KR20010080921A - 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 카메라 시스템 - Google Patents

고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 카메라 시스템 Download PDF

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Abstract

각 화소의 축적 전하량에 대응하는 신호를 행 단위로 배선된 수평 신호선에 출력하는 CMOS 촬상 소자에 있어서, 예를 들면 각 수평 신호선마다 2개의 수직 선택 트랜지스터가 배치되고, 각 수평 신호선에 대하여 2개의 수직 신호선 및 2개의 수직 주사 회로가 배치됨으로써, 1 필드를 1H의 정수배로 임의로 분할된 축적 시간에서 상이한 신호를 각각 출력한다.

Description

고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 카메라 시스템 {SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE, METHOD OF DRIVING THE SAME AND CAMERA SYSTEM}
CMOS 촬상 소자 등의 X-Y 어드레스형 고체 촬상 소자에서는 광전 변환에 의해서 단위 화소에 축적되는 전하량에 대하여 거의 선형인 출력 신호가 얻어지고, 단위 화소에 축적할 수 있는 전하량에 의해서 촬상 소자의 다이내믹 레인지 (dynamic range)가 결정된다.
도 13은 촬상 소자의 입사광의 양과 출력 신호량의 관계를 나타내는 입출력 특성도이다. 이 입출력 특성도로부터 명확히 한 바와 같이, 촬상 소자의 다이내믹 레인지는 각 화소의 포화 신호량과 노이즈 레벨로 결정되게 된다.
이와 같이, 단위 화소에 축적 가능한 전하량은 그 화소의 사이즈에 따라 한계가 있다. 따라서, 이러한 종류의 X-Y 어드레스형 고체 촬상 소자를 촬상 디바이스로서 이용한 카메라 시스템에 있어서, 저휘도의 피사체에 카메라 렌즈의 조리개를 맞추면 고휘도의 피사체의 신호가 포화되어 버린다. 반대로 고휘도의 피사체에카메라 렌즈의 조리개를 맞추면 저휘도의 피사체의 신호가 노이즈에 묻혀 버리므로 화상 인식 등에 요구되는 넓은 다이내믹 레인지를 얻을 수 없게 된다.
그러므로, 1 필드 또는 1 프레임 동안 장시간 축적 신호와 단시간 축적 신호를 출력하고, 이들 신호에 기초하여 매우 넓은 범위의 입사광의 양에 대하여 콘트라스트(contrast)가 있는 촬상 신호를 얻도록 함으로써, 넓은 다이내믹 레인지 촬상을 가능하게 하는 X-Y 어드레스형 고체 촬상 소자가 제안되어 있다. 여기서, 장시간 축적 신호는 장시간 축적에 의한 신호 전하에 기초하는 신호를 말하고, 단시간 축적 신호는 단시간 축적에 의한 신호 전하에 기초하는 신호를 말한다.
종래의 X-Y 어드레스형 고체 촬상 소자에서는 1 라인의 장시간 축적 신호를 출력한 후, 1 라인 단시간 축적 신호를 출력하도록 하고 있다. 그러므로, 수평 영상 기간 동안에 수직 판독 주사 펄스가 상승하거나, 1 수평 주사 기간 동안에 수평 주사 회로가 2회 주사하게 되는 것부터, 이들이 카메라 신호 처리 회로로 돌아 들어가서 화면의 중앙 부근에 수직 줄무늬의 시스템 노이즈로서 나타난다고 하는 문제가 있었다.
또, 같은 수평 주사 기간 동안에 장시간 축적 신호와 단시간 축적 신호를 공통의 신호선을 통해서 단일의 출력 단자로부터 출력하도록 하고 있으므로, 넓은 다이내믹 레인지 촬상 동작을 행하지 않는 촬상 소자에 대하여, 출력 신호 주파수가 거의 2배로 증가한다. 그러므로, 소비 전력이 증대하거나 SN 비가 열화한다.
본 발명은 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 카메라 시스템에 관한 것이고, 특히 X-Y 어드레스 형의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 상기 고체 촬상 소자를 촬상 소자로 하여 이용한 카메라 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 CMOS 촬상 소자를 나타내는 구성도이다.
도 2는 수직 주사의 타이밍 차트이다.
도 3은 수평 주사의 타이밍 차트이다.
도 4는 넓은 다이내믹 레인지 동작 시의 수직 주사의 모식도이다.
도 5는 넓은 다이내믹 레인지 동작 시의 화소 축적 전하량의 시간 변화를 도시한 도면이다.
도 6은 단위 화소의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 7은 본 발명에 의한 카메라 시스템의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 8은 수직 구동 시스템이 3중 시스템인 경우의 화소 축적 전하량의 시간 변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 수직 구동 시스템이 3중 시스템인 경우의 신호 처리 회로의 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 10은 수직 구동 시스템이 3중 시스템인 경우의 입사광의 양과 출력 신호량의 관계의 일례를 나타낸 입출력 특성도이다.
도 11은 고속 촬상 시의 수직 주사의 타이밍 차트이다.
도 12는 고속 촬상 시의 수직 주사의 모식도이다.
도 13은 촬상 소자의 입사광의 양과 출력 신호량의 관계를 나타낸 입출력 특성도이다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적은 수직 줄무늬의시스템 노이즈를 원리적으로 해소할 수가 있는 동시에, 소비 전력의 증대나 SN 비의 열화를 방지할 수 있는 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 카메라 시스템을 제공함에 있다.
