(57)【要約】【課題】動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ及び画素に受光された光量を測定する方法を提供する。【解決手段】所定画素が飽和レベルに達した場合、画素をリセットさせる感知部と、画素がリセットされた回数を格納する記憶部と、画素がリセットされた回数と画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量とを用いて、画素に受光された光量を測定する測定部とを含む動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ。【選択図】図４
2008125074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定画素が飽和レベルに達した場合、前記画素をリセットさせる感知部と、
前記画素がリセットされた回数を格納する記憶部と、
前記画素がリセットされた回数と前記画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量とを用いて、前記画素に受光された光量を測定する測定部とを含むことを特徴とする動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ。
【請求項２】
前記感知部は、トリガを用いて前記画素が飽和レベルに達したか否かを感知することを特徴とする請求項１に記載の動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ。
【請求項３】
前記トリガは、前記画素のフォトダイオードの出力端に連結されたことを特徴とする請求項２に記載の動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ。
【請求項４】
前記記憶部は、フリップフロップ、ラム、及びカウンタのうち少なくとも１つを用いて前記画素がリセットされた回数を格納することを特徴とする請求項１に記載の動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ。
【請求項５】
前記フリップフロップが格納された前記画素のリセット回数は、新しいフレームが始まる場合クリアされることを特徴とする請求項４に記載の動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ。
【請求項６】
前記記憶部は、キャパシタ、トランジスタ、及び比較器のうち少なくとも１つを含み、前記画素が飽和レベルに達した場合、前記キャパシタには電荷が充電され、前記比較器は前記キャパシタの遅延放電によるエラーを除去することを特徴とする請求項１に記載の動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ。
【請求項７】
前記測定部は、一フレームの間、１つの画素に対して前記画素に受光された光量を測定することを特徴とする請求項１に記載の動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ。
【請求項８】
所定画素が飽和レベルに達した場合、前記画素をリセットさせる（ａ）ステップと、
前記画素がリセットされた回数を格納する（ｂ）ステップと、
前記画素がリセットされた回数と前記画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量とを用いて、前記画素に受光された光量を測定する（ｃ）ステップとを含むことを特徴とする画素に受光された光量を測定する方法。
【請求項９】
前記（ａ）ステップは、トリガを用いて前記画素が飽和レベルに達したか否かを感知するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の画素に受光された光量を測定する方法。
【請求項１０】
前記トリガは、前記画素のフォトダイオードの出力端に連結されたことを特徴とする請求項９に記載の画素に受光された光量を測定する方法。
【請求項１１】
前記（ｂ）ステップは、フリップフロップ、ラム、及びカウンタのうち少なくとも１つを用いて前記画素がリセットされた回数を格納するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の画素に受光された光量を測定する方法。
【請求項１２】
前記フリップフロップが格納された前記画素のリセット回数は、新しいフレームが始まる場合クリアされることを特徴とする請求項１１に記載の画素に受光された光量を測定する方法。
【請求項１３】
前記（ｂ）ステップは、キャパシタ、トランジスタ、及び比較器のうち少なくとも１つを用いて、前記画素が飽和レベルに達した場合、前記キャパシタに電荷を充電したり、前記キャパシタの遅延放電によるエラーを除去するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の画素に受光された光量を測定する方法。
【請求項１４】
前記（ｃ）ステップは、一フレームの間、１つの画素に対して前記画素に受光された光量を測定するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の画素に受光された光量を測定する方法。
【請求項１５】
所定画素が飽和レベルに達した場合、前記画素をリセットさせるステップと、
前記画素がリセットされた回数を格納するステップと、
前記画素がリセットされた回数と前記画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量とを用いて、前記画素に受光された光量を測定するステップのうち少なくとも１つのステップを制御するためのコンピュータによって読取可能なコマンドが格納されたコンピュータによって読取可能であることを特徴とする記録媒体。
