KR101047296B1 - 이미지 센서 및 그것의 영상 감지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호로 변환하여 출력하는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이, 상기 복수의 픽셀들로부터 출력된 전압 신호들을 입력받아, 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 인접 픽셀 비교부, 상기 인접 픽셀 비교부로부터 계산된 오차 값과 기준전압을 비교하여 각 픽셀마다 1 비트의 영상 데이터를 출력하는 비교부, 상기 비교부로부터 출력된 상기 영상 데이터가 사전에 결정된 유효 범위 내에 분포하는 지를 판별하는 유효 영상 판별부, 및 상기 유효 영상 판별부의 판별결과로써, 상기 영상 데이터가 유효 영상이 아닐 경우 상기 기준전압을 조절하는 기준전압 조절부를 포함한다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 FPN(Fixed Pattern Noise)을 제거할 수 있다.
FPN, 오차 증폭, 센서

Description

이미지 센서 및 그것의 영상 감지 방법{IMAGE SENSOR AND IMAGE SENSING METHOD THEREOF}
본 발명은 이미지 센서 및 그것의 영상 감지 방법에 대한 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 영상(optical image)를 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이다. 그 중에서 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서는 MOS 커패시터에 축적된 전하를 연속적으로 전송시켜 출력을 얻는 방식을 사용하며, 거의 완전에 가까운 전하 전송 특성을 필요로 한다. 또한, CCD 이미지 센서는 셀 크기와 소비 전력을 줄이는 것이 어렵고, 주변회로를 포함하는 온-칩화(On-Chip)가 용이하지 않아, 비용을 절감하는데 많은 제약이 따른다.
이와 달리 CMOS 영상 감기지(CMOS Image Sensor ; CIS)는 단위 화소(pixel) 내에 포토 다이오드와 MOS 트랜지스터가 형성된 소자로서, 스위칭 방식을 이용하여 화소 내부에서 신호 전하를 검출 및 증폭한다. 특히, CMOS 이미지 센서는 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순한 CMOS 공정을 사용하기 때문에 제조 단가를 줄일 수 있고, 신호 처리 회로와 같은 주변 회로를 단일 칩 내에 형성할 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 특성으로 인해 CMOS 이미지 센서는 차세대 이미지 센서로써 각광을 받고 있다.
등록특허 제10-0875140호에는 각 픽셀의 전압값을 기준전압과 비교하여 1비트의 영상 데이터를 출력하는 기술이 개시되어 있다. 그런데, 이 경우 제조 공정상의 픽셀들 사이의 미스매치(mismatch)로 인하거나 혹은 LED 내의 PN 발광다이오드 구조 및 광학적 구조에 기인하거나 CIS 렌즈의 굴곡률 차이로 인하여 FPN(Fixed Pattern Noise)이 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 픽셀에 발생하는 FPN(Fixed Pattern Noise)을 제거하는 이미지 센서 및 그것의 영상 감지 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 노이즈를 줄이면서 저전력에서도 사용가능한 이미지 센서 및 그것의 영상 감지 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호로 변환하여 출력하는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이, 상기 복수의 픽셀들로부터 출력된 전압 신호들을 입력받아, 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 인접 픽셀 비교부, 상기 인접 픽셀 비교부로부터 계산된 오차 값과 기준전압을 비교하여 각 픽셀마다 1 비트의 영상 데이터를 출력하는 비교부, 상기 비교부로부터 출력된 상기 영상 데이터가 사전에 결정된 유효 범위 내에 분포하는 지를 판별하는 유효 영상 판별부, 및 상기 유효 영상 판별부의 판별결과로써, 상기 영상 데이터가 유효 영상이 아닐 경우 상기 기준전압을 조절하는 기준전압 조절부를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 인접 픽셀 비교부는, 상기 전압 신호들의 오차를 증폭하는 오차 증폭기를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 다른 이미지 센서는, 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호로 변환하여 출력하는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이, 상기 복수의 픽셀들로부터 출력된 전압 신호들을 입력받아, 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계 산하는 인접 픽셀 비교부, 및 상기 인접 픽셀 비교부로부터 계산된 상기 오차 값과 기준전압을 비교하여 각 픽셀마다 1 비트의 영상 데이터를 출력하는 비교부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 또 다른 이미지 센서는, 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호로 변환하여 출력하는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이, 상기 복수의 픽셀들로부터 출력된 전압 신호들을 입력받아, 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 인접 픽셀 비교부, 및 상기 인접 픽셀 비교부로부터 계산된 상기 오차 값을 디지털 값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 영상 감지 방법은, 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호들로 변환하는 단계, 상기 변환된 전압 신호들로부터 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 단계, 및 상기 계산된 오차 값과 기준전압을 비교하여 1 비트의 영상 데이터를 생성하는 단계를 포함한다.