본 발명에 의한 고체 촬상 소자(solid-state image pickup device)로서는 단위 화소가 행렬형으로 배치되어 이루어지는 화소부(pixel portion)에 대하여 행 단위로 복수 행의 수평 신호선(horizontal signal line)이 배선되고, 또한 이들 수평 신호선에 대하여 복수의 수직 신호선(vertical signal line)이 공통으로 배선되어 있다. 그리고, 화소부의 각 화소를 상이한 복수 행에 대해서 행 단위로 선택하는 동시에 복수 행의 수평 신호선에 각 화소로부터 출력된 신호를 순차적으로 복수의 수직 신호선에 출력하는 복수 시스템(multiple-system)의 수직 구동 수단(vertical driving means)과, 이들 수직 구동 수단에 의해서 선택된 복수 행의 각 화소를 순차적으로 선택하는 수평 구동 수단(horizontal driving means)이 설치되어 있다. 또, 본 발명에 의한 카메라 시스템은 상기 구성의 고체 촬상 소자를 촬상 소자로서 이용하고 있다.
상기 구성의 고체 촬상 소자에 있어서, 수직 신호선을 2개 배선하고 이에 대응하여 수직 구동 수단을 2중 시스템(dual system)으로 설치한 구성의 경우를 생각할 수 있다. 이 구성에서는 상이한 2열의 신호가 2개의 수직 신호선을 통해서 동시에 출력된다. 이 때, 신호 전하의 축적 시간을 상이한 2 라인의 각 화소 사이에서 상이하게 함으로써 장시간 축적 신호와 단시간 축적 신호가 2중 시스템 신호로서 동시에 출력된다. 그리고, 이 고체 촬상 소자를 촬상 소자로서 이용한 카메라시스템으로서는 장시간 축적 신호 및 단시간 축적 신호를 동일 행의 신호로 하기 위해서 동시화 처리를 행하고, 그리고 나서 연산 처리하는 것으로 넓은 다이내믹 레인지 촬상을 실현한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서, X-Y 어드레스형의 고체 촬상 소자(solid-state image pickup device), 예를 들면 CMOS 촬상 소자에 적용한 경우를 예로 채용하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 CMOS 촬상 소자를 나타내는 구성도이다.
도 1에 있어서 파선으로 둘러싸인 영역이 단위 화소(unit pixel)(11)를 나타내고 있다. 이 단위 화소(11)는 광전 변환 소자(photoelectric conversion element)인 포토다이오드(photodiode)(PD)(12)에 대하여, 판독(read-out) 트랜지스터(13), 판독 선택(read-out selection) 트랜지스터(14), 증폭(amplifying) 트랜지스터(15), 리셋(reset) 트랜지스터(16) 및 출력 선택(output selection) 트랜지스터(17)의 5개의 NchMOS 트랜지스터를 가지는 구성으로 되어 있다. 그리고, 상기 복수의 단위 화소(11)가 행렬형으로 배치되어 화소부(pixel portion)(21)를 구성하고 있다.
이 경우에, 도면의 간략화를 위해 화소부(21)가 2열[(m-1)번째 열, m번째 열], 2행[n번째 행, (n+1)번째 행]의 화소 구성의 경우를 예로 들어 나타내고 있다. 이 화소부(21)에는 수평 신호선(22n+1, 22n) 및 판독선(23n+1, 23n)이 행 단위로 배선되어 있다. 또한, 수평 선택 선(24m-1, 24m)이 열 단위로 배선되어 있다.
m번째 열, (n+1)번째 행의 단위 화소(11)에 있어서, 포토다이오드(12)는 광전 변환과 전하 축적의 각 기능을 겸비하고 있다. 즉, 입사광(incident light)을 그 광량에 따른 전하량의 신호 전하로 광전 변환하고, 또한 그 신호 전하를 축적하는 기능을 가지고 있다. 이 포토다이오드(12)는 매입 다이오드형(diode-buried type) 센서 구조, 예를 들면 np 다이오드의 기판 표면 측에 p+ 층으로 이루어지는 정공 축적 층을 부가한 HAD(Hole Accumulated Diode) 센서 구조로 되어 있다.
포토다이오드(12)의 캐소드에는 판독 트랜지스터(13)의 소스가 접속되어 있다. 판독 트랜지스터(13)는 드레인이 축적부(accumulating portion)인 부유 확산 영역(floated diffusion area)(FD)에 접속되고, 게이트가 판독 선택 트랜지스터(14)의 소스/드레인에 접속되어 있다. 판독 선택 트랜지스터(14)는 드레인/소스가 판독선(23n+1)에 접속되고, 게이트가 수평 선택선(24m)에 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(15)는 게이트가 부유 확산영역(FD)에 접속되고, 드레인이 전원(VDD)에 접속되어 있다.
리셋 트랜지스터(16)는 소스가 부유 확산 영역(FD)에, 드레인이 전원(VDD)에 각각 접속되고, 게이트가 인접하는 (m-1)번째 열의 수평 신호선(24m-1)에 접속되어 있다. 이 리셋 트랜지스터(16)는 부유 확산 영역(FD)을 전원(VDD)에 리셋하기 위한 디프레션 형(depression type)으로 설계된다. 출력 선택 트랜지스터(17)는 드레인이 증폭 트랜지스터(15)의 소스에, 소스가 수평 신호선(22n+1)에 각각 접속되고, 게이트가 수평 선택선(24m)에 접속되어 있다.
또, 복수 행의 수평 신호선[본 예에서는 2 행의 수평 신호선(22n, 22n+1)]에 대하여, 이들과 직교하는 방향으로 제1, 제2 수직 신호선(25, 26)이 화소부(21) 밖의 영역에서 배선되어 있다. 그리고, 수평 신호선(22n, 22n+1)의 각각과 제1, 제2 수직 신호선(25, 26)의 사이에는 수직 선택 트랜지스터(27n, 27n+1) 및 (28n, 28n+1)이 각각 접속되어 있다. 이들 수직 선택 트랜지스터(27n, 27n+1, 28n, 28n+1)도 NchMOS 트랜지스터로 이루어지고 있다.
