KR100550200B1

KR100550200B1 - 광 감지 픽셀 센서 및 방법

Info

Publication number: KR100550200B1
Application number: KR1020040050349A
Authority: KR
Inventors: 리킹에프.; 하튼오스틴; 헤롤드배리더블유.; 탕베이
Original assignee: 모토로라 인코포레이티드
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-02-08
Also published as: US7176970B2; CN1578387A; US20040263654A1; KR20050002658A; CN100553287C

Abstract

광검출기(105)는, 가장 최근의 리셋 커맨드가 광검출기의 리셋 입력에서 수신된 이후로, 광검출기상에 입사하는 광 세기의 양에 비례하는 비율로 거의 선형적으로 변하는 값을 갖는 전기 신호를 생성한다. 측정 회로(110)는, 복수의 샘플 펄스 중 하나에 응답하여 광검출기 신호의 값과 기준 신호의 비교에 기초하는 비교 상태를 생성한다. 제어 회로(160)는 비 균일 시간 간격에서 복수의 샘플 펄스를 생성하고, 리셋 커맨드로부터 비교 상태의 변경까지 발생하는 비 균일 시간 간격의 축적으로서의 경과시간을 생성한다. 일 실시예에서, 비 균일 시간 간격의 축적된 지속 기간의 역수는 리셋 커맨드후의 다수의 시간 간격의 선형 함수이다.

광 검출기, 측정 회로, 포토 다이오드, 픽셀, CMOS

Description

광 감지 픽셀 센서 및 방법{LIGHT SENSING PIXEL SENSOR AND METHOD}

본 발명은 다음의 첨부 도면에 의해 제한이 아닌 일례로서 설명되며, 여기서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 광 이미징 디바이스의 개략 및 블록도.

도 2는 종래의 광 이미징 디바이스에서 이용된 시간 집적 회로에 따른 4개의 상이한 광 세기에서의 시간에 대한 포토다이오드 전압의 플롯을 포함하는 그래프.

도 3은 종래의 광 이미징 디바이스에 따른, 시간 간격의 수에 대한 광의 세기(출력)와의 관계에 대한 플롯을 포함하는 그래프.

도 4는 본 발명의 양호한 실시예에 따른, 샘플 펄스의 수에 대한 광의 세기(출력)와의 관계에 대한 플롯을 포함하는 그래프.

도 5는 본 발명의 양호한 실시예에 따른, 4개의 포토다이오드 접합 전압 플롯이 도시된 시간에 대한 포토다이오드 접합 전압의 그래프.

도 6은 본 발명의 제2의 대안적 실시예에 따른, 4개의 상이한 광 세기에 대한 시간 대 포토다이오드 전압의 플롯을 포함하는 그래프.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 경과 시간의 형태로 픽셀 센서로부터 광 세기 측정을 결정하기 위한 방법의 플로우챠트.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

135 : 시간값 저장 회로

161 : 리셋

163 : 샘플들

170 : 리셋 커맨드

175 : 시간 카운터

180 : 기준 전압

본 발명은 이미징(imaging) 디바이스에 관한 것이며, 특히, 프레임 이미지를 생성하기 위해 이용되는 광검출기를 포함하는 픽셀을 이용하는 이미지 센서에 관한 것이다.

최근의 시간 기반 픽셀 광 센서의 전자적 구조에 대한 설명은 디지털 방식의 구현례에 대한 설명이다. 이러한 구현례에서, 고정된 집적 시간의 말단에서 아날로그 광 검출기 전압을 디지털 값으로 변환하는 대신에, 시간-기반 센서는 리셋후의 기준 전압에 도달하기까지의 광 검출기 전압에 대한 지속 기간(duration)을 측정한다. 이러한 지속 기간은 광 검출기상에 입사하는 광 세기에 직접 관련이 있고, 따라서, 광검출기상에 입사하는 광의 측정된 출력을 나타내는 디지털 값을 결정하는데 이용될 수 있다.

종래의 디지털 구현례에서, 시간 분해능(resolution) 및 전압 분해능은 일정하고, 그것은 여기서 단일-분해능(single-resolution) 시스템으로 명칭한다. 단일 분해능 센서는 많은 성능 제한을 갖는다. 예컨대, 리셋후에 기준 전압에 도달하기까지의 광검출기 전압에 대한 지속 기간을 결정하기 위해, 광검출기 전압이 동일하게 간격이 설정된 시간 간격, 즉, Ts, 2Ts, 3Ts등에서, 샘플링되고, 고정된 기준 전압과 비교될 때, 시간 지속 기간 출력 및 광 세기 입력의 전달 함수(transfer function)는 비 선형인 1/x이고, 광 세기의 측정값의 비 균일 분해능이 된다. 비선형 1/x 전달 함수는 이미지 휘도를 압축하고, 이는 대부분의 시각적 어플리케이션에 바람직하지 않다. 높은 광 세기에서의 상이한 출력 레벨을 분해하는 능력은 이러한 시스템에서 단일 시간 분해능에 의해 상당히 제한된다.

