KR101381880B1 - 영상 촬상 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영상 촬상 장치 및 방법에 관한 것으로서, 광 다이오드에 의하여 감지된 광신호에 대한 전기 신호를 기 설정된 임계치와 비교하는 비교기의 구조를 적은 수의 트랜지스터를 이용하여 구현하는 영상 촬상 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 촬상 장치는 입사된 광신호의 세기에 따라 인가된 전압을 방전시키는 광신호 감지부와, 상기 방전된 전압을 구비된 인버터의 임계 전압과 비교하는 비교부 및 상기 비교 결과에 따라 상기 방전된 전압의 크기를 초기값으로 리셋하는 리셋 제어부를 포함한다.
영상 센서, 동적 범위(Dynamic Range), 비교기(Comparator), 인버터(Inverter)

Description

영상 촬상 장치 및 방법{Apparatus and method for photographing image}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영상 촬상 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센서의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영상 촬상 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 센서의 동작 과정을 나타낸 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
110 : 광 수신부
120 : 센서부
130 : 신호 추출부
본 발명은 영상 촬상 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 다이오드에 의하여 감지된 광신호에 대한 전기 신호를 기 설정된 임계치와 비교하는 비교기의 구조를 적은 수의 트랜지스터를 이용하여 구현하는 영상 촬상 장치 및 방 법에 관한 것이다.
최근 디지털 카메라 및 카메라 폰 등과 같이 카메라를 장착한 장치들의 보급이 확산되고 있다.
카메라는 일반적으로 렌즈 및 영상 센서 등을 포함하여 구성되는데, 렌즈는 피사체에 반사된 광신호를 모으는 역할을 하며, 영상 센서는 렌즈에 의해 모아진 광신호를 검출하여 전기적인 영상 신호로 변환하는 역할을 한다. 영상 센서는 크게 촬상관과 고체 영상 센서로 분류될 수 있으며, 고체 영상 센서의 대표적인 예로서 전하 결합 소자(CCD, Charge Coupled Device)와 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor)가 있다.
영상 센서에서 동적 범위(Dynamic Range)는 영상 센서가 감지할 수 있는 광신호 크기의 범위로서, 동적 범위의 크기에 따라 강한 광신호 및 약한 광신호의 감지 여부가 결정된다. 예를 들어, 동적 범위가 작으면 입사되는 광신호 세기를 모두 감지할 수 없으므로 너무 밝거나 너무 어두운 영상이 생성되는 것이다.
물론, 입사되는 광신호에 대한 노출 시간을 조절함으로써 영상의 어두운 부분과 밝은 부분을 구별할 수도 있으나, 노출 시간 조절만으로 확장된 동적 범위의 영상을 구현함에 있어서는 한계가 존재한다. 즉, 강한 광신호가 입사되는 경우 노출 시간을 짧게 하고, 약한 광신호가 입사되는 경우 노출 시간을 길게 함으로써 신호 레벨을 유지함과 동시에 확장된 동적 범위를 구현할 수 있으나, 강한 광신호와 약한 광신호가 동시에 입사되는 경우 이는 노출 시간 조절만으로는 충분히 신호 레벨을 유지할 수 없기 때문이다.
따라서, 별도의 방법으로 동적 범위를 확장하는 것이 바람직한데, 이를 위하여 자기 복귀(Self-Reset) 방식을 이용한 영상 센서가 연구 중에 있다. 자기 복귀 방식을 이용한 영상 센서는 하나의 프레임 동안 노출을 여러 번 반복하여 전하 축적 용량을 증가시킴으로써 동적 범위를 확장시킨다.
자기 복귀 방식을 이용한 영상 센서에서 광신호를 수신한 수광부는 수신된 광신호에 대한 신호 값을 출력하는데, 출력되는 신호 값은 광신호에 대한 전하가 축적됨에 따라 감소된다. 이 때, 출력되는 신호 값이 기 설정된 임계치보다 작게 되면 수광부는 리셋되고 전하는 다시 축적되는데, 이러한 과정은 하나의 프레임 동안 반복된다. 그리고, 하나의 프레임에 대한 전하 축적이 완료되면 전하 축적의 반복 횟수와 마지막 값을 이용하여 총 축적 용량이 확인되고, 이를 통하여 입사된 광신호의 세기가 검출된다.
