KR100328781B1 - 영상 신호 검출 방법 - Google Patents

Abstract

커패시턴스(12)의 충전이 변경될 수 있는 광 민감성 소자(10)의 어레이(30)에 의해 영상 신호를 검출하기 위한 방법에서, 먼저 각 광 민감성 소자의 광 신호는: 커패시턴스의 충전 상태를 소정의 전압(+U_DD)으로 만드는 부단계와, 광 신호(20)에 의해 광 민감성 소자(10)에서 발생된 광전류 또는 그로부터 나온 전기량으로 커패시턴스(12)의 충전을 바꾸고 소정 시간이 지난 후 커패시턴스 (12) 양단의 전압을 검출하는 부단계와, 검출된 전압이 유효 범위 내에 있는지를 결정하여, 만약 유효 범위 내에 있다면 검출된 전압을 바탕으로 하여 검출된 광 신호를 특징짓는 유효 신호를 결정하고, 유효 범위 내에 있지 않다면, 상기 소정 시간과는 다른 시간으로 또는 검출된 전압이 유효 범위 내에 있다는 것이 결정될 때까지 상기의 단계를 반복하는 부단계에 의해 검출된다. 그런다음, 유효 신호가 검출되는 동안의 시간과 함께 각각의 광 민감성 소자(10)에 대해 검출된 광 신호가 저장된다. 마지막으로, 각각의 광 민감성 소자에 대해 각 지정 시간 동안, 저장된 광 신호로부터 영상 신호가 얻어진다.

Description

영상 신호 검출 방법{IMAGE SIGNAL SENSING PROCESS}

모놀리식 집적 영상 센서 시스템에서, 센서 소자의 어레이는 보통 집적 회로(IC) 에서의 신호 판독을 위한 전자회로과 더불어 제조된다. 집적 광센서 분야에서, 포토다이오드, 바이폴라 포토트랜지스터, 전하결합 소자(CCDs) 및 빛에 민감한 모스 트랜지스터는 광 민감성 소자로서 사용될 수 있다. 광 종속적 신호 즉, 위에 언급된 소자의 어레이에 대한 전하, 전압이나 전류는 보통 판독된 후, 디지털 신호로 전환되어 다음 과정으로 진행된다. 또는, 이들 광 종속적 신호는 아날로그/디지털 전환없이 직접적으로 디스플레이될 수 있다.

집적화 방법에 의해 영상 신호를 판독하는 과정은 이미 알려져 있다. 예를 들면, 광 민감성 소자의 신호 흐름은 어떤 시간에 걸쳐 커패시턴스에 집적된다. 이 집적화의 결과, 조도 대 신호 전압비 및 시간 대 신호 전압 비가 생성되는데, 이는 집적 회로 상의 주변 회로로부터 쉽게 판독될 수 있다. 선행 기술에 따른 광 민감성 소자의 일 실시예에서, 처음에 소정의 전위로 충전된 커패시턴스는 광 민감성 소자에 의해 발생된 광전류에 의해 방전된다.

어떤 응용에서 예를 들면, 밝기 상태가 자주 변화되고 한 영상 내의 밝기에 있어서 큰 차이가 있는 자동차 부문에서, 영상 신호의 동역학(dynamics) 상 필요한 요구사항은 매우 많다. 이 영상 신호 동역학 즉, 한 영상 내의 조도가 계속적으로 심하게 변하는 것은 위에서 설명한 선행 기술에 따른 방법에 의해 획득될 수 없다. 예를 들어, 어떤 영상 센서 소자에 대해 조도가 너무 높다면, 처음에 소정의 전압으로 충전된 커패시턴스의 전압은 매우 빠른 속도로 강하되어서, 커패시턴스가 광 민감성 소자의 신호 흐름에 의해 완전히 방전되는 동안의 시간이 지난 후에는, 커패시턴스가 완전히 방전되었을 때 얼마나 큰 조도가 입사되었는지를 평가하는 것은 불가능하다. 따라서 이미 알려진 방법은 제한적인 동력 범위를 갖는다.

