KR20000023088A - 고체 촬상 장치 및 그 구동 방법 - Google Patents

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이치로 무라카미
야스타카 나카시바
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가네코 히사시
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Abstract

매트릭스 형태로 배열된 복수개의 감지 수단과; 감지 수단에 연결되어 감지 수단에서 발생하는 전하를 축적하기 위한 전하 축적 수단과; 전하 축적 수단의 축적 가능한 전하량을 조절하기 위한 축적 가능 전하 조절 수단과; 그리고 축적 가능 전하 조절 수단을 제어하기 위한 제어 수단을 포함하는 고체 촬상 장치. 여기서, 제어 수단이 제어 수단의 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 그리고, 단일 이미징 주기 내에서 일련의 시간에 따라 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키도록 축적 가능한 전하를 제어한다.

Description

고체 촬상 장치 및 그 구동 방법{Solid-state image sensing device and method of driving the same}
본 발명은 고체 촬상 장치와 고체 촬상 장치의 구동 방법에 관한 것이다.
영상 픽업 장치로 사용되는 고체 촬상 장치를 전자 카메라에 적용시키는 경우, 고체 촬상 장치의 다이나믹 레인지가 은박의 다이나믹 레인지 보다 매우 좁기 때문에 다이나믹 레인지를 충분히 확보해야 한다.
그러므로, 일본 특허 공개 번호 8-9260(1996)에는 이미징 주기 내에 기판의 전압을 변화시켜 포토다이오드의 축적 가능한 전하량을 변화시켜줌으로써 다이나믹 레인지를 확대시키는 기술이 개시되어 있다. 이 종래의 기술은 아래에 설명된다.
도 1은, 즉,CCD형 고체 촬상 장치에서 셀 부분을 나타낸 평면도이다. 셀 부분은 광전 변환 영역(107), 수직 전하 전송 전극(102), 제 1 전하 전송 전극(105), 및 제 2 전하 전송 전극(106)으로 구성된다.
도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 절단한 횡단면도이다. 도면에서, 셀 부분은 N-형 반도체 기판(107)과, P-형 반도체 기판(108)과, N형 반도체 기판(109)과, P+형 반도체 기판(110)과, 1층 다결정 실리콘(111)으로 형성된 제 1 전하 전송 전극(105)과, 2층 다결정 실리콘(112)으로 형성된 제 2 전하 전송 전극(106)과, 세이드막(shade film)으로 작용하는 알루미늄막(113)과, 절연막(114)과, 그리고 커버 절연막(115)으로 구성된다.
도 3은 광전 변환 영역의 전위를 나타내는 특성도이다.
먼저, 포토다이오드에 전하를 축적하기 전에 불필요한 전하를 재설정하기 위하여, 기판 전압 Vbsub를 N-형 반도체 기판(107)에 인가하여, 광전 변환 영역(101)을 구성하는 N형 반도체 기판(109)과 바로 그 하단에 형성된 저농도의 P-형 반도체 기판(107)을 완전히 공핍시키고, 모든 불필요한 전하를 N-형 반도체 기판(107)에 이동시킨다.
이와 같은 구조를 "수직 오버플로우 드레인 구조(수직 OFD)"이라 한다(참조: J. of Institute of Television Engineers of Japan, Vol.37, No.10 (1983), pp.782-787).
그런 다음, 기판 전압 Vbsub(이후, "기판 전압"으로 칭함)을 N-형 반도체 기판(107)에 인가되어, 광전 변환 영역(101)이 입사광의 양에 따라 신호 전하를 축적하기 시작한다. 그리고, 기판 전압을 임의로 조절하여, 광전 변환 영역(101)에 축적되지 않는 과량의 전하를 수직 OFD 구조를 이용하여 N-형 반도체 기판(107)으로 이동시켜 축적 가능한 전하량을 제어할 수 있다.
이 기술을 이용하여, 고체 촬상 장치에 축적 가능한 전하량이 단일 이미징 주기 내에 축적 가능한 제 1 전하량(Qsat(1)≠0)에서 축적 가능한 제 2 전하량(Qsat(2)≠0, Qsat(1)<Qsat(2))으로 변하도록 고체 촬상 장치를 제어한다.
이미징 주기 내에 시간 t(1)에서 고체 촬상 장치의 OFD(오버플로우 드레인)에 인가되는 기판 전압을 변화시켜 이와 같은 동작을 수행함으로써, 고체 촬상 장치의 축적 가능한 전하량이 단일 이미징 주기 내에서 시작점부터 시간 t(1)까지 Qsat(1)로 유지되고, 시간 t(1) 이후에는 Qsat(2)로 바뀌도록 고체 촬상 장치가 제어된다.
도 4는 그러한 작동을 하는 고체 촬상 장치에서 단일 이미징 주기 내의 축적 가능한 전하량과 전하 축적 시간 사이의 관계(실선)를 나타낸다. 도 5는 단일 이미징 주기 내의 축적 가능한 전하량과 광량 사이의 관계(실선)를 나타낸다.
도 4와 도 5에서 점선은 축적 가능한 전하량이 단일 이미징 주기 내에 변하지 않는 경우의 특성을 나타낸다.
도 4와 도 5에 나타낸 바와 같이, 축적 가능한 전하량이 변하지 않는 경우와 비교하면, 다이나믹 레인지가 향상된다.
즉, 고체 촬상 장치에 축적 가능한 전하량을 단일 이미징 주기 내에 축적 가능한 제 1 전하량(Qsat(1)≠0)에서 축적 가능한 제 2 전하량(Qsat(2)≠0, Qsat(1)<Qsat(2))으로 변화시키는 수단을 구비함으로써, 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있다.
그러나, 종래의 고체 촬상 장치에서, t(1)를 단일 이미징 주기 이내로 설정하고 Qsat(1)과 Qsat(2)를 Qsat(1)< Qsat(2)인 조건을 만족하도록 설정하면, 다이나믹 레인지를 충분히 개선할 수 없다. 또한, 축적 가능한 전하량이 변하지 않는 경우보다도 다이나믹 레인지가 향상되지 않는 경우가 발생한다. 그 이유는아래에 설명된다.
도 6a 내지 6c는 t(1)가 t(1a), t(1b) 및 t(1c) 중에서 변하는 전하 축적 시간과 축적 가능한 전하량의 관계를 나타낸다. 도 7a 내지 7c는 입사광의 양과 축적 가능한 전하량의 관계를 나타낸다. 한편, t(1a)<t(1b)<t(1c)가 만족되고, t(1b)는 단일 이미징 주기의 중간점이고, 2Qsat(1)=Qsat(2)이 만족된다. 점선은 축적 가능한 전하의 최대량이 일정한 경우의 특성을 나타낸다.
도 6a 내지 6c와 도 7a 내지 7c에 나타낸 바와 같이, t(1c)의 경우, 축적 가능한 전하의 최대량이 일정한 경우에 비하여 다이나믹 레인지가 향상된다. 그러나, t(1a)와 t(1b)의 경우, 다이나믹 레인지는 축적 가능한 전하의 최대량이 일정한 경우보다 증가하지는 않는다.