따라서, 광 감지 픽셀 내에서 광 세기를 디지털적으로 측정하기 위한 개선된 기술이 필요하게 된다.

당업자는 도면내의 구성요소는 단순화 및 명확화를 위해 도시되었고, 반드시 척도에 따라 도시된 것은 아니라는 것을 알아야한다. 예컨대, 도면내의 구성요소의 치수는 본 발명의 실시예의 이해를 돕기 위해 다른 구성요소에 비해 강조될 수 있다.

본 발명에 따른 특정 광 감지 픽셀 센서 및 방법을 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 광 센서에 관한 방법 단계 및 장치의 구성요소의 조합에 근거한다는 것 을 알아야한다. 따라서, 장치 구성요소 및 방법 단계들은 도면내에서 종래의 심볼에 의해 적절하게 표현되고, 이러한 특정 부분들은 본 발명의 이해를 위한 것이며, 여기 개시된 설명으로부터 이득을 얻는 당업자에에 명확한 상세한 설명을 모호하게 하는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 광 이미징 디바이스(101)의 개략 및 블록도가 도시된다. 광 이미지 디바이스(101)는 M 픽셀의 어레이(도 1에 도시되지 않음) 및 제어 프로세서(160)를 포함한다. M 픽셀 어레이내의 각 픽셀은 광검출기(105) 및 픽셀 측정 회로(110)를 포함하는 광 감지 픽셀 구조(100)이다. 광검출기(105)는 양호하게는, 도 1에 도시된 바와 같이 병렬로 결합되어 모델화된, 역 바이어스 접합 커패시턴스(125)를 포함하는 감광(photosensitive) 다이오드(포토다이오드)(120)를 포함한다. 광검출기(105)는, 감광 다이오드(120)의 애노드에 결합된 출력, 소스 전압(V_dd)에 결합된 제어 입력, 및 리셋 신호 라인(161)에 결합된 제어 입력을 더 포함한다. 포토다이오드의 캐소드는 양호하게는 소스 전압(V_dd)의 접지 기준 전압(V_ss)인 싱크 전압에 결합된다. 리셋 커맨드가 제어 프로세서(160)에 의해 생성될 때, 리셋 트랜지스터(115)는 도통하고, 포토다이오드(120)는 V_dd- V_ss양 만큼 역 바이어스되고, 이것은 역 바이어스 접합 커패시턴스(125)내에 전하로서 저장된다. 리셋 커맨드는 본 실시예에서, "로우"(V_dd에 관해서 네거티브; 전형적으로 V_ss 근처의 전압)로 되고, "하이" 전압( 전형적으로 V_dd 근처)으로 복귀하는 리셋 신호 라인(161)상의 전압 펄스에 의해 구성된다. "리셋 커맨드 후", 또는 "가장 최근의 리셋 커맨드 이후"등의 용어가 여기 이용될 때, 리셋 커맨드가 종료되는 시간에 관한 기준이 만들어지고, 이것은 본 실시예에서, 하이 전압으로 복귀할 때이다. 리셋 커맨드후에, 리셋 트랜지스터(115)는 턴오프(매우 높은 임피던스)되고, 역 바이어스 접합 커패시턴스(125)내의 전하는 포토다이오드(120)의 접합을 통해 방산(dissipate)하기 시작하여, 역 바이어스 접합 전압은 포토다이오드(120)의 접합상에 입사하는 광의 세기에 의해 결정되는 비율로 변하게 된다. 감광 다이오드(120)는 양호하게는 CMOS 제조 기술과 호환되는 타입일 수 있지만, 대안적으로 포토다이오드(120)의 출력 신호가 적어도 단조롭게 광 세기에 관련되는 임의의 타입일 수도 있다. CMOS 기술과 호환가능한 포토다이오드에 있어서, 역 바이어스 접합 전압의 변화율은, 접합 전압이 0 근처로 될 때까지 광 세기의 넓은 범위를 통해 광 세기에 대해 근본적으로 선형이고, 본 발명의 몇몇 장점은 역 바이어스 접합 전압의 변화율이 소정의 유용한 전압 범위에서 단조로운 함수에 의해 모델링될 수 있을 때 달성된다. 리셋 라인(161)의 하이 및 로우 상태, 및 여기 개시된 다른 모든 논리 신호들은 적절한 트랜지스터 타입, 바이어싱 및 로직에 의해 반전될 수 있다.

