KR101668869B1 - 거리 센서, 3차원 이미지 센서 및 그 거리 산출 방법 - Google Patents

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Abstract

거리 센서, 3차원 이미지 센서 및 그 거리 산출 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 거리센서의 거리 산출방법은 광원을 주기적으로 온/오프함으로써 타겟 물체로 주기적으로 빛을 전송하는 단계; 상기 타겟 물체로부터 반사된 빛이 광 검출부로 수신되는 단계; 및 상기 광 검출부가 수신된 빛을 검출하는 시점을 다르게 조절하여, 서로 다른 검출 시점에 기초하여 검출된 전하량들 중 최대 전하량에 따라 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하는 단계를 구비하여, 광 검출 소자의 광 검출 시점을 조절해 가며 전하량을 검출하고 검출된 전하량의 변화량을 측정함으로써 광비행시간을 센싱한다.

Description

거리 센서, 3차원 이미지 센서 및 그 거리 산출 방법{Depth sensor, 3D image sensor and Depth sensing method there-of}
본 발명은 센서에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 타겟 물체까지의 거리를 측정하기 위한 거리 센서(depth sensor)에 관한 것이다.
센서는 대상물의 상태를 파악하여 이를 전기 신호로 변환하여 전달하는 소자이다. 종류로는 빛센서, 온도센서, 압력센서, 자기센서, 거리 센서(depth sensor) 등 다양하다. 그 중 거리 센서는 광원으로부터 투사된 펄스 광이 타겟 물체(측정 대상물)에 의해, 반사되어 되돌아 왔을 때의 지연 시간을 측정하여 타겟 물체까지의 거리를 산출한다.
거리 센서는 일반적으로 두 개의 포토 센싱 소자로 이루어진 픽셀들로 구성된다. 일반적인 거리센서의 동작을 간단히 살펴보면, 두 개의 포토 센싱 소자를 순차적으로 온(On)/오프(OFF)하여(즉, 하나의 포토 센싱 소자의 온(ON)시에는 다른 하나를 오프(OFF)함)), 각 포토센싱 소자의 온(ON)시 검출된 전하량의 비에 근거하여 거리를 측정한다.
이러한 거리 센서의 일 예가 US6,919,549에 개시되어 있다.
상술한 바와 같이, 일반적인 거리센서의 각 픽셀은 짝을 이루어 상보적으로 제어되는 두 개의 포토 센싱 소자를 필요로 한다.
따라서, 픽셀의 크기가 커지게 된다. 칼라 센서에서 알 수 있듯이, 해상도를 높이고 센서의 크기를 줄이기 위해 픽셀 사이즈를 줄이는 방법이 가장 큰 관심사 이다. 일반적으로 칼라 센서의 픽셀에 비하여 거리 센서의 픽셀의 크기가 10배 이상 크다. 따라서, 칼라 센서와 거리 센서를 하나의 센서에 구현하기 위해서는, 칼라 센서의 픽셀과 거리 센서의 픽셀의 크기 차이를 줄이는 방안이 필요하다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 사이즈를 줄일 수 있는 거리 센서, 이를 활용한 3차원 이미지 센서 및 이의 거리 산출 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 센서의 거리 산출 방법은 광원을 주기적으로 온/오프함으로써 타겟 물체로 주기적으로 빛을 전송하는 단계; 상기 타겟 물체로부터 반사된 빛이 광 검출부로 수신되는 단계; 및 상기 광 검출부가 수신된 빛을 검출하는 시점을 다르게 조절하여, 서로 다른 검출 시점에 기초하여 검출된 전하량들 중 최대 전하량에 따라 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하는 단계를 구비한다.
상기 거리를 산출하는 단계는, 기준 시점과 상기 검출 시점 간의 간격이 시간에 따라 점점 더 증가하도록 상기 검출 시점을 조절하는 단계; 상기 조절된 검출 시점으로부터 미리 정해진 검출 시간 동안 상기 수신된 빛에 의해 발생된 전하량을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 전하량 중 최대 전하량에 상응하는 검출 시점에 기초하여 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하는 단계를 구비할 수 있다.
상기 전하량을 검출하는 단계는, 동일한 검출 시점에 대하여 복수회 반복하여 수행될 수 있다.
상기 기준 시점은 상기 광원을 온(ON)하는 시점이고, 상기 검출 시점은 상기 광 검출부의 해당 광 검출 소자를 온(ON)하는 시점일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 센서는 주기적으로 온/오프됨으로써, 타겟 물체로 주기적으로 빛을 전송하는 광원; 상기 타겟 물체로부터 반사된 빛을 수신하고, 상기 수신된 빛의 양에 따라 가변되는 전하를 생성하는 광 검출부; 및 상기 광원의 온/오프 타이밍 및 상기 광 검출부가 상기 수신된 빛을 검출하는 검출시점을 조절하는 제어부를 구비하며, 상기 광 검출부의 서로 다른 검출 시점에 기초하여 검출된 전하량들 중 최대 전하량에 따라 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출한다.