실시 예에, 상기 오차 값을 계산하는 단계는, 상기 전압 신호들 사이의 오차를 증폭하는 단계를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 영상 데이터를 생성하는 단계 이후에, 상기 생성된 영상 데이터가 유효 영상인지를 판별하는 단계, 및 상기 영상 데이터가 유효 영상이 아닐 때, 상기 기준 전압을 조절하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 또 다른 영상 감지 방법은, 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호들로 변환하는 단계, 상기 변환된 전압 신호들로부터 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 단계, 및 상기 계산된 오차 값을 디 지털 값으로 변환하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 이미지 센서 및 그것의 영상 감지 방법은 FPN(Fixed Pattern Noise)을 제거하게 된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 샘플링된 전압 신호들의 고유값 차이를 계산하고, 계산된 고유값 차이를 근거로 하여 영상 데이터를 출력할 것이다. 여기서 고유값은, 픽셀에 광이 입사된 후 소정의 시간이 지난 후의 전압값이다. 이로써, 본 발명의 이미지 센서는 픽셀 제조 공정상 발생되는 노이즈를 제거하거나 혹은 LED 내의 PN 발광다이오드 구조 및 광학적 구조에 기인한 FPN 및 CIS 렌즈의 굴곡률 차이에 따라 픽셀 어레이에 전체적으로 발생되는 FPN을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 영상 칩에 대한 제 1 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 영상 칩(10)은 이미지 센서(100) 및 영상 처리기(200)를 포함할 것이다. 이미지 센서(100)는 입력된 빛의 양을 코드화하는 기능을 수행할 것이다. 영상 처리기(200)는 이미지 센서(100)에서 코드화된 신호를 보간 (interpolation)하여 영상 신호로 재구성하는 영상 처리 기능을 수행할 것이다. 이미지 센서(100) 및 영상 처리기(200)는 별도의 칩들로 구성될 수도 있고, SOC(System On Chip) 기 술을 이용하여 단일 칩으로 구성될 수도 있다.
이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 선택부(120), 인접 픽셀 비교부(140), 비교부(150), 기준전압 조절부(160), 및 유효 영상 판별부(170)를 포함할 것이다.
픽셀 어레이(110)는 피사체로부터 광을 감지하여 영상 신호로 변환하여 전압 신호 변환하는 복수의 픽셀들을 포함할 것이다. 복수의 픽셀들은 복수의 로우 라인들과 복수의 컬럼 라인들의 교차한 곳에 배열될 것이다. 각 픽셀은 입사된 광을 감지하는 포토 다이오드 및 포토 다이오드에 의해 변환된 전압 신호를 출력하기 위한 적어도 하나의 트랜지스터들을 포함할 것이다. 예를 들어, 각 픽셀은, 도 2에 도시된 바와, 4개의 트랜지스터들(M1,M2,M3,M4)로 구현될 것이다.
로우 선택부(120)는 복수의 로우 라인들 중 어느 하나를 선택할 것이다. 선택된 로우 라인들에 연결된 픽셀들 각각은 감지된 전압 신호들을 인접 픽셀 비교부(140)로 전송할 것이다.
인접 픽셀 비교부(140)는 픽셀들로부터 전송된 전압 신호들로부터 인접 픽셀 사이의 오차를 계산할 것이다. 인접 픽셀 비교부(140)는 픽셀들에 존재하는 FPN(Fixed Pattern Noise)을 제거하기 위하여 인접 픽셀 사이의 오차를 계산할 것이다.
인접 픽셀 비교부(140)는 오차 증폭 블록(144)으로 구성될 수 있다.
