KR20070062410A - 광역 동적 영역을 갖는 이미지 센서를 이용하여 이미지를획득하는 방법 - Google Patents

광역 동적 영역을 갖는 이미지 센서를 이용하여 이미지를획득하는 방법 Download PDF

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로랑 게닐로우드
파스칼 헤크
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더 스와치 그룹 리서치 앤 디벨롭먼트 엘티디
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Abstract

광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하여, 이미지를 획득하기 위한 방법이 수행된다. 상기 센서는 픽셀(1)의 세트로 구성된 감광성 셀을 포함한다. 각각의 픽셀은 상기 이미지의 조사(illumination)의 레벨의 함수로서 전하 캐리어를 누산하기 위한 광검출기 요소(PD)와, 전압 소스의 두 개의 공급 단자 사이에서, 상기 광검출기 요소에 직렬 연결되어 있는 제 1 초기화 트랜지스터(M1)와, 광다이오드(PD)의 전압 레벨을 저장하기 위하여 제 2 샘플링 트랜지스터(M2)를 통해 상기 광검출기 요소(PD)에 연결되어 있는 저장 수단(C1)과, 두 개의 공급 단자 사이에서 커패시터에 직렬 연결되어 있는 제 3 초기화 트랜지스터(M3)와, 직렬 연결된 제 4, 제 5 트랜지스터(M4, M5)를 포함하며, 상기 제 4 트랜지스터의 제어 단자 중 하나가 상기 커패시터의 전압 레벨을 판독하기 위해 커패시터에 연결되어 있다. 이미지를 얻기 위한 방법은, 제 2 트랜지스터 및 제 3 트랜지스터의 전도성을 통해, 전압 소스의 고전압(VDD)에 가까운 제 1 초기화 전압으로 커패시터와 광다이오드를 초기화하는 단계와, 광다이오드의 긴 제 1 노출 주기를 시작하기 위해 제 2 트랜지스터를 비-전도성으로 만드는 단계를 포함한다. 상기 제 1 노출 주기의 끝부분에서, 짧은 제 2 노출 주기를 시작하도록, 광 다이오드를 제 1 초기화 전압보다 낮은 레벨의 제 2 초기화 전압으로 초기화하기 위해, 상기 제 1 트랜지스터는 짧게 전도성을 띄도록 만들어진다. 제 2 노출 주기의 끝부분에서, 광다이오드 전압 레벨이 커패시터에 저 장되어, 제 4 트랜지스터와 제 5 트랜지스터를 통해 판독될 수 있다.

Description

광역 동적 영역을 갖는 이미지 센서를 이용하여 이미지를 획득하는 방법{METHOD OF OBTAINING AN IMAGE USING AN IMAGE SENSOR WITH BROAD DYNAMIC RANGE}
도 1은 본 발명에 따르는 방법을 구현하기 위한 이미지 센서 픽셀의 종래 구조를 도식한 도면이다.
도 2는 도 1의 픽셀 구조에 공급되는 일련의 신호를 시간의 흐름에 따라 도식하고, 종래 기술의 저장 수단의 단자에서의, 그리고 광다이오드 요소의 단자에서의 전압을 시간의 흐름에 따라 도식한 도면이다.
도 3은 도 1의 픽셀 구조에 공급되는 일련의 신호를 시간의 흐름에 따라 도식하고, 본 발명에 따르는 방법의 저장 수단과 광 다이오드 요소의 단자에서의 전압을 시간의 흐름에 따라 도식한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따르는 방법을 구현하기 위한 이미지 센서의 픽셀의 초기화 트랜지스터의 제어 회로를 도식한다.
본 발명은 광역 동적 영역을 갖는 이미지 센서를 이용하여 이미지를 획득하 기 위한 방법에 관한 것이다.
상기 이미지 센서는 예를 들어 CMOS형 기술로 쉽게 제작될 수 있다. 이러한 CMOS 이미지 센서는 예를 들어 작은 크기의 휴대용 기기(가령, 손목시계)에 적합한 포토그래픽 장치를 제작하기 위해 사용된다. 배터리, 또는 어큐뮬레이터(accumulator)에 의해 전력을 공급받는 이러한 기기에서, 각각의 전자 구성요소의 전기 전력의 소모는 감소될 필요가 있다. 결론적으로, 이미지를 취하는 동안, 또는 작업을 처리하는 동안, 이미지 센서는 작은 양의 전기 에너지를 소모하도록 제작될 필요가 있다.
현재의 통합 기술 때문에, 이러한 종류의 이미지 센서는 픽셀의 세트로 형성되는 감광성 셀과, 이미지를 취하는 작업을 수행하고, 상기 감광성 셀에 의해 수집된 정보를 판독하기 위한 프로세싱 컴포넌트를 동일한 칩 상에서 포함한다. 상기 픽셀은 행 및 열로 배열되는 매트릭스의 형태로 조직된다. 상기 매트릭스는 대부분의 센서 표면을 차지한다. 매트릭스의 특정 픽셀을 판독하기 위해, 이에 대응하는 행 및 열의 어드레스가 규정된다. 따라서 종래의 센서는 매트릭스의 행에 연결되는 행 어드레싱 회로와, 상기 매트릭스의 열에 연결되는 출력 버스를 포함하며, 이 둘은 제어 회로에 의해 제어된다.
셀 픽셀의 광검출기 요소는 광자를 수집하기 위해, 반도체 기판의 p-n 접합 커패시터로 형성될 수 있다. 이러한 접합 커패시터는 표준 CMOS 제조 공정에 호환된다는 이점을 갖는 광 다이오드인 것이 일반적이다.
표준 동작에서, 각각의 광 다이오드는 주어진 전압(가령, 0 내지 2V)에서 역 으로 편광된다. 전자-홀의 쌍을 생성하는 하나의 광다이오드 커패시터의 광다이오드 방전에 의해 광자가 수집된다. 이러한 전자-홀 쌍이 커패시터의 반대편 전극에 의해 수집되고, 지정된 센서의 동적 전압 범위내에서, 커패시터 단자에서의 전압 차이가 감소된다. 센서의 이러한 동적 전압이 광 다이오드 편광 전압(예를 들어 1.5V)보다 낮다.
