KR20160023272A - 1pd 구조의 wdr 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법 - Google Patents

Abstract

1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법이 개시된다. 단위 픽셀 타이밍 제어 방법은, 하나의 프레임 처리를 위해 분할된 n(2이상인 임의의 자연수)개의 단위 시간 중 첫번째 단위 시간에서, 포토 다이오드(PD)에 대한 미리 지정된 노출 시간이 만료되면 리셋 트랜지스터(RX)가 플로팅 확산 영역(FD)에 대해 리셋을 수행하는 단계; 타이머 제너레이터가 플로팅 확산 영역의 전위인 기준 전압(Vref)에 대응하는 신호를 출력하도록 하는 제1 샘플 홀드 펄스(SHR)를 공급하는 단계; (a) 트랜스퍼 트랜지스터가 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 이송하는 단계; (b) 상기 타이머 제너레이터가 상기 플로팅 확산 영역의 현재 전위인 시그널 전압(Vsig)에 대응하는 신호를 출력하도록 하는 제2 샘플 홀드 펄스(SHD)를 공급하는 단계; 후속하는 n-1개의 단위 시간 각각에 대해서도 상기 포토 다이오드에 대한 미리 지정된 노출 시간이 만료될 때마다 상기 단계 (a)와 (b)를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법{Unit pixel timing control method of Imaging device having WDR pixel array of 1PD structure}

본 발명은 1PD 구조(즉, 하나의 픽셀에 하나의 포토 다이오드를 가지는 구조)의 WDR(Wide Dynamic Range) 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법에 관한 것이다.

이미지 센서의 품질을 나타내는 데 있어, 중요한 판단 기준이 되는 것 중의 하나가 입력 신호를 왜곡하지 않으면서 신호를 처리할 수 있는 최대 범위를 나타내는 다이내믹 레인지(Dynamic Range)이다. 이미지 센서의 경우에는 다이내믹 레인지가 넓을수록 넓은 범위의 명도 변화에 관계없이 좋은 이미지를 얻을 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. 또한, 어두운 영역부터 밝은 영역을 같이 표현할 수 없다.

이러한 다이내믹 레인지가 좁은 단점을 극복하기 위하여 WDR(Wide Dynamic Range) 픽셀을 구현하는 방법이 제안되고 있으며, 관련 선출원발명으로는 한국특허출원 제2006-0049806호(이미지 센서 및 이미지 처리 방법) 등이 있다.

한국특허출원 제2006-0049806호는 1PD 2Read WDR 픽셀 구조로서 1개의 포토 다이오드에서 시간을 분할하여 고노출 영상과 저노출 영상을 생성하고 이들을 합성하여 WDR 이미지를 구현하는 구조를 제시하고 있다.

즉, 단위 픽셀에 하나의 포토 다이오드를 구비하는 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 포함하는 종래의 이미징 장치는 한정된 시간을 n(2이상인 임의의 자연수)개로 분할하고, 각각 분할된 시간 내에서 광 노출, 플로팅 확산 영역의 전압 독출 등을 반복하여 n개의 영상을 획득하고, 이들을 합성하여 WDR 이미지를 생성하는 방법을 이용하고 있다.

그러나 이러한 단위 픽셀 타이밍 방법에 따를 때, 밝기가 어두운 이미지는 다이나믹 레인지를 넓히는데 기여할 수는 있으나, 밝기를 개선하는데는 기여하지 못하기 때문에, 고노출 영상과 저노출 영상을 합성하여 WDR 이미지를 구현할 때 저노출 이미지가 감도 측면에서 손실을 야기하는 문제점이 있었다.

본 발명은 감도 향상이 가능하고 동시에 WDR 기능도 구현할 수 있도록 하는 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

참고로, 본 특허출원은 이 논문은 산업통상자원부가 지원하는 국가연구개발사업인 "시스템반도체상용화기술개발사업"을 통해 개발된 결과임을 밝혀둔다. [10041125, SXGA급 자동차용 고화질 영상처리기능 및 ECU통합 SoC개발].