이와 같은 자기 복귀 방식을 이용한 영상 센서는 출력되는 신호 값과 기 설정된 임계치를 비교하기 위하여 비교기를 구비하여야 하고, 전하 축적의 반복 횟수를 확인하기 위하여 카운터를 구비하여야 하며, 반복 횟수를 임시로 저장하기 위한 메모리를 구비하여야 한다. 즉, 기존의 영상 센서의 구성에 추가적인 구성 요소가 구비되어야 하는 것으로서, 이에 따라 하나의 픽셀을 표현하는 단위 센서의 크기가 증가할 수 있으며 단위 센서로부터 출력되는 출력 포트의 수가 증가할 수도 있다.
따라서, 수광부에 의한 전하 축적의 반복 횟수와 마지막 신호 값을 확인할 수 있는 보다 단순한 구조의 영상 센서의 발명이 요구된다.
본 발명은 광 다이오드에 의하여 감지된 광신호에 대한 전기 신호를 기 설정된 임계치와 비교하는 비교기의 구조를 적은 수의 트랜지스터를 이용하여 구현하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 영상 촬상 장치는 입사된 광신호의 세기에 따라 인가된 전압을 방전시키는 광신호 감지부와, 상기 방전된 전압을 구비된 인버터의 임계 전압과 비교하는 비교부 및 상기 비교 결과에 따라 상기 방전된 전압의 크기를 초기값으로 리셋하는 리셋 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 촬상 방법은 입사된 광신호의 세기에 따라 인가된 전압을 방전시키는 단계와, 상기 방전된 전압을 구비된 인버터의 임계 전압과 비교하는 단계 및 상기 비교 결과에 따라 상기 방전된 전압의 크기를 초기값으로 리셋하는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태 로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영상 촬상 장치를 나타낸 블록도로서, 영상 촬상 장치(100)는 광 수신부(110), 센서부(120) 및 신호 추출부(130)를 포함하여 구성된다.
광 수신부(110)는 광신호를 수신하는 역할을 하는데, 이를 위하여 광 수신부(110)는 렌즈부(미도시) 및 필터부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
렌즈부는 입사하는 빛을 집광하는 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하여 구성된다. 렌즈의 개수는 용도 및 필요에 따라 변경될 수 있다. 또한, 렌즈는 동일 평면 상에 다양한 형태로 배치될 수 있다. 예를 들면, 가로방향, 또는 세로방향으로 일렬로 배치되거나 가로×세로의 행렬 형태로도 배치될 수도 있다.
필터부는 렌즈부에 의해 집광된 광신호를 필터링하는 역할을 한다. 즉, 필터부는 렌즈부에 의해 집광된 광신호 중에서 소정 파장 대역의 광신호만을 통과시키는 역할을 한다.
센서부(120)는 적어도 하나 이상의 센서를 포함하여 구성되는데, 각 센서는 하나의 픽셀 영역에 대한 영상 신호를 생성하기 위한 광신호를 수신하여 이를 전기 신호로 변환하여 출력한다. 여기서, 전기 신호는 센서에 인가된 전원 전압의 가변 형태일 수 있는데, 본 발명의 실시예에 따른 센서는 방전이 진행됨에 따라 그 크기가 감소되는 전압을 출력할 수 있다.
이 때, 전압의 크기가 감소되는 속도는 광신호의 크기에 따라 달라질 수 있다. 즉, 광신호의 크기가 큰 경우 전압의 크기는 큰 폭으로 감소하고 광신호의 크기가 작은 경우 전압의 크기는 작은 폭으로 감소하는 것이다.
신호 추출부(130)는 입사된 광신호에 대하여 하나의 프레임이 생성되는 동안 수행되는 센서에서의 리셋 횟수와 해당 센서에서 출력된 전압의 최종값을 이용하여, 감지된 광신호에 대하여 축적된 전하량을 추출하는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에 따른 센서는 자기 복귀(Self-Reset) 방식을 이용하는 센서를 포함하는데, 센서는 하나의 프레임을 생성하기 위한 광신호를 수신하는 노출 시간동안 방전에 따라 감소되는 전압을 출력하고, 감소된 전압이 특정 임계치 미만이 되면 다시 초기값으로 리셋하는 과정을 반복한다. 이와 같은 방전과 리셋의 반복 과정에 따라 센서에 의하여 광신호가 감지되는 동적 범위(Dynamic Range)가 증가하게 된다.