오차 증폭 블록(144)은 LED 내의 PN 발광다이오드 구조 및 광학적 구조에 기인한 FPN 및 CIS 렌즈의 굴곡률 차이에 따른 FPN를 제거하기 위하여 인접한 픽셀들 사이의 고유값 차이를 계산할 것이다. 이 FPN은 회로적으로 제거가 불가능하다. 여기서 고유값은, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 픽셀의 포토 다이오드가 입사된 빛의 양에 따라 서로 다른 전압 값을 생성하게 되는데, 여기서 소정의 시간이 지난 후의 전압값이다. 이에 오차 증폭 블록(144)은 고유값의 차이를 계산하고, 계산된 고유값의 차이를 신호로 이용할 것이다.
오차 증폭 블록(144)은 복수의 오차 증폭기들을 포함할 것이다. 여기서, 각 오차 증폭기의 일실시예를, 도 5에 도시하였다. 오차 증폭기는 도 5의 실시예 이외에도 다양하게 구현될 수 있음은 물론이다. 인접 픽셀의 고유값들은, 오차 증폭기를 통해서 오차값 형태로 다음 단으로 전송될 것이다. 이는, 상술 된 바와 같이, FPN의 영향으로 신호가 왜곡되는 것을 방지할 것이다.
예를 들어, 저항(R2) 사이의 노드 전압(Vcm)라고 할 때, 입력 전압들(Vinn, Vinp)의 차이에 따라 출력 전압(Vout)은 노드 전압(Vcm)을 중심으로 벌어지게 될 것이다. 오차 증폭기는 이 값을 싱글 엔디드 출력(single ended output)으로 다음 단에 전송할 것이다. 이때, 전압 이득은 아래의 수학식을 만족할 것이다.
Figure 112009053642395-pat00001
인접픽셀 비교부(140)는 인접한 픽셀들 사이에 고유값 차이에 따라 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여 CDS(Correlated Double Sampling)를 위한 상호연관 이중 샘플링부(미도시)를 포함할 수도 있다. 상호연관 이중 샘플링부는 제조 공정상의 픽셀들 사이의 미스매치(mismatch)로 인하여 발생되는 노이즈를 CDS 기술을 이용하여 제거할 것이다. 예를 들어, CDS 기술은, 도 3에 예시적으로 도시되어 있다.
비교부(150)는 인접 블록 비교부(140)로부터 전송된 신호들과 기준전압을 비교할 것이다. 여기서 비교결과로써, 전압 신호가 기준전압보다 낮을 경우에는 데이터 '1'를 출력하고, 전압 신호가 기준전압보다 높을 경우에는 데이터 '0'을 출력할 것이다. 본 발명에 따른 픽셀들 각각은 1 비트의 영상 데이터로 출력될 것이다. 비교부(150)로부터 출력되는 데이터는 저장해 두었다가 직렬화될 것이다.
유효 영상 판별부(160)는 출력된 영상 데이터가 움직임 연산이 가능한 유효 영상 데이터인지 여부를 판별할 것이다. 유효 영상 데이터는 상 처리기(200)로 출력될 것이다. 유효 영상 데이터가 아닌 경우에는, 기준전압을 변경하여 유효한 영상 데이터가 출력되게 할 것이다.
여기서, 유효 영상 데이터의 여부는 데이터 '1' 혹은 데이터 '0'의 점유 정도에 따라 사전에 미리 설정된 유효 범위와 비교함으로써 결정될 수 있다. 즉, 유효 영상에 대한 정의는, 전체 픽셀에 대한 영상 데이터에서 데이터 '1' 및 데이터 '0'의 개수가 일정한 범위 안에 들어오는 것을 의미한다.
유효 영상 판별부(160)는 디지털 카운터(도시되지 않음) 및 디지털 비교기(도시되지 않음)으로 구현될 것이다. 디지털 카운터는 비교부(150)로부터 출력된 데이터 '0' 혹은 데이터 '1'의 개수를 전체 픽셀에 대하여 카운트할 것이다. 디지털 비교기는 디지털 카운터로부터 카운트된 데이터 '0'의 개수 혹은 데이터 '1'의 개수가 유효 영상을 나타내는 최적 범위에 포함되는 지를 비교할 것이다. 이로써, 비교부(150)로부터 출력된 영상 데이터가 유효 영상인 지가 판별될 것이다.
출력된 영상 데이터가 유효 영상일 때, 기준전압은 고정되고, 비교부(150)으로부터 출력된 1 비트의 영상 데이터는 움직임 연산부(410)로 전송될 것이다.
