KR100776135B1 - 온도 및 노이즈 보상을 고려한 이미지 센서의 자동 암 전류보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지 센서의 노이즈로 작용하는 암전류(dark current)를 효과적으로 보상 할 수 있는 이미지 센서의 암전류 보상 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 이미지 신호를 입력받아 영상 신호를 만들기 위한 다수의 픽셀을 구비한 픽셀 화소 어레이부 및 상기 픽셀 화소 어레이부의 주변에 형성되어 빛이 집광되지 않은 상태에서 발생되는 암전류를 형성하기 위한 블랙라인을 구비한 이미지 센서의 암전류 보상 방법에 있어서, 집적시간이 0인 아이들(Idle) 상태에서 상기 화소 어레이부 및 블랙라인 모두로부터 이미지 신호를 샘플링하여 암전류 보상값을 형성하는 제 1 단계; 이미지 센싱시에 상기 블랙라인으로부터 이미지 신호를 샘플링하여 정상동작시의 암전류값을 형성하는 제 2 단계; 및 상기 제 1 단계의 암전류 보상값을 반영하여 상기 제 2 단계의 암전류값을 보상하는 제 3 단계를 포함하는 이미지 센서의 암전류 보상 방법을 제공한다.

이미지 센서, 암전류, 보상, 블랙라인

Description

온도 및 노이즈 보상을 고려한 이미지 센서의 자동 암 전류 보상 방법{Method for compensating dark current in image sensor in consideration of temperature and noise}

도1은 일반적인 이미지 센서의 구성을 도시한 도면.

도2는 종래의 일실시 예에 따른 이미지 센서의 구성을 도시한 도면.

도3은 종래의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 구성을 도시한 도면

도4는 본 발명에 따른 이미지 픽셀부와 블랙라인 픽셀부의 시간 제어를 도시한 테이블

도5는 본 발명에 따른 블랙라인에서의 암전류값 산출 방법 및 이미지 픽셀부에서의 샘플링된 픽셀부를 설명하기 위한 개략도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

30: 화소배열부 33: 아날로그 라인 버퍼부

32a: 로우디코더 32b: 칼럼 디코더

51: 합 및 평균 블록 52: 암전류 계산부

본 발명은 사용 환경에 상관없이 특성 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서의 암전류 보상 방법에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 노이즈로 작용하는 암전류(dark current)를 효과적으로 보상할 수 있는 이미지 센서의 암전류 보상 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서들은 암전류를 보상하기 위한 특정 화소부를 가지며 암 전류만을 측정하기 위해 메탈로 보호된 화소부를 사용한다. 이를 블랙라인이라 명하고 이미 데이터를 생성하는 화소 배열부를 이미지 픽셀부라고 명한다. 종래의 이미지 센서를 도1을 참조하면, 제어신호 발생기(10)의 제어를 통해 이미지 화소 배열부(11)에 위치한 픽셀들로부터 전송된 신호를 CDS(correlated-double sampling)거쳐 디지털 프로그램 가능한 아날로그 증폭기(12)에서 신호 증폭을 수행하고, ADC변환기(13)를 거쳐 ISP(Image Signal Processor)(14)에서 이미지 데이터를 가공하게 된다. 또한, 이미지 픽셀부는 아날로그 패스 또는 서브 노이즈(Sub-Noise)의 유입으로 인해 이미지 질을 저하시키는 고정 패턴 노이즈를 생성하게 되는데, 이 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위해 광원 유입을 차단한 블랙라인(15)을 이용하게 된다.

이미지 센서에서 암전류를 보상하기 위한 상기 종래의 기술은, 블랙라인(15)은 광원 차단을 위해 메탈로 보호된 영역에서 픽셀에서의 순수한 암전류를 측정하고 이미지 데이터를 생성하는 이미지 픽셀부에 상기 블랙라인에서 얻어진 암전류값 을 보상함으로써 이미지 특성 저하를 최소화할 수 있다.

그러나 블랙라인은 광원의 유입을 차단하기 위해서 이미지 화소부와 일정 거리를 이격시켜야하고, 참조하는 블랙라인의 수로는 전체 픽셀에 대한 암전류 보상값을 정확히 대변하지 못하기 때문에 이미지 데이터를 생성하는 화소 배열부들에 대한 암전류 보상 및 온도 상승으로 인한 노이즈 증가에 대한 정확한 보상이 되지 않는다는 문제점이 있었다.

