KR100875140B1 - 기준전압이 자동으로 조절되는 저전력 이미지 센서 및 이이미지 센서가 포함되어 하나의 칩 상에 집적된 집적회로 - Google Patents

기준전압이 자동으로 조절되는 저전력 이미지 센서 및 이이미지 센서가 포함되어 하나의 칩 상에 집적된 집적회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 주로 광마우스나 핑거 마우스 등 광 포인팅 장치에 사용되는 저전력 이미지 센서에 관한 것으로서,
피사체로부터 광을 감지하여 이미지 신호를 출력하는 이미지 센서에 있어서, 피사체로부터 광을 감지하여 전기신호로 변환하여 출력하는 이미지 센서부; 상기 이미지 센서부로부터 전기신호를 수신하여, 상기 전기신호의 전압 레벨을 기준전압과 비교한 후, 픽셀 당 1 비트(bit) 신호로 이미지 신호를 출력하는 비교부; 및 상기 비교부로부터 출력된 이미지 신호의 비트값 분포를 기 설정된 유효범위와 비교하여 상기 기준전압을 조절하여 유효 이미지를 출력하도록 하는 유효 이미지 조절부;를 포함하여 이루어진다.
이미지 센서, 기준전압 조절, 유효이미지 판단

Description

기준전압이 자동으로 조절되는 저전력 이미지 센서 및 이 이미지 센서가 포함되어 하나의 칩 상에 집적된 집적회로{LOW POWER IMAGE SENSOR ADJUSTING REFERENCE VOLTAGE AUTOMATICALLY AND INTEGRATED CIRCUIT INTEGRATING THE IMAGE SENSOR ON ONE CHIP}
본 발명은 기준전압이 조절되는 저전력 이미지 센서 및 이 이미지 센서가 포함되어 하나의 칩 상에 집적된 집적회로에 관한 것으로서, 상세하게는, 주로 광마우스나 핑거 마우스 등 광 포인팅 장치에 사용되는 이미지 센서에 관한 것이다.
본 발명은 주로 광마우스나 핑거마우스 등 광 포인팅 장치에 사용되는 이미지 센서에 관한 것으로서, 일반적으로 광마우스나 핑거마우스는 마우스 패드나 손가락의 지문 이미지를 감지하여 움직임의 방향 및 속도를 계산하여 포인팅 기능을 한다.
종래 일반적인 광마우스나 핑거 마우스에 사용되는 이미지 신호 처리 칩은 도 1과 같은 구성을 갖고 있다.
도 1에 도시된 이미지 센서는 마우스 패드나 손가락 지문과 같은 영상정보를 감지하는 센서를 나타낸 것이다.
셔터제어부는 이미지 센서의 각 픽셀의 적분시간을 조정하여 감도를 조정하는 회로부이다. A/D 변환부는 이미지 센서에서 나온 아날로그 신호를 디진털로 변환하는 회로부이며 일반적으로는 4bit이상의 gray 신호로 출력이 된다.
전처리부는 4bit 이상의 디지털 이미지 신호를 움직임 연산을 쉽게 하기 위해 1bit으로 변환하는 역할을 한다. 따라서 전처리부는 최적의 1bit 이미지 정보를 얻기 위해 DCT(Discrete Cosine Transform)와 같은 복잡한 DSP(Digital Signal Processing) 기능을 갖고 있어야 한다.
움직임 연산부는 현재 이미지와 이전 이미지를 비교하여 움직임의 방향 및 속도를 계산한다. 마지막으로 PC 인터페이스부는 움직임 연산부에서 계산된 정보를 PC로 전송해 주는 역할을 한다.
움직임의 방향 및 속도를 쉽게 계산하기 위해서는 1bit 이미지가 필요하기 때문에 전처리부는 반드시 필요한 필수 구성요소이다. 그러나 복잡한 DSP 기능을 갖고 있는 전처리기는 큰 칩 면적과 많은 소비전력을 필요로 한다는 문제가 있다. 특히, 소형의 모바일기기에 사용되기 위해서는 소형이면서도 소모전력이 작고 이미지 처리 속도가 빨라야 하는데, 종래 이미지센서로는 이러한 요구를 충족하지 못하고 있다.
전술한 종래 기술의 문제점을 해결하는 방법으로 칩 면적을 줄여 원가를 절감하거나 소비전력을 줄이기 위해서는 이미지 센서에서 곧바로 1bit 이미지 신호를 출력하는 것이 필요하다.
이를 위해서 본 발명에서는, A/D 변환부를 단순 비교기로 대신하여, 각 픽셀의 출력전압을 기준전압과 비교하여 이미지 신호를 출력하는 방법을 제안하려 한다.
그러나 단순 비교기의 기준 전압을 최적의 이미지를 얻도록 결정하는 것은 거의 불가능하며 가능하다고 해도 양산성이 매우 떨어지게 된다는 문제가 있다.
