JP5744511B2 - センサー、その動作方法、及びセンサーを含むデータ処理システム - Google Patents

Description

本発明は、センサーに関し、特に、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）原理を用いるセンサー、その動作方法、及びセンサーを含むデータ処理システムに関する。

センサーは、対象物の状態または位置を検出し、その検出結果を電気的な信号に変換する素子である。センサーの種類としては、光センサー、温度センサー、圧力センサー、磁気センサー、または距離センサー（ｄｅｐｔｈ ｓｅｎｓｏｒ）などがある。

センサーのうち、距離センサーは、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）から放射されたパルス（ｐｕｌｓｅ）形態の光信号がターゲット（ｔａｒｇｅｔ）物体（または、測定対象物）によって反射されて戻ってくるまでの時間を測定し、その測定結果によって、距離センサーとターゲット物体までの距離を計算することができる。

ソースから出力される信号としては、マイクロ波（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）、光波（ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）または超音波（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ）が主に使われる。距離センサーは、ＴＯＦ測定方式を用いて距離を測定することができる。

本発明は、センサーで行われる復調過程で発生する熱拡散による光電子の損失を補償して、距離情報を正確に測定することができるセンサー、センサーの動作方法、及びセンサーを含むデータ処理システムを提供することを目的とする。

本発明係るセンサーの動作方法は、第１区間と第２区間とをそれぞれ有する複数のパケットの各第１区間において、光源から出力された変調された光信号を復調するために、相異なる位相を有する複数のオシレーション信号のそれぞれを複数のフォトゲートのそれぞれに供給する段階と、前記複数のパケットの各第２区間において、前記光源をディセーブルさせ、ＤＣ電圧を前記複数のフォトゲートのそれぞれに供給する段階と、を含む。

前記複数のオシレーション信号の位相差は、１８０°であり、前記変調された光信号の位相と前記複数のオシレーション信号のうちの何れか一つの信号の位相との位相差は、０°、９０°、１８０°、または２７０°であり得る。

本発明に係るセンサーの動作方法は、第１区間と第２区間とをそれぞれ有する複数のパケットの各第１区間の間に、光源から出力された変調された光信号を復調するために、フォトゲートに供給されたオシレーション信号を用いて、前記フォトゲートの下部に生成された光電荷をフローティング・ディフュージョン・ノードに伝送する段階と、前記複数のパケットの各第２区間において、前記光源をディセーブルさせ、前記フォトゲートに供給されるＤＣ電圧を用いて、前記光電荷のうちから残留する光電荷を前記フローティング・ディフュージョン・ノードに伝送する段階と、を含み得る。

前記オシレーション信号は、第１レベルと第２レベルとの間でオシレーションされ、前記ＤＣ電圧は、前記第１レベルと同じか前記第１レベルより高く、かつ前記第２レベルより低くし得る。

また、本発明に係るセンサーは、変調された光信号を生成するための光源と、フォトゲートをそれぞれ含む複数の感知回路と、前記光源と前記複数の感知回路との動作を制御するためのコントローラと、を含み、前記コントローラは、第１区間と第２区間とをそれぞれ有する複数のパケットの各第１区間において前記光源をイネーブルさせ、前記光源から出力された前記変調された光信号を復調するために、相異なる位相を有する複数のオシレーション信号のそれぞれを前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給し、前記複数のパケットのそれぞれの前記第２区間において前記光源をディセーブルさせ、ＤＣ電圧を前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給する。

前記複数のオシレーション信号のそれぞれは、第１レベルと第２レベルとの間でオシレーションされ、前記ＤＣ電圧は、前記第１レベルと同じか前記第１レベルより高く、かつ前記第２レベルより低くし得る。

前記第２レベルが、前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給されたときに前記フォトゲートの下部に位置する半導体基板の内部に形成された空乏層は、前記第１レベルが、前記複数の感知回路のそれぞれに具現された前記フォトゲートに供給されたときに前記半導体基板の内部に形成された空乏層より大きくし得る。

また、本発明に係るデータ処理システムは、変調された光信号を生成するための光源と、フォトゲートをそれぞれ含む複数の感知回路と、前記光源と前記複数の感知回路との動作を制御するためのコントローラと、を有するセンサーと、前記センサーに含まれた前記コントローラの動作を制御するためのプロセッサと、を含み、前記コントローラは、第１区間と第２区間とをそれぞれ有する複数のパケットの各第１区間において前記光源をイネーブルさせ、前記光源から出力された前記変調された光信号を復調するために相異なる位相を有する複数のオシレーション信号のそれぞれを前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給し、前記複数のパケットのそれぞれの前記第２区間の間に前記光源をディセーブルさせ、ＤＣ電圧を前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給する。

前記コントローラは、第１レベルと第２レベルとの間でそれぞれオシレーションする前記複数のオシレーション信号を生成し、前記ＤＣ電圧は、前記第１レベルと同じか前記第１レベルより高く、かつ前記第２レベルより低く、前記第２レベルが前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給されたときに前記フォトゲートの下部に位置する半導体基板の内部に形成される空乏層は、前記第１レベルが前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給されたときに前記半導体基板の内部に形成される空乏層より大きくし得る。

前記複数の感知回路は、半導体基板内に形成されたフローティング拡散領域と、前記フォトゲートの下部に位置する前記半導体基板内で生成された光信号を前記フローティング拡散領域に伝送するための伝送ゲートと、をそれぞれ含み、前記コントローラは、前記第１区間の間と前記第２区間の間に、前記伝送ゲートをターンオンさせるための電圧を前記伝送ゲートに供給し得る。

