은 신호 성분이 최대 n개의 화소로 구성되며 본 발명에 의해 제공된 고체 촬상 장치의 개략 구성도.
도 8은 본 발명에 의해 제공된 카메라의 구성을 도시한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
3 : 수직 전송부
4 : 수평 전송부
5 : 신호 전하 검출부
6 : 출력 증폭기
7 : 타이밍 발생기
본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 다음의 양호한 실시예의 상세한 설명을 검토함으로써 보다 명백해질 것이다. 도 1은 본 발명에 의해 제공된 고체 촬상 장치를 구현한 제1 실시예의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 제1 실시예는 고체 촬상 장치를 구현하며, 여기서 장 축적 시간을 갖는 신호 성분 A와 단 축적 시간을 갖는 신호 성분 B는 각각 최대 2개의 화소로 구성된다.
입사광을 입사광량에 대응하는 양의 신호 전하로 각각 변환시키기 위한 광전 변환 소자(화소)군들은 반도체 기판 상에 2차원 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 군들은 제1 광전 변환 소자군(1)과 제2 광전 변환 소자군(2)으로 분류된다. 제1 광전 변환 소자군(1)의 어레이와 제2 광전 변환 소자군(2)의 어레이는 각각 2차원 레이아웃(layout) 상에 라인을 형성하여 교대로 배열된다. 제1 광전 변환 소자군(1)과 제2 광전 변환 소자군(2)을 포함하는 각각의 수직 행을 위해, 복수의 수직 전송부(3)이 제공된다. 각각의 수직 전송부(3)는 제2 광전 변환 소자군(1) 내의 한 화소와 각각 연관된 군의 패킷(3a)(패킷들(3a)의 어레이)과 제1 광전 변환 소자군(1) 내의 한 화소와 각각 연관된 군의 패킷(3b)(패킷들(3b)의 어레이)를 포함한다. 패킷은 신호 성분이 취급되는 단위이다.
도면에 도시된 수직 전송부(3)의 하부에, 수평 전송부(4)가 제공된다. 이 수평 전송부(4)는 패킷들(4a 및 4b)의 군(패킷들(4a 및 4b)의 어레이들)을 포함한다. 패킷들(4a 및 4b)의 군의 각각의 쌍은 적어도 수평 방향에서의 화소 배치의 2배만큼의 패킷들을 포함한다. 수평 전송부(4)의 출력에는, 신호 전하 검출부(5)가 수평 전송부(4)을 통해 전송된 신호 전하를 검출하고 이 신호 전하를 신호 전압으로서 출력하기 위해 사용된다. 신호 전하 검출부(5)에 의해 발생된 신호는 출력 증폭기(6)에 의해 외부 장치에 출력된다.
상술한 바와 같이, 장 축적 시간을 갖는 신호 성분 A와 단 축적 시간을 갖는 신호 성분 B가 각각 최대 2개의 화소로 구성되어 있는 고체 촬상 장치는 제1 광전 변환 소자군(1), 제2 광전 변환 소자군(2), 패킷들(3a)의 어레이들과 패킷들(3b)의 어레이들로 각각 구성되며 2개의 신호 성분 A 및 B를 취급하기 위한 수직 전송부(3), 및 패킷들(4a 및 4b)의 군들로 구성된 수평 전송부(4)를 포함한다. 본 실시예에서, 신호 성분 A는 1개의 화소의 신호 전하로 구성되고 신호 성분 B는 2개의 화소의 신호 전하로 구성됨에 유의하여야 한다.
다음에서 신호 성분 A는 1개의 화소의 신호 신하로 구성되고 신호 성분 B는 2개의 화소의 신호 전하로 구성된 상술한 구성을 갖는 CCD 고체 변환 장치에 의해 채용된 구동 방법이 도 2에 도시된 타이밍 차트를 참조로 하여 설명된다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 상기 방법은 타이밍 발생기(7)에 의해 발생된 필드 식별 신호, 수직 블랭킹 식별 신호, 제1 판독 펄스(1), 제2 판독 펄스(2), 수직 전송 펄스, 및 전하 배출 펄스를 포함하는 신호들에 의해 구현된다.
