KR101365648B1

KR101365648B1 - 영상 감지기의 픽셀들을 판독 및 리셋하기 위한 회로 및 방법

Info

Publication number: KR101365648B1
Application number: KR1020087027117A
Authority: KR
Inventors: 하인리히 쉠만; 자비네 로쓰; 스테펜 레흐르; 볼케르 네이쓰; 니콜라아스 요한네스 담스트라; 뻬뚜르스 기예스베르뚜스 마리아 센텐; 예로엔 롯떼
Original assignee: 톰슨 라이센싱
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2014-02-21
Also published as: WO2007135175A2; US20090251580A1; WO2007135175A3; KR20090017500A; JP2009538075A; EP2022256A2; US8179464B2

Abstract

CMOS 영상 감지기의 픽셀 셀(5)을 리셋하고 판독하기 위한 회로가 제안된다. 이 회로는 주 통합 간격 동안 적어도 2회 픽셀 셀을 판독하는 것을 허용하여, 적어도 2개의 픽셀 신호(VlesserBright, Vbright)를 발생시킨다. 이 회로는 적어도 2개의 픽셀 신호를 하나의 출력 신호에 결합하기 위한 수단을 더 포함한다. 이러한 결합하기 위한 수단은 픽셀 셀의 포화 레벨에 따라 가중치가 부여된 적어도 2개의 픽셀 신호들을 결합하도록 동작 가능하다. 영상 감지기를 판독하기 위해 이 회로를 제어하는 방법이 또한 제안된다.

Description

영상 감지기의 픽셀들을 판독 및 리셋하기 위한 회로 및 방법{CIRCUIT AND METHOD FOR READING OUT AND RESETTING PIXELS OF AN IMAGE SENSOR}

본 발명은 영상 감지기의 픽셀들을 리셋하고 판독하기 위한 회로 및 방법에 관한 것으로, 특히 CMOS 기술을 사용한 영상 감지기에 관한 것이다.

영상 감지기, 특히 CMOS 영상 감지기는 비디오나 감시 카메라, 측정 디바이스들 또는 이동 전화기에서의 애드-온(add-on) 분야에서 널리 사용되고 있다. 또한, 이러한 종류의 영상 감지기는 방송과 특별(feature) 영화와 같은 전문 비디오 카메라 응용예에 관해 사용이 증가하고 있다.

통상적인 CMOS 영상 감지기는 각각의 픽셀에 입사하는 광을 전압 신호로 변환하고 통상적으로 행과 열로 배치되는 복수의 픽셀 셀을 포함한다. 더 정확하게는 픽셀이 리셋 신호에 의해 리셋되고, 입사하는 광자가 통합 기간에 걸쳐 수집되고 통합되는 전자들로 변환되어, 그 결과로 생기는 전압 신호가 증가하거나 감소하는 코스를 보여주며, 그 변화도(gradient)가 변환된 광자들의 양에 의존하게 된다. 통합 기간의 끝에서, 전압 신호가 판독되고 그러한 전압 신호는 픽셀의 밝기값을 나타낸다.

관련 분야의 일반적인 요구 사항은 CMOS 영상 감지기의 동적 범위를 향상시 키고 동시에 신호 잡음과 같은 부정적인 영향을 감소시키는 것이다.

이러한 목표를 달성하기 위해, EP 1 641 249A1은 영상 감지기 내의 또는 영상 감지기에 관련된 개선점을 개시하고 있고, 이를 통해 픽셀 배열의 홀수 행들이 짧은 통합 기간 후 판독되고, 짝수 행들은 더 긴 통합 기간 후 판독된다. 2가지 판독 프로세스 후, 하나는 짝수 행이고 나머지 하나는 홀수 행인 2개의 인접하는 픽셀 행들이 함께 꿰매어져(stitched), 넓은 동적 범위를 지닌 단일 출력 선을 형성한다. 이러한 EP 1 641 249A1 문서 자체에 의해, 그 결과로서 생기는 영상의 해상도 손실을 대가로 넓은 동적 범위가 달성된다는 점이 인정된다.

문서 US2005/0078205A1은 매우 작은 픽셀 크기를 지닌 감지기로 사용하기 위한 저잡음 영상 감지 시스템 및 방법을 제안하는데, 이 경우 그 픽셀들은 프레임 기간 동안 여러 번 판독되고 리셋된다. 연속되는 단계에서, 프레임 기간의 판독 값들은 통합되거나 더해져서 프레임 기간으로부터 생기는 픽셀의 밝기값을 형성한다.

높은 동적인 범위를 지닌 CMOS 영상 감지기에 관한 또 다른 해결책은 문서 EP1233613A2에 설명되고 있는데, 이 경우 적응 픽셀 리셋이 구현되어, 프레임 기간 동안 높은 출력을 지닌 픽셀들만이 리셋된다.

문서 EP0862829B1은 높은 동적인 범위의 선형 출력을 지닌 영상 감지기를 개시하고 있다. 높은 동적 범위를 실현하기 위해, 영상 감지기의 단일 픽셀이 프레임 기간 동안 여러 번 판독되고, 판독된 값들은 높은 해상도의 출력 값에 누적된다. 일 실시예에서, 비-파괴적인(non-destructive) 판독 방법을 사용하는 것이 제안되고, 이는 프레임 기간 동안 한 번만 픽셀이 리셋된다는 것을 의미한다.

비록 높은 동적인 범위를 달성하기 위한 해결책들이 존재하지만, 영상 감지기들을 판독하는 동안 동적 범위를 더 개선하고 부정적인 영향을 최소화하려는 관련 분야의 일반적인 요구 사항이 여전히 남아 있다.

이러한 목적은 청구항 1의 특징을 지닌 회로와 청구항 26의 특징을 지닌 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리하거나 바람직한 실시예가 종속항, 상세한 설명부 및 도면에 개시되어 있다.

본 발명의 회로는 영상 감지기의 가상 또는 실제 픽셀 셀을 리셋하고 판독하도록 동작 가능하다. 바람직하게, 영상 감지기는 행과 열의 배치나 중심이 같은 고리들과 같은 또 다른 배치로 배열되는 복수의 픽셀 셀을 제공한다. 보통 그러한 영상 감지기는 가시 스펙트럼에서의 광에 관해 민감하지만, 영상 감지기들은 UV에만 민감하고, NIR 및/또는 IR 스펙트럼이 본 발명에 의해 커버된다. 실제 픽셀 셀은 하나의 단일 물리적 픽셀을 포함하는 회로의 서브-유닛(sub-unit)으로서 정의되어, 실제 픽셀 셀이 바람직하게는 하나의 단일 포토다이오드나 광-감지 요소를 포함하게 된다. 실제 픽셀 셀은 바람직하게는 포토다이오드 CMOS APS, 핀형(pinned) 포토다이오드 CMOS APS와 같은 능동(active) 픽셀이나 수동(passive) 픽셀로서 실현된다. 가상 픽셀 셀은 2개 이상의 실제 픽셀 셀의 논리 조합으로서 정의된다. 영상 감지기는, 예컨대 비디오-카메라, 디지털 스틸(still) 카메라, 이동 전화기나 측정 장비에서 사용된다. 상세한 설명부와 청구항과 관련하여, 픽셀 셀은 실제 픽셀 셀이나 가상 픽셀 셀로서 해석된다.

본 발명의 회로는 픽셀 셀을 리셋하기 위한 수단을 포함하는데, 이 경우 픽셀 셀의 제 1 리셋과 그 다음에 오는 리셋 사이의 시간 간격이 주 통합 기간(main integration period)로서 정의된다. 리셋은 각각의 주 통합 기간의 시작을 표시한다. 리셋들은 그것들 사이의 추가 리셋 없이 규칙적인 간격으로 일어난다. 주 통합 기간은 바람직하게는 영상 감지기의 프레임율(frame rate)과 등가이다. 따라서, 주 통합 기간마다 오직 하나의 리셋이 존재한다. 픽셀 셀을 리셋하기 위한 단계는, 예컨대 통합 기간 동안 누적되거나 통합된 전자들을 비움으로써 또는 전압 등과 같은 미리 결정된 상태로 픽셀 셀을 설정함으로써 실행된다.