상기 거리센서는 신호처리부를 더 구비할 수 있다.
상기 제어부는 기준 시점과 상기 검출 시점 간의 간격이 시간에 따라 점점 더 증가하도록 상기 검출 시점을 조절하고, 상기 광 검출부는 상기 조절된 검출 시점으로부터 미리 정해진 검출 시간 동안 상기 수신된 빛에 의해 발생된 전하량을 검출하며, 상기 신호처리부는 상기 검출된 전하량 중 최대 전하량에 상응하는 검출 시점에 기초하여 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서는, 주기적으로 온/오프됨으로써, 타겟 물체로 주기적으로 빛을 전송하는 광원; 칼라 픽셀들 및 상기 타겟 물체로부터 반사된 빛을 수신하고, 상기 수신된 빛의 양에 따라 가변되는 전하를 생성하는 광 검출 소자들의 배열을 포함하는 픽셀 어레이; 상기 광원의 온/오프 타이밍 및 상기 광 검출 소자들이 상기 수신된 빛을 검출하는 검출시점을 조절하는 제어부; 및 상기 광 검출부의 서로 다른 검출 시점 에 기초하여 검출된 전하량들 중 최대 전하량에 따라 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하고, 상기 산출된 거리 정보와 상기 칼라 픽셀들로부터 출력된 신호를 이용하여 3차원 이미지 신호를 생성하는 신호 처리부를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 검출 소자의 광 검출 시점을 조절해 가며 전하량을 검출하고 검출된 전하량의 변화량을 측정함으로써 광비행시간을 센싱한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 거리센서의 각 픽셀은 단일 광 검출 소자로 구현 가능하다. 따라서, 거리 센서의 각 픽셀의 크기가 줄어들 수 있으며, 또한 거리센서의 사이즈가 감소한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해 서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성 요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리 센서(10)의 블록도이다. 거리 센서(10)는 센서(10)와 타겟 물체(150) 사이의 광비행 시간(time of flight) 을 측정함으로써 거리를 측정한다.
이를 참조하면, 거리 센서(10)는 광원(light source)(110), 광 검출부(120), 제어부(130), 및 신호 처리부(140)를 구비한다.
광원(110)은 펄스광(pulse of light)을 투사한다. 광원(110)에서 주기적으로 투사되는 빛은 타겟 물체(150)에 반사되어 광 검출부(120)로 입력된다. 광 검출부(120)는 다수의 광 검출 소자들(D)이 배열된 픽셀 어레이를 구비할 수 있다. 제어부(130)는 광원(110)이 주기적으로 빛을 투사하도록 제어한다. 즉, 제어부(130)는 광원(110)의 온(ON)/오프(OFF) 타이밍을 제어할 수 있다. 이를 위하여 제어부(130)는 광 투사 타이밍 제어 신호(LTC)를 생성하여 광원(110)으로 입력할 수 있다. 또한 제어부(130)는 광 검출 소자들(D)의 온(ON)/오프(OFF) 타이밍을 제어할 수 있다. 이를 위하여 제어부(130)는 적어도 하나의 광 검출 타이밍 제어신호(DTC)를 생성하여 광 검출부(120)으로 입력할 수 있다.
신호 처리부(140)는 광 검출부(120)에 의해 생성된 전하 또는 전류 신호를 수신하고 이를 토대로 광 비행 시간(light flight time)을 센싱하여 거리를 산출한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1에 도시된 광 검출부(120)의 일 예를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2a를 참조하면, 광 검출부(120)는 동일한 광 검출 타이밍 제어신호(DTC)에 응답하는 복수의 광 검출 소자들(D)을 포함할 수 있다. 하나의 광 검출 소자(D)는 하나의 픽셀을 구성할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 광 검출부(120')는 서로 다른 광 검출 타이밍 제어신호(DTC1~DTC4)에 각각 응답하는 복수의 광 검출 소자들(D)을 포함할 수 있다. 복수의 광 검출 소자들(D)은 하나의 픽셀을 구성할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 광 검출 소자(D)의 구성 및 동작에 대해서는 후술된다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 거리 센서의 거리 산출 방법을 나타내는 플로우챠트이다. 본 발명의 실시예에 따른 거리 센서의 거리 산출 방법은 도 1에 도시된 거리 센서(10)에 의해 수행될 수 있다. 이 때, 거리 센서(10)의 광 검출부(120)는 도 2a에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 거리 산출 방법을 수행하는 거리 센서의 동작 타이밍도이다. 도 4b는 본 발명 의 실시예에 따른 거리 센서에서 검출 시점에 따른 전하량을 나타내는 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 광원(110)을 주기적으로 온/오프함으로써 타겟 물체(150)로 주기적으로 빛을 전송한다(S310). 도 4a에 도시된 실시예서는 t0 내지 t1 구간, t2 내지 t3 구간, t4 내지 t5 구간 및 t6 내지 t7 등의 구간에서는 광원(110)이 온되어 빛(Tr_light)이 전송된다. 도 4a에서 t1 내지 t2 구간, t3 내지 t4 구간, t5 내지 t6 구간 및 t7 내지 t8 등의 구간에서는 광원(110)이 오프되어 빛(Tr_light)이 전송되지 않는다.
