KR101241702B1

KR101241702B1 - 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 촬상 장치

Info

Publication number: KR101241702B1
Application number: KR1020060047407A
Authority: KR
Inventors: 게이지 마부찌
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2013-03-08
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP5178994B2; JP2006333035A; TWI327861B; EP2320641A2; CN1870729B; US20060266923A1; TW200709675A; US7244921B2; EP2320641A3; KR20060122759A; EP1729503A3; USRE41664E1; CN1870729A; EP1729503A2

Abstract

고체 촬상 소자는 화상 신호를 각각 출력하는 복수의 화소가 2차원 배열된 화소 어레이부; 및 복수의 열 회로를 포함하는 열 회로 영역을 포함한다. 고체 촬상 소자에서, 단일 화소 열로부터의 화상 신호들이 출력되는 수직 신호선이 1보다 큰 정해진 수의 열 회로에 선택적으로 접속되며, 선택된 화소 행으로부터의 신호가 상기 정해진 수의 열 회로 중 하나로 선택적으로 출력되어, 동일 화소로부터 판독된 신호들이 동일 열 회로로 전송될 수 있다.

고체 촬상 소자, 촬상 장치, 화소 어레이, 열 회로

Description

고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 촬상 장치{SOLID-STATE IMAGING DEVICE, DRIVING METHOD THEREFOR, AND IMAGING APPARATUS}

도 1의 (a)는 제1 관련 기술의 개념을 나타내는 도면.

도 1의 (b)는 제1 관련 기술의 개념을 나타내는 도면.

도 2의 (a)는 제2 관련 기술의 개념을 나타내는 도면.

도 2의 (b)는 제2 관련 기술의 개념을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 구성을 나타내는 시스템 구성 개략도.

도 4는 화소의 예시적인 회로 구성을 나타내는 회로도.

도 5의 (a)는 제1 실시예에 따른 신호 제공 방법의 개념을 나타내는 도면.

도 5의 (b)는 제1 실시예에 따른 신호 제공 방법의 개념을 나타내는 도면.

도 6은 제1 실시예에 따른 스캐닝의 개념을 나타내는 도면.

도 7은 화소 열에 대응하는 열 회로의 입력 스테이지의 구성을 나타내는 회로도.

도 8은 1H 기간의 동작을 나타내는 타이밍도.

도 9는 제1 실시예에 따른 변형예의 스캐닝의 개념을 나타내는 도면.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 구성을 나타내는 시 스템 구성 개략도.

도 11의 (a)는 제2 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 동작을 나타내는 도면.

도 11의 (b)는 제2 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 동작을 나타내는 도면.

도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 고체 촬상 소자의 예시적인 구성을 나타내는 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

12: 수직 구동 회로

19: 제어 회로

32: 수직 구동 회로

52: 촬상 소자

53: 카메라 신호 처리 회로

151, 161: 수평 스캐닝 회로

341: 수평 스캐닝 회로

본 발명은 2005년 5월 26일자로 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 2005-153336에 관련된 요지를 포함하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로 원용된다.

본 발명은 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 촬상 장치에 관한 것으로서, 구 체적으로는 하나의 화소로부터 상이한 감도의 신호들을 취득하고 취득된 신호들을 합성함으로써 넓은 동적 범위를 확보할 수 있는 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 촬상 장치에 관한 것이다.

고체 촬상 소자, 예를 들어 MOS(금속 산화물 반도체) 고체 촬상 소자의 분야에서, 넓은 동적 범위를 달성하기 위한 기술이 공지되어 있다. 구체적으로, 높은 감도 및 낮은 감도의 신호들은 화소에 상이한 저장 시간(노출 시간), 즉 길고 짧은 저장 시간을 설정함으로써 각각의 화소로부터 얻어진 후 합성되어, 넓은 동적 범위가 달성될 수 있다. 각각의 화소는 광전 변환 소자를 포함하며, 복수의 화소가 화소 어레이부에 매트릭스 형태로 2차원 배열된다. 또한, 화소 어레이부에는 배열 화소들의 각 열에 대해 수직 신호선이 배치된다.

(제1 관련 기술)

전술한 기술의 관련 기술의 하나(이하 "제1 관련 기술"이라 한다)로서, 다음의 구성을 가진 고체 촬상 소자가 공지되어 있다. 화소 어레이부의 화소 열에 대해 배치된 신호선을 통해 전송되는 화소 신호에 대하여 미리결정된 신호 처리를 수행하도록 각각 구성된 2개의 열 회로(신호 처리 회로)가 복수의 화소 열 각각에 대해 배치되고, 하나의 화소로부터 하나의 신호선을 통해 전송된 고감도 및 저감도 신호 각각에 대해 병렬로 신호 처리를 수행한다(예를 들어, Orly Yadid-Pecht and Eric R. Fossum, "Wide Intrascesn Dynamic Range CMOS APS Using Dual Sampling", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 44, NO. 10, pp. 1721-1723, OCTOBER 1997 참조).

제1 관련 기술의 개념이 도 1의 (a) 및 (b)를 참조하여 설명된다. 화소 어레이부(101) 및 2개의 열 회로 그룹(102, 103)의 물리적 레이아웃이 도 1의 (a)에 도시되어 있다. 화소 어레이부(101)에 대해 수행되는 스캐닝의 개념이 도 1의 (b)에 도시되어 있다. 화소 어레이부(101)는 도면의 간략화를 위해 18행 x 22열의 화소를 갖는다. 열 회로 그룹(102, 103) 내의 각 열 회로는 화소 열마다 배치된다.

화소 어레이부(101)에 대해 수행되는 스캐닝 동작은 화소 행 단위로 수행된다. 스캐닝 동작의 프로세스는 2 단계, 즉 화소에 포함된 광전 변환 소자에 저장된 전하를 제거하기 위한 전자 셔터 스캐닝 단계 및 광전 변환 소자에 저장된 전하를 판독하기 위한 판독 스캐닝 단계를 포함한다. 판독 스캐닝 동작에서, 2번의 스캐닝 동작이 수행된다.

전자 셔터 스캐닝이 수행되는 화소 행(이하, "셔터 행"이라 한다)으로부터 제1 판독 스캐닝이 수행되는 화소 행(이하, "판독 행 1"이라 한다)까지의 영역을 스캐닝하는 데 걸리는 기간에 대응하는 기간이 저장 시간 1로 정의된다. 판독 행 1로부터 제2 판독 스캐닝이 수행되는 화소 행(이하, "판독 행 2"라 한다)까지의 영역을 스캐닝하는 데 걸리는 기간에 대응하는 기간이 저장 시간 2로 정의된다. 저장 시간 1과 2를 서로 다르게 함으로써, 상이한 감도의 두 신호, 즉 저감도 신호 및 고감도 신호가 얻어질 수 있다.

도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, 저장 시간 1 및 2는 각각 4개의 화소 행 및 8개의 화소 행을 스캐닝하는 데 걸리는 기간이다. 따라서, 판독 행 2의 각 화소로부터는 판독 행 1의 각 화소로부터 얻어지는 신호에 비해 2배의 감도를 가진 신호를 얻을 수 있다. 후속 스테이지에서 신호 처리 회로(도시되지 않음)의 동일 화소 행에 포함된 각 화소로부터 얻어지는 상이한 감도의 두 신호를 합성함으로써, 넓은 동적 범위를 가진 화상 신호가 얻어질 수 있다.

(제2 관련 기술)

넓은 동적 범위를 달성하기 위한 또 하나의 관련 기술로서(이하, "제2 관련 기술"이라 한다), 다음의 구성을 가진 고체 촬상 소자가 공지되어 있다. 2회의 전자 셔터 스캐닝 동작 및 2회의 판독 스캐닝 동작이 수행되며, 제1 전자 셔터 스캐닝 동작과 제1 판독 스캐닝 동작 사이의 시간 간격 및 제2 전자 셔터 스캐닝 동작과 제2 판독 스캐닝 동작 사이의 시간 간격을 서로 다르게 함으로써, 상이한 감도의 두 신호가 얻어진다. 여기서, 하나의 열 회로는 하나의 화소 열에 배치된다. 2회의 판독 스캐닝 동작으로부터 얻어지는 두 신호는 동일 열 회로에서 처리된다(예를 들어, M. Mase, S. Kawahito, M. Sasaki, and Yasuo Wakamori, "A 19.5b Dynamic Range CMOS Image Sensor with 12b Column-Parallel Cyclic A/D Converters", ISSCC Dig. Tech. Papera, pp. 350-351, Feb. 2005 참조).

제2 관련 기술의 개념이 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하여 설명된다. 화소 어레이부(201) 및 열 회로 그룹(202)의 물리적 레이아웃이 도 2의 (a)에 도시되어 있다. 화소 어레이부(201)에 대해 수행되는 스캐닝의 개념이 도 2의 (b)에 도시되어 있다. 화소 어레이부(201)는 도면의 간략화를 위해 18행 x 22열의 화소를 갖는다. 열 회로 그룹(202) 내의 각 열 회로는 대응 화소 열에 대해 배치된다.