게다가 통합 기간 동안 여러 번 픽셀을 판독하기 위한 수단이 제공되는데, 이러한 수단은 각각의 픽셀을 주 통합 기간 동안 2회 이상 판독하도록 동작 가능하다. 위에서 이미 강조된 것처럼, 판독은 주 통합 간격이나 기간 내에서 추가 리셋이 없는 비파괴적인(non-destructive) 것이다.

회로는 또한 적어도 2개의 픽셀 신호로부터 출력 신호를 형성하기 위한 수단을 포함하고, 이 경우 그 출력 신호는 각각 통합 및/또는 프레임 기간 동안 픽셀의 조명도를 나타낸다.

본 발명에 따르면, 누적을 위한 수단은 출력 신호를 발생시키기 위해, 픽셀의 포화 레벨에 따라 가중되는 방식으로 적어도 2개의 픽셀 신호를 결합하도록 동작 가능하다. 포화 레벨은 픽셀 셀의 포화의 실제 값으로, 이는 적어도 2개의 픽셀 신호 중 하나로서 바람직하게 판독된다. 따라서, 적어도 2개의 픽셀 신호는 종래 기술에서 알려진 것과 같은 추가(addition)에 의해서만 결합되는 것이 아니고, 제 1 단계에서 픽셀의 실제 포화 레벨에 따라 가중치가 부여되고 제 2 단계에서 결합된다.

본 발명의 한 가지 발견 내용은 판독된 값들의 단순한 추가가 픽셀 셀이나 영상 감지기의 달성 가능한 동적 범위에 걸쳐 만족스러운 결과들을 이끌어내지 않는다는 점이다. 그래서 포화 레벨이 낮은 경우에는 출력 값을 발생시키기 위해 더 긴 통합 시간을 가지고 판독된 값을 사용하고, 포화 레벨이 높은 경우에는 더 짧은 통합 시간을 가지고 판독된 값을 사용하며, 특히 교란시키는 잡음 영향을 최소화하기 위해, 포화 레벨에 따라 가중치가 부여된 더 높은 포화 레벨과 더 낮은 포화 레벨 사이의 전이 구역(transition zone)에서 2개의 판독된 값을 혼합하는 것이 유리한 것으로 여겨진다.

본 명세서에서 사용되는 픽셀 신호, 어두운(dark) 신호, 및 추가 신호들과 같은 용어는 각각 시간에 의존하는 신호의 최소, 최대 또는 극단 값들과 바람직하게는 등가이다.

가장 바람직한 실시예에서, 회로와 그러한 회로의 부분들은 CMOS(complementary-metal-oxide-semiconductor) 기술로 실현되고/실현되거나 온-칩 집적된 회로(on-chip integrated circuit)로서 실현된다.

유리한 일 실시예에서, 여러 번 판독하기 위한 수단은 덜 밝은 신호를 얻고, 밝은 신호를 얻기 위한 추가 시간 후 픽셀을 판독하도록 동작 가능하고, 제 1 판독과 제 2 판독 사이에서는 픽셀 셀에 어떠한 리셋도 인가되지 않는다. 그러므로, 영상화기의 픽셀들은 제 1 노출 시간과 제 2 노출 시간 후 판독되고, 이때 제 1 노출 시간은 제 2 노출 시간보다 짧다. 픽셀 셀의 포화 레벨이 통합 기간 동안 단조(monotonic) 동작을 가지므로, 덜 밝은 신호의 진폭의 절대값은 밝은 신호의 진폭의 절대값 이하이다.

여러 번 판독하기 위한 수단은 어두운 신호를 얻기 위한 통합 기간 동안 픽셀을 판독하도록 동작 가능한 것이 또한 바람직하다. 어두운 신호는 바람직하게는 통합 기간의 시작시 픽셀 셀의 리셋 직후 판독된다. 어두운 신호는 픽셀 셀의 kTC 잡음을 나타내고 때때로 픽셀 셀마다 상이한 픽셀 셀의 리셋 레벨에 대한 정보를 더 포함한다.

어두운 신호를 뺌으로써 판독된 픽셀 신호들을 보상하는 것을 CDS(correlated double sampling)이라고 한다. 많은 CMOS 영상화기가 구현된 CDS를 가질 것을 요구하지만, 실제로 알려진 시스템들은 하나의 통합 기간으로부터 픽셀 신호를 판독하고 그 다음 통합 기간으로부터 어두운 신호를 판독한다. 그래서, 측정된 kTC는 현재 프레임으로부터의 픽셀 신호와 어떠한 관계도 가지지 않는다. 바람직한 실시예에 따르면, 픽셀 신호(들)와 어두운 신호는 하나의 동일한 프레임에 관해 별도로 판독된다. 바람직하게, 동일한 프레임에 관해 대응하는 값들을 가질 수 있도록 하기 위해, 어두운 신호의 값이 프레임 저장소와 같은 곳에 외부적으로 저장된다. 그래서, 픽셀 신호(들)와 어두운 신호는 동일한 리셋 순간이나 프레임 또는 통합 기간을 가리키고, 올바른 kTC 잡음 레벨이 빼진다. 이 방법은 가변 디지털 2중 샘플링(VDDS: variable digital double sampling)라고 부른다. VDDS는 특히 영상의 어두운 영역에서 S/N(signal/noise) 성능을 개선하기 위해 사용될 수 있다.

또 다른 실시예에서, VDDS가 구현되어, 모든 선의 픽셀들의 검은색 값들 또는 어두운 신호가 저장된다. 그 결과 VDDS에서 수행된 감산 동작이 또한 픽셀들 사이의 임계 전압 차이를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 수직 및 수평 차광(shading) 또는 초점번짐(blooming)이 억제된다.

또 다른 바람직한 실시예에서는, 결합하기 위한 수단이 덜 밝은 신호의 감소된 노출 시간을 보상하도록 동작 가능하다. 제안된 보상은 동일한 스케일로 적어도 2개의 픽셀 신호를 가져가는데 유용하여, 그러한 적어도 2개의 픽셀 신호가 적절히 누적될 수 있다. 바람직하게, 덜 밝은 신호는 프레임 기간 또는 통합 시간과, 덜 밝은 신호의 제 1 리셋과 판독 사이의 시간 기간 사이의 비에 의존하는 인자만큼 증폭된다. 하지만, 예컨대 밝은 신호에 상기 인자의 역수 값만큼 곱함으로써 밝은 신호를 보상하는 것이 또한 가능하다. 좀더 일반적으로 얘기하면 n개의 픽셀 신호들의 경우 n-1개의 픽셀 신호들의 노출 시간을 보상하는 것이 가능하여, 모든 n개의 픽셀 신호들이 동일한 스케일을 가리키게 된다.

또 다른 바람직한 실시예에서는, 누적을 위한 수단이 연장된 전이 섹션을 포함하는 가중 함수를 사용하도록 동작 가능한데, 이 경우 덜 밝은 신호와 밝은 신호가 각각 덜 밝은 이득과 밝은 이득만큼 증폭된다. 실제 실현은, 예컨대 적어도 2개의 픽셀 신호들에 관한 밝기 또는 포화 레벨 의존 이득을 지닌 전달 함수를 구현함으로써 구현되고, 이 경우 그 전달 함수는 출력 신호가 적어도 2개의 픽셀 신호들의 가중치가 부여된 평균인 연장된 전이 구역을 포함한다. 그래서, 그러한 전이 구역에서는 레벨 의존 이득이 양 신호에 적용되고 양 신호가 결합된다. 그 의존도는 일반적으로 비례하는 의존도 또는 임의의 다른 의존도로서 표현되고, 그러한 전이 구역에서는 적어도 2개 이상의 상이한 이득 값들이 사용된다. 양 신호의 이득의 합은 바람직하게 정규화되고/정규화되거나 1과 같게 된다. 결합을 위한 수단은, 대응하는 계산 소프트웨어를 실행시키는 마이크로프로세서나 DSP를 포함할 수 있다.