이어서, 타겟 물체(150)로부터 반사된 빛이 광 검출부(120)로 수신된다(S320). 이 때, 광 검출부(120)의 검출 시점을 조절한다(S330). 검출 시점이란 광 검출부(120)로 입사되는 빛을 검출하기 시작하는 시점으로서, 광 검출 제어 신호(DTC)에 의해 조절된다.
도 4a에 도시된 실시예에서는 기준 시점과 검출 시점 간의 간격이 시간에 따라 점점 더 증가하도록 검출 시점이 조절된다. 본 실시예에서, 기준시점은 광원(110)을 온(ON)하는 시점(예컨대, t0, t2, t4, t6 등)이다.
예컨대, 첫 번째 검출 시점(t0)은 광원(110)을 온(ON)하는 시점(예컨대, t0)에 동기되도록 설정되고, 두 번째 검출 시점(t2+a)은 다음 검출 주기에서 광원(110)을 온(ON)하는 시점(예컨대, t2)에 비하여 'a'만큼 지연되도록 설정되며, 세 번째 검출 시점(t4+2a)은 그 다음 검출 주기에서 광원(110)을 온(ON)하는 시점(예컨대, t4)에 비하여 '2a' 만큼 지연되도록 설정될 수 있다.
본 실시예에서는, 검출 시점은 기준시점에 비하여, 0, a, 2a, 3a, 4a 등으로 순차적으로 증가되도록 조절되지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, 기준 시점에 대한 검출 시점의 지연량(간격)은 순차적으로 감소하도록 조절될 수도 있고, 미리 정해진 지연량 패턴으로 설정될 수도 있다.
S340 단계에서는, S330 단계에서 설정된 검출 시점부터 미리 정해진 검출 시간(T1) 동안, 입사되는 빛을 수신하고 수신된 빛에 의해 발생된 전하량을 검출한다. 검출 시간(T1)은 광원(110)의 온 시간(T1)과 동일할 수 있다.
이어서, 검출 완료 조건이 만족되는지를 확인한다(S350). 검출 완료 조건은 검출 주기가 미리 설정된 횟수에 도달하면 만족될 수도 있고, 현 검출 주기에서 검출된 전하량이 바로 직전 검출 주기에서 검출된 전하량에 비하여 줄어들면 만족될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
검출 완료 조건이 만족되지 않으면, S330로 복귀하여, S330 내지 S350 단계를 반복 수행한다.
검출 완료 조건이 만족되면, 검출된 전하량 중 최대 전하량을 산출하고(S360), 최대 전하량에 상응하는 검출 시점으로부터 상기 타겟 물체까지의 광비행시간 및 거리를 산출한다(S370).
도 4a에 도시된 바와 같이, 광원(110)은 미리 정해진 주기(예컨대, T1의 2배)로 온(인에이블)/오프(디스에이블)되어 빛을 방출한다. 인에이블 구간(T1) 및 디스에이블 구간은 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다.
빛이 광원(110)에서 전송되는 시점으로부터 타겟 물체(150)에 반사되어 광검출부(120)의 해당 광 감지기로 입사되는 시점은 광 비행시간(TOF, Time of flight) 이라고 하며 거의 일정하다. 즉, 광원(110)에서 전송되는 빛(Tr_light)과 광검출부(120)로 입사되는 빛(Rf_light)간에는 일정한 딜레이(DEL)가 발생한다.
따라서, 광검출부(120)의 검출 시점을 시간에 따라 다르게 조절함으로써, 광검출부(120)로 입사되는 빛(Rf_light)을 가장 많이 수신할 수 있는 검출 시점을 찾아낼 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이 검출 시점이 검출 주기에 따라 0, a, 2a, 3a, 4a 등으로 순차적으로 증가됨에 따라, 검출된 전하량은 도 4b에 도시된 바와 같이 점점 증가하다가 줄어들 수 있다. 도 4b의 실시예에서는 검출 시점이 기준 시점 대비 3a만큼 지연되도록 설정될 때, 검출된 전하량이 최대값이 된다.
따라서, 딜레이(DEL)를 3a로 추정할 수 있으며, 이에 따라 최대 전하량에 상응하는 검출 시점(t6+a3) 혹은 기준 시점 대비 지연량(3a)과 빛의 속도를 이용하여 타겟 물체까지의 거리를 산출할 수 있다.
