JP6348992B2 - Ｔｄｉラインイメージセンサ - Google Patents
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Description
本発明はＴＤＩラインイメージセンサーに関するもので、より詳細にはＣＣＤ素子を通じてＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）方式で電荷を蓄積するように画素部を構成し、出力部はＣＣＤで蓄積された各コラムの電荷をＡＤ変換してメモリーバッファーに保存した後、順次出力するように構成することによってＣＣＤ素子とＣＭＯＳ素子の特性による解像度と転送速度を向上させるだけでなく、消費電力とノイズを低減させることができるようにしたＴＤＩラインイメージセンサーに関するものである。
最近、生産設備が大量化、自動化および精密化されるにつれて、人の肉眼または各種センサーに依存していた機能が次第にイメージセンサーを採用するビジョンマシン（ｖｉｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ）に代替されている傾向にある。このようなイメージセンサーに主に使用されている半導体素子が電荷結合素子（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ；ＣＣＤ）である。
ＣＣＤは一つの素子から隣接した他の素子に電荷を転送できる素子を意味する。このようなＣＣＤを採用したセンサーは光量による各セル（ｃｅｌｌ）内の自由電荷量の変化を電気的信号に変換する構造を有する。
構造的に、ＣＣＤは大きく、実際の光量によって電荷が蓄積されるセル領域および蓄積された電荷を順に転送する通路の役割をするシフトレジスター（ｓｈｉｆｔ ｒｅｇｉｓｔｅｒ）で構成される出力部を含む。
ＣＣＤは各セルがどのようなアレイ（ａｒｒａｙ）に配置されて映像を生成するかによって、領域スキャン（ａｒｅａ ｓｃａｎ）方式、ラインスキャン（ｌｉｎｅ ｓｃａｎ）方式、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）ラインスキャン方式などに分かれる。
ラインスキャン方式のイメージセンサ（以下「ラインセンサ」という）は、画像光を受光するピクセルがライン上に配列された１次元センサーである。２次元に広げられた画像を撮像する場合には、ラインセンサまたは被写体を移動させて被写体を一ラインずつ順に撮像する。
すなわち、ラインスキャン方式は一度に一ラインずつ任意の速度で露出および転送する方式であり、領域スキャン方式に比べて低費用で高速および高分解能映像を得ることができるという長所を有する。例えば、２０４８＊２０４８のフレームを得るために、領域スキャン方式は４Ｍのピクセル（ｐｉｘｅｌ）数を必要とするのに反して、ラインスキャン方式は２Ｋのピクセルさえあれば２０４８＊２０４８だけでなく２０４８＊１０００などの多様な大きさのフレームを得ることができる。
しかし、高速で移動する被写体を撮影する場合や、ラインセンサーを高速に移動させて被写体を撮影するときのように、高速スキャンを遂行する場合、各ラインごとに高速で電荷の蓄積と転送を繰り返すことになるため、一ライン当たりに電荷を蓄積できる時間が短くなって画像の光量が不足する。このように、光量に対する要求が増加しても、照明装置の限界のために光量を無制限に増加させることができない。
したがって、ＰＰＤ（ｐｉｎｎｅｄ−ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ＣＭＯＳセンサなどの材料を改善して感度を高める研究が進められている一方、複数のラインセンサーを並べて光量を累積させて感度を高める方法も提案されている。
ＴＤＩラインスキャン方式のイメージセンサ（以下、「ＴＤＩラインイメージセンサ」という）は、ラインセンサーがスキャン方向に複数段配列されたもので、各ラインのＣＣＤで蓄積された電荷を画像の移動と同期させて次のラインのＣＣＤに転送する。このような過程を最後のラインセンサーまで繰り返して電荷を重ねた後出力することによって、結果的に高速スキャンにおいても光量を十分に満足する画像を得ることができる。
本発明の背景技術は、大韓民国公開特許公報第２００９−００２３５７３号（２００９．０３．０５．公開、発明の名称：ＴＤＩ−ＣＣＤイメージセンサーを制御するための方法）に開示されている。
