KR101434916B1 - 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법 - Google Patents

3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법 Download PDF

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Abstract

빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터와, 기생 커패시터가 포함되어 상기 게이트 트랜지스터를 통해 이송된 전자가 누적되며 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨을 전달하는 누적 트랜지스터와, 상기 게이트 트랜지스터가 광신호의 일정 위상을 기준으로 복수 번 작동되어 상기 기생 커패시터에 전자가 누적되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법 { Image Sensor for getting 3-D Image Information and Matching Method of 2-D Image and 3-D Image Information. }
본 발명은 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정 위상의 광신호를 복수 번 누적하여 출력하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서(Image Sensor)는 디지털 카메라에 사용되며 각 화소에서 수신한 광량을 전자신호로 변환하여 하나의 영상을 생성할 수 있는 아날로그 필름과 같은 역할을 한다. 이미지센서는 빛을 검출하여 전하를 발생시키는 광다이오드가 복수 개 배열되어 있는 형태를 가진다.
종래의 거리 측정 카메라의 거리 측정 방식 중 하나는 빛을 쏘아서 측정 대상에 반사되어 돌아오는 시간, 정확히 말하면 송신된 빛과 수신된 빛의 위상 차이를 측정하여 거리를 계산하는 방식이다.
한편 측정 카메라와 측정 대상과의 거리가 가까울수록 송신되는 빛의 파장은 짧아야 하고 전자적인 셔터 작동 시간도 짧아야 한다. 그러나 셔터 작동 시간이 짧을수록 수신되는 광량이 부족하여 원하는 밝기의 영상을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
또한 종래의 거리 측정 카메라는 비용 문제로 인한 낮은 해상도와 소프트웨어를 통해 단순하게 처리되는 색 구성으로 인해 입체 영상의 현실성이 떨어지는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 일정 위상을 기준으로 짧은 파장의 광신호로도 원하는 밝기의 영상을 얻을 수 있는 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고화질의 3차원 영상을 구현할 수 있는 이미지센서를 이용하여 위상별로 반사 광신호를 연속 수신하는 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서는 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터와, 기생 커패시터가 포함되어 상기 게이트 트랜지스터를 통해 이송된 전자가 누적되며 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨을 전달하는 누적 트랜지스터와, 상기 게이트 트랜지스터가 광신호의 일정 위상을 기준으로 복수 번 작동되어 상기 기생 커패시터에 전자가 누적되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 상기 제어부는 상기 게이트 트랜지스터의 작동을 이용하여 복수 개의 광신호가 각각 서로 다른 위상을 기준으로 수신되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 3차원 영상 정보를 얻기 위한 상기 이미지센서는 상기 포토다이오드에 축적된 전자를 제거하는 리셋 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 3차원 영상 정보를 얻기 위한 상기 이미지센서는 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 화소 Row별로 출력되기 위한 제 1 출력 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 3차원 영상 정보를 얻기 위한 상기 이미지센서는 복수 개의 화소에 각각 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 선택적으로 출력되기 위한 제 2 출력 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 상기 리셋 트랜지스터는 상기 게이트 트랜지스터가 복수 번 작동되어 누적된 전자가 출력된 다음 리셋 작동을 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 상기 리셋 트랜지스터는 상기 게이트 트랜지스터와 반주기 차이로 작동하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법은 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드를 이용하여 2차원 영상을 촬영하는 단계와, 상기 포토다이오드에서 광신호의 일정 위상을 기준으로 축적된 전자가 복수 번 이송되면 기생 커패시터에 누적하는 누적 트랜지스터를 이용하여 각 화소별 3차원 영상 정보를 얻는 단계와, 상기 2차원 영상과 3차원 영상 정보를 각 화소 단위로 정합하는 단계, 상기 2차원 영상에 3차원 영상 정보가 더해져 입체 영상을 구현하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법의 상기 2차원 영상을 촬영하는 단계는 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터와, 상기 게이트 트랜지스터의 작동 시간을 조절하여 측정 대상의 밝기에 따른 노광 시간을 제어하는 제어부를 이용하여 2차원 영상을 촬영하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법의 상기 3차원 영상 정보를 얻는 단계는 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터와, 기생 커패시터가 포함되어 상기 게이트 트랜지스터를 통해 이송된 전자가 누적되며 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨을 전달하는 누적 트랜지스터와, 상기 게이트 트랜지스터가 광신호의 일정 위상을 기준으로 복수 번 작동되어 상기 기생 커패시터에 전자가 누적되도록 제어하는 제어부를 이용하여 3차원 영상 정보를 얻는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법에 의하면 짧은 파장의 광신호가 수신되어도 원하는 밝기의 영상을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법에 의하면 고화질의 3차원 영상을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 제 1 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도.