검출된 전하량의 신뢰성을 높이기 위하여, 동일한 검출 시점(즉, 동일한 지연량)에 대하여 적어도 2회 이상 전하량을 검출하고, 검출된 전하량을 평균 또는 누적하여 최대 전하량을 구할 수 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 산출 방법을 수행하는 거리 센서의 동작 타이밍도 및 검출 시점에 따른 전하량을 나타내는 그래프가 각각 도 5a 및 도 5b에 도시된다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 기준 시점 대비 검출 시점의 지연량을 0, a, 2a, 3a 등으로 순차적으로 증가시키되, 각 지연량에 대하여 복수 회 반복하여 전하량을 검출한다. 복수 회 반복하여 검출된 전하량의 평균 혹은 누적치가 도 5b에 도시된다. 도 4b의 실시예와 마찬가지로 도 5b의 실시예 역시 검출 시점이 기준 시점 대비 3a만큼 지연되도록 설정될 때, 검출된 전하량의 평균치 혹은 누적치가 최대값이 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 광 검출 소자의 광 검출 시점을 조절해 가며 전하량을 검출하고, 검출된 전하량의 변화량을 측정함으로써, 광비행시간을 센싱한다. 따라서, 각 픽셀은 단일 광 검출 소자로 구현 가능하다. 따라서, 거리 센서의 각 픽셀의 크기가 줄어들 수 있다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 센서의 거리 산출 방법을 나타내는 플로우챠트이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 센서의 거리 산출 방법은 도 1에 도시된 거리 센서(10)에 의해 수행될 수 있다. 이 때, 거리 센서(10)의 광 검출부(120)는 도 2b에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 센서의 거리 산출 방법은 다수의 광 검출 소자별로 검출 시점을 다르게 설정할 수 있다.
먼저, 광원(110)을 주기적으로 온/오프함으로써 타겟 물체(150)로 주기적으로 빛을 전송한다(S410). 타겟 물체(150)로부터 반사된 빛이 광 검출부(120)로 수신된다(S420). 이 때, 광 검출부(120)의 광 검출 소자별로 검출 시점을 조절한다(S430). 이를 위하여, 제어부(130)는 서로 다른 타이밍을 가지는 광 검출 타이밍 제어 신호(DTC1~DTC4)를 해당 광검출 소자로 입력할 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 첫 번째 광 검출 소자의 검출 시점은 광원(110)을 온(ON)하는 시점에 동기되도록 해당 광 검출 타이밍 제어 신호(DTC1)를 설정하고, 두 번째 광 검출 소자의 검출 시점은 광원(110)을 온(ON)하는 시점에 비하여 90도의 위상차를 갖도록 해당 광 검출 타이밍 제어 신호(DTC2)를 설정하고, 세 번째 광 검출 소자의 온(ON)하는 시점에 비하여 180도 위상차를 갖도록 해당 광 검출 타이밍 제어 신호(DTC3)를 설정하며, 네 번째 광 검출 소자의 온(ON)하는 시점에 비하여 270도 위상차를 갖도록 해당 광 검출 타이밍 제어 신호(DTC4)를 설정할 수 있다. 도 2b의 실시예에서는, 설명의 편의를 위하여, 4개의 광 검출 소자만 도시되나, 이는 예시적인 것으로서, 광 검출 소자의 수 역시 가변될 수 있다.
광 검출 소자별로 빛의 양 및 이에 의해 생성되는 전하량을 검출한다(S450). 이어서, 검출된 전하량 중 최대 전하량을 산출하고(S460), 최대 전하량에 상응하는 검출 시점으로부터 상기 타겟 물체까지의 광비행시간 및 거리를 산출한다(S470).
도 6a 내지 도 6d는 각각 본 발명의 실시예에 따른 광 검출 소자(D)를 도시한 회로도이다.
먼저 도 6a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자(D)는, 광 감지기(PD, photo sensitive device), 전송 트랜지스터(TX), 플로팅 디퓨젼 노드(FD, floating diffusion node), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(또는, 소스 팔로우 트랜지스터, DX), 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다.
광 감지기(PD, photo sensitive device)는 외부로부터 광(빛, light)을 수신하고, 수신된 광에 기초하여 광전하(photo charge)를 생성할 수 있다. 광 감지기(PD)는 제어부(130)로부터 출력되는 광 검출 타이밍 제어 신호(DTC)에 응답하여 온/오프될 수 있다. 광 감지기(PD)가 온 상태일 때는 광 감지기(PD)는 입사되는 빛을 감지하여 광전하를 생성할 수 있다. 반면, 광 감지기(PD)가 오프 상태일 때는 광 감지기(PD)는 입사되는 빛을 감지하지 않는다. 상기 광 감지기(PD)는 포토다이오드(photo diode), 포토트랜지스터(photo transistor), 포토게이트(photo gate), 핀드포토다이오드(PPD; pinned photo diode) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광 검출 소자(D)의 동작을 구체적으로 설명하면, 전송 트랜지스터(TX, transfer transistor)의 게이팅 동작에 응답하여 상기 광 감지기(PD)에서 생성된 광전하가 플로팅 디퓨전 영역(FD)으로 전송될 수 있다. 보다 구체적으로, 트랜스퍼 제어신호(TG)가 제1 레벨(예컨대, 하이 레벨)을 가질 때에 트랜스퍼 트랜지스터(TX)가 턴온되고, 따라서 상기 광 감지기(PD)에서 생성된 광전하가 상기 플로팅 디퓨전 영역(FD)으로 전달될 수 있다.