前記データ処理システムは、３次元距離測定器、ゲームコントローラ、カメラ、またはジェスチャ感知装置であり得る。

本発明に係るセンサーによれば、センサーで行われる復調過程で発生する熱拡散による光電子の損失を補償することで距離情報を正確に測定することができる。また、熱拡散によって減少する光電子の伝送速度を補償することができるので、復調周期内で発生した光電子をフローティング拡散領域に迅速に伝送して復調効率を増加させることができる。

本発明の実施形態に係る二つのフォトゲートを有する距離ピクセルを含むセンサーを示すブロック図である。 図１に示された前記距離ピクセルの断面図を示す例示図である。 従来の距離ピクセルを制御するための制御信号の波形を示すタイミング図である。 図１に示された距離ピクセルの動作を制御するための制御信号の波形を示すタイミング図である。 図２Ａに示された距離ピクセルが有する複数のフォトゲートと複数のトランジスタとを含む回路図である。 本発明の実施形態に係るセンサーの第２区間の長さによって積分区間内に含まれたパケットの数と第１フローティング拡散領域の出力信号に対するアナログ−デジタル変換動作結果との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るセンサーの第１区間の長さによってフローティング拡散領域の出力信号に対するアナログ−デジタル変換動作結果との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るセンサーの第２区間の長さによって図２Ａに示された距離ピクセルの出力信号の和を示す。 本発明の実施形態に係るセンサーの第２区間の長さによって図２Ａに示された距離ピクセルの出力信号の差を示す。 本発明の実施形態に係るセンサーの第２区間の長さによって図２Ａに示された距離ピクセルの復調対比値を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係るセンサーの距離ピクセルを含むイメージセンサーを示すブロック図である。 図６に示されたイメージセンサーを含むデータ処理システムを示すブロック図である。 図１に示されたセンサーを含むデータ処理システムを示すブロック図である。 図１に示されたセンサーを含むデータ処理システムを示す他のブロック図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る、二つのフォトゲート（ｐｈｏｔｏ ｇａｔｅｓ）を有する距離ピクセル（ｐｉｘｅｌ）を含むセンサーを示すブロック図である。

複数の距離センサーを含むセンサー１０は、赤外線光源１２によって変調された赤外線光信号（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｓｉｇｎａｌ；ＥＬ）を外部に放射し、変調された赤外線光信号ＥＬが赤外線光源１２から放射された時間と赤外線光信号ＥＬが被写体（または、ターゲット物体１１）によって反射された後、センサー１０に入射される変調された赤外線光信号（以下、「反射光信号」と称し、ＲＬ’およびＲＬ）の入射時間の時間差ｔΔを表わす数式１を用いて距離ｄを測定することができる。

ここで、ｄは、センサー１０と被写体１１との距離を、ｃは、光速を表わす。

センサー１０は、赤外線光源１２、センサーアレイ（ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ）１４、赤外線通過フィルター１７、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１８、タイミングコントローラ（ｔｉｍｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２０、ローデコーダ（ｒｏｗ ｄｅｃｏｄｅｒ）２２、及びメモリ（ｍｅｍｏｒｙ）２４を含み得る。

センサー１０とイメージ信号プロセッサ１５０は、一つの半導体チップ（ｃｈｉｐ）（例えば、ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ））として構成されてもよい。一方、センサー１０とイメージ信号プロセッサ１５０は、別個の半導体チップとして構成されてもよい。

センサー１０は、タイミングコントローラ２０の制御のもとでメモリ２４から出力されるデータ（ｄａｔａ）をイメージ信号プロセッサ１５０に伝送するためのカラムデコーダ（ｃｏｌｕｍｎ ｄｅｃｏｄｅｒ、図示せず）をさらに含み得る。

センサー１０は、反射光信号を赤外線通過フィルター１７に集光させるためのレンズ（ｌｅｎｓ、図示せず）をさらに含み得る。赤外線通過フィルター１７と前記レンズを含むレンズモジュール（ｌｅｎｓ ｍｏｄｕｌｅ、図示せず）の動作は、タイミングコントローラ２０によって制御される。

センサーアレイ１４は、複数の距離ピクセル１６を含みうる。

タイミングコントローラ２０は、赤外線光源１２の動作と複数の距離ピクセル１６のそれぞれの動作とを制御し得る。タイミングコントローラ２０の制御のもと、赤外線光源１２は、変調された赤外線光信号ＥＬを外部に放射することができる。

具体的には、タイミングコントローラ２０は、複数の距離ピクセル１６のそれぞれに含まれる複数のフォトゲートのそれぞれの動作を制御するための二つのオシレーション（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）信号Ｐａ、Ｐｂを生成することができる。図２Ｃに示されるように、二つのオシレーション信号Ｐａ、Ｐｂの位相差は、１８０°である。

タイミングコントローラ２０は、図２Ｃに示されるように、複数のパケット（ｐａｃｋｅｔｓ）Ｐ〜ＮＰ（Ｎは、自然数）を生成することができる。複数のパケットＰ〜ＮＰのそれぞれは、第１区間（図２ＣのＴ１であり、例えば、オンタイム（ｏｎ−ｔｉｍｅ）区間とも言う）と第２時間区間（図２ＣのＴ２であり、例えば、オフタイム（ｏｆｆ−ｔｉｍｅ）区間とも言う）とを含む。

第１区間の間、タイミングコントローラ２０は、それぞれが、第１レベル（ｌｅｖｅｌ）と第２レベルとの間でオシレーションする二つのオシレーション信号Ｐａ、Ｐｂを出力する。第２区間の間に、タイミングコントローラ２０は、ＤＣ電圧を出力する。

