(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の光情報を感知するための複数の画素を含む画素配列部と、
選択された一行の前記複数の画素の電圧を感知して格納するアナログラインバッファ部と、
前記画素配列部の出力値を前記アナログラインバッファ部に格納する前に前記画素出力のリセット電圧分布に応答してクランピング電圧値を調節する自動リセット電圧クランピング部と
を含むことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記自動リセット電圧クランピング部は、
前記画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧及び最小クランピング電圧と比較して「第１レベル」または「第２レベル」の信号を出力するクランピング電圧比較器と、
前記「第１レベル」及び「第２レベル」の信号を各々カウントする第１及び第２カウンタと、
一つの画面に対する動作が完了すると、前記カウント結果に応じてアップ／ダウン信号を発生するレベル比較器と、
前記アップ／ダウン信号によって調整されたクランピング電圧を出力するクランピング電圧調整器と
を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記自動リセット電圧クランピング部は、
前記リセット信号電圧の値が前記現在クランピング電圧より高く前記最大クランピング電圧より低い場合に前記第１カウンタの値を増加させ、
前記リセット信号電圧の値が前記現在クランピング電圧より低く前記最小クランピング電圧より高い場合に前記第２カウンタの値を増加させる
ことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記アップ／ダウン信号がない場合、前記クランピング電圧の値を調整しないことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記クランピング電圧比較器は、
前記最大クランピング電圧を正入力とし、前記リセット電圧信号を負入力とする第１比較器と、
前記リセット電圧信号を正入力とし、前記現在クランピング電圧を負入力とする第２比較器と、
前記現在クランピング電圧を正入力とし、前記リセット電圧信号を負入力とする第３比較器と、
前記リセット電圧信号を正入力とし前記最小クランピング電圧を負入力とする第４比較器と、
前記第１比較器と前記第２比較器の出力を論理積して前記「第１レベル」の信号を出力する第１論理積ゲートと、
前記第３比較器と前記第４比較器の出力を論理積して前記「第２レベル」の信号を出力する第２論理積ゲートと
を含むことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
イメージセンサのリセット電圧自動制御方法において、
画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧及び最小クランピング電圧と比較して「第１レベル」または「第２レベル」の信号を出力するステップと、
前記「第１レベル」及び前記「第２レベル」の信号をカウントするステップと、
前述した過程を通して得られた一つの画面に対する前記カウント結果を比較してクランピング電圧を調整するステップと
を含むことを特徴とするリセット電圧自動制御方法。
【請求項７】
前記リセット電圧信号を比較するステップで、
前記リセット電圧信号が前記現在クランピング電圧より高いながら前記最大クランピング電圧より低いと、前記「第１レベル」の信号を出力し、
前記リセット電圧信号が前記現在クランピング電圧より低いながら前記最小クランピング電圧より高いと、前記「第２レベル」の信号を出力することを特徴とする請求項６に記載のリセット電圧自動制御方法。
【請求項８】
前記クランピング電圧を調整するステップで、
前記カウント結果、前記「第１レベル」の信号に対するカウント値が前記「第２レベル」の信号に対するカウント値より大きい場合、アップ信号を出力し、
前記カウント結果、前記「第２レベル」の信号に対するカウント値が前記「第１レベル」の信号に対するカウント値より大きい場合、ダウン信号を出力することを特徴とする請求項６に記載のリセット電圧自動制御方法。
【請求項９】
前記アップ／ダウン信号がない場合、前記クランピング電圧の値を調整しないことを特徴とする請求項８に記載のリセット電圧自動制御方法。
【請求項１０】