화소 어레이부(201)에 대해 2회의 스캐닝 동작이 수행된다. 제1 스캐닝 동작에서, 셔터 행으로부터 판독 행까지의 영역을 스캐닝하는 데 걸리는 기간에 대응하는 기간이 저장 시간 1로 정의된다. 제2 스캐닝 동작에서, 셔터 행으로부터 판독 행까지의 영역을 스캐닝하는 데 걸리는 기간에 대응하는 기간이 저장 시간 2로 정의된다. 저장 시간 1과 2를 다르게 설정함으로써, 상이한 감도의 두 신호, 즉 저감도 신호 및 고감도 신호가 얻어질 수 있다. 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 저장 시간 1 및 2는 각각 4개의 화소 행 및 8개의 화소 행을 스캐닝하는 데 걸리는 기간이다.

전술한 제1 관련 기술에서는 동일 화소로부터 2개의 신호가 얻어진다. 판독 행 1에서 화소가 판독될 때 얻어지는 신호는 열 회로 그룹(102)에서 처리되고, 판독 행 2에서 화소가 판독될 때 얻어지는 신호는 열 회로 그룹(103)에서 처리된다. 즉, 동일 화소로부터 얻어지는 2개의 신호가 다른 열 회로에서 처리되어, 열 회로 그룹들(102, 103) 사이의 특성 차로 인해 바람직하지 않게 두 신호 레벨 사이에 오차가 발생할 수 있다. 이러한 신호 레벨 오차는 후속 신호 합성 처리가 수행될 때 문제를 일으킨다. 구체적으로, 신호 레벨 오차로 인하여, 명도가 유연하게 변하지 않고, 칼라가 변하며, 화상 신호들을 합성함으로써 얻어지는 넓은 동적 범위를 가진 화상에서 고감도 및 저감도 신호의 연결부 주위에 잡음이 발생한다.

한편, 제2 관련 기술에서는, 동일 화소로부터 출력되는 상이한 감도의 신호들이 동일 열 회로에서 처리되므로, 열 회로들 간의 상이한 특성으로 인한 제1 관련 기술의 문제는 발생하지 않는다. 그러나, 2회의 스캐닝 동작이 수행되므로, 고감도 신호와 저감도 신호의 출력 사이에 시간 차가 발생한다. 시간 차는 적어도 1회의 스캐닝 시간, 즉 스캐닝 동작을 위해 판독 행이 화소 어레이부 전체를 이동하는 데 걸리는 기간에 대응한다. 이러한 시간 차는 다음의 문제를 유발한다.

예를 들어, 1회의 스캐닝 시간이 1/60초가 걸릴 때, 고감도와 저감도 신호의 출력 사이의 시간 차는 적어도 1/60초이다. 이것은, 예를 들어 1/4000 또는 1/5000초의 저장 시간(노출 시간)에 비해 아주 긴 1/60초의 시간 차가 발생한다는 것을 의미한다. 이러한 시간 차는 바람직하게 않게도 손 흔들림 및 피사체의 흔들림으로 인해 화상의 번짐을 유발한다.

전술한 제2 관련 기술의 비특허 문헌의 도 19.3.4를 참조하면, 열 회로들(이들 각각은 잡음 제거기 및 순환 ADC를 포함한다)은 화소 어레이부의 상하 양측에 배치된다. 그러나, 실제로는, 상하 양측에 배치된 열 회로들이 하나의 열 회로로서 집적되기 때문에, 하나의 열 회로가 각각의 화소 열마다 배치된다. 이러한 집적 열 회로는 화소 배열에 평행한 2개의 열 평행 회로를 가지므로, 열 평행 회로들은 상하측에 각각 배치된다. 이 비특허 문헌에서는 6개의 스캐닝 기간이 하나의 프레임 기간으로서 설정된다.

따라서, 동일 화소로부터 출력되는 상이한 감도의 복수의 신호에 대해 동일 열 회로에서 신호 처리를 수행하고, 처리된 상이한 감도의 신호들을 정확히 합성하여 복수의 신호의 출력 간에 1회의 스캐닝 기간의 시간 차를 방지함으로써 고품질 화상 신호를 얻을 수 있는 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 촬상 장치를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 화상 신호를 각각 출력하는 복수의 화소가 2차원 배열된 화소 어레이부, 및 복수의 열 회로를 포함하는 열 회로 영역을 포함하는 고체 촬상 소자가 제공된다. 고체 촬상 소자에서, 단일 화소 열로부터의 화상 신호들이 출력되는 수직 신호선이 1보다 큰 정해진 수의 열 회로에 선택적으로 접속되며, 선택된 화소 행으로부터의 신호가 상기 정해진 수의 열 회로 중 하나로 선택적으로 출력되어, 동일 화소로부터 판독된 신호들이 동일 열 회로로 전송될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 화상 신호를 각각 출력하는 복수의 화소가 2차원 배열된 화소 어레이부, 복수의 열 회로를 포함하는 열 회로 영역, 및 상기 열 회로 영역으로부터 출력되는 신호에 대한 처리를 수행하는 신호 처리부를 포함하는 촬상 장치가 제공된다. 촬상 장치에서, 단일 화소 열로부터의 화상 신호들이 출력되는 수직 신호선이 1보다 큰 정해진 수의 열 회로에 선택적으로 접속되며, 선택된 화소 행으로부터의 신호가 상기 정해진 수의 열 회로 중 하나로 선택적으로 출력되어, 동일 화소로부터 판독된 신호들이 동일 열 회로로 전송될 수 있다.

[제1 실시예]

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 구성을 나타내는 시스템 구성 개략도이다. 이 실시예는 고체 촬상 소자의 일례로서 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 화상 센서를 이용하여 설명된다.

도 3을 참조하면, 이 실시예에 따른 고체 촬상 소자(10)는 예를 들어 입사 광을 입사 광의 양에 대응하는 전하량을 가진 전하로 광전 변환하기 위한 광전 변 환 소자를 포함하고 외부 물리량을 나타내는 신호를 출력하는 화소(20); 복수의 화소(20)가 매트릭스 형태로 2차원 배열된 화소 어레이부(11); 수직 구동 회로(12); n(n은 2 이상의 정수, 이 실시예에서 n=2)개의 열 회로(열 평행 신호 처리 회로) 그룹(13, 14); 수평 구동 회로(15, 16); 출력 회로(17, 18) 및 제어 회로(19)를 구비하는 시스템 구성을 갖는다.

이 시스템 구성에서, 제어 회로(19)는 인터페이스(도시되지 않음)를 통해 고체 촬상 소자(10)의 동작 모드의 명령 데이터 등을 외부로부터 수신하고, 고체 촬상 소자(10)의 정보를 포함하는 데이터를 외부로 출력한다. 또한, 제어 회로(19)는 수직 동기 신호(Vsync), 수평 동기 신호(Hsync) 및 마스터 클럭(MCK)에 기초하여 수직 구동 회로(12), 열 회로 그룹(13, 14) 및 수평 구동 회로(15, 16)의 동작의 기준으로 사용되는 클럭 신호, 제어 신호 등을 생성한 후, 생성된 신호를 각 회로에 제공한다.

화소 어레이부(11)에는 복수의 화소(20)가 매트릭스 형태로 배열되며, 이 도면의 수평 방향의 각 화소 행에 화소 구동선(21)이 제공되고, 이 도면의 수직 방향의 각 화소 열에 수직 신호선(22)이 제공된다.

(화소 회로)

도 4는 화소(20)의 예시적인 회로 구성을 나타내는 회로도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 예시적인 회로 구성을 가진 화소(20)는 포토다이오드(23)와 같은 광전 변환 소자뿐만 아니라 전송 트랜지스터(24), 리셋 트랜지스터(25), 증폭 트랜지스터(26) 및 선택 트랜지스터(27)와 같은 4개의 트랜지스터를 구비한 화소 회로로서 구성된다. 여기서, 이들 트랜지스터(24-27)로서 N 채널 MOS 트랜지스터가 사용된다. 화소들(20)에 대해, 전송선(211), 리셋선(212), 및 선택선(213)이 화소 구동선(21)과 동일한 화소 행 내에 제공된다.

포토다이오드(23)는 수신된 광을 수신 광량에 대응하는 전하의 양을 가진 광전하(여기서는 전자)로 광전 변환한다. 포토다이오드(23)의 캐소드는 전송 트랜지스터(24)를 통해 증폭 트랜지스터(26)의 게이트에 전기적으로 접속된다. 증폭 트랜지스터(26)의 게이트에 전기적으로 접속된 노드는 FD(부동 확산)부(28)라고 한다. FD부(28)는 전하를 전압으로 변환한다.

전송 트랜지스터(24)는 포토다이오드(23)의 캐소드와 FD부(28) 사이에 접속된다. 전송 트랜지스터(24)는 그의 게이트가 전송선(211)을 통해 전송 펄스(φTRF)를 수신하면 구동되고, 이후 포토다이오드(23)에서 광전 변환되어 저장된 광전하를 FD부(28)로 전송한다.

