KR101724513B1 - 포토어레이, 특히 시간 의존성 이미지 데이터의 비동기성 검출과 샘플링된 밝기의 감지를 동시 실시하기 위한 포토어레이 - Google Patents

포토어레이, 특히 시간 의존성 이미지 데이터의 비동기성 검출과 샘플링된 밝기의 감지를 동시 실시하기 위한 포토어레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토어레이(1)에 관한 것으로서, 복수의 셀(10)을 포함하고, 상기 셀(10)의 각각은 상기 각 셀(10)에 작용하는 광의 강도(L)에 비례하는 광전류(I)를 발생하도록 구성되는 수단(20)을 포함하고, 그리고 여기서 상기 셀(10)의 각각은 상기 광전류(I)를 발생하기 위한 각각의 수단(20)에 연결되는 변화 검출 회로(100)를 포함하고, 상기 변화 검출 회로(100)는 상기 강도(L)가 상기 각 셀(10)로부터의 선행하는 변화 이벤트 후에 한계치(T, T') 만큼 변화하는 변화 이벤트가 발생하는 경우에만 출력 신호를 발생하도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 상기 광전류(I)를 발생하는 수단(20)은 추가적으로 각 셀(10)의 광의 밝기의 척도인 상기 광전류(I)의 크기를 추정하기 위해서도 사용된다.

Description

포토어레이, 특히 시간 의존성 이미지 데이터의 비동기성 검출과 샘플링된 밝기의 감지를 동시 실시하기 위한 포토어레이{PHOTOARRAY, PARTICULARLY FOR COMBINING SAMPLED BRIGHTNESS SENSING WITH ASYNCHRONOUS DETECTION OF TIME-DEPENDENT IMAGE DATA}
본 발명은 특히 청구항 1의 전제부에 따른 시간 의존성 이미지 데이터를 검출하기 위한 포토어레이, 즉, 감광성 요소의 어레이에 관한 것이다.
이와 같은 포토어레이는 일반적으로 복수의 셀(예를 들면, 셀의 어레이)을 포함하고, 각각의 셀(픽셀이라고도 함)은 각 셀의 광 강도에 의존하는 신호(예를 들면, 광전류)를 발생하기 위한 수단(예를 들면, 포토다이오드 또는 포토트랜지스터)을 갖는다. 셀의 어레이는 위상적으로(topologically) 일차원적 또는 이차원적 셀의 어레이일 수 있고, 이것은 사각형 경계를 가질 수 있거나 갖지 않을 수 있다. 각각의 셀은 US 7,728,269 B2에 상세히 설명된 바와 같이 구성될 수 있는 변화 검출 회로를 더 포함한다(여기서 변화 검출 회로는 특히 상기 광전류 발생 수단을 포함하는 광센서 회로로부터 전압 버퍼에 의해 격리된다). 이와 같은 변화 검출 회로는 픽셀(셀)로부터의 최후의 변화 이벤트 이후의 한계치 만큼 밝기가 변화되는 변화 이벤트 신호를 비동기적으로 발생하도록 구성된다. 이들 이벤트는 특히 각 셀 상에 작용하는 입사광의 로그 강도(logarithmic intensity) 변화를 나타내므로, 이들 이벤트는 "시간적 콘트라스트(temporal contrast)"라고도 부르는 것을 나타낸다.
US 2003/0015647에 개시된 것과 같은 포토어레이를 사용하는 실시간 인공 시각(artificial vision)은 통상적으로 포토어레이가 샘플링되는 프레임 레이트(frame rate)에 한정된다. 신속하게 변화하는 사물을 보기 위해서는 높은 프레임 레이트가 사용되어야 하고, 그러면 이와 같은 포토어레이는 강력하고 값 비싼 후처리를 요하는 대량의 과잉의 데이터를 발생한다.
이에 반해, 본 명세서 참조로 포함되는 US 7,728,269 B2에 개시된 기술적 사상에 의해 반응하는 시각 센서는 낮은 레이턴시(low latency) 및 크게 감소된 리던던시(redundancy)를 갖는 장면(scene) 반사율 변화를 가능하게 한다. 그러나, 이것은 정적 장면을 감지하기에는 부적합하다.
따라서, 본 발명의 기본적인 문제는 위에서 진술한 결점을 감소시키는, 그리고 이에 따라 실시간 인공 시각용으로 더 우수한 적합성을 갖는 포토어레이를 제공하는 것이다.
이 문제는 청구항 1의 특징을 갖는 포토어레이에 의해 해결된다.
그것에 따르면, (예를 들면, 비동기성 변화 이벤트에 대비하여 일정한 레이트를 갖는) 각 셀의 밝기(특히 절대 밝기)를 추정하기 위해, 상기 광전류를 발생하기 위한 각 수단(예를 들면, 광전지)이 또한 추가적으로 사용된다. 이 밝기는 각 셀의 광전류의 크기에 비례한다.
