KR0178730B1 - 고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치 - Google Patents

고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치 Download PDF

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KR0178730B1 KR1019950006925A KR19950006925A KR0178730B1 KR 0178730 B1 KR0178730 B1 KR 0178730B1 KR 1019950006925 A KR1019950006925 A KR 1019950006925A KR 19950006925 A KR19950006925 A KR 19950006925A KR 0178730 B1 KR0178730 B1 KR 0178730B1
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Abstract

본 발명은 고체촬상소자 노이즈 감쇠장치에 관한 것으로, 샘플링시 불필요하게 발생하는 노이즈성분을 복수개의 구동펄스를 이용하여 주파수체배하여 주파수영역상에서 샘플링노이즈성분을 영상신호대역으로부터 천이한다. 이에 따라 LPF을 이용하여 영상신호에 혼입된 샘플링노이즈가 신호대역과 인접한 경우에도 원활하게 필터링할 수 있게 되여 궁극적으로 S/N비의 향상을 기할 수 있는 효과가 있다.

Description

고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치
제1도는 종래의 고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치의 구성도.
제2도의 (a)~(g)는 제1도의 각부 입출력파형도.
제3도는 종래의 고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치의 구성도.
제4도의 (a)~(d)는 제3도의 각부 입출력파형도.
제5도는 본 발명의 고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치의 구성도.
제6도의 (a)~(e)는 제5도의 각부 입출력파형도.
제7도는 MOSFET의 등가회로도로서,
(a)는 MOSFET가 개방상태인 경우.
(b)는 MOSFET가 단락상태인 경우.
제8도 (a)는 제1구동펄스에 따른 콘덴서의 전압파형도.
제8도 (b)는 제1 및 제2구동펄스에 따른 콘덴서의 전압파형도.
제9도는 콘덴서의 전압파형도와 그에 따른 주파수스펙트럼으로,
(a)는 제1구동펄스에 한정하는 경우.
(b)는 제2구동펄스에 한정하는 경우.
(c)는 제1 및 제2구동펄스에 의한 경우이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11,13,15,21,23,31,33 : 버퍼 12,14,16,24,34 : 샘플홀드부
17,35 : 차동증폭기 22,32 : 딜레이라인부
36 : 기준전압발생부
본 발명은 카메라의 렌즈에 맺어진 광학상을 광전변환하는 고체촬상소자(Charge Coupled Device; 이하, CCD라 약칭한다.)에 관한 것으로, 특히 복수개의 구동펄스를 이용하여 샘플링노이즈성분을 영상신호로부터 천이시켜 영상신호와 샘플링노이즈의 분리도를 뚜렷이 함과 아울러 S/N비(신호대잡음비)를 향상시킬 수 있도록 한 고체촬상소자 노이즈 감쇠장치에 관한 것이다.
일반적으로 방송용 카메라나 가정용 비디오카메라와 같은 영상신호처리시스템에서는 피사체의 광학상을 전기적신호로 변환하기 위한 광전변환수단으로 비디콘과 같은 촬상관이 사용된다. 그런데, 촬상관은 카메라의 소형화, 저소비전력화, 긴수명 및 저가격화 추세에 반하는 기기특성에 따라 그 사용범위가 줄어들고 있다. 대신에, 감광(感光)과 자기주사(自己走査)기능을 갖는 CCD가 널리 사용되고 있는 실정이다. 이 CCD는 동작특성상 전하의 전송 및 검출과정에서 리셋펄스(Reset pulse)에 의한 리셋노이즈(Reset noise)가 영상신호에 혼입되므로 이 리셋노이즈를 제거해야 양호한 영상신호를 얻을 수 있다.
