KR20070046894A - 전하 판독 방법 및 카메라 - Google Patents

Abstract

복수의 광감지 영역 및 복수의 수직 시프트 레지스터를 갖는 인터레이스 CCD로부터 전하를 판독하는 방법으로서, 각각의 광감지 영역은 수직 시프트 레지스터의 CCD와 각각 짝을 이루고, 컬러 필터가 2 행의 반복 패턴을 갖되, 각 행은 공간 영역에서 순차적으로 번호가 부여된 복수의 3 라인 서브어레이를 형성하는 적어도 2개의 컬러를 포함하며, 컬러 필터는 광감지 영역에 걸쳐 있으며 방법이 개시되며, 그러한 방법은 컬러를 분리된 채로 유지하는 수직 시프트 레지스터내로 라인 1, 3을 판독하고, 라인 1, 3에서의 전하를 합산하고, 합산된 전하의 한 행을 제 1 수평 전하 결합 소자내로 전송하고, 제 1 수평 전하 결합 소자내의 교번적인 전하를 제 2 수평 전하 결합 소자내로 전송하고, 제 1 수평 전하 결합 소자에서의 2개의 전하의 세트들을 합산하고, 제 2 수평 전하 결합 소자에서의 2개의 전하의 세트들을 합산하고, 제 1 및 제 2 수평 시프트 레지스터 둘다에서의 전하를 절반 해상도 클럭킹 시퀀스로 판독하는 것을 포함한다.

Description

전하 판독 방법 및 카메라{IMAGE SENSOR FOR STILL OR VIDEO PHOTOGRAPHY}

전반적으로, 본 발명은 화상 감지기의 분야에 관한 것으로서, 특히, 화상 감지기의 전체 어레이를 샘플링하고, 사전결정된 방식으로 화소 값들을 합산하여, 화상 크기를 3의 계수 만큼 감소시킴으로써, 적어도 초당 30 프레임(비디오)을 생성하는 것에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 인터라인 CCD(charge coupled device) 화상 감지기(10)는 포토다이오드들(20)의 어레이로 구성된다. 포토다이오드는 컬러 필터에 의해 커버되어, 광 파장의 협대역만이 포토다이오드에서 전하를 생성하도록 한다. 전형적으로, 화상 감지기는 도 2에 도시된 바와 같은 2x2 서브 어레이로 포토다이오드 위에 배열된 셋 이상의 상이한 컬러 필터의 패턴을 갖는다. 일반화된 설명을 위해, 2x2 어레이는 4개의 컬러 A, B, C, D를 갖는 것으로 가정된다. 베이어 패턴(Bayer pattern)으로서 지칭되는, 디지털 카메라에서 이용되는 가장 일반적인 컬러 필터 패턴에서, 컬러 A는 적색, 컬러 B 및 C는 녹색, 컬러 D는 청색이다.

도 1을 다시 참조하면, 광 생성 전하의 화상 판독은, 포토다이오드 전하의 일부 또는 전부를 수직 CCD(VCCD)(30)로 전송하는 것으로 시작된다. 프로그래시브 주사(progressive scan) CCD의 경우, 모든 포토다이오드는 전하를 VCCD(30)로 동시에 전송한다. 2 필드 인터레이스(two field interlaced)의 경우, 제 1 필드 화상 판독을 위해 먼저 짝수 포토다이오드 행이 전하를 VCCD(30)로 전송하고, 제 2 필드 화상 판독을 위해 홀수 포토다이오드 행이 전하를 VCCD(30)로 전송한다.

VCCD(30)에서의 전하는 평행한 한 행에서의 모든 열을 한 번에 수평 CCD(HCCD)(40)로 전송함으로써 판독된다. HCCD(40)는 전하를 출력 증폭기(50)로 직렬 전송한다.

도 1은 단지 24 화소의 어레이를 도시한다. 정지 사진을 위한 많은 디지털 카메라는, 수 백만 화소를 갖는 화상 감지기를 이용한다. 8 메가화소 화상 감지기는 40MHz 데이터율에서 판독하는데 있어 적어도 1/3 초를 필요로 할 것이다. 이것은, 동일한 카메라가 비디오를 기록하기 위해 이용되는 경우에, 적절하지 않은 것이다. 전형적으로, 비디오 레코더는 1/30 초에서의 화상 판독을 필요로 한다. 본 발명이 해결하고자 하는 단점은, 1 백만 화소를 초과하는 화상 감지기를, 고품질 디지털 정지 카메라 및 30 프레임/초(frames/second) 비디오 카메라 둘다로서 어떻게 이용할지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 동일한 컬러의 화소들을 함께 합산함으로써, 화상 감지기의 해상도를 3의 계수 만큼 감소시키는 방법을 기술한다.