본 발명의 일 측면에 따르면, 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법에 있어서, 하나의 프레임 처리를 위해 분할된 n(2이상인 임의의 자연수)개의 단위 시간 중 첫번째 단위 시간에서, 포토 다이오드(PD)에 대한 미리 지정된 노출 시간이 만료되면 리셋 트랜지스터(RX)가 플로팅 확산 영역(FD)에 대해 리셋을 수행하는 단계; 타이머 제너레이터가 플로팅 확산 영역의 전위인 기준 전압(Vref)에 대응하는 신호를 출력하도록 하는 제1 샘플 홀드 펄스(SHR)를 공급하는 단계; (a) 트랜스퍼 트랜지스터가 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 이송하는 단계; (b) 상기 타이머 제너레이터가 상기 플로팅 확산 영역의 현재 전위인 시그널 전압(Vsig)에 대응하는 신호를 출력하도록 하는 제2 샘플 홀드 펄스(SHD)를 공급하는 단계; 후속하는 n-1개의 단위 시간 각각에 대해서도 상기 포토 다이오드에 대한 미리 지정된 노출 시간이 만료될 때마다 상기 단계 (a)와 (b)를 수행하는 단계를 포함하되, 상기 n개의 단위 시간 각각에서의 상기 제2 샘플 홀드 펄스를 공급하기 전에 상기 플로팅 확산 영역에 대한 재 리셋은 수행되지 않는 것을 특징으로 하는 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법이 제공된다.

상기 n개의 단위 시간 각각에 대한 기준 전압과 시그널 전압의 차이값으로 출력되는 출력 시그널들을 이용하여 WDR(Wide Dynamic Range) 이미지가 생성될 수 있다.

상기 n개의 단위 시간 중 하나 이상은 상이한 노출 시간을 가지도록 지정될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치에서 감도 향상이 가능하고 동시에 WDR 기능도 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이의 단위 픽셀 회로도.
도 2는 종래기술에 따른 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치의 구동 타이밍도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치의 구동 타이밍도.

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

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.

본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 일반적인 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이의 단위 픽셀 회로도이고, 도 2는 종래기술에 따른 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치의 구동 타이밍도이다.

도 1을 참조하면, 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이의 단위 픽셀은 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토 다이오드(PD)와, 포토다이오드(PD)에 모여진 광전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 운송하는 트랜스퍼 트랜지스터(TX)와, 원하는 값으로 플로팅 확산 영역(FD)의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산 영역(FD)과 포토다이오드(PD)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(RX)와, 플로팅 확산 영역의 전극 전압 변화에 따라 소스 팔로워(source-follower) 회로의 전류를 변화시켜 단위 픽셀의 출력 전압을 바꾸어 주는 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 게이트 신호에 따라 플로팅 확산 영역의 전압 변화에 의해 발생된 단위 픽셀의 출력 전압을 아날로그적으로 출력하는 셀렉트 트랜지스터(SX)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드 트랜지스터(Load Transistor)가 형성된다.

전술한 트랜스퍼 트랜지스터 등의 트랜지스터는 선택/리셋/전송 게이트 신호에 의해 온/오프되며, 전술한 게이트 신호는 타이밍 제너레이터(Timing Generator, 미도시)가 공급하는 펄스에 의해 생성된다. 또한 타이밍 제너레이터는 플로팅 확산 영역의 전위에 대응하는 신호를 출력하도록 하는 후술될 SHD, SHR 등의 샘플 홀드 펄스를 더 공급할 수도 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 WDR 이미지 구현을 위한 종래의 이미징 장치 구동 방법을 간략히 설명한다. 참고로 종래의 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법은 2회 이상의 노출을 통해 얻은 n개의 출력 이미지를 합성하여 WDR 이미지가 구현되도록 동작된다.

