KR102039894B1 - 리드아웃 별 다중 게이트 픽셀 - Google Patents

리드아웃 별 다중 게이트 픽셀 Download PDF

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Abstract

차량 내에서 관측자에게 낮 시간 및 야간의 향상된 이미지를 제공하는 시스템을 제공한다. 이 시스템은: 단일 픽셀 레벨에서 완전히 마스크된 게이트 오프 기능을 가지며, 단일 픽셀 레벨에서 내재된 안티 블루밍 기능과 함께 제공되는 픽셀 어레이 센서를 포함하고; 각 픽셀은 높은 전송 게이트 효율을 갖는 대응되는 전송 게이트 트랜지스터에 의해 게이트된다. 이 시스템은: 펄스화 또는 연속적인 파형 변조 액티브 및 패시스 광 소스로 전송 게이트 트랜지스터를 제어하여 센서로부터 동기화된 센싱 신호를 획득하도록 구성된 게이트 유닛으로서, 단일 펄스는 센서의 전체 시야 및 조명되는 환경의 전체 피사계 심도를 커버하기에 충분한 게이트 유닛; 및 동기화된 센싱 신호를 수신하고 이를 프로세싱하도록 구성된 프로세싱 유닛을 더 포함한다.

Description

리드아웃 별 다중 게이트 픽셀{MULTIPLE GATED PIXEL PER READOUT}
본 발명은 이미징 시스템 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 리드아웃 프레임 별로 다중 게이트 저 노이즈 픽셀에 의한 액티브 및/또는 패시브 이미징에 관한 것이다.
미국특허 제7,733,464호, "차량 장착용 나이트 비전 이미징 장치 및 방법"은 저시도(low-visibility)(야간 또는 비, 눈 등과 같은 열악한 가시도의 야간) 동안 자동차에서 가시성 컨디션을 향상시키는 방법 및 디바이스를 시사한다. 전술한 특허에 기재된 시스템은 게이트 이미징 기술(즉, 이미징 센서가 반사광 신호를 활용함)에 기초한다. 또한, 전술한 시스템은 포토캐소드 및/또는 마이크로채널 플레이트를 이용하는 이미지 증강 기술에 기초한 센서를 구현한다. 이러한 형태의 이미지 증강 기술은 차량용 환경에서 내재된 문제점; 고온(섭씨 50도 이상)으로 인한 민감도 저하, 태양열 복사로 인한 민감도 저하, 포토캐소드에 대해 투사되는 일정 정지 이미지에 기인하는 번 이펙트(Burn Effect), 50dB이상의 인터-씬(inter-scene) 동적 범위의 블루밍(포화) 및 일시적 노이즈를 갖는다. 또한 이러한 형태의 이미지 증강 기술은 WASSENAAR 배열 하에서 수출 규제 또는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance Systems)과 같은 민간 애플리케이션에서의 곤란성을 유발하는 동등한 수출 규제 관할권으로 정의된다. 또한, 전술한 특허에 설명되는 시스템은 운전자에게 이상의 문제점 때문에 낮 시간의 이미징 기능을 제공하지 않는다.
발명의 명칭이 "카메라로의 거리 측정"인, 유럽 특허 제1 118 208호는 "3D 카메라"로 언급되는 카메라로 거리를 측정하기 위한 디바이스 및 방법을 시사한다. 몇 개의 게이트 픽셀 디자인이 리셋 스위치 및 적어도 하나의 단일 게이트 스위치와 함께 또는 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)에 의한 적어도 하나의 단일 변조기 및 리셋 스위치와 함께 설명된다. 이러한 픽셀 디자인은 커패시터 및 증폭기로 구성되는 적분기를 갖는다. '208 특허에 설명된 이러한 게이트 픽셀 디자인은 픽셀에서 증폭기 피드백과 함께 제공되는 적분기 메커니즘에 내재된 리셋 노이즈 레벨("KTC" 노이즈로도 알려짐) 때문에 (게이트 이미징 차량용 애플리케이션에서와 같은) 낮은 광 레벨 신호에서 낮은 성능을 갖는다. 또한, 픽셀 적분기의 노이즈 레벨 및 신호 누적은 전술한 특허에서 게이트 오프 동안 참조되지 않는다. 픽셀과 떨어져 있는 픽셀 사이의 안티 블루밍(Anti-Blooming) 비는 광 소스에 결합되고 동기화되는 게이트 픽셀의 어레이에 기초한 이미지 센서에서 중요한 특징이다. 이러한 시스템 구성에서, 게이트 픽셀은 관측 및/또는 측정된 시너리(scenery)에서 크게 반사되는 물체(즉, 역반사체, 이미징 센서/광 소스 등과 수직인 미러)에 의해 블루밍된다(즉, 명목상 비포화된 신호보다 3 등급(magnitude)만큼 많이 포화됨). 픽셀과 떨어져 있는 픽셀 간의 안티 블루밍 비는 전술한 특허에 설명되지 않는다.
본 발명의 일 측면은 낮 시간 및 야간 환경의 개선된 이미지를 관측자에게 제공하는 시스템을 제공한다. 본 발명의 실시형태들에 따른 시스템은 이동하는 플랫폼과 동작적으로 연관된다. 제한되지 않는 일 예에서, 이동 플랫폼은 차량이다. 그러나, 여기서 차량에 대한 임의의 설명은 임의의 이동 플랫폼과 함께 사용되는 것을 나타낼 수도 있음이 이해되어야 한다. 일 실시형태에서, 시스템은 차량 내에 위치한다.
