KR100697541B1

KR100697541B1 - 촬상 회로 및 공간 보상의 방법

Info

Publication number: KR100697541B1
Application number: KR1019990019975A
Authority: KR
Inventors: 스티븐엠. 도머; 제퍼리이. 빌즈
Original assignee: 프리스케일 세미컨덕터, 인크.
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2007-03-21
Also published as: JP4364348B2; US6583816B1; TW432872B; KR20000005795A; JP2000032351A

Abstract

촬상 시스템(10) 및 촬상 방법은 투사된 광에 대한 응답들이 균일하지 않은 광센서(32)내의 광활성 소자들에 의해 발생되는 픽셀 신호들의 서로 다른 진폭들에 대해 보상을 행한다. 상기 센서는 소정 영역내의 광활성 소자들의 응답이 거의 동일하도록 영역(52)들로 분할된다. 처리 회로(34)는 서로 다른 영역들에서 발생된 픽셀 신호들이 수신되는 경우 이득을 동적으로 조절하는 프로그램가능 이득 증폭기(72)에 따라 서로 다른 영역들중의 서로 다른 응답들에 대해 보상한다.

픽셀 신호, 이득 변경, 제어 데이터, 광센서, 광활성 소자, 프로그램가능 이득 증폭기, 픽셀 어드레스, 광센서의 영역

Description

촬상 회로 및 공간 보상의 방법{Imaging circuit and method of spatial compensation}

도 1은 본 발명에 따른 영상 포착 시스템의 같은 크기의 부분 분해 조립도.

도 2는 본 발명에 따른 픽셀 신호들에 대한 처리 회로를 도시하는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 촬상 시스템 12 : 영상

20 : 영상 포착 장치 21 : 컴퓨터

22 : 표시 장치 24 : 패키지

26 : 촬상 집적 회로 28 : 리드(lid)

30 : 투명부 32 : 광센서

34 : 처리 회로 37 : 와이어 본드

35, 36, 38, 71 : 버스 39 : 리드(lead)

43 : 도체 45, 65, 70 : 노드

62, 63 : 멀티플렉서 66 : 픽셀 어드레스 발생기

68 : CDS(correlated double sampling) 회로

72 : 프로그램가능 이득 증폭기 76 : 메모리 회로

80 : ADC(analog to digital converter)

본 발명은 반도체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 집적 촬상 회로에 관한 것이다.

스캐너 및 디지털 카메라 등의 고해상도 촬상 시스템들은 피사체로부터의 광을 렌즈를 통해 그리고 광센서로 투사함으로써 영상들을 포착한다. 전하 결합 소자, 포토다이오드, 포토트랜지스터 등의 광활성 감지 소자들의 어레이로 구성되는 반도체 다이상에 센서를 조립함으로써 제조 원가를 저렴하게 하고 저전력으로 동작하게 할 수 있다. 광활성 소자들은 가시 촬상 데이터를 생성하도록 촬상 회로를 통해서 처리되는 비례 화소 신호들을 발생함으로써 피사체로부터 투사되는 광에 응답한다.

대부분의 촬상 시스템에 있어서, 센서의 서로 다른 영역들은 영상으로부터 투사된 광에 대해 서로 다른 응답들을 갖는다. 즉, 센서의 서로 다른 영역들에서의 광활성 소자들은 광세기가 같을 지라도 서로 다른 진폭들의 픽셀 신호들을 발생한다. 이러한 비균일성들은 다이 양단에서의 반도체 처리 변화 또는 초점 렌즈들에서의 수차 또는 센서 양단의 열 구배에 의해 야기될 수 있다. 따라서, 장애성 섀도우들이 표시된 영상의 일부분들에 나타나게 된다.

그러므로, 광센서의 서로 다른 영역들을 가로지르는 광에 대한 서로 다른 응답들에 대해 보상할 수 있는 개선된 촬상 시스템이 요구되고 있다.

도면들에 있어서, 동일 도면 번호를 갖는 요소들은 동일한 기능성을 갖는다.