제1 판독 펄스(1)는 제1 광전 변환 소자군(1)으로부터 수직 전송부(3)로의 신호 전하를 판독하기 위한 펄스이다. 한편, 제2 판독 펄스(2)는 제2 광전 변환 소자군(2)으로부터 수직 전송부(3)로의 신호 전하를 판독하기 위한 펄스이다. 수직 전송 펄스는 수직 전송부(3)를 구동하기 위한 펄스이다. 전하 배출 펄스는 제1 광전 변환 소자군(1)과 제2 광전 변환 소자군(2)의 신호 전하를 전형적으로 반도체 기판에 배출하기 위한 펄스이다.
먼저, 도 2에 도시된 타이밍 차트는 제1 및 제2 광전 변환 소자군(1 및 2)에서의 입사광의 광전 변환이 개시되고 변환으로부터 발생되는 신호 전하의 축적이 수반되는 시작점인 시간 t0 지점에서 개시된다.
다음에, 시간 T1의 기간이 시간 t0의 지점으로부터 경과된 후의 시간 t1의 지점에서, 제2 판독 펄스(2)가 발생되어 제2 광전 변환 소자군(2)으로부터 수직 전송부(3)의 패킷들(3a)로의 각각의 신호 전하를 판독한다. 각각의 제2 광전 변환 소자군(2)에 의해 발생된 1 화소분의 신호 전하가 신호 성분 A를 구성한다.
다음에, 시간 t2의 지점에서, 전하 배출 펄스가 생성되어 제1 및 제2 광전 변환 소자군(1 및 2)으로부터 반도체 기판으로 각각의 신호 전하를 배출한다. 다음에, 시간 T2의 기간이 시간 t2의 지점으로부터 경과된 후의 시간 t3의 지점에서, 제1 판독 펄스(1)가 발생되어 제1 광전 변환 소자군(1)으로부터 수직 전송부(3)로의 각각의 신호 전하를 판독한다. 시간 t4의 지점에서, 수직 전송 펄스가 발생되어 패킷들(3b)로 판독된 각각의 신호 전하를 1단위만큼 패킷들(3a)로 즉시 전송한다.
다음에, 시간 t5의 지점에서, 제2 판독 펄스(2)가 발생되어 제2 광전 변환 소자군(2)으로부터 수직 전송부(3)로의 각각의 신호 전하를 판독한다. 시간 t3의 지점에서 제1 광전 변환 소자군(1)으로 판독된 신호 전하는 시간 t5의 지점에서의 패킷들(3a)에서 제2 광전 변환 소자군(2)으로 판독된 신호 전하와 혼합된다. 2 화소의 혼합된 신호 전하는 신호 성분 B가 된다. 또다른 필드에서, 제1 및 제2 광전 변환 소자군(1 및 2)으로부터 수직 전송부(3)로의 신호 전하의 전송 부분들의 순서는 인터레이싱(interlacing)된 신호를 생성하도록 반대로 된다.
도 2에 도시된 타이밍 차트들의 시간 T1(또는 T3) 및 T2(또는 T4)의 기간들은 신호 성분들(A 및 B)의 축적 시간에 각각 대응한다. 그러나, 고체 촬상 장치 내에 라인 메모리 또는 필드/프레임 메모리를 구비하지 않은 구조에서, 시간 t1, t3, t4, t5, t6, t7, t8, t9 및 t10의 지점들은 모두 수직 블랭킹 기간 내에 있기 때문에 간 T2(또는 T4)에 대한 기간 T1(또는 T3)의 비율의 최소값은 제한된다.
그럼에도 불구하고, 본 실시예에서는, 2 화소의 단 축적 측 상의 신호 성분 B만을 구성함으로써, 기간 T2(또는 T4)에 대한 기간 T1(또는 T3)의 비율, 즉 단 측의 축적 시간에 대한 장 측의 축적 시간의 비율을 실질적으로 종래의 고체 촬상 소자의 1/2값으로 하는 것이 가능해진다. 그 결과, CCD 고체 촬상 장치의 다이나믹 레인지가 확장될 수 있다.