드라이브 트랜지스터(DX, drive transistor)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하여 상기 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 충전된 전하에 대응하는 신호를 버퍼링할 수 있다.
또한, 선택 트랜지스터(SX, select transistor)는 선택 제어신호(SEL)에 응답하여 광 검출 소자를 선택하기 위한 스위칭 동작 및 어드레스 동작을 수행할 수 있다.
상기 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 저장되어 상기 드라이브 트랜지스터(DX)에 의해 드라이빙된 광전하는 리셋 트랜지스터(RX, reset transistor)에 의해 리셋될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어신호(RS)에 응답하여 상기 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 저장되어 있는 광전하를 일정한 주기로 리셋시킬 수 있다.
도 6a에서는 하나의 광감지기(PD)와 4개의 모스 트랜지스터들(TX, RX, DX, SX)을 구비하는 광 검출 소자(D)을 예시하고 있지만 본 발명에 따른 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 드라이브 트랜지스터(DX)와 선택 트랜지스터(SX)를 구비하는 적어도 3개의 트랜지스터들과 광감지기(PD)를 포함하는 모든 회로들에 본 발명에 따른 실시예가 적용될 수 있다. 광 검출 소자(D)의 다른 실시예가 도 6b 내지 도 6에 도시된다.
도 6b에 도시된 광 검출 소자(D)는 3-트랜지스터 광 검출 소자로서, 광 감지기(PD, photo sensitive device), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(또는, 소스 팔로우 트랜지스터, DX), 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다.
도 6c에 도시된 광 검출 소자(D)는 5-트랜지스터 광 검출 소자로서, 광 감지기(PD, photo sensitive device), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(또는, 소스 팔로우 트랜지스터, DX), 및 선택 트랜지스터(SX) 외에 하나의 트랜지스터(GX)를 더 포함할 수 있다.
도 6d에 도시된 광 검출 소자(D)는 6-트랜지스터 광 검출 소자로서, 광 감지기(PD, photo sensitive device), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(또는, 소스 팔로우 트랜지스터, DX), 선택 트랜지스터(SX) 외에 두 개의 트랜지스터(GX, PX)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 6a 내지 도 6d와 같은 다양한 형태의 광 검출 소자(D)는 전술한 바와 같이 각 픽셀들이 독립적인 구조를 가질 수도 있고, 적어도 하나의 구성 요소를 서로 공유할 수 있다. 예컨대, 도 6a의 구성에서 2개 또는 4개의 픽셀이 광 감지기(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터(TX)만을 독립적으로 구성하고, 나머지 부분은 서로 공유한 상태에서 타이밍 콘트롤을 통해 독립된 동작을 할 수 있다.
이 때, 공유 형태의 픽셀은 로 방향, 칼럼 방향 또는 로와 칼럼의 병합된 형태를 포함한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 단위 픽셀 어레이(Pixel_a)를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 이를 참조하면, 단위 픽셀 어레이(Pixel_a)는 대상 물체의 칼라를 센싱하기 위한 R, G, B 칼라 픽셀과 대상물체의 거리를 센싱하기 위한 광 검출 소자(D)를 포함할 수 있다. RGB는 기존 베이어 패턴(Bayer pattern) 구조의 단위 픽셀 어레이 구성요소이며, 여기에 거리 센싱 용 픽셀(D)이 추가된 것이다.
