WO2024071506A1 - 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서 및 이의 구동 방법 - Google Patents

단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서 및 이의 구동 방법 Download PDF

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WO2024071506A1
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pulses
photon avalanche
avalanche diode
image sensor
counter
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PCT/KR2022/016336
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채영철
박병철
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연세대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present disclosure relates to a single-photon avalanche diode-based image sensor and a method of driving the same.
  • the present invention is a government-wide government-wide medical device research and development project of the government-wide government-wide medical device research and development project - government-wide government-wide medical device research and development project - government-wide medical device research and development project (task number: 1711138024, detailed task) Number: RS-2020-KD000048, Research project name: Development of a 20 x 20cm large-area Hybrid It was derived from a study conducted as part of .01 ⁇ 2022.12.31). Meanwhile, there is no property interest of the Korean government in any aspect of the present invention.
  • Single-Photon Avalanche Diode is a sensing technology that detects tiny light signals at the photon level.
  • single-photon avalanche diodes use avalanche multiplication to amplify a single incident photon, so their sensitivity is very high, making it very easy to photograph dark places.
  • a single-photon avalanche diode-based image sensor that reduces power consumption by estimating the number of total pulses (i.e., total photons) using the overflow point of the counter is provided. provided.
  • an image sensor based on a single photon avalanche diode is a single photon avalanche diode (SPAD) that generates a plurality of pulses corresponding to each of a plurality of photons received during a predetermined exposure time.
  • Diode Diode
  • a front-end circuit for receiving a set of pulses received for a portion of the exposure time among the plurality of pulses
  • a counter for counting the number of pulses in the pulse set, wherein the endpoint of the portion of time is the number of pulses in the pulse set. It can be based on the overflow point of the counter that counts.
  • the counter may count the number of clock pulses obtained through the front-end circuit during the exposure time after the overflow point.
  • each time point of the plurality of clock pulses for the exposure time may be configured to include at least one shape of a logarithmic function, a linear function, or a square-root function. there is.
  • the single-photon avalanche diode-based image sensor may further include a global clock that provides a plurality of clock pulses to the front-end circuit after the overflow point.
  • the total number of clock pulses generated by the global clock during the exposure time may be configured to be equal to the number of pulses in the pulse set received during a portion of the time.
  • a single-photon avalanche diode-based image sensor uses a first clock pulse generated by a global clock before the overflow point and a second clock pulse generated by the global clock after the overflow point. It may further include a processor that calculates the total number of photons received in the single-photon avalanche diode during the exposure time.
  • the processor may calculate the total number using a lookup table associated with the global clock.
  • a single-photon avalanche diode-based image sensor includes a counter of N bits, the value of one of the N bits is associated with an overflow point, and a counter excluding one of the N bits is used.
  • the remaining plurality of bits may be associated with a value obtained by counting a plurality of pulses.
  • a single-photon avalanche diode-based image sensor driving method includes receiving a plurality of photons for at least a portion of a predetermined exposure time by a single-photon avalanche diode, a single-photon avalanche diode generating a plurality of pulses corresponding to each of the plurality of photons by, receiving the plurality of pulses by a front-end circuit, and counting the plurality of pulses by a counter, wherein an endpoint of at least some time may be configured to be based on the overflow time of a counter counting a plurality of pulses.
  • a computer-readable non-transitory recording medium on which a program for executing a single-photon avalanche diode-based image sensor driving method is recorded may be provided.
  • the power consumed by the counter is significantly reduced by counting only a portion of the total photons accommodated in the single-photon avalanche and estimating the total number of photons using the overflow point of the counter. You can save money.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a single-photon avalanche diode-based image sensor according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a graph illustrating a method of calculating the total number of photons received in a single-photon avalanche diode-based image sensor according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a graph showing clock pulses of a global clock provided to provide clock pulse(s) to a front-end circuit according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 1 is a block diagram showing the configuration of a single-photon avalanche diode-based image sensor 100 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the image sensor 100 can generate an image by receiving a plurality of photons from the outside and counting the number of photons received. At this time, the image sensor 100 may consume a significant amount of power to count photon(s).