전이 구역은 임계값에서 또는 임계값 아래에서 끝나고, 이는 밝은 신호의 최대 판독 값과 등가이다. 최대 판독 값은, 예컨대 픽셀 신호들을 디지털 데이터로 변환하는 ADC(analogue-to-digital converter)의 최대값 또는 픽셀 셀의 풀-웰 용량에 의해 제한된다. 그러므로, 임계값은 볼트(Volt)로 표현되거나 12비트 해상도 ADC의 경우 4095와 같은 디지털 숫자로 표현될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 회로가 행과 열로 배치된 복수의 픽셀 셀을 가지는 영상 감지기를 판독하고 리셋하도록 동작 가능하고, 이 경우 하나의 열에 배치된 픽셀 셀들은 영상 감지기에 입사하는 광에 대응하는 값들을 판독하기 위한 공통선에 선택적으로 결합될 수 있으며, 리셋을 위해 픽셀들의 선들을 어드레스 지정하기 위해 제 1 시프트 레지스터가 제공되고, 영상 감지기의 프레임율에 대응하는 통합 기간의 끝에서 픽셀 셀들로부터 값들을 판독하기 위해 픽셀 셀들의 선들을 어드레스 지정하기 위해 제 2 시프트 레지스터가 제공되며, 픽셀의 리셋과 통합 기간의 끝 사이의 상이한 시간 순간들에서 값들을 판독하기 위해 픽셀 셀들의 선들을 어드레스 지정하기 위해 제 3 시프트 레지스터와 제 4 시프트 레지스터가 제공된다. 이 실시예에서, 리셋을 위한 수단은 제 1 시프트 레지스터로서 실현되고, 다수 판독을 위한 수단은, 통합 기간 동안 다수 판독을 위해 동작 가능한 제 2, 제 3 및 제 4 시프트 레지스터로서 실현된다.

추가 설정 수단이 선택 사항으로 제공되는데, 이들은 자동 동적 범위 알고리즘을 수행하도록 동작 가능하고, 이 경우 덜 밝은 신호를 판독하기 위한 시간 및/또는 밝은 신호를 판독하기 위한 시간은, 잘려진 덜 밝은 신호들의 개수 및/또는 전체 영상에 걸쳐 잘려진 밝은 신호들의 개수에 따라 설정된다. 일반적으로 통합 기간 동안 판독을 위한 모든 타이밍 모멘트들은 조정 가능하여, 상이한 연장된 동적 범위 설정이 제공될 수 있고, 그러한 설정은 장면, 특히 사진이 찍혀질 장면의 조명도에 적응될 수 있다. 이들 설정은 바람직하게 자동으로 조정되지만, 사용자에 의한 수동 조정도 가능하다. 자동 동적 범위 알고리즘은, 예컨대 적어도 2개의 픽셀 신호들 중 하나의 잘려진 값들에 의존하는 타이밍 모멘트들을 설정한다. 잘려진 값들은 임계 한계에 걸쳐, 즉 픽셀 셀의 풀 웰 용량 및/또는 ADC의 최대 해상도에 걸쳐 픽셀의 값들로서 정의된다. 예컨대, 그러한 설정은 전체 영상의 덜 밝은 신호들이 약 10%의 잘려진 값들을, 그리고 전체 영상의 밝은 신호들이 약 50%의 잘려진 값들을 포함하도록 조정된다. 하지만, 그 조건들은 사용자의 요건 또는 다른 요건에 따라 설정될 수 있다.

전술한 바와 같은 각각의 픽셀 셀의 극단 동적 범위 정보를 발생시키기 위해 각 픽셀 셀의 어두운 신호 값, 덜 밝은 신호 값 및 밝은 신호 값을 사용하는 것은, 어두운 신호 값과 밝은 신호 값만을 사용하는 회로들에 비해, 데이터 스트림의 증가를 가져온다는 점이 주목되었다. 대체로, 데이터-스트림은 3/2의 인자만큼 증가될 필요가 있다. 한편으로는, 이것이 높은 동적 범위 영상을 달성하기 위해 받아들여질 수 있다. 다른 한편으로는, 일부 응용예에서는 데이터-스트림을 감소시키려는 욕구가 존재한다. 특히 이들 응용예에서는, 본 발명이 데이터-스트림이 감소될 수 있도록, 동적 범위 정보와 영상의 해상도 사이의 교환을 제안한다.

그러므로, 본 발명에서의 하나의 발견은 실제 픽셀들이 가상 픽셀들과 논리적으로 결합되고, 이 경우 각 가상 픽셀에 관해, 하나의 픽셀 값만이 높은 동적 범위의 영상에서 출력된다는 점이다. 가상 픽셀 셀의 개념은 높은 동적 범위 영상의 해상도의 수직 및/또는 수평 감소를 가져온다.

바람직한 일 실시예에서, 인접하게 배치된 실제 픽셀 셀들은 가상 셀들 중 하나에 결합된다. 하나의 가상 픽셀 셀에서 결합되는 실제 픽셀 셀들은 임의의 순서로 배치될 수 있지만, 바람직하게는 하나의 가상 픽셀 셀의 실제 픽셀 셀들은 하나의 공통 행 및/또는 하나의 공통 열을 가리킨다.

가상 픽셀 셀들의 개념의 실현을 단순화하기 위해, 매트릭스 요소들을 가지는 중간 영상을 발생시키도록 회로가 동작 가능한 것이 바람직하고, 이 경우 인접하게 놓여있는 매트릭스 요소들은 덜 밝은 신호들과 밝은 신호들의 값들로 채워진다. 특히, 덜 밝은 신호들과 밝은 신호들의 값들은, 예컨대 각각의 어두운 신호 값을 뺌으로써 보상된 어두운 신호이다.

가상 픽셀 셀의 개념을 따르면, 각 가상 픽셀 셀이 덜 밝은 신호로 채워진 매트릭스 요소들 중 적어도 하나와 밝은 신호 값으로 채워진 매트릭스 필드들의 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 그러므로, 가상 픽셀 셀의 높은 동적 범위 값은, 예컨대 전술한 바와 같은 적어도 2개의 신호 값들을 결합함으로써 유도할 수 있고, 이 경우 적어도 2개의 신호 값들은 적어도 2개의 상이한 실제 픽셀 셀들을 가리킨다.

본 발명의 바람직한 발전예에서는, 회로가 매트릭스 요소들을 가지는 중간 영상을 발생시키기 위해 실현되고, 이러한 매트릭스 요소들은 덜 밝은 신호들과 밝은 신호들의 값들로 채워진다. 매트릭스 요소들의 개수는 영상 감지기의 (사용된) 실제 픽셀 셀들의 개수에 대응한다. 바람직하게, 그 값들은 인접하게 배치된 매트릭스 요소들의 값들이 가상 픽셀 셀의 높은 동적 범위 값으로부터 결합될 수 있도록 하는 방식으로 분포한다.

또 다른 바람직한 실시예에서는, 덜 밝은 신호들의 값들이 행과 열로 배치되고, 밝은 신호들의 값들은 각각 다른 행과 열로 배치된다.

가능한 대안예는 덜 밝은 신호 값들의 2개의 행(열)이 밝은 신호 값들의 2개의 행(열)과 번갈아가며 나오도록 값들의 배치를 실현한다. 이러한 대안예는 수직(수평)의 더 낮은 또는 감소된 해상도에 관한 중간 영상을 나타낸다. 또 다른 가능한 대안예는 체커판(checkerboard)과 같은 패턴으로 된 값들의 배치를 실현하는데, 이는 최종 영상의 수평 또는 수직 해상도 감소를 허용한다.

본 발명의 일 구현예에서, 회로는 하나의 통합 기간 및/또는 하나의 프레임 기간 내에서 영상 감지기를 2번 판독하도록 동작 가능하다. 이로 인해, 각각 실제 픽셀 셀마다 하나의 신호 값을 포함하는 2개의 풀-필드(full-field)가 판독되고, 이러한 2개의 풀-필드는 중간 영상이 2개의 풀-필드로부터 유도될 수 있도록 구현된다.

본 발명의 또 다른 발전예에서는, 풀-필드가 이들 각각이 어두운-신호 행들을 포함하도록 구성되고, 이 경우 어두운-신호 행들은 어두운-신호 값들로 유일하게 또는 배타적으로 채워진다. 바람직하게, 풀-필드의 각각의 제 2 행은 어두운-신호 행이고 - 더 바람직하게는 - 그러한 어두운-신호 행들은 각 실제 픽셀 셀에 관해 어두운-신호가 판독되도록 배치된다.