종래 기술은 비디오 화상을 감소된 해상도(전형적으로, 640x480 화소)로 제공함으로써 이러한 문제를 해결한다. 예를 들어, 3200x2400 화소를 갖는 화상 감지기는, 미국 특허 제 6,342,921 호에 기술된 바와 같이, 단지 다섯 번째 화소마다 판독할 것이다. 이것은 때때로 서브샘플링으로서 지칭되거나, 또는 시닝(thinning) 모드 혹은 스키핑(skipping) 모드로서 지칭된다. 화상을 5의 계수 만큼 서브샘플링하는 것의 단점은, 포토다이오드의 단지 4%만이 이용된다는 것이다. 서브샘플링된 화상은 감소된 감광성(photosensitivity) 및 앨리어스 아티팩트(alias artifacts)를 겪는다. 화상 감지기상에 집속된 날카로운 라인이 샘플링되지 않은 화소상에만 존재하는 경우, 그러한 라인은 비디오 화상에서 재생되지 않을 것이다. 다른 서브샘플링 방안에 대해서는, 미국 특허 제 5,668,597 호 및 제 5,828,406 호에 개시되어 있다.

미국 특허 제 6,661,451 호 또는 미국 특허 출원 공개 제 2002/0139689 A1 호를 포함하는 종래 기술은, 화소들을 함께 합산함으로써, 서브샘플링의 문제점을 해결하고자 한다. 이러한 종래 기술은 화소들을 수직으로 함께 합산하지만, 수평으로는 합산하지 않는다.

미국 특허 출원 공개 제 2001/0010554 A1 호는, 서브샘플링없이 화소들을 함께 합산함으로써 프레임율을 증가시킨다. 그러나, 그것은 2 필드 인터레이스 판독을 필요로 한다. 프로그래시브 주사 판독으로 비디오 화상을 얻는 것이 더욱 바람직하다. 인터레이스 비디오는 상이한 시간에 2 필드를 획득한다. 화상에서의 움직이는 물체는, 각각의 인터레이스 필드가 획득되는 경우, 상이한 위치들에서 나타날 것이다.

종래 기술의 다른 단점은, 그것이 수직 방향에서의 화상 해상도만을 감소시킨다는 것이다. 수평 방향에서, HCCD는 여전히 모든 화소를 판독해야 한다. 단지 서브샘플링 또는 다른 방법을 통해 수직 방향에서의 화상 해상도를 감소시키는 것은, 매우 큰 (8 백만 화소보다 큰) 화상 감지기에 대해 프레임율을 30 프레임/초로 증가시키지 않는다.

미국 특허 출원 공개 제 2003/0067550 A1 호는 보다 고속의 화상 판독을 위해 수직 및 수평으로 화상 해상도를 감소시킨다. 그러나, 이러한 종래 기술은 스트립된(striped) 컬러 필터 패턴(3x1 컬러 필터 어레이)을 필요로 하는데, 일반적으로 그것은 베이어 또는 2x2 컬러 필터 어레이 패턴에 비해 열등한 것으로 알려져 있다.

종래 기술의 단점들의 관점에서, 화소 어레이의 절반보다 많이 샘플링하고, 비디오 화상 프로그래시브 주사(비-인터레이스)를 판독하면서, 2x2 컬러 필터 패턴으로 메가화소 화상 감지기로부터 30 프레임/초 비디오를 생성할 수 있는 발명이 요망된다.

발명의 개요

복수의 광감지 영역 및 복수의 수직 시프트 레지스터를 갖는 인터레이스 CCD로부터 전하를 판독하는 방법으로서, 각각의 광감지 영역은 수직 시프트 레지스터의 CCD와 각각 짝을 이루고, 컬러 필터가 2 행의 반복 패턴을 갖되, 각 행은 공간 영역에서 순차적으로 번호가 부여된 복수의 3 라인 서브어레이를 형성하는 적어도 2개의 컬러를 포함하며, 컬러 필터는 광감지 영역에 걸쳐 있으며 방법이 개시되며, 그러한 방법은, (a) 컬러를 분리된 채로 유지하는 수직 시프트 레지스터내로 라인 1, 3을 판독하고, (b) 라인 1, 3에서의 전하를 합산하고, (c) 합산된 전하의 한 행을 제 1 수평 전하 결합 소자내로 전송하고, (d) 제 1 수평 전하 결합 소자내의 교번적인 전하를 제 2 수평 전하 결합 소자내로 전송하고, (e) 제 1 수평 전하 결합 소자에서의 2개의 전하의 세트들을 합산하고, (f) 제 2 수평 전하 결합 소자에서의 2개의 전하의 세트들을 합산하고, (g) 제 1 및 제 2 수평 시프트 레지스터 둘다에서의 전하를 절반 해상도 클럭킹 시퀀스로 판독하는 것을 포함한다.