제1도는 종래의 고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치의 구성도이며, 제2도는 제1도의 각부 입출력파형도이다. 도시한 바와 같이, CCD에서 광전변환된 영상신호는 리셋노이즈를 포함한다. 먼저, 영상신호(A)는 버퍼(11)(15)를 통해 제1샘플홀드부(12)에 인가된다. 제1샘플홀드부(12)는 리셋노이즈를 샘플링할 수 있도록 외부로부터 공급되는 구동펄스(F)에 따라 영상신호(A)에 대한 샘플링동작을 수행한다. 즉, 하이상태의 구동펄스(F)가 스위치(S1)에 인가되면 온상태로 스위칭되여 스위치(S1)가 단락된다. 이에 따라 버퍼(11)에서 출력되는 영상신호에 부가된 리셋노이즈신호(B)가 샘플링되며 콘덴서(C1)의 전압은 리셋노이즈신호(B)에 따라 변화한다. 이후, 구동펄스가 로우상태로 바뀌면 스위치(S1)가 개방되며 다음 하이상태의 구동펄스가 인가될 때 까지 홀드(hold)한다. 이러한 제1샘플링홀드부(12)가 행하는 샘플링동작은 버퍼(13)(15)의 후단에 접속된 제2 및 제3샘플링홀드부(14)(16)가 수행하는 샘플링동작과 기능상 동일하다. 제1샘플홀드부(12)에서 샘플링된 리셋노이즈신호(B)는 버퍼(13)를 거쳐 제2샘플홀드부(12)에서 샘플링된 리셋노이즈신호(B)는 버퍼(13)를 거쳐 제2샘플홀드부(14)에 의해 재차 샘플홀드되며 샘플링된 리셋노이즈신호(C)는 후단의 차동증폭기(17)의 양의 단자에 인가된다. 한편, 입력단의 영상신호(A)를 버퍼(15)를 통해 인가받는 제3샘플홀드부(16)는 외부의 구형펄스(G)에 따라 샘플링동작을 수행한 후 샘플링한 영상신호(D)를 차동증폭기(17)의 음의 단자에 인가한다. 차동증폭기(17)는 샘플링된 리셋노이즈신호(C)와 영상신호(D)의 차에 비례하여 증폭함으로써 리셋노이즈성분이 제거된 영상신호(E)를 얻는다.
이와 같은 종래의 고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치는 전술한 바와 같이, 리셋노이즈의 상관성을 이용하는 것으로 통상 상관이중샘플링(Correlated Double Sampling; CDS)으로 지칭한다.
이 CDS방식은 시스템의 구동주파수가 높을 경우에는 불안정한 동작특성을 나타내고, 이에 따라 리셋노이즈성분의 제거가 충실하게 이루어지지 않게 되어 궁극적으로 S/N비의 저하를 초래하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결코자 제안된 것이 RDS(Reflection delayed noise suppression method)방식으로 전형적인 예를도시하면 제3도와 같다.
제3도는 종래의 고체촬상소자 노이즈 제거장치의 구성도이며, 제4도는 제3도의 각부 입출력파형도이다. 설명의 편의상 CCD에 의해 광전변환된 영상신호(A1)는 종래의 CDS방식에서 취급한 영상신호(A)와 내용상 동일한 것으로 가정한다.
먼저, 리셋펄스에 의해 리셋노이즈가 혼입된 영상신호(A1)는 버퍼(21)에 인가된다. 버퍼(21)에서 출력하는 영상신호(A1)는 출력단에 접속된 저항(R1)을 거쳐 딜레이라인부(Delay line; 22)에 인가된다. 딜레이라인부(22)는 인가된 영상신호(A1)를 기준레벨을 기준으로 반전시킴과 아울러 소정시간(2τ; τ는 단위지연시간) 지연시켜 제4도의 (b)와 같은 반전지연신호(C1)를 만들며, 입력측의 영상신호(A1)와 그것의 반전지연신호(C1)를 합하여 믹싱신호(D1)를 반든다. 한편, 딜레이라인부(22)에서 출력하는 믹싱신호(D1)는 출력측 버퍼(23)를 거쳐 샘플홀드부(24)에 인가된다. 샘플홀드부(24)는 외부의 구동펄스(B1)에 의해 스위칭되는 스위치(S4)가 단락되면 믹싱신호(D1)를 샘플링한다. 구동펄스(P1)는 믹싱신호(D1)에 부가된 순수한 영상신호(D3)가 위치하는 구간내에서 하이상태를 갖도록 설계한다. 콘덴서(C4)의 전압은 스위치(S4)에 의해 샘플링된 값에 따라 변화하며 스위치가(S4)가 개방되면 콘덴서(C4)의 출력전압은 개방직전의 전압을 홀드한다.