픽셀 측정 회로(110)는 양호하게는 비교기(130) 및 시간 값 저장 회로(135)를 포함하고, 제어 프로세서(160)는 양호하게는 리셋 커맨드 생성기(170) 시간 생성기(175) 및 기준 전압 생성기(180)를 포함한다. 역 바이어스 접합 전압은 광검 출기 출력 신호 라인(117)에 의해 비교기(130)에 결합되고, 여기서, 역 바이어스 접합 전압의 값은 기준 전압(V_ref)와 비교되고, 제어 프로세서(160)내의 기준 전압 생성기(180)로부터 신호 라인(162)에 의해 비교기(130)의 다른 입력에 결합된다. 비교기(130)는 양호하게는 게이트 비교기, 예컨대, 제어 프로세서(160)에 의해 생성되는 샘플 펄스의 소정의 상태(하이 상태 또는 로우 상태)동안을 제외하고 오프 상태이고, 신호 라인(163)에 의해 비교기에 결합되는 트리스테이트(tristate) 타입의 디바이스이다. 각각의 시간에 샘플 펄스의 비교기(130)에 의해 수신되고, 비교기(130)의 비교 상태는 신호 라인(131)에 의해 시간 값 저장 회로(135)에 결합된다. 이러한 상태는, 예컨대, 역 바이어스 접합 전압이 기준 전압(V_ref)보다 클때 하이이고, 그렇지 않으면 로우이다. 리셋 커맨드는 제어 프로세서(160)으로부터 신호 라인(161)에 의해 M 광 감지 픽셀 구조(100) 각각내의 시간 값 저장 회로(135)에 결합된다. 리셋 커맨드가 시간 값 저장 회로(135)에 의해 수신되면, 시간 값 저장 회로(135)는 비교 상태 레지스터내에서 비교기(130)의 가장 최근의 출력 상태를 저장하기 시작한다. 가장 최근에 저장된 상태와 다른 비교기(130)의 새로운 출력 상태가 시간 값 저장 회로(135)에 의해 수신되면, 시간 값 저장 회로(135)는 시간 생성기(175)에 의해 생성된 N 비트 시간 값을 저장하고, 이것은 시간 생성기(175)로부터 신호 라인(164)에 의해 M 광 감지 픽셀 구조(100)각각 내의 시간 값 저장 회로(135)에 결합된다. 본발명의 양호한 실시예에 따라, 시간 생성기(175)는, 가장 최근의 리셋 커맨드가 리셋 커맨드 생성기(170)로부터 수신된 이후로 발생한 주기적 클록 펄스의 8 비트 카운트(즉, N은 본 실시예에서 8)를 생성한다. 따라서, 시간 값 저장 회로에 결합된 시간 값은 리셋 커맨드로부터 비교 상태의 변경까지의 경과 시간이고, 이것은 광검출기상에 입사하는 광의 출력의 측정값이다. 본 발명의 특유한 양상은 이하 자세히 설명되는 바와 같이, 샘플 펄스간의 시간 간격이 비 균일하다는 것이다.

시간 생성기(175)에 결합된 리셋 커맨드는 신호 라인(161)에 의해 각 픽셀 내의 포토다이오드(120)의 리셋 트랜지스터(115)에 결합된 동일한 리셋 커맨드이다. 리셋 커맨드가 본 발명의 목적을 달성하기 위해 주기적일 필요가 없음에도 불구하고, 리셋 커맨드는 양호하게는 시간 생성기(175)에 의해 카운트된 최대 시간보다 크지 않은 리셋 간격의 시작에서 주기적으로 생성된다. 리셋 커맨드간의 시간은 리셋 간격보다 클 수 있는데, 이는 데이터를 새로운 리셋 커맨드가 생성되기 전에 모든 픽셀로부터 업로딩하는 것을 허용하기 위한 것이다.

신호 라인(161, 162, 163, 및 164)은 광 이미징 디바이스(101)내의 다른 M-1 픽셀내의 비교가능한 입력에 결합된다.

