KR100335978B1 - 집적영상센서들의동작방법및영상센서제어장치 - Google Patents

Abstract

일반적인 영상 센서의 다이내믹스는 다양한 상황들에서 발생하는 휘도 콘트라스트를 처리하기에 충분치 않다. 다이내믹스를 증가시키기 위한 종래의 방법은 실제 적용시 많은 문제점을 갖는다. 본 발명의 새로운 방법에 따른 영상 센서는 높은 다이내믹스와 단순 적응성과 조합한다.

높은 영상 콘트라스트에 의해 발생되는 픽셀의 과다노출 및 과소노출을 피하기 위하여, 각각의 픽셀은 로컬 자동 적응 제어부를 포함한다. 상기 제어부를 이용하여, 각 픽셀은 충분한 광전기 전류를 집적하는 순간 바로 자동으로 그의 집적 기간을 종료시킨다. 아날로그 신호는 픽셀에 의해 선택된 집적 기간의 길이를 나타낸다. 집적된 픽셀 신호와 함께, 상기 아날로그 신호는 개별 신호의 다이내믹스에 대한 높은 다이내믹스와 낮은 요구조건을 구비한 휘도 정보를 나타낸다.

이들의 로컬 적응성 때문에, 본 발명에 따른 상기 영상 센서는, 고속도로 교통에서의 모터 차량 안내, 자연 영화 및 천문학분야와 같이, 높은 휘도 콘트라스트가 처리되어야만 하는 모든 응용분야에 적합하다.

Description

집적 영상 센서들의 동작 방법 및 영상 센서 제어 장치{LOCAL AUTO-ADAPTIVE OPTIC SENSOR}

전자 영상 센서는 일반적으로 다양한 기술을 이용하여 제조되고 있다. 이러한 센서의 설계에 있어서, 다수의 영상 요소들(픽셀)은 대개 단일 라인으로 구성되거나, 또는 다수의 칼럼들 및 다수의 라인들로 구성되는 매트릭스로서 적절히 배열된다. 영상 센서에 투사되는 영상은 필셀에 의하여 픽셀 로커스(locus)에서의 입사 광선의 양에 비례하는 전기 신호로 변환된다. 각각의 비례 상수는 상기 영상 센서의 변환감광도(감광도)가 된다. 널리 알려진 영상 센서, 즉 "집적 영상 센서"에서, 픽셀은 광전자 전류-발생된 전하 캐리어들을 일정 시간(집적 시간) 동안 캐패시터에 집적함으로써 출력 신호를 발생시킨다. 전기 신호는 픽셀에 인가되는 적절한 제어 신호들(클럭 신호 또는 리드 신호) 및 픽셀로부터 유도되는 읽기 경로들에 의해 읽혀진 다음, 적절한 수단을 이용하여, 가령 기록 장치와 같은 영상 분석 유닛들 또는 영상 활용 유닛들로 전송된다.

영상 센서의 중요한 특징은 상기 영상 센서의 출력단에서 적절히 이용될 수있는 신호를 안내하는 픽셀 로커스에서의 최대 및 최소 영상 휘도에 의해 정의되는 다이내믹스이다. 이러한 다이내믹스는 그 하단에서는 상기 출력 신호의 전기적인 잡음에 의해 제한된다. 즉, 전기적인 잡읍보다 작은 픽셀 신호가 이용될 수 없다. 상기 다이내믹스는 그 상단에서는 신호 변환과 신호 전송에 이용되는 구성요소들의 포화에 의해 제한된다.

종래의 영상 센서의 또 다른 문제는, 여러 가지 적용예에서 출력 신호에 발생하는 휘도 콘트라스트를 완전히 영상화시키기에는 영상 센서의 다이내믹스가 충분하지 못하다는 것이다. 따라서, 어두운 영상부들은 소음에 의해 사라지고 그리고/또는 좀 더 밝은 영상부들은 포화상태가 되는데, 이는 또한 스미어(smear) 또는 블루밍(blooming) 같은 부가적인 간섭현상(interference)을 초래할 수 있다. 제한된 다이내믹스의 문제를 제거할 수 있는 몇가지 방법이 공지되어 있다.

영상 센서 시스템의 효과적인 다이내믹스가 이중 읽기(dual readout)의 원리에 따라 향상되는 현상을 다루고 있는 다수의 특허 및 공보중에서 미국 특허 No. 5,168,532를 대표적으로 인용한다. 이러한 목적을 위하여, 예를 들어 집적 영상 센서의 집적 시간을 선택하거나, 또는 더 간단한 방법으로는 조리개(iris diaphram)를 이용하여, 알려진 감광도를 변화시키는 선택권을 갖는 영상 센서 시스템이 제공된다. 이렇게 되면, 상기 영상 센서에 의해 두 개의 영상이 출력되는데, 그 중 하나는 낮은 감광도로 출력되고 다른 하나는 높은 감광도로 출력된다. 이후, 상기 두 개의 영상은 적절한 방법에 의해 결합되어 완전한 영상을 형성한다. 또한, 특허를 받았으며, 다양한 형태의 특허 및 공보(예를 들어, 미국 특허 제5,638,118호)에 개시된 다중 읽기(multiple readout) 방식이 단지 "이중 읽기"의 방식에 부가되었는데, 이는 단지 두 개의 영상들 대신에, 다른 감광도를 갖는 다수의 영상들의 기록, 저장 및 결합되기 때문이다. 이러한 두 가지의 방법은 복잡한 센서 시스템이라는 심각한 문제점을 가지며, 상기 영상 센서 뿐 아니라, 가령 프레임 그래버와 같은 영상 데이터 저장 및 처리 수단을 포함한다.