샘플홀드부(24)가 출력하는 영상신호(D2)는 구동펄스(B1)에 의해 샘플링되는 값으로 공지된 클램핑회로(도시하지 않음.)를 이용하여 직류분을 제거한 다음 LPF(저역통과필터)를 이용하여 샘플링노이즈를 제거함으로써 유용한 영상신호를 얻는다.
이와 같이 RDS방식에 따른 종래의 고체촬상소자용 노이즈제거장치는 CDS방식에 비해 구성회로가 간단하여 S/N비(신호대 잡음의 비)의 향상을 기할 수 있으며, 단수의딜레이라인부(22) 및 샘플홀드부(24)를 사용하므로 제작비용을 줄일 수 있는 장점을 갖는다. 또, 종래의 RDS방식은 현행 NTSC방식에서와 같이 5-6MHz의 신호대역을 갖는 영상신호를 취급할 경우에는 상술한 바와 같이 LPF에 의해 샘플링노이즈를 제거하는 과정이 양호하게 이루어진다.
그러나, 고화질TV(HDTV)와 같이 디지털영상을 취급하는 영상신호처리시스템에서는영상신호의 신호대역이 약 30MHz이어서 NTSC방식의 신호대역에 비하여 상당히 넓은 대역을 차지한다. 이에 따라 영상신호를 샘플링하기 위한 샘플링주파수가 신호대역과 차이가 크지 않은 경우에는 LPF의 필터특성이 정밀해야 샘플링노이즈를 완전하게 제거할 수 있다. 구체적인 예로 공간화소이동방법을 이용하여 약 130만 화소를 사용하는 경우 샘플링주파수는 약 48.6MHz이므로 영상신호의 신호대역인 30MHz와 가깝다. 이에 따라 샘플링노이즈는 신호대역과 인접하여 존재하게 되므로 이를 확실히 제거하기 위해서는 LPF의 필터특성이 우수해야 한다. 그러나, LPF의 필터특성을 정밀화하기 위해서는 동작특성이 우수한 고가의 부품소자를 사용함으로 인해 제작비용이 증가하며, 필터특성을 높이는 데에는 한계가 있다. LPF의 필터특성이 불량하면 샘플링노이즈의 제거동작이 충실하게 이루어지지 않게 되며 궁극적으로 S/N비의 저하를 초래하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 위상차를 갖는 복수개의 구동펄스를 이용하여 영상신호를 샘플홀드함으로써 영상신호대역으로부터 샘플링노이즈성분 주파수를 천이할 수 있도록 한 고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 광전변환된 영상신호를 지연시키기 위한 딜레이라인부를 구비하고, 신호처리과정에서 혼입된 노이즈를 제거하는 고체촬상소자 노이즈 감쇠장치에 있어서, 소정 직류기준전압을 출력하는 기준전압발생부와, 상기 딜레이라인부의 후단에 접속되며, 외부로부터 인가되는 제1 및 제2구동펄스에 의해 영상신호와 직류기준전압을 각각 홀드하는 샘플홀드부와, 상기 샘플홀드부의 출력단에 접속되며, 일단을 통해 샘플홀드부로부터 공급되는 출력신호를 입력받음과 동시에 타단을 통해 상기 기준전압발생부로부터 직류기준전압을 입력받아 차동증폭하는 차동증폭기에 의하여 달성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제5도는 본 발명의 고체촬상소자용 노이즈 감쇠장치의 구성도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명은 복수개의 구동펄스를 인가받는 샘플홀드부(34)를 구비한다. 먼저, CCD에서 광전변환된 영상신호는 종래의 RDS방식에서와 같이 버퍼(31)와 딜레이라인부(32) 및 버퍼(33)를 차례로 거치며, 이에 대한 증복설명은 생략한다. 본 발명의 특징사항인 샘플홀드부(34)가 행하는 처리동작을 중심으로 설명하기로 한다.
