KR20140136295A - 이미징 장치 및 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의하면, 광전 변환 소자, 플로팅 확산 노드, 상기 광전 변환 소자와 상기 플로팅 확산 노드 사이에 서로 병렬로 연결된 제1 전하 저장부 및 제2 전하 저장부를 포함하는 복수의 픽셀; 및 상기 복수의 픽셀에 신호를 인가하는 제어회로를 구비하며, 상기 제어회로는, 상기 제1 전하 저장부로 이동되는 전하를 상기 광전 변환 소자에 축적하는 제1 축적 시간과 상기 제2 전하 저장부로 이동되는 전하를 상기 광전 변환 소자에 축적하는 제2 축적 시간이 서로 다르도록 제어하는 이미징 장치 및 그 구동방법이 개시된다.

Description

이미징 장치 및 그 구동방법{IMAGING DEVICE AND METHOD FOR DRIVING THEREOF}

본 발명은 이미징 장치 및 그 구동방법에 대한 것으로써, 특히 저조도에서 높은 감도 특성(sensitivity)을 구현함과 동시에 고조도에서 높은 감도 특성(sensitivity)을 구현할 수 있는 이미징 장치 및 그 구동방법에 대한 것이다.

이미지 센서는 단위 픽셀이 입사광을 수광하여 전하로 변환하면, 그에 상응하는 전압 신호를 생성하여 출력하는 방식으로 동작한다. 예를 들어, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서의 성능을 나타내는 파라미터들 중 하나는 동적 범위(dynamic range; DR)이며, 이는 CMOS 이미지 센서를 포화시키지 않는 최대 입력 신호와 CMOS 이미지 센서가 감지할 수 있는 최소 입력 신호의 비율로 표현될 수 있다.

그러나 종래의 컬러 이미지 센서는 다이내믹 레인지가 좁아서 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue) 중 어느 하나 이상의 컬러가 포화상태인 경우 이미지 원래의 색을 잘 표현하지 못하는 단점이 있다. 이러한 다이내믹 레인지가 좁은 단점을 극복하기 위하여 광역 동적 범위(Wide Dynamic Range; WDR) 픽셀을 구현하는 방법이 제시되고 있다.

한편, 종래에는 CMOS 이미지 센서의 동적 범위를 증가시키기 위해 CMOS 이미지 센서에 포함된 광전 변환 영역의 전하 저장 능력, 즉 웰 커패시티(well capacity)를 증가시키거나, 암 전류(dark current) 및 고정 패턴 잡음(fixed pattern noise, FPN) 등과 같은 노이즈를 감소시키는 방법을 이용하였다.

아울러, 이미지 센서로 움직이고 있는 피사체를 촬영할 때, 픽셀 어레이(pixel array)에 구비된 광전변환부(예를 들어, 포토다이오드)에 축적된 전하를 열단위 또는 행단위로 순차적으로 쉬프트 시키는 롤링 셔터(rolling shutter)를 이용하여 피사체를 촬영하게 되는 경우, 이미지의 왜곡현상이 발생하게 되는 문제가 있었다. 따라서, 이와 같이 움직임이 빠른 피사체의 촬영에는 픽셀 어레이에 구비된 광전변환부에 축적된 전하를 동시에 쉬프트시키는 글로벌 셔터(global shutter) 방식에 따라 피사체를 촬영하였다.

그러나, 광역 동적 범위를 구현하기 위한 픽셀은 글로벌 셔터 방식에 따라 피사체를 촬영하는 데에 어려움이 있었다. 이에 따라, 기존에는 이미지 센서를 사용하게 되는 환경에 따라 글로벌 셔터 방식에 적합한 이미지 센서를 사용하거나 또는 광역 동적 범위를 구현하는 데에 적합한 이미지 센서를 사용하는 등 이원화된 방식으로 이미지 센서를 사용하고 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 광역 동적 범위를 구현하면서 동시에 움직이는 피사체를 왜곡 없이 촬영할 수 있는 데 적합한 이미징 장치 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치는, 광전 변환 소자, 플로팅 확산 노드, 상기 광전 변환 소자와 상기 플로팅 확산 노드 사이에 서로 병렬로 연결된 제1 전하 저장부 및 제2 전하 저장부를 포함하는 복수의 픽셀; 및 상기 복수의 픽셀에 신호를 인가하는 제어회로를 포함하며, 상기 제어회로는, 상기 제1 전하 저장부로 이동되는 전하를 상기 광전 변환 소자에 축적하는 제1 축적 시간과 상기 제2 전하 저장부로 이동되는 전하를 상기 광전 변환 소자에 축적하는 제2 축적 시간이 서로 다르도록 제어할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제1 축적 시간 동안 상기 복수의 픽셀들에 구비된 광전 변환 소자에 축적된 전하를 상기 제1 전하 저장부로 쉬프트시키는 제1 쉬프트 동작을 수행하고, 상기 제2 축적 시간 동안 상기 복수의 픽셀들에 구비된 광전 변환 소자에 축적된 전하를 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트시키는 제2 쉬프트 동작을 수행할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 복수의 픽셀에 대하여, 상기 제1 쉬프트 동작을 동시에 수행하고, 상기 제2 쉬프트 동작을 동시에 수행할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제1 쉬프트 동작은 제1 시점에 수행하고, 상기 제2 쉬프트 동작은 제2 시점에 수행할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트시킬 전하를 상기 광전 변환 소자에 축적하는 동작이 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이에 수행되도록 상기 복수의 픽셀을 제어할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제1 전하 저장부로 쉬프트된 전하를 읽어내는 제1 읽기 동작을 수행할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 복수의 픽셀들에 대해, 상기 제1 읽기 동작을 순차적으로 수행할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트된 전하를 읽어내는 제2 읽기 동작을 수행할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 복수의 픽셀들에 대해, 상기 제2 읽기 동작을 순차적으로 수행할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제1 전하 저장부 및 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트된 전하량을 읽어내는 읽기 동작을 수행할 수 있다.

상기 제1 전하 저장부로 쉬프트된 전하량은 제1 이미지의 획득에 사용되며, 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트된 전하량은 제2 이미지의 획득에 사용될 수 있다.

상기 제1 전하 저장부로 쉬프트된 전하량 및 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트된 전하량에 기초하여 최종 이미지가 획득될 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 읽기 동작을 수행하는 기간 중 적어도 일부의 제1 기간 동안 상기 광전 변환 소자에 전하를 축적하지 않을 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제1 기간이 지난 후에, 상기 광전 변환 소자에 다시 전하를 축적할 수 있다.

상기 제1 기간이 지난 후에 상기 광전 변환 소자에 다시 축적된 전하는 다음 이미지의 획득에 사용될 수 있다.

본 발명에 의하면, 광역 동적 범위를 구현하면서 동시에 움직이는 피사체를 왜곡 없이 촬영할 수 있는 효과가 발생한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치를 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 이미징 장치의 단위 픽셀의 회로를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 픽셀 어레이의 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 단위 픽셀의 각 구성요소들에 인가되는 제어신호들의 타이밍도이다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 단위 픽셀의 전하이동을 설명하기 위한 포텐셜 배리어를 도시한 도면이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는" 과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

1. 이미징 장치의 구조

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치를 도시하는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100)는 광전 변환부(110) 및 제어회로(120)를 포함한다.