도 2는 제 2 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상에 따른 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터의 작동을 도시한 파형도.
도 4는 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 송신 광신호와 수신 광신호의 위상 차이별 전자량을 도시한 파형도.
도 5는 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도.
도 6은 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 롤링 셔터 입력 신호를 간략하게 도시한 간략도.
도 7은 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상 0도를 기준으로 롤링 셔터 작동을 도시한 파형도.
도 8은 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상 90도를 기준으로 롤링 셔터 작동을 도시한 파형도.
도 9는 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상 1800도를 기준으로 롤링 셔터 작동을 도시한 파형도.
도 10은 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상 270도를 기준으로 롤링 셔터 작동을 도시한 파형도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정 위상의 광신호를 누적하여 출력하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서 및 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 제 1 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도이고, 도 2는 제 2 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도이며, 도 3은 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상에 따른 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터의 작동을 도시한 파형도이고, 도 4는 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 송신 광신호와 수신 광신호의 위상 차이별 전자량을 도시한 파형도이며, 도 5는 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도이고, 도 6은 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 롤링 셔터 입력 신호를 간략하게 도시한 간략도이며, 도 7은 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상 0도를 기준으로 롤링 셔터 작동을 도시한 파형도이고, 도 8은 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상 90도를 기준으로 롤링 셔터 작동을 도시한 파형도이며, 도 9는 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상 1800도를 기준으로 롤링 셔터 작동을 도시한 파형도이고, 도 10은 제 3 실시예로서 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 위상 270도를 기준으로 롤링 셔터 작동을 도시한 파형도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서는 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드(101)와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터(102)와, 기생 커패시터(103)가 포함되어 상기 게이트 트랜지스터를 통해 이송된 전자가 누적되며 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨을 전달하는 누적 트랜지스터(105)와, 상기 게이트 트랜지스터가 광신호의 일정 위상을 기준으로 복수 번 작동되어 상기 기생 커패시터에 전자가 누적되도록 제어하는 제어부(107)를 포함한다.
포토다이오드는 광신호에 따른 전자가 축적되기 위하여 Pinned 포토다이오드가 사용되는 것이 바람직할 것이다. Pinned 포토다이오드는 일반적으로 이미지센서에 사용되는 Photodetector(광신호 검출기)로서 Quantum Efficiency(양자 효율)이 높고 Dark Current(암전류)가 낮으며 완전한 공핍이 가능한 소자이다. 양자 효율은 광 검출기에 입사된 양자에 대비해 발생된 양자의 비, 즉 포토다이오드에 입사된 광자가 전기적 에너지로 변환되는 비율(효율)을 의미하며 암전류는 빛이 조사되지 않았는데도 흐르는 전류를 말하며 불량 값을 나타낸다.
본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서는 상기 포토다이오드(101)에 축적된 전자를 제거하는 리셋 트랜지스터(104)를 더 포함한다.
또한 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 상기 이미지센서는 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 화소 Row별로 출력되기 위한 제 1 출력 트랜지스터(106)를 더 포함한다.
도 1은 제 1 실시예로서 가장 많이 사용되는 4-Transistor(트랜지스터) 이미지 센서의 회로 구성을 도시하고 있으며 트랜지스터의 개수는 한정되지 않는다. 또한 화소별 기본적인 작동은 '광신호 수신→동일 위상 누적→출력'을 반복한다.
제어부(107)는 우선 도 1에 도시된 SEL 선에 신호를 인가하여 상기 SEL 선에 게이트 단자가 결합되는 제 1 출력 트랜지스터를 ON 작동시킨다. 이로써 전체 화소 중에 하나의 Row(행)이 선택된다.
