KR101812035B1 - 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서, 이미지 센서의 동작 방법 및 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

하나의 픽셀로부터 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서를 동작하는 방법에 대하여 계시된다. 본 발명의 이미지 센서는 가시광선, 백색광 또는 화이트 LED 광 등의 변조 광을 조사하는 광원을 사용한다. 이미지 센서는 광원에서 타겟 대상물로 변조 광을 조사하고, 대상물에서 반사되는 광이 입사되는 적어도 하나의 픽셀로부터 픽셀 신호들을 취득하고, 픽셀 신호들에 기초하여 컬러 이미지를 생성함과 동시에 깊이 이미지를 생성한다.

Description

컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서, 이미지 센서의 동작 방법 및 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템{Image sensor and method for obtaining color image and depth image simultaneously}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서, 이미지 센서의 동작 방법 및 이미지 처리 시스템에 관한 것이다.
디지털 카메라, 디지털 캠코더 및 이들의 기능을 포함하는 휴대폰 등이 널리 보급됨에 따라, 이미지 센서가 급속히 발전하고 있다. 이미지 센서는 광학 영상을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치이다. 입체 영상 이미지에 대한 요구에 따라, 컬러 이미지(color image)와 깊이 이미지(depth image)를 동시에 촬영할 수 있는 기술이 개발되고 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서, 상기 이미지 센서의 동작 방법, 상기 이미지 센서의 동작 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 그리고 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는 복수개의 픽셀들을 포함하고, 상기 복수개의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀로부터 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는, 변조 광을 타겟 대상물로 조사하는 광원, 변조 광과 소정의 위상 차를 갖는 게이트 신호들에 응답하여 타겟 대상물로부터 반사되는 광에 따라 픽셀 신호들을 출력하는 집적 회로 칩에 형성된 광전 변환 영역에 하나의 포토 게이트를 포함하고, 변조 광과의 위상 차가 각각 0도, 90도, 180도 그리고 270도인 제1 내지 제4 게이트 신호들이 포토 게이트로 순차적으로 인가되어 제1 내지 제4 픽셀 신호들을 출력하는 적어도 하나의 픽셀, 제1 내지 제4 픽셀 신호들을 합산하여 컬러 이미지를 생성하는 컬러 계산부, 그리고 제2 픽셀 신호와 제4 픽셀 신호와의 차이와, 제1 픽셀 신호와 제3 픽셀 신호와의 차이의 비를 아크탄젠트한 값에 기초하여 깊이 이미지를 생성하는 깊이 계산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는, 변조 광을 타겟 대상물로 조사하는 광원, 변조 광과 소정의 위상 차를 갖는 게이트 신호들에 응답하여 타겟 대상물로부터 반사되는 광에 따라 픽셀 신호들을 출력하는 집적 회로 칩에 형성된 광전 변환 영역에 두 개의 포토 게이트들을 포함하고, 변조 광과의 위상 차가 각각 0도와 180도인 제1 및 제3 게이트 신호들이 제1 및 제2 포토 게이트들로 동시에 인가되어 제1 및 제3 픽셀 신호들을 출력하고, 변조 광과의 위상 차가 각각 90도와 270도인 제2 및 제4 게이트 신호들이 제1 및 제2 포토 게이트들로 동시에 인가되어 제2 및 제4 픽셀 신호들을 출력하는 적어도 하나의 픽셀, 제1 내지 제4 픽셀 신호들을 합산하여 컬러 이미지를 생성하는 컬러 계산부, 그리고 제2 픽셀 신호와 제4 픽셀 신호와의 차이와, 제1 픽셀 신호와 제3 픽셀 신호와의 차이의 비를 아크탄젠트한 값에 기초하여 깊이 이미지를 생성하는 깊이 계산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법은, 광원에서 타겟 대상물로 변조 광을 조사하는 단계, 변조 광과 소정의 위상 차를 갖는 게이트 신호들에 응답하여 상기 타겟 대상물에서 반사되는 광이 입사되는 적어도 하나의 픽셀로부터 픽셀 신호들을 취득하는 단계, 그리고 상기 픽셀 신호들로부터 깊이 이미지를 생성함과 동시에 컬러 이미지를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 처리 시스템은, 이미지 센서와 상기 이미지 센서를 제어하는 프로세서를 포함하고, 상기 이미지 센서는 복수개의 픽셀들을 포함하고, 상기 복수개의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀로부터 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻을 수 있다.
상술한 본 발명의 이미지 센서는 가시광선, 백색광 또는 화이트 LED 광을 변조 광원으로 사용하여 하나의 픽셀로부터 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻는다. 이에 따라, 본 발명의 이미지 센서는 종래의 이미지 센서가 낮은 수광 효율을 갖는 적외선을 사용하여 컬러 픽셀에 비해 많은 수광 면적을 요구하는 문제점과 컬러 픽셀의 불균일한 분포로 인해 컬러 이미지의 품질이 저하되는 문제점을 해결한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 하나의 픽셀에 대응하는 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 하나의 픽셀 등가 회로에 대응하는 반도체 소자의 일부 단면을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3의 제1 및 제2 포토 게이트들에 의한 동작을 설명하는 제1 예의 도면이다.
도 5는 도 3의 제1 및 제2 포토 게이트들에 의한 동작을 설명하는 제2 예의 도면이다.
도 6은 도 1의 픽셀 어레이 상에 배치되는 컬러 필터 어레이를 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6의 컬러 필터 어레이 일부의 I-I' 선에 따른 단면을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 6의 X11 적색 픽셀에서의 제1 내지 제4 픽셀 신호들의 타이밍을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 6의 X12 녹색 픽셀에서의 제1 내지 제4 픽셀 신호들의 타이밍을 설명하는 도면이다.
도 10은 도 6의 X22 청색 픽셀에서의 제1 내지 제4 픽셀 신호들의 타이밍을 설명하는 도면이다.
도 11a 내지 도 11h는 쌍선형 보간법을 이용하여 주어진 픽셀에서 손실된 컬러를 보간하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 12는 도 1의 이미지 센서의 동작 방법을 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하는 도면이다.
도 14a 내지 도 14d는 도 13의 하나의 픽셀에 대응하는 등가 회로를 설명하는 도면들이다.
도 15는 도 14a의 픽셀에서 출력되는 픽셀 신호들의 타이밍을 설명하는 도면이다.
도 16은 도 1의 이미지 센서 또는 도 13의 이미지 센서를 이용하는 이미지 처리 시스템을 보여주는 도면이다.
도 17은 도 16의 이미지 처리 시스템을 포함하는 컴퓨터 시스템을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이미지 센서는 픽셀(pixel) 또는 포토 사이트(photosite)로 불리는 작은 포토 다이오드들(photodiode)들의 어레이로서 구성된다. 일반적으로, 픽셀은 빛으로부터 색상을 직접적으로 추출할 수 없으며, 넓은 스펙트럼 밴드의 광자(photon)를 전자로 변환한다. 이미지 센서의 픽셀은 넓은 스펙트럼 밴드의 빛 중 색상 획득에 필요한 밴드의 빛만을 입력 받을 필요가 있다. 이미지 센서의 픽셀은 컬러 필터(color filter) 등과 결합하여 특정 색상에 대응하는 광자만을 전자로 변환할 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서는 컬러 이미지를 획득한다.
이미지 센서를 이용하여 깊이 이미지를 획득하기 위해서는 물체와 이미지 센서 간의 거리에 관한 정보를 얻을 필요가 있다. 광의 비행 시간(Time Of Flight: TOF)을 이용하여 물체와 이미지 센서 간의 거리에 관해 재구성된 영상을 깊이 이미지로 표현한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 광원(50)으로부터 반복 펄스 신호로서 조사되는 변조 광(EL)은 타겟 대상물(52)에서 반사되고, 반사된 광(RL)은 렌즈(54)를 통하여 이미지 센서(10)에 입사된다. 변조 광(EL)은 가시광선, 백색광 또는 화이트 LED 광 등이 될 수 있다. 이미지 센서(10)는 입사한 펄스 광을 광 신호로서 수광하여 대상물(52)의 컬러 이미지와 깊이 이미지로 변환한다. 이미지 센서(10)는 픽셀 어레이부(12), 타이밍 발생 회로(14), 로우 디코더(16) 그리고 화상 처리부(17)를 포함한다.
픽셀 어레이부(12)는 행들과 열들로 배열되는 2차원 매트릭스형으로 복수의 픽셀들(Xij, i=1~m, j=1~n)이 배열되어 있고, 사각형상의 촬상 영역을 구성하고 있다. 픽셀들(Xij, i=1~m, j=1~n)은 행 주소와 열 주소의 조합에 의해 접근된다. 픽셀들(Xij, i=1~m, j=1~n)은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트 또는 핀드 포토 다이오드로 구현되는 적어도 하나의 광전 변환 소자를 포함한다. 픽셀들(Xij, i=1~m, j=1~n)은 광전 변환 소자와 연결되는 전달 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 선택 트랜지스터 그리고 리셋 트랜지스터를 포함할 수 있다. 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)에서 출력되는 픽셀 신호들은 비트라인들(BLA, BLB, …)을 통하여 출력된다.