前記クランピング電圧値の調整範囲は、繰り返し探して、画面の突然な変化を回避できる範囲で調整することを特徴とする請求項６に記載のリセット電圧自動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イメージセンサに係り、特に、自動にリセット電圧を制限する機能を有するイメージセンサ及びイメージセンサのリセット電圧自動制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
イメージセンサとは、半導体が光に反応する性質を利用して、イメージを捕獲する装置であるが、各々の被写体から出るそれぞれ異なる光の明るさ及び波長を画素が感知して電気的な値で読み出す装置である。この電気的な値を信号処理が可能なレベルにするものがイメージセンサの役割である。
【０００３】
すなわち、イメージセンサとは、光学画像を電気信号に変換させる半導体素子であって、この中で、電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）は、個々のＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）キャパシタが互いに非常に近接した位置にありながら電荷キャリアがキャパシタに格納されて移送される素子であり、一方ＣＭＯＳイメージセンサは、制御回路及び信号処理回路を周辺回路に使用するＣＭＯＳ技術を利用して画素数ほどＭＯＳトランジスタを作ってこれを利用して順に出力を検出するスイッチング方式を採用する素子である。
【０００４】
ＣＭＯＳイメージセンサは、省電力という大きい長所を有しているので、携帯電話等個人携帯用システムに非常に有用である。（例えば、特許文献１参照）
したがって、イメージセンサは、ＰＣカメラ、医学用、玩具用など多様にその応用が可能である。
【０００５】
図１は、従来の技術に係るイメージセンサを示すブロック図である。
図１を参照すると、従来のイメージセンサは、画素配列部１０と、制御及び外部システムインターフェース部１１と、アナログラインバッファ部１２と、画像信号処理部１３とを備えて構成される。
【０００６】
以下、前記イメージセンサを構成する各構成要素の動作を詳細に述べる。
画素配列部１０は、光に反応する性質を極大化させるように、画素を横Ｎ個、縦Ｍ個（Ｎ、Ｍは正数）に配置し、外部から入るイメージに対する情報を感知する部分であって、全体イメージセンサの最も核心的な部分であり、制御及び外部システムインターフェース部１１は、ＦＳＭ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｓｔａｔｅ  Ｍａｃｈｉｎｅ）を利用してイメージセンサの全体的な動作を制御し、外部システムに対するインターフェース役割を担当するが、配置レジスタ（図示せず）を持っているので、種々の内部動作に関連した事項に対するプログラムが可能であり、このプログラムされた情報によって全体チップの動作を制御する役割をする。
【０００７】
アナログラインバッファ部１２は、選択された一行の複数の画素の電圧を感知して格納する役割をし、後段で用いられる色補間（Ｃｏｌｏｒ  Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）及びイメージ信号処理に利用するために複数のラインから構成され、画像信号処理部１３は、イメージセンサの機能に応じて色補間（Ｃｏｌｏｒｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）、色補正（Ｃｏｌｏｒ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）、ガンマ補正（Ｇａｍｍａ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）、オートホワイトバランス（Ａｕｔｏ  ｗｈｉｔｅ  ｂａｌａｎｃｅ）、自動露出（Ａｕｔｏ  ｅｘｐｏｓｕｒｅ）等アナログラインバッファ部１２に格納された画素の出力値に基づいてイメージセンサのセンサの性能向上のため、付加的な種々の機能を行う。
【０００８】
一方、イメージセンサは、製造工程上の微細な差によりオフセット電圧（Ｏｆｆｓｅｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）による固定パターン雑音（Ｆｉｘｅｄ  ｐａｔｔｅｒｎ  ｎｏｉｓｅ）が発生する。このような固定パターン雑音を補償するため、イメージセンサは、画素配列部１０の各画素からリセット電圧信号を読み出しデータ信号電圧を読み出した後、その差を出力する相互連関した二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ：以下、ＣＤＳと記す）技法を使用する。
【０００９】
