KR102047136B1 - 이미징 장치 및 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의하면, 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자 일측에 배치되는 쉬프트 스위칭부, 상기 광전 변환 소자의 다른 일측에 배치되는 오버플로우 제어부, 상기 쉬프트 스위칭부 일측에 배치되는 제1 전하 저장부, 상기 제1 전하 저장부 일측에 배치되는 전송 스위칭부, 상기 전송 스위칭부 일측에 배치되는 제2 전하 저장부 및 상기 제2 전하 저장부 일측에 배치되는 리셋 스위칭부를 포함하는 복수의 픽셀; 상기 복수의 픽셀에 신호를 인가하는 제어회로; 및 글로벌 셔터를 위한 제1 모드 및 광역 동적 범위(Wide Dynamic Range, WDR)를 위한 제2 모드 중 하나를 선택하는 모드 셀렉터를 구비하는 이미징 장치가 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.

아울러, 본 발명은 동일한 픽셀을 사용하면서도, 선택적으로 저조도 및 고조도에서도 높은 감도 특성을 나타내도록 구동시키거나 또는 움직임이 빠른 피사체의 촬상에 적합한 글로벌 셔터(global shutter)를 구현할 수 있도록 구동시킬 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.

특히, 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 구현하는 데 적합한 이미징 장치 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 광역 동적 범위를 구현함과 동시에 글로벌 셔터에 적합한 이미징 장치 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치는, 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자 일측에 배치되는 쉬프트 스위칭부, 상기 광전 변환 소자의 다른 일측에 배치되는 오버플로우 제어부, 상기 쉬프트 스위칭부 일측에 배치되는 제1 전하 저장부, 상기 제1 전하 저장부 일측에 배치되는 전송 스위칭부, 상기 전송 스위칭부 일측에 배치되는 제2 전하 저장부 및 상기 제2 전하 저장부 일측에 배치되는 리셋 스위칭부를 포함하는 복수의 픽셀; 상기 복수의 픽셀에 신호를 인가하는 제어회로; 및 글로벌 셔터를 위한 제1 모드 및 광역 동적 범위(Wide Dynamic Range, WDR)를 위한 제2 모드 중 하나를 선택하는 모드 셀렉터를 포함할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제1 모드가 선택된 경우, 구간에 따라, 상기 오버플로우 제어부에 의해 형성되는 포텐셜 베리어를 변경시키고, 상기 제2 모드가 선택된 경우, 상기 오버플로우 제어부에 의해 형성되는 포텬셀 베리어를 높게 유지할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제1 모드가 선택된 경우, 제1 구간에서는, 상기 오버플로우 제어부의 포텐셜 배리어를 상기 쉬프트 스위칭부의 포텐셜 배리어 보다 더 높게 유지하되, 제2 구간에서는, 상기 오버플로우 제어부의 포텐셜 배리어를 상기 쉬프트 스위칭부의 포텐셜 배리어 보다 더 낮게 유지하며, 상기 제2 모드가 선택된 경우, 상기 오버플로우 제어부의 포텐셜 배리어는 항상 상기 쉬프트 스위칭부의 포텐셜 배리어보다 더 높게 유지할 수 있다.

상기 모드 셀렉터는, 피사체의 움직임 및 동적 범위(dynamic range) 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 하나를 선택할 수 있다. 이 때, 상기 모드 셀렉터는, 적어도 2개 이상의 연속하여 촬영된 이미지들 사이의 차이(difference)에 기초하여, 상기 피사체의 움직임의 정도를 판단할 수 있다.

상기 모드 셀렉터는, 상기 차이(difference)가 미리 정해진 기준보다 큰 경우, 상기 제1 모드를 선택할 수 있다.

상기 동적 범위는 인트라신 동적 범위(intra-scene dynamic range)일 수 있다.

상기 모드 셀렉터는, 적어도 하나의 촬영된 이미지의 히스토그램 분포에 기초하여 상기 동적 범위를 결정할 수 있다. 이 때, 상기 적어도 하나의 촬영된 이미지는, 현재 활영하고자 하는 이미지 보다 미리 정해진 시간 이전에 촬영된 것일 수 있다.

상기 모드 셀렉터는, 상기 동적 범위가 미리 정해진 기준보다 큰 경우, 상기 제2 모드를 선택할 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제1 모드로 설정되어 있는 경우, 상기 복수의 픽셀들에 구비된 광전 변환 소자에 축적된 전하를 상기 제1 전하 저장부로 동시에 쉬프트시킬 수 있다.

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

상기 제어회로는, 상기 제2 모드로 설정되어 있는 경우, 상기 복수의 픽셀들에 구비된 광전 변환 소자에 축적된 전하를 상기 제1 전하 저장부 및/또는 상기 제2 전하 저장부로 순차적으로 쉬프트시킬 수 있다.

상기 제어회로는, 상기 제2 모드로 설정되어 있는 경우, 상기 쉬프트 스위칭부의 동작과 무관하게 상기 광전 변환 소자로부터 상기 제1 전하 저장부로 오버플로우된 전하들의 전하량을 읽어내는 제1 읽기 동작 및 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하량을 읽어내는 제2 읽기 동작을 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 발생한다.

첫째, 오버플로우 제어부에 의해서 형성되는 포텐셜 배리어(potential barrier)와 쉬프트 스위칭부에 의해서 형성되는 포텐셜 배리어를 설정된 동작 모드에 따라 서로 다르게 적절히 제어함으로써, 동일한 픽셀 어레이를 이용하여 광역 동적 범위 구현을 위한 동작과 글로벌 셔터를 위한 동작이 선택적으로 구현될 수 있다.

둘째, 광역 동적 범위의 구현 시, 광전 변환 소자로부터 제1 전하 저장부로 오버플로우 되는 전하들의 적어도 일부를 사용함으로써, 용이하게 광역 동적 범위를 구현할 수 있다.

셋째, 광역 동적 범위의 구현 시, 광전 변환 소자로부터 제1 전하 저장부로 오버플로우 되는 전하들의 적어도 일부를 사용할 뿐만 아니라, 제1 전하 저장부로부터 플로팅 확산영역으로 오버플로우되는 전하들의 적어도 일부를 사용함으로써, 용이하게 광역 동적 범위를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 보다 더 넓은 범위의 동적 범위에서 이미지를 촬영할 수 있게 된다.

넷째, 획득된 몇몇 이미지들에 기초하여, 자동으로 동작 모드를 선택/설정할 수 있게 되어 보다 용이하게 적합한 동작 모드를 설정할 수 있게 된다.

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 따르는 이미징 장치의 구동방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서의 이미징 장치의 픽셀 어레이의 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서의 이미징 장치의 단위 픽셀의 각 구성요소들에 인가되는 제어신호들의 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서의 이미징 장치의 단위 픽셀의 전하이동을 설명하기 위한 포텐셜 배리어를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서의 이미징 장치의 픽셀 어레이의 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서의 이미징 장치의 단위 픽셀의 각 구성요소들에 인가되는 제어신호들의 타이밍도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서의 이미징 장치의 단위 픽셀 내에서 전하이동을 설명하기 위한 포텐셜 배리어를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 동작 모드를 선택하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 동작 모드를 선택하는 방법을 설명하기 위한 이미지 히스토그램의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치의 픽셀 어레이의 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치의 단위 픽셀의 각 구성요소들에 인가되는 제어신호들의 타이밍도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치의 단위 픽셀 내에서 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), 쉬프트 스위칭부(shift switching unit, SS), 제1 전하 저장부(first storage node, SN1), 전송 스위칭부(transfer switching unit, TS), 제2 전하 저장부(second storage node, SN2), 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.

쉬프트 스위칭부(SS)는 광전 변환 소자(PD)의 다른 일측에 배치될 수 있다. 상기 쉬프트 스위칭부(SS)는 상기 광전 변환 소자(PD)의 제2 단자측에 배치될 수 있다. 즉, 상기 쉬프트 스위칭부(SS)는 상기 제2 단자에 연결될 수 있다.

쉬프트 스위칭부(SS)의 일 단자는 광전 변환 소자(PD)와 연결될 수 있으며, 쉬프트 스위칭부(SS)는 쉬프트 신호(SSx)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 쉬프트 스위칭부(SS)의 게이트에 쉬프트 신호(SSx)가 인가되면, 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하들이 제1 전하 저장부(SN1)로 이동할 수 있다.

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

전송 스위칭부(TS)는 제1 전하 저장부(SN1)의 일측에 배치될 수 있다. 전송 스위칭부(TS)의 일 단자는 제2 전하 저장부(SN2)에 연결될 수 있으며, 전송 스위칭부(TS)는 전송 신호(TSx)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 전송 스위칭부(TS)의 게이트에 전송 신호(TSx)가 인가되면, 제1 전하 저장부(SN1)에 저장된 전하들이 제2 전하 저장부(SN2)로 이동할 수 있다. 이 때, 제1 전하 저장부(SN1)에 저장된 전하들이 제2 전하 저장부(SN2)로 원활하게 이동할 수 있도록 상기 제1 전하 저장부(SN1)의 게이트에 인가되어 있던 전하 저장 신호(SN1x)가 제거될 수 있다.

제2 전하 저장부(SN2)는 플로팅 확산 노드(floating diffusion node)로 구현될 수 있다. 제2 전하 저장부(SN2)는 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하를 전달받아 축적할 수 있다. 제2 전하 저장부(SN2)는 제1 전하 저장부(SN1)의 게이트에 전하 저장 신호(SN1x)가 제거되고 전송 스위칭부(TS)의 게이트에 전송 신호(TSx)가 인가됨에 따라 제1 전하 저장부(SN1)로부터 이동하게되는 전하들을 축적할 수도 있으며, 또는 제1 전하 저장부(SN1)로부터 오버플로우되는 전하들을 축적할 수 있다.

