KR20000018460A

KR20000018460A - 이미지 센서

Info

Publication number: KR20000018460A
Application number: KR1019980036045A
Authority: KR
Inventors: 순 노구치; 토시로 쿠로사와
Original assignee: 오쯔보 히데오; 가부시키가이샤 토쿄 세이미쯔
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2000-04-06
Also published as: EP0986247A1; US6504574B1; CA2244276A1; CA2244276C; JP2000092398A

Abstract

본 발명은 고속 스캔을 가능하게 하는 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로, 본 발명에 의한 이미지 센서는 원리적으로는 TDI의 기술이 적용되고, 센서부(10)는 대각선상으로 배열된 포토센서(20)가 상하좌우로 주기적으로 배설된다.

각 열의 포토센서(20)로부터 읽어낸 신호전하는 각 열마다 수직CCD시프트레지스터(22)에 의하여 수직방향으로 순차 전송되고, 수평CCD시프트레지스터(24)에 옮겨진다. 수평CCD시프트레지스터(24)는 대각선상으로 배열된 포토센서의 각 라인마다 설치되어 각각 별도로 신호전하를 A/D변환기(30)에 출력하여 디지털신호로 변화한다. 따라서, 1개의 A/D변환기(30)가 처리하는 데이터량이 적어서 스캔 속도를 고속으로 할 수 있다.

Description

이미지 센서

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 고속으로 스캔할 수 있는 TDI스캔을 이용한 이미지 센서에 관한 것이다.

CCD라인센서는 화상광을 수광하는 포토센서가 라인상으로 배열된 1차원 센서이다. 이 CCD라인센서에 의하여 2차원적으로 넓어진 화상을 촬상하는 경우에는 CCD라인센서 또는 피사체를 이동시켜서 피사체를 1라인씩 순차로 촬상한다.

이와 같은 CCD라인센서를 사용한 스캐너는 종래 복사기나 제품검사(FA)등에 사용되고 있다.

그렇지만, CCD라인센서에 의하여 고속으로 이동하는 피사체를 촬영하는 경우나, CCD라인센서를 고속으로 이동시켜서 피사체를 촬영하는 경우 등의 고속스캔을 행하는 경우, 각 라인마다 고속으로 전하의 축적과 전송을 반복하지 않으면 아니되고, 1라인당 전하를 축적할 수 있는 시간이 짧게 된다. 이 때문에 얻어지는 화상의 광량이 부족한 문제가 있다.

그러므로, 고속으로 피사체를 스캔하는 경우에는 TDI(Time Delay Integration)센서가 사용된다. TDI센서는 CCD라인센서가 스캔방향으로 복수단 배열된 것으로서, 각 라인의 CCD에 축적한 신호전하를 화상의 이동과 동기시켜서 다음 라인의 CCD로 전송한다. 이것에 의하여 신호전하는 복수의 CCD에 있어서 중첩되고, 결과적으로 고속스캔에 있어서도 광량을 충분히 만족하는 화상이 얻어질 수 있게 된다.

그렇지만, 상기 TDI센서에 있어서도 스캔속도에는 한계가 있다. 그 요인의 하나로서는 CCD에 축적된 신호전하를 외부로 시프트할 수 있는 속도에 한계가 있는 것을 들을 수 있다. 즉, 각 라인의 신호전하는 최종적으로 시리얼의 아날로그신호로서 외부로 쓸어 내어지고, A/D변환기에 의하여 디지털 신호로 변환되지만, A/D변환기의 처리능력의 한계에 의하여 스캔속도를 어느 한계 이상으로 올릴 수 없다.

그점에서 종래, 스캔속도의 고속성을 향상시키기 위하여 1라인을 복수의 패치로 분할하여, 각 패치마다 축적한 전하를 시리얼의 아날로그 신호로서 쓸어 내어 각 패치마다 설치된 A/D변환기에 의하여 디지털 신호로 변환하도록 하는 것이 있다.

