KR101461216B1 - 주변 광 제거를 위한 ｃｍｏｓ 센서의 픽셀 및 그 동작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조광을 이용하여 거리를 측정하기 위한 시스템에 이용되는 CMOS 센서의 픽셀 구조에 관한 것이다. 본 발명의 CMOS 센서의 픽셀은 빛을 전기적 신호로 출력하는 광 감지부; 출력된 전압을 수신하는 입력 트랜지스터; 입력 트랜지스터에 연결되며, 주변광으로 인하여 발생된 전하를 축적하는 제1 커패시터; 제1 커패시터에 축적된 전하를 유지하기 위하여 전류가 흐르지 않는 가상 접지 노드를 제공하는 증폭기; 레이저 광원이 오프되었을 때 증폭기의 출력 노드와 가상 접지 노드 사이에 제1 피드백 경로를 생성하는 제1 피드백 트랜지스터; 레이저 광원이 온 되었을 때, 증폭기의 출력 노드와 가상 접지 노드 사이에 제2 피드백 경로를 생성하는 제2 피드백 트랜지스터; 및 제2 피드백 경로에 위치하며, 레이저 광원이 오프일 때 입력 트랜지스터에 전달된 전압과 레이저 광원이 온 되었을 때 입력 트랜지스터에 전달된 전압과의 차분 전압에 대응하는 전하를 축적하는 제2 커패시터를 포함한다. 본 발명에 따르면, 강한 주변광이 존재할 경우에도 구조광에 의한 거리 측정을 정확하게 할 수 있다.

구조광, CMOS 센서, 커패시터, 거리 측정, 이동 로봇

Description

주변 광 제거를 위한 ＣＭＯＳ 센서의 픽셀 및 그 동작 방법{Pixel of CMOS sensor for cancelling ambient light and method thereof}

본 발명은 CMOS 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조광(structured light)를 이용하여 거리를 측정하기 위한 시스템에 이용되는 CMOS 센서의 픽셀 구조에 관한 것이다.

청소 로봇, 안내 로봇 등의 이동 로봇이 스스로 자신의 위치를 알아내고 주변 맵을 작성하는 것은 이동 로봇 제품화에 핵심적인 기술이다. 특히, 주변의 2차원 또는 3차원 거리 맵을 작성하는 것은 로봇이 이동 경로를 생성하고, 이동 도중에 예측하지 못한 장애물을 회피하는 데 필수적인 요소이다.

이를 위해, 시각 센서나 초음파 센서, 혹은 접촉 센서 등을 이용한 여러 가지 방법들이 적용되는데, 구조광(structured light)과 카메라를 이용하는 방법은 계산량이 적고 밝기의 변화가 심한 곳에서도 사용될 수 있는 효과적인 방법으로 알려져 있다.

본 발명은 구조 광을 이용한 거리 측정시에 햇빛에 의한 주변광을 제거하여 정확한 거리 측정을 위한 CMOS 센서의 픽셀을 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 픽셀은 빛을 전기적 신호로 출력하는 광 감지부; 출력된 신호를 수신하는 입력 트랜지스터; 입력 트랜지스터에 연결되며, 주변광으로 인하여 발생된 전하를 축적하는 제1 커패시터; 제1 커패시터에 축적된 전하를 유지하기 위하여 전류가 흐르지 않는 가상 접지 노드를 제공하는 증폭기; 레이저 광원이 오프되었을 때 증폭기의 출력 노드와 가상 접지 노드 사이에 제1 피드백 경로를 생성하는 제1 피드백 트랜지스터; 레이저 광원이 온 되었을 때, 증폭기의 출력 노드와 가상 접지 노드 사이에 제2 피드백 경로를 생성하는 제2 피드백 트랜지스터; 및 제2 피드백 경로에 위치하며, 레이저 광원이 오프일 때 입력 트랜지스터에 전달된 전압과 레이저 광원이 온 되었을 때 입력 트랜지스터에 전달된 전압과의 차분 전압에 대응하는 전하를 축적하는 제2 커패시터를 포함한다.