도 1은 영상 포착 장치(20), 컴퓨터(21), 표시 장치(22)를 포함하는 스캐너(10) 또는 그와 유사한 영상 포착 시스템의 같은 크기의 부분 분해 조립도이다. 스캐너(10)는 이하에서 기술되는 바와 같이 표시 장치(22)에 의해 표시하는데 있어 인식 가능한 포맷으로 디지털 데이터로 변환하기 위하여 영상(12)을 포착한다.

패키지(24)는 영상(12)으로부터 반사된 광을 투과하는 투명부(30)를 갖는 리드(lid)(28)를 구비한 촬상 집적 회로(26)를 수납한다. 광은 집적 회로(26)의 영역에 형성된 광센서(32)상에 투사된다. 광센서는 픽셀 센서들로서 기능하는 포토디텍터로서 나타내어지는 광활성 반도체 소자들의 어레이처럼 형성된다.

투명부(30)는 광센서(32)가 배치되는 초점 평면에 광의 초점을 맞추기 위한 초점 렌즈로서 동작한다. 대안적으로는, 영상(12) 및 센서(32) 사이에 삽입되는 외부 렌즈(도시하지 않음)에 의해 초점을 맞출 수도 있다. 투명부(30)를 통해 센서(32)의 포토디텍터들상에 투사된 광은 광세기에 비례하여 아날로그 픽셀 신호들을 생성한다. 대부분의 시스템들에 있어서, 투명부(30) 및/또는 외부 렌즈의 불완전성으로 인해 광세기는 균일하지 않게 센서(32)를 가로질러 투과되게 된다. 다른 시스템들에 있어서, 비균일 픽셀 신호들은 집적 회로(26) 양단에서의 열 구배나 공정 변화에 기인하여 광세기가 동일할지라도 센서(32)의 서로 다른 영역(52)들에서 발생될 수 있다. 포토디텍터들의 이러한 비균일성 응답은 표시된 영상의 일부에 장애성 섀도우를 생성한다.

이러한 문제를 보상하기 위하여, 센서(32)는 국소 영역들(52)로 분할되고, 이 영역들 내에서는 상이한 포토디텍터들 상에 동일한 광 강도가 투사될 때, 실질적으로 진폭이 같은 픽셀 신호들이 생성된다. 영역(52)들의 물리적 크기는 센서(32)를 가로지르는 광에 응답하여 가변적으로 결정된다. 변화가 큰 경우에, 센서(32)는 영역(52)내의 포토디텍터가 거의 동일한 광응답을 갖게 하도록 더 작은 영역(52)들로 분할된다. 서로 다른 영역(52)들 내의 포토디텍터들에 의해 생성된 픽셀 신호들의 진폭 차는, 섀도우를 감소시키거나 제거하도록 신호 처리 회로(34)에 의해 보상된다. 센서(32)의 광에 대한 응답은 스캐너(10)의 렌즈 품질, 열 구배 등에 의존한다.

도 1의 실시예에 있어서, 스캐너(10)는 단색성이다. 즉, 흑백을 감지한다. 센서(32)는 43개의 영역(52)들에 배치된 2,752개의 포토디텍터의 한 로우(row)로 구성된다. 그러므로, 각각의 영역(52)은 64개의 포토디텍터들 및 그것들의 관련 선택 회로를 포함한다. 디지털 카메라에 사용되는 경우, 통상적으로 센서(32)는 포토디텍터들의 하나의 로우로서보다는 오히려 포토디텍터들의 로우/컬럼 매트릭스 로서 구현된다.