例えば、図２Ｃに示されるように、タイミングコントローラ２０は、第１区間Ｔ１の間に、赤外線光源１２をイネーブル（ｅｎａｂｌｅ）させるための制御信号ＥＮを赤外線光源１２に供給することができる。また、タイミングコントローラ２０は、赤外線光源１２から出力された変調された赤外線光信号ＥＬを復調するために、相異なる位相差、例えば、１８０°の位相差を有する二つのオシレーション信号Ｐａ、Ｐｂそれぞれを複数の距離ピクセル１６のそれぞれに含まれるフォトゲートのそれぞれに供給することができる。

したがって、第１区間Ｔ１の間に、赤外線光源１２は、制御信号ＥＮに応答して変調された赤外線光信号ＥＬを出力することができる。

図２Ｃに示されるように、タイミングコントローラ２０は、第２区間Ｔ２の間に、赤外線光源１２をディセーブル（ｄｉｓａｂｌｅ）させる制御信号ＥＮを赤外線光源１２に供給することができる。また、タイミングコントローラ２０は、ＤＣ電圧を複数の距離ピクセル１６のそれぞれに含まれるフォトゲートのそれぞれに供給することができる。

赤外線光源１２は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）またはＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）であり得る。

センサー１０は、センサーアレイ１４の周りに配置された複数の赤外線光源を含み得るが、図１では、説明の便宜上、一つの赤外線光源１２のみを示す。

図２Ａは、図１に示された距離ピクセルの断面図であり、図２Ｂは、従来の距離ピクセルを制御するための制御信号の波形を示すタイミング（ｔｉｍｉｎｇ）図であり、図２Ｃは、図１に示された距離ピクセルの動作を制御するための制御信号の波形を示すタイミング図である。

図２Ａを参照すると、距離ピクセル１６は、第１フォトゲートＰＧ１、第２フォトゲートＰＧ２、第１伝送回路ＴＸ１、第２伝送回路ＴＸ２、第１ブリッジング（ｂｒｉｄｇｉｎｇ）領域ＢＤ１、第２ブリッジング領域ＢＤ２、第１フローティング拡散領域ＦＤ１、及び第２フローティング拡散領域ＦＤ２を含む。

しかし、第１ブリッジング領域ＢＤ１と第２ブリッジング領域ＢＤ２は、設けられないこともある。第１ブリッジング領域ＢＤ１、第２ブリッジング領域ＢＤ２、第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第２フローティング拡散領域ＦＤ２は、半導体基板（例えば、ｐ−型エピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）領域）内に形成される。

第１フォトゲートＰＧ１と第２フォトゲートＰＧ２のそれぞれの下部に位置する半導体基板１６−１の内部で、第１フォトゲートＰＧ１と第２フォトゲートＰＧ２のそれぞれを通過した反射光信号ＲＬによって光電子（または、光電荷）が生成される。

図２Ａと図２Ｂとを参照すると、第１フォトゲートＰＧ１と第２フォトゲートＰＧ２は、それぞれタイミングコントローラ２０から出力された１８０°の位相差を有する二つのオシレーション信号Ｐａ、Ｐｂにそれぞれ応答して、収集（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）動作と伝送（ｔｒａｎｓｆｅｒ）動作とを制御することができる。

ここで、収集動作とは、反射光信号ＲＬによって生成された光電子が半導体基板１６−１の表面に収集される動作を差し、伝送動作とは、収集された光電子を伝送回路ＴＸ１、ＴＸ２のそれぞれを用いてフローティング拡散領域ＦＤ１、ＦＤ２のそれぞれに伝送する動作を指す。

例えば、各オシレーション信号Ｐａ、Ｐｂが、第１レベルであるローレベル（ｌｏｗ ｌｅｖｅｌ）であるとき、すなわち、半導体基板１６−１の内部に生成された光電子に加えられるポテンシャル（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）値が小さいとき、各フォトゲートＰＧ１、ＰＧ２の下部に収集された光電子は、各ブリッジング領域ＢＤ１、ＢＤ２を通じて各フローティング拡散領域ＦＤ１、ＦＤ２に伝送される。

図２Ａに示されたＶＬＡとＶＬＢは、第１レベルを有する各オシレーション信号Ｐａ、Ｐｂが各フォトゲートＰＧ１、ＰＧ２に供給されるときに、光電子が収集される領域または空乏層を表わす。

また、例えば、各オシレーション信号Ｐａ、Ｐｂが、第２レベルであるハイレベル（ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ）であるとき、すなわち、半導体基板１６−１の内部に生成された光電子に加えられるポテンシャル値が大きいとき、各フォトゲートＰＧ１、ＰＧ２の下部に反射光信号ＲＬによって生成された光電子が収集される。

図２Ａに示されたＶＨＡとＶＨＢは、第２レベルを有する各オシレーション信号Ｐａ、Ｐｂが各フォトゲートＰＧ１、ＰＧ２に供給されるときに、光電子が収集される領域または空乏層を表わす。

第２レベルが、複数のフォトゲートＰＧ１、ＰＧ２のそれぞれに供給されるときに複数のフォトゲートＰＧ１、ＰＧ２のそれぞれの下部に位置する半導体基板１６−１の内部に形成される空乏層（例えば、ＶＨＡとＶＨＢ）は、第１レベルが複数のフォトゲートＰＧ１、ＰＧ２のそれぞれに供給されるときに半導体基板１６−１の内部に形成される空乏層（例えば、ＶＬＡとＶＬＢ）より大きい。