출력된 영상 데이터가 유효 영상이 아닐 때, 기준전압은 재 조정될 것이다. 여기서, 기준전압의 조정 동작은 기준전압 조절부(170)에서 수행될 것이다.
예를 들어, 전체 픽셀들의 개수가 1000이고, 디지털 카운터는 1000까지 카운트할 수 있다고 가정하겠다. 여기서 유효 영상은 데이터 '1' 혹은 데이터 '0'의 개수가 400~600개 사이라고 가정할 때, 디지털 비교기는 디지털 카운터로부터 카운트된 값이 400~600 사이에 들어오는 지를 비교함으로써, 현재 입력된 영상 데이터가 유효한 영상인지를 판별할 것이다. 만약, 영상 데이터가 유효 영상이 아닐 때, 디지털 비교기는 기준전압을 조절하기 위한 신호를 기준전압 조절부(170)로 전송할 것이다.
또한, 유효 영상 판별부(160)는 아날로그 적분기(도시되지 않음) 및 아날로그 비교기(도시되지 않음)으로 구현될 수 있다. 아날로그 적분기는 비교부(150)으로부터 출력된 1 비트의 데이터 '0' 혹은 데이터 '1'을 전체 픽셀에 대하여 누적하고, 이를 아날로그 신호로 변환할 것이다. 아날로그 비교기는 아날로그 적분기로부터 변환된 아날로그 신호가 유효 영상을 나타내는 최적 범위 내에 포함되는 지를 비교할 것이다.
예를 들어, 전체 픽셀들의 개수가 1000이라고 가정하겠다. 아날로그 적분기 는 1000개의 영상 출력을 인가하여 데이터 '0' 혹은 데이터 '1'의 개수를 아날로그 신호로 변환할 것이다. 유효 영상은 데이터 '1' 혹은 데이터 '0'의 개수가 400~600개 사이라고 가정할 때, 아날로그 비교기는 변환된 아날로그 신호가 400~600개 사이에 들어오는 전압인 지를 판별함으로써 현재 입력된 영상 데이터가 유효한 영상인지를 판별할 것이다. 만약, 영상 데이터가 유효 영상이 아닐 때, 디지털 비교기는 기준전압을 조절하기 위한 신호를 기준전압 조절부(170)로 전송할 것이다.
본 발명의 실시 예에 다른 유효 영상 판별부(160), 도 6에 도시된 바와 같이, 적분기 혹은 전하 펌프 회로에 복수의 영상 출력을 인가함으로써, 데이터 '0' 혹은 데이터 '1'의 개수를 아날로그 신호로 변환시킬 것이다.
기준전압 조절부(170)는 유효 영상 판별부(160)에서 유효 영상 데이터로 판별되지 못한 경우 기준전압을 조절할 것이다. 기준전압 조절부(170)는 불연속적인 방식인 경우 디지털 아날로그 변환기 형태로 구현되거나, 아날로그 방식인 경우 전하 펌프로 구현될 것이다.
본 발명의 실시 예로써 기준전압 조절하는 방법으로 SAR(Successive Approximation Register) 방식의 아날로그 디지털 컨버터에서 사용하는 알고리즘을 채용하였다. 이를 이용한 기준전압 조절부는, 도 7에 도시된 바와 같이, 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1 비트 영상 데이터에서 '0' 및 '1' 중 어느 것이 많은 지를 판별할 것이다. N회의 SAR (Successive Approximation Register) 방식으로 기준전압을 업 혹은 다운시켜 단계적으로 조절하는 수단을 포함할 것이다.
이러한 기준전압 조절부는, 기준전압 업다운 비교기 및 N to 2 N 디코더를 포함할 것이다. 기준전압 업다운 비교기는, 비교부(150)로부터 출력된 전체 픽셀의 1비트의 영상 데이터에서 '0' 및 '1' 중 어느 것이 많은 지를 판별하고, 기준전압에 대한 업(up) 신호 혹은 다운(down) 신호를 출력할지 여부를 결정할 것이다. N to 2N디코더는 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 기준전압을 업 혹은 다운시켜 단계적으로 조절할 것이다.