다양한 다른 구성들이 센서(32)에 대해 가능하다는 것을 유의한다. 예를 들면, 스캐너(10)가 칼라 영상들을 포착하도록 구성되는 경우에, 칼라 필터들은 영상 및 센서(32)간에 삽입될 수 있으므로 각각의 포토디텍터들은 특정 색의 광에 응답한다. RGB 시스템에 있어서, 센서(32)는 적색광에 응답하는 소자들의 한 로우와, 청색광에 응답하는 또다른 로우와, 녹색광에 응답하여 제 3 로우를 포함할 수도 있다. 서로 다른 색들에 대해 응답하는 포토디텍터들이 동일 영역내에 결합되든지 또는 결합이 안되든지 영역들의 분할은 본 발명의 이점들을 얻도록 상기 로우들내에 또는 상기 로우들중에 행해질 수 있다. 원하는 경우, 각각의 광활성 소자는 그 영역(52)에 배치될 수 있으므로, 처리 회로(34)는 센서(32)내의 포토디텍터들중 임의의 포토디텍터중의 감도 차이를 보상한다.

소정의 렌즈 설계 또는 광 시스템 또는 공정 변화가 종종 다이를 가로지르는 섀도우의 예측 가능한 시스템 유형을 갖기 때문에, 영역(52)내로의 센서(32)의 분할은 통상적으로 스캐너(10)가 그 현상 상태 동안 특성을 갖게 되는 경우에 행하여진다. 대안적으로는, 스캐너(10)는 사용자가 필요한 만큼 영역들의 수를 조절할 수 있도록 측정 회로로 구성될 수 있다.

신호 처리 회로(34)는 컴퓨터(21)로부터 노드(45)상의 사용자가 선택한 시작 및 종료 어드레스들을 수신하여 주사 경계를 규정한다. 이 어드레스들은 포토디텍터들의 픽셀 신호들이 버스(38)상에 제공되는 그 포토디텍터들을 선택하기 위하여 도체(35, 36)들상에 어드레스 데이터를 발생시키는데 이용된다. 회로(34)는 패키 지(24)의 와이어 본드(37) 및 리드(lead)(39)에서 디지털 촬상 데이터를 생성하도록 픽셀 신호들을 처리한다. 대안적인 응용에 있어서, 병렬 촬상 데이터가 다중 리드들상에 제공되며 버스를 통해 컴퓨터(21)로 전송된다.

컴퓨터(21)는 시작 및 종료 주사 어드레스들을 생성하고 제어 데이터를 회로(34)에 제공하도록 프로그램된 디지털 신호 처리 장치이다. 센서(32)의 각각의 영역(52)은 이하에서 기술되는 바와 같이 포토디텍터들의 감도 차이에 대해 보상하는데 이용되는 제어 데이터의 대응되는 값을 갖는다. 컴퓨터(21)는 또한 출력 장치(22)상에 포맷화되어 가시화되도록 회로(34)로부터 디지털 촬상 데이터를 수신한다. 출력 장치(22)는 모니터로서 도시되어 있지만, 프린터 등의 또다른 종류의 장치, 디스크 드라이브 등의 저장 장치 등으로 할 수도 있다.

도 2는 광센서(32) 및 처리 회로(34)를 포함하는 집적 회로(26)의 구성을 도시하는 도면이다. 센서(32)에 의해 발생된 픽셀 신호들은 버스(38)상에 병렬로 제공된다. 픽셀 신호들이 2 스테이지 멀티플렉싱 회로에 의해 노드(65)상에서 직렬 스트림으로 변환되도록 선택된다. 제 1 멀티플렉싱 스테이지는 센서(32)의 43개의 영역들중 한 영역을 선택하기 위한 멀티플렉서(62)를 포함한다. 상기 선택은 픽셀 어드레스 발생기(66)로부터 6비트 버스(36)상에 제공된 어드레스 데이터에 의해 제어된다. 그러므로, 멀티플렉서(62)는 선택된 영역내에 발생된 64개의 픽셀 신호들을 제공하기 위하여 64비트 버스(71)에 결합된 64개의 출력들 및 버스(38)에 결합된 2,752개의 입력들을 갖는다. 멀티플렉서(62)는 43 아날로그 멀티플렉서중의 하나로서 동작하도록 전송 게이트 등의 아날로그 스위칭 소자들의 디코딩 매트릭스로 서 실행된다.