본 발명의 다른 양상에 따른 CMOS 센서의 픽셀 동작 방법은, 제2 커패시터에 축적된 전하를 비우는 리셋 동작을 수행하는 단계; 레이저 광원이 오프일 때, 입력 트랜지스터 및 제1 피드백 트랜지스터를 온 시키고, 입력 트랜지스터를 통해 전달되는 주변광으로 인하여 발생된 전하를 제1 커패시터에 축적하는 단계; 레이저 광원이 온일 때, 입력 트랜지스터 및 제2 피드백 트랜지스터를 온 시키고, 레이저 광원이 오프일 때 입력 트랜지스터에 전달된 전압과 레이저 광원이 온 되었을 때 입력 트랜지스터에 전달된 전압과의 차분 전압에 대응하는 전하를 제2 커패시터에 축 적하는 단계를 포함하고, 레이저 광원의 온 오프 횟수가 증가함에 따라 제2 커패시터에는 온 오프 횟수와 비례하여 차분 전압에 대응하는 전하가 누적된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 구조광을 이용한 거리 측정 원리를 나타내는 도면이다.

레이저와 같은 능동 광원(10)을 이용하여 빛을 장애물(30)에 비추고 카메라 센서(20)를 사용하여 장애물(30)에 반사한 영상 정보를 획득한다. 이때, 카메라 센서(20)는 광원(10)과 일정한 거리(d)를 유지하면서 광원(10) 위에 위치하며 영상 정보를 획득한다. 광원(10)은 근적외선 라인 레이저(line laser) 빔을 사용할 수 있다. 근적외선 라인 레이저 빔을 사용하면 조명이 전혀 없는 상태에서도 영상 정보를 획득할 수 있다.

도 1b를 참조하면, 광원(10)으로부터 레이저 빛을 일정한 시야각(α)을 가지면서 평면의 형태로 장애물(30)에 비춘다.

도 1c는 카메라 센서(20)가 획득한 라인 프로파일 형태의 카메라 영상(40)을 나타낸다. 도 1b에서 장애물(30)의 a 지점과 b 지점에서 반사한 빛은 각각 카메라 영상(40)의 a, b로 나타나는데, Y축 방향의 값은 카메라 센서(20)와 장애물(30) 사이의 거리와 비례한다.

카메라 영상(40)의 좌표로부터 얻어진 카메라 센서(20)와 장애물(30) 사이의 거리와 장애물(30)을 향한 카메라 센서(20)의 각도(θ), 카메라 센서(20)와 광원(10) 사이의 거리(d)에 의하여 광원(10)과 장애물(30) 사이의 거리 데이터를 삼각도 법(triangular method)에 의해 구할 수 있다. 삼각도 법은 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 주변 광이 포함된 경우의 카메라 영상 및 거리 데이터를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 구조 광을 이용하여 거리를 측정할 때 고조도의 주변광 예를 들어, 태양광이 있는 경우 도 2에 도시된 바와 같이 라인 레이저를 정확하게 검출할 수 없다. 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같은 차 영상 적분 원리가 적용된 CMOS 센서를 제안한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 센서에 적용되는 차영상 적분의 원리를 나타내는 도면이다.

레이저 광원이 온일 때는 주변광과 레이저 광원에 의한 영상 신호(310)가 얻어진다. 또한, 레이저 광원이 오프일 때는 주변광만에 의한 영상 신호(312) 얻어진다. 차분 블럭(314)에서는 영상 신호(310)와 영상 신호(312)와의 차분 영상 신호(316)가 얻어진다. 차분 영상 신호(316)는 레이저에 의한 영상으로, 주변광이 태양광과 같이 조도가 클 때에는 주변광에 비하여 미세한 영상이 얻어지게 된다.

따라서, 다시 레이저 광원이 온 오프를 통하여 위의 과정을 반복한다. 즉, 레이저 광원이 온일 때의 레이저 광원과 주변광에 의한 영상 신호(320)와 레이저 광원이 오프일 때의 주변광만에 의한 영상 신호(322)를 얻고, 차분 블록(324)에서 영상 신호(320)와 영상 신호(322)를 차분하여 차분 영상 신호(326)를 생성한다.