본 발명의 바람직한 효과

본 발명은 프로그래시브 주사 판독에서 화소 어레이를 1/3 해상도로 샘플링하면서, 비디오에 대해 초당 30 프레임을 생성하는 이점을 포함한다.

도 1은 종래 기술의 화상 감지기이다.

도 2는 화상 감지기를 위한 전형적인 컬러 필터 어레이이다.

도 3은 본 발명의 2 필드 인터레이스 화상 감지기의 제 1 필드를 판독하기 위한 전하의 흐름을 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 2 필드 인터레이스 화상 감지기의 제 2 필드를 판독하기 위한 전하의 흐름을 도시하는 도면이다.

도 5는 VCCD를 포함하는 본 발명의 화소의 상세도이다.

도 6은 본 발명의 화상 감지기의 3 라인들로부터 2 라인을 함께 합산하기 위 한 전하의 흐름을 도시하는 도면이다.

도 7은 프로그래시브 주사 방식에서 합산된 전하의 HCCD 쪽으로의 흐름을 도시하는 도면이다.

도 8은 도 6에 도시된 바와 같은 전하 합산 동작을 위해 클럭킹 시퀀스의 다양한 시간 단계들에서의 VCCD의 채널 전위도를 포함하는, 도 6의 VCCD의 측면도이다.

도 9는 도 8의 각 시간 단계에서의 VCCD 게이트 전압이다.

도 10은 도 7에 도시된 바와 같은 HCCD 쪽으로의 합산 전하의 전송을 위해 클럭킹 시퀀스의 다양한 시간 단계들에서의 VCCD의 채널 전위도를 포함하는, 도 7의 VCCD의 측면도이다.

도 11은 도 10의 각 시간 단계에서의 VCCD 게이트 전압이다.

도 12는 의사-2-위상 HCCD에서의 전하 전송을 위해 클럭킹 시퀀스의 다양한 시간 단계들에서의 채널 전위도를 포함하는, 종래 기술의 HCCD의 측면도이다.

도 13은 도 12에 대한 타이밍도이다.

도 14는 의사-2-위상 2배속 HCCD에서의 전하 전송을 위해 클럭킹 시퀀스의 다양한 시간 단계들에서의 채널 전위도를 포함하는, 종래 기술의 HCCD의 측면도이다.

도 15는 도 14에 대한 타이밍도이다.

도 16은 합산된 전하 패킷을 포함하는 VCCD 및 이중 출력 HCCD를 포함하는 본 발명의 화상 감지기이다.

도 17은 합산된 전하 패킷의 제 1 HCCD로의 전송을 도시하는 본 발명의 화상 감지기이다.

도 18은 제 1 HCCD로부터 제 2 HCCD로의 합산 전하 패킷의 절반의 전송을 도시하는 본 발명의 화상 감지기이다.

도 19는 제 2 HCCD에서의 전하를 제 1 HCCD와 정렬하기 위한, 제 2 HCCD에서의 합산 전하 패킷의 전송을 도시하는 본 발명의 화상 감지기이다.

도 20은 수평 전하 패킷 합산없이, 제 1 및 제 2 HCCD에서의 전하의 출력 증폭기 쪽으로의 전송을 도시하는 본 발명의 화상 감지기이다.

도 21은 도 20의 전하 패킷의 수평 합산의 처리를 도시하는 본 발명의 화상 감지기이다.

도 22는 도 20의 전하 패킷의 수평 합산의 결과를 도시하는 본 발명의 화상 감지기이다.

도 23은 HCCD의 상세도이다.

도 24는 도 23의 HCCD의 풀 해상도 판독에 대한 타이밍도이다.

도 25는 도 23 및 20의 HCCD의 수평 합산 판독에 대한 타이밍도이다.

도 26은 풀 수평 해상도 판독을 위한 전하 전송의 시간 단계 시퀀스를 도시하는 채널 전위도를 포함하는 도 23의 단면 K-M의 측면도이다.

도 27은 풀 수평 해상도 판독을 위한 전하 전송의 시간 단계 시퀀스를 도시하는 채널 전위도를 포함하는 도 23의 단면 R-S의 측면도이다.

도 28은 절반 수평 해상도 2배속 판독을 위한 전하 전송의 시간 단계 시퀀스 를 도시하는 채널 전위도를 포함하는 도 23의 단면 K-M의 측면도이다.

도 29는 절반 수평 해상도 2배속 판독을 위한 전하 전송의 시간 단계 시퀀스를 도시하는 채널 전위도를 포함하는 도 23의 단면 R-S의 측면도이다.