도 7b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 단위 픽셀 어레이(Pixel_b)를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 이를 참조하면, 단위 픽셀 어레이(Pixel_b)는 대상 물체의 칼라를 센싱하기 위한 R, G, B 칼라 픽셀 두 개씩과 대상물체의 거리를 센싱하기 위한 두 개의 광 검출 소자(D)를 포함할 수 있다. R, G, B 칼라 픽셀 각각은 도 6a 내지 도 6d에 도시된 회로와 유사하게 구현될 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 전술한 RGB만을 포함하는 픽셀 어레이 구성 이외에, 보색인 Mg(마젠타), Cy(사이언), Y(옐로우)와 B(Black), W(White) 등이 서로 혼합된 2*2, 3*3, 4*4 등의 모자이크(Mosaic) 배열이나 스트라이프(Stripe) 배열 등으로도 구현이 가능하다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 이미지 센서(10')의 블록도이다. 도 8에 도시된 3차원 이미지 센서(10')는 상술한 본 발명의 실시예에 따른 거리 센싱 기능과 2차원 이미지 센싱 기능을 결합하여 3차원 영상 신호를 얻기 위한 장치이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 이미지 센서(10')는 광원(110), 픽셀 어레이(120), 로우 어드레스 디코더(16), 로우 드라이버(18), 컬럼 어드레스 디코더(19), 컬럼 드라이버(20), 샘플 앤 홀드블록(22), ADC(24), 및 ISP(26, Image Signal Processor)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(12)는 도 7a 또는 도 7b에 도시된 단위 픽셀 어레이(Pixel_a, Pixel_b)가 다수 배열된 구조를 가질 수 있다. 그러나, 픽셀 어레이(12)는 상술한 바와 같이, RGB 칼라 픽셀 외 다른 칼라 픽셀(Mg(마젠타), Cy(사이언), Y(옐로우)와 B(Black), W(White) 등)이 혼합된 배열을 가질 수 있음은 물론이다.
픽셀 어레이(12)를 구성하는 다수의 픽셀들 각각은 로우 드라이버(18)에서 발생된 다수의 제어 신호들에 응답하여 픽셀신호들(예컨대, 칼라 이미지 신호와 거리 신호)을 컬럼(column) 단위로 출력할 수 있다.
제어부(14)는 광원(110), 픽셀 어레이(12), 로우 어드레스 디코더(16), 로우 드라이버(18), 컬럼 어드레스 디코더(19), 컬럼 드라이버(20), 샘플 앤 홀드블 록(22), ADC(24), ISP(26, Image Signal Processor)의 동작을 제어하기 위한 다수의 제어신호들을 출력할 수 있으며, 픽셀 어레이(12)에서 감지된 신호(칼라 이미지 신호와 거리 신호)의 출력을 위한 어드레싱(addressing) 신호들을 생성할 수 있다.
보다 상세하게는, 제어부(14)는 픽셀 어레이(12)에 구현된 다수의 픽셀들 중에서 어느 하나의 픽셀에서 감지된 신호의 출력을 위하여 상기 어느 하나의 픽셀이 접속된 로우라인을 선택하기 위하여 로우 어드레스 디코더(16) 및 로우 드라이버(18)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(14)는 상기 어느 하나의 픽셀이 접속된 컬럼라인을 선택하기 위하여 컬럼 어드레스 디코더(19) 및 컬럼 드라이버(20)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(14)는 도 1에 도시된 제어부(130)와 마찬가지로, 광원(110)이 주기적으로 빛을 투사하도록 제어하고, 픽셀 어레이(12)의 픽셀 중 거리를 센싱하기 위한 광 검출 소자들(D)의 온/오프 타이밍을 제어할 수 있다.
로우 어드레스 디코더(16)는 제어부(14)에서 출력되는 로우 제어신호를 디코딩하고 디코딩된 로우 제어신호를 출력하며, 로우 드라이버(18)는 상기 로우 어드레스 디코더(16)에서 출력되는 디코딩된 로우 제어신호에 응답하여 픽셀 어레이(12)의 로우라인을 선택적으로 활성화시킨다.
컬럼 어드레스 디코더(19)는 제어부(14)에서 출력되는 컬럼 제어신호(예컨대, 어드레스 신호)를 디코딩하고 디코딩된 컬럼 제어신호를 출력하며, 컬럼 드라이버(20)는 상기 컬럼 어드레스 디코더(19)에서 출력되는 디코딩된 컬럼 제어신호에 응답하여 픽셀 어레이(12)의 컬럼라인을 선택적으로 활성화시킨다.
샘플 앤 홀드블록(22)은 로우 드라이버(18) 및 컬럼 드라이버(20)에 의해서 선택된 픽셀에서 출력된 픽셀 신호를 샘플 앤 홀드할 수 있다. 예컨대, 상기 샘플 앤 홀드블록(22)은 픽셀 어레이(12)에 형성된 다수의 픽셀들 로우 드라이버(18) 및 컬럼 드라이버(20)에 의해서 선택된 픽셀에서 출력되는 신호들을 각각 샘플 앤 홀드할 수 있다.
ADC(24)는 샘플 앤 홀드블록(22)에서 출력되는 신호들을 아날로그-디지털 변환하여 아날로그-디지털 변환된 픽셀 데이터를 출력할 수 있다. 이때, 상기 샘플 앤 홀드블록(22)와 상기 ADC(24)는 하나의 칩(chip)으로 구현될 수 있다.
ADC(24)는 샘플 앤 홀드블록(22)에서 출력되는 신호들을 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling)하는 CDS 회로(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기 ADC(24)는 상관 이중 샘플링된 신호와 램프 신호(미도시)를 비교하고 비교결과를 아날로그-디지털 변환된 픽셀 데이터로서 출력할 수 있다.