【請求項１６】
光を受信する画素を含むが、前記画素が所定飽和レベルに達する場合、前記画素をリセットさせるイメージセンサと、
前記画素がリセットされた回数、及び前記画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量を用いて、前記ピクセルに受信された光量を測定する測定部とを含むことを特徴とする動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ、画素に受光された光量を測定する方法及び記録媒体に関し、より詳しくは、画素が飽和レベルに達すれば画素をリセットさせ、画素がリセットされた回数、飽和値、及び残留電荷量とを用いて、画素に受光された光量を測定する動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ、画素に受光された光量を測定する方法及び記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器と自動車及び監視用として使われるイメージセンサの動的特性は、画面で約６０ｄＢほど陰影差が大きくなれば、映像がぼけて正常に撮影できなくなる。特に、撮影しようとする対象が明るいとイメージセンサの画素が飽和して、正常に映像撮影できなくなる。
【０００３】
図１は従来のイメージセンサの構造と原理を示す図面である。
従来のＣＭＯＳイメージセンサは、所定画素が強い光を受光して飽和レベルに達すれば、出力電圧が一定値で出力されて、追加光量による出力電圧の変化が少なくなるのでイメージの画質が低下する。すなわち、画素が飽和レベルになれば追加光量に対する画素の出力電圧を正常に測定できなくなるので動的範囲が縮小された。これによって、イメージセンサを用いるカメラモジュールの性能が制限される結果をもたらした。
【０００４】
図１に示すように、従来のイメージセンサの構造と原理を示している。このとき、フォトダイオード（ＰＤ）１１はキャパシタ１３と光スイッチ１５にモデリングできる。
まず、画素がリセットされればキャパシタ１３に電荷が充電される（１２）。
【０００５】
そして、画素に受光される光の量によってキャパシタ１３が放電されるが、弱い光を受光すれば徐々に放電され、強い光を受光すれば急激に放電される（１４）。例えば、デジタルカメラの場合、キャプチャモードで撮影したり、またはプレビューモードで被写体を見ながら焦点を調整するとき、キャパシタの放電が発生し得る。
【０００６】
図２は飽和した画素の出力電圧を示す図面である。
画素が飽和する前には受光される光量によって出力電圧がそれぞれ異なる値で出力されるので、映像撮影が正常に行われる。
【０００７】
しかし、図２に示すように、画素のリセットが発生する前に画素が強い光を受光してキャパシタが全部放電されれば、画素は追加光量による出力電圧の変化が少ない飽和状態２２，２４になって、撮影したイメージの画質が低下するという問題点がある。
【特許文献１】大韓民国公開特許第１０−２００５−１０３７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ及び方法を提供して、高い動的範囲イメージング（Ｈｉｇｈ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｇｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）を可能させることにある。
【０００９】
しかし、本発明は以上に言及した目的に制限されず、言及していない更なる目的は下記によって当業者が明確に理解し得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態による動的範囲拡張のためのイメージセンサは、所定画素が飽和レベルに達した場合、画素をリセットさせる感知部と、画素がリセットされた回数を格納する記憶部と、画素がリセットされた回数と画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量とを用いて、画素に受光された光量を測定する測定部とを含む。
【００１１】
本発明の実施形態による画素に受光された光量を測定する方法は、所定画素が飽和レベルに達した場合、画素をリセットさせる（ａ）ステップと、画素がリセットされた回数を格納する（ｂ）ステップと、画素がリセットされた回数と画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量とを用いて、画素に受光された光量を測定する（ｃ）ステップとを含む。
【００１２】
本発明の実施形態による記録媒体は、所定画素が飽和レベルに達した場合、前記画素をリセットさせるステップと、前記画素がリセットされた回数を格納するステップと、前記画素がリセットされた回数と前記画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量とを用いて、前記画素に受光された光量を測定するステップとのうち少なくとも１つのステップを制御するためのコンピュータによって読取可能なコマンドを含む。
【００１３】
本発明の他の実施形態による動的範囲拡張のためのイメージセンサは、受光する画素を含むが、前記画素が所定飽和レベルに達する場合、前記画素をリセットさせるイメージセンサと、前記画素がリセットされた回数、及び前記画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量を用いて、前記ピクセルに受信された光量を測定する測定部を含む。
