KR101491525B1 - 고체 촬상 소자 및 카메라 시스템 - Google Patents

Abstract

고체 촬상 소자는, 복수의 화소가 매트릭스형으로 배열된 화소부와, 화소부로부터 복수의 화소 단위로 화소 신호의 판독을 행하는 화소 신호 판독 회로를 포함한다. 화소 신호 판독 회로는, 화소의 열에 대응하여 배치되고, 판독 신호 전위와 참조 전압을 비교하여 판정 신호를 생성하도록 구성되며, 판정 신호를 출력하는 복수의 비교기와, 비교기의 출력에 의해 동작이 제어되고, 각각의 카운터가 복수의 비교기 중 대응하는 비교기의 비교 시간을 카운트하도록 구성된 복수의 카운터를 포함한다. 복수의 카운터는 1열마다 또는 복수 열마다 상이한 동작 기간을 갖는다.

화소부, 화소 신호 판독 회로, 비교기, 카운터, 광전 변환

Description

고체 촬상 소자 및 카메라 시스템{SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE AND CAMERA SYSTEM}

본 발명은 CMOS 이미지 센서로 대표되는 고체 촬상 소자, 및 카메라 시스템에 관한 것이다.

본 출원은 2007년 8월 13일자로 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 번호 2007-210868을 우선권으로 주장하며, 상기 특허 출원의 전체 내용이 본 명세서에 발명의 일부로서 원용되어 있다.

최근, CCD 이미지 센서를 대신하는 고체 촬상 소자로서 CMOS 이미지 센서가 주목을 받고 있다.

그 이유는, CCD 화소의 제조에 전용 프로세스를 필요로 하고, 그 동작에는 복수의 전원 전압이 필요하고, 또한 복수의 주변 IC를 조합시켜 동작시킬 필요가 있으므로, 시스템이 매우 복잡화된다는 CCD 본연의 문제점을, CMOS 이미지 센서가 극복하고 있기 때문이다.

CMOS 이미지 센서는, 그 제조에는 일반적인 CMOS형 집적회로와 마찬가지의 제조 프로세스를 사용하는 것이 가능하며, 단일 전원으로의 구동이 가능하고, 또한 CMOS 프로세스를 사용한 아날로그 회로나 논리 회로를 동일 칩 내에 혼재시킬 수 있으므로, 주변 IC의 수를 줄일 수가 있다고 하는 여러 가지의 효과적인 이점을 가지고 있다.

CCD의 출력 회로는 부유 확산(FD : Floating Diffusion)층을 갖는 FD 증폭기를 사용한 1채널(ch) 출력이 주로 사용된다.

이에 대하여, CMOS 이미지 센서는 각 화소마다 FD 증폭기를 가지고 있으며, 그 출력을 위해서는, 화소 어레이 중의 한 행을 선택하고, 그 행 내의 화소들을 동시에 열 방향으로 판독하는 열병렬 출력형(column parallel outputting scheme)이 주로 사용된다.

그 이유는, 화소 내에 배치된 FD 증폭기로는 충분한 구동 능력을 얻는 것은 어렵고, 따라서 데이터 레이트의 감소가 필요하여, 병렬 처리가 유리하기 때문이다.

이하에서는 일반적인 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.

도 1은 4개의 트랜지스터를 포함하는 CMOS 이미지 센서의 화소의 일례를 나타낸 도면이다.

이 화소(10)는 광전 변환 소자로서 예컨대 포토다이오드(11)를 포함한다. 이 1개의 포토다이오드(11)에 대하여, 화소(10)는 전송 트랜지스터(12), 증폭 트랜지스터(13), 선택 트랜지스터(14), 리셋 트랜지스터(15)의 4개의 트랜지스터를 능동 소자로서 포함한다.

포토다이오드(11)는 입사광을 그 광량에 대응하는 전기 전하(여기서는, 전 자)로 광전 변환한다.

전송 트랜지스터(12)는 포토다이오드(11)와 플로팅 디퓨전(FD) 사이에 접속되고, 전송 제어선(LTx)을 통해 그 게이트(전송 게이트)에 구동 신호가 인가됨으로써, 포토다이오드(11)에서 광전 변환된 전자를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송한다.

플로팅 디퓨전(FD)에는 증폭 트랜지스터(13)의 게이트가 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(13)는 선택 트랜지스터(14)를 통하여 신호선(LSGN)에 접속되어 있다. 화소 어레이 외측의 정전류원(16)과 증폭 트랜지스터(13)는 소스 폴로워를 구성하고 있다.

그리고, 선택 제어선(LSEL)을 통해 어드레스 신호가 선택 트랜지스터(14)의 게이트에게 인가되며, 선택 트랜지스터(14)가 턴온되면, 증폭 트랜지스터(13)는 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 증폭하여, 그 전위에 따른 전압을 출력(수직) 신호선(LSGN)에 출력한다. 신호선(LSGN)을 통해서 각 화소로부터 출력된 신호 전압은 화소 신호 판독 회로에 출력된다.

리셋 트랜지스터(15)는 전원 라인(LVDD)와 플로팅 디퓨전(FD) 사이에 접속되고, 리셋 제어선(LRST)을 통해 그 게이트에 리셋 신호가 인가될 때에, 플로팅 디퓨전(FD)의 전위를 전원 라인(LVDD)의 전위로 리셋한다.

보다 구체적으로는, 화소를 리셋할 때에는, 전송 트랜지스터(12)를 턴온시켜 포토다이오드(11)에 축적된 전기 전하를 전기적으로 소거한다. 이에 후속하여, 전송 트랜지스터(12)를 턴오프하고, 포토다이오드(11)가 광신호를 전기 전하로 변환하고, 그 전기 전하를 축적한다.

판독 시에는, 리셋 트랜지스터(15)를 턴온시켜 플로팅 디퓨전(FD)을 리셋하고, 리셋 트랜지스터(15)를 턴오프시켜, 그 때의 플로팅 디퓨전(FD)의 전압을 증폭 트랜지스터(13) 및 선택 트랜지스터(14)를 통해 출력한다. 이 때의 출력을 P상(P-phase) 출력으로 한다.

다음에, 전송 트랜지스터(12)를 턴온시켜 포토다이오드(11)에 축적된 전하를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송하고, 그 때의 플로팅 디퓨전(FD)의 전압을 증폭 트랜지스터(13)에 의해 출력한다. 이 때의 출력을 D상 출력으로 한다.

D상 출력과 P상 출력의 차분을 화상 신호로 함으로써, 화소마다의 출력의 DC성분의 불균일 뿐만 아니라 플로팅 디퓨전의 FD 리셋 노이즈를 화상 신호로부터 제거할 수 있다.

이들 동작은, 예컨대, 전송 트랜지스터(12), 선택 트랜지스터(14) 및 리셋 트랜지스터(15)의 각 게이트가 행 단위로 접속되어 있으므로, 1행분의 각각의 화소에 대하여 동시에 행해진다.