도 30은 본 발명의 화상 감지기를 위한 전형적인 상업적 실시예를 도시하는 카메라이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 화상 감지기(100)가 도시되어 있다. 명료성을 위해, 화상 감지기(100)의 화소 어레이의 일부분만이 도시된다. 그것은 포토다이오드(120)의 어레이와 포토다이오드(120)의 열들 사이에 위치된 VCCD(130)로 구성된다. 전체 포토다이오드 어레이에 걸쳐 있는 2x2 어레이로 반복되는 컬러 필터가 존재한다. 4개의 컬러 필터 A, B, C, D는 3개 또는 4개의 고유한 컬러의 필터이다. 전형적으로, 제한적인 것은 아니지만, A = 적색, B 및 C = 녹색, D = 청색이다. 다른 일반적인 컬러 방안은 시안(cyan), 마젠타(magenta), 황색(yellow) 또는 심지어 백색 필터를 이용한다.

도 5를 간략하게 참조하면, 하나의 화소가 도시되어 있다. VCCD(130)는 인터레이스 4-위상 타입이며, 포토다이오드(120)마다 2개의 제어 게이트 전극(132, 134)을 갖는다.

도 3을 다시 참조하면, 포토다이오드(120)에 저장된 화상의 풀 해상도 판독은, 인터레이스 화상 감지기(100)에 대해 이하에 기술된 방식으로 진행된다. 먼저, 라인 1로서 라벨링된 모든 라인들로 구성되는 필드 1에서의 전하가 포토다이오드(120)로부터 인접 VCCD(130)로 전송된다. VCCD(130)는 컬러 A 및 C를 포함하는 라인들로부터만 전하를 수신할 것이다. 전하가 VCCD(130)에 있게 되면, 본 기술 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 그것은 직렬 수평 CCD, HCCD(도시되지 않음) 쪽으로, 그 다음 출력 증폭기(도시되지 않음) 쪽으로 병렬 전송된다. 다음, 도 4에서, 컬러 A 및 C로부터의 모든 신호가 VCCD(130)로부터 전송된 후, 라인 2에서의 포토다이오드(120)내의 나머지 전하가 VCCD(130)로 전송된다. 이것은 컬러 B 및 D만을 포함하는 필드 2이다. 화상은 2개의 필드에서 판독되므로, 외부 셔터를 이용하여, 광을 차단하고, 제 1 필드가 판독되는 동안 제 2 필드에 신호가 더 축적되는 것을 방지한다.

감지기가 디지털 카메라에 설치되어, 비디오 모드에서 이용되는 경우, 외부 셔터는 개방된 채로 유지되고, 화상 감지기(100)는 연속적으로 동작한다. 대부분의 응용은 비디오를 적어도 10 프레임/초의 프레임율로서 정의하며, 가장 바람직한 비율은 30 프레임/초이다. 현재, 화상 감지기는 전형적으로 그러한 고 해상도를 가지며, 30 프레임/초에서의 풀 해상도 화상 판독은 50MHz 미만의 데이터율 및 하나 또는 두 개의 출력 증폭기로는 불가능하다. 본 발명의 해결책은 화상 감지기 내부의 화소들을 함께 합산하여, 비디오 비율 이미징을 허용하는 해상도 아래로 화소 수를 감소시킨다.

이제, 수직 해상도를 1/3 만큼 감소시킴으로써 프레임율을 증가시키는 경우를 설명한다. 이제, 도 6을 참조하면, 도 3에 도시된 것과 동일한 화상 감지기(100)로서, 상이한 판독 시퀀스를 갖는 화상 감지기(100)가 도시되어 있다. 라인들은 라인 1, 라인 2, 라인 3으로 라벨링된다. 이러한 라벨링은 전체 화상 감지기의 3개의 라인마다 반복된다. 포토다이오드(120)로부터 전하를 판독하는 처리는 라인 1 및 라인 3에서 시작되고, 전하가 VCCD(130)로 전송되며, VCCD(130)는 라인 1 및 3으로부터의 2개의 전하 패킷이 VCCD(130)에서 함께 합산되도록 클럭킹된다. 라인 2 포토다이오드는 VCCD(130)로 전송되지 않음을 주지해야 한다. 그들은 비디오 모드에서 결코 판독되지 않는다. 라인 2 포토다이오드에서 모아진 전하는 수직 오버플로우 드레인을 엎지른다(spills out).

