KR20060093301A

KR20060093301A - 고체 촬상 디바이스, 고체 촬상 디바이스 구동 방법 및촬상 장치

Info

Publication number: KR20060093301A
Application number: KR1020060016570A
Authority: KR
Inventors: 가즈히데 요꼬따; 히사시 구레바야시
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2006-08-24
Also published as: TW200637361A; US20060186313A1; KR101237188B1; JP4979195B2; US8115153B2; TWI319284B; US7550704B2; CN100534152C; CN1829294A; JP2006229797A; US20090242740A1

Abstract

고체 촬상 디바이스는 광전 변환 소자들을 포함하는 픽셀들이 이차원 배열된 픽셀 어레이부와, 상기 픽셀 어레이부의 각 로우들에 대해 순차적으로 선택적인 주사하는 수직 선택기와, 상기 픽셀 어레이부 내에 제공된 로우 범위 내의 각 로우들의 픽셀 신호만을 판독하는 모드가 상기 수직 선택기에 의해 설정되는 경우, 상기 로우 범위 외의 로우들의 각 픽셀들 내의 상기 광전 변환 소자 내에서 생성된 전하들을 픽셀 전원으로 방전하는 제어기를 포함한다.

광전 변환, 주사, 고체 촬상 디바이스,

Description

고체 촬상 디바이스, 고체 촬상 디바이스 구동 방법 및 촬상 장치{SOLID STATE IMAGING DEVICE, METHOD OF DRIVING SOLID STATE IMAGING DEVICE, AND IMAGE PICKUP APPARATUS}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는, CMOS 화상 센서의 구성 예를 도시한 블록도이다.

도 2는 4-트랜지스터 구성의 단위 픽셀의 회로 구성을 도시한 회로도이다.

도 3은 3-트랜지스터 구성의 단위 픽셀의 회로 구성을 도시한 회로도이다.

도 4는 단위 픽셀이 3-트랜지스터 구성을 갖는 CMOS 화상 센서의 구성 예를 도시한 블록도이다.

도 5는 3-트랜지스터 구성에서의 동작을 설명하는 전위 차트이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따르는 촬상 장치의 구성 예를 도시한 블록도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10: 픽셀 어레이부

11: 단위 픽셀

12: 수직 신호선

13: 리셋선

14: 전하 전송선

15: 선택선

20: 수직 드라이버

30: 수평 드라이버

111: 포토다이오드

112: 전하 전송 트랜지스터

113: 리셋 트랜지스터

114: 증폭 트랜지스터

115: 선택 트랜지스터

본 발명은 고체 촬상 디바이스, 고체 촬상 디바이스의 구동 방법, 및 촬상 장치에 관한 것으로, 더욱 특히 수직 주사에 따라 로우 단위로 픽셀 신호를 판독하는 라인 순차 고체 촬상 디바이스와, 고체 촬상 디바이스의 구동 방법, 및 촬상 장치에 관한 것이다.

촬상 장치는 촬상 디바이스로서 작용하는 고체 촬상 디바이스, 고체 촬상 디바이스의 촬상면(수광면) 상의 피사체에 화상 광을 포커싱하기 위한 광학 시스템, 고체 촬상 디바이스의 신호 프로세서, 및 카메라 모듈에 장착된 카메라 시스템을 포함하는 카메라 모듈을 언급한다.

라인 순차 고체 촬상 디바이스에서, 예컨대 수직 주사에 따라 로우 단위로 픽셀 신호를 판독하며, 픽셀 어레이부의 소정의 로우 범위를 클립핑 아웃(clipping out)하기 위해 구동되고, 로우 범위에서 픽셀 신호만을 판독하는 CMOS 화상 센서는, 복수의 관찰 포맷의 각도에 대처하기 위한 목적과, 픽셀 신호를 고속으로 판독하기 위한 목적과, 손 움직임 떨림을 보정하기 위한 목적 등을 수행한다(예컨대, 일본특허출원 JP-2005-350101호 참조).

픽셀 어레이부의 소정 로우 범위(이하에서는 "클립핑-아웃 로우 범위(clipping-out row range)"로 언급됨)가 전술한 바와 같이 클립핑-아웃될 때, 로우 범위 내의 각 로우만이 순차적으로 주사될 필요가 있다. 그러나, 선택적 주사는 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 전혀 인가되지 않는다면, 로우 내의 픽셀의 광전 변환 소자에 축적된 광전하는 리셋 됨이 없이 계속해서 축적된다. 결국, 광전하는 오버플로우되어 픽셀 주변에서 픽셀에 악영향을 미치게 된다.

이런 문제에 대한 조치로서, 행해져야 할 것은 클립핑-아웃 범위 외의 로우에 선택적 주사를 인가하며, 광전 변환 소자로부터 플로팅 확산부(floating diffusion section)로 전하를 전송하고, 플로팅 확산부에 전송된 전하를 리셋하는 것이다.

그러나, 클립핑-아웃 로우 범위 내의 각 로우만을 선택적으로 주사한 후 선택적 주사가 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 인가될 때, 프레임 레이트는 증가하지 않는다. 클립핑-아웃 로우 범위 내의 각각의 로우에 대한 선택적 주사에 병 행해서 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우로 선택적 주사를 인가하고자 할 때에는, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 대한 선택적 주사를 수행하며 또한 통상의 선택적 주사를 수행하기 위한 수직 선택기를 제공하는 것이 필수적이다. 대안적으로, 수직 선택기가 통상의 선택적 주사를 수행하기 위하여 복잡한 회로 구성을 채택하여 복잡한 선택 주사를 수행하게 하는 것이 필수적이다.

