KR20120053456A - 엑스선 이미지 센서 시스템용 병렬 처리 독출 회로 및 독출 방법 - Google Patents

엑스선 이미지 센서 시스템용 병렬 처리 독출 회로 및 독출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 엑스선 이미지 센서는 픽셀 어레이와 시프트 레지스터부를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이는 카운팅 모드로 동작하는 동안 입사된 엑스선의 크기를 n 비트의 픽셀 데이터로 양자화하며 M 개의 로우(row)와 N 개의 컬럼(column)으로 배열된 픽셀들을 포함한다. 픽셀들은, 독출 모드로 동작하는 동안에 하나의 로우에 속하는 픽셀들을 동시에 선택하기 위한 로우 선택 신호가 인가되면, 하나의 컬럼에 속하는 픽셀들이 공유하는 각각의 출력 버스들에, 상기 로우 선택 신호에 의해 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 출력하도록 연결될 수 있다. 시프트 레지스터부는 다수의 출력 버스들에 각각 연결되어 선택된 로우에 속하는 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 전달받아 일시적으로 저장하는 레지스터들을 포함할 수 있다. 레지스터들은 독출 모드로 동작하는 동안에 픽셀 데이터들을 순차적으로 시프트(shift)하여 외부로 출력할 수 있다.

Description

엑스선 이미지 센서 시스템용 병렬 처리 독출 회로 및 독출 방법{PARALLEL MODE READOUT IC FOR X-RAY IMAGE SENSOR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 엑스선 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 동영상 처리가 가능한 고속 엑스선 이미지센서에 관한 것이다.
엑스선 이미지 센서용 픽셀 독출 집적 회로는 엑스선 이미지 센서의 픽셀 어레이 내에서 엑스선의 입사에 따라 각 픽셀들의 포토다이오드에서 발생한 신호(전하)를 감지하여 그 크기에 비례하는 전압 신호로 변환 및 증폭하며, 최종적인 영상 신호를 예를 들어 디지털 데이터 형태로 출력하는 회로이다.
기존의 비정질 실리콘 또는 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor) 구조의 일반적인 엑스선 이미지 센서는 행과 열로 배치된 다수의 픽셀들로 구성된 픽셀 어레이를 가지며, 픽셀의 포토다이오드에서 발생하는 전하량은, 제어 게이트에 의해 하나의 행마다 순차적으로, 데이터라인을 통해 증폭부로 입력된다. 증폭부는 입력된 전하량을 전압으로 변환 및 증폭하고, 이어서 상관 이중 샘플링 회로(Correlated Double Sampling, CDS)에서 리셋 전압과 신호 전압을 각각 샘플링하여 출력한다. 다음 단에서 리셋 전압과 신호 전압 사이의 차이로서 영상 신호를 추출한다.
상기의 샘플링 회로가 출력하는 영상 신호는 아날로그 신호 형태로서, 이후에 영상을 가공하기 위한 디지털 신호 처리(DSP)를 하려면 외부의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 디지털 값으로 변환하여야 한다. 그런데, 처리 시간이 수십 μs에 불과한 강력한 성능의 ADC를 사용하더라도, 수많은 픽셀로부터 발생하는 아날로그 영상 신호들을 디지털 변환하면 초당 1 ~ 4 프레임의 처리 속도 밖에 제공할 수 없어 이미지 센서에서 촬상된 이미지를 동영상으로 표현하기에는 역부족이다.
또한 상기 구조의 엑스선 이미지 센서는 엑스선에 의해 픽셀에서 발생한 전류가 노이즈에 대단히 민감하며 긴 아날로그 데이터 라인 또한 노이즈 문제를 일으킬수 있기 때문에 각 픽셀 위치에서 엑스선 레벨을 디지털화할 필요가 있다. 따라서 최근 광자 계수형(Photon Counting) 방식의 엑스선 이미지 센서가 주목받고 있는데, 광자 계수형 방식의 경우 각 픽셀 안에서 아날로그 신호처리와 디지털 신호처리가 완료되어 최종적으로 디지털 신호만을 출력하게된다.
따라서 다소 데이터 라인이 길어지더라도 고속신호 처리에 유리하며, 개별 픽셀 내에서 아날로그에서 디지털신호로의 변환이 일어나기 때문에 독출회로 외부에 고속의 아날로그-디지털 변환기가 필요없게 된다.
하지만 개별 픽셀은 엑스레이 영상 신호의 해상도(분해능)에 해당하는 데이터량을 처리하여야 한다. 예를 들어 128 x 128의 픽셀 어레이와 개별 픽셀이 16 비트의 데이터를 가지는 독출 회로의 경우, 총 262,144 비트의 데이터량을 가지며 이 데이터를 직렬 방식으로 10MHz로 읽을 경우 약 26 msec가 걸리게 된다. 동영상을 구현하기 위해서는 하나의 프레임당 33 msec가 필요한데 상기의 예시처럼 데이터를 읽는 시간이 증가하게 되면, 엑스선을 입사받아 양자화 및 계수화할 수 있는 시간이 부족하여 충분한 해상도의 영상을 얻을 수 없게 된다.