특히, 각각의 셀은 (예를 들면, 각각의 변화 검출 회로를 통해) 변화 이벤트를 비동기적으로 검출하도록, 그리고 상기 (예를 들면, 비교적 낮은) 일정한 레이트로 샘플링된 정규의 밝기 샘플들 사이의 각각의 변화 이벤트에서 밝기를 업데이트하도록 구성된다.
특히, 본 발명에 따른 포토어레이의 상기 변화 검출 회로는 각 셀의 상기 광 강도가 (비동기성 검출이라고도 불려지는) 각 셀의 선행하는 변화 이벤트 이후에 한계치 만큼 변화하는 변화 이벤트가 발생하는 경우 (및 발생하는 경우에만) 출력 신호를 발생하도록 구성되고, 여기서 상기 강도가 한계치 만큼 증가하는 경우, 상기 출력 신호는 소위 온-신호이고, 상기 강도가 한계치 만큼 감소하는 경우, 소위 오프-신호이다.
특히, 상기 포토어레이는 상기 셀에 연결되는 인코더를 포함하고, 이 인코더는 출력 신호를 발생하는 각 셀의 어드레스 (즉, 셀의 어레이 내에서 각 셀의 위치) 뿐만 아니라 상기 강도가 상기 한계치 만큼 증가되었는지(온-신호) 또는 감소되었는지(오프-신호)를 판정하도록 구성된다. 대응하는 어드레스 및 출력 신호(온 또는 오프)는 US 7,728,269 B2에 상세히 설명된 바와 같은 외부의 수신기에 의해 억세스될 수 있는 버퍼에 하나의 이벤트로서 공급된다.
따라서, 본 발명에 따른 포토어레이는 이것의 모든 셀(픽셀)로부터 온 이벤트 및 오프 이벤트(출력 신호)를 발생할 수 있고, 여기서 이들 이벤트의 레이트는 광신호(강도)의 변화의 레이트에 의존한다. 이것에 의해 입사광의 강도가 변화하는 경우에만 포토어레이로부터의 데이터 통신이 발생하므로 그 소스, 즉 개별 셀(픽셀)에서의 데이터의 양의 극적인 감소가 가능하다.
동시에 상기 셀의 밝기(즉, 광전류의 크기)를 판정하기 위해 각 셀의 상기 단일 광전지(예를 들면, 포토다이오드 또는 포토트랜지스터)가 또한 사용되므로, 극히 높은 시간 분해능을 달성하는 변화 검출 회로의 비동기성 이벤트에 기초하는 출력에 기인되어, 밝기는 비교적 낮은 샘플 레이트로 판독될 수 있고, 이것은 여전히 극히 낮은 레이턴시를 갖는 변화에 반응할 가능성이 있다. 이것은 종래의 카메라에 비해 처리될 데이터의 양을 크게 감소시킨다.
특히, 각 셀 상에 작용하는 입사광의 강도에 비례하는 상기 광전류를 발생하기 위한 수단은 광전지, 예를 들면, 포토다이오드 또는 포토트랜지스터에 의해 형성되고, 여기서 특히 각각의 셀은 단일 포토다이오드 또는 포토트랜지스터(광전지)만을 포함한다.
더욱이, 위에서 이미 언급한 바와 같이, 특히 변화 검출 회로는 상기 강도가 각 셀로부터(의) 선행하는 변화 이벤트 이후에 (적어도) 한계치 만큼 변화하는 변화 이벤트가 발생하는 경우 (및 발생하는 경우에만) 출력 신호를 발생하도록 구성되고, 여기서 상기 출력 신호는 상기 강도가 한계치 만큼 증가하는 경우에 온-신호이고, 상기 강도가 한계치 만큼 감소하는 경우에 오프-신호이다. 따라서, 상기 입력 신호는 각각의 온-이벤트에서, 즉 각각의 온-신호의 발생 시에 소정의 강도(한계치)를 더함으로써, 한편 각각의 오프-이벤트, 즉 각각의 오프-신호의 발생 시에 소정의 강도(한계치)를 뺌으로써 복원될 수 있다.
밝기, 즉 각 셀(픽셀)에서의 광전류의 전류 크기를 나타내는 신호를 판독할 수 있도록 하기 위해, 특히 본 발명에 따른 포토어레이는 상기 신호를 판독할 수 있도록 구성되는 밝기 판독 회로를 포함한다.