도 2는 1bit 이미지를 구현하는 방법 및 그 구현예를 나타내는 도면이다. 도 2와 같이 원본 이미지를 4bit 전처리기를 통해 1bit으로 변환하면 선명한 1bit 이미지를 얻을 수 있다. 그러나 이미지 센서의 출력신호를 비교기를 통해 바로 1bit 이미지를 얻으려면 기준 전압에 따라 각각 다른 이미지를 얻게 된다는 문제가 있었다.
4bit 전처리기를 통해 얻은 고품질의 1bit 이미지를 단순 비교기를 통해 얻기 위해서는 입력되는 이미지에 따라서 비교기의 기준 전압을 그 때 그 때 적절히 조정해 주어야 한다.
따라서 A/D 변환부를 비교기로 대신하여 전처리부를 없애고 바로 신뢰성 있는 1bit 이미지를 출력하는 것은 불가능하다. 이러한 이유로 인해, 종래 기술에서 는 칩 면적을 크게 차지하고 소비 전력도 많이 소비하는 전처리기를 계속 유지하고 있는 것이다.
이에 본 발명은 종래 A/D 변환부를 비교기로 대체하여 1bit 이미지신호를 직접 출력하면서도, 최적 기준전압을 자동으로 조절하여 움직임 연산이 가능한 신뢰성 있는 이미지 신호를 출력하는 새로운 이미지 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 저전력 이미지 센서는, 피사체로부터 광을 감지하여 이미지 신호를 출력하는 이미지 센서에 있어서, 피사체로부터 광을 감지하여 전기신호로 변환하고, 상기 전기신호를 출력하는 이미지 센서부; 상기 이미지 센서부로부터 전기신호를 수신하여, 상기 전기신호의 전압 레벨을 기준전압과 비교한 후, 픽셀 당 1 비트(bit) 신호로 이미지 신호를 출력하는 비교부;를 포함하여 이루어진다.
이로써, 종래 기술의 A/D 변환부 및 전처리부 없이, 단순 비교기를 이용하여 1bit 이미지 신호를 출력함으로써, 이미지 센서의 처리속도를 향상시키고, 크기를 줄일 수 있게 된다.
이때, 상기 저전력 이미지 센서는, 상기 비교부로부터 출력된 이미지 신호의 비트값 분포를 기 설정된 유효범위와 비교하여 상기 기준전압을 조절하여 유효 이 미지를 출력하도록 하는 유효 이미지 조절부;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 유효 이미지 조절부는, 상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 이미지 신호에 포함된 비트 신호의 1 또는 0의 점유 정도를 기 설정된 유효범위와 비교하여 유효 이미지인지 여부를 판단하는 유효 이미지 판단부; 및 상기 유효 이미지 판단부에서 유효 이미지가 아니라고 판단한 경우, 상기 기준전압을 조절하는 기준전압 조절부;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 유효이미지 판단부와 기준전압 조절부를 통하여, 비교부의 기준전압을 조절함으로써 유효한 움직임 연산이 가능한 1bit 이미지 신호의 출력을 유지할 수 있다.
이때, 상기 유효 이미지 판단부는, 상기 비교부로부터 출력된 1비트 신호의 0 또는 1의 개수를 전체 픽셀에 대해 카운트하는 카운터; 및 상기 카운터에서 카운트된 0 또는 1의 개수가 유효이미지를 나타낼 수 있는 기 설정된 범위에 속하는지를 비교하여 유효 이미지 여부를 판단하는 디지털 비교기;를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 유효 이미지 판단부는, 상기 비교기에서 출력된 1비트 신호의 0 또는 1을 전체 픽셀에 대해 누적하는 적분기; 및 상기 적분기로 누적된 0 또는 1의 범위가 유효 이미지를 나타낼 수 있는 기 설정된 범위에 속하는지를 비교하여 유효 이미지 여부를 판단하는 아날로그 비교기;를 포함하여 이루어질 수도 있다.
이때, 상기 유효 이미지 판단부는, 상기 적분기를 대신하여 Charge pump를 이용할 수도 있다.
이상과 같이, 본 발명의 유효 이미지 판단부는, 디지털 방식 또는 아날로그 방식으로 다양하게 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 이미지 센서의 기준전압 조절부는, 상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, N회의 SAR (Successive Approximation Register) 방식으로 상기 기준전압을 업 또는 다운시켜 단계적으로 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기준전압 조절부는, 상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, 기준전압에 대한 업(up) 신호 또는 다운(down) 신호를 출력하는 기준전압 업다운 비교기; 및 상기 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 상기 기준전압을 업 또는 다운시키는 N to 2N 디코더;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이때, 상기 N회 SAR 방식을 이용하여 기준전압을 조절함에 있어서, 매 회마다 상기 유효 이미지 판단부에 의해 유효이미지 여부를 판단할 수도 있으며, 또한, N회가 종료된 후 유효 이미지 여부를 판단할 수도 있다.