SAR 방식으로 기준전압을 조절하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같을 것이다. 초기 첫 영상을 픽셀 어레이(110)로부터 수신하고, 중간값의 기준전압과 비교하는 비교부(150)를 통해 출력되는 전체 픽셀에 대한 1 비트 영상 데이터가 수신되면, 데이터 '0' 및 데이터 '1' 중에서 어느 것이 많은 지가 판별될 것이다. 이에 따라, 중간값의 기준전압을 1/4 혹은 3/4로 조절할 것이다.
기준전압의 조절 후에 다시 픽셀 어레이(110)로부터 출력되는 전압 신호를 조절된 기준전압과 비교하는 비교부(150)을 통해 출력되는 전체 픽셀에 대한 1 비트 영상 데이터가 수신되면, 다시 데이터 '0' 혹은 데이터 '1' 중에서 어느 것이 많은 지가 판별될 것이다. 이에 따라, 기준전압이 조절될 지가 결정될 것이다.
상술 된 과정을 N번 반복하면, 기준전압을 2N 단계로 세밀하게 조정이 가능하다. 즉, N이 4라면 기존의 4 비트 전처리기의 효과를 대신할 수 있는 알고리즘이 될 것이다. 상술 된 바와 같이, 기준전압의 조절은 기본적으로 SAR 알고리즘을 사용하였다.
한편, 영상을 판별하여 기준전압 조절을 통해 1 비트의 유효 영상 신호를 출력하는 방법은, 다음의 실시 예와 같이 다양하게 구현될 수 있다.
초기 동작에서 N회 SAR 알고리즘으로 최적의 기준전압을 설정할 때, 매 회마다 유효 영상 여부가 판별되고, 유효 영상이 아닐 때만 SAR 알고리즘이 계속 진행 될 것이다.
매회마다 실시한 유효 영상 판별에 따라 유효 영상이라고 판별되면, 더 이상 SAR 알고리즘으로 기준전압이 조절하지 않고, 기준전압을 고정시킨 후에 연속된 영상 신호가 출력될 것이다. 반면에, 더 이상 유효 영상이 입력되지 않으면, 다시 SAR 알고리즘을 구동하여 기준전압이 재설정될 것이다.
초기 동작에서 무조건 N회 SAR 알고리즘을 구동하여 최적의 기준전압이 설정된 후에, 최종 1 비트 영상 데이터가 움직임을 연산하기에 유효 영상인 지가 판별될 것이다. N회의 SAR 알고리즘이 구동된 후 유효 영상이라고 판별되면, 기준전압은 설정된 값으로 고정되고, 연속되는 영상 데이터가 출력될 것이다.
반면에 N회의 SAR 알고리즘이 구동된 후에도 G8AX-WEN9-ZUZU유효 영상이라고 판별되지 않으면, 1 비트 영상 데이터가 출력되지 않고, N회의 SAR 알고리즘이 다시 처음부터 구동될 것이다.
SAR 알고리즘이 N회 종료된 후에 유효 영상이 판별 된 후에 언제나 최적의 기준전압을 구할 수 있는 장점이 있지만, 초기 영상 입력시 N회의 SAR 알고리즘이 구동되어야 하기 때문에 움직임을 연산하기까지 고정된 시간이 소요될 것이다.
SAR 알고리즘 매회 종류 후에 유효 영상을 판별할 경우에는 SAR 알고리즘이 구동되는 중간에라도 유효 영상이라고 판별되면, 더 이상 SAR 알고리즘을 구동하지 않고 움직임을 바로 연산하기 때문에 전자보다는 움직임 연산을 빠른 시간에 시작할 수 있지만, 기준전압이 최적 값을 갖지 않을 수도 있다.
SAR 알고리즘이 사용되지 않는 방법으로는 단순히 업/다운으로 기준전압을 찾아가는 방법이 있을 수 있다. 이러한 방법은, 초기 기준전압을 1/2로 설정한 다음에, 최소 가변할 수 있는 1/N 단계로 기준전압을 업/다운시킴으로써 최적의 기준전압을 찾아가는 것이다. 이러한 방법은 최적의 기준전압이 가변 전압의 최고값 혹은 최저값에 위치하는 경우에는 최적의 기준전압을 찾는데 많은 시간이 걸릴 수 있다. 하지만, 최적의 기준전압이 중간 근처에 있는 경우에는 SAR 알고리즘으로 찾을 때보다 빨리 최적의 기준전압을 찾을 수 있다.