광전 변환부(110)는 입사광을 전기적 신호로 변환한다. 광전 변환부(110)는 단위 픽셀들이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀 어레이(111)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(111)에 포함된 상기 단위 픽셀들을 후술하기로 한다. 실시예에 따라서, 광전 변환부(110)는 적외선 필터 및/또는 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.

제어회로(120)는 로우 드라이버(121), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling; CDS)부(122), 아날로그-디지털 변환(analog-to-digital converting; ADC)부(123) 및 타이밍 컨트롤러(129)를 포함할 수 있다.

로우 드라이버(121)는 픽셀 어레이(111)의 각 로우(row)에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성한다. 예를 들어, 로우 드라이버(121)는 픽셀 어레이(111)에 포함된 복수의 단위 픽셀들을 로우 단위로 구동할 수 있다.

CDS부(122)는 커패시터, 스위치 등을 이용하여 상기 단위 픽셀들의 리셋 상태를 나타내는 기준 전압과 입사광에 상응하는 신호 성분을 나타내는 출력 전압의 차이를 구하여 상관 이중 샘플링을 수행하고 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 출력한다. CDS부(122)는 픽셀 어레이(111)의 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 CDS 회로들을 포함하고, 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 각 컬럼마다 출력할 수 있다.

ADC부(123)는 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 이미지 신호를 디지털 이미지 신호로 변환한다. ADC부(123)는 기준 신호 생성기(124), 비교부(125), 카운터(126) 및 버퍼부(127)를 포함한다. 기준 신호 생성기(124)는 기준 신호 예컨대, 일정한 기울기를 갖는 램프 신호를 생성하고, 상기 램프 신호를 비교부(125)에 기준 신호로서 제공한다. 비교부(125)는 CDS부(122)로부터 각 컬럼마다 출력되는 아날로그 샘플링 신호와 기준 신호 생성기(124)로부터 발생되는 램프 신호를 비교하여 유효한 신호 성분에 따른 각각의 천이 시점을 갖는 비교 신호들을 출력한다. 카운터(126)는 카운팅 동작을 수행하여 카운팅 신호를 생성하고, 상기 카운팅 신호를 버퍼부(127)에 제공한다. 버퍼부(127)는 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 래치 회로들 예컨대, SRAM(static random access memory)들을 포함하고, 각 비교 신호의 천이에 응답하여 카운터(126)로부터 출력되는 카운팅 신호를 각 컬럼마다 래치하며, 래치된 카운팅 신호를 이미지 데이터로서 출력한다.

실시예에 따라서, ADC부(123)는 CDS부(122)에서 출력된 샘플링 신호들을 가산하는 가산 회로를 더 포함할 수 있다. 또한 버퍼부(127)는 복수의 싱글 라인 버퍼(single line buffer)들을 더 포함할 수 있다.

타이밍 컨트롤러(129)는 로우 드라이버(121), CDS부(122), 및 ADC부(123)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(129)는 로우 드라이버(121), CDS부(122), ADC부(123)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 이미징 장치의 단위 픽셀의 회로를 도시하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 이미징 장치의 픽셀은 광전 변환 소자(PD), 오버플로우 제어부(overflow control unit, OFC), 제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(shift switching unit, SS1, SS2), 제1 및 제2 전하 저장부(first storage node, SN1, SN2), 제1 및 제2 전송 스위칭부(transfer switching unit, TS1, TS2), 리셋 스위칭부(reset switching unit, RS), 드라이브 스위칭부(drive switching unit, DS) 및 선택 스위칭부(select switching unit, SL)을 포함할 수 있다.

광전 변환 소자(PD)는 광전 변환을 수행한다. 즉, 광전 변환 소자(PD)는 상기 광 집적 모드 동안 입사광을 변환하여 전하들을 생성한다. 일 실시예에서, 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트 및 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode, PPD) 중 하나 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 제1 단자 및 제2 단자를 포함할 수 있다.

오버플로우 제어부(OFC)는 광전 변환 소자(PD)의 일측에 배치될 수 있다. 상기 오버플로우 제어부(OFC)는 상기 광전 변환 소자(PD)의 제1 단자측에 배치될 수 있다. 즉, 상기 오버플로우 제어부(OFC)는 상기 제1 단자에 연결될 수 있다.

오버플로우 제어부(OFC)는 광전 변환 소자(PD)와 연결되는 일 단자, 전원 전압이 인가되는 다른 단자 및 오버플로우 제어 신호(OFCx)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 오버플로우 제어부(OFC)의 게이트에 오버플로우 제어 신호(OFCx)가 인가되면 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하들이 오버플로우 제어부(OFC)를 통해 이동할 수 있다.

제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS1, SS2) 각각은 광전 변환 소자(PD)의 다른 일측에 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS1, SS2) 각각은 상기 광전 변환 소자(PD)의 제2 단자측에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS1, SS2) 각각은 상기 제2 단자에 연결될 수 있다. 이 때, 상기 제1 쉬프트 스위칭부(SS1)와 제2 쉬프트 스위칭부(SS2)는 서로 병렬로 연결될 수 있다.

제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS1, SS2) 각각의 일 단자는 광전 변환 소자(PD)와 연결될 수 있으며, 제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS1, SS2) 각각은 제1 쉬프트 신호(SS1x) 및 제2 쉬프트 신호(SS2X)가 인가되는 게이트를 구비할 수 있다.

제1 쉬프트 스위칭부(SS1)의 게이트에 제1 쉬프트 신호(SS1x)가 인가되면, 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하들이 제1 전하 저장부(SN1)로 이동할 수 있으며, 제2 쉬프트 스위칭부(SS2)의 게이트에 제2 쉬프트 신호(SS2x)가 인가되면, 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하들이 제2 전하 저장부(SN2)로 이동할 수 있다.

제1 전하 저장부(SN1)는 제1 쉬프트 스위칭부(SS1)의 일측에 배치될 수 있다. 제1 전하 저장부(SN1)는 제1 전하 저장 신호(SN1x)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다.

한편, 제2 전하 저장부(SN2)는 제2 쉬프트 스위칭부(SS2)의 일측에 배치될 수 있으며, 제2 전하 저장부(SN2)는 제2 전하 저장 신호(SN2x)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다.

제1 전송 스위칭부(TS1)는 제1 전하 저장부(SN1)의 일측에 배치될 수 있다. 전송 스위칭부(TS)의 일 단자는 플로팅 확산 노드(floating diffusion node, FD)에 연결될 수 있으며, 제1 전송 스위칭부(TS1)는 제1 전송 신호(TS1x)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 제1 전송 스위칭부(TS1)의 게이트에 제1 전송 신호(TS1x)가 인가되면, 제1 전하 저장부(SN1)에 저장된 전하들이 플로팅 확산 노드(FD)로 이동할 수 있다. 이 때, 제1 전하 저장부(SN1)에 저장된 전하들이 플로팅 확산 노드(FD)로 원활하게 이동할 수 있도록 상기 제1 전하 저장부(SN1)의 게이트에 인가되어 있던 제1 전하 저장 신호(SN1x)가 제거될 수 있다.