その他、実施形態の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ、画素に受光された光量を測定する方法及び記録媒体によれば、次のような効果が１つあるいはそれ以上ある。
【００１５】
第一に、多重露出による時間遅延がない長所がある。
第二に、イメージセンサの分解能低下がなく、光学系の体積や構造が変更せずに使用することができる長所がある。
第三に、イメージセンサを作るとき統合して製作することができ、高性能の動的特性確保が可能な長所がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付する図面とともに詳述する実施形態を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下に開示する実施形態に限定されず、相異なる多様な形態で実現できる。本実施形態は、本発明の開示を完全なものにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を知らせるために提供するものであって、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。また、明細書全体において同じ参照符号は同じ構成要素を示す。
【００１７】
以下では添付する図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
図３は本発明の一実施形態による画素が飽和する場合、画素をリセットさせる原理を示す図面である。
画素が飽和して、受光される光量によって画素の出力電圧が正常に測定できないことを防止するために、画素をリセットさせる。リセットは２つに区分できる。１つは、新しいフレームの始まりにしたがって画素がリセットされるグローバルリセットで、この場合、すべての画素が同時に再充電される。もう１つは、画素内部でトリガによって再充電されるローカルリセットで、この場合、画素ごとに受光される光量の大きさによって画素の再充電が異なり得る。すなわち、画素ごとに画素が再充電されなかったり、急速にまたは徐々に発生し得る。一方、画素がリセットされた回数と画素の残留光量を演算して画素が飽和した領域でも画素が受光した光量が測定できる。
【００１９】
図３に示すように、本発明では画素が飽和レベルに達する場合、画素をリセットする（３０２，３０４，３０６，３０８）。このとき、画素が飽和レベルに達するのに必要な光量は決定されているため、画素がリセットされた回数を把握すれば受光された総光量を測定できるようになる。好ましくは画素に受光された光量は下記数学式（１）の通りに計算できる。
【００２０】
画素に受光された光量＝飽和値＊リセット回数＋残留光量          （１）
前記数学式（１）で飽和値は画素が飽和レベルに達するのに必要な光量を意味する。そして、リセット回数は画素がリセットされた総回数を意味し、残留光量は画素が最後にリセットされた後に残留する光量（電荷量）を意味する。前記値は好ましくは一フレームの間、１つの画素に対して測定される。
【００２１】
例えば、第１フレーム３１０で飽和値が３２値であり、リセット回数が１回、残留光量、すなわち画素がリセットされた後の画素の出力電圧が１０値の場合、画素に受光された光量は３２＊１＋１０に計算されて総４２値を有することができる。
【００２２】
同様に、第２フレーム３２０ではリセット回数が３回であるので、前記数学式（１）に当該値を代入して画素に受光された光量を測定することができる。
【００２３】
したがって、本発明は、画素内に飽和値を格納し、画素内で自主的にリセットを行うことによって、画素が飽和して、受光される光量によって画素の出力電圧が正常に測定できない従来の問題点を解決することができる。以下、実施形態を通じてより具体的に説明する。
【００２４】
図４は本発明の一実施形態による動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサのブロック図である。
本発明の動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサ４００は、感知部４１０、記憶部４２０、及び測定部４３０を含む。
【００２５】
感知部４１０は、画素が飽和レベルに達したか否かを感知する。このために、感知部４１０は、画素の出力電圧が所定閾値以下なのか否かを測定することができる。
【００２６】
このとき、前記画素が飽和レベルに達したか否かを感知するために、画素のフォトダイオードの出力端にトリガが連結できる。
もし、画素の出力電圧が所定閾値以下になれば、画素のフォトダイオードのキャパシタの電荷がすべて放電されて画素が飽和レベルに達したということを意味する。
【００２７】
したがって、トリガはリセット信号を画素に伝達して画素をリセットさせる。これによってフォトダイオードのキャパシタに電荷が再充電される。そして、感知部４１０は、飽和値及び画素がリセットされた後の残留電荷量を測定して後述する測定部４３０に出力することができる。
【００２８】
前記過程によって画素の飽和状態が持続しないので、受光される光量によって画素の出力電圧が正常に測定できる。すなわち、従来のイメージセンサの構造では、外部からフレームごとにリセット信号を送信するように具現されているので、１回飽和した画素は新しいフレームが始まるまで飽和状態に残っていた。しかし、本発明によって、画素が飽和レベルに達すれば画素内で自主的にフィードバックされて画素がリセットされる。
【００２９】