타이밍 발생 회로(14)는 로우 디코더(16)와 화상 처리부(17)의 동작 타이밍을 제어한다. 타이밍 발생 회로(14)는 로우 디코더(16)와 화상 처리부(17)에 타이밍 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.
로우 디코더(16)는 픽셀 어레이(12)의 각 행을 구동하는 구동 신호들, 예컨대, 전달 신호(TG), 리셋 신호(RS), 선택 신호(SEL) 등과 게이트 신호들(GA, GB, GC. GD)을 발생한다. 로우 디코더(16)는 구동 신호들과 게이트 신호들(GA, GB, GC, GD, etc)에 응답하여 픽셀 어레이(12)의 복수의 픽셀들(Xij, i=1~m, j=1~n)을 행 단위로 선택한다.
화상 처리부(17)는 픽셀들(Xij, i=1~m, j=1~n)에서 출력되는 픽셀 신호들로부터 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 생성한다. 화상 처리부(17)는 CDS/ADC부(18), 메모리(20) 그리고 컬러 및 깊이 계산부(22)를 포함한다.
CDS/ADC부(Correlated Double Sampling and Analog Digital Converter, 18)는 픽셀 어레이부(12)의 비트라인들(BLA, BLB,, …)으로 전달되는 선택된 1행 분의 픽셀 신호들에 대하여 상관 이중 샘플링하여 노이즈를 캔슬한다. 설명의 편의를 위하여, 본 실시예에서는 선택된 1행 분의 픽셀 신호들 중 하나의 픽셀(X11)에서 출력되는 픽셀 신호들(A'0, A'1, A'2, A'3)이 2개의 비트라인(BLA, BLB)을 통하여 CDS/ADC부(18)로 전달되는 모습을 나타내었다. CDS/ADC부(18)는 노이즈 캔슬된 픽셀 신호와 램프 발생기(미도시)로부터 출력되는 램프 신호를 비교한다. CDS/ADC부(18)는 비교 결과 출력되는 신호를 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)로 변환한다.
메모리(20)는 CDS/ADC부(18)에서 출력되는 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)를 저장하고, 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)를 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 생성하는 컬러 및 깊이 계산부(22)로 제공한다.
컬러 및 깊이 계산부(22)는 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)에 기초하여 해당 픽셀의 컬러 정보를 계산함과 동시에 깊이 정보를 계산하여 컬러 이미지 및 깊이 이미지를 생성한다. 컬러 및 깊이 계산부(22)의 동작 설명은 후술된다.
도 2는 도 1의 하나의 픽셀(X11)에 대응하는 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀(X11)은 광전 변환 영역(60)에 두 개의 포토 게이트(PX1, PX2)가 형성되어 있는 2-탭 픽셀 구조를 갖는다. 픽셀(X11)은 제1 포토 게이트(PX1)와 연결되는 제1 전달 트랜지스터(TX1), 제1 드라이브 트랜지스터(DX1), 제1 선택 트랜지스터(SX1) 그리고 제1 리셋 트랜지스터(RX1)를 포함한다. 또한, 픽셀(X11)은 제2 포토 게이트(PX2)와 연결되는 제2 전달 트랜지스터(TX2), 제2 드라이브 트랜지스터(DX2), 제2 선택 트랜지스터(SX2) 그리고 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 포함한다.
광전 변환 영역(60)은 빛을 감지할 수 있다. 광전 변환 영역(60)은 감지된 빛에 의해 전자-정공 쌍(EHP)을 생성한다. 제1 포토 게이트(PX1)에는 제1 게이트 신호(GA)로 인가되는 전압에 의해 디플리션 영역이 형성되고, 이 디플리션 영역에 의하여 EHP의 전자와 정공이 분리되고, 전자는 제1 포토 게이트(PX1) 하부에 축적된다.
제1 전달 트랜지스터(TX1)는 제1 전달 신호(TG1)가 그 게이트에 연결되고, 제1 포토 게이트(PX1)가 그 드레인에 연결되고, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 그 소스에 연결된다. 제1 전달 트랜지스터(TX1)는 제1 전달 신호(TG1)에 응답하여 제1 포토 게이트(PX1) 하부의 전자를 전달한다. 제1 전달 트랜지스터(TX1)는 제1 전달 신호(TG1)에 의해 제1 포토 게이트(PX1)와 제1 플로팅 확산 영역(FD1)을 전기적으로 연결하거나 차단한다.
제1 드라이브 트랜지스터(DX1)는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 제1 선택 트랜지스터(SX1)에 그 소스가 연결된다. 제1 드라이브 트랜지스터(DX1)의 소스 단자의 전압은 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압에 의해 결정된다. 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압은 제1 포토 게이트(PX1)에서 전달되는 전자의 양에 의해 결정된다.
제1 선택 트랜지스터(SX1)는 행 제어 신호인 제1 선택 신호(SEL1)가 그 게이트에 연결되고, 제1 드라이브 트랜지스터(DX1)의 소스가 그 드레인에 연결되고, 픽셀 어레이(12) 내 비트라인(미도시)에 그 소스가 연결된다. 픽셀 어레이(12) 내 비트라인(BLA)으로 픽셀 신호(A'0(A'2))가 출력된다.
제1 리셋 트랜지스터(RX1)는 제1 리셋 신호(RS1)가 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 그 소스에 연결된다. 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압에 기초하여 픽셀 정보 검출 과정이 수행된 후, 제1 리셋 신호(RS1)가 활성화되면 제1 리셋 트랜지스터(RX1)는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압을 전원 전압(VDD)으로 리셋시킨다.
제2 포토 게이트(PX2)에는 제2 게이트 신호(GB)로 인가되는 전압에 의해 디플리션 영역이 형성되고, 이 디플리션 영역에 의하여 EHP의 전자와 정공이 분리되고, 전자는 제2 포토 게이트(PX2) 하부에 축적된다.
제2 전달 트랜지스터(TX2)는 제2 전달 신호(TG2)가 그 게이트에 연결되고, 제2 포토 게이트(PX2)가 그 드레인에 연결되고, 제2 플로팅 확산 영역(FD2)이 그 소스에 연결된다. 제2 전달 트랜지스터(TX2)는 제2 전달 신호(TG2)에 응답하여 제2 포토 게이트(PX2) 하부의 전자를 제2 플로팅 확산 영역(FD2)으로 전달한다. 제2 전달 트랜지스터(TX2)는 제2 전달 신호(TG2)에 의해 제2 포토 게이트(PX2)와 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 전기적으로 연결하거나 차단한다.
제2 드라이브 트랜지스터(DX2)는 제2 플로팅 확산 영역(FD2)이 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 제2 선택 트랜지스터(SX2)에 그 소스가 연결된다. 제2 드라이브 트랜지스터(DX2)의 소스 단자의 전압은 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 전압에 의해 결정된다. 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 전압은 제2 포토 게이트(PX2)에서 전달되는 전자의 양에 의해 결정된다.
제2 선택 트랜지스터(SX2)는 행 제어 신호인 제2 선택 신호(SEL2)가 그 게이트에 연결되고, 제2 드라이브 트랜지스터(DX2)의 소스가 그 드레인에 연결되고, 픽셀 어레이(12) 내 비트라인(미도시)에 그 소스가 연결된다. 픽셀 어레이(12) 내 비트라인(BLB)으로 픽셀 신호(A'1(A'3))가 출력된다.
제2 리셋 트랜지스터(RX2)는 제2 리셋 신호(RS2)가 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 제2 플로팅 확산 영역(FD2)이 그 소스에 연결된다. 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 전압에 기초하여 픽셀 정보 검출 과정이 수행된 후, 제2 리셋 신호(RS2)가 활성화되면 제2 리셋 트랜지스터(RX2)는 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 전압을 전원 전압(VDD)으로 리셋시킨다.
도 3은 도 2의 하나의 픽셀 등가 회로에 대응하는 반도체 소자의 일부 단면을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 도전형, 예컨대 p형의 반도체 기판(70)에는 대상물(52, 도 1)로부터의 반사광(RL)을 광 신호로서 수광하여 EHP를 생성하는 광전 변환 영역(60)이 형성되어 있다. 광전 변환 영역(60) 상부에 이격되어 2개의 포토 게이트(PX1, PX2)가 형성되어 있다. 반도체 기판(70) 표면의 일부에 매립되고, 포토 게이트(PX1, PX2)에 의해 EHP에서 분리되는 신호 전자를 축적하는 고농도의 제2 도전형, 예컨대 n+형의 전하 저장 영역(62, 64)이 형성되어 있다. 반도체 기판(70) 표면에 전하 저장 영역(62, 64)과 이격되어 매립되는 고농도의 제2 도전형의 플로팅 확산 영역(FD1, FD2)이 형성되어 있다. 전하 저장 영역(62, 64)과 플로팅 확산 영역(FD1, FD2) 사이의 반도체 기판(70) 상부에 전달 트랜지스터(TX1, TX2)의 게이트 전극이 형성되어 있다.