한 가지 가능한 구현예에서는, 2개의 풀-필드 각각이 덜 밝은 신호 값들로 유일하게 또는 배타적으로 채워진 덜 밝은 신호 행들과, 밝은 신호 값들로 유일하게 또는 배타적으로 채워진 밝은 신호 행들을 포함한다. 이로 인해, 어두운 신호 행들 사이의 행들이 덜 밝은 신호 행들과 밝은 신호 행들 사이에서 번갈아 가며 나타나는 것이 특히 바람직하다.

또 다른 구현예에서는, 어두운 신호 행들 옆의 행들이 덜 밝은 신호 값들과 밝은 신호 값들이 체커판과 같은 방식으로 채워진다. 그래서, 각 행에서는 덜 밝은 신호 값들과 밝은 신호 값들이 번갈아 가며 나타나고, 열들도 동일한 방식으로 번갈아 가며 나타난다.

그러므로, 본 발명은 영상 감지기를 제어하기 위한 방법에 관한 것으로, 후속적인 선들 또는 열들 내에서의 픽셀들이 하나의 프레임 기간 동안 제 1 또는 제 2 통합 시간 기간 후 번갈아 가며 판독되는 것을 특징으로 한다. 선택적으로 계속되는 선들 또는 열들은 하나의 프레임 기간 동안, 제 1 통합 시간, 제 2 통합 시간 및 최대 n-번째 통합 시간 후에 판독된다. 게다가, 선택적으로, n개의 완성된 영상 또는 풀-필드가 하나의 프레임 기간 동안 상이한 통합 횟수만큼 판독된다. 특히, 정확히 2개의 영상 또는 풀-필드가 하나의 프레임 기간 동안 판독되고, 이 경우 하나는 하나의 프레임 기간 또는 풀 통합 시간 동안 노출되고, 나머지 하나는 그보다 적은 시간 기간 동안 노출된다.

본 발명은 또한 청구항 26에 따른 영상 감지기의 어드레스를 지정하는 방법을 다루는데, 이 방법은

- 픽셀 셀을 리셋하는 단계와,

- 풀 노출 기간 동안 노출된 픽셀 셀에 대응하는 값을 판독하는 단계로서, 이 풀 노출 기간은 영상 감지기의 프레임율에 대응하는 시간 기간인, 판독 단계를 포함하고, 이 방법은

- 풀 노출 기간 내의 하나의 시간 순간에서의 값을 판독하는 단계와,

- 풀 노출 기간 내의 판독된 값과 픽셀 셀의 포화 레벨에 따라 가중치가 부여된 풀 노출 기간 내의 시간 순간에서 판독된 값을 결합하는 단계를

더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 방법은 선택적으로 리셋 픽셀 셀에 대응하는 값을 판독하는 단계를 또한 포함한다. 바람직하게, 이 방법은 전술한 바와 같은 또는 첨부된 장치 청구항에서 규정된 바와 같은 회로를 사용한다. 특히, 리셋 단계는 리셋 수단에 의해 수행되고, 다수의 판독 수단에 의한 다수 판독과 결합 수단에 의한 결합이 행해진다.

바람직한 일 실시예에서, 본 발명의 방법은 풀 노출 기간과 픽셀 셀이 리셋 후와 판독되기 전에 노출된 시간의 비에 기초하여 풀 노출 기간 내에서 판독된 값으로부터 정정된 값을 계산하는 단계를 포함한다. 이 단계는 바람직하게 결합하기 위한 수단으로 수행되고, 전술한 바와 같이 상이한 입사 횟수를 적응시키기 위해 사용된다.

본 발명의 추가 특징, 장점 및/또는 효과는 이어지는 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명과 도면에 의해 드러난다.

도 1은 CMOS 영상 감지기의 최대 유용한 동적 범위와 제한 인자들을 예시하는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 실제 픽셀 셀의 연결도를 예시하는 도면.

도 3은 도 2에서의 픽셀 셀에서의 전하 생성과 VDDS 기술을 설명하기 위해 시간 의존성 신호 그래프를 도시하는 도면.

도 4는 추가 시프트 레지스터 신호를 지닌 시간 의존성 신호 그래프를 더 도시하는 도면.

도 5는 도 2에서의 픽셀 셀의 동작 동안 발생된 예시적인 신호들을 도시하는 도면.

도 6은 전-처리 단계 후 도 5에서의 신호들을 도시하는 도면.

도 7은 도 5 또는 도 6에서의 신호들의 이득에 관한 전달 함수를 도시하는 도면.

도 8은 높은-광 압축에 관한 예시적인 곡선을 도시하는 도면.

도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 사용된 시프트 레지스터들의 개략 블록도를 예시하는 도면.

도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 사용된 시프트 레지스터들의 개략 블록도를 도시하는 도면.

도 11은 VDDS를 사용하는 영상 감지기의 블록도를 도시하는 도면.

도 12는 본 발명의 제 3 실시예로서의 영상 감지기의 블록도를 예시하는 도면.

도 13은 영상 감지기의 실제 픽셀 셀들을 나타내는 매트릭스 요소들을 지닌 매트릭스를 도시하는 도면.

도 14는 본 발명에 따른 가능한 대안적인 판독 방법을 도시하는 도면.

도 15는 본 발명에 따른 또 다른 대안적인 판독 방법을 도시하는 도면.

도 16은 또 다른 대안적인 판독 방법에 적응된 멀티플렉서를 도시하는 도면.

동일하거나 등가인 부분들은 동일함 참조 번호로 나타나 있다.

도 1은 좌표 시스템(1)에 의해 CMOS APS와 같은 픽셀 셀의 제한 인자들과 최대 동적 범위를 예시한다.

좌표 시스템(1)의 수평 축(2)은 픽셀 셀의 조명도를 나타내고, 수직 축(3)은 그러한 조명도에 따른 신호 레벨을 나타낸다. 신호 레벨은 축(2)의 낮은 조명도 끝 상의 잡음 플로어(noise floor)과 축(2)의 높은 조명도 끝에서의 포화 레벨에 의해 경계가 정해진다. 도 1에서의 조명도가 시간에 걸친 통합된 조명도를 나타낸다는 점이 주목되어야 한다. 잡음 플로어 레벨에 대한 포화 레벨의 비로 결정된 픽셀 셀의 동적 범위는, 사진이 찍힌 장면의 장면 내(intra-scene) 및/또는 장면 간(inter-scene) 동적 범위를 커버하는 것에 관련된다. 장면 내 동적 범위는 한 영상 내의 비를 가리키는 데 반해, 장면 간 동적 범위는 연속적인 영상들 사이의 비를 가리킨다.

조명도-레벨 함수의 그래프(4)는 수평 축(2)에 평행한 제 1 섹션, 제 2의 선형 증가 섹션 및 수평 축(2)에 평행한 제 3 섹션을 포함한다.

제 1 섹션은 최소 검출 가능한 신호를 나타내는데 이는 전자 잡음에 의해 야기된 잡음 플로어에 의해 결정되고, 최소 조명도 신호를 결정한다. 이 잡음 플로어는 또한 잡음 등가 조명도로서 표현될 수 있다.

제 3 섹션은 최대 검출 가능한 신호를 나타내고 전자 측면에서 픽셀 셀 또는 영상 감지기의 풀-웰 용량(full-well capacity)에 의해 결정된다. 최대 신호는 풀 포화 신호에 대응하고, 이러한 포화 신호는 계속해서 노출 시간이 곱해진 대응하는 풀(full) 포화 조명도에 대응한다.

도 2는 연결 도(connection diagram)로서 본 발명과 관련되어 사용된 픽셀 회로(5)의 일 예를 도시한다. 픽셀 또는 포토다이오드(PD1)는 입사하는 광자(photon)에 의해 조명된다. 입사하는 전자는 광전 효과에 의해 전자로 변환된다. 이들 전자는 커패시터(C)에 누적된다. 커패시터(C)를 비우거나 리셋하기 위해, 선택 펄스가 노드인 RST에 인가될 수 있다. 커패시터(C)를 판독하기 위해, 선택 펄스가 노드인 SEL에 인가된다.

도 3은 도 2에서의 픽셀 셀에서의 전하의 생성과 VDDS 기술을 설명하기 위해 시간 의존적인 신호 곡선을 도시한다. 상부 라인은 도 2에서의 커패시터(C)의 충전 라인(6)을 나타낸다. 충전 라인(6)은 프레임1, 프레임2, 프레임3 등으로 불리는 프레임 섹션들로 나누어지고, 이들 각 프레임 섹션은 단일 프레임의 시간(temporal) 주기를 예시적으로 나타낸다.