그리고, 신호 추출부(130)는 센서로부터 출력된 전압을 통하여 추출된 전하량을 이용하여 높은 동적 범위의 영상 신호를 생성한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센서의 세부 구성을 나타낸 블록도로서, 센서(200)는 리셋 제어부(121), 광신호 감지부(122), 비교부(123), 카운터(124) 및 저장부(125)를 포함하여 구성된다.
광신호 감지부(122)는 입사된 광신호(250)를 감지하여 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. 여기서, 전기 신호는 전술한 바와 같이 센서(200)에 인가된 전원 전압의 가변 형태일 수 있는 것으로서, 광신호(250)를 수신하는 노출 시간동안 방전이 진행됨에 따라 그 크기가 감소된다. 그 크기가 감소되는 전압의 감소 폭은 입사되는 광신호(250)의 세기에 따라 달라질 수 있다.
비교부(123)는 입력으로 인가된 전압의 크기를 기 설정된 임계치와 비교하는 역할을 한다. 여기서, 인가되는 전압은 광신호 감지부(122)에 의하여 출력되는 전압 즉, 방전이 진행됨에 따라 그 크기가 감소되는 전압일 수 있다.
비교부(123)의 내부에는 인버터가 내장될 수 있는데, 임계치는 인버터의 임계 전압일 수 있다.
비교 결과에 따라, 비교부(123)는 리셋 제어부(121)로 제어 전압을 인가한다. 예를 들어, 비교부(123)로 입력된 전압의 크기가 인버터의 임계 전압보다 작아지는 경우 리셋 제어부(121)로 제어 전압을 인가하는 것으로서, 제어 전압은 전원 전압을 포함한다.
리셋 제어부(121)는 비교부(123)의 비교 결과에 따라 광신호 감지부(122)에서 방전된 전압의 크기를 초기값으로 리셋하는 역할을 한다. 초기값으로 전환된 전압은 다시 방전이 진행됨에 따라 그 크기가 감소하게 되고, 이와 같은 과정은 하나의 프레임을 구성하기 위한 모든 광신호(250)가 입사될 때까지 진행된다.
카운터(124)는 리셋 제어부(121)에 제어 전압이 인가되는 횟수 즉, 리셋 횟수를 확인한다. 카운터(124)에 의해 확인된 리셋 횟수는 저장부(125)에 저장된다.
하나의 프레임을 구성하기 위한 모든 광신호(250)가 입사되는 시점(이하, 종료 시점이라 한다)에 마지막 리셋 이후 수광되는 광신호(250)에 대한 전기 신호(210)와 저장부(125)에 저장된 리셋 횟수(220)가 출력된다.
그리고, 신호 추출부(130)는 종료 시점에 출력된 전기 신호(210)의 크기와 전달받은 리셋 횟수(220)를 이용하여 감지된 광신호(250)에 대하여 축적된 전하량을 추출한다.
한편, 도 1은 카운터(124)와 저장부(125)가 별도의 모듈로 구성된 것을 도시하고 있으나, 하나의 모듈로 통합되어 구성될 수도 있음은 물론이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 구조를 나타낸 도면으로서, 도 3 내지 도 4에 도시된 센서(400, 500)는 광 다이오드(420), 제 2 리셋 트랜지스터(412), 버퍼 트랜지스터(440), 행 선택 트랜지스터(450), 제 1 비교 트랜지스터(431), 제 2 비교 트랜지스터(432) 및 저장부(125)를 포함하여 구성된다. 여기서, 제 2 리셋 트랜지스터(412)는 센서 전체의 리셋을 수행하는 리셋부(410)의 일부로 구성될 수 있다. 리셋부(410)는 리셋 신호를 수신하는 제 1 리셋 트랜지스터(411)를 포함하는데, 리셋 신호를 수신함에 따라 제 1 리셋 트랜지스터(411)는 전원 전압을 제 2 리셋 트랜지스터(412)에 인가하는 역할을 한다.
