KR19990071659A - 로컬자동적응광센서 - Google Patents

Abstract

일반적인 영상 센서의 다이나믹스는 다양한 상황에서 발생하는 밝기 콘트라스트를 처리하기에 충분치 않다. 다이나믹스를 증가시키는 종래의 방법은 실제 응용에 있어서 많은 문제점을 안고 있다. 본 발명의 새로운 방법에 따른 영상 센서는 높은 다이나믹스를 단순 적응성과 조합하게 한다.

높은 영상 콘트라스트와 함께 발생하는 픽셀의 과다노출 및 과소노출을 피하기 위하여, 각각의 픽셀은 로컬 자동 적응 제어부를 포함한다. 상기 제어부의 도움에 따라, 각각의 픽셀은 충분한 광 전기 전류를 집적하는 순간 바로 자동으로 그 집적 기간을 종료시킨다. 아날로그 신호는 픽셀에 의하여 선택된 집적 기간의 길이를 나타낸다. 집적된 픽셀 신호와 함께, 상기 아날로그 신호는 개별 신호의 다이나믹스에 대한 높은 다이나믹스와 낮은 요구조건을 구비한 밝기 정보를 표시한다.

이들의 로컬 적응성 때문에, 본 발명에 따른 상기 영상 센서는, 고속도로, 자연 촬영 영화 및 천문학분야에서의 모터 차량을 안내하는 데에 요구되는 것과 같은 높은 밝기 콘트라스트를 처리해야하는 모든 응용분야에 적합하다.

Description

로컬 자동적응 광 센서

전자 영상 센서는 일반적으로 다양한 기술을 이용하여 제조되고 있다. 이러한 센서의 설계에서는, 다수의 영상 요소(픽셀)가 단일 라인으로 구성되거나, 또는 다수의 칼럼 및 다수의 라인으로 구성되는 매트릭스로 적절히 배열된다.

영상 센서에 투사된 영상은 필셀에 의하여 픽셀 로커스(locus)에서 입사광선의 양에 비례하는 전기 신호로 변환된다. 각각의 비례 상수는 상기 영상 센서의 변환감광도(감광도)가 된다.

널리 알려진 영상 센서에서, 다시 말하여, "집적 영상 센서"에서, 픽셀은 광전자 전류에 따라 발생되는 전하 캐리어를 일정 시간동안(집적 시간) 캐패시터로 집적하여 출력 신호를 발생시킨다.

전기 신호는 픽셀에 인가되는 클럭 신호나 리드(read)신호 같은 적절한 제어 신호를 통하여 읽혀지고, 읽혀진 통로는 상기 픽셀로부터 멀어지고, 상기 전기 신호는 적절한 수단을 이용하여 기록 장치와 같은 영상 분석부 또는 영상 활용부로 전송된다.

영상 센서의 중요한 특징은 상기 영상 센서의 출력단에 적절히 이용될수 있는 신호로 유도되는 픽셀 로커스의, 최대 및 최소 밝기에 따라 정의되는 다이나믹스이다. 이러한 다이나믹스는 그 하단에서 상기 출력 신호의 전기적 소음에 의하여 제한된다. 이는 적기적 소음보다 적은 하나의 픽셀 신호를 이용할수 없기 때문이다. 상기 다이나믹스는 그 상단에서 신호 변환과 신호 전송에 이용되는 구성요소의 포화상태에 따라 제한된다.

종래의 영상 센서의 또다른 문제는, 여러 가지 적용례에서 출력 신호에 발생하는 밝기 대조를 완전히 영상화시키기에는 영상 센서의 다이나믹스가 충분하지 못하다는 것이다.

따라서, 짙은 영상부는 소음으로 사라지고 그리고/또는 옅은 영상부는 포화상태가 되어 스미어(smear)니 블루밍(blooming)같은 또다른 간섭현상(interference)을 초래할수 있다.

이에 따라, 제한된 다이나믹스의 문제를 제거할수 있는 몇가지 방법이 알려져 있다.

영상 센서의 효과적인 다이나믹스가 이중 읽기(dual readout)의 원칙에 따라 향상되는 현상을 다루고 있는 다수의 특허 및 공보중에서 미국의 특허 No. 5,168,532를 참조하기로 한다.

이에 따른 영상 센서 시스템은, 예를 들어, 집적 영상 센서의 집적 시간을 선택하거나 또한 더 간단한 방법으로는 홍채 다이아프램의 도움을 얻어 알려진 감광도를 변화시키는 방법을 선택하는 것이다.

여기서, 이러한 영상 센서에 따라 두가지 영상이 출력되는데, 그중의 하나는 낮은 광감도에서 출력되고 또다른 하나는 높은 감광도에서 출력된다.

이러한 두가지 영상은 적절한 방법에 따라 조합되어 완전한 영상을 형성하게 된다. 예를 들어 미국 특허 No. 5,638,118와 같은 다양한 형태의 특허 및 공보에 개시된 다중 읽기(multiple readout)방식은 두가지 영상을 대신할수 있는 정도로만 상기 "이중 읽기"로 보완되고, 다른 광감도를 갖는 다수의 영상은 기록, 저장 및 조합된다. 이러한 두가지 방법은 복잡한 센서 시스템이라는 심각한 문제점을 안고 있으며, 상기 영상 센서뿐만 아니라 이와 같은 복잡한 센서 시스템은 프레임 그래버(grabber)와 같은, 영상 데이터를 저장하고 처리하는 수단을 포함한다.

