KR101909744B1 - 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서 - Google Patents

수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 기준 위상 범위 이외에 축적되는 전자를 수거하여 유효한 광량 만을 누적하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광신호가 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자를 누적하는 셔터회로와, 상기 셔터회로와 반주기로 작동하며 상기 포토다이오드에 축적된 전자를 수거하는 수거회로와, 상기 셔터회로와 수거회로가 서로 반주기로 작동되도록 제어하며 일정 위상을 기준으로 전자가 복수 번 누적되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서 { A light accumulation image sensor of parallel structure having remove circuit }
본 발명은 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기준 위상 범위 이외에 축적되는 전자를 수거하여 유효한 광량 만을 누적하는 것을 특징으로 하는 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서(Image Sensor)는 디지털 카메라에 사용되고 있으며 각 화소에서 수신한 광량을 전자신호로 변환하여 하나의 영상을 생성할 수 있는 아날로그 필름과 같은 역할을 한다. 이미지센서는 빛을 검출하여 전하를 발생시키는 포토 다이오드가 각 화소별로 복수 개 배열되어 있는 형태를 가진다
종래의 거리 측정 카메라의 거리 측정 방법은 스테레오 카메라를 이용하여 좌우 이미지를 정합함으로써 거리 정보를 얻는 방법과 빛을 쏘아서 측정 대상에 반사되어 돌아오는 시간, 정확히 말하면 송신된 빛과 수신된 빛의 위상 차이를 측정하여 거리를 계산하는 방법 등이 있다.
종래의 거리 측정 장치는 한 점을 기준으로만 거리를 측정할 수 있었기에 일정 범위의 거리 정보를 획득하기 위해서는 측정자가 거리 측정 장치의 측정점을 여러 번 바꾸어 주며 측정 과정을 복수 번 반복해야만 하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 한국특허 공개번호 제10-2011-0087112호는 TOF(Time of Flight)를 이용한 3D 영상 표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TOF 카메라를 이용하여 차량과 물체사이의 거리를 측정하고, 측정된 거리 정보를 일반 영상 카메라로 촬영한 2D RGB 영상에 3D 영상을 합성하여 사용자에게 제공하는 TOF 원리를 이용한 3D 영상 표시 장치 및 그 방법에 관한 것이다. TOF 카메라, 일반 영상 카메라를 차량의 전면, 후면, 좌측면, 우측면에 설치하여 각 방향별 영상을 3D 영상으로 합성한 후, 각 방향별 3D 영상을 병합함으로써 차량과 차량 주위 전체 환경에 대한 3D 영상을 제공한다.
그러나 상기 3D 영상 표시 장치는 상기 장치가 차량에 설치되는 면에 따라 자연광 등 외부광의 세기가 다를 수 있어 제공되는 거리 정보에 오차가 크며 3D 영상 획득을 위하여 거리에 해당되는 변조된 빛의 한 파장 동안에 해당 위상을 측정하기 위하여 여전히 셔터의 속도를 빠르게 해야 하는데 이때 3D 영상이 어두워지는 문제점이 있었다.
측정 카메라와 측정 대상과의 빛의 왕복 거리를 측정하기 때문에 전자적인 셔터 작동 시간이 짧아야 하고 셔터 작동 시간이 짧으면 수신되는 광량이 부족하여 원하는 밝기의 영상을 얻을 수 없다.