리셋 트랜지스터(25)의 드레인 및 소스는 각각 전원 배선(Vdd) 및 FD부(28)에 접속된다. 리셋 트랜지스터(25)는 그의 게이트가 리셋선(212)을 통해 리셋 펄스(φRST)를 수신하면 구동되고, 이후 포토다이오드(23)에서 FD부(28)로 신호 전하가 전송되기 전에 FD부(28)에 저장된 전하가 전원 배선(Vdd)으로 흐르게 함으로써 FD부(28)를 리셋한다.

증폭 트랜지스터(26)의 게이트 및 드레인은 각각 FD부(28) 및 전원 배선(Vdd)에 접속된다. 증폭 트랜지스터(26)는 리셋 트랜지스터(25)에 의해 수행되는 리셋 동작 후의 FD부(28)의 전위를 리셋 레벨로서 출력하며, 전송 트랜지스터(24)에 의해 포토다이오드(23)에서 FD부(28)로 신호 전하가 전송된 후의 FD부(28)의 전위를 신호 레벨로서 출력한다.

선택 트랜지스터(27)의 드레인 및 소스는 예를 들어 증폭 트랜지스터(26)의 소스 및 수직 신호선(22)에 각각 접속된다. 선택 트랜지스터(27)는 그의 게이트가 선택선(213)을 통해 선택 펄스(φSEL)를 수신하면 구동되고, 화소(20)를 선택 상태로 설정한 후, 증폭 트랜지스터(26)로부터 출력된 신호를 수직 신호선(22)으로 전송한다.

선택 트랜지스터(27)는 전원 배선(Vdd)과 증폭 트랜지스터(26)의 드레인 사이에 접속될 수 있다.

화소들(20) 각각은 4개의 트랜지스터 대신에 전송 트랜지스터(24), 리셋 트랜지스터(25), 및 증폭 트랜지스터(26)와 선택 트랜지스터(27)의 기능을 결합하는 트랜지스터와 같은 3개의 트랜지스터로 구성될 수 있다.

도 3을 다시 참조하면, 시프트 레지스터 또는 디코더로 구성된 수직 구동 회로(12)는 화소 어레이부(11) 내의 화소들(20)에 대해 행 단위로 선택 스캐닝 동작을 순차적으로 수행한 후, 화소 구동선(21)을 통해 선택 행 내의 화소들(20) 각각에, 필요한 구동 펄스(제어 펄스)를 제공한다.

이 도면에는 도시되어 있지 않지만, 수직 구동 회로(12)는 화소들(20)을 행 단위로 순차적으로 선택하고 선택 행 내의 화소들(20) 각각의 신호를 판독함으로써 판독 동작을 수행하기 위한 판독 스캐닝 시스템; 및 판독 스캐닝 시스템에 의해 판독 스캐닝 동작이 수행되기 전의 셔터 속도에 대응하는 미리결정된 시간에 판독 스캐닝 시스템에 의해 선택된 동일 행 내의 화소들(20) 각각에 포함된 포토다이오드(23)에 저장된 전하를 제거(리셋)함으로써 전자 셔터 동작을 수행하기 위한 전자 셔터 스캐닝 시스템을 구비한 구성을 갖는다.

전자 셔터 스캐닝 시스템에 의해 수행된 셔터 스캐닝 동작에 따라 포토다이오드(23)에 저장된 불필요한 전하가 리셋될 때의 시간부터, 판독 스캐닝 시스템에 의해 수행된 판독 스캐닝 동작에 따라 화소(20)의 신호가 판독될 때의 시간까지의 기간은 화소(20) 내의 신호 전하의 저장 시간(노출 시간)에 대응한다. 즉, 전자 셔터 동작은 포토다이오드(23)에 저장된 신호 전하를 리셋하여 포토다이오드(23)가 신호 전하의 저장을 다시 시작하게 하는 동작이다.

선택 행 내의 화소들(20) 각각으로부터 출력된 신호는 대응하는 수직 신호선(22)을 통해 열 회로 그룹(13 또는 14)에 제공된다. 열 회로 그룹(13, 14)은 각각 화소 어레이부(11)의 상하 측에 배치되어, 열 회로 그룹(13, 14) 내의 각 열 회로는 개별 화소 열마다 배치될 수 있는데, 즉 열 회로와 화소 열 사이에는 일대일 대응이 이루어질 수 있다. 열 회로 그룹(13, 14)은 한 행 내의 화소들(20) 각각으로부터 출력된 신호를 열 단위로 수신하며, 수신 신호에 대해 신호 처리를 수행하는데, 이 신호 처리는 예를 들어 화소 고유의 고정 패턴 잡음을 제거하기 위한 CDS(상관 이중 샘플링) 및 신호 증폭이다. 열 회로 그룹(13, 14)의 각 열 회로는 A/D(아날로그/디지탈) 변환 기능을 가질 수 있다.

수평 구동 회로(15, 16)는 각각 열 회로 그룹(13, 14)에 대응하도록 제공된다. 수평 구동 회로(15)는 수평 스캐닝 회로(151), 수평 선택 스위치 그룹(152) 및 수평 신호선(153)으로 구성된다. 수평 스캐닝 회로(151)는 시프트 레지스터 등으로 구성되며, 수평 선택 스위치 그룹(152)에서 스위치들을 순차적으로 선택함으로써, 열 회로 그룹(13)의 개별 열 회로들에서 신호 처리가 수행된 1행의 신호들을 수평 신호선(153)에 순차 출력시킨다.

수평 구동 회로(15)와 마찬가지로, 수평 구동 회로(16)는 수평 스캐닝 회로(161), 수평 선택 스위치 그룹(162) 및 수평 신호선(163)으로 구성된다. 수평 스캐닝 회로(161)도, 수평 선택 스위치 그룹(162)의 스위치들을 순차적으로 선택함으로써, 열 회로 그룹(14)의 개별 열 회로들에서 신호 처리가 수행된 열 신호들을 수평 신호선(163)에 순차 출력시키는 수평 스캐닝 동작을 수행한다.

출력 회로(17, 18)는 열 회로 그룹(13, 14) 내의 각 열 회로로부터 수평 선택 스위치 그룹(152, 162) 및 수평 신호선(153, 163)을 통해 순차적으로 전송된 신호들에 대해 다양한 처리 동작을 수행한 후, 처리된 신호를 각각 출력 신호(OUT1, OUT2)로서 출력한다. 출력 회로(17, 18)에서 수행되는 구체적인 신호 처리는 예를 들어 버퍼링 동작만이거나, 버퍼링 동작뿐만 아니라 버퍼링 동작 전에 수행되는 블랙 레벨 제어 동작, 개별 열로부터 출력되는 신호들의 변화에 대한 보정 동작, 신호 증폭 동작, 칼라 관련 처리 동작 등일 수 있다.

전술한 구성을 가진 이 실시예에 따른 고체 촬상 소자(10)에서, 수직 구동 회로(12)는 화소 어레이부(11) 내의 각 화소 상에 전술한 셔터 스캐닝 동작 및 2개의 판독 스캐닝 동작을 수행한다. 판독 스캐닝 동작에서, 수직 구동 회로(12)는 m(m은 1 이상의 정수) 행에 (2p+1) 행(p=0, 1, 2, ...)을 곱한 수만큼, 즉 m 행에 홀수 행을 곱한 수만큼 서로 분리된 2개의 판독 행 1 및 2를 선택하고, 선택된 판독 행 1 및 2 각각에 대해 스캐닝 동작을 수행한 후, 판독 행 1 및 2 내의 화소들(20) 각각으로부터 수직 신호선(22)으로 신호를 판독한다. 2개의 열 회로 그룹(13, 14)은 2개의 판독 행 1 및 2에 대응하도록 각각 제공된다.

이러한 수직 스캐닝 동작에 기초하여, 셔터 행으로부터 제1 스캐닝 동작이 수행되는 판독 행 1까지의 영역을 스캐닝하는 데 걸리는 기간에 대응하는 기간이 저장 시간 1로 정의되며, 판독 행 1로부터 제2 스캐닝 동작이 수행되는 판독 행 2까지의 영역을 스캐닝하는 데 걸리는 기간에 대응하는 기간이 저장 시간 2로 정의된다. 저장 시간 1과 2를 서로 다르게 함으로써 상이한 감도의 두 신호, 즉 저감도 신호 및 고감도 신호가 순차적으로 얻어질 수 있다. 저장 시간 1 및 2의 설정은 제어 회로(19)에 의해 수행된다. 후단의 신호 처리 회로(도시되지 않음)에서 상이한 감도의 두 신호를 합성함으로써, 넓은 동적 범위를 가진 화상 신호가 얻어질 수 있다.

이 실시예에 따른 고체 촬상 소자(10)는 제어 회로(19)의 제어 하에, 수직 구동 회로(12)에 의해 수행되는 스캐닝이 m행만큼 진행될 때마다 2개의 판독 행(1, 2) 및 2개의 열 회로 그룹(13, 14)의 조합을 변경하는 방법에 의해 특징지어진다. 즉, 이 실시예에 따른 고체 촬상 소자(10)는 판독 행 1 내의 화소들(20) 각각으로부터 출력된 신호 및 판독 행 2 내의 화소들(20) 각각으로부터 출력된 신호, 즉 상이한 감도의 두 신호를 2개의 열 회로 그룹(13, 14)에 제공하는 방법에 의해 특징지어진다. 그러나, 이 방법은 판독 행들(1, 2) 사이의 행 수가 m x (2p+1) 행, 즉 m x 홀수 행으로 설정되는 조건하에서 수행된다. 이러한 조건하에 이 방법을 수행하는 이유는 후술된다.