신호 성분들(A 및 B)이 순차적으로 수직 전송부(3)에 전송된 다음 순차적으로 수평 전송부(4)의 패킷들(4a 및 4b)에 전송된 후, 이들은 하나의 신호 성분 유닛들로 전하 검출부(6)에 전송된다. 전하 검출부(5)는 그것에 순차적으로 전송되는 신호 성분들(A 및 B)의 합계를 계산하기 위한 기능을 가지며, 또한 피가산 성분들중 하나인, 신호 성분 A 내에 포함되어 있는 신호 포화 시의 불균일성(non-uniformity)를 슬라이싱(slicing)하기 위한 클립 기능(clip function)을 갖는다. 도면에 도시된 바와 같이, 전하 검출부(5)는 N형 반도체 기판(8), 상기 N형 반도체 기판(8) 상에 제공되어 있는 P 웰(9), 리셋 드레인(RD)(11), 및 각각 N형 불순물 재료로 이루어진 부동 확산부(floating diffusion : FD)(10)를 포함한다. 부동 확산부(10)와 리셋 드레인(11)은 P 웰(9)의 표면 상에 선정된 간격으로 제공된다. 또한, 전하 검출부(5)는 전형적으로 부동 확산부(10)와 리셋 드레인(11) 간의 채널 영역 상에 제공되어 있는 2개의 리셋 게이트 전극들(12-1 및 12-2)을 구비한다. 부동 확산부(10), 리셋 드레인(11), 및 2개의 리셋 게이트 전극들(12-1 및 12-2)은 부동 확산 증폭기(floating diffusion amplifier)를 구성한다.
상술한 구성을 갖는 전하 검출부(5)에서, 부동 확산부(10)는 수평 전송부(4)로부터 순차적으로 주입된 신호 성분들(A 및 B)의 합계를 계산하고 이 합계를 전압으로 변환시킨다. 리셋 드레인(11)은 신호 전하가 전압으로 변환된 후 부동 확산부(10) 내부의 신호 전하를 배출한다. 부동 확산부(10)와 리셋 드레인(11) 사이가 직렬이라면, 2개의 리셋 게이트 전극들(12-1 및 12-2)은 독립적으로 클럭 펄스와 그에 인가되는 바이어스 전압을 수신한다.
각각의 클립 레벨(clipped level)에 대응하는 레벨로 리셋 게이트 전극들(12-1 및 12-2)의 바이어스 전압을 설정함으로써, 신호 성분 A를 신호 성분 B에 가산하기 이전에 신호 성분 A 내에 포함되어 있는 포화 불균일성이 제거될 수 있다. 상세히, 바이어스 전압을 각각의 클립 레벨에 대응하는 레벨로 리셋 게이트 전극들(12-1 및 12-2)에 인가함으로써, 리셋 게이트 전극들(12-1 및 12-2) 아래의 전위가 클립 레벨에 대응하는 심도(depths)로 유도된다. 그 결과, 이러한 전위를 초과하는 신호 성분 A의 포화 불균일성이 리셋 드레인(11)으로 배출된다.
다음에, 1회의 리셋 조작의 씨닝아웃(thinning-out)을 수행함으로써, 포화 불균일성이 제거된 신호 성분 A가 부동 확산부(10) 내에 유지되고 다음에 신호 성분 B는 부동 확산부(10)로 주입되어 신호 성분 A에 가산된다. 또한, 리셋 게이트 전극들(12-1 및 12-2)을 직렬로 배열함으로써, 리셋 게이트 전극들(12-1 및 12-2)은 단지 2개의 값 레벨만으로 클럭 동작을 가능하게 하여, 3개 이상의 값들의 클럭 동작은 필요가 없게 된다.
도 4는 또다른 신호가 가산되는 한 신호에 의해 출력된 넓은 다이나믹 레인지를 얻기 위한 전형적인 구동의 타이밍 차트이며, 상기 한 신호는 장 축적 시간을 갖는 신호 성분이고, 상기 가산되는 또다른 신호는 단 축적 시간을 갖는 신호 성분이다.
