KR20160034887A - 픽셀 포화를 방지하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 픽셀들의 그룹 내 픽셀 포화를 방지하기 위한 방법과 관련되며, 각각은 노드를 갖고, 기준 전압이 결정되며, 미리 결정된 기준 전압과 비교된 픽셀들 중 단지 하나의 노드에서의 전압 변화가 그룹의 모든 픽셀들의 동기 리셋을 발생시킨다.

Description

픽셀 포화를 방지하기 위한 방법{Method for avoiding pixel saturation}
본 발명은 높은 동적 범위 CMOS 픽셀들 및 관련된 센서들의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 픽셀 포화를 검출하고 회피함으로써 입사광에 대한 픽셀의 견고성을 연관시키거나 개선시키는 것과 관련된다. 여기서 견고성(robustness)이란, 픽셀들의 능력을 의미하는 것으로, 광 정량에 대하여 그들의 기능을 달성하기 위한 능력을 의미한다.
이미지 센서는 광속과 같은 입사 전자기 복사를 포착하고 전자 신호로 변환하는 장치이다. 디지털 촬상에서, 능동 픽셀 센서들(Active-Pixel Sensors, APS)가 주로 사용된다. APS는 픽셀 센서들의 어레이를 포함하는 집적 회로로 이루어진 이미지 센서들이며, 각각의 픽셀은 포토 다이오드 및 능동 증폭기를 포함한다. 많은 유형들의 능동-픽셀 센서들이 있으며, 그 중에서 CMOS APS는 예를 들어 휴대 전화의 카메라 나 웹 카메라에 가장 일반적으로 사용되고 있다. 그러한 이미지 센서들은 전하 결합 소자(Charge-Coupled Device, CCD) 이미지 센서들의 대안으로 부상하고 있다.
APS에서, 포토다이오드는 입사광에 민감하다. 보다 구체적으로, 포토다이오드는 누적된 입사 광을 전하들로 변환하며, 상기 전하들은 소정의 노출 시간 동안 누적되고 이후 상기 픽셀 내의 증폭된 전압으로 변환된 것이다. 이 전압은 아날로그-디지털 변환기에 의해 전압의 크기를 나타내는 디지털 숫자로 변환될 수 있는 연속적인 아날로그 물리량이다. 포토다이오드의 캐소드 단자들은, 캐소드에 부착된 노드로 지칭되며, 종종 검출 노드로 불리운다. 이 노드(20)는 APS 픽셀을 나타낸 그림 1에 표시된다. 이 노드에서의 전압은 증폭기로서 사용된 트랜지스터를 통해 픽셀 출력으로 변환된다. 픽셀들을 특정 짓는 중요한 성능 지수(figure of merit)는 그들과 관련한 소위 필 팩터(fill factor) 이다. 그것은 전체 픽셀 영역 중에서 빛에 민감한 부분을 지칭하며, 퍼센트로 나타난다. 도 2는 감광 영역(1)과 회로 영역(2)으로 분할된, 전형적인 픽셀 영역을 개시한다.
표준 픽셀의 주요 단점들 중 하나는 너무 강한 입사광 및/또는 너무 긴 노출이 발생할 때 나타나는 잠재적인 포화이다. 예를 들어, 제어된 광원에 의해 방출되고 물체들에 의해 장면(scene)으로부터 다시 반사된 펄스 광 신호의 위상 및 비행 시간(Time of Flight)을 분석함으로써 거리 정보를 제공하는 비행-시간 카메라 시스템과 같은 비행 시간(ToF) 기술들을 사용하는 범위 촬상 시스템에서, 표준 반사 특성들을 갖는 물체들이 상기 이미지 시스템이 교정된 상기 거리 범위로부터 더욱 가깝게 있을 때 포화가 발생할 수 있다. 상기 물체는 그 때 방출된 빛으로부터 너무 많이 반사되고 센서의 적어도 일부 픽셀들로 하여금 그것의 최대값에서 응답하게끔 한다. 또한, 물체들이 픽셀들이 감응하도록 설계된 파장 도메인에서의 경면 반사 특성을 나타내는 경우, 장면에서의 거울이 장면을 촬상하는 센서 상으로 수신하는 전체 입사 광을 반사하는 경우, 또는 물체들이 센서의 일 부분 상으로 입사광을 반사하거나 집중시킬 때, 또는 TOF 카메라가 설계된 동일 파장 도메인에서 강한 조명을 방출하는 외부 광원이 센서를 조명하는 경우, 상기 포화가 발생할 수 있다. 픽셀들이 포화되는 경우, 장면에 대한 의미 있는 정보가 손실되는데, 이는 제공된 응답이 제공될 수 있는 최대의 전압 값으로 평탄화되기 때문이다; 이는 이미지들 내 블루밍 효과들(blooming effects), 버닝된 영역(burned area)과 같은 이미지 이미지 아티팩트들 또는 결함들로 귀결된다. 또한, 예를 들어 ToF 기술에서 깊이 정보의 계산과 같은 특정 애플리케이션들은, 거리 측정을 유도하기 위해 복수의 캡처들(captures)로부터 위상 천이 기반 연산들을 사용한다. 만일 픽셀 포화가 통합 시간 동안에 발생하는 경우, 검출기 노드들에서의 전압은 상응하는 캡처를 변질(corrupt)시키는 포화 레벨에 도달한다. 이는 더욱 특히 다른 위상 사이의 상대적 전압 크기들 결정을 불가능하게 만들고, 그 결과, 깊이 측정들 및 상응하는 깊이 지도는, 그것이 일반적으로 이들 위상차 연산들로부터 직접 구해지기 때문에, 더 이상 결정될 수 없게 된다.