US-A-4479062는 입사 광에 관한 정보를 축적하기 위해 광 수신 소자 어레이가 제공되는 광전 전환 장치를 설명하고 있다. 이 장치는 광 수신 소자 어레이의 출력 신호에 대한 포화를 검출하기 위한 포화 검출 소자를 갖고 있다. 만약 광 수신 소자 어레이의 출력 신호가 포화된다면, 축적 시간은 감소된다. US-A-4479062에 따르면, 영상 수신 소자 어레이의 어떠한 영상 수신 소자도 과잉 포화되지 않을 때까지 즉, 영상 수신 소자 어레이의 출력 신호가 포화 레벨을 더 이상 초과하지 않을 때까지, 검출 시간이 점차로 감소된다. 영상 수신 소자 어레이의 출력 신호가 더 이상 포화 레벨을 초과하지 않을 때, 모든 영상 센서 소자가 유효 신호를 공급한다. 그런 다음 마지막에 확인된 통합 시간으로 얻어진 영상이 평가된다.

US-A-4479062로부터 알려진 방법은 복합 영상을 얻기 위한 노력에도 불구하고, 획득된 영상이 낮은 신호 대 잡음비를 갖는 영상 센서 소자 예를 들면, 낮은 휘도를 갖는 영상 센서 소자를 가질 수 있다는 점에서 단점이 있다. 그러나 획득된 실제 장면의 신호 대 잡음비가 가능한 한 크다면 관찰자에게는 유익한 것이다. 관찰자의 입장에서 신호 대 잡음비가 크다는 것은 조도에 있어서 정적이고 변동이 없는 물체가 정적인 영상을 가지며, 한 장면 내의 낮은 콘트라스트(contrast)를 해결할 수 있다는 것을 의미한다. 알려진 방법의 또 다른 단점은 획득된 영상에 대한 모든 영상 센서 소자의 전체적 동적 범위(dynamic range)가 영상 획득을 위한 하나의 영상 센서 소자에 대해 물리적으로 제한된 역학적 범위 즉, 최대 신호 대 대응하는 노이즈 신호의 비로 제한된다는 것이다. 관찰자에게 있어, 동적 범위가 크다는 것은 실제 장면의 아주 밝은 영역과 아주 어두운 영역 모두 어떤 한계치의 밝기와 어둡기를 갖지 않고 표현될 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명은 커패시턴스의 충전이 변화될 수 있는 광전 소자의 어레이에 의해 영상 신호를 검출하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방법에 사용하기 알맞은 영상 센서 소자를 도시한 것이다.

도 2A 및 2B는 본 발명에 따른 방법을 명백하게 설명하기 위한 신호 검출의 시간 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 방법에 의해 검출된 광 신호가 평가될 수 있는 방법을 설명하는 개략도이다.

본 발명의 목적은 증가된 동적 범위와 증가된 정밀도를 나타내는 광 신호 검출 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다.

본 발명은 광 민감성 소자 어레이에 의해 영상 신호를 검출하는 방법을 제공한다. 상기 광 민감성 소자 각각에 의해 커패시턴스의 충전이 변경될 수 있다. 우선 광 민감성 소자 각각의 광 신호는 커패시턴스의 충전 상태를 소정의 전압으로 만드는 단계와, 광 신호에 의해 광전 소자에서 발생된 광전류나 그 광전류로부터 나오는 전기량으로 커패시턴스의 충전을 변경하는 단계와, 소정 시간이 지난 후 커패시턴스 양단의 전압을 검출하는 단계와, 검출된 전압이 유효 범위 내에서 있는지를 결정하는 단계와, 검출된 전압이 유효 범위 내에 있을 경우 검출된 전압을 기초로 하여 검출된 광 신호를 특징짓는 유효 신호를 결정하고, 검출된 전압이 유효 범위 내에 없을 경우 일정한 간격을 두고 또는 검출된 전압이 유효 범위 내에 있음을 결정할 때까지 상기 과정을 반복하는 단계를 거쳐 검출된다. 그런 다음, 각 광 민감성 소자에 의해 검출된 광 신호는 유효 신호가 검출된 시간과 함께 저장된다. 마지막으로, 각각의 광 민감성 소자에 대하여 저장된 각 지정된 시간과 광 신호로부터 영상 신호가 얻어진다.