이상과 같이, SAR 알고리즘을 사용하여 기준전압을 조절함으로써, 전력소모를 줄이면서도 보다 빠르게 기준전압을 최적값으로 조정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 이미지 센서의 다른 상기 기준전압 조절부는, 상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, 기준전압을 최소 조절 단위만큼 업 또는 다운시켜 조절할 수도 있다.
이때, 상기 기준전압 조절부는, 상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, 기준전압에 대한 업(up) 신호 또는 다운(down) 신호를 출력하는 기준전압 업다운 비교기; 및 상기 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 상기 기준전압을 업 또는 다운시키는 전압조절기;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명의 기준전압 조절은, SAR 방식을 이용하지 않고 최소 조절 단위만큼 업 또는 다운시키면서 기준전압을 찾는 방식을 이용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 이미지 센서의 또 다른 기준전압 조절부는, 상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, 기준전압을 연속적으로 업 또는 다운시켜 조절할 수도 있다.
이때, 상기 기준전압 조절부는, 상기 비교부로부터 출력된 1비트 신호의 0 또는 1을 전체 픽셀에 대해 누적한 값을 기준값과 비교하여, 기준전압에 대한 업(up) 신호 또는 다운(down) 신호를 출력할지 여부를 결정하는 기준전압 업다운 비교기; 및 상기 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 충전 또는 방전을 통하여 기준전압을 조절하는 Charge pump;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명의 기준전압 조절은 아날로그 방식으로 연속적으로 이루어질 수도 있다.
또한, 본 발명의 이미지 센서의 이미지 센서부는, 피사체로부터 광을 감지하여 전기신호로 변환하는 픽셀 어레이; 및 상기 픽셀 어레이의 각 픽셀의 전압신호를 행 단위 또는 열 단위로 선택하여 상기 비교부로 전달하는 선택부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이로써, 종래 기술과 달리 열 단위 또는 행 단위로만 각 픽셀의 전기신호를 비교부로 전달함으로써, 이미지센서의 속도를 향상시키고 크기를 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 저전력 이미지 센서는, 상기 이미지 센서부의 각 픽셀의 광 집적시간을 조절하는 셔터 제어부;를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
이로써, 이미지 센서 주변의 밝기에 따라 광 집적시간을 조정하여 감도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 저전력 이미지 센서가 포함되어 하나의 칩 상에 집적된 집적회로는 전술한 특징을 갖는 저전력 이미지 센서의 기능부가 적어도 하나 이상 포함될 수 있다. 이렇게, 본 발명의 저전력 이미지 센서는 하나의 칩 상에 집적되어 구성될 수 있다.
본 발명에 의하여, 큰 칩면적을 차지하고 소비전력도 큰 전처리기를 없앨 수 있기 때문에 광 포인팅 이미지 센서의 원가를 크게 절감할 수 있고 소비 전력도 최소화 할 수 있는 저전력 이미지 센서를 제공할 수 있다.
또한 본 발명으로 A/D 변환부를 단순한 비교기로 치환이 가능하기 때문에 역시 칩 면적을 줄여 원가를 절감할 수 있으며 A/D 변환기의 소비 전력을 줄일 수 있어 저전력 이미지 센서의 제공이 가능하다.
또한, 본 발명의 주요 특징부인 자동 기준전압 조절부로 인하여 비교기의 기준전압이 인가되는 이미지에 따라 자동으로 조절이 되기 때문에 기존의 전처리기를 사용한 종래 기술의 성능을 전처리기 없이도 구현이 가능하다.
이하에서는 본 발명을 구현하기 위한 구체적인 기술적 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
전술한 종래 기술의 한계를 극복하기 위해서 본 발명은 자동전압이 자동으로 조절되는 저전력 이미지 센서를 새롭게 제안하며, 이를 이용하여 광마우스나 핑거 마우스의 이미지 신호 처리 칩의 A/D 변환부와 전처리기를 제거할 수 있어 원가 절감은 물론 낮은 소비전력을 갖는 새로운 이미지 신호처리 칩을 제공할 수 있다.
1. 전체 구성
본 발명의 일실시예에 따른 기준전압이 자동으로 조절되는 저전력 이미지 센서는, 도 3과 같이 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 저전력 이미지 센서는, 이미지 센서부(100), 비교부(200), 유효이미지 조절부{유효이미지 판단부(300), 기준전압 조절부(400)}를 특징적인 기본 구성으로 한다. 이러한 구성에 더하여, 이미지 센서의 각 픽셀의 적분시간을 조정하여 감도를 조정하는 셔터제어부(500)를 더 포함할 수 있으며, 본 발명의 이미지 센서가 광마우스나 핑거마우스 등의 포인팅 다바이스로 이용되는 경우, 도 3에서와 같이, 움직임 연산부(600) 및 인터페이스부(700)를 더 포함할 수도 있다.