또한 RS와 TG 선을 통해 상기 리셋 트랜지스터(104)와 게이트 트랜지스터(102)를 작동시킨다. 이로 인해 이전 작동에 의해 상기 포토다이오드(101)와 기생 커패시터(103)에 남아있던 전자들이 리셋된다. 리셋된 상태에서 기생 커패시터(103)에 의해 출력되는 기준 전압 레벨을 읽어낸다.
제어부가 상기 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터의 작동을 OFF시키면 수신되는 광신호로 인해 상기 포토다이오드에 전자가 축적된다.
상기 게이트 트랜지스터는 광신호의 주기에 맞춰 작동되며 게이트 트랜지스터가 작동되면 상기 포토다이오드에 축적된 전자가 기생 커패시터 노드로 확산된다. 상기 제어부는 상기 게이트 트랜지스터가 광신호의 일정 위상을 기준으로 복수 번 작동되어 상기 기생 커패시터에 전자가 누적되도록 제어하며 이후에 상기 누적된 전자 량에 따른 전압 레벨을 읽어낸다.
상기 기준 전압 레벨에서 상기 누적된 전자 량에 따른 전압 레벨을 빼면 광신호의 동일 위상에 의해 반복 누적된 순수 전압 레벨을 얻을 수 있다. 이것을 Correlated Double Sampling이라고 한다.
상기 제어부가 제 1 출력 트랜지스터의 작동을 OFF하여 전압 레벨이 출력되는 OUT 선으로부터 화소 Row를 분리시킨다.
또한 본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 상기 제어부(107)는 상기 게이트 트랜지스터(102)의 작동을 이용하여 복수 개의 광신호가 각각 서로 다른 위상을 기준으로 수신되도록 제어한다.
상기에서 설명한 일련의 과정은 하나의 광신호 위상을 기준으로 반복 작동되는 것이므로 제 2 위상, 제 3 위상 등 복수 개의 광신호에서 서로 다른 위상을 기준으로 전자를 축적시켜 출력하는 작동을 반복하여야 한다. 서로 다른 위상을 기준으로 누적된 전자량에 따른 출력을 비교하여 송신 광신호와 수신 광신호 사이의 시간차이를 알 수 있다. 이에 따라 송신 광신호는 누적하고자 하는 위상의 개수와 동일하게 복수 번 송신되어야 하며 상기 제어부는 상기 송신 광신호와 동기를 맞추어 복수 개의 트랜지스터가 작동되도록 제어해야 한다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 4-Transistor(트랜지스터) 회로 구성으로서 도 1의 제 1 실시예에 따른 회로의 작동과 같이 상기 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터가 반주기로 반복 작동되면 상기 포토다이오드가 리셋될 뿐만 아니라 상기 누적 트랜지스터의 기생 커패시터(103)에 누적된 전자도 리셋되어 광신호에 따른 전자가 반복적으로 누적될 수 없다.
본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 상기 리셋 트랜지스터(104)는 상기 게이트 트랜지스터(102)가 복수 번 작동되어 누적된 전자가 출력된 다음 리셋 작동한다.
이에 따라 상기 리셋 트랜지스터는 처음에 기본적인 리셋 작동만 진행한 후 상기 게이트 트랜지스터가 반복 작동되어 상기 기생 커패시터에 누적된 전자가 출력되고 나면 다시 리셋 트랜지스터가 작동되어 남아있는 전자를 리셋시키도록 작동된다.
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2차원 영상을 얻기 위해서는 상기 게이트 트랜지스터가 광신호와 동기를 맞추어 반복 작동되지 않고 일반적인 촬영 작동과 동일하게 작동된다. 일반적인 2차원 영상을 얻는 경우에는 상기 기생 커패시터에 전자가 반복하여 누적될 필요가 없다. 또한 측정 대상의 밝기에 따라 상기 게이트 트랜지스터의 작동 시간이 조정되어 노광시간이 제어될 수 있다.
또한 2차원 영상을 얻기 위해서는 3차원 영상 정보를 획득하기 위한 광신호의 송수신도 요구되지 않는다. 주변 광량에 따른 플래쉬나 조리개 등의 작동으로 고화질의 2차원 영상이 얻어질 수도 있다.