리셋 스위칭부(RS)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 제2 전하 저장부 (SN2)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, 제2 전하 저장부(SN2)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, 이미징 장치에 설정된 동작 모드에 따라서, 오버플로우 제어부(OFC)의 게이트에 인가되는 오버플로우 제어 신호(OFCx)와 쉬프트 스위칭부(SS)의 게이트에 인가되는 쉬프트 신호(SSx)를 서로 다르게 적절히 제어함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따르는 이미징 장치가 선택적으로 광역 동적 범위를 구현할 수 있도록 동작하게 하거나 글로벌 셔터를 구현할 수 있도록 동작하게 할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 구동방법에 의하면, 오버플로우 제어부(OFC)에 의해서 형성되는 포텐셜 배리어(potential barrier)와 쉬프트 스위칭부(SS)에 의해서 형성되는 포텐셜 배리어를 설정된 동작 모드에 따라 서로 다르게 적절히 제어함으로써, 동일한 픽셀 어레이를 이용하여 광역 동적 범위와 글로벌 셔터를 선택적으로 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 이미징 장치의 구동방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 구동방법은, 설정된 동작 모드를 확인하는 단계(S100) 및 확인된 동작 모드에 따라 픽셀 어레이에 제어신호를 인가하는 단계(S110)를 포함할 수 있다.

상기 동작 모드는 픽셀 어레이(111)에서 입사광에 의해 각 픽셀에 구비된 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하를 각 픽셀에 구비된 전하 저장부(storage node)로 동시에 쉬프트시킬 것인지, 또는 각 픽셀에 구비된 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하를 각 픽셀에 구비된 전하 저장부로 순차적으로 쉬프트시킬 것인지에 대한 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 동작 모드는 입사광을 전기적 신호로 변환하고 읽어내는 과정에서 글로벌 셔터 방식에 따라 신호를 변환/독출할 것인지 또는 롤링 셔터(rolling shutter) 방식에 따라 신호를 변환/독출할 것인지에 대한 것일 수 있다.

이하에서는, 글로벌 셔터 방식에 따라 신호를 변환/독출하기 위한 동작 모드를 제1 모드라고 하며, 롤링 셔터 방식에 따라 신호를 변환/독출하기 위한 동작 모드를 제2 모드라고 하기로 한다. 또한, 설명의 편의를 위하여, 제1 모드는 글로벌 셔터 모드라고 할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 구동방법에 의하면, 롤링 셔터 방식에 따라 신호를 변환/독출함에 있어서, 광역 동적 범위를 확보하기 위한 동작을 함께 수행할 수 있으므로, 제2 모드는 광역 동적 범위 모드라고 할 수도 있다.

상기 동작 모드는, 이미징 장치(100)에 의해서 자동으로 선택/설정될 수도 있으며, 이미징 장치(100)에 구비된 입력부(도면 미도시)에 의해 사용자로부터 입력된 바에 따라 선택/설정될 수도 있다.

전술한 바와 같은 동작 모드를 확인한 후(S100), 설정된 모드가 제1 모드인지 또는 제2 모드인지에 따라서 제어회로(120)는 서로 다른 방식에 따라 제어신호를 픽셀 어레이(111)에 인가할 수 있다(S110).

상기 확인된 동작 모드가 제1 모드인 경우, 제어회로(120)는, 각 단위 픽셀을 제어함에 있어서, 제1 구간 동안에는 상기 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하가 상기 제1 전하 저장부(SN1)로 이동하도록 하고, 제2 구간 동안에는 상기 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하가 상기 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 이동하도록 할 수 있다.

반면, 상기 확인된 동작 모드가 제2 모드인 경우, 제어회로(120)는 각 단위 픽셀을 제어함에 있어서, 상기 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하가 상기 제1 전하 저장부(SN1)로 이동하도록 하고, 상기 오버플로우 제어부(OFC) 측으로는 이동하지 않도록 할 수 있다. 특히, 상기 광전 변환 소자(PD)의 용량(capacity)을 넘어선 과포화된 전하들이, 상기 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 이동하지 않고, 상기 제1 전하 저장부(SN1)로 이동하도록 할 수 있다.

상기 제2 모드에서, 광전 변환 소자(PD)에 과포화된 전하들이 상기 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 이동하지 않고 상기 제1 전하 저장부(SN1)로 이동하도록, 상기 제어회로(120)는 상기 오버플로우 제어부(OFC)에 의해 형성되는 포텐셜 배리어가 상기 쉬프트 스위칭부(SS)에 의해 형성되는 포텐셜 배리어보다 더 높게 형성되도록 제어신호를 인가할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서의 이미징 장치(100)의 구동방법과 제2 모드에서의 이미징 장치(100)의 구동방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

2-1. 제1 모드(글로벌 셔터 모드)의 동작

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서의 이미징 장치의 픽셀 어레이의 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서의 이미징 장치의 단위 픽셀의 각 구성요소들에 인가되는 제어신호들의 타이밍도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서의 이미징 장치의 단위 픽셀의 전하이동을 설명하기 위한 포텐셜 배리어를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100)를 이용하여 이미지를 획득하기 위해서, 픽셀 어레이(111)는 제1 구간(DR1) 동안 수행되는 축적 동작(integrating operation), 제2 구간(DR2) 동안 수행되는 쉬프트 동작(shifting operation) 및 제3 구간(DR3) 동안 수행되는 읽기 동작(reading operation)을 수행한다.

픽셀 어레이(111)는 축적 동작, 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. 제1 구간(DR1)의 길이는 필요에 따라 가변될 수 있다.

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 동작을 포함한다. 또한 쉬프트 동작은 제1 전하 저장부(SN1)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 4에 도시된 바와 같이, 쉬프트 동작은 픽셀 어레이(111)에 포함되어 있는 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행된다. 다만, 클리어 동작은 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행될 필요는 없으나, 클리어 동작도 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행되는 것이 바람직하다.

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. 예를 들어, 오버플로우 제어부(OFC)가 트랜지스터로 구성되는 경우, 상기 트랜지스터는 오프 상태를 유지하고 있을 수 있다.

읽기 동작은 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 이동되어 축적된 전하를 제2 전하 저장부(SN2)로 이동시키는 동작 및 제2 전하 저장부(SN2)로 이동되어 축적된 전하량의 값을 읽어내는 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 4에 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.

이 때, 상기 제2 전하 저장부(SN2)는 플로팅 확산 노드일 수 있다. 즉, 상기 제2 전하 저장부(SN2)의 포텐셜 배리어는 능동적으로 변경하지 못할 수 있다.

한편, 각각 축적 동작, 쉬프트 동작 및 읽기 동작을 포함하는 제1 주기 및 제2 주기는 서로 중첩될 수 있다. 즉, 제1 주기가 종료하는 제1 시각(t1)은 제2 주기가 시작하는 제2 시각(t2) 보다 더 늦을 수 있다. 즉, 제1 주기에 포함된 읽기 동작은 제2 주기에 포함된 축적 동작과 중첩되어 수행될 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하여, 각 단위 픽셀에서의 축적 동작, 쉬프트 동작 및 읽기 동작에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

도 5 및 도 6에 도시되어 있는 (1) 구간은 전술한 축적 동작에 대응되고, (2) 구간 내지 (6) 구간은 전술한 쉬프트 동작에 대응되며, (7) 구간 내지 (14) 구간은 전술한 읽기 동작에 대응될 수 있다.

(1) 구간에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 오버플로우 제어부(OFC)와 쉬프트 스위칭부(SS)를 제어하여 오버플로우 제어부(OFC) 및 쉬프트 스위칭부(SS)에 의해 형성되는 포텐셜 배리어가 높은 상태로 유지된다. 즉, 오버플로우 제어부(OFC)와 쉬프트 스위칭부(SS)에 의해 형성되는 포텐셜 배리어는 광전 변환 소자(PD) 보다 더 높게 유지된다. 예를 들어, 오버플로우 제어부(OFC) 및 쉬프트 스위칭부(SS)가 트랜지스터로 구현되는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 오버플로우 제어부(OFC)의 게이트 및 쉬프트 스위칭부(SS)의 게이트에 제어신호(예를 들어, 오버플로우 신호(OFCx) 및 쉬프트 신호(SSx))가 인가되지 않을 수 있다. 이 때, 도 5 및 도 6에는 제1 전하 저장부(SN1) 및 리셋 스위칭부(RS)의 게이트에는 각각 저장 신호(SN1x) 및 리셋 신호(RSx)가 인가되어 있고, 전송 스위칭부(TS)의 게이트에는 전송 신호(TSx)가 인가되어 있지 않은 상태가 도시되어 있으나, (1) 구간에서 상기 제1 전하 저장부(SN1), 전송 스위칭 부(TS) 및 리셋 스위칭부(RS)에 인가되는 제어신호 및 이들에 의해 형성되는 포텐셜 배리어는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 제어될 필요는 없다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 이하에서는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제어신호가 인가된 상태에 기초하여 설명하기로 한다.

(2) 구간 내지 (5) 구간은 전술한 클리어 동작에 대응될 수 있다. 즉, (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 동작을 위하여, (2) 구간에서는, 쉬프트 스위칭부(SS)의 상태는 그대로 유지한 상태에서 전송 스위칭부(TS)를 제어하여, 전송 스위칭부(TS)에 의해 형성되어 있던 포텐셜 배리어를 낮은 상태로 전환시킨다. 예를 들어, 전송 스위칭부(TS)의 게이트에 전송 신호(TSx)가 인가될 수 있다. 이 때, 바람직하게는, 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어가 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어이하가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들은 전송 스위칭부(TS) 측으로 이동할 수 있다. 이 때, 제2 전하 저장부(SN2)는 리셋 상태를 유지하고 있을 수 있으므로, 전송 스위칭부(TS) 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 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 순차적으로 높은 상태로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제1 전하 저장부(SN1) 및 전송 스위칭부(TS)의 게이트에 인가되어 있던 제어신호(예를 들어, 저장 신호(SN1x) 및 전송 신호(TSx))가 될 수 있다. 이로써, 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들이 보다 더 확실하게 리셋 상태를 유지하고 있는 제2 전하 저장부(SN2) 측으로 이동하여 제거될 수 있다. 이어서, (5) 구간에서는, 제1 전하 저장부(SN1) 및 전송 스위칭부(TS)를 각각 제어하여, 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어보다 쉬프트 스위칭부(SS) 및 전송 스위칭부(TS)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, 쉬프트 스위칭부(SS)를 제어하여, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어가 광전 변환 소자(PD)의 포텐셜 배리어 보다 낮아지도록 할 수 있다. 예를 들어, 쉬프트 스위칭부(SS)의 게이트에 쉬프트 신호(SSx)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 쉬프트 제어부(SS)를 제어하여 쉬프트 제어부(SS)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 쉬프트 제어부(SS)에 인가되었던 쉬프트 신호(SSx)를 제거할 수 있다.