도 1에 나타낸 광원(50)으로부터 조사된 변조 광은, 대상물(52)에서 반사되고, 렌즈(54)를 통해 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)에 입사한다. 각각의 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n) 중 하나의 픽셀(X11)은 차광막(72)의 개구부(74)를 통하여 반사광(RL)이 광전 변환 영역(60)으로 입사된다. 광전 변환 영역(60)은 반사광(RL)에 의해 EHP를 생성한다. 제1 포토 게이트(PX1)와 제2 포토 게이트(PX2) 각각에는 제1 게이트 신호(GA)와 제2 게이트 신호(GB)가 인가된다. 제1 게이트 신호(GA)와 제2 게이트 신호(GB)는 서로 위상이 다른 펄스 전압으로 인가된다. 예시적으로, 제1 게이트 신호(GA)와 제2 게이트 신호(GB)는 180도 위상 차를 가질 수 있다.
제1 게이트 신호(GA)에 예컨대, 2~3 V 정도의 전압이 인가되면, 제1 포토 게이트(PX1) 아래의 광전 변환 영역(60)에 디플리션 영역(61)이 크게 형성된다. 반사광(RL)에 의해서 생성된 EHP의 전자들이 디플리션 영역(61)을 따라서 전하 저장 영역(62)으로 이동하여 저장된다. 이 때, 제2 게이트 전압(GB)에는 접지 전압(VSS)이 인가되어 제2 포토 게이트(PX2) 아래의 광전 변환 영역(60)에는 디플리션 영역(63)이 거의 형성되지 않는다.
같은 맥락으로, 제2 게이트 신호(GB)에 2~3 V 정도의 전압이 인가되면, 제2 포토 게이트(PX2) 아래의 광전 변환 영역(60)에 디플리션 영역(63)이 크게 형성될 수 있다. 반사광(RL)에 의해서 생성된 EHP의 전자들이 디플리션 영역(63)을 따라서 전하 저장 영역(64)으로 이동하여 저장될 수 있다. 이 때, 제1 게이트 전압(GA)에는 접지 전압(VSS)이 인가되어 제1 포토 게이트(PX1) 아래의 광전 변환 영역(60)에는 디플리션 영역(61)이 거의 형성되지 않지 않을 수 있다.
도 4는 도 3의 제1 및 제2 포토 게이트들(PX1, PX2)에 의한 동작을 설명하는 제1 예의 도면이다.
도 4를 참조하면, 광원(50, 도 1)으로부터 조사된 변조 광(EL)과 대상물(52)에서 반사되어 픽셀(X11)로 입사되는 반사광(RL)이 도시되어 있다. Tint는 빛이 조사되는 시간으로 적분 시간을 나타낸다. 위상차(
Figure 112010078829694-pat00001
)는 조사된 광(EL)이 대상물(52)에 의해 반사되고, 반사광(RL)이 이미지 센서(10, 도 1)에 의해 감지될 때까지의 시간을 나타낸다. 위상차(
Figure 112010078829694-pat00002
)로부터 대상물(52)과 이미지 센서(10) 간의 거리 정보를 계산할 수 있다.
제1 포토 게이트(PX1)에 인가되는 제1 게이트 신호(GA)와 제2 포토 게이트(PX2)에 인가되는 제2 게이트 신호(GB)는 180도의 위상 차를 갖는다. 제1 게이트 신호(GA)에 응답하여 전하 저장 영역(62)에 축적되는 제1 픽셀 신호(A'0)는 제1 게이트 신호(GA)와 반사광(RL)이 오버랩되는 부분으로 표시된다. 제2 게이트 신호(GB)에 응답하여 전하 저장 영역(64)에 축적되는 제2 픽셀 신호(A'1)는 제2 게이트 신호(GB)와 반사광(RL)이 오버랩되는 부분으로 표시된다. 제1 픽셀 신호(A'0)와 제2 픽셀 신호(A'1)는 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.
[수학식1]
Figure 112010078829694-pat00003
Figure 112010078829694-pat00004
여기에서, a1 , n은 조사 광(EL)과의 위상 차가 0도인 제1 게이트 신호(GA)를 n(n은 자연수)번째 인가했을 때, 픽셀(X11)에서 생성되는 전자의 수를 나타낸다. a2, n은 조사 광(EL)과의 위상 차가 180도인 제2 게이트 신호(GB)를 n(n은 자연수)번째 인가했을 때, 픽셀(X11)에서 생성되는 전자의 수를 나타낸다. N은 조사 광(EL)의 주파수(fm)에다가 적분 시간(Tint)을 곱한 값, 즉 N=fm*Tint로 나타낸다.
도 5는 도 3의 제1 및 제2 포토 게이트들(PX1, PX2)에 의한 동작을 설명하는 제2 예의 도면이다.
도 5를 참조하면, 광원(50, 도 1)으로부터 조사된 광(EL)과 대상물(52)에서 반사되어 픽셀(X11)로 입사되는 반사광(RL)이 도시되어 있다. 서로 180도 위상 차를 갖는 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)이 제1 포토 게이트(PX1)와 제2 포토 게이트(PX2)에 각각 인가되고, 서로 180도 위상 차를 갖는 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)이 제1 포토 게이트(PX1)와 제2 포토 게이트(PX2)에 각각 인가된다. 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)과 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)은 적분 시간(Tint)을 사이에 두고 순차적으로 인가된다.
제1 시점(t0)에서, 제1 게이트 신호(GA)에 응답하여 전하 저장 영역(62)에 축적되는 제1 픽셀 신호(A'0)와 제3 게이트 신호(GC)에 응답하여 전하 저장 영역(64)에 저장되는 제3 픽셀 신호(A'2)가 출력된다.
제2 시점(t1)에서, 제2 게이트 신호(GB)에 응답하여 전하 저장 영역(62)에 축적되는 제2 픽셀 신호(A'1)와 제4 게이트 신호(GD)에 응답하여 전하 저장 영역(64)에 저장되는 제4 픽셀 신호(A'3)가 출력된다. 제1 시점(t0)과 제2 시점(t1) 사이에는 적분 시간(Tint)이 존재한다.
제1 픽셀 신호(A'0), 제2 픽셀 신호(A'1), 제3 픽셀 신호(A'2), 제4 픽셀 신호(A'3)는 수학식 2과 같이 표시될 수 있다.
[수학식2]
Figure 112010078829694-pat00005
여기에서, ak , n은 k에 해당하는 위상 차로 n(n은 자연수)번째의 해당 게이트 신호를 인가했을 때, 픽셀(X11)에서 생성되는 전자의 수를 나타낸다. 조사 광(EL)을 기준으로 제1 게이트 신호(GA)와의 위상 차가 0도일 때 k는 0이고, 조사 광(EL)을 기준으로 제2 게이트 신호(GB)와의 위상차가 90도일 때 k는 1이고, 조사 광(EL)을 기준으로 제3 게이트 신호(GC)와의 위상차가 180도일 때 k는 2이고, 조사 광(EL)을 기준으로 제4 게이트 신호(GB)와의 위상차가 270도일 때 k는 3이다. N=fm*Tint이고, fm은 조사 광(EL)의 주파수를 나타내고, Tint는 적분 시간을 나타낸다.
제1 내지 제4 픽셀 신호들(A'0, A'1, A'2, A'3)은 수학식 3과 같이 간략화될 수 있다.
[수학식3]
Figure 112010078829694-pat00006
Figure 112010078829694-pat00007
Figure 112010078829694-pat00008
Figure 112010078829694-pat00009
여기에서,
Figure 112010078829694-pat00010
는 백그라운드 오프셋(background offset)을 나타내고,
Figure 112010078829694-pat00011
는 디모듈레이션 인텐시티(demodulation intensity)를 나타낸다. 디모듈레이션 인텐시티(
Figure 112010078829694-pat00012
)는 반사광(RL)의 강도를 의미한다.
이 때, 위상차(
Figure 112010078829694-pat00013
)는 수학식 4와 같이 계산할 수 있다.
[수학식4]
Figure 112010078829694-pat00014
한편, 이미지 센서(10)는 광원(50)으로부터 조사된 광(EL)과 대상물(52)에 의하여 반사되어 입사되는 반사광(RL) 사이의 시간 차(tΔ)와 대상물(52)까지의 거리(d)를 수학식 5와 같이 추정할 수 있다.
[수학식5]
Figure 112010078829694-pat00015
여기에서, c는 광속을 나타낸다.
따라서, 컬러 및 깊이 계산부(22)는 수학식 4와 수학식 5를 이용하여 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00016
)를 수학식 6과 같이 계산할 수 있다.
[수학식6]
Figure 112010078829694-pat00017
도 1의 이미지 센서(10)는 컬러 이미지를 획득하기 위하여, 도 6의 컬러 필터 어레이를 픽셀 어레이(12) 상에 배치한다.
도 6을 참조하면, 컬러 필터 어레이는 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)에 대하여 하나의 컬러 필터가 배치된다. 도 6의 컬러 필터 어레이는 각각의 2X2 픽셀 세트에 대해, 2개의 대각선으로 마주보는 픽셀에는 녹색 필터를 갖고, 나머지 2개 픽셀은 적색 및 청색 필터를 갖는다. 사람의 눈은 녹색에 관한 감도(sensitivity)가 가장 높기 때문에 녹색 필터를 2개 사용한다. 이러한 컬러 필터 어레이를 바이엘 패턴이라 부른다.
