WO2015174761A1 - Ｔｄｉ 라인 이미지 센서 - Google Patents

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    • H04N25/701—Line sensors

Definitions

  • the present invention relates to a TDI line image sensor. More particularly, the pixel unit is configured to accumulate charge in a TDI (Time Delay Integration) method through a CCD device, and the output unit is configured to convert the charge of each column accumulated in the CCD into a memory.
  • the present invention relates to a TDI line image sensor, which is configured to output sequentially after storing in a buffer, thereby improving resolution and transmission speed due to characteristics of CCD and CMOS devices, as well as reducing power consumption and noise.
  • a semiconductor device mainly used in such an image sensor is a charge coupled device (CCD).
  • CCD refers to a device capable of transferring charge from one device to another adjacent device.
  • a sensor employing such a CCD has a structure that converts a change in the amount of free charge in each cell by an amount of light into an electrical signal.
  • the CCD includes an output portion largely composed of a cell region in which charge is accumulated by an actual amount of light and a shift register serving as a passage for sequentially transferring the accumulated charge.
  • the CCD is divided into an area scan method, a line scan method, and a time delay integration (TDI) line scan method according to an array in which each cell is arranged to generate an image.
  • TDI time delay integration
  • the line scan type image sensor (hereinafter referred to as "line sensor”) is a one-dimensional sensor in which pixels for receiving image light are arranged on a line. In the case of picking up an image widened in two dimensions, the line sensor or the subject is moved to sequentially photograph the subject line by line.
  • the line scan method has a merit that high speed and high resolution images can be obtained at a low cost compared to the area scan method by exposing and transmitting at a random speed one line at a time.
  • an area scan method requires 4M pixels to obtain a frame size of 2048 * 2048
  • a line scan method obtains frames of various sizes such as 2048 * 1000 as well as 2048 * 2048 with only 2K pixels. Can be.
  • a TDI line scan type image sensor (hereinafter referred to as a "TDI line image sensor”) is a line sensor in which a plurality of stages are arranged in the scanning direction, and the charge accumulated in the CCD of each line is synchronized with the movement of the image to the next line. Transfer to CCD. This process is repeated until the last line sensor is overlaid and outputted, resulting in an image that satisfies the amount of light even in a high-speed scan.
  • the charge accumulated in the CCD of each line is moved horizontally to the CCD of the next adjacent line to move to the last line and accumulated, and then the charge accumulated in the last line is vertically moved and output to the signal processor.
  • Data can be processed sequentially for each cell on a line basis.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to configure a pixel portion to accumulate charge in a TDI (Time Delay Integration) method through a CCD element, and an output portion of each column accumulated in the CCD.
  • TDI Time Delay Integration
  • a TDI line image sensor includes a line sensor in which M CCDs are arranged in a line, and N line sensors are arranged horizontally in a scan direction to move charges accumulated for each column of the line sensor in a horizontal direction. A pixel portion to be accumulated and stored; And an output unit configured to sequentially receive the charges accumulated in the pixel unit for each column, store the AD conversion, and sequentially output the AD.
  • the output unit M amplifiers for receiving the charge accumulated in the pixel unit in parallel to the charge storage node for each column; M AD converters for AD-converting each signal output from the amplifier; And a memory buffer which sequentially stores and outputs the output of the AD converter.
  • the amplifier is characterized in that the source follower amplifier.
  • the TDI line image sensor configures the pixel unit to accumulate charge in a TDI (Time Delay Integration) method through a CCD element, and the output unit AD converts the charge of each column accumulated in the CCD and stores it in a memory buffer.
  • TDI Time Delay Integration
  • the output unit AD converts the charge of each column accumulated in the CCD and stores it in a memory buffer.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a TDI line image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a pixel part structure of a TDI line image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining the movement of charge in the TDI line image sensor according to an embodiment of the present invention.