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 빛의 왕복거리를 측정하기 위하여 변조 파장에 해당하는 위상의 광량을 주기적으로 축적함으로써 원하는 밝기의 영상을 얻을 수 있는 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 측정하고자 하는 위상 범위 이외의 축적 광량을 수거하여 유효한 축적 광량만을 누적하는 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 구성의 전자 수거 회로가 추가됨으로써 불량 출력 값을 쉽게 제거하는 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서는 광신호가 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자를 누적하는 셔터회로와, 상기 셔터회로와 반주기로 작동하며 상기 포토다이오드에 축적된 전자를 수거하는 수거회로와, 상기 셔터회로와 수거회로가 서로 반주기로 작동되도록 제어하며 일정 위상을 기준으로 전자가 복수 번 누적되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 셔터회로와 수거회로는 상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 셔터회로는 상기 게이트 트랜지스터를 통해 이송된 전자를 누적하는 누적 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 제어부는 복수 개의 광신호가 각각 서로 다른 위상을 기준으로 수신되도록 상기 게이트 트랜지스터의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 셔터회로와 수거회로는 회로 내에 축적된 전자를 제거하는 리셋 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 제어부는 상기 리셋 트랜지스터가 일정 위상에 따른 광신호를 복수 번 누적하는 누적 작동을 하기 직전에 리셋 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 셔터회로는 상기 누적 트랜지스터에 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 화소 Row별로 출력되기 위한 제 1 출력 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 셔터회로는 복수 개의 화소에 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 선택적으로 출력되기 위한 제 2 출력 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서에 의하면 빛의 왕복거리를 측정하기 위하여 변조 파장에 해당하는 위상의 광량을 주기적으로 축적함으로써 원하는 밝기의 영상을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서에 의하면 측정하고자 하는 위상 범위 이외의 축적 광량을 수거하여 유효한 축적 광량만을 누적하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서에 의하면 간단한 구성의 전자 수거 회로가 추가됨으로써 불량 출력 값을 쉽게 제거하는 효과가 있다.
도 1은 제 1 실시 예로서 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도.
도 2는 제 2 실시 예로서 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도.
도 3은 d=0일 때 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 위상에 따른 제어부의 입력 신호와 축적 광량을 도시한 파형도.
도 4는 d=dx일 때 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 위상에 따른 제어부의 입력 신호와 축적 광량을 도시한 파형도.
도 5는 일실시 예로서 제 2 출력 트랜지스터가 포함되는 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도.
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 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기준 위상 범위 이외에 축적되는 전자를 수거하여 유효한 광량 만을 누적하는 것을 특징으로 하는 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 제 1 실시 예로서 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도이며, 도 2는 제 2 실시 예로서 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도이고, 도 3은 d=0일 때 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 위상에 따른 제어부의 입력 신호와 축적 광량을 도시한 파형도이며, 도 4는 d=dx일 때 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 위상에 따른 제어부의 입력 신호와 축적 광량을 도시한 파형도이고, 도 5는 일실시 예로서 제 2 출력 트랜지스터가 포함되는 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 회로 구성을 도시한 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서는 광신호가 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드(100)와, 상기 포토다이오드에 축적된 전자를 누적하는 셔터회로(200)와, 상기 셔터회로와 반주기로 작동하며 상기 포토다이오드에 축적된 전자를 수거하는 수거회로(300)와, 상기 셔터회로와 수거회로가 서로 반주기로 작동되도록 제어하며 일정 위상을 기준으로 전자가 복수 번 누적되도록 제어하는 제어부를 포함한다.
포토다이오드(100)는 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.
셔터회로와 수거회로는 포토다이오드를 중심으로 병렬 구조로 배열되어 상기 광량 누적 이미지센서를 구성한다.
본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 셔터회로(200)와 수거회로(300)는 상기 포토다이오드(100)에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터(201, 301)를 더 포함한다. 또한 상기 셔터회로(200)는 상기 게이트 트랜지스터(201)를 통해 이송된 전자를 누적하는 누적 트랜지스터(203)를 더 포함한다.
또한 상기 수거회로(300)는 상기 게이트 트랜지스터(301)를 통해 이송된 전자를 누적하는 누적 트랜지스터(303)를 더 포함할 수도 있다.
셔터회로(200)의 게이트 트랜지스터(201)는 수신 광신호 중에 원하는 위상 영역에서 작동되어 포토다이오드(100)에 축적된 전자가 상기 셔터회로 내의 누적 트랜지스터(203)에 이적되도록 게이트를 여는 역할을 한다.
수거회로(300)의 게이트 트랜지스터(301)는 상기 셔터회로의 게이트 트랜지스터(201)가 작동되어 원하는 위상 영역의 축적 전자를 이적하고 난 후 상기 포토다이오드(100)에 쌓이는 불량 전자를 수거하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 셔터회로(200)와 수거회로(300)는 회로 내에 축적된 전자를 제거하는 리셋 트랜지스터(202, 302)를 더 포함한다.
