KR20180096839A - 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서 - Google Patents

픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20180096839A
KR20180096839A KR1020170022082A KR20170022082A KR20180096839A KR 20180096839 A KR20180096839 A KR 20180096839A KR 1020170022082 A KR1020170022082 A KR 1020170022082A KR 20170022082 A KR20170022082 A KR 20170022082A KR 20180096839 A KR20180096839 A KR 20180096839A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
charge
pixel
unit
period
photoelectric conversion
Prior art date
Application number
KR1020170022082A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101895982B1 (ko
Inventor
한상만
하승재
문보현
Original Assignee
(주) 픽셀플러스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주) 픽셀플러스 filed Critical (주) 픽셀플러스
Priority to KR1020170022082A priority Critical patent/KR101895982B1/ko
Priority to PCT/KR2018/001868 priority patent/WO2018151499A1/ko
Publication of KR20180096839A publication Critical patent/KR20180096839A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101895982B1 publication Critical patent/KR101895982B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50Control of the SSIS exposure
    • H04N25/53Control of the integration time
    • H04N25/533Control of the integration time by using differing integration times for different sensor regions
    • H04N5/357
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57Control of the dynamic range
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57Control of the dynamic range
    • H04N25/58Control of the dynamic range involving two or more exposures
    • H04N25/587Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired sequentially, e.g. using the combination of odd and even image fields
    • H04N25/589Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired sequentially, e.g. using the combination of odd and even image fields with different integration times, e.g. short and long exposures
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/616Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise involving a correlated sampling function, e.g. correlated double sampling [CDS] or triple sampling
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N5/3535
    • H04N5/35581
    • H04N5/3745

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 CMOS 이미지센서와 관한 것으로, 상기 발명은 입사광량에 대응하여 전하를 발생하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부; 및 상기 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행하고, 상기 단위픽셀에 대한 전체 노광기간 중 일부인 제1 노광기간을 복수개의 분할노광기간으로 분할하는 픽셀구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 본 발명은 LED 및 형광등과 같은 광원의 플리커 주파수를 고려하여 전체 노광기간의 일부를 복수개의 분할노광기간으로 분할함으로써 광원의 플리커에 의한 이미지의 왜곡을 완화시킬 수 있다.

Description

픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 CMOS 이미지센서{Driving method of pixel and CMOS image sensor using the same}
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 외부의 광학 신호를 전기적 영상신호로 변환하는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서와 CMOS 이미지센서에 포함된 픽셀의 구동방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서는 외부의 광학 영상신호를 전기 영상신호로 변환하는 장치이다.
특히, CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제작된 이미지센서이다. CMOS 이미지센서에서 픽셀부는 피사체의 대응 부분에서 복사되는 빛 신호를 포토 다이오드를 이용하여 전자로 바꾼 후에 저장하고, 축적된 전자의 수에 비례하여 나타나는 전하량을 전압 신호로 바꾸어서 출력하는 방식을 사용한다.
CMOS 이미지센서는 일반적으로 입사광량에 따라 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자, 광전변환소자에 축적된 전하를 전송하는 전송 트랜지스터, 전송되는 전하를 전압으로 변환하는 부유확산영역(FD), 부유확산영역(FD)에 전송된 전하를 리셋하는 리셋트랜지스터, 부유확산영역에서 전압 변환된 신호를 읽어 내는 증폭트랜지스터와 X-Y화소 어드레스 중 신호를 읽어내는 라인을 선택하는 선택트랜지스터를 포함하는 복수의 화소로 구성되어 있다.
일반적인 CMOS 이미지센서는 차량용이나 감시용 촬상 장치에 적용하기 위해 넓은 다이내믹 레인지 성능이 요구된다. 또한 디지털 카메라나 디지털 비디오 카메라에 있어서도 넓은 다이내믹 레인지의 성능이 요구되는 추세이다.
일반적인 다이내믹 레인지의 성능을 향상시키는 방법으로서 짧은 노광 시간의 화상과 긴 노광 시간의 화상을 합성해 다이내믹 레인지의 넓은 화상을 생성하는 방법이 알려져 있다.
그러나 다이내믹 레인지를 증대하기 위해, 상용전원에 동기화되어 점멸되는 LED나 형광등과 같은 광원에서 짧은 노광 시간으로 촬상하는 경우 사람의 눈에는 점등하고 있는 것처럼 보이는 광원이 정지화상에 있어서 점등하고 있지 않는 형태로 이미지가 나타나거나, 동영상에 있어서 심하게 점멸하는 형태로 이미지의 왜곡이 나타나는 문제가 있다.