그러나 이 경우에도 패치로서 분할할 수 있는 폭에 한계가 있으며, 더구나 고속스캔이 소망되는 경우에는 불충분하였다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 된 것으로서, 고속스캔을 가능하게 하는 이미지 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 화상광을 수광하는 포토센서가 스캔방향과 직교하는 라인방향으로 라인상으로 배열됨과 함께, 그 라인상으로 배열된 포토센서가 스캔방향으로 복수 배열된 수광부와, 전기 스캔방향의 각 열마다 설치되고 포토센서로부터 읽어낸 전하를 스캔속도와 동기시켜서 스캔방향으로 전송함과 함께 같은 열의 포토센서로부터 읽어낸 동일화상을 나타내는 전하를 중첩하는 스캔방향 전하전송부와, 전기 스캔방향 전하전송부로부터 송출되는 전하를 소정열 간격으로 라인방향으로 전송하는 복수의 라인방향 전하전송부와, 전기 라인방향 전하전송부로부터 송출되는 복수의 전하열을 각각 디지털 신호로 변환하는 디지털신호변환부와, 전기 디지털신호변환부로부터 출력된 디지털신호에 기초하여 화상신호를 생성하는 화상신호 생성부로 되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의하면 포토센서로부터 읽어낸 전하를 스캔속도와 동기시켜서 스캔방향으로 전송함과 아울러 같은 열의 포토센서로부터 읽어낸 동일화상을 나타내는 전하를 중첩한다. 그리고, 스캔방향으로 전송한 전하를 소정열 간격의 라인방향 전하열로 생성시키고, 스캔방향의 각 열을 전송한 전하를 복수의 전하열로서 라인방향으로 전송한다. 그리고 각 전하열을 각각 독립적으로 디지털신호로 변환하고 이 디지털신호에 기초하여서 화상신호를 생성한다.

이것에 의하여 1라인분의 화상을 나타내는 전하열을 복수의 처리회로에 의하여 디지털신호로 변환할 수 있기 때문에 1개의 처리회로가 처리하지 아니하면 아니되는 데이터량을 감소시킬 수 있고, 스캔속도를 고속으로 할 수 있다.

또한, 상기 수광부에 있어서 포토센서를 소정거리 이상 사이를 떨어뜨려서 배열함으로써 주변회로의 위치를 겹치지 않도록 비켜 놓아서 각 포토센서의 수광면을 크게 할 수 있고, 각 수광면에서의 수광량을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 이미지 센서의 일실시예의 센서부의 구성을 나타낸

도면.

도 2는 센서부의 패치의 일부구성을 확대하여 나타낸 도면.

도 3은 패치의 소정구획의 일부를 확대하여 나타낸 도면.

도 4는 포토센서의 배열의 일예를 나타낸 도면.

도 5는 각 패치의 후단에 설치되는 수평CCD시프트레지스터의 구성을 나타낸

도면.

도 6은 패치에서의 수평전송구획의 포토센서의 배열을 나타낸 도면.

도 7은 각 패치의 후단에 설치되는 수평CCD시프트레지스터의 구성을 나타낸

도면.

도 8은 본 발명에 의한 이미지 센서가 적용되는 공초점 현미경의 구성을 나

타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 센서부 11 : 피사체

12 : 패치 14 : A/D변환기

20 : 포토센서 22 : 수직CCD시프트레지스터

24 : 수평CCD시프트레지스터 26 : 플로팅 캐패시터

28 : 프리앰프 30 : A/D변환기

32 : CPU 34 : 메모리

이하 첨부도면에 의하여 본 발명에 의한 이미지 센서의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 이미지 센서의 일실시예의 센서부 구성을 나타낸 도면이다. 이 도면에 도시한 센서부(10)는 라인상으로 배열된 포토센서를 다단으로 병설한 회로기반으로서, 기본적으로는 TDI스캐너 센서의 기술이 적용된다. 이 도면에 도시한 바와 같이 센서부(10)는 피사체(11)에 대하여 수직방향(화살표 A로 나타낸 방향)으로 상대적으로 이동하여 피사체의 화상을 수직하향으로 스캔한다. 그리고, 각 라인의 포토센서에 의하여 얻어진 신호전하를 스캔속도와 동기시켜서 수직방향(신호전하의 전송상태를 화살표 A'로 나타낸 방향)으로 순차 전송함과 아울러 동일화상의 신호전하를 같은 열의 포토센서에 의하여 순차 가산하여 신호전하를 증가시킨다.

