KR20060088697A - Pixel structure of image sensor and method for sensing image thereof - Google Patents

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KR20060088697A
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손성민
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엘지전자 주식회사
엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 센스 노드의 콘덴서 용량을 측정된 빛의 세기에 따라 제어하여 이미지 센서 자체에서 자동 노출 기능을 수행하고, 화질을 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 픽셀 구조 및 이미지 센싱 방법에 관한 것으로, 외부에서 입력된 빛의 세기에 의해 소정의 전류(IPD)를 출력하는 포토 다이오드와; 상기 전류(IPD)에 의한 센스 노드 전압(VPD)을 입력받고, 그 센스 노드 전압에 대한 픽셀 전류를 출력하는 증폭기와; 상기 센스 노드 전압(VPD)에 의해 콘덴서 용량이 가변하는 배렉터(varactor) 다이오드를 포함하여 구성하고, 또한, 픽셀의 센스 노드에 연결된 배렉터 다이오드를 구비한 이미지 센서의 이미지 센싱 방법에 있어서, 사용자의 입력에 의해 이미지 센서가 온되면, 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기를 측정하는 단계와; 상기 측정된 빛의 세기에 따른 기 설정된 콘덴서 용량으로 상기 배렉터(varactor) 다이오드의 콘덴서 용량을 가변시키는 단계와; 상기 센스 노드의 가변된 콘덴서 용량에 의해 센싱된 영상 신호를 출력하는 단계를 포함하여 이루어짐으로써, 이미지 센서 자체에서 자동 노출 기능을 수행할 수 있고, 동작 범위(dynamic range)를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 빛의 세기가 매우 약하거나 매우 강한 경우에도 좋은 화질의 영상을 얻을 수 있고, 저조도의 어두운 곳에서도 프레임수의 감소 없이 밝은 영상을 얻을 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a pixel structure and an image sensing method of an image sensor capable of performing an automatic exposure function in an image sensor itself by controlling a capacitor capacity of a sense node according to measured light intensity, and improving image quality. A photodiode for outputting a predetermined current I PD by the intensity of the input light; An amplifier which receives a sense node voltage V PD by the current I PD and outputs a pixel current corresponding to the sense node voltage; In the image sensing method of the image sensor comprising a varistor diode having a capacitor capacitance is variable by the sense node voltage (V PD ), and further comprising a varistor diode connected to the sense node of the pixel, Measuring an intensity of light input to the image sensor when the image sensor is turned on by a user input; Varying the capacitor capacity of the varactor diode with a predetermined capacitor capacity according to the measured light intensity; By outputting the image signal sensed by the variable capacitor capacity of the sense node, it is possible to perform an automatic exposure function in the image sensor itself, as well as increase the dynamic range (dynamic range) Even when the light intensity is very weak or very strong, a good image quality can be obtained, and even in low light, a bright image can be obtained without reducing the number of frames.

Description

이미지 센서의 픽셀 구조 및 이미지 센싱 방법{PIXEL STRUCTURE OF IMAGE SENSOR AND METHOD FOR SENSING IMAGE THEREOF}Pixel structure of image sensor and image sensing method {PIXEL STRUCTURE OF IMAGE SENSOR AND METHOD FOR SENSING IMAGE THEREOF}

도1은 종래 이미지 센서의 픽셀 구조를 도시한 일 예시도.1 is an exemplary diagram showing a pixel structure of a conventional image sensor.

도2는 포토다이오드의 모델링(a) 및 시간에 따른 전류/전압 그래프(b).Figure 2 is a modeling (a) of the photodiode and the current / voltage graph (b) over time.

도3은 종래 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기에 대한 일 실시예의 시간에 따른 전류/전압 그래프.Figure 3 is a current / voltage graph over time of one embodiment for the intensity of light input to a conventional image sensor.

도4는 본 발명 이미지 센서의 픽셀 구조를 도시한 일 예시도.Figure 4 is an exemplary diagram showing a pixel structure of the image sensor of the present invention.

도5는 픽셀의 동작 특성(a) 및 배렉터 다이오드의 동작 특성(b) 그래프.5 is a graph of the operating characteristics (a) of the pixels and the operating characteristics (b) of the varistor diodes.

도6은 본 발명 이미지 센서의 이미지 센상 방법에 대한 일 실시예 순서도.Figure 6 is a flow chart of one embodiment of an image sensor method of the present invention image sensor.

도7은 도4에 도시된 각 스위치에 대한 일 실시예 파형도.Figure 7 is an exemplary waveform diagram for each switch shown in Figure 4;

도8은 본 발명에 따른 픽셀 동작 특성 그래프.8 is a graph of pixel operation characteristics in accordance with the present invention.

도9는 본 발명을 빛의 세기가 강한 경우(a)와 약한 경우(b) 적용 시 동작 특성 그래프.Figure 9 is a graph of the operating characteristics when the present invention is applied when the light intensity is strong (a) and weak (b).