  • the present disclosure provides an image sensor 100 that saves power consumption by counting photons only up to a predetermined number and estimating the total number of photons received using information about when the counting ends.
  • the image sensor 100 may include at least one of a single-photon avalanche diode 110, a front-end circuit 120, and a counter 130.
  • the single-photon avalanche diode 110 may receive a plurality of photons from the outside and generate a plurality of pulses corresponding to each of the received photons. For example, when N pulses (where N is a natural number) are accommodated in the single-photon avalanche diode 110, the single-photon avalanche diode 110 can generate N pulses. The generated plurality of pulses can then be transmitted to the front-end circuit.
  • the single-photon avalanche diode 110 may receive a plurality of photons from the outside during a predetermined exposure time and generate a plurality of pulses corresponding to each of the received photons. For example, when the single-photon avalanche diode 110 receives N pulses from 0 [ms] to 16 [ms] (where N is a natural number), the single-photon avalanche diode 110 generates N pulses. can do. Then, at least a portion of the plurality of pulses generated may be transmitted to the front-end circuit.
  • Front-end circuit 120 may receive a plurality of pulses generated by single-photon avalanche diode 110.
  • the plurality of pulses may refer to the plurality of pulses received in the single-photon avalanche diode 110 during the exposure time.
  • N where N is a natural number
  • the front-end circuit 120 is a single-photon avalanche diode.
  • N pulses can be received from (110).
  • front-end circuit 120 may receive at least some of the plurality of pulses generated by single-photon avalanche diode 110.
  • the front-end circuit 120 performs TOF from 0 [ms]. It is possible to receive NOF pulses (here, NOF ⁇ N) accommodated up to [ms] (here, TOF ⁇ 16).
  • NOF pulses here, NOF ⁇ N
  • the front-end circuit 120 may receive a plurality of clock pulses generated from an external device (eg, a global clock).
  • the plurality of clock pulses may refer to a plurality of clock pulses generated during the exposure time.
  • the front-end circuit 120 may receive M clock pulses from 0 [ms] to 16 [ms].
  • front-end circuit 120 may receive a plurality of clock pulses generated during a portion of the total exposure time.
  • the front-end circuit 120 may receive a clock pulse generated between TOF [ms] and 16 [ms] of the exposure time from 0 [ms] to 16 [ms].
  • the front-end circuit 120 may receive a clock pulse generated between 0 [ms] and TOF [ms] during an exposure time of 0 [ms] to 16 [ms].
  • the front-end circuit 120 may begin receiving a plurality of clock pulses generated by an external device in response to a signal received from the counter 130.
  • the signal received from counter 130 may refer to a signal generated in response to counter 130 overflowing. More specifically, the signal received from counter 130 is in response to counter 130 overflowing, which is counting a plurality of pulses received from single-photon avalanche diode 110 via front-end circuit 120. It may refer to a signal transmitted to the front-end circuit 120.
  • the N-bit counter 130 uses N-1 bits from 0 [ms] through the front-end circuit 120.
  • the front-end circuit 120 receives a plurality of pulses from the single-photon avalanche diode 110 from 0 [ms] to before TOF [ms], and from an external device from after TOF [ms] to 16 [ms]. Multiple clock pulses can be received from.
  • the counter 130 can count the number of pulse(s) input to the front-end circuit 120.
  • the counter 130 may count the number of pulses of a plurality of pulses input to the front-end circuit 120 from the single-photon avalanche diode 110 from 0 [ms] to before TOF [ms]. .
  • the counter 130 may count the number of clock pulses input to the front-end circuit 120 from TOF [ms] to 16 [ms].
  • the image sensor 100 may further include a global clock (not shown) that generates the above-described clock pulse.
  • the total number of clock pulses generated by the global clock during the exposure time is just before the N-bit counter 130 (at this time, only N-1 bits of the counter 130 are used for counting) overflows. It may be the same as the number of pulses counted up to (i.e., before TOF [ms] in the above-described example). That is, when the N-bit counter 130 is used, the total number of clock pulses generated by the global clock during the exposure time can be set in advance to 2 (N-1). A detailed description of this is provided later in FIG. 3 .