프레임 섹션의 시작시, 픽셀 회로(5)는 노드(RST)에서 선택 펄스를 인가함으로써 리셋된다. 선택 펄스는 도 3에서 Rst-선(7)에 의해 도시되어 있고, 이 Rst-선(7)은 프레임 섹션의 각각의 시작시 직사각형 리셋 펄스(8)를 보여준다. 리셋 펄스(8)에 응답하여, 커패시터(C)와 그로 인한 충전 선(6)은 리셋-레벨(Vreset)으로 리셋되고, 이는 픽셀 셀(5)의 kTC 잡음 플로어에 대응한다. 영상 감지기나 포토다이오드(PD1)에 입사하는 광의 통합 시간(Tint) 동안, 레벨(Vwhite)에 도달될 때까지 충전선(6)의 선형 감소로 도시된 것처럼, 포토다이오드(PD1)나 커패시터(C)에서의 전압은 떨어지고, 이는 최대 통합 시간 후의 비디오 레벨에 대응한다.

또한, 선택선(9,10)(Sel1,Sel2)이 Tint 동안 2개의 상이한 시간 순간에서 판독에 관한 선택을 위해 도시되어 있다. 판독에 관한 제 1 선택(Sel1)은 보통 시간 순간(Tsel1)에서 취해진 리셋 값이나 어두운 값(Vsel1)을 판독하기 위한 것인데 반해, 판독에 관한 제 2 선택(Sel2)은 밝은 값이나 시간 순간(Tsel2)에서 노출(Vsel2) 후의 값을 판독하기 위한 것이다. 시간 순간들(Tsel1,Tsel2)은 선택 펄스들에 의해 및/또는 각각 화살표(Sel1,Sel2)에 의해 도 3에 표시되어 있다.

출력 비디오 값은 kTC 잡음을 억제하기 위해 Vsel2로부터 Vsel1에 관한 값들을 뺌으로써 계산된다. 실제 프레임에 관한 결과로서 생기는 출력 값을 계산하기 위해 결합되는 어두운 값(Vsel1)과 밝은 값(Vsel2)이 하나의 동일한 프레임으로부 터 취해진다는 점이 강조된다. 이러한 기술은 VDDS(variable digital double sampling:가변 디지털 2중 샘플링)이라고 불릴 수 있다.

시간(Tsel1)에서의 출력은 Vreset에 대응하는데 반해, 시간(Tsel2)에서의 출력은 Vreset+Vwhite에 대응한다. 비(Tsel2/Tint)는 흰색 값이 가능한 최대 통합 시간에 관해 취해지는 시점을 가리킨다. 한 라인에서의 모든 픽셀이 동시 판독을 위해 어드레스 지정되는 경우, 최대 가능한 통합 시간은 한 프레임에서의 프레임율과 선들의 개수에 의해 결정된다. 예컨대, 24,30,50,59,94가 초당 프레임들에 관한 흔한 율이지만, 일반적으로 임의의 다른 프레임 율도 가능하다.

밝은 영역들에 관한 영상 감지기의 성능을 개선하기 위해서, 다음에 설명되는 수정된 판독 방법이 사용될 수 있다. 포토다이오드(PD1)는 Vsel1을 판독하기 전 및 판독하는 동안 조명되므로, 커패시터(C)에서 전하 증대(build-up)가 존재한다. 그러므로, Vsel2를 판독할 때, 즉 Vsel2에 관해 판독된 신호가 잘라내질 때, 영상 감지기나 픽셀 셀이 포화된다면, 값(Vsel1)이 비디오 레벨을 계산하기 위해 사용될 수 있다. 통상, Vsel1은 보통 리셋 후에 가능한 짧은 매우 짧은 통합 시간으로 측정되지만, 이러한 순간을 Vsel1a로 이동시키는 것도 가능하여, 일정한 시간 동안 판독을 지연시킨다. 하지만, 이러한 수정된 판독 방법은 kTC 잡음 억제와 동적 범위 사이의 교환을 수반하는데, 이는 어두운 값이 더 이상 리셋 순간에 밀접하게 결합되지 않기 때문이다. 이러한 결과로서 생기는 출력 값은 도 5와 연계하여 나중에 설명되는 것처럼 바람직하게 계산되고, 도 5에서는 값(Vsel1)이나 값(Vsel1a)이 덜 밝은 신호로서 사용되며, 값(Vsel2)이 밝은 신호로서 사용되고, 이로 인해 어두운 신호(kTC) 보상이 생략된다.

우수한 kTC 잡음 억제와 강화된 동적 범위 모두를 제공하기 위해, 판독을 위해 픽셀의 셀을 어드레스 지정하기 위한 제 3 수직 시프트 레지스터를 사용하는 것이 바람직하다.

도 4는 또한 시프트 레지스터 신호(Sel3)로서 실현된 추가적인 선택 선(11)을 지닌 시간 의존적 신호 그래프를 도시한다. 충전선(6)은 본 발명에 따른 영상 감지기 내의 전하 증대와, 비디오 신호들을 판독하고 리셋하기 위한 대응하는 어드레스 지정 펄스들(Rst,Sel1,Sel2,Sel3)을 보여준다. 도 4에서, 매우 밝은 조명도가 가정되는데, 이는 최대 통합 시간(Tint)의 중간에서 영상 감지기를 포화시킨다. 대응하는 흰색 값이 곡선들을 외삽하는(extrapolating) 점선으로 표시되어 있다. 하지만, 신호가 미리 결정된 레벨(Vclip)에서 잘려지므로, 통합 시간 및 조명도에 실제로 대응하는 흰색 값에 도달될 수 없다.

예컨대, 통합 시간은 Tint=20㎳로 설정되고, 이는 50㎐의 프레임율에 대응하며, 선택 펄스(Sel2)로 포토다이오드(PD1)를 어드레스 지정하는 것 및/또는 판독하는 것을 위한 시간 순간은 Tsel2=5㎳로 설정되며, 선택 펄스(Sel3)로 포토다이오드(PD1)를 어드레스 지정하는 것 및/또는 판독하는 것을 위한 시간 순간은 Tsel3=20㎳로 설정된다. Vsel3가 Vclip에서 잘려지므로, Vsel2는 다음과 같이 Vwhite를 외삽하기 위해 사용되는데, 즉 Vwhite=Vsel2 ×Tint/Tsel2이다. 그러므로, 상이한 선택 토큰들에 관한 3개의 수직 시프트 레지스터들을 지닌 구조에서, 개선된 검은색 영상 응답이 연장된 동적 범위 기능성과 함께 구현될 수 있다.

도 5는 선택 펄스들(Sel1,Sel2,Sel3)을 인가함으로써 발생된 신호 곡선들을 도시하고 따라서 이들은 각각 어두운 신호(Vdark), 밝은 신호(Vbright) 및 덜 밝은 신호(VlesserBright)를 발생시킨다. 상부로부터 하부까지의 신호들의 시퀀스는 신호들이 취해진 시퀀스에 대응하지 않는다는 점이 주목되어야 한다. 제 1 처리 단계에서는, 고정된 패턴 잡음(FPN: fixed pattern noise)과 kTC를 정정 또는 보상하기 위해, Vdark가 Vbright와 VlesserBright로부터 빼진다. VlesserBright에 관한 이득 인자는 총 통합 시간(Tint)과 시간(Tsel2)의 몫으로서 계산될 수 있고, 시간(Tsel2) 동안에는 영상화기가 VlesserBright에 관한 값을 판독하기 전에 노출된다. 이러한 이득 인자는 영상 감지기가 포화되지 않는 경우에 판독되는 값을 결정하기 위해, VlesserBright에 관한 판독 값에 적용된다.

도 6은 이득 인자에 의해 정정된 VlesserBright에 관한 값에 대응하는 신호에 의해 보상된 도 5의 예시적인 신호들을 도시한다. 각 프레임의 정정된 VlesserBright의 최대 레벨은 각각의 프레임에 관해 외삽된 Vwhite에 대응한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 밝은 값을 판독함으로써 얻어진 신호와 덜 밝은 값(VlesserBright)을 판독하고 정정함으로써 얻은 신호가 각각의 값들에 의존하여 결합된다.