"R"이라 표시된 픽셀은 적색에 관한 픽셀 이미지를 얻는 동작을 수행하고, "G"라 표시된 픽셀은 녹색에 관한 픽셀 이미지를 얻는 동작을 수행하고, "B"라 표시된 픽셀은 청색에 관한 픽셀 이미지를 얻는 동작을 수행한다.
도 6에는 적색, 녹색, 청색에 기초한 바이엘 패턴이 도시되었으나, 본 발명의 실시예는 이에 국한되지 않고, 다양한 필터 패턴들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 옥색(Cyan color), 자청색(Magenta color) 및 노란색(yellow color)에 기초한 CMY 컬러 패턴이 이용될 수도 있다.
도 7은 도 6의 픽셀 어레이 일부의 I-I'선에 따른 단면을 설명하는 도면이다.
설명의 편의를 위하여, 도 3에서 차광막(72)의 개구부(74)를 통하여 반사광(RL)이 광전 변환 영역(60)으로 입사되는 부분만을 각 픽셀(X11, X12, X22)에 표시하였다.
도 7을 참조하면, 광원(50, 도 1)으로부터 조사된 광(EL)이 대상물(52)에서 반사되어 각 픽셀(X11, X12, X22)로 입사된다. X11 픽셀로는 적색 필터(81)를 통과한 적색 반사광이 광전 변환 영역(60R)으로 입사된다. 광전 변환 영역(60R)은 적색 반사광에 의해 EHP를 생성한다. X12 픽셀로는 녹색 필터(82)를 통과한 녹색 반사광이 광전 변환 영역(60G)으로 입사된다. 광전 변환 영역(60G)은 녹색 반사광에 의해 EHP를 생성한다. X22 픽셀로는 청색 필터(83)를 통과한 청색 반사광이 광전 변환 영역(60B)로 입사된다. 광전 변환 영역(60B)은 청색 반사광에 의해 EHP를 생성한다.
X11 적색 픽셀에서, 서로 180도 위상 차를 갖는 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)과 제1 포토 게이트(PX1)와 제2 포토 게이트(PX2)에 각각 인가되고, 서로 180도 위상 차를 갖는 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)이 제1 포토 게이트(PX1)와 제2 포토 게이트(PX2)에 각각 인가된다. 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)과 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)은 적분 시간(Tint)을 사이에 두고 순차적으로 인가된다.
제1 게이트 신호(GA)에 응답하여 전하 저장 영역(62R)에 축적되는 제1 픽셀 신호(A'0,R)와 제3 게이트 신호(GC)에 응답하여 전하 저장 영역(64R)에 저장되는 제3 픽셀 신호(A'2,R)가 출력된다. 적분 시간(Tint) 경과 후, 제2 게이트 신호(GB)에 응답하여 전하 저장 영역(62R)에 축적되는 제2 픽셀 신호(A'1,R)와 제4 게이트 신호(GD)에 응답하여 전하 저장 영역(64R)에 저장되는 제4 픽셀 신호(A'3,R)가 출력된다.
X11 적색 픽셀에서의 제1 픽셀 신호(A'0,R), 제2 픽셀 신호(A'1,R), 제3 픽셀 신호(A'2,R), 제4 픽셀 신호(A'3,R)는 수학식 7과 같이 표시될 수 있다.
[수학식7]
Figure 112010078829694-pat00018
Figure 112010078829694-pat00019
Figure 112010078829694-pat00020
Figure 112010078829694-pat00021
수학식 7에서, X11 픽셀의 적색 컬러 값은 백그라운드 오프셋
Figure 112010078829694-pat00022
성분으로부터 또는 디듈레이션 인텐시티
Figure 112010078829694-pat00023
성분으로부터 신호 처리하여 추출할 수 있다. X11 적색 픽셀에서의 제1 픽셀 신호(A'0,R), 제2 픽셀 신호(A'1,R), 제3 픽셀 신호(A'2,R), 제4 픽셀 신호(A'3,R)는 도 8과 같은 타이밍으로 출력된다.
도 8을 참조하면, 제1 시점(t0)에서 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 180도의 위상 차를 갖는 제1 및 제3 게이트 신호들(GA1, GC1)이 적색 픽셀(X11)로 공급되면, 적색 픽셀(X11)은 동시에 측정된 제1 및 제3 픽셀 신호들(A'0,R, A'2,R)을 출력한다. 제2 시점(t1)에서, 서로 180의 위상 차를 갖는 제2 및 제4 게이트 신호들(GB1, GD1)이 적색 픽셀(X11)로 공급되면, 적색 픽셀(X11)은 동시에 측정된 제2 및 제4 픽셀 신호들(A'1,R, A'3,R)을 출력한다. 제1 시점(t0)과 제2 시점(t1) 사이에는 적분 시간(Tint)이 존재한다.
적색 픽셀(X11)은 각 픽셀 신호(A'0,R, A'1,R, A'2,R, A'3,R)를 동시에 측정할 수 없으므로, 적색 픽셀(X11)은 시간 차(Tint)를 두고 두 번에 나누어 두 개씩의 픽셀 신호들을 측정한다.
적색 픽셀(X11)의 제1 내지 제4 픽셀 신호(A'0,R, A'1,R, A'2,R, A'3,R) 각각은, CDS/ADC부(18)을 통하여 상관 더블 샘플링(correlated double sampling)을 수행하고, 아날로그 디지털 변환한 후 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0,R, A1,R, A2,R, A3,R)로 각각 출력된다.
컬러 및 깊이 계산부(22)는 적색 픽셀(X11)의 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0,R, A1,R, A2,R, A3,R)을 합산하여 적색 컬러 정보(
Figure 112010078829694-pat00024
)를 수학식 8과 같이 계산한다.
[수학식 8]
Figure 112010078829694-pat00025
컬러 및 깊이 계산부(22)는 적색 픽셀(X11)의 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0,R, A1,R, A2,R, A3,R)로부터 적색 픽셀(X11)의 위상 차(
Figure 112010078829694-pat00026
R)를 수학식 9에 기초하여 추정할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112010078829694-pat00027
이에 따라, 컬러 및 깊이 계산부(22)에서 적색 픽셀(X11)의 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00028
R)는 수학식 10와 같이 계산된다.
[수학식 10]
Figure 112010078829694-pat00029
도 7의 X12 픽셀에서, 서로 180도 위상 차를 갖는 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)이 제1 포토 게이트(PX1)와 제2 포토 게이트(PX2)에 각각 인가되고, 서로 180도 위상 차를 갖는 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)이 제1 포토 게이트(PX1)와 제2 포토 게이트(PX2)에 각각 인가된다. 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)과 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)은 적분 시간(Tint)을 사이에 두고 순차적으로 인가된다.
제1 게이트 신호(GA)에 응답하여 전하 저장 영역(62G)에 축적되는 제1 픽셀 신호(A'0,G)와 제3 게이트 신호(GC)에 응답하여 전하 저장 영역(64G)에 저장되는 제3 픽셀 신호(A'2,G)가 출력된다. 적분 시간(Tint) 경과 후, 제2 게이트 신호(GB)에 응답하여 전하 저장 영역(62G)에 축적되는 제2 픽셀 신호(A'1,G)와 제4 게이트 신호(GD)에 응답하여 전하 저장 영역(64G)에 저장되는 제4 픽셀 신호(A'3,G)가 출력된다.
X12 픽셀에서의 제1 픽셀 신호(A'0,G), 제2 픽셀 신호(A'1,G), 제3 픽셀 신호(A'2,G), 제4 픽셀 신호(A'3,G)는 수학식 11과 같이 표시될 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112010078829694-pat00030
Figure 112010078829694-pat00031
Figure 112010078829694-pat00032
Figure 112010078829694-pat00033
수학식 11에서, X12 픽셀의 녹색 컬러 값은 백그라운드 오프셋
Figure 112010078829694-pat00034
성분으로부터 또는 디듈레이션 인텐시티
Figure 112010078829694-pat00035
성분으로부터 신호 처리하여 추출할 수 있다. X12 녹색 픽셀에서의 제1 픽셀 신호(A'0,G), 제2 픽셀 신호(A'1,G), 제3 픽셀 신호(A'2,G), 제4 픽셀 신호(A'3,G)는 도 9과 같은 타이밍으로 출력된다.
도 9를 참조하면, 제1 시점(t0)에서 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 180도의 위상 차를 갖는 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)이 녹색 픽셀(X12)로 공급되면, 녹색 픽셀(X12)은 동시에 측정된 제1 및 제3 픽셀 신호들(A'0,G, A'2,G)을 출력한다. 제2 시점(t1)에서, 서로 180의 위상 차를 갖는 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)이 녹색 픽셀(X12)로 공급되면, 녹색 픽셀(X12)은 동시에 측정된 제2 및 제4 픽셀 신호들(A'1,G, A'3,G)을 출력한다. 제1 시점(t0)과 제2 시점(t1) 사이에는 적분 시간(Tint)이 존재한다.
녹색 픽셀(X12)은 각 픽셀 신호(A'0,G, A'1,G, A'2,G, A'3,G)를 동시에 측정할 수 없으므로, 녹색 픽셀(X12)은 시간 차(Tint)를 두고 두 번에 나누어 두 개씩의 픽셀 신호들을 측정한다.