이것에 관련하여, 상기 밝기 판독 회로 (예를 들면, 피드백) 트랜지스터의 드레인(drain)에 특히 연결되고, 여기서 상기 트랜지스터의 소스는 상기 광전류 발생 수단에, 특히 그 p-영역이 특히 그라운드에 연결되는 단일 포토다이오드의 n-영역에 연결된다. 물론, n-디바이스를 p-디바이스로 대체함으로써 상보 회로를 구성할 수도 있고, 그리고 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이것은 본 출원에 설명된 모든 회로에 대해 마찬가지이다.
본 발명에 따른 구현형태의 주요 특징은 광전류가 먼저 카피(copy)되기 보다는 밝기 판독 회로를 직접 구동한다는 사실에 의해 제공된다. 작은 전류를 카피하는 것은 다량의 불일치(mismatch)를 도입하고, 그리고 전형적으로 작은 광전류에 대해 곤란하다. 그러므로 본 발명은 피드백 회로를 활용함으로써 광전류의 임의의 카피를 방지한다.
이것에 관련하여, 밝기 값은 광전류(즉, 포토다이오드 신호)에 단조로(monotonically) 관련되지만, 이것은 광전류의 값에 선형적으로 또는 비선형적으로 관련될 수 있다. 즉 로그 픽셀(셀)의 경우에 밝기는 광전류에 대수적으로(logarithmically) 관련된다.
변화 검출 회로는 각 픽셀(셀)로부터의 최후의 변화 이벤트 이후의 한계치 만큼 밝기가 변화되는 변화 이벤트 신호를 비동기적으로 발생하도록 구성된다. 특히, 이들 이벤트는 로그 강도 변화를 나타낸다. 그러므로, 이들 이벤트는 이하에서 "시간적 콘트라스트"라고 표시하는 것을 나타낸다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 본 포토어레이(즉, 밝기 판독 회로)는 일정하거나 가변적인 레이트로 연속적 시점에서 밝기를 판정하거나 샘플링하도록 구성되고, 여기서 특히 상기 레이트는 변화 이벤트의 평균 레이트보다 (특히 적어도 일시적으로) 작고, 여기서 특히 상기 레이트는 어레이의 크기, 상기 밝기 샘플을 처리하기 위해 사용할 수 있는 계산 자원, 및 상기 변화 이벤트에 비교되는 상기 밝기 샘플의 원하는 비율에 따라 0.1 Hz 내지 100 Hz, 특히 1 Hz 내지 100 Hz의 범위이다.
본 발명의 또 다른 양태는 밝기 사이에서 내삽 및 외삽하기 위해 변화 검출 회로의 변화 이벤트가 사용될 수 있다는 것이다. 이것에 관련하여, 특히 본 포토어레이는 온-이벤트의 경우에는 최후의 시점에서 샘플링된 밝기에 각각의 한계치를 더함으로써, 그리고 오프-이벤트의 경우에는 상기 한계치를 뺌으로써 2 개의 상기 연속적 시점 사이에서 각 셀의 밝기를 추정하도록 구성된다. 이것에 관련하여, 밝기의 척도인 광전류의 크기는 또한 전압에 의해 표현될 수도 있다(이하 참조). 그러면 더한/뺀 한계치는 또한 전압이다.
더 정확한 외삽을 위해, 본 변화 검출 회로는 정기적으로, 즉 위에서 설명한 시점에서 이러한 대응하는 픽셀(셀)에 대한 강도(밝기)가 판독될 때마다 리셋될 수 있고, 이것은 변화 이벤트 코드 크기가 최후의 밝기 샘플 이후에 변화한다는 것을 의미한다.
밝기의 조악한 외삽만으로도 충분한 경우, 변화 검출과 강도(밝기) 판독치는 완전히 독립적이고, 즉 그러면 본 포토어레이는, 변화 검출 회로가 밝기 판독 회로로부터 완전히 독립되도록, 구성된다. 이 경우, 최후의 변화 이벤트 후에 변화 이벤트 코드 크기는 변화된다.
포토어레이의 각 셀(픽셀)의 밝기를 판독하기 위해, 특히 상기 밝기 판독 회로는 각 셀의 밝기에 대한 척도로서 광전류의 전류 크기를 판정하기 위해 커패시턴스 상에 각 셀의 광전류를 집적하도록 구성되고, 이것은 종래의 APS 픽셀(참조, Eric R. Fossum, "Active Pixel Sensors: Are CCD's Dinosaurs?" Proc. SPIE Vol. 1900, Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors III, p. 2-14, 1993)에서 실행된다.
다른 가능한 선택지에 따르면, 밝기 판독 회로는 한계치 이하 영역에서 하나 또는 수개의 트랜지스터를 사용하여 각 셀의 광전류를 전압으로 대수적으로 변환시키도록 구성된다.
밝기를 판독하기 위한 위에서 설명한 양자 모두의 접근방법에서, 밝기 정보는 아날로그 전압에 포함되고, 다음에 이것은 버퍼링되고, 종래의 수단에 의해 다중화되고, 그리고 특히 디지털 값으로 변환된다.