센서의 다이내믹스를 향상시키는 두 번째 그룹의 방법은 픽셀에서 신호가 발생할 때 영상 신호를 압축하는 것과 관련된다. 종래의 대수 압축(logarithmic compression) 방법에서, 광의존(light-dependent) 광전자 전류는 문턱전압 이하에서 동작하는 다이오드 또는 모스 트랜지스터의 대수 전압-전류 특성을 이용함으로써 대수 의존 신호 전압으로 변환되며, 이는 1995년 4월 20-22일 캘리포니아에서 CCDs와 진보된 영상 센서에 관한 IEEE 워크샵에서 엔 리키어(N. Ricquier)와 비 디어리크(B. Dierickx)에 의해 발표된 "온칩 비균일 교정이 되는 액티브 픽셀 CMOS 영상 센서(Active Pixel CMOS Image Sensor with On-Chip Non-Uniformity Correction)"에 개시된 바 있다. 이들 및 다른 모든 압축 센서들은 다이내믹한 압축으로 인하여 상세한 영상을 상실하게 된다. 또한, 트랜지스터 문턱 전압 또는 캐패시턴스와 같은 요소 파라미터들에서의 국부적인 동요로 인하여 픽셀과 신호 통로에 발생하는, 소위 고정 패턴 소음(fixed pattern noise: FPN)으로 일컬어지는 고정 간섭(fixed interference)이 지수적으로 증폭되며, 이의 교정에는 많은 비용이 요구된다. 다른 방법들(예를 들어, 미국 특허 No. 5,572,074, 또는 티 델브뤽(T. Delbruck) 및 시 에이 메드(C. A. Meed)가 1994년 캘리포니아 91125 패서디나 캘리포니아 기술원에서, 컴퓨테이션 및 뉴트럴 시스템 프로그램 기술 보고서 시엔에스 메모랜덤 No. 30, 페이지 1-23에서 발표한 "연속-시간, 적응성, 로가리즘의 광 리셉터 회로에 의한 아날로그 VLSI 광 트랜스덕션(Analog VLSI Phototransduction by Continuous-Time, Adaptive, Logarithmic Photoreceptor Circuits)"에 개시된 다른 방법)은 복잡한 픽셀 회로를 이용하여 픽셀 자체에 의하여 발생된 출력신호를 통하여 픽셀 감광도를 국부적으로 제어한다. 그러나, 이러한 방법은 그 결과로 발생하는 문제점을 고려하면 상기 압축 방법과 일치하는 것이다.

로컬 적응 방법은 매우 다이내믹한 영상 센서를 동작시키는 더 좋은 방법이라 할 수 있다. 이러한 로컬 적응 방법의 특징은, 영상 센서의 감광도가 모든 픽셀에 대하여 동시에 조절되는 대신에, 더 작은 소그룹으로, 바람직하게는 각각의 국부적인 픽셀에 대하여 개별적으로 조절된다는 것이다. 영상 센서의 특성에 따르면, 신호 통로의 다수의 다른 포인트에 연결시키는 것이 가능해진다.

픽셀을 때리는 광을 픽셀 단위로 감소시키는 방법은, 예를 들어 미국 특허 No. 5,532,743 (LCD 필셀에 의한 감쇠(attenuation by LCD pixel)), 미국 특허 No. 55,410,705 (편광자에 의한 감쇠(attenuation by polarizers)), 및 미국 특허 No. 5,210,485 등에 개시되어 있다. 이러한 모든 방법은 더 복잡한 광학 구조 및 감쇠 요소를 제어하는 고비용의 외부 시스템을 필요로 한다.

더 큰 다이내믹스를 갖는 더욱 단순한 시스템은 픽셀 단위를 기초로 집적 시간을 제어하는 상기 로컬 적응 방법에 의해 구현된다. 로컬 적응 집적 시간을 이용하는 종래의 방법은 개별적인 픽셀 리셋(IPR)을 이용하는데, 이는 예를 들어 오.야디드-페흐트(O. Yadid-Pecht), 비. 페인(B. Pain), 시. 스탤러(C. Staller), 시. 클라크(C. Clark) 및 이. 포섬(E. Fossum)에 의해 발표된, 1997년 2월 고상 회로의 IEEE 저널의 Vol. 32, No. 2에 "지역적 전자 셔터를 구비한 CMOS 액티브 픽셀 센서 스타 트랙커"에서, 그리고 캘리포니아 산호세에서 SPIE 회보의 Vol. 2654(1996) 페이지 82-93에 개제된 고상 센서 어레이 및 CCD 카메라에서의 "와이드 다이내믹 레인지 APS 스타 트랙커"에 개시되어 있으며, 그리고 에스. 첸(S. Chen), 알. 기노사르(R. Ginosar)에 의해 발표된, SPIE 회보 Vol. 2415(1995) 페이지 303-309에 "적응성 감광도 CCD 영상 센서"에 개시되어 있다. 이상에서 설명된 센서에 의하면, 픽셀 회로들은 그들의 집적 캐패시터가 항상 각각의 픽셀 내에서 개별적으로 리셋될 수 있도록 변경되었다. 이러한 사실로 인하여, 각각의 픽셀을 위한 개별적인 집적 시간이 특정 범위에서 구현될 수 있게 되었으며, 이에 따라 각각의 픽셀 로커스를 때리는 감광도에 픽셀 감광도가 적응될 수 있다. 여기서 설명되고 있는 방식의 특징은 동시에 높은 다이내믹스를 갖는 픽셀 회로의 추가 비용이 낮다는 것이다.

