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KR102874812B1 - 비행시간거리측정 방식의 센싱 시스템 및 이미지 센서 - Google Patents

비행시간거리측정 방식의 센싱 시스템 및 이미지 센서

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KR102874812B1
KR102874812B1 KR1020190162727A KR20190162727A KR102874812B1 KR 102874812 B1 KR102874812 B1 KR 102874812B1 KR 1020190162727 A KR1020190162727 A KR 1020190162727A KR 20190162727 A KR20190162727 A KR 20190162727A KR 102874812 B1 KR102874812 B1 KR 102874812B1
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KR
South Korea
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pixel
signal
tof
flight
sensing system
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KR1020190162727A
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서성욱
송정은
전진욱
권오준
김한상
서강봉
신민석
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에스케이하이닉스 주식회사
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Abstract

본 기술은 복수의 광 검출 소자를 통해 수신된 광에 대응하는 복수의 전하정보를 생성하는 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 복수의 전하정보와 정해진 기준 전위를 비교하는 비교부, 비교부의 출력에 응답하여 복수의 전하정보를 동일하게 조정하는 교정 회로를 포함하는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재되는 이미지 센서를 제공할 수 있다.

Description

비행시간거리측정 방식의 센싱 시스템 및 이미지 센서{TIME OF FLIGHT SENSING SYSTEM, IMAGE SENSOR}
본 발명은 비행시간거리측정(Time of Flight, TOF) 방식의 센싱 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 센싱 시스템의 해상도 또는 정밀도를 개선하기 위한 장치에 관한 것이다.
비행시간거리측정(Time Of Flight, TOF) 방식은 빛 또는 신호 등의 비행시간 즉, 빛 또는 신호를 쏘아서 대상 혹은 타겟에 반사되어 오는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 방식을 말한다. TOF 카메라는 TOF 방식을 사용하여 대상과 카메라 사이의 거리(distance)를 바탕으로 대상의 깊이(depth)에 대한 정보를 포함하는 이미지를 출력해 주는 카메라를 말한다. 종래의 카메라가 사물의 색, 모양 등을 나타내는 2차원 이미지를 출력하였다면, TOF 카메라는 대상의 색, 모양 뿐만 아니라 깊이(depth)를 나타내는 3차원 이미지를 출력할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은, 비행시간거리측정(Time of Flight, TOF) 방식의 센싱 시스템이 사용되는 주변 환경에 존재하는 주변광/환경광(ambient light)에 의해 이미지 센서 내 픽셀이 포화 상태(saturation)에 이르는 것을 방지하여, 대상의 깊이(depth)에 대한 정보를 추산할 수 있는 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템이 사용될 수 있는 환경에서 주변광/환경광(ambient light)에 의한 제약을 극복할 수 있는 이미지 센서를 제공함으로써, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템을 실내, 실외, 밤, 낮에 상관없이 사용 가능하도록 하여 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템을 사용하는 모바일 장치, 감시 장치, 자동화 장치 또는 컴퓨팅 장치의 활용성을 향상시키는 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템을 탑재한 카메라 장치에서 주변 환경의 영향을 줄이고 카메라 장치가 획득하는 이미지 내 사물에 대한 깊이(depth)를 인지할 수 있어, 3차원 이미지를 생성할 수 있도록 하는 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 비행시간거리측정(Time of Flight, TOF) 방식의 센싱 시스템 및 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재되는 이미지 센서는 복수의 광 검출 소자를 통해 수신된 광에 대응하는 복수의 전하정보를 생성하는 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이; 상기 복수의 전하정보와 정해진 기준 전위를 비교하는 비교부; 및 상기 비교부의 출력에 응답하여 상기 복수의 전하정보를 동일하게 조정하는 교정 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 교정 회로가 상기 복수의 전하정보를 조정할 때, 상기 복수의 전하정보의 차이가 유지될 수 있다.
또한, 상기 교정 회로는 상기 비교부의 출력에 응답하여 일정량의 전류를 상기 픽셀 어레이에 인가할 수 있다.
또한, 상기 픽셀은 리셋 신호에 대응하여 상기 복수의 광 검출 소자 각각에 연결되어 상기 전하정보를 리셋하기 위한 리셋 게이트; 변조 신호에 대응하여 상기 전하정보를 전달하는 전송 게이트; 상기 전송 게이트에서 전달된 픽셀 전압에 의해 턴온의 정도가 결정되는 액세스 게이트; 및 선택 신호에 대응하여 상기 액세스 게이트에서 전달된 전압을 선택적으로 출력하는 선택 게이트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 교정 회로는 상기 전송 게이트와 상기 광 검출 소자 사이에서 상기 전하정보에 따른 전위를 확인하고, 상기 전송 게이트와 상기 액세스 게이트 사이에서 상기 픽셀 전압의 레벨을 조정할 수 있다.
또한, 상기 교정 회로는 상기 비교부의 결과에 대응하여 상기 복수의 전하정보를 조정하기 위한 전류를 공급하는 전류원을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전류원은 상기 비교부의 출력에 대응하여 턴온되는 스위칭 트랜지스터; 및 전원 전압과 연결되어 가변 저항으로 동작하여 상기 전류를 결정하는 저항 트랜지스터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 픽셀 어레이는 상기 픽셀이 복수의 행과 복수의 열에 따라 배치된 구조를 가지고, 상기 복수의 행 각각에 따라 배치된 픽셀 내 상기 교정 회로는 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 이미지 센서는 전류 제어 신호에 대응하여 상기 교정 회로가 공급하는 전류량을 결정하는 전류 미러를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 교정 회로는 상기 복수의 전하 정보를 기 설정된 레벨만큼 상승시키며, 상기 기 설정된 레벨은 상기 전류량에 비례하고 상기 픽셀의 구동 주파수에 반비례할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 비행시간거리측정(Time of Flight, TOF) 방식의 센싱 시스템은 기 설정된 위상을 가지는 광을 출력하는 발신기; 상기 광이 대상에 반사된 반사광을 수신하는 이미지 센서를 포함하는 수신기; 및 상기 광과 상기 반사광의 관계를 통해 상기 대상과의 거리를 결정하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 이미지 센서는 복수의 광 검출 소자를 통해 수신된 광에 대응하는 복수의 전하정보를 생성하는 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이; 상기 복수의 전하정보와 기준 전위를 비교하는 비교부; 및 상기 비교부의 출력에 응답하여 상기 복수의 전하정보를 동일하게 조정하는 교정 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 교정 회로가 상기 복수의 전하정보를 조정할 때, 상기 복수의 전하정보의 차이가 유지될 수 있다.
또한, 상기 교정 회로는 상기 비교부의 출력에 응답하여 일정량의 전류를 상기 픽셀 어레이에 인가할 수 있다.
또한, 상기 픽셀은 리셋 신호에 대응하여 상기 복수의 광 검출 소자 각각에 연결되어 상기 전하정보를 리셋하기 위한 리셋 게이트; 변조 신호에 대응하여 상기 전하정보를 전달하는 전송 게이트; 상기 전송 게이트에서 전달된 픽셀 전압에 의해 턴온의 정도가 결정되는 액세스 게이트; 및 선택 신호에 대응하여 상기 액세스 게이트에서 전달된 전압을 선택적으로 출력하는 선택 게이트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 교정 회로는 상기 전송 게이트와 상기 광 검출 소자 사이에서 상기 전하정보에 따른 전위를 확인하고, 상기 전송 게이트와 상기 액세스 게이트 사이에서 상기 픽셀 전압의 레벨을 조정할 수 있다.