일반적으로 얘기하면, 영상의 더 어두운 영역에서는 밝은 값 신호만이 바람직하게 사용되는데, 이는 이 신호가 더 어두운 영역에 관해 가장 정확한 값들을 가지고 있기 때문이다. 반면에, 영상의 매우 밝은 영역에서는, 정정된 신호인 VlesserBright만이 바람직하게 사용되는데, 이는 밝은 값이 잘려질 수 있고, 덜 밝 은 값이 그 영상의 역동성(dynamics)에 대한 정보를 가지고 있기 때문이다.

전이 구역(transition zone)에서는, 레벨에 의존하는 이득이 양 신호에 적용되고, 양 신호가 결합한다. 양 신호의 이득의 합은 바람직하게 1과 같도록 조정된다.

도 7은 밝은 값(연속하는 선)과 덜 밝은 값(점선)의 이득에 관한 예시적인 값들을 전달 또는 이득 함수로서 도시한다. 수평 축에서는 디지털 숫자로 표현된 픽셀의 누적된 조명도가, 수직 축에서는 이득 인지가 표시되어 있다. 도 7에서, DNth는 임계값에 대응한다. 이러한 임계값으로부터 덜 밝은 신호가 증가하는 방식으로 인가된다. 도 7에서, 값(4095)은 이 예에서 사용된 예시적인 ADC의 12비트 해상도에 대응한다.

예:

Tint/Tsel2=10

Tint=16.6㎳(@프레임율 60㎐)

Tsel2=1/10 ×Tint=1.66㎳

덜 밝은 신호는 0부터 10 ×4095=40950까지의 범위를 지닌다. 결과로서 생기는 출력은 log(40950)/log(2)=16비트 해상도에 대응한다.

어두운 영역에서이 해상도는 12비트 Vbright 신호에 의해 결정되고, 밝은 영역들에서의 가상 해상도는 이득-정정된 VlesserBright 신호로부터 계산된다.

전이 구역에서의 적절한 행동을 달성하기 위해서는, 아크탄젠트(arctan) 곡선이 제안되어 결합된 신호를 10비트-해상도의 신호로 가져간다. 이는 강 조(highlight) 압축, 니(Knee) 함수, 또는 대수 전달 곡선으로서 간주될 수 있다. 예시적인 곡선이 도 8에 도시되어 있다. 아크탄젠트 곡선은 어두운 픽셀을 나타내는 값들에 대응하는 작은 값들에 관해서는 1의 이득을 가지고, 더 높은 밝기의 픽셀에 대응하는 더 높은 값들에 관해서는 이득이 감소하여, 대응하는 아크탄젠트 값만큼 입력 값을 감소시킨다.

모든 타이밍 순간은 Tint 내의 범위에서 조정 가능한데, 즉 신호가 샘플인 시간 순간이 Tint 내에서 조정될 수 있다. 이러한 식으로, 상이한 연장된 동적 범위 설정이 제공될 수 있고, 사진이 찍혀질 장면에 따라 자동 동적인 범위 알고리즘에 의해 또는 사용자에 의해 조정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 자동 동적인 범위 알고리즘은 전체 영상에 걸쳐 Tsel2에서 얻어진 신호들에 관한 평균 비디오 레벨을 측정하는 것과, 전체 영상에 걸쳐 Tsel3에서 얻어진 신호들에 관한 평균 비디오 레벨을 측정하는 것을 포함한다. 이들을 사용하여 2개의 파라미터(Tsel2 및/또는 Tsel3)가 조정될 수 있어, Tsel3에서 얻어진 신호가 약 50%의 잘려진 값들을 포함하고, Tsel2에서 얻어진 신호가 약 10%의 잘려진 값들을 포함하게 된다. 시간 순간(Tsel2,Tsel3)에서 샘플링되는 값들로 얼마나 많이 잘려지는 지에 대한 설정은 오직 예시적인 값들로서 주어진다. 그것들은 사용자의 요구 사항 또는 다른 요구 사항들에 따라 설정될 수 있다.

CMOS 영상화기에 관한 관련 분야의 동적 범위의 현재 상태는 약 400%이다. Vsel2의 여분의 측정으로, 동적 범위는 다음과 같이 개선된다.

예 1:

Tsel2 = 5㎳: Tint/Tsel2 = 20㎳/5㎳ = 4 ×higher =>1600%

예 2:

Tsel2 = 2㎳: 20㎳/2㎳ = 10x

예 3:

Tsel2 = 200㎲:20㎳/200㎲ = 100x

예 4:

Tsel2 = 20㎲: 20㎳/20㎲ = 1000x

예 5:

Tsel2 = 2㎲: 20㎳/2㎲ = 10000x

예 6:

Tsel2 = 200㎱: 20㎳/200㎱ = 100000x

그래서, Tsel2 = 200㎱를 가지고, 이론상으로는 100.000 ×400% = 40.000.000%의 동적 범위가 달성될 수 있다.

이러한 예들은 최대 통합 시간과 Tsel2에서 얻어진 신호에 관한 값이 샘플링되는 시간 사이의 관계를 보여준다.

Tsel2에서 얻어진 신호가 잘려지지 않는 한, Tsel1에서 얻어진 신호는 ADC 상에서 추가 비트들로서 간주될 수 있다.

VDDS를 수행하고 연장된 동적 범위를 제공하기 위해, 일 실시예에서는 영상화기가 바라는 프레임율의 3배로 실행된다. 1080P30/1080l60의 비디오 포맷의 경우, 이는 출력 데이터율이 74 ×3=222Msamples/sec임을 의미한다. 하나는 홀수 픽 셀, 하나는 짝수 픽셀인, 영상화기에서의 2개의 ADC를 가지고 각각의 ADC는 111㎒에서 동작해야만 한다. 물론 더 많은 ADC를 추가함으로써 이러한 주파수를 감소시키는 것이 가능하고, 이로 인해 추가 ADC들의 개수로 요구된 동작 주파수를 선형으로 감소시키게 된다.

따라서 동적 범위를 개선하고, 상관된 2중 샘플링을 제공하기 위한 방법은, kTC 잡음과 그림자(shading) 아티팩트를 억제하기 위해, Tsel1에서 얻은 신호(리셋 값)을 Tsel2에서 얻은 신호와, Tsel3에서 얻은 신호로부터 빼는 것을 포함한다. 또한, Tint/Tsel2에 대응하는 Tsel2에서 얻은 신호에 관한 이득 인자가 계산되고, Tsel2에서 얻은 신호에 적용된다. 이후, Tsel2에서 얻은 신호와 Tsel3에서 얻은 신호 Tsel2에서 얻은 신호에 의존하는 가중 인자(weighting factor)와 결합된다.

일 발전예에서는, Tsel2에서 얻은 신호와 Tsel3에서 얻은 신호가 더해진다. Tsel3에서 얻은 신호가 잘려지지 않는 한, 이러한 추가는 2의 제곱근의 인자만큼 시간(temporal) 잡음을 감소시킨다.

도 9는 본 발명에 따라 사용된 3개의 시프트 레지스터의 개략적인 블록도를 예시한다. 바람직하게, 시프트 레지스터는 수직 시프트 레지스터로서 구현된다. 이러한 실시예에서, 도 3과 연계하여 설명된 것과 같이 VlesserBright와 Vbright 값을 발생시키기 위한 방법이 실현되거나 시프트 레지스터 중 하나가 프레임 기간 동안에 2번 사용되어, 도 4와 연계하여 설명된 것과 같은 Vdark, VlesserBright 및 Vbright 값들을 발생시키는 방법이 실현될 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 발전예의 개략적인 블록도를 도시하고, 이를 통 해 3개의 시프트 레지스터가 판독을 위해 픽셀 회로들을 선택하기 위해 제공되고, 2개의 시프트 레지스터가 독립적으로 각각의 픽셀 회로들을 리셋하기 위해 제공된다. 종래 기술에 비해, 판독을 위한 선택시 2개의 추가 시프트 레지스터와 리셋을 위한 하나의 선택적인 추가 시프트 레지스터가 제공된다.

본 발명의 이러한 발전예에 따른 구성을 사용하면, 다음 상이한 판독 모드가 가능하다.