따라서 독출회로의 데이터를 빠른 속도로 읽어내어 전송할 수 있는 아키텍처가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 픽셀들에서 생성된 독출 데이터들을 고속으로 처리 및 출력할 수 있는 엑스선 이미지 센서 및 독출 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 엑스선 이미지 센서는,
카운팅 모드로 동작하는 동안 입사된 엑스선의 크기를 n 비트의 픽셀 데이터로 양자화하며 M 개의 로우(row)와 N 개의 컬럼(column)으로 배열된 픽셀들을 포함하고, 독출 모드로 동작하는 동안에 하나의 로우에 속하는 픽셀들을 동시에 선택하기 위한 로우 선택 신호가 인가되면 하나의 컬럼에 속하는 픽셀들이 공유하는 각각의 출력 버스들에 상기 로우 선택 신호에 의해 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 출력하도록 연결된 픽셀 어레이(여기서, M, N, n은 각각 양의 정수); 및
상기 다수의 출력 버스들에 각각 연결되어 상기 선택된 로우에 속하는 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 전달받아 일시적으로 저장하는 레지스터들을 포함하며, 상기 독출 모드로 동작하는 동안에 상기 레지스터들에 저장된 픽셀 데이터들을 순차적으로 시프트(shift)하여 외부로 출력하는 시프트 레지스터부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 출력 버스는,
n 비트의 픽셀 데이터를 병렬로 전송할 수 있도록 n 개의 전송 라인을 가진 병렬 출력 버스 또는 직렬로 전송할 수 있도록 1 개의 전송 라인을 가진 직렬 출력 버스일 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 엑스선 이미지 센서는 직렬로 연결된 다수의 D 플립플롭들을 포함하는 로우 드라이버를 더 포함하며,
상기 로우 드라이버는,
독출 모드로 동작할 때에, 첫 번째 D 플립플롭은 독출 모드 입력 신호를 입력받아 로우 선택 클럭 신호에 기초하여 첫 번째 로우 선택 신호로 출력하며, 두 번째 D 플립플롭은 상기 첫 번째 로우 선택 신호를 입력받아 상기 로우 선택 클럭 신호에 기초하여 두 번째 로우 선택 신호로 출력하도록 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 픽셀들은 각각
엑스선이 입사되었을 때에 포토 다이오드에서 발생된 전하량을 전압 출력 신호로 변환하여 출력하는 증폭부;
상기 전압 출력 신호를 사전에 설정된 기준 전압과 비교하여 비교 출력 신호로 출력하는 비교부; 및
상기 비교 출력 신호의 출력 회수를 n 비트로 계수하는 카운터부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 엑스선 이미지 센서는,
카운팅 시에는 입사된 엑스선의 크기를 n 비트의 픽셀 데이터로 각각 양자화하는 M 개의 로우(row)와 N 개의 컬럼(column)으로 배열된 픽셀들을 포함하고, 독출 시에는 하나의 로우에 속하는 픽셀들을 동시에 선택하기 위한 로우 선택 신호가 인가되면 하나의 컬럼에 속하는 픽셀들이 공유하는 각각의 출력 버스들에 상기 로우 선택 신호에 의해 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 출력하도록 연결된 픽셀 어레이(여기서, M, N, n은 각각 양의 정수); 및
상기 다수의 출력 버스들에 각각 연결되어 상기 선택된 로우에 속하는 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 전달받아 일시적으로 저장하는 레지스터들을 포함하며, 상기 독출 모드로 동작하는 동안에 상기 레지스터들에 저장된 픽셀 데이터들을 순차적으로 시프트(shift)하여 외부로 출력하는 시프트 레지스터부를 포함하며,
상기 픽셀들은 각각,
엑스선이 입사되었을 때에 포토다이오드에서 발생된 전하량을 전압 출력 신호로 변환하여 출력하는 증폭부;
상기 전압 출력 신호를 사전에 설정된 기준 전압과 비교하여 비교 출력 신호를 출력하는 비교부;
현재 시간 프레임 동안에 상기 비교 출력 신호의 펄스 횟수를 계수하고 계수 결과를 픽셀 데이터로 출력하는 카운터부; 및
직전 시간 프레임에 상기 카운터부로부터 수신하여 일시적으로 저장하였던 상기 픽셀 데이터를 상기 현재 시간 프레임 동안에 외부로 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
상기 증폭부, 상기 비교부 및 상기 카운터부는 항상 카운팅 모드로 동작하고, 상기 출력부는 항상 독출 모드로 동작할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 엑스선 이미지 센서는 본 발명의 다양한 실시예의 픽셀 어레이들로써 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 엑스선 이미지 센서 독출 방법은,
카운팅 모드로 동작하는 동안에, 픽셀 어레이 내에 M 개의 로우(row)와 N 개의 컬럼(column)으로 배열된 픽셀들이 입사된 엑스선의 크기를 n 비트의 픽셀 데이터로 양자화하는 단계;
독출 모드로 동작하는 동안에, 하나의 로우에 속하는 픽셀들을 동시에 선택하기 위한 로우 선택 신호가 인가되면, 하나의 컬럼에 속하는 픽셀들이 공유하는 각각의 출력 버스들을 통해 상기 로우 선택 신호에 의해 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 출력하는 단계;