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **

1:리셋 스위치 2:셔터 스위치1: reset switch 2: shutter switch

3:포토다이오드 4:증폭기3: photodiode 4: amplifier

5:선택 스위치 10:제어 스위치5: selection switch 10: control switch

20:배렉터(varactor) 다이오드20: varactor diode

본 발명은 이미지 센서의 픽셀 구조 및 이미지 센싱 방법에 관한 것으로, 특히 센스 노드의 콘덴서 용량을 측정된 빛의 세기에 따라 제어하여 이미지 센서 자체에서 자동 노출 기능을 수행하고, 화질을 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 픽셀 구조 및 이미지 센싱 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pixel structure and an image sensing method of an image sensor, and in particular, to control the capacitor capacity of a sense node according to the measured light intensity to perform an automatic exposure function in the image sensor itself, and to improve the image quality. The pixel structure of the sensor and an image sensing method.

최근 핸드폰이나 PDA와 같은 기기에 카메라가 장착되면서 카메라 시스템이 빠르게 보급되고 있다. 이러한 카메라 시스템 중 이미지 센서는 시스템 중에서 가장 중요한 부품이며, 카메라 시스템의 품질 결정에 결정적인 역할을 한다.Recently, camera systems are rapidly becoming popular as cameras are installed in devices such as mobile phones and PDAs. Among these camera systems, the image sensor is the most important component of the system, and plays a decisive role in determining the quality of the camera system.

그리고, 카메라 보급이 늘면서 단순한 화소수의 증가 뿐만 아니라 영상의 질에 대한 시장의 요구도 높아지고 있는 실정이고, 따라서 영상의 질을 향상시키기 위한 많은 개발이 진행되고 있는 것이 현실이다.As the spread of cameras increases, not only the number of pixels is increased but also the demand of the market for image quality is increasing. Accordingly, many developments are being made to improve image quality.

일반적으로, 영상의 질을 결정짓는 요소들은 여러 가지가 있지만, 그 중에서도 빛의 노출 조절, 화이트 밸런스, 초점 조절 등이 중요 요소로 사용된다.In general, there are many factors that determine image quality, but among them, light exposure control, white balance, and focus control are important factors.

도1은 종래 카메라 시스템에서 픽셀의 구조를 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 포토다이오드(3)와 트랜지스터로 이루어진 구조이다. 이러한 구조로 이루어진 픽셀은 입사되는 빛이 포토다이오드(3)의 전자를 여기시켜 전류를 흐르게 하는데, 빛의 세기에 따라 흐르는 전류의 양이 다르므로 일정한 시간이 지난 후 셔트 (shutter) 스위치(2)가 켜지고, 센스 노드로 신호가 전달되어 영상의 신호를 얻게 된다. 하지만, 센스 노드의 콘덴서 용량에 따라 신호의 레벨이 결정되게 되는데, 종래 센스 노드의 콘덴서 용량은 고정되어 있기 때문에 이미지 센서의 동작 범위가 좁아지고, 자동 노출을 이미지 센서 자체에서 수행하지 못하기 때문에 이미지 신호 처리 블록에서 판단하여 센서의 노출시간을 조절하거나 영상 신호의 이득을 가하여 수행하는 문제점이 있었다.Figure 1 shows the structure of a pixel in a conventional camera system, as shown, a structure consisting of a photodiode 3 and a transistor. The pixel having such a structure excites the electrons of the photodiode 3 so that the current flows, and since the amount of current varies depending on the light intensity, the shutter switch 2 after a certain time has passed. Is turned on, and a signal is sent to the sense node to obtain an image signal. However, the level of the signal is determined according to the capacitor capacity of the sense node. Since the capacitor capacity of the conventional sense node is fixed, the operation range of the image sensor is narrowed, and the image cannot be performed by the image sensor itself. There is a problem in that it is determined by the signal processing block to adjust the exposure time of the sensor or to apply the gain of the image signal.

도2는 종래 픽셀의 동작을 설명하기 위한 일 예시도로서, 포토다이오드 동작에 대한 모델링(a) 및 빛의 세기에 따른 전류 그래프(b)를 도시한 것이다.FIG. 2 is an exemplary diagram for describing an operation of a conventional pixel, and illustrates a modeling (a) of a photodiode operation and a current graph (b) according to light intensity.

상기 포토다이오드 모델링에서 알 수 있듯이, PN접합으로 이루어진 포토다이오드는 전류소스 성분(IPD)과 콘덴서 성분(CPD)으로 나타낼 수 있으며, 전류소스는 포토다이오드에 입사되는 빛의 세기에 비례하고, 콘덴서 용량은 PN 접합의 물리적 특성에 따라 정해지게 된다.As can be seen in the photodiode modeling, a photodiode made of a PN junction may be represented by a current source component (I PD ) and a capacitor component (C PD ), the current source being proportional to the intensity of light incident on the photodiode, Capacitor capacity is determined by the physical properties of the PN junction.