제 3 접근 방법에 따르면, 밝기 판독 회로는 일정한 전압 범위에 걸쳐 커패시턴스 상에 광전류를 집적할 수 있고; 그러면 밝기 정보는 상기 전압 범위에 걸친 집적의 개시와 종료 사이의 시간에 포함된다. 이 접근 방법은 ATIS(C. Posch,(Bad Fischou, AT); M. Litzenberger,(Bruck an der Leitha, AT); D. Matolin,(Vienna, AT); R. Wohlgenannt,(Wien, AT), METHOD FOR THE GENERATION OF AN IMAGE IN ELECTRONIC FORM, PICTURE ELEMENT(PIXEL) FOR AN IMAGE SENSOR FOR THE GENERATION OF AN IMAGE AS WELL AS IMAGE SENSOR. 2007년 11월 22일에 출원된 미국 특허 출원 20100182468)에서 사용되었고, 여기서 집적은 변화 이벤트에 의해 트리거된다. 그러나, 이 구현형태에서, 여기에서 개시된 광전류를 발생하기 위한 이중 용도의 수단(포토다이오드) 대신 별개의 포토다이오드 및 판독 회로가 사용된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 추가의 이점 및 특징 뿐만 아니라 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1은 단일 포토다이오드의 광전류가 변화 검출 및 크기 판독의 양자 모두를 위해(즉, 밝기 판독 회로를 구동하기 위해) 사용될 수 있는 방법을 개략적으로 도시하고;
도 2는 집적 픽셀 회로를 사용하는 크기 판독의 구현형태를 도시하고;
도 3은 도 2에 도시된 실시형태의 전형적인 신호를 도시하고;
도 4는 전압 변환에 대한 로그 강도의 구현형태를 도시하고;
도 5는 밝기 샘플들 사이의 시간적 콘트라스트 변화 이벤트를 갖는 밝기 샘플의 내삽 및 외삽을 도시하고; 그리고
도 6은 본 발명에 따른 포토어레이의 각각의 셀의 밝기를 결정하기 위해 커패시턴스에 광전류를 집적하도록 구성되는 완전히 통합된 변화 검출 회로 및 밝기 판독 회로의 하나의 실시형태를 도시한다.
도 1은 복수의 셀(10)을 포함하는 본 발명에 따른 포토어레이(1)의 개략도를 도시한다(도 1에는 이와 같은 하나의 셀(픽셀)(10)만이 도시되어 있다). 통상적으로 셀(10)은 이차원적 어레이를 형성하도록 행(row)과 열(column)로 배치된다.
각각의 이와 같은 셀(10)은 광 의존성 전류(광전류)(I)를 발생하기 위한 포토다이오드(또는 유사한 요소)를 포함하고, 이 포토다이오드(20)는 광센서 회로(200)의 일부이고, 또한 DVS 광센서 회로(동적 시각 센서용 DVS)라고도 표시된다. 특히, 포토다이오드(20)는 입사광 강도(L)에 비례하는 광전류(I)를 발생한다.
각각의 셀(10)의 단일 포토다이오드(20)의 n-영역은 (피드백)트랜지스터(Mfb)의 소스(S)에, 그리고 p-영역은 그라운드에 연결되고, 다음에 트랜지스터(Mfb)의 게이트(G)는 노드(P1)를 통해 변화 검출 회로(100) 뿐만 아니라 자체의 소스(S)를 이용하여 그라운드에 연결되는 추가적 트랜지스터(M')의 드레인(D)에 연결된다. 상기 추가적 트랜지스터(M')의 게이트(G)는 상기 포토다이오드(20)의 n-영역에 그리고 피드백 트랜지스터(Mfb)의 소스(S)에 연결된다. 노드(P1)(즉, 트랜지스터(Mfb)의 게이트(G) 및 추가적 트랜지스터(M')의 드레인(D))은 게이트(G)를 갖는 또 다른 트랜지스터(M'')(예를 들면, p-채널)의 드레인(D)에 더 연결되고, 상기 게이트(G)에는 낮은 강도(L)의 광센서 회로(200)의 전체적인 전력 소비를 감소시킬 수 있도록 포토어레이(1)의 전체 셀(10)을 통한 전체 광전류(I)의 합의 로그에 비례하는 전압전압(Vpr)이 가해질 수 있다.
광센서 회로(200)의 트랜지스터(M', M'')는 실질적으로 로그 응답(logarithmic response)을 갖도록 구성될 수 있는 증폭기의 일부를 형성하고, 따라서 노드(P1)에서의 전압(V)이 V=const+k*log(I)(여기서 I는 광전류이고, k 및 const는 상수 값이다)의 형태인 센서 신호를 발생한다.