2차원 영상을 얻기 위한 각 소자의 작동 순서는 초기 리셋을 위한 상기 게이트 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터의 작동, 상기 게이트 트랜지스터와 리셋 트랜지스터의 작동 OFF로 상기 포토다이오드에 광량에 따른 전자의 축적, 상기 축적된 전자가 이송되기 위해 상기 게이트 트랜지스터의 작동, 그리고 출력 순이다.
도 3은 송신 광신호(도 3의 LED)의 위상 0도, 90도, 180도, 270도를 기준으로 수신되는 광량 및 상기 리셋 트랜지스터(도 3의 RS)와 게이트 트랜지스터(TG)의 작동 신호를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서의 상기 리셋 트랜지스터(104)는 상기 게이트 트랜지스터(102)와 반주기 차이로 번갈아서 작동된다.
상기 리셋 트랜지스터는 상기 포토다이오드에 불필요하게 축적되는 전자를 리셋시키고 원하는 위상에서의 광신호만 수신될 수 있는 역할을 한다. 이때 도3에 도시된 바와 같이 리셋 트랜지스터의 펄스폭(width)은 게이트 트랜지스터의 펄스폭(width)보다 좁게 함으로써 원하는 위상에 도달하기 직전까지 상기 포토다이오드에 불필요한 전자가 축적되지 않도록 리셋하며, 게이트 트랜지스터는 원하는 위상에서만 게이트를 열고 닫아 유효한 전자를 누적시키는 것이 바람직하다. 또한 게이트 트랜지스터는 원하는 위상에서 게이트를 열어 상기 포토다이오드에 축적된 전자가 상기 기생 커패시터로 이적되도록 하는 역할을 한다.
이와 같이 상기 리셋 트랜지스터는 원하는 위상에 도달하기 직전까지 상기 포토다이오드에 불필요한 전자가 축적되지 않도록 하고 상기 게이트 트랜지스터는 원하는 위상에서만 게이트를 열고 닫아 유효한 전자를 누적시키므로 서로 반주기를 가지는 것이 바람직할 것이다.
광신호의 일정 위상을 기준으로 상기 작동을 복수 번 반복하여 해당 위상의 누적 전자를 상기 누적 트랜지스터의 기생 커패시터에 모은다. 반복 횟수가 커질수록 광량으로 인해 누적되는 전자량에 의해 영상은 밝게 촬영될 것이며 송신 광신호와 수신 광신호의 위상 차이가 작더라도 누적되는 만큼 전자 량의 차이도 커질 것이다.
광신호 누적 횟수는 광신호의 파장이 짧을수록 많아지며 사용자는 3차원 영상 정보를 얻기 전에 측정 대상과의 거리를 어림잡아 미리 설정하거나 중간 값으로 설정된 테스트 광신호를 송신하여 자동으로 파장의 길이 및 누적 횟수가 설정될 수도 있다.
도 3의 위상 0도, 90도, 180도, 270도는 임의로 지정한 기준 위상이며 네 개의 기준 위상에 따른 광량이 측정되기 위해서는 송신 광신호도 네 번 송신되어야 한다. 여러 번 측정될수록 위상차에 대한 신뢰도는 높아지지만 너무 많은 위상별 측정은 시간과 에너지의 낭비를 초래할 수 있다.
또한 도 3의 송신 광신호에 따른 RS 신호와 TG 신호는 도 1의 이미지센서 회로를 기준으로 하고 있다.
가장 먼저 RS와 TG의 ON은 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터가 작동되어 포토다이오드 및 기생 커패시터에 남아있는 전자가 리셋되도록 한다. 이후 리셋 트랜지스터가 작동 OFF되는 순간부터 포토다이오드에 전자가 축적되고 TG 신호로 인해 게이트 트랜지스터가 작동되어 상기 포토다이오드에 축적된 전자가 이송된다.
다시 TG 신호가 OFF되어 게이트 트랜지스터가 닫히면 반주기 차이로 RS 신호에 의해 리셋 트랜지스터가 작동되어 포토다이오드에 축적된 불필요한 전자를 리셋시킨다. 상기 설명한 일련의 작동은 수신되는 광신호 별로 다른 위상을 기준으로 반복하여 수행되어야 할 것이다.
이로써 하나의 광신호에 대해 각 위상별로 연속 측정하는 방식과 유사한 결과를 얻을 수 있지만 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있을 것이다.