독출 모드로 동작하는 동안에, 상기 다수의 출력 버스들에 각각 연결된 레지스터들에 상기 선택된 로우에 속하는 픽셀들로부터 전달된 상기 픽셀 데이터들을 일시적으로 저장하는 단계; 및
독출 모드로 동작하는 동안에, 상기 레지스터들에 저장된 픽셀 데이터들을 순차적으로 시프트하여 외부로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 엑스선 이미지 센서 독출 방법은,
현재 시간 프레임 동안에, 픽셀 어레이 내에 M 개의 로우(row)와 N 개의 컬럼(column)으로 배열된 픽셀들이 입사된 엑스선의 크기를 n 비트의 픽셀 데이터로 양자화하는 단계;
현재 시간 프레임 동안에, 하나의 로우에 속하는 픽셀들을 동시에 선택하기 위한 로우 선택 신호가 인가되면, 하나의 컬럼에 속하는 픽셀들이 공유하는 각각의 출력 버스들에, 상기 로우 선택 신호에 의해 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들로부터 직전 시간 프레임 동안에 양자화된 픽셀 데이터들을 출력하는 단계;
현재 시간 프레임 동안에, 상기 다수의 출력 버스들에 각각 연결된 레지스터들에 상기 선택된 로우에 속하는 픽셀들로부터 전달된 상기 픽셀 데이터들을 일시적으로 저장하는 단계; 및
현재 시간 프레임 동안에, 상기 레지스터들에 저장된 픽셀 데이터들을 순차적으로 시프트하여 외부로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 엑스선 이미지 센서 및 독출 방법은 픽셀들에서 생성된 대량의 독출 에너지를 고속으로 읽어낼 수 있으므로, 엑스선 이미지를 고속 내지 실시간으로 획득할 수 있고 나아가 엑스선 동영상도 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서를 개략적으로 예시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 하나의 픽셀을 예시한 상세적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 로우 드라이버의 예시적인 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서의 동작을 예시한 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 픽셀의 독출 회로를 예시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 픽셀들이 출력 버스에 연결된 구성을 예시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서용 독출 회로 블록을 개략적으로 예시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 엑스선 이미지 센서 시스템용 독출 회로 블록(1)은 다수의 픽셀들(11)이 M*N 2차원 매트릭스 형태로 배열된 픽셀 어레이(10), 엑스선을 받아 디지털 신호로 변환된 개별 픽셀(11)의 n 비트 픽셀 데이터를 외부로 읽어 낼 하나의 로우 전체를 선택하기 위한 로우 드라이버(12), 픽셀의 카운팅 동작 및 픽셀 데이터의 독출 동작에 필요한 제어 신호 및 타이밍 신호를 만들어주는 제어 및 타이밍 회로(13), 선택된 하나의 로우 전체의 픽셀 데이터들을 각각의 컬럼마다 연결된 레지스터들(15)에 일시적으로 저장한 후에, 저장된 픽셀 데이터들을 이웃하는 레지스터들(15)을 통해 순차적으로 시프트(shift)하여 독출회로 외부로 n 비트씩 전송하는 시프트 레지스터부(14) 및 한 컬럼에 속하는 모든 픽셀들이 공유하는 출력 버스(16)를 포함 할 수 있다. 참고로, 도면에 걸쳐 N은 픽셀 어레이(10)의 로우 개수이고, n은 픽셀 데이터의 해상도로서, 서로 다른 의미라는 점에 주의한다.
픽셀(11)은 단위 엑스선 독출 집적 회로로서, 엑스선이 입사하면 전하를 생성하는 포토 다이오드를 가지며, 엑스선의 입사에 의해 포토다이오드에서 생성된 전하 신호를 검출 및 증폭하고, 이에 따른 펄스 신호들을 양자화하고 계수화함으로써(카운팅 동작) 엑스선들의 입사량(즉, 엑스선 포톤들의 입사 횟수)을 디지털 픽셀 데이터로서 얻을 수 있다.
로우 드라이버(12)는 픽셀이 카운팅 동작을 수행한 후에 각 픽셀에 생성된 픽셀 데이터들을 외부로 읽어 낼 수 있도록 특정 로우를 선택하는 동작을 한다. 통상적으로 이미지 센서에서는 로우를 랜덤 액세스하지 않고 순차적으로 상측에서 하측으로 스캐닝하므로, 로우 드라이버(12)는 픽셀 어레이(10)의 로우들을 위에서 아래로 순차적으로 하나씩 활성화하는 방식으로 동작할 수 있다.
시프트 레지스터부(14)는 독출 구간 동안에, 순차적으로 선택되는 각각의 로우에 속하는 픽셀들(11)에서 출력되어 각각의 출력 버스(16)를 통해 전달되는 픽셀 데이터를 입력받아 일시적으로 저장하고, 저장된 픽셀 데이터를 레지스터들(15)을 따라 순차적으로 n 비트씩 시프트함으로써, 한 차례의 독출 구간에 M*N 개의 n 비트 픽셀 데이터들을 순차적으로 독출 회로 외부로 출력한다.
실시예에 따라, 시프트 레지스터부(14)는 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들(11)에서 픽셀 데이터가 모두 출력 버스(16)를 통해 전달 및 저장된 이후에 비로소 레지스터들(15)을 따라 픽셀 데이터들의 시프트 동작을 개시할 수 있다.