일본공개특허 2008-99158, 2008. 04. 24, 도면 1
본 발명의 목적은 부유확산영역 외 별도의 전하유지 수단을 가지는 픽셀을 이용하고 이 픽셀의 노광제어를 위한 구동 타이밍을 변경함으로써 넓은 다이내믹 레인지의 성능을 유지하면서도 LED 및 형광등과 같은 광원의 플리커에 의한 이미지 왜곡을 완화시킬 수 있는 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 CMOS 이미지센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 CMOS 이미지센서는, 입사광량에 대응하여 전하를 발생하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부; 및 상기 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행하고, 상기 단위픽셀에 대한 전체 노광기간 중 일부인 제1 노광기간을 복수개의 분할노광기간으로 분할하는 픽셀구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분할노광기간의 반복 주기 및 반복 회수는 광원의 플리커 주파수에 의하여 설정될 수 있다. 또한 상기 분할노광기간의 반복 주기는 상기 광원의 플리커 주기보다 "1/n"배 이하의 짧은 시간으로 설정될 수 있고, 여기서 "n"은 2 이상의 값일 수 있다.
상기 단위픽셀은 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 전송되는 전하를 유지하는 전하유지부와, 상기 전하유지부로부터 전송되는 전하를 저장하는 부유확산영역을 구비하고, 상기 픽셀구동부는 상기 단위픽셀의 초기화 후 상기 각각의 분할노광기간들 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하들을 상기 분할노광기간의 개수만큼 상기 전하유지부로 순차적으로 전송하는 제1 전송동작과, 상기 제1 전송동작의 완료 후 사전에 정해진 기간 경과 후 상기 제1 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 전하를 제1 신호전하로서 상기 부유확산영역으로 전송하는 제2 전송동작과, 상기 제1 전송동작 완료 후 제2 노광기간의 경과 후 상기 제2 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 제2 신호전하로서 상기 전하유지부로 전송하는 제3 전송동작과, 상기 제3 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제2 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제4 전송동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전송동작은 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 상기 전하유지부로 전송하고 사전에 정한 기간 경과 후 그 기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 리셋하는 동작을 포함할 수 있다.
상기 제1 노광기간 및 상기 제2 노광기간의 비율은 사전에 정해진 본 CMOS 이미지센서 자체의 광감도의 감소율에 의해 정해질 수 있다.
상기 단위픽셀은 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 상기 전하유지부로 전송하기 위한 제1 전송스위치와, 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 외부로 배출하기 위한 배출트랜지스터를 더 구비하고, 상기 분할노광기간은 상기 배출트랜지스터의 턴오프시점으로부터 상기 제1 전송트랜지스터의 턴오프시점까지의 기간에 의해 설정될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면은 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 전송되는 전하를 유지하는 전하유지부와, 상기 전하유지부로부터 전송되는 전하를 저장하는 부유확산영역을 구비하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광 제어를 수행하는 픽셀의 구동방법에 관한 것이다.
상기 픽셀의 구동방법은 상기 단위픽셀에 대한 전체 노광기간 중 일부인 제1 노광기간을 복수개의 분할노광기간으로 분할하는 단계; 상기 단위픽셀의 초기화 후 상기 각각의 분할노광기간들 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하들을 상기 분할노광기간의 개수만큼 상기 전하유지부로 순차적으로 전송하는 제1 전송단계; 상기 제1 전송단계의 완료 후 사전에 정해진 기간 경과 후 상기 제1 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 전하를 제1 신호전하로서 상기 부유확산영역으로 전송하는 제2 전송단계; 상기 제1 전송단계의 완료 후 제2 노광기간의 경과 후 상기 제2 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 제2 신호전하로서 상기 전하유지부로 전송하는 제3 전송단계; 및 상기 제3 전송단계에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제2 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제4 전송단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 LED 및 형광등과 같은 광원의 플리커 주파수를 고려하여 전체 노광기간의 일부를 복수개의 분할노광기간으로 분할함으로써 광원의 플리커에 의한 이미지의 왜곡을 완화시킬 수 있다.
또한 본 발명은 광원의 플리커에 의한 이미지의 왜곡을 완화시키기 위한 제1 노광기간과 광원의 플리커를 고려하지 않고 광을 감지하기 위한 제2 노광기간의 비율을 이미지센서의 광감도의 감소율을 고려하여 설정함으로써 광원의 플리커에 의한 이미지의 왜곡을 완화하면서 동시에 광감도의 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀구동부의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 픽셀의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5 내지 도 9는 도 4의 타이밍도에 대응하는 포텐셜을 설명하기 위한 포텐셜도이다.
이하 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지센서에 대해 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1)는 도시되지 않은 반도체기판상에 형성된 픽셀부(100), 픽셀구동부(200), 신호처리부(300)를 포함한다.
픽셀부(100)는 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자를 갖는 복수의 단위픽셀들이 행렬 형태로 2차원으로 배치되어 있다.