しかし、画素配列部の各画素から出力されるリセット電圧信号のレベルが適正な領域に維持されない場合、ＣＤＳ技法を利用しても画像の歪みが現れる。
例えば、太陽のように極度に明るい物体のイメージが黒く表現される歪みが発生する。
【００１０】
このような問題点を解決するため、従来のイメージセンサでは、ユーザが外部環境に合う適切なクランピング（Ｃｌａｍｐｉｎｇ）電圧をセンサ外部で直接制御してリセット電圧信号がクランピング電圧以下に下がらないようにした。
【００１１】
しかし、このような方法は、イメージセンサを使用する外部環境が変わる都度にリセット電圧信号の分布（Ｒｅｓｅｔ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｓｉｇａｌ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を考慮して適切なクランピング電圧値を決めるべき不便さがあり、また外部環境の変化がない場合にも、イメージセンサの製造工程上の変化によりセンサごとに動作特性が異なるため、ユーザが外部でクランピング電圧を制御しなければならない短所がある。
【００１２】
【特許文献１】
米国特許６，４２３，９５７Ｂ１
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、目的とするところは、外部環境変化と工程上の変化に応じてイメージセンサ自らが自動に適切なクランピング電圧範囲を調節できる、自動にリセット電圧を制限する機能を有するイメージセンサ及びイメージセンサのリセット電圧自動制御方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明によるイメージセンサは、外部の光情報を感知するための複数の画素を含む画素配列部と、選択された一行の前記複数の画素の電圧を感知して格納するアナログラインバッファ部と、前記画素配列部の出力値を前記アナログラインバッファ部に格納する前に前記画素出力のリセット電圧分布に応答してクランピング電圧値を調節する自動リセット電圧クランピング部とを含むことを特徴とする。
【００１５】
また、好ましくは、前記課題を解決するために本発明によるイメージセンサは、イメージセンサのリセット電圧自動制御方法において、画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧及び最小クランピング電圧と比較して「第１レベル」または「第２レベル」の信号を出力するステップと、前記「第１レベル」及び前記「第２レベル」の信号をカウントするステップと、前述した過程を通して得られた一つの画面に対する前記カウント結果を比較してクランピング電圧を調整するステップとを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明では、イメージセンサが用いられる外部環境の変化と工程上の変化に応じたリセット電圧信号の分布を見て、イメージセンサ自らが適切なクランピング電圧範囲を調節して歪みのないイメージセンサの画像を具現できるようにすることを技術的思想とするが、各々の画素から出力されるリセット電圧信号と基準電圧とを比較器を介して比較した後、その出力された値をカウントしてその結果により、毎画面（Ｆｒａｍｅ）ごとに自動に適切なクランピング電圧範囲を調節するようにし、基準電圧を最大クランピング電圧と最小クランピング電圧と比較し、その際、その値は任意に定めることができるようにしたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の最も好ましい実施例を添付する図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明に係るイメージセンサを示すブロック図である。
図２を参照すると、本発明のイメージセンサは、外部の光情報を感知するための画素配列部２０と、制御及び外部システムインターフェース部２１と、選択された一行の、複数の画素の電圧を感知して格納するアナログラインバッファ部２２と、画像信号処理部２３と、画素配列部２０の出力値をアナログラインバッファ２２に格納する前に画素出力のリセット電圧分布に応答してクランピング電圧値を調節する自動リセット電圧クランピング部２４とを備えて構成される。
【００１８】
以下、前記したような各構成要素の動作を詳細に述べる。
画素配列部２０は、光に反応する性質を極大化させるように、画素を横Ｎ個、縦Ｍ個に配置して、外部から入るイメージに対する情報を感知する部分であって、全体イメージセンサの最も核心的な部分であり、制御及び外部システムインターフェース部２１は、ＦＳＭを利用してイメージセンサの全体的な動作を制御し、外部システムに対するインターフェース役割を担当するが、配置レジスタ（図示せず）を持っているため、種々の内部動作に関連した事項に対するプログラムが可能であり、このプログラムされた情報によって全体チップの動作を制御する役割をする。