무엇보다도, 포화 문제들을 극복하기 위하여, 높은 동적 범위(high, dynamic range, HDR) 또는 넓은 동적 범위 (wide dynamic range, WDR)가 래치들 및/또는 메모리 지점의 추가와 함께 예를 들어 슈미트 트리거(Schmitt trigger, 이하에 정의 됨)와 같은 여러 전자 회로들을 사용하여 표준 이미지 센서들에서 제안되어 왔다. 또한, 센서들은 조정, 다수 캡처들 또는 공간 변화 노출과 같은 기술들로 설계되어 왔다. 또한, 여분의 로직 회로가 CMOS APS 당 추가되어 왔지만, 이것은 센서의 유효 감지 영역을 감소시키고, 매우 낮은 필 팩터(fill factor)를 야기하여 ToF 촬상 요구사항들을 준수하지 않는다. 또 다른 해결책은 로그 픽셀들(logarithmic pixels)을 갖는 회로들을 사용하는 것으로 이루어진다. 그러한 픽셀 회로들은 픽셀을 강타하는 광량의 로그 함수인 전압 레벨을 생성한다. 이것은 선형 타입의 픽셀들을 사용하는 대부분의 CMOS 또는 CCD 타입 이미지 센서들과는 다르다. 그럼에도 불구하고, 로그 픽셀들의 사용은 예를 들어 깊이 정보와 같은, 요구되는 데이터를 연산하기 위한 후처리(post processing)를 매우 복잡하게 하는데, 이는 잘 알려진 압축 문제들을 도입하고 또한 여분의 처리 연산들도 요구하기 때문이다.
본 발명의 목적은 포화를 방지함으로써 입사광에 대한 픽셀들의 강건성을 개선하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 우선 청구항 1 발명에 따른 방법과 관련된다.
나아가, 본 발명은 특히, 능동 적외선 변조 광 조명이 고주파수들에서 구동되는 경우, 측정된 조명 신호가 장면에 공존하는 주변광으로부터 영향 받을 수 있는 경우, 또는 상면 내 물체들의 반사도들 또는 거리들이 변동되어 영향 받을 수 있는 경우와 같은, 비행 시간 촬상의 관점에 적응된다.
따라서, 동기 리셋 픽셀의 사용으로 인해, 픽셀들의 그릅 내 포화가 방지되고, 이는 이미지 아티팩트들을 방지한다.
또한, 본 발명은, 노출 시간 동안 픽셀 포화를 방지함으로써, 전하들의 이동 및 연관된 블루밍 결함 아티팩트에 의해 리셋 없이 포화를 나타내었을 픽셀의 인접 픽셀들이 변질되는 것을 방지한다는 장점을 갖는다.
더욱이, 픽셀 포화를 방지함으로써, 본 발명은 상기 센서가 블루밍 효과들 및 연관된 이미지 아티팩트들로부터 영향 받는 것을 더욱 방지하게끔 할 수 있다.
다수의 픽셀들 사이에 포화 회로를 공유함으로써, 필 팩터가 높게 유지되고, 추가적인 회로가 제한된다는 점은 추가적인 이점이다.
동기 리셋 픽셀의 사용으로 인해, 픽셀 검출기 노드에서의 전압 진폭들에 의해 운반된 정보가 포화에 의해 변질되지 않고, 이는 노드들 사이의 상대적인 진폭들 및/또는 위상 차들을 연산하는 것을 가능케 한다는 추가적인 장점이 있다. TOF 촬상 관점의 결과, 측정 데이터는 보존되고 거리 정보의 결정을 가능케 한다.
바람직하게는, 모든 픽셀들의 리셋이 인에이블 신호에 의해 주어진 노출 시간 TINT 내에 적어도 한번 허가되고, 상기 인에이블 신호는 펄스, 클록, 조정가능한 주기 및/또는 듀티 사이클을 갖는 펄스파일 수 있다.
바람직하게는, 절대값 높은 동적 범위 측정값이 추정될 수 있다. 마지막 동기 리셋이 개별 픽셀 노드들로부터 포화되지 않은 검출기 노드 전압과 결합되어 트리거되었을 시간으로부터 또는 각각의 노출 시간 동안 트리거되었을 수 있는 동기 리셋의 개수로부터, 전체 노출 시간 동안 수신된 입사 광에 상응하는 총 절대값 전압들이 추정될 수 있다.
또한, 본 발명은 청구항 18에 따른 동기 리셋 픽셀 장치 및 청구항 19에 따른 촬상기와도 관련된다.
본 발명의 다른 이점들 및 새로운 특징들은 첨부 도면들을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면의 견지에서 이해되어야 한다.
- 도 1은 포토 다이오드(3), 리셋 트랜지스터(4), 증폭기(5) 및 픽셀 선택 트랜지스터(6)로 사용되는 트랜지스터로 구성되는 3-트랜지스터 능동 픽셀 센서(APS)를 도시한다.
- 도 2는 감광체(1) 및 회로 영역들(2)로 분할된 전형적인 픽셀 영역을 도시한다.
- 도 3은 입사광이 없는 4개의 픽셀들의 그룹의 노드들에서의 전형적인 전압 강하를 도시한다.
- 도 4는 강한 입사광 하에서, 도 3에 도입된 동일한 픽셀들의 노드들에서의 전압 강하 예를 도시한다.
- 도 5는 입력 신호(U)에 대한 표준 비교기(A)의 효과와 슈미트 트리거(B)의 효과를 비교한다.
- 도 6은 4개의 3-트랜지스터 능동 픽셀 센서들(3-T APS, 7, 8, 9, 10), 최저 검출기 블록(11), 비교기(12) 및 각각의 3-T APS에 추가된 1개의 여분 트랜지스터(13)로 구성된 동기 리셋 픽셀의 블록도를 도시한다.
- 도 7은, 도 6에서 이전에 노출된 바와 같이, 비교기를 갖는 동기 리셋 픽셀의 타이밍도를 도시한다.
- 도 8은 도 6과 동일하지만 비교기에 연결된 ENCOMP 핀(14)이 추가된 동기 리셋 픽셀의 블록도를 도시한다.
- 도 9는, TINT-TEN의 효과적인 노출 시간을 갖는, 도 8에 나타난 동기 리셋 픽셀을 참조하는 타이밍도를 도시한다.