한편, 제2 전송 스위칭부(TS2)는 제2 전하 저장부(SN2)의 일측에 배치될 수 있다. 전송 스위칭부(TS)의 일 단자는 플로팅 확산 노드(floating diffusion node, FD)에 연결될 수 있으며, 제2 전송 스위칭부(TS2)는 제2 전송 신호(TS2x)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 제2 전송 스위칭부(TS2)의 게이트에 제2 전송 신호(TS2x)가 인가되면, 제2 전하 저장부(SN2)에 저장된 전하들이 플로팅 확산 노드(FD)로 이동할 수 있다. 이 때, 제2 전하 저장부(SN2)에 저장된 전하들이 플로팅 확산 노드(FD)로 원활하게 이동할 수 있도록 상기 제2 전하 저장부(SN2)의 게이트에 인가되어 있던 제2 전하 저장 신호(SN2x)가 제거될 수 있다.

플로팅 확산 노드(floating diffusion node)는 제1 전하 저장부(SN1) 및/또는 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하를 전달받아 축적할 수 있다. 플로팅 확산 노드(FD)는 제1 전하 저장부(SN1)의 게이트에 제1 전하 저장 신호(SN1x)가 제거되고 제1 전송 스위칭부(TS1)의 게이트에 제1 전송 신호(TS1x)가 인가됨에 따라 제1 전하 저장부(SN1)로부터 이동하게 되는 전하들을 축적할 수도 있으며, 제2 전하 저장부(SN2)의 게이트에 제2 전하 저장 신호(SN2x)가 제거되고 제2 전송 스위칭부(TS2)의 게이트에 제2 전송 신호(TS2x)가 인가됨에 따라 제2 전하 저장부(SN2)로부터 이동하게 되는 전하들을 축적할 수도 있다.

제1 쉬프트 스위칭부(SS1), 제1 전하 저장부(SN1) 및 제1 전송 스위칭부(TS1)를 제1 저장유닛이라고 하고, 제2 쉬프트 스위칭부(SS2), 제2 전하 저장부(SN2) 및 제2 전송 스위칭부(TS2)를 제2 저장유닛이라고 하면, 제1 저장유닛과 제2 저장유닛은 광전 변환 소자(PD)와 플로팅 환산 노드(FD) 사이에 서로 병렬로 연결될 수 있다.

리셋 스위칭부(RS)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 플로팅 확산 노드(FD)와 연결된 제2 단자 및 리셋 신호(RSx)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다.

드라이브 스위칭부(DS)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 플로팅 확산 노드(FD)와 연결된 게이트 및 제2 단자를 포함할 수 있다.

선택 스위칭부(SL)는 상기 드라이브 스위칭부(DS)의 제2 단자와 연결된 제1 단자, 선택 신호(SLx)가 인가되는 게이트 및 출력 신호를 제공하는 제2 단자를 포함할 수 있다.

이하에서, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이미징 장치의 구동방법에 대해서 구체적으로 설명한다.

2. 이미징 장치의 구동방법

본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 구동방법에 의하면, 광전 변환 소자(PD)에 병렬로 적어도 두 개의 전하 저장부를 연결하고, 제1 축적 시간(first integration time, T1) 동안 축적된 전하는 제1 전하 저장부로 이동하여 전하량을 읽어내고, 제2 축적 시간(second integration time, T2) 동안 축적된 전하는 제2 전하 저장부로 이동하여 전하량을 읽어냄으로써, 광역 동적 범위를 구현함과 동시에 글로벌 셔터를 구현할 수 있게 된다.

광역 동적 범위를 구현하기 위하여, 제어회로는 상기 제1 축적 시간(T1)과 상기 제2 축적 시간(T2)은 서로 다르도록 할 수 있으며, 특히, 제1 축적 시간(T1)과 제2 축적 시간(T2)은 다음의 관계가 성립할 수 있도록 할 수 있다.

1/5000 ≤ T1/T2 ≤ 1/5

제1 축적 시간(T1) 및 제2 축적 시간(T2)는 항상 일정한 값일 수도 있으나, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지에 대한 분석 결과에 기초하여, 실시간으로 또는 주기적으로 피드백을 받아 변경될 수 있는 값일 수도 있다.

예를 들어, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지의 분석 결과, 조도가 매우 낮다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제1 조도임계값 이하인 경우), 상기 제1 축적 시간(T1)은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 길어질 수 있다.

다른 예를 들어, 분석 결과, 조도가 높다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제2 조도임계값 이상인 경우), 상기 제2 축적 시간(T2)은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 짧아질 수 있다.

한편, 상기 제1 축적 시간(T1) 및 제2 축적 시간(T2)은 픽셀 어레이(111)에 포함되어 있는 모든 유효 픽셀들에 대해서 모두 동일하게 적용될 수 있으나, 유효 픽셀들에 대해서 서로 다르게 설정될 수 있을 것이다. 예를 들어, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지를 분석함으로써, 각 유효 픽셀들에 대한 조도 분포를 확인할 수 있으며, 각 유효픽셀들에 대한 조도 분포에 기초하여, 전술한 바와 유사하게 각 픽셀들에 적용할 제1 축적 시간(T1) 및 제2 축적 시간(T2)을 서로 다르게 설정할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 픽셀 어레이의 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 단위 픽셀의 각 구성요소들에 인가되는 제어신호들의 타이밍도이며, 도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 단위 픽셀의 전하이동을 설명하기 위한 포텐셜 배리어를 도시한 도면이다. 특히, 도 5는 광전 변환 소자(PD), 제1 쉬프트 스위칭부(SS1), 제1 전하 저장부(SN1), 제1 전송 스위칭부(TS1), 플로팅 확산 노드(FD) 및 리셋 스위칭부(RS)의 대해 포텐셜 배리어를 도 4에 도시된 각 구간에 대해 도시한 것이며, 도 6은 광전 변환 소자(PD), 제2 쉬프트 스위칭부(SS2), 제2 전하 저장부(SN2), 제2 전송 스위칭부(TS2), 플로팅 확산 노드(FD) 및 리셋 스위칭부(RS)의 대해 포텐셜 배리어를 도 4에 도시된 각 구간에 대해 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100)를 이용하여 이미지를 획득하기 위해서, 픽셀 어레이(111)는 제1 구간(DR1) 동안 수행되는 축적 및 쉬프트 동작(integrating and shifting operation), 제2 구간(DR2) 동안 수행되는 읽기 동작(reading operation)을 수행한다.

픽셀 어레이(111)는 축적 및 쉬프트 동작 및 읽기 동작을 순차적으로 반복 수행할 수 있으며, 상기 동작들의 한 세트가 수행되면 하나의 이미지가 획득될 수 있다.

축적 동작은 광전 변환 소자(PD)에 의해 입사광이 전하로 변환되는 동작을 포함한다. 축적 동작은 픽셀 어레이(111)에 포함되어 있는 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행될 수 있다.

