[논문]Gate/Body-Tied 구조의 고감도 광검출기를 이용한 2500 fps 고속 바이너리 CMOS 이미지센서

김상환; 권현우; 장준영; 김영모; 신장규

doi:10.46670/jsst.2021.30.1.61

Gate/Body-Tied 구조의 고감도 광검출기를 이용한 2500 fps 고속 바이너리 CMOS 이미지센서
2500 fps High-Speed Binary CMOS Image Sensor Using Gate/Body-Tied Type High-Sensitivity Photodetector 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.30 no.1, 2021년, pp.61 - 65

김상환 (경북대학교 전자전기공학부) , 권현우 (경북대학교 전자전기공학부) , 장준영 (경북대학교 전자전기공학부) , 김영모 (경북대학교 전자전기공학부) , 신장규 (경북대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we propose a 2500 frame per second (fps) high-speed binary complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor using a gate/body-tied (GBT) p-channel metal oxide semiconductor field effect transistor-type high-speed photodetector. The GBT photodetector generates a photocurrent that is several hundred times larger than that of a conventional N+/P-substrate photodetector. By implementing an additional binary operation for the GBT photodetector with such high-sensitivity characteristics, a high-speed operation of approximately 2500 fps was confirmed through the output image. The circuit for binary operation was designed with a comparator and 1-bit memory. Therefore, the proposed binary CMOS image sensor does not require an additional analog-to-digital converter (ADC). The proposed 2500 fps high-speed operation binary CMOS image sensor was fabricated and measured using standard CMOS process.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 고감도 특성을 가지는 GBT형 광검출기를 이용하여 고속동작이 가능한 CMOS 바이너리 이미지 센서를 설계 제작하고, 그 특성을 분석하였다. 제작된 CMOS 바이너리 이미지 센서는 최대 약 2500fps 까지 바이너리 영상이 판독 가능함을 확인했으며, 비교기를 개선함으로써 3000fps 이상의 고속 동작이 가능하리라 생각된다.
본 연구에서는 고감도 특성을 가지는 GBT 구조의 광검출기를 이용하여 2500 fps 동작이 가능한 바이너리 이미지 센서를 제안한다. CMOS 바이너리 이미지 센서의 출력은 “0” 또는 “1” 의 비트 값을 가지며, 추가적인 아날로그 디지털 변환기를 필요로 하지 않기 때문에 저전력 및 고속동작에 매우 유리하다.

제안 방법

2(b) 는 단위 칼럼 리드아웃 회로를 나타낸다. 제안한 CMOS 바이너리 이미지 센서는 GBT를 이용하여 제작된 픽셀 어레이, 바이너리 동작을 위한 비교기와 1비트 메모리로 구성되어 진다. 기존 CMOS 이미지 센서의 경우 멀티 비트 데이터를 얻기 위해 아날로그 디지털 변환기가 필요하지만 제안한 CMOS 바이너리 이미지 센서는 높은 프레임 레이트에서 1 비트 데이터에 대해이진 연산을 사용하여 영상을 출력하는 원리이다.
CMOS 바이너리 이미지 센서의 출력은 “0” 또는 “1” 의 비트 값을 가지며, 추가적인 아날로그 디지털 변환기를 필요로 하지 않기 때문에 저전력 및 고속동작에 매우 유리하다. 제안한 이미지센서는 0.35µm 표준 CMOS 공정을 사용하여 제작되었고 그 특성을 평가하였다. 제안한 이미지센서를 사용함으로써, GBT형 광검출기의 고감도 특성으로 인해 저 조도 현상에서도 물체 촬상이 가능하며, 바이너리 이미지 획득까지 추가적으로 가능하다.
5는 제작한 CMOS 바이너리 이미지센서를 사용하여 이미지 센서의 frame per second를 조절하여 얻은 바이너리 출력 이미지이다. 제작된 CMOS 바이너리 이미지센서의 고속 동작을 확인 하기 위해서 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 fps 로 동작을 시켜 동일 피사체를 대상으로 영상을 획득하였다. 출력된 바이너리 이미지는 비교기의 비교전압에 따라 “0”과 “1”을 판단하여 출력되는 영상이므로 고속동작을 하더라도 원 신호가 비교기의 비교 전압 이상 또는 이하로 훼손되지 않으면 출력되는 이미지의 왜곡이 없다.
PCB와 마더보드는 이미지 센서를 구동시키기 위한 전압과 전류를 공급하고 마더보드에 부착된 FPGA는 이미지 센서를 구동시키기 위한 파형을 생성하여 이미지 센서에 입력된다. 피사체로 흑백의 사각형이 바둑판식으로 반복되는 패턴이 사용되었고, 피사체에 LED를 이용해 빛을 조사하였다.

대상 데이터

설계된 바이너리 이미지 센서는 CMOS 표준공정을 사용하여 제작되었으며, 전체적으로 픽셀 어레이, 칼럼 스캐너, 로우 스캐너, 바이너리 동작을 위한 리드아웃 회로로 구성되어 있다. Fig.

성능/효과

35µm 표준 CMOS 공정을 사용하여 제작되었고 그 특성을 평가하였다. 제안한 이미지센서를 사용함으로써, GBT형 광검출기의 고감도 특성으로 인해 저 조도 현상에서도 물체 촬상이 가능하며, 바이너리 이미지 획득까지 추가적으로 가능하다. 이러한 바이너리 이미지 기술을 사용하여 바코드 인식, 움직임 감지 등 출력되는 이미지를 기준으로 흑색과 백색으로 판단하여야 하는 분야에 다양하게 사용될 것으로 기대된다.
제작하고, 그 특성을 분석하였다. 제작된 CMOS 바이너리 이미지 센서는 최대 약 2500fps 까지 바이너리 영상이 판독 가능함을 확인했으며, 비교기를 개선함으로써 3000fps 이상의 고속 동작이 가능하리라 생각된다. 바이너리 이미지 센서는 바코드 인식, 움직임 인식등 다양한 분야에 사용이 가능하며, 표준 CMOS 공정을 이용하여 제작가능 하므로 추가적인 공정이 필요하지 않다는 장점이 존재한다.
출력된 바이너리 이미지는 비교기의 비교전압에 따라 “0”과 “1”을 판단하여 출력되는 영상이므로 고속동작을 하더라도 원 신호가 비교기의 비교 전압 이상 또는 이하로 훼손되지 않으면 출력되는 이미지의 왜곡이 없다. 측정 결과 2500 fps 이하의 경우에는 출력되는 영상의 왜곡이 발생하지 않았다. 그러나 3000 fps 까지 고속 동작 시에는 원신호에 왜곡발생 및 비교기의 “0”과 “1”을 판단하는 시간이 부족하여 바이너리 영상을 얻을 수 없음이 이미지를 통해 확인되었다.

후속연구

제안한 이미지센서를 사용함으로써, GBT형 광검출기의 고감도 특성으로 인해 저 조도 현상에서도 물체 촬상이 가능하며, 바이너리 이미지 획득까지 추가적으로 가능하다. 이러한 바이너리 이미지 기술을 사용하여 바코드 인식, 움직임 감지 등 출력되는 이미지를 기준으로 흑색과 백색으로 판단하여야 하는 분야에 다양하게 사용될 것으로 기대된다.

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