  • TDI line image sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
  • the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a TDI line image sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a pixel portion structure of a TDI line image sensor according to an embodiment of the present invention
  • the TDI line image sensor includes a pixel unit 10 and an output unit 20.
  • the pixel portion 10 includes a line sensor 12 in which M CCDs 14 are arranged in a line, and N line sensors 12 are arranged horizontally in the scan direction, and line sensors 12_1 to 12_N in a TDI manner. The charge accumulated by each column in the column is shifted and accumulated in the horizontal direction.
  • the charge storage node FD is moved as the charges accumulated in the CCD 14 are transferred to the adjacent CCD 14 by sequentially controlling the voltages V1, V2, and V3 of each CCD 14. It is nested in the output.
  • the configuration of the pixel portion 10 corresponds to the configuration of the pixel portion of a general TDI line image sensor, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the output unit 20 includes an amplifier 22, an AD converter 24, and a memory buffer 26 so as to sequentially receive the charges accumulated in the pixel unit 10 for each column, store the AD conversions, and store the ADs sequentially. do.
  • the amplifier 22 corresponds to the number of CCDs 14 arranged in one line sensor 12 in order to amplify the charges accumulated in the pixel unit 10 in parallel to the charge storage node FD for each column. M pieces are provided if possible.
  • the amplifier 22 may be configured as a source follower amplifier that is turned on according to the potential of the charge storage node FD accumulated by the charge being moved from the last line sensor 12_N of the pixel unit 10 and outputs a voltage value. have.
  • the AD converter 24 AD-converts each signal output from the M amplifiers 22.
  • the memory buffer 26 stores the image signals converted into digital signals by the M AD converters 24 and sequentially outputs them so that the signal processing unit (not shown) can process the image signals for each line.
  • the charge accumulated in the CCD 14 of each line sensor 12 of the pixel unit 10 in the TDI method is synchronized with the scan to the adjacent line sensor 12 for each column. It is moved and output to the charge storage node FD of the output unit 20.
  • the charge accumulated in the charge storage node FD is amplified by the amplifier 22 and then converted into AD and output as a signal. Thereafter, the charge storage node FD is reset to the voltage VDD connected to the reset drain RD through the reset gate RG to receive the charge of the next line sensor 12.
  • the charge stored in the charge storage node FD of the output unit 20 is amplified by the amplifier 22 without moving through the CCD element, and then converted into a digital signal by the AD converter 24 to the memory buffer 26.
  • the pixel portion is configured to accumulate charge in a TDI (Time Delay Integration) manner through the CCD element, and the output portion charges each column accumulated in the CCD.
  • TDI Time Delay Integration

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Abstract

본 발명은 TDI 라인 이미지 센서가 개시된다. 본 발명의 TDI 라인 이미지 센서는, M개의 CCD가 일렬로 배열된 라인센서와, 스캔방향에 수평으로 N개의 라인센서가 배열되어 라인센서의 컬럼별로 축적된 전하를 수평방향으로 이동시켜 축적하는 화소부; 및 화소부에 축적된 전하를 컬럼별로 병렬 입력받아 AD변환하여 저장한 후 순차적으로 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＴＤＩ 라인 이미지 센서
본 발명은 TDI 라인 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CCD소자를 통해 TDI(Time Delay Integration) 방식으로 전하를 축적하도록 화소부를 구성하고 출력부는 CCD에서 축적된 각 컬럼의 전하를 AD 변환하여 메모리버퍼에 저장한 후 순차적으로 출력하도록 구성함으로써 CCD소자와 CMOS소자의 특성에 의한 해상도와 전송속도를 향상시킬 뿐만 아니라 소비전력과 노이즈를 줄일 수 있도록 한 TDI 라인 이미지 센서에 관한 것이다.
최근, 생산 설비가 대량화, 자동화 및 정밀화됨에 따라 사람의 육안 또는 각종 센서에 의존하던 기능이 점차 이미지 센서를 채용하는 비전 머신(vision machine)으로 대체되고 있는 추세에 있다. 이러한 이미지 센서에 주로 사용되고 있는 반도체 소자가 바로 전하 결합 소자(charge coupled devices; CCD)이다.