이와 같은 레이저 광원의 온 오프 동작을 짧은 시간 동안 N번 반복 수행하면 차분 영상(316, 326) 등과 같은 차분 영상 신호에 대해 누적 동작(350)이 수행되어 적분된 차분 적분 영상 신호(360)를 생성한다. 이때, 회로에서 발생되는 잡음 신호도 함께 적분된다. 차분 적분 영상 신호(360)와 적분된 잡음 신호의 차분이 승자 독점회로 또는 아날로그-디지털 변환기가 검출 가능하게 될 정도로 커지면 차분 적분 영상 신호(360)를 레이저 광원에 의한 영상 신호로 이용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주변광을 제거하기 위한 CMOS 센서의 픽셀 구조를 나타내는 회로도이다.

도 4는 CMOS 센서의 하나의 픽셀에 대응하는 회로를 나타낸다. CMOS 센서(400)는 광 감지부(410) 및 차 영상 신호 적분부(420)를 포함한다.

광 감지부(410)는 포토 다이오드(PD)와 3개의 트랜지스터(M0, M1, M2)를 포함한다. 광 감지부(410)는 광을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드(PD), 초기화하기 위해 생성된 광전하를 배출하는 리셋 트랜지스터(M0), 생성된 광전하를 전압 신호로 증폭 변환하는 소스 팔로우어 트랜지스터(M1) 및 선택적으로 전압 신호를 출력하는 행 선택 트랜지스터(M2)를 포함하는 3 트랜지스터 구조를 가질 수 있다.

광 감지부(410)는 포토다이오드(PD)에 수광되는 전하의 양을 전압으로 출력하는 기능을 가지는 한 여러 형태의 종래의 광 감지 센서로 구성될 수 있다.

광 감지부(410)에서 트랜지스터(MO)의 리셋 신호(RXn)가 온 되었을 때의 리셋 전압(V_R)과 리셋 신호(RXn) 오프되었을 때의 포토 다이오드(PD)로부터 전달되는 광전하로 인한 신호 전압(V_SIG)을 출력한다.

도 4에서 광 감지부(410)에서 출력되는 전압(V_PIXOUT)은 리셋 전압(V_R)과 신호 전압(V_SIG)가 CDS(Correlated Double Sampling)회로(415)로 출력되는 것을 나타낸다. 전압(V_CDSOUT)은 리셋 전압(V_R)과 신호 전압(V_SIG)의 차분 전압을 나타낸다. 이와 같이 수광 전압을 측정하기 위한 더블 샘플링 방법은 리셋 잡음, 고정 패턴 노이즈(FPN) 등을 제거하기 위한 방법으로 알려져 있다.

차 영상 신호 적분부(420)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 레이저 광원이 오프되었을 때의 주변광에 의한 영상 신호와 레이저 광원이 온 되었을 때의 주변광과 레이저 광원에 의한 영상 신호의 차분 영상 신호를 누적함으로써 레이저 광원에 의한 영상 신호가 검출될 수 있도록 하는 동작을 수행한다.

차 영상 신호 적분부(420)는 입력 트랜지스터(M3), 제1 커패시터(CO), 증폭기(-A), 제1 피드백 트랜지스터(M6), 제2 피드백 트랜지스터(M5), 제2 커패시터(C1) 및 출력 트랜지스터(M7)를 포함한다.

입력 트랜지스터(M3)는 광 감지부(410)로부터 출력된 전압 신호를 수신한다. 더욱 상세하게는, 광 감지부(410)로부터 CDS 회로를 거쳐 입력된 전압 신호를 수신한다. 입력 트랜지스터(M3)에는 트랜지스터가 온 되어 있다가 오프가 될 때 발생되는 클럭 피드쓰루에 의한 잡음을 제거하기 위하여 더미 스위치 역할을 수행하는 트랜지스터(M4)가 선택적으로 추가되어 연결될 수 있다.

제1 커패시터(C0)는 입력 트랜지스터(M3)에 연결되며, 레이저 광원이 오프되었을 때 주변광으로 인하여 발생된 전하를 축적한다.