  • the image sensor 100 is shown to include one single-photon avalanche diode 110, but the present invention is not limited thereto. That is, the image sensor 100 may include a plurality of single-photon avalanche diodes.
  • the front-end circuit 120 may be connected to a plurality of single-photon avalanche diodes disposed in each of a plurality of pixels.
  • FIG. 2 is a graph 200 for explaining a method of calculating the total number of photons received in a single-photon avalanche diode-based image sensor (eg, image sensor 100) according to an embodiment of the present disclosure.
  • a counter provided for counting pulses generated by a single-photon avalanche diode e.g., single-photon avalanche diode 110
  • a global clock e.g., counter 130
  • the TOF of FIG. 2 indicates the point in time when the counter overflows as a result of counting a plurality of pulses received from the single-photon avalanche diode.
  • the counter counts only 2 (N-1) pulses generated by the single-photon avalanche diode during the time between 0 and TOF in order to save power consumption.
  • NPH total number of photons
  • FIG. 3 is a graph 300 showing clock pulses of a global clock provided to provide clock pulse(s) to a front-end circuit according to an embodiment of the present disclosure.
  • a counter provided for counting pulses generated by a single-photon avalanche diode (e.g., single-photon avalanche diode 110) and/or a global clock (e.g., counter 130) is composed of N bits, and N It is assumed that only -1 bit is used for counting.
  • TOF and TEXP like TOF and TEXP in FIG. 2, represent the time when the counter overflows and the time when the single-photon avalanche diode is exposed to the light source, respectively.
  • the total number of clock pulses (M) generated during the exposure time is the number of plural pulses generated by the single-photon avalanche diode between 0 and TOF (i.e., 2(N-1) is set the same as (dog).
  • the timings of each of the total clock pulses are set to include at least one of a logarithmic function, a linear function, or a square-root function with respect to the exposure time.
  • clock pulses between 0 and TOF may be provided in the form of a linear function
  • clock pulses between TOF and TEXP may be provided in the form of a logarithmic function.
  • the timing of each of all clock pulses has a predetermined value based on the shape of the selected function. Accordingly, the time point (Tn) of the latest clock pulse before TOF can be calculated using the sequence number (here, n+1) and time point (Tn+1) of the clock pulse that occurred first after TOF. At this time, since the counter overflow occurs between Tn and Tn+1, TOF is a random value between NOF*(TEXP/Tn) and NOF*(TEXP/Tn+1) as shown in Equation 2 below. It can be estimated.

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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따르면, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서는 사전 결정된 노출 시간 동안 수용되는 복수의 포톤 각각에 대응하는 복수의 펄스를 생성하는 단광자 애벌런치 다이오드(SPAD, Single Photon Avalanche Diode), 복수의 펄스 중 노출 시간 내 일부 시간 동안 수신된 펄스 세트를 수신하는 프론트-엔드 회로 및 펄스 세트 내 펄스의 개수를 카운팅하는 카운터를 포함하고, 일부 시간의 종점은 펄스 세트 내 펄스의 개수를 카운팅한 카운터의 오버플로우 시점에 기초할 수 있다.

Description

단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서 및 이의 구동 방법
본 개시는 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 정부-기타정부기관-범부처-범부처전주기의료기기연구개발사업-범부처전주기의료기기연구개발사업 (과제고유번호: 1711138024, 세부과제번호: RS-2020-KD000048, 연구과제명: Global Shutter 기반의 20 x 20cm 대면적 Hybrid X선 동영상 검출기 개발(2/2단계)(1/2), 주관기관: 주식회사 레이언스, 연구기간: 2022.03.01 ~ 2022.12.31)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. 한편, 본 발명의 모든 측면에서 한국 정부의 재산 이익은 없다.
단광자 애벌런치 다이오드(SPAD; Single-Photon Avalanche Diode)는 포톤 수준의 미미한 빛 신호를 감지하는 센싱 기술이다. 특히, 단광자 애벌런치 다이오드는 입사한 하나의 포톤을 증폭시키는 애벌런치 증배를 이용하기 때문에 감도가 매우 높아 어두운 곳을 촬영하는 데에도 매우 용이하다.