즉, 하나의 프레임 처리를 위해 미리 지정된 시간을 n개의 단위 시간들로 분할한 후, 분할된 제1 단위 시간의 범위 내에서 픽셀에 구비된 포토 다이오드에 대해 지정된 노출 시간(Integration Time)이 만료되면, 리셋 트랜지스터(RX)가 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋(reset)시키고, 플로팅 확산 영역의 전위를 제1 단위시간 레퍼런스 전압(1st_Vref)으로 읽어들인다(1st SHR). 도시된 SHR(Sample and Hold Reference)은 픽셀 출력을 읽어들이는 샘플링 타이밍으로서, 레퍼런스 전압을 읽어들이는 샘플링 타이밍이다.

이어서 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 포토 다이오드에 모여진 광전하를 플로팅 확산 영역으로 이송시키고, 플로팅 확산 영역으로 이송된 전하에 상응하는 전압을 제1 단위시간 시그널 전압(1st_Vsig)로 읽어들인다(1st SHD). 도시된 SHD(Sample and Hold Data)는 픽셀 출력을 읽어들이는 샘플링 타이밍으로서, 빛에 반응한 전압을 읽어들이는 샘플링 타이밍이다.

전술한 과정은 미리 지정된 시간을 분할한 n개의 단위 시간에 대해 반복 수행되고, 각각의 단위 시간에서 읽어들인 레퍼런스 전압(Vref)과 시그널 전압(Vsig)를 이용하여 출력 이미지가 획득될 수 있고, n개의 출력 이미지들을 합성하여 WDR 이미지가 구현된다.

전술한 과정들에서 밝기에 기여하는 이미지(예를 들어 고노출 이미지)와 WDR에 기여하는 이미지(예를 들어 저노출 이미지)가 획득될 수 있다. 그러나 WDR에 기여하는 이미지는 밝기에 기여하지 못하므로 그만큼 감도에서의 손실이 발생되는 문제점이 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 포함하는 이미징 장치의 구동 타이밍도이다.

앞서 설명한 도 2의 구동 타이밍도와 대비할 때, 도 3에 도시된 구동 타이밍도는 하나의 프레임이 처리되는 동안 감도 손실 개선을 위해 선행하는 단위 시간 차수에서의 포토 다이오드에 축적되어 플로팅 확산 영역으로 이송된 전하를 리셋시키지 않고 유지함으로써 WDR 기능을 유지하면서 감도도 개선하는 특징을 가진다.

즉, 하나의 프레임 처리를 위해 미리 지정된 시간을 n개의 단위 시간들로 분할한 후, 분할된 제1 단위 시간의 범위 내에서 픽셀에 구비된 포토 다이오드에 대해 지정된 노출 시간(Integration Time)이 만료되면, 리셋 트랜지스터(RX)가 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시키고, 해당 시점에서의 플로팅 확산 영역에 대한 레퍼런스 전압(Vref)을 읽어들인다(SHR).

여기서, 하나의 프레임이 처리될 시간이 분할된 단위 시간들은 같거나 하나 이상에서 상이한 시간 길이를 가지도록 지정될 수 있고, 각 단위 시간에서의 노출 시간은 같거나 상이하게 지정될 수 있을 것이다.

이어서 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 포토 다이오드에 모여진 광전하를 플로팅 확산 영역으로 이송시키고, 플로팅 확산 영역로 이송되어 축적된 전하에 상응하는 전압을 읽어들인다(1st SHD). 이때 독출되어 디지털 신호로 변환되는 픽셀 출력 전압은 Vref-1st_Vsig로 표현될 수 있다.

이후 플로팅 확산 영역에 대한 리셋 처리없이, 분할된 제2 단위 시간의 범위 내에서 픽셀에 구비된 포토 다이오드에 대해 지정된 노출 시간(Integration Time)이 만료되면, 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 포토 다이오드에 모여진 광전하를 플로팅 확산 영역으로 이송시키고, 플로팅 확산 영역로 이송되어 축적된 전하에 상응하는 전압을 읽어들인다(2nd SHD).