이제 화상 감지기(100)는 도 7에 도시된 상태에 있을 것이다. 컬러를 포함하는 2개의 행이 함께 더해진다. VCCD(130)에서의 각각의 전하 패킷은, 라벨 2A, 2B, 2C, 2D에 의해 나타낸 바와 같이, 2개의 포토다이오드(120)의 합산된 전하를 포함한다. 모든 포토다이오드가 동시에 판독되어, 이러한 비디오 모드에서의 전자 셔터 노출 제어가 가능하다. 화상 감지기(100)가 도 7에서 도시된 상태에 있는 경우, 합산된 전하 패킷은 VCCD(130)로부터 통상적인 프로그래시브 주사 시퀀스로 판독될 수 있다. 단지 1개의 필드만이 판독될 필요가 있고, VCCD(130)는 도 3 및 4에 도시된 풀 해상도 경우와 같이 라인 수의 1/3을 포함한다. 이것은 3의 계수 만큼 프레임율을 가속시킨다.

도 8은 전하 패킷 클럭킹을 상세히 도시한다. 도 8은 컬러 A 및 B의 화소를 포함하는 열의 VCCD(130)의 중앙 아래의 단면이다. 라벨 A 또는 B는 전하 패킷의 컬러를 식별하고, 아래 첨자 번호는 전하 패킷이 발생되는 라인을 식별한다. 라벨 T0 내지 T11은 전하 전송 클럭킹 시퀀스의 시간 단계를 표시한다. 게이트 V1 내지 V6은 도 9에 도시된 전압들로 클럭킹된다. 전압 VL은 전형적으로 -7V 내지 -9V이며, VM은 전형적으로 -2V 내지 +2V의 범위내에 있다. VH는 포토다이오드와 VCCD 사이의 전송 게이트를 턴온하는 전압 레벨이며, 전형적으로 +7V보다 크다. 시간 단계 T2에서, 제어 게이트 V2 및 V6은 그들의 최고 전압으로 펄스되어, 포토다이오드와 VCCD 사이의 전송 게이트를 턴온한다. 이것은 단지 라인 1 및 3 포토다이오드로부터 VCCD로의 전하 전송을 초래한다. 시간 단계 T3, T4는 VCCD에서의 유사한 컬러들의 전하 패킷을 함께 합산한다.

도 10은 도 8에 도시된 것과 동일한 단면으로서, 컬러 A 및 B의 화소를 포함하는 열의 VCCD(130)의 중앙의 아래를 도시한다. 도 10의 시간 단계 T0은 도 8에 도시된 전하 합산 처리의 결과이다. 도 10의 시간 단계 T1 내지 T6은 전하의 한 행을 수평 CCD로 전송하기 위한 6-위상 클럭킹 시퀀스를 도시한다. 도 10의 각 시간 단계에서의 게이트 제어 전압 V1 내지 V6이 도 11에 도시된다.

여기 까지, 본 발명은 전하 패킷의 2 라인을 함께 합산하여, 프레임율을 3의 계수 만큼 증가시키는 방법을 개시한다. 2304 라인을 갖는 화상 감지기가, 2 라인 쌍들을 합산하여 768 라인(XVGA 해상도)으로 감소된다고 해도, 그것은 여전히 화상 3027x768 화소를 판독하기 위해, 1/30 초보다 긴 시간을 취할 것이다. 고속 화상 판독을 위한 해결책은 HCCD에서의 전하 패킷을 또한 함께 합산하여, 수평 해상도를 1/2 만큼 감소시키는 것이다.

도 12를 참조하면, 잘 알려진 종래 기술의 HCCD가 도시되어 있다. 그것은 열당 4개의 제어 게이트를 이용하는 의사-2 위상 CCD이다. 2 게이트 쌍 H1, H2, H3 각각은 2 게이트 중 하나 아래의 채널 전위 주입 조절부(380)와 함께 와이어링된다. 채널 전위 주입 조절부(380)는 HCCD에서의 전하 전송의 방향을 제어한다. 전하는 HCCD의 H2 게이트 아래에서 한 번에 1 라인이 VCCD로부터 전송된다. 도 12는 도 1로부터의 컬러 A 및 C를 포함하는 라인으로부터의 전하 패킷의 존재를 도시한다. 전하 패킷은, 도 13의 클럭 신호를 인가함으로써, 시간 단계 T0, T1, T2에서 HCCD를 통해 한 행 직렬로 진행된다.

미국 특허 제 6,462,779 호는 HCCD에서 2개의 화소를 합산하여, HCCD 클럭 주기의 전체 수를 절반으로 감소시키는 방법을 제공한다. 이것은 도 14에 도시되어 있다. 이러한 방법은 모든 화소가 단색 화상 감지기에 대해 하나의 컬러인 선형 또는 영역 화상 감지기를 위해 설계된다. 도 2의 2x2 컬러 패턴을 이용하는 2 차원 어레이에서, 각 라인은 하나의 컬러보다 많은 컬러를 갖는다. 따라서, 도 14에서, 컬러 A 및 C를 포함하는 라인이 HCCD내로 전송되고, 도 15의 타이밍으로 클럭킹될 때, 컬러 A 및 C는 함께 더해진다. 그것은 화상에서의 컬러 정보를 파괴한다.