또한, 도2b에 도시된 바와 같이, 시간에 따라 포토다이오드의 전류 세기에 비례하여 빛의 세기가 크면 전류가 많이 흐르기 때문에 신호가 빨리 떨어지고, 반대로 빛의 세기가 적으면 전류가 적게 흐르기 때문에 신호가 천천히 떨어지는 것을 알 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2B, the signal falls quickly because a large amount of current flows in proportion to the current intensity of the photodiode with time, whereas a small amount of light causes a small amount of current, resulting in a small current. You can see it falls slowly.

상기 도2b와 같이 얻어지는 신호는 일정 기간의 노출 시간을 가진 후 센스 노드를 통해 읽어지게 되어 그때의 신호가 아날로그에서 디지털 신호로 변환되고 영상 신호처리 블록을 거치게 된다. 이때, 빛의 세기가 밝다고 노출시간을 무조건 줄이거나 빛의 세기가 작다고 노출 시간을 무조건 늘릴 수는 없고, 이미지 센서마다 최소/최대 노출시간이 존재하게 된다(도3a).The signal obtained as shown in FIG. 2B is read through the sense node after having a predetermined exposure time, and then the signal is converted from an analog to a digital signal and passed through an image signal processing block. At this time, the light intensity is not unconditionally shortened the exposure time or the light intensity is not unconditionally increased the exposure time, there is a minimum / maximum exposure time for each image sensor (Fig. 3a).

기존의 자동 노출 조절을 위해서 영상 신호처리 블록에서는 영상 신호가 크다고 판단되면, 도3b에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 노출시간을 제어하여 노출 시간을 점점 줄이고, 영상 신호가 너무 작다고 판단되면, 도3c에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 노출시간을 제어하여 노출 시간을 점점 늘리는 방식으로 수행되어 왔으며, 최소 또는 최대 노출 시간에 제한을 받으면 그 다음의 영상 신호의 이득을 조절하여 자동 노출 제어를 하였다.If it is determined that the image signal is large in the image signal processing block for the conventional automatic exposure control, as shown in FIG. 3B, the exposure time of the image sensor is gradually reduced, and if it is determined that the image signal is too small, FIG. As shown in 3c, the exposure time of the image sensor has been controlled to gradually increase the exposure time. When the minimum or maximum exposure time is limited, the gain of the next video signal is adjusted to perform automatic exposure control. .

하지만, 빛의 세기가 작을 때 노출 시간을 늘려야 하기 때문에 초당 화면의 수(FPS : Frame per second)가 줄어서 영상이 끊기는 현상이 발생하고, 영상 신호의 이득을 조절하면 그 조절된 이득에 따라 영상 잡음도 조절되기 때문에 화질을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.However, when the light intensity is small, the exposure time needs to be increased, which causes the image to be cut off due to the reduction of the frame per second (FPS) .If the gain of the image signal is adjusted, the image noise is adjusted according to the adjusted gain. There is also a problem that the quality is reduced because it is adjusted.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 픽셀의 센스 노드와 접지에 연결된 배렉터(varactor) 다이오드를 구비하고, 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기를 측정한 후 그 측정된 빛의 세기에 따라 배렉터 다이오드의 콘덴서 용량을 조절함으로써, 이미지 센서 자체에서 자동 노출 기능을 수행할 수 있고, 동작 범위(dynamic range)를 증가시킬 수 있는 이미지 센서의 픽셀 구조 및 이미지 센싱 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and includes a varistor diode connected to the sense node of the pixel and the ground, and measures the intensity of light input to the image sensor and then measures the measured value. By adjusting the capacitor capacity of the varistor diode according to the intensity of the light, the image structure of the pixel sensor and the image sensing method which can perform the auto exposure function in the image sensor itself and increase the dynamic range are described. The purpose is to provide.

또한, 본 발명은 빛의 세기에 따라 센스 노드의 콘덴서 용량을 조절하기 때 문에 빛의 세기가 매우 약하거나 매우 강한 경우에도 좋은 화질의 영상을 얻을 수 있고, 저조도의 어두운 곳에서도 프레임수의 감소없이 밝은 영상을 얻을 수 있는 이미지 센서의 픽셀 구조 및 이미지 센싱 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, the present invention adjusts the capacitor capacity of the sense node according to the light intensity, so that a good image quality can be obtained even when the light intensity is very weak or very strong, and the number of frames is reduced even in low light dark places. It is an object of the present invention to provide a pixel structure and an image sensing method of an image sensor that can obtain a bright image without the need.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 이미지 센서의 픽셀 구조는 외부에서 입력된 빛의 세기에 의해 소정의 전류(IPD)를 출력하는 포토 다이오드와; 상기 전류(IPD)에 의한 센스 노드 전압(VPD)을 입력받고, 그 센스 노드 전압에 대한 픽셀 전류를 출력하는 증폭기와; 상기 센스 노드 전압(VPD)에 의해 콘덴서 용량이 가변하는 배렉터(varactor) 다이오드를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.The pixel structure of the image sensor of the present invention for achieving the above object is a photodiode for outputting a predetermined current (I PD ) by the intensity of light input from the outside; An amplifier which receives a sense node voltage V PD by the current I PD and outputs a pixel current corresponding to the sense node voltage; And a varistor diode whose capacitor capacity is varied by the sense node voltage V PD .

