KR101823347B1 - 센서와 이를 포함하는 데이터 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

센서가 개시된다. 상기 센서는 컬러 픽셀 및 깊이 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 컬러 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제1제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함하는 제1신호 라인 그룹, 및 상기 깊이 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제2제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함하는 제2신호 라인 그룹을 포함한다.

Description

센서와 이를 포함하는 데이터 처리 시스템{SENSOR AND DATA PROCESSING SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 센서에 관한 것으로, 특히 피사체의 컬러 정보 및 깊이 정보를 측정할 수 있는 센서, 이를 포함하는 데이터 처리 시스템, 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 피사체(또는 타겟 물체)로부터 입사되는 광전하들을 전기 신호로 변환함으로써 상기 파사체의 컬러 정보를 측정할 수 있다. 상기 이미지 센서는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서 또는 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 등을 포함한다.
깊이 센서는 소스(source)로부터 방사된 펄스 형태의 광신호가 상기 피사체에 의해 반사되어 되돌아 올 때까지의 시간을 측정하고, 측정된 시간에 기초하여 상기 깊이 센서와 상기 피사체 사이의 거리(또는 깊이)를 산출할 수 있다.
3차원 이미지 센서는 상기 피사체의 컬러 정보를 측정하는 기능과 상기 피사체의 깊이 정보를 측정하는 기능을 갖는다. 그러나, 상기 컬러 정보는 다수의 컬러 픽셀들을 포함하는 상기 이미지 센서로부터 획득되고, 상기 깊이 정보는 다수의 깊이 픽셀들을 포함하는 상기 깊이 센서로부터 획득된다. 즉, 상기 3차원 이미지 센서는 상기 이미지 센서와 상기 깊이 센서를 포함한다.
따라서, 상기 다수의 컬러 픽셀들과 상기 다수의 깊이 픽셀들을 하나의 센서에 구현하기 위한 방법이 요구된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 컬러 정보를 측정하기 위한 다수의 컬러 픽셀들과 깊이 정보를 측정하기 위한 다수의 깊이 픽셀들을 포함하는 센서, 이를 포함하는 데이터 처리 시스템, 및 이의 동작 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 센서는 컬러 픽셀 및 깊이 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 컬러 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제1제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함하는 제1신호 라인 그룹, 및 상기 깊이 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제2제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함하는 제2신호 라인 그룹을 포함한다.
상기 센서는 상기 다수의 제1제어 신호들을 생성하는 제1로우 드라이버 및 상기 다수의 제2제어 신호들을 생성하는 제2로우 드라이버를 더 포함할 수 있다.
상기 컬러 픽셀 및 상기 깊이 픽셀은 출력 라인을 공유할 수 있다.
또한, 상기 센서는 상기 컬러 픽셀의 출력 신호를 출력하기 위한 제1출력 라인, 및 상기 깊이 픽셀의 출력 신호를 출력하기 위한 제2출력 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 컬러 픽셀의 크기와 상기 깊이 픽셀의 크기는 동일하게 구현될 수 있다.
또한, 상기 컬러 픽셀의 크기와 상기 깊이 픽셀의 크기는 상이할 수 있다.
상기 깊이 픽셀은 1-탭 구조일 수 있다.
또한, 상기 깊이 픽셀은 2-탭 구조일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 데이터 처리 시스템은 상기 센서 및 상기 센서의 동작을 제어하기 위한 프로세서를 포함한다.
상기 센서는 상기 제1제어 신호들을 생성하는 제1로우 드라이버 및 상기 제2제어 신호들을 생성하는 제2로우 드라이버를 더 포함하고, 상기 컬러 픽셀 및 상기 깊이 픽셀은 출력 라인을 공유할 수 있다.
또한, 상기 센서는 상기 제1제어 신호들을 생성하는 제1로우 드라이버, 상기 제2제어 신호들을 생성하는 제2로우 드라이버, 상기 컬러 픽셀의 출력 신호를 출력하기 위한 제1출력 라인, 및 상기 깊이 픽셀의 출력 신호를 출력하기 위한 제2출력 라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 데이터 처리 시스템은 제스처 감지 장치(gesture sensing apparatus)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신 장치는 상기 센서, 상기 센서의 동작을 제어하기 위한 프로세서, 및 상기 센서로부터 출력된 신호를 처리하고 처리된 신호를 디스플레이를 통하여 디스플레이하기 위한 이미지 신호 프로세서를 포함한다.
상기 센서는 상기 제1제어 신호들을 생성하는 제1로우 드라이버 및 상기 제2제어 신호들을 생성하는 제2로우 드라이버를 더 포함하고, 상기 컬러 픽셀 및 상기 깊이 픽셀은 출력 라인을 공유할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 센서의 동작 방법은 제1로우 드라이버를 이용하여 컬러 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제1제어 신호들을 다수의 제1신호 라인들을 통하여 상기 컬리 픽셀로 출력하는 단계 및 제2로우 드라이버를 이용하여 깊이 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제2제어 신호들을 다수의 제2신호 라인들을 통하여 상기 깊이 픽셀로 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 센서는 다수의 컬러 픽셀들과 다수의 깊이 픽셀들을 하나의 칩으로 구현할 수 있는 효과가 있다.