여기서, m=1일 때, 즉 스캐닝이 행 단위로 진행될 때마다 판독 행들(1, 2) 및 2개의 열 회로 그룹(13, 14)의 조합이 변경되는 경우 신호를 제공하는 방법의 개념이 도 5의 (a) 및 (b)를 참조하여 설명된다. 화소 어레이부(11)는 도면의 간략화를 위해 18행 x 22열의 화소를 갖는다. 스캐닝의 단위 기간이 H로 정의될 때, 저장 시간 1은 4H이고, 저장 시간 2는 9H(p=1)이다.

도 5의 (a) 및 (b)는 소정 시점에서의 셔터 행 및 판독 행(1, 2)의 상대 위치를 나타낸다. 그러나, 실제로는, 동일 행이 셔터 행의 스캐닝으로부터 4H 후에 판독 행 1이 되고, 판독 행 1의 스캐닝으로부터 9H 후에 판독 행 2가 된다. 결과적으로, 상이한 감도의 두 신호, 즉 저감도 및 고감도 신호가 각각의 화소들(20)(동일 화소)로부터 순차적으로 얻어질 수 있다.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 소정 시점에서, 판독 행 1 및 2로부터 출력된 신호들은 각각 열 회로 그룹(13, 14)으로 제공된다. 즉, 판독 행 1 내의 각각의 화소들(20)로부터 판독된 신호가 대응하는 수직 신호선(22)을 통해 열 회로 그룹(13)의 대응하는 열 회로로 입력된다. 마찬가지로, 판독 행 2 내의 각각의 화소들(20)로부터 판독된 신호는 대응하는 수직 신호선(22)을 통해 열 회로 그룹(14)의 대응하는 열 회로로 입력된다.

스캐닝이 1행만큼 진행되면, 전자 셔터 스캐닝이 수행되는 셔터 행 및 2개의 판독 행 1 및 2가 마찬가지로 1행만큼 진행된다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 판독 행 1 및 2로부터 출력된 신호들은 각각 열 회로 그룹(13, 14)으로 제공된다. 즉, 판독 행 1 내의 각각의 화소들(20)로부터 출력된 신호는 대응하는 수직 신호선(22)을 통해 열 회로 그룹(14)의 대응하는 열 회로에 입력된다. 마찬가지로, 판독 행 2 내의 각각의 화소들(20)로부터 출력된 신호는 대응하는 신호선(22)을 통해 열 회로 그룹(13)의 대응하는 열 회로에 입력된다.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 스캐닝이 1행만큼 더 진행되면, 판독 행 1 내의 각각의 화소들(20)로부터 판독된 신호는 대응하는 수직 신호선(22)을 통해 열 회로 그룹(13)의 대응하는 열 회로에 입력된다. 마찬가지로, 판독 행 2 내의 화소들 각각으로부터 판독된 신호는 대응하는 수직 신호선(22)을 통해 열 회로 그룹(14)의 대응하는 열 회로에 입력된다. 따라서, 스캐닝이 1행만큼 진행될 때마다, 판독 행 1 및 2로부터 출력된 신호들이 각각 열 회로 그룹(13, 14)에 교대로 제공된다. 이 경우의 스캐닝의 개념이 도 6에 도시되어 있다.

전술한 바와 같이, 다음과 같은 설정이 이용되는데, 즉 판독 행들 1과 2 사이의 행 수는 홀수로 설정되고, 저장 시간 2는 스캐닝의 단위 기간에 홀수를 곱하여 얻은 기간(이 경우 9H)으로 설정되며, 판독 행 1과 2 및 열 회로 그룹(13, 14)의 조합은 스캐닝이 1행만큼 진행될 때마다 변경되도록 설정된다. 결과적으로, 도 6으로부터 명백하듯이, 상이한 저장 시간을 갖고 홀수 행 내의 동일 화소로부터 순차적으로 출력된 두 신호는 함께 열 회로 그룹(13)에 제공된다. 대조적으로, 상이한 저장 시간을 갖고 짝수 행 내의 동일 화소로부터 순차적으로 출력된 두 신호는 함께 열 회로 그룹(14)에 제공된다.

즉, 저장 시간 1 및 2를 갖고 동일 화소로부터 순차적으로 출력된 두 연속 신호는 동일 열 회로 그룹(13 또는 14)에서 처리된다. 따라서, 상이한 저장 시간을 가진 두 신호는 열 회로 그룹들(13, 14)의 특성 차에 영향을 받지 않으므로, 상이한 감도의 두 신호는 후단의 신호 처리 회로(도시되지 않음)에서 정확히 합성될 수 있으며, 신호 처리 회로는 넓은 동적 범위를 달성하도록 합성 동작을 수행한다.

두 저장 시간 1 및 2가 연속하므로, 상이한 감도의 두 신호를 얻기 위해 1 스캐닝 기간을 기다릴 필요가 없다. 또한, 상이한 감도의 두 신호의 출력 사이에는 1 스캐닝 기간의 시간 천이는 발생하지 않는다. 따라서, 셔터 시간이 짧은 경우(셔터 속도가 낮은 경우)도 지원할 수 있다. 예를 들어, 저장 시간 1 및 2가 각각 1/4000초 및 1/500초일 때, 셔터는 1 스캐닝 기간이 1/60초인 경우에도 1/500초의 속도로 트리거될 수 있다.

저장 시간 2가 스캐닝의 단위 기간(H)에 짝수를 곱하여 얻어지는 기간으로 설정되는 경우, 판독 행 1과 2 및 2개의 열 회로 그룹(13, 14)의 조합이 변경되는 경우에도, 상이한 저장 시간을 갖고 동일 화소로부터 순차적으로 출력된 두 신호는, 스캐닝이 1행만큼 진행될 때마다 열 회로 그룹(13, 14)에서 각각 처리된다. 따라서, 저장 시간 2를, 스캐닝의 단위 기간(H)에 홀수를 곱하여 얻어지는 기간으로 설정하는 것이 중요하다. 이러한 제한은 저장 시간 2를 다른 저장 시간보다 길게 함으로써 실제로는 문제가 되지 않는다.

전술한 판독 행 1과 2 및 열 회로 그룹(13, 14)의 조합의 스위칭은 제어 회로(19)의 제어하에 수행된다. 제어의 구체예가 설명된다.

도 7은 열 회로 그룹(13, 14)에 각각 포함되고 소정의 화소 열(i)에 대응하는 열 회로(13i, 14i)에서 입력 스테이지의 구성을 나타내는 회로도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 열 회로(13i, 14i) 내의 입력 스테이지는 열 회로들(13i, 14i)과 수직 신호선(22)의 대응 단부 사이에 스위치(SW1, SW2)를 각각 구비한다. 스위치(SW1, SW2)는 제어 회로(19)로부터 출력되는 제어 신호 1 및 2에 따라 각각 온(폐쇄)/오프(개방)로 제어된다.

도 8은 1H의 기간의 동작을 나타내는 타이밍도이다. 판독 행 1 및 2로부터의 신호들이 열 회로(13i, 14i)에 각각 제공되는 경우, 도 8의 A에 도시된 시간 관계에 기초한 동작들이 수행된다.

즉, 판독 행 1에 대해 판독 동작이 수행될 때, 제어 회로(19)로부터 출력된 제어 신호 1은 액티브 상태(하이 레벨)가 된다. 제어 신호 1에 응답하여, 스위치(SW1)가 구동됨으로써, 판독 행 1 내의 각각의 화소들(20)로부터 수직 신호선(22)으로 순차적으로 판독된 두 신호는 스위치(SW1)를 통해 열 회로(13i)에 입력된다. 판독 행 2에 대해 판독 동작이 수행될 때, 제어 회로(19)로부터 출력된 제어 신호 2는 액티브 상태가 된다. 제어 신호 2에 응답하여, 스위치(SW2)가 구동됨으로써, 판독 행 2 내의 각각의 화소들(20)로부터 수직 신호선(22)으로 순차 판독된 두 신호는 스위치(SW2)를 통해 열 회로(14i)에 입력된다.

대조적으로, 판독 행 1 및 2로부터의 신호들이 각각 열 회로(14i, 13i)에 제공되는 경우에는, 도 8의 B에 도시된 시간 관계에 기초한 동작들이 수행된다.

따라서, 1H 기간의 동작들은 다음과 같이 완료되는데, 즉 두 신호는 열 회로(13i 또는 14i)에 제공되고, 열 회로(13i 또는 14i)에서 두 신호에 대한 미리결정된 신호 처리가 수행되며, 처리된 두 신호는 수평 구동 회로(15 또는 16)의 제어하에 수평으로 전송된다(수평으로 출력된다). 그 후, 스캐닝 동작은 수직 구동 회로(12)의 제어하에 1행만큼 진행되며, 전자 셔터 동작의 개시로부터 전술한 일련의 동작들이 시작된다.