제어 및 타이밍회로(13)는 상기의 카운팅(counting) 동작 및 독출(readout) 동작을 제어 하기 위한 제어 및 타이밍 신호를 제공한다.
출력 버스(16)는 n 비트 병렬 버스로 예시되었지만, 실시예에 따라서는 직렬 버스로 구현될 수 있다.
한편, 기존의 독출 회로의 경우 하나의 픽셀씩 로우 디코더 및 컬럼 디코더를 통하여 선택한 뒤, 선택된 픽셀의 픽셀 데이터를 레지스터에 임시 저장하고, 저장된 픽셀 데이터를 외부로 전송하는 방식이다. 이때 로우 디코더 및 컬럼 디코더중 하나는 고속으로 동작해야 하며, 또한 각 픽셀의 픽셀 데이터 역시 고속으로 레지스터에 전송되어야 한다. 하지만 2차원으로 배열된 엑스선 독출 회로는 어레이에 집적된 수가 늘어난 만큼 면적도 증가하는데, 면적이 증가할수록 컬럼 데이터 라인이 길어지고, 각 픽셀이 레지스터로 픽셀 데이터를 전송 시에 충분한 구동 능력을 가지지 못하면 데이터의 고속 전송은 쉽지 않다. 나아가, 각 픽셀마다 충분한 데이터 라인 구동 능력을 가지기 위해서는 픽셀 내부의 버퍼의 전류 구동 능력이 증가되어야 하고 이는 면적의 증가를 의미하기 때문에, 한정된 픽셀 공간에 충분히 큰 버퍼를 집적시키기는 매우 어려운 일이다.
이에 비해, 본 발명에서는 픽셀 어레이(10)의 로우들 중에 하나의 로우를 선택하고, 선택된 로우 전체의 픽셀 데이터를 한번에 출력 버스들(16)을 통해 시프트 레지스터부(14)로 넘긴 다음, 시프트 레지스터부(14) 내의 레지스터들(15)을 고속으로 동작시키면서 픽셀 데이터들을 시프트하여 독출 회로 외부로 읽어내게 된다. 통상적으로 시프트 레지스터는 픽셀 어레이의 경우와 달리 면적에 큰 제약을 받지 않으며 근접한 단위 레지스터 사이에 데이터를 순차적으로 전송하기 때문에 고속 동작이 가능하다.
다시 말해, 본 발명에서는, 고속 동작하기 어려운 픽셀 어레이(10)는 고속 동작 대신에 한번에 하나의 로우를 선택하여 해당 로우 전체의 픽셀 데이터들을 출력 버스(16)를 통해 출력하는 저속 동작을 수행하며, 출력된 픽셀 데이터들을 고속 동작이 가능한 시프트 레지스터부(14)가 순차적으로 독출회로 외부로 읽어 낼 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 하나의 픽셀을 예시한 상세적인 블록도이다.
도 2를 참조하면, 각각의 픽셀(11)은 엑스선 입사 영역(111), 증폭부(112), 비교부(113) 및 카운터부(114)를 포함하는 싱글 포톤 계수형 센서를 기초로 구현될 수 있다.
엑스선 입사 영역(111)은 포토 다이오드(PD)를 포함하며 엑스선이 포토 다이오드(PD)의 공핍 영역을 지나가면서 전하량(QIN)을 발생시킨다.
증폭부(112)는 전하량(QIN)을 받아들여 전압 신호로 변환 및 증폭된 전압 출력(CSAOUT)을 출력한다. 전하량(QIN)은 증폭부(112)의 연산 증폭기의 (-) 단자에 입력된다. 연산 증폭기의 (+) 단자는 접지되어 있다. 연산 증폭기의 출력 단자와 (-) 단자 사이에는 피드백 커패시터(CF)와 피드백 저항(RF)이 연결된다.
피드백 커패시터(CF)는 전하들(QIN)을 축적한다. 연산 증폭기의 (-) 단자는 (+) 단자와 가상 접지된 상태이기 때문에, 피드백 커패시터(CF)에 축적된 전하(QIN)에 의해 피드백 커패시터(CF) 양단에 발생하는 전압이 연산 증폭기의 출력에 나타난다. 증폭부(112)의 전압 출력(CSAOUT)은 축적 전하/커패시턴스, 즉 CSAOUT = QIN / CF로 얻을 수 있다. 이로써, 입사된 엑스선의 세기가 전하 발생량에 따른 전압 신호의 형태로 변환되어 획득된다.
피드백 저항(RF)은 피드백 커패시터(CF)에 대한 시상수(time constant)를 결정한다. 다음 차례의 엑스선 포톤 입사에 대비하여, 피드백 저항(RF)은 피드백 커패시터(CF)에 축적된 전하를 시상수에 의해 결정되는 시간 내에 소진하여야 한다.
비교부(113)는 증폭부(112)의 전압 출력(CSAOUT)을 사전에 설정된 기준 전압(VTH)과 비교하여, 비교 결과를 비교 출력(COMP)으로 출력한다.
비교부(113)는 비교기(COMPARATOR)를 포함한다. 비교기는 (+) 단자에 증폭부(112)에서 증폭한 전압 출력(CSAOUT)이 인가된다. 비교기의 (-) 단자에는 기준 전압(VTH)이 인가된다.