녹색 픽셀(X12)의 제1 내지 제4 픽셀 신호(A'0,G, A'1,G, A'2,G, A'3,G) 각각은, CDS/ADC부(18)을 통하여 상관 더블 샘플링(correlated double sampling)을 수행하고, 아날로그 디지털 변환한 후 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0,G, A1,G, A2,G, A3,G)로 각각 출력된다.
컬러 및 깊이 계산부(22)는 녹색 픽셀(X12)의 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0,G, A1,G, A2,G, A3,G)을 합산하여 녹색 컬러 정보(
Figure 112010078829694-pat00036
)를 수학식 12와 같이 계산한다.
[수학식 12]
Figure 112010078829694-pat00037
컬러 및 깊이 계산부(22, 도 1)는 녹색 픽셀(X12)의 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0,G, A1,G, A2,G, A3,G)로부터 녹색 픽셀(X12)의 위상 차(
Figure 112010078829694-pat00038
G )를 수학식 13에 기초하여 추정할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112010078829694-pat00039
이에 따라, 컬러 및 깊이 계산부(22)에서 녹색 픽셀(X12)의 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00040
G )는 수학식 14와 같이 계산된다.
[수학식 14]
Figure 112010078829694-pat00041
도 7의 X22 픽셀에서, 서로 180도 위상 차를 갖는 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)이 제1 포토 게이트(PX1)와 제2 포토 게이트(PX2)에 각각 인가되고, 서로 180도 위상 차를 갖는 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)이 제1 포토 게이트(PX1)와 제2 포토 게이트(PX2)에 각각 인가된다. 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)과 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)은 적분 시간(Tint)을 사이에 두고 순차적으로 인가된다.
제1 게이트 신호(GA)에 응답하여 전하 저장 영역(62B)에 축적되는 제1 픽셀 신호(A'0,B)와 제3 게이트 신호(GC)에 응답하여 전하 저장 영역(64B)에 저장되는 제3 픽셀 신호(A'2,B)가 출력된다. 적분 시간(Tint) 경과 후, 제2 게이트 신호(GB)에 응답하여 전하 저장 영역(62B)에 축적되는 제2 픽셀 신호(A'1,B)와 제4 게이트 신호(GD)에 응답하여 전하 저장 영역(64B)에 저장되는 제4 픽셀 신호(A'3,B)가 출력된다.
X22 픽셀에서의 제1 픽셀 신호(A'0,B), 제2 픽셀 신호(A'1,B), 제3 픽셀 신호(A'2,B), 제4 픽셀 신호(A'3,B)는 수학식 15과 같이 표시될 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112010078829694-pat00042
Figure 112010078829694-pat00043
Figure 112010078829694-pat00044
Figure 112010078829694-pat00045
수학식 15에서, X22 픽셀의 청색 컬러 값은 백그라운드 오프셋
Figure 112010078829694-pat00046
성분으로부터 또는 디듈레이션 인텐시티
Figure 112010078829694-pat00047
성분으로부터 신호 처리하여 추출할 수 있다. X22 청색 픽셀에서의 제1 픽셀 신호(A'0,B), 제2 픽셀 신호(A'1,B), 제3 픽셀 신호(A'2,B), 제4 픽셀 신호(A'3,B)는 도 10과 같은 타이밍으로 출력된다.
도 10을 참조하면, 제1 시점(t0)에서 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 180도의 위상 차를 갖는 제1 및 제3 게이트 신호들(GA, GC)이 청색 픽셀(X22)로 공급되면, 청색 픽셀(X22)은 동시에 측정된 제1 및 제3 픽셀 신호들(A'0,B, A'2,B)을 출력한다. 제2 시점(t1)에서, 서로 180의 위상 차를 갖는 제2 및 제4 게이트 신호들(GB, GD)이 청색 픽셀(X22)로 공급되면, 청색 픽셀(X22)은 동시에 측정된 제2 및 제4 픽셀 신호들(A'1,B, A'3,B)을 출력한다. 제1 시점(t0)과 제2 시점(t1) 사이에는 적분 시간(Tint)이 존재한다.
청색 픽셀(X22)은 각 픽셀 신호(A'0,B, A'1,B, A'2,B, A'3,B)를 동시에 측정할 수 없으므로, 청색 픽셀(X22)은 시간 차(Tint)를 두고 두 번에 나누어 두 개씩의 픽셀 신호들을 측정한다.
청색 픽셀(X22)의 제1 내지 제4 픽셀 신호(A'0,B, A'1,B, A'2,B, A'3,B) 각각은, CDS/ADC부(18, 도 1)을 통하여 상관 더블 샘플링(correlated double sampling)을 수행하고, 아날로그 디지털 변환한 후 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0,B, A1,B, A2,B, A3,B)로 각각 출력된다.
컬러 및 깊이 계산부(22, 도 1)는 청색 픽셀(X22)의 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0,B, A1,B, A2,B, A3,B)을 합산하여 청색 컬러 정보(
Figure 112010078829694-pat00048
)를 수학식 16과 같이 계산한다.
[수학식 16]
Figure 112010078829694-pat00049
컬러 및 깊이 계산부(22)는 청색 픽셀(X22)의 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0,B, A1,B, A2,B, A3,B)로부터 청색 픽셀(X22)의 위상 차(
Figure 112010078829694-pat00050
B )를 수학식 17에 기초하여 추정할 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112010078829694-pat00051
이에 따라, 컬러 및 깊이 계산부(22)에서 청색 픽셀(X12)의 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00052
B )는 수학식 18와 같이 계산된다.
[수학식 18]
Figure 112010078829694-pat00053
한편, 컬러 이미지는 3개의 분리된 적색, 녹색, 청색 컬러(RGB) 값을 결합하여 표시된다. 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)은 단일의 적색, 녹색 또는 청색 컬러 값만을 결정하기 때문에, 다른 2개의 손실된 컬러를 얻기 위해 이미지 내의 주변 픽셀들로부터 손실된 컬러를 추정하거나 보간하는 기술이 사용된다. 이러한 종류의 추정 및 보간 기술을 "디모자이크(demosaicing)"라 한다.
"디모자이크"란 용어는 도 6과 같이 모자이크 패턴으로 배열된 컬러 필터 어레이(CFA)가 이미지 센서(10, 도 1)의 앞에서 사용된다는 사실에서 유래된 것이다. 이 모자이크 패턴은 각 픽셀에 대하여 하나의 컬러 값만을 갖는다. 풀-컬러 이미지를 얻기 위하여, 모자이크 패턴은 "디모자이크"되어야 한다. 그러므로, 디모자이크는 전체 RGB 값이 모든 픽셀과 관련될 수 있도록 모자이크 패턴 CFA로 캡쳐된 이미지를 다시 보간하는 기술이다.
이용가능한 다수의 디모자이크 기술이 있다. 디모자이크에 대한 가장 단순한 방법들 중 하나는 쌍선형 보간법이다. 쌍선형 보간법은 대칭 선형 보간을 사용하여 독립적으로 보간되는 3개의 색 중심면(color plane)을 사용한다. 쌍선형 보간법은 보간되고 있는 컬러와 동일한 컬러를 갖는 픽셀의 가장 가까운 이웃을 사용한다.
쌍선형 보간법을 이용하여 주어진 픽셀에서 손실된 컬러를 보간하는 방법이 도 11a 내지 도 11h에 도시된다. 도 11a-8h에 도시된 바와 같이, 쌍선형 보간법은 전향적으로 작은 서포트(support) 영역을 사용한다. 서포트 영역은 소정의 주어진 픽셀을 위해 값이 고려되는 픽셀 이웃의 크기이다. 이 작은 서포트 영역을 사용하면, 메모리 이용 및 계산 복잡도가 최소로 유지된다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 주어진 픽셀에서 녹색 컬러 값을 찾기 위한 쌍선형 보간 기술이 도시된다. 도 11a에서, 적색 픽셀에서의 녹색 컬러 값은 적색 픽셀에 이웃한 녹색 픽셀들을 사용하여 알 수 있게 된다. 이와 마찬가지로, 도 11b에서, 청색 픽셀에서의 녹색 컬러 값은 청색 픽셀에 이웃하는 녹색 픽셀들을 사용하여 알 수 있게 된다.
도 11c-11e는 주어진 픽셀에서 적색 컬러 값을 찾기 위한 쌍선형 보간 기술을 도시한다. 도 11c에서, 적색 컬러 값은 2개의 적색 이웃 픽셀을 사용함으로써 적색 행 및 청색 열 내의 녹색 픽셀에서 알 수 있게 된다. 도 11d에서, 청색 행 및 적색 열 내의 녹색 픽셀에서의 적색 컬러 값은 적색 열 내의 2개의 이웃하는 적색 픽셀을 사용하여 알 수 있게 된다. 도 11e에서, 청색 픽셀에서의 적색 컬러 값은 4개의 이웃하는 적색 픽셀를 사용하여 알 수 있게 된다.