리셋 간격의 종료에서, 제어 프로세서(160)는 재호출(또는 업로드) 커맨드를 신호 라인(171)상에서 시간 값 저장 회로(135)로 송신하고, 이에 응답하여 시간 값 저장 회로(135)는 저장된 시간 값(본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 경과 시간)을 N 비트 신호 라인(137)상에서 제어 프로세서(160)에 결합한다. 제어 프로세서(160)는 유사한 업로드 커맨드를 신호 라인(169)을 통해 광 이미징 디바이스(101)의 다른 M-1 픽셀로 송신하고, N*(M-1) 신호 라인(168)상에서 다른 M-1 픽 셀로부터 시간 값을 수신한다. 시간 값은, 적절한 논리 회로, 신호 라인, 및 커맨드 신호로 멀티플렉싱된 신호 라인의 세트상에서 제어 프로세서(160)에 전달될 수 있음을 알 수 있다. M 픽셀로부터 수신된 복수의 경과 시간은 다음에, 종래와 같이, 신호 라인(172)상에서 비디오 프레임을 이용하는 회로 또는 디바이스로 결합되는 비디오 프레임을 생성하는데 이용될 수 있다.

제1의 대안적 실시예에서, 시간 값 저장 회로(135)는 저장 레지스터(양호한 실시예에서 이용되는 바와 같은)대신에 카운터를 포함하고, 샘플 펄스가 수신되는 신호 라인(163)에 결합된다. 시간 값 저장 회로(135)는 전술한 바와 같이, 비교기 상태의 변경을 결정하고, 가장 최근의 리셋 커맨드로부터 비교기의 상태 변경까지 발생하는 주기적 클록 펄스의 수를 카운트한다. 리셋 간격의 종료에서, 제어 프로세서(160)는 재호출(업로드) 커맨드를 신호 라인(171)상에서 시간 값 저장 회로(135)로 송신하고, 본 발명의 제1 대안적 실시예에 따르면, 이에 응답하여 시간 값 저장 회로(135)는 저장된 시간 값(주기적 클록 펄스의 카운트)을 N 신호 라인상(137)상에서 제어 프로세서(160)에 결합한다. 제어 프로세서(160)는 유사한 업로드 커맨드를 신호 라인(169)을 통해 광 이미징 디바이스(101)의 다른 M-1 픽셀에 송신하고, N*(M-1) 신호 라인(168)상에서 다른 M-1 픽셀로부터 시간 값을 수신한다. 제어 회로는 각각의 픽셀로부터의 주기적 클록 펄스의 카운트를 룩-업 테이블과 같은 종래의 기술을 이용하여 경과 시간으로 변환하고, M 픽셀과 관련된 복수의 경과 시간은 종래와 같이 이미지 프레임을 생성하는데 이용되고, 이것은 신호 라인(172)상에서, 이미지 프레임을 이용하는 회로 또는 디바이스에 결합된다. 이 러한 제1 대안적 실시예에서, 신호 라인(164)은 필요 없게 되지만, 이것은 룩업 테이블 변환 프로세스와 트레이드오프된다.

당업자 잘 아는 논리 및 전기 회로의 변형례가 본 발명의 장점을 제공하기 위해 여기 개시된 바와 같은 기능을 산출하는데 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 시간 값은 대안적으로 제어 프로세서(160)로부터 시간 값 저장 회로(135)에 직렬로 전달될 수 있고, 대안적으로, 적절한 논리 회로, 신호 라인, 및 커맨드 신호로 공통 버스를 이용하여 전달될 수 있다. 다른 예로서, 비교기(130)는 비교 상태를 지속적으로 생성할 수 있고, 샘플 펄스 신호 라인(163)은 비교기(130) 대신에 시간 값 저장 회로(135)에 결합될 수 있고, 시간 값 저장 회로(135)는 각각의 샘플 펄스에서 비교 상태를 결정할 수 있다.