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 이미지 센서의 이미지 센싱 방법은 픽셀의 센스 노드에 연결된 배렉터 다이오드를 구비한 이미지 센서의 이미지 센싱 방법에 있어서, 사용자의 입력에 의해 이미지 센서가 온되면, 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기를 측정하는 단계와; 상기 측정된 빛의 세기에 따른 기 설정된 콘덴서 용량으로 상기 배렉터(varactor) 다이오드의 콘덴서 용량을 가변시키는 단계와; 상기 센스 노드의 가변된 콘덴서 용량에 의해 센싱된 영상 신호를 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.The image sensing method of the image sensor of the present invention for achieving the above object in the image sensing method of the image sensor having a varistor diode connected to the sense node of the pixel, when the image sensor is turned on by the user input, Measuring the intensity of light input to the sensor; Varying the capacitor capacity of the varactor diode with a predetermined capacitor capacity according to the measured light intensity; And outputting an image signal sensed by the variable capacitor capacity of the sense node.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명 이미지 센서의 픽셀 구조 및 이미지 센싱 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.A preferred embodiment of a pixel structure and an image sensing method of an image sensor according to the present invention having the above characteristics will be described with reference to the accompanying drawings.

도4는 본 발명 이미지 센서의 픽셀 구조를 도시한 것이다. 도시된 바와 같 이, 외부에서 입력된 리셋 신호에 의해 동작하는 리셋 스위치(1)와, 외부에서 입력된 셔터 신호에 의해 동작하는 셔터 스위치(2)와, 빛의 세기에 따라 소정의 전류(IPD)를 출력하는 포토 다이오드(3)와, 상기 리셋 스위치(1) 및 셔트 스위치(2)의 접점인 센스 노드의 전압(VPD)에 대한 픽셀 전류를 출력하는 증폭기(4)와, 상기 증폭기(4)에서 출력한 픽셀 전류를 외부에서 입력된 온 스위칭 신호에 의해 외부로 출력하는 선택 스위치(5)와, 일측이 상기 센스 노드에 연결되고, 그 센스 노드의 전압에 의해 콘덴서 용량이 변하는 배렉터(varactor) 다이오드(20)와, 상기 배렉터 다이오드(20)의 콘덴서 용량을 제어하는 제어 전압(VC)을 센스 노드로 출력하는 제어 스위치(10)로 구성된다.4 shows a pixel structure of the image sensor of the present invention. As shown, a reset switch 1 operated by an externally input reset signal, a shutter switch 2 operated by an externally input shutter signal, and a predetermined current I according to the intensity of light. A photodiode (3) for outputting PD , an amplifier (4) for outputting a pixel current with respect to the voltage (V PD ) of a sense node which is a contact point of the reset switch (1) and the shut switch (2), and the amplifier A selection switch 5 for outputting the pixel current output in (4) to the outside by an on switching signal inputted from the outside, and one side is connected to the sense node, and the capacitor capacity is changed by the voltage of the sense node. A varactor diode 20 and a control switch 10 for outputting a control voltage VC for controlling the capacitor capacitance of the varactor diode 20 to a sense node.

상기 리셋 스위치(1)는 일측이 구동 전압(VDD)에 연결되고, 다른 일측은 센스 노드에 연결되며, 상기 셔터 스위치(2)는 일측이 센스 노드에 연결되고, 다른 일측은 포토다이오드(3)의 일측과 연결된다. 또한, 포트다이오드(3)의 다른 일측은 접지와 연결되며, 제어 스위치(10)는 일측이 외부에서 입력되는 제어 전압(VC)과 연결되고, 다른 일측은 센스 노드에 연결된다.One side of the reset switch 1 is connected to a driving voltage VDD, the other side of the reset switch 1 is connected to the sense node, and one side of the reset switch 1 is connected to the sense node, and the other side of the reset switch 1 is connected to the photodiode 3. It is connected to one side of. In addition, the other side of the port diode 3 is connected to the ground, the control switch 10 is connected to the control voltage VC, one side is input from the outside, the other side is connected to the sense node.