로컬 적응 영상 센서(LAS)가 시건(Siegen) 대학의 반도체 전자공학 연구소에서 개발됨에 따라, 실제적인 집적 위상에 앞서서, 각 픽셀에 대한 집적 시간이 아날로그 전압 형태로 개별적으로 픽셀에 프로그램될 수 있다(티. 루레(T. Lule), 에이치. 피셔(H. Fischer), 에스. 벤티언(S. Benthien), 에이치. 켈러(H. Keller), 엠. 소머(M. Sommer), 제이. 슐테(J. Schulte), 피. 리이브(P. Rieve), 엠. 보오옴(M. Bohm)의 "티에프에이 기술로 픽셀당 프로그램 가능한 감광도를 구비한 이미지 센서(Image Sensor with Per-Pixel Programmable Sensitivity in TFATechnology)"; 에이치. 레이클(H. Reichl), 에이. 호이버거(A. Heuberger)의 마이크로 시스템 테크놀로지 '96의 베를린 오펜바흐의 브이디이 베르라그(VDE Verlag) 페이지 675 ff., 1996 참조).

그러나, IPR과 LAS 방법의 문제점은, 마지막으로 읽어낸 영상으로부터 그 다음 집적 사이클과 이에 따른 구동 클럭 펄스에 필요한 노출 횟수를 픽셀 단위로 발생시키는 데에 필요한 회로가 추가되어야 한다는 측면에서 상당한 비용이 든다는 것이다. IPR 방법의 또 다른 문제점은, 모든 픽셀들이 집적 위상 동안 바람직한 순서로 리셋되어야 한다는 것인데, 이는 충돌(collision), 및 감광도 픽셀 전자소자 위에서 오버커플링되는 비결정론적인(non-deterministic) 클럭 펄스들을 야기시킨다. 또한, 지금까지 설명된 모든 적응 방법은 시간 지연의 문제점을 갖는다. 즉, 집적 위상에 대하여 셋팅되는 감광도가 이전의 집적 위상의 픽셀 신호들로부터 얻어지게 되며, 결과적으로 상황에 따른 픽셀 감광도의 적절한 셋팅을 확실하게 보장하지 못하게 된다.

청구항 1에 설명된 본 발명은, 최소의 회로를 구비하고 시간 지연 없는 영상 센서의 다수의 픽셀의 감광도를 픽셀 로커스에서 우세한 휘도로 적응시켜서, 영상 센서의 효과적인 다이내믹스를 증가시키는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 목적은, 다수의 픽셀이 로컬하게 자동 적응하는 픽셀 회로 자체에 의해 픽셀 로커스에 우세한 휘도로 적응시킴으로써 달성된다.

로컬 자동 적응 원리는 SID 93 국제 심포지움의 다이제스트(1993)판의 페이지 495-498에 실린 오. 야디드-페흐트(O. Yadid-Pecht)의 "자동 와이드-다이내믹-레인지 센서(The Automatic Wide-Dynamic-Range Sensor)"에 의해 공지되었는데, 여기서 로컬 자동 적응성은, 집적 신호가 임계치를 초과할 때 픽셀이 그 자신을 리셋시키는 능력에 따라 구현된다. 원칙적으로는, 이것이 픽셀들의 포화를 방지하기는 하지만, 집적 시간은 픽셀을 때리는 광의 강도에 확실하게 적응되지 못하는데, 이는 예를 들어 약하게 비추어진 픽셀은 상기 집적 위상의 종료 직전에 다시 리셋되며, 그리고 남아있는 매우 짧은 집적 시간 동안에는 어떠한 형태의 신호 전압도 집적될 수 없게 되는 현상이 발생할 수도 있기 때문이다.

또한, 픽셀에 의해 선택된 집적 시간은 후속 영상 분석 단계들에 적절한 방법으로 보고되어, 픽셀 로커스에서의 휘도가 두 개의 파라미터들, 즉 집적 시간 및 집적 픽셀 신호로부터 재구성될 수 있어야 한다. 오 야디드-페흐트는 이러한 문제를 대부분 해결하지 못하였으며, 집적 시간은 4개의 플립-플롭안에 국부적으로 저장되어야 한다는 것만을 언급하고 있을 뿐인데, 이는 픽셀 회로 및 부가적인 제어 라인들의 측면에서 상당한 비용을 초래한다(캘리포니아 산호세의 고해상도 센서 및 하이브리드 시스템의 SPIE 회보의 Vol. 1656(1992) 페이지 374-382에 게제된 "영상의 다이내믹한 범위 확장(Widening the Dynamic Range of Pictures)"). 픽셀 영역의 유효한 완전하게 비경제적으로 만들지 않기 위하여, 상기 저자는 또한, 로컬 자동 적응 제어는 8×8 픽셀의 픽셀 블록당 한 번만 실행될 것을 제시하였는데, 이는 예를 들어 로컬 자동 적응성의 장점을 즉각적으로 파괴시킨다. 이는 상기 픽셀 블록내의 강한 옅음-짙음(light-dark)의 변화가 전체적으로 적응 센서들에 의해 발생하는 것과 동일하게 다이내믹스에 한정을 유발하기 때문이다.