화소 부(21)의 주변 부에는 열 선택을 위한 수평 주사 회로(horizontal scan circuit)(29)가 수평 구동 시스템(horizontal driving system)으로서, 행 선택을 위한 제1 수직 주사 회로(vertical scan circuit)(30) 및 축적 시간을 제어하기 위한 제2 수직 주사 회로(31)가 수직 구동 시스템(vertical driving system)으로서 각각 설치되어 있다. 이들 주사 회로(29, 30, 31)는 예를 들면 시프트 트랜지스터에 의해서 구성되고, 타이밍 제너레이터(timing generator)(TG)(32)로부터 부여되는 구동 펄스에 응답하여 시프트 동작(주사)을 개시하도록 되어 있다.
수평 주사 회로(29)로부터는 수평 주사 (선택) 펄스(φHm-1, φHm)가 순차적으로 출력된다. 이들 수평 주사 펄스(φHm-1, φHm)는 수평 선택선(24m-1, 24m)을 통해서 열 단위로 단위 화소(11)의 판독 선택 트랜지스터(14), 리셋 트랜지스터(16) 및 출력 선택 트랜지스터(17)의 각 게이트에 부여된다. 제1 수직 주사 회로(30)로부터는 제1 수직 주사 펄스(φV1n, φV1n+1)가 순차적으로 출력되고, 제2 수직 주사 회로(31)로부터는 제2 수직 주사 펄스(φV2n, φV2n+1)가 순차적으로 출력된다.
제1 수직 주사 펄스(φV1n, φV1n+1)는 행마다 OR 게이트(33n, 33n+1)의 한 쪽 입력으로 되는 동시에, 수직 선택선(34n, 34n+1)을 통해서 수직 선택 트랜지스터(27n, 27n+1)의 게이트에 부여된다. 제2 수직 주사 펄스(φV2n, φV2n+1)는 행마다 OR 게이트(33n, 33n+1)의 다른 쪽의 입력으로 되는 동시에, 수직 선택선(36n, 36n+1)을 통해서 수직 선택 트랜지스터(28n, 28n+1)의 게이트에 부여된다.
OR 게이트(33n, 33n+1)의 각 출력은 AND 게이트(35n, 35n+1)의 각 한쪽의 입력으로 된다. AND 게이트(35n, 35n+1)의 각 다른 쪽의 입력으로서는 타이밍 제너레이터(32)로부터 출력되는 판독 펄스(read-out pulse)(φPRD)가 부여된다. AND 게이트(35n, 35n+1)의 각 출력은 판독선(23n, 23n+1)을 통해서 각 화소에 있어서의 판독 선택 트랜지스터(14)의 드레인에 부여된다.
제1, 제2 수직 신호선(25, 26)의 출력단 측에는 신호 전류를 신호 전압으로 변환하는 I(전류) - V(전압) 변환 회로(37, 38)와, 차분 회로(differential circuit)로서 예를 들면 상관 이중 샘플링 회로[이하, CDS (Correlated Double Sampling) 회로라고 함](39, 40)가 설치되어 있다. I - V 변환 회로(37, 38)는 수직 신호선(25, 26)을 통해서 신호 전류로서 공급되는 화소 신호를 신호 전압으로 변환하여, 신호 전압을 CDS 회로(39, 40)에 공급한다.
CDS 회로(39, 40)는 타이밍 제너레이터(32)로부터 부여되는 샘플링 펄스에 기초하여, 화소 리셋 직후의 노이즈 레벨과 신호 레벨과의 차이를 구하는 처리를 행한다. 또, CDS 회로(39, 40)의 후단에는 필요에 따라 AGC(Auto Gain Control) 회로나 ADC(Analog Didital Converter) 회로 등을 설치하는 것도 가능하다.
다음에, 본 발명의 일 실시예에 의한 CMOS 촬상 소자에 있어서의 넓은 다이내믹 레인지 동작에 대해, 도 2 및 도 3의 타이밍 차트를 이용하여 설명한다.
도 2는 수직 주사의 타이밍 차트, 도 3은 수평 주사의 타이밍 차트이다.
제1, 제2 수직 주사 회로(30, 31)의 수직 주사에 의해, 시간 t1에서 제1 수직 주사 회로(30)로부터 제1 수직 주사 펄스(φV1n)가 제2 수직 주사 회로(31)로부터 제2 수직 주사 펄스(φV2n+i)가 각각 출력된다. 제1 수직 주사 펄스(φV1n)는 수직 선택선(34n)을 통해서 n번째 행의 수직 선택 트랜지스터(27n)의 게이트에 인가되고, 제2 수직 주사 펄스(φV2n+i)는 수직 선택선(36n+i)을 통해서 (n+i)번째 행의 수직 선택 트랜지스터(28n+i)의 게이트에 인가된다. 그 결과, n번째 행, (n+i)번째 행이 각각 선택된다.
이 상태에 있어서, 수평 주사 회로(29)에 의해서 수평 주사가 행하여진다. 이 수평 주사에 있어서, 여기서는 예를 들면 m번째 열에 착안하여 동작 설명을 한다.
먼저, 수평 주사 회로(29)로부터 수평 주사 펄스(φHm-1)가 출력되어, (m-1)번째 열의 수평 선택선(24m-1)에 인가되면, m번째 열의 화소의 리셋 트랜지스터(16)가 온(ON) 상태로 된다. 이로써, 부유 확산 영역(FD)이 리셋 트랜지스터(16)를 통해서 전원(VDD)에 리셋된다.