쉬프트 동작은 입사광에 의해 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하를 제1 전하 저장부(SN1)로 이동시키는 제1 쉬프트 동작 및 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하를 제2 전하 저장부(SN2)로 이동시키는 제2 쉬프트 동작을 포함한다. 또한 제1 및 제2 쉬프트 동작은 제1 및 제2 전하 저장부(SN1, SN2)에 이미 축적되어 있을 수 있는 전하들(불필요하게 축적되어 있는 전하들)을 제거하기 위한 클리어 동작(cleaning operation)을 포함할 수 있다. 이에 대해서는 이후에 보다 구체적으로 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 쉬프트 동작 각각은 픽셀 어레이(111)에 포함되어 있는 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행된다. 다만, 제1 쉬프트 동작이 수행되는 시점과 제2 쉬프트 동작이 수행되는 시점은 서로 다르다.

이 때, 제1 쉬프트 동작과 제2 쉬프트 동작이 수행되는 시점 사이의 간격은 제2 축적 시간(제2 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하를 축적하는 시간)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 쉬프트 동작이 완료되는 시점(도 4 및 도 5에 도시된 (6)구간)과 제2 쉬프트 동작이 완료되는 시점(도 4 및 도 6에 도시된 (13)구간)의 간격에 의해 제2 축적 시간이 결정될 수 있으므로, 상기의 시점들(특히, 제2 쉬프트 동작이 완료되는 시점)을 조절함으로써, 제2 축적 시간이 조절될 수 있다.

전술한 축적 동작 및 쉬프트 동작이 수행되는 동안, 오버플로우 제어부(OFC)는 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하가 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 이동하지 않도록 할 수 있다. 이를 위하여, 오버플로우 제어부(OFC)는 높은 포텐셜 배리어 상태를 유지하고 있을 수 있다. 즉, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 제1 쉬프트 스위칭부(SS1) 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS2)의 포텐셜 배리어 보다 더 높게 유지될 수 있다. 예를 들어, 오버플로우 제어부(OFC)가 트랜지스터로 구성되는 경우, 상기 오버플로우 제어부(OFC)의 게이트에 오버플로우 제어 신호(OFCx)가 인가되지 않고 있을 수 있다.

읽기 동작은 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 이동되어 축적된 전하를 읽어내는 제1 읽기 동작 및 제2 전하 저장부(SN2)로 이동되어 축적된 전하를 읽어내는 제2 읽기 동작을 포함할 수 있다.

읽기 동작은 픽셀 어레이(111)에 포함되어 있는 모든 유효픽셀들에 대해서 동시에 수행될 수도 있으나, 모든 유효픽셀들에 대해서 동시에 수행되는 대신 라인별로 순차적으로 읽어내는 방식이 채택될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 동일한 열(row)에 배치된 픽셀들에 대하여 읽기 동작을 동시에 수행하며, 다른 열에 배치된 픽셀들에 대해서는 읽기 동작을 다른 시간에 수행하는 방식으로 읽기 동작이 수행될 수 있다.

제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 읽기 동작이 제2 전하 저장부(SN2)에 축적된 전하량을 읽어내는 제2 읽기 동작의 선후 관계는 정해져 있지 않다. 즉, 도4 및 도 5에는 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 읽기 동작이 제2 전하 저장부(SN2)에 축적된 전하량을 읽어내는 제2 읽기 동작이 더 먼저 수행되는 것을 예로 들어 도시하였으나, 제2 읽기 동작이 제1 읽기 동작 보다 더 먼저 수행되어도 무방할 것이다.

이 때, 상기 제1 및 제2 전하 저장부(SN1, SN2)에 축적된 전하량을 읽어내기 위하여 제1 및 제2 전하 저장부(SN1, SN2)에 저장된 전하들을 플로팅 확산 노드로 이동시킨 후, 각각의 전하량을 읽어낼 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 축적 동작, 쉬프트 동작 및 읽기 동작을 포함하는 제1 주기의 수행이 완료되면 하나의 이미지가 획득될 수 있으며, 다른 축적 동작, 쉬프트 동작 및 읽기 동작을 포함하는 제2 주기의 수행이 완료되면 다른 하나의 이미지가 획득될 수 있다. 이 때, 제1 주기의 완료 후에 제2 주기가 수행될 수도 있으나, 제1 주기의 일부는 제2 주기의 일부와 서로 중첩될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 주기가 종료하는 제1 시각(t1)은 제2 주기가 시작하는 제2 시각(t2) 보다 더 늦을 수 있다.

도 4 내지 도 6을 참조하여, 각 단위 픽셀에서의 축적 동작, 쉬프트 동작 및 읽기 동작에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

도 4 내지 도 6에 도시되어 있는 (1) 구간 내지 (14) 구간은 전술한 축적 및 쉬프트 동작에 대응되고, (15) 구간 내지 (27) 구간은 전술한 읽기 동작에 대응될 수 있다.

(1) 구간에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 오버플로우 제어부(OFC)와 제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS1, SS2)를 제어하여 오버플로우 제어부(OFC), 제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS1, SS2)에 의해 형성되는 포텐셜 배리어가 높은 상태로 유지된다. 즉, 오버플로우 제어부(OFC)와 제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS1, SS2)에 의해 형성되는 포텐셜 배리어는 광전 변환 소자(PD)의 그것 보다 더 높게 유지된다. 예를 들어, 오버플로우 제어부(OFC)의 게이트, 제1 쉬프트 스위칭부(SS1)의 게이트 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS2)의 게이트 각각에 오버플로우 제어 신호(OFCx), 제1 쉬프트 신호(SS1x) 및 제2 쉬프트 신호(SS2x)가 인가되지 않고 있을 수 있다. 이 때, 도 4 내지 도 6에는 제1 전하 저장부(SN1), 제2 전하 저장부(SN2) 및 리셋 스위칭부(RS)의 게이트에는 각각 제1 저장 신호(SN1x), 제2 저장 신호(SN2x) 및 리셋 신호(RSx)가 인가되어 있고, 제1 전송 스위칭부(TS1) 및 제2 전송 스위칭부(TS2) 각각의 게이트에는 제1 전송 신호(TS1x) 및 제2 전송 신호(TS2x)가 인가되어 있지 않은 상태가 도시되어 있으나, (1) 구간에서 상기 제1 전하 저장부(SN1), 제2 전하 저장부(SN2), 제1 전송 스위칭부(TS1), 제2 전송 스위칭부(TS2) 및 리셋 스위칭부(RS)에 인가되는 제어신호 및 이들에 의해 형성되는 포텐셜 배리어는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 제어될 필요는 없다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 이하에서는, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 제어신호가 인가된 상태에 기초하여 설명하기로 한다.

(2) 구간 내지 (5) 구간은 전술한 클리어 동작에 대응될 수 있다. 특히, (2) 구간 내지 (5) 구간은 제1 전하 저장부(SN1)에 대한 클리어 동작으로써, (2) 구간 내지 (5) 구간은, 광전 변환 소자(PD)에서 축적된 전하들의 값을 보다 정확하게 읽어낼 수 있도록, 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있는 전하들을 제거하기 위한 구간이다.