半導体基板１６−１の内部には、各フォトゲートＰＧ１、ＰＧ２の下部に生成された光電子が、互いに及ぼす影響を遮断するための分離領域１６−２が形成される。例えば、半導体基板１６−１は、Ｐ⁻でドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）されたエピタキシャル領域であり、分離領域１６−２は、Ｐ^＋でドーピングされた領域であり得る。

センサーの光電子の伝送効率が低くて収集動作と伝送動作とが区分されなければ、収集動作時に生成された光電子と伝送動作時に生成された光電子とがそれぞれのフローティング拡散領域ＦＤ１、ＦＤ２で混合されてしまうおそれがある。したがって、第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第２フローティング拡散領域ＦＤ２それぞれから出力されたそれぞれの信号を復調するとき、復調効率が落ちるおそれがある。

本発明の実施形態に係るセンサー１０は、それぞれが第１区間Ｔ１と第２区間Ｔ２とを含む複数のパケットＰ〜ＮＰを用いて、光電子の伝送効率を高めることができる。センサー１０は、複数のパケットＰ〜ＮＰのそれぞれに含まれた第２区間Ｔ２を、光電子伝送を行なう区間として使うことができる。

図２Ｃに示されたように、積分区間（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）は、複数のパケットＰ〜ＮＰを含み、複数のパケットＰ〜ＮＰのそれぞれは、第１区間Ｔ１（または、オンタイム区間）と第２区間Ｔ２（または、オフタイム区間）とを含む。第１区間Ｔ１では、収集動作と伝送動作とがともに行われ、第２区間Ｔ２では、伝送動作のみ行われる。

この際、図２Ｂの積分時間と図２Ｃの積分時間は同一である。

複数の第１フォトゲートＰＧ１、第２フォトゲートＰＧ２のそれぞれは、第１区間Ｔ１の間に光電子が収集された後、伝送されていない残余光電子を第２区間Ｔ２の間に第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第１フローティング拡散領域ＦＤ２にそれぞれ伝送することができるので、光電子の伝送効率が高くなる。すなわち、本発明の実施形態に係るセンサー１０は、残余光電子を伝送するための第２区間Ｔ２を別途設けることで電子の伝送効率を高めることができる。

図３は、図２Ａに示された距離ピクセルに具現された複数フォトゲート及びトランジスタを含む回路図である。

図２Ａと図３とを参照すると、ＭＯＳＦＥＴで構成可能な第１伝送回路ＴＸ１は、制御信号ＴＧ１に応答して、半導体基板１６−１の内部に生成された光電子を第１フローティング拡散領域ＦＤ１に伝送する。このとき、適切なタイミングで加えられる制御信号ＴＧ１の電圧レベルを調節して伝送された光電子が、第１フローティング拡散領域ＦＤ１から第１フォトゲートＰＧ１側への逆拡散（ｂａｃｋ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）することを阻むことができる。

ＭＯＳＦＥＴとして構成可能な第２伝送回路ＴＸ２は、制御信号ＴＧ２に応答して、生成された光電子を第２フローティング拡散領域ＦＤ２に伝送し、適切なタイミングで加えられる制御信号ＴＧ２の電圧レベルを調節して、伝送された光電子が、第２フローティング拡散領域ＦＤ２から第２フォトゲートＰＧ２側への逆拡散することを阻むことができる。

複数のパケットＰ〜ＮＰのそれぞれの第２区間Ｔ２の間に、第１フォトゲートＰＧ１、第２フォトゲートＰＧ２にそれぞれ供給されるＤＣ電圧は、接地電圧であり得る。

しかし、複数のパケットＰ〜ＮＰのそれぞれの第２区間Ｔ２の間に、第１フォトゲートＰＧ１、第１フォトゲートＰＧ２にそれぞれ供給されるＤＣ電圧は、第１レベル（例えば、０Ｖ）と同じかこれより高く、第２レベル（例えば、３．３Ｖ）より低くすることもできる。

第１区間Ｔ１の間に、タイミングコントローラ２０から出力された二つのオシレーション信号Ｐａ、Ｐｂにそれぞれ応答して、第１フォトゲートＰＧ１と第２フォトゲートＰＧ２はそれぞれ反射光信号ＲＬによって半導体基板１６−１の内部で生成された光電子を収集する収集動作と収集された光電子をそれぞれ第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第２フローティング拡散領域ＦＤ２に伝送する伝送動作とを反復的に行うことができる。

二つのフォトゲートＰＧ１、ＰＧ２のそれぞれに供給される二つのオシレーション信号Ｐａ、Ｐｂの位相差は、１８０°であり得る。また、変調された赤外線光信号ＥＬの位相と二つのオシレーション信号Ｐａ、Ｐｂのうちの何れか一つの信号（例えば、ＰａまたはＰｂ）の位相との差は、０°、９０°、１８０°、または２７０°であり得る。

複数のパケットＰ〜ＮＰのそれぞれの第１積分区間Ｔ１の間に、すなわち、第１レベルを有する各オシレーション信号Ｐａ、Ｐｂが、それぞれ第１フォトゲートＰＧ１、第２フォトゲートＰＧ２に供給されるとき、半導体基板１６−１の内部で生成された多数の光電子は、それぞれ第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第１フローティング拡散領域ＦＤ２に伝送される。第２レベルを有する各オシレーション信号Ｐａ、Ｐｂが、それぞれ第１フォトゲートＰＧ１、第２フォトゲートＰＧ２に供給されるとき、半導体基板１６−１の内部で生成された光電荷は収集される。