또한, 상기 교정 회로는 상기 비교부의 출력에 대응하여 상기 복수의 전하정보를 조정하기 위한 전류를 공급하는 전류원을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전류원은 상기 비교부의 출력에 대응하여 턴온되는 스위칭 트랜지스터; 및 전원 전압과 연결되어 가변 저항으로 동작하여 상기 전류를 결정하는 저항 트랜지스터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 픽셀 어레이는 상기 픽셀이 복수의 행과 복수의 열에 따라 배치된 구조를 가지고, 상기 복수의 행 각각에 따라 배치된 픽셀 내 상기 교정 회로는 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 이미지 센서는 전류 제어 신호에 대응하여 상기 교정 회로가 공급하는 전류량을 결정하는 전류 미러를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 교정 회로는 상기 복수의 전하 정보를 기 설정된 레벨만큼 상승시키며, 상기 기 설정된 레벨은 상기 전류량에 비례하고 상기 픽셀의 구동 주파수에 반비례할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들에 따른, 비행시간거리측정(Time of Flight, TOF) 방식의 센싱 시스템은 사용 환경에서 발생하는 간섭, 방해, 혹은 잡음에 의한 영향을 감소시켜, 대상의 깊이(depth)를 나타내는 3차원 이미지를 생성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템이 사용하는 변조 신호의 주파수 영역이 사용 환경에서 흔하게 존재하는 자연광(natural light)의 주파수 영역에 포함되더라도, 여러 영역에 존재하는 사물 혹은 대상에 반사되어 수신된 광의 상대값을 통해 사물 혹은 대상의 깊이(depth)를 나타내는 3차원 이미지를 생성할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행시간거리측정(Time of Flight, TOF) 방식의 센싱 시스템의 동작을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 동작에 따른 실시예들을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 제1예를 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 제2예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재된 이미지 센서에 포함된 픽셀의 예를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재된 이미지 센서의 동작을 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에서 거리를 추산하는 방법과 변조 신호의 크기를 결정하는 방법을 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재된 이미지 센서의 픽셀 구조를 설명한다.
도 9는 도 8에서 설명한 이미지 센서의 픽셀에 포함된 교정회로(calibration circuit)를 설명한다.
도 10은 도 8 및 도 9에서 설명한 픽셀 내 교정회로의 동작을 설명한다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재된 이미지 센서의 전류 공급 회로를 설명한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행시간거리측정(Time of Flight, TOF) 방식의 센싱 시스템의 동작을 설명한다.
도 1을 참조하면, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(110)은 목표물(20)과의 거리를 측정할 수 있다. 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(110)은 목표물(20)과의 거리를 측정을 위해 변조 신호(modulated signal)를 출력하는 발신기(110)와 변조 신호(modulated signal)가 목표물(20)에 반사되어 되돌아오는 반사 신호(reflected signal)를 수신하는 수신기(120)를 포함할 수 있다.
비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(110)은 여러 산업 분야 및 소비자 시장에서의 자동화 개발에 매우 중요한 요소 중 하나가 될 수 있다. 소비자가 사용하는 장치는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(110)을 통해 주변 환경을 인식하거나 주변 환경에서의 장치의 위치를 인식할 수 있다. 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(110)을 포함하는 카메라는 3 차원 환경에 포함된 사물들의 색, 형태, 거리를 판단하여 3차원 비전 기술을 제공할 수 있다.
비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(110) 내 발신기(110)가 출력하는 변조 신호(modulated signal)가 기 설정된 패턴을 주변 환경에 발산되고 주변 환경에 있는 여러 사물, 대상으로부터 반사된 반사 신호(reflected signal)가 수신기(120)를 통해 수신되면, 변조 신호와 반사 신호의 상관관계를 통하여 거리를 결정할 수 있다.
변조 신호(modulated signal)와 반사 신호(reflected signal)의 관계를 관찰하고 관계를 바탕으로 거리를 결정하는 과정에서, 주변광/환경광(Ambient light)은 방해가 될 수 있다. 특히, 밝은 햇빛 조건이나 높은 해상도가 필요할 때 거리 데이터를 얻기 위해서는 주변광/환경광(Ambient light)으로 인한 방해(예, 잡음)를 제거하기 위한 별도의 노력이 필요할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 동작에 따른 실시예들을 설명한다. 구체적으로, 도 2의 (a)는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템이 변조 신호와 반사 신호의 시간차(time difference) 혹은 시간지연을 측정하는 예를 설명하고, 도 2의 (b)는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템이 변조 신호와 반사 신호의 위상차(phase difference) 혹은 위상지연을 측정하여 시간차 혹은 시간지연을 추산하는 예를 설명한다.
도 2의 (a)에서 설명한 변조 신호와 반사 신호의 시간차 혹은 시간지연을 측정하는 예에서는, 변조 신호가 도 1에서 설명한 발신기(110)에서 출력되어 목표물(20)에 반사된 후 수신기(120)로 수신된 왕복 시간을 직접 측정한다. 여기서, 변조 신호는 기 설정된 펄스의 형태를 가질 수 있다. 펄스의 방사 조도의 세기가 다른 배경에 의한 방사 조도의 세기보다 훨씬 크기 때문에, 시간차 혹은 시간 지연을 측정하는 방식은 야외에서 사용할 수 있고 먼 거리 측정에 용이하기 때문에 자율자동차용 라이다에 적용하기 용이할 수 있다. 그러나, 매우 빠르게 시간을 계측하는 소자(TDC: time to digital converter)가 필요하므로 고가인 경우가 많고 많은 픽셀에 시간 계측을 할 수 없으므로 일반적으로 해상도가 낮을 수 있으며, 인공위성, 우주탐사, 국방 등 고가의 특정 목적에서 주로 사용될 수 있다.
도 2의 (b)에서 설명한 변조 신호와 반사 신호의 위상차 혹은 위상지연을 측정하는 예에서는, 위상지연을 측정하기 위한 간단한 신호처리를 통해 거리를 추산할 수 있다. 이 방식은 수 미터 내의 상대적으로 짧은 거리를 측정하는데 용이하여 주로 실내에서 사용된다. 센서 내부의 광 신호 처리 과정을 통해서 3D 이미지를 얻기 때문에 소형화가 용이하고, 적은 계산량을 요구하고 높은 프레임 속도를 가질 수 있다. 또한, 적은 설치 공간 및 비교적 낮은 비용으로 구현이 용이할 수 있다. 다만, 위상차 혹은 위상지연을 측정하는 예에서는 측정할 수 있는 거리가 제한될 수 있다. 예를 들어, 거리를 측정할 때 위상 차이를 이용하기 때문에 한 주기를 넘어가는 거리에 있는 물체는 정확한 측정이 불가능할 수 있다(ambiguity problem).
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 제1예를 설명한다. 구체적으로, 도 3은 지속파 변조(continuous wave modulation) 방식을 사용하는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 예를 포함할 수 있다. 변조 신호와 반사 신호를 통해 이동 시간(time of flight)을 직접 측정할 수 있다면, 빛의 속도(c)를 이용하여 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(100A)과 목표물(20)과의 거리를 쉽게 알 수 있다. 하지만, 정확한 이동 시간(time of flight)을 직접 측정하는 데에는 어려움이 있고, 오차가 손쉽게 발생할 수 있다. 여기서, 지속파 변조 방식의 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템은 전송되는 신호와 수신되는 신호 간의 위상차를 측정할 수 있다. 특히, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템이 인지할 수 있는 수신되는 신호와 전송되는 신호 사이의 상호 상관(correlation)은 변조 주파수가 알려진 경우 거리와 직접 관련된 위상 추정을 가능하게 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 제1예(100A)는 발신기(110), 수신기(120), 변조부(140), 복조부(150), 신호 처리부(130), 신호 변환부(160), 제1렌즈부(170) 및 제2렌즈부(180)를 포함할 수 있다.