시스템은: 단일 픽셀 레벨에서 완전히 마스크된 게이트 오프 기능을 가지며, 단일 픽셀 레벨에서 내재된 안티 블루밍 기능과 함께 제공되는 픽셀 어레이 센서를 포함하고; 각 픽셀은 높은 전송 게이트 효율을 갖는 대응되는 전송 게이트 트랜지스터에 의해 게이트된다. 이 시스템은 펄스화 또는 연속적으로 변조된 파형 액티브 광 소스(즉, 레이저, LED, 인공 광 소스 등과 같은 게이트 시스템의 광 소스 부분) 및 패시브 광 소스(즉, 광 소스가 LED, 인공 광 소스 등과 같은 게이트 시스템의 부분은 아니지만 게이트 시스템 시야(FOV: Field Of View)에 위치하는 것을 의미하는 패시브)로 전송 게이트 트랜지스터를 제어하여 센서로부터 동기화된 센싱 신호를 획득하도록 구성되며, 액티브 광 소스에 의한 단일 펄스는 센서의 전체 시야 및 조명되는 환경의 전체 피사계 심도(Depth Of Field)를 커버하기에 충분하도록 구성된 게이트 유닛; 및 동기화된 센싱 신호를 수신하고 이를 프로세싱하여 장면의 개선된 이미지를 획득하도록 구성된 프로세싱 유닛을 더 포함한다. 일부 실시형태에서 픽셀 어레이 센서는 차량 내부에 위치할 수 있고 장면으로부터의 반사들은 차량의 유리판에 의해 감쇄된다.
본 발명의 다른 측면은 상이한 광 조건에 적합한 차량 장착용 이미징 시스템을 강화시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 조명의 게이트 소스에 동기화된 적어도 하나의 단일 픽셀의 "ON" 및 "OFF"를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 조면 조스는 액티브 소스(즉, 시스템의 부분) 및 패시브 소스(즉, 광 소스가 LED, 인공 광 소스 등과 같은 게이트 시스템의 부분은 아니지만 게이트 시스템 시야 FOV에 위치하는 것을 의미하는 패시브)일 수 있다. 본 기술에서 픽셀이 "ON" 구간일 때 희망 물체로부터의 광 펄스 전파가 누적될 것이고 "OFF" 구간일 때 클러스터 소스(백그라운드, 크게 반사되는 물체, 특정 모듈 등)로부터 기인하는 펄스들이 무시될 것이다. 광의 모든 희망 펄스들은 픽셀 플로팅 확산(FD: Floating Diffusion) 또는 다른 방법의 픽셀 저장소에 누적되고, 신호는 단일 프레임 이미지를 제공하기 위해 리드아웃된다.
개시된 기술은 알려진 기술들에 비해 많은 이점을 제공한다:
(펄스화 또는 변조된) 희망하는 광 신호의 누적 및 백그라운드 신호 누적의 감소에 의한 더 나은 신호 대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio).
40dB 크기의 높은 인터-씬(inter-scene) 동적 범위에 대한 면역성. 다중 게이트 픽셀 어레이에 대해, 포화된 픽셀과 3번째 떨어진 픽셀 사이에서, 블루밍 비는 1,000(60dB) 이상이고, 약 10,000(80dB)이 희망된다.
펄스화 또는 변조된 광 소스로부터 기인하는 다중 게이트 픽셀 순간 시야(IFOV: Instantaneous Field Of View)에서 펄스화 또는 변조된 광에 동기화되는 기능.
다중 게이트 픽셀 IFOV로 다시 반사되는 동기화된 광 소스로 직접 비행 시간(TOF: Time Of Flight) 이미징을 수행하는 기능.
적어도 하나의 단일 픽셀을 게이트 하는 기능 및/또는 하나의 단일 픽셀 어레이를 게이트 하는 기능.
본 발명의 이러한, 추가적인, 및/또는 다른 측면들 및/또는 이점은: 이하의 상세한 설명에 개시되고; 바람직하게는 상세한 설명으로부터 유추될 수 있으며; 및/또는 본 발명의 실행에 의해 습득가능할 것이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 이루어진 그 실시형태들의 상세한 설명으로부터 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 "게이트-에이블" 픽셀을 도시하는 개략적인 회로도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일측면을 설명하는 타이밍 차트이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 구현예의 시뮬레이션에 사용되는 수식과 단위를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 구현예의 시뮬레이션에 대한 그래프를 도시한다.
본 발명의 적어도 일 실시형태를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명은 이하의 설명 또는 도면에 대한 설명에 제시된 구성요소들의 구성 및 배치의 상세와 관련한 응용에 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시형태들에 적용되거나, 다양한 방법으로 실행 또는 수행될 수 있다. 또한, 여기에서의 표현 및 전문용어는 설명의 목적이며, 그에 제한이 되는 것으로 고려되지는 않아야 함이 이해되어야 한다.