이하 도 2를 참조하여 단위픽셀(110)에 대해서 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이 단위픽셀(110)은 광전변환소자(111), 제1 전송트랜지스터(112), 전하유지부(113), 제2 전송트랜지스터(114), 부유확산영역(FD, Floating Diffusion)(115), 리셋트랜지스터(116), 증폭트랜지스터(117), 선택트랜지스터(118), 배출트랜지스터(119)를 포함한다.
광전변환소자(111)는 일반적으로 포토다이오드(PD)로 마련될 수 있다. 포토다이오드(PD)는 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적한다. 예를 들면 포토다이오드(PD)는 N형 기판 상에 형성된 P형 웰층에 대하여, P형층을 기판 표면 측에 형성하고 N형 매립층을 매립함으로써 형성될 수 있다.
제1 전송트랜지스터(112)는 광전변환소자(111)와 전하유지부(113) 사이에 연결되고 게이트 단자를 통해 제1 전송제어신호(TX1)가 인가된다. 제1 전송트랜지스터(112)가 제1 전송제어신호(TX1)의 고전위에 의해 턴온되면 광전변환소자(111)에 축적된 전하가 전하유지부(113)로 전송된다. 제1 전송트랜지스터(112)의 턴온을 위해 인가되는 제1 전송제어신호(TX1)의 고전위 레벨은 전원전압 VDD로 설정될 수 있다. 일예로서 제1 전송트랜지스터(112)는 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있다.
전하유지부(113)는 광전변환소자(111)와 부유확산영역(115) 사이에 배치되고, 제1 전송트랜지스터(112)의 턴온시 광전변환소자(111)로부터 전송된 전하를 저장한다. 전하유지부(113)에 저장된 전하는 제2 전송트랜지스터(114)의 턴온에 의해 부유확산영역(115)으로 전송된다.
제2 전송트랜지스터(114)는 전하유지부(113)와 부유확산영역(115) 사이에 연결되고 게이트 단자를 통해 제2 전송제어신호(TX2)가 인가된다. 제2 전송트랜지스터(114)가 제2 전송제어신호(TX2)의 고전위에 의해 턴온되면 전하유지부(113)에 축적된 전하가 부유확산영역(115)으로 전송된다. 제2 전송트랜지스터(114)의 턴온을 위해 공급되는 제2 전송제어신호(TX2)의 고전위 레벨은 전원전압 VDD로 설정될 수 있다. 일예로서 제2 전송트랜지스터(114)는 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있다.
부유확산영역(115)은 제2 전송트랜지스터(114)의 턴온시 전하유지부(113)로부터 전송된 전하를 저장한다. 부유확산영역(115)은 단위픽셀의 신호 전하량을 감지하기 위한 전하량 감지노드의 역할을 수행한다.
리셋트랜지스터(116)는 전원전압단의 VDD와 부유확산영역(115) 사이에 연결되고 게이트 단자를 통해 리셋제어신호(RX)가 인가된다. 리셋트랜지스터(116)가 리셋제어신호(RX)의 고전위에 의해 턴온되면 부유확산영역(115)에 저장된 전하가 전원전압단의 VDD를 통해 방출된다. 이에 이해 리셋트랜지스터(116)는 부유확산영역(115)에 저장된 전하를 리셋할 수 있다.
증폭트랜지스터(117)는 전원전압단 VDD와 선택트랜지스터(118) 사이에 연결되고 게이트 단자가 부유확산영역(115)에 연결된다. 이에 의해 증폭트랜지스터(117)는 부유확산영역(115)에 저장된 전하에 대응하는 전류를 증폭하는 소스팔로우(source follower)의 역할을 수행한다. 증폭트랜지스터(117)는 부유확산영역(115)에 저장된 전하를 전기적 신호로 변환하여 선택트랜지스터(118)를 통해 단위픽셀(110)의 외부로 출력시키는 기능을 수행한다.
선택트랜지스터(118)는 증폭트랜지스터(117)와 수직 신호선의 사이에 연결되고 게이트 단자를 통해 선택제어신호(LS)가 인가된다. 선택트랜지스터(118)가 선택제어신호(LS)에 의해 턴온되면 증폭트랜지스터(117)에 증폭된 신호가 수직 신호선을 통해 단위픽셀(110)의 외부로 전송된다.
배출트랜지스터(119)는 광전변환소자(111)에 인접하여 배치되고 광전변환소자(111)의 축적 전하를 배출하는 역할을 수행한다. 배출트랜지스터(119)는 노광 개시 시에 게이트 전극에 배출제어신호(TXD)의 고전위가 인가되면 광전변환소자(111)의 전하를 배출한다. 배출트랜지스터(119)는 노광 종료 후의 판독 기간 중에 광전변환소자(111)가 포화되어 전하가 오버플로우되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서는 배출트랜지스터(119)가 구비된 화소 구조를 채택하였지만, 다른 실시예로서 배출트랜지스터(119)의 구성을 도입하지 않고 제1 전송제어신호(TX1), 제2 전송제어신호(TX2) 및 리셋제어신호(RX)를 모두 고전위 레벨로 인가하여 제1 전송트랜지스터(112), 제2 전송트랜지스터(114) 및 리셋트랜지스터(116)를 턴온함으로써 배출트랜지스터(119)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
픽셀구동부(200)는 픽셀부(100)의 동작을 제어함과 더불어 픽셀부(100)로부터 출력된 전기적 신호를 처리하여 신호처리부(300)로 전달하는 다양한 기능을 수행한다.