【００１９】
アナログラインバッファ部２２は、選択された一行の、複数の画素の電圧を感知して格納する役割をし、後段で用いられる色補間及びイメージ信号処理に利用するため、複数のラインから構成され、画像信号処理部２３は、イメージセンサの機能に応じて色補間、色補正、ガンマ補正、オートホワイトバランス、自動露出等アナログラインバッファ部２２に格納された画素の出力値に基づいてイメージセンサのセンサの性能向上のために付加的な種々の機能を行う。
【００２０】
また、自動リセット電圧クランピング部２４は、クランピング電圧範囲を調整するため、画素配列部２０の出力値をアナログラインバッファ部２２に格納する前にクランピング電圧値を画素出力のリセット電圧信号分布に合せて適切に調節する。
【００２１】
また、一般にイメージセンサは、現実の、理想的でない工程や経路上で発生する固定パターン雑音をなくすため、ＣＤＳ技法を利用するが、ＣＤＳ技法が効果を有するためには、リセット電圧信号分布の幅が狭く、画素出力信号の領域の中の上位にあるべきである。
【００２２】
しかし、外部から太陽のような極度に明るい物体に対する光情報が入る場合、画素出力のリセット電圧信号とデータ電圧信号との差が極めて小さいため、ＣＤＳ技法による画像が歪曲される。したがって、リセット電圧信号の分布があまり低い場合に、リセット電圧値を適切な水準で制限することによって、画像の歪みを除去すると、良い画質の画面が得られる。
【００２３】
これを解決するため、既存のイメージセンサは、リセット電圧信号値を適切な水準で制限するため、イメージセンサのユーザが外部環境の変化に合せてクランピング電圧値を直接設定した。
【００２４】
しかし、このような方法は設定されたクランピング電圧値が外部環境変化や予想しなかった変化に対してイメージセンサ自らが補正できなかった故に問題が生じ得るし、このような現象を防止するためには、イメージセンサを使用するユーザが常にクランピング電圧値を補正しなければならない。しかし、リセット電圧信号を制限するクランピング電圧値が適当ではない場合、かえってまた別のＣＤＳ技法によりオフセットを誘発し得る。
【００２５】
図３は、クランピング電圧調節を示す概念図である。図３（Ａ）のように、リセット電圧信号がクランピング電圧より若干下にある場合、ＣＤＳ技法による値は、リセット電圧信号からデータ電圧信号を引いたものではなく、クランピング電圧からデータ電圧信号を引いた値であるので、図３（Ａ）に示すように、クランピングエラー（Ｃｌａｍｐｉｎｇ  ｅｒｒｏｒ）ほどのエラーが発生しこのエラーが画像歪みの原因となる。
【００２６】
このようなエラーを補正するため、図３（Ｂ）では、イメージセンサが自動にクランピング電圧値をリセット電圧より下に下げることによって、ＣＤＳ技法による出力値がリセット電圧からデータ電圧を引いた差となるので、図３（Ａ）のようなエラーまでは補正できる。
【００２７】
一方、前述した問題点を解決するため、本発明では、イメージセンサ自らがクランピング電圧値を適切に調整できるようにする自動リセット電圧クランピング機能を付加したものであって詳細な動作は以下の通りである。
【００２８】
図４は、本発明による自動リセット電圧クランピング機能に係る概念図を示すものであって、これを参照すると、現在のクランピング電圧値と、最大クランピング電圧、そして最小クランピング電圧値を設定し画素のリセット電圧信号値を比較する。
【００２９】
図４は、本発明における自動リセット電圧クランピング機能を示す概念図である。
図４に示すように、リセット電圧信号値が現在クランピング電圧より高いながら最大クランピング電圧より低い領域と、現在クランピング電圧より低いながら最小クランピング電圧よりは高い領域に対してその個数を各々カウントして、その結果を比較して毎画面ごとにクランピング電圧値を自動に調節する。
【００３０】
このような補正過程は、毎画面ごとに自動に行なうことがができるので、イメージセンサの外部環境変化に対する影響やイメージセンサ製造工程上の問題による変化の影響を直ぐに調整できる。
【００３１】
図５は、図２の自動リセット電圧クランピング部を示す詳細ブロック図であって、図６は、図５のクランピング電圧比較器を示す詳細回路図である。
【００３２】