각 셀(10)에 작용하는 광의 강도(L)가 한계치(T, T')(참조, 도 5) 만큼 변화하는 변화 이벤트(30)를 검출하기 위해, 각각의 셀(10)은 상기 노드(P1)에 연결되는 변화 검출 회로(100)를 더 포함한다.
도 6에 따르면, 이와 같은 변화 검출 회로(100)는 2 개의 출력 신호인 온 및 오프를 발생하도록 구성되고, 여기서 온 신호는 제 1 커패시터(C1) 상의 전압이 사전에 정의된 양(positive)의 한계치(T)를 초과할 때 발생되고, 반면에 오프 신호는 상기 제 1 커패시터(C1) 상의 전압이 사전에 정의된 음(negative)의 한계치(T') 미만으로 강하될 때 발생된다. 이 회로(100)는 트랜지스터 스위치(MpixReset)에 리셋 신호(nPixReset)을 공급함으로써 리셋될 수 있다.
DVS 픽셀(즉, 광센서 회로(200) 및 변화 검출 회로(또는 이벤트 발생 회로)(100))은 US 7,728,269 B2의 기술적 사상에서 상세히 설명되어 있고, 이것의 특징은 또한 본 발명의 문맥 내에 채용될 수 있다.
더욱이, 일반적으로, 각각의 셀(10)은 크기(I)를 판정하기 위한, 또는 각 셀(10)의 (절대) 밝기를 위한 척도를 나타내기도 하는 다른 신호를 (특히 집적에 의해 또는 변환에 의해) 상기 광전류(I)로부터 유도하기 위한 추가의 밝기 판독 회로(300)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 밝기 판독 회로(300)는 피드백 트랜지스터(Mfb)의 드레인(D)에 연결되고, 즉 각 셀(10)의 광전류(I)에 의해 직접적으로 구동된다. 따라서, 각 셀(10)의 각각의 단일 포토다이오드(20)는 이중 용도이고, 즉 강도가 상기 한계치(T, T') 만큼 변화하는 경우에 비동기성 변화 이벤트를 감지하기 위해 사용될 뿐만 아니라 각 셀(10)의 밝기를 판정할 수 있는 광전류의 크기(I)를 감지(판정)하기 위해 사용된다. 도 2는 상기 밝기가 커패시턴스 상에 광전류를 집적시킴으로써 판정되는 실시형태를 도시한다.
그러므로 도 2a에 따르면 밝기 판독 회로(300)는 피드백 트랜지스터(Mfb)의 드레인에 연결되는 소스를 갖는 트랜지스터(Mcas), 전압(Vcas)이 인가되는 게이트, 및 상기 Mreset의 게이트에 ColReset 신호를 인가할 수 있는 경로인 ColReset 라인에 연결되는 게이트를 포함하는 트랜지스터(Mreset)의 소스에 노드(Pint)를 통해 연결되는 드레인을 포함한다. 상기 노드(Pint)는 트랜지스터(Msel)의 드레인에 연결되는 소스를 갖는 트랜지스터(Mbuf)의 게이트에 더욱 연결되고, 상기 트랜지스터(Msel)의 게이트는 열(column)의 셀(10)이 각각의 밝기를 판독하기 위해 선택될 수 있는 경로인 ColReset 라인에 연결되고, 그리고 상기 트랜지스터(Msel)의 소스는 행(row) 판독 라인에 연결되고, 이 행 판독 라인에 트랜지스터(MRowBuffer)가 그 드레인을 통해 연결되고, 그 소스는 그라운드에 연결된다. 더욱이, 전압(Vbufferbias)은 트랜지스터(MRowBuffer)의 게이트에 인가된다. 트랜지스터(MRowBuffer)의 드레인에 출력 전압(Vout)(도 3 또한 참조)이 발현된다.
자세하게 설명하면, 이 전압(Vint)이 트랜지스터(Mreset)에 의해 글로벌 리셋 레벨(VResetLevel)까지 리셋된 후에, 광전류(I)는 트랜지스터(Mbuf)의 기생 게이트 커패시턴스(C) 상의 밝기 판독 회로(300) 내에 집적된다. 그러면 일정한 시간(Tint) 후에 전압(Vint)이 판독된다. 따라서, 전압(Vint)은 VResetLevel - I * Tint /C이다.