매트릭스의 각각의 픽셀은 도 1에서 도식된 구조를 가질 수 있고, 동일한 출원인의 EP 특허 No.1 128 661의 도면 2B의 구조와 동치이며, 도 2B에 관련된 설명과, 이미지를 획득하기 위한 방법이 본원에서 참조로서 인용된다. 이러한 픽셀(1)은 광검출기 요소(가령, 역-편광되는 광다이오드 PD)와, 저장 수단(가령, 커패시터 C1)과, 5개의 트랜지스터 M1 내지 M5(가령, n-MOS 타입)를 포함한다. 통합, 또는 노출 주기 동안, 상기 광다이오드는 광자에 의해 생성되는 전자를 수집하는 반면에, 저장 수단은 샘플링 단계 동안, 광다이오드 PD의 단자에서 제공되는 전압 값을 저장한다.
트랜지스터 M1은, 전압 소스(도면에는 나타나지 않음)의 높은 전기 공급 단자 VDD와 낮은 전기 공급 단자 VSS 사이에서 광다이오드와 직렬로 연결되어 있다. 종래 기술에 따라서, 게이트 단자를 가로지르는 초기화 신호 TI에 의해 제어되는 이러한 트랜지스터 M1에 의해, 각각의 통합 주기, 또는 노출 주기 전에, 광다이오드 PD가 지정된 전압으로 초기화되거나 재-설정된다.
트랜지스터 M2는 커패시터 C1을 트랜지스터 M1과 광다이오드 PD 사이의 연결 노드로 연결한다. 샘플링 신호 SH에 의해 제어되는 이러한 트랜지스터 M2가 광다이오드 PD에 의해 어큐뮬레이팅되는 전하를 샘플링하고, 샘플링된 신호를 커패시터에 저장한다. 이러한 트랜지스터 M2는 광다이오드 PD와 커패시터 C1을 절연하거나, 차단한다.
트랜지스터 M3은 두 개의 전기 공급 단자 VDD와 VSS 사이의 커패시터 C1에 직렬 연결되어 있다. 종래 기술에 따라서, 재설정, 또는 초기화 신호 RST에 의해 제어되는 트랜지스터 M3에 의해, 상기 커패시터가 지정 전압으로 초기화된다.
트랜지스터 M4는 트랜지스터 M3의 소스 단자와 커패시터 C1 사이의 연결 노드에 연결되어 있는 게이트 단자와, 높은 전기 공급 단자 VDD에 연결되는 드레인 단자를 갖는 소스 폴로어 트랜지스터(source follower transistor)이다. 트랜지스터 M4는 행 선택 트랜지스터인 트랜지스터 M5에 직렬로 연결되어 있다. 행 선택 신호 RSEL에 의해 제어되는 트랜지스터 M5가 판독 프로세스 동안, 트랜지스터 M4로부터 하나의 열에 위치하는 모든 픽셀이 공유하는 출력 버스로 전압을 전달한다.
도 2를 참조하여, 이미지 센서를 사용하여 이미지를 획득하기 위한 종래의 방법이 서술되며, 이때 각각의 필셀 구조가 도 1에서 나타난다. 따라서 도 2는 도 1의 픽셀 구조를 동작시키기 위한 제어 신호 TI, SH, RST, RSEL의 전개에 대한 시간 다이어그램이고, 커패시터 C1을 가로지르는 광다이오드 PD의 전압 VPD와 전압 V1의 전개가 개념적으로 나타난다.
제 1 초기화, 또는 재설정 상태 동안, 제 1 및 제 2 초기화 신호 TI와 RST 모두 VDD에 가까운 높은 정전압까지로 만든다. 이러한 방식으로, 각각의 픽셀의 광다이오드 PD와 커패시터 C1이 모두 지정 재설정 전압으로 재설정된다. 트랜지스터 M2가 전도성을 띄지 않도록, 샘플링 신호 SH는 낮은 레벨이며, 이에 따라서 광다이오드 PD와 커패시터 C1이 차단될 수 있다. 이와 유사하게, 행 선택 트랜지스터 M5가 전도성을 띄지 않도록 행 선택 신호 RSEL이 낮은 레벨이다. 그 후, 광다이오드 PD와 커패시터 상의 최종 전압 VPD와 V1이 지정 초기화 전압에 충부하게 같은 레벨이다.
초기화 상태의 끝부분, 시간 t1에서, 제 1 초기화 신호 TI가 M1을 전도성을 띄지 않게 만드는 낮은 레벨로 통과하고, 이에 따라, 이미지 센서의 광다이오드 PD의 노출, 또는 통합 주기가 시작된다. 조사(illumination)의 효과를 통해, 광다이오드 PD는 광량에 비례하여 방전하기 시작한다. t1과 t3 사이에서, 전압 VPD의 전개에 의해 나타내어지는 바와 같이, 그들 각각이 수신한다. 커패시터 C1을 VDD에 가까운 일정한 전압 레벨로 유지하기 위해, 초기화 신호 RST는 높은 상태로 유지된다.
지정된 노출 주기 후, 시간 t2에서, 제 2 초기화 신호 RST가 낮은 레벨로 통과하고, 따라서 커패시터 C1의 메모리 노드가 개방된다. 그 후, 샘플링 신호 SH가 잠깐 동안, 트랜지스터 M2를 전도성으로 만드는 높은 레벨로 통과한다. 이에 따라서, 광다이오드 PD 상에 제공되는 전압 값이 샘플링되고, 커패시터 C1에 저장된다. 따라서 커패시터 C1의 단자에서의 전압 V1이 도 2에서 나타난 바와 같이 전개된다. 시간 t3에서, 센서 노출 주기가 끝난다. 각각의 픽셀의 커패시터가 트랜지스터 M이 전도성을 띄지 않게 된 직후의 광다이오드 전압 값을 자신의 메모리에 조사의 함수로서 저장한다.