제 2 리셋 트랜지스터(412)는 광 다이오드(420)를 리셋하는 역할을 한다. 광 다이오드(420)는 광신호를 수신함에 따라 초기 전기 신호를 출력하고, 출력되는 전기 신호는 방전이 진행됨에 따라 감소되는데, 제 2 리셋 트랜지스터(412)에 의하여 리셋됨에 따라 광 다이오드(420)는 다시 초기 전기 신호를 출력하게 된다. 여기서, 전기 신호는 전압의 형태일 수 있으며 전술한 바와 같이 전원 전압이 포함될 수 있다.
하나의 프레임을 구성하기 위한 모든 광신호가 입사된 경우 제 2 리셋 트랜지스터(412)는 광 다이오드(420)를 리셋한다.
광 다이오드(420)에서 출력되는 전압은 버퍼 트랜지스터(440)를 거쳐서 또는 거치지 않고 바로 비교부(430)에 인가된다. 즉, 광 다이오드(420)에서 출력된 전압은 도 3에 도시된 바와 같이 버퍼 트랜지스터(440)와 비교부(430)를 연결하는 도선(490)을 통하여 비교부(430)에 인가될 수도 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 광 다이오드(420)와 비교부(430)를 연결하는 도선(590)를 통하여 비교부(430)에 인가될 수도 있는 것이다.
비교부(430)에 인가된 전압이 비교부(430) 내에 구비된 인버터의 임계 전압보다 큰 경우, 제 2 비교 트랜지스터(432)가 도통되어 그라운드 전압이 제 2 리셋 트랜지스터(412)의 게이트 전압으로 인가되고 이에 따라, 광 다이오드(420)의 노출이 계속 진행된다. 노출이 계속 진행됨에 따라 비교부(430)에 인가된 전압이 인버터의 임계 전압보다 낮아지는 경우, 제 1 비교 트랜지스터(431)가 도통되어 VDD가 제 2 리셋 트랜지스터(412)의 게이트 전압으로 인가된다. 이에 따라, 제 2 리셋 트랜지스터(412)가 도통되어 광 다이오드(420)는 리셋된다.
결국, 광 다이오드(420)로부터 출력되는 전압의 크기가 충분히 큰 경우 비교부(430)는 그라운드 전압을 출력하지만, 광 다이오드(420)로부터 출력되는 전압의 크기가 작은 경우 비교부(430)는 리셋 전압을 출력하는 것이다. 그리고, 비교부(430)에서 출력된 전압은 제 2 리셋 트랜지스터(412)로 전달되고 제 2 리셋 트랜지스터(412)는 광 다이오드(420)를 리셋하게 된다.
행 선택 트랜지스터(450)는 행 선택 신호(460)를 수신함에 따라 출력 전압(470)이 출력되도록 하는 역할을 한다. 행 선택 신호는 센서부(120)를 구성하는 전체 센서 중 특정 행의 출력값을 출력하도록 하기 위하여 행별로 입력될 수 있다.
행 선택 트랜지스터(450)를 통하여 출력되는 출력 전압(470) 및 저장부(125)에서 출력되는 리셋 횟수(480)는 신호 추출부(130)로 전달되고, 신호 추출부(130)는 전달받은 정보를 이용하여 해당 프레임에 대한 영상 신호를 추출하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영상 촬상 과정을 나타낸 흐름도이다.
동적 범위를 확장하여 광신호를 감지하기 위하여 영상 촬상 장치(100)의 광 수신부(110)는 광신호를 수신한다(S610).
수신된 광신호는 센서부(120)로 전달되고, 센서부(120)의 각 센서는 수신된 광신호를 감지한다. 광신호를 감지함에 있어서, 센서는 감지된 광신호를 전기 신호로 변환하여(S620) 출력하는데, 출력된 전기 신호는 센서의 비교부로 전달되고, 비교부는 광신호에 대한 전기 신호의 크기에 따라 광 다이오드(420)를 리셋한다(S630).