본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 따르면, 검출된 전압이 커패시턴스의 완전한 방전에 대응하는 것이라면, 결정 단계에서 상기 검출된 전압은 유효 범위 내에 있지 않다는 것이 결정된다. 이 경우 소정의 시간과는 다른, 전압이 검출되는 시간이 매 반복을 통해 감소된다.

본 발명에 따른 방법은 예를 들어 영상 센서 소자로 구성되는 영상 센서 어레이에 의해 영상을 비출 때, 광 신호의 검출 시 동적 범위의 연장을 제공한다. 본 발명에 따른 방법은 동작 범위로부터의 이탈, 즉 영상 센서 소자 각각의 오버 드라이빙 및 영상 센서 어레이 전체의 오버 드라이빙을 방지한다.

그러므로 본 발명에 따르면, 각 영상을 얻은 후, 유효 신호가 각 영상 센서 소자를 위해 존재하는지가 결정된다. 그렇다면, 각 영상 센서 소자의 값은 통합 시간에 대한 정보와 함께 저장된다, 예로서 중간 메모리에 저장된다. 이 부분적 영상 내에 영상 센서 소자의 무효 신호가 이미 있었다 할 지라도 이것은 여전히 수행된다. 휘도 값 및 통합 시간에 대한 정보의 제어는 예를 들어 디지털 프로세서에 의해 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따르면, 부분적 영상의 획득은 가장 큰 민감성 즉 가장 긴 통합 시간으로부터 시작된다. 이것은 모든 영상 센서 소자가 보통의 환경에서 최고의 신호 대 잡음비를 나타낸다는 것을 확실하게 한다. 그리고, 단축된 통합 시간 동안, 남아 있는 영상 센서 소자가 여전히 오버 드라이빙 되면, 다시 말해 유효 신호를 나타내지 않으면, 희망에 따라 중간 메모리 내의 영상 센서 소자가 최대 대표값을 채택하거나 선택된 통합 시간이 감소될 수 있다.

이렇게 다수의 영상이 획득되면 서로 다른 통합 시간으로 획득될 수 있는 부분적 영상들이 한데 모여서 이루어진 영상 센서 소자의 복합 영상이 된다. 이 영상을 평가할 수 있도록 하기 위해, 다음 단계에서, 올바른 휘도 정보가 각 영상 센서 소자에 대해 얻어지도록, 휘도 값과 통합 시간에 대한 정보가 다른 것과 조화를 이룬다는 것은 분명한 사실이다. 이 조화는 소프트웨어를 사용하여 이루어 질 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 각 영상 센서 소자의 신호 대 잡음비뿐만 아니라 영상 내에 포함된 모든 영상 센서 소자 전체의 동적 범위를 개선시킨다. 예를 들면 하나의 영상 센서 소자는 포토다이오드에 대한 전형적인 값인 60 ㏈의 동적 범위를 갖는다. 여기서 동적 범위란 최대 신호 대 그와 대등한 잡음 신호의 비로 정의된다. 서로 다른 통합 시간 즉 서로 다른 민감성을 통해 몇 개의 영상이 획득된다면, 통합 시간의 변동은 예를 들어 1 ㎳에서 10 ㎲까지로 구성되며, 이는 40 ㏈에 대응하는 것이다. 결과적으로 얻어지는 영상 내에 포함된 모든 영상 센서 소자 전체의 동적 범위는 두 개의 동적 값을 합산함으로써 얻어지는데, 60 ㏈ + 40 ㏈ = 100 ㏈이 된다.