図５を参照すると、自動リセット電圧クランピング部２４は、画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧、最小クランピング電圧と比較するクランピング電圧比較器５０と、クランピング電圧比較器５０の比較結果に応じて「第１レベル」と「第２レベル」、例えば、「ハイレバル」と「ロウレベル」をカウントするカウンタ５１と、一つの画面に対する動作が完了すると、カウント結果に応じてアップ／ダウン信号を発生するレベル比較器５２と、アップ／ダウン信号によって調整されたクランピング電圧を出力するクランピング電圧調整器５３とを備えて構成される。
【００３３】
図６を参照すると、クランピング電圧比較器５０は、最大クランピング電圧を正入力とし、リセット電圧信号を負入力とする第１比較器５００ａと、リセット電圧信号を正入力とし、現在クランピング電圧を負入力とする第２比較器５００ｂと、現在クランピング電圧を正入力とし、リセット電圧信号を負入力とする第３比較器５００ｃと、リセット電圧信号を正入力とし、最小クランピング信号を負入力とする第４比較器５００ｄと、第１比較器５００ａと第２比較器５００ｂとの出力を論理積して「第１レベル」の信号、例えば、「Ｈｉｇｈ」を  出力する第１論理積ゲート５０１ａと、第３比較器５００ｃと第４比較器５００ｄとの出力を論理積して「第２レベル」の信号、例えば、「Ｌｏｗ」を出力する第２論理積ゲート５０１ｂとを備えて構成される。
【００３４】
以下では、前述したような構成による本発明の自動リセット電圧クランピング機能を詳細に述べる。
【００３５】
まず、画素から伝送されたリセット電圧信号を現在クランピング電圧と最大クランピング電圧、最小クランピング電圧とクランピング電圧比較器５０を介して比較した後、条件を満足するカウンタ５１、Ｈｉｇｈカウンタ５１ａ、Ｌｏｗカウンタ５１ｂの値を増加させる。例えば、リセット電圧信号が現在クランピング電圧より高いながら最大クランピング電圧より低いと、Ｈｉｇｈカウンタ５１ａの値を増加させ、現在クランピング電圧より低いながら最小クランピング電圧より高いと、Ｌｏｗカウンタ５１ｂの値を増加させる。一つの画面が終わると、「Ｆｒａｍｅ  Ｅｎｄ」信号が発生し、一つの画面の間カウントされた値を比較して、その結果に応じてアップ（ＵＰ）またはダウン（ＤＯＷＮ）信号を発生させ、ＵＰ／ＤＯＷＮ信号がない場合は、クランピング電圧値がリセット電圧信号分布領域に適切にあるので、クランピング電圧値を調整しないが、このようなクランピング電圧値の調整範囲は、繰り返し探し、画面の突然な変化を回避するため、小さい範囲で調整する。
【００３６】
イメージセンサのリセット電圧信号の値が外部環境の変化によって何らの制限なしに変わると、画面に縞などの形態で発生する雑音と明暗の分布及び色にも悪い影響を及ぼすことになり、外部環境が変わらない場合にも、イメージセンサの製造工程上の問題によって画像の歪みは種々の形態に現れるが、前記したようになされる本発明は、このような影響をなくすため、画素のリセット電圧信号の分布に応じてイメージセンサ自らがクランピング電圧値を調整することによって、リセット電圧値の範囲を制限してイメージセンサの製造工程上の問題及び外部環境の突然な変化に対する画質の低下を除去できることが実施例を通して分かった。
【００３７】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によると、イメージセンサの製造工程上の問題及び外部環境の突然な変化に対する画質の低下を除去でき、窮極的に、イメージセンサの画質を改善するという優れた効果を期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術に係るイメージセンサを示すブロック図である。
【図２】本発明に係るイメージセンサを示すブロック図である。
【図３】（Ａ）は、クランピング電圧調節を示す概念図である。
（Ｂ）は、クランピング電圧調節を示す概念図である。
【図４】本発明における自動リセット電圧クランピング機能を示す概念図である。
【図５】図２の自動リセット電圧クランピング部を示す詳細ブロック図である。
【図６】図５のクランピング電圧比較器を示す詳細回路図である。
【符号の説明】
２０      画素配列部
２１      制御及び外部システムインターフェース部
２２      アナログラインバッファ部
２３      画像信号処理部
２４      自動リセット電圧クランピング部
【図１】
0004443112.tif 000002
【図２】
0004443112.tif 000003
【図３】
0004443112.tif 000004
【図４】
0004443112.tif 000005
【図５】
0004443112.tif 000006
【図６】
0004443112.tif 000007