전압 값이 커패시터 C1에 저장되면, 제 1 초기화 신호 TI는, 각각의 광다이오드가 VDD와 가까운 초기화 전압에 동일한 전압으로 초기화되는 레벨로 존재하게 된다. 따라서 센서의 각각의 필셀의 커패시터에 저장되는 샘플링된 전압은 전하 캐리어 확산 현상에 의해 간섭되지 않으며, 따라서 이러한 커패시터에 존재하는 전압이 일정하게 유지된다. 상기 커패시터에 저장되는 전압 값을 판독하는 단계는 센서 픽셀의 각각의 행에 대해 연속적으로 시간 t4에서 발생한다.
이미지가 취해질 때, 지정 노출 주기에서, 더 많은 수의 광자가 각각의 광다이오드에 의해 수집되면, 상기 광다이오드의 커패시터는 더 빠르게 방전된다. 일반적으로, 광다이오드에 대한 강력한 조사의 경우에서, 상기 광다이오드의 커패시터는 센서의 동적 전압 영역의 함수인 최소 전압 값으로까지 빠르게 방전된다. 역으로, 광다이오드의 낮거나, 평균적인 조사의 경우에서, 광다이오드 커패시터 단자에서의 전압은 이미지가 수집되도록 물질적인 정보를 제공할 수 있다. 강하거나 약한 조사에서, 이미지가 수집되기 위한 물질적 정보를 획득하기 위해, 지정된 노출 주기의 끝부분에서, 상기 센서는 동적 전압 영역을 증가시키기 위한 수단을 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 이미지 센서의 동적 영역을 증가시키기 위한 다양한 방법이 이미 제안되고 있다. 그 중 하나는 서로 다른 노출 시간대에서 취해진 두 개의 이미지를 통합하기 위한 디지털 프로세싱을 사용하는 것이다. 이것은 이미지를 메모리에 저장할 것을 요구하기 때문에, 회로에서 낳은 공간을 사용한다. 따라서 이는 작은 부피의 기기에 탑재되는 이미지 센서에 적용될 수 없다. 동적 영역을 증가시키기 위해, 이미지 센서의 감광성 셀의 픽셀에 여러 전자 콤포넌트를 추가하는 것이 또한 가능하다. 그러나 이러한 경우에, 이는 픽셀 표면 상의 광 수집 표면 비를 감소시킨다는 단점이 있다.
센서의 동적 영역을 확장시키기 위한 전이 기능 제어를 갖고 있는 이미지 센서에 대한, WO 특허 No 2004/064386을 참조할 수 있다. 역-편광된 광다이오드가 전력 소스의 두 개의 단자 사이에서, MOS 타입 초기화, 또는 재설정 트랜지스터에 직렬 연결된다. 이러한 MOS 트랜지스터는 전력 소스의 고전압 값에 가까운 제 1 지정 초기화 전압으로까지 우선 광다이오드를 충전한다. 그 후, 상기 MOS 트랜지스터가 연결해제되어, 전하 저장 커패시터와 병렬 연결된 광다이오드의 긴 제 1 노출 주기가 시작된다. 광다이오드의 조사의 레벨의 함수에 따라, 제 1 노출 주기 동안 상기 커패시터는 더 빠르게, 또는 더 느리게 방전된다. 상기 광다이오드가 강하게 조사되는 경우, 커패시터가 방전될 수 있는 상한은 센서의 동적 영역에 의해 정의되는 최소 전압 값이다.
MOS 트랜지스터에 의해 제 2 광다이오드 초기화 동작이 제 1 초기화 전압보다 낮은 레벨에서 수행된다. 광다이오드의 약한 조사의 경우, 이러한 제 2 초기화 동작은 광다이오드 전압 레벨에 어떠한 영향도 주지 않는다. 반대로, 광다이오드의 강한 조사의 경우, 상기 광다이오드 전압 레벨은 상기 제 1 초기화 전압보다 낮은 제 2 초기화 전압으로 초기화된다. 그 후, 상기 MOS 트랜지스터가 다시 연결을 차단하여, 상기 광다이오드의 짧은 제 2 노출 주기가 시작될 수 있다.
상기 광다이오드의 다양한 노출 주기 동안, 커패시터에서 누산되는 전하의 판독 동작이 폴로어 트랜지스터(follower transistor)의 어셈블리를 통해 수행된다. 광다이오드의 둘 이상의 노출 주기 때문에, 약하게 조사되는, 또는 평균적으로 조사되는, 또는 강하게 조사되는 광다이오드에 대한 물질 정보를 획득하는 것이 가능하며, 이는 이미지 센서의 동적 전압 영역을 확장하는 것에 영향을 줄 수 있다.
WO 2004/064386에서 제안된 방법의 한 가지 단점은, 전하 저장 커패시터가 상기 광다이오드에 병렬로 직접 위치한다는 것이다. 결과적으로, 모든 광다이오드 재-설정 동작에서, 상기 커패시터는 광다이오드 전압 레벨까지로 초기화되거나, 재설정된다. 그 후, 커패시터에 저장된 전압 값을 판독하기 위한 여러 작업이 수행되어야만 하며, 이는 각각의 픽셀에 의해 제공되는 정보의 프로세싱을 복잡하게 만든다.
각각의 노출 주기 전에, 광다이오드를 초기화하기 위해, 단일 초기화 트랜지스터가 사용된다. 결과적으로, 다양한 광다이오드 초기화 동작 동안, MOS 트랜지스터의 게이트 전압을 서로 다른 전압 레벨로 조정하는 것이 필수적이며, 이는 이미지 센서의 제고를 복잡하게 만들 수 있다.
따라서 본 발명의 주요 목적은, 간단한 수단에 의한, 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하여 이미지를 획득하기 위한 방법을 제공하여, 어떠한 레벨의 조사에 서도 바람직한 콘트라스트를 갖는 이미지를 획득하도록 하는 것이며, 본 발명에 의해, 앞서 언급한 종래 기술의 단점이 극복된다. 덧붙이자면, 이미지를 획득하기 위한 방법에 의해, 작은 부피의 기구(가령, 손목시계)에 탑재되는 이미지 센서의 전력 소모가 최소한의 수준으로 감소될 수 있다.