도 2를 참조하면, 4개의 상이한 광 세기에 대한 시간 대 포토다이오드 전압(205, 210, 215, 220)의 플롯을 도시하는 그래프가 도시되고, 여기서 플롯(205)에 대한 광 세기는 플롯(210)의 광 세기보다 크고, 플롯(210)에 대한 광 세기는 플롯(215)의 광 세기 보다 크며, 플롯(215)의 광 세기는 플롯(220)의 광 세기 보다 크다. 고정된 기준 전압(V_ref)는 수직축상에 표시된다. 포토다이오드 전압(205, 210, 215, 220)이 기준 전압(V_ref)를 지나는 값은 인터셉트 라인(206, 211, 216, 221) 각각에 의해 표시된다. 이 그래프에서, 수평축은 경과 시간을 도시하고, 256개의 동등한 지속 기간의 샘플 간격의 발생을 도시하고, 이것은 종래의 광 이미징 디바이스에서 이용되는 시간 집적 회로에 따른다. 광의 세기는 플롯의 기 울기로 표시되고, 플롯의 기울기는 (V_dd - V_ref)/t 에 의한 경과 시간에 관계되고, 여기서 t는 경과 시간이고, 따라서, 종래의 광 이미징 디바이스내의 샘플 펄스간의 균일한 시간 간격의 수에 대한 광의 세기의 관계는 경과 시간의 역수에 비례하고, 따라서 상당히 비선형이 된다. 이것은 도 3의 그래프에 도시되고, 여기서 시간 간격의 수에 대한 광 세기(출력)의 관계는 종래의 광 이미징 디바이스에 따라 플롯팅된다. 경과 시간을 결정하기 위해 이러한 관계를 이용하는 것은 낮은 세기에서의 분해능에 비해 높은 세기에서 시간 측정값의 매우 양호하지 않은 분해능을 얻게 된다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 샘플 펄스의 수에 대한 광의 세기(출력)의 관계에 대한 플롯이 도시된다. 여기서, 샘플 펄스의 수는 광의 세기에 선형적으로 관련된다. 이러한 것을 달성하기 위해, 제어 프로세서(160)는 비 균일 시간 간격에서 샘플 펄스를 생성하여, 비 균일 시간 간격(t_n)의 축적된 지속 기간의 역수가 리셋 커맨드후의 시간 간격(n)의 수의 선형 함수가 된다. 이러한 관계를 달성하기 위해, 제어 프로세서(160)는 비 균일 시간 간격에서 샘플 펄스를 생성하여 시간 간격의 축적된 지속 기간(T_n)이 T*N/(N-n+1)이 되게 하며, 여기서 T는 리셋 커맨드 후의 제1 간격의 지속기간이며, n은 리셋 커맨드후의 시간 간격의수이며, N은 샘플 펄스의 최대수이다. 예컨대, 제1 간격이 10 마이크로초이면, 샘플 펄스의 최대수는 256이며, n번째 펄스에서의 축적된 지속 기간은 2560/(257-n)마이크로초 또는 2.560 밀리초의 최대 지속기간이 된다. 이러한 관계는 다음과 같 이 더 일반적으로 표현될 수 있는데, 이는, 비 균일 시간 간격이 생성되어, 시간 간격(t_n)의 축적된 지속 기간의 역수(1/T_n)가 리셋 커맨드후의 시간 간격(n)의 수의 선형 함수라는 것이다.