도한, 본 발명의 실시 예에 따른 센서는 피사체의 컬러 정보 및 상기 피사체의 깊이 정보를 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서의 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 컬러 픽셀의 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 깊이 픽셀의 회로도이다.
도 4는 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 깊이 픽셀의 다른 실시 예이다.
도 5는 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 깊이 픽셀의 또다른 실시 예이다.
도 6은 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀을 도시한다.
도 7은 도 6에 도시된 단위 픽셀의 회로도이다.
도 8은 도 6에 도시된 단위 픽셀의 회로도의 다른 실시 예이다.
도 9는 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀의 다른 실시 예이다.
도 10은 도 9에 도시된 단위 픽셀의 회로도이다.
도 11은 도 9에 도시된 단위 픽셀의 회로도의 다른 실시 예이다.
도 12는 도 1에 도시된 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13은 도 1에 도시된 센서를 포함하는 데이터 처리 시스템의 블럭도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서의 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 센서(10)는 3차원 이미지 센서일 수 있다. 여기서 상기 3차원 이미지 센서라 함은 다수의 깊이 픽셀들 각각을 이용하여 깊이 정보를 측정하는 기능과 다수의 컬러 픽셀들(예컨대, 다수의 레드 픽셀들, 다수의 그린 픽셀들, 또는 다수의 블루 픽셀들) 각각을 이용하여 컬러 정보(예컨대, 레드 컬러 정보, 그린 컬러 정보, 또는 블루 컬러 정보)를 측정하는 기능을 함께 결합하여 3차원 이미지 정보를 얻을 수 있는 장치를 의미한다.
다시 말하면, 센서(10)는 상기 다수의 컬러 픽셀들 각각으로 입사되는 입사광을 전기 신호로 변환함으로써 컬러 정보를 측정할 수 있다.
또한, 센서(10)는 적외선 광원(100)을 이용하여 적외선 광신호, 예컨대 변조된 적외선 광신호(modulated infrared photon signal)를 외부로 방사하고, 상기 적외선 광신호가 적외선 광원(100)으로부터 방사된 시간과 상기 적외선 광신호가 피사체 또는 타겟 물체에 의하여 반사된 후 센서(10)로 입사되는 적외선 광신호(이를 "반사 광신호"라 한다.)의 입사 시간의 차이를 이용하여 상기 피사체까지의 거리 또는 깊이를 측정할 수 있다.
센서(10)는 적외선 광원(100), 픽셀 어레이(200), 제1로우 드라이버(first row driver; 300), 제2로우 드라이버(320), 타이밍 생성기(timing generator; 400), 상관 이중 샐플링 블럭(correlated double sampling block; 340), 아날로그 디지털 컨버터(analog to digital converter; 360), 및 버퍼(380)를 포함한다. 또한, 센서(10)는 이미지 신호 프로세서(image signal processor; 20)를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 센서(10)와 이미지 신호 프로세서(20)는 하나의 반도체 칩, 예컨대, SoC(System on Chip)로 구현될 수 있고, 센서(10)와 이미지 신호 프로세서(20)는 서로 다른 반도체 칩으로 구현될 수도 있다.
또한, 센서(10)는 타이밍 생성기(400)의 제어 하에 버퍼(380)로부터 출력되는 데이터를 이미지 신호 프로세서(20)로 전송하기 위한 컬럼 디코더(column decoder; 미 도시)를 더 포함할 수 있다.
적외선 광원(100)은 타이밍 생성기(400)의 제어 하에 적외선 광신호를 피사체 또는 타겟 물체로 방사한다. 적외선 광원(100)은 LED(light emitting diode), OLED(organic light emitting diode), AMOLED(active-matrix organic light emitting diode) 또는 레이저 다이오드(laser diode) 등으로 구현될 수 있다.
픽셀 어레이(200)는 2차원으로 구현된 다수의 픽셀들, 예컨대 다수의 컬러 픽셀들 및 다수의 깊이 픽셀들을 포함한다.
상기 다수의 컬러 픽셀들 각각은 레드(red) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 레드 픽셀, 그린(green) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 그린 픽셀, 및 블루(blue) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 블루 픽셀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 다수의 컬러 픽셀들 각각의 상부에는 입사광을 집광시키기 위한 렌즈(미 도시) 및 특정 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 각각의 컬러 필터(미 도시)가 배열될 수 있다. 예컨대 상기 레드 픽셀의 상부에는 레드 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 레드 필터가 배열될 수 있고, 상기 그린 픽셀의 상부에는 그린 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 그린 필터가 배열될 수 있고, 상기 블루 픽셀의 상부에는 블루 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 블루 필터가 배열될 수 있다.