도 4는 송신 광신호(LED)와 임의의 위상 차이를 가지는 수신 광신호(Reflected)의 축적된 광량의 차이를 도시하고 있다. 송신 광신호와 반사 광신호의 위상 차이는 이미지센서의 각 화소에서 출력되는 전압 레벨을 바탕으로 연산 될 수 있다.
하나의 위상을 기준으로 한 누적 광량의 차이는 위상의 차이를 정확하게 판단하기에 오차가 크므로 복수 개의 위상을 기준으로 위상 차이를 판단한다.
또한 송신 광신호와 수신 광신호의 위상 차이가 거의 없어 한 번의 광신호 수신에서는 광량의 차이가 뚜렷하지 않더라도 복수 번 누적되는 광량은 큰 차이를 가질 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 이미지센서는 매우 근소한 차이의 거리도 구분될 수 있어 매우 민감한 감도가 필요한 장치에 이용될 수 있다.
송신 광신호와 수신된 반사 광신호에 의해 포토다이오드에 축적된 전자량에 따른 출력 전압의 차이를 바탕으로 상기 송신 광신호와 반사 광신호의 위상 차이가 구해질 수 있다.
다음의 수학식 1을 참조하여 반사 광신호에 의해 축적된 광량을 이용하여 위상의 차이를 산출한다.
Figure 112014015774845-pat00001
제 1 반사 광신호의 크기(A1)와 제 3 반사 광신호의 크기(A3)의 차이를 분자, 제 2 반사 광신호의 크기(A2)와 제 4 반사 광신호의 크기(A4)의 차이를 분모로 하여 아크탄젠트를 취하면 위상 차이(θ)를 구할 수 있다.
이때 반사 광신호의 크기(A1~A4)는 펄스의 크기를 나타내는 0 또는 1 값을 가진다. 0 또는 1의 값은 도 4를 예를 들어서 기준 위상에 따라 광량이 누적되기 시작하는 위상의 광량 크기나 누적이 끝나는 순간의 광량 크기 또는 광량이 누적되는 위상의 가운데 값을 기준으로 정해질 수도 있다.
예를 들어 도 4의 송신 광신호(LED)에 따른 각 기준 위상의 광신호 크기는 라이징 펄스를 기준으로 각각 1, 1, 0, 0이고 수신 광신호(Reflected)에 따른 각 기준 위상의 광신호 크기는 각각 0, 1, 1, 0이다. 이로 인해 상기 수신 광신호가 상기 송신 광신호에 비해 기준 위상 이내의 위상 차이를 가진다는 것을 알 수 있다.
또한 도 4의 파형을 참고로 광신호가 ON일 때 온전히 노출된 광신호의 크기가 10이라고 가정하면 송신 광신호는 위상별 광신호의 크기가 각각 10, 5, 0, 5이고 수신 광신호는 각각 6, 9, 4, 1이다. 위상 0도와 위상 270도를 기준으로는 광신호의 크기가 송신 광신호에 비해 줄었고 위상 90도와 위상 180도를 기준으로는 광신호의 크기가 커졌다. 이로 인해 수신 광신호가 송신호 광신호 반파장의 4/10만큼 위상 차이를 가진다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법은 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드를 이용하여 2차원 영상을 촬영하는 단계와, 상기 포토다이오드에서 광신호의 일정 위상을 기준으로 축적된 전자가 복수 번 이송되면 기생 커패시터에 누적하는 누적 트랜지스터를 이용하여 각 화소별 3차원 영상 정보를 얻는 단계와, 상기 2차원 영상과 3차원 영상 정보를 각 화소 단위로 정합하는 단계, 상기 2차원 영상에 3차원 영상 정보가 더해져 입체 영상을 구현하는 단계로 구성된다.
2차원 영상을 촬영하는 단계와 광신호의 일정 위상을 기준으로 광량을 누적하는 3차원 영상 정보를 얻는 단계는 어느 것이 먼저 수행되어도 관계없다. 다만 상기 2차원 영상과 3차원 영상 정보가 화소 단위로 정합되기 때문에 이미지 센서의 방향이나 측정 대상의 위치 등 어느 것 하나가 바뀌면 제대로 된 고화질의 3차원 영상을 얻을 수 없으므로 이미지센서와 측정 대상이 고정되어 있는 환경에서 진행되는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법의 상기 2차원 영상을 촬영하는 단계는 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터와, 상기 게이트 트랜지스터의 작동 시간을 조절하여 측정 대상의 밝기에 따른 노광 시간을 제어하는 제어부를 이용하여 2차원 영상을 촬영한다.