이어서, (8) 구간에서, 광전 변환 소자(PD)에 계속하여 입사되는 광에 의하여 전하가 축적되고, 축적된 전하들이 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우 할 수 있는 가능성을 제거하기 위하여, 오버플로우 제어부(OFC)를 적절히 제어할 수 있다. 즉, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어를 쉬프트 스위칭부(SS)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.

이어서, (9) 구간에서, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어를 다시 높은 상태로 변환할 수 있는데, (9) 구간 이후에서 광전 변환 소자(PD)에 축적되는 전하들은 다음 이미지의 획득을 위해 사용될 수 있다. 즉, 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이, 제1 주기에 포함된 읽기 동작과 제2 주기에 포함된 축적 동작이 서로 중첩되어 수행될 수 있다.

다만, (9) 구간에서와 같이, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어를 다시 높은 상태로 변환하여 제2 주기의 축적 동작을 시작하는 타이밍과, 후술할 (10) 구간 내지 (15) 구간 사이의 선후 관계는 반드시 도 5 및 도 6에 도시된 바에 한정되지 않는다. 이미 설명한 바 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 이미징 장치(100)의 구동방법에 의하면, 제1 모드로 동작 시, 쉬프트 동작은 픽셀 어레이(111)에 포함되어 있는 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행되지만 읽기 동작은 픽셀 어레이(111)에 포함되어 있는 픽셀들에 대해서 서로 다른 시점에 수행될 수 있기 때문에, 하나의 단위 픽셀에 대해서는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 제2 주기의 축적 동작과 제1 주기의 읽기 동작의 선후 관계가 적용될 수 있지만, 다른 단위 픽셀에 대해서는, (10) 구간과 (11) 구간 사이의 시점에 제2 주기의 축적 동작(예를 들어, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환하는 동작)이 수행되기 시작할 수 있으며, 또 다른 단위 픽셀에 대해서는, (11) 구간과 (12) 구간 사이의 시점에 제2 주기의 축적 동작이 수행되기 시작할 수 있다.

이어서, (10) 구간에서, 리셋 스위칭부(RS)를 제어하여, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환할 수 있다. 이어서, 제2 전하 저장부(SN2)의 전위를 샘플링하여 제1 출력 신호를 생성할 수 있다.

한편, (10) 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 (14) 구간까지 지속될 수 있다.

이어서, (11) 구간 내지 (13) 구간을 통하여, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들을 제2 전하 저장부(SN2)로 이동시킬 수 있다. 이를 위하여, (11) 구간에서는, 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 낮은 상태로 변환하여 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들이 제2 전하 저장부(SN2)로 이동할 수 있도록 한다. 예를 들어, 전송 스위칭부(TS)의 게이트에 전송 신호(TSx)를 인가할 수 있다. 이 때, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하들이 보다 더 확실하게 제2 전하 저장부(SN2)로 이동할 수 있도록 하기 위하여, (12) 구간 및 (13) 구간의 동작들이 추가적으로 더 수행될 수 있다. 즉, 제1 전하 저장부(SN1) 및 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 순차적으로 높은 상태로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제1 전하 저장부(SN1) 및 전송 스위칭부(TS)의 게이트에 인가되어 있던 제어신호(예를 들어, 저장 신호(SN1x) 및 전송 신호(TSx))가 될 수 있다. 이로써, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들이 보다 더 확실하게 제2 전하 저장부(SN2) 측으로 이동될 수 있다. 이 때, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어는 (11) 구간 내지 (13) 구간 동안 계속하여 높은 상태를 유지하고 있기 때문에, 제1 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들은 제2 전하 저장부(SN2)로 이동되어 제2 전하 저장부(SN2)에 축적될 수 있다. 즉, (2) 구간 내지 (4) 구간에서의 동작과 달리, 제1 전하 저장부(SN1)에서 제2 전하 저장부(SN2)로 이동되어 온 전하들이, 제2 전하 저장부(SN2)는 리셋 상태에 있지 않기 때문에, 전원 전압(VDD)이 인가되고 있는 리셋 스위칭부(RS)의 제1 단자 측으로 빠져나가지 않고 제2 전하 저장부(SN2)에 그대로 축적되어 있을 수 있다.

이어서, (14) 구간에서, 제2 전하 저장부(SN2)의 전위를 샘플링하여 제2 출력 신호를 생성할 수 있다.

이 때, 제2 출력 신호와 제1 출력 신호의 차이에 입사광에 의해 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하량을 판단할 수 있게 된다.

(14) 구간에서, 제2 전하 저장부(SN2)의 전위를 샘플링하여 제2 출력신호를 생성한 후, 선택 스위칭부(SL)의 상태는 오프 상태로 전환된다.

각 단위 픽셀은 전술한 바와 같은 동작을 계속하여 반복적으로 수행하게 된다. 보다 구체적으로, 각 단위 픽셀은 (14) 구간의 동작을 수행한 후, 픽셀 어레이(111)에 포함된 모든 유효 픽셀들에서 (14)구간의 동작이 완료될 때까지 대기하였다가(즉, 모든 유효픽셀에서 읽기 동작이 완료될 때까지 대기하였다가), 모든 유효픽셀들에서 읽기 동작이 완료되면, (1) 구간에서 (14) 구간까지의 동작을 반복적으로 수행하게 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100)는, 동작 모드가 제1 모드로 설정되어 있는 경우, 오버플로우 제어부(OFC)를 특정 구간(예를 들어, 도 6에 도시된 (8) 구간)에서는 포텐셜 배리어가 낮은 상태로 변환된다. 낮은 상태로 변환된 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 바람직하게는 다음 주기의 축적 동작이 수행될 때까지 낮은 상태로 유지될 수 있다. 다만, 축적 동작이 수행되기 위해서는 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어가 높은 상태로 다시 전환되어어 하기 때문에, 오버플로우 제어부(OFC)의 상태는 적어도 축적 동작이 수행되기 전까지는 높은 상태로 변환되는 것이 바람직하다.

2-2. 제2 모드(광역 동적 범위 모드)의 동작

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서의 이미징 장치의 픽셀 어레이의 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서의 이미징 장치의 단위 픽셀의 각 구성요소들에 인가되는 제어신호들의 타이밍도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서의 이미징 장치의 단위 픽셀 내에서 전하이동을 설명하기 위한 포텐셜 배리어를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100)를 이용하여 이미지를 획득하기 위해서, 픽셀 어레이(111)는 제4 구간(DR4) 동안 수행되는 축적 동작(integrating operation) 및 제5 구간(DR5) 동안 수행되는 읽기 동작(reading operation)을 수행한다.

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

다만, 제1 모드에서와 달리, 제2 모드에서는 축적 동작 및 읽기 동작이 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행되지 않는다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 동일한 컬럼에 포함되어 있는 유효 픽셀들에 대해서는, 축적 동작 및 읽기 동작이 동시에 수행될 수 있으나, 서로 다른 컬럼에 포함되어 있는 유효 픽셀들 사이에서는 축적 동작 및 읽기 동작이 서로 다른 시점에 수행될 수 있다. 즉, 제2 모드에서는 축적 동작 및 읽기 동작이 수행됨에 있어서, 모든 유효픽셀들에 대해서 동시에 수행되는 대신 라인별로 순차적으로 읽어내는 방식이 채택될 수 있다.

축적 동작은 광전 변환 소자(PD)에 의해 입사광이 전하로 변환되는 동작을 포함한다. 또한, 축적 동작은, 광전 변환 소자(PD) 및/또는 제1 전하 저장부(SN1)의 클리어 동작(이하, 제1 클리어 동작) 및 제1 전하 저장부(SN1)의 클리어 동작(이하, 제2 클리어 동작)을 포함한다. 축적 동작에 대한 보다 구체적인 내용은 후술한다.

읽기 동작은 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우된 전하들의 적어도 일부의 전하량을 읽어내는 제1 읽기 동작 및 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하량을 읽어내는 제2 읽기 동작을 포함할 수 있다.

제1 읽기 동작에 의해 읽어낸 전하량의 값은 고조도 이미지의 획득을 위해 사용되며, 제2 읽기 동작에 의해 읽어낸 전하량의 값은 저조도 이미지의 획득을 위해 사용될 수 있다. 이 때, 제1 읽기 동작은 제2 읽기 동작 보다 더 먼저 수행될 수 있다.

제1 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하를 축적하는 시간(제1 축적 시간, first integration time)은 제2 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하를 축적하는 시간(제2 축적 시간, second integration time) 보다 더 짧을 수 있다. 예를 들어, 제1 축적 시간(T1)과 제2 축적 시간(T2)은 다음의 관계를 가질 수 있다.