이미지 센서부(100)는 피사체로부터 광을 감지하여 전기신호로 변환하여 출력하며, 비교부(100)는 이미지 센서부(100)로부터 수신된 전기신호의 전압 레벨을 기준전압과 비교하여 픽셀 당 1bit 신호로 이미지 신호를 출력한다.
2. 이미지 센서부의 구성 및 작용
이미지 센서부(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 피사체로부터 광을 감지하여 전기신호로 변환하는 픽셀 어레이(110) 및 픽셀 어레이(110)의 각 픽셀의 전압 신호를 행 단위 또는 열 단위로 선택하여 비교부(200)로 전달하는 선택부(130)로 구성된다.
행렬 형태의 픽셀 어레이(110)의 단위 픽셀은 일반적으로 입사한 광을 집적하는 포토 다이오드와 포토 다이오드에 의해 변환되는 전기적 신호를 출력시키기 위한 세 개의 트랜지스터로 구성된 회로로 구현될 수 있으며, 기타 1-Tr 구조 또는 4-Tr 구조 등으로 구성될 수도 있다. 픽셀 어레이(110)는 적절한 광 포인팅 이미지를 검출하기 위해 최소한 900픽셀(30×30)로 구성되는 것이 바람직하다.
픽셀 어레이(110)에서 출력된 각 픽셀의 전압신호는 선택부(130)에 의해 선택되어 비교부(200)로 전달된다. 종래의 광 포인팅 이미지 센서는 열 선택부와 행 선택부를 모두 구비하여 픽셀의 아날로그 신호가 출력되었기 때문에 이미지의 빠른 처리가 어렵고 전력 소비도 많이 발생하였으나, 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이 열 선택부(130)만을 사용하여 열 단위로 픽셀의 전기신호를 비교부(200)로 전달하도록 구성하여 전력소모를 줄이고 보다 빠른 신호처리를 구현하였다. 물론 열 선택부가 행 선택부로 대체될 수 있음은 물론이다.
비교부(200)는 열 선택부(130)에서 선택된 열 단위 신호에 대응하여 픽셀 어레이(110)의 행의 개수에 해당하는 전압 비교기를 가지며, 열 단위로 픽셀 어레이(110)에서 출력된 전압신호의 레벨을 기준전압과 비교한 후 기준전압보다 낮으면(또는 높으면) 디지털 신호 1로 병렬 출력하고, 기준전압보다 높으면(또는 낮으면) 디지털 신호 0으로 병렬 출력함으로써, 1 bit 데이터로 이미지 신호를 출력하게 된다.
종래의 이미지 센서와 달리, 본 발명의 이미지 센서는 각 픽셀의 이미지 신호를 1 bit로 출력함으로써, 연산부에서는 1 bit의 데이터를 처리하게 되어 종래 이미지 센서에 비해 회로의 동작을 단순화, 소형화할 수 있으며, 저전력으로 구동이 가능하다.
한편, 본 발명의 저전력 이미지 센서는, 이미지 센서부(100)의 각 픽셀의 광 집적시간을 조절하는 셔터 제어부(500);를 더 포함하여 구성될 수도 있다. 이로써, 이미지 센서 주변의 밝기에 따라 광 집적시간을 조정하여 감도를 조절할 수 있다.
셔터 제어부는, 열 선택부(130)의 동작 주파수를 조절하여 프레임 변화율을 변경함으로써 집적시간을 조절할 수 있다.　
3. 유효 이미지 판단부 및 기준전압 조절부의 구성 및 작용
한편, 1 bit의 데이터들로 피사체의 이미지를 정확하게 전달하기 위해서는 비교부(200)에서 사용하는 기준전압을 빠르고 정확하게 최적값으로 설정해 주는 것이 매우 중요하다.(도 2 참조) 일반적으로 광 포인팅 이미지 센서는 초당 최소 1000프레임 이상의 이미지를 검출할 수 있어야 하므로, 빠른 속도로 이미지를 검출해야만 한다. 따라서 이를 위해서는 최적화된 기준전압을 빠르고 정확하게 설정해 주는 것이 핵심이 될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명에서는 비교부(200)로부터 출력된 이미지 신호로 구성된 이미지가 움직임 연산이 가능한 유효 이미지인지 여부를 판단하고, 유효 이미지 일 경우 이미지 신호를 출력하고, 유효 이미지가 아닐 경우 상기 기준전압을 조절하여 유효 이미지를 출력하도록 하는 유효이미지 조절부를 새롭게 도입하였다. 구체적으로, 비교부(200)로부터 출력된 이미지 신호의 비트값 분포를 기 설정된 유효범위와 비교하여 상기 기준전압을 조절하여 유효 이미지를 출력하도록 한다. 유효 이미지 조절부는 유효이미지 판단부(300) 및 기준전압 조절부(400)로 구성된다.
이러한 본 발명의 특징적인 구성을 작용과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는, 종래 기술과 대비하여 A/D 변환부는 비교부(200)로 치환되었으며 전처리기 대신에 유효 이미지 판단부(300)와 유효 이미지 판단부(300)의 출력을 피드백 받아 비교부(200)의 기준 전압을 조정해 주는 기준 전압 조절부(400)가 사용되었다.