상기 다수의 깊이 픽셀들 각각은 상기 피사체로부터 반사되는 상기 반사 광신호 및 다수의 제어 신호들에 기초하여 다수의 프레임 신호들을 발생할 수 있다. 상기 다수의 제어 신호들 각각은 제2로우 드라이버(320)로부터 출력될 수 있다.
또한, 상기 다수의 깊이 픽셀들 각각의 상부에는 상기 반사 광신호를 집광시키기 위한 렌즈(미 도시) 및 집광된 광신호를 통과시키기 위한 적외선 통과 필터(미 도시)를 더 포함할 수 있다.
제1로우 드라이버(300)는 타이밍 생성기(400)의 제어 하에 상기 다수의 컬러 픽셀들 각각의 동작을 제어하기 위한 다수의 제1제어 신호들을 상기 다수의 컬러 픽셀들 각각으로 공급할 수 있다. 제1로우 드라이버(300)는 로우(row) 단위로 상기 다수의 컬러 픽셀들을 구동할 수 있다.
제2로우 드라이버(350)는 타이밍 생성기(400)의 제어 하에 상기 다수의 깊이 픽셀들 각각의 동작을 제어하기 위한 다수의 제2제어 신호들을 상기기 다수의 깊이 픽셀들 각각으로 공급할 수 있다. 제2로우 드라이버(350)는 로우(row) 단위로 상기 다수의 깊이 픽셀들을 구동할 수 있다.
실시 예에 따라, 제1로우 드라이버(300)와 제2로우 드라이버(320)는 하나의 로우 드라이버로 구현될 수 있다.
상관 이중 샘플링 블럭(340)은 타이밍 생성기(400)로부터 출력된 제어 신호들에 응답하여 픽셀 어레이(100)로부터 출력된 신호들 각각에 대하여 CDS(correlated double sampling)을 수행할 수 있다.
아날로그 디지털 컨버터(360)는 CDS된 신호들 각각을 아날로그-디지털 변환하여 디지털 신호들 각각을 출력한다. 아날로그 디지털 컨버터(360)는 다수의 비교기들 및 다수의 카운터들을 포함할 수 있다.
버퍼(380)는 아날로그 디지털 컨버터(360)로부터 출력된 각 디지털 신호를 수신하여 저장할 수 있다. 버퍼(380)에 저장된 각 디지털 신호는 컬럼 디코더(미 도시)에 의하여 이미지 신호 프로세서(20)로 출력될 수 있다.
타이밍 생성기(400)는 센서(10)에 포함된 구성들, 예컨대 적외선 광원(100), 제1로우 드라이버(300), 제2로우 드라이버(320), 상관 이중 샐플링 블럭(340), 및 아날로그 디지털 컨버터(360) 각각의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 타이밍 생성기(400)는 센서(10)의 전반전인 동작을 제어할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 컬러 픽셀의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 컬러 픽셀(220)은 광전 변환 소자(PD), 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX), 및 셀렉트 트랜지스터(SX)를 포함한다.
광전 변환 소자(PD)는 컬러 픽셀(220)에 입사되는 입사광에 대응되는 광전하(photogenerated charge)들을 생성한다. 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드(photo diode) 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode) 등으로 구현될 수 있다. 컬러 픽셀(220)은 레드 픽셀, 그린 픽셀, 또는 블루 픽셀일 수 있다.
전송 트랜지스터(TX)는, 전송 제어 신호(TG)에 응답하여 광전 변환 소자(PD)에 축적된 상기 광전하들을 플로팅 확산 영역(floating diffustion region; FD)으로 전달한다. 전송 트랜지스터(TX)의 턴-온(turn-on) 동작에 의해 전달된 상기 광전하들은 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된다.
리셋 트랜지스터(RX)는, 제1로우 드라이버(300)로부터 출력된 리셋 신호(RG)에 응답하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전압 레벨을 전원 전압(VDD) 레벨로 리셋할 수 있다.
소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier)의 역할을 수행할 수 있는 드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)으로부터 전달되는 광전하들에 응답하여 상기 광전하들의 양에 비례하는 전기 신호를 출력한다.
셀렉트 트랜지스터(SX)는 제1로우 드라이버(300)로부터 출력된 셀렉트 신호(SEL)에 응답하여 드라이브 트랜지스터(DX)의 출력 신호를 상관 이중 샘플링 블럭(340)으로 출력한다.
전송 제어 신호(TG), 리셋 신호(RG), 및 셀렉트 신호(SEL)는 제1로우 드라이버(300)에 의해 생성된다.
도 2에 도시된 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX), 및 셀렉트 트랜지스터(SX) 각각은 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있다. 그러나, 실시 예에 따라 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX), 및 셀렉트 트랜지스터(SX) 각각은 PMOS 트랜지스터로 구현될 수도 있다.
또한, 도 2에 도시된 컬러 픽셀(220)은 4 개의 트랜지스터를 포함하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시 예에 따라, 컬러 픽셀(220)에 구현된 트랜지스터의 개수는 가변할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 깊이 픽셀의 회로도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 깊이 픽셀(240)은 광전 변환 소자(PD1), 전송 트랜지스터(TX1), 오버 플로우 트랜지스터(TX2), 리셋 트랜지스터(RX1), 드라이브 트랜지스터(DX1), 및 셀렉트 트랜지스터(SX1)를 포함한다.