도 16에 도시된 본 발명은 HCCD에서의 화소들을 합산할 때, 컬러들이 혼합되는 것을 방지하는 방법을 제공한다. 본 발명은 4개의 컬러 A, B, C, D의 2x2 컬러 필터 패턴에 의해 커버된 포토다이오드(430)의 어레이로 구성된다. 포토다이오드(430)로부터의 전하 패킷은, 이후에 기술된 바와 같은 2 라인 합산 3x 수직 해상도 감소를 이용하여, 전송되고 VCCD(420)에서 수직으로 합산된다. 2 라인 합산의 결과는 도 16에 도시되어 있다. 제 1 HCCD(400) 및 제 2 HCCD(410)가 화소 어레이의 바닥에 위치되어 있다. 제 1 HCCD(400)로부터 제 2 HCCD(410)로 전하 패킷의 절반을 전송하기 위해, 두 열마다 하나의 전송 채널(460)이 존재한다. 다른 처리를 위해 전하 패킷을 전압으로 변환하도록, 각 HCCD의 단부에 출력 증폭기(440, 450)가 존재한다.

도 17 내지 20은 HCCD를 통해 1 라인을 판독하기 위한 전하 전송 시퀀스를 도시한다. 먼저, 도 17에서, 컬러 B 및 D를 포함하는 1 라인이 도 18에 도시된 바와 같이 제 1 HCCD(400)내로 전송된다. HCCD내의 전하 패킷은 컬러에 대응하는 문자 및 전하 패킷이 발생된 열에 대응하는 아래 첨자로 라벨링된다. 도 19에서, 짝수 열들로부터의 전하 패킷은 전송 게이트(460)를 통해서만 제 2 HCCD(410)로 전달된다. 도 20에서, 제 2 HCCD(410)에서의 전하 패킷은 1 열 만큼 진행되어, 그것이 제 1 HCCD(400)내의 전하 패킷과 정렬되도록 한다. 각각의 HCCD를 판독하는데 필요한 클럭 주기의 수는 HCCD에서의 열의 수의 1/2과 동일하다. 제 2 HCCD(410)의 추가는 판독 시간을 절반 만큼 감소시킨다. 3x 수직 속도 증가와 결합함으로써, 전체 어레이의 총 판독 시간은 이제 6x 만큼 감소된다. 6x 속도 증가는 30 프레임/초 비디오 동작을 위해 여전히 충분하지 않다. 그러나, 각각의 HCCD는 이제 단지 한 가지 컬러 유형만을 포함하므로, 컬러 혼합없이도 수평 합산 동작이 가능하다.

도 21 및 22에 도시된 바와 같이, 각각의 HCCD(400, 410)에서 2개의 전하 패킷이 수평적으로 함께 합산될 수 있다. 합산은 상이한 컬러들의 전하 패킷 혼합없이 수행된다. 2 화소 합산은 각각의 HCCD(400, 410)의 판독을 위한 전하 패킷의 수를, 다른 2의 계수 만큼 감소시킨다. 본 명세서에서, 이러한 2 화소 합산은 절반 해상도 클럭킹 시퀀스라고 정의된다. 이러한 HCCD 설계는 4의 계수의 전체 속도 향상을 제공한다. 전술한 3x 수직 해상도 감소 라인 합산과 결합함으로써, 이것은 비디오 모드에 대한 프레임율에서 12배의 증가를 제공한다. 그것은 30 프레임/초의 프레임율에서 1024x768 XVGA 비디오 화상의 화상 판독을 허용하기에 충분하다.

도 23은 HCCD 구조를 보다 상세히 도시한다. p 타입 웰 또는 기판(540)내의 n 타입 매립형 채널 CCD(520)의 최상부 위에 제 1 HCCD(400) 및 제 2 HCCD(410)가 제조된다. 제 1 및 제 2 HCCD에서의 전하 전송의 방향을 제어하기 위해, p 타입 채널 전위 조절 장벽 주입부(530)가 존재한다. 도 23의 최상부는 제 1 HCCD(400)를 통한 단면 K-M의 측면을 도시한다. HCCD 게이트 H1 내지 H4에 제어 전압을 공급하는 4개의 와이어가 존재한다. 추가적인 와이어 TG는 2개의 채널들 사이의 전송 게이트를 제어한다. 게이트 전극은 전형적으로, 제한적인 것은 아니지만, 적어도 2 레벨의 폴리실리콘 물질이다. 폴리실리콘의 제 3 레벨은, 이용된 제조 프로세스가 폴리실리콘의 제 1 또는 제 2 레벨이 이용되는 것을 허용하지 않는 경우, 전송 게이트를 위해 이용될 수 있다. 전송 게이트 영역의 매립형 채널에서의 주입을 주의깊게 이용하고, 게이트 전압을 약간 변형함으로써, 전송 게이트는 완전히 생략될 수 있다. 전송 게이트의 정확한 구조는 본 발명의 기능에 있어 중요하지 않다.