열병렬 출력형 CMOS 이미지 센서의 화소 신호 판독(출력) 회로에 대하여는 다양한 것이 제안되어 있지만, 그 중 가장 진보된 형태의 하나로, 열마다 아날로그-디지털 변환 장치(이하, ADC(Analog digital converter)로 지칭함)를 구비하고, 디지털 신호로서 화소 신호를 인출하는 타입의 것이 있다.

이와 같은 열병렬형의 ADC를 탑재한 CMOS 이미지 센서는, 예컨대 W. Yang 등의 기술문헌("An Integrated 800×600 CMOS Image System" ISSCC Digest of Technical Papers, pp.304-305, Feb., 1999) 또는 일본 미심사 특허 출원 공개 번 호 2005-278135호 공보에 개시되어 있다.

도 2는 열병렬 ADC가 탑재된 고체 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)의 구성예를 나타낸 블록도이다.

이 고체 촬상 소자(20)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 촬상부로서의 화소부(21), 수직 주사 회로(22), 수평 전송 주사 회로(23), 타이밍 제어 회로(24), ADC 그룹(25), 디지털-아날로그 변환 장치(이하, DAC(Digital-Analog converter)로 간략하여 지칭함)(26), 증폭기 회로(S/A)(27), 및 신호 처리 회로(28)를 가진다.

화소부(21)는 포토다이오드와 화소내 증폭기를 포함하며, 예컨대 도 1에 나타낸 바와 같은 화소가 매트릭스형으로 배치되어 구성된다.

또한, 고체 촬상 소자(20)에 있어서는, 화소부(21)의 신호를 차례로 판독하기 위한 제어 회로로서, 내부 클록을 생성하는 타이밍 제어 회로(24), 행 어드레스 또는 행 주사를 제어하는 수직 주사 회로(22), 그리고, 열 어드레스 또는 열 주사를 제어하는 수평 전송 주사 회로(23)가 배치된다.

ADC 그룹(25)은, DAC(26)에 의해 생성되는 참조 전압을 계단형으로 변화시킨 램프파 형태(RAMP)인 참조 전압(Vslop)과 행 라인마다 화소로부터 수직 신호선을 경유하여 얻어지는 아날로그 신호를 비교하는 비교기(25-1)와, 비교 시간을 카운트하는 카운터(25-2)와, 카운트 결과를 유지하는 래치(25-3)로 이루어지는 ADC가 복수 열 배열되어 있다. ADC 그룹(25)은 n비트 디지털 신호 변환 기능을 가지고, 수직 신호선(열 라인)마다 배치된 열병렬 ADC 블록이 구성된다.

각 래치(25-3)의 출력은 예컨대 2n 비트폭의 수평 전송선(29)에 접속되어 있 다.

그리고, 수평 전송선(29)에 대응한 2n개의 증폭기 회로(27),및 신호 처리 회로(28)가 배치된다.

ADC 그룹(25)에 있어서는, 수직 신호선에 판독된 아날로그 신호(전위(Vsl))는 열마다 배치된 비교기(25-1)에서 참조 전압(Vslop)(어떤 경사를 갖는 직선형으로 변화하는 경사 파형)과 비교된다.

이 때, 비교기(25-1)와 마찬가지로 열마다 배치된 카운터(25-2)가 동작하고 있고, 램프 파형이 있는 참조 전압(Vslop)과 카운터값이 1대1 연관을 취하면서 변화함으로써 수직 신호선의 전위(아날로그 신호)(Vsl)를 디지털 신호로 변환한다.

참조 전압(Vslop)의 변화는 전압의 변화를 시간의 변화로 변환하는 것이며, 그 시간을 어떤 주기(클록)에서 카운트함으로써 디지털값으로 변환한다.

그리고, 아날로그 전기 신호의 전위(Vsl)와 참조 전압(Vslop)이 교차(cross)할 때, 비교기(25-1)의 출력이 반전되어 카운터(25-2)의 입력 클록을 정지하고, AD변환이 완료된다.

이상의 AD 변환 기간 종료 후, 수평 전송 주사 회로(23)에 의해, 래치(25-3)에 유지된 데이터가 수평 전송선(29) 및 증폭기 회로(27)를 거쳐 신호 처리 회로(28)에 입력되고, 2차원 화상이 생성된다.

이같이 하여, 열병렬 출력 처리가 행해진다.

그런데, 디지털 스틸 카메라 등과 같이 광을 전기 신호로 변환하여 화상 신호를 출력하는 장치로서 사용되고 있는 고체 촬상 장치에 있어서, 최근 화소수 증가 또는 높은 프레임 레이트에 따라 고속 판독 또는 저소비 전력화가 필수적인 기술이 되고 있다.

전술한 바와 같이, 고체 촬상 장치의 하나인 MOS(CMOS)형 이미지 센서는, CMOS 집적회로와 마찬가지의 프로세스로 제조할 수 있는 특징을 살려 화소마다 전하를 전기 신호로 변환하여, 화소로부터 판독되는 전기 신호를 열마다 병렬로 처리함으로써 판독 속도를 향상시킬 수 있다.

한편, 열마다 병렬처리함으로써 고속화는 실현할 수 있지만, 병렬처리할 때 회로가 소비하는 전류가 집중되는 것에 의한 전류 증가 또는 국소적인 전류 집중이 전원을 변동시킨다는 문제를 발생시키고 있다.

이 문제에 대하여 또한 고찰한다.

여기서, 전술한 카운터의 동작 및 카운터가 소비하는 전류를 도 3 및 도 4와 관련하여 설명한다.

도 3은 촬상 대상이 어느 정도 밝은 장면에 있는 상태를 나타낸 도면이다.

밝기에 따라 화소에는 신호가 축적되어, 판독 시, 도 3에 도시된 바와 같이 수직 신호선 전위(Vsl)는 리셋 레벨보다 감소된다. 판독 회로는 이 신호 변화를 AD 변환한다.

여기서, 카운터의 소비 전류는 카운터가 동작하고 있는 기간, 즉 수직 신호선에 판독되는 신호 전위(Vsl)와 참조 전압(Vslop)이 교차할 무렵까지 발생하고, 카운터가 멈춘 시점에서 소비하는 전류는 대략 제로가 된다.

1회의 AD 변환에서 카운터가 소비하는 전류는 도 3에 나타낸 순간 전류의 합계, 즉 도 3에 나타낸 면적에 대응한다.

도 3에서, 카운터는 2회, 즉 화소의 리셋 레벨 판독 시 및 신호 레벨 판독 시에 동작하고, 그 차분 데이터를 인출하는 동작을 하고 있지만, 이것은 일례이며, 신호 레벨 만의 동작을 하는 구성을 취하는 것도 가능하다.

도 4는 촬상 대상이 어두운 장면에 있는 상태를 나타낸 도면이다.

이 때, 수직 신호선 전위(Vsl)와 참조 전압(Vslop)은 바로 교차하므로, 카운터의 동작 기간도 짧고, 1회의 판독으로 소비하는 카운터의 전류(도 4에 나타내는 순간 전류의 합계)는 감소한다.