이러한 관계는 도 5에 도시되는데, 여기서는, 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 동일한 4개의 포토다이오드 역 바이어스 전압 플롯(205, 210, 215, 220)이 도시되는 시간 대 포토다이오드 역 바이어스 전압이 도시된다. 도 2와 같이, 수평 축은 몇몇 샘플 펄스 카운트의 발생이 도시됨과 함께, 가장 최근의 리셋 커맨드 이후의 경과 시간을 나타낸다. 고정 기준 전압(V_ref)는 수직 축상에 표시된다. 예컨대, 수평축의 우측상에서의 T_max는 2.560 밀리초이다. 이러한 4개의 플롯에 대한 시간 인터셉트는 각각의 인터셉트(506, 511, 516 및 521)로서 도시된다. 도 5에는 또한, 시간 간격이 시간 축의 왼편 단부에서 매우 작게 도시되고, 여기서 플롯의 기울기는 매우 높으며(네거티브하게), 시간 축이 우측 단부에서 매우 크게 도시되며, 여기서 플롯의 기울기는 낮으며(네거티브하게), 따라서 제어 회로에 의해 측정된 경과 시간 측정값의 분해능은 기울기(광의 세기)를 선형적으로 추종한다. 어떤 어플리케이션에서는, 상이한 관계를 이용하는 것이 양호할 수 있다. 단지 인용된 실시예에서, 제1 시간 간격은 10 마이크로초에서 발생하고, 다음의 128 시간 간격은 0.15 마이크로초 각각 보다 작다. 제1의 128 시간 간격을 균일한 0.15 마이크로초(18.75 마이크로초에 대한 축적)로 하고, 전술한 수식에 따라 그것을 증가시키기 시작하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 실시예에서, 256/log(256), 256/log(255),...,256/log(3), 256/log(2)에 의해 스케일되는 축적된 시간 간격에 기초하는 대수(logarithmic) 함수 및 결과적인 전달 함수는 대수적 응답을 갖는다. 다른 실시예에서, 고 분해능 시간 측정에 대한 특정한 요구가 있는 광 세기의 범위가 있을 때, 시간 증가의 지속 기간은 그 범위내에서의 세기에 관련된 시간에서 최소가 될 수 있고, 그 범위 밖에서의 세기에 관련된 시간에서는 더 길어질 수 있다. 단조롭게 증가하는 축적된 간격을 제공하는 임의의 광 범위한 비 균일 시간 함수가 본 발명의 양호한 실시예에 따라 이용될 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2의 대안적 실시예에 따른, 4개의 상이한 광 세기에 대한 시간 대 포토다이오드 전압(205, 210, 215, 220)의 플롯이 도시된다. 도 2와 같이, 수평 축은, 몇몇 샘플 펄스 카운트의 발생이 도시됨과 함께, 가장 최근의 리셋 커맨드 이후의 경과 시간을 도시한다. 양호한 실시예와 이 제2의 대안적 실시예의 근본적인 차이는 제어 프로세서(160)가 도 6에 도시된 스텝화되고, 시변값인 4개의 전압 기준 값(V_ref1V_ref2V_ref3V_ref4)과 같은 기준 전압 V_ref를 생성하는 것이다. 이 예에서의 각각의 전압 기준값은 복수의 비 균일 시간 간격 동안 일정하게 유지되고, 전압 기준 값간의 변화는 비 균일 시간 간격이 길어짐에 따라 증가하고, 이것은 큰 전압 변화에 대한 더 긴 세팅 시간을 허용한다. 그러나, 전압 스텝은 하나의 시간 간격만큼 적게 유지될 수 있고, 전압 변화량은 어떤 실시예에서는 일정하게 될 수 있다. 각각의 인터셉트 시간(606, 611, 616, 621)은 포토다이오드 전압 플롯(205, 210, 215, 220)에 대해 나타난다. 샘플 펄스는 바람직한 실시예에 서와 같이 비균일 방식으로 여전히 발생되지만, 비균일 시간 간격과 결합하여 시변 전압 기준을 이용함에 의해 양호한 시간 분해능은, 인터셉트 시간(606, 611)이 도 4를 참고로 설명되는 각각의 인터셉트 시간(506, 511)보다 길기때문에, 높은 세기의 플롯에 대한 낮은 기준 전압치를 가짐에 의해 달성된다. 따라서, 샘플 시간의 양을 감소시키기 위해 이런 제2 대안 실시예에서 실시될 수 있다. 이는 256 대신에 64 샘플 시간을 이용하는 것으로 도 6에 예시된다. 샘플 시간의 실제 양과 기준 전압은 예컨대, 포토다이오드의 감도, 소정의 프레임 레이트, 사용된 로직의 처리 속도, 및 프레임이 사용되는 어플리케이션의 타입을 포함하는 특정 세트의 파라미터들을 최적화하기 위해 선택될 수 있으나, 스텝의 전압들은 바람직하게 경과된 시간으로 증가된다. 본 발명의 제2 대안 실시예는 바람직한 실시예 또는 제1 대안 실시예의 시간값 결정 기술을 이용하여 실시될 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 명세서에서 개시된 기술을 이용하여, 경과된 시간 형태로 픽셀 센서로부터 광 세기 측정을 결정하는 방법의 몇가지 단계들을 도시한 플로우챠트가 있다. 단계(705)에서, 전기 신호는 가장 최근의 리셋 커맨드가 광검출기의 리셋 입력에서 수신된 이후에 광검출기상에 입사된 광 세기의 양에 비례하는 비율로 본질적으로 선형 변화하는 값을 갖는 것으로 발생된다. 비교 상태는 복수의 샘플 펄스들중 하나에 응답하여 전기 신호의 값과 기준 신호의 비교에 기초하는 단계(710)에서 발생된다. 경과 시간은 리셋 커맨드로부터 비교 상태의 변화까지에서 일어나는 비균일 시간 간격의 축적으로서 단계(715)에서 결정된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 비교 변화 표시는 비교 상태의 새로운 값이 가장 최근 값 과 다를때 단계(720)에서 발생되며, 경과 시간은 비교 변화 표시에 응답하여 단계 (725)에서 발생되고, 경과 시간은 단계(730)에서 저장된다. 본 발명의 제1 대안 실시예에 따르면, 가장 최근 리셋 커맨드 이후의 비균일 시간 간격의 카운트는 비교 상태의 새로운 값이 가장 최근 값과 다를때 단계(735)에서 저장되며, 비균일 시간 간격의 카운트는 단계(740)에서 재호출되고, 경과된 시간은 단계(745)에서 비균일 시간 간격의 카운트로부터 결정된다.