또, 상기 센서부(10)는 포토센서에 의하여 얻어진 1라인분의 신호전하를 복수의 처리계에서 평행 처리하는 패치(12),(12),(12),…로 분할된다.

각 패치(12)는 동일소자배열의 동일회로로 구성되어 각 패치(12)마다 별개로 신호전하를 전송한다.

상기한 바와 같이 수직방향으로 순차 전송되어 최종의 단에 도달한 신호전하는 다음에 각 패치내에 있어서 수평방향(같은 도면의 화살표B로 나타낸 방향)으로 순차 전송되어, 패치(12)마다 설치된 후단의 A/D변환기(14)로 출력되어 디지털신호로 변환된다. 따라서, A/D변환기(14)가 처리하지 아니하면 아니되는 데이터량이 패치로 분할되지 않는 경우에 비하여 적기 때문에 데이터 처리속도를 빠르게 할 수 있고, 스캔속도를 고속으로 할 수 있도록 된다. 또한, 후술하는 바와 같이 각 패치(12)에 있어서 A/D변환기(14)를 복수의 A/D변환기로 구성하고, 각 패치(12)내에 있어서도 데이터를 분할하여 처리하도록 하고 있으므로 더욱 스캔속도의 고속화를 기할 수 있다.

다음에 1개의 패치(12)에 착안하여 본 발명에 의한 이미지 센서의 구성의 상세에 대하여 설명한다. 도 2는 센서부(10)의 패치(12)일부의 구성을 확대하여 나타낸 도면이다. 패치(12)내에는 복수의 포토센서(20),(20),(20),…와 복수의 수직CCD시프트레지스터(22),(22),(22),…가 배설된다. 포토센서(20),(20),(20),…의 배열은 구획(12A),(12A),(12A),…의 영역 내에 나타내어지는 포토센서(20),(20),(20),…의 배열을 기본배열로 하여 종횡으로 반복되게 배설된다.

패치(12)가 있는 구획(12A)을 보면 포토센서(20),(20),(20),…는 대각선상으로 배설된다. 구체적으로는 구획(12A)의 일부를 확대한 도 3에 도시한 바와 같이 어느 라인의 포토센서(20)에 대하여 라인방향(수평방향)으로 1화소, 스캔방향으로 S라인(스테이지) 떨어진 위치에 순차 포토센서(20)가 배설된다. 그리고, 피사체의 화상이 1개의 셀폭을 이동하는 시간마다 각 셀(22A)에 축적되어 있는 신호전하가 1셀씩 시프트하여 각 포토센서(20)에서 다음 라인의 화상의 신호전하가 받아들여지기 때문에 스캔방향의 라인수는 수직CCD시프트레지스터(22)의 셀(22A)의 수에 의하여 결정된다.

이와 같은 포토센서(20)의 배열은 스캔속도를 고속으로 하는 것과는 본질적으로는 관계가 없지만, 예를 들면 화상의 해상도를 높이기 위하여 핀홀을 포토센서의 전면에 삽입하는 경우에 특히 유효하다. 이 경우 인접하는 핀홀은 어느 정도의 간격을 가지고서 배치될 필요가 있기 때문에 그것에 맞추어서 같은 도면에 도시한 바와 같이 포토센서가 사이를 두고서 떨어져 배치된다. 그리고, 포토센서(20)의 배열은 이것에 한정되지 않고 핀홀 구멍의 배열에 맞도록 하면 좋다. 또, 핀홀을 사용하지 않음에도 불구하고 포토센서를 사이를 두고서 떨어뜨려 배치함으로써 각 포토센서(20) 주변의 소자의 배치를 겹치지 않도록 비켜 놓아서 각 포토센서(20)의 수광면을 크게 할 수 있으므로 수광량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 포토센서(20)의 배열의 일예로서, 예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이, 포토센서(20)를 복수개 인접시켜서 배치하도록 하여도 좋다. 도 4에 나타낸 포토센서(20)의 배열에 의하면 각 수광점에 있어서의 수광면적을 크게 할 수가 있고, 또, 1개의 포토센서(20)의 수광면적을 크게 한 경우보다도 해상도의 저하를 초래함이 없이 핀홀을 통과한 광을 유효하게 신호전하로 변환할 수 있다.