계속해서, 수평 주사 회로(29)로부터 수평 주사 펄스(φHm)가 출력되고, m번째 열의 수평 선택선(24m)에 인가되면, m번째 열의 화소의 출력 선택 트랜지스터(17)가 온(ON) 상태로 된다. 이로써, 수직 선택된 n번째 행, 수평 선택된 m번째 열의 화소 [m, n]의 리셋 레벨에 따른 전류가 수평 신호선(22n) 및 수직 선택 트랜지스터(27n)를 통해서 제1 수직 신호선(25)으로 출력되고, 동시에, 수직 선택된 (n+i)번째 행, 수평 선택된 m번째 열의 화소 (m, n+i)의 리셋 레벨에 따른 전류가 수평 신호선(22n+i) 및 수직 선택 트랜지스터(28n+i)를 통해서 제2 수직 신호선(26)으로 출력된다.
또, 수평 주사 펄스(φHm)의 발생 기간동안 판독 펄스(φPRD)가 출력되면, 이 판독 펄스(φPRD)와 AND 게이트(35n)에서의 제1 수직 주사 펄스(φV1n) 사이에서, 또한 이 판독 펄스(φPRD)와 AND 게이트(35n+i)에서의 제2 수직 주사 펄스(φV2n+i) 사이에서 각각 논리곱(logical product)이 잡힌다. 그 결과, n번째 행, (n+i)번째 행의 판독 선(23n, 23n+i)에 각각 펄스가 선다. 이 때, 화소 [m, n], [m, n+i]의 각 판독 선택 트랜지스터(14)는 수평 주사 펄스(φHm)가 게이트에 인가되어 있으므로 ON 상태로 된다.
따라서, 판독 선(23n, 23n+i)에 인가된 판독 펄스(φPRD)는 화소 [m, n], [m, n+i]에 있어서 판독 선택 트랜지스터(14)의 드레인/소스를 통하여 판독 트랜지스터(13)의 게이트에 인가된다. 이로써, 판독 트랜지스터(13)가 ON 상태로 되고, 포토다이오드(12)에서 광전 변환에 의해 발생하고, 축적된 신호 전하가 판독 트랜지스터(13)를 통해서 부유 확산 영역(FD)에서 판독된다.
판독 펄스(φPRD)가 소멸하면 판독 트랜지스터(13)가 OFF 상태로 된다. 그리고, 부유 확산 영역(FD)에서 판독된 신호 전하는 그 전하량에 따라 증폭 트랜지스터(15)에서 증폭되어서 신호 전류로 되고, 출력 선택 트랜지스터(17)를 지나서 (도 4에서 나타낸 바와 같이) 수평 신호선(22n, 22n+i) 및 수직 선택 트랜지스터(27n, 28n+i)를 통해서 제1, 제2 수직 신호선(25, 26)으로 각각 출력된다.
이 화소 [m, n], [m, n+i]의 선택 시에는 그 수평 주사 펄스(φHm)에 의해서 다음 열의 화소 [m+1, n], [m+1, n+i]의 리셋이 행해진다. 그리고, 수평 주사 펄스(φHm)가 소멸하고, 수평 주사 펄스(φHm+1)가 수평 주사 회로(29)로부터 출력될 때, 다음 열의 화소 [m+1, n], [m+1, n+i]가 각각 선택 상태로 된다.
상술한 일련의 동작의 반복에 의해, n번째 행의 1 라인의 단위 화소(11)의 리셋 레벨과 신호 레벨이 또한 (n+i)번째 행의 1 라인의 단위 화소(11)의 리셋 레벨과 신호 레벨이 각각 동일한 경로[수평 신호선(22n)이나 수직 선택 트랜지스터(27n, 28n+i) 등]를 통해서 차례로 제1, 제2 수직 신호선(25, 26) 상에서 판독된다. 이들 신호 레벨은 또한 I - V 변환 회로(37, 38)에서 전류에서 전압으로 변환된 후 CDS 회로(39, 40)로 보내지고, 상관 이중 샘플링에 의한 노이즈 캔슬(noise cancel)이 행해진다.
다음에, 제2 수직 주사 회로(31)의 수직 주사에 의해, 시간 t2에서 상기 주사 회로(31)로부터 제2 수직 주사 펄스(φV2n)가 출력된다. 이 제2 수직 주사 펄스(φV2n)는 수직 선택선(36n)을 통해서 n번째 행의 수직 선택 트랜지스터(28n)의 게이트에 인가된다. 그 결과, n번째 행이 선택된다. 이 n번째 행의 각 화소는 시간 t1에서 제1 수직 주사 회로(30)의 수직 주사에 의해서 선택되고, 포토다이오드(12)가 리셋된다.
따라서, n번째 행의 각 화소에 있어서, (t2 - t1)의 축적 시간에 포토다이오드(12)에서 광전 변환되고 또한 축적된 전하량에 따른 신호(즉, 장시간 축적 신호)가 n번째 행의 수평 신호선(22n) -> 수직 선택 트랜지스터(28n) -> 제2 수직 신호선(26)을 통해서 출력(OUT2)으로서 출력된다. 또한 이 시점에서도 포토다이오드(12)로부터 신호가 판독되므로 포토다이오드(12)가 리셋된다.
다시, 제1 수직 주사 회로(30)의 수직 주사에 의해, 시간 t1에서 1 수직 주사 기간(1V) 후의 시간 t3에서 상기 주사 회로(30)로부터 제1 수직 주사 펄스(φV1n)가 출력된다. 이 제1 수직 주사 펄스(φV1n)는 수직 선택선(34n)을 통해서 n번째 행의 수직 선택 트랜지스터(27n)의 게이트에 인가된다. 그 결과, n번째 행이 선택된다. 이 n번째 행의 각 화소는 시간 t2에서 제2 수직 주사 회로(31)의 수직 주사에 의해서 선택되고, 포토다이오드(12)가 리셋된다.