센서의 다이나믹스을 향상시키는 방법중의 두 번째 그룹은 픽셀에서 신호가 발생할 때 영상신호를 압축하는 것과 관계있다.

종래의 로가리즘 압축(logarithmic compression)방법에서, 광의존(light-dependent) 광전자 전류는, 문턱전압 이하에서 동작하는 다이오드 또는 모스 트랜지스터의 로가리즘 전압-전류 특성을 이용하여 로가리즘에 따라 의존적인 신호 접압으로 변환된다.

이는 엔 리키어와 비 디어릭스가 1995년 4월 20-22일 캘리포니아에서 시시디와 선진(advanced) 영상 센서에 관한 아이이이이 워크샵에서 발표한 "온칩 비균등 교정의 액티브 픽셀 시모스 영상 센서"에 개시된 바와 같다.

이들 및 다른 모든 압축 센서는 다이나믹 압축으로 인하여 영상 디테일을 상실하게 된다.

게다가, 트랜지스터 문턱 전압 또는 커패시턴스와 같은 요소 파라미터에서의 로컬 동요(fluctuation)로 인하여 픽셀과 신호 통로에 발생하는 고정 패턴 소음(fixed pattern noise: FPN)로 알려진 고정 간섭(fixed interference), 지수적으로 증폭되며, 이의 교정에는 많은 비용이 요구된다.

미국 특허 No. 5,572,074, 또는 디 델브뤽 및 시 에이 메드가 캘리포니아 91125 파사디나가, 캘리포니아 기술원에서, 컴퓨테이션 및 뉴트럴 시스템 프로그램 기술 보고서 시엔에스 메모랜덤 No. 30, 1994, 페이지 1-23에 발표한 "시간지속, 적응성, 로가리즘의 광 리셉터 회로에 따른 아날로그 브이엘에스아이 광 트랜스덕션"에 개시된 다른 방법에 따르면,

복잡한 픽셀 회로의 도움으로 픽셀 자체에 의하여 발생된 출력신호를 통하여 픽셀 감광도가 국부적으로 제어된다.

그러나, 이러한 방법은 그 결과로 발생하는 문제점을 고려하면 상기 압축 방법과 일치하는 것이다.

로컬 적응 방법은 매우 동적인 영상 센서를 동작시키는 더 좋은 방법이라 할수 있다. 이러한 로컬 적응 방법의 특징은, 영상 센서의 감광도가 모든 픽셀을 위하여 동시에 조절되는 것이 아니라 그대신 더 작은 소그룹으로, 바람직하게는 각각의 국부적인 픽셀을 위하여 개별적으로 조절되는 것이다.

영상 센서의 특성을 고려하면, 신호 통로의 다수의 다른 포인트에 연결시키는 것이 가능하다.

하나의 픽셀 단위로 픽셀을 때리는 광(light)을 감소시키는 방법은 미국 특허 No. 5,532,743 (엘시디 필셀을 통한 감쇄), 미국 특허 No. 55,410,705 (편광자를 통한 감쇄), 및 미국 특허 No. 5,210,485 등에 개시되어 있다.

이러한 모든 방법은 더 복잡한 광학 구조 및 비용이 많이 드는 감쇄 요소를 제어하는 외부 시스템 등을 필요로 하고 있다.

더 동적이면서 더욱 단순한 시스템은 이러한 로컬 적응 방법으로 구현된다. 이로한 로컬 적은 방법은 픽셀을 기초로하여 하나의 필셀에서의 집적 시간을 제어한다. 로컬 적응 집적 시간에 대한 종래의 방법에서는 개별적 픽셀 리셋(IPR)이 이용되며, 이는 1997년 2월 고상 회로의 아이이이이 저널의 볼륨 32 No. 2에 "지역적 전자 셔터를 구비한 시모스 액티브 픽셀 센서 스타 트랙커"를 제목으로, 또한 캘리포니아 산호세에서 에스피아이이 회보의 볼륨 2654(1996) 페이지 82-93에 게제된 고상 센서 어레이 및 시시디 카메라에서의 "와이드 다이나믹 레인지 에이피에스 스타 트랙커"를 제목으로, 오. 야디드페흐트, 비. 페인, 시. 스탤러, 시. 클라크 및 이. 포섬에 의하여 발표된바 있고, 에스피아이이의 회보 볼륨 2415(1995) 페이지 303-309에 "적응 광감도 시시디 영상 센서"를 제목으로, 에스. 첸, 알. 기노사르가 발표한바 있다.

이상에서 설명된 센서에서, 집적 커패시터가 항상 각각의 픽셀에 개별적으로 리셋될수 있도록 변화되었다.

이러한 사실로 인하여, 특정 범위에서 각각의 픽셀을 위한 개별적인 집적 시간이 구현될수 있고, 따라서 각각의 픽셀 로커스를 때리는 광감도에 픽셀 광감도가 적응될수 있다.