비교기는 증폭부(112)의 전압 출력(CSAOUT)을 기준 전압(VTH)에 비교하여, 전압 출력(CSAOUT)이 기준 전압(VTH)보다 높아졌다가 낮아질 때까지 펄스 폭을 가지는 비교 출력(COMP)을 출력한다.
카운터부(114)는 비교부(113)에서 출력되는 비교 출력(COMP)을 계수한다. 엑스선에 해당하는 포톤이 입사될 때마다 비교 출력(COMP)이 출력되므로, 단위 시간당 해당 픽셀 영역에 엑스선이 입사된 회수는 비교 출력(COMP)의 펄스 회수와 실질적으로 같다.
픽셀(11)에서 출력되는 픽셀 데이터는 해당 픽셀의 포토다이오드 영역에 단위 시간 내에 피폭되는 엑스선의 양에 상응하므로, 단위 시간이 끝나가는 시점에 카운터부(114)에서 카운트된 비교 출력(COMP)의 펄스 회수가 곧 픽셀 데이터로 이용될 수 있다.
이때, 카운터부(114)는 예를 들어 리니어 피드백 시프트 레지스터 또는 바이너리 카운터로 구현될 수 있다. 이러한 리니어 피드백 시프트 레지스터나 바이너리 카운터는 매번 카운팅마다 그 때의 카운팅된 데이터를 일시적으로 저장할 수 있기 때문에, 독출 모드로 진입하면서 이 카운터부(114)에 저장되어 있던 카운팅 값이 픽셀 데이터로서 독출될 수 있다.
카운터부(114)의 해상도는 픽셀 데이터의 비트 수와 같고 N 비트이다. 예를 들어 5 비트 카운터를 이용한다면, 그러한 카운터부(114)를 이용하는 픽셀(11)로 구성된 엑스선 이미지 센서(10)는 32 단계의 계조를 가지는 영상 데이터를 생성할 수 있다. 역으로, 만약 엑스선 영상의 계조를 256 단계로 얻고자 한다면, 8 비트 카운터를 이용하여야 한다.
카운터부(114)가 계수한 픽셀 데이터는 n 비트의 병렬 출력 버스(16)를 통해 출력되며, 출력 버스(16)에 연결된 시프트 레지스터부(14)의 레지스터들(15) 중 하나에 저장된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 로우 드라이버의 예시적인 블록도이다.
도 3을 참조하면, 로우 드라이버(12)는 직렬로 연결된 D 플립플롭(D Flip-flop)들(121_1, 121_2, 121_3, 121_N)로 구현될 수 있다. D 플립플롭은 입력 신호를 수신하면 다음 클럭 신호가 활성화할 때부터 그 다음 클럭 신호가 활성화할 때까지 입력 신호를 출력한다.
맨 좌측의 D 플립플롭(121_1)에 독출 모드 입력 신호가 입력되면, D 플립플롭(121_1)은 다음 로우 선택 클럭 신호의 한 주기 동안 활성화된 제1 로우 선택 신호를 출력한다. 제1 로우 선택 신호는 첫 번째 로우 선택 라인으로 인가되어 첫 번째 로우에 속하는 픽셀들(11)에서 픽셀 데이터가 출력되도록 유도한다.
한편, 활성화된 제1 로우 선택 신호는 두 번째 D 플립플롭(121_2)에도 인가되며, 두 번째 D 플립플롭(121_2)은 로우 선택 클럭 신호가 인가되면 클럭 한 주기동안 활성화된 제2 로우 선택 신호를 출력한다. 제2 로우 선택 신호는 두 번째 로우 선택 라인으로 인가되어 두 번째 로우에 속하는 픽셀들(11)에서 픽셀 데이터가 출력되도록 유도한다.
로우 선택 신호들은 로우 선택 클럭 신호가 인가될 때마다 각각의 D 플립플롭에서 차례로 활성화되어 각 로우 선택 라인으로 출력된다.
본 발명의 실시예에서는 이런 방식으로 로우들을 순차적으로 선택할 수 있으며, 픽셀에 랜덤 액세스할 필요가 없기 때문에 복잡한 로우 어드레스 디코딩을 이용하지 않아도 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서의 동작을 예시한 타이밍도이다.
도 4를 참조하면, 도 1의 엑스선 이미지 센서에서 엑스선의 입사, 카운팅, 픽셀 데이터의 생성 및 독출 과정에서 신호들의 타이밍이 간략하게 예시되어 있다.
먼저, 리셋 신호에 의해 엑스선 이미지 센서가 초기화된 후에, 셔터 신호가 활성화된 동안에 엑스선이 입사되고, 동시에 모든 픽셀(11)이 카운팅 모드로 동작하면서 입사되는 엑스선의 세기에 상응하는 픽셀 데이터를 생성한다.
셔터 신호가 비활성화되면서 카운팅 모드도 종료하고, 이제 생성된 픽셀 데이터를 외부로 독출할 독출 모드가 개시된다.
독출 모드 시에 독출 모드 입력이 한 차례 활성화되면서 로우 드라이버(12)에 입력되고, 활성화된 로우 선택 클럭이 입력될 때마다 순차적으로 각 로우가 선택된다.