집적 중에, 각각의 전압(Vint)을 리셋하기 위한 ColReset 신호는 종래의 능동 픽셀 센서 픽셀에서와 같이 그라운드되지 않는 전압(VColResetIntLvl)에 유지된다. 따라서, 트랜지스터(Mreset)는 이벤트 발생(변화 검출) 회로(100)와의 간섭을 방지하기 위해 집적 노드(Pint(Vint))에서 최대 전압 스윙(swing)을 제한한다. 이것의 추가의 이익은 도 3에 도시된 바와 같이 포화된 픽셀(셀)(10)을 위한 클리핑(clipping)된 하이라이트를 위한 숄더(S')가 더 부드러워지는 것이다. 특히 변화 검출 회로(DVS 이벤트 발생 회로)(100)와 간섭하도록 Vint가 지나치게 낮게 강하하는 제한의 경우에 한하여, 동적 범위를 확대하기 위해 (S. Decker, D. McGrath, K. Brehmer, and C. Sodini, "A 256x256 CMOS imaging array with wide dynamic range pixels and column-parallel digital output," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, no. 12, pp. 2081-2091, Dec. 1998)에 개시된 "단계적 리셋(stepped reset)"이 사용될 수 있다. 이 열(column)이 트랜지스터(Msel)에 의한 판독용으로 선택되는 경우에, 평행한 전류 소스 트랜지스터(MRowBuffer) 및 트랜지스터(Mbuf)의 행(row)에 의해 형성되는 소스-팔로어는 전압(Vint)을 버퍼링한다.
도 3은 본 실시형태에서의 전형적인 신호를 도시한다. 화살표(L)은 신호(Vint)의 형상이 더 높은 강도(L)를 향해 변화하는 방법을 나타낸다.
픽셀-픽셀 변화의 영향을 감소시키기 위해 종래의 이중 샘플링 기법이 사용될 수 있고, 여기서 리셋 중에 그리고 다음에 집적 후에 샘플이 취해지고, 출력은 2 개의 샘플 사이의 차이이다. Vint가 VResetLevel로 리셋될 때 발생하는 과도 전압으로부터 Mfb의 드레인을 차폐하기 위해 트랜지스터(Mcas)가 사용된다.
이것은 밝기 판독 회로(300)로부터 광센서(200)를 통해 이벤트 발생 회로(변화 검출 회로)(100)까지의 커플링을 방지하기 위해 중요하다.
도 4는 광전류(I)가 대수적으로 전압으로 변환되는 추가의 실시형태를 도시한다. 이것을 위해, 밝기 판독 회로(300)는 피드백 트랜지스터(Mfb)의 드레인에 연결되는 소스를 갖는 트랜지스터(Mcas), 전압(Vcas)이 인가되는 게이트, 및 트랜지스터(Md)의 드레인에 연결되는 게이트를 포함하는 트랜지스터(Md)의 소스에 노드(Plog(Vlog))를 통해 연결되는 드레인을 포함하고, 여기서 트랜지스터(Md)의 상기 드레인은 전압(Vgate)이 인가되는 게이트를 갖는 트랜지스터(Mlog)의 소스에 더 연결된다. 상기 노드(Pint)는 트랜지스터(Msel)의 드레인에 연결되는 소스를 갖는 트랜지스터(Mbuf)의 게이트에 더욱 연결되고, 상기 트랜지스터(Msel)의 게이트는 ColReset 라인에 연결되고, 그리고 상기 트랜지스터(Msel)의 소스는 행(row) 판독 라인에 연결되고, 이 행 판독 라인에 트랜지스터(MRowBuffer)가 그 드레인을 통해 연결되고, 그 소스는 그라운드에 연결된다. 더욱이, 전압(Vbufferbias)은 MRowBuffer의 게이트에 인가된다. 트랜지스터(MRowBuffer)의 드레인에 출력 전압(Vout)(도 3 또한 참조)이 발현된다.
자세하게, 광전류(I)는 한계치 이하 영역 내에서 동작하는 트랜지스터(Mlog)에 의해 전압(Vlog)으로 대수적으로 변환된다. 트랜지스터(Md)는 선택 사항이고, 신호 스윙을 증가시킨다. Mbuf, Msel 및 Mcas는 도 2에 관하여 설명한 바와 같이 동일한 목적으로 이용된다. 도 4에 도시된 실시형태는, 회로가 연속적으로 광전류를 전압으로 변환시키므로, 임의의 순간의 밝기를 샘플링할 수 있다. 픽셀-픽셀 변화의 영향을 감소시키기 위해 (S. Kavadias, B. Dierickx, D. Scheffer, A. Alaerts, D. Uwaerts, and J. Bogaerts, “A logarithmic response CMOS image sensor with on-chip calibration," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, no. 8, pp. 1146-1152, Aug. 2000) 또는 (B. Choubey, S. Aoyoma, S. Otim, D. Joseph, and S. Collins, “An electronic calibration scheme for logarithmic CMOS pixels," IEEE Sensors J., vol. 6, no. 4, pp. 950-956, Aug. 2006.)에 의해 제안되는 옵셋 수정(offset correction) 방법이 사용될 수 있다.