열 회로 그룹(13, 14) 내의 각 열 회로가, 수직 신호선(22)을 통해 신호를 수신하고 수신 신호를 수평 구동 회로(15 또는 16)로 연속 출력하는 파이프라인 회로로 구성된 경우, 수평 전송 동작은 전자 셔텨 동작 및 판독 동작과 병렬로 수행된다. 도 8의 C를 참조하면, 판독 행 2에 대한 판독 동작이 수행된 직후, 스캐닝 동작이 1행만큼 진행되며, 그 후 전자 셔터 동작이 개시된다.

(변형예)

이 실시예는, 예를 들어, m=1, 즉 스캐닝이 1행만큼 진행될 때마다 판독 행 1과 2 및 2개의 열 회로 그룹(13, 14)의 조합이 변경되는 사례를 이용하여 설명되었다. 그러나, 도 9에 도시된 바와 같이, 스캐닝이 2행(m=2)만큼 진행될 때마다 스위칭을 수행할 수 있다. 이 경우, 판독 행들 1과 2 사이의 행 수는 (2p+1)행 x 2, 즉 m=1일 때의 행 수의 2배로 제한된다. 즉, 저장 시간 2는 2, 6 및 10과 같은 4H 단계로 제한된다. 이러한 제한도 저장 시간 2를 다른 저장 시간보다 길게 하면 문제가 되지 않는다.

마찬가지로, 다른 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 저장 시간 2는, 스캐닝이 3행(m=3)만큼 진행될 때마다 판독 행 1과 2 및 2개의 열 회로 그룹(13, 14)의 조합이 변경될 수 있도록 판독 행 1 및 2 사이의 행 수를 (2p+1) x 3, 즉 m=1일 때의 행 수의 3배로 설정함으로써 3, 9 및 15와 같은 6H 단계로 설정된다.

이 실시예에서, 2개의 열 회로 그룹(13, 140은 화소 어레이부(11)의 상하측에 각각 배치된다. 그러나, 두 열 회로 그룹(13, 14)은 화소 어레이부(11)의 상측 또는 하측에 함께 배치될 수 있다.

또한, 이 실시예에서, 열 회로 그룹(13, 14)의 각 열 회로는 화소 어레이부(11) 내의 하나의 화소 열에 배치되어 열 회로와 화소 열 사이의 일대일 대응이 이루어질 수 있다. 그러나, 하나의 열 회로는 다수의 열에 의해 공유될 수 있다. 이 경우, 열 회로는 시분할된다. 이러한 구성을 이용함으로써, 열 회로 그룹(13, 14)을 구성하는 각 회로의 수평 길이가 증가할 수 있으며, 따라서 고체 촬상 소자(10)의 화소 피치가 작은 경우도 지원할 수 있다.

더욱이, 이 실시예에서, 넓은 동적 범위를 달성하기 위하여, 화소 어레이부(11) 내의 각 화소에 두 판독 행 1 및 2를 설정하여, 각각의 화소들(20)의 저장 시간, 즉 감도를 두 단계로 변경시킬 수 있다. 또한, 두 열 회로 그룹(13, 14)이 제공된다. 그러나, 다른 구성이 이용될 수 있다.

예를 들어, 감도를 n 단계로 변경시키기를 원하는 경우, 다음과 같은 구성이 일반적으로 이용될 수 있는데, 즉 n개의 열 회로 그룹, 즉 하나의 화소 열에 대해 n개의 열 회로가 배치되며; n개의 판독 행에 대해 스캐닝 동작이 수행될 때, n 판독 행과 n 열 회로 사이의 관계가 변경되는 것은 물론, n 판독 행들 사이의 n 행의 수가 동일 행으로부터의 출력이 동일 열 회로로 입력될 수 있도록 제어된다.

예를 들어, 판독 행 및 열 회로의 조합이, 스캐닝이 1행만큼 진행될 때마다, 판독 행 및 열 회로의 조합을 순환 변경함으로써 n x H 기간에 순환 변경되기를 원하는 경우, 선두 판독 행과 n-1 후속 판독 행 사이의 지연 행들의 개별 수는 이 개별 수가 n으로 나누어질 수 없는 것은 물론, n으로 나눈 나머지 값들이 서로 다르도록 제어될 수 있다. 예를 들어, n=4일 때, 후속 판독 행들을 각각, 선두 판독 행의 다음 행으로부터 9번째, 34번째 및 131번째 행으로 설정함으로써 전술한 조건이 만족될 수 있다. 즉, 9, 34 및 131을 4로 나눌 때, 나머지는 각각 1, 2 및 3이 된다. n=2의 경우의 예는 도 6의 예에 대응한다.

대안으로, 판독 행 및 열 회로의 조합이, 스캐닝이 m행만큼 진행될 때마다 판독 행 및 열 회로의 조합을 순환 변경함으로써 n x m x H 기간에 순환 변경되기를 원하는 경우, 선두 판독 행과 n-1 후속 판독 행 사이의 지연 행들의 개별 수는 m=1의 경우의 값들을 m에 곱하여 얻은 값들로 설정할 수 있다. 도 9의 예는 n=2 및 m=2인 경우를 나타낸다.

순환 변경은, 예를 들어 n=3일 때, 먼저 (A, B, C)에 대응하는 (1, 2, 3)이 (B, C, A), (C, A, B), (A, B, C) 등에 순차 반복적으로 대응하게 된다는 것을 의미한다. n=2일 때, 두개의 객체 사이에 대응 변경 동작이 수행된다.

이 실시예에서, 판독 스캐닝 행 수 및 열 회로의 수는 동일하다. 그러나, 이 수들이 동일하지 않은 경우도 본 발명의 개념에 적용될 수 있다.

[제2 실시예]

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 구성을 나타내는 시스템 구성 개략도이다. 이 실시예는 고체 촬상 소자의 일례로서 CMOS 화상 센서를 이용하여 설명된다.

도 10을 참조하면, 이 실시예에 따른 고체 촬상 소자(30)는, 예를 들어 입사광을 입사 광량에 대응하는 전하량을 가진 전하로 광전 변환하는 광전 변환 소자를 포함하고 외부 물리량을 나타내는 신호를 출력하는 화소(40); 복수의 화소(40)가 매트릭스 형태로 2차원 배열된 화소 어레이부(31); 수직 구동 회로(32); 열 회로 그룹(33); 수평 구동 회로(34); 출력 회로(35) 및 제어 회로(36)를 구비한 시스템 구성을 갖는다.

이러한 시스템 구성에서, 제어 회로(36)는 인터페이스(도시되지 않음)를 통해 고체 촬상 소자(30)의 동작 모드 등의 명령 데이터를 외부로부터 수신하고, 고체 촬상 소자(30)의 정보를 포함하는 데이터를 외부로 출력한다. 또한, 제어 회로(36)는 수직 동기 신호(Vsync), 수평 동기 신호(hsync) 및 마스터 클럭(MCK)에 기초하여 수직 구동 회로(32), 열 회로(33) 및 수평 구동 회로(34)의 동작의 기준으로 사용되는 클럭 신호, 제어 신호 등을 생성한 후, 생성된 신호를 각 회로에 제공한다.

화소 어레이부(31)에는, 복수의 화소(40)가 매트릭스 형태로 배열되며, 이 도면의 행 방향의 각 화소 행마다 화소 구동선(41)이 제공되고, 이 도면의 수직 방향의 각 화소 열마다 수직 신호선(42)이 제공된다. 도 4에 도시된 4개의 트랜지스터를 가진 화소 또는 다른 구성을 가진 화소들이 화소(40)로서 이용될 수 있다.

시프트 레지스터 또는 디코더로 구성된 수직 구동 회로(32)는 화소 어레이부(31) 내의 화소들(40)에 대해 선택 스캐닝 동작을 행 단위로 순차 수행한 후, 선택 행 내의 화소들(40) 각각에, 화소 구동선(41)을 통해 필요한 구동 펄스(제어 펄스)를 제공한다. 제1 실시예에 따른 수직 구동 회로(12)와 마찬가지로, 수직 구동 회로(32)는 판독 스캐닝 시스템 및 전자 셔터 스캐닝 시스템을 포함한다. 그러나, 이 실시예는 수직 구동 회로(32)에 의한 스캐닝 방법에 의해 특징지어진다. 스캐닝 방법에 대한 설명은 후술된다.

선택 행 내의 화소들(40) 각각으로부터 출력된 신호는 대응 수직 신호선(42)을 통해 열 회로 그룹(33)에 제공된다. 열 회로 그룹(33)은 예를 들어 화소 어레이부(31)의 하측에 배치되어, 열 회로 그룹(33) 내의 각 열 회로는 개별 화소 열마다 배치될 수 있게 되는데, 즉 열 회로와 화소 열 사이에 일대일 대응이 이루어질 수 있다. 열 회로 그룹(33)은 행 내의 화소들(40) 각각으로부터 출력된 신호를 열 단위로 수신하고, 수신 신호에 대해 CDS 및 신호 증폭과 같은 신호 처리를 수행한다. 열 회로 그룹(33) 내의 각 열 회로는 A/D 변환 기능을 가질 수 있다.