따라서, n번째 행의 각 화소에 있어서, (t3 - t2)의 축적 시간에 포토다이오드(12)로 광전 변환되고 또한 축적된 전하량에 따른 신호(즉, 단시간 축적 신호)가 n번째 행의 수평 신호선(22n) -> 수직 선택 트랜지스터(27n) -> 제1 수직 신호선(25)을 통해서 출력(OUT1)으로서 출력된다.
도 5에 보통의 판독에서는 포토다이오드(12)가 포화하여 버리는 화소에 대한 축적 전하량의 시간 변화를 나타낸다. 도 5에 있어서, a는 신호 레벨을, b는 포화 레벨을, c는 화이트 클립(white clip) 레벨을 각각 나타내고 있다. 또, 포화 레벨 b는 화소마다 편차를 가지고 있다.
시간 t1에서 축적이 시작된 화소는 시간 t2에서는 포화 레벨에 달하고, 포화레벨(b)이 출력(OUT2)으로서 출력된다. 시간 t3에서는 화소로부터 (t3 - t2)의 축적 시간에 따른 신호 레벨(a)이 출력(OUT1)으로서 출력된다. 여기에서 (t3 - t2) ≪ (t2 - t1)의 조건을 만족하도록 타이밍을 설정해 두면, (t2 - t1)에서 포화한 화소는 (t3 - t2)에서는 포화하지 않는다.
이러한 일련의 동작에 의해, 동일 화소로부터 (t3 - t2)의 시간 지연을 가지고 장시간 축적 신호[포화 레벨(b)]와 단시간 축적 신호[신호 레벨(a)]가 출력(OUT2)과 출력(OUT1)으로서 각각 출력된다.
전술한 바와 같이, 각 화소의 축적 전하량에 따른 신호를 행 단위로 배선된 수평 신호선(22n, 22n+1)에 출력하는 구성의 CMOS 촬상 소자에 있어서, 예를 들면 각 수평 신호선에 대하여 2개의 수직 선택 트랜지스터(27n, 28n), 2개의 수직 신호선(25, 26) 및 2개의 수직 주사 회로(30, 31)를 배열한 것에 의해, 1 필드를 1H(H는 수평 주사 기간)의 정수배로 임의로 분할된 축적 시간에서 상이한 신호, 즉 장시간 축적 신호와 단시간 축적 신호를 각각 출력할 수 있다.
이에 따라, CMOS 촬상 소자의 구동 주파수, 즉 신호 출력 주파수를 넓은 다이내믹 레인지 촬상 동작을 행하지 않는 촬상 소자와 같게 할 수 있으므로, 소비 전력의 증대나 SN 비의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 수평 영상 기간 동안에 불연속적인 타이밍 펄스(timing pulse)가 상승하는 일이 없으므로, 이에 기인하는 수직 줄무늬의 시스템 노이즈가 발생하는 일도 없다.
또, 본 실시예에서는 단위 화소(11)의 구성에 있어서, 증폭 트랜지스터(15)의 드레인을 전원(VDD)에 접속하고, 소스를 출력 선택 트랜지스터(17)를 통하여 수평 신호선(22n+1)에 접속하는 구성으로 했다. 그러나, 도 6에 나타낸 바와 같이, I - V 변환 회로(37, 38)의 구성에 따라, 증폭 트랜지스터(15)의 드레인을 수평 신호선(22n+1)에 접속하고, 소스를 출력 선택 트랜지스터(17)를 통하여 GND에 접속하도록 단위 화소를 구성할 수 있다.
장시간 축적 신호와 단시간 축적 신호를 출력하고, 이들 신호에 기초하여 넓은 범위의 입사광의 양에 대하여 콘트라스트가 있는 촬상 신호를 얻는다. 즉 넓은 다이내믹 레인지 촬상을 실현하기 위해서는 장시간 축적 신호와 단시간 축적 신호로서 동일 행의 신호를 이용하게 된다. 이에 대하여, 2개의 수직 신호선(25, 26)을 통해서 동시에 출력되는 장시간 축적 신호와 단시간 축적 신호는 다른 행의 신호이다.
동일 행에 관해서는 상기한 동작 설명에서 명확히 한 바와 같이, 시간 t2에서 장시간 축적 신호가 출력되고, 시간 t3에서 단시간 축적 신호가 출력된다. 즉, 동일 행의 장시간 축적 신호와 단시간 축적 신호의 사이에는 (t3 - t2)의 시간차가 있다. 따라서, 넓은 다이내믹 레인지 촬상을 실현하기 위해서 동일 행의 장시간 축적 신호와 단시간 축적 신호를 동시화(同時化)할 필요가 있다.
이를 실현하기 위한 신호 처리 시스템을 구비한 본 발명에 의한 카메라 시스템의 구성의 일례를 도 7에 나타낸다.
도 7에서 명확히 한 바와 같이, 본 발명에 의한 카메라 시스템은 CMOS 촬상 소자(41), 렌즈(42)를 포함하는 광학 시스템 및 신호 처리 회로(43)를 가지는 구성으로 되어 있다. 이러한 구성의 카메라 시스템에 있어서, CMOS 촬상 소자(41)로서앞의 실시예 또는 그 변형예에 의한 CMOS 촬상 소자가 이용된다. 렌즈(42)는 피사체(도시하지 않음)로부터의 입사광[상광(image light)]을 CMOS 촬상 소자(41)의 촬상면 상에 결상(結像)시킨다. 촬상면 상에 결상된 상광에 따라, CMOS 촬상 소자(41)는 상술한 단시간 축적 신호를 출력(OUT1)으로서, 장시간 축적 신호를 출력(OUT2)으로서 각각 출력한다.