도 1은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 표준 제조 기술에 의해 제공될 수 있는 "게이트-에이블" 픽셀의 개략도를 나타낸다. 각각의 광 펄스(즉, 각각의 게이트)는 핀드(pinned) 포토 다이오드(PD: Photo-Diode)일 수 있는 포토 다이오드(PD)에 의해 비례하는 전기적 신호로 변환된다. PD로부터 생성되는 전기적 신호는 각각의 변환된 광 펄스를 누적하는 누적기(즉, 커패시터)로 동작하는 플로팅 확산(FD: Floating Diffusion)으로 전기장에 의해 전송된다. 2개의 제어가능한 픽셀 신호들은 픽셀 게이트; 전송 게이트 트랜지스터(TX1) 및 안티 블루밍(Anti-Blooming) 트랜지스터(TX2)를 생성한다. 안티 블루밍 트랜지스터는 안티 블루밍 역할을 위해, 첫째로, TX1에 결합할 때 단일 광 펄스 게이팅 메커니즘의 부분(즉, TX2가 ON에서 OFF로 전환되거나, OFF에서 ON으로 전환됨), 두번째로, TX1이 OFF인 시간 동안 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되는 것을 방지하는 것(즉, PD 리셋), 셋째로 TX1이 ON일 때 PD에서 기인하는 채널 과다 전기 신호와 관련된, 3가지 주목적을 갖는다. 안티 블루밍 TX2 제어가능한 신호는 단일 누적 광 펄스를 종료시키는 광학 셔터로서 동작한다. 전송 게이트 트랜지스터(TX1)는 원하는 시간에만 ON으로 전환되고 원하는 구간 동안에만 TX2에 결합된다. 모든 광 펄스가 RD에 누적되면, 신호가 리드아웃되어 단일 프레임 이미지를 제공한다.
다중 게이트 저 노이즈 픽셀은 "게이트-에이블" PD, TX1, TX2 및 PD 구성 이후의 표준 전기적 신호 체인을 가질 수도 있다. 이러한 표준 전기적 신호 체인은 픽셀 전압(VDD)을 사용하는 전기적 전하로 FD를 충전하는 역할을 갖는 리셋 트랜지스터(RST)로 구성될 수 있고, 누적된 신호(즉, 전자들)를 전압으로 변환하는 소스 팔로워(SF: Source Follower) 트랜지스터로 구성될 수도 있으며, 픽셀 어레이에 대해 열 및/또는 행으로 연결되는 선택(SEL) 트랜지스터로 구성될 수도 있다.
"게이트-에이블" 픽셀을 도시하는 개략적인 회로도는 최소한 최소 5개의 트랜지스터("5T")를 갖는다. 이러한 픽셀 구성은 도 2 및 도 3에 의해 이하에서 설명되는 바와 같이 "게이트-에이블" 타이밍 시퀀스로 동작할 수 있다. 또한, 이러한 픽셀은 표준 5T 픽셀 타이밍 시퀀스로 동작하거나 표준 4T 픽셀 타이밍 시퀀스로 동작할 수도 있다. 이러한 다목적 구성(즉, 게이팅 시퀀스 또는 표준 5T 또는 표준 4T)은 광 조건에 따라 상이하게 픽셀을 동작시킨다. 예를 들면, 액티브 게이트 모드에서(게이트 조명이 있을 시) 낮은 광 레벨 시에는 게이팅 타이밍 시퀀스, 야간 시간 동안(조명이 없을 시) 낮은 광 레벨 시에는 4T 타이밍 시퀀스, 낮 시간 동안 높은 광 레벨 시에는 5T 타이밍 시퀀스. "게이트-에이블" 픽셀을 도시하는 이 개략적 회로도는 내부 상관 이중 샘플링(CDS: Correlated Double Sampling) 및/또는 하이 다이내믹 레인지(HDR: High Dynamaic Range)를 위한 추가적인 회로들을 가질 수도 있다. 이러한 추가적인 회로들을 추가하는 것은 포토 센싱 필 팩터(Fill Factor)(즉, 픽셀의 민감도)를 감소시킨다.
도 2는 (레이저 및/또는 LED 및/또는 아크 광 또는 액티브 게이트 이미징 시스템의 임의의 다른 트리거된(triggered) 광 소스와 같은) 각각의 광 소스 반사 펄스가 각각의 픽셀 게이트 이벤트에 동기화되는 액티브 게이트 이미징에 대한 다중 게이트 저 노이즈 픽셀 어레이 타이밍 시퀀스의 플로우 차트를 도시한다. 타이밍 시퀀스는 단계별로 (축척 없이) 도시되고, 여기서 각각의 단계는 한 주기의 시간을 나타내며 ON 신호는 블랙 셀로 나타난다. 모든 단계들은 플로우 차트 내에서 명확해질 것이다.
단계 A1: 픽셀 선택 트랜지스터(SEL)가 ON되어 모든 어레이 행에 대한 특정 행 어레이 선택을 제공하고 픽셀 안티 블루밍(TX2)이 ON되어(즉, VDD보다 낮은 VSS 전압 레벨) PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 A2: 픽셀 리셋 트랜지스터(RST)가 ON되어 완전히 사용된 픽셀 FD에 전하를 제공하고 픽셀 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 A3: 픽셀 리셋 신호가 샘플링되어 적어도 단일 희망 노출(즉, 게이트)에 대해 픽셀 FD 신호 레벨 사전 누적이 제공된다. 픽셀 리셋 신호는 단계 A18에서 픽셀 신호 샘플로부터 차감되어 오프셋 신호를 제거할 수 있다(이러한 이유로, 도 1에 도시되는 바와 같이 게이트 구성에서 픽셀에 대해 CDS가 외부적으로 수행된다). 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 A4: 광 소스의 펄스(액티브 게이트 이미징의 부분)가 생성되고 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 A5: 광 소스의 펄스(액티브 게이트 이미징의 부분)가 원하는 거리로 전파되고 픽셀로 반사되어 돌아오며 안티 블루밍(TX2)이 OFF로 전환되어 PD에서 생성되는 신호의 전송 게이트(TX1)를 통한 전송이 시작될 수 있도록 한다.