본 발명에 따르면, 상기 문제는, 너무 많은 광-발생 전하들이 집적되어 출력 신호가 포화되기 전이라도, 집적 시간을 자동으로 종료시키는 국부적으로 자동적응되는 픽셀을 집적함으로써 해결된다. 따라서, 이 방법은, 픽셀 자체가 집적 시간의 시작 시간이 아닌 집적 시간의 종료 시간을 결정한다는 점에서 상기 설명된 것과 다르다.

이러한 집적 시간을 종료시키는 유익한 방법은 전자 스위치를 이용하는 것이다. 전자 스위치는 광전자 전류의 경로내에서 검출기로부터 집적 캐패시터로 루프되어 검출기로부터 집적 캐패시터로의 전류 경로를 차단함으로써, 집적 시간을 종료시킨다. 상기 설명한 것과 동등한 방식은 전자 스위치를 이용하는 것이다. 즉 전자 스위치는, 각 픽셀의 집적 시간이 종료될 때, 전체 집적 위상 동안 광-비례 광전자 전류가 흐르는 제 1 캐패시터와 제 2 홀딩 캐패시터 간에 동시에 전도 연결부를 설정하여, 집적 위상의 종료 이후 홀딩 캐패시터 상의 전압이 상기 설명된 시간에서의 집적 캐패시터 상의 전압에 비례하게 된다. 이러한 전자 스위치를 구비하는 픽셀 회로는 잘 알려져 있으며, 상기 집적 시간의 전체적 제어를 위하여 거의 모든 집적 영상 센서에 이용된다.

상기 설명된 문제점에 대한 해결책의 특별한 장점은, 상기 방식으로 작동하는 센서가 종래의 센서와 비교하여 낮은 비용으로 훨씬 더 많은 다이내믹스를 갖게 되며, 결과적으로 상기 센서는 훨씬 더 높은 콘트라스트에서 모든 영상 세그먼트들로 측정될 수 있는 출력 신호들을 공급한다는 것이다. 또한, 이러한 출력 신호는 항상, 크게 확장된 영상 휘도 범위에서의 상위 제어 부분에 있으며, 이는 신호 대잡음비를 자동으로 개선시키며, 이에 따라 영상의 질을 향상시킨다.

이러한 방법의 다른 장점은 픽셀에 정보(이하, 집적 신호로서 명명함)를 저장하는 단계로 구성된다는 것이다. 상기 정보는 픽셀의 집적 시간의 길이에 대한 정보를 제공하며, 각 픽셀 로커스에서 우세한 휘도가 집적 신호 및 픽셀 신호로부터 명확하게 결정될 수 있도록 집적 픽셀 신호와 함께 영상 센서로부터 읽혀진다.

상기 집적 신호는 아날로그 형태, 예를 들어 전압, 전류 또는 전하의 형태로 픽셀에 저장하는 것이 유리하다. 캐패시터 또는 전류 레벨 저장 장치와 같은 아날로그 정보 저장 장치는 널리 공지되어 있으며, 그리고 예를 들어, 오. 야디드-페흐트에 의해 제시된, 동일한 정보 내용을 갖는 디지털 장치보다는 CMOSs, BiCMOS 또는 TFT와 같은 종래의 영상 센서 기술로 좀 더 좁은 영역에서 구현될 수 있다. 그러나, 집적 신호를 디지털 신호로서 저장하는 것 또한, 간섭에 대한 면역성을 더 많이 제공하기 때문에 유리한 선택이 될 수 있다.

또한, 이와같은 집적 신호를 전적으로 픽셀 내에서 발생시켜, 이를 외부로부터 상기 픽셀 내에 입력시키거나, 또는 이를 외부로부터 상기 픽셀내에 입력된 신호의 도움으로 발생시키는 방법이 있다. 이러한 방법으로는 상기 픽셀 내에서의 신호 발생을 위한 부가적인 구성성분이 제거되고 상기 픽셀에는 단지 외부에서 인가된 신호만을 저장할 필요가 있기 때문에, 상기 신호는 바람직하게는 외부로부터 완전히 상기 픽셀에 입력된다. 외부로부터 입력되는 신호는 모든 픽셀에 적절히 인가되거, 또는 적어도 픽셀들의 전체 칼럼들 또는 라인들과 같은 다수의 픽셀들의 그룹에 동시에 인가되며, 이에 따라 이러한 신호에 대하여 반드시 제공되어야 하는제너레이터의 수가 상기 센서가 갖는 픽셀들의 수 보다 적을 수 있다. 이렇게 되면, 상기 제어레이터들은 전압, 전류, 또는 이미 경과된 집적 시간과 바람직하게는 일치하는, 가령 전압 램프와 같은 디지털 워드와 같은 신호를 제공한다. 픽셀이 그 집적 시간을 종료시키자 마자, 상기 픽셀은 그 집적 시간까지 집적된 픽셀 신호를 노출 캐패시터에 저장할 뿐만 아니라, 각각의 제너레이터에 의하여 외부적으로 인가된 집적 신호를 내부 집적 신호 메모리에 저장한다.