신호 처리 회로(43)는 2개의 화이트 클립 회로(431, 432), 단일의 지연 회로(433), 2개의 앰프(434, 435) 및 단일의 가산기(436)를 가지는 구성으로 되어 있다. 이 신호 처리 회로(43)에 있어서, 2개의 화이트 클립 회로(431, 432)는 CMOS 촬상 소자(41)의 출력(OUT1, OUT2), 즉 단시간 축적 신호(a) 및 장시간 축적 신호(b)를 화이트 클립 레벨(도 5 참조)로 클립(clip)하여, 각 화소의 포화 레벨의 편차를 일치시키는 처리를 행한다.
지연 회로(433)는 (t3 - t2)의 지연 시간을 가지고, 장시간 축적 신호(b)를 지연함으로써 단시간 축적 신호(a)에 대하여 장시간 축적 신호(b)를 동시화한다. 앰프(434, 435)는 각각 이득(G1, G2)을 가지고, 단시간 축적 신호(a) 및 장시간 축적 신호(b)를 각각 증폭한다. 가산기(436)는 동시화되고 또한 증폭된 단시간 축적 신호(a)와 장시간 축적 신호(b)를 가산함으로써 (a ×G1 + b ×G2)의 신호, 즉 넓은 범위의 입사광의 양에 대하여 콘트라스트가 있는 촬상 신호를 얻는다.
이와 같이, 단시간 축적 신호(a)와 장시간 축적 신호(b)를 각각 출력할 수 있는 CMOS 촬상 소자(41)를 촬상 소자로서 이용한다. 또한, CMOS 촬상 소자(41)로부터 출력되는 동일 행의 단시간 축적 신호(a)와 장시간 축적 신호(b)를 동시화하고 나서 연산함으로써, 수직 줄무늬의 시스템 노이즈를 발생하지 않는 넓은 다이내믹 레인지 촬상을 실현할 수 있다.
또한, 신호 처리 회로(43)에 있어서, 앰프(435)의 이득(G2)을 (G2 = 0)으로 설정한 경우에는 단시간 축적 신호(a) 만이 촬상 신호로서 출력되게 되므로, 축적 시간 (t3 - t2)의 전자 셔터(electronic shutter) 동작이 실행된다. 즉, 앞의 실시예 또는 그 변형예에 의한 CMOS 촬상 소자를 촬상 소자로서 이용한 본 발명에 의한 카메라 시스템에 있어서, 앰프(435)의 이득(G2)을 전환함으로써 넓은 다이내믹 레인지 촬상과 전자 셔터 동작을 선택적으로 실현할 수 있게 된다.
또, 앞의 실시예에 대한 CMOS 촬상 소자에서는 수직 신호선, 수직 선택 트랜지스터 및 수직 주사 회로를 각각 2중 시스템으로 설치하는 구성으로 했지만, 2중 시스템에 한정되는 것은 아니다. 즉, 3중 시스템 이상 설치하는 구성을 채택할 수 있다. 이 때, 각 화소로부터 신호를 판독하는 판독 타이밍 t1 : t2 : t3: ...의 비, 지연 회로의 지연량(지연 시간), 및 연산부(operating unit)의 이득 G1, G2, G3, ...을 임의로 설정함으로써, 다양한 입출력 특성을 얻을 수 있다.
여기에서, 수직 신호선, 수직 선택 트랜지스터 및 수직 주사 회로를 각각 3중 시스템으로 설치하는 구성의 경우를 설명한다. 도 8은 화소의 축적 시간과 축적 전하량과의 관계를 나타내고, 도 9는 이 경우의 카메라 시스템에 있어서의 신호 처리 회로(43′)의 구성을 나타낸다.
이 신호 처리 회로(43′)는 3개의 화이트 클립 회로(441, 442, 443), 2개의 지연 회로(444, 445), 3개의 앰프(446, 447, 448) 및 단일의 가산기(449)를 가지는구성으로 되어 있다.
이러한 구성의 신호 처리 회로(43′)에 있어서, 3개의 화이트 클립 회로(441, 442, 443)는 CMOS 촬상 소자의 3중 시스템의 출력(OUT1, OUT2, OUT3), 즉 축적 시간 (t3 - t2), (t2 - t1), t1의 각 신호를 화이트 클립 레벨(도 8 참조)로 클립하여, 각 화소의 포화 레벨의 편차를 일치시키는 처리를 행한다.
지연 회로(444)는 (t3 - t2)의 지연 시간을, 지연 회로(445)는 (t2 - t1)의 지연 시간을 가지고, 축적 시간(t2 - t1), t1의 각 신호를 각각 지연함으로써, 축적 시간 (t3 - t2)의 신호에 대하여 축적 시간 (t2 - t1), t1의 각 신호를 동시화한다. 앰프(446, 447, 448)는 이득(G1, G2, G3)을 가지고, 축적 시간 (t3 - t2), (t2 - t1), t1의 각 신호를 증폭한다. 가산기(449)는 동시화되고 또한 증폭된 축적 시간 (t3 - t2), (t2 - t1), t1의 각 신호를 가산함으로써, 넓은 범위의 입사광의 양에 대하여 콘트라스트가 있는 촬상 신호를 얻는다.
여기에서, 일례로서, 각 화소로부터 신호를 판독하는 타이밍의 비를 t1 : t2 : t3 = 4 : 6 : 7(축적 시간 비 4 : 2 : 1)로 설정하고, 연산부[앰프(446, 447, 448)]의 이득을 G1 = 0, G2 = 2, G3 = -1로 설정함으로써 특정한 광량부(light amount portion) 만을 꺼내도록 할 수 있다(즉, 블랙 클립 + 화이트 클립). 이 때의 입출력 특성을 도 10에 나타낸다.