1/5000 ≤ T1/T2 ≤ 1/5

전술한 축적 동작 및 읽기 동작이 수행되는 동안, 오버플로우 제어부(OFC)는 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하가 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 이동하지 않도록 한다. 즉, 제1 모드에서는 오버플로우 제어부(OFC)를 제어하여 특정 구간에서 선택적으로 광전 변환 소자(PD)에 축적되는 전하들을 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 이동시키는 동작을 수행하였으나, 제2 모드에서는 모든 구간에서 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 전하가 이동하지 못하도록 오버플로우 제어부(OFC)를 제어한다. 이를 위하여, 오버플로우 제어부(OFC)는 높은 포텐셜 배리어 상태를 유지하도록 한다. 예를 들어, 오버플로우 제어부(OFC)가 트랜지스터로 구성되는 경우, 상기 트랜지스터는 오프 상태를 유지하고 있을 수 있다. 특히, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어보다 더 높게 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

도 8 및 도 9를 참조하여, 각 단위 픽셀에서의 축적 동작 및 읽기 동작에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

도 8 및 도 9에 도시되어 있는 (1) 구간 내지 (9) 구간은 전술한 축적 동작에 대응되고, (10) 구간 내지 (22) 구간은 전술한 읽기 동작에 대응될 수 있다. 특히, (1) 구간 내지 (3) 구간은 전술한 제1 클리어 동작(광전 변환 소자(PD)를 클리어 하는 동작)에 대응될 수 있으며, (6) 구간 내지 (9) 구간은 제2 클리어 동작(제1 전하 저장부(SN1)를 클리어 하는 동작)에 대응될 수 있다. 또한, (10) 구간 내지 (15) 구간은 전술한 제1 읽기 동작에 대응될 수 있으며, (16) 구간 내지 (21) 구간은 전술한 제2 읽기 동작에 대응될 수 있다.

(1) 구간에서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 이전 주기에서 읽기 동작을 완료한 후, 광전 변환 소자(PD)와 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요한 전하들이 축적될 수 있다. 입사광에 대한 정확한 정보를 획득하기 위해, 입사광에 따른 전하량을 축적하는 축적 동작을 수행하기 전에 각 단위 픽셀들은 광전 변환 소자(PD)에 불필요하게 축적된 전하들을 클리어할 필요가 있다.

이에 따라, (2) 구간 내지 (4) 구간을 통하여, 제1 클리어 동작을 수행한다. (2) 구간에서는, 먼저 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적된 전하들을 제거하기 위하여, 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 제어할 수 있다. 즉, 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어가 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어 이하가 되도록 전송 스위칭부(TS)가 제어될 수 있다. 예를 들어, 전송 스위칭부(TS)의 게이트에 전송 신호(TSx)를 인가할 수 있다. 이에 따라, 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들은, 리셋 상태를 유지하고 있는 제2 전하 저장부(SN2)를 통하여, 전원전압(VDD)이 인가되고 있는 리셋 스위칭부(RS)의 제1 단자 측으로 빠져나갈 수 있다. 이어서, (3) 구간에서, 광전 변환 소자(PD)에 불필요하게 축적된 전하들을 제거하기 위하여, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어를 제어할 수 있다. 즉, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어가 광전 변환 소자(PD)의 포텐셜 배리어 이하가 되도록 쉬프트 스위칭부(SS)가 제어될 수 있다. 예를 들어, 쉬프트 스위칭부(SS)의 게이트에 쉬프트 신호(SSx)를 인가할 수 있다. 이에 따라, 광전 변환 소자(PD)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들은, 제1 전하 저장부(SN1)로 이동할 수 있으며, (2) 구간에서 제어된 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어는 계속하여 낮은 상태(예를 들어, 전송 신호(TSx)가 인가된 상태)를 유지하고 있기 때문에, 제1 전하 저장부(SN1)로 이동된 전하들은 리셋 상태를 유지하고 있는 제2 전하 저장부(SN2)를 통하여, 전원전압(VDD)이 인가되고 있는 리셋 스위칭부(RS)의 제1 단자 측으로 빠져나갈 수 있다.

이어서, (4) 구간을 통해, 광전 변환 소자(PD) 및/또는 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들이 모두 제거된 후, 쉬프트 스위칭부(SS) 의 포텐셜 배리어를 다시 높은 상태로 변환할 수 있다. 즉, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어가 광전 변환 소자(PD) 및/또는 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어 보다 더 높아지도록 쉬프트 스위칭부(SS)가 제어될 수 있다. 예를 들어, 쉬프트 스위칭부(SS)의 게이트에 인가되어 있던 쉬프트 신호(SSx)가 제거될 수 있다. 또한, 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어도 다시 높은 상태로 변환할 수 있다. 예를 들어, 전송 스위칭부(TS)의 게이트에 인가되어 있던 전송 신호(TSx)가 제거될 수 있다. 한편, 만약 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어가 높은 상태로 변환되어 있는 상태라면, 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어는 낮은 상태로 변환될 수 있다. 예를 들어, 제1 전하 저장부(SN1)의 게이트에 저장 신호(SN1x)가 인가될 수 있다. 이에 따라, 입사광에 의해 발생되는 전하를 광전 변환 소자(PD) 및/또는 제1 전하 저장부(SN1)에 저장할 수 있는 준비를 모두 마칠 수 있게 된다. 다만, (4) 구간에서 쉬프트 스위칭부(SS), 제1 전하 저장부(SN1) 및 전달 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어가 동시에 변환되어야 하는 것은 아니며, 이들은 서로 순차적으로 변환되어도 무방할 것이다.

이와 같이, 광전 변환 소자(PD) 및/또는 제1 전하 저장부(SN1)에 불필요하게 축적되어 있던 전하들이 제거될 수 있다. 다만, (2) 구간 내지 (4) 구간 사이에 도시된 동작들의 순서는 제1 클리어 동작을 설명하기 위한 일 예에 불과할 뿐이며, 제1 클리어 동작은 전술한 바와 같은 (2) 구간 내지 (4) 구간의 동작에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전술한 바에 의하면, 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 먼저 수행한 후, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어를 제어하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어를 제어한 후에 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 제어하는 순서에 따라 제1 클리어 동작이 수행될 수 있으며, 또는 쉬프트 스위칭부(SS)와 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 동시에 제어함으로써 제1 클리어 동작이 수행될 수도 있을 것이다. 또한, (2) 구간 내지 (4) 구간에서는 항상 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어가 낮은 상태를 유지하고 있는 것으로 도시되어 있으나, 제1 클리어 동작이 수행되는 동안, 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어가 높은 상태로 변환되었다 낮은 상태로 변환되어도 무방하다.

(5) 구간을 통하여, 광전 변환 소자(PD)는 입사광에 의해 발생되는 전하들을 축적할 수 있다. 이 때, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어는 높은 상태를 유지하되, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어는 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어 보다 낮은 상태를 유지하도록 상기 쉬프트 스위칭부(SS) 및 오버플로우 제어부(OFC)가 제어될 수 있다. 즉, 광전 변환 소자(PD)의 용량(capacity)이 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어가 아닌 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어에 의해 결정될 수 있도록 할 수 있다.

일반적으로, 광전 변환 소자(PD)에 입사되는 광량에 따라 광전 변환 소자(PD)에 축적되는 전하량은 달라질 수 있다. 예를 들어, 입사광의 광량이 많으면 축적되는 전하량도 많아지며, 입사광의 광량이 적으면 축적되는 전하량도 적어지게 된다. 한편, 축적되는 전하량이 광전 변환 소자(PD)의 용량 보다 더 많아지게 되는 경우, 광전 변환 소자(PD)의 용량을 초과하여 광전 변환 소자(PD)에서 발생되는 전하들은 오버플로우 하게 된다. 이하에서는, 이와 같이 광전 변환 소자(PD)의 용량을 초과하여 오버플로우 하게 되는 전하들을 오버플로우 전하라고 하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따르면, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어 보다 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어가 더 낮도록 오버플로우 제어부(OFC) 및/또는 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어를 제어하므로 광전 변환 소자(PD)의 오버플로우 전하들은 쉬프트 스위칭부(SS)측으로 오버플로우하게 된다. 도 9에 도시된 (5) 구간에는 광전 변환 소자(PD)의 오버플로우 전하가 제1 전하 저장부(SN1) 측으로 오버플로우된 것을 도시하고 있다. 다만, (5) 구간에서 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하가 광전 변환 소자(PD)의 용량보다 더 적다면, 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우 되지 않을 수 있다.

일반적으로, 광전 변환 소자(PD)의 오버플로우 전하들은 이미지 형성에 사용하지 않고 제거될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따르면, 광전 변환 소자(PD)의 오버플로우 전하들의 적어도 일부를 이용하여 이미지 형성에 사용하도록 한다.

(6) 구간 및 (7) 구간에서는, 광전 변환 소자(PD)로부터 오버플로우 되어 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하들의 일부를 제거하기 위한 제2 클리어 동작이 수행될 수 있다. 이를 위해, (6) 구간에서는, 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 제어하여 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하들이 제거될 수 있도록 할 수 있다. 즉, 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어 이하가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들은 리셋 상태를 유지하고 제2 전하 저장부(SN2)를 통해 전원전압(VDD)이 인가되고 있는 리셋 스위칭부(RS)의 제1 단자 측으로 빠져나갈 수 있다. 이 때, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들을 확실하게 제거하기 위하여, 추가적으로 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환할 수 있다. 즉, 도 9에 도시되어 있는 (7) 구간과 같이, 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환할 수 있다. 예를 들어, 제1 전하 저장부(SN1)의 게이트에 인가되어 있는 저장 신호(SN1x)를 제거할 수 있다.

이어서, (8) 구간 및 (9) 구간을 통해, 제1 전하 저장부(SN1)가 다시 광전 변환 소자(PD)로부터 오버플로우 되는 전하들을 축적할 수 있는 상태를 만들 수 있다. 즉, 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 다시 높은 상태로 변환할 수 있으며, 나아가, 제1 전하 저장부(SN1)의 포텐셜 배리어를 다시 낮은 상태로 변환할 수 있다.