클립핑-아웃 로우 범위 내의 각각의 로우의 픽셀 신호가 판독되는 동안, 전자 셔터 동작용 주사는 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 인가되거나, 또는 이 주사는 로우에 인가되지 않는다. 따라서, 전자 셔터 동작에 기인한 불규칙성, 즉 콘트라스트 또는 밝기에 야기된 레벨 차이, 소위 셔터 레벨 차이가 클립핑-아웃 로우 범위 내의 픽셀 신호에 기초하는 비디오에 나타남을 이해해야 한다.

본 발명은 이러한 문제점을 고려하여 고안되었다. 선택적 주사가 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 인가되지 않는다 할지라도, 광전하가 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우 내의 광전 변화 소자에 축적되는 것을 방지할 수 있는 고체 촬상 디바이스, 이런 고체 촬상 디바이스 구동 방법, 및 촬상 장치를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광전 변화 소자를 포함하는 픽셀이 2차원으로 배열되는 픽셀 어레이부를 갖는 고체 촬상 디바이스가 제공된다. 고체 촬상 디바이스는, 픽셀 어레이부 내의 소정 로우 범위에서 각각의 로우의 픽셀 신호만을 판독하기 위한 모드가 설정될 때, 로우 범위 외의 로우의 각 픽셀 내의 광전 변환 소자에서 발생된 전하를 픽셀 전원에 방전하는 유닛을 포함한다.

전술한 고체 촬상 디바이스에서, 픽셀 어레이부 내의 소정의 클립핑-아웃 로우 범위에서 로우만을 선택적으로 주사하며 클립핑-아웃 로우 범위 내의 픽셀 신호를 판독하는 모드가 소정의 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 대해 설정될 때, 광전 변환 소자 내에서 생성된 전하는 픽셀 전원에 방전된다. 결과적으로, 선택 주사가 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 인가되지 않는다 할지라도 전하가 광전 변환 소자에 계속해서 축적되는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 실시예는 이하 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명된다.

도 1은 고체 촬상 디바이스, 예컨대 본 발명의 일 실시예에 따르는 CMOS 센서의 구성 예를 도시한 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르는 CMOS 센서(1)는 픽셀 어레이부(10), 수직 드라이버(20) 및 수평 드라이버(30)를 포함한다.

픽셀 어레이부(10)에서, 광전 변환 소자를 포함하는 단위 픽셀(이하, 일부 경우에는 단순히 '픽셀'로 언급됨)(11)은 2차원으로 배열된다. 수직 신호선(12)은 픽셀 구조의 각 픽셀 컬럼에 배선되며, 구동선, 예컨대 리셋선(13), 전하 전송선(14), 및 선택선(15)은 각 픽셀 로우에 배선된다.

도 2는 단위 픽셀(11)의 회로 구성 예를 도시한 블록도이다. 도 2에서, 도 1과 동일한 부분은 동일 도면 부호로 명시된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 회로 예에서 단위 픽셀(11)은 예컨대, 4개의 트랜지스터, 즉 전하 전송 트랜지스터(112), 리셋 트랜지스터(113), 증폭 트랜지스 터(114), 및 선택 트랜지스터(115)와, 또한 광전 변환 소자, 예컨대 포토다이오드(111)를 포함하는 픽셀 회로이다. 본 실시예에서, 예컨대 N 채널 MOS 트랜지스터는 트랜지스터(112-115)로서 사용된다.

전송 트랜지스터(112)는 포토다이오드(111)의 캐소드와 플로팅 확산(FD)부(116) 사이에 연결된다. 전송 트랜지스터(112)는 전하 전송 펄스 φTRG가 전하 전송선(14)를 통해 전송 트랜지스터(112)의 게이트에 주어질 때 턴온된다. 전송 트랜지스터(112)는 광다이오드(111)에 의해 광전기적으로 변환된 광전하(전자)를 FD부(116)에 전송한다.

리셋 트랜지스터(113)의 드레인 및 소스는 픽셀 전원 VDD 및 FD부(116) 각각에 연결된다. 리셋 트랜지스터(113)는 리셋 펄스 φRST가 리셋선(13)를 통해 리셋 트랜지스터(113)의 게이트에 주어질 때 턴온된다. 리셋 트랜지스터(113)는 포토다이오드(111)로부터 FD부(116)로의 신호 전하 전송 이전에 FD부(116)에서 전위를 리셋한다.

증폭 트랜지스터(114)의 게이트 및 드레인은 FD부(116) 및 픽셀 전원 VDD 각각에 연결된다. 증폭 트랜지스터(114)는 리셋 트랜지스터(113)에 의해 리셋되는 FD부(116)에서 전위를 리셋 레벨로서 출력하며, 신호 전하가 전송 트랜지스터(112)에 의해 전송되는 FD부(116)에서 전위를 신호 레벨로서 출력한다.

선택 트랜지스터(115)의 드레인 및 소스는 예컨대 증폭 트랜지스터(114)의 소스 및 수직 신호선(12)에 각각 연결된다. 선택 트랜지스터(115)는 선택 펄스 φSEL이 선택선(15)을 통해 선택 트랜지스터(15)의 게이트에 주어질 때 턴온된다. 선택 트랜지스터(115)는 단위 픽셀(11)을 선택 상태로 가져오며 증폭 트랜지스터(114)로부터 출력된 신호를 수직 신호선(12)에 릴레이한다.

또한, 픽셀 전원 VDD와 증폭 트랜지스터(114)의 드레인 사이에 선택 트랜지스터(115)를 연결하는 것이 가능하다.

도 1을 다시 참조하면, 수직 드라이버(20)는 수직 선택기(21), AND 회로(22), 모드 스위칭 회로(23), 버퍼 회로(24), 및 스위치 제어 회로(25)를 포함한다. 리셋 펄스 φRST, 전하 전송 펄스 φTRG, 및 선택 펄스 φSEL은 리셋 펄스선(26), 전하 전송 펄스선(27) 및 선택 펄스선(28)을 통해 미 도시된 타이밍 발생기로부터 수직 드라이버(20)에 제공된다.