신호 처리부(130)는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템과 연동하는 다른 장치 혹은 사용자 인터페이스 등으로부터 거리 측정을 위한 요청을 수신한 후, 추산된 거리에 대한 데이터를 출력할 수 있다. 수신한 요청에 대응하여, 신호 처리부(130)는 변조부(140)를 구동할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(130)는 변조 제어 신호(MC)를 변조부(140)에 출력하여, 변조부(140)를 작동시킬 수 있다.
신호 처리부(130)의 출력에 대응하여, 변조부(150)는 발신기(110)를 통해 출력, 방사될 변조 신호를 생성할 수 있다. 실시예에 따라, 변조부(150)는 변조 제어부(142) 및 발신기 구동부(144)를 포함할 수 있다. 변조 제어부(142)는 발신기(110)가 도 1에서 설명한 주변광/환경광(Ambient light)과는 구별될 수 있는 변조 신호를 생성할 수 있도록 변조 주기 신호(FC)를 출력할 수 있다. 실시예에 따라, 발신기(110)는 발광 소자(예, 발광 다이오드, emitting diode)를 포함할 수 있고, 변조부(150)가 출력하는 변조 주기 신호(FC)는 발광 소자를 구동할 수 있는 구동 신호로서 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에 따라, 변조부(140)는 발신기(110)에 의해 생성된 변조 신호가 기 설정된 주파수 혹은 기 설정된 크기를 가질 수 있도록 발신기(110)를 제어할 수 있다. 이를 위해, 변조 제어부(142)는 특정 주파수(frequency) 혹은 특정 위상(phase)을 가지는 변조 주기 신호(FC)를 발신기(110)에 출력할 수 있다.
변조부(140)에 포함된 변조 제어부(142)는 변조 제어 신호(MC)를 수신하여 다양한 형태의 변조 신호를 생성하기 위한 변조 주기 신호(FC)를 생성할 수 있다. 예를 들면, 변조 주기 신호(FC)를 통해 발신기 구동부(144)는 발신기(110)에 포함된 광원 혹은 광변조 소자의 펄스를 제어할 수 있다. 실시예에 따라, 변조 제어부(142)는 발신기(110)에 포함된 광원 혹은 광변조 소자가 삼각형파(예, 램프(ramp) 파형) 혹은 사인파, 정현파, 구형파 등의 변조 신호를 출력할 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 발신기(110)에 포함된 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)의 구동 오차 및 비선형성 등으로 인해, 발신기(110)가 특정한 파형 즉, 펄스, 삼각형파, 사인파 등의 이상적인 파형을 생성하기 어려울 수 있다. 예를 들어, 발광 다이오드(LED)는 문턱 전류 이상에서 작동하며, 구동 구간 내에서도 입력 전류에 대한 출력 광파워의 비선형성 및 포화(saturation) 등이 일어날 수 있다. 또한, 발광 다이오드(LED)도 구동 구간 내에서 광변조의 이득(gain)이 선형적이지 않을 수 있다. 특히, 고전압 또는 고전류를 사용하는 경우에, 구동 회로의 설계에 따라 발광 다이오드(LED)의 비선형성 또는 구동 오차가 커질 수 있다. 이러한 구동 오차는 거리 정보 추출 결과에 직접적인 영향을 주어, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템이 감지하는 거리에 오차가 발생하는 원인이 될 수 있다. 이에 따라, 변조부(140) 내 변조 제어부(142)는 이러한 오차를 보상하기 위한 복잡한 추가적인 알고리즘 및 구동 회로를 포함할 수 있다.
발신기 구동부(144)는 발신기(110)에 포함된 광원, 광변조 소자를 구동하기 위한 구동 제어 신호(DC)를 출력할 수 있다. 구동 제어 신호(DC)에 대응하여, 발신기(110)는 변조 신호를 출력할 수 있다. 실시예에 따라, 발신기(110)는 변조부(140)에 의한 제어 신호에 대응하여 광을 출력할 수 있는 레이저 다이오드(Laser Diode) 등을 포함할 수 있다. 발신기(110)에서 출력되는 변조 신호는 3 차원 환경에 포함된 사물들의 색, 형태 등을 결정하는 데 사용되는 가시광선의 영역이 아닌, 적외선 혹은 자외선 영역에 속하는 주파수를 가질 수 있다. 예를 들면, 발신기(110)는 특정 파장의 빛(예, 850nm의 근적외선)을 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 포함할 수 있다. 도 3에서는, 발신기 구동부(144)는 변조부(140)에 포함된 것으로 설명하였으나, 실시예에 따라 발신기 구동부(144)는 발신기(110)는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 발신기(110)에 포함될 수 있다. 또, 다른 실시예에 따라, 발신기(110)에 포함된 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)는 변조 제어부(142)에 의해 직접 구동, 제어될 수도 있다.
발신기(110)에서 출력되는 변조 신호는 제1렌즈부(170)를 통해 센싱 시스템(110A)의 외부로 출력될 수 있다. 제1렌즈부(170)는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 사용 목적, 동작 환경 등에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1렌즈부(170)는 변조 신호를 특정한 위치나 영역으로 출력되도록 하거나, 변조 신호를 기 설정된 영역에 고르게 발산되도록 할 수도 있다.
반사 신호는 제2렌즈부(180)를 통해 수신기(120)로 전달될 수 있다. 실시예에 따라, 제2렌즈부(180)는 반사 신호를 집적하여 수신기(120)로 전달할 수 있다. 또한, 제2렌즈부(180)는 변조 신호가 목표물(20)에 의해 반사되어 돌아오는 반사 신호만을 수신하기 위한 적어도 하나의 필터를 포함할 수도 있다.
수신기(120)는 반사 신호를 수신하여, 반사 신호에 대응하는 픽셀 정보(PI), 전하량 혹은 신호를 생성할 수 있는 복수의 픽셀이 어레이 형태로 배치된 픽셀 어레이(126)를 포함할 수 있다. 수신기(120)에 배치된 픽셀 어레이(126)는 변조부(150)에 의해 제어되어 복수의 픽셀 정보(PI), 전하량 혹은 신호를 신호 변환부(160)로 출력할 수 있다.
변조부(140) 내 변조제어부(142)에서 출력된 변조 주기 신호(FC)는 제1렌즈부(170)를 통해 출력되는 변조 신호에 대한 정보를 포함할 수 있다. 이러한 변조 주기 신호(FC)는 복조부(150)에 입력될 수 있다. 복조부(150)는 변조 주기 신호(FC)에 대응하여 수신기(120)를 제어하기 위한 구동 제어 신호(TC)를 출력할 수 있다. 복조부(150)는 변조 주기 신호(FC)에 대응하는 서로 다른 위상(phase)를 결정할 수 있다. 실시예에 따라, 위상 변환부(152)는 0도, 180도와 같은 위상 정보(PFC)를 출력할 수 있다. 다른 실시예에서는, 복조부(150) 내 위상 변환부(152)가 90도, 180도, 270도 혹은 360도와 같은 위상 정보(PFC)를 구동부(154)로 출력할 수 있다. 위상 변환부(152)가 결정한 변조 신호의 위상(phase)에 대응하여, 구동부(154)는 구동 제어 신호(TC)를 수신기(120)에 전달할 수 있다. 여기서, 수신기(120)는 픽셀 어레이(126)를 포함할 수 있다. 복조부(150) 내 위상 변환부(152)와 구동부(154)에 의해 수신기(120)에서 수집되는 반사 신호에 대해서는 도 6 및 도 7을 참조하여 구체적으로 후술한다. 이를 통해, 복조부(250)는 변조 주기 신호(FC)를 통해 변조 신호에 대한 특성을 이미 알고 있으므로, 위상 변화(phase shift)를 통해 수신기(120)를 구동하여 반사 신호를 측정, 수집, 혹은 결정할 수 있다.
