KR101536323B1

KR101536323B1 - 플리커 노이즈 방지를 위한 씨모스 이미지 센서

Info

Publication number: KR101536323B1
Application number: KR1020130116176A
Authority: KR
Inventors: 신현택
Original assignee: 클레어픽셀 주식회사
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-07-14
Also published as: KR20150037018A

Abstract

플리커 노이즈 방지를 위한 씨모스 이미지 센서가 개시된다. 씨모스 이미지 센서는, 제1 크기로 형성되고, 제1 노출시간으로 동작되는 제1 포토 다이오드; 상기 제1 포토 다이오드에 축적된 전하를 부유 확산 영역으로 운송하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제1 크기보다 상대적으로 큰 제2 크기로 형성되는 제2 포토 다이오드; 및 상기 제2 포토 다이오드에 축적된 전하를 상기 부유 확산 영역으로 운송하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터를 포함한다.

Description

플리커 노이즈 방지를 위한 씨모스 이미지 센서{CMOS image sensor for preventing flicker noise}

본 발명은 플리커 노이즈 방지를 위한 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.

플리커(flicker) 노이즈는 상용 교류 전원에 의해 점등되는 형광등의 조명상태에서 카메라 등의 광학 영상장치를 이용하여 피사체가 촬영되는 경우 발생하는 일종의 주파수 불일치에 의한 줄무늬 형태의 노이즈로서, 형광등의 휘도 변화의 주파수와 카메라의 수직 동기 주파수의 차이에 의해 출력된 영상신호에 시간적인 명암의 변화가 발생하게 되는 노이즈를 의미한다.

일반적으로 씨모스 이미지 센서는 이미지를 찍어내는 화소부와 화소부에서 생성된 이미지 정보를 처리하는 신호처리부로 구성된다.

이미지 센서의 화소부는 수십 내지 수백만개의 미세한 단위 화소가 모여서 구성되는데, 이미지를 찍기 위해서 화소를 빛에 노출시킬 때, 모든 화소를 한꺼번에 노출시키지는 않는다. 이는 씨모스 이미지 센서의 특징으로, 모든 화소를 빛에 한꺼번에 노출시키게 되면 누설 전류가 증가하는 단점이 있기 때문이다.

이 때문에 씨모스 이미지 센서에서는 예를 들어 800x600급의 이미지 센서의 경우 800개의 단위 화소가 배열된 로우(row), 즉 라인(line) 별로 화소를 빛에 차례로 노출시키는 방법(롤링 셔터 방식)을 채택하고 있다.

이를 참조하여 씨모스 이미지 센서의 동작을 설명하면 먼저, 하나의 라인을 빛에 노출시켜 일정한 집광시간 동안 광전변환소자(예를 들면, 포토 다이오드)로 빛을 받아들인다. 다음으로, 일정간격 후에 다음 라인이 노출되어 일정한 집광시간 동안 이미지정보를 생성해 낸다. 이와 같이 생성된 이미지정보는 외부의 메모리 등에 저장되었다가 신호 처리부에서 처리하여 이미지 재현에 사용된다.

이러한 라인별 집광 시간이, 형광등에 사용되는 전원 주기의 정수배가 아닐 경우에는 플리커 노이즈가 발생한다.

이와 관련하여, 각 라인별 에너지 분포와 플리커 노이즈 발생 상태를 도시한 도 1을 참조하여 간략히 설명한다.

형광등 광원의 에너지 분포는 주기적으로 변화하며, 광원의 공급 전원이 60Hz인 경우를 가정하면 주기(T)는 1/120초(8.33ms)이다. 도 1은 이미지 센서의 라인별 노출시간(t, 집광시간)이 형광등의 공급 전원의 주기(T)의 정수배가 아닌 경우를 가정하며, 도면에서 △는 하나의 라인이 노출되고 다음 라인이 노출되기까지의 시간간격을 나타낸다,

이와 같이 라인별 노출시간이 형광등 주기의 정수배가 아니라면, 각각의 라인이 집광하는 시간이 모두 t 로써 동일할지라도, 각각의 라인별로 들어오는 빛의 에너지는 차이가 있게 된다. 이러한 에너지 차이는 각 라인의 휘도(bright)에 영향을 주게 되며, 이러한 휘도 차이가 이미지에 줄무늬 굴곡을 발생시키는 것이다.

일반적으로 이미지 센서는 자동노출(AE, Auto Exposure) 이라는 기능을 가지고 있는데, 이는 노출시간을 조절하거나 또는 이미지 정보를 처리할 때의 이득(gain) 값을 조절함으로써, 피사체 주위의 밝기에 따라 휘도를 조절하여 사람이 편하게 느낄 수 있는 이미지를 찍을 수 있게 하는 기능이다.

그러나, 자동노출에서 노출시간을 조정함으로써 적절한 휘도값을 얻는 경우라도 조정된 노출시간이 형광등 주기의 정수배가 아니라면 전술한 바와 같은 플리커 노이즈가 발생하는 단점이 있었다.