증폭기(-A)는 제1 커패시터(CO)에 축적된 주변광에 의한 전하를 유지하기 위하여 전류가 흐르지 않는 가상 접지 노드를 제공한다. 증폭기(-A)는 입력과 출력이 각각 하나인 인버터로 동작되는 증폭기이면 그 구성에는 제한되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 증폭기(-A)는 도 5에 도시된 바와 같이 캐스코드 형태의 인버터로 구성될 수 있다. 이하에서는, 증폭기(-A)가 인버터로 구성되는 것을 가정하여 설명한다.

인버터(-A)가 이하에서 설명하는 바와 같이 제1 피드백 트랜지스터(M6) 또는 제2 피드백 트랜지스터(M5)에 의해 입력 노드(ⓐ)와 출력 노드(ⓑ)가 연결되어 피드백 경로가 생성되면, 입력 노드(ⓐ)에는 전류가 흐르지 않는 가상 접지 노드가 제공되며 인버터의 오프셋 전압(V_{amp _ offset})이 걸리게 된다.

레이저 광원이 오프일 때 제1 피드백 트랜지스터(M6)는 게이트 입력(PHP3)가 하이로 되어 증폭기의 출력(ⓑ)과 가상 접지 노드(ⓐ) 사이에 피드백 경로를 생성한다. 제1 피드백 트랜지스터(M6)는 제2 피드백 트랜지스터(M5)와 동시에 온되어, 제2 커패시터에 축적된 전하를 비우는 초기 리셋 동작이 수행될 수 있다.

제2 피드백 트랜지스터는(M5)는 레이저 광원이 온 되었을 때 게이트 입력(PHP2)가 하이로 되어, 인버터의 출력(ⓑ)과 가상 접지 노드(ⓐ) 사이에 피드백 경로를 생성한다.

레이저 광원이 온 되었을 때 생성되는 피드백 경로에는 제2 커패시터(C1)가 위치한다. 제2 커패시터(C1)은 레이저 광원이 오프일 때의 입력 트랜지스터(M3)에 의해 제1 커패시터(C0)에 전달된 전압과, 레이저 광원이 온 되었을 때 입력 트랜지스터(M3)에 전달된 전압과의 차분 전압에 대응하는 전하를 축적한다.

레이저 광원을 온 오프 하면서 적분한 횟수가 증가함에 따라 제2 커패시터(C1)에는 온 오프 횟수와 비례하여 레이저 광원이 오프되었을 때 입력 트랜지스터에 전달되는 주변광 전압(V_amb)과 레이저 광원이 온 되었을 때 입력 트랜지스터에 전달되는 주변광과 레이저 광원에 의한 전압(V_{amb _ laser})의 차분 전압에 대응하는 전하가 누적될 수 있다. 차분 전압이 누적되는 순간마다 픽셀을 구성하는 회로가 발생하는 잡음 신호가 제2 커패시터(C1)에 함께 적분된다.

출력 트랜지스터(M7)는 레이저 광원의 온 오프 횟수가 소정의 횟수에 도달될 때마다 제2 커패시터(C1)에 누적된 전하를 출력한다. 소정의 횟수는 제2 커패시터에 축적된, 레이저 광원에 의한 전하량과 회로에 의해 발생된 잡음 신호에 의한 전하량의 차이가 승자 독점회로 또는 아날로그-디지털 변환기가 검출가능한 레벨에 도달되는 레이저 광원 온 오프 횟수로 정해질 수 있다. 예를 들어, 소정의 횟수는 50회 내외의 횟수일 수 있다.