상기 샘플홀드부(34)는 외부의 제1구동펄스(P11)에 의해 스위칭되는 제1스위치(S11)와 그 출력측에 일측이 접속되고 타측이 접지된 콘덴서(C11) 및 제1스위치(S11)와 콘덴서(C11) 사이에 접속되는 제2스위치(S12)로 이루어진다. 상기 제2스위치(S12)는 외부의 제2구동펄스(P12)에 의해 스위칭되며, 입력측의 기준전압발생부(36)로부터 소정 직류기준전압을 공급받는다. 이 직류전압은 차동증폭기(35)의 음의 단자에 공급되기도 한다. 상기 제1구동펄스(P11)와 제2구동펄스(P12)는 180도의 위상차를 갖는데 설계시 위상차를 조정할 수 있다. 상기 콘덴서(C11)는 제1 및 제2스위치(S11)(S12)가 샘플링한 값을 홀드한다.
이와 같은 샘플홀드부(24)에 의한 샘플링동작을 구체적으로 설명하기 위해 제6도(a)에 도시한 램프신호가 제1스위치(S11)에 인가될 경우를 가정하여 설명한다.
제6도(d)와 같은 제1구동펄스(P11)가 하이상태로 제1스위치(S11)에 인가되면 제1스위치(S11)는 온상태로 스위칭되며 이때 콘덴서(C11)의 전압은 램프신호의 전압값에 따라 변화한다. 이후 로우상태의 제1구도펄스(P11)에 의해 제1스위치(S11)가 오프상태로 스위칭되면 콘덴서(C11)는 오프되기 직전의 전압값을 홀드하며, 이러한 콘덴서(C11)의 전압상태를 도시하면 제6도(b)와 같다. 이는 종래의 RDS방식에서의 전압상태와 동일하다. 그런데, 샘플홀드부(34)는 제2스위치(S12)가 행하는 샘플링동작을 고려해야 한다. 다시 말해, 제6도(e)와 같은 제2구동펄스(P12)가 하이상태로 제2스위치(S12)에 인가되면 제2스위치(S12)는 온상태로 스위칭된다. 이때, 제1구동펄스(P11)와 제2구동펄스(P12)는 180도의 위상차를 가지므로 제1스위치(S11)는 오프상태이며 콘덴서(C11)의 전압은제2스위치(S12)로부터 공급되는 직류기준전압으로 세트(set)된다. 가령, 콘덴서(C11)가 홀드하고 있는 전압값이 직류기준전압보다 클 경우에는 방전함에 따라 종국에는 콘덴서(C11)의 전압이 직류기준전압에 도달하며, 콘덴서(C11)가 홀드하고 있는 전압값이 직류기준전압보다 작을 경우에는 충전상태가 됨에 따라 종국에는 콘덴서(C11)의 전압은 직류기준전압에 도달한다. 이를 도시하면 제6도(c)와 같다. 이와 같은 제1 및 제2스위치(S11)(S12)의 샘플링동작에 따른 콘덴서(C11)의 전압은 제6도(c)에 나타낸 것과 같이 기준전압을 기준으로 영상신호의 변위값이 부가된 파형을 얻을 수 있다. 콘덴서(C11)의 출력단에 접속된 차동증폭기(35)는 직류성분의 오프셋(off set)을 제거하기 위해 양의 단자를 통해 인가받은 콘덴서(C11)의 전압에서 음의 단자를 통해 인가받은 직류기준전압만큼을 감하여 영상신호만을 추출한다.