상기 설명된 문제점에 대한 특별한 장점은, 휘도 정보가 두 개의 신호 파라미터, 즉 첫 번째로 픽셀 신호와, 두 번째로 집적 시간에 대한 정보를 제공하는 집적 신호로 분리된다는 것이다. 이러한 두 개의 신호로 분리될 때, 단일 신호를 이용했을 때 가능했던 것 보다 훨씬 더 높은 휘도 다이내믹스가 재생될 수 있는데, 이는 픽셀 신호가 상세한 정보를 제공하는 동안 집적 신호는 조잡한 스케일링을 제공하기 때문이다. 특히, 무수한 전기적인 간섭 소스가 전송 경로들에 제한되는 상업 분야에서, 상기와 같은 다이내믹스의 분할은 매우 높은 신호 다이내믹스(> 100 dB)를 갖는 영상을 처리할 수 있는 유일한 가능성을 제시한다.

이러한 방식의 또 다른 장점은, 상기 집적이 상기 픽셀에 의하여 표시되는 횟수 중 몇 번 만에 종료될 수 있다는 것이다. 여기서 상기 픽셀은 외부로부터 픽셀에 인가되는 클럭 신호에 의해 정의 된다. 이러한 시간의 이산성(discretization)에 따른 장점은 상기 픽셀들에 의해 선택될 수 있는 집적 시간을 좀 더 정확히 제어할 수 있다는 점이다. 특히, 높은 조도 레벨로 구현되는 매우 짧은 집적 시간은 고도의 정확성을 갖는 집적 신호에 의해 셋팅되고 검출되어야 하기 때문에, 부정확성은 집적 시간 그 자체보다는 훨씬 더 짧은 시간 주기에 대응하게 되는데, 이는 집적 횟수의 클럭화된 이산성에 의해 특히 유익한 방법으로 달성된다.

집적 기간의 시간 이산성과 아날로그 집적 신호의 사용과 관련하여, 상기 방법에 따른 실시예의 또 다른 장점은, 집적 신호가 이산적인 진폭들 만을 간주하도록 진폭-이산화된 아날로그 집적 신호를 이용한다는 것이다. 상기 집적 신호의 진폭 이산성의 장점은, 후속하는 영상 분석 단계들이 임계치를 정확히 형성함으로써 선택된 집적 기간을 재구성할 수 있으며, 그리고 각각의 이산 단계들 사이에 충분한 거리가 존재한다면, 잡음 및 아날로그 회로에서는 피할수 없는 FPN과 같은 간섭이 임계치의 형성에 어떠한 영향도 주지 않으며, 결과적으로 재구성된 집적 시간에도 영향을 주지 않는다.

집적 신호에 대한 디지털 저장의 경우에는, 위에서 언급된 아날로그 신호의 진폭 이산성에 대응하는 값의 이산성을 물론 포함한다. 또한, 디지털 저장은 상기 시간 이산성과 함께 가장 유익하게 이용될 수 있는데, 이는 디지털 값이 이러한 방식으로 각각의 집적 시간에 명확하게 할당될수 있기 때문이다. 가장 현대적인 메모리 기술에서, 전체적으로 진폭이 이산화된 아날로그 신호가 다중 레벨의 디지털 신호가 되는 것이 어떻게 정당화될수 있는지의 관점에서 생각하면, 순수 이진(binary) 디지털 신호로부터 진폭 이산화된 아날로그 신호로의 변환은 유동적이며 많은 변화의 변수를 안고 있다.

이러한 방법의 또 다른 장점은 이산화된 집적 기간의 지수적인(exponential)분포를 이용하는 것이다. 지수적 분포란, 집적 기간이 고정 요소에 의해, 선택될 수 있는 다음의 더 짧은 기간 보다 더 길게될 수 있도록, 픽셀에 의해 선택될 수 있는 소정의 집적 기간들의 선택을 말한다. 이러한 분포는, 예를 들어 수십개의 가능한 광 강도 파워의 일정한 적용범위를 보장하는, 가령 카메라의 셔터 속도와 같은 다른 응용분야로부터 공지된다.

이러한 방법에 따른 실시예의 장점은, 시건 대학의 반도체 전자공학 연구소에서 보오옴(Bohm) 교수가 그의 동료들과 함께 개발한 TFA 기술에서의 로컬 자동적응 영상 센서를 기술적으로 구현하는 것이며, 이는 예를 들어 1995년 인도의 루어기 유피에 소재한 루어기 대학에서, 지능센서에 관한 특별과정에서의 "TFA(ASIC위의 박막) 기술의 지능적인 영상 센서 시스템(Intelligent Image Sensor Systems in TFA(ThinFilm onASIC)"이라는 제목의 강의에서 보오옴 교수에 의해 기술된 바 있다. 전자-광학 검출기를 여기에 제공된 신호 처리 ASIC에 수직으로 집적하는 기술의 장점은, 특히 로컬 자동 적응 센서에 의해 명백해지는데, 이는 픽셀 전자장치와 검출기가, 예를 들어 순수한 CMOS 기술의 경우에서처럼 서로의 자리를 공동으로 차지하지 못하지만, 대신에 다소 비용이 많이드는 픽셀 전자장치에 의해 점유되는 칩의 영역은 그 위의 검출기로 동시에 이용될 수 있으며, 이에 따라 감광도가 더 높아지게 된다.