이와 같이 신호량에 따라 카운터의 동작하는 기간이 변동되고, 소비 전류도 신호에 따라 변동되어 버린다. 즉, 각각의 행에 1회 행해지는 AD 변환에서, 모든 열의 합계 소비 전류가 행마다 다르게 된다.

도 5는 수직 방향에서 흰색, 흑색, 흰색, 흑색으로의 변화가 있는 상을 촬상하였을 때의 카운터의 소비 전류를 나타낸 도면이다.

흰색을 찍고 있는 기간에서는 카운터의 소비 전류가 최대로 되고, 흑색을 찍고 있는 기간에서는 소비 전류가 최소로 된다.

이와 같이, 밝기에 따라 카운터의 컬럼 합계 소비 전류가 각각의 행마다 변 동되고, 그 변동은 신호에 따라 상이하므로, 완전히 비고정 주기(non-fixed interval)로 전원의 변동을 야기하여, 이러한 전원 변동이 판독 회로에 복귀되고, 영상의 열화를 일으키는 경우가 있다.

이와 같은 전류 부하 변동을 해소하기 위해, 통상 외부 커패시턴스를 크게 함으로써 변동을 평활화하는 대책이 취해지고 있다. 그러나, 최근, 이미지 센서는 휴대 전화기 등의 모바일 기기에 탑재되는 것이 많고, 모듈로서도 소형이 요구되는 중에 외부 커패시턴스는 소형화 및 감소화되고 있어, 이와 같은 대책에 의지할 수 없게 될 수도 있는 경향이 있다.

따라서, 본 발명은, 동시 병렬 처리를 할 때 발생하는 전류 집중을 완화시키고, 전류 평활화를 실현하는 것이 가능하며, 전원 변동을 억제할 수 있는 고체 촬상 소자, 및 이러한 고체 촬상 소자를 이용한 카메라 시스템을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 제1 관점의 고체 촬상 소자는, 광전 변환을 행하는 복수의 화소가 매트릭스형으로 배열된 화소부와, 상기 화소부로부터 복수의 화소 단위로 화소 신호의 판독을 행하는 화소 신호 판독 회로를 포함한다. 상기 화소 신호 판독 회로는, 화소의 열 배열에 대응하여 배치되고, 판독 신호 전위와 참조 전압을 비교 판정하고, 그 판정 신호를 출력하는 복수의 비교기와, 상기 비교기의 출력에 의해 동작이 제어되고, 대응하는 상기 비교기의 비교 시간을 카운트하는 복수의 카운터를 포함하고, 상기 복수의 카운터는 1열마다 또는 복수의 열마다 동작 기간이 상이하 다.

본 발명의 제2 관점의 카메라 시스템은, 고체 촬상 소자와, 상기 촬상 소자에 피사체의 상을 결상하는 광학계를 포함한다. 상기 고체 촬상 소자는, 광전 변환을 행하는 복수의 화소가 매트릭스형으로 배열된 화소부와, 상기 화소부로부터 복수의 화소 단위로 화소 신호의 판독을 행하는 화소 신호 판독 회로를 포함한다. 상기 화소 신호 판독 회로는, 화소의 열 배열에 대응하여 배치되고, 판독 신호 전위와 참조 전압을 비교 판정하고, 그 판정 신호를 출력하는 복수의 비교기와, 상기 비교기의 출력에 의해 동작이 제어되고, 대응하는 상기 비교기의 비교 시간을 카운트하는 복수의 카운터를 포함하고, 상기 복수의 카운터는 1열마다 또는 복수 열마다 동작 기간이 상이하다.

바람직하게는, 상기 비교기는, 상기 판독 신호 전위와 상기 참조 전압이 일치하면 출력 레벨을 반전시킨다. 열마다 배치된, 동작 기간이 상이한 상기 복수의 카운터는, 상기 비교기의 출력이 반전될 때까지 동작하는 제1 카운터와, 상기 비교기의 출력이 반전된 후에 동작하는 제2 카운터를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1 카운터와 상기 제2 카운터는 색마다 교대로 배치되어 있다.

바람직하게는, 복수의 화소 열이 가까운 값을 갖는 인접한 동일한 색 계열(color series)의 복수의 화소열에 대응하여, 상기 제1 카운터와 상기 제2 카운터가 상기 화소열마다 교대로 배치되어 있다.

바람직하게는, 상기 제1 카운터 및 상기 제2 카운터 중 한쪽은 업 카운트하 고, 다른 쪽은 다운 카운트한다.

바람직하게는, 상기 화소 신호 판독 회로는, 상기 제1 카운터 또는 제2 카운터로의 클록의 전달을 제어하는 클록 전달 제어부를 가지며, 상기 클록 전달 제어부는, 클록 전달 대상이 상기 제1 카운터인 경우에는, 상기 비교기의 출력이 반전될 때까지 상기 클록을 전달하고, 상기 비교기의 출력이 반전되면 상기 클록의 전달을 정지하고, 클록 전달 대상이 상기 제2 카운터인 경우에는, 상기 비교기의 출력이 반전될 때까지 상기 클록의 전달을 정지하고, 상기 비교기의 출력이 반전되면 상기 클록을 전달한다.

바람직하게는, 상기 화소 신호 판독 회로로 판독된 신호에 대하여 화상 처리를 행하는 신호 처리부가 제공될 수도 있다. 상기 신호 처리부는 상기 카운터의 동작 기간 이외의 기간에 화상 신호 처리를 집중하여 행한다.

본 발명에 의하면, 화소 신호 판독 회로에서, 판독 신호 전위와 참조 전압이 비교 판정되고, 그 판정 신호가 출력된다. 카운터는 비교기의 출력에 의해 동작이 제어되고, 대응하는 비교기의 비교 시간이 카운트된다.

이 때, 복수의 카운터는 1열마다 또는 복수 열마다 동작 기간이 상이하며, 동시 병렬 처리를 행할 때 발생하는 전류 집중이 완화되어 전류가 평활화된다.

본 발명에 의하면, 동시 병렬 처리를 행할 때 발생하는 전류 집중을 완화시키고, 전류 평활화를 실현하는 것이 가능하며, 전원 변동을 억제할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 관한 열병렬 ADC 탑재 고체 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)의 구성예를 나타낸 블록도이다.

고체 촬상 소자(100)는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 촬상부로서의 화소부(110), 수직 주사 회로(120), 수평 전송 주사 회로(130), 타이밍 제어 회로(140), 화소 신호 판독 회로로서의 ADC 그룹(150), DAC(디지털-아날로그 변환 장치)(160), 증폭기 회로(S/A)(170), 신호 처리 회로(180), 및 수평 전송선(190)을 포함한다.

화소부(110)는 포토다이오드와 화소내 증폭기를 포함하며, 예컨대 도 1에 나타낸 화소가 매트릭스형으로 배치되어 구성된다.