- 도 10은 TINT의 노출 시간을 갖는, 도 8에 나타난 동기 리셋 픽셀을 참조하는 타이밍도를 도시한다.
- 도 11은 도 6과 동일하지만 비교기 및 최저 전압 검출기 모두에 연결된 ENCOMP 핀(14)이 추가된 동기 리셋 픽셀의 블록도를 도시한다.
- 도 12는, TINT-TEN의 효과적인 노출 시간을 갖는, 도 11에 나타난 동기 리셋 픽셀을 참조하는 타이밍도를 도시한다.
- 도 13은 도 11과 동일하지만 ENCOMP 핀(14)의 펄스가 2번의 포화들이 발생하는 클록으로 대체된 동기 리셋 픽셀의 타이밍도를 도시한다.
- 도 14는 도 11과 동일하지만 ENCOMP 핀(14)의 펄스가 조정가능한 기준 전압 및 조정가능한 클록 주기를 갖는 클록으로 대체된 동기 리셋 픽셀의 타이밍도를 도시한다.
- 도 15는 SRST 신호를 금지하기 위해 STOP_SRST 신호가 사용되는 동기 리셋 픽셀의 타이밍도를 도시한다.
- 도 16은 도 11과 동일하지만 ENCOMP 핀(14)의 펄스가 일정한 클록 및 조정가능한 클록 주기를 갖는 ENSRST 신호로 대체된 동기 리셋 픽셀의 타이밍도를 도시한다.
- 도 17은 2개의 그린 픽셀들, 1개의 블루 픽셀, 및 1개의 레드 픽셀을 갖는 표준 바이엘 매트릭스를 나타낸다
- 도 18은 도 17과 동일한 매트릭스를 도시하지만, 하나의 그린 픽셀이 포화 검출기로서 작용하는 동기 리셋 픽셀로 대체되는 것을 도시한다.
- 도 19는 9개 픽셀들의 그룹 당 하나의 동기 리셋 픽셀을 갖는 깊이 픽셀 매트릭스를 도시한다.
- 도 20은 5개 픽셀들의 그룹 당 하나의 동기 리셋 픽셀을 갖는 깊이 센싱 픽셀 매트릭스를 도시한다.
- 도 21은 4개의 픽셀들의 그룹에서 공유되는 1개의 동기 리셋 로직을 갖는 깊이 센싱 픽셀 매트릭스를 도시한다. 영역은 감광 영역(15), 연관된 픽셀 회로 영역(16), 및 공유 동기 리셋 로직(17)으로 분할된다.
본 발명은 높은 동적 범위 픽셀 시스템(High Dynamic Range pixel system)으로 분류될 수 있는 동기 리셋 픽셀 및 연관된 방법에 관한 것이다. 상기 픽셀은 적어도 하나의 포토다이오드를 포함할 수 있고, 각각의 포토다이오드는 그것의 고유의 검출 노드를 갖는다. 본 발명은 지역 픽셀들의 그룹을 리세팅할 수 있고, 이는 노출 동안 축적된 전하들로부터 픽셀들의 검출기 노드들을 비우는 것이다. 상기 리셋은 이들 전하들에 상응하는 전압들 중 하나가 소정의 임계 전압 값에 도달하는 경우 트리거될 수 있다. 이는 검출기 노드들이 노출 시간(integration time) 이전에 또는 종료 시 포화 레벨에 도달하는 것을 방지한다. 상기 원리는 주어진 노출 시간 동안 상기 소정의 임계 전압을 적어도 한번 검출하는 비교기 기반 로직 회로에 의존한다. 상기 로직은 픽셀 그룹에 의해 공유되어 비교 업무에 관련된 실리콘 영역이 최소화되고 센싱 업무 효율을 보존하기 위해 필 팩터(fill factor)가 높게 유지된다. 상기 로직은, 비교 업무가 구체적으로 정해진 일련의 발생들(예를 들어 Tint/2, 3Tint/4, 7Tint/8, ...)에 대해 여러번 실행될 수 있으므로, 주어진 노출 시간 동안 복수의 리셋들을 가능케 한다. 상기 픽셀들 중 적어도 하나가 전술한 소정 임계 전압에 의해 주어진 포화 표시 전압"에 도달하면, 상기 로직은 상기 픽셀들의 그룹을 동시에 리셋시킬 것인지 아닌지를 결정할 수 있다. 복수의 포화되지 않은 크기 측정치들이 깊이 추정들 및 안정적인 위상차들의 연산을 위해 필수적으로 수집되어야 하는 TOF 촬상의 관점에서, 본 발명의 시스템 및 방법은 신호 위상들에 영향을 주는 것 그리고 신호 상대값들에 영향을 주는 것과 같이 신뢰성 있는 정보의 제공을 가능케 한다는 점에서 특히 적합하다.
최근에는, 영향 신호 절대값(impinging signal absolute value)이 더욱 추정될 수 있는데, 이는 본 발명이 추가적인 "리셋 카운트 회로" 및 이 리셋 카운터를 이용한 노출 시간 동안 수집된 신호의 총 크기를 결정하는 방법을 포함할 수 있기 때문이다.
명확성의 목적으로 본 설명은 ToF 측정치들에서의 3D 이미지 센서들의 깊이의 연산에 대하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이하에서 알 수 있는 바와 같이 그에 제한되지 않는다. 본 발명은 픽셀들의 포화가 방지되어야 할 임의의 종류의 센서들에서 유용할 수 있다.
소개된 실시예들은 비교 수단(12)으로서 슈미트 트리거의 사용을 기초로 하여 설명될 것이지만, 본 발명은 그에 제한되지 않는다. 비교기(12)는 예를 들어 연속 시간 비교기(continuous time comparator) 또는 클록 비교기(clocked comparator), CMOS 인버터 또는 모노스테이블(monostable)과 같은 최저 전압 감지 블록(11)의 출력으로부터 펄스 신호를 생성할 수 있는 임의의 종류의 회로로 이루어질 수 있다.