그리고, 고속스캔만을 목적으로 하는 경우에는 종래와 마찬가지로 모든 CCD셀(22A)에 포토센서를 설치하여도 좋다.

상기한 바와 같이 배열된 각 포토센서(20)에 입사한 화상광은 광전변환되어 광전류로 된다. 그리고, 이 광전류는 도시하지 않은 축적전극에 축적되어 신호전하로 되며, 축적시간이 경과하면 시프트게이트펄스에 의하여 수직방향의 수직CCD시프트레지스터(22)로 옮겨진다. 그리고, 수직CCD시프트레지스터(22)로 옮겨진 신호전하는 스캔속도에 동기한 수직전송펄스에 의하여 수직방향으로 순차 전송된다. 또한, 각 포토센서(20)로부터 신호전하가 옮겨지는 CCD셀에서는 동일라인의 화상의 신호전하가 순차 가산되어 간다.

이와 같이하여 수직CCD시프트레지스터(22)에 전송된 신호전하는 최종적으로 수평방향의 수평CCD시프트레지스터로 옮겨진다.

도 5는 상기 패치(12)의 후단에 설치되는 수평CCD시프트레지스터의 구성을 나타낸 도면이다. 이 도면에 도시한 바와 같이 수평CCD시프트레지스터(24),(24), (24),…는 포토센서(20)의 기본배열을 나타내는 최후단의 수평전송구획(12B)에 설치되어 포토센서(20),(20),(20),…가 배열되어 있는 각 라인마다 배설된다.

각 수직CCD시프트레지스터(22)에 전송되어 온 신호전하는 각 열의 최후단 포토센서(20)의 위치에 설치된 이들의 수평CCD시프트레지스터(24),(24),(24),…로 옮겨져 수평전송펄스에 의하여 수평방향으로 순차 시프트된다. 그리고, 각 수평CCD시프트레지스터(24),(24),(24),…로부터 쓸어 내어진 신호전하는 각 수평CCD시프트레지스터(24)마다 플로팅 캐패시터(26),(26),(26),…에 의하여 전압신호로 변환된 후 프리앰프(28),(28),(28),…에 의하여 증폭되어 A/D변환기(30),(30),(30),…로 입력된다. 그리고, A/D변환기(30),(30),(30),…에 의하여 디지털신호로 변환된다.

이와 같이, 각 패치(12)내에 있어서도 기본배열과 동일 라인상의 포토센서(20)마다 별개로 설치된 A/D변환기(30),(30),(30),…에 의하여 A/D변환되기 때문에 각 A/D변환기(30),(30),(30),…에서 처리하는 데이터량을 적게 할 수 있고, 스캔속도를 고속으로 할 수 있다.

그런데, 1라인분의 화상데이터는 상기한 바와 같이 복수의 수평CCD시프트레지스터(24),(24),(24),…에 의하여 복수의 화소데이터로 분할됨과 아울러 소정의 시간 간격을 두고서 A/D변환기(30),(30),(30),…로부터 출력되기 때문에 각 A/D변환기(30),(30),(30),…로부터 출력되는 데이터를 지연시켜서 1라인분의 화상데이터를 합성할 필요가 있다.

그래서, 같은 도면에 나타낸 CPU(32)는 각 A/D변환기로부터 출력된 디지털신호를 입력하여 메모리(34)에 일단 격납하고, 1라인분의 화소데이터가 얻어지면 이들의 화소데이터를 메모리로부터 읽어내어 1라인분의 화상데이터를 구성하고 후단의 처리회로로 출력한다.