수신기(120)는 변조부(150)에서 출력된 구동 제어 신호(TC)에 의해 제어될 수 있으며, 복조부(150)는 발신기(110)를 제어하기 위한 변조 주기 신호(FC)에 대응하여 구동 제어 신호(TC)를 생성할 수 있다. 변조부(150) 내 변조 및 변환부(152)가 생성한 변조 주기 신호(FC)에 대응하는 변조 위상 신호(PFC)를 출력하고, 구동부(154)는 변조 위상 신호(PFC)에 대응하여 구동 제어 신호(TC)를 생성할 수 있다. 여기서, 변조 위상 신호(PFC)는 기 설정된 위상차(phase difference)를 가지는 복수의 신호를 포함할 수 있다. 구동부(154)는 변조 위상 신호(PFC)에 대응하여 수신기(120)에 포함된 픽셀 어레이(126) 내 복수의 픽셀을 구동하기 위한 구동 제어 신호(TC)를 출력할 수 있다.
수신기(120)에서 출력된 픽셀 정보(PI), 전하정보, 전하량 혹은 신호는 신호 변환부(160)를 통해 데이터로 변환될 수 있다. 예를 들어, 수신기(120)와 상관 작용부(150)를 통해 전달된 픽셀 정보(PI), 전하정보, 전하량 혹은 신호는 아날로그 형태의 데이터(AD)일 수 있고, 신호 변환부(160)를 통해 변환된 출력은 디지털 형태의 데이터(DD)일 수 있다. 신호 변환부(160)에 의해 변환된 데이터(DD)는 신호 처리부(130)로 전달된다.
신호 처리부(130)는 신호 변환부(160)에서 전달된 데이터를 바탕으로 연산 과정을 통해 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템과 목표물(20) 간의 거리를 추산할 수 있다. 신호 처리부(130)의 동작은 도 6 내지 도 7를 바탕으로 후술한다. 또한, 기 설정된 영역 내 추산된 거리 정보를 바탕으로 해당 영역에 포함된 사물의 깊이(depth)를 연산할 수 있다. 예를 들어, 기 설정된 영역 내 제1위치에서 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템과 목표물(20) 간의 거리가 3m이고, 제2위치에서 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템과 목표물(20) 간의 거리가 3.5m이면, 제1위치와 제2위치 간 깊이(depth)는 50cm라고 추산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 제2예를 설명한다. 도 3에서 설명한 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 예와 비교하여, 도 4에서 설명한 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템은 변조 신호를 단순화하여 소형 기기에 사용할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 제2예(100B)는 발신기(210), 수신기(220), 발신기 구동부(244), 복조부(250), 신호 처리부(230), 신호 변환부(260), 제1렌즈부(270) 및 제2렌즈부(280)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 복조부(250)는 위상 변환부(252) 및 구동부(254)를 포함할 수 있다.
도 4에서 설명하는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 제2예(100B)의 구성 요소들은 도 3에서 설명하는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 제1예(100A)의 구성 요소들과 유사할 수 있다. 예를 들어, 발신기(210, 110), 수신기(220, 120), 복조부(150, 250), 제1렌즈부(270, 170) 및 제2렌즈부(280, 180)는 기능과 역할에 있어서 큰 차이가 없으므로, 도 4에서 자세한 설명은 생략한다.
신호 처리부(230)는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템과 연동하는 다른 장치 혹은 사용자 인터페이스 등으로부터 거리 측정을 위한 요청을 수신한 후, 추산된 거리에 대한 데이터를 출력할 수 있다. 거리 정보를 획득하기 위한 요청을 수신한 후, 신호 처리부(230)는 변조 주파수를 가지는 변조 주기 신호(FC)를 발신기 구동부(244)로 전달할 수 있다. 발신기 구동부(244)는 변조 주기 신호(FC)에 대응하여 변조 신호를 출력할 수 있다.
또한, 신호 처리부(230)에서 출력된 변조 주파수를 가지는 변조 주기 신호(FC)는 복조부(250)에 입력될 수 있다. 복조부(250)는 변조 주기 신호(FC)에 대응하여 수신기(220)를 제어하기 위한 구동 제어 신호(TC)를 출력할 수 있다. 복조부(250)는 변조 주기 신호(FC)에 대응하는 서로 다른 위상(phase)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 복조부(250) 내 위상 변환부(252)는 90도, 180도, 270도 혹은 360도와 같은 위상 정보(PFC)를 위상 신호 발생부(240)로 출력할 수 있다. 위상 변환부(252)가 결정한 변조 신호의 위상(phase)에 대응하여, 구동부(254)는 구동 제어 신호(TC)를 수신기(220)에 전달할 수 있다. 여기서, 수신기(220)는 픽셀 어레이(126)를 포함할 수 있다. 복조부(250) 내 위상 변환부(252)와 구동부(254)에 의해 수신기(220)에서 수집되는 반사 신호에 대해서는 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
복조부(250)는 변조 주기 신호(FC)를 통해 변조 신호에 대한 특성을 이미 알고 있으므로, 위상 변화(phase shift)를 통해 수신기(220)를 구동하여 반사 신호를 측정, 수집, 혹은 결정할 수 있다.
수신기(220)는 복조부(250)에서 전달된 구동 제어 신호(TC)에 대응하여 반사 신호를 측정, 수집 혹은 결정하여 픽셀 정보(PI)를 출력할 수 있다. 픽셀 정보(PI)는 신호 변환부(260)로 전달되고, 신호 변환부(260)는 디지털 형태의 데이터(DD)를 신호 처리부(230)로 출력할 수 있다. 신호 처리부(230)는 디지털 형태의 데이터(DD)를 바탕으로, 거리 정보를 연산 혹은 획득할 수 있으며, 신호 처리부(230)의 동작은 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
실시예에 따라, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(110A, 110B)은 발신기(110)를 통해 출력되는 변조 신호 및 변조 신호에 대응하여 수신기(120, 220) 내 포함된 픽셀 어레이(126)를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하기 위한 여러가지 형태의 회로 및 알고리즘을 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4에서 설명한 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(110A, 110B)은 변조 제어부(142)를 통해 구별될 수 있다. 실시예에 따라, 변조 제어부(142)는 발신기(110)를 통해 출력되는 변조 신호의 다양성과 변조 신호의 오차를 줄이는 동작을 수행할 수 있다. 변조 제어부(142)가 포함된 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템(110A)의 경우, 변조 신호를 다양화하여 보다 다양한 환경에서 거리 측정이 용이할 수 있다. 예를 들면, 특정 환경에서 거리 측정에 오차가 심하다고 판단되는 경우, 신호 처리부(130)는 변조 제어 신호(MC)를 통해 변조 제어부(142)가 다른 형태 혹은 다른 주파수 등을 가지는 변조 신호를 생성하기 위한 변조 주기 신호(FC)를 출력하도록 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재된 이미지 센서에 포함된 픽셀의 예를 설명한다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서(520)는 복수의 픽셀(128)을 포함하는 픽셀 어레이(126)와 픽셀 어레이(126)를 구동하기 위한 구동부(122)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(126) 내에는 복수의 픽셀(128)이 복수의 행과 복수의 열에 따라 배열될 수 있다.