도면에 도시된 클럭 신호들(A 및 B)은 각각 리셋 게이트 전극들(12-1 및 12-2)에 인가되는 신호들이며, 클럭 신호 C는 수평 전송부(4)의 최종 단(stage)을 구동하는 신호이다. 기간 P1은 부동 확산부(10)가 완전히 리세팅(resetting)되는 동안의 기간이다. 기간 P2 동안에, 또다른 신호가 가산되는 한 신호가 클리핑(clipping)된다. 기간 P3 동안에, 가산될 신호가 한 신호에 가산, 즉 가산되기로 예정된 신호가 가산되어, 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 신호 성분을 출력한다.
도 5는 본 발명에 의해 제공된 구동 방법과 종래의 구동 방법을 사용함으로써 전하 검출부(5)에 의한 고체 촬상 장치의 구동으로부터 발생된 신호 성분들(A 및 B)에 대한 클리핑(clipping) 및 가산으로 발생된 광량과 출력 간의 전형적인 관계들의 곡선을 도시하고 있다.
도면에서, 부호 a는 신호 성분 A의 출력 특성을 표시하고 있으며 부호 b는 신호 성분 B를 구성하는 1 화소의 출력 특성을 표시하고 있다. 부호 c는 신호 성분 A를 신호 성분 B에 가산한 결과로 생성된 출력 특성을 표시하고 있으며, 여기서 종래의 구동 방법이 채용되었고 신호 성분 A를 구성하는 화소수와 신호 성분 B를 구성하는 화소수는 동일하다. 부호 d는 신호 성분 A를 신호 성분 B에 가산한 결과로 생성된 출력 특성을 표시하고 있으며, 여기서 신호 성분 B는 신호 성분 A를 구성하는 화소수의 2배의 화소수로 구성되어 있다.
상술한 바와 같이, 부호 c는 종래의 구동 방법을 채용한 구동으로부터 발생된 출력 특성을 도시하고 있다. 곡선 c의 전환 지점에서의 변화는 크다. 그러므로, 만일 신호 성분 A가 증폭 및 선택과 같은 전치 처리(preprocessing)없이 신호 성분 B에 가산된다면, 전환 지점 근방 또는 고 조도 영역에 우수한 신호 콘트래스트(contrast)를 보장하기 어렵다. 한편, 출력 특성 d는 다이나믹 레인지가 낮아지지 않도록 하는 전치 처리가 없는 가산에 의해서도 적절한 콘트래스트를 보정하는 것이 가능한 경우를 나타내고 있다.
도 6은 제1 실시예의 전형적인 변형례를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 동일한 도 6의 구성요소는 도 1과 동일한 참조 번호로 표시되어 있다. 도 1에 도시된 제1 실시예에 의해 구현된 CCD 고체 촬상 장치의 경우에, 수평 전송부(4)는 수평 방향에 배치된 화소수의 2배의 패킷들로 각각 구선된 패킷들(4a 및 4b)의 군들을 포함한다. 한편, 도 6에 도시된 변형례에 의해 구현된 CCD 고체 촬상 장치의 경우에, 수평 전송부(4)는 2개의 라인, 즉 각각 패킷들(4a 및 4b)로 구성된 2개의 수평 전송 어레이들(4A 및 4B)를 포함한다. 캐킷들(4a 및 4b)의 군들은 각각 수평 방향에 배치된 화소수 만큼의 패킷들을 포함한다.
상술한 바와 같이 수평 전송부(4)를 2개의 라인으로 설계함으로써, 수평 전송 주파수가 1개의 라인으로 구성된 수평 전송부의 주파수의 절반으로 감소될 수 있어 2라인 수평 전송부(4)는 절감된 전력 소비의 장점을 제공한다. 2개의 라인, 즉 2개의 수평 전송 어레이들(4A 및 4B)의 출력 단들에, 게이트(4c)가 제공된다. 게이트(4c)는 2개의 수평 전송 어레이들(4A 및 4B)을 통해 신호 성분 단위로 전하 검출부(5)에 전송되는 신호 성분들(A 및 B)을 교대로 공급하는데 사용된다.
변형례와 제1 실시예 간의 차이는 단지 수평 전송부(4)의 구성에 있다. 그러나, 전하 검출부(5)의 구조와 넓은 다이나믹 레인지를 얻기 위한 구동 방법은 전체적으로 제1 실시예와 동일하다. 게다가, 변형례는 제1 실시예와 동일한 효과를 제공한다.