제 2 멀티플렉싱 스테이지는 멀티플렉서(62)에 의해 선택된 영역(52)내의 픽셀 신호들중에서 선택하는 64 아날로그 멀티플렉서(63)중 하나를 포함한다. 멀티플렉서(63)의 입력들은 픽셀 신호들을 수신하기 위해 버스(71)에 결합되고 선택된 픽셀 신호는 노드(65)상에 제공된다. 멀티플렉서(63)는 멀티플렉서(62)의 매트릭스와 유사한 아날로그 스위칭 소자들의 매트릭스를 포함한다. 영역(52)내의 픽셀 신호들은 픽셀 어드레스 발생기(66)로부터 6비트 버스(35)상에 제공된 어드레스 데이터에 따라 선택된다.

픽셀 어드레스 발생기(66)는 주사의 경계들을 설정하기 위해 노드(45)상의 컴퓨터(21)로부터 시작 및 종료 어드레스들을 수신한다. 픽셀 어드레스 발생기(66)는 버스(35, 36) 상에 직렬의 이진 픽셀 어드레스들을 생성하도록 시스템 클록 SYSCLK에 따라 증분되는 하나 이상의 프로그램가능 카운터를 포함한다. 이진 픽셀 어드레스들은 멀티플렉서(62, 63)들에 인가되어 노드(65)상에 픽셀 신호들의 직렬 스트림을 생성한다.

CDS(correlated double sampling) 회로(68)는 시스템 잡음을 받아들이지 않으면서 픽셀 신호들로부터 투사된 광정보를 추출하는 샘플 홀드 감도 증폭기로서 동작한다. 노드(70)에 결합된 출력에서 아날로그 감도 신호들의 스트림을 제공하도록 픽셀 신호들을 감지하기 위해 입력을 노드(65)에 결합한다. 샘플 홀드 기능은 픽셀 신호들의 레이트와 동기하도록 시스템 클록 SYSCLK으로부터 시간이 조절된다. CDS는 픽셀 신호들을 감지하도록 촬상 회로들에 이용되는 표준 방법이다. 간 단히 언급하면, 선택된 픽셀 신호는 두 부분을 갖는다. 즉, 진폭이 광제로 상태를 나타내는 기준 부분(또는 암부)과, 픽셀 신호를 발생하도록 진폭이 포토디텍터상에 투사된 광의 세기를 나타내는 신호 부분(또는 광부)을 갖는다. 기준 레벨은 SYSCLK의 천이에 대해 CDS 회로(68)에 의해 샘플링되고 신호 레벨은 기준 레벨을 유지하면서 또다른 SYSCLK 천이에 대해 샘플링된다. CDS 회로(68)는 신호 레벨로부터 기준 레벨을 감하고 그 차를 증폭하여 노드(70)상에 아날로그 감도 신호를 생성한다. 그러므로, 아날로그 감도 신호들은 대응하는 포토디텍터들상에 투사된 광의 세기에 관한 정보를 포함한다.

프로그램가능 이득 증폭기(PGA)(72)는 노드(74)에서의 제어 입력에서 수신된 디지털 CONTROL 데이터("제어" 데이터)에 따라 이득이 설정되는 아날로그 증폭기로서 동작한다. 신호 입력은 노드(70)에 결합되어 아날로그 감도 신호들의 스트림을 수신하고 노드(78)에서의 출력은 촬상 신호 스트림을 제공한다. PGA(72)는 CONTROL 데이터의 인가된 값에 의해 크기가 설정되는 이득으로 각각의 아날로그 감도 신호를 증폭한다. 각각의 영역(52)은 스캐너(10)가 그 현상 단계 동안 특성을 갖게 되는 경우에 통상적으로 설정되는 CONTROL 데이터의 해당 값을 갖는다. CONTROL 값들을 설정하는 대안적인 방법들은 표시된 영상의 영역들 및 센서(32)의 영역(52)들 간의 고유 매핑의 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 사용자는 서로 상이한 영역(52)들의 광에 대한 서로 상이한 응답들에 의해 형성된 섀도우 영역들을 보상하도록 그래픽 인터페이스를 통해 CONTROL 데이터를 수동으로 조절하면서, 백색 영상을 포착하여 그것을 표시 장치(22)에 가시화할 수 있다.