풀 해상도 판독을 위해 도 23의 HCCD에 인가된 클럭 전압이 도 24에 도시된다. HCCD에 대한 전형적인 전압 세트는 VHH = +3V, VHM = 0V, VHL = -3V일 것이다. 시간 T3에서 전송 게이트는 턴온되는 반면, 제 1 HCCD(400)에서의 모든 게이트들은 턴오프된다(VHL 상태). 전송 게이트 TG와 정렬된 열에서의 전하 패킷은 전송 게이트 TG를 가로질러 제 1 HCCD(400)내로 흐르고, 그 다음, 제 2 HCCD(410)내로 흐른다. 전송 게이트 TG와 정렬되지 않은 다른 열에서의 전하 패킷은 제 1 HCCD(400)에서 유지된다.

이하에서는, 정지 사진을 위한 풀 해상도 모드에서의 HCCD의 판독을 설명한다. 도 26은 제 1 HCCD(400)에 대한 전하 전송 시퀀스를 도시하고, 도 27은 제 2 HCCD(410)에 대한 전하 전송 시퀀스를 도시한다. 전하 패킷의 컬러에 대응하는 문자 A, B, C, D는 전하 패킷을 식별한다. 전하 패킷 라벨상의 아래 첨자는 전하 패킷의 열 번호에 대응한다. 각각의 시간 단계 T0, T1, T2에 대한 클럭 전압은 도 24에 도시된다. HCCD는 2개의 전압 VHM과 VHL 사이에서 의사 2-위상 CCD로서 클럭킹된다. 전송 게이트 TG는 오프 상태(VHL)로 유지되어, 2개의 HCCD들 사이의 전하의 혼합을 방지한다.

비디오 모드에서, 2개의 전하 패킷이, 제 1 HCCD(400)에 대해서는 도 28에 도시된 바와 같이, 제 2 HCCD(410)에 대해서는 도 29에 도시된 바와 같이 함께 합산된다. 제 1 HCCD(400)는 컬러 B의 화소로부터의 전하 패킷만을 포함하고, 제 2 HCCD(410)는 컬러 D의 화소로부터의 전하 패킷만을 포함함을 주지해야 한다. 도 25는 게이트 전압 클럭킹 시퀀스를 도시한다. 도 25의 시간 단계 T0, T1, T2는 도 28 및 29에 도시된 시간 단계에 대응한다. 게이트 H1 및 H4는 클럭킹 시퀀스 T0, T1, T2 동안 일정한 값으로 유지된다. H1 및 H2 양측에서의 게이트들은 상보적인 방식으로 클럭킹된다. 전하 패킷은 이러한 절반 해상도 클럭킹 시퀀스에서의 각각의 클럭 주기 동안, 도 26 및 27의 풀 해상도 판독 모드에 비교하여, 2배의 거리를 이동한다.

다수의 포토다이오드 전하들이 함께 합산되는 것에 의해, VCCD 또는 HCCD에서 너무 많은 전하가 존재할 가능성이 있고, 그것은 블루밍(blooming)을 초래하게 된다. VCCD 및 HCCD는 쉽게 오버필링(overfilling)될 수 있다. 화상 감지기 기판에 인가된 전압이, 수직 오버플로우 드레인 타입 포토다이오드에서 전하의 양을 조절한다는 것은 널리 알려져 있다. 이러한 전압은 간단하게 조절되어, 포토다이오드 전하 용량을 VCCD 또는 HCCD 오버필링을 방지하는 레벨로 감소된다. 이것은 화소들을 함께 합산하지 않고서도 통상적으로 이용되는 정확히 동일한 절차이다.

도 30은 전술한 바와 같은 비디오 및 고 해상도 정지 사진 촬영이 가능한 화상 감지기(100)를 포함하는 전자 카메라(610)를 도시한다. 비디오 모드에서, 모든 화소들 중 67%가 샘플링된다.