이는, t(1), Qsat(1) 및 Qsat(2)가 Qsat(1)< Qsat(2)인 조건에서만 결정되기 때문이다. 이 조건에서, 다이나믹 레인지는 축적 가능한 전하의 최대량이 일정한 경우보다 향상되지 않는다. 또한, 축적 가능한 전하의 최대량이 일정한 경우보다 회로가 훨씬 복잡하다.
일본 특허 공개 번호 1-253960(1989)에는 신호 전하의 포화량이 광수신 소자의 포화시 신호 전하량보다 큰 경우 고체 촬상 소자를 개시하고 있다. 그러나, 단일 이미징 주기 내에 축적 가능한 전하량이 다단계로 변하는 경우에 대해서는 설명하고 있지 않다.
또한, 일본 특허 공개 번호 5-22728(1993)에는 축적 가능한 전하량을 고체 촬상 장치에 해당하는 증폭 회로의 이득과 화이트 밸런스 조절 회로의 이득에 따라 변화시키는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 여기에서도 단일 이미징 주기 내에 축적 가능한 전하량이 다단계로 변하는 경우에 대해서는 설명하고 있지 않다.
또한, 일본 특허 공개 번호 10-150183(1998)에는 전하량을 판독할 때 고체 촬상 소자로의 OFD 바이어스를 감소시키는 구동 시스템을 구비한 고체 촬상 장치를 개시하고 있다. 그러나, 여기에서도 단일 이미징 주기 내에 축적 가능한 전하량이 다단계로 변하는 경우에 대해서는 설명하고 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 다이나믹 레인지를 효과적으로 개선시킬 수 있는 고체 촬상 장치와 고체 촬상 장치의 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 광전 변환 효율이 광량에 따라 변하는 경우에 눈에 불편함을 주지 않는 이미지를 생성하는 고체 촬상 장치와 그의 구동 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 고체 촬상 장치의 광전 변환 영역을 나타낸 평면도.
도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 절단한 횡단면도.
도 3은 수직 OFD 구조를 갖는 종래의 광전 변환 영역의 전위도.
도 4는 종래의 장치에서 축적 가능한 전하량과 전하 축적 시간의 관계를 나타낸 특성도.
도 5는 종래의 장치에서 축적 가능한 전하량과 광량의 관계를 나타낸 특성도.
도 6a 내지 6c는 종래의 장치에서 t(1)가 변할 때, 축적 가능한 전하량과 전하 축적 시간의 관계를 나타낸 특성도.
도 7a 내지 7c는 종래의 장치에서 t(1)가 변할 때, 축적 가능한 전하량과 전하 축적 시간의 관계를 나타낸 특성도.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고체 촬상 장치의 구성예를 보여주는 블록도.
도 9는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고체 촬상 장치의 구동 방법에서 기판 전압과, 전하 축적 시간과, 축적 가능한 전하량과, 그리고 실제로 축적된 전하량의 관계를 나타낸 특성도.
도 10은 제 1 실시예에서 실제로 축적된 전하량과 광량 사이의 관계를 나타낸 특성도.
도 11은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고체 촬상 장치의 구동 방법에서 기판 전압과, 전하 축적 시간과, 축적 가능한 전하량과, 그리고 실제로 축적된 전하량의 관계를 나타낸 특성도.
도 12는 제 2 실시예에서 실제로 축적된 전하량과 광량 사이의 관계를 나타낸 특성도.
도 13은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 고체 촬상 장치의 구동 방법에서 기판 전압과, 전하 축적 시간과, 축적 가능한 전하량과, 그리고 실제로 축적된 전하량의 관계를 나타낸 특성도.
도 14는 제 3 실시예에서 실제로 축적된 전하량과 광량 사이의 관계를 나타낸 특성도.
도 15는 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따른 고체 촬상 장치의 구동 방법에서 기판 전압과, 전하 축적 시간과, 축적 가능한 전하량과, 그리고 실제로 축적된 전하량의 관계를 나타낸 특성도.
도 16은 제 4 실시예에서 실제로 축적된 전하량과 광량 사이의 관계를 나타낸 특성도.
도 17은 본 발명의 바람직한 제 5 실시예에 따른 고체 촬상 장치의 구동 방법에서 기판 전압과, 전하 축적 시간과, 축적 가능한 전하량과, 그리고 실제로 축적된 전하량의 관계를 나타낸 특성도.
도 18은 제 5 실시예에서 실제로 축적된 전하량과 광량의 관계를 나타낸 특성도.
도 19a는 본 발명의 고체 촬상 장치에 사용되는 수평 OFD 구조를 갖는 광전 변환 영역을 나타낸 단면도.
도 19b와 도 19c는 도 19a에 도시된 광전 변환 영역의 전위도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1... 고체 촬상 장치 2... 감지 수단
3... 전하 축적 수단 4... 축적 가능 전하 조절 수단
5... 제어 수단 6... 프로그램 저장 수단
7... 출력 수단 201. 광전 변환 영역
212. 구동 트랜지스터 213. 선택 트랜지스터
본 발명에 따르면, 고체 촬상 장치는 매트릭스 형태로 배열된 복수개의 감지 수단과; 감지 수단에 연결되어 감지 수단에서 발생하는 전하를 축적하기 위한 전하 축적 수단과; 전하 축적 수단의 축적 가능한 전하량을 조절하기 위한 축적 가능 전하 조절 수단과; 그리고 축적 가능 전하 조절 수단을 제어하기 위한 제어 수단을 포함한다. 여기서, 제어 수단은 제어 수단의 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 그리고, 단일 이미징 주기 내의 일련의 시간에 따라 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키도록 제어한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 매트릭스 형태로 배열된 복수개의 감지 수단과,
감지 수단에 연결되어 감지 수단에서 발생하는 전하를 축적하기 위한 전하 축적 수단과, 전하 축적 수단의 축적 가능한 전하량을 조절하기 위한 축적 가능 전하 조절 수단과, 그리고 축적 가능 전하 조절 수단을 제어하기 위한 제어 수단을 구비하는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법에 있어서,
제어 수단에 의해, 감지 수단의 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 그리고, 단일 이미징 주기 내에서 일련의 시간에 따라 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 매트릭스 형태로 배열된 복수개의 감지 수단과, 감지 수단에 연결되어 감지 수단에서 발생하는 전하를 축적하기 위한 전하 축적 수단과, 전하 축적 수단의 축적 가능한 전하량을 조절하기 위한 축적 가능 전하 조절 수단과; 그리고 축적 가능 전하 조절 수단을 제어하기 위한 제어 수단을 구비하는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법을 컴퓨터가 수행하도록 하는 프로그램을 저장하는 기록 매체를 가지게 되며,
제어 수단을 이용하여 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 그리고, 단일 이미징 주기 내의 일련의 시간에 따라 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키는 제어 단계를 포함한다 .
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
다음은, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 촬상 장치와 그의 구동 방법을 설명하고자 한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 촬상 장치(1)의 구성예를 보여주는 블록도이다. 도면에서, 고체 촬상 장치(1)는 매트릭스 형태로 배열된 다수의 감지 수단(센서 소자)(2)과, 감지 수단(2)에 연결되어 감지 수단(2)에서 발생하는 전하를 축적하는 전하 축적 수단(3)과, 전하 축적 수단(3)의 축적 가능한 전하량을 조절하는 축적 가능 전하 조절 수단(4)과, 그리고 축적 가능 전하 조절 수단(4)을 제어하는 제어 수단(5)으로 구성된다. 제어 수단(5)은 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 단일 이미징 주기 내의 일련의 시간에 따라 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키도록 구성된다.