단계 A6: 안티 블루밍(TX2)이 다시 ON되어 단일 게이트 전송 이벤트가 종료되고 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 하기 전에 픽셀 전송 트랜지스터(TX1)가 ON되어 PD에서 생성되는 전기적 신호를 FD로 전송한다. TX1 ON 구간은 원하는 펄스 반사 신호를 누적하고 백그라운드 신호 누적을 감소시키기 위해 광 펄스 시간에 비해 동일하거나 짧다.
단계 A7: 픽셀 전송 트랜지스터(TX1)가 OFF되고 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 A8: 단계 A4와 유사하나 단계 A4와 상이한 타이밍을 가질 수 있다. 예를 들면, 단계 4의 지속 시간은 1μsec이고(반치전폭: Full Width Half Maximum), 단계 A8의 지속 시간은 0.5μsec이거나, 단계 A4의 지속 시간은 1μsec이고(반치전폭: Full Width Half Maximum), 단계 A8의 지속 시간은 1.5μsec 등일 수 있다.
단계 A9: 단계 A5와 유사하나 단계 A5와 상이한 타이밍을 가질 수 있고 픽셀 FOV에서 상이한 누적 개시 거리를 제공한다. 예를 들면, 단계 A5 지속 시간은 1μsec(즉, 자유 공간에서 광 전파에 대해 약 150m의 개시 거리와 동일)이고 단계 A9 지속 시간은 0.5μsec(즉, 자유 공간에서 광 전파에 대해 약 75m의 개시 거리와 동일)일 수 있다.
단계 A10: 단계 A6과 유사하나 단계 A6과 상이한 타이밍을 가져 단계 A8에서의 지속 시간(광 펄스 시간에 비해 동일하거나 짧음) 동안 광 소스 펄스를 누적한다. 이 시간은 픽셀 FOV의 필드 거리의 상이한 누적 깊이를 제공한다. 예를 들면, 단계 A6 지속 시간은 1μsec이고(자유 공간에서 광 전파에 대해 약 150m의 필드 깊이와 동일), 단계 A10의 지속 시간은 0.6μsec(자유 공간에서 광 전파에 대해 약 90m의 필드 깊이와 동일)일 수 있다.
단계 A11: 단계 A7과 유사하나 단계 A7과 상이한 타이밍을 가질 수 있다.
단계 A12 내지 단계 A15: 단계 A4 내지 단계 A7 및 단계 A8 내지 단계 A11과 유사하나 이상에서 나타낸 바와 상이한 타이밍을 가질 수 있다. 픽셀 게이트(광 노출 및 누적)가 픽셀 리드아웃 당 1회, 2회 또는 #X 게이트(이벤트) 도통될 수 있다.
단계 A16: 적어도 하나의 단일 게이트 전송 이벤트 후에, 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 할 수 있다.
단계 A17 내지 단계 A18: 표준 픽셀 리드아웃이 제공된다. 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD 및 FD에 누적되지 않도록 하고, 픽셀 선택 트랜지스터(SEL)가 ON되고 누적된 픽셀 신호가 소스 팔로워(SF) 트랜지스터를 통해 FD로부터 리드아웃될 수 있다.
리드아웃 별로 다중 게이트 저 노이즈 픽셀의 어레이를 갖는 액티브 게이트 이미징에서, 적어도 하나의 단일 광 펄스(즉, 단일 게이트)에 대해 단계 A5 지속 시간 및 단계 A6 지속 시간의 게이트 트랜지스터(TX1) 및 안티 블루밍 트랜지스터(TX2)의 지속 시간은 픽셀에 따라 또는 픽셀 어레이 클러스터에 따라 다양할 수 있다. 이는 각각의 픽셀 또는 픽셀 어레이 클러스터가 상이한 필드 거리의 깊이 및/또는 픽셀 FOV에서의 개시 거리를 누적하는 것을 가능하게 한다.
일부 실시형태에 따르면 게이팅 유닛이 적어도 2개의 픽셀 클러스터에서 픽셀들의 전송 게이트 트랜지스터들을 독립적으로 제어함으로써 상이한 게이팅 파라미터로 적어도 2개의 픽셀 클러스터들을 동시에 게이트하도록 구성된다. 또한, 상기한 게이팅 파라미터는 일 이상의 광 소스와 관련된 동기화 파라미터를 포함하여 상기한 픽셀 클러스터들에 대해 상이한 시너리 볼륨(Scenery Volume)을 매칭시킬 수도 있다. 시너리 볼륨은 상이한 필드 거리의 깊이 및/또는 픽셀 FOV에서의 개시 거리와 같은 경계로서 정의되는 장면에서의 볼륨 부분으로 정의된다.
도 3은 픽셀 게이트 타이밍이 (레이저 및/또는 LED 및/또는 아크 광 또는 게이트 이미징 시스템의 일부는 아니지만 게이트 이미징 시스템 FOV에 위치하는 임의의 다른 트리거된(triggered) 광 소스로부터 기인하는) 외부 광 소스 예를 들면 트래픽 사인 플리커링 광 소스에 동기화 또는 비동기화될 수 있는 패시브(passive) 게이트 이미징에 대한 다중 게이트 저 노이즈 픽셀 어레이 타이밍 시퀀스를 나타내는 플로우 차트이다. 이상에서 설명된 액티브 게이트 이미징 타이밍과 다르게, 각 게이트(즉, TX1 및 TX2의 기능인 광에 대한 픽셀 노출)의 패시브 게이트 이미징 타이밍이 펄스 광 소스에 동기화되지 않을 수도 있다. 상이한 타이밍을 갖는 다중 게이트(즉, 노출들)는 단일 픽셀 리드아웃에서 백그라운드 신호로서 충분한 광 소스 신호 레벨을 제공한다. 타이밍 시퀀스는 (축척 없이) 단계별로 도시되고, 여기서 각각의 단계는 시간의 주기를 나타내고, ON 신호는 블랙 셀로 나타내어 진다. 모든 단계는 플로우 차트에서 명확해질 것이다.