여기서 설명되고 있는 방식의 특징은 동시에 하이 다이나믹스를 갖는 픽셀 회로의 추가 비용이 낮다는 것이다.

로컬 적응 영상 센서(LAS)가 시건(Siegen)대학의 반도체 전자공학 연구소에서 개발됨에 따라, 실제적인 집적 위상에 앞서서 아날로그 전압의 형태로, 각각의 픽셀의 집적 시간이 개별적으로 픽셀에 프로그램 될 수 있다(티. 루레, 에이치. 피셔, 에스. 벤티언, 에이치. 켈러, 엠. 소머, 제이. 슐테, 피. 리이브, 엠. 보오옴의 "티에프에이 기술에서의 픽셀당 프로그램 가능한 광감도를 구비한 이미지 센서"; 에이치. 레이클, 에이. 호이버거에 의한 마이트로 시스템 테크놀로지 '96의 베를린 오펜바흐의 브이디이 베르라그(VDE Verlag) 페이지 675 ff., 1996 참조).

그러나, 개별적 픽셀 리셋(IPR)과 로컬 적응 영상 센서(LAS)의 방법의 문제점은, 마지막으로 읽어낸 영상으로부터 그 다음 집적 사이클과 이에 따른 구동 클럭 펄스에 필요한 노출 횟수를 픽셀 단위로 발생시킬 때 회로가 추가되어야 한다는 측면에서 보면 상기의 방법에는 상당한 비용이 든다는 것이다.

개별적 픽셀 리셋(IPR) 방법의 또다른 문제점은, 충돌 및 광감도 픽셀 일렉트로닉스의 위로 연결되는 비결정(non-determinisitic) 클럭을 초래하는 집적 위상 기간 동안 바람직한 순서로 모든 픽셀이 리셋되어야 하는 문제이다.

게다가, 지금까지 설명된 모든 적응 방법은 시간 지연이라는 문제점을 안고 있다. 즉, 집적 위상을 위하여 셋팅되는 광감도는 선행 집적 위상의 픽셀 신호에서 얻는 것이기 때문에, 이러한 상황에 따라 픽셀의 광감도를 적절히 셋팅하는 것이 맏을만하게 보장될지 못하게 된다.

청구항 1에 개진된 바와 같이 본 발명은, 최소의 회로를 구비하고 시간 지연 없는 영상 센서의 다수의 픽셀의 광감도를 픽셀 로커스에서 우세한 밝기로 적응시켜서, 영상 센서의 효과적인 다이나믹스를 증가시키는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 목적은, 다수의 픽셀이 로컬하게 자동 적응하는 픽셀회로 자체에 의하여 픽셀 로커스에 우세한 밝기로 적응시키는 것을 통하여 달성된다.

로컬 자동 적응의 원칙이 세워진 것은 에스아이디(SID) 93 국제 심포지움의 다이제스트(1993)판의 페이지 495-498에 실린 오. 야디드-페흐트의 "자동 와이드-다이나믹-레인지 센서"를 통하여 이다.

여기서, 로컬 자동 적응성은, 집적 신호가 스레숄드를 초과할 때 픽셀이 그 자신을 리셋시키는 능력에 따라 구현된다. 원칙적으로, 이는 픽셀의 포화를 방지하지만, 그럼에도 불구하고 집적 시간은 픽셀을 때리는 광 강도에 신뢰할만하게 적응되지 못하게 된다. 이는, 예를 들면, 약하게 비추어진 픽셀은 상기 집적 위상의 종료 직전에 다시 리셋되는 현상이 발생하게 때문이며, 남아있는 아주 짧은 집적 시간동안에는 어떠한 형태의 신호 전압도 집적될수 없게된다.

더욱이, 픽셀에 의하여 선택된 집적 시간은 후속 영상 분석 단계에 적절한 방법으로 보고되어, 픽셀 로커스의 밝기가 두 개의 파라미터, 집적 시간 및 집적 픽셀 신호로부터 재구성될 수 있어야 한다. 오 야디드-페흐트는 이러한 문제에 대한 답변이 거의 없으며, 집적 시간은 4개의 플립-플롭안에 로컬하게 저장되어야 한다는 것을 언급하고 있을 뿐이다 (캘리포니아 산호세의 고해상도 센서 및 하이브리드 시스템, 볼륨 1656(1992) 페이지 374-382에 게제된 "픽쳐의 다이나믹 레인지 확장").

픽셀 영역의 효과적인 크기를 철저히 비경제적으로 만들지 않도록 하게 위한, 위의 저자의 제안에 따르면, 로컬 자동 적응 제어는 8×8 픽셀의 픽셀 블록당 한 번만 실행되며, 가령, 이는 로컬 자동 적응성의 장점을 즉각적으로 파기하게 된다. 이러한 픽셀 블록내의 강한 옅음-짇음(light-dark) 변화는 전체적인 적응 센서와 함께 발생하는 것과 같은 다이나믹스의 제한을 유발하게 된다.

본 발명에서 이러한 문제는, 광에 따라 발생된 다수의 전하가 집적되기 전이라도 완전히 그 집적 시간을 자동으로 종료시키는 집적 로컬 자동 적응 픽셀을 제공하여, 출력 신호를 포화시키는 방식으로 해결된다.