본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 아래에 상세히 설명될 것이다.

다음은 포토다이오드가 영상 센서 소자로서 사용되는 바람직한 실시예의 견지에서 본 발명을 설명한 것이다. 도 1에서 포토다이오드 (10)을 볼 수 있는데, 이 포토다이오드의 블록킹 레이어 커패시턴스 (12)는 설명을 위하여 분리하여 도시되어 있다. 포토다이오드 (10)의 캐소드는 스위치 (14)를 통해 전위 +U_DD와 연결될 수 있다. 포토다이오드 (10)의 애노드는 0V의 전위 즉 접지로 연결된다. 포토다이오드 (10)의 캐소드는 스위치 (16)을 통해 출력단 (18)과도 연결될 수 있다.

판독 과정이 시작될 때, 맨 먼저 스위치(14)가 폐쇄(closed)되고 스위치(16)은 개방(open)되어, 출력 전압 U_aus가 전압 U_DD로 되고 포토다이오드(10)의 블록킹 레이어 커페시턴스(12)는 전압 U_DD로 충전된다. 그런다음 스위치(14)가 개방된다. 광 신호 즉 어떤 조도를 갖는 영상 신호에 의해 발생된 조명(20)에 의해, 광전류가 포토다이오드(10)에 발생되고 포토다이오드(10)의 블록킹 레이어 커패시턴스(12)에 통합된다. 조명에 의해 발생된 이 신호 전류 때문에, 전압 U_aus가 시간의 흐름에 따라 점차 낮아진다. 고정된 소정의 시간이 흐른 후, 스위치(16)이 폐쇄된다. 결과적으로 포토다이오드(10)에 떨어지는 조명의 지표인 신호 전압 U_aus가 출력단(18)에서 판독될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 영상 센서 어레이에 있는 각 영상 센서 소자의 신호를 몇 번 연속해서 통합하여 이들 각각이 유효 신호인지를 결정하는 것인데, 도 1에 나타나 있는 포토다이오드가 그러한 영상 센서 소자이다. 통합은 매번 다른 시간을 사용하여 이루어진다. 유효 범위 내에 출력 전압 U_aus가 존재한다면 유효 신호라고 할 수 있다.

도 1에 나타나 있는 영상 센서 소자에 대해 출력 노드(18)에서의 전압 U_aus가 시간이 흐름에 따라 점차 변하는 방법이 도 2A와 2B에 나타나 있다. 도 1에 나타나 있는 영상 센서 소자는 블록킹 레이어 커패시턴스(12)가 완전히 방전되지 아니하는 동안 판독 순간에 유효 출력 신호를 공급한다 도 2A에서 포토다이오드는 통합 시간 즉 검출 시간 t_int_1이 지난 후, 블록킹 레이어 커패시턴스(12)가 완전히 방전되지 않도록 낮은 조도를 받는다. 그러면, 시간 t_int_1이 지난 후, 유효 출력 신호(22)가 얻어지는데, 이것은 포토다이오드가 받는 조도에 비례하고 광전류가 통합되는 시간 즉 커패시턴스가 방전되는 시간에 비례한다. 이 경우 즉 낮은 조도에서는 좀 더 짧은 시간 t_int_2 동안 또다시 검출할 필요가 없다.