도 11f-11h는 주어진 픽셀에서 청색 컬러 값을 찾기 위한 쌍선형 보간 기술을 도시한다. 도 11f에서, 청색 컬러 값은 2개의 청색 이웃 픽셀을 사용함으로써 청색 행 및 적색 열 내의 녹색 픽셀에서 알 수 있게 된다. 도 11g에서, 적색 행 및 청색 열 내의 녹색 픽셀에서의 청색 컬러 값은 청색 열 내의 2개의 이웃하는 적색 픽셀을 사용하여 알 수 있게 된다. 도 11h에서, 적색 픽셀에서의 청색 컬러 값은 4개의 이웃하는 청색 픽셀를 사용하여 알 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 적색 픽셀, 녹색 픽셀 및 청색 픽셀에서 얻어지는 적색, 녹색, 청색 컬러(RGB) 값과 이들을 결합하는 디모자이크 알고리즘으로 이용하여 풀-컬러 이미지를 복원한다.
도 12는 도 1의 이미지 센서의 동작 방법을 설명하는 도면이다.
도 12를 참조하면, 이미지 센서(10, 도 1)은 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n) 정보를 리셋시킨다(S121).
리셋 단계(S121) 이후, 광원(50)에서 타겟 대상물(52)로 변조 광을 조사한다(S122).
대상물(52)에서 반사된 광으로부터 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)의 픽셀 신호들을 취득한다(S123). 픽셀 정보를 취득하는 단계(S123)는 변조 광원(50)과 소정의 위상차를 갖는 게이트 신호들(GA, GB, GC, GD)을 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)에 인가했을 때, 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)에서 생성되는 전자 수에 대응하는 픽셀 신호들에 의해 수행된다. 예시적으로, 변조 광원(50)과 위상차가 0도, 90도, 180도 그리고 270도 차이를 갖는 게이트 신호들(GA, GB, GC, GD)에 의해 수행될 수 있다. 게이트 신호들(GA, GB, GC, GD)에 응답하여 해당 컬러 픽셀들로부터 픽셀 신호들을 얻는다. 예시적으로 설명된 도 7의 적색 픽셀 X11에서 측정된 수학식 7의 픽셀 신호들(A'0,R, A'1,R, A'2,R, A'3,R)로부터 디지털 픽셀 신호들(A0,R, A1,R, A2,R, A3,R)을 얻는다. 녹색 픽셀 X12에서 측정된 수학식 9의 픽셀 신호들(A'0,G, A'1,G, A'2,G, A'3,G)로부터 디지털 픽셀 신호들(A0,G, A1,G, A2,G, A3,G)을 얻는다. 청색 픽셀 X22에서 측정된 수학식 11의 픽셀 신호들(A'0,B, A'1,B, A'2,B, A'3,B)로부터 디지털 픽셀 신호들(A0,B, A1,B, A2,B, A3,B)을 얻는다.
S123 단계가 수행된 후, 해당 픽셀의 디지털 픽셀 신호들(A0,B, A1,B, A2,B, A3,B)로부터 컬러 정보 및 깊이 정보를 동시에 계산한다(S124). 적색 픽셀 X11의 적색 컬러 정보(
Figure 112010078829694-pat00054
)는 수학식 8와 같이 계산되고, 녹색 픽셀 X12의 녹색 컬러 정보(
Figure 112010078829694-pat00055
)는 수학식 12와 같이 계산되고, 청색 픽셀 X22의 청색 컬러 정보(
Figure 112010078829694-pat00056
)는 수학식 16과 같이 계산된다. 이와 동시에, 적색 픽셀 X11의 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00057
R) 는 수학식 10와 같이 계산되고, 녹색 픽셀 X12의 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00058
G)는 수학식 14와 같이 계산되고, 청색 픽셀 X22의 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00059
B)는 수학식 18과 같이 계산된다.
S124 단계에서 계산된 컬러 정보와 깊이 정보에 기초하여 해당 픽셀의 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 생성한다(S125). S125 단계는 복수개의 픽셀들(Xij, i=1~m, j=1~n) 각각의 컬러 정보를 조합하여 대상물(52)의 컬러 이미지를 생성하고, 복수개의 픽셀들(XijI, i=1~m, j=1~n) 각각의 깊이 정보를 조합하여 대상물(52)의 깊이 이미지를 생성한다. S125 단계에서는 적색 픽셀, 녹색 픽셀 및 청색 픽셀에서 얻어지는 적색, 녹색, 청색 컬러(RGB) 값과 이들을 결합하는 디모자이크 알고리즘(도 11a-11h)을 이용하여 풀-컬러 이미지를 생성할 수 있다.
본 실시예에 따른 이미지 센서 동작 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래쉬 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하는 도면이다.
도 13을 참조하면, 이미지 센서(130)는 도 1의 이미지 센서(10)와 비교하여, 픽셀 어레이부(12) 내 복수의 픽셀들(XijI, i=1~m, j=1~n)이 1-탭 픽셀 구조를 갖는다는 점에서 차이가 있다. 1-탭 픽셀 구조는 광전 변환 영역에 1개의 광전 변환 소자가 형성된다. 나머지 구성요소들은 동일하므로 설명의 중복을 피하기 위하여 구체적인 설명은 생략된다.
광원(50)으로부터 반복 펄스 신호로서 조사되는 변조 광(EL)은 타겟 대상물(52)에서 반사되고, 반사된 광(RL)은 렌즈(54)를 통하여 이미지 센서(10)에 입사된다. 변조 광원(50)과 소정의 위상차를 갖는 게이트 신호들(GA, GB, GC, GD)을 픽셀 어레이부(12)의 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)에 인가했을 때, 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)의 광전 변환 영역에서 생성되는 전자 수에 대응하여 픽셀 신호들이 생성된다.
픽셀 어레이부(12)에서 선택된 1행 분의 픽셀 신호들 증 하나의 픽셀(X11I)에서 출력되는 픽셀 신호들(A'0, A'1, A'2, A'3)이 하나의 비트라인(BL)을 통하여 화상 처리부(17)의 CDS/ADC부(18)로 전달된다. 설명의 편의를 위하여, 본 실시예에서는 선택된 1행 분의 픽셀 신호들 중 하나의 픽셀(X11)에서 출력되는 픽셀 신호들(A'0, A'1, A'2, A'3)이 1개의 비트라인(BL)을 통하여 CDS/ADC부(18)로 전달되는 모습을 나타내었다. CDS/ADC부(18)는 픽셀 신호들(A'0, A'1, A'2, A'3)와 램프 신호를 비교하고, 비교 결과 출력되는 신호를 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)로 변환한다. 메모리(20)는 CDS/ADC부(18)에서 출력되는 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)를 저장하고, 컬러 이미지와 깊이 이미지를 생성하는 컬러 및 깊이 계산부(22)로 제공한다. 컬러 및 깊이 계산부(22)는 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)에 기초하여 해당 픽셀의 컬러 정보를 계산하여 컬러 이미지를 생성하고, 해당 픽셀의 깊이 정보를 계산하여 깊이 이미지를 생성한다.
도 14a 내지 도 14d는 도 13의 하나의 픽셀(X11I)에 대응하는 등가 회로들이다.
도 14a를 참조하면, 픽셀(X11I)은 도 2의 2-탭 픽셀 구조에서 설명된 하나의 포토 게이트, 예컨대 제2 포토 게이트(PX2)와 연결되는 제2 전달 트랜지스터(TX2), 제2 드라이브 트랜지스터(DX2), 제2 선택 트랜지스터(SX2) 그리고 제2 리셋 트랜지스터(RX2)와 동일하다.
광전 변환 영역(140)은 빛을 감지할 수 있다. 광전 변환 영역(140)은 감지된 빛에 의해 전자-정공 쌍(EHP)을 생성한다. 포토 게이트(PX)에는 게이트 신호(GA)로 인가되는 전압에 의해 디플리션 영역이 형성되고, 이 디플리션 영역에 의하여 EHP의 전자와 정공이 분리되고, 전자는 포토 게이트(PX) 하부에 축적된다.
전달 트랜지스터(TX)는 전달 신호(TG)가 그 게이트에 연결되고, 포토 게이트(PX)가 그 드레인에 연결되고, 플로팅 확산 영역(FD)이 그 소스에 연결된다. 전달 트랜지스터(TX)는 전달 신호(TG)에 응답하여 포토 게이트(PX) 하부의 전자를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달한다. 전달 트랜지스터(TX)는 전달 신호(TG)에 의해 포토 게이트(PX)와 플로팅 확산 영역(FD)을 전기적으로 연결하거나 차단한다.
드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)이 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 선택 트랜지스터(SX)에 그 소스가 연결된다. 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스 단자의 전압은 플로팅 확산 영역(FD)의 전압에 의해 결정된다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전압은 포토 게이트(PX)에서 전달되는 전자의 양에 의해 결정된다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 제어 신호인 선택 신호(SEL)가 그 게이트에 연결되고, 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스가 그 드레인에 연결되고, 픽셀 어레이(12) 내 비트라인(미도시)에 그 소스가 연결된다. 픽셀 어레이(12) 내 비트라인(BL)으로 픽셀 신호(A'0)가 출력된다.
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 신호(RS)가 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 플로팅 확산 영역(FD)이 그 소스에 연결된다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전압에 기초하여 픽셀 정보 검출 과정이 수행된 후, 리셋 신호(RS)가 활성화되면 리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 전원 전압(VDD)으로 리셋시킨다.