한편, 도 4의 픽셀 회로에서 증폭기의 입력 노드에 형성되는 인버터 오프셋 전압(V_{amp _ offset})은 도 4의 픽셀 회로가 n×n 행렬로 배열되어 CMOS 센서 칩으로 구현될 때, 각 픽셀마다 조금씩 상이한 값을 가지게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 출력 트랜지스터(M7)에서 출력된 전압 신호는 피드백 경로에 의하여 증폭기의 입력 노드에 생성되는 인버터 오프셋 전압(V_{amp _ offset})을 제거하기 위한 오프셋 전압 제거 회로(도시되지 않음)를 통해 인버터 오프셋 전압(V_{amp _ offset})이 제거될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 각 픽셀마다 상이한 인버터 오프셋 전압(V_{amp _ offset})을 기준 전압으로 쉬프트하여 레이저 광원에 의한 출력 전압이 정확하게 측정될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 증폭기 구성을 나타내는 회로도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 증폭기(-A)의 구성을 도 5에 도시된 바와 같이 캐스코드 증폭기 형태의 인버터로 구성할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같은 인버터 회로로 증폭기 회로를 구성함으로써 입력과 출력의 피드백 경로 형성시 인버터 오프셋 전압(V_{amp _ offset})을 갖는 전류가 흐르지 않는 가상 접지 노드를 제공할 수 있다.

이로 인해, 종래에 OP 앰프를 이용하여 증폭기를 구성하는 것에 비하여 트랜 지스터의 개수를 줄일 수 있으며, OP 앰프의 입력단에 기준 전압(V_ref)을 제공하기 위한 전압선, 즉 픽셀 위의 메탈 라인을 제거할 수 있다. 따라서, 픽셀 사이즈를 감소시킬 수 있다.

도 6은 도 4에 도시된 CMOS 센서의 트랜지스터 및 레이저 광원의 동작을 나타내는 타이밍도이다.

도 6은 리셋 트랜지스터(M0)의 게이트 입력(RXn), 행 선택 트랜지스터(M2)의 게이트 입력(ROWSELn), 레이저 광원(Laser), 입력 트랜지스터(M3)의 게이트 입력(PHP1n), 제1 피드백 트랜지스터(M6)의 게이트 입력(PHP3n), 제2 피드백 트랜지스터(M5)의 게이트 입력(PHP2n) 및 출력 트랜지스터(M7)의 게이트 입력(PHP4n)의 동작 타이밍을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 센서의 동작에 대해서는 도 6, 도 7 및 8을 참조하여 이하에서 상세하게 설명한다.

도 7는 레이저 광원이 꺼졌을 때의 도 4의 회로의 동작 상태를 나타내는 회로도 및 동작 타이밍을 나타내는 도면이다.

도 7은 레이저 광원이 오프되어 있고 주변광만 존재할 경우의 회로 동작 상태를 나타내고 있다. 레이저 광원을 오프할 때에는 입력 트랜지스터(M3)의 게이트 입력(PHP1) 및 제1 피드백 트랜지스터(M6)의 게이트 입력(PHP3)만을 온 시킨다.

그러면, 제1 피드백 트랜지스터(M6)의 동작으로 인하여 인버터(-A)의 입력단(ⓐ)과 출력단(ⓑ)은 피드백 경로 생성에 의해 인버터(-A)의 입력단(ⓐ)에는 인 버터 오프셋 전압(V_{amp _ offset})이 걸리며, 입력단(ⓐ)은 전류가 흐르지 않는 가상 접지(virtual ground)가 생성된다. 그리고, 주변광으로 인하여 생성된 전하는 제1 커패시터(CO)에 축적된다.

따라서, 커패시터(CO)는 V_amb-V_{amp _ offset}의 전압으로 충전된다. 이를 식으로 나타내면 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

V_CO = V_amb-V_{amp _ offset}

도 8은 레이저 광원이 켜졌을 때의 도 4의 회로의 동작 상태를 나타내는 회로도 및 동작 타이밍을 나타내는 도면이다.

도 8은 레이저가 온되어 있어 주변광과 레이저 신호가 동시에 존재할 경우의 회로 동작을 나타낸다. 레이저 광원을 온할 때에는 입력 트랜지스터(M3)의 게이트 입력(PHP1) 및 제2 피드백 트랜지스터(M5)의 게이트 입력(PHP2)만을 온시킨다.

제2 피드백 트랜지스터(M5)이 온이 됨에 따라, 인버터(-A)의 입력단(ⓐ)에는 인버터 오프셋 전압(V_{amp _ offset})이 유지되며, 입력단(ⓐ)은 전류가 흐르지 않는 가상 접지(virtual ground)가 유지된다.