따라서, 이러한 방법은, 픽셀 자체가 집적 시간의 시작 시간이 아닌 집적 시간의 종료시간을 결정한다는 측면에서 보면 이상에서 설명된 방식과는 다른 것이다.

이러한 집적 시간을 종료시키는 유익한 방법은 전자 스위치를 이용하는 것이다. 즉, 전자 스위치를 검출기에서부터 집적 캐패시터로 통하는 광전자 전류의 통로에 루프시키고, 이 전자 스위치가 상기 검출기로부터 상기 캐패시터로의 전류의 통로를 간섭하여 집적 시간을 종결시키는 것이다.

이상에서 설명된 것과 유사한 방법으로는 전자 스위치를 이용하는 것이다. 즉, 전자 스위치에 따라, 해당 픽셀의 집적 시간이 종료되는 시점에서, 전체 집적 위상 기간동안 라이트 비례 광전자 전류가 흐르는 제 1 집적 캐패시터와 제 2 홀딩 캐패시터와의 사이에 전도성 연결부를 구비하여, 상기 집적 위상의 종료 이후의 상기 홀딩 캐패시터의 전압이 위에서 언급된 시간에서 상기 집적 캐패시터의 전압에 비례하도록 하는 것이다.

이러한 전기적 스위치를 구비한 픽셀 회로는 잘 알려져 있으며, 상기 집적 시간의 전체적 제어를 위한 거의 모든 집적 영상 센서에 이용된다.

위에서 설명된 문제를 해결하기 위하여, 이러한 방식으로 동작되는 센서는 더 낮은 비용으로 종래의 센서와 비교하여 훨씬 높은 다이나믹스를 갖게되어, 이러한 센서는 훨씬 높은 콘트라스트에서 모든 영상 세그먼트로 평가 될 수 있는 다수의 출력 신호를 제공한다.

또한, 이러한 출력 신호는 영상 밝기의 범위를 크게 확장하여 항상 더높은 제어 범위에 존재하게 되어, 신호-대-소음 비율의 향상과 이에 따른 영상의 질의 향상을 자동으로 유도할수 있게 된다.

이러한 방법의 다른 장점은 픽셀에 정보(이하, 집적 신호)를 저장하는 것이다. 여기서, 상기 픽셀은 픽셀의 집적 시간의 길이에 대한 정보를 제공하고, 집적 픽셀 신호와 함께 영상 센서로부터 읽혀진다.

따라서, 해당 픽셀 로터스에 우세한 밝기는 집적 신호와 픽셀 신호와는 명확히 구분되도록 결정된다.

상기 집적 신호는 아날로그 형태로, 즉, 예를 들면 전압, 전류 또는 전하의 형태로 픽셀에 저장하는 것이 유리하다.

캐패시터 또는 전류 레벨 저장 장치와 같은 아날로그 정부 저장 장치는 잘 알려져 있고, 예를 들어, 오. 야디드-페흐트가 제시한 바와 같이, 동일한 정보 내용을 갖는 디지탈 장치보다도 시모스, 비아이시모스(BiCMOS) 또는 TFT와 같은 종래의 영상 센서 기술에서 더 좁게 구현된다.

그러나, 디지탈 신호와 같은 집적 신호의 저장은, 간섭에 대한 면역성을 더 많이 제공하기 때문에, 유리한 선택이 될 수 있다.

또한, 이와같은 집적 신호를 완전히 픽셀 내에서 발생시켜, 이를 외부로부터 상기 픽셀내에 입력시키거나, 이를 외부로부터 상기 픽셀내에 입력된 신호의 도움으로 발생시키는 방법이 있다.

이러한 방법으로는 상기 픽셀에서의 신호 발생을 위한 별도의 구성성분이 제거되고 상기 픽셀에는 단지 외부에서 인가된 신호만을 저장할 필요가 있기 때문에, 상기 신호는 완전히 외부로부터 상기 픽셀에 입력되는 것이 바람직하다.

외부로부터 입력되는 신호는 모든 픽셀에 적절히 인가되고나 적어도 전체 칼럼 픽셀이나 또는 전체 라인 픽셀과 같은 다수 그룹의 픽셀에 동시에 인가되어, 이러한 신호에 반드시 제공되어야 하는 제너레이터의 수는 상기 센서가 가지는 픽셀의 수보다 적을수 있다. 따라서, 이러한 제너레이터는 전압 램프(ramp)와 같은 이미 경과된 집적시간과 바람직히게 일치하는 전압, 전류 또는 디지탈 단어와 같은 신호를 제공하게 된다. 하나의 픽셀이 그 집적 시간을 종료시키면 즉시 상기 픽셀은 그 집적 시간까지 집적된 픽셀 신호를 노출 캐패시터에 저장할 뿐만 아니라, 그 해당 제너레이터에 의하여 외부에서 인가된 집적 신호를 그 외부 집적 신호 메모리에 저장한다.