실시예에 따라, 복수의 픽셀(128) 각각은 다르게 구현될 수 있다. 픽셀의 제1예(128A)에는 하나의 수광소자(D)와 하나의 전송 게이트(TG)가 포함될 수 있고, 픽셀의 제2예(128B)에서는 두 개의 수광소자(D1, D2)와 두 개의 전송 게이트(TG1, TG2)가 포함될 수 있다.
픽셀의 제2예(128B)의 경우, 하나의 픽셀에 광전하가 수집되는 두 개의 노드(혹은 두 개의 탭, taps)가 존재할 수 있고, 두 개의 전송 게이트(TG1, TG2)를 반대 위상을 가진 신호로 제어할 수 있는 이점이 있다. 또한, 두 개의 인접한 픽셀을 두 개의 반대 위상 신호로 제어하는 것 보다, 하나의 픽셀을 두 개의 반대 위상 신호로 제어하는 경우, 하나의 픽셀에 수광 면적이 증가하는 이점이 있어, 이미지 센서의 해상도를 증가시키는 데 유리할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재된 이미지 센서의 동작을 설명한다.
도 6을 참조하면, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재된 이미지 센서에 포함된 복수의 픽셀(128) 각각은 한 쌍의 수신기(312A, 328B)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 도 5와 도 6을 참조하면, 하나의 픽셀(128)이 한 쌍의 수신기(312A, 328B)를 포함할 수도 있고, 인접한 두 개의 픽셀(128)이 하나의 쌍을 이루어 구동될 수도 있다.
도 1 내지 도 4에서 설명한 바와 같이, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에서 출력된 변조 신호(Modulated signal)는 목표물(20)에 반사된 후 반사 신호(Reflected signal)로 수신될 수 있다.
한 쌍의 수신기(312A, 328B)는 제1위상 수신기(328A) 및 제2위상 수신기(328B)를 포함할 수 있다. 제1위상 수신기(328A) 및 제2위상 수신기(328B)는 서로 반대되는 위상에서 활성화되어 반사 신호(예, 빛 혹은 광)을 감지할 수 있다.
변조 신호는 1주기 동안 반 주기 동안(패턴) 발신기(110, 210)는 턴온(on)되어 출력되고, 나머지 반 주기 동안(점선) 발신기(110, 210)가 턴오프(off)되어 출력되지 않는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 변조 신호는 목표물(20)까지 비행한 후, 목표물(20)에 의해 반사되어 수신기(120, 220)에 의해 수신될 수 있다. 수신기(120, 220)에 의해 수신된 반사 신호(Reflected signal)과 변조 신호(Modulated signal)는 비행 시간에 대응하는 위상차(phase difference)를 가질 수 있다.
제1위상 수신기(328A)는 발신기(110, 210)가 턴온되어 변조 신호가 출력되는 반주기 동안 활성화되고, 제2위상 수신기(328B)는 발신기(110, 210)가 턴오프되어 변조 신호가 출력되지 않는 다른 반주기 동안 활성화될 수 있다.
반사 신호(Reflected signal)과 변조 신호(Modulated signal)가 도시된 바와 같이 위상차를 가지는 경우, 반사 신호는 제1위상 수신기(328A)를 통해 일부 수신되고, 제2위상 수신기(328B)를 통해 나머지가 수신될 수 있다. 제1위상 수신기(328A)를 통해 수신된 반사 신호의 양과 제2위상 수신기(328B)를 통해 수신된 반사 신호의 양을 비교하면 반사 신호가 비행한 거리를 추산할 수 있다.
예를 들어, 도시되지 않았지만, 변조 신호가 비행한 거리가 0m라고 가정한다. 이 경우, 제1위상 수신기(328A)를 통해 수신되는 반사 신호의 양은 100%이고, 제2위상 수신기(328B)를 통해 수신되는 반사 신호의 양은 0%일 수 있다.
변조 신호가 비행한 거리는 변조 신호의 주파수(주기)와 빛의 속도에 대응할 수 있다. 예를 들어, 변조 신호의 주파수가 1Hz라고 가정하면, 변조 신호의 주기는 1초이다. 제1위상 수신기(328A)를 통해 수신되는 반사 신호의 양은 0%이고 제2위상 수신기(328B)를 통해 수신되는 반사 신호의 양은 100%인 경우, 변조 신호는 0.5초 동안 비행한 것으로 추산될 수 있다. 이때, 변조 신호가 목표물로 비행한 시간과 반사 신호가 되돌아온 시간은 동일하다고 가정하여, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템과 목표물과의 거리는 비행 시간의 절반인 0.25초에 빛의 속도를 곱하여 결정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에서 거리를 추산하는 방법과 변조 신호의 크기를 결정하는 방법을 설명한다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 거리를 추산하는 방법과 변조 신호의 크기를 결정하는 방법은 도 3 및 도 4에서 설명한 신호 처리부(130, 230)의 내부 동작의 일 예일 수 있다.
도 7을 참조하면, 변조 신호(Modulated signal)와 반사 신호(Reflected signal)가 위상차(φ)를 가진다고 가정한다. 도 1 내지 도 4에서 설명한 바와 같이, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에서 출력된 변조 신호(Modulated signal)는 목표물(20)에 반사된 후 반사 신호(Reflected signal)로 수신될 수 있다.
예를 들어, 도 7에서 설명하는 변조 신호는 도 4에서 설명한 발신기(210)에서 생성되어 제1렌즈부(270)를 통해 출력되는 신호로 이해할 수 있고, 도 7에서 설명하는 반사 신호는 도 4에서 설명한 제2 렌즈부(280)를 통해 수신기(220)에 전달되는 신호로 이해할 수 있다.
비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템은 변조 신호(Modulated signal)의 위상을 천이(phase shift)시킬 수 있다. 예를 들어, 0°, 90°, 180°, 270°의 위상 천이를 생성할 수 있다. 도 6에서 설명한 바와 같이, 0°와 180°, 90°와 270°는 위상이 반대인 경우로 한 쌍의 수신기(120, 220)를 통해 수신될 수 있다.
예를 들어, 도 7에서 설명하는 거리 측정을 위한 위상 천이 신호(C1, C2, C3, C4)는 도 4에서 설명하는 복조부(250)에서 출력되어 수신기(220)로 전달되는 구동 제어 신호(TC)로 이해할 수 있다.
각각의 위상 천이(0°, 180°, 90°, 270°)에 대응하여 수신되는 반사 신호의 양(광량에 따라 발생한 전하의 양) 각각은 Q1, Q2, Q3, Q4일 수 있다. 예를 들어, 도 7에서 설명하는 반사 신호의 양(Q1, Q2, Q3, Q4)은 도 4에서 설명하는 수신기(220)에서 출력되는 픽셀 정보(PI)로 이해될 수 있다.
이를 바탕으로, 도 4에서 설명한 신호 처리부(230)에서 결정할 수 있는 위상차(φ)는 아래의 수식으로 결정될 수 있다.
위상차(φ)가 결정되면, 빛의 속도(c)와 변조 신호의 주파수(fmod)에 대응하여 거리(Distance)를 추산할 수 있다.