광전 변환 소자(PD1)는 깊이 픽셀(240)에 입사되는 입사광에 대응되는 광전하들을 생성한다. 광전 변환 소자(PD1)는 포토 다이오드 또는 핀드 포토 다이오드 등으로 구현될 수 있다.
전송 트랜지스터(TX1)는, 제1전송 제어 신호(TG1)에 응답하여 광전 변환 소자(PD1)에 축적된 상기 광전하들을 플로팅 확산 영역(FD1)으로 전달한다. 전송 트랜지스터(TX1)의 턴-온(turn-on) 동작에 의해 전달된 상기 광전하들은 플로팅 확산 영역(FD1)에 저장된다. 전송 트랜지스터(TX1)의 게이트에는 각각이 적외선 광신호의 위상과 0도, 90도, 180도, 및 270도의 위상 차이를 갖는 제1전송 제어 신호(TG1)가 순차적으로 공급된다.
오버 플로우 트랜지스터(TX2)는 제2전송 제어 신호(DG)에 응답하여 광전 변환 소자(PD1)에 의해 생성된 광전하들을 전원 전압(VDD)를 공급하는 전원단으로 방전하는 방전 경로를 제공한다. 즉, 오버 플로우 트랜지스터(TX2)의 드레인단은 상기 전원단에 접속된다. 오버 플로우 트랜지스터(TX2)의 게이트에는 전송 트랜지스터(TX1)의 게이트에 입력되는 제1전송 제어 신호와 180도의 위상 차이를 갖는 제2전송 제어 신호(DG)가 공급된다.
결국, 센서(10)는 플로팅 확산 영역(FD1)으로 전달된 광전하들에 기초하여 피사체의 깊이 신호를 측정할 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 깊이 픽셀(240)은 1-탭(1-tap) 구조를 갖는다.
리셋 트랜지스터(RX1)는, 리셋 신호(RG1)에 응답하여 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압 레벨을 전원 전압(VDD) 레벨로 리셋시킬 수 있다.
드라이브 트랜지스터(DX1)는 플로팅 확산 영역(FD1)으로부터 전달되는 광전하들에 응답하여 상기 광전하들의 양에 비례하는 전기 신호를 출력한다.
셀렉트 트랜지스터(SX1)는, 셀렉트 신호(SEL)에 응답하여 드라이브 트랜지스터(DX1)의 출력 신호를 상관 이중 샘플링 블럭(340)으로 출력한다.
제1전송 제어 신호(TG1), 제2전송 제어 신호(DG), 리셋 신호(RG1), 및 셀렉트 신호(SEL)는 제2로우 드라이버(320)에 의해 생성된다.
도 4는 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 깊이 픽셀의 다른 실시 예이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 깊이 픽셀(260)은 광전 변환 소자(PD1), 제1전송 트랜지스터(TX1), 제2전송 트랜지스터(TX2), 제1리셋 트랜지스터(RX1), 제2리셋 트랜지스터(RX2), 제1드라이브 트랜지스터(DX1), 제2드라이브 트랜지스터(DX2), 제1셀렉트 트랜지스터(SX1), 및 제2셀렉트 트랜지스터(SX2)를 포함한다.
광전 변환 소자(PD1)는 깊이 픽셀(260)에 입사되는 입사광에 대응되는 광전하들을 생성한다. 광전 변환 소자(PD1)는 포토 다이오드(photo diode) 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode) 등으로 구현될 수 있다.
제1전송 트랜지스터(TX1)는, 제1전송 제어 신호(TG1)에 응답하여 광전 변환 소자(PD1)에 축적된 상기 광전하들을 제1플로팅 확산 영역(FD1)으로 전달한다. 제1전송 트랜지스터(TX1)의 턴-온(turn-on) 동작에 의해 전달된 상기 광전하들은 제1플로팅 확산 영역(FD1)에 저장된다. 제1전송 트랜지스터(TX1)의 게이트에는 각각이 적외선 광신호의 위상과 0도 및 90도 위상 차이를 갖는 제1전송 제어 신호(TG1)가 순차적으로 공급된다.
제2전송 트랜지스터(TX2)는, 제2전송 제어 신호(TG2)에 응답하여 광전 변환 소자(PD1)에 축적된 상기 광전하들을 제2플로팅 확산 영역(FD2)으로 전달한다. 제2전송 트랜지스터(TX2)의 턴-온 동작에 의해 전달된 상기 광전하들은 제2플로팅 황산 영역(FD2)에 저장된다. 제2전송 트랜지스터(TX2)의 게이트에는 적외선 광신호와 각각 180도 및 270도 위상 차이를 갖는 제2전송 제어 신호(TG2)가 순차적으로 공급된다. 즉, 제2전송 제어 신호(TG2)의 위상은 제1전송 제어 신호(TG1)의 위상과 180도의 위상 차이를 갖는다.