나아가, 동기 리셋 비교 함수를 어드레싱(addressing)하기 위해, 최저 전압 감지기 블록은 도 1에서와 같이 3 트랜지스터(3T) APS와 같은 최저 전압을 탐색하는데 사용될 수 있다. 이 경우, 감지기 전압들은 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이 VRESET으로부터 그라운드로 내려간다. 물론, 감지기 전압들이 VRESET 으로부터 전원으로 올라가는 경우 최고 전압 감지기 블록을 참조하였을 것이다.
비행-시간 카메라 시스템들은 광원으로부터 물체로의 그리고 돌아오는 비행 시간의 분석에 의해 물체로의 거리에 관한 정보를 제공하는 것으로 알려져 있다. 그러한 시스템들에서, 장면은 변조된 광, 일반적으로 펄스로 조명된다. 이후 이 신호는 물체들로부터 반사되어 돌아오고 렌즈에 의해 수집되어 이미지가 형성된다. 물체들의 카메라로부터의 거리에 따라, 변조 광의 방출과 카메카에서의 그것의 반사의 수신 사이에 지연이 발생한다. 이 지연 또는 위상은, 시간에 따라 및/또는 연속적인 펄스들에 걸쳐 도출될 수 있으며, 장면 내 물체의 거리의 직접적 측정치를 결정하는데 사용된다. 따라서 센서로부터 오는 신뢰성있는 포화되지 않은 신호 측정치 데이터를 가져야 한다.
도 3은, 입사관이 없는, TOF 촬상기 내 시간에 대한 검출기 노드(포토다이오드의 캐소드) 파형들의 예를 도시한다. 인테그레이션 또는 노출 타임(TINT)의 개시 이전에, RESET 신호는 하이로 유지되어 모든 검출기 노드들이 초기의 그리고 안정적인 전압 조건들로 리셋된다. 상기 RESET 신호가 릴리즈(released)되면, 노출 시간이 시작된다. 인테그레이션 또는 노출 타임(TINT)의 종료 시에 검출기들 중 어느 것도 포화되지 않고 깊이 정보가 연산될 수 있다.
대조적으로, 도 4는 도 3과 동일한 설정이지만, 강한 입사광에 놓여진 경우를 도시한다. 검출기들(DET2, DET1, DET3)의 노드들에서의 전압은 노출 시간(TINT)의 종료 이전에 너무 급속하게 강하한다. 이들 3개의 검출기 노드들이 포화되고, 상응하는 픽셀들의 노출 시간의 종료 시에 수집된 절대값들은 변질되고 무의미하다. 변질(corrupted)된다는 것은, 결정된 전압 값들이 입력 광 신호를 나타내는 실제 절대 측정치를 나타내지 않기 때문에 신뢰할만한 것이 아님을 의미한다. 결국, 픽셀들의 상대적 크기들도 변질되고 연관된 위상 정보도 변질되어, 깊이 정보의 연산이 더 이상 불가능해진다.
도 1은 표준 CMOS 3-트랜지스터 능동 픽셀 센서(CMOS 3-T APS)를 도시하며, 포토다이오드(3)의 리셋(RESET) 트랜지스터(4), 소스-폴로워 판독 트랜지스터(5) 및 선택(SELECTION) 트랜지스터(6)로 구성된다. 리셋 트랜지스터(4)가 턴 온 되면, 포토다이오드(3)가 전원(VDD)에 직접 연결되고, 모든 통합 전하들이 제거된다. 상기 소스-폴로워 판독 트랜지스터(5)는 축적된 전하를 제거하지 않고 픽셀 전압이 관측되는 것을 허용하는 증폭기로서 작용한다. 선택 트랜지스터(6)는 픽셀 어레이의 하나의 행이 판독 전자요소들(read-out electronics)에 의해 판독되는 것을 허용한다. 높은 필 팩터를 달성하기 위하여, 포토다이오드(3)의 광에 민감한 영역이 커야 하고, 반면에 트랜지스터(4, 5, 6)의 영역으로 이루어진 회로의 면적은 가능한 한 감소되어야 한다.
이해의 목적으로, 본 발명의 추가적인 실시예들에 사용된 특정 전자 회로가 도입되어야 한다: 슈미트 트리거. 비-반전 구성에서, 슈미트 트리거는 포지티브 피드백 및 1 보다 큰 루프 이득을 갖는 회로이다. 이는 히스테리시스를 갖는 비교기 회로로서 동화될 수 있다. 도 5는 주어진 입력 신호(U)에 대한 표준 비교기(A) 및 슈미트 트리거(B)의 효과들을 비교한다. 비-반전 슈미트 트리거를 이용하여, 입력이 특정 선택된 임계치보다 높은 경우, 출력은 하이이다. 입력이 다른 (하부) 선택된 임계치 아래에 있을 때, 출력은 로우이고, 상기 입력은 2개의 레벨들 사이일 때, 상기 출력은 그 값을 유지한다. 이러한 2중 임계 동작은 히스테리시스로 불리우며, 슈미트 트리거가 메모리를 소유하고 쌍안정 회로(bistable circuit)로서 동작할 수 있음을 의미한다.
대조적으로, 표준 비교기는 하나의 임계값만을 갖고, 도 5의 (A) 부분에 나타난 바와 같이 그것의 출력은 이 값과 비교하여 스위칭된다.