상술한 바와 같이, 제1 및 제2 군의 광전 변환 소자들(1 및 2)로부터 각각의 신호 전하를 독립적으로 판독할 수 있는 CCD 고체 촬상 장치를 구현한 제1 실시예에 채용된 구동 방법은,
일정한 축적 시간이 경과된 후에 신호 성분 A를 형성하도록 제1 군의 광전 변환 소자들(1)로부터 각각의 신호 전하를 판독하는 단계;
다음에 제1 및 제2 군의 광전 변환 소자들(1 및 2)로부터 모든 각각의 신호 전하를 배출하는 단계;
선정된 시간이 경과된 후에 제1 및 제2 군의 광전 변환 소자들(1 및 2)로부터 각각의 신호 전하를 판독하는 단계; 및
신호 성분 B를 형성하도록 수직 전송부(3) 내의 제1 및 제2 군의 광전 변환 소자들(1 및 2)로부터 판독된 각각의 신호 전하들을 혼합하는 단계
를 포함한다.
이러한 방법으로, 장 축적 측의 신호 성분 A를 1 화소의 신호 전하로 구성하고 단 축적 측의 신호 성분 B를 2 화소의 신호 전하로 구성하는 것이 가능해진다. 신호 전하의 신호 성분 B만을 2 화소의 신호 전하로 구성함으로써, 신호 성분 B의 축적 시간에 대한 신호 성분 A의 축적 시간의 비율은 종래의 고체 촬상 장치의 값의 1/2로 될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 의해 제공된 CCD 고체 촬상 장치의 다이나믹 레인지는 확장될 수 있다.
게다가, 전하 검출부(5)는 신호 성분 A를 신호 성분 B에 가산하는 기능이 제공되어 있으므로, 한 신호 성분을 CCD 고체 촬상 장치 내의 또다른 신호 성분과 직접 가산함으로써 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 신호를 출력하는 것이 가능해진다. 그러므로, 고체 촬상 장치 외부에 추가 회로를 제공할 필요 없이 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 신호가 얻어질 수 있다. 더우기, 전하 검출부(5)는 클립 기능이 또한 제공되어 있으므로, 장 축적 시간을 갖는 신호 성분 A내에 포함된 신호 포화 불균일성(signal saturation non-uniformity)이 제거되어, S/N 비율이 증가된다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 장 축적 측의 신호 성분 A를 1화소의 신호 전하로 구성하고 단 축적 측의 신호 성분 B를 2화소의 신호 전하로 구성함으로써, 보다 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 신호가 출력될 수 있다. 그러나, 반대로 장 축적 측의 신호 성분 A를 2화소의 신호 전하로 구성하고 단 축적 측의 신호 성분 B를 1화소의 신호 전하로 구성함으로써, 증가된 감도가 얻어질 수 있음에 유의하여야 한다.
즉, 만일 장 축적 측의 신호 성분 A가 2화소의 신호 전하로 구성되고 단 축적 측의 신호 성분 B가 1화소의 신호 전하로 구성된다면, 도 2에 도시된 타이밍 차트의 시간 t4 및 t5의 지점에서의 동작, 즉 1단위씩 제1 군의 광전 변환 소자들로부터 판독된 신호 전하를 전송하는 동작과 제2 군의 광전 변환 소자들(2)로부터 신호 전하를 판독하고 이를 시간 t4의 지점에서 전송된 신호 전하와 혼합하는 동작은 더이상 필요하지 않게 된다.
따라서, 시간 t1 및 t2의 지점들은 시간 t4 및 t5의 지점들에서 제거되는 동작들에 의해 지연될 수 있으므로, 신호 성분 A의 축적 시간은 지연 시간만큼 연장될 수 있다. 그 결과, 축적 시간의 연장으로 감도가 적당하게 향상될 수 있다. 이와 동시에, 최대 다이나믹 레인지는 2개의 신호 성분들중 하나가 다른 신호 성분들을 구성하는 화소들 만큼으로 구성된 경우의 2배로 증가될 수 있다.