이때, 플로팅 확산 영역에 대한 리셋 처리가 생략되었으므로, 플로팅 확산 영역에 축적된 전하에 상응하는 전압은 제1 단위 시간과 제2 단위 시간 모두에서 포토 다이오드에 각각 모여진 광전하들에 상응하는 전압이 된다. 이때 독출되어 디지털 신호로 변환되는 픽셀 출력 전압은 Vref-(1st_Vsig+2nd_Vsig)로 표현될 수 있다.

전술한 과정은 하나의 프레임 처리를 위해 미리 지정된 시간을 분할한 n개의 단위 시간에 대해 반복 수행되고, 각각의 단위 시간에서 읽어들인 레퍼런스 전압(Vref)과 시그널 전압(Vsig)를 이용하여 출력 이미지가 획득될 수 있고, n개의 출력 이미지들을 합성하여 WDR 이미지가 구현된다. 하나의 프레임 처리가 완료되면 포토 다이오드와 플로팅 확산 영역이 리셋(reset) 처리됨은 당연하다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 이미징 장치의 구동 타이밍도에 따를 때, 분할된 각 단위 시간 동안 포토 다이오드에 축적된 전하가 플로팅 확산 영역에 누적되도록 함으로써 후속하는 단위 시간에 상응하는 SHD 타이밍에서 상대적으로 보다 밝은 이미지를 얻을 수 있으며, 이를 통해 어두운 환경에서의 감도 증가를 통한 깨끗한 영상 확보가 가능하고 환경에 따라서는 일정 부분 감도 조정도 가능해지는 장점이 있다.

또한 영상 이미지의 WDR 기능을 유지하면서 감도 향상의 효과를 얻기 위해 새로운 1PD 구조의 WDR 픽셀 어레이를 개발할 필요 없이 구동 타이밍만의 개선으로 용이한 구현이 가능한 장점도 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법에 있어서,
   하나의 프레임 처리를 위해 분할된 n(2이상인 임의의 자연수)개의 단위 시간 중 첫번째 단위 시간에서, 포토 다이오드(PD)에 대한 미리 지정된 노출 시간이 만료되면 리셋 트랜지스터(RX)가 플로팅 확산 영역(FD)에 대해 리셋을 수행하는 단계;
   타이머 제너레이터가 플로팅 확산 영역의 전위인 기준 전압(Vref)에 대응하는 신호를 출력하도록 하는 제1 샘플 홀드 펄스(SHR)를 공급하는 단계;
   (a) 트랜스퍼 트랜지스터가 상기 포토 다이오드에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 이송하는 단계;
   (b) 상기 타이머 제너레이터가 상기 플로팅 확산 영역의 현재 전위인 시그널 전압(Vsig)에 대응하는 신호를 출력하도록 하는 제2 샘플 홀드 펄스(SHD)를 공급하는 단계;
   후속하는 n-1개의 단위 시간 각각에 대해서도 상기 포토 다이오드에 대한 미리 지정된 노출 시간이 만료될 때마다 상기 단계 (a)와 (b)를 수행하는 단계를 포함하되,
   상기 n개의 단위 시간 각각에서의 상기 제2 샘플 홀드 펄스를 공급하기 전에 상기 플로팅 확산 영역에 대한 재 리셋은 수행되지 않는 것을 특징으로 하는 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 n개의 단위 시간 각각에 대한 기준 전압과 시그널 전압의 차이값으로 출력되는 출력 시그널들을 이용하여 WDR(Wide Dynamic Range) 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 n개의 단위 시간 중 하나 이상은 상이한 노출 시간을 가지는 것을 특징으로 하는 이미징 장치의 단위 픽셀 타이밍 제어 방법.
   

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