이러한 클리어 동작은 입사광에 의해 형성되는 전하량만을 보다 더 정확하게 읽어내기 위한 동작이므로, 쉬프트 동작이 수행되기 바로 직전에 수행하는 것이 바람직하다. 따라서, 전술한 바와 같이, 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하를 제1 전하 저장부(SN1)로 쉬프트하는 제1 쉬프트 동작과 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하를 제2 전하 저장부(SN2)로 쉬프트하는 제2 쉬프트 동작이 수행되는 시점들은 서로 다르므로, 제1 전하 저장부(SN1)에 대한 클리어 동작과 제2 전하 저장부(SN2)에 대한 클리어 동작이 수행되는 시점은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 도 4 내지 도 6을 참조하면, 제2 전하 저장부(SN2)에 대한 클리어 동작은 제1 전하 저장부(SN1)에 대한 클리어 동작이 수행되는 시점((2) 구간 내지 (5) 구간)과 다른 시점인 (9) 구간 내지 (12) 구간에서 수행되는 것으로 도시되어 있다.

제1 전하 저장부(SN1)에 대한 클리어 동작을 위하여, (2) 구간에서는, 제1 쉬프트 스위칭부(SS1)의 상태는 그대로 유지한 상태에서 제1 전송 스위칭부(TS1)를 제어하여, 제1 전송 스위칭부(TS1)에 의해 형성되어 있던 포텐셜 배리어를 낮은 상태로 전환시킨다. 예를 들어, 제1 전송 스위칭부(TS1)의 게이트에 제1 전송 신호(TS1x)가 인가될 수 있다. 이 때, 바람직하게는, 제1 전송 스위칭부(TS1)의 포텐셜 배리어가 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어 이하가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들은 제1 전송 스위칭부(TS1) 측으로 이동할 수 있다. 이 때, 플로팅 확산 노드(FD)는 리셋 상태를 유지하고 있을 수 있으므로, 제1 전송 스위칭부(TS1) 측으로 이동된 전하들은 모두 리셋될 수 있으며, 이에 따라 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있는 전하들은 제거될 수 있다. 다만, 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있는 전하들을 보다 더 확실하게 제거하기 위하여, (3) 구간 및 (4) 구간의 동작들이 추가적으로 더 수행될 수 있다. 즉, 제1 전하 저장부(SN1) 및 제1 전송 스위칭부(TS1)의 포텐셜 배리어를 순차적으로 높은 상태로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제1 전하 저장부(SN1) 및 제1 전송 스위칭부(TS1)의 게이트에 인가되어 있던 제어신호(예를 들어, 제1 저장 신호(SN1x) 및 제1 전송 신호(TS1x))가 될 수 있다. 이로써, 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들이 보다 더 확실하게 리셋 상태를 유지하고 있는 플로팅 확산 노드(FD) 측으로 이동하여 제거될 수 있다. 이어서, (5) 구간에서는, 제1 전하 저장부(SN1) 및 제1 전송 스위칭부(TS1)를 각각 제어하여, 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어보다 제1 쉬프트 스위칭부(SS1) 및 제1 전송 스위칭부(TS1)의 포텐셜 배리어가 높게 유지되는 상태로 만든다. 이에 따라, 제1 전하 저장부(SN1)는 광전 변환 소자(PD)에 축적되어 있는 전하들을 전달받을 수 있는 상태가 된다.

전술한 바와 같이 클리어 동작이 완료되면, (6) 구간의 동작을 수행하여 광전 변환 소자(PD)에 축적되어 있던 전하들을 제1 전하 저장부(SN1) 측으로 이동시킨다. 이를 위하여, 제1 쉬프트 스위칭부(SS1)를 제어하여, 제1 쉬프트 스위칭부(SS1)의 포텐셜 배리어가 광전 변환 소자(PD)의 포텐셜 배리어 보다 낮아지도록 할 수 있다. 예를 들어, 제1 쉬프트 스위칭부(SS1)의 게이트에 제1 쉬프트 신호(SS1x)가 인가될 수 있다.

전술한 바와 같이, 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하들이 제1 전하 저장부(SN1) 측으로 이동된 후, (7) 구간에서 제1 전하 저장부(SN1) 측으로 이동된 전하들이 다시 광전 변환 소자(PD) 측으로 역류하지 못하도록 제1 쉬프트 제어부(SS1)를 제어하여 제1 쉬프트 제어부(SS1)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 쉬프트 제어부(SS1)에 인가되었던 제1 쉬프트 신호(SS1x)를 제거할 수 있다.

전술한 바에 따라, 제1 전하 저장부(SN1)에 대한 제1 쉬프트 동작이 완료될 수 있다. 제1 쉬프트 동작이 완료되면, 광전 변환 소자(PD)에는 입사광에 의한 전하들이 다시 축적될 수 있으며, 이미징 장치(100)는 결정된 제2 축적 시간에 기초하여, 미리 정해진 시간 동안 (8) 구간의 상태를 유지할 수 있다.

이어서, 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하를 제2 전하 저장부(SN2)로 쉬프트 시키기 위하여 (9) 구간 내지 (13) 구간의 동작이 수행될 수 있다.

(9) 구간 내지 (12) 구간은 전술한 (2) 구간 내지 (5) 구간에 대응되는 구간으로, 제2 전하 저장부(SN2)에 불필요하게 축적되어 있는 전하들을 제거하기 위한 클리어 동작일 수 있다.

즉, 제2 전하 저장부(SN2)에 대한 클리어 동작을 위하여, (9) 구간에서는, 제2 쉬프트 스위칭부(SS2)의 상태는 그대로 유지한 상태에서 제2 전송 스위칭부(TS2)를 제어하여, 제2 전송 스위칭부(TS2)에 의해 형성되어 있던 포텐셜 배리어를 낮은 상태로 전환시킨다. 예를 들어, 제2 전송 스위칭부(TS2)의 게이트에 제2 전송 신호(TS2x)가 인가될 수 있다. 이 때, 바람직하게는, 제2 전송 스위칭부(TS2)의 포텐셜 배리어가 제2 전하 저장부(SN2)의 포텐셜 배리어 이하가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 제2 전하 저장부(SN2)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들은 제2 전송 스위칭부(TS2) 측으로 이동할 수 있다. 이 때, 플로팅 확산 노드(FD)는 리셋 상태를 유지하고 있을 수 있으므로, 제2 전송 스위칭부(TS2) 측으로 이동된 전하들은 모두 리셋될 수 있으며, 이에 따라 제2 전하 저장부(SN2)에 불필요하게 축적되어 있는 전하들은 제거될 수 있다. 다만, 제2 전하 저장부(SN2)에 불필요하게 축적되어 있는 전하들을 보다 더 확실하게 제거하기 위하여, (10) 구간 및 (11) 구간의 동작들이 추가적으로 더 수행될 수 있다. 즉, 제2 전하 저장부(SN2) 및 제2 전송 스위칭부(TS2)의 포텐셜 배리어를 순차적으로 높은 상태로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제2 전하 저장부(SN2) 및 제2 전송 스위칭부(TS2)의 게이트에 인가되어 있던 제어신호(예를 들어, 제2 저장 신호(SN2x) 및 제2 전송 신호(TS2x))가 될 수 있다. 이로써, 제2 전하 저장부(SN2)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들이 보다 더 확실하게 리셋 상태를 유지하고 있는 플로팅 확산 노드(FD) 측으로 이동하여 제거될 수 있다. 이어서, (12) 구간에서는, 제2 전하 저장부(SN2) 및 제2 전송 스위칭부(TS2)를 각각 제어하여, 제2 전하 저장부(SN2)의 포텐셜 배리어 보다 제2 쉬프트 스위칭부(SS2) 및 제2 전송 스위칭부(TS2)의 포텐셜 배리어가 높게 유지되는 상태로 만든다. 이에 따라, 제2 전하 저장부(SN2)는 광전 변환 소자(PD)에 축적되어 있는 전하들을 전달받을 수 있는 상태가 된다.