このようなＴＤＩラインイメージセンサーの場合、各ラインのＣＣＤで蓄積された電荷を隣接した次のラインのＣＣＤに並行移動により最後のラインまで移動させて蓄積した後、最後のラインに蓄積された電荷を垂直移動させて信号処理部に出力することによって、ライン単位で各セルに対して順次データを処理することができるようにする。
前記において、ＣＣＤに蓄積された電荷を隣接したラインに並行移動させる時は画像の移動と同期して並列に移動されるが、蓄積された電荷を信号処理部に出力するために垂直移動させる時は停止した状態で一つずつ直列移動させて転送するため、垂直移動時に多くの時間が要されるという問題点がある。
特に、ＴＤＩラインイメージセンサーの場合、スキャン方向に並列に配列されたラインの数よりは高い解像度のために、各ラインに沿って一列配列されたＣＣＤの数が相対的に多いため、ＴＤＩラインイメージセンサーを通じてイメージをスキャンするために要される多くの時間が蓄積された電荷を垂直移動させて出力することに起因する問題点がある。
本発明は前記のような問題点を改善するために創出されたもので、本発明の目的はＣＣＤ素子を通じてＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）方式で電荷を蓄積するように画素部を構成し、出力部はＣＣＤで蓄積された各コラムの電荷をＡＤ変換してメモリーバッファーに保存した後順次出力するように構成することによって、ＣＣＤ素子とＣＭＯＳ素子の特性による解像度と転送速度を向上させるだけでなく、消費電力とノイズを低減させることができるようにしたＴＤＩラインイメージセンサーを提供することである。
本発明の一側面に係るＴＤＩラインイメージセンサーは、Ｍ個のＣＣＤが一列配列されたラインセンサーと、スキャン方向に並列にＮ個のラインセンサーが配列されてラインセンサーのコラム別に蓄積された電荷を並行方向に移動させて蓄積する画素部；および画素部に蓄積された電荷をコラム別に並列入力を受けてＡＤ変換して保存した後順次出力する出力部を含むことを特徴とする。
本発明において出力部は、画素部に蓄積された電荷をコラム別に電荷保存ノードに並列入力を受けてそれぞれ増幅するためのＭ個の増幅器；増幅器から出力される各信号をＡＤ変換するＭ個のＡＤ変換器；およびＡＤ変換器の出力を保存して順次出力するメモリーバッファー；を含むことを特徴とする。
本発明において増幅器は、ソースフォロワ増幅器であることを特徴とする。
本発明に係るＴＤＩラインイメージセンサーは、ＣＣＤ素子を通じてＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）方式で電荷を蓄積するように画素部を構成し、出力部はＣＣＤで蓄積された各コラムの電荷をＡＤ変換してメモリーバッファーに保存した後順次出力するように構成することによって、ＣＣＤ素子とＣＭＯＳ素子の特性による解像度と転送速度を向上させるだけでなく消費電力とノイズを低減させることができる。
以下、添付図面を参照して本発明の一実施例に係るＴＤＩラインイメージセンサーを説明する。この説明過程で図面に示された線の太さや構成要素の大きさなどは説明の明瞭性と便宜上誇張して示されることもある。
また、後述の用語は本発明での機能を考慮して使用された用語であって、これは使用者、運用者の意図または慣例により変更され得る。したがって、このような用語に対する定義は本明細書の全般にわたる内容に基づいて定められるべきである。
図１は本発明の一実施例に係るＴＤＩラインイメージセンサーを示したブロック構成図で、図２は本発明の一実施例に係るＴＤＩラインイメージセンサーの画素部の構造を示した図であり、図３は本発明の一実施例に係るＴＤＩラインイメージセンサーで電荷の移動を説明するための図である。
図１と図２に図示された通り、本発明の一実施例に係るＴＤＩラインイメージセンサーは画素部１０および出力部２０を含む。
画素部１０はＭ個のＣＣＤ１４が一列配列されたラインセンサ１２と、スキャン方向に水平にＮ個のラインセンサ１２が配列されて、ＴＤＩ方式でラインセンサ１２＿１〜１２＿Ｎのコラム別に蓄積された電荷を水平方向に移動させて蓄積する。
すなわち、図３に図示された通り、各ＣＣＤ１４のＶ１、Ｖ２、Ｖ３電圧を順に制御することによって、ＣＣＤ１４に蓄積された電荷が隣接したＣＣＤ１４に移動され、これによって電荷保存ノード（ＦＤ）に重ねて出力される。