한편, 미합중국특허 공개번호 제 2003/0184666A1 호는 업데이트된 오프셋 값의 타이밍을 조절하는 방법을 개시하고 있는데, 도2를 통해 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 빛에 반응하는 성질을 극대화시키도록 화소(Pixel)를 가로 N개, 세로 M개(N,M은 자연수)로 배치하여, 외부에서 들어오는 이미지에 대한 정보를 감지하는 제1화소군(20) 즉, 코아 화소배열부와, 제1화소군(20)의 열방향의 일측 및 타측에 배열되어 그 구성 화소에 대한 블랙 레벨의 오프셋 값을 산출하기 위한 제2화소군(21) 및 광차단을 위한 제3화소군(22)을 포함하는 화소배열부(30)와, 블랙 레벨의 오프셋 값에 따라 제2화소군(21)의 오프셋 값을 변화시켜 블랙 레벨에 의한 오프셋 변화를 제거하기 위한 오프셋 조정부(31)를 구비하여 구성된다.

구체적으로, 화소배열부(30)로부터의 신호를 전달받아 버퍼링하는 아날로그 라인 버퍼부(33)와, 아날로그 라인 버퍼부(33)의 출력 즉, 화소데이터을 증폭하기 위한 증폭부(34)와 ADC(35)와 화소배열부(30)의 행과 열을 각각 제어하기 위한 로우디코더(32a)와, 칼럼디코더(32b)를 구비하며, 오프셋 조정부(31)는 산출된 블랙 레벨의 오프셋 값과 초기설정된 오프셋 값(Initial offset)의 차에 따라 R(적색), G(녹색), B(청색) 각 색상별로 업데이트된 오프셋 값(Update ADC offset)의 타이밍에 맞게 적용하기 위한 타이밍제어부(31a)와, 타이밍제어부(31a)에 의해 제공되는 업데이트된 오프셋 값과 제1화소군(20)으로부터의 아날로그 화소 데이터를 가산하여 아날로그 데이터를 보상하기 위한 가산부(31b)를 포함한다. 아날로그 라인 버퍼부(33)는 선택된 한 행의 화소들의 전압을 감지하여 저장하는 역할을 하며, 증폭부(34) 예컨대, PGA는 아날로그 라인 버퍼부(33)에 저장된 화소 전압이 작은 경우 이를 증폭하는 역할을 하며, 증폭부(34)를 거친 아날로그 데이터는 색상 보간 및 색상 보정을 위하여 RGB 각각의 이득을 조절할 수 있으며, ADC(35)를 통해 디지털 값으로 변환되어 출력하게 된다.

그러나, 상기 종래의 타이밍 조절 역시 특정 지역의 블랙라인만을 참조하기 때문에 정확한 암 전류값을 산출하는 것은 불가능 하다는 문제점이 있었다.

한편, 미합중국특허 공개번호 제 2005/0024502A1 호를 참조하면, 픽셀 값을 ADC 변환하기 전 아날로그증폭시에 블랙라인을 통한 오프셋을 고려하는 방법을 개시하고 있다. 구체적으로 도3을 참조하면, ADC 변환기의 출력과 블랙라인으로부터의 참조신호(도면에 도시되어 있지 않음)를 입력받아 디지털 블록에서 수정(오차) 신호를 생성하면, 이 신호를 기반으로 컴퓨팅 수단 및 DAC에서 상기 아날로그증폭기의 이득을 조절하는 오프셋 전압을 생성하게 된다.

그러나 블랙라인은 참조하는 픽셀 수와 위치에 따라 이미지 픽셀부에서 사용되는 암전류값을 정확히 대변하지 못하므로 정확한 암전류값을 산출할 수 없다는 문제점이 있었다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 블랙라인 뿐만 아니라 픽셀부에서 얻은 추가적인 암전류 보상값을 이용함으로써 보다 더 정확한 암전류값을 산출할 수 있는 이미지 센서의 암전류 보상 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 부가적인 블랙라인을 최소화하면서도 전체 픽셀의 노이즈를 효과적으로 보상할 수 있는 암전류를 생성함으로써 정확한 영상 데이터를 얻을 수 있는 이미지 센서의 암전류 보상 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이미지 신호를 입력받아 영상 신호를 만들기 위한 다수의 픽셀을 구비한 화소 어레이부와, 상기 화소 어레이부의 주변에 배치되어 빛이 집광되지 않은 상태에서 발생되는 암전류를 생성하기 위한 블랙라인을 구비한 이미지 센서의 암전류 보상 방법에 있어서, 집광시간이 0인 아이들(Idle) 상태에서 상기 화소 어레이부와 상기 블랙라인으로부터 각각 이미지 신호를 샘플링한 후 합 및 평균하여 암전류 보상값을 산출하는 단계와, 상기 집광시간을 이미지 센싱을 위한 정상 동작시와 동일하게 설정한 상태에서 상기 블랙라인으로부터 이미지 신호를 샘플링한 후 합 및 평균하여 암전류값을 산출하는 단계와, 상기 블랙라인의 암전류 보상값과 상기 화소 어레이부의 암전류 보상값을 비교하여 비교값을 생성한 후, 상기 비교값이 사용자가 기 설정한 기준값 이상일 경우 상기 화소 어레이부와 상기 블랙라인의 암전류 보상값을 이용하여 상기 암전류값을 보상하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 암전류 보상 방법을 제공한다.