한편, 제1 및 제2스위치(S11)(S12)가 샘플링동작을 수행함에 따라 샘플링노이즈가 영상신호에 혼입되는 현상이 발생하는데, 이는 제1 및 제2스위치(S11)(S12)를 구성하는 MOSFET의 소자특성에 따른 것으로 제7도를 참조하여 구체적으로 설명한다. 제7도는 MOSFET의 등가회로도로서, (a)는 MOSFET가 개방상태인 경우이고, (b)는 MOSFET가 단락상태인 경우이다. 제7도에서 MOSFET는 전압제어용 전자스위치의 기능을 가지며, 드레인(D)-게이트(G)와 소스(S)-게이트(G) 사이에 정전용랴(capacintance)을 갖는데 각각 Cgd와 Cgs로 표기한다. 도시한 바와 같이, 게이트(G)에 제1 또는 제2구동펄스(P11)(P12)가 인가되면 콘덴서(Cgd)(Cgs)를 통해 소스(S)와 드레인(D)에 각각 스파이크(spike)성 전류가 흐르는 전하주입(charge injection) 현상이 발생한다. 소스(S) 측으로 주입된 전류는 버퍼(33)의 출력임피던스(Rout)에 전압을 유기시키며, 드레인(D)측으로 주입된 전류에 의해 콘덴서(C11)가 충/방전을 하게 된다. 대개 버퍼(33)의 출력임피던스(Rout)는 충분히 낮으므로 소스(S)측으로 주입된 전류에 의한 악영향은 없으나, 드레인(D)측으로 주입된 전류는 콘덴서(C11)의 후단의 입력임피던스가 매우 크므로 콘덴서(C11)의 전압에 직접적인 영향을 미치며, 그 파급정도는 콘덴서(Cgd)와 콘덴서(Cgs)로 이루어지는 분압회로에 의해 결정된다. 예를 들어, 게이트(G)에 인가되는 제1구동펄스(P11)가 낮은 주파수를 가지면서도 온상태로 스위칭되는 기간이 비교적 긴 경우 제7도(b)에 도시한 온저항(Ron)과 출력임피던스(Rout)가 직렬연결상태가 되어 낮은 임피던스의 패스(path)가 형성된다. 이에 따라 콘덴서(C11)의 전압은 주입된 전류와 같이 제1구동펄스(P11)의 에지부분에서 스파이크(spike) 형태로 존재하고, 그 크기는 미약하다. 반면에, 제1구동펄스(P11)가 매우 높은 주파수를 가지면서 온상태로 스위칭되는 기간이 짧은 경우 샘플링노이즈를 나타내는 콘덴서(C11)의 전압은 제8도(a)와 같이 제1구동펄스(P11)와 형태상 비슷하게 나타난다. 이러한 현상은 동일한 조건의 제2구동펄스(P11)에 의해서도 동일하게 발생한다. 따라서, 제1구동펄스(P11)와 제2구동펄스(P12)가 180도의 위상차를 가지면 제8도(b)에 도시하 바와 같이 콘덴서(C11)의 전압은 제1구동펄스(P11) 및 제2구동펄스(P12)와 형태상 비슷하나, 제8도(a)와 비교할 때 콘덴서(C11)의 전압은 2배만큼 주파수가 체배된다. 이에 따라, 주파수영역에서의 주파수스펙트럼은 확장된다. 이를 제9도에 따라 상세히 설명한다. 제9도(a)는 제1구동펄스(11)에 의한 콘덴서(C11)의 전압파형도 및 대응하는 주파수스펙트럼이고, 제9도(b)는 제2구동펄스(P12)에 의한 콘덴서(C11)의 전압파형도 및 대응하는 주파수스펙트럼이고, 제9도(c)는 제1 및 제2구동펄스(P11)(P12)에 의한 콘덴서(C11)의 전압파형도 및 대응하는 주파수스펙트럼이다. 제9(a)와 (b)에 도시한 주파수스펙트럼은 기본주파수가 ωo인 반면에 제9도(c)에 도시한 주파수스펙트럼은 기본주파수가 2ωo임을 알 수 있다. 즉, 제1구동펄스(P11) 및 제2구동펄스(P12)에 따른 샘플링노이즈성분주파수가 갖는 기본주파수가 2배로 늘어나게 됨으로써 주파수영역상에서 높은쪽으로 천이된다. 이와 같이, 제1스위치(S11)와 제2스위치(S12)가 샘플링시 콘덴서(C11)에서 발생하는 샘플링노이즈성분은 순수한 영상신호대역으로부터 천이되므로 LPF를 이용하여 샘플링노이즈를 제거하면 유용한 영상신호를 얻을 수 있다.