수직 선택기(21)는 시프트 레지스터 또는 디코더를 포함한다. 수직 선택기(21)는 로우 단위의 순서로 픽셀 어레이부(10)의 각 픽셀(11)을 순차적으로 구동하기 위한 수직 주사 펄스를 출력한다. 통상, 전자 셔터 동작을 수행하기 위한 셔터 선택기는 수직 선택기(21)에 병렬로 구성된다. 설명의 간략화를 위해, 셔터 선택기는 도면에 도시되지 않는다.

AND 회로(22)에서, 리셋 트랜지스터(113),전하 전송 트랜지스터(112) 및 픽셀(11)의 선택 트랜지스터(115)에 대응하는 3개의 AND 회로는 픽셀 어레이부(10)의 각 픽셀 로우와 관련되어 각각 배열된다. AND 회로(22)는 수직 선택기(21)로부터 순차적으로 출력된 수직 주사 펄스가 활성인 로우에서 리셋 펄스 φRST, 전하 전송 펄스 φTRG, 및 선택 펄스 φSEL를 캡쳐한다.

모드 스위칭 회로(23)는 픽셀 어레이부(10)의 각 로우들 중에서 주어진 클립 핑-아웃 로우 범위 내의 로우만을 선택적으로 주사하며 클립핑-아웃 로우 범위 내의 픽셀 신호를 클립핑 및 판독하기 위한 클립핑-아웃 모드를 실현하기 위해 제공된다. 모드 스위칭 회로(23)의 특정 구성은 후술된다.

모드 스위칭 회로(23)에서, 리셋 펄스 φRST 및 전하 전송 펄스 φTRG 각각에 대응하는 2개의 스위칭 소자(23R, 23T)는 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우(도 1에서 음영 픽셀; 간략화를 위해 상부의 1 로우와 하부의 1 로우가 각각 도시된다)와 관련되서 배열된다. 2 스위칭 소자(23R 및 23T)는 2개의 입력 및 하나의 출력을 갖는 스위칭 구성을 구비한다.

스위칭 소자(23R)는 AND 회로(22)로부터 출력된 리셋 펄스 φRST를 일 입력으로서 사용하며, 전원선(29)으로부터 제공된 전원 전압을 다른 입력으로서 사용한다. 스위칭 소자(23R)는 픽셀 어레이부(10)의 모든 로우를 순차적으로 주사하기 위한 통상의 전 픽셀 판독 모드(a usual all-pixel readout mode)에서 리셋 펄스 φRST를 순서대로 선택한다. 스위칭 소자(23R)는 주어인 클립핑-아웃 로우 범위 내의 로우만을 순차적으로 주사하기 위한 클립핑-아웃 모드에서 스위치 제어 회로(25)로부터 제공된 스위칭 신호에 응답하여 전원 전압을 선택한다.

스위칭 소자(23T)는 AND 회로(22)로부터 출력된 전하 전송 펄스 φTRG를 일 입력으로서 사용하며, 전원선(29)으로부터 제공된 전원 전압을 다른 입력으로서 사용한다. 스위칭 소자(23T)는 전 픽셀 판독 모드에서 전하 전송 펄스 φTRG를 선택하며, 스위칭 제어 회로(25)로부터 제공된 스위칭 신호에 응답하여 클립핑-아웃 모드에서 전원 전압을 선택한다.

버퍼 회로(24)에서, 리셋 펄스 φRST, 전하 전송 펄스 φTRG, 및 선택 펄스 φSEL에 대응하는 3개의 버퍼는 픽셀 어레이부(10)의 각 픽셀 로우와 관련되서 배열된다.

3개의 버퍼들 중에서, 리셋 펄스 φRST에 대응하는 버퍼는 스위칭 소자(23R)로부터 출력된 전원 전압 또는 리셋 펄스 φRST에 기초하여 픽셀 어레이부(10)의 리셋선(13)을 구동한다. 전하 전송 펄스 φTRG에 대응하는 버퍼는 스위칭 소자(23T)로부터 출력된 전원 전압 또는 전하 전송 펄스 φTRG에 기초하여 픽셀 어레이부(10)의 전하 전송선(14)을 구동한다. 선택 펄스 φSEL에 대응하는 버퍼는 AND 회로(22)로부터 직접 제공된 선택 펄스 φSEL에 기초하여 픽셀 어레이부(10)의 선택선(15)을 구동한다.

스위치 제어 회로(25)는, 클립핑-아웃 모드가 설정될 때 전 픽셀 판독 모드시 리셋 펄스 φRST 및 전하 전송 펄스 φTRG가 외부로부터 주어진 클립핑-아웃 모드 신호에 응답하여 전원 전압 사이드를 선택하는, 모드 스위칭 회로(23)의 각 스위칭 소자(23R 및 23T)를 스위칭하는 스위칭 신호를 모드 스위칭 회로(23)에 제공한다.

수평 드라이버(30)는 컬럼 신호 프로세서(31), 수평 선택기(32), 수평 신호선(33), 및 출력 회로(34)를 포함한다.

컬럼 신호 프로세서(31)는 예컨대 픽셀 어레이부(10)의 각 픽셀 컬럼에 대해 배열된다. 컬럼 신호 프로세서(31)는 각 픽셀 컬럼에 대해, 픽셀(11)의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위한 CDS(Correlation Double Sampling) 처리와 같은 신호 처리 를 수직 신호선(12)을 통해 출력된 픽셀 신호에 적용한다. 수평 선택 스위치는 컬럼 신호 프로세서(31)의 출력단에서 각각의 픽셀 컬럼에 대해 제공된다. 또한, 컬럼 신호 프로세서(31)에 A/D 변환 기능을 제공하는 것이 가능하다.