도 14b를 참조하면, 픽셀(X11I)은 광전 변환 영역에 1개의 광전 변환 소자(140)가 형성되어 있는 1-탭 픽셀 구조를 갖는다. 광전 변환 소자(140)는 광 감지 소자로서, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트 또는 핀드 포토 다이오드로 구현될 수 있다. 픽셀(X11I)은 광전 변환 소자(140)와 연결되는 전달 트랜지스터(TX), 드라이브 트랜지스터(DX), 선택 트랜지스터(SX) 그리고 리셋 트랜지스터(RX)를 포함한다.
광전 변환 소자(140)은 감지된 빛에 의해 전자-정공 쌍(EHP)을 생성한다. 광전 변환 소자(140)에는 게이트 신호(GA)로 인가되는 전압에 의해 디플리션 영역이 형성되고, 이 디플리션 영역에 의하여 EHP의 전자와 정공이 분리된다.
전달 트랜지스터(TX)는 전달 신호(TG)가 그 게이트에 연결되고, 광전 변환 소자(140)가 그 드레인에 연결되고, 플로팅 확산 영역(FD)이 그 소스에 연결된다. 전달 트랜지스터(TX)는 전달 신호(TG)에 응답하여 광전 변환 소자(140)의 전자를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달한다. 전달 트랜지스터(TX)는 전달 신호(TG)에 의해 광전 변환 소자(140)와 플로팅 확산 영역(FD)을 전기적으로 연결하거나 차단한다.
드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)이 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 선택 트랜지스터(SX)에 그 소스가 연결된다. 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스 단자의 전압은 플로팅 확산 영역(FD)의 전압에 의해 결정된다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전압은 포토 게이트(PX)에서 전달되는 전자의 양에 의해 결정된다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 제어 신호인 선택 신호(SEL)가 그 게이트에 연결되고, 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스가 그 드레인에 연결되고, 픽셀 어레이(12, 도 1) 내 비트라인(미도시)에 그 소스가 연결된다. 픽셀 어레이(12) 내 비트라인(BL)으로 픽셀 신호(A'0)가 출력된다.
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 신호(RS)가 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 플로팅 확산 영역(FD)이 그 소스에 연결된다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전압에 기초하여 픽셀 정보 검출 과정이 수행된 후, 리셋 신호(RS)가 활성화되면 리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 전원 전압(VDD)으로 리셋시킨다.
도 14c를 참조하면, 픽셀(X11I)은 광전 변환 소자(140)와 연결되는 드라이브 트랜지스터(DX), 선택 트랜지스터(SX) 그리고 리셋 트랜지스터(RX)를 포함한다.
광전 변환 소자(140)는 감지된 빛에 의해 전자-정공 쌍(EHP)을 생성한다. 광전 변환 소자(140)에는 게이트 신호(GA)로 인가되는 전압에 의해 디플리션 영역이 형성되고, 이 디플리션 영역에 의하여 EHP의 전자와 정공이 분리된다.
드라이브 트랜지스터(DX)는 광전 변환 소자(140)가 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 선택 트랜지스터(SX)에 그 소스가 연결된다. 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스 단자의 전압은 광전 변환 소자(140)의 전압에 의해 결정된다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 제어 신호인 선택 신호(SEL)가 그 게이트에 연결되고, 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스가 그 드레인에 연결되고, 픽셀 어레이(12, 도 1) 내 비트라인(미도시)에 그 소스가 연결된다. 픽셀 어레이(12) 내 비트라인(BL)으로 픽셀 신호(A'0)가 출력된다.
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 신호(RS)가 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 포토 게이트(PX)가 그 소스에 연결된다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전압에 기초하여 픽셀 정보 검출 과정이 수행된 후, 리셋 신호(RS)가 활성화되면 리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 전원 전압(VDD)으로 리셋시킨다.
도 14d를 참조하면, 픽셀(X11I)은 광전 변환 소자(140)와 연결되는 전달 트랜지스터(TX), 제어 트랜지스터(GX), 드라이브 트랜지스터(DX), 선택 트랜지스터(SX) 그리고 리셋 트랜지스터(RX)를 포함한다.
광전 변환 소자(140)은 감지된 빛에 의해 전자-정공 쌍(EHP)을 생성한다. 광전 변환 소자(140)에는 게이트 신호(GA)로 인가되는 전압에 의해 디플리션 영역이 형성되고, 이 디플리션 영역에 의하여 EHP의 전자와 정공이 분리된다.
전달 트랜지스터(TX)는 제어 트랜지스터(GX)의 드레인이 그 게이트에 연결되고, 광전 변환 소자(140)가 그 드레인에 연결되고, 플로팅 확산 영역(FD)이 그 소스에 연결된다. 전달 트랜지스터(TX)는 제어 트랜지스터(GX)를 통하여 제공되는 전달 신호(TG)에 응답하여 광전 변환 소자(140)의 전자를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달한다. 전달 트랜지스터(TX)는 전달 신호(TG)에 의해 광전 변환 소자(140)와 플로팅 확산 영역(FD)을 전기적으로 연결하거나 차단한다.
제어 트랜지스터(GX)는 선택 신호(SEL)가 그 게이트에 연결되고, 전달 트랜지스터(TX)의 게이트가 그 드레인에 연결되고, 전달 신호(TG)가 그 소스에 연결된다. 제어 트랜지스터(GX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 전달 신호(TG)를 전달 트랜지스터(TX)의 게이트로 제공한다.
드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)이 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 선택 트랜지스터(SX)에 그 소스가 연결된다. 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스 단자의 전압은 플로팅 확산 영역(FD)의 전압에 의해 결정된다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전압은 포토 게이트(PX)에서 전달되는 전자의 양에 의해 결정된다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 제어 신호인 선택 신호(SEL)가 그 게이트에 연결되고, 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스가 그 드레인에 연결되고, 픽셀 어레이(12, 도 1) 내 비트라인(미도시)에 그 소스가 연결된다. 픽셀 어레이(12) 내 비트라인(BL)으로 픽셀 신호(A'0)가 출력된다.
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 신호(RS)가 그 게이트에 연결되고, 전원 전압(VDD)이 그 드레인에 연결되고, 플로팅 확산 영역(FD)이 그 소스에 연결된다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전압에 기초하여 픽셀 정보 검출 과정이 수행된 후, 리셋 신호(RS)가 활성화되면 리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 전원 전압(VDD)으로 리셋시킨다.
도 15는 도 14a의 픽셀에서 출력되는 픽셀 신호들의 타이밍을 설명하는 도면이다.
도 15를 참조하면, 제1 시점(t0)에서 도 14a의 픽셀(X11I)의 포토 게이트(PX1)로 광원(50, 도 13)에서 조사되는 변조 광과 0도 위상 차를 갖는 제1 게이트 신호(GA)에 응답하여 제1 픽셀 신호(A'0)를 출력한다. 제2 시점(t1)에서 변조 광과 90도의 위상 차를 갖는 제2 게이트 신호(GB)에 응답하여 제2 픽셀 신호(A'1)를 출력한다. 제3 시점(t3)에서 변조 광과 180도의 위상 차를 갖는 제3 게이트 신호(GC)에 응답하여 제3 픽셀 신호(A'2)를 출력한다. 제4 시점(t3)에서 변조 광과 270도의 위상 차를 갖는 제4 게이트 신호(GD)에 응답하여 제4 픽셀 신호(A'3)를 출력한다.
픽셀(X11I)의 제1 내지 제4 픽셀 신호(A'0, A'1, A'2, A'3) 각각은, CDS/ADC부(18, 도 1)을 통하여 상관 더블 샘플링(correlated double sampling)을 수행하고, 아날로그 디지털 변환한 후 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)로 각각 출력된다.
컬러 및 깊이 계산부(22, 도 13)는 수학식 19에 기초하여 픽셀(X11I)의 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)을 합산하여 컬러 정보(C)를 계산한다. 픽셀(X11I)의 컬러 이미지는 픽셀(X11I)과 결합하는 컬러 필터에 의해 결정된다.
[수학식 19]
Figure 112010078829694-pat00060
또한, 컬러 및 깊이 계산부(22)는 수학식 20에 기초하여 픽셀(X11)의 제1 내지 제4 디지털 픽셀 신호(A0, A1, A2, A3)로부터 픽셀(X11)의 위상 차(
Figure 112010078829694-pat00061
)를 추정하고, 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00062
)를 계산한다.
[수학식 20]
Figure 112010078829694-pat00063
Figure 112010078829694-pat00064
수학식 19 및 수학식 20에 의해 얻어지는 각 픽셀들의 컬러 정보(C)와 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00065
)를 바탕으로 하여 대상물(52)의 컬러 이미지와 깊이 이미지를 생성한다. 즉, 복수개의 픽셀들(XijI, i=1~m, j=1~n) 각각의 컬러 정보(C)를 조합하여 대상물(52)의 컬러 이미지를 생성하고, 복수개의 픽셀들(XijI, i=1~m, j=1~n) 각각의 깊이 정보(
Figure 112010078829694-pat00066
)를 조합하여 대상물(52)의 깊이 이미지를 생성한다.