다만, (6) 구간 내지 (9) 구간은 광전 변환 소자(PD)로부터 오버플로우되는 전하들을 모두 사용하지 않고 일부만 사용하기 위하여 수행되는 동작들로써, 반드시, 도 9에 도시된 (6) 구간 내지 (9) 구간의 방식에 의해서 수행되어야만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 도 9에는 (4) 구간 내지 (5) 구간을 통하여 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환하여 유지하고 있는 것으로 도시하였으며, (6) 구간에서 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 낮은 상태로 변환함으로써 오버플로우 전하들 중 고조도 이미지의 형성에 필요하지 않은 일부를 제거하는 것으로 설명하였으나, (4) 구간 내지 (5) 구간을 통하여 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어를 계속해서 낮은 상태를 유지하도록 제어하여도 필요하지 않은 오버플로우 전하들의 일부는 리셋 스위칭부(RS)의 제1 단자측으로 빠져나갈 수 있으므로 제2 클리어 동작의 목적을 달성할 수 있을 것이다.

한편, (6) 구간 내지 (9) 구간은 광전 변환 소자(PD)로부터 오버플로우되는 전하들을 모두 사용하지 않고 일부만 사용하기 위하여 수행하는 동작으로써, 만약 광전 변환 소자(PD)로부터 오버플로우되는 전하들을 모두 사용하고자 하면 (6) 구간 내지 (9) 구간의 동작들은 생략될 수 있다.

이어서, (10) 구간을 통해, 제1 읽기 동작에서 읽어낼 전하들을 제1 전하 저장부(SN1)에 축적한다. 즉, (10) 구간을 통해, 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우된 전하들이 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된다.

(10) 구간의 동작이 수행되는 시간은, 제1 축적 시간(T1, 제1 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하를 축적하는 시간)에 의해 결정될 수 있다. 다만, (10) 구간의 동작이 수행되는 시간은 제1 축적 시간과 일치하지 않을 수 있으며, 제1 축적 시간에는 이하에서 설명할 (11) 구간 및/또는 (12) 구간이 수행되는 시간의 일부가 포함될 수 있다.

(11) 구간 내지 (15) 구간을 통해, 제1 읽기 동작이 수행될 수 있다. 즉, 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우 되어 축적된 전하들은 일련의 동작들에 의해 제2 전하 저장부(SN2)로 이동하게 되며, 이어서, 제2 전하 저장부(SN2)로 이동된 전하량을 읽어냄으로써 제1 읽기 동작이 수행될 수 있다. (11) 구간 내지 (15) 구간을 통해 수행되는 제1 읽기 동작은, 도 6을 참조하여 설명한 (10) 구간 내지(14) 구간에서 설명한 동작과 동일하거나 유사하다.

즉, (11) 구간에서, 리셋 스위칭부(RS)를 제어하여, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환할 수 있으며, 이에 따라, 제2 전하 저장부(SN2)의 전위를 샘플링하여 제3 출력 신호를 생성할 수 있다. 또한, (12) 구간 내지 (14) 구간을 통하여, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들을 제2 전하 저장부(SN2)로 이동시킬 수 있으며, (15) 구간에서, 제2 전하 저장부(SN2)의 전위를 샘플링하여 제4 출력 신호를 생성할 수 있다. 이 때, 제2 출력 신호와 제1 출력 신호의 차이에 입사광에 의해 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우 되어 축적된 전하량(이하, 오버플로우 전하량)을 판단할 수 있게 된다. (11) 구간 내지 (15) 구간을 통해, 오버플로우 전하량을 획득하기 위하여, 전송 스위칭부(TS), 제1 전하 저장부(SN1) 및 리셋 스위칭부(RS)를 제어하는 방법은, 도 6을 참조하여 설명한 (10) 구간 내지 (14) 구간에서 설명한 방법과 동일하거나 유사하므로, 자세한 설명은 여기서 생략하기로 한다.

상기 제1 읽기 동작에 의해 획득된 오버플로우 전하량은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따라, 고조도 이미지를 획득하는데 사용되며, 이에 따라 광역 동적 범위(WDR)을 구현할 수 있게 된다.

제1 읽기 동작에서 읽어낼 오버플로우 전하량을 축적하는 시간인 제1 축적 시간은 항상 일정한 값일 수도 있으나, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지를 분석함으로써 실시간으로 또는 주기적으로 피드백을 받아 변경될 수 있는 값일 수도 있다. 예를 들어, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지의 분석 결과, 조도가 매우 높다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제1 조도임계값 이상인 경우), 상기 제1 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 짧아질 수 있다. 반대로, 분석 결과, 조도가 크게 높지 않다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제2 조도임계값 이하인 경우), 상기 제1 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 길어질 수 있다.

한편, 상기 제1 축적시간은 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 시간을 서로 다르게 설정할 수 있다.

제1 축적 시간은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 동작 모드에서 구현하고자 하는 동적 범위(Dynamic Range)의 확장과 매우 밀접한 관련이 있으므로, 전술한 바에 한정되지 않는 다양한 방식에 의해서 제어될 수 있을 것이다.

이어서, (16) 구간 내지 (22) 구간을 통하여, 제2 읽기 동작이 수행될 수 있다. 즉, 입사광에 의해 광전 변환 소자(PD)에 생성되어 축적된 전하들은 제1 전하 저장부(SN1)를 거쳐 제2 전하 저장부(SN2)로 이동하게 되며, 이어서, 제2 전하 저장부(SN2)로 이동된 전하량을 읽어냄으로써 제2 읽기 동작이 수행될 수 있다. (16) 구간 내지 (22) 구간을 통해 수행되는 제2 읽기 동작은, 도 6을 참조하여 설명한 (6) 구간, (7) 구간 및 (9) 구간 내지 (13) 구간에서 설명한 동작과 동일하거나 유사하다.

즉, (16) 구간 및 (17) 구간을 통해, 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하를 제1 전하 저장부(SN1)로 이동시킬 수 있다. 이 때, 제1 읽기 동작을 위하여 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들은 제거될 수 있다. 즉, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어를 제어하여(즉, 낮은 상태로 변환하여) 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들이 전원전압(VDD)이 인가되고 있는 리셋 스위칭부(RS)의 제1 단자 측으로 빠져나갈 수 있다. 이어서, (17) 구간에서, 리셋 스위칭부(RS)를 제어하여, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환할 수 있고, 이에 따라, 제2 전하 저장부(SN2)의 전위를 샘플링하여 제5 출력 신호를 생성할 수 있다. 또한, (18) 구간 내지 (20) 구간을 통하여, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적되어 있던 전하들을 제2 전하 저장부(SN2)로 이동시킬 수 있으며, (21) 구간에서, 제2 전하 저장부(SN2)의 전위를 샘플링하여 제6 출력 신호를 생성할 수 있다. 이 때, 제5 출력 신호와 제6 출력 신호의 차이에 입사광에 의해 광전 변환 소자(PD)에서 생성되어 축적된 전하량(이하, 광전 변환 소자 전하량)을 판단할 수 있게 된다. 이어서, (22) 구간에서, 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들을 리셋할 수 있다.

(16) 구간 내지 (22) 구간을 통해, 입사광에 의해 광전 변환 소자(PD)에 생성되고 축적된 전하량을 획득하기 위하여, 쉬프트 스위칭부(SS), 전송 스위칭부(TS), 제1 전하 저장부(SN1) 및 리셋 스위칭부(RS)를 제어하는 방법은, 도 6을 참조하여 설명한 (6) 구간, (7) 구간 및 (9) 구간 내지 (13) 구간에서 설명한 방법과 동일하거나 유사하므로, 자세한 설명은 여기서 생략하기로 한다.

상기 제2 읽기 동작에 의해 획득된 광전 변환 소자 전하량은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따라, 저조도 이미지를 획득하는데 사용되며, 이에 따라 광역 동적 범위(WDR)을 구현할 수 있게 된다.

제2 읽기 동작에서 읽어낼 광전 변환 소자 전하량을 축적하는 시간인 제2 축적 시간은 항상 일정한 값일 수도 있으나, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지를 분석함으로써 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 제3 조도임계값 이하인 경우), 상기 제1 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 길어질 수 있다. 반대로, 분석 결과, 조도가 크게 낮지 않다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제4 조도임계값 이상인 경우), 상기 제2 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 짧아질 수 있다.

한편, 상기 제2 축적시간은 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 제2 축적 시간을 서로 다르게 설정할 수 있다.

제2 축적 시간은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 동작 모드에서 구현하고자 하는 동적 범위(Dynamic Range)의 확장과 매우 밀접한 관련이 있으므로, 전술한 바에 한정되지 않는 다양한 방식에 의해서 제어될 수 있을 것이다.

각 단위 픽셀은 전술한 바와 같은 동작을 계속하여 반복적으로 수행하게 된다. 보다 구체적으로, 각 단위 픽셀은 (1) 구간 내지 (22) 구간의 동작을 수행한 후, 다시 (1) 구간 내지 (22) 구간의 동작을 다시 수행할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100)는, 동작 모드가 제2 모드로 설정되어 있는 경우, 오버플로우 제어부(OFC)를 전구간에서 높은 상태로 유지할 수 있다. 특히, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어보다 더 높게 유지될 수 있다. 왜냐하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 제2 모드의 동작에서는 광전 변환 소자(PD)로부터 오버플로우되는 전하를 이미지 획득에 사용하기 때문에, 광전 변환 소자(PD)에서부터 오버플로우되는 전하가 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 오버플로우 되지 않고 전부 제1 전하 저장부(SN1)측으로 이동되어야 하기 때문이다.

다만, 설명의 편의를 위하여 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어가 '전구간'에 대해서 항상 높은 상태(즉, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어보다 높은 상태)를 유지하여야 한다고 설명하고 있으나, 본 발명의 목적을 달성하고자 하는 범위 내에서 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어와 동일하거나 낮은 상태로 변환되었다가 다시 높은 상태로 변환될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따르면 광전 변환 소자(PD)로부터 오버플로우 되는 전하의 모두를 이미지 획득에 사용하지 않을 수 있으므로(도 9의 (5) 구간 내지 (9) 구간 참조), 이러한 구간에서는, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어가 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어와 동일하거나 더 낮아지도록 제어할 수 있을 것이다.