광 감지 디바이스의 높은 세기 영역 또는 중요한 다른 영역에서 미세한(finer) 시간 분해능을 가능하게 함에 의해, 이들 영역들에서 세기 측정의 정확도를 개선할 수 있으며, 비균일(가변) 시간 분해능을 가능하게 함에 의해, 1/t 시간 스텝을 가짐에 의해 선형 전달 특성을 달성할 수 있다. 다른 중요하고 유용한 전달 특정들은 시변 기준 전압을 요구함이 없이 비균일 시간 간격(또는 분해능)을 이용함에 의해 달성될 수 있다. 이는 고정 지속 시간 감지 디바이스에서 사용되는 시변 기준 전압을 발생시키기 위한 디지털-대-아날로그 컨버터(DAC)의 필요를 제거하기 때문에 저비용 어플리케이션에 대해 매우 바람직하다. 비균일 시간 간격 및 가변 기준 전압을 이용하는 기술은 몇몇 어플리케이션에서 이롭다.

이하 설명되는 본 발명의 실시예들로부터 유도되는 이점이 각종 디스플레이, 예컨대 감광 픽셀 구조(100)가 다른 광 대역에 민감한 픽셀 그룹에 배열되는 단색 디스플레이 및 자외선 광 및/또는 가시광에 응답하는 디스플레이에 의해 생김에 유의해야 한다.

이하 설명되는 픽셀 감지 디바이스들은 예컨대, 본질적으로 완벽한 셀룰러 무선 카메라, 또는 풀 기능 비디오 카메라로부터 인터넷 통신용 소형 프레임 캡쳐 이미지들를까지의 소비자 제품과 나이트 비젼 이미져(night vision imager) 및 타겟 이미져와 같은 군사용 제품과 테스트 설비를 단순화하는, 단지 전자 설비의 몇가지 타입 및 클래스를 명명하기 위해 텔레비전 방송 카메라에서 로보트까지의 상용 설비를 포함하는 넓은 범위의 각종 전자 디바이스에 사용되는 광 이미징 디바이스들을 포함하는 복잡한 시스템-온-칩에서 포함될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명과 그 이점은 특정 실시예들을 참고로 설명되었다. 그러나, 본 기술 분야의 전문가에게는 이하의 청구범위에 개시된 본 발명의 범위 내에서 벗어남이 없이 여러 수정 및 변경이 행해질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 이런 모든 수정은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것이다. 이점, 특징, 문제에 대한 해결책, 및 소정의 이점, 특징 또는 해결책이 보다 명백하게 발생하거나 그렇게 하기 위한 임의의 엘리먼트(들)은 결정적인, 필요한 또는 임의의 또는 모든 청구범위의 본질적인 특징 또는 엘리먼트로서 구성되지 않게 된다.

이하 사용되는 "구성(comprise, comprises)", 또는 임의의 다른 그 변종은 엘리먼트의 리스트를 구성하는 프로세스, 방법, 아티클 또는 장치가 이러한 엘리먼트들만을 포함하지 않고 이런 프로세스, 방법, 아티클 또는 장치에 대해 명확하지 않게 리스트되거나 고유한 다른 엘리먼트들을 포함하도록 비배타적인 포함관계를 커버한다.

용어 "복수"는 2개 이상을 정의한다. 용어 "다른"은 적어도 제2 것 이상으 로서 정의되고, "포함(including)" 및/또는 "구비(having)"은 구성으로서 정의된다. 광전자 기술을 참고로 사용되는 용어 "결합(coupled)"은 비록 반드시 직접적이지 않고 기계적이지 않게 결합된 것으로, 용어 "프로그램"은 컴퓨터 시스템상에서으 실행을 위해 설계된 지시의 시퀀스로서 정의되고, "프로그램" 또는 "컴퓨터 프로그램"은 서브루틴, 기능, 프로시저, 오브젝트 방법, 오브젝트 구현, 실행가능한 어플리케이션, 애플릿, 서블릿, 소스 코드, 오브젝트 코드, 공유 라이브러리/다이나믹 로드 라이브러리 및/또는 컴퓨터 시스템상에서의 실행을 위해 설계된 다른 지시의 시퀀스를 포함한다. "세트"는 논엠프티 세트(non-empty set)(즉, 적어도 하나의 부재를 포함하는 것으로 이하 정의된 세트)를 의미한다.

본 발명에 의하면, 광 감지 픽셀 내에서 광 세기를 디지털적으로 측정하기 위한 개선된 기술을 얻을 수 있다.