유효 이미지 판단부(300)는 비교부(200)에서 출력된 전체 픽셀의 이미지 신호에 포함된 비트 신호의 1 또는 0의 점유 정도를 기 설정된 유효범위와 비교하여 유효 이미지인지 여부를 판단한다. 유효 이미지의 정의는 도 5에 도시된 바와 같이, 전체 픽셀에 대한 1bit 이미지에서 0과 1의 개수가 일정 범위 안에 들어온다는 것을 말한다.
유효한 이미지라고 판단이 되면 현재의 기준전압을 고정하도록 기준전압 조절부(400)에 제어 신호를 보내고 비교부(200)에서 나온 1bit 이미지 신호를 움직임 연산부(600)로 보내준다. 만일 유효한 이미지가 아니라고 판단이 되면 0의 개수와 1의 개수 중 어느 것이 많은 지를 판단하여 그 판단 결과로 기준 전압 조절부(400) 를 제어하여 비교기의 기준 전압을 높이거나 낮추어 0과 1의 개수가 유효 범위 안에 들어오도록 한다.
1bit 이미지가 유효 범위 안에 들어오기 전까지는 유효하지 않은 1bit 이미지는 움직임 연산부(600)로 보내지 않게 되어 움직임이 없는 것으로 인식하게 된다. 기준전압 조절부(400)는 discrete 방식인 경우 DAC(Digital to Analog Converter) 형태가 될 수 있으며 아날로그 방식인 경우 charge pump 형태가 될 수도 있다.
3-1. 유효이미지 판단부의 구성 및 작용
본 발명의 유효 이미지 판단부의 구성은 다양하게 구현될 수 있으며, 이하에서는, 그 다양한 구현 방법에 대해 상세히 설명한다.
3-1-1. 유효 이미지 판단부를 디지털 카운터와 디지털 비교기로 구성
본 실시예에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 유효 이미지 판단부(300)를 카운터(310) 및 디지털 비교기(330)로 구성한다. 카운터(310)는 비교부(200)로부터 출력된 1bit 신호의 0 또는 1의 개수를 전체 픽셀에 대해 카운트하며, 디지털 비교기(330)는 카운터(310)에서 카운트된 0 또는 1의 개수가 유효이미지를 나타낼 수 있는 최적 범위에 속하는지를 비교하여 유효 이미지 여부를 판단한다.
유효 이미지라고 판단되면 더 이상 기준전압을 조정하지 않고 고정시키며, 비교부(200)에서 나온 1bit의 유효 이미지를 움직임 연산부(600)에 전달한다.
유효 이미지라고 판단하지 못하면 기준전압 조절부(400)에서 0의 개수와 1의 개수를 기준값과 비교하여(즉, 0 또는 1의 개수 중 어느 것이 큰지를 비교하여) 기준 전압을 재조정한다. 기준 전압을 조정하는 방법은 후술할 SAR type의 ADC에서 사용하는 방법 및 아날로그 방식의 charge pump를 사용한다.
본 실시예의 실제 구성 예를 설명하면 다음과 같다. 이미지 센서의 픽셀 개수가 1000개라고 가정하면 1000까지 셀 수 있는 카운터(310)가 1000개의 픽셀에서 0 또는 1의 개수를 센다. 유효 이미지의 정의를 0 또는 1의 개수가 400~600개 사이라고 가정하면 디지털 비교기(330)는 카운터 출력이 400~600 안에 들어오는지 비교하여 현재 이미지가 유효한 이미지인가를 판단한다. 유효 이미지가 아니라고 판단한 경우에는 기준전압 조절부(400)에 기준 전압의 조절 명령을 내리게 된다.
3-1-2. 유효 이미지 판단부를 아날로그 적분기와 아날로그 비교기로 구성
본 실시예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 유효 이미지 판단부(300)를 적분기(350)와 아날로그 비교기(370)로 구성한다. 적분기(350)는 비교부(200)에서 출력된 1bit 신호의 0 또는 1을 전체 픽셀에 대해 누적하여 아날로그 신호로 환산하며, 아날로그 비교기(370)는 적분기(350)로 누적된 0 또는 1의 범위가 유효 이미지를 나타낼 수 있는 최적범위에 속하는지를 비교하여 유효 이미지 여부를 판단한다.
유효한 이미지라고 판단되면 더 이상 기준전압을 조정하지 않고 고정시키며 비교부(200)에서 나온 1bit의 유효 이미지를 움직임 연산부(600)에 전달한다.
유효 이미지라고 판단하지 못하면 기준전압 조절부(400)에서 0의 개수와 1의 개수를 기준값과 비교하여(즉, 0 또는 1의 개수 중 어느 것이 큰지를 비교하여) 기준 전압을 재조정한다. 기준 전압을 조정하는 방법은 후술할 SAR type의 ADC에서 사용하는 방법 및 아날로그 방식의 charge pump를 사용한다.