단계 B1: 픽셀 선택 트랜지스터(SEL)가 ON되어 모든 어레이 행으로부터 특정 행 어레이 선택을 제공하고 픽셀 안티 블루밍(TX2)이 ON되어(즉, VDD보다 낮은 VSS 전압 레벨) PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 B2: 픽셀 리셋 트랜지스터(RST)가 ON되어 완전히 사용된 픽셀 FD에 전하를 제공하고, 픽셀 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 B3: 픽셀 리셋 신호는 샘플링되어 적어도 단일 희망 노출(즉, 게이트)에 대해 픽셀 FD 신호 레벨 사전 누적이 제공된다. 픽셀 리셋 신호는 단계 B18에서 픽셀 신호 샘플로부터 차감되어 오프셋 신호를 제거할 수 있다(이러한 이유로, 도 1에 도시되는 바와 같이 게이트 구성에서 픽셀에 대해 CDS가 외부적으로 수행된다). 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 B4: (게이트 이미징의 부분은 아니나 게이트 이미징 시스템 FOV에 위치하는) 광 소스의 펄스가 생성되고 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 B5: (게이트 이미징의 부분은 아니나 게이트 이미징 시스템 FOV에 위치하는) 광 소스의 펄스가 전파되고 픽셀로 전송되며 안티 블루밍(TX2)이 OFF로 전환되어 PD에서 생성되는 신호의 전송 게이트(TX1)를 통한 전송이 시작될 수 있도록 한다.
단계 B6: 안티 블루밍(TX2)이 다시 ON되어 단일 게이트 전송 이벤트가 종료되고 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 하기 전에 픽셀 전송 트랜지스터(TX1)가 ON되어 PD에서 생성되는 전기적 신호를 FD로 전송한다. TX1 ON 구간은 원하는 펄스 반사 신호를 누적하고 백그라운드 신호 누적을 감소시키기 위해 광 펄스 시간에 비해 동일하거나 짧아야 한다.
단계 B7: 픽셀 전송 트랜지스터(TX1)가 OFF되고 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 한다.
단계 B8: 단계 B4와 유사하나 단계 B4와 상이한 타이밍을 가질 수 있다. 예를 들면, 단계 B4의 지속 시간은 1μsec이고(반치전폭: Full Width Half Maximum), 단계 B8의 지속 시간은 0.5μsec이거나, 단계 B4의 지속 시간은 1μsec이고(반치전폭: Full Width Half Maximum), 단계 B8의 지속 시간은 1.5μsec 등일 수 있다.
단계 B9: 단계 B5와 유사하나 단계 B5와 상이한 타이밍을 가질 수 있고 픽셀 FOV에서 상이한 누적 타이밍을 제공한다. 예를 들면, 단계 5 지속 시간은 1μsec이고 단계 B9 지속 시간은 0.5μsec일 수 있다.
단계 B10: 단계 B6과 유사하나 단계 B6과 상이한 타이밍을 가져 단계 B8에서의 지속 시간(광 펄스 시간에 비해 동일하거나 짧음) 동안 광 소스 펄스를 누적한다. 이 시간은 픽셀 FOV의 광 소스 펄스의 누적에 대한 상이한 지속 시간을 제공한다. 예를 들면, 단계 B6 지속 시간은 1μsec이고, 단계 B10의 지속 시간은 0.6μsec일 수 있다.
단계 B11: 단계 B7과 유사하나 단계 7과 상이한 타이밍을 가질 수 있다.
단계 B12 내지 단계 B15: 단계 B4 내지 단계 B7 및 단계 B8 내지 단계 B11과 유사하나 이상에서 나타낸 바와 상이한 타이밍을 가질 수 있다. 픽셀 게이트(광 노출 및 누적)가 픽셀 리드아웃 당 1회, 2회 또는 #X 게이트(이벤트) 도통될 수 있다.
단계 B16: 적어도 하나의 단일 게이트 전송 이벤트 후에, 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 할 수 있다.
단계 B17 내지 단계 B18: 표준 픽셀 리드아웃이 제공된다. 안티 블루밍(TX2)이 ON되어 PD에서 생성되는 원하지 않는 기생 신호들이 PD에 누적되지 않도록 하고, 픽셀 선택 트랜지스터(SEL)가 ON되고 누적된 픽셀 신호가 소스 팔로워(SF) 트랜지스터를 통해 FD로부터 리드아웃될 수 있다.
또한, 도 3은 픽셀 게이트 타이밍이 (레이저 및/또는 LED 및/또는 아크 광 또는 게이트 이미징 시스템의 부분은 아니지만 게이트 이미징 시스템 FOV에 위치하는 연속적인 광 소스로부터 기인하는) 외부 광 소스 예를 들면 태양 복사의 신호를 누적할 수 있는 패시브(passive) 게이트 이미징에 대한 다중 게이트 저 노이즈 픽셀 어레이 타이밍 시퀀스를 나타내는 플로우 차트를 도시한다. 적어도 단일 게이트(즉, 노출)는 단일 픽셀 리드아웃에서 충분한 신호 레벨을 제공할 수 있다. 타이밍 시퀀스는 (축척 없이) 단계별로 도시되고, 여기서 각각의 단계는 시간의 주기를 나타내고, ON 신호는 블랙 셀로 나타내어 진다.