도 6은 각각이 적어도 하나의 검출기 노드를 갖는 4 픽셀들을 처리하는 동기 리셋 픽셀을 갖는 본 발명의 제 1 실시예를 도시한다. 그것은 4개의 CMOS 3-T APS(7, 8, 9, 10), 4개의 입력들을 갖는 최저 전압 검출기 블록(11), 비교기(12) 및 각각의 3-T APS에 추가된 1개의 여분 트랜지스터(13)(그에 따라 도합 4개의 여분의 트랜지스터들)로 구성된다. 상기 3-T APS의 포토 다이오드는 반드시 동일할 필요는 없다. 최저 전압 검출기(11)의 입력들은 4개의 APS의 검출기 노드들(DET1, DET2, DET3, DET4)을 감지한다. 여기서, 비교기(12)는, DETx를 기준 전압(VREF)과 비교하는 비교기, VREF와 같은 그것의 최저 검출 임계치를 갖는 슈미트 트리거, 또는 모노스테이블(monostable)과 같은 최저 전압 감지기 블록의 출력으로부터 펄스 신호를 생성할 수 있는 임의의 종류의 회로 중 하나로 이루어질 수 있다. 트랜지스터(13)의 리셋 기능은 전용 로직 회로 및 3T APS의 리셋 트랜지스터의 재사용에 의해 달성될 수 있다.
도 7은 도 6에 나타난 동기 리셋 픽셀의 타이밍도를 도시한다. 추가된 최저 전압 검출기(11)와 비교기(12) 덕분에, 상기 픽셀들은 노출 시간(TINT) 이후 더 이상 포화되지 않는다. 실제로, 픽셀 전압들 중 하나가 VREF 전압에 도달하자마자, SRST 신호가 하이가 되고 모든 픽셀들이 리셋된다. 따라서, 픽셀 포화가 방지된다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예를 도시하며, 동기 리셋 픽셀의 블록도이나 비교기(12)에 연결된 ENCOMP 핀(14)이 추가되었다. 이 ENCOMP 핀(14)은 더 짧은 적분 시간(TINT-TEN)를 정의하기 위해 추가된다. 실제로, ENCOMP 펄스 전에 기준 신호를 교차한 감지기들은 더욱 짧은 시간에 그들의 인테그레이션 사이클을 재시작할 것이고, 그에 따라 이들 픽셀들의 경우 노출 시간(TINT)이 끝날 때까지 포화가 불가능하다. TEN은 프로그램 가능하고 픽셀 포화를 피하도록 설정되어야 한다. 하이 레벨의 ENCOMP 신호는 다소 짧을 수 있고 픽셀들을 완전히 리셋시키기에 충분히 길어야 한다.
도 9는 도 8에 도시된 바와 같이 최저 전압 검출기(11) 및 비교기(12)와 그것의 ENCOMP 핀(14)을 포함하는 동기 리셋 픽셀의 타이밍도를 도시한다. ENCOMP 신호가 하이로 설정되면, 비교기(12)는 그것의 출력만을 토글(toggle)할 수 있다. ENCOMP 신호가 로우이면, 픽셀들은 별도의 회로가 존재하지 않는 것과 같이 포화될 수 있다.
이에 추가로, SRST_CNT 신호가 부가되고 상기 SRST_CNT 신호는 SRST 신호상의 펄스가 존재하자마자 하이로 설정된다. ENCOMP 및 SRST_CNT 신호들 덕분에, 노출 시간이 쉽게 연산될 수 있다. 노출 종료 시에, 상기 노출 시간은, FLAG 신호가 하이인 경우 (TINT는 - TEN)이고 또는 FLAG 신호가 로우인 경우 TINT이다. 도 9 및 도 10은 양자의 경우들을 도시한다.
상기 SRST_CNT 신호는 1-비트 카운터로 간주될 수 있다.
기본 1-비트 카운터 대신에, 포화 검출기 회로는 n-비트 카운터를 포함하고 정보를 출력으로서 전달할 수 있다. 그러한 카운터를 사용하여, 절대값이 각각의 상대적인 값들에 추가로 검출기들(픽셀들)마다 알려진다.
이 실시예에서, ENCOMP 핀의 하이 레벨 지속 시간은, 슈미트 트리거대 대신 비교기 또는 인버터를 이용하여, 리셋 레벨이 초기의 것과 동일할 수 있도록 하는 방식으로 선택될 수 있다. 동기식 리셋 동안 VRESET 도달 할 수 없는 것과 같은, 슈미트 트리거 임계치 제한들이 극복된다.
제3 실시예가 도 11에 나타난다. 도 11은 동기 리셋 픽셀의 블록도를이나 최저 전압 검출부(11) 및 비교기(12) 모두에 연결된 ENCOMP 핀(14)이 추가된 블록도를 나타낸다.
도 12는 도 9와 동일한 입력 조건들을 나타낸다. 유일한 변화는 최저 전압 검출기(11) 및 비교기(12) 모두에 연결된 ENCOMP 핀(14)이다. DETX는, ENCOMP 신호가 하이인 경우에만, DET0, DET1, DET2 및 DET3 중 최저 전압을 복사한다. SRST 및 SRST_CNT 신호들에 대한 결과는 양 구성들에 대해 동일하다.
이들 제2 및 제3 실시예들은, ENCOMP 신호가 하이로 설정되는 경우에만 최저 전압 감지 및 비교가 이루어지기 때문에, 전류 절약의 이점을 갖는다. 실제로, 비교기(12)는 아날로그 "전압 비교기"로서 동작하고, 그것의 전류 소비는 그것의 입력 전압에 연계될 것이다. ENCOMP 핀(14)을 추가함으로써, ENCOMP 신호는 대부분의 시간에 비활성화되므로, 비교기(12) 및 때때로 최저 전압 검출기(11)는 ENCOMP 핀(14)이 없는 경우와 비교하여 현재 시간의 비율만을 소비할 것이다.
제4 실시예가 도 13에 나타나며, 여기서 ENCOMP 신호는 단일 펄스 대신에 클럭 신호에 의해 대체된다. 상기 클록은 펄스 트레인으로 간주되고 결과적으로 비교 처리가 더 자주 발생한다. 본 실시예는, 전압 크기가 아닌, 픽셀 검출기 노드들 사이의 상대적인 전압차들만을 필요로 하는 애플리케이션들에서 관심을 끈다. 그러한 애플리케이션은, 예를 들어, 여기에서 전술한 바와 같이 깊이 연산일 수 있다.