한편, 이러한 단광자 애벌런치 다이오드에서 포톤에서는 포톤에 의해 생성된 트리거 펄스를 카운팅하는 동작이 요구된다. 그러나, 많은 수의 포톤을 카운팅하기 위해서는 많은 비트수의 카운터를 사용하는 경우, 회로의 규모가 커져 소비 전력이 증가하는 과제가 발생한다.
본 개시에서는 상술한 문제를 해결하기 위하여 카운터의 오버플로우 시점을 이용하여 전체 펄스들(즉, 전체 포톤들)의 수를 추정하는 방식으로 소비 전력을 감소시키는 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서가 제공된다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서는 사전 결정된 노출 시간 동안 수용되는 복수의 포톤 각각에 대응하는 복수의 펄스를 생성하는 단광자 애벌런치 다이오드(SPAD, Single Photon Avalanche Diode), 복수의 펄스 중 노출 시간 내 일부 시간 동안 수신된 펄스 세트를 수신하는 프론트-엔드 회로 및 펄스 세트 내 펄스의 개수를 카운팅하는 카운터를 포함하고, 일부 시간의 종점은 펄스 세트 내 펄스의 개수를 카운팅한 카운터의 오버플로우 시점에 기초할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 카운터는 오버플로우 시점 이후의 노출 시간 동안 프론트-엔드 회로를 통해 획득된 복수의 클락 펄스의 개수를 카운팅할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 노출 시간에 대한 복수의 클락 펄스 각각의 시점들은 로그(log) 함수, 리니어(linear) 함수 또는 스퀘어-루트(square-root) 함수 중 적어도 하나의 형상을 포함하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서는 오버플로우 시점 이후부터 프론트-엔드 회로에 복수의 클락 펄스를 제공하는 글로벌 클락을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 글로벌 클락이 노출 시간 동안 생성한 전체 클락 펄스들의 개수는 일부 시간 동안 수신된 펄스 세트 내 펄스의 개수와 동일하게 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서는 오버플로우 시점 이전에 글로벌 클락에 의해 생성된 제1 클락 펄스 및 오버플로우 시점 이후에 글로벌 클락에 의해 생성된 제2 클락 펄스를 이용하여 노출 시간 동안 단광자 애벌런치 다이오드에 수용된 복수의 포톤의 총 개수를 산출하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 프로세서는 글로벌 클락과 연관된 룩업 테이블을 이용하여 총 개수를 산출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서는 카운터는 N비트의 카운터를 포함하고, N비트 중 하나의 비트의 값은 오버플로우 시점과 연관되고, N비트 중 하나의 비트를 제외한 나머지 복수의 비트는 복수의 펄스를 카운팅한 값과 연관될 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서 구동 방법은 단광자 애벌런치 다이오드에 의해 사전 결정된 노출 시간 중 적어도 일부 시간동안 복수의 포톤을 수용하는 단계, 단광자 애벌런치 다이오드에 의해 복수의 포톤 각각에 대응하는 복수의 펄스를 생성하는 단계, 프론트-엔드 회로에 의해 복수의 펄스를 수신하는 단계 및 카운터에 의해 복수의 펄스를 카운팅하는 단계를 포함하고, 적어도 일부 시간의 종점은 복수의 펄스를 카운팅한 카운터의 오버플로우 시점에 기초하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서 구동 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 비일시적 기록매체가 제공될 수 있다.