도 1과 도 13의 이미지 센서(10, 130)는 카메라, 캠코더, 멀티미디어, 광 통신(파이버 및 자유 공간 모두), 레이저 검출 및 탐지(LADAR), 적외선 현미경, 적외선 망원경을 비롯하여 의학에서 인체에 고통이나 부담을 가하지 않고 인체 표면의 미세한 온도 변화를 측정, 처리 분석하여 질병의 유무 또는 정도에 관한 의학적 정보를 출력하고 예방하는 의료 시스템인 체열 영상 진단기, 무인 산물 감시기와 해양 오염 감시 등의 환경 감시 시스템, 반도체 공정 라인에서 온도 모니터링 시스템, 건물의 단열 및 누수 탐지 시스템, 전기·전자 PCB 회로 및 부품 검사 시스템 등 그 응용 분야가 다양하다.
도 16은 도 1의 이미지 센서(10) 또는 도 13의 이미지 센서(130)를 이용하는 이미지 처리 시스템을 보여주는 도면이다.
도 16을 참조하면, 이미지 처리 시스템(160)은 도 1의 이미지 센서(10) 또는 도 13의 이미지 센서(130)에 결합된 프로세서(161)를 포함한다. 이미지 처리 시스템(160)은 개별적인 집적 회로를 포함할 수 있거나, 프로세서(161)와 이미지 센서(10, 130) 둘 다가 동일한 집적 회로 상에 있을 수 있다. 프로세서(161)는 마이크로 프로세서, 이미지 프로세서 또는 임의의 다른 유형의 제어 회로(ASIC: Application-Apecific Integrated Circuit) 등일 수 있다. 프로세서(161)는 이미지 센서 제어부(162), 영상 신호 처리부(163) 및 인터페이스부(164)를 포함한다. 이미지 센서 제어부(162)는 이미지 센서(10, 130)로 제어 신호를 출력한다. 영상 신호 처리부(163)는 이미지 센서(10, 130)로부터 출력되는 컬러 이미지와 깊이 이미지를 포함하는 영상 데이터를 수신하여 신호 처리한다. 인터페이스부(164)는 신호 처리된 데이터를 디스플레이(165)에 전달하여 재생하도록 한다.
도 17은 도 16의 이미지 처리 시스템을 포함하는 컴퓨터 시스템을 보여주는 도면이다.
도 17을 참조하면, 컴퓨터 시스템(170)는 이미지 처리 시스템(160)을 포함한다. 컴퓨터 시스템(170)은 중앙 처리 장치(171), 메모리(172) 그리고 I/O 디바이스(172)를 더 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(170)은 플로피 디스크 드라이브(174)와 CD 롬 드라이브(175)를 더 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(170)은 시스템 버스(176)를 통하여 중앙 처리 장치(171), 메모리(172), I/O 디바이스(173), 플로피 디스크 드라이브(174), CD 롬 드라이브(175) 그리고 이미지 처리 시스템(160)과 연결된다. I/O 디바이스(173) 또는 이미지 처리 시스템(160)를 통해 제공되거나 중앙 처리 장치(171)에 의해서 처리된 데이터는 메모리(172)에 저장된다. 메모리(172)은 램으로 구성될 수 있다. 또한, 메모리(172)는 낸드 플래쉬 메모리와 같은 불휘발성 메모리 장치를 포함하는 메모리 카드 또는 반도체 디스크 장치(SSD)로 구성될 수 있다.
이미지 처리 시스템(160)은 이미지 센서(10, 130)와 이미지 센서(10, 130)를 제어하는 프로세서(161)를 포함한다. 이미지 센서(10, 130)는 복수개의 픽셀들을 포함하고, 복수개의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀로부터 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻는다. 이미지 센서(10, 130)는 복수개의 픽셀들 각각의 컬러 정보를 조합하여 대상물의 컬러 이미지를 생성한다. 이미지 센서(10, 130)는 복수개의 픽셀들 각각의 깊이 정보를 조합하여 대상물의 깊이 이미지를 생성한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 본 발명에서는 픽셀이 1-탭 픽셀 구조 또는 2-탭 픽셀 구조를 갖는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 4-탭 픽셀 구조를 갖는 픽셀이 채용될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10, 130 : 이미지 센서 50 : 광원
52 : 타겟 대상물 54 : 렌즈
12 : 픽셀 어레이부 24 : 타이밍 발생 회로
16 : 로우 디코더 17 : 화상 처리부
18 : CDS/ADC부 20 : 메모리
22: 컬러 및 깊이 계산부
Xij, XijI : 픽셀 GA, GB. GC, GD : 게이트 신호들
A0, A1, A2, A3 : 디지털 픽셀 신호들

Claims (10)

  1. 변조 광을 타겟 대상물로 조사하는 광원;
    상기 변조 광과 소정의 위상 차를 갖는 게이트 신호들에 응답하여, 상기 타겟 대상물로부터 반사되는 광에 따라 픽셀 신호들을 출력하는 픽셀을 적어도 하나 이상 포함하는 복수개의 픽셀들; 및
    상기 적어도 하나의 픽셀의 상기 픽셀 신호들로부터 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 생성하는 화상 처리부를 구비하고,
    상기 적어도 하나의 픽셀은
    집적 회로 칩에 형성된 광전 변환 영역에 상기 게이트 신호들에 응답하는 적어도 하나의 포토 게이트를 포함하고, 상기 변조 광과의 위상 차가 각각 0도, 90도, 180도 그리고 270도인 제1 내지 제4 게이트 신호들이 상기 적어도 하나의 포토 게이트로 인가되어 제1 내지 제4 픽셀 신호들을 출력하고,
    상기 화상 처리부는
    상기 제1 내지 제4 픽셀 신호들을 합산하여 상기 컬러 이미지를 생성하는 컬러 계산부; 및
    상기 제2 픽셀 신호와 상기 제4 픽셀 신호와의 차이와, 상기 제1 픽셀 신호와 상기 제3 픽셀 신호와의 차이의 비를 아크탄젠트한 값에 기초하여 상기 깊이 이미지를 생성하는 깊이 계산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 광원에서 타겟 대상물로 변조 광을 조사하는 단계;
    상기 변조 광과 소정의 위상 차를 갖는 게이트 신호들에 응답하여, 상기 타겟 대상물에서 반사되는 광이 입사되는 적어도 하나의 픽셀로부터 픽셀 신호들을 취득하는 단계; 및
    상기 픽셀 신호들로부터 깊이 이미지를 생성함과 동시에 컬러 이미지를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 픽셀은
    집적 회로 칩에 형성된 광전 변환 영역에 하나의 포토 게이트를 포함하고,
    상기 변조 광과의 위상 차가 각각 0도, 90도, 180도 그리고 270도인 제1 내지 제4 게이트 신호들이 상기 포토 게이트로 순차적으로 인가되어 제1 내지 제4 픽셀 신호들이 출력되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서, 상기 컬러 이미지와 상기 깊이 이미지를 동시에 생성하는 방법은
    상기 제1 내지 제4 픽셀 신호들을 합산하여 상기 컬러 이미지를 생성하는 단계; 및
    상기 제2 픽셀 신호와 상기 제4 픽셀 신호와의 차이와, 상기 제1 픽셀 신호와 상기 제3 픽셀 신호와의 차이의 비를 아크탄젠트한 값에 기초하여 상기 깊이 이미지를 생성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 픽셀은
    집적 회로 칩에 형성된 광전 변환 영역에 두개의 포토 게이트들을 포함하고,
    상기 변조 광과의 위상 차가 각각 0도와 180도인 제1 및 제3 게이트 신호들이 제1 및 제2 포토 게이트로 각각 인가되어 제1 및 제3 픽셀 신호들이 출력되고, 상기 변조 광과의 위상 차가 각각 90도와 270도인 제2 및 제4 게이트 신호들이 상기 제1 및 상기 제2 포토 게이트로 각각 인가되어 제2 및 제4 픽셀 신호들이 출력되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 컬러 이미지와 상기 깊이 이미지를 동시에 생성하는 방법은
    상기 제1 내지 제4 픽셀 신호들을 합산하여 상기 컬러 이미지를 생성하는 단계; 및
    상기 제2 픽셀 신호와 상기 제4 픽셀 신호와의 차이와, 상기 제1 픽셀 신호와 상기 제3 픽셀 신호와의 차이의 비를 아크탄젠트한 값에 기초하여 상기 깊이 이미지를 생성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 변조 광은
    가시광선, 백색광 또는 화이트 LED 광인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  9. 제3항, 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
  10. 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서를 제어하는 프로세서를 구비하고,
    상기 이미지 센서는
    변조 광을 타겟 대상물로 조사하는 광원; 및
    복수개의 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수개의 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀로부터 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻고,
    상기 적어도 하나의 픽셀은
    집적 회로 칩에 형성된 광전 변환 영역에 하나의 포토 게이트를 포함하고,
    상기 변조 광과의 위상 차가 각각 0도, 90도, 180도 그리고 270도인 제1 내지 제4 게이트 신호들이 상기 포토 게이트로 순차적으로 인가되어 제1 내지 제4 픽셀 신호들이 출력되는 것을 특징으로 하는 이미지 처리 시스템.
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