다중 게이트 저 노이즈 픽셀에서 키 특징 중 하나는 게이트 OFF 동안 불투명하다는 것이다. 픽셀 게이트가 OFF(즉, TX1가 OFF이고 RX2가 ON)일 때 FD에서 생성되는 기생 전기 신호는 (예를 들면, 픽셀 구조의 금속 레이어를 통해) FD를 차폐시키거나, 및/또는 픽셀 마이크로-렌즈를 활용하여 광을 FD로부터 멀리 보냄으로써 감소될 수 있다. 게이트 OFF 레벨 동안 불투명성은 최대한 낮게 요구되며 여기서 통합 시간(게이팅/비-게이팅 및 리드아웃 타임)에서 광 세기에 의해 분리되는 FD에 수집된 신호에 대한 응답은 0.01% 이상이 되어야 한다. 이 값은 이하에 설명되는 액티브 이미징에서 후방 산란 세기 반사에 대응하여 요구된다.
액티브 이미징 성능의 지배 파라미터는, 이 상황에서는 시스템의 FOV 및 후방 산란으로 산란되는 대기 광으로부터의 광이며, 타겟 및 백그라운드에 더해지는, 대기 광을 고려한, 수학식 1에서 "명암"으로 정의된 변조 명암이다.
[수학식 1]
Figure 112014109681239-pct00001
Figure 112014109681239-pct00002
여기서,
[수학식 2]
Figure 112014109681239-pct00003
Figure 112014109681239-pct00004
Figure 112014109681239-pct00005
은 초점면 조명에 대한 대기 광 기여분이다. 나이트 비전 동안에는, 대기 광이 매우 적거나 없으며,
Figure 112014109681239-pct00006
이다. 이 결과는 협대역 패스 필터(즉, 스펙트럼 필터)를 이용하여 달성된다. 혹독한 날씨 이미징 조건(예를 들면, 먼지 또는 안개) 하에서는, 대기 광을 고려하여야만 한다. 이하에서는 이미지 센서 주변의 인공 소스가 먼 곳을 조명하고 있을 때 대기 후방 산란 효과를 이미지 질에서 예측하는 유용한 방법을 나타낸다. 조명기와 이미징 시스템 간 격리가 FOV에서 가장 근접하게 조명되는 입자들에 대한 거리와 비교하였을 때 작은 것으로 가정한다. 이때, FOV 내에서 대기의 복사조도는 센서와 환경 간 경로에서 조명되는 모든 입자들의 후방 산란 기여도들을 합산하는 것으로 계산된다. 이 결과는,
[수학식 3]
Figure 112014109681239-pct00007
이고, 여기서
IBackscatter = 대기 후방 산란의 복사조도 [Power/면적]
Rmin = 이미징 시스템으로부터(및 조명기로부터) FOV에서 가장 근접한 조명되는 입자들까지의 거리 [길이]
Rmax = 이미징 시스템으로부터(및 조명기로부터) 이미징되는 장면까지의 거리 [길이]
P = 조명기의 복사 세기 [Power]
G = 등방성 산란과 관계되는 대기 입자들의 산란 이득 [무차원]
γ = 대기 감쇄 계수 또는 "소멸 계수" [길이-1]
F#l = 조명기 광학의 F 수 [무차원]
θl = 조명기 빔 분산도 [각도]
X = 적분 변수
협소 파장 조명기와 함께 대기를 통한 가시선 경로가 수평으로 된다면, 대기 감쇄 계수는 상수로 고려된다.
도 4 및 도 5는 다중 게이트 저 노이즈 픽셀에서의 다른 키 특징이 전송 게이트 트랜지스터(TX1) 노이즈(즉, 전송 효율)임을 나타낸다. 도 4는 시뮬레이션에 사용되는 수학식 및 단위를 제공하고 도 5는 해당 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 액티브 게이트 이미징에서 눈(eye) 및 피부 안전성은 광 소스(예를 들면, 레이저, LED 등) 광학 피크 전력, 광학 평균 전력 등을 제한할 수 있다. 게이트 트랜지스터(TX1) 노이즈(즉, 전송 효율)는 그러한 경우에 중대한 파라미터가 될 수도 있다. 게이트 트랜지스터(TX1) 노이즈(즉, 전송 효율)은 전기적 전하 전송 불확실성 레벨의 물리적 진행의 결과이다. 더 높은 게이트 전송(TX1) 효율을 제공하기 위해 적어도 3개의 상이한 방법이 픽셀에서 구현될 수 있다.
● PD에서 FD 사이에 높은 포텐셜 전압을 설정하여 전기적 전하 캐리어(즉, 적어도 단일 전자)가 FD로 "유도"될 높은 가능성을 갖도록 강한 전기장을 가능하게 함
● 전송 게이트, 주로 TX1 PD측의 물리적 차원. 전송 게이트(TX1)가 커짐에 따라 FD에 대한 게이트 전송 효율도 커지며 역도 마찬가지이다.
● 전송 게이트, 주로 TX1 PD측의 물리적 구조. "무결성"의(즉, "구멍(holes)"이 없는) 전송 게이트(TX1)일수록 FD에 대한 게이트 전송 효율은 커지며 역도 마찬가지이다.
이하의 예는 픽셀 신호, (게이트 전송에만 기인하는) 픽셀 노이즈 레벨 및 픽셀 SNR의 영향을 설명한다. 신호 및 노이즈 레벨의 계산의 일례(도 5, 그래프 #1):
● 타겟 거리에 따른 FD에서의 단일 광 펄스 누적 신호(즉, 단일 게이트 전송).