ISP(26)는 ADC(24)에서 출력된 픽셀 데이터에 기초하여 디지털 영상처리를 수행할 수 있다. ISP(26)는 또한, 신호 처리부(140)처럼, 광 검출 소자(D)에 의해 생성된 신호를 수신하고 이를 토대로 광 비행 시간(light flight time)을 센싱하여 거리를 산출할 수 있다. 또한 ISP(26)는 R,G,B,D(거리) 포맷의 베이어 신호를 보간(interpolation)하고, 보간된 신호를 이용하여 3차원 영상 신호를 생성할 수 있다. 또한, ISP(26)는 에지를 강화하는 에지 강화 기능, 의사 색 성분을 억제 하는 기능 등을 더 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 거리 센서(10)가 포함된 반도체 시스 템(200)의 개략적인 블록도이다.
예컨대, 상기 반도체 시스템(200)은 컴퓨터 시스템(computer system), 휴대용 통신 단말기(mobile communication terminal), 카메라 시스템(camera system), 스캐너(scanner), 네비게이션 시스템(navigation system), 비디오폰(videophone), 감독 시스템(supervision system), 자동 포커스 시스템(automatic focus system), 추적 시스템(tracing system), 동작 감시 시스템(operation monitoring system), 이미지 안정화 시스템(image stabilization system) 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 9를 참조하면, 반도체 시스템(200)의 한 종류인 컴퓨터 시스템은 버스(500), 중앙 정보 처리 장치(CPU)(300), 거리 센서 (10) 및 메모리 장치(400)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 시스템(200)은 상기 버스(500)에 접속되어 외부와 통신할 수 있는 인터페이스(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기서 인터페이스는 예컨대, I/O 인터페이스일 수 있으며, 무선(wireless) 인터페이스일 수 있다.
상기 CPU(300)는 상기 거리 센서(10)의 동작을 제어할 수 있는 제어 신호를 생성할 수 있으며, 상기 버스(500)를 통해 상기 거리 센서(10)에 제어 신호를 제공할 수 있다.
상기 메모리 장치는(400)는 상기 거리 센서(10)로부터 출력되는 거리 정보 또는 거리 정보를 포함하는 3차원 영상 신호를 상기 버스(500)를 통해 제공받고, 이를 저장할 수 있다.
한편, 상기 거리 센서(10)는 상기 CPU(300), 및 상기 메모리 장치(400) 등과 함께 집적될 수 있으며, 경우에 따라서는 디지털 신호 처리 장치(Digital Signal Processor; DSP)가 함께 집적되거나, 또는 상기 거리 센서(10)만 별개의 칩에 집적될 수도 있다. 또한 거리 센서 (10) 대신에 상술한 3차원 이미지 센서(10')가 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 본 발명에 따른 온라인 광고 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드는 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 전송될 수도 있다.
또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인 (functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리 센서의 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1에 도시된 광 검출부의 일 예를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 거리 센서의 거리 산출 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 센서의 거리 산출 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 거리 산출 방법을 수행하는 거리 센서의 동작 타이밍도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 거리 센서에서 검출 시점에 따른 전하량을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 산출 방법을 수행하는 거리 센서의 동작 타이밍도이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 센서에서 검출 시점에 따른 전하량을 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6d는 각각 본 발명의 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 회로도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 단위 픽셀 어레이를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 7b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 단위 픽셀 어레이를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 거리 센서가 포함된 반도체 시스템의 개략적인 블록도이다.