고체 촬상 소자(100)는, 화소부(110)의 신호를 차례로 판독하기 위한 제어 회로로서, 내부 클록을 생성하는 타이밍 제어 회로(140), 행 어드레스 및 행 주사를 제어하는 수직 주사 회로(120), 그리고 열 어드레스 및 열 주사를 제어하는 수평 전송 주사 회로(130)를 포함한다.

ADC 그룹(150)은, DAC(160)에 의해 생성되는 참조 전압을 계단형으로 변화시킨 램프 파형(RAMP)인 참조 전압(Vslop)과 행 라인마다 화소로부터 수직 신호선을 경유하고 얻어지는 아날로그 신호(전위 Vsl)를 비교하는 비교기(151)와, 비교 시간을 카운트하는 카운터(152)와, 카운트 결과를 유지하는 래치(153)로 이루어지는 ADC가 복수 열로 배열되어 있다.

ADC 그룹(150)은 n비트 디지털 신호 변환 기능을 가지고, 각각의 수직 신호 선(열 라인)마다 배치되어, 열병렬 ADC 블록을 구성한다.

각 래치(153)의 출력은 예컨대 2n 비트폭의 수평 전송선(190)에 접속되어 있다.

그리고, 수평 전송선(190)에 대응한 2n개의 증폭기 회로(170), 및 신호 처리 회로(180)가 배치된다.

ADC 그룹(150)에서는, 수직 신호선에 판독된 아날로그 신호(전위 Vsl)는 열마다 배치된 비교기(151)에서 참조 전압(Vslop)(어떤 경사를 갖는 직선형으로 변화하는 경사 파형)과 비교된다.

이 때, 비교기(151)와 마찬가지로 열마다 배치된 카운터(152)가 동작하며, 램프 파형을 갖는 참조 전압(Vslop)과 카운터값이 1대1 연관을 취하면서 변화될 때에, 수직 신호선의 전위(아날로그 신호)(Vsl)가 디지털 신호로 변환된다.

참조 전압(Vslop)의 변화는 전압의 변화를 시간의 변화로 변환하는 것이며, 그 시간을 어떤 주기(클록)에서 카운트함으로써 디지털값으로 변환하는 것이다.

아날로그 전기 신호의 전위(Vsl)와 참조 전압(Vslop)이 교차할 때, 비교기(151)의 출력이 반전되어 카운터(152)의 입력 클록을 정지하거나, 또는 입력이 정지되고 있던 클록을 카운터(152)에 입력하고, AD 변환을 완료시킨다.

이상의 AD 변환 기간 종료 후, 수평 전송 주사 회로(130)에 의해, 래치(153)에 유지된 데이터가 수평 전송선(190)에 전송되고, 증폭기 회로(170)를 거쳐 신호 처리 회로(180)에 입력되고, 소정의 신호 처리에 의해 2차원 화상이 생성된다.

본 실시예에 따른 ADC 그룹(150)에서는, 동시 병렬 처리를 할 때 발생하는 전류 집중을 완화시키고, 전류 평활화를 실현하는 것이 가능하며, 전원 변동을 억제 가능하도록, ADC 그룹(화소 신호 판독 회로)(150)에서, 기본적으로, 카운터(152)는 열마다 동작하는 기간을 바꾸고 있다(열마다 카운터(152)가 동작하는 기간이 상이하다).

보다 구체적으로는, 본 실시예의 ADC 그룹(150)에서는, 열마다 배치된 카운터(152)에서, 비교기(151)의 출력이 반전될 때까지 동작하는 것과, 비교기(151)의 출력이 반전된 후에 동작하는 것의 2종류의 회로를 탑재하고 있다.

이 경우, 동작이 상이한 2종류의 카운터가 색마다 교대로 배치된다.

또한, 동작이 상이한 카운터가 한쪽은 업 카운트하고, 한쪽은 다운 카운트하도록 구성된다.

이하, 본 실시예의 특징적인 구성을 갖는 ADC 그룹(화소 신호 판독 회로)(150)의 구성, 특히 카운터의 구성 및 기능에 대하여 상세하게 설명한다.

도 7은 본 실시예에 따른 카운터의 동작의 일례를 나타낸 도면이다.

도 7에 나타내고 있는 선 카운트(preceding count)를 취하는 카운터 구성(제1 카운터)은 비교기(151)의 판정 신호(S151)가 도착할 때까지(비교기(151)의 출력이 반전될 때까지) 카운터(152)를 동작시키는 것이며, 후 카운트(subsequent count)를 취하는 카운터 구성(제2 카운터)은 비교기(151)의 판정 신호(S151)가 도착된 후에(비교기(151)의 출력 신호가 반전된 후에) 클록을 카운터(152)에 전달하는 것이다.

도 8은 본 실시예에 따른 클록 전달 제어부의 구성예를 나타낸 도면이다.

여기서, 클록 전달 제어부(200)는, 비교기(151)의 판정 신호(S151)에 응답하여 클록(CLK)의 카운터(152)로의 입력 타이밍을 제어하는 게이트 블록부(210)를 포함한다.

선 카운트를 취하는 카운터 및 후 카운트를 취하는 카운터는 1열마다 또는 복수 열마다 배치된다. 따라서, 게이트 블록부(210)는 1열마다 또는 복수 열마다 카운터(152)의 입력단에 배치된다.

도 9a 및 도 9b는 도 8의 게이트 블록부(210)의 구성예를 나타낸 도면이다.

도 9a에서는, 게이트 블록부(210A)가 2-입력 NOR 게이트(211)로 구성되어 있다.

이 게이트 블록부(210A)는, 비교기(151)의 판정 신호(S151)가 도착할 때까지(비교기(151)의 출력이 반전될 때까지) 카운터(152)를 동작시키는 선 카운트에 대응한다.

도 9b에서는, 게이트 블록부(210B)가 2-입력 NAND 게이트(212)로 구성되어 있다.

이 게이트 블록부(210B)는, 비교기(151)의 판정 신호(S151)가 도착된 후에(비교기(151)의 출력 신호가 반전된 후에) 카운터(152)를 동작시키는 후 카운트에 대응한다.

그리고, 이와 같이 고정적인 배치를 취하는 대신에, 도 10에 나타낸 바와 같이, 예컨대, 타이밍 제어 회로(140)에 설치되는 레지스터(141)에 외부로부터 설정되는 데이터에 대응하여 선 카운트와 후 카운트 간에 전환하도록 구성하는 것도 가 능하다.

도 10의 예에서, 2-입력 NOR 게이트(211) 및 2-입력 NAND 게이트(212)를 가지는 블록(213)을 설치하고, 설정 데이터가 로우(L)인 경우에는 선 카운트를 행하도록 2-입력 NOR 게이트(211)을 선택하고, 설정 데이터가 하이(H)인 경우에는 후 카운트를 행하도록 2-입력 NAND 게이트(212)를 선택한다.

이와 같은 구성에서, 예컨대, 선 카운트의 경우, 카운터(152)는 동작 전에 제로로 초기화되어 있고, 클록(CLK)이 전달되면 동시에 카운트를 개시한다.