또한, 변조 신호의 크기(amplitude)를 추산할 수 있다.
전술한 방법을 통해, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템은 변조 신호의 주파수 혹은 크기를 결정할 수도 있고, 목표물과의 거리를 추산할 수도 있다. 또한, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 동작 환경에 따라, 변조 신호의 주파수 혹은 크기를 변경할 수도 있다.
한편, 전술한 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 운용은 변조 신호(Modulated signal)의 위상을 천이(phase shift)시킨 후, 각 위상마다 수신한 반사 신호의 양이 정확히 수신될수록 추산가능한 거리의 오차를 줄이고 해상도를 높일 수 있다.
한편, 도 1에서 설명한 바와 같이, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 사용 환경에서 변조 신호(Modulated signal)와 반사 신호(Reflected signal) 외에 자연광(natural light) 혹은 주변광/환경광(Ambient light)이 존재할 수 있다. 예를 들면, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에서 사용되는 변조 신호(Modulated signal)는 자외선 혹은 적외선 영역의 특정 주파수 대역을 가질 수 있는데, 변조 신호 역시 자연 상태에서 존재하는 주파수 영역을 가지는 광 신호이다. 즉, 자연광(natural light) 혹은 주변광/환경광(Ambient light)에는 자외선 혹은 적외선 영역의 해당 주파수 대역을 가지는 광이 포함될 수 있고, 이러한 광은 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 동작에서 잡음, 간섭으로 작용할 수 있다. 따라서, 낮 시간 실외에서 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템을 사용하는 경우, 자연광(natural light) 혹은 주변광/환경광(Ambient light)으로 인해 수신기가 너무 많은 양의 광을 수신할 수 있다. 수신기를 통해 너무 많은 양의 광이 수신되면, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템이 대상, 사물의 거리, 깊이를 추산할 수 있는 마진이 확보되지 않을 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재된 이미지 센서의 픽셀 구조를 설명한다.
도 8을 참조하면, 이미지 센서의 픽셀(128)은 복수의 광 검출 소자(PD)를 포함할 수 있다. 도 5와 6을 참조하면, 이미지 센서의 픽셀(128) 각각이 2개의 광 검출 소자를 포함하거나, 인접한 픽셀(128)이 한쌍으로 동작할 수도 있다. 도 8에서는 하나의 픽셀(128)이 2개의 광 검출 소자를 포함하는 것을 예로 들어 설명한다.
실시예에 따라, 이미지 센서의 픽셀(128)은 전류 지원 광 변조 방식(Current-Assisted Photonic Demodulation, CAPD)으로 구동될 수 있다. 여기서, 전류 지원 광 변조 방식(CAPD)은 반사광 신호의 판독 정밀도를 높이기 위해 화소 내 드리프트 전류(drift current)를 사용하여 픽셀을 고속으로 구동시킬 수 있는 방법으로, 일반적인 이미지 센서와 같이 광 검출 소자가 생성하는 전하(전자-홀 쌍)에 대응하는 공핍층을 형성할 수 있는 반면, 전류 지원 광 변조 방식(CAPD)의 픽셀은 광 검출 소자에서 생성된 전하가 두 전극 간 전위차에 따라 발생하는 전류인 드리프트 전류(drift current)가 형성하는 전기장(drift electric field)에 의해 빠르게 이동할 수 있는 현상을 이용하여 고속 동작을 구현할 수 있다.
도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀(128)은 두 개의 광 검출부(322A, 322B) 및 픽셀 데이터 출력부(324)를 포함할 수 있다. 두 개의 광 검출부(322A, 322B)는 동일한 구조를 가질 수 있으며, 픽셀 데이터 출력부(324)는 두 개의 광 검출부(322A, 322B)에 대응하여 동일한 구조를 가진 두 개의 출력단을 포함할 수 있다.
제1 광 검출부(322A)는 광 검출 소자(PD), 리셋 신호(Rx)에 대응하여 광 검출 소자(PD)가 생성한 전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va)를 리셋하기 위한 리셋 게이트(Rtr) 및 제1 변조 신호(Txa)에 대응하여 광 검출 소자(PD)가 생성한 전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va)를 픽셀 전압(fda)으로 출력하는 전송 게이트(Ttr)를 포함할 수 있다.
제1 광 검출부(322A)와 연결된 픽셀 데이터 출력부(324)는 픽셀 전압(fda)을 유지하기 위한 캐패시터(C), 픽셀 전압(fda)에 대응하여 턴온의 정도가 결정되는 액세스 게이트(Atr) 및 픽셀 선택 신호(Sx)에 대응하여 액세스 게이트(Atr)에서 전달된 전압을 픽셀 데이터로 출력하기 위한 선택 게이트(Str)를 포함할 수 있다.
한편, 도 8에는 하나의 광 검출 소자(PD)에 대응하여 4개의 트랜지스터 혹은 게이트(tr)를 포함하는 픽셀(128)을 설명하였으나, 실시예에 따라 픽셀(128)은 하나의 광 검출 소자(PD)에 대응하여 3개의 트랜지스터를 포함할 수도 있다.
제2 광 검출부(322B)는 제1 광 검출부(322A)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 또한, 제2 광 검출부(322B)와 연결된 픽셀 데이터 출력부(324)에는 제1 광 검출부(322A)와 전기적으로 연결되는 캐패시터(C) 및 게이트/트랜지스터가 동일하게 포함될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 도 6 내지 도 7에서 설명한 것과 같이, 제1 광 검출부(322A) 내 전송 게이트(Ttr)를 구동하기 위한 제1 변조 신호(Txa)와 제2 광 검출부(322B) 내 전송 게이트를 구동하기 위한 제2 변조 신호(Txb)는 서로 다른 위상을 가질 수 있다.
이미지 센서 내 픽셀(128)은 제1 광 검출부(322A) 및 제2 광 검출부(322B)에 포함된 복수의 광 검출 소자 중 적어도 하나로부터 생성되는 전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va, Vb)이 기준(Vref)에 이르면 복수의 광 검출 소자로부터 출력되는 복수의 픽셀 전압(fda, fdb) 각각을 동일한 레벨만큼 조정하는 교정 회로(326)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 광 검출부(322A)에서 생성된 전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va)이 기준(Vref)에 이르면, 교정 회로(326)는 픽셀 데이터 출력부(324)에 제1 광 검출부(322A) 및 제2 광 검출부(322B)에서 생성된 전하정보 혹은 전하량에 대응하여 축적되는 복수의 픽셀 전압(fda, fdb)의 레벨을 동일한 만큼 이동(상승 또는 하강)시킬 수 있다. 도 6 내지 도 7에서 설명한 바와 같이, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에서 사물에 대한 거리(distance) 혹은 깊이(depth)를 추산하기 위해서는 한 쌍으로 동작하는 복수의 광 검출 소자에서 생성된 전하정보 혹은 전하량의 차이를 감지하는 것이 중요하다. 따라서, 교정 회로(326)는 복수의 광 검출 소자에서 생성된 전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va 혹은 Vb)이 기준(Vref)에 도달하면 기 설정된 레벨만큼 복수의 픽셀 전압(fda, fdb)을 조정하여, 사물에 대한 거리(distance) 혹은 깊이(depth)를 추산할 수 있는 마진을 확보할 수 있다.
도 9는 도 8에서 설명한 이미지 센서의 픽셀에 포함된 교정회로(calibration circuit)를 설명한다.