VCCD 전하 용량은 VCCD 게이트 클럭 전압의 크기에 의해 제어된다. 본 발명은 HCCD에서의 전하들을 합산하므로, VCCD는 출력 증폭기에서 풀 신호를 생성하기 위해 풀 전하 패킷을 포함하지 않아도 된다. HCCD가 2개의 전하 패킷을 합산한다면, VCCD 전하 용량은, VCCD 클럭 전압의 크기를 낮춤으로써, 2의 계수 만큼 감소될 수 있다. VCCD 클럭 전압을 낮추는 것의 이점으로서, 비디오 모드에서의 전력 소모가 감소된다. 전력 소모는 전압 제곱으로 변한다. 따라서, 카메라는 그것이 정지 사진 모드에서 동작하는 경우 VCCD 클럭 전압을 증가시키고, 그것이 비디오 모드에서 동작하는 경우 VCCD 클럭 전압을 감소시킬 것이다.

부품 리스트

10 : CCD 화상 감지기

20 : 포토다이오드

30 : VCCD

40 : HCCD

50 : 출력 증폭기

100 : 화상 감지기

120 : 포토다이오드

130 : VCCD

132 : 제어 게이트 전극

134 : 제어 게이트 전극

380 : 채널 전위 주입 조절부

400 : 제 1 HCCD

410 : 제 2 HCCD

420 : VCCD

430 : 포토다이오드

440 : 출력 증폭기

450 : 출력 증폭기

460 : 전송 채널/게이트

520 : n 타입 매립형 채널 CCD

530 : p 타입 채널 전위 조절 장벽 주입부

540 : p 타입 웰 또는 기판

610 : 전자 카메라

Claims (4)

1. 복수의 광감지 영역 및 복수의 수직 시프트 레지스터를 갖는 인터레이스 CCD로부터 전하를 판독하는 방법―각각의 광감지 영역은 수직 시프트 레지스터의 CCD와 각각 짝을 이루고, 컬러 필터가 2 행의 반복 패턴을 갖되, 각 행은 공간 영역에서 순차적으로 번호가 부여된 복수의 3 라인 서브어레이를 형성하는 적어도 2개의 컬러를 포함하며, 상기 컬러 필터는 상기 광감지 영역에 걸쳐 있음―에 있어서,

   (a) 상기 컬러를 분리된 채로 유지하는 상기 수직 시프트 레지스터내로 라인 1, 3을 판독하는 단계와,

   (b) 라인 1, 3에서의 전하를 합산하는 단계와,

   (c) 상기 합산된 전하의 한 행을 제 1 수평 전하 결합 소자내로 전송하는 단계와,

   (d) 상기 제 1 수평 전하 결합 소자내의 교번적인 전하를 제 2 수평 전하 결합 소자내로 전송하는 단계와,

   (e) 상기 제 1 수평 전하 결합 소자에서의 2개의 전하의 세트들을 합산하는 단계와,

   (f) 상기 제 2 수평 전하 결합 소자에서의 2개의 전하의 세트들을 합산하는 단계와,

   (g) 상기 제 1 및 제 2 수평 시프트 레지스터 둘다에서의 상기 전하를 절반 해상도 클럭킹 시퀀스(a half-resolution clocking sequence)로 판독하는 단계를 포함하는

   전하 판독 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 합산된 전하의 전체를 판독하기 위해 상기 단계 (c) 내지 (g)를 반복하는 단계를 더 포함하는 전하 판독 방법.
3. 카메라에 있어서,

   (a) 복수의 광감지 영역 및 복수의 수직 시프트 레지스터를 갖는 인터레이스 CCD―각각의 광감지 영역은 수직 시프트 레지스터의 CCD와 각각 짝을 이루고, 컬러 필터가 2 행의 반복 패턴을 갖되, 각 행은 공간 영역에서 순차적으로 번호가 부여된 복수의 3 라인 서브어레이를 형성하는 적어도 2개의 컬러를 포함하며, 상기 컬러 필터는 상기 광감지 영역에 걸쳐 있음―와,

   (b) 상기 컬러를 분리된 채로 유지하는 상기 수직 시프트 레지스터내로 라인 1, 3을 판독하는 전송 장치―상기 수직 시프트 레지스터는 라인 1, 3에서의 전하를 합산함―와,

   (c) 상기 합산된 전하의 한 행을 수신하는 제 1 수평 전하 결합 소자와,

   (d) 상기 제 1 수평 전하 결합 소자로부터 교번적인 전하를 수신하는 제 2 수평 전하 결합 소자를 포함하되,

   상기 제 1 수평 전하 결합 소자는 상기 제 1 수평 전하 결합 소자에서의 2개의 전하의 세트들을 합산하고, 상기 합산된 전하는 절반 해상도 클럭킹 시퀀스로 판독되며, 상기 제 2 수평 전하 결합 소자는 상기 제 2 수평 전하 결합 소자에서의 2개의 전하의 세트들을 합산하고, 상기 합산된 전하는 절반 해상도 클럭킹 시퀀스로 판독되는

   카메라.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 합산된 전하의 전체가 판독되는 카메라.

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