이상과 같은 본 발명은 샘플링동작을 수행함에 따라 영상신호에 혼입된 샘플링노이즈를 영상신호대역으로부터 천이시킴으로써 구동펄스가 신호대역과 인접한 경우 종래에 비해 완만한 차단특성을 갖는 LPF를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 동일한 차단특성을 갖는 LPF를 사용할 경우 종래보다 충실하게 샘플링노이즈를 필터링할 수 있으므로 S/N비가 향상되는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 광전변환된 영상신호를 지연시키기 위한 딜레이라인부를 구비하고, 신호처리과정에서 혼입된 노이즈를 제거하는 고체촬상소자용 노이즈제거장치에 있어서, 소정 직류기준전압을 출력하는 기준전압발생부; 상기 딜레이라인부의 후단에 접속되며, 외부로부터 인가되는 제1 및 제2구동펄스에 의해 영상신호와 직류기준전압을 각각 홀드하는 샘플홀드부; 및 상기 샘플홀드부의 출력단에 접속되며, 일단을 통해 샘플홀드부로부터 공급되는 출력신호를 입력받음과 동시에 타단을 통해 상기 기준전압발생부로부터 직류기준전압을 입력받아 차동증폭하는 차동증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자용 노이즈 제거장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 샘플홀드부는 제1구동펄스의 인가에 따른 스위칭동작에 의해 영상신호를 샘플링하는 제1스위치와, 제2구동펄스의 인가에 따른 스위칭동작에 의해 직류기준전압을 샘플링하는 제2스위치와, 제1 및 제2스위치에서 샘플링된 값을 홀드하는 콘덴서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자 노이즈 제거장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 샘플홀드부는 인가받는 제1 및 제2스위치의 스위칭동작에 의해 영상신호에 혼입된 샘플링노이즈성분을 영상대역보다 높은 쪽으로 천이시키는 것을 특징으로 고체촬상소자용 노이즈 제거장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2스위치는 서로 위상차가 있는 제1 및 제2구동펄스를 각각 입력받아 샘플링노이즈성분주파수를 2배로 주파수체배시키는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자용 노이즈 제거장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2구동펄스는 동일한 주기를 가지며 상호간 180도의 위상차가 있는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자용 노이즈 제거장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2스위치는 하이상태의 구동펄스가 인가되면 온상태로 스위칭되며, 로우상태의 구동펄스가 인가되면 오프상태로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자용 노이즈 제거장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2스위치는 전압제어용 전자스위치의 기능을 갖는 MOSFET로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체촬상소자용 노이즈 제거자치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 콘덴서는 제2구동펄스에 의해 샘플링된 소정값을 홀드한 상태에서 제1구동펄스에 의해 샘플링된 값에 따라 충전 또는 방전하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자용 노이즈 제거장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 차동증폭기는 기준전압발생부에서 입력받은 직류기준전압을 입력받아 콘덴서에서 출력하는 영상신호에 부가된 직류성분을 제거하는 특징으로 하는 고체촬상소자용 노이즈 제거장치.
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