Claims

가장 최근의 리셋 커맨드가 광검출기(105)의 리셋 입력에서 수신된 이후로, 픽셀 센서상에 입사하는 광 세기의 양에 비례하는 비율로 단조롭게(monotonically) 변하는 값을 갖는 전기 신호를 생성하는 광검출기(105)를 포함하는 픽셀 센서에 있어서,

복수의 샘플 펄스 중 하나에 응답하여 광검출기 신호값과 기준 신호의 비교에 기초하여 비교 상태(comparison state)를 생성하는 픽셀 측정 회로(110); 및

비-균일 시간 간격에서 복수의 샘플 펄스를 생성하고, N 비트 시간값을 생성하고, 리셋 커맨드를 생성하며, 기준 신호를 생성하는 제어 회로(160)를 포함하며,

상기 제어 회로(160)는 상기 리셋 커맨드로부터 상기 비교 상태의 변경까지의 경과 시간을 결정하고,

상기 경과 시간은 상기 비 균일 시간 간격의 축적인 픽셀 센서.
제1항에 있어서,

상기 픽셀 측정 회로(110)는,

상기 비교 상태를 생성하는 비교기(130); 및

비교 변경 표시를 생성하는 시간값 저장 회로(135)를 포함하고,

상기 제어 회로(160)에 의해 생성된 N 비트 시간값은 상기 제어 회로(160)에 의해 재호출될 때까지 상기 시간값 저장 회로(135)내에 저장되는 픽셀 센서.
제1항에 있어서,

상기 픽셀 측정 회로(110)는,

상기 비교 상태를 생성하는 비교기(130); 및

상기 가장 최근의 리셋 커맨드 이후의 상기 비 균일 시간 간격의 카운트를 저장하는 시간값 저장 회로(135)를 포함하고,

상기 시간값 저장 회로(135)는 상기 비 균일 시간 간격의 카운트를 상기 제어 회로(160)에 결합하고,

상기 제어 회로(160)는 상기 비 균일 시간 간격의 카운트로부터의 경과 시간을 결정하는 픽셀 센서.
제1항에 있어서,

상기 제어 회로(160)는 상기 비 균일 시간 간격을 생성하여, 상기 시간 간격(t_n)의 축적된 지속 기간의 역수(1/T_n)가 상기 리셋 커맨드후의 복수의 상기 비 균일 시간 간격(n)의 선형 함수가 되도록 하는 픽셀 센서.
제1항에 있어서,

상기 제어 회로(160)는 상기 비 균일 시간 간격을 생성하여, 그들의 축적된 지속 기간이, 리셋 커맨드가 증가한 이후 상기 비 균일 시간 간격의 수에 따라 단 조롭게 증가하는 픽셀 센서.
제1항에 있어서,

상기 제어 회로(160)는, 리셋 커맨드들간의 시변(time varying)값을 갖는 전압으로서 상기 기준 신호를 생성하는 픽셀 센서.
제6항에 있어서,

상기 제어 회로(160)는 일련의 전압 스텝들을 갖는 전압으로서 상기 기준 신호를 생성하는 픽셀 센서.
제6항에 있어서,

상기 제어 회로(160)는 일련의 비 균일 전압 스텝들을 갖는 전압으로서 상기 기준 신호를 생성하는 픽셀 센서.
픽셀 센서에 입사하는 광의 세기를 결정하는 방법에 있어서,

가장 최근의 리셋 커맨드가 광검출기(105)의 리셋 입력에서 수신된 이후로, 광검출기(105)상에 입사하는 광 세기의 양에 비례하는 비율로 거의 선형적으로 변하는 값을 갖는 전기 신호를 생성하는 단계(705);

복수의 샘플 펄스 중 하나에 응답하여 상기 전기 신호의 값과 기준 신호의 비교에 기초하는 비교 상태를 생성하는 단계(710); 및

리셋 커맨드로부터 상기 비교 상태의 변경까지 발생하는 비 균일 시간 간격의 축적으로서의 경과 시간을 결정하는 단계(715)를 포함하는 방법.
제9항에 있어서,

상기 비교 상태의 새로운 값이 가장 최근의 값과 다를 때, 비교 변경 표시를 생성하는 단계(720);

상기 비교 변경 표시에 응답하여 상기 경과 시간을 생성하는 단계(725); 및

상기 경과 시간을 저장하는 단계(730)를 더 포함하는 방법.
제9항에 있어서,

상기 비교 상태의 새로운 값이 가장 최근의 값과 다른 때, 상기 가장 최근의 리셋 커맨드 이후로 발생하는 상기 비 균일 시간 간격의 카운트를 저장하는 단계(735);

상기 비 균일 시간 간격의 카운트를 재호출하는 단계(740); 및

상기 비 균일 시간 간격의 카운트로부터 상기 경과 시간을 결정하는 단계(745)를 포함하는 방법.