複数のパケットＰ〜ＮＰのそれぞれの第２積分区間Ｔ２の間に、赤外線光源１２は、タイミングコントローラ２０から出力された制御信号ＥＮに応答してディセーブルされる。この際、ＤＣ電圧が、第１フォトゲートＰＧ１、第２フォトゲートＰＧ２にそれぞれ供給されるので、第１積分区間Ｔ１の間に生成された光電子のうち、それぞれ第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第２フローティングＦＤ２に伝送されていない残余光電子は、それぞれ第１伝送回路ＴＸ１、第２伝送回路ＴＸ２によって第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第２フローティング拡散領域ＦＤ２にそれぞれ伝送される。

図２Ｃに示されるように、第１区間Ｔ１と第２区間Ｔ２との間に、第１伝送回路ＴＸ１、第２伝送回路ＴＸ２は、ハイレベルを有する第１制御信号ＴＧ１、第２制御信号ＴＧ２にそれぞれ応答してオン（ｏｎ）状態を維持する。

図３を参照すると、二つのフォトゲート、すなわち、第１フォトゲートＰＧ１および第２フォトゲートＰＧ２を有する距離ピクセル１６は、第１感知回路（または、ピクセルＡ）と第２感知回路（または、ピクセルＢ）とを含む。

第１感知回路（または、ピクセルＡ）は、第１フォトゲートＰＧ１を通過した反射光信号ＲＬによって生成された光電子を処理、例えば、収集または伝送することができる第１フォトゲートＰＧ１と、複数のトランジスタ、すなわち、ＴＸ１、ＲＸ１、ＤＸ１、及びＳＸ１を含む。

第２感知回路（または、ピクセルＢ）は、第２フォトゲートＰＧ２を通過した反射光信号ＲＬによって生成された光電子を処理、例えば、収集または伝送することができる第２フォトゲートＰＧ２と、複数のトランジスタ、すなわち、ＴＸ２、ＲＸ２、ＤＸ２、及びＳＸ２を含む。

各リセット（ｒｅｓｅｔ）トランジスタＲＸ１、ＲＸ２は、タイミングコントローラ２０から出力されたリセット信号ＲＳにそれぞれ応答して、第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第２フローティング拡散領域ＦＤ２をそれぞれリセットすることができる。

各伝送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２は、タイミングコントローラ２０から出力された各制御信号ＴＧ１、ＴＧ２にそれぞれ応答して、第１フォトゲートＰＧ１、第２フォトゲートＰＧ２の下部の半導体基板の内部に生成された多数の光電子を各フローティング拡散領域ＦＤ１、ＦＤ２にそれぞれ伝送することができる。

ソースフォロワバッファ増幅器（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｂｕｆｆｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の役割を担うことができる各ドライブ（ｄｒｉｖｅ）トランジスタＤＸ１、ＤＸ２は、第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第１フローティング拡散領域ＦＤ２にそれぞれ充填された光電子によって生成された電圧にそれぞれ応答して、供給電圧ＶＤＤをバッファリング（ｂｕｆｆｅｒｉｎｇ）する動作を行うことができる。

各選択トランジスタＳＸ１、ＳＸ２は、タイミングコントローラ２０から出力された制御信号ＳＥＬに応答して、各ドライブトランジスタＤＸ１、ＤＸ２によってバッファリングされた信号を各カラム（ｃｏｌｕｍｎ）ラインに出力することができる。

図１を再び参照すると、タイミングコントローラ２０の制御のもと、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１８は、各距離ピクセル１６から出力された信号にＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）動作とＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ）動作とを行って、各デジタル（ｄｉｇｉｔａｌ）信号を出力することができる。

メモリ２４は、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１８から出力された各デジタル信号を受信して保存することができる。メモリ２４に保存された各デジタル信号は、カラムデコーダ（図示せず）によってイメージ（ｉｍａｇｅ）信号プロセッサ１５０に出力される。

図４Ａは、本発明の実施形態に係るセンサーの第２区間の長さによって積分区間内に含まれたパケットの数と第１フローティング拡散領域の出力信号に対するアナログ−デジタル変換動作結果との関係を示すグラフである。

図４Ａで、Ｘ−軸は、パケットの数を示し、Ｙ−軸は、ピクセルＡから出力されたデジタル信号ＡＤＣ ｏｕｔのビット（ｂｉｔ）数を示す。「ｐｉｘｅｌ Ａ ｏｆｆ ｔｉｍｅ」は、ピクセルＡの第２区間の長さを示す。

図４Ｂは、本発明の実施形態に係るセンサーの第２区間の長さとフローティング拡散領域の出力信号に対するアナログ−デジタル変換動作結果との関係の第１区間の長さ依存性を示すグラフである。図４Ｂで、Ｘ−軸は、第２区間Ｔ２の時間を表わし、Ｙ−軸は、ピクセルＡまたはピクセルＢから出力されるデジタル信号ＡＤＣ ｏｕｔのビット数を表わす。「ｐｉｘｅｌ Ａ，ｏｎ ｔｉｍｅ」は、ピクセルＡの第１区間の長さを示し、「ｐｉｘｅｌ Ｂ，ｏｎ ｔｉｍｅ」は、ピクセルＢの第１区間の長さを示す。

図２Ｃ、図４Ａ、及び図４Ｂを参照すると、復調周波数が１６ＭＨｚであり、図２Ｃの積分区間が１０ｍｓｅｃであるとき、積分区間に含まれたパケットの数が大きいほど、そして、パケットのそれぞれの第２区間Ｔ２が長いほどピクセルＡまたはピクセルＢから出力される各デジタル信号ＡＤＣ ｏｕｔのビット数が増加するということが分かる。すなわち、第２区間Ｔ２が長いほど電子の伝送効率が増加するので、復調効率も増加する。