도 5는 변화 검출 회로(100)에 의해 검출되는 변화 이벤트(30)를 사용하는 밝기 데이터의 외삽의 개념을 도시한다. 실제 밝기(B)는 포토어레이(1)의 대응하는 셀(픽셀)(10) 상에 입사하는 광량을 나타낸다. 밝기 샘플(B')은 일정한 간격(R)으로, 즉 시점(t, t', t'',...)에서 취해진다. 밝기의 증가 또는 밝기의 감소에 대응하는 시간적 콘트라스트(변화) 이벤트(30)가 등록되는 경우, 현재 밝기 추정값(B'')은 현재의 한계치 설정(T, T')에 따라 업데이트된다.
드리프트(drift) 또는 노이즈 한계치에 기인되는 외삽의 오차는 화살표(C')로 표시되는 바와 같이 새로운 밝기 샘플(B')이 도달하는 즉시 수정될 수 있다. 일반적으로, 대응하는 픽셀(셀)(10)의 이벤트-한계치(T, T')를 정확하게 계산하기 위해, 후속 밝기 샘플(B') 및 (시점 t, t', t'',...에서) 이들 샘플들 사이의 시간적 콘트라스트(변화) 이벤트(30)의 개수가 또한 사용될 수 있다. 따라서, 본 포토어레이(1)는 이들 이벤트-한계치를 판정하도록 구성될 수 있다.
도 6은 실제 밝기(B)의 더 정확한 외삽을 가능하게 하기 위해 각 셀(10)(DVS 픽셀)이 변경되는 방법을 도시한다. 이것에 따르면, 현재 밝기(B')를 판독하기 위해 픽셀(셀)(10)이 ColSelect을 통해 어드레스될 때마다 이벤트 발생(즉, 변화 검출 회로(100))을 리셋하기 위해 트랜지스터(Mros)가 사용된다. ColSelect는 트랜지스터(Msel)를 제어하고, 이 트랜지스터(Msel)는 트랜지스터(Mbuf) 및 트랜지스터(MRowBuffer)에 의해 형성되는 소스 팔로어(source follower)를 통해 행 판독 라인(Vout)에 밝기 신호(Vint)를 연결한다. 행 버퍼 트랜지스터(MRowBuffer)는 픽셀 소스 팔로어를 위한 전류 싱크(sink)로서 작용하도록 바이어스 전압(Vbufferb)에 의해 제어된다. 픽셀(셀)(10)이 ColSelect를 통해 선택되는 경우, 트랜지스터(Mros)는 턴온되어, nPixReset를 그라운드에 연결한다. 이러한 작용은 픽셀 변화 이벤트가 AckColumn 및 ackRow 신호를 통해 확인되었을 때와 동일하다. 따라서, 밝기 신호(Vint)의 판독치는 변화 이벤트(30)가 송신되었을 때와 동일한 방식으로 변화 검출 회로(100)를 리셋한다. 도 2에서와 같이, 신호(ColReset)는 밝기 신호(Vint)를 높은 전압으로 리셋한다. 본 셀(10)은 일차원적 또는 이차원적 어레이로 배치될 수 있다. 단일 셀(10)은 이동 레지스터 스캐너 또는 어드레스 디코더로 선택될 수 있다.
본 발명의 현재의 바람직한 실시형태가 도시되고 설명되었으나, 본 발명은 이것에 제한되지 않고, 이하의 청구항의 범위 내에서 다양하게 구현되고 실시될 수 있다는 것이 분명히 이해되어야 한다.