CCD는 하나의 소자로부터 인접한 다른 소자로 전하를 전송할 수 있는 소자를 말한다. 이러한 CCD를 채용한 센서는 광량에 의한 각 셀(cell) 내의 자유 전하량의 변화를 전기적 신호로 변환하는 구조를 가진다.
구조적으로, CCD는 크게, 실제 광량에 의해 전하가 축적되는 셀 영역 및 축적된 전하를 차례대로 전송하는 통로 역할을 하는 쉬프트 레지스터(shift register)로 구성되는 출력부를 포함한다.
CCD는 각 셀이 어떤 어레이(array)로 배치되어 영상을 생성하는가에 따라 영역 스캔(area scan) 방식, 라인 스캔(line scan) 방식, TDI(Time Delay Integration) 라인 스캔 방식 등으로 나뉜다.
라인 스캔 방식의 이미지 센서(이하 "라인 센서"라 한다)는 화상광을 수광하는 픽셀이 라인 상에 배열된 1차원 센서이다. 2차원으로 넓어진 화상을 촬상하는 경우에는 라인 센서 또는 피사체를 이동시켜서 피사체를 한 라인씩 순차로 촬상한다.
즉, 라인 스캔 방식은 한 번에 한 라인씩 임의의 속도로 노출 및 전송하는 방식으로 영역 스캔 방식에 비해 저가로 고속 및 고분해능 영상을 얻을 수 있다는 장점을 갖는다. 예를 들면, 2048*2048 크기의 프레임을 얻기 위해 영역 스캔 방식은 4M의 픽셀(pixel) 수가 필요한데 반해 라인 스캔 방식은 2K의 픽셀만 있으면 2048*2048 뿐만 아니라 2048*1000 등 다양한 크기의 프레임을 얻을 수 있다.
그러나, 고속으로 이동하는 피사체를 촬영하는 경우나, 라인 센서를 고속으로 이동시켜 피사체를 촬영하는 경우와 같이 고속 스캔을 수행하는 경우, 각 라인마다 고속으로 전하의 축적과 전송을 반복하게 되므로 한 라인당 전하를 축적할 수 있는 시간이 짧게 되어 화상의 광량이 부족해진다. 이렇게, 광량에 대한 요구가 증가하고 있으나 조명 장치의 한계로 광량을 무한정 증가시킬 수 없다.
이에 따라, PPD(pinned-photodiode), CMOS 센서 등의 재료를 개선하여 감도를 높이는 연구가 진행되고 있는 한편, 여러 개의 라인 센서를 배열하여 광량을 누적시켜 감도를 높이는 방법이 제안되었다.
TDI 라인 스캔 방식의 이미지 센서(이하, "TDI 라인 이미지 센서"라 한다)는 라인 센서가 스캔 방향으로 복수단 배열된 것으로써, 각 라인의 CCD에서 축적된 전하를 화상의 이동과 동기시켜 다음 라인의 CCD로 전송한다. 이러한 과정을 마지막 라인 센서까지 반복하여 전하를 중첩한 후 출력함에 따라 결과적으로 고속 스캔에 있어서도 광량을 충분히 만족하는 화상을 얻을 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2009-0023573호(2009. 03. 05. 공개, 발명의 명칭 : TDI-CCD 이미지 센서를 제어하기 위한 방법)에 개시되어 있다.
이와 같은 TDI 라인 이미지 센서의 경우, 각 라인의 CCD에서 축적된 전하를 인접한 다음 라인의 CCD로 수평 이동시켜 마지막 라인까지 이동시켜 축적한 후 마지막 라인에 축적된 전하를 수직 이동시켜 신호 처리부에 출력함으로써 라인 단위로 각 셀에 대해 순차적으로 데이터를 처리할 수 있도록 한다.