본 발명에 따른 고체 촬상 장치(1)에서, 감지 수단(2)은 CMOS 감지 수단과 수직 오버플로우 드레인형 감지 수단 중에서 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서, 고체 촬상 장치의 축적 가능한 전하량은 일련의 시간에 점진적으로 증가하도록 제어될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 제어 수단(5)은 축적 가능한 전하량을 변화시키면서 감지 수단(2)의 기판 전압이나, 감지 수단(2)의 전하 추출 수단을 구성하는 트랜지스터의 게이트 전압을 제어하도록 구성된다.
본 발명에 따른 고체 촬상 장치(1)에 있어서, 도 8에 도시한 바와 같이, 제어 수단(5)은 후술할 제어 응용 프로그램을 저장하는 프로그램 저장 수단(6)에 연결되고, 프로그램 저장 수단(6)으로부터 임의로 선택되는 제어 프로그램이 제어 수단(5)을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 고체 촬상 장치(1)에 있어서, 전하 축적 수단(3)에서 축적되는 전하는 적당한 타이밍으로 감지 수단(2)에 대응하는 각 전하 축적 수단(3)으로부터 독립적으로 구비된 출력 수단(7)을 통하여 출력하는 것이 바람직하다.
도 8에서, 참조 번호 8은 고체 촬상 장치(1)의 각 부품을 전체적으로 제어하는 중앙 처리 장치(CPU)이다.
다음은, 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따라 구성된 고체 촬상 장치(10)의 구동 방법을 설명하기로 한다.
기본적으로, 매트릭스 형태로 배열된 다수의 감지 수단(센서 소자)(2)과, 감지 수단(2)에 연결되어 감지 수단(2)에서 발생하는 전하를 축적시키는 전하 축적 수단(3)과, 전하 축적 수단(3)의 축적 가능한 전하량을 조절하는 축적 가능 전하 조절 수단(4) 그리고, 축적 가능 전하 조절 수단(4)을 제어하는 제어 수단(5)으로 구성되는 고체 촬상 장치(1)를 구동하는 방법은 제어 수단(5)이 단일 이미징 주기 내의 일련의 시간에 따라 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키는 단계를 포함한다.
발명의 바람직한 실시예에서, 축적 가능한 전하량은 단일 이미징 주기 내의 일련의 시간에 따라 점차적으로 증가되도록 제어된다.
본 발명에서는 축적 가능한 전하량을 변화시키는 방식에 별도로 제한을 두고 있지는 않으나, 축적 가능한 전하량이 변하는 시간과 축적 가능한 전하량의 정도 중에서 어느 한 가지 또는 두 가지 모두가 단일 이미징 주기 내에서 변하도록 제어하는 것이 바람직하다.
다음은, 전하 축적 수단(3)에서 축적 가능한 전하량을 변화시키는 구체적인 방식에 대해서 설명하기로 한다.
발명에 따른 바람직한 제 1 실시예에서 고체 촬상 장치를 구동하는 방법은, Qsat(1)/t(1) < (Qsat(1) - Qsat(2))/(t(2) - t(1))를 만족하도록 Qsat(1)와 Qsat(2)의 축적 모드를 제어하면서 축적 가능한 전하량을 조절할 수 있는 고체 촬상 장치(1)에서 축적 가능한 전하량의 변환 동작을 단일 이미징 주기 내에서 Qsat(1)와 Qsat(2)의 순서로 수행하는 단계를 포함한다. 여기서, Qsat(1)의 축적 모드의 종료 시간은 t(1)이고, 단일 이미징 주기 T1의 끝에 해당하는 Qsat(2) 축적 모드의 종료 시간이 t(2)이다.
구체적으로, 본 실시예에서, 도 9에 도시한 바와 같이, 축적 가능한 전하량 Qsat(n)은 단일 이미징 주기 T1 내에서 두 단계로 변하도록 제어된다. 도 9에는 기판 전압과, 축적 가능한 전하량과, 포토다이오드에 실제로 축적된 전하량 Qsat(n)이 나와 있다.
도 9(a)는 단일 이미징 주기 T1 내의 기판 전압을 나타낸다.
즉, 축적 시간 중에서 주기 T0에서, 정지 신호 또는 펄스 신호로서 셔터 전압이 인가되면, 포토다이오드에 의해 광전-변환된 전하가 기판으로 스며든다.
축적 시간 t(0)에서, 셔터 전압보다 낮고 블루밍 억제 전압(blooming suppression voltage)보다 높은 기판 전압을 인가하여 Qsat(1)을 결정한다.
그런 다음, 축적 시간 t(1)에서, 기판 전압이 낮아져서 Qsat(1)보다 축적 가능한 전하량이 많은 Qsat(2)가 결정된다.
한편, 본 실시예에서, t(1)는 단일 이미징 주기의 중간점에 해당하고, Qsat(2)의 축적 모드의 종료 시간이고 단일 이미징 주기의 끝에 해당하는 t(2)와 함께 2xt(1) = t(2)의 관계를 만족시킨다.
또한, 기판 전압은 2xQsat(1)< Qsat(2)의 관계를 만족하도록 설정된다.
그러므로, Qsat(1)/t(1)<(Qsat(2) - Qsat(1))/(t(2) - t(1))의 조건이 성립한다.
도 9(b)는 단일 이미징 주기 T1 내에서 축적 가능한 전하량을 나타낸다.
기판 전압은 도 9(a)에서 정의된 바와 같으므로, Qsat(2)는 Qsat(1)의 두 배 이상의 축적 가능한 전하량이 된다.
도 9(c)와 9(d)는 많은 양의 빛과 소량의 빛을 공급하였을 때 포토다이오드로 축적되는 전하량을 나타낸다. 도 9(c)는 소량의 빛을 공급하였을 경우에 단일 이미징 주기 내에서 전하가 오버플로우 없이 포토다이오드로 축적되는 상태를 보여준다.
한편, 도 9(d)는 많은 양의 빛을 공급한 경우를 나타낸다. Qsat(1)의 모드에 대한 시간 영역에서는 포화 기간이 잠깐 발생한다. 그러나, Qsat(2)의 모드에 대한 시간 영역에서는 Qsat(2)의 모드가 종료하는 시간 t(2)까지도 광전-변환된 전하가 포화되지 않고 포토다이오드로 축적된다.
종래의 장치와 크게 다른 점은, Qsat(1)의 모드에 대한 시간 영역에서 포화 상태를 유발하는 광량에서조차도, 광량이 포화되지 않은 영역이 Qsat(2)의 모드에 존재한다는 사실이다.
도 10은 광량에 대한 포토다이오드에 축적되는 전하량의 관계를 나타낸다. 실선은 본 발명의 제 1 실시예에서 광량과 실제 축적된 전하량의 관계를 나타내고, 점선은 축적 가능한 전하량이 일정할 경우에 광량과 실제 축적된 전하량의 관계를 나타낸다.