상기 리셋 스위치(1)와 셔터 스위치(2) 그리고 선택 스위치(5)는 픽셀이 리셋되는 시점에 동시에 온되고, 그 시점에 배렉터 다이오드(20)의 제어 스위치(10)는 오프되며, 상기 리셋 스위치(1)와 셔터 스위치(2) 그리고 선택 스위치(5)가 오프되는 시점에 제어 스위치(10)가 온되어 센스 노드의 콘덴서 용량을 조절한다.The reset switch 1, the shutter switch 2, and the selection switch 5 are simultaneously turned on at the time when the pixel is reset, at which point the control switch 10 of the varactor diode 20 is turned off, and the reset When the switch 1, the shutter switch 2, and the selection switch 5 are turned off, the control switch 10 is turned on to adjust the capacitor capacity of the sense node.

그리고, 상기 모든 스위치로 입력되는 온/오프 신호는 카메라가 동작하는 시 점을 기준으로 기 설정된 시간 동안 정해진 알고리즘에 의해 각각의 스위치에 입력되고, 이에 대한 자세한 것은 본 발명에 대한 동작에서 설명한다.In addition, the on / off signals input to all the switches are input to each switch by an algorithm determined for a predetermined time based on the point of time at which the camera operates, and the details thereof will be described in the operation of the present invention.

도5는 본 발명에 대한 픽셀의 동작 특성(a) 및 도4에 도시된 센스 노드의 전압에 따른 배렉터 다이오드의 콘덴서 용량(b)에 대한 그래프를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 픽셀의 출력 신호는 시간이 지남에 따라 센스 노드에서의 전압(VPD) 변화로 영상 신호를 얻을 수 있다. 여기서,

Figure 112005006346446-PAT00001
의 식에 의해 VPD의 전압이 결정되는데, 여기서, C는 센스 노드에 연결된 전체 콘덴서 용량이 되고, i는 빛에 의해 만들어진 포토다이오드의 전류(IPD)이다.Fig. 5 shows a graph of the operating characteristics (a) of the pixel and the capacitor capacitance (b) of the varistor diode according to the voltage of the sense node shown in Fig. 4 for the present invention. As shown, the output signal of the pixel can obtain an image signal as the voltage V PD at the sense node changes over time. here,
Figure 112005006346446-PAT00001
The voltage of V PD is determined by the equation, where C is the total capacitor capacity connected to the sense node, and i is the current (I PD ) of the photodiode made by light.

본 발명은 도5a에 도시한 것과 같은 픽셀의 영상 신호 출력을 얻기 위해 도5b에 도시된 것과 같이 동작하는 배렉터 다이오드(20)의 제어전압(VC)을 이용한다. 즉, 전체적으로 빛의 세기가 클 경우 VC를 작게 하여 콘덴서 용량을 늘려주고, 반대로 빛의 세기가 작을 경우 VC를 크게 하여 콘덴서 용량을 작게 함으로써, 프레임수의 조절 없이 전체적으로 영상의 출력 신호가 적절한 영역에서 유지되도록 자동 노출 제어 기능 뿐만 아니라 동작 범위도 넓게 할 수 있다. 이와 같이 자동 노출 기능을 콘덴서 용량으로 제어하기 위해서는 빛의 세기를 판단하고, 그 빛의 세기에 대한 콘덴서 용량을 제어하기 위해 배렉터 다이오드(20)로 인가되는 제어 전압(VC)을 조절한다. 따라서, 픽셀로 입력되는 빛의 세기가 다르더라도 제어전압을 이용한 콘덴서 용량 조절에 의해 동적 범위 크기를 넓힐 수 있고, 화질을 개선할 수 있다.The present invention uses the control voltage VC of the varactor diode 20 operating as shown in Fig. 5B to obtain an image signal output of the pixel as shown in Fig. 5A. In other words, when the light intensity is large, the capacitor capacity is increased by reducing the VC. On the contrary, when the light intensity is small, the capacitor capacity is increased by increasing the VC. In addition to automatic exposure control, the operating range can be extended. As such, in order to control the automatic exposure function with the capacitor capacity, the light intensity is determined, and the control voltage VC applied to the varactor diode 20 is controlled to control the capacitor capacity with respect to the light intensity. Therefore, even if the intensity of light input to the pixel is different, the dynamic range size can be widened and the image quality can be improved by adjusting the capacitor capacitance using the control voltage.

도6은 본 발명 이미지 센서의 이미지 센싱 방법에 대한 일 실시예 순서도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 이미지 센서가 온되면, 빛의 세기를 측정하는 단계와, 상기 측정된 빛의 세기에 따라 기 설정된 제어 전압을 출력하는 단계와, 상기 제어 전압에 의해 배렉터 다이오드의 콘덴서 용량을 제어하는 단계와, 상기 가변된 콘덴서 용량에 의한 이미지 센서의 신호를 출력하고, ADC를 통해 이미지 센서에 의해 센싱된 이미지를 출력하는 단계로 이루어진다. 그리고, 상기 ADC에 의해 출력된 값을 통해 배렉터 다이오드의 제어 전압을 제어하는 단계를 소정 프레임 단위 또는 매 프레임 마다 반복 수행할 수 있으며, 또한, 사용자에 의해 이미지 센서가 온되는 시점에서 수행될 수 있다.6 is a flowchart illustrating an embodiment of an image sensing method of an image sensor according to the present invention. As shown, when the image sensor is turned on, measuring the intensity of light, outputting a predetermined control voltage according to the measured intensity of light, and the capacitor voltage of the varistor diode by the control voltage And outputting a signal of the image sensor by the variable capacitor capacity, and outputting an image sensed by the image sensor through the ADC. In addition, the step of controlling the control voltage of the varactor diode through the value output by the ADC may be repeatedly performed in a predetermined frame unit or every frame, and may also be performed when the image sensor is turned on by the user. have.