위에서 설명된 문제점을 해결할수 있는 또다른 방법에 따르면, 밝기 정보는 두가지 신호 파라미터, 즉 첫 번째로 픽셀 신호와, 두 번째로 집적 시간에 대한 정보를 제공하는 집적 신호와의 두가지로 분리된다. 이러한 두가지 신호로 분리될 때, 단일 신호로 가능한 것보다 훨씬 더 높은 밝기 다이나믹스가 재생될수 있다. 이는 이른바 픽셀 신호가 상세한 정보를 제공하는 동안 집적 신호는 조잡한 스케일링을 제공하기 때문이다. 특히 무수한 전기적인 간섭 소스가 전송 통로로 제한되는 상업적인 분야에서, 상기 다이나믹스의 이러한 분할은 매우 높은 신호 다이나믹스(> 100 dB)를 구비한 영상을 처리할수 있는 유일한 가능성을 제시한다.

이러한 방식의 또다른 장점에 따르면, 상기 집적은 상기 픽셀에 의하여 표시되는 횟수중의 몇번 만에 종료될수 있다. 여기서 상기 픽셀은 외부로부터 픽셀에 인가되는 플럭 신호에 따라 정의 된다. 이러한 시간의 이산성(discretization)에 따른 장점은 상기 픽셀에 의하여 선택될수 있는 집적 시간을 더 정확히 제어할수 있다는 점이다. 특히, 높은 조도 수준에서 구현되는 매우 짧은 집적 시간은 고도의 정확성으로 집적 신호에 따라 셋팅되고 검출되어야 하기 때문에, 정확하지 못한 상황에서는 집적 횟수의 클럭화된 이산성에 따라 유리하게 구현될수 있는 시간당 집적 시간보다 훨씬 짧은 기간에 대응된다.

이러한 방법에 따른 실시예의 또다른 장점은, 집적 기간의 시간 이산성과 아날로그 집적 신호의 사용과 연계하여 진폭이 이산적인 아날로그 집적회로를 사용하여, 상기 집적 신호가 이산적 진폭만을 표시한다는 것이다. 상기 집적 신호의 진폭의 이산성에 따른 장점에 따르면, 후속하는 영상 분석 단계에서, 스레숄드를 정확히 형성하여 선택된 집적 기간이 재구성될수 있고, 각각의 이산 단계사이에 충분한 거리가 존재한다면, 소음 및 아날로그 회로에서는 피할수 없는 에프피엔(FPN)과 같은 간섭이 스레숄드의 형성에 영향을 주지 않으며, 따라서, 재구성된 집적 시간에도 영향을 주지 않는다.

집적 신호에 대한 디지탈 저장의 경우에는, 위에서 언급된 아날로그 신호의 진폭 이산성에 대응하는 값의 이산성이 포함된다. 또한, 디지탈 저장은 상기 시간 이산성과 함께 매우 유리하게 이용될수 있는데, 이는 디지탈 값이 이러한 방식으로 각각의 집적 시간에 명확하게 할당될수 있기 때문이다.

가장 현대적이 기억 기술에서, 전체적으로 진폭이 이산화된 아날로그 신호가 다중 레벨의 디지탈 신호가 되는 것이 어떻게 정당화될수 있는지의 관점에서 생각하면, 순수 이진(binary) 디지탈 신호로부터 진폭이 이산된 아날로그 신호로 변화되는 것은 유동적이고 많은 변화의 변수를 안고 있다.

이러한 방법의 또다른 장점은 이산화된 집적 기간에 대한 지수적(exponential) 분포를 이용하는 것이다.

지수적 분포란, 픽셀에 의하여 선택되어 선택될수 있는 후속하는 더 짧은 기간보다도 고정요소에 따라 집적 기간이 더 길어지게 되는 그러한 소정의 집적 기간의 선택을 말한다.

이로한 분포는, 예를 들면, 카메라의 셔터 속도와 같이, 10여가지의 가능한 광 강도의 몇가지 파워에 대한 일정한 적용범위를 보장하는 다른 응용분야로부터 알려진 것이다.

이러한 방법에 따른 실시예의 장점은, 예를 들어, 1995년 인도의 루어기 유피에 소재한 루어기 대학에서, 지능센서에 관한 특별과정에서의 "티에프에이(에이에스아이시의 박막)기술의 지능 영상 센서 시스템"라는 제목의 강의에서 보오옴 교수가 설명한 바와 같이, 시이건 대학의 반도체 전자공학 연구소에서 보오옴 교수가 그의 동료들과 함께 개발한 티에프에이 기술에서의 로컬 자동적응 영상 센서를 기술적으로 구현한 것이다.

전자-광학 검출기를 여기에 제공된 신호 처리 에이에스아이시에 수직으로 집적하는 기술의 장점은 특히 로컬 자동 적응 센서로 표현된다.

이는 픽셀 일렉트로닉스와 검출기는, 가령, 순수한 시모스 기술의 경우에서처럼 서로의 자리를 공동으로 차지하지 못하지만, 그대신에 다소 비용이 많이드는 픽셀 일렉트로닉스가 차지한 칩의 영역은 그위의 검출기에 동시에 이용될수 있고, 따라서 광감도가 더 높기 때문이다.

이와같은 방법의 다른 실시예는 후속하는 청구범위로부터 유추될수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이상의 방법을 구현하기 위한 장치는 첨부도면에 도시되고 도면의 설명은 아래에 상술된다. 이러한 실시예는 90 디비(dB) 다이나믹스를 갖는 본 발명에 따른 티에프에이 기술에서 구현된 영상 센서이다.