본 개시의 일부 실시예에 따르면 단광자 애벌런치에 수용되는 전체 포톤들 중 일부만을 카운팅하고, 카운터의 오버 플로우 시점을 활용하여 전체 포톤들의 수를 추정하는 방식을 통해 카운터에 의해 소비되는 전력을 대폭 절감할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서에 수용된 전체 포톤들의 수를 산출하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 프론트-엔드 회로에 클락 펄스(들)을 제공하기 위하여 마련된 글로벌 클락의 클락 펄스들을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응되는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 통상의 기술자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 복수의 표현은 문맥상 명백하게 복수인 것으로 특정하지 않는 한, 단수의 표현을 포함한다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서(100)의 구성을 나타내는 블록도이다. 간단하게, 이미지 센서(100)는 외부로부터 복수의 포톤(Photon)을 수용하고, 수용된 복수의 포톤(Photon)의 수를 카운팅하는 방식으로 이미지를 생성할 수 있다. 이 때, 이미지 센서(100)는 포톤(들)을 카운팅하는 데에 상당한 양의 전력을 소모할 수 있다. 이를 위해, 본 개시에서는 미리 결정된 개수 까지만 포톤을 카운팅 하고, 해당 카운팅이 끝나는 시점에 대한 정보를 이용하여 수용된 전체 포톤들의 수를 추정하는 방식으로 소비 전력을 절감하는 이미지 센서(100)가 제공된다. 도시된 바와 같이, 이미지 센서(100)는 단광자 애벌런치 다이오드(110), 프론트-엔드 회로(120) 및 카운터(130) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
단광자 애벌런치 다이오드(110)는 외부로부터 복수의 포톤을 수용하고, 수용된 복수의 포톤 각각에 대응하는 복수의 펄스를 생성할 수 있다. 예를 들어, 단광자 애벌런치 다이오드(110)에 N개의(여기서, N은 자연수)이 수용되는 경우, 단광자 애벌런치 다이오드(110)는 N개의 펄스를 생성할 수 있다. 그리고 나서, 생성된 복수의 펄스는 프론트-엔드 회로로 전송될 수 있다.
단광자 애벌런치 다이오드(110)는 사전 결정된 노출 시간 동안 외부로부터 복수의 포톤을 수용하고, 수용된 복수의 포톤 각각에 대응하는 복수의 펄스를 생성할 수 있다. 예를 들어, 단광자 애벌런치 다이오드(110)에 0[ms]부터 16[ms]까지 N개의(여기서, N은 자연수)이 수용된 경우, 단광자 애벌런치 다이오드(110)는 N개의 펄스를 생성할 수 있다. 그리고 나서, 생성된 복수의 펄스의 적어도 일부는 프론트-엔드 회로로 전송될 수 있다.
프론트-엔드 회로(120)는 단광자 애벌런치 다이오드(110)에 의해 생성된 복수의 펄스를 수신할 수 있다. 이 경우, 복수의 펄스는 노출 시간 동안 단광자 애벌런치 다이오드(110)에 수용된 복수의 펄스를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 프론트-엔드 회로(120)는 단광자 애벌런치 다이오드(110)에 0[ms]부터 16[ms]까지 N개의(여기서, N은 자연수) 포톤이 수용된 경우, 단광자 애벌런치 다이오드(110)로부터 N개의 펄스를 수신할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프론트-엔드 회로(120)는 단광자 애벌런치 다이오드(110)에 의해 생성된 복수의 펄스 중 적어도 일부의 펄스를 수신할 수 있다. 예를 들어, 프론트-엔드 회로(120)는 단광자 애벌런치 다이오드(110)에 0[ms]부터 16[ms]까지 N개의(여기서, N은 자연수)이 수용된 경우, 0[ms]부터 TOF[ms](여기서, TOF<16)까지 수용된 NOF개(여기서, NOF<N)의 펄스를 수신할 수 있다. 다른 예를 들어, 프론트-엔드 회로(120)는 단광자 애벌런치 다이오드(110)에 0[ms]부터 16[ms]까지 N개의(여기서, N은 자연수)이 수용된 경우, TOF1[ms]부터 TOF2[ms](여기서, 0<TOF1<TOF2<=16)까지 수용된 NOF개(여기서, NOF<N)의 펄스를 수신할 수 있다.