수평 선택기(32)는 시프트 레지스터 또는 디코더를 포함한다. 수평 선택기(32)는 컬럼 신호 프로세서(31)의 출력단에 각 픽셀 컬럼을 제공하는 수평 선택 스위치를 순차적으로 주사하는 수평 주사 펄스를 순서대로 순차 출력한다. 수평 선택 스위치가 수평 주사 펄스에 응답하여 순서대로 턴온 될 때, 컬럼 신호 프로세서(31)에서 신호가 처리된 후 픽셀 신호는 수평 신호선(33)에 순서대로 출력되며, 출력 회로(34)를 통해 외부에 출력된다.

전술한 구성을 구비한 본 실시예에 따르는 CMOS 화상 센서(1)의 회로 동작은 각 동작 모드로 후술된다.

먼저, 통상의 전 픽셀 판독 모드가 설정될 때, 클립핑-아웃 모드 신호는 비활성화(비활성 상태)가 되어, 스위칭 제어 회로(25)가 모드 스위칭 회로(23)에 주어진 스위칭 신호를 비활성 상태로 가져온다. 결과적으로, 모드 스위칭 회로(23)에서, 스위칭 소자(23R 및 23T)는 리셋 펄스 φRST, 전하 전송 펄스 φTRG 각각을 선택하기 위한 상태에 있게 된다.

이런 상태에서, 수직 주사 펄스가 수직 선택기(21)에 의한 선택적 주사에 따라 수직 선택기(21)로부터 순차적으로 출력될 때, 이에 응답하여, AND 회로(22) 중 3개에 제공된 스위칭 소자는 순서대로 턴온되며, 리셋 펄스 φRST, 전하 전송 펄스 φTRG, 및 선택 펄스 φSEL를 캡쳐한다.

특히, AND 회로(22)에서, 먼저, 선택 펄스 φSEL는 버퍼 회로(24)를 통해 픽셀 어레이부(10)의 각 픽셀 로우에 순서대로 캡쳐 및 제공된다. 결과적으로, 픽셀(11)의 선택 트랜지스터(115)는 로우 단위로 순서대로 턴온되며, 각 픽셀(11)은 로우 단위로 선택된다.

임의의 픽셀 로우가 선택된 상태에서, 리셋 펄스 φRST는 모드 스위칭 회로(23)의 스위칭 소자(23R) 및 버퍼 회로(24)를 통해 선택된 로우의 각 픽셀(11)에 캡쳐 및 제공된다. 그 결과, 선택된 로우의 픽셀(11)들 각각에서, 리셋 트랜지스터(113)가 턴온된다. 결과적으로, FD부(116)에서의 전위를 픽셀 전원 VDD에서의 전위로 리셋하는 동작이 수행된다. 이 지점에서 FD부(116)의 전위는 증폭 트랜지스터(114) 및 선택 트랜지스터(115)를 통해 리셋 레벨로서 수직 신호선(121)에 출력된다.

계속해서, 전하 전송 펄스 φTRG는 모드 스위칭 회로(23)의 스위칭 소자(23T) 및 버퍼 회로(24)를 통해 선택된 로우의 각 픽셀(11)에 캡쳐 및 제공된다. 그 결과, 선택된 로우의 픽셀(11)들 각각에서, 전하 전송 트랜지스터(112)가 턴온된다. 결과적으로, 포토다이오드(111)에 의해 광전기적으로 변환된 광전하는 FD부(116)에 전송된다. FD부(116)의 전위는 증폭 트랜지스터(114) 및 선택 트랜지스터(115)를 통해 신호 레벨로서 수직 신호선(121)에 출력된다.

픽셀(11)로부터 수직 신호선(12)에 순서대로 출력된 신호 레벨 및 리셋 레벨은 로우 단위로 컬럼 신호 프로세서(31)에 제공된다. 컬럼 신호 프로세서(31)에서, 예컨대 리셋 레벨과 신호 레벨간의 차이는 픽셀(11)의 고정 패턴 노이즈를 제 거하는 처리를 픽셀(11)에 제공하게 연산된다. 컬럼 신호 프로세서(31) 내의 신호 처리 후 일 로우에 대한 픽셀 신호는 수평 선택기(32)에 의한 선택적 주사에 응답하여 순서대로 선택되며, 수평 신호선(33) 및 출력 회로(34)를 통해 칩의 외부에 출력된다.

계속해서, 주어진 클립핑-아웃 로우 범위 내의 로우만이 선택적 주사를 수행한다. 클립핑-아웃 로우 범위 내의 픽셀 신호를 클립핑 및 판독하기 위한 클립핑-아웃 모드가 설정될 때, 클립핑-아웃 모드 신호는 활성화가 된다(활성 상태가 된다). 따라서, 스위칭 제어 회로(25)는 모드 스위칭 회로(23)에 제공된 스위칭 신호를 활성 상태로 가져온다. 결과적으로, 모드 스위칭 회로(23)에서, 스위칭 소자(23R 및 23T) 모두는 전원 전압을 선택하기 위한 상태로 들어간다.

이런 상태에서, 수직 주사 펄스가 수직 선택기(21)에 의한 선택적 주사에 따라 수직 선택기(21)로부터 순차적으로 출력될 때, 모드 스위칭 회로(23)는 리셋 펄스 φRST, 전하 전송 펄스 φTRG, 및 선택 펄스 φSEL를 AND 회로(22)를 통해 캡쳐한다.