즉, S'(1)는 축적 가능한 전하량 Qsat(n)이 일정한 경우에 포토다이오드가 포화되는 빛의 최소량을 나타낸다.
반면에, 포토다이오드는 광량이 S(1)보다 많은 경우에는 Qsat(1)의 모드에 대한 시간 영역에서 포화되지만, 광량이 S(1)보다 많고 S(2)보다 적은 경우에는 Qsat(2)의 모드에 대한 시간 영역에서 포화되지 않는다.
한편, 광량이 S(2)보다 많은 경우에, 포토다이오드는 Qsat(1)과 Qsat(2)의 모드에 대한 시간 영역 모두에서 포화된다.
여기서, S(2)> S'(1)의 관계가 성립하고, 제 1 실시예에서는 종래의 장치에 비하여 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있다.
한편, S(1)를 S'(1)> S(1)를 만족하는 범위 내에서 임의로 설정할 수 있다. 그러나, S(2)는 2Qsat(1)< Qsat(2)인 조건을 만족하는 Qsat(1)과 Qsat(2)에 의해 독자적으로 결정된다.
다음은, 발명에 따른 바람직한 제 2 실시예에서 고체 촬상 장치를 구동하는 방법을 설명하기로 한다. 제 2 실시예에서, 제어 동작은 제 1 실시예와 동일하게 수행되지만, 제어 조건은 제 1 실시예와 약간 차이가 있다.
즉, 본 실시예에서, 도 11에 나타낸 바와 같이, 축적 가능한 전하량은 단일 이미징 주기 T1 내에서 두 단계로 변하도록 제어된다. 도 11에는 기판 전압과, 축적 가능한 전하량과, 실제로 포토다이오드에 축적된 전하량 이 나와 있다.
도 11(a)은 단일 이미징 주기 T1 내의 기판 전압을 나타낸다. 축적 시간 중에서 주기 T0에서, 도 9에서와 같이 정지 신호 또는 펄스 신호로서 셔터 전압이 인가되면, 포토다이오드에 의해 광전-변환된 전하가 기판으로 스며든다.
축적 시간 t(0)에서, 셔터 전압보다 낮고 블루밍 억제 전압보다 높은 기판 전압을 인가하여 Qsat(1)을 결정한다.
그런 다음, 축적 시간 t(1)에서, 기판 전압이 낮아져서 축적 가능한 전하량이 Qsat(1)보다 많은 Qsat(2)가 결정된다.
한편, 본 실시예에서, t(1)는 단일 이미징 주기의 중간점보다 늦은 시간 영역에 해당하고, Qsat(2)의 축적 모드의 종료 시간이고 단일 이미징 주기의 끝에 해당하는 t(2)로 2xt(1)>t(2)의 관계를 만족시킨다.
또한, 기판 전압은 2xQsat(1)=Qsat(2)의 관계를 만족하도록 설정된다.
그러므로, Qsat(1)/t(1)<(Qsat(2) - Qsat(1))/(t(2)- t(1))의 관계가 성립한다.
도 11(b)은 단일 이미징 주기 T1 내에서 축적 가능한 전하량을 나타낸다.
기판 전압은 도 11(a)에서 정의된 바와 같으므로, Qsat(2)의 모드에 대한 시간 영역은 Qsat(1)의 그것보다 짧다.
도 11(c)과 11(d)은 많은 양의 빛과 소량의 빛을 공급되었을 때 포토다이오드로 축적되는 전하량을 나타낸다. 도 9(c)의 경우와 마찬가지로, 도 11(c)은 소량의 빛을 공급하였을 경우에 단일 이미징 주기 내에서 전하가 오버플로우 없이 포토다이오드로 축적되는 상태를 보여준다.
반면에, 많은 양의 빛을 공급되었을 때(그림 11(d)), 포화 기간이 잠깐 발생한다. 그러나, Qsat(2)의 모드에 대한 시간 영역에서는 Qsat(2)의 모드가 종료하는 시간 t(2)까지도 광전 변환된 전하가 포화되지 않고 포토다이오드로 축적된다.
도 12는 광량에 대한 포토다이오드에 축적되는 전하량의 관계를 나타낸다. 실선은 본 발명의 제 2 실시예에서 광량과 실제 축적된 전하량의 관계를 나타내고, 점선은 축적 가능한 전하량이 일정할 경우에 광량과 실제 축적된 전하량의 관계를 나타낸다.
S'(1)는 축적 가능한 전하량 Qsat(n)이 일정한 경우에 포토다이오드가 포화되는 빛의 최소량을 나타낸다.
포토다이오드는 광량이 S(1)보다 많지만, Qsat(1)의 모드에 대한 시간 영역에서 포화되지만, 광량이 S(1)보다 많고 S(2)보다 적은 경우에는 Qsat(2)의 모드에 대한 시간 영역에서는 포화되지 않는다.
광량이 S(2)보다 많은 경우에는 포토다이오드가 Qsat(1)과 Qsat(2)의 모드에 대한 시간 영역에서 모두 포화된다.
여기서, S(2)>S'(1)의 관계가 성립하고, 제 2 실시예는 종래의 장치에 비하여 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있다.
한편, S(2)는 임의로 설정할 수 있지만, S(1)는 2t(1)> t(2)의 조건을 만족하는 t(1)에 의해 독자적으로 결정된다.
발명에 따른 바람직한 제 3 실시예에서 고체 촬상 장치를 구동하는 방법은, 제 1 축적 가능한 전하량(Qsat(1)≠0)으로부터 n 번째 축적 가능한 전하량 Qsat(1)< Qsat(2)< …<Qsat(n)으로 순차적으로 변화시키면서, 축적 가능 전하량을 조절할 수 있는 고체 촬상 장치에서 이미징 주기 내에 Qsat(1), Qsat(2), …, Qsat(n)의 순서로 축적 가능한 전하량의 변환 동작을 수행하는 단계를 포함한다.
이를 상세히 설명하면, 본 실시예에서, 도 13에 도시한 바와 같이, 축적 전하량은 단일 이미징 주기 T1 내에서 세 단계 또는 그 이상의 단계에 거쳐 변하도록 제어된다. 도 13(a) 내지 도 13(d)에는 이와 같은 제어를 구현하기 위한 기판 전압과, 축적 가능한 전하량과, 포토다이오드에 실제로 축적된 전하량이 나와 있다.
도 13(a)은 단일 이미징 주기 T1 내의 기판 전압을 나타낸다. 축적 시간 t(0)에서, 셔터 전압보다 낮고 블루밍 억제 전압보다 높은 기판 전압을 인가하여 Qsat(1)을 결정한다.
그런 다음, 축적 시간이 시작점 t(0)에서 t(1)로 이동할 때, 기판 전압이 낮아져서, 축적 가능한 전하량이 Qsat(1)보다 많은 Qsat(2)가 결정된다. 따라서, 축적 시간 t(m - 1)(2≤m≤n)이 도달할 때, 기판 전압이 낮아져서, 축적 가능한 전하량이 Qsat(m-1)보다 많은 Qsat(m)이 결정된다.