본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 셔터회로(200)는 상기 누적 트랜지스터에 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 화소 Row별로 출력되기 위한 제 1 출력 트랜지스터(204)를 더 포함한다.
도 1은 일실시 예로서 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 반복하며 동일 위상을 누적하는 유효 누적 범위 이외에 축적되는 광량은 수거회로(300)에서 수거한다.
본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 제어부는 상기 리셋 트랜지스터(202, 302)가 일정 위상에 따른 광신호를 복수 번 누적하는 누적 작동을 하기 직전에 리셋 작동되도록 제어한다.
제어부는 우선 도 1에 도시된 SEL 선에 신호를 인가하여 상기 SEL 선에 게이트 단자가 결합되는 셔터회로(200)의 제 1 출력 트랜지스터(204)를 ON 작동시킨다. 이로써 전체 화소 중에 하나의 Row(행)이 선택된다.
또한 RS 선과 TG_1, TG_2 선을 통해 셔터회로(200)와 수거회로(300)의 리셋 트랜지스터(202, 302)와 게이트 트랜지스터(201, 301)를 작동시킨다. 이로 인해 이전의 광신호 수신 작동에 의해 상기 포토다이오드(100)와 셔터회로 및 수거회로에 남아있는 불량 전자가 리셋된다. 리셋된 상태에서 상기 셔터회로에서 출력되는 기준 전압 레벨을 읽어낸다.
상기 제어부가 상기 셔터회로와 수거회로의 리셋 트랜지스터(202, 302)와 게이트 트랜지스터(201, 301)의 작동을 OFF시키면 작동 OFF 순간부터 수신되는 광신호에 의해 상기 포토다이오드(100)에 전자가 축적된다.
상기 셔터회로와 수거회로의 게이트 트랜지스터(201, 301)는 광신호의 주기에 맞춰 복수 번 작동되며 서로 반주기로 작동된다. 상기 셔터회로(200)의 게이트 트랜지스터(201)가 작동되면 상기 포토다이오드(100)에 축적된 전자가 상기 셔터회로(200)의 확산 영역으로 확산된다. 확산된 전자는 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터(203)에 누적된다.
상기 수거회로(300)의 작동과 상기 셔터회로의 게이트 트랜지스터(201)의 작동은 반주기 차이이므로 수신하고자하는 유효 위상 범위 이외에 포토다이오드에 축적되는 불량 전자를 수거할 수 있다.
본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 제어부는 복수 개의 광신호가 각각 서로 다른 위상을 기준으로 수신되도록 상기 게이트 트랜지스터(201, 301)의 작동을 제어한다.
상기 제어부는 상기 셔터회로의 게이트 트랜지스터(201)가 광신호의 일정 위상을 기준으로 복수 번 작동되도록 제어하여 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터(203)에 유효한 범위 내의 전자가 누적되도록 하며 상기 수거회로의 게이트 트랜지스터(301)가 상기 셔터회로의 게이트 트랜지스터(201)와 반주기로 작동되도록 제어하여 유효한 범위 외의 전자가 회수되도록 한다.
상기 기준 전압 레벨에서 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터(203)에 누적된 전자 량에 따른 전압 레벨을 빼면 수신되는 광신호의 동일 위상에서 반복 누적된 순수 전압 레벨을 얻을 수 있다. 이것을 Correlated Double Sampling이라고 한다.
광량을 누적하기 위한 게이트 트랜지스터(201, 301)의 작동 횟수가 많아질수록 누적되는 광량이 커지므로 영상이 밝게 촬영될 것이며 본 발명에 따른 이미지센서와 측정 대상 간의 거리가 매우 가까워 송신 광신호와 수신 광신호의 위상 차이가 매우 작게 얻어지더라도 누적되는 횟수만큼 누적 광량의 차이도 커질 것이다.
또한 광신호를 누적하는 횟수는 광신호의 변조 파장이 짧으면 많아지는 것이 바람직할 것이며 사용자가 임의로 측정 대상까지의 거리를 어림잡아 미리 설정하거나 중간값으로 설정된 테스트 광신호를 송신하여 자동으로 파장의 길이 및 누적 횟수가 설정될 수도 있다.