한편, 설명의 편의를 위하여, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 전구간에서 항상 동일한 값을 유지하는 것과 같이 설명하였으나, 본 발명의 목적을 달성하고자 하는 범우 내에서 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 변경될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 필요한 구간에서, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어보다 더 높게 유지가 된다면, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 변경되고 있어도 무방할 것이다.

전술한 바와 같이 획득된 오버플로우 전하량 및 광전 변환 소자 전하량에 기초하여, 동적 범위가 확장된 최종 이미지를 획득할 수 있게 된다. 즉, 획득된 오버플로우 전하량에 기초하여 획득될 수 있는 고조도 이미지 및 광전 변환 소자 전하량에 기초하여 획득될 수 있는 저조도 이미지에 기초하여 동적 범위가 확장된 최종 이미지가 획득될 수 있다.

3. 동작 모드의 자동 선택

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 동작 모드를 선택하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 동작 모드를 선택하는 방법을 설명하기 위한 이미지 히스토그램의 일 예를 도시하는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따라 동작 모드를 선택하는 것은 사용자 인터페이스(User Interface, UI) 등을 통하여 사용자로부터 입력된 값에 의해 수행될 수도 있으나, 이하에서 설명하는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 이미징 장치(100)의 판단에 의해 자동으로 선택되는 것일 수도 있다.

이하에서, 설명하는 동작 모드의 선택을 위해 이미징 장치(100)는 모드 셀렉터(도면 미도시)를 구비할 수 있다. 즉, 이하에서 설명하는 자동으로 동작 모드를 선택하는 방법은 이미징 장치(100)에 구비된 모드 셀렉터에 의해 수행되는 것일 수 있다.

이하에서는, 이미징 장치(100)가 자동으로 동작 모드를 선택하는 방법을 설명하기로 한다.

먼저, 이미징 장치(100)는 동작 모드 선택을 위한 이미지를 획득할 수 있다(S200).

단계 S200에서 획득되는 이미지는 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따라 획득된 것일 수 있다. 예를 들어, 단계 S200이 수행될 때, 이미 이미징 장치(100)에 설정되어 있는 동작 모드에 따라 획득된 이미지일 수 있다. 만약, 이미 설정되어 있는 동작 모드가 제2 모드인 경우, 단계 S200에서 획되는 이미지는 오버플로우 전하량에 기초하여 획득한 고조도 이미지, 광전 변환 소자 전하량에 기초하여 획득한 저조도 이미지 및 고조도 이미지와 저조도 이미지에 기초하여 획득한 최종 이미지 중 적어도 하나일 수 있다.

그러나, 단계 200에서 획득되는 이미지는 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따라 획득된 것에 한정되지 않는다.

단계 S200에서 이미지를 획득하는 시기는 이하에서 설명할 단계 S210에 의해 동작 모드가 선택/설정되는 시기와 미리 정해져 있는 시간 범위 내에 수행된다. 예를 들어, 단계 S200은 단계 S210가 수행되는 시점 보다 미리 정해져 있는 시간(예를 들어, 1초 전, 2초 전, 0.5초 전 등) 이전에 수행될 수 있다.

이미징 장치(100)를 통해, 동화상을 촬영하고자 하는 경우, 바람직하게는, 상기 미리 정해진 시간은, 이미징 장치(100)에 설정되어 있는 프레임과 프레임 간의 시간 간격일 수 있다. 즉, 동화상에 포함되는 제1 이미지(제1 프레임) 및 제2 이미지(제2 프레임, 제1 프레임의 바로 다음 프레임)를 가정할 때, 제1 이미지는 동작 모드를 자동으로 선택/설정하기 위한 이미지로 사용되고 제1 이미지에 기초하여 설정된 동작 모드에 따라서 제2 이미지가 촬영될 수 있다. 그러나, 이는 바람직한 실시예일 뿐이며, 자동 동작 모드 설정에 사용되는 이미지는 바로 직전 이미지(프레임)이 아닌 몇몇 프레임 이전의 프레임이 사용될 수도 있을 것이다.

이미징 장치(100)를 통해, 정지화상을 촬영하고자 하는 경우, 바람직하게는, 상기 정지화상을 촬영하기 위한 신호(예를 들어, 사용자의 셔터 누름에 의해 발생하는 신호)의 발생 바로 직후 또는 바로 직전에 획득될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 셔터 누름에 의해 정지화상을 촬영하게 되는 경우, 반셔터와 같이, 실제 셔터가 완전히 눌리기 전의 시점에 단계 S200에 의한 이미지가 획득될 수 있으며, 이에 의해 획득된 이미지에 기초하여 동작 모드가 선택/설정된 후에, 셔터가 완전히 눌리게 되면 그 시점에 설정된 동작 모드에 따라 상기 정지 화상이 획득될 수 있다.

이어서, 이미징 장치(100)는 획득된 이미지에 기초하여 동작 모드를 선택/설정한다(S210).

단계 S210에서 동작 모드를 설정/선택하기 위하여, 이하에서 설명할 방법들 중 하나의 방법 또는 이들의 조합에 의한 방법이 사용될 수 있다.

첫째, 이미징 장치(100)는 획득된 이미지의 히스토그램을 확인하고, 확인된 히스토그램에 기초하여 획득된 이미지의 속성이 미리 설정된 기준에 부합되는 경우 동작 모드를 제2 모드(광역 동적 범위 모드)로 설정할 수 있다.

예를 들어, 이미징 장치(100)는 단계 S200에서 획득된 이미지를 분석하여 히스토그램을 획득할 수 있으며, 이에 따라 획득된 이미지의 인트라신 동적 범위(intra-scene dynamic range)가 결정될 수 있다. 즉, 획득된 이미지의 히스토그램이 도 11에 도시된 바와 같은 경우, 각 히스토그램 (a), (b) 및 (c)에 대해 획득된 이미지의 인트라신 동적 범위가 결정될 수 있다. 도 11의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같은 경우, 히스토그램이 넓은 조도 범위에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 알 수 있으며, 이에 따라, 획득된 이미지의 인트라신 동적 범위는 넓다고 판단할 수 있는 반면, 도 11의 (c)에 도시된 바와 같은 경우, 히스토그램이 상대적으로 좁은 조도 범위에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 알 수 있으며, 이에 따라, 획득된 이미지의 인트라신 동적 범위는 좁다고 판단할 수 있다. 이와 같은 경우, 이미징 장치(100)는 인트라신 동적 범위에 대한 임계값을 미리 설정해 두고, 단계 S200에서 획득된 인트라신 동적 범위의 값이 미리 설정된 임계값 이상이 되는 경우, 동작 모드를 제2 모드로 설정할 수 있다.

전술한 예에서는, 이미징 장치(100)는 획득된 이미지의 속성 중 인트라신 동적 범위만을 고려하여 동작 모드를 선택/설정하는 것으로 설명하였으나, 이미지의 속성 중 인트라신 동적 범위 외에 다른 속성을 고려하여도 무방할 것이다.

둘째, 이미징 장치(100)는 단계 S200에서 적어도 둘 이상의 이미지를 획득하고, 상기 획득된 둘 이상의 이미지들 간의 차이(difference)를 확인하고, 상기 확인된 차이에 따라 동작 모드를 선택/설정할 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 획득된 둘 이상의 이미지는 순차적으로 획득된 이미지들이다.

일반적으로 글로벌 셔터(global shutter)는 빠르게 움직이는 피사체에 대한 이미지를 획득하고자 할 때, 이미지의 왜곡 없이 이미지를 획득하기 위하여 사용되는 방식이다.

한편, 동영상의 촬영 시, 순차적으로 획득된 둘 이상의 이미지들(서로 연속된 프레임들) 사이의 차이가 큰 경우에는 피사체의 움직임이 빠른 것으로 판단할 수 있다.

따라서, 이미징 장치(100)는 이미지들 간의 차이에 대한 임계값을 미리 설정해 두고, 확인된 적어도 둘 이상의 이미지들 간의 차이가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 이미징 장치(100)는 동작 모드를 제1 모드(글로벌 셔터 모드)로 설정할 수 있다. 이 때, 이미징 장치(100)는 두 개의 이미지를 획득하여 상기 차이를 확인할 수도 있으나, 세 개 이상의 이미지를 획득하여 세 개 이상의 이미지들 간의 차이를 확인하여 동작 모드를 선택/설정하는 데 사용할 수 있을 것이다.

사용자가 본 발명에 따른 이미징 장치(100)를 이용하여 동화상이 아닌 정지화상을 촬영하고자 할 때에도, 단계 S200을 통해 적어도 둘 이상의 이미지를 상기 정지화상의 촬영 직전에 획득할 수 있을 것이다.

전술한 바와 같이, 이미징 장치(100)가 자동으로 동작 모드를 설정하고 나면 이미징 장치(100)는 설정된 동작 모드에 따라 동작할 수 있다.

이미징 장치(100)는 동작 모드 설정을 위한 상기와 같은 동작들을 주기적으로 또는 실시간으로 계속하여 수행할 수 있다. 또는, 이미징 장치(100)는 사용자로부터 특별한 요청이 있는 경우에만 전술한 바와 같은 동작 모드 설정을 위한 동작들을 수행할 수도 있을 것이다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 모드 선택을 위해 획득된 이미지를 사용하는 것에 대해서 설명하였다. 이 때, 이미지 획득을 위해 사용되는 센서와 자동 모드 선택을 위해 사용되는 센서가 동일한 것을 가정하여 설명하였으나 두 센서는 서로 동일하지 않아도 무방할 것이다. 즉, 자동 모드 선택을 위한 이미지를 획득하기 위한 센서가 별도로 구비되어도 될 것이다.