위에서 CCD에 축적된 전하를 인접한 라인으로 수평 이동시킬 때는 화상의 이동과 동기되어 병렬로 이동되지만, 축적된 전하를 신호 처리부에 출력하기 위해 수직 이동시킬 때는 정지된 상태에서 하나씩 직렬 이동시켜 전송하기 때문에 수직 이동시 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
특히, TDI 라인 이미지 센서의 경우 스캔 방향에 수평으로 배열된 라인의 수보다는 높은 해상도를 위해 각 라인에 수직으로 일렬 배열된 CCD의 수가 상대적으로 많기 때문에, TDI 라인 이미지 센서를 통해 이미지를 스캔하기 위해 소요되는 많은 시간이 축적된 전하를 수직 이동시켜 출력하는데 기인하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 CCD소자를 통해 TDI(Time Delay Integration) 방식으로 전하를 축적하도록 화소부를 구성하고, 출력부는 CCD에서 축적된 각 컬럼의 전하를 AD 변환하여 메모리버퍼에 저장한 후 순차적으로 출력하도록 구성함으로써 CCD소자와 CMOS소자의 특성에 의한 해상도와 전송속도를 향상시킬 뿐만 아니라 소비전력과 노이즈를 줄일 수 있도록 한 TDI 라인 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 TDI 라인 이미지 센서는, M개의 CCD가 일렬로 배열된 라인센서와, 스캔방향에 수평으로 N개의 라인센서가 배열되어 라인센서의 컬럼별로 축적된 전하를 수평방향으로 이동시켜 축적하는 화소부; 및 화소부에 축적된 전하를 컬럼별로 병렬 입력받아 AD변환하여 저장한 후 순차적으로 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 출력부는 화소부에 축적된 전하를 컬럼별로 전하저장노드에 병렬 입력받아 각각 증폭하기 위한 M개의 증폭기; 증폭기에서 출력되는 각 신호를 AD변환하는 M개의 AD변환기; 및 AD변환기의 출력을 저장하여 순차적으로 출력하는 메모리버퍼;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 증폭기는 소스 폴로워 증폭기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 TDI 라인 이미지 센서는 CCD소자를 통해 TDI(Time Delay Integration) 방식으로 전하를 축적하도록 화소부를 구성하고, 출력부는 CCD에서 축적된 각 컬럼의 전하를 AD 변환하여 메모리버퍼에 저장한 후 순차적으로 출력하도록 구성함으로써 CCD소자와 CMOS소자의 특성에 의한 해상도와 전송속도를 향상시킬 뿐만 아니라 소비전력과 노이즈를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 라인 이미지 센서를 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 라인 이미지 센서의 화소부 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 라인 이미지 센서에서 전하의 이동을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 라인 이미지 센서를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 라인 이미지 센서를 나타낸 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 라인 이미지 센서의 화소부 구조를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 라인 이미지 센서에서 전하의 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 TDI 라인 이미지 센서는 화소부(10) 및 출력부(20)를 포함한다.
화소부(10)는 M개의 CCD(14)가 일렬로 배열된 라인센서(12)와, 스캔방향에 수평으로 N개의 라인센서(12)가 배열되어, TDI 방식으로 라인센서(12_1~12_N)의 컬럼별로 축적된 전하를 수평방향으로 이동시켜 축적한다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 각 CCD(14)의 V1, V2, V3 전압을 순차적으로 제어함으로써 CCD(14)에 축적된 전하가 인접한 CCD(14)로 이동됨에 따라 전하저장노드(FD)에 중첩되어 출력된다.
화소부(10)의 구성은 일반적인 TDI 라인 이미지 센서의 화소부 구성과 대응되어 본 실시예에서는 그 구체적인 구성에 대한 설명은 생략한다.
출력부(20)는 화소부(10)에 축적된 전하를 컬럼별로 병렬 입력받아 AD변환하여 저장한 후 순차적으로 출력하도록, 증폭기(22), AD변환기(24) 및 메모리버퍼(26)를 포함한다.