1. 아날로그 2중 샘플링 모드

2. 디지털 2중 샘플링 모드

3. 높은 동적인 범위 모드

4. 검은 선을 판독하기 위한 제 2 리셋

언급된 제 1 판독 모드를 수행하기 위해, 하나의 리셋과 하나의 선택 레지스터만이 요구된다. 하지만, 이 모드는 일부 단점을 야기한다. 첫 번째는 측정된 kTC 잡음이 실제로 계속해서 일어나는 통합 기간에 속하여, 고정된 패턴 잡음, 즉 FPN의 억제만을 초래한다. 두 번째는 통합 시간이 짧아진다면, 잘못된 선에 속하는 고정된 패턴 잡음이 정정을 위해 사용되어, 결국 고정된 패턴 잡음의 나쁜 정정을 초래하게 된다.

제 2 모드에서는, 판독 프레임율이 2의 인자만큼 증가될 때, 밝은 값과 어두운 값이 각 픽셀 회로로부터 판독될 수 있다. 디지털 2중 샘플링을 수행하기 위한 방법에 따라, 어두운 값들이 프레임 저장소에 저장되고 이득-정정되어 더 짧은 통합 시간을 보상하게 된다.

제 2 모드를 수행하기 위한 회로의 예시적인 블록도가 도 11에 도시되어 있다. 이 모드와 이러한 회로는 상관 값들을 이용해서 kTC 잡음에 관한 보상을 허용한다. 또한, 수평 및 수직 그림자 아티팩트가 억제된다. 더 나아가 각 픽셀로부터의 고정된 패턴 잡음이 측정되고 독립적으로 정정된다. 이 회로는 또한 프레임 저장소로부터의 판독의 신호 알림(signing)을 변경함으로써, 유연하게 통합 시간들을 설정하는 것을 허용한다.

제 3 모드가 위에서 추가로 설명되었고, 다시 상세히 언급되지는 않는다.

제 4 모드에서는 검은색 선이 열 고정된 패턴 잡음의 억제를 허용하기 위해 판독된다. 대안적으로, 열 고정된 패턴 잡음을 정정하기 위해 영상의 한 선만이 판독될 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 영상 감지기의 기본 블록도를 도시한다. 이 영상 감지기는, 예컨대 행과 열로 배치된 복수의 픽셀 셀을 지닌 영상화기를 포함한다. 예컨대 도 10에 도시된 것과 같은 시프트 레지스터의 시스템으로서 구현된 토큰 제어 로직은 판독을 위해 픽셀 셀들의 어드레스를 지정한다. 판독 값들은 멀티플렉서(Mux) 유닛을 통해 전달되고 3개의 채널로 나누어짐으로써, 제 1 채널이 제 1 프레임 저장소에서 리셋-레벨 값(Vsel1)을 안내하고, 제 2 채널이 Tsel2 후의 비디오-레벨 값들, 즉 덜 밝은 값들을 제 2 프레임 저장소로 안내한다. 프레임 기간을 완료한 후, 양 프레임 저장소는 누적 유닛 내로 내용물이 옮겨져 비워지고, 이러한 누적 유닛에서는 또한 제 3 채널이 Tsel3 후의 비디오-레벨 값들, 즉 밝은 값들을 안내한 후 끝난다. 도 12에서, Vsel1은 어두운 값, 즉 Vdark에 대응하고, Vsel2는 Tsel2에서의 비디오 레벨, 즉 덜 값은 값에 대응하며, Vsel3은 가장 긴, 바람직하게는 최대 통합 시간에서의 비디오 레벨, 즉 밝은 값에 대응한다. 누적 유닛에서, VDDS와 추가로 전술한 바와 같은 극단적인 동적 범위 알고리즘이 출력 비디오를 발생시키기 위해 수행된다.

정정된 높은 동적 비디오 출력 또는, 하나는 공칭 영상이고, 하나는 높은 동적 범위에 관한 것인 2개의 데이터 스트림이 선택적으로 출력될 수 있다.

도 13은 교번하는 홀수 픽셀들과 짝수 픽셀들이 정렬하여 배치된 예시적인 픽셀 그리드(grid)를 도시한다. 문자 O와 E는 홀수와 짝수를 표시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이웃하는 선들 또는 행들은 상이한 통합 시간들 후 판독된다. 예컨대, 홀수로 번호가 매겨진 행들과 짝수로 번호가 매겨진 행들이 상이한 통합 시간들에 관해 판독된다.

3개의 시프트 레지스터를 가지는 회로를 사용하여, 제 1 시프트 레지스터로부터 오는 제 1 선택 신호가 홀수 행들에서의 밝은 값을 판독하기 위해 사용되고, 짝수 행들에서의 덜 밝은 값을 판독하기 위해 사용된다. 제 2 시프트 레지스터로부터 오는 제 2 선택 신호는 홀수 행들의 어두운 값들을 판독하기 위해 사용된다. 제 3 시프트 레지스터로부터 오는 제 3 선택 신호는 짝수 행들의 어두운 값들을 판독하기 위해 사용된다.

도 14는 상이한 통합 시간들 후 계속되는 행들이 판독되는 픽셀들의 행들의 판독 패턴을 도시한다. 문자 D는 어두운 값을 표시하고, 문자 L은 더 짧은 통합 시간 후 판독된 덜 밝은 값을 표시하며, 문자 B는 최대 통합 시간 후 판독된 밝은 값 을 표시한다. 예시적인 픽셀 그리드는 도 13에 도시된 것과 동일하다. 제 1 필드의 제 1 행은 어두운 값을 만들기 위해 판독된다. 제 1 필드의 제 2 행은 덜 밝은 값을 만들기 위해 판독된다. 제 1 필드의 제 3 행은 다시 어두운 값을 만들기 위해 판독되고, 제 1 필드의 제 4 행은 밝은 값을 만들기 위해 판독된다. 위 시퀀스(subsequence)는 제 1 필드가 완전히 판독될 때까지 반복된다. 이 시퀀스는 제 2 필드를 판독하기 위해 한 행씩 이동된다. 제 2 필드에서, 제 1 행은 덜 밝은 값을 만들기 위해 판독된다. 그 다음 행인 제 2 행은 어두운 값을 만들기 위해 판독된다. 제 3 행은 밝은 값을 만들기 위해 판독되고, 제 4 행은 다시 어두운 값을 만들기 위해 판독된다. 이 시퀀스는 제 2 필드가 완전히 판독될 때까지 반복된다. 도 14는 또한 우측에서 제 1 필드와 제 2 필드가 하나의 프레임으로 어떻게 재구성되는지를 보여준다. 제 1 행과 제 2 행은 덜 밝은 값들을 포함하고, 제 3 행과 제 4 행은 밝은 값들을 포함하는 것을 볼 수 있다. 이 시퀀스는 그 프레임의 끝까지 계속된다. 이 방법의 이러한 실시예는 가능하게 감소된 수직 해상도를 희생하여 개선된 동적 범위를 제공한다.

또 다른 실시예에서는, 가능하게 감소된 수평 해상도를 희생하여 개선된 동적 범위가 달성된다. 대응하는 패턴이 도 15에 도시되어 있다. 이 경우, 모든 제 2 행에서 어두운 값들을 판독하는 것은 제 1 실시예에서 나타난 것과 마찬가지로 유지된다. 하지만, 밝은 값들과 덜 밝은 값들을 판독하기 위한 번갈아가며 일어나는 타이밍이 홀수 열들과 짝수 열들에 관해 적용된다. 제 1 실시예와 유사하게, 판독 패턴은 후속적인 필드들 사이에서 이동된다. 그러나, 열 판독 패턴은 후속적인 필 드 사이에서 마찬가지로 이동된다. 도 15의 우측편에는 재구성된 프레임이 도시되어 있다. 덜 밝은 값들과 밝은 값들을 포함하는 체커판과 같은 패턴의 픽셀들을 볼 수 있다.

본 발명의 제 2 실시예에 따라 영상 감기지를 판독하기 위해서, 판독 값들을 저장하는 열 커패시터에 관한 선택 입력이 필요하게 될 수 있다. 이를 위해, 2개의 출력, 즉 홀수 열과 짝수 열에 관한 열 커패시터 스위치들을 위한 분할(split)을 제공하는 것이 가능하다.