픽셀구동부(200)에 대한 본 실시예의 주요 특징 중 하나는 픽셀부(100)의 노광제어에 관한 것으로, 픽셀구동부(200)는 픽셀부(100)를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행한다. 픽셀구동부(200)의 노광제어에 관한 구체적 동작에 대해서는 후술한다.
이하 도 3을 참조하여 픽셀구동부(200)에 대해 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이 픽셀구동부(200)는 수직구동모듈(210), 컬럼처리모듈(230), 수평구동모듈(250), 제어모듈(260)을 포함한다.
수직구동모듈(210)은 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더 등에 의해 구성되며, 픽셀부(100)의 단위픽셀(110)을 구동한다. 수직구동모듈(210)은 단위픽셀(110)로부터 신호를 판독하기 위해, 픽셀부(100)의 단위픽셀(110)을 행 단위로 차례로 구동시킨다.
또한 수직구동모듈(210)은 판독되는 행의 단위픽셀(110)의 광전변환소자(111)로부터 불필요한 전하를 리셋시키는 전자셔터동작을 수행한다. 수직구동모듈(210)은 각각의 단위픽셀(110)로부터 출력되는 신호를 컬럼처리모듈(230)로 공급한다.
컬럼처리모듈(230)은 선택된 행의 각각의 단위픽셀(110)로부터 입력되는 신호에 대하여 상관이중샘플링(CDS, Correlated Double Sampling) 처리와, 아날로그-디지털 변환, 디지털 변환된 신호의 저장 등을 수행한다. 컬럼처리모듈(230)은 변환된 디지털 신호를 신호처리부(300)로 출력한다.
컬럼처리모듈(230)은 증폭트랜지스터(117)의 턴온에 의해 단위픽셀(110)의 외부로 출력되는 전기적 신호를 리셋레벨 또는 신호레벨로 구분하여 판독할 수 있다. 이러한 판독동작을 위해서는 선택제어신호(LS)에 의해 선택트랜지스터(118)가 턴온된 상태여야 한다.
수평구동모듈(250)은 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더 등에 의해 구성되며, 컬럼처리모듈(230)의 화소열에 대응하는 단위픽셀(110)을 차례대로 선택한다. 이 수평구동모듈(250)에 의한 선택 및 주사에 의해, 컬럼처리모듈(230)에서 신호 처리된 화소 신호가 차례대로 출력된다.
제어모듈(260)은 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 발생기 등에 의해 구성되며, 타이밍 발생기에서 생성된 각종의 타이밍 신호를 기초로 수직구동모듈(210), 컬럼처리모듈(230) 및 수평구동모듈(250) 등의 제어를 수행한다. 제어모듈(260)은 수직구동모듈(210)을 통해 픽셀부(100)에 대한 노광제어를 수행한다.
이하에서는 도 4 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀의 구동방법에 대해 설명한다.
픽셀구동부(200)는 픽셀부(100)를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행한다. 또한 픽셀구동부(200)는 상기 단위픽셀에 대한 전체 노광기간을 제1 노광기간(T1)과 제2 노광기간(T2)으로 구분한다. 제1 노광기간(T1)은 LED 플리커에 의한 이미지 왜곡을 방지하기 위해 설정된 기간으로 LED 및 형광등과 같은 광원의 플리커 주파수를 고려하여 복수개로 분할된 분할노광기간(Td)들을 포함한다.
제2 노광기간(T2)은 광원의 플리커를 고려하지 않고 광을 감지하기 위한 기간으로, 제1 노광기간(T1)과 제2 노광기간(T2)의 비율은 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1) 자체의 광감도의 감소율에 의해 설정될 수 있다.
광감도의 감소율은 "제2 노광기간(T2)/전체 노광기간"과 같은 수식으로 표현할 수 있다. 전체 노광기간이 설정된 경우 제2 노광기간(T2)은 사전에 정해진 광감도의 감소율에 의해 설정된다.
예를 들면 제2 노광기간(T2)이 작을수록 광감도는 감소한다. LED 플리커의 완화를 위해 제1 노광기간(T1)을 지나치게 증가시키면 이미지센서의 광감도는 감소하게 된다.
본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1)는 제1 노광기간(T1) 동안 플리커 감소 모드의 동작을 수행하고 제2 노광기간(T2) 동안 일반 모드의 동작을 수행한다.