프론트-엔드 회로(120)는 외부 장치(예를 들어, 글로벌 클락)에서 생성된 복수의 클락 펄스를 수신할 수 있다. 이 경우, 복수의 클락 펄스는 노출 시간 동안 생성된 복수의 클락 펄스를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 프론트-엔드 회로(120)는 0[ms]부터 16[ms]까지 M개의 클락 펄스를 수신할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프론트-엔드 회로(120)는 전체 노출 시간 중 일부 시간 동안 생성된 복수의 클락 펄스를 수신할 수 있다. 예를 들어, 프론트-엔드 회로(120)는 0[ms]부터 16[ms]까지의 노출 시간 중 TOF[ms] 이후 부터 16[ms] 사이에 생성된 클락 펄스를 수신할 수 있다. 다른 예를 들어, 프론트-엔드 회로(120)는 0[ms]부터 16[ms]까지의 노출 시간 중 0[ms] 부터 TOF[ms] 사이에 생성된 클락 펄스를 수신할 수 있다.
프론트-엔드 회로(120)는 카운터(130)로부터 수신된 신호에 응답하여, 외부 장치에서 생성된 복수의 클락 펄스를 수신하는 것을 개시할 수 있다. 이 경우, 카운터(130)로부터 수신된 신호는 카운터(130)가 오버플로우되는 것에 응답하여 생성된 신호를 지칭할 수 있다. 보다 상세하게, 카운터(130)로부터 수신된 신호는 프론트-엔드 회로(120)를 통해 단광자 애벌런치 다이오드(110)로부터 수신된 복수의 펄스를 카운팅 중인 카운터(130)가 오버플로우되는 것에 응답하여 프론트-엔드 회로(120)로 전송한 신호를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 노출 시간이 0[ms]부터 16[ms]까지인 경우, N비트의 카운터(130)는 0[ms]부터 N-1개의 비트를 이용하여 프론트-엔드 회로(120)를 통해 단광자 애벌런치 다이오드(110)로부터 수신된 2(N-1)개의 펄스를 카운팅한 후 오버플로우될 수 있다. 이 경우, 카운터(130)의 N비트 중 카운팅에 이용되지 않은 나머지 하나의 비트에 오버플로우를 나타내는 값이 입력되고, 이에 응답하여 카운터(130)는 TOF[ms]에 프론트-엔드 회로(120)로 신호를 전송할 수 있다. 그리고 나서, 프론트-엔드 회로(120)는 카운터(130)로부터 수신된 신호에 응답하여, 단광자 애벌런치 다이오드(110)로부터 펄스를 수신하는 것을 중단하고, 외부 장치로부터 클락 펄스를 수신하는 것을 개시할 수 있다. 즉, 프론트-엔드 회로(120)는 0[ms]부터 TOF[ms] 이전까지 단광자 애벌런치 다이오드(110)로부터 복수의 펄스를 수신하고, TOF[ms] 이후부터 16[ms]까지 외부 장치로부터 복수의 클락 펄스를 수신할 수 있다.
카운터(130)는 프론트-엔드 회로(120)에 입력되는 펄스(들)의 개수를 카운팅할 수 있다. 예를 들어, 카운터(130)는 0[ms]부터 TOF[ms] 이전까지 단광자 애벌런치 다이오드(110)로부터 프론트-엔드 회로(120)에 입력된 복수의 펄스의 펄스 개수를 카운팅할 수 있다. 추가적 또는 대안적 예시로서, 카운터(130)는 TOF[ms] 이후부터 16[ms]까지 프론트-엔드 회로(120)에 입력된 복수의 클락 펄스의 개수를 카운팅할 수 있다.
한편, 도 1에는 도시되지 않았으나 이미지 센서(100)는 상술한 클락 펄스를 생성하는 글로벌 클락(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 글로벌 클락이 노출 시간 동안 생성한 전체 클락 펄스들의 개수는, N비트의 카운터(130)(이 때, 카운터(130)의 N-1개의 비트만이 카운팅에 사용됨)가 오버플로우 되기 직전까지(즉, 상술한 예시에서 TOF[ms] 이전까지) 카운팅한 복수의 펄스의 개수와 동일할 수 있다. 즉, N비트의 카운터(130)가 사용되는 경우 글로벌 클락이 노출 시간 동안 생성한 전체 클락 펄스들의 개수는 2(N-1)개로 사전에 설정될 수 있다. 이에 관한 상세한 설명은 도 3에 후술된다.