또, 앞의 실시예에 대한 CMOS 촬상 소자의 구성의 경우에, 구동 타이밍을 바꿈으로써 고속 촬상에도 대응할 수 있다. 이하, 고속 촬상 대응의 경우의 구체적인 예에 대해 설명한다.
도 1의 구성에 있어서, 도 11의 타이밍 차트에 도시한 바와 같이 제1 수직 주사 회로(30)에 홀수 행, 제2 수직 주사 회로(31)에 짝수 행을 각각 담당하게 한다. 즉, 수직 주사 시에, 제1 수직 주사 회로(30)로부터는 홀수 행의 수직 주사 펄스(..., φV1n, φV1n+2, ...)를 출력하고, 제2 수직 주사 회로(31)로부터는 짝수 행의 수직 주사 펄스(..., φV2n+1, φV2n+3, ...)를 출력하도록 하여 다른 행들을 생략하면서 수직 주사를 행하도록 한다.
이에 따라, 도 12의 모식도에 나타낸 바와 같이, 수직 선택 트랜지스터(..., 27n, 27n+2, ...), (..., 28n+1, 28n+3, ...) 및 수직 신호선(25, 26)을 통해서 2행의 신호를 동시에 판독할 수 있다. 그 결과, 같은 동작 주파수에서 1/2의 시간으로 전체 화소의 정보를 꺼낼 수 있으므로 고속 촬상을 실현할 수 있는 것이다.
또, 여기서는 수직 신호선, 수직 선택 트랜지스터 및 수직 주사 회로를 각각 2중 시스템으로 설치한 구성의 CMOS 촬상 소자에 있어서의 고속 촬상의 경우를 예로 들고 설명했다. 그러나, 그 시스템의 수를 3중 시스템, 4중 시스템, ...으로 증가시키면, 1/3, 1/4, ...의 시간으로 전체 화소 정보를 꺼낼 수 있으므로 보다 고속의 촬상을 실현할 수 있다.
또, 고속 촬상에만 대응 가능한 CMOS 촬상 소자를 구성하기 위해서, 수직 주사 회로에 대하여 n개의 수직 스타트 펄스(vertical start pulse)를 부여하여 (n-1)행을 생략하면서 수직 주사하도록 하면, 수직 선택 트랜지스터 및 수직 신호선에 관해서는 n 시스템 필요하지만, 수직 주사 회로에 관해서는 한 개만으로 끝나게 된다.
또, 앞의 실시예 및 그 변형예에 의한 단위 화소의 구성은 일례에 지나지 않고, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 단위 화소가 적어도 포토다이오드 등의 광전 변환 소자, 그 축적 전하를 판독하는 판독 트랜지스터, 및 그 판독 트랜지스터를 선택하는 판독 선택 트랜지스터를 가지는 구성의 X-Y 어드레스 형의 고체 촬상 소자 전반에 적용 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 각 화소의 축적 전하량에 따른 신호를 행 단위로 배선된 수평 신호선에 출력하는 구성의 고체 촬상 소자 및 이 고체 촬상 소자를 촬상 소자로서 이용한 카메라 시스템에 있어서, 각 수평 신호선 마다 복수의 수직 신호선 및 수직 신호선에 대응하여 복수 시스템의 수직 구동 시스템을 배열한 것에 의해, 1필드를 1H의 정수배로 임의로 분할된 축적 시간에 상이한 복수의 신호를 각각 출력할 수 있으므로, 수직 줄무늬의 시스템 노이즈를 발생하지 않고, 넓은 다이내믹 레인지 촬상을 실현할 수 있다.

Claims (13)

  1. 단위 화소가 행렬형으로 배치되어 이루어지는 화소부,
    상기 화소부에 행 단위로 배선된 복수 행의 수평 신호선,
    상기 복수 행의 수평 신호선에 대하여 공통으로 배선된 복수의 수직 신호선,
    상기 화소부의 각 화소를 상이한 복수 행에 대해서 행 단위로 선택하는 동시에, 선택한 복수 행의 각 화소에 있어서의 신호 전하의 축적 시간을 복수 행의 사이에서 다르게 하고, 상기 복수 행의 수평 신호선에 각 화소로부터 출력된 신호를 순차적으로 상기 복수의 수직 신호선에 출력하는 복수 시스템의 수직 구동 수단, 및
    상기 복수 시스템의 수직 구동 수단에 의해서 선택된 복수 행의 화소를 순차적으로 선택하는 수평 구동 수단
    을 포함하는 고체 촬상 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 시스템의 수직 구동 수단은 상기 복수 행의 수평 신호선의 각각과 상기 복수의 수직 신호선의 사이에 접속된 복수 시스템의 수직 선택 스위치, 및
    상기 복수 시스템의 수직 선택 스위치에 대응하여 설치되며 수직 주사에 의해서 다른 행의 수직 선택 스위치를 순차적으로 구동하는 복수의 수직 주사 회로를 포함하는 고체 촬상 소자.
  3. 단위 화소가 행렬형으로 배치된 화소부, 상기 화소부에 행 단위로 배선된 복수 행의 수평 신호선, 및 상기 복수 행의 수평 신호선에 대하여 공통으로 배선된 복수의 수직 신호선을 포함하는 고체 촬상 소자에 있어서,
    상기 화소부의 각 화소를 상이한 복수 행에 대해서 행 단위로 선택하고,
    선택한 복수 행의 각 화소에 있어서의 신호 전하의 축적 시간을 복수 행 간에 다르게 하고,
    상기 선택한 복수 행의 각 화소를 순차적으로 선택하여 각 화소의 신호를 상기 복수 행의 수평 신호선 중에 대응하는 수평 신호선에 출력하고,
    각 화소로부터 수평 신호선에 출력된 신호를 상기 복수의 수직 신호선을 통하여서 출력하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 구동 방법.