変調された赤外線光信号ＥＬの位相と第１オシレーション信号Ｐａの位相との差が０であり、第１オシレーション信号Ｐａの位相と第２オシレーション信号Ｐｂの位相との差が１８０°であり、第１フローティング拡散領域ＦＤ１、第２フローティング拡散領域ＦＤ２からそれぞれ出力される各出力信号をｓｉｇＡとｓｉｇＢとする場合、復調対比値（Ｄ．Ｃ．）は、数式２の通りである。

復調対比値（Ｄ．Ｃ．）は、ＴＯＦ方式のセンサーで測定された距離の正確度を表わす尺度である。復調対比値（Ｄ．Ｃ．）が高いほど正確度は大きくなる。すなわち、ｓｉｇＡとｓｉｇＢとの差が大きくなるほど測定された距離の正確度はさらに大きくなる。

図５Ａは、本発明の実施形態に係るセンサーにおいて、第２区間の長さと図２Ａに示された距離ピクセルの出力信号の和との関係を示し、図５Ｂは、本発明の実施形態に係るセンサーにおいて、第２区間の長さと図２Ａに示された距離ピクセルの出力信号の差との関係を示し、図５Ｃは、本発明の実施形態に係るセンサーの第２区間の長さと図２Ａに示された距離ピクセルの復調対比値との関係を示すグラフである。

図５Ａに示されるように、ｓｉｇＡ＋ｓｉｇＢは、図２Ｃの第２区間Ｔ２が増加するほど増加する。図５Ｂに示されるように、ｓｉｇＡ−ｓｉｇＢは、図２Ｃの第２区間Ｔ２が増加するほど増加する。図５Ｃに示されるように、数式２による復調対比値（Ｄ．Ｃ．）は、第２区間Ｔ２が増加するほど増加する。

本発明の実施形態に係るセンサー１０とセンサー１０の動作方法は、第１区間Ｔ１の間に伝送していない多数の残余光電子を伝送するための第２区間Ｔ２を別途に設定しているので、光電子の伝送効率を増加させ、これにより、復調効率を増加させることができる。

図６は、本発明の他の実施形態に係る、距離ピクセルを含むイメージセンサー（ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ）を示すブロック図である。

図６に示されたイメージセンサー１００は、距離ピクセルを用いて距離情報を測定する機能と、各カラーピクセル（ｃｏｌｏｒ ｐｉｘｅｌ）（例えば、レッドカラーピクセル（ｒｅｄ ｃｏｌｏｒ ｐｉｘｅｌ）、グリーンカラーピクセル（ｇｒｅｅｎ ｃｏｌｏｒ ｐｉｘｅｌ）、及びブルーカラーピクセル（ｂｌｕｅ ｃｏｌｏｒ ｐｉｘｅｌ））を用いて、各カラー（ｃｏｌｏｒ）情報（例えば、レッドカラー（ｒｅｄ ｃｏｌｏｒ）情報、グリーンカラー（ｇｒｅｅｎ ｃｏｌｏｒ）情報、及びブルーカラー（ｂｌｕｅ ｃｏｌｏｒ）情報）を測定する機能とを結合して、距離情報とともに各カラー情報を得られるイメージセンサーである。

イメージセンサー１００は、光源１２、タイミングコントローラ２０、ピクセルアレイ（ｐｉｘｅｌ ａｒｒａｙ）１１０、ローデコーダ２２、カラムデコーダ１２４、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１３０、及びイメージ信号プロセッサ（ｉｍａｇｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１５０を含む。カラムデコーダ１２４は、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１３０とイメージ信号プロセッサ１５０との間に配置されることもある。

光源１２は、タイミングコントローラ２０の制御下で変調された赤外線光信号を生成することができる。

図２Ｃと図６とを参照すると、光源１２０は、タイミングコントローラ２０から出力された制御信号ＥＮに応答して複数のパケットＰ〜ＮＰのそれぞれの第１積分区間Ｔ１の間には、イネーブルされ、複数のパケットＰ〜ＮＰのそれぞれの第２積分区間Ｔ２の間には、ディセーブルされ得る。

ピクセルアレイ１１０は、複数のピクセルを含む。前記複数のピクセルは、それぞれ距離ピクセル、レッドピクセル（ｒｅｄ ｐｉｘｅｌ）、グリーンピクセル（ｇｒｅｅｎ ｐｉｘｅｌ）、ブルーピクセル（ｂｌｕｅ ｐｉｘｅｌ）、マゼンタピクセル（ｍａｇｅｎｔａ ｐｉｘｅｌ）、シアンピクセル（ｃｙａｎ ｐｉｘｅｌ）、またはイエローピクセル（ｙｅｌｌｏｗ ｐｉｘｅｌ）として具現可能である。

ピクセルアレイ１１０に具現された距離ピクセルの構造と動作は、図２Ａ、図２Ｃ、及び図３を参照して説明した距離ピクセルの構造と動作と実質的に同一である。

ローデコーダ２２は、タイミングコントローラ２０から出力された制御信号に応答して、ピクセルアレイ１１０において設けられたれた複数のロー（ｒｏｗ）のうちの何れか一つのローを選択することができる。前記複数のローのそれぞれには、複数のピクセルが配列されうる。

カラムデコーダ１２４は、タイミングコントローラ２０から出力された制御信号に応答して、ピクセルアレイ１１０において設けられた複数のカラムライン（ｃｏｌｕｍｎ ｌｉｎｅ）のうちの少なくとも一つのカラムラインを選択することができる。