또한, 도 1에서는 설명의 편의를 위하여 이미지 센서(100)에 하나의 단광자 애벌런치 다이오드(110)가 포함되는 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않는다. 즉, 이미지 센서(100)는 복수의 단광자 애벌런치 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프론트-엔드 회로(120)는 복수의 픽셀 각각에 배치된 복수의 단광자 애벌런치 다이오드와 연결될 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서(예: 이미지 센서(100))에 수용된 전체 포톤들의 수를 산출하는 방법을 설명하기 위한 그래프(200)이다. 여기서, 단광자 애벌런치 다이오드(예: 단광자 애벌런치 다이오드(110)) 및/또는 글로벌 클락에 의해 생성된 펄스를 카운팅하기 위하여 마련된 카운터(예: 카운터(130))는 N비트로 구성되며, N-1비트 만이 카운팅에 이용되는 것으로 가정한다. 또한, 도 2의 TOF는 카운터가 단광자 애벌런치 다이오드로부터 수신되는 복수의 펄스를 카운팅한 결과 오버플로우된 시점을 나타낸다.
도 1에서 상술한 바와 같이 카운터는 소비 전력을 절약하기 위하여 0 부터 TOF 사이의 시간 동안 단광자 애벌런치 다이오드에 의해 생성된 2(N-1)개의 펄스만을 카운팅하게 된다. 이 경우, 이미지 센서가 광원에 노출되는 시간 TEXP는 사전에 결정된 값을 가지므로, 하기 수학식 1에 따라 이미지 센서가 노출 시간동안 수용한 전체 포톤들의 수(NPH)를 산출할 수 있다. 이 경우, NPH/NOF 만큼 포톤(들)을 카운팅하는 전력을 절약할 수 있게 된다. NOF는 광원에 대한 이미지 센서의 노출이 개시된 시점부터 카운터가 오버플로우 되는 시점까지 이미지 센서가 수용한 포톤들의 수를 의미한다. 한편, 수학식 1을 이용하여 전체 포톤들의 수(NPH)를 산출하기 위해서는 우선 카운터가 오버플로우 된 시점을 나타내는 TOF를 알아야 한다. TOF를 추정하는 방법은 도 3에 후술된다.
Figure PCTKR2022016336-appb-img-000001
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 프론트-엔드 회로에 클락 펄스(들)을 제공하기 위하여 마련된 글로벌 클락의 클락 펄스들을 나타내는 그래프(300)이다. 마찬가지로, 단광자 애벌런치 다이오드(예: 단광자 애벌런치 다이오드(110)) 및/또는 글로벌 클락에 의해 생성된 펄스를 카운팅하기 위하여 마련된 카운터(예: 카운터(130))는 N비트로 구성되며, N-1비트 만이 카운팅에 이용되는 것으로 가정한다. 또한, TOF 및 TEXP는 도 2의 TOF 및 TEXP와 같이 각각 카운터가 오버플로우된 시점 및 단광자 애벌런치 다이오드가 광원에 노출되는 시간을 나타낸다.
도 1에서 상술한 바와 같이, 노출 시간 동안 생성된 전체 클락 펄스들의 개수(M)는 0부터 TOF 사이에 단광자 애벌런치 다이오드에 의해 생성된 복수의 펄스들의 개수(즉, 2(N-1)개)와 동일하게 설정된다. 또한, 전체 클락 펄스들 각각의 시점(timing)들은 노출 시간에 대하여 로그(log) 함수, 리니어(linear) 함수 또는 스퀘어-루트(square-root) 함수 중 적어도 하나의 함수를 포함하도록 설정된다. 예를 들어, 0부터 TOF 사이의 클락 펄스들은 리니어 함수 형태로 제공되고, TOF부터 TEXP 사이의 클락 펄스들은 로그 함수 형태로 제공될 수 있다. 즉, 전체 클락 펄스들 각각의 시점은 선택된 함수의 형상에 기초하여 사전 결정된 값을 갖게 된다. 이에 따라, TOF 이후 가장 먼저 발생한 클락 펄스의 순번(여기서, n+1) 및 시점(Tn+1)을 이용하여 TOF 이전 가장 늦게 발생한 클락 펄스의 시점(Tn)을 산출할 수 있다. 이 때, 카운터의 오버플로우는 Tn과 Tn+1 사이의 시점에 발생하므로, TOF는 하기 수학식 2와 같이 NOF*(TEXP/Tn)과 NOF*(TEXP/Tn+1) 사이의 임의의 값으로 추정될 수 있다.