그리고, 비교기(151)의 출력인 판정 신호(S151)가 반전된 시점에서 카운터(152)를 정지하고, 그 때의 값을 래치(153)에 유지하는 것으로 AD 변환한다.

도 10의 예에서는, 300번째 클록에서 비교기(151)의 출력이 반전되고, 그 값을 래치(153)에 유지한다.

다음에, 후 카운트의 경우, 카운터(152)를 동작 전에 전부 "1"로, 즉 10 비트(bit)라면 1023으로 초기화한다.

그리고, 클록(CLK)이 입력되기 시작하지만, 게이트 블록부(210)에 의해 처음에는 카운터(152)가 정지되고 있다.

그리고, 비교기(151)의 출력이 반전한 시점으로부터 카운터(152)를 동작시킨다. 이 때, 카운터(152)는 다운 카운트를 행한다. 그리고, 카운터(152)는 클록이 1023 클록에 도달하는 시점에서 정지되므로, 카운터의 값은 300으로 된다.

이와 같이, 본 실시예에서는, 선 카운트 및 후 카운트의 양쪽을 사용한다. 단, 카운트의 구성은 이것으로 한정되지 않고, 후 카운트에서는 다운 카운트로 할 필요는 없으며, 업 카운트를 행하고, 후의 처리 블록에서 최대의 값으로부터 감산하면, 마찬가지의 값을 얻을 수 있다.

예컨대, 도 7의 경우에는, 후 카운트를 업 방식으로 하면, 카운터의 값은 723으로 되고, 후단에서 [1023-723]를 계산함으로써 300을 얻는 것이 가능하다.

그리고, 본 실시예의 포인트는, 이 선 카운트 및 후 카운트의 카운터를 도 11에 나타낸 바와 같이 색마다 교대로 배치하는 것에 있다.

도 11의 실시예는, 인접한 동일 색의 화소가 가까운 값을 갖고, 그에 따라 2열마다 선 카운트와 후 카운트를 교대로 행하도록 구성된다.

즉, 도 11의 실시예에서는, 인접한 가까운 값을 가지는 동일한 색 계열의 복수의 화소열에 대응하여, 앞 카운터와 후 카운터가 이 화소열마다 교대로 배치되어 있다.

여기서, 인접한 화소는 일반적으로 가까운 레벨의 영상 신호를 가진다. 물론 급격하게 변화하는 에지는 있지만, 테스트 패턴이 아닌 한, 1화소 단위로 흰색과 흑색이 번갈아 바뀌는 영상이 발생하지 않는다.

본 실시예에서는, 이와 같은 영상 신호의 특징을 이용하여 전류 평활을 얻는 회로를 실현한다. 그 효과를 도 12, 도 13, 및 도 14를 참조하여 설명한다.

도 12는 적당한 신호 레벨(화소 신호)이 입력되었을 때의 카운터의 동작을 나타낸 도면이다.

도 12에서는 짝수 열에는 앞 카운터, 홀수 열에는 후 카운터를 배치되어 있는 것으로 하여 설명한다.

짝수 열은 앞 카운터이므로, 비교기(151)의 출력이 반전될 때까지 카운터(152)는 동작하고, 그 동작 동안 소비 전류가 발생한다.

이에 대하여, 홀수 열은 후 카운트이므로, 비교기(151)의 출력이 반전된 후에 카운터(152)가 동작하고, 그 기간에 소비 전류가 발생한다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 전체 수평 열에 동일한 신호가 입력될 때의 모든 열의 전체 소비 전류는, 기존의 카운터 구성이면, 모든 열에서 비교기(151)가 정지될 때까지의 기간에 전류가 집중된다.

이에 대하여, 본 실시예의 카운터 구성에서는, 비교기(151)의 출력이 반전될 때까지는 절반의 카운터가 동작하고, 비교기(151)의 출력이 반전된 후에는 나머지 절반의 카운터가 동작하기 때문에, 카운터의 소비 전류는 AD 변환 동안 일정한 전류가 된다.

다음에, 도 13은 모든 열에 포화 레벨, 즉 흰색 레벨의 신호가 입력되었을 때의 카운터의 동작을 나타낸 도면이다.

이 경우, 카운터의 동작은 도 12에 설명한 것과 동일하지만, 기존의 구성에서는, 카운터가 풀 카운트(full count)를 수행하므로, 모든 열이 AD 변환되는 동안 카운터가 항상 동작한다. 따라서, 소비 전류는 최대가 된다.

이에 대하여, 본 실시예의 카운터 구성에서는, 카운터의 반이 풀 카운트를 수행하지만, 나머지 반은 실제로 동작하지 않는다.

그러므로, 열 전체에서 소비되는 카운터의 소비 전류는 기존의 카운터 구성에 대하여 대략 반으로 감소된다.

또한, 여기서 주목해야 할 것은, 도 12에 나타내는 적당한 입력 신호일 때의 카운터 소비 전류를 비교하면, 기존의 방식에서는 입력 레벨에 따라 카운터의 소비 전류가 변동되는 데 비하여, 본 실시예의 카운터 구성에서는 판독 전 카운터와 판독 후 카운터가 각각 전류를 소비하는 기간을 서로 보완하고 있다. 그 결과, 소비 전류가 거의 일정하게 유지된다.

도 14는 모든 열에 입력 신호가 대략 제로, 즉 흑색 레벨의 신호가 입력되었을 때의 카운터의 동작을 나타낸 도면이다.

이 경우, 기존의 시스템에서는, 비교기(151)의 출력이 바로 반전되며, 이로써 카운터의 동작 기간이 짧아지고, 카운터 전부의 소비 전류가 감소된다.

이에 대하여, 본 실시예에서의 카운터 소비 전류는 도 12 및 도 13에 관련되어 설명한 입력 신호의 경우와 거의 동일하다.

흑색 레벨의 신호를 판독할 때의 소비 전류를 비교하면, 소비 전류가 기존의 카운터 구성보다 증가한다. 그러나, 영상 신호이므로, 흑색 레벨만을 읽는다는 것은 영상 정보가 제공되지 못한다는 것을 의미하며, 따라서 이와 같은 판독이 연속하여 행해지지는 않는다.

영상 신호가 있으면 그 레벨에 따라 소비 전류가 변동되는 기존의 방식에 대하여, 본 실시예의 화소 신호 판독 회로인 ADC 그룹(150)에서는, 거의 신호 레벨에 의존하지 않고 소비 전류를 제어하는 것이 가능하게 된다.

지금까지, 설명을 간단하게 하기 위해 모든 열에 동일한 신호가 동시에 입력되는 경우에 대하여 설명하였다.

그러나, 실제의 영상 신호는 수직 방향, 즉 개개의 열에 입력되는 신호는 상이하다.

도 15는, 한 장의 화상을 취득했을 때의 수평 방향 및 수직 방향의 신호의 변환의 일례를 나타낸 도면이다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 수평 방향과 수직 방향에서 통상적인 신호 레벨은 변화한다.