도 4에서는 편의상 다수의 행들 중 2개의 행에 대해서만 타이밍도를 예시적으로 도시하였다.
도 4의 타이밍도 및 도 5의 포텐셜도 "(1)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 리셋제어신호(RX)가 고전위 레벨을 유지하여 리셋트랜지스터(116)가 턴온된 상태에서 제2 전송제어신호(TX2) 및 배출제어신호(TXD)를 고전위 레벨로 인가함으로써 제2 전송트랜지스터(114) 및 배출트랜지스터(119)를 턴온시킨다. 이에 의해 광전변환소자(111), 전하유지부(113), 부유확산영역(115)에 남아있는 전하가 리셋됨으로써 행별 노광의 시작 전 단위픽셀(110)이 초기화될 수 있다.
도 4의 타이밍도 및 도 5의 포텐셜도의 "(2)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 단위픽셀(110)의 초기화 후 배출제어신호(TXD), 제1 전송제어신호(TX1), 제2 전송제어신호(TX2)를 저전위 레벨로 인가함으로써 배출트랜지스터(119), 제1 전송트랜지스터(112), 제2 전송트랜지스터(114)를 턴오프시킨다.
도 4의 타이밍도 및 도 5의 포텐셜도의 "(3)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제1 전송제어신호(TX1)를 고전위 레벨로 인가하여 제1 전송트랜지스터(112)를 턴온함으로써 배출트랜지스터(119)의 턴오프 시점부터 광전변환소자(111)에 축적된 전하를 전하유지부(113)로 전송한다.
엄밀하게 광전변환소자(111)에 의한 전하의 축적은 제1 전송트랜지스터(112)의 턴온 상태에서도 계속 진행되고 있다. 따라서 제1 전송트랜지스터(112)의 턴온에 의해 전하유지부(113)로 전송되는 전하는 도 4에 나타난 바와 같이 분할노광기간(Td) 동안 광전변환소자(111)에 축적된 전하에 해당한다.
즉 분할노광기간(Td)은 배출트랜지스터(119)의 턴오프시점으로부터 제1 전송트랜지스터(112)의 턴오프시점까지의 기간에 의해 설정된다. 도 4에서는 분할노광기간(Td)을 편의상 2개로 가정하여 설명하였으나, 실제적으로는 2개 이상 복수개의 분할노광기간(Td)이 포함되어 있다.
제1 노광기간(T1) 내에 포함된 복수개의 분할노광기간(Td)의 반복 주기 및 개수는 광원의 플리커에 의한 이미지의 왜곡을 방지하기 위해 광원의 플리커 주파수를 고려하여 설정된다.
분할노광기간(Td)의 반복 주기는 광원의 플리커 주기(1/주파수) 보다 "1/n"배 이하의 짧은 시간으로 정해질 수 있다. "n"은 2 이상의 값으로 정해질수 있다.
예를 들면, 광원 중 LED 광원의 플리커 주기는 보통 "1/80"~"1/480"초로 정해지 있지 않으며 특수한 LED의 경우 "1/2000"초 까지도 짧아질 수 있다. 따라서 분할노광기간(Td)의 반복 주기는 최소로 짧아질 경우 수 ㎲까지도 설정될 수 있다.
제1 노광기간(T1) 및 제2 노광기간(T2) 모두는 LED 광원의 최대 플리커 주기 "1/80"초보다는 길게 설정될 수 있다.
도 4의 타이밍도 및 도 5의 포텐셜도의 "(4)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제1 전송트랜지스터(112)를 턴오프한다. 제1 전송트랜지스터(112)의 턴오프시점으로부터 광전변환소자(111)에 전하가 축적되고, 이러한 전하의 축적은 제1 전송분할노광기간(Td)보다 긴 노광기간 동안 수행될 수 있다. 예를 들면 제1 전송트랜지스터(112)의 턴오프로부터 분할노광기간(Td)의 수 내지 수십배의 시간 동안 광전변환소자(111)에 전하가 축적될 수 있다.
도 4의 타이밍도 및 도 6의 포텐셜도의 "(5)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 배출트랜지스터(119)를 턴온함으로써 "(4)"상태에 의해 광전변환소자(111)에 축적된 전하를 배출한다.
도 4의 타이밍도 및 도 6 및 도 7의 "(6)" ~ "(9)"나타난 동작은 전술한 "(2)" ~ "(5)"에 나타난 동작과 동일하다. 이러한 반복 동작은 분할노광기간(Td)의 개수만큼 반복 수행된다.
분할노광기간(Td)의 개수를 "N"으로 하면, 넓은 다이내믹 레인지의 비율(WDR ratio)은 수식 "T2/(NㅧTd)"로 정해질 수 있다.
픽셀구동부(200)는 복수의 분할노광기간(Td) 동안 광전변환소자(111)에 각각 축적된 전하를 "(3)"및 "(7)"과 같이 분할노광기간(Td)의 개수만큼 순차적으로 전하유지부(113)로 전송하는 제1 전송동작을 수행한다.