본 실시예에서, 단일 이미징 주기 내에서 t(1)=t(2) - t(1)=t(m) - t(m - 1)= …=t(n) - t(n - 1)가 얻어진다. 기판 전압은 임의의 정수 m에 대하여 Qsat(m) - Qsat(m - 1)<Qsat(m + 1) - Qsat(m)의 관계를 만족하도록 결정된다.
그러므로, 임의의 m에 대하여
(Qsat(m) - Qsat(m - 1))/(t(m) - t(m - 1))<(Qsat(m + 1) - Qsat(m))/(t(m + 1) - t(m))의 관계가 성립된다.
도 13(b)은 단일 이미징 주기 T1 내에서 축적 가능한 전하량을 나타낸다.
본 실시예어서, 기판 전압은 도 13(a)에서 정의된 바와 같으므로, 임의의 정수 m에 대하여(2≤m≤n) Qsat(m) - Qsat(m - 1) < Qsat(m + 1) - Qsat(m)이 유지된다.
도 13(c)과 13(d)은 많은 양의 빛과 소량의 빛을 공급하였을 때 포토다이오드로 축적되는 전하량을 나타낸다. 도 13(c)은 소량의 빛을 공급하였을 경우에, 단일 이미징 주기 내에서 전하가 오버플로우 없이 포토다이오드로 축적되는 상태를 보여준다.
한편, 도 13(d)은 많은 양의 빛을 공급한 경우를 나타낸다. Qsat(m-1)나 그 이전의 모드에 대한 시간 영역에서는 포화 기간이 잠깐 발생한다. 그러나, Qsat(m)나 그 이후의 모드에 대한 시간 영역에서는 Qsat(n)의 모드가 종료하는 시간 t(n)까지도 광전-변환된 전하가 포화되지 않고 포토다이오드에 축적된다.
도 14는 광량에 대한 포토다이오드에 축적되는 전하량의 관계를 나타낸다. 실선은 본 발명의 제 3 실시예에서 광량과 실제 축적된 전하량 사이의 관계를 나타내고, 점선은 축적 가능한 전하량이 일정할 경우에 광량과 실제 축적된 전하량의 관계를 나타낸다.
S'(1)는 축적 가능한 전하량이 일정한 경우에 포토다이오드가 포화되는 빛의 최소량을 나타낸다.
본 실시예에서, 기판 전압이 n 단계에 거쳐 변할 때, 광량에 대한 축적 가능한 전하량의 변화율이 달라지는 변환점이 n-1 개 존재하고, S(1)< S(2)< …< S(m)< …<S(n)의 관계가 성립한다 여기서, S(n)는 단일 이미징 주기의 종료 시간이다.
포토다이오드는 광량이 S(m)보다 많은 경우에는 Qsat(1) 내지 Qsat(m) 모드에 대한 시간 영역에서 포화되지만, 광량이 S(m)보다 많고 S(m+1)보다 적은 경우에는 Qsat(m+1) 내지 Qsat(n) 모드에 대한 시간 영역에서는 포화되지 않는다.
한편, 광량이 S(n)보다 많은 경우, 포토다이오드는 Qsat(1)과 Qsat(n)의 모드에 대한 시간 영역에서 모두 포화된다.
한편, S(1)는 S'(1)> S(1)를 만족시키는 범위 내에서 임의로 설정할 수 있지만, S(m)(2≤m≤n)는 Qsat(m) - Qsat(m - 1)<Qsat(m + 1) - Qsat(m)의 조건을 만족하는 Qsat(2) 내지 Qsat(n)에 의해 결정된다.
도 14에서, S(2)>S'(1)가 성립하고, 제 2 실시예에 따라 종래의 장치에 비하여 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예어서, 제 1 및 제 2 실시예와 비교하면, 축적 가능한 전하량이 변하지 않는 경우보다 다이나믹 효율이 보다 개선되고, 광전 변환 효율이 광량에 따라 변하는 경우에도 그 변화량을 연속 변화량에 가깝거나 그 보다 작게 설정할 수 있다. 그러므로, 눈에 불편함을 주지 않는 이미지를 생성할 수 있다.
한편, 청구항 제 3 항에 정의한 바와 같이, 임의의 정수 m에 대하여, Qsat(m) - Qsat(m - 1)/t(m) - t(m - 1)<Qsat(m + 1) - Qsat(m)/t(m + 1) - t(m)의 관계를 만족시키지 않을 때에도, 축적 가능한 전하량이 변하지 않는 경우보다 다이나믹 레인지를 개선할 수 있다. 그러나, 임의의 정수 m에 대하여 상기 관계가 성립하는 경우와 비교할 때, 광량에 대하여 축적 가능한 전하량의 변화율이 변하는 변환점이 n-1보다 작아지기 때문에 눈에 불편함을 주는 상이 생성될 수도 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 따라 고체 촬상 장치를 구동하는 방법에 있어서, 제 3 실시예에서의 축적 가능한 전하량 Qsat(n) 변환 동작이 2 이상이고 n 이하인 임의의 정수 m에 대하여 (Qsat(m) - Qsat(m - 1))/(t(m) - t(m - 1))<(Qsat(m + 1) - Qsat(m))/(t(m + 1) - t(m))가 성립하도록 제어된다. 여기서, t(m)는 축적 가능한 전하량이 Qsat(m)일 때 축적 시작점에서부터 m 번째 단계 축적 모드의 마지막에 이르는 시간이고, 단일 이미징 주기의 종료 시간은 t(n)이다.
보다 상세히 설명하면, 도 15에 도시한 바와 같이, 기본적으로 제 3 실시예와 동일한 제 4 실시예에서, 축적 가능한 전하량은 단일 이미징 주기 T1 내에서 세 단계 또는 그 이상의 단계에 거쳐 변한다. 축적 가능한 전하량을 변환시키는 타이밍은 순차적으로 단축된다.
도 15(a) 내지 도 15(d)는 이와 같은 제어를 구현하기 위한 기판 전압과, 축적 가능한 전하량과, 포토다이오드에 실제로 축적된 전하량을 보여주고 있다.
도 15(a)는 단일 이미징 주기 T1 내의 기판 전압을 나타낸다. 축적 시간 t(0)에서, 셔터 전압보다 낮고 블루밍 억제 전압보다 높은 기판 전압을 인가하여 Qsat(1)을 결정한다.
그런 다음, 축적 시간이 시작점 t(0)에서 t(1)로 이동할 때에 기판 전압이 낮아져서 축적 가능한 전하량이 Qsat(1)보다 많은 Qsat(2)가 결정된다.
따라서, 축적 시간 t(m - 1)(2≤m≤n)가 되면, 기판 전압이 낮아져서 축적 가능한 전하량이 Qsat(m - 1)보다 많은 Qsat(m)이 결정된다.
본 실시예에서, 단일 이미징 주기 내에서 t(1)>t(2)·t(1)>…>t(m)·t(m - 1)>…t(n)·t(n - 1)가 된다. 기판 전압은 임의의 정수 m에 대하여 Qsat(m)·Qsat(m - 1)=Qsat(m + 1)·Qsat(m)을 만족하도록 결정된다.