도 9를 참조하면, 교정 회로(326)는 복수의 광 검출 소자에서 생성된 전하정보 혹은 전하량에 따른 복수의 전위(Va, Vb)과 기준(Vref)을 비교하는 비교기(334), 및 비교기(334)의 결과에 대응하여 복수의 픽셀 전압(fda, fdb)을 조정하기 위한 전류(Ic)를 공급하는 복수의 전류원(332a, 332b)를 포함할 수 있다.
도 9에서는 비교기(334)가 두 개의 광 검출 소자에서 생성된 전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va, Vb)와 기준(Vref)을 비교하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 3개 이상의 전위와 기준(Vref)을 비교하는 것도 가능할 수 있다. 비교기(334)의 구성을 참조하면, 비교 대상이 증가할수록 두 개의 광 검출 소자에서 생성된 전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va, Vb)와 나란히 병렬로 연결할 수 있다.
한편, 복수의 전류원(332a, 332b)은 글로벌 전류 미러 라인을 통해 인접한 픽셀에 포함된 다른 전류원과 연결될 수 있다. 복수의 전류원(332a, 332b)이 제공하는 전류(Ic)의 크기는 기 설정된 값으로, 각 픽셀마다 동일할 수 있다. 글로벌 전류 미러 라인은 이미지 센서 내 행에 연결된 복수의 픽셀에 포함된 교정 회로에 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 복수의 전류원(332a, 332b)이 제공하는 전류(Ic)는 이미지 센서의 전원 전압의 크기, 픽셀 구동 주파수 등에 대응하여 결정될 수 있다. 또한, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템이 동작 모드에 따라 픽셀 구동 주파수를 변경할 수 있는 경우, 복수의 전류원(332a, 332b)이 제공하는 전류(Ic)의 크기도 달라질 수 있다.
도 9를 참조하면, 복수의 전류원(332a, 332b)은 글로벌 전류 미러 라인이 게이트에 연결되는 제1 트랜지스터와 비교기(334)의 결과가 게이트에 연결되는 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 기 설정된 전류의 크기를 제공할 수 있는 복수의 전류원(332a, 332b)의 내부 구성은 변경될 수 있다.
한편, 이미지 센서에 포함된 복수의 픽셀(128) 내 교정 회로(326)에서, 비교기(324)의 결과가 동일하거나 상이할 수도 있다. 이는 이미지 센서가 반사 신호를 수신하는 전 영역 혹은 일부 영역에 자연광(natural light) 혹은 주변광/환경광(Ambient light)으로 인한 잡음이 발생하는 것을 나타낸다. 이미지 센서가 거리 혹은 깊이에 대한 데이터를 수집하는 모든 영역 혹은 일부 영역에서 잡음이 발생하는 경우에도, 교정 회로(326)의 비교 결과는 잡음을 제거할 수 있다. 또한, 교정 회로(326)의 동작으로 인하여 복수의 광 검출 소자에서 생성된 복수의 전위의 차이가 변형되지 않기 때문에 이미지 센서가 거리 혹은 깊이에 대한 데이터가 왜곡되는 것을 피할 수 있다.
도 10은 도 8 및 도 9에서 설명한 픽셀 내 교정회로의 동작을 설명한다.
도 10을 참조하면, 이미지 센서 내 픽셀은 전원 전압(Vdd)을 공급받고, 픽셀 내 복수의 광 검출 소자가 반사 신호와 자연광(natural light) 혹은 주변광/환경광(Ambient light)을 수신한다고 가정한다. 자연광(natural light) 혹은 주변광/환경광(Ambient light)은 복수의 광 검출 소자에 동일한 양만큼 동일한 위상으로 일정하게 수신된다고 볼 수 있다.
복수의 광 검출 소자가 반사 신호와 자연광(natural light) 혹은 주변광/환경광(Ambient light)에 대응하여 전하를 생성하고, 생성된 전하정보 혹은 전하량에 따라 전위(Va, Vb)가 변화할 수 있다. 자연광(natural light) 혹은 주변광/환경광(Ambient light)은 동일한 양만큼 동일한 위상으로 수신되어 복수의 광 검출 소자에서 생성하는 전하정보 혹은 전하량이 실질적으로 동일하지만, 도 6 및 도 7에서 설명한 바와 같이 수신되는 반사 신호에 대응하여 복수의 광 검출 소자에서 생성되는 전하정보 혹은 전하량은 대상, 사물의 거리에 따라 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 이미지 센서가 구동되면, 복수의 광 검출 소자에서 생성되는 전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va, Vb)는 차이가 발생할 수 있다.
전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va, Vb) 차이가 커질수록 대상, 사물의 거리에 대한 해상도, 정밀도는 높아질 수 있다. 하지만, 자연광(natural light) 혹은 주변광/환경광(Ambient light)에 의해 복수의 광 검출 소자에서 생성되는 전하정보 혹은 전하량이 증가하여, 빠른 시간에 전하정보 혹은 전하량에 따른 전위(Va, Vb)가 기준(Vref)을 초과하면 수신되는 반사 신호에 대응하여 복수의 광 검출 소자에서 생성되는 전하정보 혹은 전하량의 차이가 작고, 대상, 사물의 거리에 대한 해상도, 정밀도가 낮아질 수 있다.
따라서, 교정 회로는 전하정보 혹은 전하량에 따른 복수의 전위(Va, Vb) 중 하나가 기준(Vref)에 이르면, 전류를 공급하여 복수의 픽셀 전압(fda, fdb)을 기 설정된 레벨(Vrise.max)만큼 천이시킨다. 여기서, 기 설정된 레벨(Vrise.max)은 전원 전압(Vdd)과 기준(Vref)의 차이보다 작을 수 있다. 교정 회로에 의해 복수의 픽셀 전압(fda, fdb)이 상승하는 범위는 수식과 같이 결정될 수 있다.
여기서, 전류(Ic)는 교정 회로가 공급하는 전류의 크기이고, fmod는 픽셀 구동 주파수이며, C는 빛의 속력(speed of light)을 나타낸다. 여기서, 픽셀 구동 주파수(fmod)는 픽셀의 전송 게이트(Ttr)를 제어하기 위한 전송 신호(Txa, Txb)의 주파수를 나타낸다.
한편, 기준(Vref)은 전원 전압(Vdd)보다 작고 0보다 큰 값이다. 전원 전압(Vdd)과 기준(Vref)의 차이가 클수록 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 해상도, 정밀도는 높아질 수 있다. 다만, 기준(Vref)은 이미지 센서 내 픽셀에서 트랜지스터로 구성된 픽셀 데이터 출력부(324)의 구성에 대응하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 기준(Vref)은 이미지 센서의 픽셀 내 소스 폴로어(source follower)를 위한 전압 헤드룸(headroom)보다는 클 수 있다.
교정 회로는 전하정보 혹은 전하량에 따른 복수의 전위(Va, Vb) 중 하나가 기준(Vref)에 이르면, 전류를 공급하여 복수의 픽셀 전압(fda, fdb)을 기 설정된 레벨(Vrise.max)만큼 천이시키는 동작을 반복적으로 수행할 수 있다. 복수의 픽셀 전압(fda, fdb)을 기 설정된 레벨(Vrise.max)만큼 천이되는 동안, 반사 신호에 대응하여 복수의 광 검출 소자에서 생성되는 전하정보 혹은 전하량의 차이는 점점 커질 수 있고, 제1 광 검출부(322A) 및 제2 광 검출부(322B)에 포함된 복수의 광 검출 소자(PD)에 흐르는 전류(Isa, Isb)이 차이는 더 커질 수 있다. 이로 인하여, 제1 광 검출부(322A) 및 제2 광 검출부(322B)에 출력되는 복수의 픽셀 전압(fda, fdb)의 차이가 더욱 커질 수 있고, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 해상도, 정밀도는 높아질 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재된 이미지 센서의 전류 공급 회로를 설명한다.