독출 모드 입력이 한 차례 활성화된 동안 로우 선택 클럭이 첫 번째로 활성화되면, 로우1 선택 라인이 활성화된다. 로우1 선택 라인이 활성화되면, 로우1에 속하는 모든 픽셀들(11)에서 출력 버스(16)를 따라 픽셀 데이터들이 출력되어 레지스터들(15)에 저장된다. 이 상태에서 레지스터들(15)에 버스 클럭이 입력되면, 레지스터들(15)은 각자 자신에게 저장된 픽셀 데이터들을 이웃하는 레지스터에 순차적으로 시프트하고 컬럼 개수에 해당하는 n 비트 픽셀 데이터들이 외부로 출력될 수 있다.
이어서, 로우1의 픽셀 데이터들이 모두 출력되면, 이제 로우 선택 클럭이 두 번째로 활성화되고, 이에 따라 로우1 선택 라인 신호는 비활성화되며 동시에 로우2 선택 라인 신호가 활성화된다.
마찬가지로, 로우2 선택 라인이 활성화되면, 로우2에 속하는 모든 픽셀들(11)에서 출력 버스(16)를 따라 픽셀 데이터들이 출력되어 레지스터들(15)에 저장된다. 이 상태에서 레지스터들(15)에 버스 클럭이 입력되면, 레지스터들(15)은 저장된 픽셀 데이터들을 이웃하는 레지스터에 시프트하고 컬럼 개수에 해당하는 n 비트 픽셀 데이터들이 외부로 출력될 수 있다.
이러한 동작이 모든 로우에 대해 반복된 다음, 엑스선 이미지 센서는 다시 카운팅 모드로 전환하여 동작한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 엑스선 이미지 센서가 매 시간 프레임마다 카운팅 모드와 독출 모드를 동시에 수행하면서 좀더 빠르게 픽셀 데이터를 출력하는 구성도 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 픽셀의 독출 회로를 예시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 각각의 픽셀(51)은 엑스선 입사 영역(511), 증폭부(512), 비교부(513), 카운터부(514) 및 출력부(515)를 포함하는 싱글 포톤 계수형 센서를 기초로 구현될 수 있다.
픽셀(51)에서, 엑스선 입사 영역(511), 증폭부(512) 및 비교부(513)는 도 2의 엑스선 입사 영역(111), 증폭부(112) 및 비교부(113)와 그 구성이나 동작이 실질적으로 유사하거나 동일하므로 설명을 생략한다.
카운터부(514)는 비교부(513)에서 출력되는 비교 출력(COMP)을 계수한다. 엑스선에 해당하는 포톤이 입사될 때마다 비교 출력(COMP)이 출력되므로, 단위 시간당 해당 픽셀 영역에 엑스선이 입사된 에너지량은 비교 출력(COMP)의 펄스 회수와 실질적으로 같다. 카운터부(514)는 예를 들어 리니어 피드백 시프트 레지스터 또는 바이너리 카운터로 구현될 수 있다.
도 2의 카운터부(114)와 달리, 도 5의 카운터부(514)는 계수한 값을 자신이 외부로 출력하는 대신에, 계수가 완료된 픽셀 데이터를 한 시간 프레임의 종료 및 새 시간 프레임의 시작과 함께 출력부(515)에 전달한다.
다시 말해, 도 2의 카운터부(114)가 계수 동작과 출력 동작을 모두 담당하였다면, 도 5는 파이프라인 개념을 적용하여, 카운터부(514)는 계수 동작만 담당하고, 출력 동작은 출력부(515)가 담당하면서 계수 동작과 출력 동작을 각자 연속적으로 수행한다. 따라서, 픽셀 데이터의 출력 속도를 두 배로 증가시킬 수 있다.
출력부(515)는 시간 프레임의 전환을 전후로 하여 카운터부(514)로부터 전달받아 일시적으로 저장한 픽셀 데이터를 출력 버스를 통해 외부로 출력한다. 여기서, 출력 버스는 실시예에 따라 N 비트의 병렬 버스일 수도 있고, 직렬 버스일 수도 있다.
출력부(515)는 파이프라인 방식으로 픽셀 데이터를 출력하기 때문에, 이전 시간 프레임에서 생성된 픽셀 데이터는 다음 번의 시간 프레임에 출력부(515)에서 출력된다. 카운터부(514)에서 출력부(515)로 픽셀 데이터의 전달은 이전 시간 프레임의 끝 또는 새 시간 프레임의 시작 시점에 이루어질 수 있다.
구체적으로, 제1 시간 프레임 동안 카운터부(514)는 비교 출력 펄스를 카운트하며, 제1 시간 프레임이 종료하기 직전에, 또는 제2 시간 프레임이 시작한 직후에, 카운터부(514)의 계수 값을 픽셀 데이터로서 출력부(515)에 전달한다. 계수 값을 전달한 직후 카운터부(514)는 초기화된다. 제1 시간 프레임 동안에 출력부(515)는 자신이 이전 시간 프레임 동안에 전달받은 픽셀 데이터를 출력 버스를 통해 출력하며, 제1 시간 프레임 동안에 카운터부(514)로부터 전달받은 픽셀 데이터는 다음 시간 프레임에서 출력하기 전까지 저장한다.