그러므로, 임의의 m에 대하여
(Qsat(m) - Qsat(m - 1))/(t(m) - t(m - 1))<(Qsat(m + 1) - Qsat(m))/(t(m + 1) - t(m))의 관계가 성립한다.
도 15(b)는 단일 이미징 주기 T1 내에서 축적 가능한 전하량을 나타낸다.
본 실시예에서, 기판 전압은 도 15(a)에서 정의된 바와 같으므로, 임의의 정수 m(2≤m≤n)에 대하여 Qsat(m) - Qsat(m - 1) < Qsat(m + 1) - Qsat(m)이 성립한다.
도 15(c)와 15(d)는 많은 양의 빛과 소량의 빛을 공급하였을 때 포토다이오드로 축적되는 전하량을 나타낸다. 도 15(c)는 소량의 빛을 공급하였을 경우에 단일 이미징 주기 내에서 전하가 오버플로우 없이 포토다이오드로 축적되는 상태를 보여준다.
반면에, 도 15(d)는 많은 양의 빛을 공급한 경우를 나타낸다. Qsat(m-1)나 그 이전의 모드에 대한 시간 영역에서는 포화 기간이 잠깐 발생한다. 그러나, Qsat(m)나 그 이후의 모드에 대한 시간 영역에서는 Qsat(n)의 모드가 종료하는 시간 t(n)까지도 광전 변환된 전하가 포화되지 않고 포토다이오드로 축적된다.
도 16은 광량에 대한 포토다이오드에 축적되는 전하량의 관계를 나타낸다. 실선은 본 발명의 제 3 실시예에서 광량과 실제 축적된 전하량의 관계를 나타내고, 점선은 축적 가능한 전하량이 일정할 경우에 광량과 실제 축적된 전하량의 관계를 나타낸다.
S'(1)는 축적 가능한 전하량이 일정한 경우에 포토다이오드가 포화되는 빛의 최소량을 나타낸다.
본 실시예에서, 기판 전압이 n 단계에 거쳐 변할 때, 광량에 대한 축적 가능한 전하량의 변화율이 달라지는 변환점이 n-1 개 존재하고, S(1)< S(2)< …< S(m)< …< S(n)의 관계가 성립한다. 여기서, S(n)는 단일 이미징 주기의 종료 시간이다.
포토다이오드는, 광량이 S(m)보다 많은 경우에는 Qsat(1) 내지 Qsat(m)의 모드에 대한 시간 영역에서 포화되지만, 광량이 S(m)보다 많고 S(m+1)보다 적은 경우에는 Qsat(m+1) 내지 Qsat(n) 모드에 대한 시간 영역에서는 포화되지 않는다.
한편, 광량이 S(n)보다 많은 경우, 포토다이오드는 Qsat(1)과 Q'sat(n)의 모드에 대한 시간 영역에서 항상 포화된다.
한편, 도 16에서 S(1) 내지 S(n)는 도 9의 S(1) 내지 S(n)와 같게 된다. 그러나, S(n)는 임의로 설정할 수 있지만, S(m)(1≤m≤n-1)는 2≤m≤n-1의 임의의 m에 대하여 t(m + 1) - t(m)<t(m) - t(m - 1)의 조건을 만족하는 t(1) 내지 t(n-1)에 의해 독자적으로 결정된다.
제 4 실시예에 따르면, 종래의 장치에 비하여 다이나믹 레인지를 개선할 수 있다.
또한, 제 1 및 제 2 실시예와 비교하면, 본 실시예어서, 축적 전하량이 변하지 않는 경우보다 다이나믹 효율이 보다 개선되고, 광전 변환 효율이 광량에 따라 변하는 경우에도 그 변화를 연속 변화에 가깝거나 그 보다 작게 설정할 수 있다. 그러므로, 눈에 불편함을 주지 않는 상을 얻을 수 있다.
다음은, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 고체 촬상 장치의 구동 방법을 설명하기로 한다. 제 5 실시예에서, 고체 촬상 장치 내의 축적 가능한 전하량은 단일 이미징 주기 내에서 연속으로 변하도록 제어되고, 이미징 주기 내에서 축적 가능한 전하량의 변화율이 d(Qsat)/dt>0인 조건하에 제어된다.
보다 상세히 설명하면, 제 5 실시예어서, 축적 가능한 전하량은 이미징 주기 T1 내에서 연속으로 변하도록 제어된다.
도 17(a) 내지 도 17(d)은 이와 같은 제어를 구현하기 위한 기판 전압과, 축적 가능한 전하량과, 포토다이오드에 실제로 축적된 전하량을 보여주고 있다.
도 17(a)은 이미징 주기 T1 내의 기판 전압을 나타낸다. 축적 시간에서, 셔터 전압보다 낮고 블루밍 억제 전압보다 높은 기판 전압을 인가하여, 기판 전압은 점차적으로 낮아진다.
그런 다음, 이미징 주기 T1 내에서 축적 시작점으로부터 축적 시간t(1)으로 변할 때의 축적 가능한 전하량이 Qsat(t)가 결정된다.
또한, 이미징 주기 T1의 축적 시작점에서 종료 시간(tp로 표시됨)까지 임의의 t에 대하여 d(Qsat(t))/dt > 0과 d2(Qsat(t))/dt2> 0이 성립하도록 기판 전압이 설정된다.
도 17(b)은 이미징 주기 T1 내에서 축적 가능한 전하량을 나타낸다.
본 실시예에서, 기판 전압은 도 17(a)에서 정의된 바와 같으므로, 축적 가능한 전하량은 아래로 볼록한 형태로 증가하는 연속 곡선을 트레이스(trace)한다.
도 17(c)과 17(d)은 많은 양의 빛과 소량의 빛을 공급하였을 때 포토다이오드로 축적되는 전하량을 나타낸다. 도시한 바와 같이, 광량이 많은 경우와 적은 경우 모두에 있어서, 전하는 일정한 시간까지 포화된다. 그러나, 빛이 적은 경우의 축적 시간 t1이후와 빛이 많은 경우의 t1축적 시간 t2이후에는, 이미징 주기의 종료 시간에 이를 때까지 광전 변환된 전하가 포화되지 않고 포토다이오드로 축적된다.
도 18은 광량에 대한 포토다이오드에 축적되는 전하량의 관계를 나타낸다. 실선은 본 발명의 제 3 실시예에서 광량과 실제 축적된 전하량의 관계를 나타내고, 점선은 축적 가능한 전하량이 일정할 경우에 광량과 실제 축적된 전하량의 관계를 나타낸다.
본 실시예에서, 기판 전압이 d(Qsat(t))/dt > 0과 d2(Qsat(t))/dt2> 0을 만족시키면서 연속으로 변할 때, 광량의 변화에 대하여 축적 가능한 전하량은 위로 볼록한 형태로 증가하는 연속 곡선을 나타낸다.
광량이 S(m)보다 많은 경우에는 포토다이오드가 m에 일대일 대응되는 일정한 축적 시간tm(S(m)<S(n)일 때, tm<tn)까지의 시간 영역에서 포화하지만, S(m)보다 많고 S(tp)보다 적은 경우에는 포토다이오드가 포화하지 않는다.
한편, 광량이 S(tp)보다 많은 경우에는 포토다이오드가 이미징 주기 동안 내내 포화된다.