포토다이오드가 받는 조도가 클 때의 전압 U_aus가 도 2B에 나타나 있다. 커패시턴스가 전압 +U_DD에서 전압 0V로 빨리 방전된다. 따라서 시간 t_int_1 동안 얻어지는 유효 출력 신호는 없다. 결과적으로 시간 t_int_1 보다 짧은 시간 t_int_2 동안 다음의 검출이 수행된다. 이 두 번 째 시간이 지난 후 판독하면 커패시턴스는 완전히 방전된다. 그러므로 유효 신호는 존재하지 않는다. 시간을 더 짧게하여 검출 시간 t_int_3에서 검출할 때 커패시턴스가 완전히 방전되지 않는다. 따라서 세 번 째 시간 t_int_3의 끝에 유효 출력 신호가 얻어진다.

이전의 검출에서 유효 출력 신호가 얻어지지 않을 때, 통합 시간 즉 검출 시간을 점점 짧게 함에 의하여 영상 내의 동적 범위는 모든 영상 센서 소자 전체에 대해 증가하게 된다.

도 3은 연상 센서 어레이에 의해 획득된 영상 정보를 평가하기 위해 사용될 수 있는 장치를 나타낸 것이다. 개별 영상 센서 소자로 구성된 영상 센서 어레이(30)은 제어 회로(32)를 통해 중간 메모리(34)와 연결된다. 각 영상 센서 소자는 개별적으로 광 신호를 검출해내는데, 예로써 도 3은 25개의 영상 센서 소자로 구성된 영상 센서 어레이를 나타내고 있다. 중간 메모리(34) 내에서, 영상 센서 어레이(30)의 각 영상 소자에 대해 특정 저장 위치가 배정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제어 장치(32)는 필요할 때 영상 센서 어레이(30)의 영상 센서 소자를 다중으로 억세스한다. 또한 제어 장치 (32)는 각 검출 시간이 지난 후 매 번 영상 센서 소자로부터 유효 신호가 있는지를 결정한다. 각각의 유효 신호는 제어 장치(32)에 의해 각 통합 시간에 대한 정보와 함께, 중간 메모리(34) 내의 각 저장 위치 즉, 영상 메모리에 저장된다. 규칙적인 배치를 위해, 각 픽셀이 매 통합 시간 동안 억세스된다는 것이 장점이다. 또한 이 억세싱과 중간 메모리로의 라이팅(writing)이 병렬로 수행되는 것이 장점이다. 각 통합 시간에 대한 추가 정보와 함께, 영상 정보가 영상 메모리(34) 밖으로 판독되어 처리되거나 디스플레이될 수 있다.

상술한 방법 외에 본 발명에 따른 방법의 다른 수행으로써, 도 2A와 2B에 나타나 있는 장시간의 초기 통합 시간 t_int-1 대신, 단시간의 통합 시간 예를들면, t_int-3이 초기에 사용될 수 있다. 그러면 유효 출력 신호는 전압 +U_DD에 대해 소정의 퍼센트 이상으로 강압된 신호로 이해될 것이다. 이 퍼센트는 예를 들면 전압 +U_DD의 10%가 될 수 있다. 출력 전압이 유효 범위 내에 없다면, 다시말해 10% 이하로 강압된다면, 통합 시간은 예를 들면 t_int-3에서 t_int-2로 증가될 것이다. 이러한 방법으로 영상 센서 어레이의 영상 센서 소자의 민감도가 증가될 수 있다.

다른 광 민감성 소자도 포토다이오드 대신 영상 센서 소자로 사용될 수 있음은 물론이다. 즉, 소정 시간 동안 커패시터의 충전에 대한 변화를 줄수 있는 것이면 된다. 그러한 대용 소자는 예를 들면, 바이폴라 포토트랜지스터나 광 민감성 모스 트랜지스터이다. 검출되는 유효 신호가 없는 경우에는 보통 유효 신호가 검출될 때까지 통합시간을 계속 변화시킨다. 그렇지 않으면 통합 시간을 달리하여 검출을 계속하는 것은 단지 몇 번만 수행될 수 있는데 예를들면, 조도에 대해 특정 값이 사용된다.

또한, 광전류를 직접 사용하는 대신, 광전류로부터 나오는 양, 예를들면, 증폭회로와 같은 것에 의해 준비된 전기량을 사용하여 커패시턴스의 충전이 변경될 수 있다.