前記記憶部４２０は画素のリセット回数を格納する。記憶部４２０は、好ましくはフリップフロップを記憶素子として含むことができる。参考として、フリップフロップは双安定状態の記憶素子で、１と０を識別して記憶することができるため、２進値素子ともいう。例えば、本実施形態ではＪＫまたはＲＳフリップフロップが用いられる。フリップフロップはリセット回数を測定して測定部４３０に出力し、また、飽和値を感知部４１０から受信して出力することができる。
【００３０】
また、選択信号またはフレームリセットが入力されれば、一フレームが終わったことになるのでフリップフロップはリセットされる。すなわち、フリップフロップがリセットされれば格納された画素のリセット回数がクリアされる。
【００３１】
また、記憶部４２０には、ラム（例えば、ＤＲＡＭ；ダイナミックランダムアクセスメモリ）、カウンタ、キャパシタ、トランジスタ、比較器などの素子が連結されて画素のリセット回数を測定し、これを格納する記憶素子として用いることができる。具体的な構成例は、以下、図５ないし図８の実施形態を通じて後述する。
【００３２】
一方、測定部４３０は、記憶部４２０からリセット回数及び飽和値を受信し、画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量を用いて画素に受光された光量を測定する。このとき、測定部４３０は、前記数学式（１）を用いて画素に受光された光量を測定することができる。上述したように、リセット回数は画素がリセットされた総回数を意味し、飽和値は画素が飽和レベルに達するのに必要な光量を意味する。そして、残留光量は、画素が最近リセットされた後に残留する光量（電荷量）を意味する。したがって、画素が飽和した領域でも画素が受光した光量が測定でき、これによって鮮明な画質を得ることができる。
【００３３】
図４に示すそれぞれの構成要素は、一種の「モジュール」で構成できる。前記「モジュール」は、ソフトウェア、及びＦＰＧＡまたはＡＳＩＣといったハードウェアの構成要素を意味し、ある役割を行う。しかし、モジュールはソフトウェアまたはハードウェアに限定される意味ではない。モジュールはアドレス指定可能な媒体に格納することができ、１つまたはそれ以上のプロセッサを実行し得るように構成することができる。したがって、モジュールは、例えばソフトウェアの構成要素、オブジェクト指向ソフトウェアの構成要素、クラスの構成要素、タスクの構成要素といった構成要素と、プロセス、関数、属性、プロシージャ、サブルーチン、プログラムコードのセグメント、ドライバ、ファームウェア、マイクロコード、回路、データ、データベース、データ構造、テーブル、アレイ、変数を含むことができる。構成要素とモジュールにより提供される機能は、さらに小さい数の構成要素及びモジュールで結合されたり、さらなる構成要素とモジュールに分離され得る。
【００３４】
以下、図５ないし図８では動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサの細部構造を説明する。
【００３５】
図５は本発明の一実施形態による動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサの細部構成図である。
図５に示すように、画素のフォトダイオードの出力端にトリガ４１２を連結し、画素の出力電圧が所定閾値以下なのか否かを測定することができる。前記トリガ４１２は一般的に多く使われるシュミットトリガを変形したものであり得、画素の出力電圧が所定閾値以下になるのを感知することができる。このとき、トリガは画素の出力電圧が所定閾値以下になれば、リセット信号を画素に伝達して画素をリセットする（５０２）。
【００３６】
前記リセットされる回数は、フリップフロップ４２２によって測定されて格納されることができ、フリップフロップ４２２は、リセット回数とともに飽和値を測定部４３０に出力することができる。そして、測定部４３０は、残留電荷量（Ｖｏｕｔ）５０４値とともに受信されたリセット回数、飽和値を用いて画素に受光された光量を測定する。
【００３７】
また、選択信号またはフレームリセットが入力５０６されれば一フレームが終わったことになるのでフリップフロップに格納されたリセット回数がクリアされる。
【００３８】
前記フリップフロップの他にもラム（例えば、ＤＲＡＭ）を記憶素子として用いることができ、また、図６に示すように、キャパシタ４２６とトランジスタ４２４ａ，４２４ｂを用いて画素が飽和レベルに達した場合、リセット回数と飽和値を測定部４３０に出力することができる。このとき、画素が飽和レベルに達した場合、キャパシタ４２６には電荷が充電されて画素が飽和したか否かが分かり、これを用いてリセット回数を測定することができる。
【００３９】
また、図７に示すように、前記図６のキャパシタ４２６の出力端に比較器４２８を追加連結して、キャパシタ４２６の遅延放電によるエラーを除去することができる。
【００４０】
また、図８に示すように、前記フリップフロップ４２２代わりにカウンタ４２７を連結して、画素の飽和パルスをカウントしてリセットされた回数を測定することができ、カウンタ４２７は同期式または非同期式カウンタをすべて含むことができる。
【００４１】
図９は本発明の一実施形態による画素が複数回飽和レベルに達した場合、フリップフロップがリセットされた回数を格納して出力する例を示す図面である。
図９に示すように、新しいフレームが始まればフリップフロップが格納されたリセット回数がクリアされる（９１０）。
【００４２】
そして、画素が１回飽和レベルに達すれば１番目フリップフロップＦ１は１値を格納し、これを測定部４３０に出力する（９２０）。同様に、画素が２回飽和レベルに達すればＦ１、Ｆ２は１値を格納し、これを測定部４３０に出力する。また、画素がｎ回飽和レベルに達すればＦ１ないしＦｎはそれぞれ１値を格納し、これを測定部４３０に出力する。測定部４３０は、これを通じて画素の総リセットされた回数を把握し、画素が受光した光量を測定するのに用いることができる。