그러나, 모드 스위칭 회로(23)에서, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 대응하는 스위칭 소자(23R 및 23T) 모두는 전원 전압을 선택하기 위한 상태에 있게 된다. 따라서, 리셋 펄스 φRST 및 전하 전송 펄스 φTRG는 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 제공되지 않는다. 선택 펄스 φSEL만이 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우에 제공된다.

클립핑-아웃 로우 범위 외의 선택된 로우의 각 픽셀들에서는, 리셋 펄스 φ RST 및 전하 전송 펄스 φTRG 대신 전원 전압이 공급된다. 전원 전압의 레벨은 전하 전송 트랜지스터(112) 및 리셋 트랜지스터(113)를 (도통 상태에서) 온으로 유지할 수 있게 하는 레벨로 설정된다.

결과적으로, 전하 전송 트랜지스터(112)가 온으로 유지되기 때문에, 전하 전송 트랜지스터(112)는 광 다이오드(111)에서 생성된 광전하들을 FD부(116)로 계속 전송한다. 동시에, 리셋 트랜지스터(113)가 온으로 유지되기 때문에, 광 다이오드(111)에서 FD부(116)로 전송되는 광전하들은 픽셀 전원 VDD로 방전된다. 결과적으로, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 픽셀들(11)에 픽셀 신호 판독 동작이 적용되지 않더라도, 광전하들은 광 다이오드(111)로부터 오버플로우하지 않는다.

한편, 클립핑-아웃 로우 범위에서의 각 픽셀들에 대해서는, 모드 전환 회로(23)에 전환 소자(23R 및 23T)가 제공되지 않는다. 따라서, 일반적인 전 픽셀(all-pixel) 판독 모드시에서와 같이, 각 픽셀(11)의 신호는 컬럼 신호 프로세서(31)를 통해 공급되어, 수평 신호선(33)을 통해 칩의 외부로 출력되고, 수직 선택기(21)에 의한 선택적 주사에 따라 출력 회로(34)에 출력된다. 그 결과, 주어진 클립핑-아웃 로우 범위에서의 픽셀 신호들이 클립핑 아웃된다.

주어진 클립핑-아웃 로우 범위에서의 픽셀 신호들을 클립핑 아웃하는 것은 위에 설명되었다. 주어진 클립핑-아웃 컬럼 범위에서 픽셀 신호들을 클립핑 아웃하는 것은 칩 외부의 조건에서 신호 처리 시스템에 잘 알려진 방법을 이용하여 수행된다.

전술된 바와 같이, 일반적인 전 픽셀 판독 모드 및 클립핑-아웃 모드를 선택 적으로 채택할 수 있는 CMOS 화상 센서에서, 주어진 로우 범위에서의 각 로우의 픽셀 신호들만 판독하기 위한 클립핑-아웃 모드가 설정되는 경우, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들의 픽셀들(11) 각각에서의 광 다이오드(111)에 생성되는 광전하들은 픽셀 전원 VDD로 방전된다. 따라서, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 픽셀들(11)에 픽셀 신호 판독 동작이 적용되지 않더라도 광전하들은 광 다이오드(111)로부터 오버플로우하지 않는다.

클립핑-아웃 모드가 설정되는 경우, 전하 전송 트랜지스터(112) 및 리셋 트랜지스터(113)가 턴 온되며, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들의 픽셀들(11) 각각에서의 광 다이오드(111)에 생성된 광전하들은 FD부(116)로 전송되고, FD부(116)에서의 광전하들은 픽셀 전원 VDD로 방전된다. 결과적으로, 픽셀들(11)의 회로 구성을 변경하지 않고, 수직 선택기(21)의 구성을 복잡하게 하거나 복수의 수직 선택기를 제공하지 않고도 간단히 모드 전환 회로(23)를 부가하는 것에 의해 실시예에 따른 고체 촬상 소자를 구현할 수 있다.

또한, 클립핑-아웃 범위에서의 각 로우들의 픽셀 신호들이 판독되는 동안, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들에 전자적 셔텨 동작을 위한 주사가 적용되거나 또는 적용되지 않더라도, 클립핑-아웃 로우 범위의 픽셀들 각각에서의 광 다이오드(111)에서 광전하의 오버플로우를 방지할 수 있다. 이는 셔텨 레벨 차이에 기인하는 화상 품질 저하를 방지할 수 있게 한다.

본 실시예에서, 광 다이오드(111)에 생성된 광전하들은 전하 전송 트랜지스터(112)를 턴 온하는 것에 의해 FD부(116)에 전송된다. FD부(116)내의 광전하들은 리셋 트랜지스터(113)를 턴온하는 것에 의해 픽셀 전원 VDD로 방전된다. 그러나, 이러한 것은 일 예일 뿐 본 발명이 이러한 것에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 전하를 픽셀 전원부 VDD로 방전하기 위한 전하 방전부가 픽셀들(11) 각각에 대해 광 다이오드(111)에 인접하여 제공되고, 전하 방전부와 광 다이오드(111) 사이에 게이트부가 제공된다. 클립핑-아웃 모드가 설정되면, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들에서의 픽셀들(11) 각각에서의 광 다이오드(111)에 생성된 광전하들은 게이트부를 턴 온하는 것에 의해 전하 방전부를 통해 픽셀 전원 VDD로 방전된다. 광 다이오드(111)에 생성된 광전하들을 픽셀 전원 VDD로 방전할 수 있다면 임의의 구성이 채택될 수 있다.