도 13에서, 2개의 포화들이 발생하고 SRST_CNT 신호는 제1 SRST 펄스가 나타나는 즉시 올라갔다. 이 예에서, 2개의 SRST 펄스들이 있었기 때문에, 1-비트 카운터는 충분하지 않다. 그러나, 2-비트 카운터의 집적은 SRST 이벤트들의 정확한 개수를 검색하기에 충분할 것이다. DET 노드들 사이의 상대적인 전압들은 정확하지만 절대 크기들은 2-비트 카운터의 도움 없이는 그러하지 않다. ToF의 맥락에서, 주어진 상대적인 측정치들은 파 픽셀 깊이 값 추정치들(estimates par pixel depth values)에 충분히 적합하다.
제5 실시예는 도 13의 제안된 동기 리셋 픽셀로 얻어진 최적화된 타이밍도들의 일례를 도시하는 도 14에 도시된다. 2개의 파라미터들(ENCOMP 신호 주기 및 VREF 기준 전압)이 노출 시간 동안에 변경되는 것을 알 것이다. ENCOMP 주기는 T에서 T/16으로 변동되고, 여기서 T는 기준 주기로 TINT의 절반과 동일할 수 있고, VREF 기준 전압은 2의 스케일로(in scale of 2) VRESET /2로부터 VRESET /32로 변동된다. 이러한 변동들의 목적은 노출 시간의 끝에서 신호 진폭을 최적화하는 것이다. 그러한 변동들은 최적화되고 전압이 선형 픽셀들의 노드들에서 강하된다는 사실에 기초한다. 최소 생성된 ENCOMP 주기 및 기준 전압은 T/16 보다 낮을 수 있고 심지어는 이상적으로 0을 향하는 경향을 가질 것이다. 이 기재는 기준 전압(VREF)에 대해서도 유효하다. ENCOMP 주기 및 기준 전압 값은 단순하게 선택하고 명확성을 위해 나타난 바와 같이 제공되었으나, 동일한 기능을 초래할 일부 다른 구성들(각각의 값들에 이득을 추가하는 것, 일정한 오프셋을 추가하는 것)도 분명히 찾을 수 있다.
제6 실시예는 도 15에 도시된다. 이 실시예에서, 기준 전압은 더 이상 변동되지 않고 VRESET /2로 일정하게 유지된다. ENCOMP 신호 주기는 여전히 변동된다. SRST 신호는 그것이 하이인 경우 여전히 모든 검출기 노드들의 리셋을 허용한다. 그러나, 이제 STOP_SRST 신호가 하이인 경우에만 SRST 신호를 금지하는 STOP_SRST 신호가 추가된다. ENCOMP 신호가 하이일 때, 노드 DETX가 기준 전압 VREF보다 낮은 경우 STOP_SRST 신호는 로우로 설정될 수 있고, 노드 DETX가 기준 전압 VREF보다 높은 경우 하이로 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 15에서, 처음에, STOP_SRST는 RESET 신호덕분에 로우로 설정된다. 이후, 시간 T1에서, ENCOMP 신호의 제1 펄스가 발생하고, DETX가 VREF보다 낮아, 그에 따라 STOP_SRST가 낮게 유지되고, 리셋을 트리거하도록 SRST가 허용된다. 시간 T2에서, 시간 T1에서와 동일한 조건들이 충족되고, 그에 따라 SRST 신호는 펄스를 생성한다. 그러나, 시간 T3에서, DETX가 VREF보다 높아, 그 결과 STOP_SRST 신호가 하이로 설정되고 이는 SRST 펄스를 금지한다. STOP_SRST 신호가 하이가 되면, 그것은 노출 시간 TINT이 끝날 때까지 하이를 유지한다. 검출기들은, 입사광이 전체 노출 시간 Tint 동안 일정함을 전제로 포화에 도달하지 않을 것이다.
클록 주기 및 기준 전압의 다른 구성들이 전술한 것과 유사한 결과들로 귀결될 수 있다. 실제로, 마진들(margins)이 기준 전압을 결정하기 위해 사용되어야 할 수 있다. 예를 들어, 초기 VREF는 VRESET/2 +/- VOFFSET 이 될 수 있다.
제7 실시예는 도 16에 소개된다. 이는 도 15에 비해 노드들 중 임의의 노드가 포화에 도달하는 것이 방지되는 이점을 갖는다. 그와 같이 함으로써, 임의의 종류의 블루밍 효과(blooming effect)가 방지된다. 검출기 포화 노드 중 적어도 하나가 포화되면 블루밍이 유도될 수 있으며, 이는 그것의 관련된 픽셀 웰 용량에 도달하고 임의의 여분의 광자들이 전하들로 하여금 인접 픽셀들의 웰로 이동하게끔 할 수 있음을 의미한다. 이 실시예에서는, 변동되지 않는 기준 전압이 사용되며 VRESET /2로 일정하게 유지된다. 이제 ENCOMP 신호는 일정한 주기를 갖는 클록으로서 사용된다. 2의 스케일로 T에서 T/16으로 변화하는 주기를 갖는 신호인 ENSRST로 불리우는 다른 신호가 있으며, T는 기준 주기로 TINT의 절반일 수 있다.
ENCOMP 신호가 하이이고 STOP_SRST 신호가 로우인 경우, 최저 전압 검출기는 인에이블되고 DETX는 검출기 노드들 중에서 최저 전압을 재복사(recopy)한다. ENCOMP 신호가 하이이고 STOP_SRST 신호가 로우인 경우, DETX 신호가 기준 전압 VREF보다 낮은 경우, 그에 따라 SRST 신호는 하이로 설정되고 이는 모든 검출기 노드들의 리셋을 허용한다. 반면에, ENCOMP 신호가 하이이고 STOP_SRST 신호가 로우인 경우, DETX 신호가 기준 전압 VREF보다 높은 경우, 그에 따라 SRST 신호는 로우로 설정된다. SRST 신호가 하이로 설정되면, 그것은 ENSRST 신호 상의 펄스가 수신될 때까지 하이로 유지될 것이다. STOP_SRST가 하이이면, 상기 최저 전압 검출기는 인에이블되지 않고, 따라서 DETX는 검출기 노드들 중에서 최저 전압을 재복사하지 않는다. STOP_SRST는 노출 시간의 초기에 로우로 설정된다. 그것은 ENSRST 상에 펄스가 발생했을 때 SRST이 로우일 때마다 하이로 설정된다. 그것이 하이로 설정되면, 그것은 노출 시간이 끝날 때까지 하이로 유지된다. 이것은 검출기 노드들이 노출 시간 끝에서 포화되지 않을 것임을 의미한다.