본 발명은 형광등과 같이 교류 전원을 이용하는 광원에 의한 조명 상황에서 광학 영상장치를 이용하여 피사체를 촬영하는 경우에도 플리커 노이즈의 발생이 방지될 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 저조도 환경에서는 고감도용 포토 다이오드와 플리커 제거용 포토 다이오드를 함께 이용함으로써 밝은 영상과 높은 프레임 레이트의 유지가 가능하고, 또한 노출제어 및 ISO 감도 조절이 용이해질 수 있는 플리커 노이즈 방지를 위한 씨모스 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.

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

참고로, 본 출원은 지식경제부가 지원하는 국가연구개발사업인 "시스템반도체상용화기술개발사업”을 통해 개발된 결과임을 밝혀둔다. [10041125, SXGA급 자동차용 고화질 영상처리기능 및 ECU통합 SoC개발]

본 발명의 일 측면에 따르면, 씨모스 이미지 센서에 있어서, 제1 크기로 형성되고, 제1 노출시간으로 동작되는 제1 포토 다이오드; 상기 제1 포토 다이오드에 축적된 전하를 부유 확산 영역으로 운송하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터; 상기 제1 크기보다 상대적으로 큰 제2 크기로 형성되는 제2 포토 다이오드; 및 상기 제2 포토 다이오드에 축적된 전하를 상기 부유 확산 영역으로 운송하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하는 씨모스 이미지 센서가 제공된다.

플리커 노이즈가 발생되는 촬영 환경에서, 상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터의 동작이 중지될 수 있다.

상기 제1 노출시간은 광원에 공급되는 교류 전원의 주기의 정수배로 설정될 수 있다.

상기 씨모스 이미지 센서는, 상기 제2 크기로 형성되는 n(여기서 n은 임의의 자연수)개의 제3 포토 다이오드; 및 상기 n개의 제3 포토 다이오드 각각에 축적된 전하를 상기 부유 확산 영역으로 각각 운송하기 위하여 각각의 제3 포토 다이오드에 개별적 대응하도록 구비되는 n개의 제3 트랜스퍼 트랜지스터를 더 포함할 수도 있다.

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

본 발명의 실시예에 따르면, 형광등과 같이 교류 전원을 이용하는 광원에 의한 조명 상황에서 광학 영상장치를 이용하여 피사체를 촬영하는 경우에도 플리커 노이즈의 발생이 방지될 수 있는 효과가 있다.

또한 저조도 환경에서는 고감도용 포토 다이오드와 플리커 제거용 포토 다이오드를 함께 이용함으로써 밝은 영상과 높은 프레임 레이트의 유지가 가능하고, 또한 노출제어 및 ISO 감도 조절이 용이해지는 효과도 있다.

도 1은 각 라인별 에너지 분포와 플리커 노이즈 발생 상태를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 화소에 대한 등가 회로를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 동작 타이밍도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 화소에 대한 등가 회로를 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변환을 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 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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 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.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 화소에 대한 등가 회로를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 동작 타이밍도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 화소에 대한 등가 회로를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는 2개의 포토 다이오드(PD, Photo Diode)(210, 230)와 5개의 NMOS 트랜지스터(Tx, Rx, Sx 및 Dx)로 구성된다.

2개의 포토 다이오드(210, 230)는 후술되는 바와 같이 플리커 노이즈 방지용인 제1 포토 다이오드(210)와 고감도용인 제2 포토 다이오드(230)로 구성될 수 있다.

제2 포토 다이오드(230)는 어두운 저조도 환경에서도 밝은 영상과 높은 프레임 레이트를 확보할 수 있도록 하기 위해 제1 포토 다이오드(210)에 비해 큰 면적의 포토 다이오드 영역을 가지도록 형성될 수 있다.

제2 포토 다이오드(230)는 고감도용으로서 플리커 노이즈의 발생을 방지하기 위해 설정되는 노출시간을 적용하는 경우 최소 ISO 감도에서도 이미지가 포화되는 현상이 발생될 수 있으므로, 플리커 제거용으로 이용될 제1 포토 다이오드(210)에 비해 짧은 노출시간을 가지도록 설정될 수 있다. 물론 제1 포토 다이오드(210)와 같은 노출시간을 가지거나 필요에 따라서는 오히려 큰 노출시간을 가지도록 설정될 수도 있다.

따라서, 제2 포토 다이오드(230)에 의해 방지되지 못하는 플리커 노이즈가 제1 포토 다이오드(210)의 구동에 의해 방지될 수 있도록 하기 위해 제1 포토 다이오드(210)의 노출시간은 광원에 공급되는 교류 전원의 주기의 정수배가 되도록 설정될 수 있다. 또한 주변 밝기 환경에 따라 ISO 감도 조절을 통해 출력의 밝기가 조정될 수도 있다.

제1 포토 다이오드(210)와 제2 포토 다이오드(230) 각각은 각 포토 다이오드에 축적된 광전하를 부유 확산 영역(FD, Floating Diffusion)으로 운송하기 위한 제1 트랜스퍼 트랜지스터(Tx, Transfer Transistor)(220) 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터(240)에 전기적으로 각각 연결될 수 있다.