Claims (10)

  1. 광원을 주기적으로 온/오프함으로써 타겟 물체로 주기적으로 빛을 전송하는 단계;
    상기 타겟 물체로부터 반사된 빛이 광 검출부로 수신되는 단계; 및
    상기 광 검출부가 수신된 빛을 검출하는 시점을 다르게 조절하여, 서로 다른 검출 시점에 기초하여 복수의 전하량을 검출하고, 검출된 전하량의 변화량을 측정하고, 상기 변화량의 방향 변화에 따라 검출된 전하량에 기초하여 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하는 단계를 구비하며,
    상기 검출 시점은, 상기 광원을 온(ON)하는 시점인 기준시점에 대해 순차적으로 감소 또는 증가되는 시간만큼 지연되도록 설정되거나 상기 기준시점에 대해 미리 정해진 지연량 패턴에 상응하는 시간만큼 지연되도록 설정되며,
    상기 광 검출부로 수신되는 빛은 제1 시점에 상기 광원에서 빛이 전송된 이후 상기 제1 시점으로부터 제1 지연시간 이후 주기적으로 수신되며,
    상기 수신되는 빛에 대한 상기 복수의 전하량은 서로 다른 제2 지연시간에 따른 상기 서로 다른 검출 시점에 기초하여 검출되는 거리 센서의 거리 산출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 거리를 산출하는 단계는
    상기 조절된 검출 시점으로부터 미리 정해진 검출 시간 동안 상기 수신된 빛에 의해 발생된 전하량을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 전하량 중 최대 전하량에 상응하는 검출 시점에 기초하여 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하는 단계를 구비하는 거리 센서의 거리 산출 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전하량을 검출하는 단계는
    동일한 검출 시점에 대하여 복수회 반복하여 수행되는 거리 센서의 거리 산출 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 방법은
    동일한 검출 시점에 대하여 복수회 반복하여 검출된 전하량을 평균 또는 누적하는 단계를 더 구비하는 거리 센서의 거리 산출 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 거리를 산출하는 단계는
    상기 광 검출부에 구비된 다수의 광 검출 소자별로 기준 시점과 상기 검출 시점 간의 간격을 다르게 설정하는 단계;
    상기 광 검출 소자별로 설정된 조절된 검출 시점부터 미리 정해진 검출 시간 동안 상기 수신된 빛에 의해 발생된 전하량을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 전하량 중 최대 전하량에 상응하는 검출 시점에 기초하여 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하는 단계를 구비하는 거리 센서의 거리 산출 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 거리를 산출하는 단계에서의 상기 검출된 전하량은
    동일한 검출 시점에 대하여 복수회 반복적으로 검출된 전하량의 평균 또는 누적 값인 거리 센서의 거리 산출 방법.
  7. 제2항 또는 제5항에 있어서,
    상기 검출 시점은 상기 광 검출부의 해당 광 검출 소자를 온(ON)하는 시점인 거리 센서의 거리 산출 방법.
  8. 주기적으로 온/오프됨으로써, 타겟 물체로 주기적으로 빛을 전송하는 광원;
    상기 타겟 물체로부터 반사된 빛을 수신하고, 상기 수신된 빛의 양에 따라 가변되는 전하를 생성하는 광 검출부; 및
    상기 광원의 온/오프 타이밍 및 상기 광 검출부가 상기 수신된 빛을 검출하는 검출시점을 조절하는 제어부를 구비하며,
    상기 광 검출부의 서로 다른 검출 시점에 기초하여 복수의 전하량을 검출하고, 검출된 전하량의 변화량을 측정하고, 상기 변화량의 방향 변화에 따라 검출된 전하량에 기초하여 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하며,
    상기 검출 시점은, 상기 광원을 온(ON)하는 시점인 기준시점에 대해 순차적으로 감소 또는 증가되는 시간만큼 지연되도록 설정되거나 상기 기준시점에 대해 미리 정해진 지연량 패턴에 상응하는 시간만큼 지연되도록 설정되며,
    상기 광 검출부로 수신되는 빛은 제1 시점에 상기 광원에서 빛이 전송된 이후 상기 제1 시점으로부터 제1 지연시간 이후 주기적으로 수신되며,
    상기 수신되는 빛에 대한 상기 복수의 전하량은 서로 다른 제2 지연시간에 따른 상기 서로 다른 검출 시점에 기초하여 검출되는 거리 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 거리센서는
    신호처리부를 더 구비하며,
    상기 광 검출부는 상기 조절된 검출 시점으로부터 미리 정해진 검출 시간 동안 상기 수신된 빛에 의해 발생된 전하량을 검출하며,
    상기 신호처리부는 상기 검출된 전하량 중 최대 전하량에 상응하는 검출 시점에 기초하여 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하는 거리 센서.
  10. 주기적으로 온/오프됨으로써, 타겟 물체로 주기적으로 빛을 전송하는 광원;
    칼라 픽셀들 및 상기 타겟 물체로부터 반사된 빛을 수신하고, 상기 수신된 빛의 양에 따라 가변되는 전하를 생성하는 광 검출 소자들의 배열을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 광원의 온/오프 타이밍 및 상기 광 검출 소자들이 상기 수신된 빛을 검출하는 검출시점을 조절하는 제어부; 및
    상기 광 검출 소자들의 서로 다른 검출 시점에 기초하여 복수의 전하량을 검출하고, 검출된 전하량의 변화량을 측정하고, 상기 변화량의 방향 변화에 따라 검출된 전하량에 상응하는 검출 시점에 기초하여 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출하고, 상기 산출된 거리 정보와 상기 칼라 픽셀들로부터 출력된 신호를 이용하여 3차원 이미지 신호를 생성하는 신호 처리부를 구비하며,
    상기 검출 시점은, 상기 광원을 온하는 시점인 기준시점에 대해 순차적으로 감소 또는 증가되는 시간만큼 지연되도록 설정되거나 상기 기준시점에 대해 미리 정해진 지연량 패턴에 상응하는 시간만큼 지연되도록 설정되는 3차원 이미지 센서.
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