즉, 신호 성분이 최대 2화소로 구성된 경우에, 필드 기간 내의 축적 시간에 기여하지 않는 시간을 취하여, 화소들을 판독하는 동작들 사이에서 수직 전송부(3)의 동작을 수행하는 것이 필요하다. 그러므로, 콘트래스트 문제점보다 감도를 더 심각하게 고려하는 것이 바람한 경우, 높은 감도를 갖는 신호를 생성하기 위해 단 축적 시간을 갖는 신호 성분을 구성하는 화소수는 감소되고 더이상 필요하지 않은 전송 동작은 장 축적에 할당된다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 각각의 신호 성분이 최대 2화소로 구성되어 있다. 그러나, 이러한 설명은 제한을 의도하는 것은 아님에 유의하여야 한다. 즉, 신호 성분을 구성하는 화소의 최대수는 2로 제한되지 않는다. 도 7은 본 발명에 의해 제공된 고체 촬상 장치의 구성을 도시하고 있으며, 신호 성분은 간단하게 최대 n화소로 구성된다.
도 8은 상술한 구성을 갖는 고체 촬상 장치와 그 구동 방법이 채용된 본 발명에 의해 제공된 카메라의 구성을 도시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 피사체로부터의 입사광은 렌즈(21)를 포함하는 광학 시스템에 의해 CCD 고체 촬상 장치(22)의 촬상 표면 상에 영상으로서 투사된다. CCD 고체 촬상 장치(22)는 도 1, 6 및 7중 임의의 하나에 도시된 구조를 갖는다. CCD 고체 촬상 장치(22)는 살술한 구동 방법에 따라 도 1에 도시된 타이밍 발생기(7)를 포함하는 구동 시스템(23)에 의해 구동된다. CCD 고체 촬상 장치(22)에 의해 출력된 신호는 신호 처리 시스템(24)에서 다양하게 처리되어, 비디오 신호로 변환된다.
상술한 구성을 갖는 카메라 내에 채용된 CCD 고체 촬상 장치(22)는 적절하게 제어되는 다이나믹 레인지를 갖는 신호를 직접 출력한다. 이러한 출력 신호를 종래의 구성을 갖는 신호 처리 시스템(24)에 공급함으로써, 저 조도로부터 고 조도로의 넓은 레인지를 위한 우수한 콘트래스트가 얻어질 수 있어, 종래의 시스템과 높은 호환성을 갖는 카메라가 구현된다. 게다가, 장축적 시간을 갖는 신호 성분을 구성하는 화소수를 단 축적 시간을 갖는 신호 성분을 구성하는 화소수와 다르게 함으로써, 향상된 감도와 증가된 다이나믹 레인지를 갖는 동작이 가능해진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 2차원 배치된 화소들의 신호 전하를 독립적으로 판독할 수 있는 고체 촬상 장치에서, 동일 군의 화소들로부터 서로 다른 축적 시간을 갖는 신호 성분들을 판독하는 동작 시에, 장 축적 시간을 갖는 신호 성분 A를 구성하는 화소수는 단 축적 시간을 갖는 신호 성분 B를 구성하는 화소수와 다르게 되어 있으며, 신호 성분 A를 구성하는 화소수를 신호 성분 B를 구성하는 화소수보다 작게 함으로써, 신호 성분 B의 축적 시간에 대한 신호 성분 A의 축적 시간의 비율이, 장 축적 시간을 갖는 신호 성분 A를 구성하는 화소수가 단 축적 시간을 갖는 신호 성분 B를 구성하는 화소수와 동일한 경우의 비율보다 낮게 될 수 있어, 저 조도측의 감도를 희생하지 않으면서 다이나믹 레인지가 확장될 수 있다. 게다가, 신호 성분 A를 구성하는 화소수보다 신호 성분 B를 구성하는 화소수를 작게함으로써, 불필요하게 되는 전송 동작 시간이 신호 성분 A의 축적 시간에 할당되어, 저 조도측의 감도가 향상되도록 한다.