4. 광역 동적 범위 모드 구동방법의 다른 실시예

도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한 이미징 장치의 구동 방법은 광역 동적 범위를 구현하기 위한 구동 방법의 일예이다. 이하에서 설명할 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치의 구동방법 또한 광역 동적 범위를 구현하기 위한 구동방법에 관한 것이다. 즉, 이하에서 설명할 다른 실시예에 따른 이미징 장치의 구동방법은 전술한 제2 모드의 동작을 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 구동방법을 대체할 수도 있으나, 이하의 방법은 독자적으로 광역 동적 범위를 구현하기 위한 구동방법으로 사용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.

또한, 이하에서 설명할 다른 실시예에 따른 이미징 장치(100)의 구동방법은 도 2를 참조하여 설명한 픽셀 어레이(111)에서 구현될 수도 있으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치(100)의 구동방법이 독자적으로 사용되는 경우, 오버플로우 제어부(OFC)는 포함되지 않을 수 있다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치의 픽셀 어레이의 구동방법을 설명하기 위한 타이밍도이며, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치의 단위 픽셀의 각 구성요소들에 인가되는 제어신호들의 타이밍도이며, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치의 단위 픽셀 내에서 전하이동을 설명하기 위한 포텐셜 배리어를 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(100)를 이용하여 이미지를 획득하기 위해서, 픽셀 어레이(111)는 제6 구간(DR6) 동안 수행되는 축적 동작(integrating operation) 및 제7 구간(DR7) 동안 수행되는 읽기 동작(reading operation)을 수행한다.

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

축적 동작 및 읽기 동작은 모든 유효 픽셀들에 대해서 동시에 수행되지 않을 수 있다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 동일한 컬럼에 포함되어 있는 유효 픽셀들에 대해서는, 축적 동작 및 읽기 동작이 동시에 수행될 수 있으나, 서로 다른 컬럼에 포함되어 있는 유효 픽셀들 사이에서는 축적 동작 및 읽기 동작이 서로 다른 시점에 수행될 수 있다. 즉, 모든 유효픽셀들에 대해서 동시에 수행되는 대신 라인별로 순차적으로 읽어내는 방식이 채택될 수 있다.

축적 동작은 광전 변환 소자(PD)에 의해 입사광이 전하로 변환되는 동작을 포함한다. 또한, 축적 동작은, 광전 변환 소자(PD) 및/또는 제1 전하 저장부(SN1)의 클리어 동작(이하, 제3 클리어 동작), 제1 전하 저장부(SN1)의 클리어 동작(이하, 제4 클리어 동작) 및 제2 전하 저장부(SN2)의 클리어 동작(이하, 제5 클리어 동작)을 포함한다. 축적 동작에 대한 보다 구체적인 내용은 후술한다.

읽기 동작은 제1 전하 저장부(SN1)로부터 제2 전하 저장부(SN2)로 오버플로우된 전하들의 적어도 일부의 전하량을 읽어내는 제3 읽기 동작, 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우된 전하들의 적어도 일부의 전하량을 읽어내는 제4 읽기 동작 및 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하량을 읽어내는 제5 읽기 동작을 포함할 수 있다.

제3 읽기 동작에 의해 읽어낸 전하량의 값은 고조도 이미지의 획득을 위해 사용되며, 제4 읽기 동작에 의해 읽어낸 전하량의 값은 중조도 이미지의 획득을 위해 사용될 수 있고, 제5 읽기 동작에 의해 읽어낸 전하량의 값은 저조도 이미지의 획득을 위해 사용될 수 있다. 이 때, 제3 읽기 동작은 제4 읽기 동작 보다 더 먼저 수행될 수 있으며, 제4 읽기 동작은 제5 읽기 동작 보다 더 먼저 수행될 수 있다.

제3 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하를 축적하는 시간(제3 축적 시간, third integration time)은 제4 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하를 축적하는 시간(제4 축적 시간, fourth integration time) 보다 더 짧을 수 있으며, 제4 축적 시간은 제5 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하를 축적하는 시간(제5 축적 시간, fifth integration time) 보다 더 짧을 수 있다. 예를 들어, 제3 축적 시간(T3), 제4 축적 시간(T4) 및 제5 축적 시간(T5)은 다음의 관계를 가질 수 있다.

1/5000 ≤ T3/T4 ≤ 1/5

1/5000 ≤ T4/T5 ≤ 1/5

만약, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치(100)의 구동방법이 전술한 제2 모드에 따른 구동방법을 대체하여 적용되는 경우, 전술한 축적 동작 및 읽기 동작이 수행되는 동안, 오버플로우 제어부(OFC)는 광전 변환 소자(PD)에 축적된 전하가 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 이동하지 않도록 한다. 즉, 모든 구간에서 오버플로우 제어부(OFC) 측으로 전하가 이동하지 못하도록 오버플로우 제어부(OFC)를 제어한다. 이를 위하여, 오버플로우 제어부(OFC)는 높은 포텐셜 배리어 상태를 유지하도록 한다. 예를 들어, 오버플로우 제어부(OFC)가 트랜지스터로 구성되는 경우, 상기 트랜지스터는 오프 상태를 유지하고 있을 수 있다. 특히, 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어는 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어보다 더 높게 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

도 13 및 도 14를 참조하여, 각 단위 픽셀에서의 축적 동작 및 읽기 동작에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

(1) 구간 내지 (4) 구간은, 제3 클리어 동작에 대응되는 구간으로써, 입사광에 대한 정확한 정보를 획득하기 위해, 입사광에 따른 전하량을 축적하는 축적 동작을 수행하기 전에 각 단위 픽셀들은 광전 변환 소자(PD)에 불필요하게 축적된 전하들을 클리어하기 위한 구간이다. 이에 대한 동작은, 도 9를 참조하여 설명한 (1) 구간 내지 (4) 구간에서 설명한 바와 동일하거나 유사하므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.

(5) 구간을 통하여, 광전 변환 소자(PD)는 입사광에 의해 발생되는 전하들을 축적할 수 있다. 이 때, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어는 높은 상태를 유지할 수 있다. 즉, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어는 광전 변환 소자(PD)의 포텐셜 배리어 보다 높은 상태가 되도록 제어될 수 있다. 다만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동방법이 전술한 제2 모드에 적용될 경우, 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어는 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어 보다 낮은 상태를 유지하도록 상기 쉬프트 스위칭부(SS) 및 오버플로우 제어부(OFC)가 제어될 수 있다. 즉, 광전 변환 소자(PD)의 용량(capacity)이 오버플로우 제어부(OFC)의 포텐셜 배리어가 아닌 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어에 의해 결정될 수 있도록 할 수 있다.

도 14에 도시된 (5) 구간에는 광전 변환 소자(PD)의 오버플로우 전하가 제1 전하 저장부(SN1) 측으로 오버플로우된 것을 도시하고 있으나, (5) 구간에서 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하가 광전 변환 소자(PD)의 용량보다 더 적다면, 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우 되지 않을 수 있다.

일반적으로, 광전 변환 소자(PD)의 오버플로우 전하들은 이미지 형성에 사용하지 않고 제거될 수 있으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따르면, 광전 변환 소자(PD)의 오버플로우 전하들의 적어도 일부를 이용하여 이미지 형성에 사용하도록 한다.

(6) 구간 및 (7) 구간에서는, 광전 변환 소자(PD)로부터 오버플로우 되어 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하들의 일부를 제거하기 위한 제4 클리어 동작 및 제5 클리어 동작이 수행될 수 있다. 이어서, (8) 구간 및 (9) 구간을 통해, 제1 전하 저장부(SN1)가 다시 광전 변환 소자(PD)로부터 오버플로우 되는 전하들을 축적할 수 있는 상태를 만들 수 있다. (6) 구간 내지 (9) 구간에 대한 설명은 도 9의 (6) 구간 내지 (9) 구간에 대한 설명으로 갈음한다.

이어서, (10) 구간을 통해, 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우된 전하들이 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된다. 만약, 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우된 전하량이 제1 전하 저장부(SN1)의 용량보다 더 많은 경우, 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하들도 오버플로우될 수 있다. 이 때, 제1 전하 저장부(SN1)로부터 오버플로우 되는 전하들이 제2 전하 저장부(SN2)측으로 오버플로우될 수 있도록 전송 스위칭부(TS)의 포텐셜 배리어는 쉬프트 스위칭부(SS)의 포텐셜 배리어와 동일하거나 더 낮게 제어될 수 있다.

(11) 구간에서는, 제1 전하 저장부(SN1)로부터 오버플로우되는 전하들을 제2 전하 저장부(SN2)에 축적하기 위하여, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어를 높은 상태로 변환할 수 있다. 즉, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어가 제2 전하 저장부(SN2)의 포텐셜 배리어 보다 더 크도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 리셋 스위칭부(RS)에 인가되어 있던 리셋 신호(RSx)가 제거될 수 있다.

(11) 구간의 동작이 수행되는 시간은, 제3 축적 시간(T3, 제3 읽기 동작에 의해 읽어낼 전하를 축적하는 시간)에 의해 결정될 수 있다.

아울러, (11) 구간에서 제3 읽기 동작이 수행될 수 있다. 즉, 광전 변환 소자(PD)로부터 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우되고, 제1 전하 저장부(SN1)에서도 제2 전하 저장부(SN2)로 오버플로우되는 전하량을 제3 읽기 동작에 의해 읽어낼 수 있다.

상기 제3 읽기 동작에 의해 획득된 오버플로우 전하량은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따라, 고조도 이미지를 획득하는데 사용되며, 이에 따라 광역 동적 범위(WDR)을 구현할 수 있게 된다.