따라서 본 발명은 앞서 언급한 종류의 광역 동적 영역 이미지 센서를 사용하여 이미지를 획득하기 위한 방법에 관한 것이며, 이는 청구항 제 1 항에서 언급되는 특징을 포함한다.
광검출기 요소의 두 번의 초기화 동작이 두 개의 서로 다른 트랜지스터의 제어 하에서, 수행된다는 사실에서, 이미지를 획득하기 위한 방법의 한 가지 장점이 존재한다. 제어 단자로 공급되는 잘 정의된 제어 전압을 통해, 제 1 초기화 트랜지스터만 동작시킴으로써, 광검출기 요소의 제 2 초기화 동작이 수행된다. 이에 따라서, 상기 제 1 초기화 전압보다 더 낮은 제 2 초기화 전압이 광검출기 요소, 가령 역-편광된 광다이오드로 제공될 수 있다.
제어 신호를 제 1 트랜지스터의 제어 단자로 제공하는 여러 레벨의 제어 회로 사이에서 하나의 전압 레벨을 선택함으로써, 제 2 초기화 전압이 결정될 수 있다. 상기 제어 회로의 다양한 전압 레벨이 저항 분배기를 사용하여 획득된다. 상기 저항 분배기는, 각각의 픽셀의 지속적인 전압 소스의 두 개의 전기 공급 단자 사이에서, 셋 이상의 직렬 연결되는 저항기를 포함하는 것이 바람직하다. 두 개의 인접 저항의 연결 노드를 제 1 트랜지스터에 연결하는 스위치 트랜지스터의 명령을 통 해, 전압 레벨이 선택된다.
각각의 광검출기 요소, 가령 광다이오드의 제 2 노출 주기는 상기 제 1 노출 주기보다 훨씬 더 짧아서, 강력하게 조사된 광다이오드에 대한 노출 주기와, 약하게 조사된 광다이오드의 노출 주기의 끝부분에서 정보가 획득될 수 있는 것이 바람직하다. 상기 제 2 노출 주기의 길이는 상기 제 1 노출 주기의 길이의 20배 작은 것이 바람직하며, 이는 광역 동적 영역 이미지 센서를 의미하는 것이다.
광역 동적 영역 이미지 센서를 사용하여 이미지를 획득하기 위한 방법이 도 1에서 나타난 픽셀 구조를 토대로 설명될 것이다. 도 1의 실시예에서, 5개의 트랜지스터 M1 ~ M5는 CMOS 기법으로 만들어지는 n-MOS 트랜지스터인 것이 바람직하다.
제 1 초기화 트랜지스터 M1의 드레인 단자가 지속적인 전압 소스의 높은 전기 공급 단자 VDD에 연결되어 있다. 트랜지스터 M1의 소스 단자가 광검출기 요소에 연결되어 있고, 상기 광검출기 요소는 전압 소스의 낮은 공급 단자 VSS에 연결되어 있는 역-편광된 광다이오드 PD이다. 게이트 단자로 제공되는 제어 신호 TI에 의해, 트랜지스터 M1의 전도성이 제어된다. 제어 신호 TI의 고전압 레벨이 도 4를 참조하여 설명되는 바와 같이, 센서의 감광성 셀에 의해 취해진 이미지의 일반적인 조사 레벨의 함수로서, 사용될 수 있다.
제 2 샘플링 트랜지스터 M2의 드레인 단자는 제 1 트랜지스터 M1의 연결 노드와 광다이오드 PD에 연결되어 있는 반면에, 제 2 트랜지스터 M2의 소스 단자는 저장 수단 기능을 하는 커패시터 C1의 단자에 연결되어 있다. 게이트 단자로 제공되는 샘플링 신호 SH에 의해, 제 2 트랜지스터 M2의 전도성이 제어된다. 커패시터 C1은 메모리 노드의 레벨에서, 반도체 기판을 통한 오직 p-n 접합으로만 형성될 수 있다.
제 3 초기화 트랜지스터 M3의 드레인 단자가 높은 공급 단자 VDD에 연결되어 있는 반면에, 그 소스 단자는 커패시터 C1의 저장 노드로 연결되어 있다. 이러한 제 3 트랜지스터 M3의 전도성은, 자신의 게이트 단자로 제공되는 제어 신호 RST에 의해 제어된다.
제 4 폴로어 트랜지스터(follower transistor) M4의 드레인 단자는 높은 공급 단자 VDD로 연결된다. 트랜지스터 M4의 게이트 단자가 커패시터 C1의 저장 노드로 연결되는 반면에, 그 소스 단자는 트랜지스터 M5의 드레인 단자로 연결되어 있다. 트랜지스터 M5의 소스 단자는 출력 신호 OUTPUT을, 감광성 셀의 매트릭스에서 하나의 열에 존재하는 모든 픽셀이 공유하는 출력 버스로 공급할 수 있다. 게이트 단자로 제공되는 행 선택 신호 RSEL를 이용한 트랜지스터 M5의 전도성에 의해, 커패시터에 의해 저장되는 전압 레벨이 판독된다.
5개의 트랜지스터 M1 ~ M5의 모든 게이트 단자의 제어 신호가 도면에서 나타나지 않는 이미지 센서의 마이크로프로세싱 유닛에 의해 제어된다. 본원에서는 이러한 신호들이 마이크로프로세서 유닛에 의해 처리되는 법에 대한 어떠한 정보도 제공하지 않는다. 왜냐하면, 이는 당 분야의 통상의 지식을 갖는 자에게는 자명한 부분이기 때문이다.