상기 이미지 센서가 온되는 시점은 사진을 촬영하기 위해 사용자가 카메라 셔터를 눌러 이미지의 초점을 맞추는 시점이거나 동영상을 촬영하기 위해 카메라 셔터가 눌러지는 시점으로, 셔터가 눌러진 시점에서 카메라의 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기를 측정한다.The time when the image sensor is turned on is when the user presses the camera shutter to take a picture to take a picture or when the camera shutter is pressed to take a video, and when the shutter is pressed to the image sensor of the camera. Measure the intensity of the incoming light.

상기 빛의 세기는 픽셀에서 출력되는 기 설정된 소정 시간 동안 시간에 따른 센스 노드의 전압(VPD) 변화를 이용하여 측정할 수 있고, 이 측정된 빛의 세기에 대한 배렉터 다이오드(20)의 제어 전압은 테이블 형태로 저장될 수 있으며, 이는 측정에 의해 얻어질 수 있다. 그리고, 상기 배렉터 다이오드(20)의 제어 전압은 이미지 센서에서 센싱한 이미지를 기 설정된 적정 노출 시간에 맞춰 표시할 수 있는 전압이다.The light intensity may be measured by using a change in voltage V PD of the sense node with time for a predetermined time output from the pixel, and controlling the varactor diode 20 with respect to the measured light intensity. The voltages can be stored in table form, which can be obtained by measurement. The control voltage of the varactor diode 20 is a voltage capable of displaying the image sensed by the image sensor according to a predetermined exposure time.

그럼, 본 발명에 대한 동작을 도7을 참고하여 설명하면 다음과 같다.Then, the operation of the present invention will be described with reference to FIG.

먼저, 사용자에 의해 카메라의 셔터가 입력되면, 이미지 센서의 모든 픽셀을 리셋시킨다(①). 즉, 도7에 도시된 바와 같이, 리셋 스위치(1)와 셔터 스위치(2) 그리고 선택 스위치(5)를 온시켜 이미지 센서의 모든 픽셀을 리셋시킨다.First, when the shutter of the camera is input by the user, all pixels of the image sensor are reset (①). That is, as shown in FIG. 7, the reset switch 1, the shutter switch 2, and the selection switch 5 are turned on to reset all pixels of the image sensor.

리셋 과정이 완료되면, 제어 스위치(10)를 온 시킨다. 이때, 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기가 측정되지 않았기 때문에 배렉터 다이오드(20)로 입력되는 제어 전압을 기본으로 설정하고, 그 기본으로 설정된 제어 전압을 배렉터 다이오드(20)로 입력한다. 이때, 기본으로 설정된 제어 전압은 이미지 센서 제조 업체에서 결정될 수 있으며, 이 값은 측정을 통해 얻어질 수 있다는 것은 자명하다.When the reset process is completed, the control switch 10 is turned on. At this time, since the intensity of light input to the image sensor is not measured, the control voltage input to the varactor diode 20 is set as a base, and the control voltage set as the base is input to the varactor diode 20. At this time, it is obvious that the control voltage set as a default may be determined by the image sensor manufacturer, and this value may be obtained through measurement.

그 다음, 소정 시간이 경과한 후 셔터 스위치(2)와 선택 스위치(5)를 온시켜 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기를 측정하는데, 그 빛의 세기는 도8에 도시된 바와 같이, 기 설정된 소정 시간 동안 시간에 따른 센스 노드 전압의 변화로 측정할 수 있다(③). 즉, 각 픽셀에서 출력된 센스 노드 전압의 변화를 ADC를 통해 측정하고, 그 측정된 전압 변화를 이용하여 영상의 출력 시간을 적정 노출 시간으로 설정하기 위한 제어 전압을 설정한다.Then, after a predetermined time elapses, the shutter switch 2 and the selection switch 5 are turned on to measure the intensity of the light input to the image sensor, and the intensity of the light is set as shown in FIG. It can be measured by the change of the sense node voltage over time for a predetermined time (③). That is, the change in the sense node voltage output from each pixel is measured through the ADC, and the control voltage for setting the output time of the image to the appropriate exposure time is set using the measured voltage change.