수평 구동 회로(34)는 수평 스캐닝 회로(341), 수평 선택 스위치 그룹(342) 및 수평 신호선(343)으로 구성된다. 시프트 레지스터 등으로 구성되는 수평 스캐닝 회로(341)는 수평 선택 스위치 그룹(342)의 스위치들을 순차적으로 선택함으로써 열 회로 그룹(33) 내의 각 열 회로에서 화소 신호들을 수평 신호선(343)으로 순차 출력시킨다.

출력 회로(35)는 열 회로 그룹(33) 내의 각 열 회로로부터 수평 신호선(343)을 통해 순차 전송된 신호들에 대해 다양한 신호처리 동작을 수행한 후, 처리된 신호를 출력한다. 출력 회로(35)에 의해 수행되는 구체적인 신호 처리는, 예를 들어 버퍼링 동작만이거나, 버퍼링 동작뿐만 아니라 버퍼링 동작 전에 수행되는 블랙 레벨 제어 동작, 개별 화소 열로부터 출력된 신호들의 변화에 대한 보정 동작, 신호 증폭 동작, 칼라 관련 처리 동작 등일 수 있다.

이 실시예에 따른 전술한 구성을 가진 고체 촬상 소자(30)에서, 수직 구동 회로(32)는, 스캐닝의 단위 기간이 H로 정의될 때, s x H(s는 2 이상의 정수) 기간에 셔터 행을 1행만큼 전방 이동시킨다. 더욱이, 수직 구동 회로(32)는 1H 기간마다 판독 행을 전방 또는 후방으로 이동시키는 것은 물론, s x H 기간에 판독 행을 전방 및 후방 양쪽으로 이동시켜, s x H 기간에 판독 행을 총 1행만큼 전방으로 이동시킬 수 있다.

여기서, s=2인 경우를 도 11의 (a) 및 (b)를 참조하여 설명한다. 화소 어레이부(31) 및 열 회로 그룹(33)의 물리적 레이아웃이 도 11의 (a)에 도시되어 있다. 수직 구동 회로(32)에 의해 수행되는 스캐닝의 개념이 도 11의 (b)에 도시되어 있다.

화소 어레이부(31)는 도면의 간략화를 위해 18행 x 22열의 화소를 갖는다. 도면을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위하여, 도 11의 (b)의 수평축의 길이는 도 11의 (a)에 도시된 화소 배열에 비해 반으로 감소되어 있다.

s=2일 때, 수직 구동 회로(32)의 제어 하에, 셔터 스캐닝은 2H 기간마다 1행만큼 진행된다. 한편, 예를 들어, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 판독 스캐닝은 3행 후방 이동한 후, 4행 진행하여, 결과적으로 판독 스캐닝은 2H 기간마다 1행 진행하게 된다.

이러한 수직 스캐닝에 기초하여, 셔터 스캐닝 동작으로부터 제1 판독 스캐닝 동작까지의 기간은 저장 시간 1로 정의된다. 제1 판독 스캐닝 동작으로부터 제2 판독 스캐닝 동작까지의 기간은 저장 시간 2로 정의된다. 이들 두 저장 시간(노출 시간) 1 및 2를 서로 다르게 함으로써, 동일 화소로부터 상이한 감도의 두 신호, 즉 저감도 신호 및 고감도 신호를 순차적으로 얻을 수 있다.

저장 시간 1 및 2의 설정은 제어 회로(19)에 의해 수행된다. 상이한 감도의 두 신호를 후단의 신호 처리 회로(도시되지 않음)에서 합성함으로써 넓은 동적 범위를 갖는 화상 신호를 얻을 수 있다.

전술한 특징적인 수직 스캐닝은 수직 구동 회로(32)의 다음 구성을 이용함으로써 쉽게 수행될 수 있다.

수직 구동 회로(32)의 전자 셔터 스캐닝 시스템에서, 스캐닝 간격은 디코더 또는 시프트 레지스터를 이용하여 sH(이 실시예에서는 2H)로 설정되어, 전술한 특징적인 수직 스캐닝이 쉽게 수행될 수 있다. 수직 구동 회로(32)의 판독 스캐닝 시스템에서, 제어 회로(36)의 제어 하에 디코더를 이용하여, 또는 예를 들어 S(이 실시예에서는 2) 시프트 레지스터를 이용하여 어드레스 설정이 수행되며, 두 시프트 레지스터의 스캐닝 간격이 각각 2H로 설정되는 것은 물론, 양 시프트 레지스터의 스캐닝 시작 시간들 사이의 시간 차가 저장 시간 2로 설정되어, 전술한 특징적인 수직 스캐닝이 쉽게 수행될 수 있다.

전술한 바와 같이, 화소 어레이부(31) 내의 1 화소 열에 대해 1개의 열 회로가 배치되고, 선택 행 내의 화소로부터 출력된 신호에 대한 처리를 수행하는 하나의 열 회로 그룹을 포함하는 고체 촬상 소자(30)에서, 하나의 열 회로만이 하나의 화소 열에 대해 배치되는 경우에도 1 스캐닝 기간을 기다리지 않고도 다음의 동작들에 의해 상이한 저장 시간의 s 신호들이 얻어질 수 있다. 이 동작들은, 셔터 행이 s x H 기간에 1행만큼 전방 이동하게 하고, 또한 판독 행이 1H 기간마다 전방 또는 후방 이동하게 하는 것은 물론, s x H 기간에 전방 및 후방 양쪽으로 이동하게 하여, 판독 행이 s x H 기간에 총 1행만큼 전방 이동할 수 있게 한다.

따라서, 제1 실시예와 마찬가지로, 셔터 시간이 짧은 경우(셔터 속도가 느린 경우)도 지원할 수 있다. 더욱이, 하나의 화소 열에 대해 하나의 열 회로가 배치되므로, 그리고 동일 화소로부터의 s개의 신호가 동일 열 회로에서 처리되므로, 넓은 동적 범위를 달성하도록 합성 동작을 수행하는 후단의 신호 처리 회로(도시되지 않음)에서 상이한 감도의 s개의 신호가 정확히 합성될 수 있다.

이 실시예에 따른 고체 촬상 소자(30)에서, 저장 시간 2는 저장 시간 1보다 짧게 설정되는 것이 바람직하다. 스캐닝 동작의 초반에는, 단지 하나의 행의 신호들이 2H마다 판독되는 기간이 존재한다. 저장 시간 2를 저장 시간 1보다 짧게 설정함으로써 이 기간을 줄일 수 있다.

이 실시예는 s=2, 즉 한 화소(20)의 저장 시간이 예를 들어 두 단계로 변경되는 사례를 이용하여 설명되었다. 그러나, 이 실시예는 이 경우로 제한되는 것은 아니다. 따라서, 저장 시간이 3 단계 이상으로 변경되는 경우도 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 제1 및 제2 실시예의 기술을 조합하여 변경될 수 있다. 예를 들어, 많은 신호들이 처리되는 경우를 고려할 수 있다.

전술한 실시예들에서, 열 회로 그룹(13, 14, 33) 내의 열 회로 각각은 화소 어레이부(11 또는 31) 내의 한 화소 열에 대해 배치되어, 열 회로와 화소 열 사이에 일대일 대응이 이루어질 수 있다. 그러나, 하나의 열 회로가 복수의 열에 의해 공유될 수 있다.

또한, 전술한 실시예들은 화소 어레이부(11, 31) 각각이 예를 들어 정방 격자인 사례를 이용하여 설명되었다. 그러나, 제1 및 제2 실시예의 기술적 아이디어는 화소 어레이부에 화소들이 정방 격자 패턴으로 배열되지 않은 경우에도 적용될 수 있다. 이 경우, 시스템 구성은 더 복잡하게 된다.

더욱이, 전술한 실시예들은 예를 들어 모든 화소가 판독되는 사례를 이용하여 설명되었지만, 본 발명의 실시예들은 예를 들어 모든 화소 판독 동작과 시닝(thinning) 판독 동작과 같은 다른 동작들을 조합하여 변경될 수 있다. 전자 셔터는 반드시 필요한 것은 아니다. 본 발명의 실시예들에 따른 동작들은 항상 수행될 필요는 없으며, 동작들을 동작 가능하게 유지한 후에 필요한 경우에만 수행될 수 있다.

더욱이, 전술한 실시예들은 예를 들어 화소가 광 신호를 전기 신호를 변환하는 고체 촬상 소자의 경우를 이용하여 설명되었다. 그러나, 소자들이 화소의 저장 시간을 제어함으로써 감도를 제어할 수 있다면, 고체 촬상 소자 외의 소자들에도 적용될 수 있다.

[응용예]

본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 전술한 고체 촬상 소자(10, 30) 각각은 바람직하게도 비디오 카메라, 디지탈 스틸 카메라, 또는 이동 전화와 같은 이동 소자의 카메라 모듈과 같은 촬상 장치의 촬상 소자로서 이용될 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 촬상 장치의 예시적인 구성을 나타내는 블록도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 촬상 장치는 렌즈(51)를 포함하는 광학 시스템, 촬상 소자(52), 카메라 신호 처리 회로(53) 등으로 구성된다.