● 하나의 전자에 상응하는 노이즈 전송 및 타겟 거리에 따른 FD에서의 단일 광 펄스 누적 신호(즉, 단일 게이트 전송)의 노이즈 레벨.
● 10개의 전자에 상응하는 노이즈 전송 및 타겟 거리에 따른 FD에서의 단일 광 펄스 누적 신호(즉, 단일 게이트 전송)의 (게이트 전송에만 기인하는) 노이즈 레벨.
픽셀 SNR 계산의 일례(도 5, 그래프 #2):
● 단일 광 펄스 누적 신호(즉, 단일 게이트 전송), 단일 전자 및 타겟 거리에 상응하는 노이즈 전송에 따른 SNR.
● 100개의 광 펄스(즉, 100개의 게이트 전송)와 함께, 등.
● 단일 광 펄스 누적 신호(즉, 단일 게이트 전송), 10개의 전자 및 타겟 거리에 상응하는 노이즈 전송에 따른 SNR.
● 100개의 광 펄스(즉, 100개의 게이트 전송)와 함께, 등.
액티브 게이트 이미징에서 전송 게이트 트랜지스터(TX1), 안티 블루밍 트랜지스터(TX2) 및 광 펄스 소스의 상승 시간 및 하강 시간은 필드 거리 및 개시 거리 해상도/정확도와 직접적으로 관련된다.
패시브 게이트 이미징에서 전송 게이트 트랜지스터(TX1), 안티 블루밍 트랜지스터(TX2) 및 광 펄스 소스(게이트 이미징 시스템의 부분은 아니지만 게이트 이미징 시스템 FOV에 위치함)의 상승 시간 및 하강 시간은 펄스 변조의 신호 누적과 직접적으로 관련된다.
다중 게이트 픽셀은 근적외선(NIR: Near Infra-Red)에서 50% 이상의 값으로 더 높은 PD 스펙트럼 응답(즉, 픽셀 필 팩터(Fill Factor) 및 양자 효율에 직접적으로 관련됨)을 제공하는 픽셀 웨이퍼에 대한 개시 물질로서 12㎛이상의 두꺼운 에피택시얼(Epitaxial) 레이어 및/또는 고 저항성 레이어를 가질 수도 있다. 에피택시얼 레이어가 두꺼울수록 스펙트럼 응답은 커지나 픽셀의 변조 전달 함수(MTF: Modulation Transfer Function)은 낮아진다. 주로 나이트 비전 애플리케이션에 사용되는 액티브 게이트 이미징에 있어서 두꺼운 에피택시얼 레이어 및/또는 고 저항성 레이어에 기인하는 MTF 감소는 바람직하게는 5㎛×5㎛만큼 더 큰 픽셀 차원에 기인하는 스펙트럼 응답에 대해 2차(second order)이다. 큰 픽셀은 더 많은 반사 광 신호를 누적하기 위해서 요구되지만(즉, 더 큰 픽셀 영역), 낮은 광 레벨(예를 들면, 0.1 lux 미만) 동안 해상도는 요구되지 않는다.
바람직하게는, 다중 게이트 픽셀 및 다중 게이트 센서(즉, 리드아웃 인터페이스를 갖는 픽셀 어레이)가 차량용 환경; 고온 저장소 및 동작(섭씨 50도 이상) 에 상응하는 CMOS 기술을 사용하여 생산되고, 민감도는 태양 복사에 기인하지 않으며, 게이트 픽셀에 투사되는 일정 정지 이미지에 기인하는 번 이펙트(Burn Effect)가 없다.
바람직하게는, 스펙트럼 필터가 액티브 이미징(즉, 광 소스에 결합됨) 또는 패시브 이미징(즉, 광 소스가 LED, 인공 광 소스 등과 같은 게이트 시스템의 부분은 아니지만 게이트 이미징 시스템 FOV에 위치한다는 의미의 패시브)에서 다중 게이트 픽셀 및/또는 다중 게이트 센서(즉, 리드아웃 인터페이스를 갖는 픽셀 어레이)의 전면에 적용되어 낮 시간, 야간 및 다른 대기 광 조건에서 대기 광 누적을 감소시킨다. 스펙트럼 필터는 픽셀 어레이 레벨에서 모자이크 필터 어레이로 구현될 수 있다(예를 들면, 포토센서의 스퀘어 그리드(Square Grid)에 스펙트럼 필터를 배열함). 필터 패턴은; 20% 녹색, 20% 적색, 25% 청색 및 25% 근적외선(NIR)일 수 있고, 이에 따라 RGBN으로도 지칭된다. 또한 필터 패턴은; 50% 투명(예를 들면, 넓은 스펙트럼 파장으로 개방됨), 25% 적색 및 25% NIR일 수도 있고, 이에 따라 CCRN으로 지칭되기도 한다. 필터 패턴은; 일 특정 파장에서 25% 투명, 25% NIR이고 다른 특정 파장에서 25%일 수도 있고, 이에 따라 CRN(1)N(2)으로 지칭되기도 한다(예를 들면, C: 450-850㎚, R: ~650㎚, N(1): 780-800㎚ 및 N(2): 810-850㎚). 필터 패턴은 녹색, 적색, 청색, 투명 및 NIR의 다른 조합일 수도 있다.