제1 전송동작은 "(5)" 및 "(9)"와 같이 "(4)" 및 "(8)" 기간 동안 광전변환소자(111)에 축적된 전하를 리셋하는 동작을 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 타이밍도는 제1 전송동작에 이러한 리셋동작이 포함된 것을 전제로 도시한 것이다.
도 4의 타이밍도 및 도7의 포텐셜도의 "(10)","(11)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 배출트랜지스터(119)를 턴오프한다. 배출트랜지스터(119)의 턴오프 시점으로부터 광전변환소자(111)에 전하가 축적된다. (10)" 및 "(11)" 상태에서 전하유지부(113)에 저장된 전하는 제1 신호전하로서 추후 부유확산영역으로 전송되어 판독된다.
도 7의 "(10)" 및 "(11)" 상태에서 전하유지부(113)에 저장된 전하를 전술한 "(9)" 상태에서 전하유지부(113)에 저장된 전하와 다르게 전하량이 많게 도시한 것은 실제로 제1 신호전하로서 사용되는 전하가 2개 이상의 분할노광기간(Td)에 의해 축적되는 전하임을 나타내기 위함이다.
도 4의 타이밍도 및 도7의 포텐셜도의 "(12)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 리셋제어신호(RX)가 고전위 레벨을 유지하여 부유확산영역(115)을 리셋하고, 선택제어신호(LS)를 고전위 레벨로 인가하여 선택트랜지스터(118)를 턴온함으로써 판독모드를 시작한다.
도 4의 타이밍도 및 도 8의 포텐셜도의 "(13)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 선택제어신호(LS)를 고전위 레벨로 인가한 후 바로 리셋제어신호(RX)를 저전위 레벨로 전환하고, 위의 "(12)"에서 리셋된 부유확산영역(115)의 전하값을 플리커 감소 모드의 리셋레벨로 판독한다.
리셋레벨의 판독은 리셋레벨 샘플링 제어신호(R_SH)가 고전위 레벨인 경우 수행된다. 증폭트랜지스터(117)는 리셋된 부유확산영역(115)에 저장된 전하를 전기적 신호로 변환한다. 증폭트랜지스터(117)에 의해 변환된 전기적 신호는 선택트랜지스터(118)를 거쳐 픽셀구동부(200)의 컬럼처리모듈(230)에 의해 판독된다.
픽셀구동부(200)는 리셋제어신호(RX)를 리셋레벨의 판독이 이루어지기 직전까지 고전위 레벨로 유지함으로써, 광전변환소자(111)에 전하가 축적되는 동안 오버플로우되어 부유확산영역(115)으로 전송되는 전하나 제2 전송트랜지스터(114) 및 부유확산영역(115)에서 발생되는 dark 신호를 제거할 수 있다.
도 4의 타이밍도 및 도 8의 포텐셜도의 "(14)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 "(13)"에 의한 리셋레벨 판독 후 제2 전송트랜지스터(114)를 턴온하여 전하유지부(113)에 저장된 제1 신호전하를 부유확산영역(115)으로 전송하는 제2 전송동작을 수행한다. 이러한 제2 전송트랜지스터(114)의 턴온은 제2 전송제어신호(TX2)가 고전위 레벨일 때 수행된다.
도 4의 타이밍도 및 도 8의 포텐셜도의 "(15)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 "(14)"에 의한 제2 전송동작 후 제2 전송트랜지스터(114)를 턴오프하고, 부유확산영역(115)에 저장된 제1 신호전하를 플리커 감소 모드의 신호레벨로 판독한다.
신호레벨의 판독은 신호레벨 샘플링 제어신호(S_SH)가 고전위 레벨인 경우 수행된다. 증폭트랜지스터(117)는 부유확산영역(115)에 저장된 제1 신호전하를 전기적 신호로 변환한다. 증폭트랜지스터(117)에 의해 변환된 전기적 신호는 선택트랜지스터(118)를 거쳐 픽셀구동부(200)의 컬럼처리모듈(230)에 의해 판독된다.
즉 컬럼처리모듈(230)은 각각의 단위픽셀(110)들로 부터 입력된 전기적 신호를 리셋레벨 및 신호레벨로 판독하여 상관이중샘플링 처리와 아날로그-디지털 변환 등을 수행한다.
도 4의 타이밍도 및 도 8 및 도 9 포텐셜도의 "(16)", "(17)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 리셋트랜지스터(116)를 턴온하여 부유확산영역(115)을 리셋하고, 제1 전송트랜지스터(112)를 턴온하여 전술한 제1 전송동작 완료 후 제2 노광기간(T2)의 경과 후 광전변환소자(111)에 축적된 제2 신호전하를 전하유지부(113)로 전송하는 제3 전송동작을 수행한다.