상기 제어부가 상기 셔터회로의 제 1 출력 트랜지스터의 작동을 OFF하면 전압 레벨이 출력되는 OUT 선으로부터 화소 Row가 분리된다.
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 정확도 높게 알 수 있다.
송신 광신호는 누적하고자 하는 위상의 개수와 동일하게 복수 번 송신되어야 하며 상기 제어부는 상기 송신 광신호와 동기를 맞추어 복수 개의 트랜지스터가 작동되도록 제어한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 수거회로(300)는 도 1에 도시된 누적 트랜지스터(303)가 포함되지 않을 수도 있다. 상기 수거회로에 누적 트랜지스터가 포함되지 않으면 게이트 트랜지스터(201)와 리셋 트랜지스터(302) 2개의 트랜지스터로만 회로가 구성될 수 있다. 이로 인해 수거회로(300)가 매우 간소화되어 본 발명에 따른 이미지센서의 집적도를 향상시킬 수 있다. 도 2를 참조하면, 셔터회로(200)는, 포토다이오드(100)의 일단과 제1 노드 사이에 접속되며, 제1 제어 신호(TG_1)의 제어를 받는 제1 게이트 트랜지스터(201);와, 전원전압단(VDD)과 제1 노드 사이에 접속되며, 리셋신호(RS)의 제어를 받는 제1 리셋 트랜지스터(202);와, 전원전압단(VDD)과 제2 노드 사이에 접속되며 제1 노드의 전압레벨의 제어를 받는 누적 트랜지스터(203);와, 제2 노드와 출력단(OUT) 사이에 접속되며 선택신호(SEL)의 제어를 받는 제1 출력 트랜지스터(204);를 구비한다. 또한, 수거회로(300)는, 포토다이오드(100)의 일단과 제3 노드 사이에 접속되며, 제2 제어 신호(TG_2)의 제어를 받는 제2 게이트 트랜지스터(301);와, 전원전압단(VDD)과 제3 노드 사이에 접속되며, 리셋신호(RS)의 제어를 받는 제2 리셋 트랜지스터(302);를 구비한다.
도 3은 d=0일 때 기준 위상에 따른 제어부의 상기 셔터회로와 수거회로 제어 신호와 축적되는 광량을 도시한다. 본 발명에 따른 이미지센서와 측정 대상 간의 거리가 0이면 송신 광신호와 수신 광신호의 시간 차이 및 위상 차이는 0일 것이므로 도 3의 LED Source 파형과 Returning Light 파형은 동일하게 도시되어 있다.
도 3의 상단 파형은 d=0일 때 상기 셔터회로가 위상 0도를 기준으로 광량을 누적하기 위하여 상기 제어부에서 입력되는 제어 신호(TG_1) 및 상기 셔터회로와 반주기로 작동되기 위하여 상기 수거회로에 입력되는 제어 신호(TG_2)이며 하단 파형은 상기 셔터회로가 위상 180도를 기준으로 광량을 누적하기 위하여 상기 제어부에서 입력되는 제어 신호(TG_1) 및 상기 셔터회로와 반주기로 작동되기 위하여 상기 수거회로에 입력되는 제어 신호 (TG_2)이다.
0도와 180도 두 개의 기준 위상에 따른 광량이 측정되기 위해서는 송신 광신호 역시 두 번 송신되어야 한다. 여러 번 측정될수록 위상차에 대한 신뢰도는 높아지지만 너무 많은 반복 측정은 시간과 에너지의 낭비를 초래하므로 2개 내지 4개의 위상을 기준으로 하는 것이 바람직할 것이다.
상기 셔터회로와 수거회로에 RS 신호가 동시에 인가되어 각 회로의 리셋 트랜지스터가 작동되고 TG_1, TG_2 선에 인가되는 신호로 각 회로의 게이트 트랜지스터가 작동되면 광량을 누적하기 전 초기 리셋 과정을 거친다.
초기 리셋 신호를 제외하면 상기 TG_1과 TG_2에 인가되는 작동 신호는 서로 반주기이며 상기 TG_1과 TG_2 선에 반주기로 인가되는 작동 신호로 인해 상기 셔터회로와 수거회로의 게이트 트랜지스터는 서로 반주기로 작동된다.