렌즈(51)는 피사체로부터의 화상 광을 촬상 소자(52)의 촬상면 상에 집속한다. 촬상 소자(52)는 렌즈(51)에 의해 촬상면 상에 집속된 화상 광을 화소 단위로 전기 신호로 변환하고, 변환된 전기 신호를 출력한다. 특히, 넓은 동적 범위를 달성하기 위하여, 촬상 소자(52)는 화소 신호로서, 각각이 개별 화소에 대하여 고유한 저장 시간이 상이한 복수의 신호를 출력한다. 전술한 고체 촬상 소자(10 또는 30)가 촬상 소자(52)로 사용된다.

카메라 신호 처리 회로(53)는 촬상 소자(52)로부터 출력된 화상 신호에 대해 다양한 신호 처리 동작을 수행한다. 다양한 처리 동작 중 하나로서, 카메라 신호 처리 회로(53)는 넓은 동적 범위를 달성하기 위하여 촬상 소자(52)로부터 화소 단위로 순차 전송된 저장 시간이 상이한 복수의 신호를 합성한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 전술한 고체 촬상 소자(10 또는 30)를 비디오 카메라, 전자 스틸 카메라, 또는 이동 전화와 같은 이동 소자의 카메라 모듈과 같은 촬상 장치의 촬상 소자(52)로서 이용함으로써 화상의 품질이 개선될 수 있다. 구체적으로, 고체 촬상 소자(10, 30) 각각은 동일 열 회로 내의 동일 화소로부터 출력된 상이한 감도의 복수의 신호를 처리하여 상이한 감도의 복수의 신호의 출력 사이의 1 스캐닝 기간의 시간 차를 방지하므로, 카메라 신호 처리 회로(53)는 상이한 감도의 복수의 신호를 정확히 합성함으로써 고품질의 화상 신호를 얻을 수 있으며, 따라서 화상의 품질이 개선될 수 있다.

모든 기능은 고체 촬상 소자 내에 구현되지 않을 수 있지만, 전체 촬상 장치에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 카메라 신호 처리 회로(53)는 제어 회로(19 또는 36)를 포함함으로써 촬상 소자(52)를 제어하는 기능을 구현할 수 있다.

예를 들어, 촬상 장치로서, 접촉형 센서 또는 렌즈(51)를 포함하는 광학 시스템을 필요로 하지 않는 방사 검출 기구가 이용될 수 있다.

첨부된 청구범위 또는 그 균등물의 범위 내에 있는 한은 설계 요건 및 다른 요소에 따라 다양한 변형, 조합, 하위 조합 및 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이 분야의 전문가들은 이해하여야 한다.

본 발명에 따르면, 하나의 화소로부터 상이한 감도의 신호들을 취득하고 취득된 신호들을 합성함으로써 넓은 동적 범위를 확보할 수 있는 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 촬상 장치가 제공된다.

Claims

외부의 물리량을 나타내는 신호를 출력하는 복수의 화소가 행렬 형상으로 2차원 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와,

상기 화소 어레이부의 복수의 화소 각각에 대해 복수회의 판독을 행하는 복수 계통의 판독 주사를 하고, 각 화소에 관한 복수 계통의 신호를 판독하기 위해서, 1 계통의 1행분의 화소의 신호를 판독하기 위한 주사의 단위 기간에서 복수 계통에 관한 복수의 판독행의 화소의 신호를 판독할 수 있는 수직 구동 수단과,

상기 화소 어레이부의 각 화소열에 대하여 판독 계통과 동수의 복수개에서 접속되고, 상기 주사의 단위 기간에서 판독되는 복수 계통에 관한 복수의 판독행의 신호를, 주사의 단위 기간에서의 신호 처리에 의해 동시 병렬적으로 처리하는 복수 계통의 칼럼 회로를 갖는 칼럼 회로군과,

상기 복수의 화소의 복수 계통의 신호에 관한 상기 복수의 칼럼 회로로의 판독을 제어하는 제어 수단을 구비하고,

상기 수직 구동 수단은, 상기 복수 계통 각각의 주사에 대해서 당해 복수 계통에 공통된 주사순으로의 주사를 하면서, 계속해서 주사되는 제1 계통의 신호와 그것에 계속되는 제2 계통의 신호를 제2 계통의 축광 시간의 간격을 두고 판독하기 위해, 일부 주사의 단위 기간에서 제1 계통에 관한 판독행과 제2 계통에 관한 판독행을 주사하고,

상기 제어 수단은, 상기 일부 주사의 단위 기간에서 판독되는 제1 계통의 신호와 제2 계통의 신호를 별개의 칼럼 회로에서 동시 병렬적으로 처리하기 위해, 일부 주사의 단위 기간에서 각 화소열에 접속되는 칼럼 회로의 계통을 전환하고, 각 화소에 관한 복수 계통의 신호가 같은 칼럼 회로에 의해 처리되도록, 연속하는 복수의 일부 주사의 단위 기간에서, 판독행의 계통과 칼럼 회로의 계통과의 조합을 전환하는 고체 촬상 장치.
제1항에 있어서, 각 화소에 관한 복수 계통의 신호 중의, 제1 계통의 신호와 제2 계통의 신호는, 동적 범위(dynamic range)를 넓히기 위해 상기 복수 계통의 칼럼 회로군으로부터 판독된 후에 합성되는, 고체 촬상 장치.
제2항에 있어서, 각 화소에 관한 복수 계통의 신호 중의, 제1 계통의 신호와 제2 계통의 신호는, 감도가 서로 상이한 복수의 신호인, 고체 촬상 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 계통의 신호 후에 연속하여 판독되는 상기 제2 계통의 축광 시간은, 상기 주사의 단위 기간의 홀수배이며, 상기 제1 계통의 축광 시간보다 긴, 고체 촬상 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수 계통의 판독행 및 상기 칼럼 회로군의 각 계통이 함께 n 계통(n은 2이상의 정수)이며,

상기 제어 수단은, 상기 판독행의 계통과 상기 칼럼 회로군의 계통의 대응 관계를, m행 (m은 1이상의 정수) 주사가 진행할 때마다 순환적으로 전환하면서 상기 화소 어레이부에 관한 m×n행을 주사하는 기간을 주기로 하여 제어하고,

선두의 판독행에 대한 후의 n-1행의 판독행까지의 지연 행수가, n으로 나누어지지 않고, n으로 나눈 나머지가 서로 모두 상이하도록 n-1개의 정수 각각을 m 배로 한, 고체 촬상 장치.
외부의 물리량을 나타내는 신호를 출력하는 복수의 화소가 행렬 형상으로 2차원 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와,

상기 화소 어레이부의 복수의 화소 각각에 대해서 복수회의 판독을 행하는 복수 계통의 판독 주사를 하고, 각 화소에 관한 복수 계통의 신호를 판독하기 위해, 1 계통의 1행분의 화소의 신호를 판독하기 위한 주사의 단위 기간에서 복수 계통에 관한 복수의 판독행의 화소의 신호를 판독할 수 있는 수직 구동 수단과,

상기 화소 어레이부의 각 화소열에 대하여 판독 계통과 동수의 복수개로 접속되고, 상기 주사의 단위 기간에서 판독되는 복수 계통에 관한 복수의 판독행의 신호를, 주사의 단위 기간에서의 신호 처리에 의해 동시 병렬적으로 처리하는 복수 계통의 칼럼 회로를 갖는 칼럼 회로군과,

상기 복수의 화소의 복수 계통의 신호에 관한 상기 복수의 칼럼 회로로의 판독을 제어하는 제어 수단을 구비하는 고체 촬상 장치의 구동 방법이며,

상기 수직 구동 수단이, 상기 복수 계통 각각의 주사에 대하여 당해 복수 계통에 공통된 주사순으로 주사를 하면서, 계속해서 주사되는 제1 계통의 신호와 그것에 계속되는 제2 계통의 신호를 제2 계통의 축광 시간의 간격을 두고 판독하기 위해, 일부 주사의 단위 기간에서 제1 계통에 관한 판독행과 제2 계통에 관한 판독행을 주사하고,

상기 제어 수단이, 상기 일부 주사의 단위 기간에서 판독되는 제1 계통의 신호와 제2 계통의 신호를 별개의 칼럼 회로에서 동시 병렬적으로 처리하기 위해, 일부 주사의 단위 기간에서 각 화소열에 접속되는 칼럼 회로의 계통을 전환하고,

각 화소에 관한 복수 계통의 신호가 같은 칼럼 회로에 의해 처리되도록, 연속하는 복수의 일부 주사의 단위 기간에서, 판독행의 계통과 칼럼 회로의 계통과의 조합을 전환하는, 고체 촬상 장치의 구동 방법.
고체 촬상 장치 및 상기 고체 촬상 장치에 접속된 신호 처리 회로를 구비하고,

상기 고체 촬상 장치는,

외부의 물리량을 나타내는 신호를 출력하는 복수의 화소가 행렬 형상으로 2차원 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와,