Claims (18)

  1. 포토어레이로서,
    복수의 셀(10)을 포함하고, 여기서
    상기 셀(10)의 각각은 상기 각 셀(10)에 작용하는 광의 강도(L)에 비례하는 광전류(I)를 발생하도록 구성되는 수단(20)을 포함하고, 그리고 여기서
    상기 셀(10)의 각각은 상기 광전류(I)를 발생하기 위한 각각의 수단(20)에 연결되는 변화 검출 회로(100)를 포함하고, 상기 변화 검출 회로(100)는 상기 강도(L)가 상기 각 셀(10)로부터의 선행하는 변화 이벤트(30) 후에 한계치(T, T') 만큼 변화하는 변화 이벤트(30)가 발생하는 경우에만 출력 신호를 발생하도록 구성되고,
    상기 포토어레이(1)는 또한 상기 광전류(I)를 발생하기 위한 상기 수단(20)에 의해 상기 각 셀(10)의 밝기(B')를 판정하도록 추가적으로 구성되고,
    각각의 셀(10)은 상기 각 셀(10)의 밝기(B)를 나타내는 신호(Vout)의 판독을 허용하도록 구성되는 밝기 판독 회로(300)를 포함하며, 상기 포토어레이(1)의 각각의 셀(10)은 상기 광전류(I)에 의해 직접적으로 상기 밝기 판독 회로(300)를 구동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 포토어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 셀(10)은 일정한 레이트로 상기 밝기(B')를 판정하도록, 그리고 검출된 변화 이벤트(30)에서 상기 밝기(B')를 업데이트하도록 구성되는, 포토어레이.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광전류(I)를 발생하기 위한 수단(20)은 포토다이오드 또는 포토트랜지스터를 포함하는, 포토어레이.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 변화 검출 회로(100)는 상기 강도(L)가 상기 각 셀(10)로부터의 상기 선행하는 변화 이벤트(30) 이후에 한계치(T, T') 만큼 변화하는 상기 변화 이벤트(30)가 발생하는 경우 및 발생하는 경우에만 출력 신호를 발생하도록 구성되고, 여기서 상기 출력 신호는 상기 강도(L)가 한계치(T) 만큼 증가하는 경우에 온-신호이고, 상기 강도(L)가 한계치(T') 만큼 감소하는 경우에 오프-신호인, 포토어레이.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 각 셀(10)의 광전류의 크기(I) 또는 그것으로부터 유도되는 양은 상기 각 셀(10)의 밝기(B)를 위한 척도로서 사용되는, 포토어레이.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 밝기 판독 회로(300)는 트랜지스터(Mfb)의 드레인(D)에 연결되고, 여기서 상기 트랜지스터(Mfb)의 소스(S)는 상기 광전류(I)를 발생하기 위한 수단(20)에 연결되는, 포토어레이.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 포토어레이(1)는 일정하거나 가변적인 레이트로 연속적 시점(t, t', t'')에서 상기 각 셀(10)의 현재 밝기(B')를 판정하도록 구성되고, 여기서 상기 레이트는 상기 변화 이벤트(30)의 평균 레이트보다 적어도 일시적으로 작은, 포토어레이.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 포토어레이(1)는 상기 각각의 변화 이벤트(30)와 관련되는 현재의 한계치(T, T')에 따라 상기 각각의 변화 이벤트(30)의 최후의 시점(t)에서 샘플링된 상기 밝기(B')를 업데이트함으로써 2 개의 상기 연속적 시점(t, t') 사이에서 상기 각 셀(10)의 밝기(B')를 추정하도록 구성되는, 포토어레이.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 포토어레이(1)는 대응하는 셀(10)에 대한 현재 밝기(B')가 판독될 때마다 상기 변화 검출 회로(100)를 리셋하도록 구성되는, 포토어레이.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 포토어레이(1)는 상기 밝기 판독 회로(300)로부터 완전히 독립적으로 상기 변화 검출 회로(100)가 기능하도록 구성되는, 포토어레이.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 밝기 판독 회로(300)는 상기 각 셀(10)의 밝기(B')를 판정하기 위해 커패시턴스(C) 상에 상기 각 셀(10)의 광전류(I)를 집적하도록 구성되는, 포토어레이.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 밝기 판독 회로(300)는 상기 각 셀(10)의 밝기(B')를 판정하기 위해 한계치 이하 영역에서 동작하는 적어도 하나의 트랜지스터(Mlog)를 이용하여 상기 각 셀(10)의 광전류(I)를 전압으로 대수적으로 변환시키도록 구성되는, 포토어레이.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밝기 판독 회로(300)는 아날로그 전압으로서 상기 각 셀(10)의 밝기(B')의 척도인 상기 각 셀(10)의 광전류의 전류 크기(I)를 나타내도록 구성되는, 포토어레이.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 밝기 판독 회로(300)는 상기 각 셀(10)의 밝기(B')를 판정하기 위해 일정한 전압 범위에 걸쳐 커패시턴스(C) 상에 상기 각 셀(10)의 광전류(I)를 집적하도록 구성되고, 밝기 정보가 상기 전압 범위에 걸친 집적의 시작과 종료 사이의 시간에 포함되는, 포토어레이.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 포토어레이(1)는 위상적으로 상기 셀(10)의 일차원적 또는 이차원적인 어레이를 포함하는, 포토어레이.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 셀(10)은 각각 상기 각 셀(10)의 경계를 정하는 외부 경계를 포함하고, 여기서 상기 외부 경계는 사각형 형상을 포함하는, 포토어레이.
  17. 제 6 항에 있어서,
    상기 광전류(I)를 발생하기 위한 수단(20)은 단일 포토다이오드를 포함하고, 상기 트랜지스터(Mfb)의 소스(S)는 상기 단일 포토다이오드(20)의 n-영역에 연결되는, 포토어레이.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광전류(I)를 발생하기 위한 수단(20)은 단일 포토다이오드 또는 포토트랜지스터를 포함하는, 포토어레이.
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