PHP1 과 PHP2만을 온시키면 피드백 경로로 전달되는 전하(Q_INT)는 다음과 같은 수학식 2로 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

Q_INT = C0*(V_{amb + laser}-V_{amp _ offset}-V_CO)

V_CO = V_amb-V_{amp _ offset} 이므로,

따라서, Q_INT = - CO*(V_amb-V_{amb + laser})

따라서, V_C1은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

V_C1 = C0/C1*(V_amb - V_{amb + laser})

CO=C1이면, V_C1 = V_amb - V_{amb + laser}

따라서, 제2 커패시터(C1)은 레이저 광원에 의한 전압이 걸리게 된다. 즉, PHP1과 PHP2만을 온시켜 제2 커패시터(C1)를 V_amb- V_{amb + laser} 전압으로 충전시킨다.

다시 도 7에 도시된 동작을 수행하면, 제1 커패시터의 전압(V_CO)은 V_amb-V_{amp_offset}가 되고, 도 8에 도시된 동작을 수행하면, 제2 커패시터(C1)의 전압(V_C1)은 2*(V_amb - V_{amb + laser})의 값을 갖게 된다.

이상의 동작을 N번 반복하면 출력 전압은 다음과 같은 수학식으로 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

V_out = V_{amp _ offset} + N(V_{amb -} V_{amb + laser})

즉, (V_amb- V_{amb + laser})의 차 영상 신호가 N배 증폭된다.

도 9는 레이저 광원의 온 오프에 따른 출력 전압을 나타내는 도면이다.

도 9는 레이저 광원의 온 오프가 반복됨에 따라 레이저 광원에 의한 전압 즉, 주변광 전압과 레이저 광원이 온일 때의 전압과의 차분 전압이 온 오프 반복 횟수(N)에 비례하여 증가함을 나타낸다.

도 10은 발명의 다른 실시예에 따른 주변광을 제거하기 위한 CMOS 센서의 픽셀 구조를 나타내는 회로도이다.

도 10의 회로는 광 감지부(1010)의 구성을 제외하고 동일하다. 즉, 차 영상 신호 적분부(1020)의 구성은 도 4의 차 영상 신호 적분부(420)의 구성과 동일하다. 도 4에 도시된 회로 구조에 비해 도 10의 회로는 모든 픽셀의 광노출 시간을 동시에 시작하고 동시에 마칠 수 있는 글로벌 셔터(global shutter)를 적용시킨 구조이다.

광 감지부(1010)는 도 10에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(PD), 리셋 트랜지스터(M10) 및 소스 팔로우어 트랜지스터(M11) 및 소스 팔로우어 트랜지스터에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 트랜지스터(M12)를 포함하여 구성될 수 있다.

이와 같이 구성하면, 광 감지부(1010)로부터 출력되는 전압이 CDS 회로(도시되지 않음)을 거치지 않고도 소스 팔로우어 트랜지스터(M11)의 문턱전압의 산포에 의한 고정 패턴 노이즈와 같은 노이즈에 영향을 받지 않고 차영상 신호 적분부(1020)에 전달될 수 있다. 그 이유는 레이저가 오프일 때 주변광에 의한 전압이 제1 커패시터(CO)에 충전될 때, 소스 팔로우어 트랜지스터(M11)의 문턱전압이 함께 충전되었다가, 레이저가 온일 때 레이저 광원과 주변광에 의한 전압과의 차이를 구할 때 함께 제거된다. 따라서, 도 10에 도시된 바와 같은 구성으로 노출 시간(intergration time)을 줄일 수 있으므로 높은 조도의 주변광에서 회로를 동작시킬 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 센서의 픽셀의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.

차영상 적분 동작이 시작되면, 제1 피드백 트랜지스터(M6)와 제2 피드백 트랜지스터(M5)를 온시켜서, 제2 커패시터에 축적된 전하를 비우는 리셋 동작을 수행할 수 있다.