영상 검출과는 별도로, 본 발명은 예를들어 옥외 감시 방법에 있어서도 유익하게이용될 수 있다.

본 발명은 커패시턴스의 충전이 변경될 수 있는 광전 소자의 어레이에 의해 영상 신호를 검출하는 방법에 관한 것이다.

Claims (6)

1. 커패시턴스(12)의 충전이 변경될 수 있는 광 민감성 소자(10)의 어레이(30)에 의해 영상 신호를 검출하기 위한 방법에 있어서,

   a) 다음의 부단계:

   a1) 커패시턴스의 충전 상태를 소정의 전압(+U_DD)으로 만들고,

   a2) 광 신호(20)에 의해 광 민감성 소자(10)에서 발생된 광전류 또는 그로부터 나온 전기량으로 커패시턴스(12)의 충전상태을 바꾸고 소정 시간이 지난 후 커패시턴스(12) 양단의 전압을 검출하고,

   a3) 검출된 전압이 유효 범위 내에 있는지를 결정하여, 만약 유효 범위 내에 있다면 검출된 전압을 바탕으로 하여 검출된 광 신호를 특징짓는 유효 신호를 결정하고, 유효 범위 내에 있지 않다면,

   a4) 검출된 전압이 유효 범위 내에 있다는 것이 a3) 단계에서 결정될 때까지, 또는 미리정하여진 순서만큼, 상기 소정 시간과는 다른 시간으로 a1)부터 a3)단계까지 반복하는 부단계들에 의해 각각의 광 민감성 소자의 광 신호(20)를 검출하는 단계와;

   b) 검출된 광 신호를 특징 짓는 유효 신호가 a1)부터 a4) 단계에서 검출되면, 각각의 광 민감성 소자(10)에 대해 검출된 유효신호와 유효신호가 검출된 시간을 함께 메모리에 저장하고, 만일 검출된 광 신호를 특징 짓는 유효 신호가 a1)부터 a4) 단계에서 검출되지 아니하면, 메모리에 소정의 신호를 저장하는 단계와;

   c) 각각의 광 민감성 소자에 대해 저장된 광 신호와 각 지정시간으로 부터 영상 신호를 얻는 단계로 구성되는 영상 신호 검출 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   단계 a1)은 커패시턴스(12)를 소정의 전압으로 충전하는 단계로 구성되고, 단계 a2)에서 커패시턴스(12)가 광전류 또는 광전류에서 나오는 전기량에 의해 방전되는 것이 특징인 영상 신호 검출 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   단계 a3)에서, 매 반복 시 감소되고 상기 소정의 시간과는 다른 시간이 지나서 전압이 검출될 때, 검출된 전압이 커패시턴스(12)를 완전히 방전시킨다면 검출된 전압은 유효 범위 내에 있지 않다고 결정되는 것이 특징인 영상 신호 검출 방법.
4. 청구항 2에 있어서,

   단계 a3)에서, 매 반복 시 증가되고 상기 소정의 시간과는 다른 시간이 지나서 전압이 검출될 때, 검출된 전압이 커패시턴스(12)를 약간 방전시킨다면 검출된 전압은 유효 범위 내에 있지 않다고 결정되는 것이 특징인 영상 신호 검출 방법.
5. 청구항 2 내지 4 중 한 항에 있어서,

   포토다이오드가 광 민감성 소자(10)로 사용되고, 커패시턴스(12)는 포토다이오드의 블록킹 레이어 커패시턴스인 것이 특징인 영상 신호 검출 방법.
6. 청구항 1에 있어서,

   단계 b)에서, 각 경우마다 유효 신호가 상기 신호를 검출하는데 사용되는 시간과 함께 중간 메모리(34)에 저장되는 것이 특징인 영상 신호 검출 방법.