수평 방향의 판독은 동시에 행해지므로, 신호가 수평 방향으로 어떠한 형태의 패턴에 있을 때에도, 회로의 소비 전류가 일정하지 않다면, 수직 방향의 판독에서 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 회로에 소비되는 전류가 상이하게 되어, 결과적으로 전원 변동을 야기한다.

이하에서는, 수평 방향의 신호도 각각의 열에서 상이한 실제의 경우에 있어서의 본 발명의 실시예의 이점을 설명한다.

먼저, 도 16a 내지 도 16c에 나타낸 바와 같이, 열에 흰색 레벨의 신호가 균일하게 입력되는 경우에 대하여 설명을 행한다.

카운터는 동작 시간에 따라 소비 전류가 선형으로 변화한다. 즉, 신호량에 따라 소비 전류가 선형으로 변화한다. 이 경우, 신호의 최대를 10으로 하고, 신호량을 그대로 소비 전류로 하여 설명을 행한다.

먼저, 흰색 레벨 부근의 8의 신호가 각각의 열에 균일하게 입력되는 도 16b에 나타낸 기존 회로의 소비 전류는, 이 예에서는 열의 수가 10이므로, 80의 소비 전류로 된다.

이에 대하여, 도 16c에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 회로에서는, 하나 건너의 열에 카운트 회로가 배치되어 있고, 비교기(151)의 출력이 반전된 후에, 카운트가 수행된다. 그러므로, 8의 신호가 입력될 때에는, 8에서 10까지의 카운트가 행해진다.

따라서, 소비되는 전류는 2로 된다. 이것이 색마다 교대로 배치되어 있으므로, 전체 열의 소비 전류는 50으로 된다.

다음에, 도 17a 내지 도 17c에 나타낸 바와 같이, 흑색 레벨 부근의 1의 신호가 열에 균일하게 입력되는 경우를 고찰한다.

마찬가지의 견해로, 도 17b에 나타낸 기존 방식에서는, 열의 전체 소비 전류는 10으로 된다. 도 16b에 나타낸 흰색 레벨 부근의 8의 신호가 입력되는 경우에 비하여, 전류가 현저하게 변화되는 것을 알 수 있다.

이에 대하여, 도 17c에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 회로에서의 소비 전류는 50으로 되고, 도 16c에 나타낸 흰색 레벨이 판독되는 때와 변화가 없고, 전류 변동은 발생하지 않는다.

지금까지는, 열에 일정한 입력이 이루어진 경우의 본 발명의 실시예의 장점을 설명하였다.

다음에, 도 18a 내지 도 18c에 나타낸 바와 같이, 일정한 신호가 아닌 수평 방향으로 변화하는 신호를 열에 입력한 경우를 고찰한다.

도 18b에 나타낸 바와 같이, 기존 회로에서는 소비 전류는 55이고, 흰색 레벨과 흑색 레벨을 판독한 것과는 상이한 값이다.

이에 대하여, 본 발명의 실시예에 따른 회로에서의 소비 전류는 45로 되고, 흰색 레벨과 흑색 레벨을 판독할 때의 소비 전류로부터 거의 변화가 없고, 일정하게 되어 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 도 19a 내지 도 19c에 나타낸 바와 같이, 신호가 흑색으로부터 흰색으로 변화(에지)하도록 한 입력이 있었을 경우를 고찰한다.

도 19b에 나타낸 바와 같이, 기존 회로에서의 소비 전류는 63으로, 신호량에 따라 변화되고 있지만, 본 발명의 실시예에 따른 회로에서는 47이며, 다른 경우와 거의 동등한 소비 전류로 이루어지는 것을 알 수 있다.

도 20은, 화상의 일례로서, 어두운 방에 창이 있고, 창 밖은 밝고 흰색 레벨 부근에 있는 것 같은 장면에 가까운 화상예를 나타낸 도면이다.

이 때의 수직(V) 방향의 판독에서 카운터가 소비하는 전류는, 흰색이 많은 행에서는 전류가 증가하고, 흑색이 많은 행에서는 전류가 감소하므로, 전류 변동을 발생한다.

이에 대하여, 본 발명의 실시예에 따른 방식에서는, 지금까지 설명한 바와 같이, 전류가 거의 일정하게 유지되므로, 전류 변동은 발생하지 않는다.

이와 같이 모든 장면에서 본 발명의 실시예에 따른 카운터를 이용하면, 소비 전류를 일정하게 유지하는 것이 가능해지고, 지금까지 전류 변동을 IC의 외부 부착 커패시턴스에 의지하고 있었던 것을, 그러할 필요없이 특성을 개선할 수 있다.

특히, 모바일 등의 소형 기기의 탑재에 있어서, 본 실시예는 외부 커패시턴스 감소의 이점을 제공한다.

도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열병렬 ADC 탑재 고체 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)의 구성예를 나타낸 블록도이다.

도 21의 고체 촬상 소자(100A)에서는, 카운터 동작 기간 이외의 기간에 신호 처리 회로(180A)의 화상 신호 처리를 집중시키도록 구성되어 있다.

열 병렬 처리형의 이미지 센서는 1행마다 1회의 AD 변환을 행하고, 그 1회의 AD 변환에서 행마다 소비 전류가 변동되는 것을 제1 실시예에 의해 해결하는 것을 설명하였다.

본 제2 실시예에서는 또한 AD 변환 중의 전류 변동도 해결한다.

도 22는 본 제2 실시예의 특징을 설명하기 위한 도면이다.

도 22에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예에서는 모든 열에서 소비되는 카운터의 순간 소비 전류의 형태를 모든 장면에서 균일하게 할 수 있는 것은 분명하다. 이것은 1회의 AD 변환의 소비 전류를 일정하게 하는 것을 가능하게 하고 있다.

여기서, 카운터 자체는 1회의 AD 변환 중에 항상 동작하고 있는 것은 아니며, 도 22에 나타낸 수직 신호선 전위(Vsl)가 자리 잡을 때까지의 세틀링 기간(settling period)이 존재한다. 이 세틀링 기간에서는, 카운터의 순간 소비 전류가 제로로 된다.