또한 본 발명의 2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법의 상기 3차원 영상 정보를 얻는 단계는 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터와, 기생 커패시터가 포함되어 상기 게이트 트랜지스터를 통해 이송된 전자가 누적되며 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨을 전달하는 누적 트랜지스터와, 상기 게이트 트랜지스터가 광신호의 일정 위상을 기준으로 복수 번 작동되어 상기 기생 커패시터에 전자가 누적되도록 제어하는 제어부를 이용하여 3차원 영상 정보를 얻는다.
종래의 3차원 영상을 얻기 위한 과정은 매우 복잡하였으나 본 발명에서는 2차원 영상의 각 화소별로 3차원 영상 정보를 정합할 수 있어 기존의 화질을 그대로 유지할 수 있다.
입체 영상이 구현되는데 있어서 상기 3차원 영상 정보를 바탕으로 3차원 워핑(3D Warping) 기법이 이용될 수 있다. 3차원 워핑은 깊이 정보와 내외부 파라미터가 이용되어 영상의 각 화소들에 대한 실제 좌표가 산출되고 다시 가상의 시점으로 재투영되어 임의의 자유로운 가상 시점에서의 영상이 생성되어 사용자에게 제공될 수 있다.
또한 3차원 워핑을 거치면서 원래 영상에 존재하지 않는 빈 영역, 즉 3차원 영상 정보가 할당되지 않은 영역이 발생될 수 있는데 이 영역은 인근의 유용한 화소들에 할당된 3차원 영상 정보를 참고로 적절한 정보를 추측하여 상기 빈 영역에 채워넣는 방법 등이 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 영상 정보를 얻기 위한 상기 이미지센서는 복수 개의 화소에 각각 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 선택적으로 출력되기 위한 제 2 출력 트랜지스터를 더 포함한다.
도 5는 제 3 실시예로서 5-트랜지스터 회로 구조를 가지는 이미지센서를 도시하고 있으며 도 1의 회로에 제 2 출력 트랜지스터가 더 포함된 구조를 가진다.
4-트랜지스터 구조를 갖는 CMOS 이미지센서는 CCD 이미지센서에 비해 화질이 떨어지는데 그 이유는 각 라인마다 별도로 존재하는 회로로 인한 회로간 불균형에 있다. 후 보정으로 어느 정도의 노이즈는 제거될 수 있지만 CCD 이미지센서의 화질에는 못 미치고 있다. 이것을 해소하기 위하여 5-트랜지스터 구조를 갖는 이미지센서가 이용될 수 있다.
5-트랜지스터 이미지센서는 상기 4-트랜지스터 이미지센서와 기능과 구조가 유사하나 화소 Row를 선택하는 상기 제 1 출력 트랜지스터에 더하여 해당 화소 Row의 Single 화소가 선택될 수 있는 구조이다. 이로 인해 화소별로 동작되고 누적 전자량에 따른 전압레벨이 출력되도록 제어할 수 있다.
처음에 상기 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터를 작동시켜 상기 포토다이오드와 기생 커패시터에 잔존하는 전자를 리셋시킨 뒤 SEL 신호를 ON 시켜 화소를 선택한다. 이후 TG 신호선에 펄스를 인가하여 추가된 제 2 출력 트랜지스터의 작동을 통해 상기 게이트 트랜지스터가 작동되도록 한다. 이에 따라 4-트랜지스터 회로 구조와 다르게 무작위 접근(Random Access)이 가능하다.
리셋된 후에 상기 제어부는 SEL 선에 신호를 인가하여 기준 전압 레벨이 출력되도록 한다. 상기 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터가 닫히면 상기 포토다이오드에 광신호에 따른 전자가 축적되고 상기 게이트 트랜지스터를 작동시켜 상기 축적된 전자가 확산되어 상기 기생 커패시터에 누적되도록 한다. 광신호의 기준 위상에 따라 상기 게이트 트랜지스터가 반복 작동되어 상기 기생 커패시터에 동일 위상을 기준으로 한 광량이 누적되도록 하며 상기 기생 커패시터에 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 OUT 선으로 출력되도록 한다. 같은 방식으로 다른 화소의 전압 레벨 출력을 읽어낸다.