画素部１０の構成は一般的なＴＤＩラインイメージセンサーの画素部の構成と対応すれるため、本実施例ではその具体的な構成に対する説明は省略する。
出力部２０は画素部１０に蓄積された電荷をコラム別に並列入力を受けてＡＤ変換して保存した後順次出力するように、増幅器２２、ＡＤ変換器２４およびメモリーバッファー２６を含む。
増幅器２２は画素部１０で蓄積された電荷をコラム別に電荷保存ノード（ＦＤ）に並列入力を受けてそれぞれ増幅するために、一つのラインセンサ１２に配列されたＣＣＤ１４の個数に対応するようにＭ個を具備する。
この時、増幅器２２は画素部１０の最後のラインセンサ１２＿Ｎから電荷が移動して蓄積された電荷保存ノード（ＦＤ）の電位によりターンオンされて電圧値を出力するソースフォロワ増幅器で構成することができる。
ＡＤ変換器２４はＭ個の増幅器２２から出力される各信号をＡＤ変換する。
メモリーバッファー２６はＭ個のＡＤ変換器２４でデジタル信号に変換された画像信号を保存した後順次出力して信号処理部（図示されず）でライン別に画像信号を処理することができるようにする。
このように構成されたＴＤＩラインイメージセンサーをスキャンして撮影すると、ＴＤＩ方式で画素部１０の各ラインセンサ１２のＣＣＤ１４に蓄積された電荷はスキャンと同期して隣接したラインセンサ１２にコラム別に移動されて出力部２０の電荷保存ノード（ＦＤ）に出力される。
電荷保存ノード（ＦＤ）に蓄積された電荷は増幅器２２を通じて増幅された後、ＡＤ変換されて信号（Ｓｉｇｎａｌ）として出力される。以後、リセットゲート（ＲＧ）を通じて電荷保存ノード（ＦＤ）をリセットレイン（ＲＤ）に連結された電圧（ＶＤＤ）にリセット（Ｒｅｓｅｔ）させて次のラインセンサ１２の電荷の入力を受けることができるようにする。
このように画素部１０をＣＣＤ素子によるＴＤＩ方式で構成することによって光量を十分に満足する高分解能の映像を得ることができる。
また、出力部２０の電荷保存ノード（ＦＤ）に保存された電荷はＣＣＤ素子を通じて移動させるのではなく、増幅器２２を通じて増幅した後ＡＤ変換器２４でデジタル信号に変換してメモリーバッファー２６に保存した後出力することによって、ＣＭＯＳ素子によって集積度を向上させることができるだけでなく、少ない電力で転送速度を向上させることができる。
上述した通り、本発明の実施例によるＴＤＩラインイメージセンサーによれば、ＣＣＤ素子を通じてＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）方式で電荷を蓄積するように画素部を構成し、出力部はＣＣＤで蓄積された各コラムの電荷をＡＤ変換してメモリーバッファーに保存した後順次出力するように構成することによって、ＣＣＤ素子とＣＭＯＳ素子の特性による解像度と転送速度を向上させるだけでなく消費電力とノイズを低減させることができる。
本発明は図面に示された実施例を参照して説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術が属する分野で通常の知識を有した者であればこれから多様な変形および均等な他の実施例を実施可能であることが理解できるであろう。
したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によって定められるべきである。
Claims (1)
- Ｍ個のＣＣＤが一列配列されたラインセンサーと、スキャン方向に並列にＮ個の前記ラインセンサーが配列されて、前記ラインセンサーのコラム別に蓄積された電荷を並行方向に移動させて蓄積する画素部；および
前記画素部に蓄積された前記電荷をコラム別に並列入力を受けてＡＤ変換して保存した後順次出力する出力部を含み、
前記出力部は、
前記画素部に蓄積された前記電荷をコラム別に電荷保存ノードに並列入力を受けてそれぞれ増幅するためのＭ個の増幅器；
前記増幅器から出力される各信号をＡＤ変換するＭ個のＡＤ変換器；および
前記ＡＤ変換器の出力を保存して順次出力するメモリーバッファー；を含み、
前記増幅器は、前記画素部のＮ個の前記ラインセンサーのうち最後のラインセンサーから電荷が移動して蓄積された電荷保存ノードの電位によりターンオンされて電圧値を出力するソースフォロワ増幅器であることを特徴とする、ＴＤＩラインイメージセンサ。
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