제1 실시예에서는, 모든 열의 합계의 카운터 순간 전류의 파형을 제어하여, 어떠한 형태의 신호가 입력되어도 도면에 나타낸 일정한 순간 전류 파형으로 하는 것이 가능하다. 이것을 이용하여, 본 제2 실시예에서는, 도 22에 나타낸 바와 같이, 카운터의 순간 전류가 제로인 기간에, 신호 처리 회로(180A)의 처리 기간이 예 컨대 제어 신호(CLT2)에 의해 제어함으로써 집중된다. 그 결과, 1회의 AD 기간 내에 추가의 전류 평활화를 실현할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 광전 변환을 행하는 복수의 화소가 매트릭스형으로 배열된 화소부(110)와, 화소부(110)로부터 행 단위로 데이터의 판독을 행하는 화소 신호 판독 회로(ADC 그룹)(150)가 제공된다. ADC 그룹(화소 신호 판독 회로)(150)은, 화소의 열 배열에 대응하여 배치되고, 판독 신호 전위와 참조 전압을 비교 판정하고, 그 판정 신호를 출력하는 복수의 비교기(151)와, 비교기의 출력에 의해 동작이 제어되고, 대응하는 상기 비교기의 비교 시간을 카운트하는 복수의 카운터(152)를 포함한다. 판독 신호 전위(Vsl)와 참조 전압(Vslop)이 교차할 때에, 비교기(151)의 출력이 반전되어, 카운터(152)의 입력 클록을 정지하거나 또는 입력이 정지되고 있던 클록을 카운터(152)에 입력된다. 카운터(152)는 1열마다 또는 복수 열마다 동작 기간이 상이하다. 보다 구체적으로, 열마다 배치된 카운터(152)에서는, 비교기(151)의 출력이 반전될 때까지 동작하는 카운터와, 비교기(151)의 출력이 반전된 후에 동작하는 카운터가 제공되므로, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

즉, 이미지 센서가 소비하는 전류를 평활화할 수 있고, 전원 IC의 부하를 감소시킬 수 있다.

전류 평활화에 의해, 외부 부착 커패시턴스에 의한 전원 평활화가 필요 없게 되어, 외부 부착 부품의 소형화 또는 감소에 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 판독 회로는, 기존의 회로에 비하여, 회로 규모를 증가시키지 않고 전원 변동의 문제만을 해결하고 있고, 회로 규모와 소비 전류의 트레이드 오프는 발생하지 않는다.

또한, 밝기에 따라 변화시키는 이득(gain)에 의해 소비 전류가 변화되지 않기 때문에, 한 장의 화상 판독에 있어서의 전류 평활화 만이 아니고, 장면의 변화에 의한 전류 변동도 억제할 수 있다.

카운터의 순간 전류를 동작 기간에서 평활화할 수 있으므로, 전류 변동이 적게 되고, 아날로그 블록에의 노이즈 순환이 바뀌게 된다. 따라서, 판독 회로의 노이즈 특성(내구)을 향상시킬 수 있다.

AD 변환 기간 동안에 동작하는 카운터를 대략 절반으로 하고, 1회의 AD 변환에서의 카운터의 최대 소비 전류가 기존 회로의 절반으로 할 수 있어, 반복 동작에서의 회로의 부하를 감소시킬 수 있다.

이와 같은 효과를 가지는 고체 촬상 소자는, 디지털 카메라 또는 비디오 카메라의 촬상 디바이스로서 적용할 수 있다.

도 23은 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자가 적용되는 카메라 시스템의 구성의 일례를 나타낸 도면이다.

본 카메라 시스템(300)은, 도 23에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 고체 촬상 소자(100)가 적용 가능한 촬상 디바이스(310)와, 이 촬상 디바이스(310)의 화소 영역에 입사광을 안내하는(피사체를 결상하는) 광학계, 예컨대 입사광(화상 광)을 촬상면 상에 결상시키는 렌즈(320)와, 촬상 디바이스(310)를 구동하는 구동 회로(DRV)(330)와, 촬상 디바이스(310)의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회 로(PRC)(340)를 포함한다.

구동 회로(330)는 촬상 디바이스(310) 내의 회로를 구동하기 위한 스타트 펄스 또는 클록 펄스를 포함하는 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 생성기(도시하지 않음)를 포함하며, 소정의 타이밍 신호에 의해 촬상 디바이스(310)를 구동한다.

또한, 신호 처리 회로(340)는 촬상 디바이스(310)의 출력 신호에 대하여 CDS(Correlated Double Sampling; 상관 이중 샘플링) 등의 신호 처리를 행한다.

신호 처리 회로(340)에 의해 처리된 화상 신호는 예컨대 메모리 등의 기록 매체에 기록된다. 기록 매체에 기록된 화상 정보는 프린터 등에 의해 하드 카피로 프린트된다. 또한, 신호 처리 회로(340)에 의해 처리된 화상 신호는 액정 디스플레이 등으로 이루어지는 모니터에 동영상으로서 비추어진다.

전술한 바와 같이, 디지털 스틸 카메라 등의 촬상 장치에서, 촬상 디바이스(310)로서 고체 촬상 소자(100)를 탑재함으로써, 고정밀의 카메라가 실현될 수 있다.

당업자는 첨부된 청구범위의 기술 사상 또는 그 등가물 내에서 설계 조건 및 기타 요인에 따라 다양한 수정, 조합, 부분 조합 및 변경이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

도 1은 4개의 트랜지스터를 포함하는 CMOS 이미지 센서의 화소의 일례를 나타낸 도면이다.

도 2는 열병렬 ADC 탑재 고체 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)의 구성예를 나타낸 블록도이다.

도 3은 카운터의 동작 및 카운터가 소비하는 전류에 대하여 설명하기 위한 도면으로서, 촬상 대상이 어느 정도 밝은 장면에서의 상태를 나타낸 도면이다.

도 4는 카운터의 동작 및 카운터가 소비하는 전류에 대하여 설명하기 위한 도면으로서, 촬상 대상이 어두운 장면에서의 상태를 나타낸 도면이다.

도 5는 수직 방향으로 흰색, 흑색, 흰색, 흑색으로의 변화가 있는 상을 취했을 때의 카운터의 소비 전류를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열병렬 ADC 탑재 고체 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)의 구성예를 나타낸 블록도이다.

도 7은 본 실시예에 따른 카운터의 동작의 일례를 나타낸 도면이다.

도 8은 본 실시예에 따른 클록 전달 제어부의 구성예를 나타낸 도면이다.

도 9a 및 도 9b는 도 8의 게이트 블록의 구성예를 나타낸 도면이다.

도 10은 설정되는 데이터에 따라 전환되는 선 카운트(preceding count)와 후 카운트(subsequent count)를 처리하는 구성예를 나타낸 도면이다.

도 11은 인접한 동일한 색의 화소가 가까운 값을 갖기 때문에 2열마다 선 카운트와 후 카운트를 교대로 행하도록 한 구성예를 설명하기 위한 도면이다.

도 12는 어떤 적당한 신호 레벨(화소 신호)이 입력되었을 때의 카운터의 동작을 나타낸 도면이다.

도 13은 모든 컬럼에 포화 레벨, 즉 흰색 레벨의 신호가 입력되었을 때의 카운터의 동작을 나타낸 도면이다.

도 14는 모든 컬럼에 입력 신호가 대략 제로, 즉 흑색 레벨의 신호가 입력되었을 때의 카운터의 동작을 나타낸 도면이다.

도 15는 한 장의 이미지를 취득했을 때의 수평 방향과 수직 방향의 신호의 변환의 일례를 나타낸 도면이다.

도 16a, 도 16b 및 도 16c는 흰색 레벨의 신호가 열에 균일하게 입력되는 경우를 설명하기 위한 도면이다.

도 17a, 도 17b 및 도 17c는 흑색 레벨 부근의 1의 신호가 열에 균일하게 입력된 경우를 설명하기 위한 도면이다.