ピクセルアレイ１１０に具現された複数のピクセルのうちの何れか一つのピクセルは、ローデコーダ２２とカラムデコーダ１２４とによって選択され得る。したがって、選択された何れか一つのピクセルによって生成された信号（例えば、距離情報または各カラー情報）は、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１３０に伝送することができる。

ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１３０は、ピクセルアレイ１１０またはカラムデコーダ１２４から出力された信号（例えば、距離情報または各カラー情報）をデジタル信号に変換することができる。例えば、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１３０は、ピクセルアレイ１１０から出力された信号（例えば、距離情報または各カラー情報）に対してＣＤＳ動作を行ってＣＤＳ信号を生成し、生成されたＣＤＳ信号にＡＤＣ動作を行ってデジタル信号を生成することができる。

イメージ信号プロセッサ１５０は、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１３０またはカラムデコーダ１２４から出力されたデジタル信号からデジタルピクセル信号（例えば、距離情報または各カラー情報）を検出することができる。

ピクセルアレイ１１０は、レッドピクセル、グリーンピクセル、ブルーピクセル、及び赤外線領域の波長を検出することができる距離ピクセルを含み得る。距離ピクセルは、２タップ（ｔａｐ）ピクセル構造を有する距離ピクセルまたは１タップピクセル構造を有する距離ピクセルであり得る。

レッドピクセルは、可視光領域のうちレッド領域に属する波長に相応するレッドピクセル信号を生成し、グリーンピクセルは、可視光領域のうちグリーン領域に属する波長に相応するグリーンピクセル信号を生成し、ブルーピクセルは、可視光領域のうちブルー領域に属する波長に相応するブルーピクセル信号を生成する。距離ピクセルは、赤外線領域に属する波長に相応する距離ピクセル信号を生成することができる。

図７は、図６に示されたイメージセンサーを含むデータ処理システムを示すブロック図である。図７を参照すると、データ処理システム２００は、イメージセンサー１００とプロセッサ２１０とを含み得る。

プロセッサ２１０は、イメージセンサー１００の動作、例えば、タイミングコントローラ２０の動作を制御することができる。プロセッサ２１０は、イメージセンサー１００の動作を制御するためのプログラム（ｐｒｏｇｒａｍ）を保存することができる。プロセッサ２１０は、イメージセンサー１００の動作を制御するためのプログラムが保存されたメモリ（図示せず）にアクセス（ａｃｃｅｓｓ）して、前記メモリに保存された前記プログラムを実行させるようにしてもよい。

イメージセンサー１００は、プロセッサ２１０の制御のもとで各デジタルピクセル信号（例えば、カラー情報または距離情報）に基づいて３次元イメージ情報を生成することができる。生成された３次元イメージ情報は、インターフェース（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２３０に接続されたディスプレイ（ｄｉｓｐｌａｙ）（図示せず）を通じてディスプレイされ得る。

イメージセンサー１００によって生成されたイメージ情報は、プロセッサ２１０の制御のもとでバス（ｂｕｓ）２０１を通じてメモリ装置２２０に保存することができる。メモリ装置２２０は、不揮発性メモリ装置で構成することができる。

インターフェース２３０は、イメージ情報を入出力するためのインターフェースである。インターフェース２３０は、キーボード（ｋｅｙ ｂｏａｒｄ）、マウス（ｍｏｕｓｅ）、またはタッチパッド（ｔｏｕｃｈ ｐａｄ）のような入力装置及びディスプレイまたはプリンター（ｐｒｉｎｔｅｒ）のような出力装置により構成することができる。

図８は、図１に示されたセンサーを含むデータ処理システムを示すブロック図である。

図８を参照すると、イメージ処理システム３００は、距離センサー１０、複数のカラーピクセルを含むカラーイメージセンサー３１０、及びプロセッサ２１０を含みうる。

図８には、説明の便宜上、物理的に互いに分離された距離センサー１０とカラーイメージセンサー３１０とを図示するが、距離センサー１０とカラーイメージセンサー３１０は、互いに物理的に重複される信号処理回路を含み得る。

ここで、カラーイメージセンサー３１０は、距離ピクセルを含まず、レッドピクセル、グリーンピクセル、及びブルーピクセルを含むピクセルアレイを含むイメージセンサーを意味する。したがって、プロセッサ２１０は、距離センサー１０によって検出された距離情報と、カラーイメージセンサー３１０によって検出された各カラー情報（例えば、レッド情報、グリーン情報、ブルー情報、マゼンタ情報、シアン情報、またはイエロー情報のうちの少なくとも一つ）に基づいて３次元イメージ情報を生成し、生成された３次元イメージ情報をディスプレイを通じて表示することができる。プロセッサ２１０によって生成された３次元イメージ情報は、バス３０１を通じてメモリ装置２２０に保存することができる。

図７または図８に示されたイメージ処理システム２００、３００は、３次元距離測定器、ゲームコントローラ（ｇａｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、カメラ（ｃａｍｅｒａ）、またはジェスチャ感知装置（ｇｅｓｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ）に使用される。

図９は、図１に示されたセンサーを含むデータ処理システムを示すブロック図である。

図９を参照すると、単純距離測定センサーとしてのみ動作することができるデータ処理システム４００は、距離センサー１０と距離センサー１０の動作を制御するためのプロセッサ２１０とを含む。

プロセッサ２１０は、距離センサー１０から出力された距離情報に基づいて信号処理システム４００と被写体（または、ターゲット物体）との距離情報または距離情報を計算することができる。プロセッサ２１０によって測定された距離情報または距離情報は、バス４０１を通じてメモリ装置２２０に保存することができる。