기준전압을 업/다운시켜 조금씩 조절할 때마다 유효 영상 여부가 판별되고, 기준전압이 최적화되었는지가 판별될 것이다. 유효 영상이라고 판별될 경우에는, 더 이상 기준전압이 조정되지 않으며, 이후 연속으로 입력되는 1 비트의 영상 데이터가 출력될 것이다. 반면에, 유효 영상이 아니라고 판별되면, 업/다운 방법으로 기준전압을 조절하는 과정이 계속 진행될 것이다.
상술된 방법은, 비교부(150)에서 출력된 신호가 유효 영상인지 아닌지를 판별하고, 기준전압을 디지털 아날로그 컨버터를 통해 불연속적(discrete) 방식으로 조절하는 방법이다. 이 외에도 다양한 방법으로 순수 아날로그 방식으로 부귀환 루프를 구성하여 기준전압을 연속적인(continuous) 방식으로 조절할 수 있다.
전술한 방법은 모두 기준전압 조절을 불연속적 방식으로 디지털 아날로그 컨 버터를 이용하여 조절하였다. 다만, 유효 영상 여부의 판별은, 각각 디지털 방식과 아날로그 방식으로 구현이 가능할 것이다. 실시 예에 있어는 기준전압 조절부를 구성함에 있어 기준전압 조절 방식을 불연속적으로 조절하지 않고 연속적으로 조절하는 것을 말한다.
상술된 실시 예에서는 SAR 방식 및 업/다운 방식을 사용하여 불연속적으로 기준전압을 조절하였다. 하지만, 본 실시예는 전하 펌프를 이용하여 기준전압을 연속적으로 조절할 수도 있다. 이 경우, 기준전압 조절부는, 비교부로부터 출력된 전체 픽셀의 1 비트 영상 데이터에서 '0' 및 '1' 중에서 어느 것이 많은 지를 판별하고, 기준전압에 대한 업 신호 혹은 다운 신호를 출력할 지 여부를 결정하는 기준전압 업다운 비교기 및 기준전압 업다운 비교기의 결정에 따라 상기 기준전압을 업 혹은 다운시켜 단계적으로 최적 값으로 조절하는 전압 조절기를 포함할 것이다.
본 발명에 따르면, 비교기(150)로부터 출력된 영상 데이터에서 '0'의 개수와 '1'개수 중에서 어느 것이 큰지가 판별되고, 업/다운 명령을 보내고, 이에 따라 충전/방전 혹은 방전/충전 명령으로 전하 펌프에 입력하여 전하 펌프의 출력인 기준전압이 '0' 및 '1'의 개수와 비슷하도록 연속적인 방식으로 조절될 것이다. 연속적으로 조절하는 아날로그 방식의 기준전압 조절부는, 도 8에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다.
도 8은 기준전압을 연속적으로 조절하는 아날로그 방식의 기준전압 조절부의 회로구성 예를 나타낸 것이다. 이러한 방법에 따르면, 기준전압 조절부(170)에서 전하펌프(혹은 적분기)를 이용하고, 유효 영상 판별부(160)는 앞서 설명한 디지털 또는 아날로그 방식이 이용될 것이다.
종래의 이미지 센서는, 픽셀의 제조 공정에 따라 발생되는 노이즈 혹은 LED 내의 PN 발광다이오드 구조 및 광학적 구조에 기인한 FPN 및 CIS 렌즈의 굴곡률 차이에 따라 픽셀 어레이에 전체적으로 발생되는 FPN을 제거할 수 없었다. 그러나 본 발명에 따른 이미지 센서(100)는, 이러한 FPN을 제거하기 위하여, 인접한 픽셀들 사이의 고유값 차이를 계산하고, 계산된 고유값 차이와 기준전압과 비교함으로써 1비트의 영상 데이터를 얻는다. 그 결과로써, 본 발명에 따른 이미지 센서(100)는 종래의 그것과 비교하여 현저하게 FPN을 제거할 수 있다.
도 9는, 도 1에 도시된 이미지 센서의 영상 감지 알고리즘을 보여주는 실시 예이다. 도 1 내지 도 9를 참조하면, 영상 감지 알고리즘은 다음과 같이 진행될 것이다.