도 18a, 도 18b 및 도 18c는 일정한 신호는 아니고 수평 방향으로 변화하는 신호가 열에 입력되는 경우를 설명하기 위한 도면이다.

도 19a, 도 19b 및 도 19c는 신호가 흑색에서 흰색으로 변화(에지)하도록 한 입력이 있었을 경우를 설명하기 위한 도면이다.

도 20은 어떤 화상의 일례로서, 어두운 방에 창이 있으므로, 창 밖은 밝고 흰색 레벨 부근에 있는 것 같은 장면에 가까운 화상예를 나타낸 도면이다.

도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 관한 열병렬 ADC 탑재 고체 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)의 구성예를 나타낸 블록도이다.

도 22는 제2 실시예의 특징을 설명하기 위한 도면이다.

도 23은 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자가 적용되는 카메라 시스템의 구성의 일례를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 고체 촬상 소자

110 : 화소부

120 : 수직 주사 회로

130 : 수평 전송 주사 회로

140 : 타이밍 제어 회로

150 : ADC 그룹

151 : 비교지

152 : 카운터

153 : 래치

160 : DAC

170 : 증폭기 회로

180 : 신호 처리 회로

190 : 수평 전송선

200 : 클록 전달 제어부

210 : 게이트 블록부

300 : 카메라 시스템

310 : 촬상 디바이스

320 : 구동 회로

330 : 렌즈

340 : 신호 처리 회로

Claims (11)

1. 고체 촬상 소자에 있어서,

   광전 변환을 행하도록 구성된 복수의 화소가 매트릭스형으로 배열된 화소부; 및

   상기 화소부로부터 화소 단위로 화소 신호의 판독을 행하는 화소 신호 판독 회로

   를 포함하며,

   상기 화소 신호 판독 회로는, 화소의 열에 대응하여 배치되고, 판독 신호 전위와 참조 전압을 비교하여 판정 신호를 생성하도록 구성되며, 상기 판정 신호를 출력하는 복수의 비교기와, 상기 비교기의 출력에 의해 동작이 제어되고, 각각의 카운터가 상기 복수의 비교기 중 대응하는 비교기의 비교 시간을 카운트하도록 구성된 복수의 카운터를 포함하며,

   상기 복수의 카운터는 1열마다 또는 복수 열마다 상이한 동작 기간을 갖고,

   상기 비교기는, 상기 판독 신호 전위가 상기 참조 전압과 일치할 때에 출력 레벨을 반전시키며,

   열마다 배치된, 상이한 동작 기간을 갖는 상기 복수의 카운터는, 각각 상기 대응하는 비교기의 출력이 반전될 때까지 동작하도록 구성된 제1 카운터와, 각각 상기 대응하는 비교기의 출력이 반전된 후에 동작하도록 구성된 제2 카운터를 포함하는,

   고체 촬상 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 카운터와 상기 제2 카운터는, 색마다 교대로 배치되는, 고체 촬상 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 카운터와 상기 제2 카운터는, 인접한 동일한 색 계열(color series)의 복수의 화소열에 대응하도록 상기 화소열마다 교대로 배치되어 있는, 고체 촬상 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 카운터 및 상기 제2 카운터 중 한쪽은 업 카운트(up-count) 동작을 수행하고, 다른 쪽은 다운 카운트(down-count) 동작을 수행하는, 고체 촬상 소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 화소 신호 판독 회로는, 상기 제1 카운터 또는 상기 제2 카운터에의 클록의 전달을 제어하는 클록 전달 제어부를 포함하며,

   상기 제1 카운터의 클록이 전달될 때에는, 상기 클록 전달 제어부는 상기 비교기의 출력이 반전될 때까지 상기 클록을 전달하고, 상기 비교기의 출력의 반전에 응답하여 상기 클록의 전달을 정지하며,

   상기 제2 카운터의 클록이 전달될 때에는, 상기 클록 전달 제어부는 상기 비교기의 출력이 반전될 때까지 상기 클록의 전달을 정지하고, 상기 비교기의 출력의 반전에 응답하여 상기 클록을 전달하는,

   고체 촬상 소자.
6. 제4항에 있어서,

   상기 화소 신호 판독 회로는, 상기 제1 카운터 또는 상기 제2 카운터에의 클록의 전달을 제어하는 클록 전달 제어부를 포함하며,

   상기 제1 카운터의 클록이 전달될 때에는, 상기 클록 전달 제어부는 상기 비교기의 출력이 반전될 때까지 상기 클록을 전달하고, 상기 비교기의 출력의 반전에 응답하여 상기 클록의 전달을 정지하고,

   상기 제2 카운터의 클록이 전달될 때에는, 상기 클록 전달 제어부는 상기 비교기의 출력이 반전될 때까지 상기 클록의 전달을 정지하고, 상기 비교기의 출력의 반전에 응답하여 상기 클록을 전달하는,

   고체 촬상 소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 화소 신호 판독 회로에 의해 판독된 신호에 대하여 화상 처리를 행하는 신호 처리부를 더 포함하며,

   상기 신호 처리부는, 상기 카운터의 동작 기간 이외의 기간에 화상 신호 처리를 집중하여 행하는,

   고체 촬상 소자.
8. 카메라 시스템에 있어서,

   고체 촬상 소자; 및

   상기 촬상 소자에 피사체의 상을 결상하는 광학계

   를 포함하며,

   상기 고체 촬상 소자는, 광전 변환을 행하도록 구성된 복수의 화소가 매트릭스형으로 배열된 화소부와, 상기 화소부로부터 화소 단위로 화소 신호의 판독을 행하는 화소 신호 판독 회로를 포함하며,

   상기 화소 신호 판독 회로는, 화소의 열에 대응하여 배치되고, 판독 신호 전위와 참조 전압을 비교하여 판정 신호를 생성하도록 구성되며, 상기 판정 신호를 출력하는 복수의 비교기와, 상기 비교기의 출력에 의해 동작이 제어되고, 각각의 카운터가 상기 복수의 비교기 중 대응하는 비교기의 비교 시간을 카운트하도록 구성된 복수의 카운터를 포함하며,

   상기 복수의 카운터는 1열마다 또는 복수 열마다 상이한 동작 기간을 갖고,

   상기 비교기는, 상기 판독 신호 전위가 상기 참조 전압과 일치할 때에 출력 레벨을 반전시키며,

   열마다 배치된, 상이한 동작 기간을 갖는 상기 복수의 카운터는, 각각 상기 대응하는 비교기의 출력이 반전될 때까지 동작하도록 구성된 제1 카운터와, 각각 상기 대응하는 비교기의 출력이 반전된 후에 동작하도록 구성된 제2 카운터를 포함하는,

   카메라 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 화소 신호 판독 회로에 의해 판독된 신호에 대하여 화상 처리를 행하는 신호 처리부를 더 포함하며,

   상기 신호 처리부는, 상기 카운터의 동작 기간 이외의 기간에 화상 신호 처리를 집중하여 행하는,

   카메라 시스템.
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