레이저 광원을 오프하여 광 감지부(410)에서 주변광(햇빛) 영상 신호를 획득한다(S 1110). 구체적으로는, 레이저 광원이 오프일 때, 입력 트랜지스터(M3) 및 제1 피드백 트랜지스터(M6)를 온 시키고, 입력 트랜지스터(M3)를 통해 전달되는 주변광으로 인하여 발생된 전하를 제1 커패시터(C0)에 축적한다.

레이저 광원을 온시켜, 광 감지부(410)에서 주변광과 레이저 광원에 의한 영상 신호를 획득하여(S 1120), 주변광에 의해 전달된 전압(V_amb)과 레이저 광원이 온일 때 전달된 전압(V_{amb + laser})의 차 영상 전압을 제2 커패시터(C1)에 저장한다(S 1130).

구체적으로는, 레이저 광원이 온일 때, 입력 트랜지스터(M3) 및 제2 피드백 트랜지스터(M5)를 온 시키고, 레이저 광원이 오프일 때 입력 트랜지스터이 전달되는 전압(V_amb)과 레이저 광원이 온일 때 입력 트랜지스터에 전달된 전압(V_{amb + laser})의 차분 전압에 대응하는 전하를 제2 커패시터(C1)에 축적한다.

레이저 광원의 온 오프 횟수(n)가 소정의 횟수(N)에 도달했는지 결정한다(S 1140). 소정의 횟수(N)에 도달되지 않았으면, 온 오프 횟수(n)를 증가시켜(S 1150), 단계 S 1110 내지 단계 S 1130의 동작을 반복한다. 레이저 광원의 온 오프 횟수가 증가함에 따라 제2 커패시터(C1)에는 상기의 차 영상 전압에 대응하는 전하가 누적될 수 있다.

레이저 광원의 온 오프 횟수가 소정의 횟수에 도달될 때마다 출력 트랜지스터(M7)를 온 시켜, 제2 커패시터에 축적된 전하를 출력함으로써 픽셀 값을 읽는다(S 1160).

출력 트랜지스터에서 출력된 전압 신호는 피드백 경로에 의하여 증폭기의 입력 노드에 생성되는 오프셋 전압을 제거하기 위한 오프셋 전압 제거 회로로 입력할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고조도 햇빛과 같은 주변광이 존재할 경우에도 구조광에 의한 거리 측정을 정확하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 CMOS 센서를 이동 로봇에 적용하면 이동 로봇이 맵 구성, 장애물 회피, 침입자 감지 등의 성능을 향상시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분 야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 구조광을 이용한 거리 측정 원리를 나타내는 도면이고,

도 2는 주변광이 포함된 경우의 카메라 영상 및 거리 데이터를 나타내는 도면이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 센서에 적용되는 차영상 적분의 원리를 나타내는 도면이고,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주변광을 제거하기 위한 CMOS 센서의 픽셀 구조를 나타내는 회로도이고,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 증폭기 구성을 나타내는 회로도이고,

도 6은 도 4에 도시된 CMOS 센서의 트랜지스터 및 레이저 광원의 동작 타이밍을 나타내는 도면이고,

도 7은 레이저 광원이 꺼졌을 때의 도 4의 회로의 동작 상태를 나타내는 회로도 및 동작 타이밍을 나타내는 도면이고,

도 8은 레이저 광원이 켜졌을 때의 도 4의 회로의 동작 상태를 나타내는 회로도 및 동작 타이밍을 나타내는 도면이고,

도 9는 레이저 광원의 온 오프에 따른 출력 전압을 나타내는 도면이고,

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주변광을 제거하기 위한 CMOS 센서의 픽셀 구조를 나타내는 회로도이고,

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 센서의 픽셀의 동작 방법을 나타 내는 순서도이다.