전술한 바와 같이, 제2 전하 저장부(SN2)에 대해서도 클리어 동작이 완료되면, (13) 구간의 동작을 수행하여 광전 변환 소자(PD)에 제2 축적 시간 동안 축적되어 있던 전하들을 제2 전하 저장부(SN2) 측으로 이동시킨다. 이를 위하여, 제2 쉬프트 스위칭부(SS2)를 제어하여, 제2 쉬프트 스위칭부(SS2)의 포텐셜 배리어가 광전 변환 소자(PD)의 포텐셜 배리어 보다 낮아지도록 할 수 있다. 예를 들어, 제2 쉬프트 스위칭부(SS2)의 게이트에 제2 쉬프트 신호(SS2x)가 인가될 수 있다.

전술한 바와 같이, 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하들이 제2 전하 저장부(SN2) 측으로 이동된 후, (14) 구간에서 제2 전하 저장부(SN2) 측으로 이동된 전하들이 다시 광전 변환 소자(PD) 측으로 역류하지 못하도록 제2 쉬프트 제어부(SS2)를 제어하여 제2 쉬프트 제어부(SS2)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 쉬프트 제어부(SS2)에 인가되었던 제2 쉬프트 신호(SS2x)를 제거할 수 있다.

전술한 바에 따라, 제2 전하 저장부(SN2)에 대해서도 제2 쉬프트 동작이 완료될 수 있다. 즉, 제1 쉬프트 동작 및 제2 쉬프트 동작이 모두 완료될 수 있으며, 이에 따라, 픽셀 어레이(111)에 포함되어 있는 모든 유효픽셀들에 대해서, 제1 쉬프트 동작 및 제2 쉬프트 동작이 완료될 수 있다.

이와 같이, 쉬프트 동작이 모두 완료되면, 각 단위 픽셀들은 각 단위 픽셀들에 대한 읽기 동작 시기가 도래할 때까지 (14) 구간의 상태를 유지할 수 있다. 이 때, (14) 구간에서, 광전 변환 소자(PD)에 계속하여 입사되는 광에 의하여 전하가 축적되고, 축적된 전하들이 제1 및 제2 전하 저장부(SN1, SN2)로 오버플로우 할 수 있는 가능성을 제거하기 위하여, 오버플로우 제어부(OFC)를 적절히 제어할 수 있다. 즉, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어를 제1 및 제2 쉬프트 스위칭부(SS1, SS2)의 포텐셜 배리어보다 낮게 제어함으로써, 광전 변환 소자(PD)에 축적될 수 있는 전하들이 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 오버플로우될 수 있도록 할 수 있다. 다만, 광전 변환 소자(PD)는 다음 이미지의 획득을 위해 다시 축적 동작을 수행하여야 하며 또한 광전 변환 소자(PD)에 불필요하게 축적되는 전하들은 제거될 필요가 있으므로, 오버플로우 제어부(OFC)를 제어함에 있어서, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어가 광전 변환 소자(PD)의 포텐셜 배리어 이하가 되도록 오버플로우 제어부(OFC)를 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 다음 주기의 축적 동작이 수행되기 직전까지 계속하여 낮은 상태를 유지하고 있을 수 있다. 다만, 도 5 및 도 6에는 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어가 이하에서 설명할 읽기 동작을 수행하는 동안 계속 낮은 상태를 유지하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 제1 주기 동작과 제2 주기 동작이 서로 중첩되지 않는 것을 가정하여 도시한 것이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 구동방법은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 주기에 포함된 읽기 동작과 제2 주기에 포함된 축적 동작이 서로 중첩되어 수행될 수 있다. 만약, 읽기 동작이 완료되지 않은 상태에서 다음 주기의 축적 동작이 수행되는 경우, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어를 다시 높은 상태로 변환하여, 광전 변환 소자(PD)에 전하를 축적하기 시작될 수 있다. 즉, 도 5 및 도 6에 도시된 (16) 구간 내지 (26) 구간 중 어느 한 구간에서 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어가 다시 높은 상태로 변환될 수 있을 것이다. 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어가 다시 높은 상태로 변환되는 시기는 제1 축적 시간에 의해 결정될 수 있다.

계속하여, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 읽기 동작에 대해서 설명하기로 한다.

이미징 ㅈ아치(100)는, (14) 구간과 같은 상태를 유지하다가, 읽기 동작 시기가 도래하면 다음과 같은 읽기 동작을 수행한다. 전술한 바 있으나, 각 픽셀들에 대한 읽기 동작은, 라인 바이 라인(line by line) 방식으로 순차적으로 수행될 수 있다.

읽기 동작은, 전술한 바와 같이, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 읽기 동작 및 제2 전하 저장부(SN2)에 축적된 전하량을 읽어내는 제2 읽기 동작을 포함할 수 있다. 또한, 제1 읽기 동작 및 제2 읽기 동작은 어느 것이 먼저 수행되어도 무방하나, 이하에서는, 제1 읽기 동작이 먼저 수행되는 것을 예로 들어 설명한다.

(16) 구간에서, 리셋 스위칭부(RS)를 제어하여, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환할 수 있다. 이어서, 플로팅 확산 노드(FD)의 전위를 샘플링하여 제1 출력 신호를 생성할 수 있다.

한편, (16) 구간에서, 선택 스위칭부(SL)는 온 상태로 전환될 수 있다. 예를 들어, 선택 스위칭부(SL)의 게이트에 선택 신호(SLx)가 인가될 수 있다. (10) 구간에서 온 상태로 전환된 선택 스위칭부(SL)의 상태는 (26) 구간까지 지속될 수 있다.