본 발명의 방법이, 5개의 트랜지스터 M1 ~　M5의 배치와, 광검출기 요소 PD와, 저장 수단 C1을 포함하는, 임의의 다른 종류의 픽셀 구조와 유사한 방식으로 제공될 수 있다. 상기 트랜지스터는 p-MOS 트랜지스터일 수 있으며, 광다이오드 PD는 전압 소스의 높은 공급 단자 VDD에 연결되어 있을 수 있다. 그 밖의 다른 종류의 트랜지스터, 가령 바이폴라 트랜지스터의 사용이 고려될 수 있다. 그러나 이러한 바이폴라 트랜지스터는 도 1에서 나타난 MOS 트랜지스터보다 전기 에너지를 더 많이 소모한다. 결론적으로, 이러한 바이폴라 트랜지스터는 작은 크기의 휴대용 기기(가령, 손목시계)에 탑재되는 이미지 센서를 만들기에 적합하지 않다.
도 3에서, 광역 동적 영역 센서를 사용하여 이미지를 획득하기 위한 방법의 다양한 단계가 도 1의 픽셀의 구조를 참조하여 설명될 것이다. 이미지를 획득하기 위한 방법의 단계들의 설명을 더 단순화시키기 위해, 각각의 상태에 대한 다양한 시간 주기는 도 3에서 정확하게 나타내지 않는다. 이미지 센서의 감광성 셀의 광다이오드의 노출 주기는 감지될 이미지의 평균적인 조사 레벨의 함수로서 적용되는 것이 일반적이다. 제 1 노출 주기는 평균적인 조사 레벨에 따라서, 35㎲ 내지 5s일 수 있다.
우선, 이미지를 취하는 작업의 시작 지점에서, 각각의 광다이오드와 각각의 커패시터가 이미지 센서의 픽셀 상에서 초기화된다. 이를 위해, 도 1에서 나타난 트랜지스터 M3와 M2의 게이트 단자로 각각 공급되는 샘플링 신호 SH와, 제 1 초기 화 제어 신호 RST가, 픽셀의 지속적인 전압 공급 소스의 고전압 VDD에 가까운 높은 상태로 존재한다. 이러한 높은 상태에서, 제 2 샘플링 트랜지스터와 제 3 초기화 트랜지스터가 전도성 상태이다. 따라서 VDD에 가까운 제 1 초기화 전압이 광다이오드(다이어그램 VPD 참조)와 커패시터(다이어그램 V1)로 부가된다. 제 1 초기화 상태에서, 제 1 트랜지스터를 비-전도성으로 만들기 위해, 제 1 초기화 트랜지스터 M1의 게이트 단자로부터의 제어 신호 TI이 전압 소스의 낮은 전압 VSS에 가까운 낮은 상태로 존재한다. 상기 커패시터에 저장된 정보를 판독하기 위한 폴로어 트랜지스터(follower transistor) M4와 M5가 또한 비-전도성 상태로 존재하게 된다.
각각의 광다이오드의 제 1 노출 주기가 시간 t1에서 시작한다. 이를 위해, 샘플링 신호 SH가 낮은 상태를 통과하여, 제 2 샘플링 신호라 비-전도성이 되고, 광다이오드를 커패시터로부터 차단할 수 있다. VDD에 가까운 제 1 초기화 전압으로 충전되는 각각의 광다이오드는 필드 캐리어(field carrier)를 누산한다, 즉, 지정 조사 레벨을 나타내는 특정 광량을 수집한다. 결론적으로, 제 1 노출 주기 동안, 조사의 함수인 기울기에 따라서, 광다이오드는 점차적으로 방전된다.
높은 조사 레벨의 경우, 전압 VPD의 다이어그램에서의 실선으로 표시된 곡선에 의해 나타나는 바와 같이, 상기 광다이오드는, 제 1 노출 주기의 끝부분 이전의 동적 영역의 최소 전압 값으로 빠르게 방전된다. 이는 강하게 조사되는 픽셀으로부터의 정보의 손실이 관찰될 수 있는, 광다이오드의 포화 상태를 나타낸다. 그러나 약한, 또는 평균적인 조사의 경우에, 점선으로 표시된 곡선에 의해 나타나는 바와 같이, 최조 전압 값에 도달하지 않고, 시간 t2까지의 제 1 노출 주기의 총 길이 동안, 상기 광다이오드는 점차적으로 방전된다.
시간 t2에서의 제 1 노출 주기의 끝부분에서, 도 1의 제 1 초기화 트랜지스터 M1을 통해, 각각의 광다이오드에 대하여 제 2 재-설정, 또는 초기화 작업이 수행된다. 이러한 제 1 트랜지스터는 임계 전압 이상인 포화 모드로 동작한다. 이를 하기 위해, 초기화 신호 TI가 매우 짧은 시간 간격(t2와 t3 사이) 동안 VDD보다 낮은 전압으로 높은 상태를 통과한다. 제 2 광다이오드 초기화의 이러한 매우 짧은 시간 간격에 의해, 수집되는 이미지로의 공간 정보 간섭이 방지될 수 있다. 제 1 트랜지스터를 전도성 상태로 만드는 초기화 신호 TI의 높은 상태에서의 전압 레벨이 도 4를 참조하여 서술되는 바와 같이, 선택될 수 있다.
본 발명의 방법의 주 특징에 따라, 제 1 트랜지스터의 게이트 전압이 전압 VDD보다 낮은 레벨까지로 조정될 경우, 제 2 광다이오드 초기화 전압 V2가 VDD에 가까운 제 1 초기화 전압보다 낮게 설정된다. 따라서 도 3에서 나타나는 바와 같이, 강력하게 조사되는 광다이오드, 또는 평균적으로 조사되는 광다이오드에 대해, 광다이오드 전압 레벨이 이러한 제 2 전압 V2로 복귀한다. 그러나 광다이오드의 약한 조사의 경우, 전압 레벨은 이러한 제 2 초기화 전압 V2보다 더 높게 유지된다. t2 내지 t3까지의 짧은 초기화 주기 동안, 이러한 전압 레벨은 일정하게 유지되나, VDD 방향의 부분과, 광다이오드 방향의 부분으로 주사되는 제 1 트랜지스터의 채널의 정-전하로 인하여, 광다이오드 전압 레벨에 있어 약간의 상승이 동반된다.