상기 과정을 통해 빛의 세기에 대한 제어 전압이 설정되면, 그 설정된 제어 전압을 제어 스위치(10)를 온시켜 배렉터 다이오드(20)로 입력하고, 그 제어 전압에 의해 배렉터 다이오드(20)의 콘덴서 용량이 결정된다(②). 상기 콘덴서 용량이 결정되면, 그 콘덴서 용량에 의한 영상 신호가 픽셀의 출력으로 나가게 된다. 그리고, ④구간에서는 다음 프레임에 해당되는 픽셀의 출력을 위해 빛을 모으게 된다.When the control voltage for the light intensity is set through the above process, the set control voltage is turned on and the control switch 10 is input to the varactor diode 20 and the control voltage of the varactor diode 20 is controlled by the control voltage. The capacitor capacity is determined (2). When the capacitor capacity is determined, the video signal by the capacitor capacity goes out to the output of the pixel. In section ④, light is collected for output of the pixel corresponding to the next frame.

이와 같은 과정을 통해 도8에 도시한 것과 같이, 적정 노출 시간에 맞는 픽 셀의 동작이 나타나게 되는데, 상기 과정 중 빛의 세기를 측정하고, 그에 대한 제어 전압을 설정하는 과정은 매 프레임마다 수행하는 경우 부하가 커질 수 있기 때문에 기 설정된 소정 개수의 프레임 단위로 수행하는 것이 바람직하다.Through this process, as shown in FIG. 8, the operation of the pixel at an appropriate exposure time appears. During the process, the process of measuring the light intensity and setting the control voltage thereof is performed every frame. In this case, since the load may increase, it is preferable to perform the predetermined unit of predetermined number of frames.

이렇듯 본 발명은 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기에 따라 배렉터 다이오드의 콘덴서 용량을 조절함으로써, 이미지 센서 자체에서 자동 노출 기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 동작 범위를 넓혀 영상 화질을 향상시킬 수 있다. 즉, 도9에 도시한 일 예와 같이, 빛의 세기가 큰 경우(a) 시간에 따라 급격하게 변하는 센스 노드 전압(VPD)의 기울기를 배렉터 다이오드(20)의 콘덴서 용량을 크게 하여 적정 노출 시간에서 측정 가능한 신호를 만들어 준다. 또한, 빛의 세기가 작은 경우(b) 시간에 따라 천천히 변하는 센스 노드 전압(VPD)의 기울기를 배렉터 다이오드(20)의 콘덴서 용량을 작게 하여 적정 노출 시간에서 측정 가능한 신호를 만들어 준다. 즉,

Figure 112005006346446-PAT00002
의 식을 이용하여 영상 신호를 적정 노출 시간에서 측정할 수 있도록 빛의 세기에 따라 기 설정된 콘덴서 용량으로 배렉터 다이오드의 콘덴서 용량을 조절한다.As such, the present invention adjusts the capacitor capacity of the varactor diode according to the intensity of light input to the image sensor, and can not only perform an automatic exposure function in the image sensor itself but also widen the operating range to improve image quality. That is, as shown in the example shown in FIG. 9, when the light intensity is large (a), the slope of the sense node voltage V PD that changes rapidly with time is increased by increasing the capacitor capacity of the varactor diode 20. It produces a measurable signal at exposure time. In addition, when the light intensity is small (b), the slope of the sense node voltage V PD that changes slowly with time decreases the capacitor capacity of the varactor diode 20 to make a signal measurable at an appropriate exposure time. In other words,
Figure 112005006346446-PAT00002
Using the equation, the capacitor capacity of the varistor diode is adjusted to the preset capacitor capacity according to the light intensity so that the video signal can be measured at the proper exposure time.

상기에서 알 수 있듯이, 본 발명은 빛의 세기와 상관없이 이미지 센서 자체에서 출력 신호를 기 설정된 적정 노출 시간에서 측정 가능한 신호로 만들어주기 때문에 이미지 센서 자체에서 자동 노출 기능(AE)을 수행할 수 있는 장점이 있다.As can be seen from the above, the present invention can perform the automatic exposure function (AE) in the image sensor itself because it makes the output signal in the image sensor itself can be measured at a predetermined exposure time irrespective of the light intensity There is an advantage.

또한, 본 발명은 카메라 시스템에 적용하여 매우 어둡거나 밝은 환경에서도 좋은 화질의 영상을 얻을 수 있으며, 저조도의 어두운 곳에서도 프레임 수의 감소 없이 밝은 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention can be applied to the camera system to obtain a good image quality even in a very dark or bright environment, there is an advantage that can obtain a bright image without reducing the number of frames even in a dark place of low illumination.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 픽셀의 센스 노드와 접지에 연결된 배렉터(varactor) 다이오드를 구비하고, 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기를 측정한 후 그 측정된 빛의 세기에 따라 배렉터 다이오드의 콘덴서 용량을 조절함으로써, 이미지 센서 자체에서 자동 노출 기능을 수행할 수 있고, 동작 범위(dynamic range)를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention includes a varistor diode connected to the sense node of the pixel and the ground, and measures the intensity of the light input to the image sensor and then varies the varistor diode according to the measured intensity of the light. By adjusting the capacitance of the capacitor, the automatic exposure function can be performed in the image sensor itself, and there is an effect of increasing the dynamic range.