Claims (13)
- 2차원 배치된 화소들로부터 독립적으로 신호 전하를 판독할 수 있으며 동일 군(group)의 화소들로부터 서로 다른 축적 시간을 갖는 제1 및 제2 신호 성분을 판독하는데 사용되는 고체 촬상 장치에 있어서,상기 고체 촬상 장치는 신호 전하를 판독하는 동작을 구동하기 위한 구동 시스템을 구비하고,장 축적 시간(a long accumulation time)을 갖는 상기 제1 신호 성분을 구성하는 화소수는 단 축적 시간(a short accumulation time)을 갖는 상기 제2 신호 성분을 구성하는 화소수와 다른 고체 촬상 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 장 축적 시간을 갖는 상기 제1 신호 성분을 구성하는 화소수는 상기 단 축적 시간을 갖는 상기 제2 신호 성분을 구성하는 화소수보다 작은 고체 촬상 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 장 축적 시간을 갖는 상기 제1 신호 성분을 구성하는 화소수는 상기 단 축적 시간을 갖는 상기 제2 신호 성분을 구성하는 화소수보다 큰 고체 촬상 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 신호 성분을 상기 제2 신호 성분에 가산하고 가산 결과를 전압으로 변환시키기 위한 전하 검출부를 더 구비하는 고체 촬상 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 전하 검출부는 상기 제1 신호 성분을 선정된 클립 레벨(clipped level)로 슬라이싱(slicing)하는 고체 촬상 장치.
- 2차원 배치된 화소들로부터 독립적으로 신호 전하를 판독할 수 있으며 동일 군(group)의 화소들로부터 서로 다른 축적 시간을 갖는 제1 및 제2 신호 성분을 판독하는데 사용되는 고체 촬상 장치에 채용된 구동 방법에 있어서,장 축적 시간을 갖는 상기 제1 신호 성분을 구성하는 화소수는 단 축적 시간을 갖는 상기 제2 신호 성분을 구성하는 화소수와 다르게 되어 있는 고체 촬상 장치의 구동 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 장 축적 시간을 갖는 상기 제1 신호 성분을 구성하는 화소수는 상기 단 축적 시간을 갖는 상기 제2 신호 성분을 구성하는 화소수보다 작은 고체 촬상 장치의 구동 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 장 축적 시간을 갖는 상기 제1 신호 성분을 구성하는 화소수는 상기 단 축적 시간을 갖는 상기 제2 신호 성분을 구성하는 화소수보다 큰 고체 촬상 장치의 구동 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 고체 촬상 장치의 구동 방법은,상기 제1 신호 성분을 형성하도록 상기 제1 군의 화소들로부터 각각의 신호 전하를 판독하는 단계;모든 화소들로부터 신호 전하를 배출(discharging)시키는 단계;선정된 시간의 경과 후에 상기 제1 군의 화소들과 상기 제2 군의 화소들로부터 각각의 신호 전하를 판독하는 단계; 및상기 제2 신호 성분을 형성하도록 상기 제1 및 제2 군의 화소들로부터 판독된 상기 각각의 신호 전하들을 혼합하는 단계를 포함하는 고체 촬상 장치의 구동 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 신호 성분이 독립적으로 전송된 후에, 상기 제1 및 제2 신호 성분은 서로 가산되어 출력되는 고체 촬상 장치의 구동 방법.
- 카메라에 있어서,피사체로부터의 입사광을 영상으로서 투사하기 위한 광학 시스템;상기 광학 시스템에 의해 투사된 상기 영상의 광을 화소 단위로 신호 전하로서 광전 변환시킬 수 있으며 화소들로부터의 각각의 신호 전하를 서로 독립적으로 판독할 수 있는 고체 촬상 장치;서로 다른 축적 시간을 갖는 제1 및 제2 신호 성분을 동일 군의 화소들로부터 판독하고 신호 전하를 판독하는 동작을 구동하기 위한 구동 시스템 - 장 축적 시간을 갖는 상기 제1 신호 성분을 구성하는 화소수는 단 축적 시간을 갖는 상기 제2 신호 성분을 구성하는 화소수와 다름 - ; 및상기 고체 촬상 장치에 의해 출력된 신호를 처리하기 위한 신호 처리 시스템을 포함하는 카메라.
- 제11항에 있어서, 상기 제1 신호 성분을 상기 제2 신호 성분에 가산하고 가산 결과를 전압으로 변환시키기 위한 전하 검출 유닛을 더 구비하는 카메라.
- 제12항에 있어서, 상기 전하 검출 유닛은 상기 제1 신호 성분을 선정된 클립 레벨로 슬라이싱하는 카메라.
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