전술된 실시예에서는, 예를 들어, 단위 픽셀(11)가 4개의 트랜지스터, 즉 전하 전송 트랜지스터(112), 리셋 트랜지스터(113), 증폭 트랜지스터(114) 및 선택 트랜지스터(115)를 포함하는 CMOS 화상 센서(1)에 본 발명이 적용되었다. 그러나, 픽셀(11)은 4개의 트랜지스터가 제공되는 구성으로 제한되는 것이 아니다. 광 다이오드(111)에서 생성된 광전하들을 픽셀 전원 VDD로 방전하기 위한 동작을 카운트하기 위한 구동이 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들에서의 각 픽셀들에 수행된다면, 다른 포맷의 픽셀들에서도 전술된 실시예에서와 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 하나의 트랜지스터가 증폭 트랜지스터(114) 및 선택 트랜지스터(115) 양자 모두로서 사용되어 3개의 트랜지스터를 갖는 픽셀 구성이 채택될 수 있다.

도 3은 3-트랜지스터 구성의 단위 픽셀(11)의 회로 구성을 나타내는 회로도 이다. 도면에서, 도 2의 것들과 동등한 부분들은 동일한 참조 번호들로 표시된다.

도 3에서, 리셋 트랜지스터(113) 및 증폭 트랜지스터(114) 각각의 드레인들은 선택적 전원(픽셀 전원) SELVDD에 접속된다. 증폭 트랜지스터(114)의 소스 폴로워는 수직 신호선(12)에 직접 접속된다. 회로 구성의 다른 부분들은 도 2의 것들과 기본적으로 동일하다. 3-트랜지스터 구성의 단위 픽셀(11)에서, 선택적 전원 SELVDD가 하이 레벨로 변화하면, 증폭 트랜지스터(114)는 단위 픽셀(11)을 선택하기 위한 동작 상태로 진입한다.

도 4는 단위 픽셀(11)이 3-트랜지스터 구성을 갖는 CMOS 화상 센서 구성의 일 예를 나타내는 블럭도이다. 도면에서, 도 1에서의 것들과 동등한 부분들은 동일한 참조 번호들로 표시된다. 이 CMOS 화상 센서는, 전원선(29)을 통해 픽셀(11)에 공급되는 픽셀 전원(선택적 전원 SELVDD)이 가변이라는 점, 및 픽셀(11)의 리셋선(13)에 중간 전압(선택적 전원 SELVDD의 하이 레벨과 로우 레벨의 중간에 있는 전압)을 공급하는 중간 전압선(35)이 추가된다는 점에서 도 1의 것과는 다르다.

단위 픽셀(11)이 3-트랜지스터 구성을 가질 때의 동작은 도 5에서의 전위 도표(potential chart)를 이용하여 설명될 것이다.

3개의 트랜지스터 구성의 경우에, 클립핑-아웃(clipping-out) 로우 배열 외측 로우의 각각의 픽셀에 대하여, 전하 전송 트랜지스터(112)는 중간 전위를 리셋 트랜지스터(113)의 게이트에 인가하거나 리셋 트랜지스터(113)의 임계값 제어를 위한 불순물 주입량을 제어하기 위해 턴온된다. 이러한 방식에서, 채널 전위는 선택적 전원 SELVDD의 로우 레벨보다 낮도록 제어되고, 예컨대 포토다이오드(111) 주변 의 P 웰 전위보다는 높게 제어된다.

리셋 트랜지스터(113)의 채널 전위가 선택적 전원 SELVDD의 로우 레벨보다 낮게 제어되므로, 판독되는 픽셀을 선택하고 판독 픽셀을 선택하지 않도록 하기 위해 선택 전원 SELVDD의 하이 레벨 및 로우 레벨간의 전이를 위한 동작에 의해 영향 받지 않고 클립핑-아웃 로우 범위 외의 픽셀을 선택되지 않은 상태로 하는 것이 가능하다.

리셋 트랜지스터(113)의 채널 전위는 포토다이오드(111) 주변의 P 웰 전위보다 높도록 제어된다. 전하 전송 트랜지스터(112)는 턴온되도록 제어된다. 따라서, 픽셀에서 생성된 전하는 포토다이오드(111) 주변의 P 웰 부를 넘는 픽셀 주변의 픽셀로 오버플로우 하지 않는다. 전하는 리셋 트랜지스터(113)의 채널을 통해 선택적 전원 (픽셀 전원) SELVDD로 방전된다.

도 3의 픽셀 회로에서, 판독 로우 픽셀을 선택하기 위해, 판독 로우 픽셀의 리셋 트랜지스터(113)는 판독 로우의 리셋 라인(13)을 통해 턴온되고, 다음에 선택적 전원 SELVDD는 하이 레벨로 설정된다. 따라서, 판독 로우 픽셀의 FD부(116)에서의 전압은 하이 레벨로 변한다. 결과적으로, 증폭 트랜지스터(114)는 동작 상태로 들어간다. 다음에, 선택적 전원 SELVDD는 로우 레벨로 복귀한다.

이 경우에, 클립핑-아웃 범위 외의 픽셀에서, 리셋 트랜지스터(113)의 채널 전위는 예컨대 중간 전위를 리셋 트랜지스터(113)의 게이트에 인가함으로써, 선택적 전원 SELVDD의 로우 레벨보다 낮도록 설정된다. 따라서, 선택적 전원 SELVDD가 로우 레벨로부터 하이 레벨로 또한 하이 레벨로부터 로우 레벨로 전이할지라도, 클 립핑-아웃 범위 외의 픽셀의 FD부(116)에서의 전위는 증폭 트랜지스터(114)가 비-동작 상태가 되는 로우 레벨로 고정된 채 유지된다.