【００４３】
図１０は本発明の一実施形態による画素に受光された光量を測定する方法のフローチャートである。
まず、感知部４１０は、画素が飽和レベルに達した場合、リセット信号を前記画素に伝達する（Ｓ１００２）。このとき、トリガが用いられて画素が飽和レベルに達したか否かを感知することができる。
【００４４】
そして、記憶部４２０は前記画素がリセットされた回数を格納する（Ｓ１００４）。このとき、前記記憶部４２０は、フリップフロップ、ラム、カウンタ、キャパシタ、トランジスタ、及び比較器のうち少なくともいずれか１つで構成されて画素がリセットされた回数を測定したり、これを格納することができる。
【００４５】
次のステップで、測定部４３０は前記リセット回数、前記画素が飽和レベルに達するのに必要な光量、及び前記画素が最後にリセットされた後に残留する電荷量のうち少なくとも１つを用いて前記画素に受光された光量を測定する（Ｓ１００６）。
【００４６】
以上で説明した実施形態に加えて、本発明の実施形態は前述した実施形態の少なくとも１つの処理要素を制御するためのコンピュータによって読取可能なコード／コマンドを含む媒体、例えば、コンピュータによって読取可能な媒体によって実現できる。前記媒体は、前記コンピュータによって読取可能なコードの格納及び／または伝送を可能にする媒体／媒体らに対応できる。
【００４７】
前記コンピュータによって読取可能なコードは、媒体に記録できるだけでなく、インターネットを介して伝送されることもできるが、前記媒体は、例えば、マグネチック格納媒体（例えば、ＲＯＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）及び光学記録媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭまたはＤＶＤ）のような記録媒体、搬送波のような伝送媒体を含むことができる。また、本発明の実施形態によって前記媒体は合成信号またはビットストリームのような信号でもあり得る。前記媒体は分散ネットワークでもあり得るので、コンピュータによって読取可能なコードは分散方式で格納／伝送され実行されることができる。さらに、一例として、処理要素はプロセッサまたはコンピュータプロセッサを含むことができ、前記処理要素は１つのデバイス内に分散及び／または含まれることができる。
【００４８】
以上、添付する図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は本発明がその技術的思想や必須的な特徴を変更せずに他の具体的な形態によって実施できることを理解することができる。したがって前述した実施形態はすべての面で例示的なものであって、限定的なものではないことを理解しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来イメージセンサの構造と原理を示す図である。
【図２】飽和した画素の出力電圧を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、画素が飽和する場合、画素をリセットさせる原理を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による、動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサのブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による、動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサの細部構造の例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による、動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサの細部構造の例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による、動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサの細部構造の例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による、動的撮影帯域の拡張のためのイメージセンサの細部構造の例を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による、画素が複数回飽和レベルに達した場合、フリップフロップがリセットされた回数を格納して出力する例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、画素に受光された光量を測定する方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
４１０      感知部
４２０      記憶部
４３０      測定部
【図１】
2008125074.tif 000003
【図２】
2008125074.tif 000004
【図３】
2008125074.tif 000005
【図４】
2008125074.tif 000006
【図５】
2008125074.tif 000007
【図６】
2008125074.tif 000008
【図７】
2008125074.tif 000009
【図８】
2008125074.tif 000010
【図９】
2008125074.tif 000011
【図１０】
2008125074.tif 000012