상기 방법의 다른 유익한 실시예들은 후속하는 청구범위로부터 유추될수 있다.

상기 방법을 구현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 첨부도면에도시되며, 도면의 설명은 하기 설명된다. 이러한 실시예는 90dB의 다이내믹스를 가지고 본 발명에 따라 TFA 기술로 구현된 영상 센서이다.

도 1은 자동 집적 차단(cutoff)과 집적 신호 저장이 되는 로컬 자동 적응 픽셀 전자장치를 도시한 블록도이다.

도 2는 집적 위상 기간 동안 도 1에 따른 픽셀의 동작을 위한 제어 신호를 도시한 도면이다.

도 3은 집적 위상에 후속하는 읽기 위상에서 출력되는, 집적 신호 및 픽셀 신호를 도시한 도면으로서, 이들은 픽셀 상에서 발생하는 광 강도의 함수로서 플롯화된다.

도 4는 영상 센서 칩 상의 주변 회로들을 구비하는 영역 센서의 픽셀들의 상호작용을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 4의 픽셀 레이아웃은 로컬 자동 적응 픽셀의 적정한 복잡도를 도시하기 위하여 포함된 것이다.

도 1은 TFA 기술에 따라 구현되는 로컬 자동 적응 픽셀의 블록도이다. 상기 픽셀 회로에서, 감광도 검출기(01)은 비결정 실리콘으로 형성되고, 그 음극은 상기 픽셀 회로로 구현된 검출기 회로(02)에 연결된다. 상기 검출기 회로(02)는 TFA 기술의 구체적인 예가 되며 이는 상기 픽셀의 로컬 자동 적응에는 중요하지 않다. 검출기(01)의 음극 전압은 일정한 레벨로 유지되며, 이러한 일정한 레벨은 이웃하는 검출기들 사이의 TFA 특성의 커플링을 억제하게 된다.

검출기(01)로부터 발생되어 검출기 회로(02)를 통해 전달되는 광전자전류(03)는, 집적 위상 기간 동안, 닫혀진 광전기 전류 스위치(04)를 통하여 집적 캐패시터(05)에 집적된다. 결과적인 집적 캐패시터(05)의 픽셀 전압(06)은 외부로부터 상기 픽셀에 공급되는 비교 전압(08)과 비교된다. 비교의 결과는 클럭 펄스(09)의 클럭 신호 발생 후 바로 픽셀 비교기(07)의 제어 출력(10)으로 나타나게 된다. 만일 픽셀 전압(06)이, 클럭 신호가 발생할 때, 비교 전압(09)을 초과하면, 제어 출력(10)은 상기 광전기 전류 스위치(04)를 오프 시키고, 이에 따라 전류 집적 위상을 위한 집적 기간이 종료된다. 클럭 펄스(09)의 각각의 클럭 신호와 동시에, 상승하고 스텝된 전압 램프가 집적 신호 입력 램프(11)에 인가되고, 닫혀있는 집적 신호 스위치(12)를 통하여 집적 신호 캐패시터(13)에 전송된다. 제어 신호(10)가 스위치(04)를 통한 광전기 전류 집적을 종료하는 순간, 상기 제어 출력(10)은 또한 집적 신호 스위치(12)를 오픈시키며, 이에 따라 상기 집적 신호 캐패시터(13) 상의 집적 신호 전압(14)은 단절(cutoff) 시간 동안에 집적 신호 입력 램프(11)에 인가되었던 전압 레벨을 유지한다.

다음의 읽기 위상에서, 리드 입력(15)의 읽기 신호는, 픽셀 신호 버퍼(16) 및 집적 신호 버퍼(17)로 하여금 집적 픽셀 신호(06)와 고정 집적 신호(14)를 픽셀 신호 칼럼 라인(18) 또는 집적 신호 칼럼 라인(19) 상에 출력하게 한다.

다음의 집적 위상 전에, 리셋 입력(20)의 리셋 신호는 리셋 스위치(21)을 닫으며, 이에 따라 상기 집적 픽셀 신호(06)를 지운다. 클럭 입력(09)의 다음 클럭 신호에 따라, 상기 광전기 전류 스위치(04) 및 집적 신호 스위치(12)는 다시 닫히게 되고, 다음의 집적 위상이 시작된다.

도 2는 클럭(09) 및 램프(11) 제어 펄스와, 그리고 집적 신호(14) 및 픽셀 신호(06)를 도시하는데, 이들 각각은 높은 조명(Pix1 30 및 Int1 31)의 2픽셀-1픽셀과 낯은 조명(Pix 34 및 Int2 35)의 픽셀에 대한 것이다. 도 2의 신호도는 선택가능한 6개의 지수 분포를 갖는 집적 시간(39 내지 44)을 구비한 실시예를 도시하며, 여기서 시간 축은 상대적 단위로 주어진다.