결국, 센서(10)는 제1플로팅 확산 영역(FD1) 및 제2플로팅 확산 영역(FD2)에 전달된 광전하들에 기초하여 피사체의 깊이 정보를 측정할 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 깊이 픽셀(260)은 2-탭(2-tap) 구조를 갖는다.
제1리셋 트랜지스터(RX1)는, 제1리셋 신호(RG1)에 응답하여 제1플로팅 확산 영역(FD1)의 전압 레벨을 전원 전압(VDD) 레벨로 리셋할 수 있다. 제2리셋 트랜지스터(RX2)는, 제2리셋 신호(RG2)에 응답하여 제2플로팅 확산 영역(FD2)의 전압 레벨을 전원 전압(VDD) 레벨로 리셋할 수 있다.
제1드라이브 트랜지스터(DX1)는, 제1플로팅 확산 영역(FD1)으로부터 전달되는 광전하들에 응답하여 상기 광전하들의 양에 비례하는 전기 신호를 출력한다. 제2드라이브 트랜지스터(DX2)는, 제2플로팅 확산 영역(FD2)으로부터 전달되는 광전하들에 응답하여 상기 광전하들의 양에 비례하는 전기 신호를 출력한다.
제1셀렉트 트랜지스터(SX1)는, 제1셀렉트 신호(SEL1)에 응답하여 제1드라이브 트랜지스터(DX1)의 출력 신호를 상관 이중 샘플링 블럭(340)으로 출력한다. 제2셀렉트 트랜지스터(SX2)는, 제2셀렉트 신호(SEL2)에 응답하여 제2드라이브 트랜지스터(DX2)의 출력 신호를 상관 이중 샘플링 블럭(340)으로 출력한다.
제1전송 제어 신호(TG1), 제2전송 제어 신호(TG2), 제1리셋 신호(RG1), 제2리셋 신호(RG2), 제1셀렉트 신호(SEL1), 및 제2셀렉트 신호(SEL2)는 제2로우 드라이버(320)에 의해 생성된다.
도 5는 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 깊이 픽셀의 또 다른 실시 예이다.
도 1 및 도 5을 참조하면, 깊이 픽셀(280)은 전송 트랜지스터(TX1), 오버 플로우 트랜지스터(TX2), 리셋 트랜지스터(RX1), 드라이브 트랜지스터(DX1), 및 셀렉트 트랜지스터(SX1)를 포함한다.
전송 트랜지스터(TX1) 및 오버 플로우 트랜지스터(TX2) 각각의 소스단과 각각의 드레인단은 접속되어 있다. 즉, 전송 트랜지스터(TX1) 및 오버 플로우 트랜지스터(TX2) 각각의 게이트 및 바디는 플로팅 구조를 갖는다. 따라서, 깊이 센서(280)는, 도 3에 도시된 깊이 픽셀(240)과는 다르게 포토 다이오드와 같은 광전 변환 소자를 포함하지 않는다. 상술한 차이점을 제외하고, 도 5에 도시된 깊이 픽셀(280)의 구조 및 동작은 도 3에 도시된 깊이 픽셀(240)의 구조 및 동작과 동일하다.
도 6은 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀을 도시하고, 도 7은 도 6에 도시된 단위 픽셀의 회로도이다.
도 1, 도 6, 및 도 7을 참조하면, 픽셀 어레이(200)는 다수의 단위 픽셀(210)들을 포함할 수 있다. 단위 픽셀(210)은 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 및 깊이 픽셀(Z)을 포함한다. 즉, 단위 픽셀(210)은 레드 픽셀(R), 그린 픽셀(G), 블루 픽셀(B), 및 깊이 픽셀(Z)을 포함한다. 다만, 실시 예에 따라 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각과 깊이 픽셀(Z)의 배열은 가변할 수 있다
다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각의 구조와 동작은, 도 2에 도시된 컬러 픽셀(220)의 구조와 동작과 동일하다. 또한 깊이 픽셀(Z)의 구조 및 동작은, 도 3 내지 도 5에 도시된 다수의 깊이 픽셀들(240, 260, 및 280) 중 하나의 구조 및 동작과 동일하다.
또한, 다수의 픽셀들(R, G, B, 및 Z) 각각의 크기가 동일하거나 유사한 경우, 다수의 픽셀들(R, G, B, 및 Z)은 도 6에 도시된 단위 픽셀(210)로 구현될 수 있다.
다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각은, 전원 전압(VDD)을 공급하기 위한 전원 공급 라인 및 제1신호 라인 그룹과 접속된다. 상기 제1신호 라인 그룹은, 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각의 동작을 제어하기 위한 다수의 제어 신호들(RG, TG, 및 SEL) 각각을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함한다.
다수의 제어 신호들(RG, TG, 및 SEL) 각각은 제1로우 드라이버(300)로부터 출력된다. 즉, 제1로우 드라이버(300)는 상기 제1신호 라인 그룹을 통하여, 다수의 제어 신호들(RG, TG, 및 SEL)을 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각으로 공급할 수 있다.