이에 따라 상기 셔터회로는 도 3의 FD_1 파형에서 빗금 친 부분만큼 전자가 누적되며 상기 수거회로는 상기 셔터회로가 전자를 누적하는 영역 이외의 영역에 축적되는 전자를 수거해 간다. 또한 상기 수거회로는 초기 리셋이 되고 난 후에도 남아 있을 수 있는 불량 전자를 수거한다.
본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 제어부는 상기 셔터회로와 수거회로의 리셋 트랜지스터(202, 302)가 상기 셔터회로에 포함되는 게이트 트랜지스터(201)의 복수 번 작동 후에 누적된 전자 량에 따른 전압 레벨이 출력되면 리셋 작동되도록 제어한다.
셔터회로와 수거회로의 리셋 트랜지스터는 처음에 기본적인 초기 리셋 작동을 수행한 후 OFF되어 있다가 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터에 누적된 전자가 출력되고 나면 ON되어 다시 초기 리셋 작동을 수행하여 불필요하게 남아있는 전자를 리셋시킨다.
이로써 하나의 광신호에 대해 각 위상별 광량을 연속으로 축적하는 방식에 비해 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있다.
도 4는 d=dx일 때 기준 위상에 따른 제어부의 상기 셔터회로와 수거회로 제어 신호와 축적되는 광량을 도시한다. 도 4의 LED Source와 Returning Light 파형 간의 위상 차이는 임의로 지정하였다.
본 발명에 따른 이미지센서와 측정 대상 간의 거리가 dx이면 왕복 2dx이며 송신 광신호와 수신 광신호의 시간 차이 및 위상 차이가 생길 것이므로 도 3의 LED Source 파형과 Returning Light 파형의 위상이 2dx만큼 차이가 생긴다.
도 4의 상단 파형은 d=dx일 때 상기 셔터회로가 위상 0도를 기준으로 광량을 누적하기 위하여 상기 제어부에서 입력되는 제어 신호(TG_1) 및 상기 셔터회로와 반주기로 작동되기 위하여 상기 수거회로에 입력되는 제어 신호(TG_2)이며 하단 파형은 상기 셔터회로가 위상 180도를 기준으로 광량을 누적하기 위하여 상기 제어부에서 입력되는 제어 신호(TG_1) 및 상기 셔터회로와 반주기로 작동되기 위하여 상기 수거회로에 입력되는 제어 신호 (TG_2)이다.
상기 셔터회로와 수거회로에 RS 신호가 동시에 인가되어 각 회로의 리셋 트랜지스터가 작동되고 TG_1, TG_2 선에 인가되는 신호로 각 회로의 게이트 트랜지스터가 작동되면 광량을 누적하기 전 초기 리셋 과정을 거친다.
초기 리셋 신호를 제외하면 상기 TG_1과 TG_2에 인가되는 작동 신호는 서로 반주기이며 상기 TG_1과 TG_2 선에 반주기로 인가되는 작동 신호로 인해 상기 셔터회로와 수거회로의 게이트 트랜지스터는 서로 반주기로 작동된다.
이에 따라 상기 셔터회로는 도 4의 FD_1 파형에서 빗금 친 부분만큼 전자가 누적되며 상기 수거회로는 상기 셔터회로가 전자를 누적하는 영역 이외의 영역에 축적되는 전자를 수거해 간다. 또한 상기 수거회로는 초기 리셋이 되고 난 후에도 남아 있을 수 있는 불량 전자를 수거한다.