다음에, 판독 로우 픽셀에서 판독을 수행하기 위해, 전하 전송 트랜지스터(112)는 턴온되고, 다음에 판독 로우의 전하 전송 펄스 라인을 통해 턴오프 된다. 판독 로우 픽셀내의 판독이 종료할 때, 판독 로우 픽셀을 선택되지 않도록 하기 위해, 판독 로우 픽셀의 리셋 트랜지스터(113)는 판독 로우의 리셋 라인(13)을 통해 턴온되고, 다음에 선택적 전원 SELVDD은 로우 레벨로 설정된다. 따라서, 판독 로우 픽셀의 FD부(116)에서의 전압은 로우 레벨로 변한다. 결과적으로, 증폭 트랜지스터(114)는 비-동작 상태로 들어간다. 다음에, 선택적 전원 SELVDD은 로우 레벨로 복귀한다.

이 경우에, 클립핑-아웃 범위 외의 픽셀에서, 리셋 트랜지스터(113)의 채널 전위는, 예컨대, 리셋 트랜지스터(113)의 게이트에 중간 전위를 인가함으로써, 선택적 전원 SELVDD의 로우 레벨보다 낮게 설정된다. 따라서, 선택적 전원 SELVDD가 로우 레벨로부터 하이 레벨로 또한 하이 레벨로부터 로우 레벨로 전이할지라도, 클립핑-아웃 범위 외의 픽셀의 FD부(116)에서의 전위는 증폭 트랜지스터(114)가 비-동작 상태가 되는 로우 레벨로 고정된 채 유지된다.

일련의 동작 동안, 클립핑-아웃 범위 외의 픽셀의 리셋 트랜지스터(113)의 채널 전위는 포토다이오드(111) 주변의 P 웰 전위보다 높게 제어된다. 포토다이오드(111) 및 FD부(116)에 축적된 전하는, 포토다이오드(111) 주변의 P 웰 부를 지나는 픽셀 주변의 픽셀들로 오버플로우하지 않고 리셋 트랜지스터(113)의 채널을 통 해 선택적 전원 SELVDD로 방전된다. 결과적으로, 클립핑-아웃 범위에서 픽셀을 판독하기 위한 동작을 수행하면서 클립핑-아웃 범위 외의 픽셀에 대한 오버플로우를 제어할 수 있는 구동을 수행하는 것이 가능하다.

이 경우에, 본 발명은 일례로서 CMOS 화상 센서에 적용된다. 그러나, 본 발명은 CMOS 화상 센서에 대한 애플리케이션에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 일반적으로 수직 선택 주사에 따라 로우 단위로 픽셀 신호를 판독하는 라인-시퀀셜 고체 촬상 디바이스에도 적용될 수 있다.

전술한 실시예에 따른 CMOS 화상 센서(1)는 디지털 스틸 카메라 또는 비디오 카메라와 같은 촬상 장치(카메라 모듈)를 위한 촬상 디바이스에 적절하게 이용될 수 있고, 이러한 촬상 장치는 뷰 포맷의 복수의 각으로 카피하기 위한 목적, 고속으로 픽셀 신호를 판독하기 위한 목적, 손동작 블러링(blurring)을 보정하기 위한 목적으로 픽셀 어레이부의 주어진 로우 범위를 클립핑 아웃하기 위한 클립핑-아웃 모드를 설정할 수 있고, 로우 범위 내의 픽셀 신호만을 판독할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 촬상 장치의 구성의 일례를 도시하는 블록도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 촬상 장치는 광학 시스템의 일부를 형성하는 렌즈(41), 촬상 디바이스(42), 신호 프로세서(43), 및 모드 설정부(44)를 포함한다.

렌즈(41)는 촬상 디바이스(42)의 촬상 표면상에서의 물체로부터 화상 광을 포커싱한다. 촬상 디바이스(42)는 렌즈(41)에 의해 촬상 표면상에 포커싱된 화상 광을 픽셀 단위로 전기 신호로 변환하고, 얻어진 화상 신호를 출력한다. 전술한 실시예에 따른 CMOS 화상 센서(1)는 촬상 디바이스(42)로 이용된다.

신호 프로세스(43)는 다양한 종류의 신호 처리를 촬상 디바이스(42)로부터 출력된 신호에 적용한다. 모드 설정부(44)는 대안적으로 동작 모드를 설정하고, 구체적으로 사용자에 의한 지정 입력에 따라, 모든 픽셀 어레이부의 로우를 순서대로 선택적으로 주사하기 위한 통상적 전 픽셀 판독 모드 및 주어진 클립핑-아웃 로우 범위에서 로우만을 선택적으로 주사하기 위한 클립핑-아웃 모드를 설정한다.

전 픽셀 판독 모드가 모드 설정부(44)에 의해 설정될 때, 촬상 디바이스(42)는 전 픽셀 판독 모드의 동작에 따라 모든 픽셀의 신호를 판독한다. 클립핑-아웃 모드가 설정될 때, 촬상 디바이스(42)는 클립핑-아웃 모드의 동작에 따라 주어진 클립핑-아웃 로우 범위에서의 각각의 로우의 픽셀의 신호만을 판독한다. 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우의 픽셀에 대하여, 촬상 디바이스(42)는 광전기 변환 소자에서 생성된 광전하를 픽셀 전원으로 방전한다.

이와 달리, 클립핑-아웃 모드가 모드 설정부(44)에 의해 설정된 경우, 신호 프로세서(43)는 제공된 클립핑-아웃 로우 범위 내에서 클립핑 아웃 처리되고 촬상 디바이스(42)에 의해 출력될 신호에 대해 제공된 클립핑-아웃 컬럼 범위 내에서 전기적으로 클립핑 아웃을 수행하는 신호 처리를 한다(그러나, 이 처리는 제공된 클립핑-아웃 컬럼 범위가 설정된 경우에만 수행된다).

