Recently, as the increasing demand for an Advanced Driver Assistance Sys-tems (ADAS), the high performance CMOS image sensor (CIS) is required for auto-motive camera systems. Among a variety of performances in a CIS technology, wide dynamic range (WDR) is a key figure of merit, which is ability to properly capture both high lights and dark lights in a scene. In order to improve this performance considerably more than the dynamic range of a standard camera as 60 dB, various approaches have been reported using additional circuitry, a post-processing and the modification of the control signal.
The linear-logarithmic APS is attractive candidate for the WDR CMOS image sensor, because this pixel has a good compatibility with conventional 4T pixel struc-ture having high dynamic range over 120 dB. But, this scheme has a critical fixed pat-tern noise (FPN), which is caused by the threshold voltage variation of the transfer gate. For reducing the FPN, a two-step charge transfer APS was proposed using the partial charge transfer operation. To commercialize this technology for the automo-tive market, a tunable response depending on the light intensity and a temperature stability are necessary to be studied.
In this thesis, the main objective is implementation of the temperature de-pendent FPN correction for the two-step charge transfer APS with the tunable re-sponse. Based on the theoretical analysis of the device physics as well as an empiri-cal study, the simple but effective FPN correction is verified with varying the transfer gate (TG) bias voltage. The linear range is tuned by 65 % of the full output range with a reduced FPN impact. Furthermore, simple image processing algorithm for gain FPN correction is improved to be considered with a temperature dependence effect.
In order to verify the proposed method, the prototype CIS chip with a 320 x 240 pixel array was fabricated by using a Samsung 0.13 μm CMOS process. The over-flow barrier of the TG transistor is changed according to the controlled gate voltage and the threshold voltage with a temperature variation. For reason of their same mechanism of action, the optimal voltage for low FPN is applied in both cases. As using the modeling of the values related to the temperature dependence, the FPN is considerably improved compared to the conventional works. The measurement re-sults indicate that the offset FPN is not only reduced by 93.6%, but the gain FPN is also reduced by 86.6% with varying temperature.
Consequently, these results show that the proposed CIS system are appro-priate to a variety of automotive applications, which need a controllability and a temperature stability.
최근 차량용 카메라에 있어, 능동형 안전 시스템이 대두됨에 따라 고성능의 CMOS 이미지 센서 (CIS)가 요구되고 있다. 다양한 CIS 기술 중에서도 넓은 동작 영역은 매우 중요한 성능 지표이며, 이는 하나의 장면에서 밝은 빛과 어두운 빛을 동시에 획득할 수 있는 능력을 의미한다. 일반적인 카메라가 갖는 동작 영역은 60 dB로서 이보다 더 좋은 성능을 구현하기 위해 다양한 연구들이 진행된 바 있다. 대표적으로는 추가적인 보정 회로를 이용하거나 이미지 프로세싱을 사용하거나 픽셀의 구동 신호를 조정하는 방법 등이 있다.
그 중에서도 선형-로그 능동형 픽셀은 WDR CMOS 이미지 센서에 매우 적합한 후보이며, 이러한 픽셀 구조는 일반적으로 통용되는 4 트랜지스터 픽셀과의 호환성이 매우 뛰어나며, 120 dB 이상의 넓은 DR을 비교적 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이러한 방법을 사용했을 시, transfer gate의 문턱 전압 산포로 인해 발생하는 고정 패턴 잡음이 발생한다는 문제가 있다. 이러한 잡음을 제거하기 위하여, 부분적인 신호 전송 방법을 응용한 two-step charge transfer APS가 연구된 바 있다. 이 기술을 차량용 카메라에 상용화 시키기 위해서는 빛의 세기의 차이나 온도 변화에 따라 적절히 동작이 조절되는 방법이 연구될 필요가 있다.
본 논문에서는 응답 조절이 가능한 two-step charge transfer APS의 온도 영향에 따른 고정 패턴 잡음을 제거하는 방법의 구현을 목표로 한다. 실험적인 연구뿐만 아니라, 소자 물성의 이론적 분석을 바탕으로 간단하면서도 효과적으로 고정 패턴 잡음을 제거할 수 있는 방법을 제안하였다. 전체 영역 대비, 65 %의 선형 영역을 조절할 수 있었으며, 고정 패턴 잡음의 영향이 효과적으로 개선되었다. 게다가, 온도 영향에 따른 gain FPN을 간단한 이미지 프로세싱 알고리즘을 적용하여 상당 부분 개선시킨 것을 확인하였다.
이 방법을 검증하기 위하여 320 X 240의 픽셀 array를 갖는 prototype CIS chip을 Samsung 0.13 μm CMOS 공정을 사용하여 제작하였다. transfer gate의 over-flow barrier는 외부에서 인가하는 gate 전압과 온도 영향에 따른 문턱 전압의 변화에 의해 크기가 달라지게 되므로, 응답 조절이 변화하는 상황에서의 최적화된 전압 값을 온도 변화에 의한 고정 패턴 잡음 보정에서도 마찬가지로 적용할 수 있었다. 온도 변화에 따른 출력 값의 선형 모델링을 통하여, 기존 방법 대비 고정 패턴 잡음이 효과적으로 개선된 것을 검증하였다. 실험 결과를 보면, 온도가 변화하는 상황에서 offset 고정 패턴 잡음이 93.6 % 감소하였고, gain 고정 패턴 잡음이 86.6 % 감소하였다.
결론적으로, 이러한 결과를 미루어 볼 때 제안된 CIS 시스템은 온도 안정성과 빛의 세기에 따른 출력 조절이 필요한 차량용 카메라 분야에 매우 적합할 것으로 기대된다.