이 실시예에서, 완전한 영상은 비월(interlaced) 모드로 2개의 필드에서 판독된다. 하지만, 완전한 영상들, 또는 순차식 비디오를 판독하기 위해 번갈아가며 행해지는 판독 방식을 적응시키는 것도 가능하다. 본 명세서에서의 필드라는 용어는 비월 비디오의 절반의 영상(half-image)을 위해 사용된다. 프레임이라는 용어는 순차식 비디오의 완전한 이미지를 위해 사용된다.

모든 타이밍 순간은 통합 시간(Tint) 내의 범위에서 조정 가능한데, 즉 덜 밝은 값들에 관한 신호들이 샘플링되는 시간 순간이 Tint 내에서 조정될 수 있다. 이러한 식으로, 사진이 찍혀질 장면에 따라, 사용자에 의해 또는 자동 동적 범위 알고리즘에 의해 조정된, 상이한 연장된 동적 범위 설정이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 발전예에 따르면, 자동 동적 범위 알고리즘은 전체 영상에 걸쳐 Vsel2에 관한 평균 비디오 레벨을 측정하는 것과, 전체 영상에 걸쳐 Vsel3에 관한 평균 비디오 레벨을 측정하는 것을 포함한다. 이들 2개의 파라미터를 사용하여, Vsel3가 ±50%의 잘려진 값들을 포함하고, Vsel2가 ±10%의 잘려진 값들을 포함하 도록 Vsel2가 조정될 수 있다. Vsel2와 Vsel3에 관해 샘플링되는 값들로 얼마나 많이 잘려질 것인가의 설정은 예시적인 값들로서만 주어진다. 그것들은 사용자의 요구 사항이나 다른 요구 사항에 따라 설정될 수 있다.

도 16은 열 커패시터 스위치를 구동하기 위한 가능한 멀티플렉서를 도시한다. 도 16에서, COL_O_En이라고 된 라벨(label)은 홀수 열 또는 짝수 열을 선택하기 위한 멀티플렉서로의 입력을 표시한다. SW_B_COL_control_Odd(2..)라고 된 라벨은 SPI 레지스터를 경유하여 제어를 제공하는 멀티플렉서로의 입력을 표시한다. 다음 테이블은 그러한 멀티플렉서에 관한 로직 테이블을 보여준다.

mux에 관한 로직 테이블:

SW_B_COL_control_Odd(2..0) => SW_B_COL_Odd(bits2..0)

000 = => SW_B

001 = => SW_D

010 = => Logic low

011 = => Logic high

100 = => SW_B AND COL_O_En

101 = => SW_D AND COL_O_En

110 = => Reserved

111 = => Reserved

각 열에 관한 어두운 값과 밝은 값에 관한 저장 수단 사이, 홀수 픽셀과 짝수 픽셀 사이, 및 기준 전압으로서의 신호를 판독하는 것 사이에서 선택하기 위해 멀티플렉서가 사용된다. 총체적으로 여러 조합들을 생각할 수 있다. 즉,

SW_B_COL_Odd(예에서 도시된)

SW_B_COL_Even

SW_D_COL_Odd

SW_D_COL_Even

SW_B_REF_Odd

SW_B_REF_Even

SW_D_REF_Odd

SW_D_REF_Even

열들에 관해 멀티플렉서를 사용함으로써, 하나의 선 또는 행 내의 홀수 픽셀과 짝수 픽셀을 선택적으로 판독하는 것이 가능하므로, 그 프레임 율이 또한 증가될 수 있다.

비록 본 발명이 특히 판독을 위해 3개의 시프트 레지스터를 가지는 영상 감지기를 참조하여 설명되었지만, 3개보다 적은 개수의 시프트 레지스터를 가지는 영상화기를 가지고 본 발명을 사용하는 것도 가능하다. 이러한 경우, 가변 클록율(clock rate)로 시프트 레지스터를 클로킹(clock)할 수 있는 것이 유리할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 영상 감지기의 픽셀들을 리셋하고 판독하기 위한 회로 및 방법에 관한 것으로, 특히 CMOS 기술을 사용한 영상 감지기 분야에서 이용 가능하다.

Claims

행과 열로 배치된 픽셀 셀들을 가지는 영상 감지기를 제어하는 방법으로서,

- 주 통합 기간(main integration period)을 제공하는 단계와,

- 각 픽셀 셀을 판독하고, 픽셀 셀마다 대응하는 픽셀 신호를 생성하기 위해, 상기 주 통합 기간 동안 제 1 시간 순간과 제 2 시간 순간을 제공하는 단계를

포함하는 영상 감지기를 제어하는 방법에 있어서,

- 제 1 그룹의 픽셀 셀들을 리셋하고, 상기 제 1 그룹의 픽셀 셀들을 노출시키고(exposing), 상기 주 통합 기간 동안 상기 제 1 시간 순간에 상기 제 1 그룹의 픽셀 셀들을 판독하는 단계;

- 상기 제 1 그룹의 픽셀 셀들의 일부가 되는 픽셀 셀들이 배제된(excluded) 제 2 그룹의 픽셀 셀들을 리셋하고, 상기 제 2 그룹의 픽셀 셀들을 노출시키고, 상기 주 통합 기간 동안 상기 제 2 시간 순간에 상기 제 2 그룹의 픽셀 셀들을 판독하는 단계; 및

- 결합된 출력 신호를 생성하기 위하여, 상기 제 1 그룹의 픽셀 셀들 중 하나 이상의 픽셀 셀들의 하나 이상의 픽셀 신호들과 상기 제 2 그룹의 픽셀 셀들 중 하나 이상의 픽셀 셀들의 하나 이상의 픽셀 신호들을, 상기 픽셀 셀들의 포화 레벨에 따라 가중치가 부여된 방식으로 결합하는 결합 단계를 포함하는, 영상 감지기를 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 그룹과 제 2 그룹의 픽셀 셀들은 한 행 걸러서 또는 체커판(checkerboard) 패턴으로 배치되는, 영상 감지기를 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 하나의 주 통합 기간을 걸러서, 상기 픽셀 셀들을 판독하기 위한 상기 제 1 시간 순간과 상기 제 2 시간 순간은 상기 제 1 그룹과 제 2 그룹의 픽셀 셀들 사이에서 교환되는, 영상 감지기를 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 어두운 신호를 얻기 위한 주 통합 기간 동안 추가 시간 순간에서 상기 픽셀 셀들을 판독하는 단계를 더 포함하고,

상기 어두운 신호는 상기 주 통합 기간의 시작시 판독되며, 상기 어두운 신호는 덜 밝은 신호로부터 또는 밝은 신호로부터 감산되는, 영상 감지기를 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 결합 단계는 덜 밝은 신호의 감소된 노출-시간을 보상하는 단계를 포함하고,

상기 덜 밝은 신호는, 상기 주 통합 기간과, 상기 덜 밝은 신호의 제 1 리셋과 판독 사이의 시간 기간, 사이의 비에 의존하는 인자만큼 증폭되는, 영상 감지기를 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 결합 단계는 연장된 전이 구역을 포함하는 가중 함수를 사용하는 단계를 포함하고,

덜 밝은 신호와 밝은 신호는, 각각 덜 밝은 이득과 밝은 이득만큼 증폭되는, 영상 감지기를 제어하는 방법.
제 6항에 있어서, 상기 전이 구역은 임계값 이하에서 끝나고, 상기 임계값은 상기 밝은 신호의 최대 판독 값과 등가인, 영상 감지기를 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 2개의 후속하는 주 통합 기간으로부터의 픽셀 셀 신호들이 결합되는, 영상 감지기를 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 이전 주 통합 기간 동안 미리 결정된 값을 초과한 전체 영상에 걸쳐 덜 밝은 신호들 또는 밝은 신호들의 개수에 따라, 덜 밝은 신호를 판독하기 위한 상기 제 1 및 제 2 시간 순간들 또는 밝은 신호를 판독하기 위한 시간을, 현재 또는 미래의 주 통합 기간 동안, 적응될 수 있게 설정하는 단계를 더 포함하는, 영상 감지기를 제어하는 방법.
제 1항에 있어서, 다수의 픽셀 셀들의 신호들을 가상 픽셀 셀의 대응하는 신호로 결합하는 단계를 더 포함하는, 영상 감지기를 제어하는 방법.
영상 감지기 판독 회로로서,

제 1항에 따른 방법을 수행하도록 적응된 영상 감지기 판독 회로.
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