전술한 바와 같이, 디지털 스틸 카메라 또는 비디오 카메라와 같은 화상 촬상 장치에서는, 전술한 실시예에 따른 CMOS 화상 센서(1)가 화상 촬상 장치용 촬상 디바이스(42)로서 장착되어 있기 때문에, CMOS 화상 센서(1)는 클립핑-아웃 모드의 설정에 따라 제공된 클립핑-아웃 로우 범위 내의 픽셀 신호들만 클립핑 및 판독한다. 따라서, 픽셀 어레이부의 모든 픽셀들의 수에 대한 클립핑 아웃되는 로우의 수로 프레임 레이트를 증가시키는 것이 가능하다. 또한, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들의 픽셀들 내에서 광전 변환 소자들로 생성된 광전하들은 픽셀들 주변의 픽셀들에 오버프로우하지 않는다. 따라서, 클립핑-아웃 모드가 설정된 경우, 화상 품질을 향상시키는 것이 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 주사가 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들에 적용되지 않은 경우에도, 광전하들이 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들의 광전 변환 소자들 내에 축적되는 것을 막을 수 있다. 이는, 다수의 수직 선택기들이 제공되지 않거나 복잡한 회로 구성이 채용되지 않는 경우에도, 제공된 클립핑-아웃 로우 범위를 클립핑 아웃하는 클립핑-아웃 모드를 실현할 수 있도록 한다.

본 기술 분야의 숙련자는, 디자인 요구 및 다른 요소에 따라, 다양한 변형, 조합, 하위-조합, 및 변경이, 첨부된 청구범위 내에 포함되거나 그 등가물에 해당하는 한, 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 의하면, 픽셀 어레이부의 모든 픽셀들의 수에 대한 클립핑 아웃되는 로우의 수로 프레임 레이트를 증가시키는 것이 가능하고, 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들의 픽셀들 내에서 광전 변환 소자들로 생성된 광전하들은 픽셀들 주변의 픽셀들에 오버프로우하지 않기 때문에, 클립핑-아웃 모드가 설정된 경우, 화상 품질을 향상시키는 것이 가능하다.

또한, 선택적 주사가 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들에 적용되지 않은 경우에도, 광전하들이 클립핑-아웃 로우 범위 외의 로우들의 광전 변환 소자들 내에 축적되는 것을 막을 수 있기 때문에, 다수의 수직 선택기들이 제공되지 않거나 복잡한 회로 구성이 채용되지 않는 경우에도, 제공된 클립핑-아웃 로우 범위를 클립핑 아웃하는 클립핑-아웃 모드를 실현할 수 있도록 한다.

Claims

광전 변환 소자를 포함하는 픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이부와,

상기 픽셀 어레이부의 각 로우들에 대해 선택적인 주사를 순차적으로 하는 수직 선택기와,

상기 수직 선택기에 의해 상기 픽셀 어레이부 내에 제공된 로우 범위 내의 각 로우들의 픽셀 신호들만을 판독하는 모드가 설정되는 경우, 상기 로우 범위 외의 로우들의 각 픽셀들 내의 상기 광전 변환 소자 내에서 생성된 전하들을 픽셀 전원으로 방전하는 제어기

를 포함하는 고체 촬상 디바이스.
제1항에 있어서,

상기 각 픽셀들은 상기 광전 변환 소자들의 전하들을, 플로팅 확산부 및 상기 플로팅 확산부를 리셋하는 리셋 트랜지스터로 전송하는 전하 전송 트랜지스터를 적어도 포함하고,

상기 제어기는, 상기 모드가 설정된 경우, 상기 전하 전송 트랜지스터 및 상기 리셋 트랜지스터를 턴온(turn on)하는 고체 촬상 디바이스.
제2항에 있어서,

상기 제어기는, 상기 모드가 설정되지 않은 경우에는 상기 수직 선택기에 의 한 상기 선택된 주사에 동기하여, 상기 제공된 로우 범위 외의 로우들에 구동 신호를 제공하고, 상기 모드가 설정된 경우에는 상기 구동 신호 대신에 상기 전하 전송 트랜지스터 및 상기 리셋 트랜지스터를 턴온하는 신호를 제공하는 고체 촬상 디바이스.
광전 변환 소자들을 포함하는 필셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이부를 포함하는 고체 촬상 디바이스를 구동하는 방법에 있어서,

상기 픽셀 어레이부 내에 제공된 로우 범위 내의 각 로우들의 픽셀 신호들만을 판독하는 모드가 설정된 경우, 상기 로우 범위 외의 로우들의 각 픽셀들 내의 광전 변환 소자들 내에서 생성된 전하들이 픽셀 전원으로 방전되는 고체 촬상 디바이스 구동 방법.
제4항에 있어서,

상기 각 픽셀들은 적어도 상기 광전 변환 소자들의 전하를 플로팅 확산부 및 상기 플로팅 확산부를 리셋하는 리셋 트랜지스터에 전송하는 전하 전송 트랜지스터를 포함하고,

상기 전하 전송 트랜지스터 및 상기 리셋 트랜지스터는 상기 모드가 설정된 경우 턴온되는 고체 촬상 디바이스 구동 방법.
광전 변환 소자들을 포함하는 픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이부를 포함 하는 고체 촬상 디바이스와,

상기 고체 촬상 디바이스의 촬상 표면상의 피사체로부터 화상 광을 포커싱하는 광학 시스템과,

상기 픽셀 어레이부 내에 제공된 로우 범위 내의 각 로우들의 픽셀 신호들만 판독하는 모드를 설정하는 모드 설정부를 포함하고,

상기 고체 촬상 디바이스는, 상기 모드가 상기 모드 설정부에 의해 설정된 경우, 상기 제공된 로우 범위 외의 로우들의 각 픽셀들 내의 상기 광전 변환 소자들 내에서 생성된 전하들을 픽셀 전원에 방전하는 화상 촬상 장치.