도 6에 도시된 바와 같이 이미지센서의 전자 셔터 방식 중 롤링 셔터 방식에 의해 화소(Pixel)의 한 Row(행)에 인가되는 TG 신호 및 RS 신호를 도시하고 있다.
도 7, 도 8, 도 9, 도 10은 이미지센서의 전자 셔터 방식 중 롤링 셔터 방식의 위상 별 TG 신호와 RS 신호 인가 파형을 도시하고 있다. 상기 도면들은 임의의 위상 0도, 90도, 180도, 270도를 기준으로 한다. 기준 위상과 기준 위상의 개수는 한정되지 않는다. 또한 도 7, 도 8, 도 9, 도 10은 도 2의 제 2 실시예에 따른 이미지센서 구성 회로에 입력되는 신호 파형으로서 복수 번의 광량 누적이 진행되는 동안은 초기 입력을 제외하고 리셋 신호가 입력되지 않는다.
상기 리셋 트랜지스터가 작동되어 상기 포토다이오드에 전자가 축적되는 것을 막고 원하는 순간에만 상기 포토다이오드가 빛이 축적되도록 하여 누적된 전자를 읽어내는 작동을 전자 셔터라고 부른다. 카메라에 장착되는 물리적인 셔터는 평소에는 이미지센서나 필름에 빛이 조사되지 않도록 가리고 있다가 필요한 순간에만 열려서 빛에 노출되도록 하는 역할로서 상기 전자 셔터와 동일한 기능을 한다.
전자 셔터의 종류에는 한 수평 라인(Row) 별로 누적된 전자 량에 따른 전압 레벨이 출력되도록 하는 롤링 셔터 방식과 전체 화소에서 동시에 전압 레벨이 출력되도록 하는 글로벌 셔터 방식 등이 있으며 롤링 셔터 방식은 화소의 라인별로 RS신호와 TG신호가 다르게 인가되기는 하지만 모든 라인이 같은 위상을 기준으로 작동되는 것은 동일하다.
도 7의 위상 0도를 기준으로 인가되는 TG 신호와 RS 신호를 참고로 설명하면 RS 신호가 OFF되는 순간부터 포토다이오드에 전자가 축적되기 시작한다. 광신호(LED)의 반주기동안 상기 포토다이오드에 축적된 전자가 상기 기생 커패시터에 이송되도록 TG 신호가 입력된다. TG 신호와 RS 신호는 각각 게이트 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 작동시키는 역할을 한다.
도 7 내지 도 10에서 TG 신호는 네 번 반복되도록 도시되고 있으나 신호 인가 횟수는 자동 또는 수동으로 조절될 수 있다.
도 8은 위상 90도를 기준으로 인가되는 TG 신호와 RS 신호를 도시하며 상기 기생 커패시터에 전자가 누적되기 위하여 리셋 트랜지스터의 작동을 제어하는 RS 신호는 초기에 한번만 인가된다.
광신호(LED)의 반주기동안 상기 포토다이오드에 축적된 전자가 상기 기생 커패시터에 이송되도록 TG 신호가 입력된다. TG 신호와 RS 신호는 각각 게이트 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 작동시키는 역할을 한다.
도 9는 위상 180도를 기준으로 인가되는 TG 신호와 RS 신호를 도시하며, RS 신호가 OFF되는 순간부터 포토다이오드에 전자가 축적되기 시작한다. 광신호(LED)의 반주기동안 상기 포토다이오드에 축적된 전자가 상기 기생 커패시터에 이송되도록 TG 신호가 입력된다. TG 신호와 RS 신호는 각각 게이트 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 작동시키는 역할을 한다.
도 10은 위상 270도를 기준으로 인가되는 TG 신호와 RS 신호를 도시하며 상기 기생커패시터에 전자가 누적되기 위하여 리셋 트랜지스터의 작동을 제어하는 RS 신호는 초기에 한번만 인가된다.
광신호(LED)의 반주기동안 상기 포토다이오드에 축적된 전자가 상기 기생 커패시터에 이송되도록 TG 신호가 입력된다. TG 신호와 RS 신호는 각각 게이트 트랜지스터와 리셋 트랜지스터를 작동시키는 역할을 한다.