각각의 광다이오드에 대한 제 2 노출 주기가 시간 t3에서 시작하며, 이때, 낮은 전압 VSS에 가까운 낮은 상태를 통과하는 초기화 신호 TI에 의해, 제 1 트랜지스터가 비-전도성을 띄도록 만들어진다. 이러한 경우, 각각의 광다이오드가, 제 2 초기화 동안 조사 레벨의 함수로서 지정된 전압 레벨로부터 방전된다. 상기 제 2 노출 주기는, 각각의 강하게 조사된 광다이오드가 최소 포화 전압 레벨에 도달하지 않도록, 제 1 노출 주기보다 더 짧게 정의된다. 예를 들자면, 1:20의 비로 정의된다. 이러한 비는 1:4 내지 1:100으로 정의될 수 있다. 이러한 방식으로, 강하게 조사되는 광다이오드와, 평균 이하로 조사되는 광다이오드에 대한 두 개의 노출 주기의 끝부분에서 특정 정보를 획득하는 것이 가능하다. 따라서 본 발명의 방법에 따라, 이미지 센서에 의해, 임의의 조사 레벨에서, 콘트라스트가 강한 이미지가 획득될 수 있다.
제 2 노출 주기 동안, 광다이오드 VPD의 전압 값이 커패시터에 저장되어야만 한다. 이를 위해, 제 3 트랜지스터의 게이트 단자에 적용되는 초기화 신호 RST가 가장 먼저, 높은 상태에서 t4의 낮은 상태를 통과해야만 한다. 따라서 다이어그램 V1에서 나타나는 바와 같이, VDD에 가까운 제 1 초기화 전압으로 유지되는 커패시터를 해방하기 위해, 제 3 트랜지스터는 t4에서 비-전도성을 띄게 된다. 그 후, 제 2 샘플링 트랜지스터는, t4와 t5 사이의 제 2 샘플링 주기의 끝부분에서 짧게 전도성 을 띄어야만 한다. 따라서 제 2 트랜지스터의 게이트 단자에서 부가되는 샘플링 신호 SH가, 낮은 상태에서 전압 VDD에 가까운 높은 상태로 짧게 통과한다. 상기 제 2 트랜지스터가 전도성 상태에 있는 동안, 전하가 광다이오드에서 커패시터로 이동한다. 이에 따라서, 샘플링 신호 SH가 낮은 상태를 다시 통과하자마자, 광다이오드의 전압 값이 커패시터에 저장될 수 있다.
각각의 커패시터에 저장되는 전압 값에 의해, 노출 주기의 전체 지속 시간 동안 각각의 광다이오드에 의해 수집된 조사 레벨의 함수로서 특정 정보가 제공된다. 광역 동적 영역 센서에 따르는 이러한 2중 노출(dual exposure) 때문에, 어떠한 조사 레벨에서도 콘트라스트가 뛰어난 이미지가 획득될 수 있다.
각각의 커패시터에 저장되는 전압 값을 판독하기 위한 작업 이전에, 각각의 광다이오드는 시간 t5에서 제 2 초기화 전압으로 다시 초기화된다. 이를 위해, 초기화 신호 TI가 낮은 상태로부터 높은 상태를 통과하며, 적응되는 전압 레벨은 VDD보다 낮아서, 제 1 트랜지스터를 전도성 상태로 만들 수 있다. 따라서 각각의 픽셀의 커패시터에 저장되는 전압 값은 전하 캐리어 확산(charge carrier diffusion) 현상에 의해 간섭받지 않는다. 따라서 커패시터에 존재하는 전압 값은 일정하게 유지된다.
시간 t6에서, 각각의 커패시터에 저장되는 전압 값을 판독하는 동작이 시작될 수 있다. 이러한 판독 동작은 잘 알려진 기법에 따라서 수행되며, 이는 EP 특허 No. 1 128 661에서 또한 설명되어 있고, 이는 본원에서 참조로 인용된다. 이를 위 해, 도 1의 각각의 제 5 트랜지스터 M5의 게이트 단자에서 이뤄지는 판독 프로세스 동안, 행 선택 신호 RSEL이 행별로 적용된다. 판독 동작 동안, 제 1 트랜지스터를 비-전도성으로 만들기 위해, 제 1 트랜지스터의 초기화 신호 TI가 낮은 상태로 행해질 수 있다. 이러한 방식으로, 판독 동작 후에, 새로운 이미지를 취하는 동작이 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따르는 방법을 구현하기 위해, 잘 정의된 초기화 신호 TI를, 도 1의 픽셀 구조의 제 1 초기화 트랜지스터의 게이트 단자로 제공할 수 있는 제어 회로를 도식한다. 전도성을 띄도록 만들어지는 제 1 초기화 트랜지스터의 게이트 단자에 적용되는 전압이, VDD에 가까운 제 1 초기화 전압보다 낮은 값으로 적용되어 제 2 노출 주기 전에, 광다이오드를 재설정하거나 초기화시킬 수 있다. 공급 전압 VDD은 예를 들어 0.25㎛에서의 TSMC 기술로 제작되는 센서에 대해 2.5V와 동일할 수 있다. 이를 위해, 회로는 공급 단자 VDD와 VSS 사이에서 둘 이상의 직렬 연결된 저항으로 형성되는 저항 분배기를 포함한다. 본 경우에 있어서, 상기 저항 분배기는 5개의 직렬 연결된 저항 R1 ~ R5를 포함하며, 각각의 저항의 값은, 제 2 광다이오드 초기화에 적합한 여러 레벨의 지속적인 전압원을 갖도록 선택되어질 수 있다.