제2 신호전하는 전술한 제1 전송동작 완료 후 제2 노광기간(T2) 동안 광전변환소자(111)에 축적된 전하이다. 제2 신호전하는 도 7의 "(9)"에 의해 배출트랜지스터(119)가 턴오프된 시점으로부터 도 9의 "(17)"에 의해 제1 전송트랜지스터(112)가 턴오프된 시점까지인 제2 노광기간(T2) 동안 광전변환소자(111)에 축적된 전하이다.
픽셀구동부(200)는 리셋레벨 샘플링 제어신호(R_SH)를 고전위 레벨로 인가함으로써 도 8의"(16)"에 의해 리셋된 부유확산영역(115)에 저장된 전하값을 일반 모드의 리셋레벨로 판독한다.
도 4의 타이밍도 및 도 9의 포텐셜도의 "(18)", "(19)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제1 전송트랜지스터(112)를 턴오프하고 제2 전송트랜지스터(114)를 턴온하여 "(17)"에 의해 전송된 제2 신호전하를 부유확산영역(115)으로 전송한다.
도 4의 타이밍도 및 도 9의 포텐셜도의 "(20)"에 나타난 바와 같이 픽셀구동부(200)는 제2 전송트랜지스터(114)를 턴오프하고 신호레벨 샘플링 제어신호(S_SH)를 고전위 레벨로 인가함으로써 부유확산영역(115)에 저장된 제2 신호전하를 일반 모드의 신호레벨로 판독한다.
한편 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1)는 제1 노광기간(T1) 및 제2 노광기간(T2) 중 하나 만을 선택하여 동작할 수도 있다. 즉 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1)는 2가지 모드로 동작할 뿐 아니라, 플리커 감소 모드 및 일반 모드 중 하나만으로도 동작할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1)는 LED 및 형광등과 같은 광원의 플리커 주파수를 고려하여 전체 노광기간의 일부를 복수개의 분할노광기간으로 분할함으로써 광원의 플리커에 의한 이미지의 왜곡을 완화시킬 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 CMOS 이미지센서(1)는 광원의 플리커에 의한 이미지의 왜곡을 완화시키기 위한 제1 노광기간과 광원의 플리커를 고려하지 않고 광을 감지하기 위한 제2 노광기간의 비율을 이미지센서의 광감도의 감소율을 고려하여 설정함으로써 광원의 플리커에 의한 이미지의 왜곡을 완화하면서 동시에 광감도의 손실을 최소화할 수 있다.
1: CMOS 이미지센서
100: 픽셀부
110: 단위픽셀
111: 광전변환소자
112: 제1 전송트랜지스터
113: 전하유지부
114: 제2 전송트랜지스터
115: 부유확산영역
116: 리셋트랜지스터
117: 증폭트랜지스터
118: 선택트랜지스터
119: 배출트랜지스터
200: 픽셀구동부
210: 수직구동모듈
230: 컬럼처리모듈
250: 수평구동모듈
260: 제어모듈
300: 신호처리부

Claims (8)

  1. 입사광량에 대응하여 전하를 발생하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부; 및
    상기 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광제어를 수행하고, 상기 단위픽셀에 대한 전체 노광기간 중 일부인 제1 노광기간을 복수개의 분할노광기간으로 분할하는 픽셀구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분할노광기간의 반복 주기 및 반복 회수는 광원의 플리커 주파수에 의하여 설정되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분할노광기간의 반복 주기는 상기 광원의 플리커 주기보다 "1/n"배 이하의 짧은 시간으로 설정되고, "n"은 2 이상의 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위픽셀은 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 전송되는 전하를 유지하는 전하유지부와, 상기 전하유지부로부터 전송되는 전하를 저장하는 부유확산영역을 구비하고,
    상기 픽셀구동부는 상기 단위픽셀의 초기화 후 상기 각각의 분할노광기간들 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하들을 상기 분할노광기간의 개수만큼 상기 전하유지부로 순차적으로 전송하는 제1 전송동작과, 상기 제1 전송동작의 완료 후 사전에 정해진 기간 경과 후 상기 제1 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 전하를 제1 신호전하로서 상기 부유확산영역으로 전송하는 제2 전송동작과, 상기 제1 전송동작 완료 후 제2 노광기간의 경과 후 상기 제2 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 제2 신호전하로서 상기 전하유지부로 전송하는 제3 전송동작과, 상기 제3 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제2 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제4 전송동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전송동작은 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 상기 전하유지부로 전송하고 사전에 정한 기간 경과 후 그 기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 리셋하는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 노광기간 및 상기 제2 노광기간의 비율은 사전에 정해진 본 CMOS 이미지센서 자체의 광감도의 감소율에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 단위픽셀은 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 상기 전하유지부로 전송하기 위한 제1 전송스위치와, 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 외부로 배출하기 위한 배출트랜지스터를 더 구비하고,
    상기 분할노광기간은 상기 배출트랜지스터의 턴오프시점으로부터 상기 제1 전송트랜지스터의 턴오프시점까지의 기간에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서.