제3 읽기 동작에서 읽어낼 오버플로우 전하량을 축적하는 시간인 제3 축적 시간은 항상 일정한 값일 수도 있으나, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지를 분석함으로써 실시간으로 또는 주기적으로 피드백을 받아 변경될 수 있는 값일 수도 있다. 예를 들어, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지의 분석 결과, 조도가 매우 높다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제5 조도임계값 이상인 경우), 상기 제3 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 짧아질 수 있다. 반대로, 분석 결과, 조도가 크게 높지 않다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제6 조도임계값 이하인 경우), 상기 제3 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 길어질 수 있다.

한편, 상기 제3 축적시간은 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 제3 축적 시간을 서로 다르게 설정할 수 있다.

제3 축적 시간은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구현하고자 하는 동적 범위(Dynamic Range)의 확장과 매우 밀접한 관련이 있으므로, 전술한 바에 한정되지 않는 다양한 방식에 의해서 제어될 수 있을 것이다.

이어서, (12) 구간을 통해, 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들을 리셋시킬 수 있다. 즉, 리셋 스위칭부(RS)의 포텐셜 배리어를 낮은 상태로 변환함으로써, 제2 전하 저장부(SN2)에 축적되어 있던 전하들이 전원전압(VDD)이 인가되고 있는 리셋 스위칭부(RS)의 제1 단자 측으로 빠져나갈 수 있도록 할 수 있다.

이어서, (13) 구간 내지 (17) 구간을 통해, 제4 읽기 동작이 수행될 수 있다. 즉, 광전 변환 소자(PD)에서부터 제1 전하 저장부(SN1)로 오버플로우되어 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하량을 읽어낼 수 있다. 이를 위해, (14) 구간 내지 (16) 구간을 통해 제1 전하 저장부(SN1)에 축적된 전하들을 제2 전하 저장부(SN2)로 이동시킬 수 있으며, 이어서, (17) 구간에서 제2 전하 저장부(SN2)에 축적된 전하량을 읽어낼 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은, 도 9를 참조하여 설명한 (10) 구간 내지 (15) 구간에 대한 설명으로 갈음한다.

상기 제4 읽기 동작에 의해 획득된 광전 변환 소자 전하량은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따라, 중조도 이미지를 획득하는데 사용되며, 이에 따라 광역 동적 범위(WDR)을 구현할 수 있게 된다.

제4 읽기 동작에서 읽어낼 오버플로우 전하량을 축적하는 시간인 제4 축적 시간은 항상 일정한 값일 수도 있으나, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지를 분석함으로써 실시간으로 또는 주기적으로 피드백을 받아 변경될 수 있는 값일 수도 있다. 예를 들어, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지의 분석 결과, 조도가 매우 높다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제7 조도임계값 이상인 경우), 상기 제4 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 짧아질 수 있다. 반대로, 분석 결과, 조도가 크게 높지 않다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제8 조도임계값 이하인 경우), 상기 제4 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 길어질 수 있다.

한편, 상기 제4 축적시간은 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 제4 축적 시간을 서로 다르게 설정할 수 있다.

제4 축적 시간은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구현하고자 하는 동적 범위(Dynamic Range)의 확장과 매우 밀접한 관련이 있으므로, 전술한 바에 한정되지 않는 다양한 방식에 의해서 제어될 수 있을 것이다.

이어서, (18) 구간 내지 (23) 구간을 통하여, 제5 읽기 동작이 수행될 수 있다. 즉, 입사광에 의해 광전 변환 소자(PD)에 생성되어 축적된 전하들은 제1 전하 저장부(SN1)를 거쳐 제2 전하 저장부(SN2)로 이동하게 되며, 이어서, 제2 전하 저장부(SN2)로 이동된 전하량을 읽어냄으로써 제5 읽기 동작이 수행될 수 있다. (18) 구간 내지 (23) 구간을 통해 수행되는 제5 읽기 동작은, 도 9를 참조하여 설명한 (16) 구간 내지 (22) 구간에서 설명한 동작과 동일하거나 유사하다.

상기 제5 읽기 동작에 의해 획득된 오버플로우 전하량은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치(100) 및 그 구동방법에 따라, 저조도 이미지를 획득하는데 사용되며, 이에 따라 광역 동적 범위(WDR)을 구현할 수 있게 된다.

제5 읽기 동작에서 읽어낼 오버플로우 전하량을 축적하는 시간인 제5 축적 시간은 항상 일정한 값일 수도 있으나, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지를 분석함으로써 실시간으로 또는 주기적으로 피드백을 받아 변경될 수 있는 값일 수도 있다. 예를 들어, 이미 획득된 적어도 하나의 이미지의 분석 결과, 조도가 매우 높다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제9 조도임계값 이상인 경우), 상기 제5 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 짧아질 수 있다. 반대로, 분석 결과, 조도가 크게 높지 않다고 판단되는 경우(즉, 미리 설정된 제10 조도임계값 이하인 경우), 상기 제5 축적 시간은 이전 이미지의 획득에 사용된 것보다 더 길어질 수 있다.

한편, 상기 제5 축적시간은 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 제5 축적 시간을 서로 다르게 설정할 수 있다.

제5 축적 시간은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구현하고자 하는 동적 범위(Dynamic Range)의 확장과 매우 밀접한 관련이 있으므로, 전술한 바에 한정되지 않는 다양한 방식에 의해서 제어될 수 있을 것이다.

각 단위 픽셀은 전술한 바와 같은 동작을 계속하여 반복적으로 수행하게 된다. 보다 구체적으로, 각 단위 픽셀은 (1) 구간 내지 (23) 구간의 동작을 수행한 후, 다시 (1) 구간 내지 (23) 구간의 동작을 다시 수행할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 장치(100)의 구동방법에 의하면, 제1 전하 저장부(SN1)에서 오버플로우 되는 전하들의 적어도 일부를 이미지 획득에 사용할 수 있게 됨으로써, 도 9를 참조하여 설명한 구동방법 보다 더 넓은 동적 범위를 이미징 장치(100)가 가질 수 있도록 할 수 있게 된다.

Claims (14)

1. 광전 변환 소자, 상기 광전 변환 소자 일측에 배치되는 쉬프트 스위칭부, 상기 광전 변환 소자의 다른 일측에 배치되는 오버플로우 제어부, 상기 쉬프트 스위칭부 일측에 배치되는 제1 전하 저장부, 상기 제1 전하 저장부 일측에 배치되는 전송 스위칭부, 상기 전송 스위칭부 일측에 배치되는 제2 전하 저장부 및 상기 제2 전하 저장부 일측에 배치되는 리셋 스위칭부를 포함하는 복수의 픽셀;
   상기 복수의 픽셀에 신호를 인가하는 제어회로; 및
   피사체의 움직임 및 동적 범위(dynamic range) 중 적어도 하나에 기초하여, 글로벌 셔터를 위한 제1 모드 및 광역 동적 범위(Wide Dynamic Range, WDR)를 위한 제2 모드 중 하나를 선택하는 모드 셀렉터를 포함하고,
   상기 모드 셀렉터는,
   적어도 2개 이상의 연속하여 촬영된 이미지들 사이의 차이(difference)에 기초하여, 상기 피사체의 움직임의 정도를 판단하는
   이미징 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 제1 모드가 선택된 경우, 구간에 따라, 상기 오버플로우 제어부에 의해 형성되는 포텐셜 베리어를 변경시키고,
   상기 제2 모드가 선택된 경우, 상기 오버플로우 제어부에 의해 형성되는 포텬셀 베리어를 높게 유지하는
   이미징 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,
   상기 제1 모드가 선택된 경우, 제1 구간에서는, 상기 오버플로우 제어부의 포텐셜 배리어를 상기 쉬프트 스위칭부의 포텐셜 배리어 보다 더 높게 유지하되, 제2 구간에서는, 상기 오버플로우 제어부의 포텐셜 배리어를 상기 쉬프트 스위칭부의 포텐셜 배리어 보다 더 낮게 유지하며,
   상기 제2 모드가 선택된 경우, 상기 오버플로우 제어부의 포텐셜 배리어는 항상 상기 쉬프트 스위칭부의 포텐셜 배리어보다 더 높게 유지하는
   이미징 장치.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 모드 셀렉터는,
   상기 차이(difference)가 미리 정해진 기준보다 큰 경우, 상기 제1 모드를 선택하는
   이미징 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 동적 범위는 인트라신 동적 범위(intra-scene dynamic range)인
   이미징 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서, 상기 모드 셀렉터는,
   적어도 하나의 촬영된 이미지의 히스토그램 분포에 기초하여 상기 동적 범위를 결정하는
   이미징 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 촬영된 이미지는, 현재 활영하고자 하는 이미지 보다 미리 정해진 시간 이전에 촬영된 것인
   이미징 장치.
   
10. 제 8 항에 있어서, 상기 모드 셀렉터는,
    상기 동적 범위가 미리 정해진 기준보다 큰 경우, 상기 제2 모드를 선택하는
    이미징 장치.
    
11. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,
    상기 제1 모드로 설정되어 있는 경우, 상기 복수의 픽셀들에 구비된 광전 변환 소자에 축적된 전하를 상기 제1 전하 저장부로 동시에 쉬프트시키는
    이미징 장치.
    
12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어회로는,
    상기 제1 전하 저장부로 쉬프트된 전하를 순차적으로 읽어내는 제1 읽기 동작을 수행하는
    이미징 장치.
    
13. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로는,
    상기 제2 모드로 설정되어 있는 경우, 상기 복수의 픽셀들에 구비된 광전 변환 소자에 축적된 전하를 상기 제1 전하 저장부 및/또는 상기 제2 전하 저장부로 순차적으로 쉬프트시키는
    이미징 장치.
    
14. 제 13 항에 있어서, 상기 제어회로는,
    상기 제2 모드로 설정되어 있는 경우,
    상기 쉬프트 스위칭부의 동작과 무관하게 상기 광전 변환 소자로부터 상기 제1 전하 저장부로 오버플로우된 전하들의 전하량을 읽어내는 제1 읽기 동작 및 상기 광전 변환 소자에 축적된 전하량을 읽어내는 제2 읽기 동작을 하는
    이미징 장치.

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