본 실시예의 실제 구성 예는 다음과 같다. 도 8에 도시된 바와 같이, 적분기 또는 charge pump 회로에 1000개의 이미지 출력을 인가하여 0 또는 1의 개수를 아날로그 신호로 변환한다. 이후 아날로그 비교기를 통해서 변환된 아날로그 전압이 400~600개 사이에 들어오는 전압인지 판단하여 유효 이미지 여부를 판단한다. 유효 이미지가 아니라고 판단한 경우에는 기준전압 조절부(400)에 기준 전압의 조절 명령을 내리게 된다.
3-2. 기준전압 조절부의 구성 및 작용
3-2-1. SAR 알고리즘을 이용한 discrete 방식의 기준전압 조절
본 발명에서는, 기준 전압을 조절하는 방법으로 SAR type의 ADC에서 사용하는 알고리즘을 채용하였으며, 이를 이용한 본 발명의 일실시예에 따른 기준전압 조절부는, 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, N회의 SAR (Successive Approximation Register) 방식으로 상기 기준전압을 업 또는 다운시켜 단계적으로 조절하는 수단을 포함한다.
이러한 기준전압 조절부는, 기준전압 업다운 비교기 및 N to 2N 디코더를 포함하여 구성될 수 있다. 기준전압 업다운 비교기는, 비교부로부터 출력된 전체 픽 셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여 기준전압에 대한 업(up) 신호 또는 다운(down) 신호를 출력할지 여부를 결정하며, N to 2N 디코더는 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 기준전압을 업 또는 다운시켜 단계적으로 조절한다.
도 9를 참조하여, SAR 방식을 이용하여 기준전압을 조절하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 9와 같이 초기 첫 이미지를 이미지 센서부로부터 수신하여 중간값의 기준전압과 비교하는 비교부를 통해 전체 픽셀에 대한 1bit 이미지 신호를 수신하면 1과 0 중 어느 것이 많은지를 판단하여 중간값의 기준 전압을 1/4 또는 3/4로 변경한다.
변경 후 다시 이미지 센서부에서 나오는 신호를 변경된 기준 전압과 비교하는 비교부를 통해 전체 픽셀에 대한 1bit 이미지를 수신하면 다시 1이 많은지 0이 많은지를 판단하여 기준전압을 도 9와 같이 변경한다. 이와 같은 과정을 N번 반복하면 기준전압을 2N단계로 세밀하게 조정이 가능하다. 즉, N이 4라면 기존의 4bit 전처리기의 효과를 대신할 수 있는 알고리즘이다.
이와 같이 기준전압의 조정은 기본적으로 SAR 알고리즘을 사용하지만 유효 이미지를 판단하여 기준전압 조절을 통해 1bit의 유효한 이미지 신호를 출력하는 방법은 다음의 실시 예와 같이 다양하게 구현될 수 있다.
3-2-1-1. SAR 알고리즘의 매회 종료후 유효이미지 판단
초기 동작에서 N회 SAR 알고리즘으로 최적의 기준전압을 설정할 때, 매 회마다 유효 이미지 여부를 판단하여 유효 이미지가 아니라고 판단될 때만 SAR 알고리즘을 계속 진행한다.
매회 마다 실시한 유효이미지 판단에 따라 유효한 이미지라고 판단이 되면 더 이상 SAR 알고리즘으로 기준전압을 조정하지 않고 기준전압을 고정한 후 연속된 이미지 신호를 출력하며, 더 이상 유효한 이미지가 인가되지 않으면 다시 SAR 알고리즘을 구동하여 기준 전압을 재설정한다.
3-2-1-2. N회 SAR 알고리즘 후 유효이미지 판단
초기 동작에서 무조건 N회 SAR 알고리즘을 구동하여 최적의 기준전압을 설정한 후 최종 1bit 이미지 신호가 움직임을 연산하기에 유효한 이미지인지를 판단한다.
N회의 SAR 알고리즘을 구동한 후, 유효한 이미지라고 판단이 되면 기준전압을 설정된 값으로 고정하고 연속되는 이미지 신호들을 출력하며, N회의 SAR 알고리즘을 구동한 후에도 유효한 이미지라고 판단하지 않게 되면 1bit 이미지 신호를 출력하지 않고 N회의 SAR 알고리즘을 다시 처음부터 구동한다.
SAR 알고리즘 N회 종료 후 유효이미지를 판단하는 경우에는 언제나 최적의 기준전압을 구할 수 있는 장점이 있지만 초기 이미지 인가 시 N회의 SAR 알고리즘 이 구동되어야 하기 때문에 움직임을 연산하기까지 고정된 시간이 소요된다. SAR 알고리즘 매회 종류 후 유효이미지를 판단하는 경우에는 SAR 알고리즘이 구동되는 중간에라도 유효 이미지라고 판단되면 더 이상 SAR 알고리즘을 구동하지 않고 움직임을 바로 연산하기 때문에 전자보다는 움직임 연산을 빠른 시간에 시작할 수 있지만 기준 전압이 최적값을 갖지 않을 수도 있다는 단점이 있다.