증폭기(22)는 화소부(10)에서 축적된 전하를 컬럼별로 전하저장노드(FD)에 병렬 입력받아 각각 증폭하기 위해, 하나의 라인센서(12)에 배열된 CCD(14)의 개수에 대응되도록 M개를 구비한다.
이때 증폭기(22)는 화소부(10)의 마지막 라인센서(12_N)로부터 전하가 이동되어 축적된 전하저장노드(FD)의 전위에 따라 턴온되어 전압값을 출력하는 소스 폴로워 증폭기로 구성할 수 있다.
AD변환기(24)는 M개의 증폭기(22)에서 출력되는 각 신호를 AD변환한다.
메모리버퍼(26)는 M개의 AD 변환기(24)에서 디지털 신호로 변환된 화상신호를 저장한 후 순차적으로 출력하여 신호 처리부(미도시)에서 라인별로 화상신호를 처리할 수 있도록 한다.
이와 같이 구성된 TDI 라인 이미지 센서를 스캔하여 촬영하면, TDI 방식으로 화소부(10)의 각 라인센서(12)의 CCD(14)에 축적된 전하는 스캔과 동기되어 인접한 라인센서(12)로 컬럼별로 이동되어 출력부(20)의 전하저장노드(FD)로 출력된다.
전하저장노드(FD)에 축적된 전하는 증폭기(22)를 통해 증폭된 후 AD변환되어 시그널(Signal)로 출력된다. 이후 리셋게이트(RG)를 통해 전하저장노드(FD)를 리셋드레인(RD)에 연결된 전압(VDD)로 리셋(Reset)시켜 다음 라인센서(12)의 전하를 입력받을 수 있도록 한다.
이와 같이 화소부(10)를 CCD소자에 의한 TDI 방식으로 구성함으로써 광량을 충분히 만족하는 고분해능의 영상을 얻을 수 있다.
또한, 출력부(20)의 전하저장노드(FD)에 저장된 전하는 CCD소자를 통해 이동시키지 않고, 증폭기(22)를 통해 증폭한 후 AD변환기(24)에서 디지털 신호로 변환하여 메모리버퍼(26)에 저장한 후 출력함으로써, CMOS소자에 의해 집적도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 적은 전력으로 전송속도를 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 TDI 라인 이미지 센서에 따르면, CCD소자를 통해 TDI(Time Delay Integration) 방식으로 전하를 축적하도록 화소부를 구성하고, 출력부는 CCD에서 축적된 각 컬럼의 전하를 AD 변환하여 메모리버퍼에 저장한 후 순차적으로 출력하도록 구성함으로써 CCD소자와 CMOS소자의 특성에 의한 해상도와 전송속도를 향상시킬 뿐만 아니라 소비전력과 노이즈를 줄일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (3)

  1. M개의 CCD가 일렬로 배열된 라인센서와, 스캔방향에 수평으로 N개의 상기 라인센서가 배열되어 상기 라인센서의 컬럼별로 축적된 전하를 수평방향으로 이동시켜 축적하는 화소부; 및
    상기 화소부에 축적된 상기 전하를 컬럼별로 병렬 입력받아 AD변환하여 저장한 후 순차적으로 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 TDI 라인 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 출력부는,
    상기 화소부에 축적된 상기 전하를 컬럼별로 전하저장노드에 병렬 입력받아 각각 증폭하기 위한 M개의 증폭기;
    상기 증폭기에서 출력되는 각 신호를 AD변환하는 M개의 AD변환기; 및
    상기 AD변환기의 출력을 저장하여 순차적으로 출력하는 메모리버퍼;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TDI 라인 이미지 센서.
  3. 제 2항에 있어서, 증폭기는 소스 폴로워 증폭기인 것을 특징으로 하는 TDI 라인 이미지 센서.
PCT/KR2015/004855 2014-05-15 2015-05-14 Ｔｄｉ 라인 이미지 센서 Ceased WO2015174761A1 (ko)

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