깊이 픽셀(Z)은, 전원 전압(VDD)을 공급하기 위한 상기 전원 공급 라인 및 제2신호 라인 그룹과 접속된다. 상기 제2신호 라인 그룹은, 깊이 픽셀(Z)의 동작을 제어하기 위한 다수의 제어 신호들(RG1, DG, TG1, 및 SEL1) 각각을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함한다.
다수의 제어 신호들(RG, DG, TG1, 및 SEL1) 각각은 제2로우 드라이버(320)로부터 출력된다. 즉, 제2로우 드라이버(320)는 상기 제2신호 라인 그룹을 통하여, 다수의 제어 신호들(RG, DG, TG1, 및 SEL1)을 깊이 픽셀(Z)로 공급할 수 있다.
단위 픽셀(210)에 포함된 다수의 픽셀들(R, G, B, 및 Z) 중 동일한 컬럼(column) 상에 구현된 픽셀들은 출력 라인을 공유한다. 즉, 그린 픽셀(G) 및 블루 픽셀(B) 각각의 출력 신호는 제1출력 라인(OUT1)을 통하여 상관 이중 샘플링 블럭(340)으로 전송된다. 또한, 레드 픽셀(R) 및 깊이 픽셀(Z) 각각의 출력 신호는 제2출력 라인(OUT2)을 통하여 상관 이중 샘플링 블럭(340)으로 전송된다.
결국, 픽셀 어레이(200)에 포함된 다수의 픽셀들 중 동일한 컬럼 상에 구현된 픽셀들은 출력 라인을 공유할 수 있다.
도 8은 도 6에 도시된 단위 픽셀의 회로도의 다른 실시 예이다.
도 1, 도 6, 및 도 8을 참조하면, 단위 픽셀(210-1)은 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 및 깊이 픽셀(Z)을 포함한다. 도 8에 도시된 단위 픽셀(210-1)의 구조 및 동작은 도 7에 도시된 단위 픽셀(210)의 구조 및 동작과 유사하다.
그린 픽셀(G)과 블루 픽셀(B)은 출력 라인을 공유한다. 즉, 그린 픽셀(G)과 블루 픽셀(B) 각각의 출력 신호는, 제1출력 라인(OUT1)을 통하여 상관 이중 샘플링 블럭(340)으로 전송된다.
그러나, 레드 픽셀(R)과 깊이 픽셀(Z)는 출력 라인을 공유하지 않는다. 즉, 레드 픽셀(R)의 출력 신호는 제2출력 라인(OUT2)을 통하여 상관 이중 샘플링 블럭(340)으로 전송되고, 깊이 픽셀(Z)의 출력 신호는 제3출력 라인(OUT2')을 통하여 상관 이중 샘플링 블럭(340)으로 전송된다.
즉, 픽셀 어레이(200)에 포함된 다수의 컬러 픽셀들 중 동일한 컬럼 상에 구현된 컬러 픽셀들은 출력 라인을 공유한다. 또한, 픽셀 어레이(200)에 포함된 다수의 깊이 픽셀들 중 동일한 컬럼 상에 구현된 깊이 픽셀들은 출력 라인을 공유한다.
도 9는 도 1에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀의 다른 실시 예이고, 도 10은 도 9에 도시된 단위 픽셀의 회로도이다.
도 1, 도 9, 및 도 10을 참조하면, 픽셀 어레이(200)는 다수의 단위 픽셀(212)들을 포함할 수 있다. 단위 픽셀(212)은 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 및 깊이 픽셀(Z)을 포함한다. 즉, 단위 픽셀(212)은 레드 픽셀(R), 그린 픽셀(G), 블루 픽셀(B), 및 깊이 픽셀(Z)을 포함한다. 다만, 실시 예에 따라 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각과 깊이 픽셀(Z)의 배열은 가변할 수 있다
다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각의 구조와 동작은, 도 2에 도시된 컬러 픽셀(220)의 구조와 동작과 동일하다. 또한 깊이 픽셀(Z)의 구조 및 동작은, 도 3 내지 도 5에 도시된 다수의 깊이 픽셀들(240, 260, 및 280) 중 하나의 구조 및 동작과 동일하다.
또한, 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각의 크기와 깊이 픽셀(Z)의 크기가 동일하지 않은 경우, 다수의 픽셀들(R, G, B, 및 Z)은 도 9에 도시된 단위 픽셀(212)로 구현될 수 있다.
다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각은, 전원 전압(VDD)을 공급하기 위한 전원 공급 라인 및 제1신호 라인 그룹과 접속된다. 상기 제1신호 라인 그룹은, 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각의 동작을 제어하기 위한 다수의 제어 신호들(RG, TG, 및 SEL) 각각을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함한다.
다수의 제어 신호들(RG, TG, 및 SEL) 각각은 제1로우 드라이버(300)로부터 출력된다. 즉, 제1로우 드라이버(300)는 상기 제1신호 라인 그룹을 통하여, 다수의 제어 신호들(RG, TG, 및 SEL)을 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각으로 공급할 수 있다.