이어서, (17) 구간 내지 (19) 구간을 통하여, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들을 플로팅 확신 노드(FD)로 이동시킬 수 있다. 이를 위하여, (17) 구간에서는, 제1 전송 스위칭부(TS1)의 포텐셜 배리어를 낮은 상태로 변환하여 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들이 플로팅 확산 노드(FD)로 이동할 수 있도록 한다. 예를 들어, 제1 전송 스위칭부(TS1)의 게이트에 제1 전송 신호(TS1x)를 인가할 수 있다. 이 때, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하들이 보다 더 확실하게 플로팅 확산 노드(FD)로 이동할 수 있도록 하기 위하여, (18) 구간 및 (19) 구간의 동작들이 추가적으로 더 수행될 수 있다. 즉, 제1 전하 저장부(SN1) 및 제1 전송 스위칭부(TS1)의 포텐셜 배리어를 순차적으로 높은 상태로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제1 전하 저장부(SN1) 및 제1 전송 스위칭부(TS1)의 게이트에 인가되어 있던 제어신호(예를 들어, 제1 저장 신호(SN1x) 및 제1 전송 신호(TS1x))가 될 수 있다. 이로써, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들이 보다 더 확실하게 플로팅 확산 노드(FD) 측으로 이동될 수 있다. 이 때, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어는 (17) 구간 내지 (19) 구간 동안 계속하여 높은 상태를 유지하고 있기 때문에, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들은 플로팅 확산 노드(FD)로 이동되어 플로팅 확산 노드(FD)에 축적될 수 있다.

이어서, (20) 구간에서, 플로팅 확산 노드(FD)의 전위를 샘플링하여 제2 출력 신호를 생성할 수 있다. 이 때, 제2 출력 신호와 제1 출력 신호의 차이에 의해 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하량을 판단할 수 있게 된다. 이 후, (21) 구간에서, 리셋 스위칭부(RS)를 제어하여 플로팅 확산 노드(FD)를 리셋할 수 있다.

이와 같이, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 읽기 동작이 완료될 수 있다. 이어서, 제2 읽기 동작이 수행될 수 있으며, 제2 읽기 동작은 제1 읽기 동작과 거의 유사한 방식에 따라 수행될 수 있다. 이하에서, 제2 읽기 동작에 대해 구체적으로 설명한다.

(22) 구간에서, 리셋 스위칭부(RS)를 제어하여, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환할 수 있다. 이어서, 플로팅 확산 노드(FD)의 전위를 샘플링하여 제3 출력 신호를 생성할 수 있다.

이어서, (23) 구간 내지 (25) 구간을 통하여, 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들을 플로팅 확신 노드(FD)로 이동시킬 수 있다. 이를 위하여, (23) 구간에서는, 제2 전송 스위칭부(TS2)의 포텐셜 배리어를 낮은 상태로 변환하여 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들이 플로팅 확산 노드(FD)로 이동할 수 있도록 한다. 예를 들어, 제2 전송 스위칭부(TS2)의 게이트에 제2 전송 신호(TS2x)를 인가할 수 있다. 이 때, 제2 전하 저장부(SN2)에 축적된 전하들이 보다 더 확실하게 플로팅 확산 노드(FD)로 이동할 수 있도록 하기 위하여, (24) 구간 및 (25) 구간의 동작들이 추가적으로 더 수행될 수 있다. 즉, 제2 전하 저장부(SN2) 및 제2 전송 스위칭부(TS2)의 포텐셜 배리어를 순차적으로 높은 상태로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제2 전하 저장부(SN2) 및 제2 전송 스위칭부(TS2)의 게이트에 인가되어 있던 제어신호(예를 들어, 제2 저장 신호(SN2x) 및 제2 전송 신호(TS2x))가 될 수 있다. 이로써, 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들이 보다 더 확실하게 플로팅 확산 노드(FD) 측으로 이동될 수 있다. 이 때, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어는 (23) 구간 내지 (25) 구간 동안 계속하여 높은 상태를 유지하고 있기 때문에, 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들은 플로팅 확산 노드(FD)로 이동되어 플로팅 확산 노드(FD)에 축적될 수 있다.

이어서, (26) 구간에서, 플로팅 확산 노드(FD)의 전위를 샘플링하여 제4 출력 신호를 생성할 수 있다. 이 때, 제4 출력 신호와 제3 출력 신호의 차이에 의해 제2 전하 저장부(SN2)에 축적된 전하량을 판단할 수 있게 된다. 이 후, (27) 구간에서, 리셋 스위칭부(RS)를 제어하여 플로팅 확산 노드(FD)를 리셋할 수 있다.

이와 같이, 제2 전하 저장부(SN2)에 축적된 전하량을 읽어내는 제1 읽기 동작이 완료될 수 있다.

한편, (27) 구간에서, 선택 스위칭부(SL)의 상태는 오프 상태로 전환된다. 이로써, 하나의 단위 픽셀 또는 한 라인에 배치되어 있는 픽셀들에 대한 읽기 동작이 완료된다.

각 픽셀들은 전술한 바와 같은 동작을 계속하여 반복적으로 수행하게 된다. (1) 구간 내지 (27) 구간을 포함하는 한 주기의 동작들이 수행되면 하나의 이미지가 획득될 수 있으며, 복수의 스틸 이미지들을 확보하여 하나의 동영상을 만들게 되는 경우, 연속되어 촬영된 복수의 이미지들이 획득되어야 하는데, 이러한 경우, 여러 주기의 동작들이 반복적으로 수행될 수 있다.

전술한 바에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100)는 제1 쉬프트 동작, 제2 쉬프트 동작, 제1 읽기 동작 및 제2 읽기 동작을 수행할 수 있다. 이 때, 제1 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하량을 광전 변환 소자(PD)에 축적하는 제1 축적 시간(T1)은 제2 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하량을 광전 변환 소자(PD)에 축적하는 제2 축적 시간(T2) 보다 더 길다. 이 때, 제1 읽기 동작에 의해 읽어낸 전하량의 값은 저조도 이미지의 획득을 위해 사용되며, 제2 읽기 동작에 의해 읽어낸 전하량의 값은 고조도 이미지의 획득을 위해 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따라, 제1 읽기 동작에 의해 획득되는 하나의 이미지와 제2 읽기 동작에 의해 획득되는 다른 하나의 이미지에 기초하여 최종 이미지를 획득할 수 있게 되며, 이에 따라 광역 동적 범위(WDR)을 구현할 수 있게 된다.

제1 읽기 동작에서 읽어낼 전하량을 축적하는 시간인 제1 축적 시간(T1) 및 제2 축적 시간(T2)은 항상 일정한 값일 수도 있으나, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지를 분석함으로써 실시간으로 또는 주기적으로 피드백을 받아 변경될 수 있는 값일 수도 있다. 특히, 제1 축적 시간(T1) 및 제2 축적 시간(T2)을 실시간으로 또는 주기적으로 변경하기 위하여, 이미징 장치(100)는 이전에 획득된 이미지들에 기초하여 조도를 확인할 수 있으며, 확인된 조도값에 기초하여 제1 축적 시간(T1) 및 제2 축적 시간(T2)의 변경에 대해 피드백을 줄 수 있다.