또한, 본 발명은 빛의 세기에 따라 센스 노드의 콘덴서 용량을 조절하기 때문에 빛의 세기가 매우 약하거나 매우 강한 경우에도 좋은 화질의 영상을 얻을 수 있고, 저조도의 어두운 곳에서도 프레임수의 감소 없이 밝은 영상을 얻을 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention adjusts the capacitor capacity of the sense node according to the light intensity, so that even if the light intensity is very weak or very strong, a good image quality can be obtained, and even in low-light dark places without reducing the number of frames The effect is that you can get a video.

Claims (7)

외부에서 입력된 빛의 세기에 의해 소정의 전류(IPD)를 출력하는 포토 다이오드와; 상기 전류(IPD)에 의한 센스 노드 전압(VPD)을 입력받고, 그 센스 노드 전압에 대한 픽셀 전류를 출력하는 증폭기와; 상기 센스 노드 전압(VPD)에 의해 콘덴서 용량이 가변하는 배렉터(varactor) 다이오드를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 구조.A photodiode for outputting a predetermined current I PD by the intensity of light input from the outside; An amplifier which receives a sense node voltage V PD by the current I PD and outputs a pixel current corresponding to the sense node voltage; And a varistor diode whose capacitor capacitance varies according to the sense node voltage V PD . 제1항에 있어서, 상기 배렉터 다이오드의 콘덴서 용량을 제어하는 기 설정된 제어 전압을 상기 센스 노드로 출력하는 제어 스위치를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 구조.The pixel structure of an image sensor according to claim 1, further comprising a control switch for outputting a predetermined control voltage for controlling the capacitor capacitance of the varactor diode to the sense node. 제1항에 있어서, 상기 포토다이오드의 일측과 센스 노드에 각각 연결되고, 외부에서 입력된 셔터 신호에 의해 상기 포토다이오드의 전류(IPD)를 증폭기로 출력하는 셔터 스위치와; 일측이 구동 전원(VDD)과 다른 일측이 센스 노드에 각각 연결되고, 외부에서 입력된 리셋 신호에 의해 픽셀을 리셋시키는 리셋 스위치를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 구조.The shutter of claim 1, further comprising: a shutter switch connected to one side and a sense node of the photodiode and outputting the current I PD of the photodiode to an amplifier by a shutter signal input from an outside; And a reset switch having one side connected to the driving power supply VDD and the other side connected to the sense node, the reset switch configured to reset the pixel by a reset signal input from the outside. 픽셀의 센스 노드에 연결된 배렉터 다이오드를 구비한 이미지 센서의 이미지 센싱 방법에 있어서,An image sensing method of an image sensor having a varistor diode connected to a sense node of a pixel, 사용자의 입력에 의해 이미지 센서가 온되면, 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기를 측정하는 단계와;Measuring an intensity of light input to the image sensor when the image sensor is turned on by a user input; 상기 측정된 빛의 세기에 따른 기 설정된 콘덴서 용량으로 상기 배렉터(varactor) 다이오드의 콘덴서 용량을 가변시키는 단계와;Varying the capacitor capacity of the varactor diode with a predetermined capacitor capacity according to the measured light intensity; 상기 센스 노드의 가변된 콘덴서 용량에 의해 센싱된 영상 신호를 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 이미지 센싱 방법.And outputting an image signal sensed by the variable capacitor capacity of the sense node. 제4항에 있어서, 상기 측정된 빛의 세기에 대한 기 설정된 제어 전압을 설정하고, 그 설정된 제어 전압에 의해 배렉터 다이오드의 콘덴서 용량이 가변되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 이미지 센싱 방법.The image sensing method of claim 4, wherein a predetermined control voltage for the measured light intensity is set, and a capacitor capacitance of the varactor diode is varied by the set control voltage. 제4항에 있어서, 상기 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기는 기 설정된 시간 동안 시간에 대한 센스 노드 전압(VPD)의 변화로 측정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 이미지 센싱 방법.The image sensing method of claim 4, wherein the intensity of light input to the image sensor is measured as a change of the sense node voltage V PD with respect to time for a preset time. 제4항에 있어서, 상기 이미지 센서로 입력되는 빛의 세기는 사용자의 입력에 의해 이미지 센서가 온되는 시점에서 측정되거나 기 설정된 소정 개수의 프레임 단위로 측정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 이미지 센싱 방법.The image sensing method of claim 4, wherein the light intensity input to the image sensor is measured at a time when the image sensor is turned on by a user's input or measured in a predetermined number of frames. .
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