또한, 도시된 바와 같이 원하는 값으로 부유 확산 영역(FD)의 전위를 세팅(setting)하고 전하를 배출하여 부유 확산 영역을 리셋(reset)시키기 위한 기능을 수행하는 리셋 트랜지스터(Rx, Reset Transistor), 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 수행하는 소스 팔로워 트랜지스터(Dx, Source Follower Transistor) 및 스위칭(switching) 역할로 어드레싱(addressing)할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx, Select Transistor)가 더 포함될 수 있다.

이러한 씨모스 이미지 센서의 단위 화소의 동작 방식을 간단히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 리셋 트랜지스터(Rx)가 턴 온(turn on)되면 부유 확산 영역(FD)의 전위가 인가전압(VDD)이 된다. 외부에서 포토 다이오드(PD)(210, 230)에 빛이 입사되면 전자-홀 쌍(EHP, Electron-Hole Pair)이 생성되어 신호 전하가 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)(220, 240)의 소스 영역에 축적된다.

트랜스퍼 트랜지스터(Tx)(220, 240)가 턴 온되면 축적된 신호 전하는 부유 확산 영역(FD)으로 전달되어 부유 확산 영역(FD)의 전위가 변화됨과 동시에 소스 팔로워 트랜지스터(Dx)의 게이트 전위가 변화된다. 이때, 선택 신호에 의해 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 턴 온되면 데이터(data)가 출력단(Out)으로 출력된다.

리셋 트랜지스터(Rx)가 다시 턴 온되면 부유 확산 영역(FD)의 전위가 인가 전압(VDD)이 되고, 이러한 과정을 반복하여 영상 신호가 출력된다.

전술한 과정에서, 플리커 노이즈가 발생되는 환경에서 촬영되는 경우(즉, 교류 전원이 인가되는 광원의 조명상태에서 촬영하는 경우)라면 제1 트랜스퍼 트랜지스터(220)가 동작하여 플리커 노이즈 방지용인 제1 포토 다이오드(210)에 축적된 전하를 부유 확산(FD) 영역으로 운송함으로써 플리커 노이즈가 방지되도록 처리된다(도 3의 (a) 참조).

이때 제1 포토 다이오드(210)에 적용되는 노출시간은 플리커 노이즈가 발생되지 않는 노출시간(예를 들어, 광원에 공급되는 교류 전원 주기의 정수배인 노출시간)을 가지도록 설정될 수 있고, 주변 밝기에 따라서 ISO 감도 조절을 통한 출력 밝기가 조절될 수 있다. 플리커 노이즈 제거의 목적으로 제1 포토 다이오드(210)가 구동되는 경우에는 제2 포토 다이오드(230)의 동작은 중지될 수 있다.

또한 저조도 환경에서는 고감도용 포토 다이오드인 제2 포토 다이오드(230)가 독립적으로 동작되거나 더 높은 감도의 확보를 위해 플리커 노이즈 방지용인 제1 포토 다이오드(210)와 함께 동작될 수 있고, 이에 상응하여 제2 트랜스퍼 트랜지스터(240)만 독립적으로 동작(도 3의 (b) 참조)되거나 제1 트랜스퍼 트랜지스터(220)와 함께 동작(도 3의 (c) 참조)될 수 있다.

또한, 제2 포토 다이오드(230)는 도 4에 도시된 바와 같이 이미지 센서의 단위 화소 내에 복수개 병렬 연결되어 구성될 수도 있다.

본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 소스 팔로워 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터 등 4개 유형의 트랜지스터를 포함하는 단위 화소를 예로 들고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명은 3개의 트랜지스터를 포함하는 단위 화소 또는 5개의 트랜지스터를 포함하는 단위 화소 등에 제한없이 적용될 수 있음은 당연하다.

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.

210 : 제1 포토 다이오드 220 : 제1 트랜스퍼 트랜지스터
230 : 제2 포토 다이오드 240 : 제2 트랜스퍼 트랜지스터

Claims

씨모스 이미지 센서에 있어서,
제1 크기로 형성되고, 제1 노출시간으로 동작되는 제1 포토 다이오드;
상기 제1 포토 다이오드에 축적된 전하를 부유 확산 영역으로 운송하는 제1 트랜스퍼 트랜지스터;
상기 제1 크기보다 상대적으로 큰 제2 크기로 형성되는 제2 포토 다이오드; 및
상기 제2 포토 다이오드에 축적된 전하를 상기 부유 확산 영역으로 운송하는 제2 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하되,
플리커 노이즈가 발생되는 촬영 환경에서, 상기 제2 트랜스퍼 트랜지스터의 동작이 중지되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 노출시간은 광원에 공급되는 교류 전원의 주기의 정수배로 설정되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 제2 크기로 형성되는 n(여기서 n은 임의의 자연수)개의 제3 포토 다이오드; 및
상기 n개의 제3 포토 다이오드 각각에 축적된 전하를 상기 부유 확산 영역으로 각각 운송하기 위하여 각각의 제3 포토 다이오드에 개별적 대응하도록 구비되는 n개의 제3 트랜스퍼 트랜지스터를 더 포함하는 씨모스 이미지 센서.