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본 발명은 블랙라인을 참조하는 픽셀 수와 위치에 따라 이미지 픽셀부에서 사용되는 암전류값을 정확히 대변하지 못하므로, 이미지 픽셀부에서 얻은 추가적인 암전류 보상값을 이용함으로써 보다 더 정확한 암전류값을 산출한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 바, 도4는 본 발명에 따른 이미지 픽셀부와 블랙라인 픽셀부의 시간 제어를 도시한 테이블이고, 도5는 본 발명에 따른 블랙라인에서 암전류값을 산출 방법 및 이미지 픽셀부에서의 샘플링된 픽셀부를 설명하기 위한 개략도이다.

먼저, 본 발명은 블랙라인 및 이미지 픽셀부 각각에서 암전류를 구한다. 본 발명의 일실시 예에 따르면, 두 가지 암전류 보상값을 생성하기 위한 구조 중 블랙라인은, 광원의 유입을 막기 위해 메탈층을 형성하여 설계시 정한 블랙라인의 광원 유입부를 차단하고, 이미지 픽셀부로부터 특정 위치만큼 이격거리를 유지하여, 상기 이미지 픽셀부의 상하기준으로 총 4개의 블랙라인으로 구성하는데, 이미지 픽셀부와 일정 거리 이격되어 광이 차단되는 지역이면 기타 다른 방법의 배열도 가능할 것이다.

본 발명의 블랙라인은 이미지 픽셀부가 정상 동작할 때의 설정값이 그대로 적용되어 동작하게 된다. 따라서, 집광 시간이 적용되지 않고, 집광 시간을 영으로 설정한 상태에서 블랙라인의 암전류 보상값을 산출하게 된다. 그리고 이미지 픽셀부의 암전류 보상값을 산출하기 위해 센서 제어시간 중 센서가 이미지 데이터를 처리하지 않은 블랭크(IDLE Time)시간을 이용하게 된다. 이미지 픽셀부에서 샘플링된 픽셀부들은 일반적인 픽셀 동작 상태에서는 광원이 유입되어 암전류 보상값을 산출할 수 없기 때문에 광원의 유입을 차단하기 위해 픽셀부의 집광 시간을 영으로 설정하여 광원 유입 차단 상태를 만들어 준다. 이러한 상태에서 샘플링된 이미지 픽셀부의 RGB 각 픽셀들에 대한 암전류 보상값을 구한다. 블랙라인에서 얻은 암전류 보상값과 특정 샘플링된 이미지 픽셀부의 암전류 보상값을 비교하여 실제 픽셀들에게서의 온도 특성 및 기타 요인으로 인한 암전류 보상값의 차이를 얻을 수 있다.

상기 차이값은 온도 및 기타 노이즈 특성에 따라 블랙라인 암전류 보상값과 차이를 발생하며 온도가 올라갈수록 그 차이값은 증가한다. 위에서 산출된 암전류 보상값은 실제 픽셀부와 동일하게 설정이 적용되어 산출되는 블랙라인의 암전류 값 에 사용자가 정한 기준 값을 바탕으로 보상 시점 및 값을 산출한다.

도4는 이미지 한 프레임에 대한 시간을 나타낸 것으로, IDLE SLOT(Time) 은 센서가 외부 디바이스를 위해서 내부적으로 아무런 동작도 수행하지 않는 시간이며, HBLANK 구간에서는 라인 스캔 방식을 사용하는 CMOS 이미지 센서에서는 라인을 읽어오기 전 해당 라인을 초기화해주는 시간이고, 실제 픽셀들의 데이터를 가져오는 구간이 HSYNC 구간이 된다. 또한, 센서 동작상에 특정 상황에서 집광 시간과 픽셀 스캔 시간을 조정하기 위한 HOLD SLOT(Time) 그리고 외부 디바이스에 한 프레임의 끝을 알려주는 VSYNC 로 구성되어 있다.