예를 들어, 도 16에서, 시간 T1에서, DETX가 기준 신호 VREF보다 낮으므로 SRST는 하이로 설정된다. 따라서, DET 노드들은 리셋되고 이는 임의의 검출기 노드가 포화되고 잠재적으로 그것의 픽셀 웰을 채우는 것을 방지하여, 그에 따라 블루밍이 방지된다. SRST는 시간 T2에서 발생하는 ENSRST 펄스를 수신할 때까지 하이로 유지될 것이다. 시간 T2에서, 다른 인테그레이션 위상이 발생하고 SRST가 하이 이므로 STOP_SRST는 로유를 유지한다. 이후, 다른 포화가 시간 T3에서 감지되고 SRST는 다시 한번 하이로 설정된다. SRST는 시간 T4에서 ENSRST 펄스에 의해 릴리스되고 인테그레이션 위상은 다시 시작하고 STOP_SRST는 여전히 로우를 유지한다. 시간 T5에서, T4와 T5 시간들 사이에 포화가 검출되지 않았기 때문에, ENSRST는 SRST를 릴리스할 필요가 없다. 따라서, STOP_SRST은 SRST이 로우이므로 하이로 설정된다. 따라서, 인테그레이션은 노출 시간 TINT이 끝날 때까지 계속될 것이다.
클록 주기 및 기준 전압의 다른 구성들이 여기에서 전술한 것과 유사한 결과들로 귀결될 수 있다. 실제로, 기준 전압을 결정하기 위해 마진들(margins)이 취해질 수 있다. 예를 들어, 초기 VREF는 VRESET/2 +/- VOFFSET 이 될 수 있다.
더욱 바람직한 실시예에서, 여기에 전술한 시스템 및 방법은 HDR 관점에서 구현될 수 있다. 실제로, HDR에서, 노드 레벨에서 입사광의 실제 절대값을 측정 또는 추정하는 것이 요구된다.
여기에 설명된 방법 및 장치는 노출 시간이 끝날 때 측정된 광에 상응하는, 유효하고, 의미있고, 신뢰할 수 있는 전압 크기를 얻을 수 있게 한다. 카운터를 로직에 연관시켜 그 노출 시간 동안 리셋들의 개수를 추적함으로써, HDR 구현에 적합한 절대값 전압 진폭을 측정하거나 얻는 것이 가능할 수 있다.
노드에서의 전압 강하의 선형성을 고려하고 입사광 전력을 시간에 따른 상수로서 고려하여, 절대값 HDR(high dynamic range) 측정치는 다음에 상응할 수 있다:
- 노드에서의 최종 전압 크기 측정치의 합으로서, 기준 전압과 동기 리셋 전압 사이의 차이에 상응하는 전압 크기 값에 동기 리셋의 횟수를 곱한 값이 추가됨 또는
- 카운트된 동기 리셋 개수를 아는 경우, 최종 노출 시간 동안 얻어진 최종 전압 크기 측정치의 외삽(=노출 시간의 알려진 비율)
명확성 목적을 위해, 본 설명서는 전술한 부분에서 TOF(Time-Of-Flight) 측정치 내 3D 이미지 센서에서의 깊이의 연산에 대하여 설명되었지만 본 발명은 그에 제한되지 않는다.
TOF 촬상기 이외에, 전술한 바와 같은 동기 리셋 픽셀이 종래의 촬상기들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 17 및 도 18은 제안된 신기술이 어떻게 표준 바이엘 매트릭스(그림 17) 또는 포베 기반 컬러 센싱 아키텍처 또는 임의의 다른 광 센싱 시스템과 같은 컬러 픽셀 매트릭스에 적용될 수 있는지를 나타낸다. 실제로, 예를 들어, 표준 바이엘 매트릭스 기반의 컬러 센서에서, 보통의 제2 그린 픽셀은 도 18에 도시된 바와 같이 나머지 컬러 픽셀: 블루, 그린, 및 레드의 포화를 감지는 것을 담당하는 동기 리셋 픽셀로 대체될 수 있다. 그린 픽셀에 더 많은 힘을 부여하고 제2 그린 픽셀의 손실을 보상하기 위하여, 일부 촬상기 프로세스 기술들은 예를 들어 광 파이프들, 양자 점 필름들 또는 마이크로-렌즈들과 같은 것들에 적용될 수 있다.
"깊이" 촬상기들에서, 제안된 동기 리셋 픽셀 시스템 및 방법은 픽셀들의 2가지의 가능한 구조를 도시하는 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 그것은 각각의 픽셀이 복수의 검출기 노드들 및 그들 검출기 노드들에서 포화가 검출되면 각각의 개별 픽셀의 노드들을 적어도 일부 리셋하도록 그들 노드들에서 전압들을 비교하기 위한 동기 리셋 회로를 포함할 수 있는 인-픽셀(in-pixel) 구조의 실시예로 확장될 수 있다. 선택적으로, 전술한 실시예의 인접 픽셀들은 시스템이 잠재적인 블루밍 효과를 겪는 것을 방지하도록 리셋될 수 있다. 제안된 동기 리셋 픽셀은 인접 입사광들을 모니터링하거나 전체 그룹에 대한 그것의 고유 입사를 모니터하는 것을 담당한다. 첫 번째 경우, 이들 인접 픽셀들이 포화되면, 전체 그룹은 동시에 리셋된다. 두 번째 경우, 중앙 픽셀이 포화되면, 전체 그룹은 동시에 리셋된다. 도 19에서, 하나의 동기 리셋 픽셀(SAT DET)에는 그룹별로 9개의 픽셀들이 배치되는 반면에, 도 20은 하나의 동기 리셋 픽셀(SAT DET)에는 그룹별로 5개의 픽셀들이 배치된다.