픽셀 어레이(110)의 각 픽셀들은 영상을 감지하고, 감지된 영상에 따라 전압 신호들을 출력할 것이다(S110). 각 픽셀들은 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호들을 출력할 것이다. 인접 픽셀 비교부(140)는 입력된 전압 신호들로부터 인접 픽셀들 사이의 오차를 계산할 것이다(S120). 비교부(150)는 인접 픽셀 비교부(140)로부터 계산된 오차와 기준전압을 비교할 것이다(S130). 비교부(150)로부터 출력되는 복수의 1 비트 영상 데이터는 직렬화될 것이다(S140). 유효 영상 판별부(160)는 직렬화된 영상 데이터를 입력받아 유효 영상인 지를 판별할 것이다(S150).
만약, 직렬화된 영상 데이터가 유효 영상이 아니라면, 기준전압 조절부(170)는 알고리즘(예를 들어, SAR)을 통하여 기준전압을 조절할 것이다(S160). 이후, S130 단계가 다시 진행될 것이다. 반면에, 직렬화된 영상 데이터가 유효 영상이라면, 직렬화된 영상 데이터는 영상 처리를 위하여 다음 단으로 전달될 것이다(S170).
도 1에 도시된 이미지 센서는 기준전압을 조절하여 최적화된 영상 데이터를 얻었다. 그러나 본 발명이 반드시 여기에 국한될 필요는 없다. 본 발명의 이미지 센서는 감지된 전압 신호들을 기준전압과 비교하여 영상 데이터를 얻되, 기준전압을 조절하여 최적화된 영상 데이터를 얻지 않을 수도 있다.
도 10은 본 발명에 따른 영상 칩에 대한 제 2 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 10을 참조하면, 영상 칩(20)은 이미지 센서(300) 및 영상 처리기(400)를 포함할 것이다. 이미지 센서(300)는 픽셀 어레이(310), 로우 선택부(320), 인접 픽셀 비교부(340), 및 비교부(150)를 포함할 것이다. 이미지 센서(300)는, 도 1에 도시된 이미지 센서(100)에서 유효 영상 판별부(160) 및 전압 조절부(170)가 제거된 구조일 것이다.
도 11은 도 10에 도시된 영상 칩의 영상 감지 알고리즘에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 영상 감지 알고리즘은 다음과 같이 진행될 것이다.
픽셀 어레이(310)의 각 픽셀들은 영상을 감지하고, 감지된 영상에 따라 전압 신호들을 출력할 것이다(S210). 각 픽셀들은 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신 호들을 출력할 것이다. 인접 픽셀 비교부(240)는 입력된 전압 신호들로부터 인접 픽셀들 사이의 오차를 계산할 것이다(S220). 비교부(250)는 인접 픽셀 비교부(140)로부터 계산된 오차와 기준전압을 비교할 것이다(S230). 비교부(250)로부터 출력되는 복수의 1 비트 영상 데이터는 직렬화될 것이다(S240). 직렬화된 영상 데이터는 영상 처리를 위하여 다음 단으로 전달될 것이다(S250).
도 1 내지 도 11에서는, 비교기(150, 250)를 통하여 1 비트 영상 데이터가 생성되도록 구현되었다. 본 발명에 따른 이미지 센서가 반드시 여기에 국한될 필요는 없다. 본 발명에 따른 이미지 센서는 1 비트 영상 데이터를 생성하지 않고, 인접 픽셀 비교부로부터 계산된 오차 값을 디지털 값으로 변환시킬 수도 있다.
도 12는 본 발명에 따른 영상 칩에 대한 제 3 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 12를 참조하면, 영상 칩(20)은 이미지 센서(500) 및 영상 처리기(600)를 포함할 것이다. 이미지 센서(500)는 픽셀 어레이(510), 로우 선택부(520), 인접 픽셀 비교부(540), 및 아날로그-디지털 컨버터(550)를 포함할 것이다. 아날로그-디지털 컨버터(550)는 인접 픽셀 비교부(540)으로부터 계산된 오차 값을 디지털 값으로 변환시킬 것이다. 이때 변환된 디지털 값은 영상 처리기(600)의 전송될 것이다.
도 13은 도 12에 도시된 영상 칩의 영상 감지 알고리즘에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 10 및 도 12를 참조하면, 영상 감지 알고리즘은 다음과 같이 진행될 것이다.