도5를 참조하면, 센서가 아무런 동작을 하지 않는 IDLE Time 상에서 집광 시간을 영으로 설정한 상태에서 블랙라인과 이미지 픽셀부의 샘플링된 라인에서 암전류 보상값을 구하기 위해 픽셀 데이터를 읽어오며 각 픽셀들의 합의 평균값을 산출한다. 이때 배드(bad) 픽셀들을 암전류 보상값에 기여하지 않도록 일정 레벨을 가지는 픽셀은 배드 픽셀들로 판정하여 평균값 산출에서 제외한다. 즉, IDLE Time(집광시간=0)에서 블랙라인 및 이미지 화소 배열부 내의 각각의 화소로부터 암전류 보상값을 형성하게 된다. 도면에서 어두운 색으로 표시된 지역은 집광시간이 영인 시점에서, 배드 픽셀을 제외한 모든 픽셀의 신호를 합 및 평균하여, 이후에 암전류 계산부(52)에 제공되게 된다.

위와 같이 산출된 두 가지 암전류 보상값 중에, 상기 블랙라인으로부터의 암전류 보상값의 평균값이 기준이 되어, 상기 현재 이미지 픽셀부의 암전류 보상값과 비교하게 된다. 이렇게 형성된 비교값은 현재 이미지 픽셀부에서 온도 및 기타 부 수적인 노이즈 유입으로 인하여 실제 픽셀부에 유입되는 양을 측정할 수 있다. 한편, 상기 비교값이 사용자가 기 설정한 소정의 기준값 이상일 경우 암전류값 또는 암전류 보상값에 반영되도록 할 수 있다.

이어서, 블랙라인의 암전류값을 구하기 위해 총 4개 라인의 블랙라인에서 집광 시간을 이미지 픽셀이 정상 동작할 때와 동일하게 설정하여, 합 및 평균 블록(51)에서 블랙라인의 암전류 값을 구하게 된다. 산출된 암전류값과 전술한 암전류 보상값들 중, 정상 동작 설정 후의 블랙라인 암전류값이 기본적으로 사용되지만, 암전류 보상값들은 사용자가 정한 기준값 이상일 경우에는 암전류값에 기여하도록 한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 픽셀의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위해 산출된 블랙라인의 암전류 값만을 사용하지 않고 이미지 픽셀부에 대한 암전류 보상값도 적용함으로써 정확한 암전류값을 산출할 수 있다. 그러므로 블랙라인과 이미지 픽셀부간의 이격 오차 전류값을 정확히 측정가능하며 모듈 내부의 온도 상승으로 인한 노이즈 영향이 반영되고 이미지 픽셀부의 기판(substrate)으로 유입되 는 노이즈 성분을 제거 산출 및 보정함으로써 이미지 데이터의 질을 높이는데 큰 효과가 있다.

Claims (5)

1. 이미지 신호를 입력받아 영상 신호를 만들기 위한 다수의 픽셀을 구비한 화소 어레이부와, 상기 화소 어레이부의 주변에 배치되어 빛이 집광되지 않은 상태에서 발생되는 암전류를 생성하기 위한 블랙라인을 구비한 이미지 센서의 암전류 보상 방법에 있어서,

   집광시간이 0인 아이들(Idle) 상태에서 상기 화소 어레이부와 상기 블랙라인으로부터 각각 이미지 신호를 샘플링한 후 합 및 평균하여 암전류 보상값을 산출하는 단계;

   상기 집광시간을 이미지 센싱을 위한 정상 동작시와 동일하게 설정한 상태에서 상기 블랙라인으로부터 이미지 신호를 샘플링한 후 합 및 평균하여 암전류값을 산출하는 단계; 및

   상기 블랙라인의 암전류 보상값과 상기 화소 어레이부의 암전류 보상값을 비교하여 비교값을 생성한 후, 상기 비교값이 사용자가 기 설정한 기준값 이상일 경우 상기 화소 어레이부와 상기 블랙라인의 암전류 보상값을 이용하여 상기 암전류값을 보상하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서의 암전류 보상 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 화소 어레이부에서 이미지 신호를 샘플링하는 단계에서는, 상기 화소 어레이부에서 불량 픽셀의 이미지 신호를 포함시키지 않는 이미지 센서의 암전류 보상 방법.
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