도 1은 자동 집적 차단(cutoff)과 집적 신호 저장에 대한 로컬 자동 적응 픽셀 일렉트로닉스를 도시한 블록도이다.

도 2는 집적 위상기간 동안 도 1에 따른 픽셀의 동작을 도시한 동작 신호를 도시하고 있다.

도 3은 집적 위상에 후속하는 읽기 위상에서 출력되고, 이러한 픽셀에서 발생하는 광 강도의 기능으로 구성된 집적 신호 및 픽셀 신호를 도시하고 있다.

도 4는 영상 센서 칩에 형성된 주변 회로에 대하여 영역 센서의 픽셀의 상호작용을 간략히 도시하고 있다.

도 5는 로컬 자동 적응 픽셀의 적정한 복잡도를 도시하는 픽셀 레이아웃이다.

도 1은 티에프에이 기술에따라 구현되는 로컬 자동 적응 픽셀의 블록도이다. 상기 픽셀 회로에서, 광감도 검출기(01)은 비결정 실리콘으로 형성되고, 그 음극은 상기 픽셀회로에 구현된 검출회로(02)에 연결된다. 상기 검출회로는 티에프에이 기술의 구체적인 예가되며 이것이 상기 픽셀의 로컬 자동 적응에 중요하지는 않다. 이에 따라, 검출기(01)의 음극의 전압은 일정한 레벨로 유지되며, 이러한 일정한 레벨은 이웃하는 검출기들 사이의 티에프티 특성의 커플링을 억제하게 된다.

검출기(01)로부터 발생되어 검출기 회로(02)를 통하여 중계되는 광전자 전류(03)는, 집적 위상의 기간동안, 닫혀진 광전기 전류 스위치(04)를 통하여 집적 캐패시터(05)에 집적된다.

이에 따른 집적 캐패시터(05)의 픽셀 전압(06)은 외부로부터 상기 픽셀에 공급되는 비교 전압(08)과 비교된다.

이 비교된 결과값은 클럭 펄스(09)의 클럭 신호발생후에 픽셀 비교기(07)의 제어 출력(10)으로 나타나게 된다.

만일 픽셀 전압(06)이, 클럭 신호가 발생될 때, 비교전압(09)을 초과하면, 제어 출력(10)은 상기 광전기 전류 스위치(04)를 오프 시키고, 이에 따라 전류 집적 위상을 위한 집적 기간이 종료된다.

클럭 펄스(09)의 각각의 클럭 신호와 동시에, 상승하고 스텝된 전압 램프 집적 신호 입력 램프(11)에 인가되고, 닫혀있는 집적 신호 스위치(12)를 토하여 집적 신호 캐패시터(13)에 전송된다.

제어 신호(10)가 스위치(04)를 통한 광전기 전류 집적을 종료하는 순간, 상기 제어 출력(10)에 따라 또한 집적 신호 스위치(04)가 오픈된고, 이에 따라, 상기 집적 신호 캐패시터(13)의 집적 신호 전압(14)은 단절(cutoff) 시간동안에 집적 신호 입력 램프(11)에 인가되었던 전압 레벨로 남아있게 된다.

후속하는 읽기 위상에서, 리드 입력(15)의 읽기 신호에 따라, 픽셀 신호 버퍼(16) 및 집적 신호 버퍼(17)는, 집적 픽셀 신호(06)과 고정 집적 신호(14)를 픽셀 신호 칼럼 라인(18) 또는 집적 신호 칼럼 라인(19)로 출력한다.

차후의 집적 위상이전에, 리셋 입력(20)의 리셋 신호는 리셋 스위치(21)을 닫고 이에 따라 상기 집적 픽셀 신호(06)를 지우게 된다. 클럭 입력(09)의 다음 클럭 신호에 따라, 상기 광전기 전류 스위치(04) 및 집적 신호 스위치(12)는 다시 닫히게 되고, 후속하는 집적위상이 시작된다.

도 2는 클럭(09) 및 램프(11)을 제어하는 펄스와, 집적신호(14) 및 픽셀 신호(06)를 도시하고 있고, 각각은 높은 조명(Pix1 30 및 Int1 31)의 2픽셀-1픽셀과 낯은 조명(Pix 34 및 Int2 35)을 위한 것이다. 도 2의 신호도는, 시간 축이 상대적 단위로 주어져, 선택이 가능한 6개의 지수적 분포에 따른 집적 시간(39 내지 44)을 구비한 실시예를 도시하고 있다.

집적 위상은 클럭 펄스(09)의 제 1상승 에지(38)로 시작하고, 그후에는 집적 픽셀 전압(Pix1 30 및 Pix2 34)가 증가한다. 클럭 펄스(09)의 각각의 다른 상승 에지와 함께, 충분히 높은 픽셀 전압에서의 픽셀은 그 집적 기간을 종료시킬수 있다. 예를 들어, 클럭 펄스 에지(39)에서의 픽셀이 그 집적을 종료하게 된다면, 그 집적 기간은 하나의 단위 시간동안 지속될 것이고, 클럭 펄스 에지(40)에서는 두 개의 단위시간동안 지속될 것이고, 클럭 펄스 에지(41)에서는 4개의 단위시간동안 지속될 것이고, 클럭 펄스 에지(42)에서는 8개의 단위시간동안 지속될 것이고, 또한 클럭 펄스 에지(43)에서는 16개의 단위시간동안 지속될 것이다.