3-2-2. SAR 알고리즘을 사용하지 않는 discrete 방식의 기준전압 조절
SAR 알고리즘을 사용하지 않는 방법으로는 단순히 up/down으로 기준 전압을 찾아가는 방법이 있을 수 있다.
도 9를 참조하여 설명하면, 초기 기준전압을 1/2로 설정한 다음에는 최소 가변할 수 있는 1/N 단계로 기준전압을 up/down하여 최적의 기준전압을 찾아가는 방법이다.
이 방법은 최적의 기준전압이 가변 전압의 최고값 또는 최저값에 위치하는 경우 최적의 기준전압을 찾는데 많은 시간이 걸릴 수 있지만 최적의 기준전압이 중간 근처에 있는 경우 SAR 알고리즘으로 찾을 때보다 빨리 최적의 기준전압을 찾을 수 있는 방법이다.
기준 전압을 up/down하여 조금씩 조정할 때마다 유효 이미지 여부를 판단하여 기준 전압이 최적화되었는지 판단한다. 유효 이미지라고 판단이 되면 더 이상 기준 전압을 조정하지 않으며 이후 연속으로 인가되는 1bit 이미지 신호를 출력하고, 유효한 이미지가 아니라고 판단되면, up/down 방법으로 기준전압을 조정하는 과정을 계속 진행한다.
3-2-3. continuous 방식의 기준전압 조절
지금까지 설명된 방법은 이미지센서부에서 출력된 신호가 유효한 이미지인지 아닌지를 판단하여 기준전압을 DAC을 통해 discrete 방식으로 조정하는 방법이다.
유효한 이미지인지 판단을 디지털 카운터와 디지털 비교기를 사용하는 방법과 아날로그 적분기 및 아날로그 비교기를 사용하는 방법으로 나누어 설명했으며 유효 이미지 판단을 근거로 기준전압을 조정하는 것은 SAR 알고리즘 및 up/down 알고리즘을 사용하여 DAC을 통해 discrete로 조정하는 방법을 설명하였다. 이외의 방법으로 순수 아날로그 방식으로 부귀환 루프를 구성하여 기준전압을 continuous 방식으로 조정하는 방법도 있다.
전술한 방법은 모두 기준전압 조절을 discrete 방식으로 DAC을 사용하여 조절한다. 다만 유효 이미지 여부의 판단은 도 6 및 도 7과 같이 각각 디지털 방식과 아날로그 방식으로 구현이 가능하다.
본 실시예는 기준전압 조절부를 구성함에 있어 기준전압 조절 방식을 discrete로 조정하지 않고 continuous로 조정하는 것을 말한다.
전술한 실시예에서는 SAR 방식 및 Up/Down 방식을 사용하여 discrete로 기준 전압을 조정하지만 본 실시 예는 charge pump를 사용하여 기준전압을 continuous로 조정한다.
이 경우, 기준전압 조절부는, 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1bit 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, 기준전압에 대한 up 신호 또는 down 신호를 출력할지 여부를 결정하는 기준전압 업다운 비교기 및 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 상기 기준전압을 업 또는 다운시켜 단계적으로 최적값으로 조절하는 전압조절기로 구성될 수 있다.
본 방식은 비교기에서 나온 디지털 데이터에서 1의 개수와 0의 개수 중에서 어느것이 큰지를 판단하여 up/down 명령을 보내고, 이에 따라 charge/discharge 또는 discharge/charge 명령으로 charge pump에 인가하여 charge pump의 출력인 기준전압을 0과 1의 개수가 비슷하도록 continuous 방식으로 조정한다. 도 10은 기준전압을 연속적으로 조절하는 아날로그 방식의 기준전압 조절부의 회로구성 예를 나타낸 것이다.
본 방식은 기준전압 조절부에서 charge pump(또는 적분기)를 사용하고, 유효 이미지 판단부는 앞서 설명한 디지털 또는 아날로그 방식이 사용될 수 있다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져 야 할 것이다.
본 발명의 저전력 이미지 센서 및 그 집적회로는 주로 광마우스나 핑거마우스 등 광 포인팅 장치에 이용될 수 있으며, 그 외에도 소형이면서도 저전력 소모가 요구되는 각종 모바일 기기의 입력장치로도 사용될 수 있다.
도 1은 종래 일반적인 광마우스의 이미지 신호 처리 칩의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 1bit 이미지를 구현하는 방법 및 그 구현예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 이미지 센서를 포함하는 이미지 신호 처리 칩의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 이미지 센서 중 이미지센서부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 유효한 움직임 연산을 위한 유효 이미지의 범위로서 전체 픽셀의 1bit 신호 중 1 또는 0의 개수의 범위를 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 이미지 센서를 포함하는 이미지 신호 처리 칩의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 이미지 센서에서 아날로그 방식으로 구성한 유효이미지 판단부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 이미지 센서에서 SAR 알고리즘을 이용하여 기준전압을 조절하는 방식을 설명한 모식도이다.