도 11을 참조하면, 이미지 센서 내 픽셀 어레이(126)에는 복수의 행과 복수의 열에 따라 배치된 복수의 픽셀(128)이 포함될 수 있다. 복수의 행 각각에 전류 공급 회로(350)가 배치되어 있다. 전류 공급 회로(350)는 글로벌 전류 미러 라인을 통해 교정 회로가 공급할 수 있는 전류(Ic)의 크기를 제어할 수 있다. 전류 공급 회로(350)는 전류 제어 신호에 대응하여 전류(Ic)의 크기를 결정할 수 있다.
실시예에 따라, 전류 제어 신호는 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템에서 사용되는 픽셀 구동 주파수의 개수에 대응하는 복수의 비트로 구현될 수 있다. 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템의 수신기의 동작은 픽셀 구동 주파수(fmod)는 실시예에 따라 달라질 수 있으며, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템은 보다 정밀한 거리를 측정하기 위해 픽셀 구동 주파수를 가변시킬 수 있다. 보다 정밀한 거리 측정을 위해 픽셀 구동 주파수(fmod)가 가변되면, 교정 회로를 통해 공급될 수 있는 전류(Ic)의 크기도 가변될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 비행시간거리측정(Time of Flight, TOF) 방식의 센싱 시스템에 탑재되는 이미지 센서에 있어서,
    복수의 광 검출 소자를 통해 수신된 광에 대응하는 전하량을 생성하는 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;
    각각의 픽셀에서 출력되는 상기 전하량에 따라 각각 변경되는 복수의 전압 레벨과 기준 전위를 비교하여 비교 결과를 출력하는 비교부;
    상기 비교 결과에 응답하여 상기 복수의 전압 레벨을 동일하게 조정하는 교정 회로; 및
    전류 제어 신호에 대응하여 상기 교정 회로가 공급하는 전류량을 결정하는 전류 공급 회로를 포함하고,
    상기 전류 공급 회로와 상기 교정 회로는 전류 미러(current mirror)로 동작하는, 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교정 회로는 상기 복수의 전압 레벨을 기 설정된 양만큼 조정할 때, 상기 복수의 전압 레벨의 차이를 유지시키는,
    이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 교정 회로는 기 설정된 양의 전류를 상기 픽셀 어레이에 인가하는,
    이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀은
    리셋 신호에 대응하여 상기 복수의 광 검출 소자 각각에 연결되어 상기 전하량을 리셋하기 위한 리셋 게이트;
    변조 신호에 대응하여 상기 전하량에 기초한 픽셀 전압을 출력하는 전송 게이트;
    상기 전송 게이트에서 전달된 상기 픽셀 전압에 대응하여 턴온되는 액세스 게이트; 및
    선택 신호에 대응하여 상기 액세스 게이트에서 전달된 전압을 선택적으로 출력하는 선택 게이트
    를 포함하는, 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 교정 회로는 상기 전송 게이트와 상기 광 검출 소자 사이에서 상기 전하량에 따른 전위를 확인하고, 상기 전송 게이트와 상기 액세스 게이트 사이에서 상기 픽셀 전압을 조정하는,
    이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 교정 회로는
    상기 복수의 전압 레벨을 조정하기 위한 전류를 상기 픽셀 어레이에 공급하는 전류원
    을 포함하는, 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전류원은
    각각의 픽셀과 연결되고 상기 비교 결과에 대응하여 턴온되는 스위칭 트랜지스터; 및
    전원 장치와 연결되고 상기 픽셀 어레이에 공급되는 전류량을 결정하기 위한 가변 저항
    을 포함하는, 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이는 상기 픽셀이 복수의 행과 복수의 열에 따라 배치된 구조를 가지고,
    상기 교정 회로는 상기 복수의 행 각각에 배치된,
    이미지 센서.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 교정 회로는 상기 복수의 전압 레벨을 기 설정된 레벨만큼 상승시키며,
    상기 기 설정된 레벨은 상기 전류량에 비례하고 상기 픽셀의 구동 주파수에 반비례하는,
    이미지 센서.
  11. 기 설정된 위상을 가지는 변조 신호를 출력하는 발신기;
    상기 변조 신호가 대상에 반사된 반사 신호를 수신하는 이미지 센서를 포함하는 수신기; 및
    상기 변조 신호와 상기 반사 신호의 위상 관계를 통해 상기 대상과의 거리를 결정하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 이미지 센서는
    적어도 하나의 광 검출 소자를 포함하여 상기 반사 신호에 대응하는 전하량을 각각 생성하는 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;
    각 픽셀에서 출력된 상기 전하량에 기초하여 각각 변경되는 복수의 전압 레벨을 기준 전위를 비교하여 비교 결과를 출력하는 비교부;
    상기 비교 결과에 응답하여 상기 복수의 전압 레벨을 동일하게 조정하는 교정 회로; 및
    전류 제어 신호에 대응하여 상기 교정 회로가 공급하는 전류량을 결정하는 전류 공급 회로를 포함하고,
    상기 전류 공급 회로와 상기 교정 회로는 전류 미러(current mirror)로 동작하는, 비행시간거리측정(Time of Flight, TOF) 방식의 센싱 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 교정 회로는 상기 복수의 전압 레벨을 기 설정된 양만큼 조정할 때, 상기 복수의 전압 레벨의 차이를 유지시키는,
    비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 교정 회로는 기 설정된 양의 전류를 상기 픽셀 어레이에 인가하는,
    비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 픽셀은
    리셋 신호에 대응하여 상기 복수의 광 검출 소자 각각에 연결되어 상기 전하량을 리셋하기 위한 리셋 게이트;
    상기 변조 신호에 대응하여 상기 전하량에 기초한 픽셀 전압을 출력하는 전송 게이트;
    상기 전송 게이트에서 전달된 상기 픽셀 전압에 대응하여 턴온되는 액세스 게이트; 및
    선택 신호에 대응하여 상기 액세스 게이트에서 전달된 전압을 선택적으로 출력하는 선택 게이트
    를 포함하는, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 교정 회로는 상기 전송 게이트와 상기 광 검출 소자 사이에서 상기 전하량에 따른 전위를 확인하고, 상기 전송 게이트와 상기 액세스 게이트 사이에서 상기 픽셀 전압을 조정하는,
    비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 교정 회로는
    상기 복수의 전압 레벨을 조정하기 위한 전류를 상기 픽셀 어레이에 공급하는 전류원
    을 포함하는, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전류원은
    각각의 픽셀과 연결되고 상기 비교 결과에 대응하여 턴온되는 스위칭 트랜지스터; 및
    전원 장치와 연결되어 상기 픽셀 어레이에 공급되는 전류량을 결정하기 위한 가변 저항
    를 포함하는, 비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이는 상기 픽셀이 복수의 행과 복수의 열에 따라 배치된 구조를 가지고,
    상기 교정 회로는 상기 복수의 행 각각에 배치된,
    비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템.
  19. 삭제
  20. 제11항에 있어서,
    상기 교정 회로는 상기 복수의 전압 레벨을 기 설정된 레벨만큼 상승시키며,
    상기 기 설정된 레벨은 상기 전류량에 비례하고 상기 픽셀의 구동 주파수에 반비례하는,
    비행시간거리측정(TOF) 방식의 센싱 시스템.
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