픽셀 어레이(510)의 각 픽셀들은 영상을 감지하고, 감지된 영상에 따라 전압 신호들을 출력할 것이다(S310). 각 픽셀들은 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신 호들을 출력할 것이다. 인접 픽셀 비교부(540)는 입력된 전압 신호들로부터 인접 픽셀들 사이의 오차를 계산할 것이다(S320). 아날로그 디지털 컨버터(550)는 인접 픽셀 비교부(540)로부터 계산된 오차 값을 디지털 값으로 변환시킬 것이다(S330). 변화된 디지털 값(즉, 영상 데이터)은 영상 처리를 위하여 다음 단으로 전달될 것이다(S340).
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 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 영상 칩에 대한 제 1 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 픽셀의 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 상호연관 이중 샘플링 방법을 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 픽셀들의 고유 값을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 오차 증폭기에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 유효 영상 판별부에 대한 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 기준전압 조절부에 대한 제 1 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 기준전압 조절부에 대한 제 2 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 1에 도시된 이미지 센서의 영상 감지 알고리즘을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 영상 칩에 대한 제 2 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 이미지 센서의 영상 감지 알고리즘을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 영상 칩에 대한 제 3 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 이미지 센서의 영상 감지 알고리즘을 보여주는 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10, 20, 30: 영상 칩
100, 300, 500: 이미지 센서
200, 400, 600: 영상 처리기
110, 310, 510: 픽셀 어레이
120, 320, 520: X-선택부
130, 330, 530: Y-선택부
140, 340, 540: 인접 픽셀 비교부
150, 350: 비교부
550: 아날로그 디지털 컨버터
160: 유효 영상 판별부
170: 기준전압 조절부

Claims (11)

  1. 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호로 변환하여 출력하는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이;
    상기 복수의 픽셀들로부터 출력된 전압 신호들을 입력받아, 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 인접 픽셀 비교부;
    상기 인접 픽셀 비교부로부터 계산된 오차 값과 기준전압의 크기를 비교하여 각 픽셀마다 1 비트의 영상 데이터를 출력하는 비교부;
    상기 비교부로부터 출력된 상기 영상 데이터가 사전에 결정된 유효 범위 내에 분포하는 지를 판별하는 유효 영상 판별부; 및
    상기 유효 영상 판별부의 판별결과로써, 상기 영상 데이터가 유효 영상이 아닐 경우 상기 기준전압을 조절하는 기준전압 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인접 픽셀 비교부는,
    상기 전압 신호들의 오차를 증폭하는 오차 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호로 변환하여 출력하는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이;
    상기 복수의 픽셀들로부터 출력된 전압 신호들을 입력받아, 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 인접 픽셀 비교부; 및
    상기 인접 픽셀 비교부로부터 계산된 상기 오차 값과 기준전압의 크기를 비교하여 각 픽셀마다 1 비트의 영상 데이터를 출력하는 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 인접 픽셀 비교부는,
    상기 전압 신호들의 오차를 증폭하는 오차 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호로 변환하여 출력하는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이;
    상기 복수의 픽셀들로부터 출력된 전압 신호들을 입력받아, 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 인접 픽셀 비교부; 및
    상기 인접 픽셀 비교부로부터 계산된 상기 오차 값을 디지털 값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 인접 픽셀 비교부는,
    상기 전압 신호들의 오차를 증폭하는 오차 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 이미지 센서의 영상 감지 방법에 있어서:
    피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호들로 변환하는 단계;
    상기 변환된 전압 신호들로부터 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 오차 값과 기준전압의 크기를 비교하여 1 비트의 영상 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 감지 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 오차 값을 계산하는 단계는,
    상기 전압 신호들 사이의 오차를 증폭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 감지 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 영상 데이터를 생성하는 단계 이후에,
    기 생성된 영상 데이터가 유효 영상인지를 판별하는 단계; 및
    상기 영상 데이터가 유효 영상이 아닐 때, 상기 기준 전압을 조절하는 단계 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 감지 방법.
  10. 이미지 센서의 영상 감지 방법에 있어서:
    피사체로부터 광을 감지하여 전압 신호들로 변환하는 단계;
    상기 변환된 전압 신호들로부터 인접한 픽셀들 사이의 오차 값을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 오차 값을 디지털 값으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 감지 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 오차 값을 계산하는 단계는,
    상기 전압 신호들 사이의 오차를 증폭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 감지 방법.
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