따라서, 만일 클럭 펄스 에지(39)에서의 필셀이 클럭 펄스 에지(44)에서 그 집적 기간을 종료시킨다면, 그 집적 기간은 32개의 단위시간동안 지속될 것이다. 여기서, 선택이 가능한 단위 시간은 지수적으로 선택되어 베이스(2)로 배정된다.

비교 전압(Ucomp 08)은 단위 시간의 이러한 분포로 인하여 절반 신호 진폭(33 또는 37)에서 설정될 것이다.

픽셀 신호(05)가 하나의 집적 기간이내에 상기 신호 진폭의 절반을 초과하지 않았으면, 그보다 두배가 더 긴 후속하는 집적 기간에 전체 신호 진폭을 초과하지 않게 되며, 따라서, 픽셀 로커스에서의 밝기가 후속되는 집적 가간동안 크게 변하지 않으면, 더 집적도가 높아질 수 있게된다.

그러나, 픽셀 신호(06)가 집적 기간에내에 신호 진폭의 절반을 초과하지 못하면, 두배가 더 긴 후속하는 집적 기간동안에 전체 신호 진폭을 초과하게 될것이고, 따라서 집적이 반드시 종료되게 된다.

이러한 선택이 가능한 집적 시간과 비교 전압의 조합으로 인하여, 집적 픽셀 전압은 항상 상기 전체 신호 진폭의 상측 절반에 존재하게 된다. 하측 비교 전압의 선택은 집적 위상의 과정에 나타나는 밝기에 있어서의 파동의 안정성이 향상됨을 나타낸다. 이러한 이유로, 픽셀의 밝기는 픽셀이 포화 상태가 되지 않고 집적 위상의 가간동안 제한된 정도까지 커질수 있다.

픽셀 신호(46)과 집적 신호(47)은 도 3에 도시된 상대 조명의 강도에 따라 집적되어있고, 이는 로컬 자동 적응 픽셀의 유리한 특성을 보이는 것이다.

수평 축의 강도를 알고리즘에 따라 구성하기 때문에, 픽셀 신호 곡선은 커브형태로 나타나고, 반면에 지수적인 간격으로 분포되어 있는 다수의 램프 단계(11)는 동일한 넓이를 갇는다.

도 4에 도시된 블록도는 영역 센서의 주변 기기(53, 55, 58)와 함께 픽셀 회로(50)의 상호작용을 개략적으로 도시하고 있다.

집적 위상 기간동안, 집적 제어부(55)는, 출력 클럭 펄스(CLK 66)에 따라 집적 제어부(55)로부터 발생되는 리셋(20), 플럭 펄스(09), 램프(11) 및 비교전안(Ucomp 08)과 같은 필요한 제어신호와 함께 칼럼 및 로우로 배열된 픽셀 매트릭스(51)의 다수의 픽셀(50)을 제공한다.

다수의 신호가 모든 픽셀(50)을 위하여 함께 발생되어, 픽셀 매트릭스(51)의 픽셀(50)은 동기화되어 그 집적 기간의 개시하는 한편, 위에서 설명된 종료 시간을 선택하게 된다.

레디(Ready) 출력(67)의 신호는 칩 외부의 회로부분으로의 신호에 의한 집적 위상의 종료를 나타낸다. 따라서, 라인 어드레스 (ZA 64)와 라인 해제 신호(ZEN)는 라인 디커더(53)에 인가되고, 상기 라인 디코더(53)는 바람직한 라인 판독 라인(52)을 제어한다.

상기 라인 판독 라인(52)는 상기 라인의 모든 픽셀(50)의 픽셀 리딩 라인 리드(20)에 연결되어 있고, 선택된 라인의 모든 픽셀(50)은 집적 픽셀 신호(06)와 고정 집적 신호(14)를 픽셀 신호 칼럼 랑인(18)과 집적 신호 칼럼 라인(19)으로 출력한다.

칼럼 제어/읽기부(58)에 평행으로 인가되는 모든 픽셀 신호 및 집적 신호 칼럼 라인(56, 57)중에서, 상기 칼럼 제어/읽기부(58)는 내부에서 공급되는 칼럼 어드레스(SA 63)에 의하여 선택된 칼럼을 선택한다.

인가된 칼럼 해제 신호(SEN 62)와 함께, 선택된 픽셀 신호(06)과 선택된 집적 신호(14)는 픽셀 출력(Pix면 59) 및 집적 신호 출력(Intaus 60)으로 출력된다. 모든 픽셀(50)을 성공적으로 읽어낸 후에, 후 속하는 집적 위상은 시작 신호(61)에 따라 집적 제어부(55)에서 개시된다.

본 발명은 고도의 다이나믹 영상을 기록하는 "로컬 자동 적응 방법"에 따라 영상 센서를 동작시키는 방법에 관한 것이다.