저항 R5의 값은 예를 들어, 각각 동일한 값을 갖는 저항 R1 내지 R4의 4개의 저항의 값들의 합과 동일할 수 있다. 이러한 경우에서, 2.5V와 동일한 전압 VDD에 대하여, n-MOS 타입 스위치 트랜지스터 N4의 드레인 단자에 연결되는, 저항 R4와 R5의 사이의 연결 노드에서의 전압은 1.25V이다. n-MOS 타입 스위치 트랜지스터 N3의 드레인 단자에 연결되어 있는, 저항 R3과 R4 사이의 연결 노드에서의 전압은 1.56V이다. n-MOS 타입 스위치 트랜지스터 N2의 드레인 단자에 연결되어 있는, 저항 R2와 저항 R3 사이의 연결 노드에서의 전압은 1.87V이다. 마지막으로, n-MOS 타입 스위치 트랜지스터 N1의 드레인 단자에 연결되어 있는 저항 R1과 R2 사이의 연결 노드에서의 전압은 2.18V이다.
트랜지스터 N1, N2, N3, N4의 소스 단자가 제 1 트랜지스터의 게이트 단자에 함께 연결되어 있다. 이미지 센서의 마이크로프로세서 유닛에서의 종래 방식으로 수행되는 프로그래밍에 따라서, 4개의 트랜지스터 N1, N2, N3, N4 중 단 하나만이, 자신의 게이트 단자에서 제어 신호 Sel 1, Sel 2, Sel 3, Sel 4에 의해, 제어되어, 초기화 신호 TI가 제공될 수 있다.
스위치 트랜지스터 N1, N2, N3, N4의 각각의 제어 신호 Sel 1, Sel 2, Sel 3, Sel4는 제 1 트랜지스터의 게이트 단자의 제어 신호 TI와 동치 형태이다. 상기 스위치 트랜지스터를 전도성을 띄도록 만들기 위한 전자적 단순화를 통해, 선택된 스위치 트랜지스터 N1, N2, N3, N4의 제어 신호가 VDD에 가까운 높은 상태에 존재할 때, 선택된 스위치 트랜지스터에 연결되는 두 개의 저항의 연결 노드에서의 전압이 상기 제 1 트랜지스터의 게이트 단자로 공급된다. 이러한 방식으로, 제어 회로에 의해, 광다이오드의 제 1 초기화 트랜지스터는 적합한 게이트 전압에 대해 전도성을 띄도록 만들어져, 광다이오드의 제 2 요망 초기화 전압이 획득될 수 있다. 제 1 트랜지스터의 게이트 단자와 낮은 전압 단자 VSS 사이에 연결된 저항 RSS에 의해, 선택된 스위치 트랜지스터의 제어 신호가 낮은 상태에 존재할 때, 상기 제 1 트랜지스터가 비-전도성 상태를 쉽게 통과할 수 있다.
주어진 본원으로부터, 당업자라면, 청구 범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위 내에서, 광역 동적 영역 이미지 센서를 획득하기 위한 방법의 다양한 변형예를 고안할 수 있을 것이다. 제 3 트랜지스터를 사용하여, 제 1 초기화를 수행하는 동안, 또는 제 1 트랜지스터를 사용하여 제 2 초기화, 또는 뒤따르는 초기화를 수행하는 동안, 이미지를 획득하기 위해, 각각의 광다이오드에 대한 셋 이상의 노출 주기가 고려될 수 있다. 제어 회로를 사용하여, 각각의 광다이오드의 제 1 초기화 전압은 하나의 이미지로부터 또 다른 이미지에 대해 조사 레벨의 함수로서 쉽게 변경될 수 있다.
본 발명에 의해, 간단한 수단에 의한, 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하여 이미지를 획득하기 위한 방법이 제공되며, 어떠한 레벨의 조사에서도 바람직한 콘트라스트를 갖는 이미지를 획득되며, 본 발명에 의해, 앞서 언급한 종래 기술의 단점이 극복된다. 덧붙이자면, 이미지를 획득하기 위한 방법에 의해, 작은 부피의 기구(가령, 손목시계)에 탑재되는 이미지 센서의 전력 소모가 최소한의 수준으로 감소될 수 있다.

Claims (7)

  1. 조사(illumination)의 레벨의 함수로서, 전하 캐리어를 누산하는 각각 광검출기 요소(PD)를 포함하는 픽셀들로 이루어진 하나의 세트로서 형성되는 감광성 셀을 포함하는 CMOS 타입 기법으로 만들어지는 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하는 이미지를 획득하기 위한 방법에 있어서, 이때, 제 1 초기화 트랜지스터(M1)가 전압 소스의 두 개의 공급 단자 사이에서 상기 광검출기 요소에 직렬 연결되어 있고, 상기 광검출기 요소(PD)에 의해 누산하는 상기 전하 캐리어의 대표 전압 레벨을 저장하기 위해, 저장 수단(C1)이 제 2 샘플링 트랜지스터(M2)를 통해 상기 광검출기 요소(PD)로 연결되어 있으며, 제 3 초기화 트랜지스터(M3)가 상기 두 개의 공급 단자 사이에서 저장 수단에 직렬 연결되어 있고, 상기 저장 수단에 저장되는 전압 레벨을 판독하기 위해, 직렬 연결된 제 4 트랜지스터(M4)와 제 5 트랜지스터(M5) 중 상기 제 4 트랜지스터의 하나의 제어 단자가 저장 수단으로 연결되어 있으며, 상기 방법은
    비-전도성 상태에 있는 광검출기 요소(PD), 저장 수단(C1), 제 1 트랜지스터(M1)의 단자 상으로 제 1 초기화 전압을 부과하도록, 제 2 트랜지스터(M2)와 제 3 트랜지스터(M3)의 전도성을 제어하는 단계(a),
    상기 광검출기 요소가 수집된 조사의 레벨의 함수로서 전하 캐리어를 누산하는, 제 1 노출 주기가 시작되도록 상기 제 2 트랜지스터의 전도성을 차단하는 단계(b),
    상기 광검출기 요소의 단자 상으로 제 2 초기화 전압(V2)을 부과하도록, 제 1 트랜지스터(M1)의 전도성을 제어하는 단계(c)로서, 이때 상기 광검출기 요소의 단자에서의 전압 레벨이 상기 제 1 노출 주기의 끝부분에서의 제 2 초기화 전압보다 작을 경우, 상기 제 2 초기화 전압은 상기 제 1 초기화 전압보다 낮은 단계(c),
    광검출기 요소가 전하 캐리어를 누산하는, 제 2 노출 주기가 시작되도록, 상기 제 1 트랜지스터의 전도성을 차단하는 단계(d),
    저장 수단에서 광검출기 요소의 전압 레벨을 저장하도록, 제 2 노출 주기 동안 제 3 트랜지스터의 전도성을 차단한 후, 제 2 트랜지스터의 전도성을 제어하는 단계(e), 그리고