한편, S(tp)는 임의로 설정할 수 있지만, 광량의 실제 변화량에 대응되는 축적 전하량을 나타내는 곡선이 (0≤t<tp)를 만족시키는 임의의 t에 대해서 d(Qsat(t))/dt>0과 d2(Qsat(t))/dt2>0을 만족시키는 Qsat(t)(0≤t<tp)에 의해 독자적으로 결정된다.
제 5 실시예에 따르면, 종래의 장치에 비하여 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있다.
또한, 축적 가능한 전하량이 불연속으로 변하는 제 4 실시예와 비교할 때, 본 실시예에서, 광전 변환 효율이 광량에 따라 변하더라도 그 변화가 연속으로 일어난다. 그러므로, 눈에 불편함을 주지 않는 상을 얻을 수 있다.
제 5 실시예의 변형예로서, 이미징 주기의 전부 또는 일부 동안에 제 2 변화율이 d2(Qsat(t))/dt2> 0을 만족시키도록 축적 가능 전하를 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 제 2 변화율이 본 실시예의 제어 조건인 d2(Qsat(t))/dt2>0을 만족시키지 않고 축적 시간 t(m)에서 t(n)까지 d2(Qsat(t))/dt2= 0인 경우에도, 축적 가능한 전하량이 변하지 않는 경우보다 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있다. 또한, 광전 변환 효율이 광량에 따라 변하더라도 그 변화가 연속으로 일어난다. 그러므로, 눈에 불편함을 주지 않는 상을 얻을 수 있다.
그리고, t(m)에서 t(n)까지의 시간 동안에는 광량이 t(m)에 일대일 대응되는 S(m)보다 많은 경우에는 포토다이오드가 내내 포화된다.
또한, 광량이 S(m)일 때 t(m)에서 t(n)까지 d2(Qsat(t))/dt2< 0이면, 광전 변환 효율이 불연속적으로 변하여 눈에 불편함을 주는 상을 생성한다.
또한, 본 실시예에서는, 해당 이미징 주기가 시작하기 바로 전에 전하 축적 수단에 축적되는 전하량이 실질적으로 제로인 것이 바람직하다. 몇몇의 경우에, 도 17(a 및 b)의 점선으로 된 곡선이 나타내는 바와 같이, 해당 이미징 주기가 시작하기 바로 전에 전하 축적 수단에 축적되는 전하량을 제로로 설정하지 않고 소정의 전하량을 의도적으로 부가하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 실시예들에서, 해당 이미징 주기의 시작점 t(0)에서 전하 축적 수단에 축적된 전하가 없으면, 축적된 전하량이 분산되기 쉽다. 이 시점에서 축적된 전하량의 분산이 인간의 시각에 크게 영향을 미치므로, 눈이 불편함을 느낄 수 있다. 그러므로, 이 문제를 해결하기 위해서는 소정의 전하를 전하 축적 수단에 공급하는 것이 바람직하다.
가령, 전하 축적 수단에 소정의 전압을 인가하거나 소정의 전하량을 남겨두는 것이다.
따라서, 그러한 실시예에 있어서, 도 17(a)의 점선 곡선이 나타내는 바와 같이 이미징 주기의 시작점에서 기판 전압이 급격히 한 단계 낮아진다.
본 발명의 제 1 내지 제 5 실시예에 있어서, CCD형 고체 촬상 장치에 일반적으로 사용되는 수직 OFD 구조를 갖는 광전 변환 영역에서 기판 전압이 변함에 따라 축적 가능 전하량이 변한다. 그러나, 제 1 내지 제 5 실시예의 방법 또한 수평 OFD 구조를 갖는 광전 변환 영역에서 유사하게 사용될 수 있다. 이를 설명하면 다음과 같다.
도 19a는 CMOS형 고체 촬상 장치에 일반적으로 사용되는 광전 변환 영역을 보여주는 단면도이다. 이 광전 변환 영역은 p형 반도체 기판(221)과, p형 반도체 영역(222)과, p+형 반도체 영역(223)과, n형 반도체 영역(224)과, n+형 반도체 영역(225)과, 리셋 트랜지스터(211)와, 그리고 소스 폴로우 회로(source follower circuit)용 구동 트랜지스터(212)와 선택 트랜지스터(213)로 구성된다.
먼저, 이미징 주기 이전에 불필요한 전하를 재설정하기 위해서, 도 19b에 나타낸 바와 같이 리셋 트랜지스터(211)에 전압 VBg를 인가하면 리셋 트랜지스터(211) 하부의 전위가 깊어지고, n형 반도체 영역(224)의 전위가 파워 소스 전압 VDD로 설정된다.
그런 다음, 도 19c에 나타낸 바와 같이 전압 VBg을 리셋 트랜지스터(211)에 인가하면, 광전 변환 영역(201)이 입사광의 양에 다라 신호 전하를 축적하기 시작하고, 블루밍 제어를 수행하여 수직 OFD 구조에 의해 파워 소스 전압 VDD가 인가되는 n+형 반도체 기판(205)으로 광전 변환 영역(201)에 축적되지 못하고 남은 과량의 전하가 제거된다.
그러면, 축적 가능 전하량이 전압 VBg에 의해 결정된다. 그러므로, 이미징 주기 내에 VBg를 변화시킴으로써 축적 가능 전하량을 임의대로 제어할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 고체 촬상 장치(1)는 소정의 시간 동안 입사광의 양에 따라 신호 전하를 축적하고, 기판 전압으로 전위 장벽을 조절하여 과량의 전하를 기판 내부로 제거하고 축적 가능 전하량을 조절할 수 있는 수직 OFD 구조를 구비하는 복수개의 광전 변환 영역을 포함한다. 또한, 고체 촬상 장치(1)는 소정의 시간 동안 입사광의 양에 따라 신호 전하를 축적하고, 게이트 전압으로 전위 장벽을 조절하여 과량의 전하를 인접한 확산층 내부로 제거하고 축적 가능 전하량을 조절할 수 있는 수평 OFD 구조를 구비하는 복수개의 광전 변환 영역을 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 컴퓨터를 이용하여 고체 촬상 장치를 구동하는 방법을 수행하기 위한 프로그램을 저장하는 기록 매체이다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 단일 이미징 주기 내에서 축적 가능 전하량을 두 단계에 거쳐 변화시키면, 이미징 주기 동안에 축적 가능 전하량이 변하지 않는 경우에 비하여 다이나믹 레인지를 크게 개선할 수 있다.
또한, 축적 가능 전하량을 두 단계 이상의 단계에 거쳐 불연속적으로 변화시키면, 축적 가능 전하량이 변하지 않는 경우에 비하여 다이니믹 레인지를 크게 개선할 수 있다. 또한, 축적 가능 전하량이 두 단계에 거쳐 변화하는 경우와 비교하여, 광량에 따라 광전 변환 효율이 변하여도 그 변화량이 적고 거의 연속 변화에 근접하게 설정할 수 있다. 따라서, 눈에 불편함을 주지 않는 영상을 만들 수 있다.