Claims (10)

1. 빛을 전기적 신호로 출력하는 광 감지부;

   상기 출력된 신호를 수신하는 입력 트랜지스터;

   상기 입력 트랜지스터에 연결되며, 주변광으로 인하여 발생된 전하를 축적하는 제1 커패시터;

   상기 제1 커패시터에 축적된 전하를 유지하기 위하여 전류가 흐르지 않는 가상 접지 노드를 제공하는 증폭기;

   레이저 광원이 오프되었을 때 상기 증폭기의 출력 노드와 상기 가상 접지 노드 사이에 제1 피드백 경로를 생성하는 제1 피드백 트랜지스터;

   상기 레이저 광원이 온 되었을 때, 상기 증폭기의 출력 노드와 상기 가상 접지 노드 사이에 제2 피드백 경로를 생성하는 제2 피드백 트랜지스터; 및

   상기 제2 피드백 경로에 위치하며, 상기 레이저 광원이 오프일 때 상기 입력 트랜지스터에 전달된 전압과 상기 레이저 광원이 온 되었을 때 상기 입력 트랜지스터에 전달된 전압과의 차분 전압에 대응하는 전하를 축적하는 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 센서의 픽셀.
2. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 광원의 온 오프 횟수가 증가함에 따라 상기 제2 커패시터에는 상기 온 오프 횟수와 비례하여 상기 차분 전압에 대응하는 전하가 누적되는 것을 특징으로 하는 CMOS 센서의 픽셀.
3. 제1항에 있어서,

   상기 광 감지부는

   광을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드;

   상기 생성된 광 전하를 배출하는 리셋 트랜지스터;

   상기 광 전하를 전압 신호로 증폭 변환하는 소스 팔로우어 트랜지스터; 및

   글로벌 셔터 방식의 동작을 위해 상기 소스 팔로우어 트랜지스터에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 트랜지스터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CMOS 센서의 픽셀.
4. 제1항에 있어서,

   상기 증폭기는 입력과 출력 사이에 피드백 경로가 생성되면 전류가 흐르지 않는 가상 접지 노드를 제공하는 인버터 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 CMOS 센서의 픽셀.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 피드백 트랜지스터와 상기 제2 피드백 트랜지스터를 동시에 온시켜서 상기 제2 커패시터에 축적된 전하를 비우는 초기 리셋 동작을 수행하는 것을 특 징으로 하는 CMOS 센서의 픽셀.
6. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 광원의 온 오프 횟수가 소정의 횟수에 도달될 때마다 상기 제2 커패시터에 축적된 전하를 출력하는 출력 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 센서의 픽셀.
7. 제6항에 있어서,

   상기 출력 트랜지스터에서 출력된 전하는 상기 증폭기의 입력 노드에 생성되는 오프셋 전압을 제거하기 위한 오프셋 전압 제거 회로로 입력되는 것을 특징으로 하는 CMOS 센서의 픽셀.
8. 제1항에 기재된 CMOS 센서의 픽셀 동작 방법으로서,

   상기 제2 커패시터에 축적된 전하를 비우는 리셋 동작을 수행하는 단계;

   상기 레이저 광원이 오프일 때, 상기 입력 트랜지스터 및 상기 제1 피드백 트랜지스터를 온 시키고, 상기 입력 트랜지스터를 통해 전달되는 주변광으로 인하여 발생된 전하를 상기 제1 커패시터에 축적하는 단계;

   상기 레이저 광원이 온일 때, 상기 입력 트랜지스터 및 상기 제2 피드백 트랜지스터를 온 시키고, 상기 레이저 광원이 오프일 때 상기 입력 트랜지스터에 전달된 전압과 상기 레이저 광원이 온 되었을 때 상기 입력 트랜지스터에 전달된 전 압과의 차분 전압에 대응하는 전하를 제2 커패시터에 축적하는 단계를 포함하고,

   상기 레이저 광원의 온 오프 횟수가 증가함에 따라 상기 제2 커패시터에는 상기 온 오프 횟수와 비례하여 상기 차분 전압에 대응하는 전하가 누적되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 레이저 광원의 온 오프 횟수가 소정의 횟수에 도달될 때마다 상기 제2 커패시터에 축적된 전하를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서,

    출력된 전하를 상기 피드백 경로에 의하여 상기 증폭기의 입력 노드에 생성되는 오프셋 전압을 제거하기 위한 오프셋 전압 제거 회로로 입력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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