여기에서, 어느 라인의 화상을 보면, 이 화상의 각 화소의 신호전하는 수직CCD시프트레지스터(22)와 동일라인상의 CCD셀을 스캔방향으로 이동한다. 그리고, 각각 수평전송구획(12B)의 각 수평CCD시프트레지스터(24),(24),(24),…에 도달하면 화소의 위치에 맞는 수평CCD시프트레지스터(24),(24),(24),…로 옮겨진다. 따라서, 수평CCD시프트레지스터(24)의 위치가 다른 화소사이에서는 이들의 사이를 전송하는 분량만큼 화소데이터가 얻어지는 시간이 지연된다.

도 6은 수평전송구획의 포토센서(20),(20),(20),…의 배열을 나타낸 도면이다. 이 도면에 도시한 바와 같이 좌상으로부터 종방향으로 N번째, 횡방향으로 M번째의 포토센서를 (N,M)이라 한다. 또한, 시각 T_i에 있어서의 각 포토센서의 위치의 신호전하에 의하여 얻어지는 화소데이타를 (N,M,T_i)라 한다.

시각 T_i때 눈에 도착하고 있는 화상의 신호전하가 최상단의 포토센서(1,M)의 라인상에 있다고 하면, 이 화상의 이들의 포토센서(1,M)의 위치의 화소데이터는 (1,M,T_i)로 된다(M은 1로부터 m까지의 정수).

다음에, 시각 T_i+s에 눈에 도착하여 있는 화상의 신호전하는 포토센서(2,M)의 라인상에 전송된다. 그리고 T_i는 i가 1증가할 때마다 신호전하가 스캔방향으로 1라인 시프트되는 시각이며, S는 도 3에 도시한 바와 같이 포토센서(20)의 스캔방향의 간격을 라인수로 나타낸 값이다. 따라서, 눈에 도달하여 있는 화상의 이들 포토센서(2,M)위치의 화소데이터는 (2,M,T_i+s)로 하여서 얻어진다.

마찬가지로 하여, 시각 T_i+s(n-1)에 눈에 도달하여 있는 화상의 신호전하는 최종단의 포토센서(n,M)의 라인상까지 전송되고, 눈에 도달하여 있는 화상의 이들 포토센서(n,M)위치의 화소데이터는 (n,M,T_i+s(n-1))로 하여서 얻어진다. 결국, 동일라인상의 화소의 데이터는 (N,M,T_i+s(n-1))의 화소데이터에 의하여 구성된다. 다만, N은 1로부터 n까지의 정수, M은 1로부터 m까지의 정수를 취한다.

한편, CPU(32)는 메모리(34)에 기록한 화소데이터로부터 이들의 (N,M,T_i+s(n-1))로 표시되는 화소데이터를 추출함으로써 1라인분량의 화상데이터(화상신호)를 구성한다.

그리고, 상기 설명은 각 패치(12)내에서의 처리이지만 각 패치(12)에서 얻어진 화상데이터를 결합함으로써 센서부(10) 전체의 화상데이터를 얻을 수 있다.

이상, 상기 실시예에서는 동일라인의 화상의 화소데이터를 각 수평CCD시프트레지스터(24),(24),(24),…로부터 소정시간 간격마다 얻고 있지만, 도 5에 도시한 수평전송구획(12B)을 도 7에 도시한 수평전송구획(12C)에서 나타낸 구성으로 하고, 각 열의 신호전하를 수직CCD시프트레지스터(22),(22),(22),…에 의하여 최종 라인까지 전송하도록 구성하여도 좋다. 이 경우, 동일라인의 화상의 신호전하는 수평CCD시프트레지스터(24),(24),(24),…에 동시에 옮겨지기 때문에 동일라인의 화상의 각 화소데이터는 동시에 얻어진다.