상기 화소 어레이부의 복수의 화소 각각에 대하여 복수회의 판독을 행하는 복수 계통의 판독 주사를 하고, 각 화소에 관한 복수 계통의 신호를 판독하기 위해, 1 계통의 1행분의 화소의 신호를 판독하기 위한 주사의 단위 기간에서 복수 계통에 관한 복수의 판독행의 화소의 신호를 판독할 수 있는 수직 구동 수단과,

상기 화소 어레이부의 각 화소열에 대하여 판독 계통과 동수의 복수개로 접속되고, 상기 주사의 단위 기간에서 판독되는 복수 계통에 관한 복수의 판독행의 신호를, 주사의 단위 기간에서의 신호 처리에 의해 동시 병렬적으로 처리하는 복수 계통의 칼럼 회로를 갖는 칼럼 회로군과,

상기 복수의 화소의 복수 계통의 신호에 관한 상기 복수의 칼럼 회로로의 판독을 제어하는 제어 수단을 구비하고,

상기 수직 구동 수단은, 상기 복수 계통 각각의 주사에 대하여 당해 복수 계통에 공통된 주사순으로의 주사를 하면서, 계속해서 주사되는 제1 계통의 신호와 그것에 계속되는 제2 계통의 신호를 제2 계통의 축광 시간의 간격을 두고 판독하기 위해, 일부 주사의 단위 기간에서 제1 계통에 관한 판독행과 제2 계통에 관한 판독행을 주사하고,

상기 제어 수단은, 상기 일부 주사의 단위 기간에서 판독되는 제1 계통의 신호와 제2 계통의 신호를 별개의 칼럼 회로에서 동시 병렬적으로 처리하기 위해, 일부 주사의 단위 기간에서 각 화소열에 접속되는 칼럼 회로의 계통을 전환하고, 각 화소에 관한 복수 계통의 신호가 같은 칼럼 회로에 의해 처리되도록, 연속하는 복수의 일부 주사의 단위 기간에서, 판독행의 계통과 칼럼 회로의 계통과의 조합을 전환하는, 촬상 장치.
외부 물리량을 나타내는 신호를 각각 출력하는 복수의 화소가 2차원 배열된 화소 어레이부;

상기 화소 어레이부 내의 각각의 화소로부터 신호를 판독하기 위해 판독 행이 1H(H는 상기 화소 어레이부의 스캐닝의 단위 기간으로서 정의됨)마다 후방 또는 전방으로 이동하게 하는 것은 물론, 상기 판독 행이 s x H 기간(s는 2 이상의 정수)에 후방 및 전방 양쪽으로 이동하여 상기 판독 행이 상기 s x H 기간에 총 1행 만큼 전방으로 이동할 수 있도록 하는 수직 스캐닝부; 및

단일 열 회로가 상기 화소 어레이부 내의 단일 화소 열에 대해 배치되는 열 회로 그룹

을 포함하는 고체 촬상 소자.
제8항에 있어서, 상기 수직 스캐닝부는 판독 스캐닝 동작 전에 상기 화소 어레이부 내의 각각의 화소에 저장된 전하를 제거하는 셔터 스캐닝 동작을 수행하는 것은 물론, 상기 s x H 기간에 상기 셔터 스캐닝 동작이 1 행만큼 진행하게 하는 고체 촬상 소자.
외부 물리량을 나타내는 신호를 각각 출력하는 복수의 화소가 2차원 배열된 화소 어레이부를 구비한 고체 촬상 소자의 구동 방법으로서,

상기 화소 어레이부 내의 각각의 화소로부터 신호를 판독하기 위해 판독 행이 1H(H는 상기 화소 어레이부의 스캐닝의 단위 기간으로서 정의됨)마다 후방 또는 전방으로 이동하게 하는 것은 물론, 상기 판독 행이 s x H 기간(s는 2 이상의 정수)에 후방 및 전방 양쪽으로 이동하여 상기 판독 행이 상기 s x H 기간에 총 1행 만큼 전방으로 이동할 수 있도록 하는 단계; 및

단일 열 회로가 상기 화소 어레이부 내의 단일 화소 열에 대해 배치되는 열 회로 그룹 내의 각각의 열 회로가 상기 판독 행 내의 각 화소로부터 판독된 신호를 처리하게 하는 단계

를 포함하는 고체 촬상 소자의 구동 방법.
광전 변환 소자를 각각 포함하는 복수의 화소가 2차원 배열된 화소 어레이부;

상기 화소 어레이부 내의 각 화소로부터 신호를 판독하기 위해 판독 행이 1H(H는 상기 화소 어레이부의 스캐닝의 단위 기간으로서 정의됨)마다 후방 또는 전방으로 이동하게 하는 것은 물론, 상기 판독 행이 s x H 기간(s는 2 이상의 정수)에 후방 및 전방 양쪽으로 이동하여 상기 판독 행이 상기 s x H 기간에 총 1행 만큼 전방으로 이동할 수 있도록 하는 수직 스캐닝부; 및

단일 열 회로가 상기 화소 어레이부 내의 단일 화소 열에 대해 배치되는 열 회로 그룹

을 포함하는 촬상 장치.
제11항에 있어서, 상기 수직 스캐닝부는 판독 스캐닝 동작 전에 상기 화소 어레이부 내의 각각의 화소에 저장된 전하를 제거하는 셔터 스캐닝 동작을 수행하는 것은 물론, 상기 s x H 기간에 상기 셔터 스캐닝 동작이 1 행만큼 진행하게 하는 촬상 장치.
외부 물리량을 나타내는 신호를 각각 출력하는 복수의 화소가 2차원 배열된 화소 어레이부;

상기 화소 어레이부에서 판독 행의 선택 동작 및 선택된 판독 행의 스캐닝 동작의 복수의 동작 세트를 수행하여, 상기 선택되고 스캐닝된 판독 행 내의 각각의 화소로부터 신호를 판독하기 위한 수직 구동부;

상기 화소 어레이부 내의 단일 화소 열에 대해 배치된 복수의 열 회로를 포함하는 복수의 열 회로 그룹-상기 복수의 열 회로는 상기 판독 행 내의 각 화소로부터 판독된 신호에 대한 처리 동작을 개별적으로 수행함-; 및

상기 수직 구동부에 의해 수행되는 스캐닝 동작이 진행됨에 따라 동일 화소로부터 판독되는 신호들이 동일 열 회로로 전송될 수 있도록 상기 판독 행 및 상기 열 회로 그룹의 조합을 변경하기 위한 제어부를 포함하고,

상기 수직 구동부는 판독 행의 선택 동작 및 선택된 판독 행의 스캐닝 동작의 복수의 동작 세트를, 상기 판독 행이 대응하는 열 그룹에 접속될 수 있게 하는 간격으로 수행하고,

상기 판독 행 및 열 회로 그룹의 수는 각각 n(n은 2 이상의 정수)이고,

상기 제어부는, m x n 행을 스캐닝하는 데 걸리는 기간에 상기 스캐닝 동작이 m(m은 1 이상의 정수) 행만큼 진행될 때마다 상기 판독 행 및 열 회로 그룹의 조합을 순환 변경함으로써 상기 조합을 제어하며,

선두 판독 행과 n-1 개의 후속 판독 행 사이의 지연 행의 개별 수는 n으로 나눈 나머지 값이 서로 다른 수이며, n-1개 정수의 개별 값에 m을 곱하여 얻어지는 수인 고체 촬상 소자.
외부 물리량을 나타내는 신호를 각각 출력하는 복수의 화소가 2차원 배열된 화소 어레이부를 구비한 고체 촬상 소자의 구동 방법으로서,

상기 화소 어레이부에서 판독 행의 선택 동작 및 선택된 행의 스캐닝 동작의 복수의 동작 세트를 수행하여, 상기 선택되고 스캐닝된 판독 행 내의 각각의 화소로부터 신호를 판독하는 단계;

상기 화소 어레이부 내의 단일 화소 열에 대해 복수의 열 회로가 배치된 복수의 열 회로 그룹 내의 각각의 열 회로가 상기 판독 행 내의 각각의 화소로부터 판독된 신호를 처리하게 하는 단계; 및

상기 화소 어레이부 내의 동일 화소로부터 판독되는 신호들이 동일 열 회로로 전송될 수 있도록 상기 스캐닝 동작 동안 상기 판독 행 및 열 회로 그룹의 조합을 변경하는 단계를 포함하고,

상기 판독 행 및 열 회로 그룹의 수는 각각 n(n은 2 이상의 정수)이고,

상기 판독 행 및 열 회로 그룹의 조합은, m x n 행을 스캐닝하는 데 걸리는 기간에 상기 스캐닝 동작이 m(m은 1 이상의 정수) 행만큼 진행될 때마다 상기 조합을 순환 변경함으로써 제어되며,

선두 판독 행과 n-1 개의 후속 판독 행 사이의 지연 행의 개별 수는 n으로 나눈 나머지 값이 서로 다른 수이며, n-1개 정수의 개별 값에 m을 곱하여 얻어지는 수인 고체 촬상 소자의 구동 방법.
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