  8. 입사광량에 대응하여 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 전송되는 전하를 유지하는 전하유지부와, 상기 전하유지부로부터 전송되는 전하를 저장하는 부유확산영역을 구비하는 복수의 단위픽셀이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀부를 행별로 일정 시차를 두고 순차적으로 노광 제어를 수행하는 픽셀의 구동방법에 있어서,
    상기 단위픽셀에 대한 전체 노광기간 중 일부인 제1 노광기간을 복수개의 분할노광기간으로 분할하는 단계;
    상기 단위픽셀의 초기화 후 상기 각각의 분할노광기간들 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하들을 상기 분할노광기간의 개수만큼 상기 전하유지부로 순차적으로 전송하는 제1 전송단계;
    상기 제1 전송단계의 완료 후 사전에 정해진 기간 경과 후 상기 제1 전송동작에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 전하를 제1 신호전하로서 상기 부유확산영역으로 전송하는 제2 전송단계;
    상기 제1 전송단계의 완료 후 제2 노광기간의 경과 후 상기 제2 노광기간 동안 상기 광전변환소자에 축적된 전하를 제2 신호전하로서 상기 전하유지부로 전송하는 제3 전송단계; 및
    상기 제3 전송단계에 의해 전송되어 상기 전하유지부에 저장된 상기 제2 신호전하를 상기 부유확산영역으로 전송하는 제4 전송단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀의 구동방법.
KR1020170022082A 2017-02-20 2017-02-20 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서 KR101895982B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170022082A KR101895982B1 (ko) 2017-02-20 2017-02-20 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서
PCT/KR2018/001868 WO2018151499A1 (ko) 2017-02-20 2018-02-13 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170022082A KR101895982B1 (ko) 2017-02-20 2017-02-20 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180096839A true KR20180096839A (ko) 2018-08-30
KR101895982B1 KR101895982B1 (ko) 2018-10-05

Family

ID=63169539

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170022082A KR101895982B1 (ko) 2017-02-20 2017-02-20 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101895982B1 (ko)
WO (1) WO2018151499A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113347375B (zh) * 2021-06-01 2023-01-03 天津大学 脉冲图像传感器的像素闪烁抑制方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3899859B2 (ja) * 2001-07-11 2007-03-28 ソニー株式会社 固体撮像素子およびその駆動方法、並びにカメラシステム
JP4378599B2 (ja) 2003-07-04 2009-12-09 ソニー株式会社 撮像装置及びその制御方法
JP4807253B2 (ja) 2006-12-28 2011-11-02 株式会社デンソー 画像データ生成装置及び受光デバイス
JP5630991B2 (ja) * 2009-12-14 2014-11-26 キヤノン株式会社 撮像装置
KR20110078974A (ko) * 2009-12-31 2011-07-07 주식회사 동부하이텍 이미지 센서의 구동 방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018151499A1 (ko) 2018-08-23
KR101895982B1 (ko) 2018-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10567691B2 (en) Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus
KR101679863B1 (ko) 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 구동 방법 및 전자 기기
KR101435964B1 (ko) 촬상장치 및 고체 촬상소자의 구동방법
US9432602B2 (en) Solid-state imaging device, driving method, and electronic device
CN108337459B (zh) 图像拾取装置和图像拾取系统
US8212905B2 (en) Photoelectric conversion device, imaging system, and photoelectric conversion device driving method
EP2375728B1 (en) Solid-state image pickup element and method for controlling same
US8174601B2 (en) Image sensor with controllable transfer gate off state voltage levels
JP2009278241A (ja) 固体撮像装置の駆動方法および固体撮像装置
US8072524B2 (en) Solid-state image-sensing device
US9986191B2 (en) Image capturing apparatus and image capturing system
US10735676B2 (en) Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device and electronic apparatus for extending a dynamic range
KR101867345B1 (ko) 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서
JP2009177378A (ja) 固体撮像装置
JP2021182770A (ja) 撮像素子、及び撮像装置
KR101895982B1 (ko) 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서
JP5335465B2 (ja) 固体撮像素子及び撮像装置
KR20180011562A (ko) 단위 픽셀 장치 및 그 동작 방법
JP2000209508A (ja) 固体撮像装置
KR101867344B1 (ko) 픽셀의 구동방법 및 이를 이용하는 cmos 이미지센서
US11528443B2 (en) Imaging device and imaging method
US20210185261A1 (en) Imaging device and imaging method
JP2012244379A (ja) 固体撮像装置
JP4654783B2 (ja) 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置
EP2745502B1 (en) Pixel, pixel array, image sensor including the same and method for operating the image sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right