또한, 축적 가능 전하량이 연속적으로 변하는 경우에는, 축적 가능 전하량이 변하지 않는 경우보다 다이나믹 레인지를 크게 개선할 수 있다. 또한, 축적 가능 전하량이 불연속적으로 변하는 경우에 비하여, 광량에 따라 광전 변환 효율이 변하여도 그 변화는 연속적으로 발생한다. 따라서, 눈에 불편함을 주지 않는 영상을 만들 수 있다.
본 발명이 완벽하고 명시적으로 구체적인 실시예에 관하여 설명되었지만, 첨부된 청구 범위는 이에 한정되는 것이 아니라 설명된 기본적인 가르침을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 기술 분야에서의 숙력자가 변경 및 대안으로의 구조를 구체적으로 구조화할 수 있다.

Claims (16)

  1. 매트릭스 형태로 배열된 복수개의 감지 수단,
    상기 감지 수단에 연결되어 상기 감지 수단에서 발생된 전하를 축적하기 위한 전하 축적 수단,
    상기 전하 축적 수단의 상기 축적 가능한 전하량을 조절하기 위한 축적 가능 전하 조절 수단과,
    상기 축적 가능 전하 조절 수단을 제어하기 위한 제어 수단을 포함하는 고체 촬상 장치로서,
    상기 제어 수단이 상기 제어 수단의 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 그리고, 단일 이미징 주기 내에서 일련의 시간에 따라 상기 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키도록 제어하는 고체 촬상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 감지 수단이 CMOS 감지 수단과 수직 오버플로우 드레인형 감지 수단으로부터 하나가 선택되는 고체 촬상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 축적 가능한 전하량이 단일 이미징 주기 내의 일련의 시간에 따라 점차적으로 증가하도록 제어되는 고체 촬상 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단이 상기 축적 가능한 전하량을 변화시킬 때 상기 감지 수단의 상기 기판 전압이나, 상기 감지 수단의 전하 추출 수단을 구성하는 트랜지스터의 상기 게이트 전압을 변화하게 제어하도록 구성되는 고체 촬상 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 소정의 시간 동안 입사광의 양에 따라 신호 전하를 축적하고, 기판 전압에 의해 전위 장벽을 제어함으로써, 과량의 전하를 기판에서 제거하여 축적 가능한 전하량을 제어하는 수직 OFD 구조를 구비한 복수개의 광전 변환 영역을 더 포함하는 고체 촬상 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 소정의 시간 동안 상기 입사광의 양에 따라 신호 전하를 축적하고, 게이트 전압에 의해 상기 전위 장벽을 제어함으로써, 과량의 전하를 인접한 확산층 내부에서 제거하여 축적 가능한 전하량을 제어하는 수평 OFD 구조를 구비한 복수개의 광전 변환 영역을 더 포함하는 고체 촬상 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단이 상기 감지 수단의 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 그리고, 단일 이미징 주기 내에서 일련의 시간에 따라 상기 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키는 고체 촬상 장치.
  8. 매트릭스 형태로 배열된 복수개의 감지 수단과, 상기 감지 수단에 연결되어 상기 감지 수단에서 발생된 전하를 축적하는 전하 축적 수단과, 상기 전하 축적 수단의 축적 가능한 전하량을 조절하는 축적 가능 전하 조절 수단과, 상기 축적 가능 전하 조절 수단을 제어하는 제어 수단을 구비한 고체 촬상 장치를 구동하는 방법으로서,
    상기 제어 수단에 의해, 상기 감지 수단의 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 그리고, 단일 이미징 주기 내에서 일련의 시간에 따라 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키도록 제어하는 단계를 포함하는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 축적 가능한 전하량의 상기 변환 동작이 Qsat(1)/t(1)<(Qsat(1) - Qsat(2))/(t(2) - t(1))를 만족하도록 Qsat(1)와 Qsat(2)의 상기 축적 모드를 제어하면서 상기 축적 가능한 전하량을 조절할 수 있는 상기 고체 촬상 장치에서 단일 이미징 주기 내의 Qsat(1)와 Qsat(2)의 순서로 수행되는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법(여기서, Qsat(1)의 축적 모드의 상기 종료 시간은 t(1)이고, 단일 이미징 주기의 끝에 해당하는 Qsat(2)의 축적 모드의 상기 종료 시간은 t(2)이다).
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 축적 가능한 전하량의 상기 변환 동작은, Qsat(1)<Qsat(2)< … <Qsat(n)이 만족되는 제 1 축적 가능한 전하량(Qsat(1)≠0)으로부터 제 n 번째 축적 가능한 전하량으로 순차적으로 변화시키면서, 상기 축적 가능 전하량을 제어할 수 있는 상기 고체 촬상 장치에서 단일 이미징 주기 내에 Qsat(1), Qsat(2), …, Qsat(n)의 순서로 수행되는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 축적 가능한 전하의 상기 변환 동작이 2 또는 보다 크고 n보다 작은 특정 정수 m 또는 임의의 정수 m에 대하여 (Qsat(m) - Qsat(m - 1))/(t(m) - t(m - 1))<(Qsat(m + 1) - Qsat(m))/(t(m + 1) - t(m))의 관계를 만족하도록 제어되는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법(여기서, t(m)은 축적 가능한 전하량이 Qsat(m)일 때 축적의 시작에서부터 m 번째 단계 축적 모드의 끝까지의 시간(2≤m≤n)이고, 단일 이미징 주기의 상기 종료 시간이 t(n)이다).
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 축적 가능한 전하량을 제어할 수 있는 고체 촬상 장치에서의 상기 축적 가능한 전하량은 단일 이미징 주기 내에서 연속적으로 변화하도록 제어되고, 단일 이미징 주기 내에서 상기 축적 가능한 전하의 변화율이 d(Qsat)/dt>0을 만족시키도록 제어되는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 단일 이미징 주기의 전부 또는 일부에서, 상기 축적 가능한 전하량이 제 2 변화율이 d2(Qsat(t))/dt2>0을 만족시키도록 제어되는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 전햐량이 순차적으로 제로(0)가 되는 상기 관련된 단일 이미징 주기 시작 바로 직전에 상기 전하 축적 가능 수단에 축적되는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법.
  15. 제 8 항에 있어서, 상기 전하량이 상기 관련된 단일 이미징 주기 시작 바로 직전에 상기 전하 축적 가능 수단에 축적될 때, 소정의 전하량이 부가되는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법.
  16. 매트릭스 형태로 배열된 복수개의 감지 수단, 상기 감지 수단에 연결되어 상기 감지 수단에서 발생된 전하를 축적하기 위한 전하 축적 수단, 상기 전하 축적 수단의 상기 축적 가능한 전하량을 조절하기 위한 축적 가능 전하 조절 수단과, 상기 축적 가능 전하 조절 수단을 제어하기 위한 제어 수단을 포함하는 고체 촬상 장치를 구동하는 방법을 컴퓨터가 수행하도록 프로그램을 저장하는 기록 매체로서,
    상기 제어 수단에 의해, 상기 감지 수단의 주어진 축적 가능한 전하량의 범위 내에서 그리고, 단일 이미징 주기 내에서 일련의 시간에 따라 축적 가능한 전하량을 연속적으로 또는 불연속적으로 변화시키도록 제어하는 단계를 포함하는 기록 매체.
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