도 7 내지 도 10에서 TG 신호는 네 번 반복되도록 도시되고 있으나 신호 인가 횟수는 자동 또는 수동으로 조절될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은, 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.
101 : 포토다이오드
102 : 게이트 트랜지스터
103 : 기생 커패시터
104 : 리셋 트랜지스터
105 : 누적 트랜지스터
106 : 제 1 출력 트랜지스터
107 : 제어부
108 : 제 2 출력 트랜지스터

Claims (10)

  1. 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와;
    상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터와;
    기생 커패시터가 포함되어 상기 게이트 트랜지스터를 통해 이송된 전자가 누적되며 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨을 전달하는 누적 트랜지스터와;
    상기 게이트 트랜지스터가 광신호의 일정 위상을 기준으로 복수 번 작동되어 상기 기생 커패시터에 전자가 누적되도록 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 게이트 트랜지스터의 작동을 이용하여 복수 개의 광신호가 각각 서로 다른 위상을 기준으로 수신되도록 제어하며,
    상기 전자의 누적 횟수는 상기 광신호의 파장이 짧을수록 많아지며,
    상기 포토다이오드에 축적된 전자를 제거하는 리셋 트랜지스터를 포함하며,
    상기 리셋 트랜지스터는 상기 게이트 트랜지스터와 반주기 차이로 작동하며,
    상기 리셋 트랜지스터는 원하는 위상에 도달하기 직전까지 상기 포토다이오드에 불필요한 전자가 축적되지 않도록 리셋하며,
    상기 게이트 트랜지스터는 원하는 위상에서만 게이트를 열고 닫아 유효한 전자를 누적시키는 것을 특징으로 하는
    3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이미지센서는 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 화소 Row별로 출력되기 위한 제 1 출력 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 이미지센서는 복수 개의 화소에 각각 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 선택적으로 출력되기 위한 제 2 출력 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    3차원 영상 정보를 얻기 위한 이미지센서.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드를 이용하여 2차원 영상을 촬영하는 단계와;
    상기 포토다이오드에서 광신호의 일정 위상을 기준으로 축적된 전자가 복수 번 이송되면 기생 커패시터에 누적하는 누적 트랜지스터를 이용하여 각 화소별 3차원 영상 정보를 얻는 단계와;
    상기 2차원 영상과 3차원 영상 정보를 각 화소 단위로 정합하는 단계;
    상기 2차원 영상에 3차원 영상 정보가 더해져 입체 영상을 구현하는 단계;로 구성되며,
    상기 축적된 전자의 누적횟수는 상기 광신호의 파장이 짧을수록 많아지는 것을 특징으로 하는
    2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 2차원 영상을 촬영하는 단계는
    빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와,
    상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터와,
    상기 게이트 트랜지스터의 작동 시간을 조절하여 측정 대상의 밝기에 따른 노광 시간을 제어하는 제어부를 이용하여 2차원 영상을 촬영하는 것을 특징으로 하는
    2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 3차원 영상 정보를 얻는 단계는
    빛이 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와,
    상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터와,
    기생 커패시터가 포함되어 상기 게이트 트랜지스터를 통해 이송된 전자가 누적되며 상기 누적된 전자량에 따른 전압 레벨을 전달하는 누적 트랜지스터와,
    상기 게이트 트랜지스터가 광신호의 일정 위상을 기준으로 복수 번 작동되어 상기 기생 커패시터에 전자가 누적되도록 제어하는 제어부를 이용하여 3차원 영상 정보를 얻으며,
    상기 포토다이오드에 축적된 전자를 제거하는 리셋 트랜지스터를 포함하며,
    상기 리셋 트랜지스터는 상기 게이트 트랜지스터와 반주기 차이로 작동하며,
    상기 리셋 트랜지스터는 원하는 위상에 도달하기 직전까지 상기 포토다이오드에 불필요한 전자가 축적되지 않도록 리셋하며,
    상기 게이트 트랜지스터는 원하는 위상에서만 게이트를 열고 닫아 유효한 전자를 누적시키는 것을 특징으로 하는
    2차원 영상과 3차원 영상 정보의 정합 방법.
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