Claims (14)

1. a) aa) 광감도에 좌우되는 광 전기 전류에서 그위에 떨어지는 광 강도의 광 전기 변환을 위한 광 감도 수단(01)와;

   ab) 하나의 집적 위상기간 이내에 소정의 집적시간동안 상기 광 전기 전류를 집적시키는 집적 장치(04, 05)와;

   ac) 상기 집적 기간의 시작 및 종료 시간을 결정하는 기간 제어 장치(07-10)와;

   ad) 집적된 광 전기 전류의 양에 대응하는 읽기 위상 기간동안 픽셀 신호를 중계하는 읽기 장치(15)로 구성되는 광 변환 픽셀의 배열과;

   b) 상기 픽셀에 의하여 중계된 이전에 알려진 신호를 처리하고, 여기서부터 발생된 출력 신호를 제공하는 장치와;

   c) 제어 신호와 함께 모든 픽셀에 존재하는 상기의 모든 장치를 제공하고, 상기 출력신호는 영상 센서에 의하여 픽업된 광 영상을 반사하는 신호가 되는, 픽셀 제어장치로 구성되고,

   상기 픽셀의 기간 제어 장치는 상기 픽셀의 집적 장치에 영향을 받아, 상기 기간 제어 장치는 픽셀을 때리는 광 강도의 기능으로서 집적 시간의 종료점을 선택하여, 더 높은 광 강도는 더 짧은 집적 기간을 초래하는 반면, 더 낮은 광 강도는 더 긴 집적 기간을 초래하는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기간 제어 장치는 전자 스위치의 도움으로 상기 집적 기간의 종료 시간에 영향을 주고, 여기서 상기 전자 스위치는 상기 집적 장치로의 광 전기 전류의 흐름을 차단하도록 설치되어 상기 집적 시간을 종료시키는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기간 제어 장치는 전자 스위치의 도움으로 상기 집적 기간의 종료 시간에 영향을 주고, 여기서 상기 전자 스위치는 이전에 알려진 집적 회로와 또다른 저장 장치와의 사이에 루프되로록 설치되어, 상기 전자 스위치는 상기 집적 장치와 상기 저장 장치와의 사이에 있는 상기 종료시간에 신호 통로를 차단하고, 상기 집적 위상기간이 종료된 후에는 상기 저장 장치가 상기 집적 장치에 의하여 전달된 신호의 상기 종료시간과 관계있는 신호를 저장한 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
4. 제 1, 2 및 3 항중의 어느 한항에 있어서,

   각각의 픽셀은, 각각의 픽셀의 상기 집적 기간이 얼마나 오래 되었는가에 대한 정보를 제공하고, 상기 픽셀 신호와 함께 읽혀지는 상기 집적 위상이 종료된 후에 집적 기간 정보를 저장한 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 집적 기간 정보는 디지탈 신호로 표시되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 집적 기간 정보는 아날로그 신호로 표시되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 집적 기간 정보는 진폭이 이산된 아날로그 신호로 표시되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 신호는 픽셀에서만 전적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
9. 제 4 항에 있어서,

   상기 신호는 외부에서 상기 픽셀에 인가되는 신호의 도움으로 상기 픽셀에서 발생되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
10. 제 4 항에 있어서,

    상기 신호는 각각의 종료시간에 외부로부터 상기 픽셀에 적절히 인가되고, 적절한 시간에 상기 픽셀에 의하여 반드시 보유되는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
11. 제 1 항 내지 10 항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 기간 제어 장치는 하나의 집적 위상이내에 몇몇의 이산 시간에만 상기 픽셀 신호 집적의 종료를 결정할수 있고, 상기 이산사간은 외부로부터 상기 픽셀에 인가되는 신호에 의하여 정의된다.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 외부적으로 정의된 시간은, 종료시간의 선정에 따라 선택될수 있는 집적 기간은 고정 요소에 의하여, 후속하는 더 짧은 선택이 가능한 집적 기간보다 길다는 점에서 지수적 분포를 구현하는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 외부적으로 정의된 시간은, 종료시간의 선정에 따라 선택될수 있는 집적 기간은 후속하는 더 짧은 선택이 가능한 집적 기간보다 두배가 길다는 점에서 이중의 지수적 분포를 구현하는 것을 특징으로 하는 집적 영상 센서의 동작 방법.
14. 다수의 픽셀 신호 처리 유닛으로 구성되고, 각각은,

    광 감도 수단(01)을 때리는 입사광을 광 강도에 의존하는 광 전기 전류로의 변환을 가능하게하는 픽셀 수신 장치(01, 02)와,

    소정의 집적 기간동안 상기 광 전기 전류를 집적하는 집적 장치(05)와, 또한

    읽기 위상 기간동안 집적 광 전기 전류에 대응하는 픽셀 신호를 판독하고, 상기 픽셀 신호 처리 유닛에 의하여 판독된 픽셀 신호는 공동의 처리 장치에 의하여 처리될수 있고 상기 영상 센서에 따라 수신된 광 영상을 반사하는 신호에 조합되는 읽기 장치로 구성되고,

    픽셀 수신 장치는 집적 시간의 종료를 결정하는 수단을 구비하고, 상기 집적 시간은, 상기 집적 장치(05)가 포화 상태로 진입하기 전에 상기 입사광의 강도를 고려하여 종료되는 것을 특징으로 하는 영상 센서의 제어 장치.