바람직하게는, 편광 필터가 액티브(즉, 편광된 광 소스에 결합됨) 또는 패시브 이미징(즉, 광 소스가 LED, 인공 광 소스 등과 같은 게이트 시스템의 부분은 아니지만 게이트 이미징 시스템 FOV에 위치한다는 의미의 패시브)에서 다중 게이트 픽셀 및/또는 다중 게이트 센서(즉, 리드아웃 인터페이스를 갖는 픽셀 어레이)의 전면에 적용되어 낮 시간, 야간 및 다른 대기 광 조건에서 대기 광 누적을 감소시킨다.
다중 게이트 픽셀 FOV에 다시 반사되는 동기화된 광 소스로 직접 ROF 이미징을 하는 능력은 A1-A7을 수행하는 것 및 단계 A8을 수행하는 것보다 각 시퀀스 간 ΔT의 짧은 딜레이로 단계 A6-A7을 몇 번 수행하는 것과 같은 몇 가지 방법에 의해 달성될 수도 있다. 각 ΔT의 딜레이는 ΔZ=ΔT*C/2의 피사계 심도(depth-of-field)의 상이한 부분을 누적하고, 여기서 C는 광속도이다. 예를 들어, 단계 A6-A7 시퀀스 사이의 ΔZ=100nsec 딜레이는 각 시퀀스에 대해 15m의 피사계 심도를 제공하여야 한다.
본 발명이 한정된 수의 실시형태에 대해 설명되었으나, 이는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안되며, 바람직한 실시형태의 일부 예시로 이해되어야 한다. 다른 가능한 변형, 수정, 및 적용 또한 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서, 본 발명의 범위는 이상에서 설명된 것으로 제한되어서는 안되며, 첨부되는 특허청구범위 및 이의 법적 균등범위로 한정된다.

Claims (18)

  1. 낮 시간 및 야간 장면의 개선된 이미지를 제공하기 위한 시스템으로서,
    단일 픽셀 레벨에서 마스크된 게이트 오프 기능을 가지며, 단일 픽셀 레벨에서 내재된 안티 블루밍 기능과 함께 제공되는 픽셀 어레이 센서로서, 각 픽셀은 높은 전송 게이트 효율을 갖는 대응되는 전송 게이트 트랜지스터에 의해 게이트되는 픽셀 어레이 센서; 및
    상기 픽셀 어레이 센서의 상기 전송 게이트 트랜지스터들을 제어하여 특정된 노출 파라미터에 기초해 상기 픽셀의 단일 리드아웃 별로 다중 노출들의 시퀀스를 누적하도록 구성되는 게이팅 유닛을 포함하고,
    상기 픽셀 어레이 센서는 게이팅과 다른 적어도 하나의 모드로 동작하도록 더 구성되며,
    상기 게이팅 유닛은 적어도 2개의 픽셀 클러스터에서 상기 픽셀들의 전송 게이트 트랜지스터들을 독립적으로 제어함으로써 상이한 게이팅 파라미터로 적어도 2개의 픽셀 클러스터들을 동시에 게이트하도록 더 구성되고,
    상이한 픽셀 클러스터들에 대해 상이한 시너리 볼륨(Scenery Volume)을 매칭시키기 위해, 상기 상이한 게이팅 파라미터는 일 이상의 광 소스에 대해 동기화 파라미터를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이 센서는 이동 플랫폼에 부착되는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 게이팅 유닛은 동기화된 펄스 광 소스와 함께 동작하도록 구성되는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 게이팅 유닛은 비동가화된 광 소스와 함께 동작하도록 구성되는, 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상이한 게이팅 파라미터들에 의해, 단일 독립적 누적이 상기 상이한 픽셀 클러스터들 각각에 대해 수행되는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단일 픽셀 레벨에서 상기 내재된 안티 블루밍 기능은 상기 픽셀 어레이에서 포화된 픽셀 및 제2 이웃 픽셀 사이에서 적어도 60dB의 비를 나타내는, 시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀에서의 저 노이즈는 광 소스 펄스 또는 광 소스 변조 없이 주기 동안 포텐셜 전압을 재설정함으로써 달성되어 포토다이오드 내의 기생 노이즈를 감소시키는, 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    높은 전송 게이트 효율은 상기 픽셀로부터 상기 전송 게이트의 플로팅 확산 사이의 높은 포텐셜 전압을 설정함으로써 달성되어 전기적 전하 캐리어가 상기 플로팅 확산으로 추출되도록 하는 보다 높은 확률을 갖는 강한 전기장을 가능하게 하는, 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    높은 전송 게이트 효율은 전송 게이트의 물리적 차원을 설정함으로써 달성되어, 포토다이오드 측의 상기 전송 게이트가 플로팅 확산 측의 전송 게이트보다 실질적으로 크도록 하는, 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    높은 전송 게이트 효율은 실질적으로 홀(hole)을 갖지 않도록 포토다이오드 측의 전송 게이트를 설정으로써 달성되는, 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀은 400㎚ 내지 1100㎚를 커버하는 범위 내의 광을 검출하도록 구성되는, 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀은 700㎚ 내지 2㎛를 커버하는 범위 내의 광을 검출하도록 구성되는, 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이는 컬러 필터와 함께 동작하도록 구성되는, 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    액티브 광 소스 펄스 또는 액티브 광 소스 변조는 800㎚의 근적외선(NIR: Near Infra-Red)인, 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이 센서는 20m 내지 200m 사이의 거리로부터 도착한 반사를 검출할 수 있도록 충분히 민감하고, 상기 반사는 상기 픽셀 어레이 센서가 적어도 두 자릿수에 도달하기 전에 감쇄되는, 시스템.
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