도 10는 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 이미지 센서에서 아날로그 방식으로 구성한 기준전압 조절부의 일례를 나타내는 도면이다.

Claims (17)

  1. 피사체로부터 광을 감지하여 이미지 신호를 출력하는 이미지 센서에 있어서,
    피사체로부터 광을 감지하여 전기신호로 변환하여 출력하는 이미지 센서부;
    상기 이미지 센서부로부터 전기신호를 수신하여, 상기 전기신호의 전압 레벨을 기준전압과 비교한 후, 픽셀 당 1 비트(bit) 신호로 이미지 신호를 출력하는 비교부; 및
    상기 비교부로부터 출력된 이미지 신호의 비트값 분포를 기 설정된 유효범위와 비교하여 상기 기준전압을 조절하여 유효 이미지를 출력하도록 하는 유효 이미지 조절부;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유효 이미지 조절부는,
    상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 이미지 신호에 포함된 비트 신호의 1 또는 0의 점유 정도를 기 설정된 유효범위와 비교하여 유효 이미지인지 여부를 판단하는 유효 이미지 판단부; 및
    상기 유효 이미지 판단부에서 유효 이미지가 아니라고 판단한 경우, 상기 기준전압을 조절하는 기준전압 조절부;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유효 이미지 판단부는,
    상기 비교부로부터 출력된 1비트 신호의 0 또는 1의 개수를 전체 픽셀에 대해 카운트하는 카운터; 및
    상기 카운터에서 카운트된 0 또는 1의 개수가 유효이미지를 나타낼 수 있는 기 설정된 범위에 속하는지를 비교하여 유효 이미지 여부를 판단하는 디지털 비교기;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 유효 이미지 판단부는,
    상기 비교기에서 출력된 1비트 신호의 0 또는 1을 전체 픽셀에 대해 누적하는 적분기; 및
    상기 적분기로 누적된 0 또는 1의 범위가 유효 이미지를 나타낼 수 있는 기 설정된 범위에 속하는지를 비교하여 유효 이미지 여부를 판단하는 아날로그 비교기;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 유효 이미지 판단부는,
    상기 적분기를 대신하여 Charge pump를 이용하는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 기준전압 조절부는,
    상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, N회의 SAR (Successive Approximation Register) 방식으로 상기 기준전압을 업 또는 다운시켜 단계적으로 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징 으로 하는 저전력 이미지 센서.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 기준전압 조절부는,
    상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, 기준전압에 대한 업(up) 신호 또는 다운(down) 신호를 출력하는 기준전압 업다운 비교기; 및
    상기 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 상기 기준전압을 업 또는 다운시키는 N to 2N 디코더;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 N회 SAR 방식을 이용하여 기준전압을 조절함에 있어서, 매 회마다 상기 유효 이미지 판단부에 의해 유효 이미지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 N회 SAR 방식을 이용하여 기준전압을 조절함에 있어서, N회가 종료된 후 상기 유효 이미지 판단부에 의해 유효 이미지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 기준전압 조절부는,
    상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, 기준전압을 최소 조절 단위만큼 업 또는 다운시키는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 기준전압 조절부는,
    상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, 기준전압에 대한 업(up) 신호 또는 다운(down) 신호를 출력하는 기준전압 업다운 비교기; 및
    상기 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 상기 기준전압을 업 또는 다운시키는 전압조절기;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  13. 청구항 3에 있어서,
    상기 기준전압 조절부는,
    상기 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트 신호에서 0과 1 중 어느 것이 많은지를 판단하여, 기준전압을 연속적으로 업 또는 다운시키는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 기준전압 조절부는,
    상기 비교부로부터 출력된 1비트 신호의 0 또는 1을 전체 픽셀에 대해 누적한 값을 기준값과 비교하여, 기준전압에 대한 업(up) 신호 또는 다운(down) 신호를 출력할지 여부를 결정하는 기준전압 업다운 비교기; 및
    상기 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 충전 또는 방전을 통하여 기준전압을 조절하는 Charge pump;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 이미지 센서부는,
    피사체로부터 광을 감지하여 전기신호로 변환하는 픽셀 어레이; 및
    상기 픽셀 어레이의 각 픽셀의 전압신호를 행 단위 또는 열 단위로 선택하여 상기 비교부로 전달하는 선택부;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  16. 청구항 3에 있어서,
    상기 저전력 이미지 센서는,
    상기 이미지 센서부의 각 픽셀의 광 집적시간을 조절하는 셔터 제어부;
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력 이미지 센서.
  17. 청구항 1의 저전력 이미지 센서가 포함되어 하나의 칩 상에 집적되어 있는 집적회로.
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