방전 및 리셋은 하나의 프레임을 구성하기 위한 모든 광신호가 입사될 때까지 수행되는데, 하나의 프레임에 대한 방전 및 리셋이 완료되면 신호 추출부(130)는 리셋 횟수 및 출력 전압을 확인한다(S640).
그리고, 신호 추출부(130)는 감지된 광신호 각각에 대하여 축적된 전하량을 추출하고(S650) 이를 이용하여 영상 신호를 생성한다(S660).
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 센서의 동작 과정을 나타낸 흐름도이다.
센서부(120)에 포함된 각 센서의 광 다이오드(420)는 우선 감지된 광신호를 전기 신호로 변환한다(S710). 전기 신호는 방전이 진행됨에 따라 그 크기가 감소되면서 버퍼 트랜지스터(440) 또는 비교부로 전달되는데, 버퍼 트랜지스터(440)는 입력받은 전기 신호에 따른 출력 신호를 비교부로 전달한다(S720).
이에 따라, 비교부는 광 다이오드(420) 또는 버퍼 트랜지스터(440)로부터 전달받은 전기 신호를 기 설정된 임계치와 비교하여(S730) 전기 신호의 크기가 임계치 미만인 경우 전기 신호의 크기를 초기값으로 리셋한다(S740). 여기서, 전달받은 전기 신호는 광 다이오드(420)에 의하여 방전된 전압일 수 있으며, 임계치는 비교부(430) 내에 구비된 인버터의 임계 전압일 수 있다.
이와 같은 과정은 하나의 프레임을 구성하기 위한 모든 광신호가 수신될 때까지 진행된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 영상 촬상 장치 및 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 광 다이오드에 의하여 감지된 광신호에 대한 전기 신호를 기 설정된 임계치와 비교하는 비교기의 구조를 적은 수의 트랜지스터를 이용하여 구현함으로써 제조 단가를 절감시키고 및 장치의 물리적인 크기를 감소시키는 장점이 있다.
둘째, 자기 복귀 방식을 이용하여 광신호를 감지함으로써 동적 범위를 확장하는 장점도 있다.

Claims (8)

  1. 입사된 광신호의 세기에 따라 인가된 전압을 방전시키는 광신호 감지부;
    상기 방전된 전압을 구비된 인버터의 임계 전압과 비교하는 비교부; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 방전된 전압의 크기를 초기값으로 리셋하는 리셋 제어부를 포함하는데,
    상기 비교부는 상기 인버터의 임계 전압을 문턱 전압으로 갖고 있는 트랜지스터에 상기 방전된 전압을 게이트 전압으로 인가함으로써 상기 비교를 수행하는 영상 촬상 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 비교부는 상기 방전된 전압의 크기가 상기 인버터의 임계 전압보다 작은 경우 상기 트랜지스터의 소스 전극에 인가된 전압을 상기 리셋 제어부에 인가하는 영상 촬상 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 리셋 횟수를 저장하는 저장부를 더 포함하는 영상 촬상 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 리셋 횟수를 카운트하는 카운터를 더 포함하는 영상 촬상 장치.
  6. 입사된 광신호의 세기에 따라 인가된 전압을 방전시키는 단계;
    상기 방전된 전압을 구비된 인버터의 임계 전압과 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 방전된 전압의 크기를 초기값으로 리셋하는 단계를 포함하는데,
    상기 비교하는 단계는 상기 인버터의 임계 전압을 문턱 전압으로 갖고 있는 트랜지스터에 상기 방전된 전압을 게이트 전압으로 인가하는 단계를 포함하는 영상 촬상 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 리셋하는 단계는 상기 방전된 전압의 크기가 상기 인버터의 임계 전압보다 작음에 따라 상기 트랜지스터의 소스 전극의 전압을 인가받는 경우 상기 방전된 전압의 크기를 초기값으로 리셋하는 단계를 포함하는 영상 촬상 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH11205695A (ja) * 1997-10-27 1999-07-30 Texas Instr Inc <Ti> 遅延移送周波数変調付きイメージセンシングデバイス
JP2001054022A (ja) * 1999-08-13 2001-02-23 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> 固体撮像装置

Patent Citations (2)

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