  4. 단위 화소가 행렬형으로 배치된 화소부,
    상기 화소부에 행 단위로 배선된 복수 행의 수평 신호선,
    상기 복수 행의 수평 신호선에 대하여 공통으로 배선된 복수의 수직 신호선,
    상기 화소부의 각 화소를 상이한 복수 행에 대해 행 단위로 선택하고 선택한 복수 행의 각 화소에 있어서의 신호 전하의 축적 시간을 복수 행 간에 다르게 하고 각 화소로부터 상기 복수 행의 수평 신호선에 출력된 신호를 순차적으로 복수 시스템의 수직 구동 수단에 출력하는 복수 시스템의 수직 구동 수단, 및
    상기 복수 시스템의 수직 구동 수단에 의해서 선택된 복수 행의 각 화소를순차적으로 선택하는 수평 구동 수단을 포함하는 고체 촬상 소자를 촬상 소자로서 이용하는 카메라 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고체 촬상 소자로부터 출력되는 상이한 복수 행의 신호를 동시화하는 지연 수단, 및 상기 지연 수단에 의해서 동시화된 상기 복수 행의 신호를 연산하는 연산 수단을 가지는 신호 처리 회로를 추가로 포함하는 카메라 시스템.
  6. 단위 화소가 행렬형으로 배치된 화소부,
    상기 화소부에 행 단위로 배선된 복수 행의 수평 신호선,
    상기 복수 행의 수평 신호선에 대하여 공통으로 배선된 수직선,
    상기 수평 신호선의 각 행에 배선된 상기 화소부의 화소를 선택하는 수직 구동 수단, 및
    상기 수직 구동 수단에 의해서 선택된 행의 화소를 선택하는 수평 구동 수단을 포함하고,
    상기 화소부는 광전 변환기(photoelectric converter), 상기 광전 변환기에 의해 저장 장치(storage unit)로 축적된 신호량을 판독하는 판독 트랜지스터, 상기 판독 트랜지스터에 의한 신호량의 판독을 선택하는 판독 선택 트랜지스터, 상기 저장 장치에 저장된 신호량을 전기 신호로 변환하고 상기 전기 신호를 화소 신호로서 출력하는 증폭 트랜지스터, 저장 장치를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 및 상기 증폭트랜지스터에 의해 공급된 화소 신호의 출력을 선택하는 출력 선택 트랜지스터를 포함하는 고체 촬상 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수직 구동 수단은 화소 신호를 상기 수평 신호선을 통하여 상기 수직선에 순차적으로 출력하고, 상기 수평 구동 수단은 수평 선택 펄스를 상기 판독 선택 트랜지스터 및 상기 출력 선택 트랜지스터에 공급하는 고체 촬상 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수평 선택 펄스는 상기 단위 화소의 인접하는 열에 대해서 리셋 펄스의 역할도 하는 고체 촬상 소자.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 단위 화소는 리셋 동작 동안 상기 리셋 트랜지스터에 의해 리셋 레벨 및 상기 광전 변환기에 의해 광전 변환된 상기 신호량에 기초한 신호 레벨을 출력하는 고체 촬상 소자.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 리셋 레벨과 상기 신호 레벨 사이의 차이를 결정하는 회로를 추가로 포함하는 고체 촬상 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 회로는 상관 이중 샘플링 회로인 고체 촬상 소자.
  12. 제6항에 있어서,
    상이한 축적 주기(accumulation time period)의 신호를 출력하는 수단을 더 포함하는 고체 촬상 소자.
  13. 고체 촬상 소자를 구동하는 방법에 있어서,
    상기 고체 촬상 소자는 각각에 광전 변환기를 가지는 단위 화소의 행렬이 있는 화소부, 상기 광전 변환기에 의해 저장 장치에 축적된 신호량을 판독하는 판독 트랜지스터, 상기 판독 트랜지스터에 의해 신호량의 판독을 선택하는 판독 선택 트랜지스터, 상기 저장 장치에 저장된 신호량을 전기 신호로 변환하고 상기 전기 신호를 화소 신호로 출력하는 증폭 트랜지스터, 상기 저장 장치를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 및 상기 증폭 트랜지스터에 의해 공급된 화소 신호의 출력을 선택하는 출력 선택 트랜지스터를 포함하며,
    상기 화소부에 행 단위로 배선된 복수 행의 수평 신호선,
    상기 복수 행의 수평 신호선에 공통으로 배선된 수직선,
    상기 수평 신호선의 각 행에 배선된 상기 화소부의 화소를 선택하는 수직 구동 수단, 및
    상기 수직 구동 수단으로 선택한 상기 행의 상기 화소를 선택하는 수평 구동 수단을 포함하고,
    리셋 트랜지스터로 저장 장치를 리셋하는 단계,
    상기 리셋 트랜지스터의 리셋 레벨을 증폭 트랜지스터를 통해서 수평 신호선에 출력하는 단계,
    상기 저장 장치 내의 상기 광전 변환기의 상기 신호량을 판독하는 단계,
    상기 신호량에 기초한 신호 레벨을 상기 증폭 트랜지스터를 통해서 수평 신호선에 출력하는 단계, 및
    상기 리셋 레벨 및 상기 신호 레벨을 상기 수평 신호선을 통해서 상기 수직선에 순차적으로 출력하는 단계를 포함하는 고체 촬상 소자의 구동 방법.
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