깊이 픽셀(Z)은, 전원 전압(VDD)을 공급하기 위한 상기 전원 공급 라인 및 제2신호 라인 그룹과 접속된다. 상기 제2신호 라인 그룹은, 깊이 픽셀(Z)의 동작을 제어하기 위한 다수의 제어 신호들(RG1, DG, TG1, 및 SEL1) 각각을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함한다.
다수의 제어 신호들(RG, DG, TG1, 및 SEL1) 각각은 제2로우 드라이버(320)로부터 출력된다. 즉, 제2로우 드라이버(320)는 상기 제2신호 라인 그룹을 통하여, 다수의 제어 신호들(RG, DG, TG1, 및 SEL1)을 깊이 픽셀(Z)로 공급할 수 있다.
단위 픽셀(212)에 포함된 다수의 픽셀들(R, G, B, 및 Z) 중 동일한 컬럼(column) 상에 구현된 픽셀들은 출력 라인을 공유한다. 즉, 단위 픽셀(212)에 포함된 다수의 픽셀들(R, G, B, 및 Z) 각각의 출력 신호는 제1출력 라인(OUT1), 제2출력 라인(OUT2), 제3출력 라인(OUT3), 또는 제4출력 라인(OUT4) 중 하나의 출력 라인을 통하여 출력된다.
결국, 픽셀 어레이(200)에 포함된 다수의 픽셀들 중 동일한 컬럼 상에 구현된 픽셀들은 출력 라인을 공유할 수 있다.
도 11은 도 6에 도시된 단위 픽셀의 회로도의 다른 실시 예이다.
도 1, 도 9, 및 도 11을 참조하면, 단위 픽셀(212-1)은 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 및 깊이 픽셀(Z)을 포함한다. 도 11에 도시된 단위 픽셀(212-1)의 구조 및 동작은 도 10에 도시된 단위 픽셀(212)의 구조 및 동작과 유사하다.
다만, 단위 픽셀(212-1)에 포함된 다수의 컬러 픽셀들 각각과 깊이 픽셀(Z)은 출력 라인을 공유하지 않는다. 즉, 단위 픽셀(212-1)에 포함된 다수의 컬러 픽셀들(R, G, 및 B) 각각의 출력 신호는 제1출력 라인(OUT1), 제2출력 라인(OUT2), 제3출력 라인(OUT3), 또는 제4출력 라인(OUT4) 중 하나의 출력 라인을 통하여 출력된다. 깊이 픽셀(Z)의 출력 신호는 제5출력 라인(OUT5)을 통하여 출력된다.
즉, 픽셀 어레이(200)에 포함된 다수의 컬러 픽셀들 중 동일한 컬럼 상에 구현된 컬러 픽셀들은 출력 라인을 공유한다. 또한, 픽셀 어레이(200)에 포함된 다수의 깊이 픽셀들 중 동일한 컬럼 상에 구현된 깊이 픽셀들은 출력 라인을 공유한다.
도 12는 도 1에 도시된 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1 및 도 12를 참조하면, 제1로우 드라이버(300)는 픽셀 어레이(200)에 포함된 다수의 컬러 픽셀들 각각의 동작을 제어하기 위한 다수의 제1제어 신호들을 출력한다(S10).
제1로우 드라이버(300)는 타이밍 생성기(400)의 제어 하에 상기 다수의 제1제어 신호들을 출력할 수 있다. 이때, 상기 다수의 제1제어 신호들은 제1신호 라인 그룹을 통하여 전송된다. 상기 제1신호 라인 그룹은 상기 다수의 제1제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함할 수 있다.
제2로우 드라이버(320)는 픽셀 어레이(200)에 포함된 다수의 컬러 픽셀들 각각의 동작을 제어하기 위한 다수의 제2제어 신호들을 출력한다(S30).
제2로우 드라이버(320)는 타이밍 생성기(400)의 제어 하에 상기 다수의 제2제어 신호들을 출력할 수 있다. 이때, 상기 다수의 제2제어 신호들은 제2신호 라인 그룹을 통하여 전송된다. 상기 제1신호 라인 그룹은 상기 다수의 제1제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함할 수 있다.
도 13은 도 1에 도시된 센서를 포함하는 데이터 처리 시스템의 블럭도이다.
도 1 및 도 13을 참조하면, 데이터 처리 시스템(1)은 센서(10)와 프로세서(12)를 포함할 수 있다. 데이터 처리 시스템(1)은 3차원 거리 측정기, 게임 컨트롤러, 깊이 카메라, 이동 통신 장치, 또는 제스쳐 감지 장치(gesture sensing apparatus)로 구현될 수 있다.
프로세서(12)는 버스(16)를 통하여 센서(10)의 동작, 예컨대 타이밍 생성기(400)의 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(12)는 센서(10)의 동작을 제어하기 위한 프로그램을 저장할 수 있다. 실시 예에 따라, 프로세서(12)는 센서(10)의 동작을 제어하기 위한 프로그램이 저장된 메모리(미 도시)를 억세스하여 상기 메모리에 저장된 상기 프로그램을 실행시킬 수 있다.