제2 시간 프레임 동안에는, 출력부(515)는 제1 시간 프레임에 생성되어 전달된 픽셀 데이터를 제어부(54)의 어드레스 신호에 따라 출력부(515)가 출력 버스와 연결되는 때에 출력 버스에 출력한다. 한편, 제2 시간 프레임의 시작과 함께 초기화된 카운터부(514)는 다시 비교 출력 펄스를 계수하고 그 결과에 따른 픽셀 데이터를 출력부(515)에 전달한다. 시간 프레임이 반복됨에 따라, 이러한 과정도 반복된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 픽셀들이 출력 버스에 연결된 구성을 예시한 블록도이다.
도 6을 참조하면, 도 5의 픽셀들(51)이 하나의 출력 버스를 공유하며 컬럼을 이루고 있다. 하나의 컬럼에 속하는 단위 픽셀들은 순차적으로 출력 버스와 연결되어 출력 버스를 통해 픽셀 데이터들을 순차적으로 외부로 출력할 수 있다. 여기서, 출력 버스는 실시예에 따라 N 비트의 병렬 버스이거나 직렬 버스일 수 있다.
제1 시간 프레임 동안에, 카운터부들(514a, 514b, 514c)은 초기화 후에 각 픽셀(51a, 51b, 51c)에 인가된 엑스선 포톤들에 의한 비교기(513)의 비교 출력 펄스(COMP)들을 각각 새로 계수하며, 제1 시간 프레임의 종료 직전에, 계수가 완료된 픽셀 데이터를 출력부(515a, 515b, 515c)에 전달한다.
이와 동시에 제1 시간 프레임 동안에, 출력부들(515a, 515b, 515c)은 각각 직전 시간 프레임 때에 전달된 픽셀 데이터들을 순차적으로 출력 버스를 통해 출력하며, 제1 시간 프레임의 종료 직전에 픽셀 데이터를 카운터부(514a, 514b, 514c)로부터 전달받아 저장한다.
이어서 제2 시간 프레임 동안에, 카운터부들(514a, 514b, 514c)은 초기화 후에 각 픽셀(51a, 51b, 51c)에 인가된 엑스선 포톤들에 의한 비교기(513)의 비교 출력 펄스(COMP)들을 각각 새로 계수하며, 제2 시간 프레임의 종료 직전에, 계수가 완료된 픽셀 데이터를 출력부(515a, 515b, 515c)에 전달한다.
이와 동시에 제2 시간 프레임 동안에, 출력부들(515a, 515b, 515c)은 각각 직전의 제1 시간 프레임 때에 전달된 픽셀 데이터들을 순차적으로 출력 버스를 통해 출력하며, 제2 시간 프레임의 종료 직전에 픽셀 데이터를 카운터부(514a, 514b, 514c)로부터 전달받아 저장한다.
이러한 동작은 시간 프레임마다 반복될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 이미지 센서에 포함된 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5와 도 7을 참조하면, 카운터부(514)는 매 시간 프레임마다 카운팅 모드로 동작하면서 비교 출력 펄스들(COMP)을 계수하고, 그러한 계수의 결과로서 얻은 픽셀 데이터를 출력부(515)에 출력한 다음 초기화된다.
출력부(515)는 가장 초기에는 출력할 저장된 데이터가 없지만, 두 번째 시간 프레임부터는 매 시간 프레임마다 독출 모드로 동작하므로 직전 시간 프레임에 카운터부(514)에서 생성되어 출력부(515)에 전달된 픽셀 데이터를 출력한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
10 픽셀 어레이 11 픽셀
12 로우 드라이버 13 제어 및 타이밍 회로
14 시프트 레지스터부 15 레지스터
16 출력 버스
111 엑스선 입사 영역 112 증폭부
113 비교부 114 카운터부
121 D 플립플롭
51 픽셀
511 엑스선 입사 영역 512 증폭부
513 비교부 514 카운터부
515 출력부

Claims (8)

  1. 카운팅 모드로 동작하는 동안에는 입사된 엑스선의 크기를 n 비트의 픽셀 데이터로 각각 양자화하는 M 개의 로우(row)와 N 개의 컬럼(column)으로 배열된 픽셀들을 포함하고, 독출 모드로 동작하는 동안에는 하나의 로우에 속하는 픽셀들을 동시에 선택하기 위한 로우 선택 신호가 인가되면 하나의 컬럼에 속하는 픽셀들이 공유하는 각각의 출력 버스들에 상기 로우 선택 신호에 의해 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 출력하도록 연결된 픽셀 어레이(여기서, M, N, n은 각각 양의 정수); 및
    상기 다수의 출력 버스들에 각각 연결되어 상기 선택된 로우에 속하는 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 전달받아 일시적으로 저장하는 레지스터들을 포함하며, 상기 독출 모드로 동작하는 동안에 상기 레지스터들에 저장된 픽셀 데이터들을 순차적으로 시프트(shift)하여 외부로 출력하는 시프트 레지스터부를 포함하는 엑스선 이미지 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 출력 버스는,
    n 비트의 픽셀 데이터를 병렬로 전송할 수 있도록 n 개의 전송 라인을 가진 병렬 출력 버스 또는 직렬로 전송할 수 있도록 1 개의 전송 라인을 가진 직렬 출력 버스인 것을 특징으로 하는 엑스선 이미지 센서.