    상기 제 4 트랜지스터와 상기 제 5 트랜지스터의 전도성을 제어함으로써, 제 2 트랜지스터가 비-전도성 상태를 띄고 있을 때, 상기 저장 수단에 저장되는 전압 레벨을 판독하는 단계(f)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하는 이미지를 획득하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 픽셀은 광검출기 요소로서 역-편광된 픽셀(PD)과, 저장 수단으로서 커패시터(C1)와, n-MOS 타입의 5개의 트랜지스터(M1, M2, M3, M4, M5)를 포함하며, 이때, 제 1 트랜지스터와, 제 3 트랜지스터와, 제 4 트랜지스터(M1, M3, M4)의 하나의 드레인 단자가 전압 소스의 높은 공급 단자(VDD)로 연결되며, 상기 제 1 트랜지스터의 소스 단자는 광다이오드의 하나의 단자로 연결되고, 상기 제 3 트랜지스터의 소스 단자는 상기 커패시터의 메모리 노드로 연결되며, 상기 제 2 트랜지스터(M2)의 드레인 단자가 제 1 트랜지스터(M1)와 광 다이오드 사이에서 연결 노드로 연결되며, 이와 대조적으로 상기 제 2 트랜지스터의 소스 단자는 커패시터의 메모리 노드로 연결되며,
    단계(a)에서, 제 2 트랜지스터의 전도성은, 전압 소스의 고전압에 가까운 높은 상태인 상기 제 2 트랜지스터의 게이트 단자에 공급되는 샘플링 신호(SH)에 의해 제어되는 반면에, 상기 제 3 트랜지스터의 전도성은, 전압 소스의 고전압에 가까운 높은 상태인 제 3 트랜지스터의 게이트 단자에 제공되는 제 1 초기화 신호(RST)에 의해 제어되며, 단계(c)에서, 상기 제 1 트랜지스터의 전도성은, 전압 소스의 고전압보다 낮은 전압으로 적용되는 높은 상태인 상기 제 1 트랜지스터의 게이트 단자로 제공되는 제 2 초기화 신호(TI)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하는 이미지를 획득하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 픽셀은 제 2 초기화 신호(TI)를, 상기 높은 상태에서 적용되는 전압 레벨을 갖는 제 1 트랜지스터(M1)로 공급하기 위한 제어 회로를 포함하며, 상기 제어 회로는 전압 소스의 높은 공급 단자(VDD)와 낮은 공급 단자(VSS)사이에서 둘 이상의 직렬 연결된 저항(R1 ~ R5)과, 인접 저항의 연결 노드로 연결되는 드레인 단자와 상기 제 1 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되는 소스 단자를 갖는 하나 이상의 스위치 트랜지스터(N1 ~ N4)와 함 께, 저항 분배기를 포함하며, 이때, 상기 스위치 트랜지스터는 자신의 게이트 단자를 가로지르는 제어 신호(Sel1 ~ Sel4)에 의해 전도성, 또는 비-전도성을 띄도록 제어되며,
    단계(c)에서, 두 개의 인접하는 저항의 연결 노드에서 존재하는 전압을 스위치 트랜지스터를 통해 게이트 단자로 부가함으로써, 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 전도성이 제어되며, 상기 스위치 트랜지스터는 전압 소스의 고전압에 가까운 높은 상태의 제어 신호(Sel1 ~ Sel4)에 의해 전도성을 띄게 되는 것을 특징으로 하는 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하는 이미지를 획득하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어 회로는, 전압 소스의 높은 공급 단자와 낮은 공급 단자 사이에 직렬 연결된 5개의 저항(R1 ~ R5)으로 형성되는 저항 분배기와, 두 개의 인접하는 저항의 각각의 연결 노드를 제 1 트랜지스터(M1)의 게이트 단자에 연결하기 위한 4개의 스위치 트랜지스터(N1 ~ N4)를 포함하며, 제어 신호에 의해, 제 2 초기화 신호(TI)가 제 1 트랜지스터로 공급되도록, 하나의 선택된 스위치 트랜지스터만이 제어되며,
    단계(c)에서, 미리 취해진 이미지의 평균 조사 레벨의 측정을 토대로, 두 개의 인접하는 저항의 선택된 연결 노드에서 존재하는 전압을, 이에 대응하는 스위치 트랜지스터를 통해, 게이트 단자로 부가함으로써, 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 전도성이 제어되는 것을 특징으로 하는 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하는 이미지를 획득하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 단계(b)에서, 광검출기 요소, 즉 광다이오드(PD)의 제 1 노출 주기가 시작되도록, 제 3 트랜지스터의 전도성이 차단되는 것을 특징으로 하는 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하는 이미지를 획득하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(e) 후와 단계(f) 전에, 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 전도성이 광검출기 요소, 즉 광다이오드(PD)가, 상기 제 1 초기화 전압보다 낮은 제 2 초기화 전압으로 초기화되도록 제어되며, 판독 상태의 지속기간 동안, 상기 제 1 트랜지스터는 전도성 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하는 이미지를 획득하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광검출기 요소, 즉 광다이오드(PD)의 제 1 노출 주기의 길이는, 상기 광다이오드의 제 2 노출 주기의 길이의 4 내지 100배가 되도록 지정되는 것을 특징으로 하는 광역 동적 영역 이미지 센서를 이용하는 이미지를 획득하기 위한 방법.
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