또한, 상기 실시예에서 설명한 이미지 센서는 예를 들면 반도체 웨이퍼 표면에 그려진 패턴의 양부를 검사하는 인스펙션 머신 등에서 사용되는 공초점 현미경의 촬상수단으로서 사용할 수 있다. 도 8은 그 공초점 현미경의 구성을 나타낸 도면이다. 이 도면에 표시한 부호 100은 조명광선을 출사하는 광원, 부호 102는 조명광을 균등하게 분산시키는 콘덴서 렌즈, 부호 103은 조명광선과 관찰광선을 분리하는 분리경, 부호 104는 다수의 투명영역 또는 구멍(핀홀)을 가진 조리개 어레이, 부호 105, 107은 각각 조리개 어레이(104)가 배치되는 위치와 표본(웨이퍼)(108)이 놓여지는 위치에 초점면을 가진 튜브렌즈와 대물렌즈, 부호 106은 텔레센트릭 조리개, 부호 109는 광학축에 수직한 2방향으로 전동에 의하여 이동 가능한 스캐닝테이블, 부호 110은 조리개 어레이(104)면의 상을 사상하는 사상광학, 부호 111은 사상광학(110)에 의하여 사상된 상을 촬상하는 TDI센서이다, 이 TDI센서(111)에 본 발명을 적용하는 경우, 상기 포토센서(20)(도 3 참조)의 배열을 조리개 어레이(104)의 핀홀의 배열에 대응시켜서 조리개 어레이(104)의 핀홀을 통과한 관찰광선을 그 포토센서(20)에서 수광시킨다. 그리고, 스캐닝테이블(109)을 이동시켜서 표본(108)을 이동시킴과 아울러 이것과 동기시켜서 TDI센서(111)의 각 수직CCD시프트레지스터(22)의 각 셀(22A)(도 3 참조)에 축적된 신호전하를 시프트 시키도록 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 이미지 센서에 의하면 포토센서로부터 읽어낸 전하를 스캔속도와 동기시켜서 스캔방향으로 전송함과 아울러 같은 열의 포토센서로부터 읽어낸 동일화상을 나타내는 전하를 중첩한다. 그리고, 스캔방향으로 전송한 전하를 소정 열 간격의 라인방향의 전하열에 생성시키고, 스캔방향의 각 열을 전송한 전하를 복수의 전하열로서 라인방향으로 전송한다. 그리고 각 전하열을 각각 독립적으로 디지털신호를 변환하여 이 디지털신호에 기초하여서 화상신호를 생성한다. 이것에 의하여 1라인분의 화상을 나타내는 전하열을 복수의 처리회로에 의하여 디지털신호로 변환할 수가 있기 때문에 1개의 처리회로가 처리하지 아니하면 아니되는 데이터량을 감소시킬 수 있고, 스캔속도를 고속으로 할 수 있다.

또한, 상기 수광부에 있어서 포토센서를 소정거리이상 사이를 떨어뜨려서 배열함으로써 주변의 회로의 위치를 겹치지 않도록 비켜 놓아서 각 포토센서의 수광면을 크게 할 수 있고, 각 수광면에서의 수광량을 증가시킬 수 있다.

Claims

화상광을 수광하는 포토센서가 스캔방향과 직교하는 라인방향으로 라인상으로 배열됨과 함께 그 라인상으로 배열된 포토센서가 스캔방향으로 복수 배열된 수광부와,

전기 스캔방향의 각 열마다 설치되고 포토센서로부터 읽어낸 전하를 스캔속도와 동기시켜서 스캔방향으로 전송함과 함께 같은 열의 포토센서로부터 읽어낸 동일화상을 나타내는 전하를 중첩하는 스캔방향 전하전송부와,

전기 스캔방향 전하전송부로부터 송출되는 전하를 소정열 간격으로 라인방향으로 전송하는 복수의 라인방향 전하전송부와,

전기 라인방향 전하전송부로부터 송출되는 복수의 전하열을 각각 디지털신호로 변환하는 디지털신호 변환부와,

전기 디지털신호 변환부로부터 출력된 디지털신호에 기초하여서 화상신호를 생성하는 화상신호생성부로 된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제 1 항에 있어서, 전기 수광부의 포토센서를 소정거리 이상 사이를 떨어뜨려서 배열한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제 1 항에 있어서, 전기 수광부의 포토센서를 복수 인접시켜서 배열함과 함께 그 복수 인접시켜서 배열한 포토센서의 집합을 소정거리 이상 사이를 떨어뜨려서 배열한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는 공초점 현미경으로 관측되는 피사체를 촬상하는 촬상수단으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.