센서(10)는, 프로세서(12)의 제어 하에 각 디지털 픽셀 신호(예컨대, 컬러 정보 또는 깊이 정보)에 기초하여 3차원 이미지 정보를 생성할 수 있다. 상기 생성된 3차원 이미지 정보는 인터페이스(18)에 접속된 디스플레이(미 도시)를 통하여 디스플레이될 수 있다. 즉, 센서(10)에 포함되거나 별도로 구비된 이미지 신호 프로세서(20)는 센서(10)로부터 출력된 신호를 처리하고 처리된 신호를 디스플레이를 통하여 디스플레이할 수 있다.
센서(10)에 의하여 생성된 3차원 이미지 정보는, 프로세서(12)의 제어 하에 버스(16)를 통하여 메모리 장치(14)에 저장될 수 있다. 메모리 장치(14)는 불휘발성 메모리 장치로 구현될 수 있다.
인터페이스(18)는 3차원 이미지 정보를 입출력하기 위한 인터페이스로 구현될 수 있다. 실시 예에 따라, 인터페이스(18)는 키보드, 마우스, 또는 터치 패드와 같은 입력 장치로 구현될 수 있고, 디스플레이 또는 프린터와 같은 출력 장치로 구현될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 명세서의 기재된 실시예들은 레드 픽셀, 그린 픽셀, 또는 블루 픽셀을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예에 따라, 상기 레드 픽셀은 사이언(cyan) 픽셀, 옐로우(yellow) 픽셀, 및 마젠타(magenta) 픽셀 중에서 어느 하나로 대체될 수 있고, 상기 그린 픽셀은 상기 사이언 픽셀, 상기 옐로우 픽셀, 및 상기 마젠타 픽셀 중에서 다른 하나로 대체될 수 있고, 상기 블루 픽셀은 상기 사이언 픽셀, 상기 옐로우 픽셀, 및 상기 마젠타 픽셀 중에서 또 다른 하나로 대체될 수 있다.
여기서, 상기 사이언 픽셀은 사이언 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환할 수 있고, 상기 옐로우 픽셀은 예로우 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환할 수 있고, 상기 마젠타 픽셀은 마젠타 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환할 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 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 데이터 처리 시스템
10 : 센서
12 : 프로세서
14 : 메모리 장치
20 : 이미지 신호 프로세서
100 : 적외선 광원
200 : 픽셀 어레이
210, 212 : 단위 픽셀
220 : 컬러 픽셀
240, 260, 280 : 깊이 픽셀
300 : 제1로우 드라이버
320 : 제2로우 드라이버
340 : 상관 이중 샘플링 블럭
360 : 아날로그 디지털 컨버터
380 : 버퍼
400 : 타이밍 생성기

Claims (10)

  1. 컬러 픽셀 및 깊이 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 컬러 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제1제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함하는 제1신호 라인 그룹; 및
    상기 깊이 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제2제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함하는 제2신호 라인 그룹을 포함하고,
    상기 컬러 픽셀과 상기 깊이 픽셀이 동일한 컬럼 상에 구현될 때 상기 컬러 픽셀과 상기 깊이 픽셀은 출력 라인을 공유하는 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서는,
    상기 다수의 제1제어 신호들을 생성하는 제1로우 드라이버; 및
    상기 다수의 제2제어 신호들을 생성하는 제2로우 드라이버를 더 포함하는 센서.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 센서는,
    상기 컬러 픽셀의 출력 신호를 출력하기 위한 제1출력 라인; 및
    상기 깊이 픽셀의 출력 신호를 출력하기 위한 제2출력 라인을 더 포함하는 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 픽셀의 크기와 상기 깊이 픽셀의 크기는 동일한 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 픽셀의 크기와 상기 깊이 픽셀의 크기는 상이한 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 깊이 픽셀은 1-탭 구조인 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 깊이 픽셀은 2-탭 구조인 센서.
  9. 센서; 및
    상기 센서의 동작을 제어하기 위한 프로세서를 포함하고,
    상기 센서는,
    컬러 픽셀 및 깊이 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 컬러 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제1제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함하는 제1신호 라인 그룹; 및
    상기 깊이 픽셀의 동작을 제어하기 위한 다수의 제2제어 신호들을 공급하기 위한 다수의 신호 라인들을 포함하는 제2신호 라인 그룹을 포함하고,
    상기 컬러 픽셀과 상기 깊이 픽셀이 동일한 컬럼 상에 구현될 때 상기 컬러 픽셀과 상기 깊이 픽셀은 출력 라인을 공유하는 데이터 처리 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 센서는,
    상기 제1제어 신호들을 생성하는 제1로우 드라이버; 및
    상기 제2제어 신호들을 생성하는 제2로우 드라이버를 더 포함하고,
    상기 컬러 픽셀 및 상기 깊이 픽셀은 출력 라인을 공유하는 데이터 처리 시스템.
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