나아가, 동기 리셋 픽셀 로직이 더미 픽셀에 임베디드되어야 할 필요는 없다. 그것은 도 2의 회로 영역(2)의 부분일 수 있다. 실제로, 동기 리셋 로직은 도 21에 도시된 회로 영역 내로 집적될 수도 있다. 도 21은 구체적인 구성을 나타내지만 당연히 아주 더 많은 구성들이 가능하다.

Claims (20)

  1. 노출 시간(TINT) 동안 검출기(3) 및 검출기 노드(20)를 각각 갖는 픽셀들의 그룹 내 픽셀 포화를 방지하기 위한 방법으로서,
    - 픽셀들의 포화에 도달하지 않는 기준 전압을 미리 결정하는 단계;
    - 상기 노출 시간 동안 각각의 픽셀의 상기 검출기 노드의 전압을 상기 미리 결정된 기준 전압과 비교하는 단계; 및
    - 상기 픽셀들 중 단지 하나의 상기 검출기 노드(20)에서의 전압이 상기 미리 결정된 기준 전압에 도달하는 경우, 상기 그룹의 모든 픽셀들의 상기 검출기들의 동기 리셋을 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    모든 픽셀들의 상기 검출기들의 상기 리셋은, 적어도 하나의 허가 신호에 의해, 상기 노출 시간(TINT) 동안 허가되는, 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 허가 신호는 모든 픽셀들의 상기 검출기들의 상기 리셋을 단지 한번 허가하는 인에이블 신호(ENCOMP)인, 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 허가 신호는 모든 픽셀들의 상기 검출기들의 상기 리셋을 적어도 한번 허가하는 픽셀 클록 신호인, 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 픽셀 클록 신호는 상기 노출 시간(TINT) 동안 변동하는 주기를 갖는, 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 픽셀 클록 신호의 상기 변동가능 주기는 미리 결정된 요소(α)만큼 연속적으로 감소되어, 검출기 노드들에서의 전압이 상기 미리 결정된 기준 전압에 도달할 때 모든 픽셀들의 상기 검출기들의 상기 리셋이 인에이블되는 일련의 발생들이 형성되는, 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 미리 결정된 요소(α)는 2이고, 픽셀 클록 신호의 상기 변동가능 주기는 미리 결정된 단속 유한수까지 순차적으로 TINT/2, TINT/4, TINT/8, TINT/16, 및 TINT/32가 되는, 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전압은 변동 전압인, 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 임계 전압 레벨은 미리 결정된 요소(β)만큼 연속적으로 감소되는, 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 미리 결정된 요소(β)는 2이고, 상기 변동가능 임계 전압 레벨은 단속 유한수까지 순차적으로 VRESET, VRESET/2, VRESET/4, VRESET/8, VRESET/16, 및 VRESET/32가 되는, 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동기 리셋은, 포화에 도달하지 않은 때 상기 노출 시간이 끝날 때까지 STOP 리셋 신호(STOP_SRST)에 의해 금지되는, 방법.
  12. 청구항 3 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 ENCOMP 신호는 인에이블 신호(ENSRST) 펄스가 수신될 때까지 픽셀들의 상기 검출기들을 리셋하는 것을 유지하는, 방법.
  13. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 포화가 발생하면 신호 리셋 카운터(SRST_CNT)가 하이로 설정되는, 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 SRSNT_CNT 신호는 포화들의 발생 개수를 카운트하는 n-비트 카운터인, 방법.
  15. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    픽셀들의 상기 그룹은 적어도 2개의 픽셀들을 포함하는, 방법.
  16. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
    절대값 높은 동적 범위 측정값들은, i) 상기 노출 시간의 끝에서 상기 픽셀들의 상기 검출기 노드들에서의 상기 전압 및 ii) 카운트된 포화들의 발생 수에 기초하여 추정되는, 방법.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    절대값 높은 동적 범위 측정값들은, i) 상기 노출 시간의 끝에서 상기 픽셀들의 상기 검출기 노드들에서의 상기 전압 및 ii) 상기 노출 시간 동안 마지막 리셋이 발생된 시간의 발생에 기초하여 추정되는, 방법.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 따른 방법의 구현을 위한 동기 리셋 픽셀 장치로서,
    - 픽셀들의 그룹으로서, 그들 각각은 검출기 노드(20)에 연결된 광에 감응하는 검출기(3), 리셋 트랜지스터(4), 소스-폴로워 판독 트랜지스터(5) 및 선택 트랜지스터(6)를 포함하는, 픽셀들의 그룹;
    - 픽셀들의 상기 검출기 노드(20) 각각에서 전압 변화를 감지하고 포화된 픽셀을 출력하는 적어도 하나의 전압 검출기(11);
    - 상기 픽셀들의 상기 포화에 도달하지 않도록 하는 미리 결정된 임계 전압이 제공되어 상기 미리 결정된 임계 전압과 상기 픽셀들의 상기 검출기 노드(20)에서의 상기 전압을 비교하는 비교 수단;
    - 주어진 노출 시간(TINT) 동안 픽셀들의 검출기들의 리셋을 허가하는 수단;
    - 상기 노출 시간(TINT) 동안 포화들의 발생 수를 카운트하는 수단을 포함하는, 장치.
  19. 촬상기로서,
    청구항 18에 따른 동기 리셋 픽셀 장치; 및
    상기 장치에 연결된 픽셀들의 매트릭스를 포함하는, 촬상기.
  20. 청구항 19에 있어서,
    비행-시간 측정값들(Time-Of- Flight measurements)을 위한 수단을 더 포함하는, 촬상기.
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