このように、本発明の実施形態に係るセンサー、センサーの動作方法、及びセンサーを含むデータ処理システムによれば、センサーで行われる復調過程で発生する熱拡散による光電子の損失を補償して距離情報を正確に測定することができる。また、熱拡散によって減少する光電子の伝送速度を補償することができるので、復調周期内で発生した光電子をフローティング拡散領域に迅速に伝送して復調効率を増加させることができる。 以上、本発明を、図面に示された実施形態を参照して説明したが、これらの実施形態は例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これらから多様な変形及び均等な他の実施形態により本発明を実施することが可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されるべきである。

１０ センサー、
１２ 赤外線光源、
１６ 距離ピクセル、
２０ タイミングコントローラ、
１８ ＣＤＳ／ＡＤＣ回路、
２４ メモリ、
１００ イメージセンサー、
１１０ ピクセルアレイ、
１２０ 光源、
１２４ カラムデコーダ。

Claims (9)

1. 第１区間と第２区間とをそれぞれ有する複数のパケットの各第１区間において、光源から出力された変調された光信号を復調するために、相異なる位相を有する複数のオシレーション信号のそれぞれを複数のフォトゲートのそれぞれに供給することにより各フォトゲートの下部に生成された光電荷をフローティング・ディフュージョン・ノードに伝送する段階と、
   前記複数のパケットの各第２区間において、前記光源をディセーブルさせ、ＤＣ電圧を前記複数のフォトゲートのそれぞれに供給することにより前記光電荷のうちから残留する光電荷を前記フローティング・ディフュージョン・ノードに伝送する段階と、
   を含むことを特徴とするセンサーの動作方法。
2. 前記複数のオシレーション信号の位相差は、１８０°であり、
   前記変調された光信号の位相と前記複数のオシレーション信号のうちの何れか一つの信号の位相との位相差は、０°、９０°、１８０°、または２７０°であることを特徴とする請求項１に記載のセンサーの動作方法。
3. 前記オシレーション信号は、第１レベルと第２レベルとの間でオシレーションされ、
   前記ＤＣ電圧は、前記第１レベルと同じか前記第１レベルより高く、かつ前記第２レベルより低いことを特徴とする請求項１に記載のセンサーの動作方法。
4. 変調された光信号を生成するための光源と、
   フォトゲートをそれぞれ含む複数の感知回路と、
   前記光源と前記複数の感知回路との動作を制御するためのコントローラと、を含み、
   前記コントローラは、第１区間と第２区間とをそれぞれ有する複数のパケットの各第１区間において前記光源をイネーブルさせ、前記光源から出力された前記変調された光信号を復調するために、相異なる位相を有する複数のオシレーション信号のそれぞれを前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給することにより各フォトゲートの下部に生成された光電荷をフローティング・ディフュージョン・ノードに伝送し、前記複数のパケットのそれぞれの前記第２区間において前記光源をディセーブルさせ、ＤＣ電圧を前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給することにより前記光電荷のうちから残留する光電荷を前記フローティング・ディフュージョン・ノードに伝送することを特徴とするセンサー。
5. 前記複数のオシレーション信号のそれぞれは、第１レベルと第２レベルとの間でオシレーションされ、
   前記ＤＣ電圧は、前記第１レベルと同じか前記第１レベルより高く、かつ前記第２レベルより低いことを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
6. 前記第２レベルが、前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給されたときに前記フォトゲートの下部に位置する半導体基板の内部に形成された空乏層は、前記第１レベルが、前記複数の感知回路のそれぞれに具現された前記フォトゲートに供給されたときに前記半導体基板の内部に形成された空乏層より大きいことを特徴とする請求項５に記載のセンサー。
7. 変調された光信号を生成するための光源と、フォトゲートをそれぞれ含む複数の感知回路と、前記光源と前記複数の感知回路との動作を制御するためのコントローラと、を有するセンサーと、
   前記センサーに含まれた前記コントローラの動作を制御するためのプロセッサと、を含み、
   前記コントローラは、第１区間と第２区間とをそれぞれ有する複数のパケットの各第１区間において前記光源をイネーブルさせ、前記光源から出力された前記変調された光信号を復調するために相異なる位相を有する複数のオシレーション信号のそれぞれを前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給することにより各フォトゲートの下部に生成された光電荷をフローティング・ディフュージョン・ノードに伝送し、前記複数のパケットのそれぞれの前記第２区間の間に前記光源をディセーブルさせ、ＤＣ電圧を前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給することにより前記光電荷のうちから残留する光電荷を前記フローティング・ディフュージョン・ノードに伝送する、ことを特徴とするデータ処理システム。
8. 前記コントローラは、第１レベルと第２レベルとの間でそれぞれオシレーションする前記複数のオシレーション信号を生成し、
   前記ＤＣ電圧は、前記第１レベルと同じか前記第１レベルより高く、かつ前記第２レベルより低く、
   前記第２レベルが前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給されたときに前記フォトゲートの下部に位置する半導体基板の内部に形成される空乏層は、前記第１レベルが前記複数の感知回路のそれぞれが有する前記フォトゲートに供給されたときに前記半導体基板の内部に形成される空乏層より大きいことを特徴とする請求項７に記載のデータ処理システム。
9. 前記複数の感知回路は、
   半導体基板内に形成されたフローティング拡散領域と、
   前記フォトゲートの下部に位置する前記半導体基板内で生成された光信号を前記フローティング拡散領域に伝送するための伝送ゲートと、をそれぞれ含み、
   前記コントローラは、前記第１区間の間と前記第２区間の間に、前記伝送ゲートをターンオンさせるための電圧を前記伝送ゲートに供給することを特徴とする請求項７または８に記載のデータ処理システム。