메모리 회로(76)는 도체(43)상의 컴퓨터(21)로부터 전송된 CONTROL 데이터를 저장한다. 픽셀 어드레스들은 픽셀 신호들을 선택하도록 멀티플렉서(62, 63)에 인가되고 CONTROL 데이터를 검색하도록 메모리 회로(76)에 인가되므로, 멀티플렉서(62, 63)들을 제어하는 동일 픽셀 어드레스들은 메모리 회로(76)로부터의 CONTROL 데이터를 액세스하는데 이용된다. 그러므로, 아날로그 감도 신호들이 PGA(72)를 통해 증폭될 때, 광에 대한 영역(52)들의 서로 다른 감도를 보상하도록 PGA(72)의 이득을 동적으로 변경시키기 위하여 노드(74) 상의 메모리 회로(76)로부터 정확한 CONTROL 데이터가 검색된다. 실질적으로, 이득 "진행중(on the fly)"을 변경하는 것은 고화질의 표시 영상을 생성할 수 있도록 센서(32) 양단의 비균일성을 공간적으로 보상한다.

노드(78)상의 촬상 신호 스트림은 아날로그 디지털 변환기(ADC)(80)의 입력에 인가되어 와이어 본드(39)에 결합된 출력에서 디지털 촬상 데이터로 변환된다. 촬상 신호 스트림은 SYSCLK에 의해 설정된 레이트로 제공됨을 상기한다. 촬상 신호 스트림과 동기하도록, ADC(80)는 SYSCLK에 따라 클록되어 촬상 신호 스트림을 그 수신시에 디지털 촬상 데이터로 변환한다.

이제까지의 설명에 의하면 본 발명은 광센서 양단의 비균일성 응답을 보상하는 회로 및 방법을 제공한다. 이 비균일성으로 인해 소정 세기의 광에 대해 다른 진폭들을 갖는 광센서의 다른 영역들에서 픽셀 신호들이 발생된다. 광센서는 각 영역내의 포토디텍터들이 소정 광세기의 거의 동일한 픽셀 신호들을 생성할 수 있도록 하는데 충분히 미세한 물리적 영역들로 분할된다. 처리 회로는 픽셀 신호들이 생성되는 영역들이 변화하는 경우에 이득이 조정되는 프로그램가능 이득 증폭기에 의해 서로 다른 영역들중의 서로 다른 응답들에 대해 보상한다.

Claims

촬상 장치에 있어서,

광센서의 영역들상에 투사된 광에 응답하여 발생된 픽셀 신호들을 제공하는 출력을 갖는 상기 광센서; 및

상기 픽셀 신호들을 수신하도록 결합된 제 1 입력과, 촬상 신호를 제공하는 제 1 출력과, 상기 픽셀 신호들이 상기 광센서의 서로 다른 영역들에서 발생되는 경우에 상기 픽셀 신호들을 서로 다른 이득들로 증폭하기 위해 제어 데이터를 수신하도록 결합된 제어 입력을 구비하는 증폭기를 포함하는, 촬상 장치.
영상 포착 방법에 있어서,

광센서의 서로 다른 영역들상에 투사된 광에 응답하는 차이를 보상하기 위해, 제어 데이터에 응답해서 픽셀 신호들의 이득을 증폭기를 통해 변경하는 단계를 포함하는, 영상 포착 방법.
영상 포착 방법에 있어서,

제 1 및 제 2 픽셀 신호들을 생성하기 위해 광센서의 제 1 및 제 2 영역들상에 투사된 광을 감지하는 단계;

상기 제 1 픽셀 신호를 증폭하는 제 1 제어 데이터로 증폭기의 이득을 설정하는 단계; 및

상기 광에 대한 상기 광센서의 상기 제 1 및 제 2 영역들의 응답들을 동일하게 하도록 상기 제 2 픽셀 신호를 증폭하는 제 2 제어 데이터로 상기 증폭기의 이득을 변경하는 단계를 포함하는, 영상 포착 방법.