  3. 청구항 2에 있어서, 직렬로 연결된 다수의 D 플립플롭들을 포함하는 로우 드라이버를 더 포함하며,
    상기 로우 드라이버는,
    독출 모드로 동작할 때에, 첫 번째 D 플립플롭은 독출 모드 입력 신호를 입력받아 로우 선택 클럭 신호에 기초하여 첫 번째 로우 선택 신호로 출력하며, 두 번째 D 플립플롭은 상기 첫 번째 로우 선택 신호를 입력받아 상기 로우 선택 클럭 신호에 기초하여 두 번째 로우 선택 신호로 출력하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 엑스선 이미지 센서.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 픽셀들은 각각
    엑스선이 입사되었을 때에 포토 다이오드에서 발생된 전하량을 전압 출력 신호로 변환하여 출력하는 증폭부;
    상기 전압 출력 신호를 사전에 설정된 기준 전압과 비교하여 비교 출력 신호로 출력하는 비교부; 및
    상기 비교 출력 신호의 출력 회수를 n 비트로 계수하는 카운터부를 포함하는 엑스선 이미지 센서.
  5. 카운팅 시에는 입사된 엑스선의 크기를 n 비트의 픽셀 데이터로 각각 양자화하는 M 개의 로우(row)와 N 개의 컬럼(column)으로 배열된 픽셀들을 포함하고, 독출 시에는 하나의 로우에 속하는 픽셀들을 동시에 선택하기 위한 로우 선택 신호가 인가되면 하나의 컬럼에 속하는 픽셀들이 공유하는 각각의 출력 버스들에 상기 로우 선택 신호에 의해 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 출력하도록 연결된 픽셀 어레이(여기서, M, N, n은 각각 양의 정수); 및
    상기 다수의 출력 버스들에 각각 연결되어 상기 선택된 로우에 속하는 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 전달받아 일시적으로 저장하는 레지스터들을 포함하며, 상기 독출 모드로 동작하는 동안에 상기 레지스터들에 저장된 픽셀 데이터들을 순차적으로 시프트(shift)하여 외부로 출력하는 시프트 레지스터부를 포함하며,
    상기 픽셀들은 각각,
    엑스선이 입사되었을 때에 포토다이오드에서 발생된 전하량을 전압 출력 신호로 변환하여 출력하는 증폭부;
    상기 전압 출력 신호를 사전에 설정된 기준 전압과 비교하여 비교 출력 신호를 출력하는 비교부;
    현재 시간 프레임 동안에 상기 비교 출력 신호의 펄스 횟수를 계수하고 계수 결과를 픽셀 데이터로 출력하는 카운터부; 및
    직전 시간 프레임에 상기 카운터부로부터 수신하여 일시적으로 저장하였던 상기 픽셀 데이터를 상기 현재 시간 프레임 동안에 외부로 출력하는 출력부를 포함하는 엑스선 이미지 센서.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 증폭부, 상기 비교부 및 상기 카운터부는 항상 카운팅 모드로 동작하고, 상기 출력부는 항상 독출 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 엑스선 이미지 센서.
  7. 카운팅 모드로 동작하는 동안에, 픽셀 어레이 내에 M 개의 로우(row)와 N 개의 컬럼(column)으로 배열된 픽셀들이 입사된 엑스선의 크기를 n 비트의 픽셀 데이터로 양자화하는 단계;
    독출 모드로 동작하는 동안에, 하나의 로우에 속하는 픽셀들을 동시에 선택하기 위한 로우 선택 신호가 인가되면, 하나의 컬럼에 속하는 픽셀들이 공유하는 각각의 출력 버스들에, 상기 로우 선택 신호에 의해 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들로부터 픽셀 데이터들을 출력하는 단계;
    독출 모드로 동작하는 동안에, 상기 다수의 출력 버스들에 각각 연결된 레지스터들에 상기 선택된 로우에 속하는 픽셀들로부터 전달된 상기 픽셀 데이터들을 일시적으로 저장하는 단계; 및
    독출 모드로 동작하는 동안에, 상기 레지스터들에 저장된 픽셀 데이터들을 순차적으로 시프트하여 외부로 출력하는 단계를 포함하는 엑스선 이미지 센서 독출 방법.
  8. 현재 시간 프레임 동안에, 픽셀 어레이 내에 M 개의 로우(row)와 N 개의 컬럼(column)으로 배열된 픽셀들이 입사된 엑스선의 크기를 n 비트의 픽셀 데이터로 양자화하는 단계;
    현재 시간 프레임 동안에, 하나의 로우에 속하는 픽셀들을 동시에 선택하기 위한 로우 선택 신호가 인가되면, 하나의 컬럼에 속하는 픽셀들이 공유하는 각각의 출력 버스들에, 상기 로우 선택 신호에 의해 선택된 로우에 속하는 모든 픽셀들로부터 직전 시간 프레임 동안에 양자화된 픽셀 데이터들을 출력하는 단계;
    현재 시간 프레임 동안에, 상기 다수의 출력 버스들에 각각 연결된 레지스터들에 상기 선택된 로우에 속하는 픽셀들로부터 전달된 상기 픽셀 데이터들을 일시적으로 저장하는 단계; 및
    현재 시간 프레임 동안에, 상기 레지스터들에 저장된 픽셀 데이터들을 순차적으로 시프트하여 외부로 출력하는 단계를 포함하는 엑스선 이미지 센서 독출 방법.
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