집적 위상은 클럭 펄스(09)의 제 1 상승 에지(38)로부터 시작되고, 이후 집적 픽셀 전압(Pix1 30 및 Pix2 34)이 증가한다. 클럭 펄스(09)의 각각의 부가적인 상승 에지에 의해, 충분히 높은 픽셀 전압에서의 픽셀은 그 집적 기간을 종료시킬수 있다. 예를 들어, 클럭 펄스 에지(39)에서의 픽셀이 그 집적을 종료하게 된다면, 그 집적 기간은 하나의 단위 시간 동안 지속될 것이고, 클럭 펄스 에지(40)에서는 두 개의 단위 시간 동안 지속될 것이고, 클럭 펄스 에지(41)에서는 4개의 단위 시간 동안 지속될 것이고, 클럭 펄스 에지(42)에서는 8개의 단위 시간 동안 지속될 것이고, 또한 클럭 펄스 에지(43)에서는 16개의 단위 시간 동안 지속될 것이며; 만일 클럭 펄스 에지(44)에서의 픽셀이 클럭 펄스 에지(44)에서 그 집적 기간을 종료시킨다면, 그 집적 기간은 32개의 단위 시간 동안 지속될 것이다. 본 실시예에서, 선택가능한 시간 단위는 베이스(2)로 지수적으로 선택된다.

비교 전압(Ucomp 08)은 이와같은 시간 단위의 분포에 대하여 절반 신호 진폭(33 또는 37)에서 설정될 것이다. 픽셀 신호(05)가 하나의 집적 기간이내에 상기 신호 진폭의 절반을 초과하지 않는 다면, 그 보다 두 배가 더 긴 다음 집적 기간에 전체 신호 진폭을 초과하지 않게 되며, 이에 따라 픽셀 로커스에서의 휘도가다음의 부가적인 집적 기간 동안 크게 변하지 않으면, 더 집적될 수 있게 된다. 그러나, 픽셀 신호(06)가 집적 기간이내에 신호 진폭의 절반을 초과하지 못하면, 두배가 더 긴 다음 집적 기간 동안에 전체 신호 진폭을 초과하게 될 것이며, 이에 따라 집적은 종료되어야 한다. 이러한 선택가능한 집적 시간과 비교 전압의 조합으로 인하여, 집적된 픽셀 전압은 항상 상기 전체 신호 진폭의 상측 절반이 된다. 하측 비교 전압의 선택은 집적 위상의 과정에서 휘도의 동요에 있어서의 안정성이 향상됨을 나타낸다. 이는, 픽셀이 포화되지 않으면서 집적 위상의 기간 동안 제한된 정도까지 증가할 수 있게 한다.

픽셀 신호(46)와 집적 신호(47)는 도 3에 도시된 상대 조명의 강도에 따라 집적되어 있으며, 이들은 로컬 자동 적응 픽셀의 매우 유리한 특성을 보여준다. 수평 축위에서의 강도의 대수적인 플롯팅에 의하면, 픽셀 신호 곡선은 커브형태로 나타나는 반면, 지수적인 간격으로 분포되어 있는 다수의 램프 단계(11)는 동일한 폭들을 갖는다.

도 4에 도시된 블록도는 영역 센서 내의 주변 기기들(53, 55, 58)와 함께 픽셀 회로(50)의 상호작용을 개략적으로 도시하고 있다. 집적 위상 기간 동안, 집적 제어부(55)는, 출력 클럭 펄스(CLK 66)로부터 집적 제어부(55)에 의해 발생되는 리셋(20), 클럭 펄스(09), 램프(11) 및 비교전압(Ucomp 08)과 같은 필요한 제어신호와 함께, 칼럼들 및 로우들 내에 배열된 픽셀 매트릭스(51)의 픽셀들(50)을 제공한다. 신호들이 모든 픽셀들(50)에 대하여 함께 발생되어, 픽셀 매트릭스(51)의 픽셀들(50)은 동기화되어 그 집적 기간을 시작하며, 이들은 상기 설명된 종료 시간을스스로 선택한다.

레디(Ready) 출력(67)의 신호는 칩 외부의 회로부분들에 신호에 의해 집적 위상의 종료를 나타낸다. 라인 어드레스 (ZA 64)와 라인 해제 신호(ZEN)가 라인 디코더(53)에 인가될 수 있으며, 상기 라인 디코더(53)는 바람직한 라인 판독 라인(52)을 제어한다. 상기 라인 판독 라인(52)은 라인내 모든 픽셀(50)의 픽셀 리딩 라인 리드(20)에 연결되어 있고, 선택된 라인의 모든 픽셀들(50)이 그들의 집적된 픽셀 신호(06) 및 고정 집적 신호(14)를 픽셀 신호 칼럼 라인(18) 및 집적 신호 칼럼 라인(19) 상에 출력하도록 보장한다.

칼럼 제어/읽기부(58)에 평행으로 인가되는 모든 픽셀 신호 및 집적 신호 칼럼 라인(56, 57) 중에서, 상기 칼럼 제어/읽기부(58)는 내부적으로 공급되는 칼럼 어드레스(SA 63)에 의하여 선택된 칼럼을 선택한다. 인가된 칼럼 해제 신호(SEN 62)에 의해, 선택된 픽셀 신호(06) 및 선택된 집적 신호(14)는 픽셀 출력(Pixaus 59) 및 집적 신호 출력(Intaus 60)으로 출력된다. 모든 픽셀(50)을 성공적으로 읽어낸 후에는, 다음 집적 위상이 시작 신호(61)에 의해 집적 제어부(55)에서 시작된다.

본 발명은 매우 동적인 영상 장면들을 기록하는 "로컬 자동 적응 방법"에 따라 영상 센서들을 동작시키는 방법에 관한 것이다.