한편, 상기 제1 및 제2 축적시간(T1, T2)은 픽셀 어레이(111)에 포함되어 있는 모든 유효 픽셀들에 대해서 모두 동일하게 적용될 수 있으나, 유효 픽셀들에 대해서 서로 다르게 설정될 수 있을 것이다. 예를 들어, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지를 분석함으로써, 각 유효 픽셀들에 대한 조도 분포를 확인할 수 있으며, 각 유효픽셀들에 대한 조도 분포에 기초하여, 전술한 바와 유사하게 각 픽셀들에 적용할 제1 및 제2 축적 시간(T1, T2)을 서로 다르게 설정할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상대적으로 긴 시간 동안 광전 변환 소자에 축적된 전하량 및 상대적으로 짧은 시간 동안 광전 변환 소자에 축적된 전하량을 각각 읽어내고, 이에 기초하여, 동적 범위가 확장된 최종 이미지를 획득할 수 있게 된다. 아울러, 제1 쉬프트 동작 및 제2 쉬프트 동작은 픽셀 어레이(111)에 포함된 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행됨으로써, 빠르게 움직이고 있는 피사체를 촬영하게 되는 경우에도 이미지의 왜곡 없는 이미지의 획득이 가능해진다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동 방법에 의하면, 광역 동적 범위를 구현함과 동시에 움직이는 피사체를 왜곡 없이 촬영할 수 있는 글로벌 셔터를 구현할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르는 이미징 장치(100) 및 그 구동 방법에 의하면, 광전 변환 소자(PD) 및 플로팅 확산 노드(FD) 사이에 병렬로 두 개의 저장 유닛(쉬프트 스위칭부, 전하 저장부 및 전달 스위칭부)이 연결되어 있는 것을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 변형예에 의하면, 광전 변환 소자(PD) 및 플로팅 확산 노드(FD) 사이에 병렬로 세 개 이상의 저장 유닛이 연결될 수도 있을 것이다.

만약, 세 개 이상의 저장 유닛을 포함하는 이미징 장치의 경우, 광전 변환 소자(PD)에 축적되어 적어도 세개의 저장 유닛으로 쉬프트되는 전하들을 축적하기 위한 시간은 서로 다를 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치가 제3 저장 유닛, 제4 저장 유닛 및 제5 저장 유닛을 포함하고 있는 경우, 제3 저장 유닛으로 쉬프트 하여 읽어내는 전하량을 축적하는 제3 축적 시간(T3), 제4 저장 유닛으로 쉬프트 하여 읽어내는 전하량을 축적하는 제4 축적 시간(T4) 및 제5 저장 유닛으로 쉬프트 하여 읽어내는 전하량을 축적하는 제5 축적 시간(T5)은 서로 다를 수 있으며, 특히, 다음과 같은 관계가 성립할 수 있다.

1/5000 ≤ T3/T4 ≤ 1/5

1/5000 ≤ T4/T5 ≤ 1/5

이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치는, 제3 축적 시간(T3) 동안 축적된 전하량에 기초하여 저조도 이미지를 획득하고, 제4 축적 시간(T4) 동안 축적된 전하량에 기초하여 중조도 이미지를 획득하고, 제5 축적 시간(T5) 동안 축적된 전하량에 기초하여 고조도 이미지를 획득함하고, 이들 저조도, 중조도 및 고조도 이미지들에 기초하여 최종 이미지를 획득함으로써, 광역 동적 범위를 구현할 수 있게 된다. 한편, 광전 변환 소자에 축적된 전하를 제3 저장 유닛으로 쉬프트 하는 제3 쉬프트 동작, 제4 저장 유닛으로 쉬프트 하는 제4 쉬프트 동작 및 제5 저장 유닛으로 쉬프트 하는 제5 쉬프트 동작은 픽셀 어레이에 포함되어 있는 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행함으로써, 글로벌 셔터의 구현이 가능해진다. 결국, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치에 의해서도 광역 동적 범위를 구현함과 동시에 글로벌 셔터의 구현이 가능해지는 효과가 발생한다.

Claims (15)

1. 광전 변환 소자, 플로팅 확산 노드, 상기 광전 변환 소자와 상기 플로팅 확산 노드 사이에 서로 병렬로 연결된 제1 전하 저장부 및 제2 전하 저장부를 포함하는 복수의 픽셀; 및
   상기 복수의 픽셀에 신호를 인가하는 제어회로를 포함하며,
   상기 제어회로는, 상기 제1 전하 저장부로 이동되는 전하를 상기 광전 변환 소자에 축적하는 제1 축적 시간과 상기 제2 전하 저장부로 이동되는 전하를 상기 광전 변환 소자에 축적하는 제2 축적 시간이 서로 다르도록 제어하는
   이미징 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 제1 축적 시간 동안 상기 복수의 픽셀들에 구비된 광전 변환 소자에 축적된 전하를 상기 제1 전하 저장부로 쉬프트시키는 제1 쉬프트 동작을 수행하고,
   상기 제2 축적 시간 동안 상기 복수의 픽셀들에 구비된 광전 변환 소자에 축적된 전하를 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트시키는 제2 쉬프트 동작을 수행하는
   이미징 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 복수의 픽셀에 대하여, 상기 제1 쉬프트 동작을 동시에 수행하고, 상기 제2 쉬프트 동작을 동시에 수행하는
   이미징 장치.
   
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 제1 쉬프트 동작은 제1 시점에 수행하고, 상기 제2 쉬프트 동작은 제2 시점에 수행하는
   이미징 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 제2 전하 저장부로 쉬프트시킬 전하를 상기 광전 변환 소자에 축적하는 동작이 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이에 수행되도록 상기 복수의 픽셀을 제어하는
   이미징 장치.
   
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 제1 전하 저장부로 쉬프트된 전하를 읽어내는 제1 읽기 동작을 수행하는
   이미징 장치.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 복수의 픽셀들에 대해, 상기 제1 읽기 동작을 순차적으로 수행하는
   이미징 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 제2 전하 저장부로 쉬프트된 전하를 읽어내는 제2 읽기 동작을 수행하는
   이미징 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 복수의 픽셀들에 대해, 상기 제2 읽기 동작을 순차적으로 수행하는
   이미징 장치.
   
10. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,
    상기 제1 전하 저장부 및 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트된 전하량을 읽어내는 읽기 동작을 수행하는
    이미징 장치.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 전하 저장부로 쉬프트된 전하량은 제1 이미지의 획득에 사용되며, 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트된 전하량은 제2 이미지의 획득에 사용되는 것을 특징으로 하는
    이미징 장치.
    
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 전하 저장부로 쉬프트된 전하량 및 상기 제2 전하 저장부로 쉬프트된 전하량에 기초하여 최종 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는
    이미징 장치.
    
13. 제 10 항에 있어서, 상기 제어회로는,
    상기 읽기 동작을 수행하는 기간 중 적어도 일부의 제1 기간 동안 상기 광전 변환 소자에 전하를 축적하지 않는
    이미징 장치.
    
14. 제 13 항에 있어서, 상기 제어회로는,
    상기 제1 기간이 지난 후에, 상기 광전 변환 소자에 다시 전하를 축적하는
    이미징 장치.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 기간이 지난 후에 상기 광전 변환 소자에 다시 축적된 전하는 다음 이미지의 획득에 사용되는 것을 특징으로 하는
    이미징 장치.
    

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