Figure PCTKR2022016336-appb-img-000002
본 개시의 앞선 설명은 통상의 기술자들이 본 개시를 행하거나 이용하는 것을 가능하게 하기 위해 제공된다. 본 개시의 다양한 수정예들이 통상의 기술자들에게 쉽게 자명할 것이고, 본원에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 취지 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형예들에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 개시는 본원에 설명된 예들에 제한되도록 의도된 것이 아니고, 본원에 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위가 부여되도록 의도된다.
본 명세서에서는 본 개시가 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에서 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.

Claims (10)

  1. 사전 결정된 노출 시간 동안 수용되는 복수의 포톤 각각에 대응하는 복수의 펄스를 생성하는 단광자 애벌런치 다이오드(SPAD; Single Photon Avalanche Diode);
    상기 복수의 펄스 중 상기 노출 시간 내 일부 시간 동안 수신된 펄스 세트를 수신하는 프론트-엔드 회로; 및
    상기 펄스 세트 내 펄스의 개수를 카운팅하는 카운터
    를 포함하고,
    상기 일부 시간의 종점은 상기 펄스 세트 내 펄스의 개수를 카운팅한 상기 카운터의 오버플로우 시점에 기초하는, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카운터는 상기 오버플로우 시점 이후의 상기 노출 시간 동안 상기 프론트-엔드 회로를 통해 획득된 복수의 클락 펄스의 개수를 카운팅하는, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 노출 시간에 대한 상기 복수의 클락 펄스 각각의 시점들은 로그(log) 함수, 리니어(linear) 함수 또는 스퀘어-루트(square-root) 함수 중 적어도 하나의 형상을 포함하도록 구성되는, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오버플로우 시점 이후부터 상기 프론트-엔드 회로에 복수의 클락 펄스를 제공하는 글로벌 클락
    을 더 포함하는, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 글로벌 클락이 상기 노출 시간 동안 생성한 전체 클락 펄스들의 개수는 상기 일부 시간 동안 수신된 상기 펄스 세트 내 펄스의 개수와 동일하게 구성되는, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 오버플로우 시점 이전에 상기 글로벌 클락에 의해 생성된 제1 클락 펄스 및 상기 오버플로우 시점 이후에 상기 글로벌 클락에 의해 생성된 제2 클락 펄스를 이용하여 상기 노출 시간 동안 상기 단광자 애벌런치 다이오드에 수용된 복수의 포톤의 총 개수를 산출하는 프로세서
    를 더 포함하는, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 글로벌 클락과 연관된 룩업 테이블을 이용하여 상기 총 개수를 산출하는, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카운터는 N비트의 카운터를 포함하고,
    상기 N비트 중 하나의 비트의 값은 상기 오버플로우 시점과 연관되고, 상기 N비트 중 상기 하나의 비트를 제외한 나머지 복수의 비트는 상기 복수의 펄스를 카운팅한 값과 연관되는, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서.
  9. 단광자 애벌런치 다이오드에 의해 사전 결정된 노출 시간 중 적어도 일부 시간동안 복수의 포톤을 수용하는 단계;
    상기 단광자 애벌런치 다이오드에 의해 상기 복수의 포톤 각각에 대응하는 복수의 펄스를 생성하는 단계;
    프론트-엔드 회로에 의해 상기 복수의 펄스를 수신하는 단계; 및
    카운터에 의해 상기 복수의 펄스를 카운팅하는 단계
    를 포함하고,
    상기 적어도 일부 시간의 종점은 상기 복수의 펄스를 카운팅한 상기 카운터의 오버플로우 시점에 기초하도록 구성되는, 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서 구동 방법.
  10. 제9항에 따른 단광자 애벌런치 다이오드 기반의 이미지 센서 구동 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 비일시적 기록매체.
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