Claims (14)

1. a) aa) 감광도에 의존하는 광전기 전류를 그에 해당하는 광 강도를 갖는 광전기로 변환하는 광감지 수단(01)과;

   ab) 집적 위상 기간 내에 소정의 집적 시간 동안 상기 광전기 전류를 집적하는 집적 장치(04, 05)와;

   ac) 상기 집적 기간의 시작 및 종료 시간을 결정하는 기간 제어 장치(07-10)와;

   ad) 집적된 상기 광전기 전류의 양에 해당하는 읽기 위상 기간 동안 픽셀 신호를 중계하는 읽기 장치(15)로 각각 구성되는 광 변환 픽셀들의 배열과;

   b) 상기 픽셀들에 의해 중계된 이전에 알려진 신호를 처리하고, 그로부터 발생된 출력 신호를 제공하는 장치와;

   c) 상기 출력신호가 영상 센서에 의하여 픽업된 광 영상을 반사하는 신호가 되는 방식으로, 제어 신호와 함께 모든 픽셀에 존재하는 상기의 모든 장치들을 제공하는 픽셀 제어 장치로 구성되는 집적 영상 센서들의 동작 방법에 있어서,

   더 높은 광 강도들은 더 짧은 집적 기간들을 야기시키고, 더 낮은 광 강도들은 더 긴 집적 기간들을 야기시키도록, 상기 기간 제어 장치가 집적 시간의 끝점을 광 강도의 함수로서 선택하는 방식으로, 상기 픽셀들의 상기 기간 제어 장치는 상기 픽셀의 집적 장치에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기간 제어 장치는 전자 스위치의 도움으로 상기 집적 기간의 종료 시간에 영향을 주며, 여기서 상기 전자 스위치는 상기 집적 장치로의 광전기 전류의 흐름을 차단하여 상기 집적 시간을 종료시키도록 설치되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기간 제어 장치는 전자 스위치의 도움으로 상기 집적 기간의 종료 시간에 영향을 주며, 여기서 상기 전자 스위치는 이전에 알려진 집적 장치와 다른 저장 장치의 사이 루프되도록 설치되어, 상기 집적 위상 기간이 종료된 후에 상기 저장 장치가 상기 집적 장치에 의해 전달되는 신호의 상기 종료 시간과 관련된 신호를 저장하도록 하기 위하여, 상기 전자 스위치는 상기 종료 시간에 상기 집적 장치와 상기 저장 장치 사이의 신호 경로를 차단하는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 각 픽셀은 상기 집적 위상이 끝난 후 집적 기간 정보를 저장하며, 상기 정보는 각 픽셀의 상기 집적 기간이 얼마나 오랫 동안 지속되는 지에 대한 정보를 제공하며, 상기 픽셀 신호와 함께 읽혀지는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 집적 기간 정보는 디지털 신호로 표현되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 집적 기간 정보는 아날로그 신호로 표현되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 집적 기간 정보는 진폭 이산화된 아날로그 신호로 표현되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 신호는 전적으로 픽셀 내에서만 발생되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
9. 제 4 항에 있어서, 상기 신호는 외부로부터 상기 픽셀에 인가되는 신호의 도움으로 상기 픽셀 내에서 발생되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
10. 제 4 항에 있어서, 상기 신호는 각각의 종료 시간에 외부로부터 상기 픽셀에 적절히 인가되며, 적절한 시간에 상기 픽셀에 의해 보유되어야만 하는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
11. 선행하는 모든 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기간 제어 장치는 상기집적 위상 기간 내에서 단지 몇 번의 이산 시간에만 상기 픽셀 신호 집적의 종료를 결정할 수 있으며, 상기 이산 시간은 외부로부터 상기 픽셀에 인가되는 신호에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 외부적으로 정의된 시간은, 종료 시간의 선정에 따라 선택될 수 있는 집적 기간이 고정 요소로 인하여 다음의 더 짧은 선택가능한 집적 기간보다 더 길다는 점에서, 지수적인 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 외부적으로 정의된 시간은, 종료 시간의 선정에 따라 선택될 수 있는 집적 기간이 다음의 더 짧은 선택가능한 집적 기간보다 두배 길다는 점에서 이중의 지수적인 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서들의 동작 방법.
14. 각각의 픽셀 신호 처리 유닛이:

    광감지 수단(01)을 때리는 입사광을 광 강도에 의존하는 광전기 전류로 변환시킬 수 있는 픽셀 수신 장치(01, 02)와;

    소정의 집적 기간 동안 상기 광전기 전류를 집적하는 집적 장치(05)와, 그리고

    읽기 위상 기간 동안 집적된 광전기 전류에 대응하는 픽셀 신호를 판독하는읽기 장치를 구비하며, 여기서 상기 픽셀 신호 처리 유닛에 의하여 판독된 픽셀 신호는 공동 처리 장치에 의하여 처리될 수 있고 상기 영상 센서에 의해 수신된 광 영상을 반사하는 신호에 조합되는, 다수의 픽셀 신호 처리 유닛으로 구성된 영상 센서 제어 장치에 있어서,

    상기 픽셀 수신 장치는, 상기 집적 시간이 입사광의 강도를 고려하여 상기 집적 장치(05)가 포화 상태가 되기 전에 종료되도록, 상기 집적 시간의 종료를 미리결정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 센서 제어 장치.