상기 제어부는 상기 게이트 트랜지스터가 소정의 반복 횟수만큼 작동된 이후에 다음 광신호의 광량 누적을 위하여 리셋되도록 상기 셔터회로와 수거회로의 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터를 작동 ON시킨다. 상술한 바와 같이 제어부는, 복수의 광신호를 순차적으로 수신하여 광량을 누적할 때, 서로 다른 위상을 기준으로 광량을 각각 누적할 수 있다. 즉, 제어부는, 복수의 광신호 중 제1 광신호 그룹을 제1 위상 기준으로 순차적으로 수신하고 광량을 누적하여 출력하도록 제어하고, 상기 제1 광신호 그룹 이후에 수신되는 제2 광신호 그룹을 제2 위상 기준으로 순차적으로 수신하고 광량을 누적하여 출력하도록 제어하고, 상기 제2 광신호 그룹 이후에 수신되는 제3 광신호 그룹을 제3 위상 기준으로 순차적으로 수신하고 광량을 누적하여 출력하도록 제어하고, 상기 제3 광신호 그룹 이후에 수신되는 제4 광신호 그룹을 제4 위상 기준으로 순차적으로 수신하고 광량을 누적하여 출력하도록 제어할 수 있다. 이때, 제2 게이트 트랜지스터(301)는, 제1 게이트 트랜지스터(201)가 턴온되어 원하는 위상 영역의 축적 전자를 제1 노드로 이적하고 난 후 포토다이오드(100)의 일단을 초기화 시키도록 제어된다. 즉, 제어부는 제2 게이트 트랜지스터(301)와 제1 게이트 트랜지스터(201)가 서로 반주기로 작동되도록 제어하여 측정하고자 하는 위상 범위 이외의 축적 광량을 수거한다.
이로써 하나의 광신호에 대해 각 위상별 광량을 연속으로 축적하는 방식에 비해 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있다.
송신 광신호와 상기 송신 광신호가 측정대상에 반사되어 수신되는 수신 광신호의 위상 차이에 의해 생기는 출력 전압 레벨의 차이를 바탕으로 상기 송신 광신호와 반사 광신호의 위상 차이가 구해질 수 있다.
다음의 수학식 1은 네 개의 서로 다른 위상을 기준으로 축적된 광량을 이용하여 위상의 차이를 산출하는 공식이다.
Figure 112015092606205-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.
반사 광신호의 크기(A1~A4)는 펄스의 크기를 나타내는 0 또는 1 값을 가질 수 있다. 0 또는 1의 값은 도 5를 예를 들어서 기준 위상에 따라 광량이 누적되기 시작하는 위상의 광량 크기나 누적이 끝나는 순간의 광량 크기 또는 광량이 누적되는 위상 영역의 가운데 값을 기준으로 정해질 수도 있다.
도 3에서 광량이 누적되는 영역의 가운데 지점을 기준으로 하면 0도에서 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터에 누적되는 광량은 1이며 180도를 기준으로 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터에 누적되는 광량은 0이다.
도 4에서 광량이 누적되는 영역의 가운데 지점을 기준으로 하면 0도에서 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터에 누적되는 광량은 0이며 180도에서 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터에 누적되는 광량은 1이다. 따라서 상기 수신 광신호는 0~180도 이내의 위상 차이를 갖는다는 것을 알 수 있다.
또한 광신호가 ON일 때 온전히 노출된 광신호의 크기가 10이라고 가정하면 도 3에서 0도를 기준으로 누적되는 광량은 10이고 180도를 기준으로 누적되는 광량은 0이며, 도 4에서 0도를 기준으로 누적되는 광량은 5이고 180도를 기준으로 누적되는 광량은 5이다. 0도를 기준으로는 누적되는 광량이 줄어들었고 180도를 기준으로는 누적되는 광량이 커졌으므로 도 4의 수신 광신호는 0~180도 이내로 위상이 늦춰졌다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서의 상기 셔터회로(200)는 복수 개의 화소에 각각 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 선택적으로 출력되기 위한 제 2 출력 트랜지스터(204)를 더 포함한다.
도 5는 일실시 예로서 5-트랜지스터 회로 구조를 가지는 이미지센서를 도시하고 있으며 도 1의 회로에 제 2 출력 트랜지스터(204)가 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.
우선 상기 셔터회로와 수거회로의 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터를 작동시켜 상기 포토다이오드와 각 회로의 누적 트랜지스터에 남아있는 전자를 리셋시킨 뒤 SEL 신호를 ON 시켜 화소를 선택한다. 이후 TG_1 신호선에 작동 신호를 인가하여 추가된 상기 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 각 회로의 리셋 트랜지스터와 게이트 트랜지스터가 닫히면 상기 포토다이오드에 광신호에 따른 전자가 축적되기 시작하고 상기 셔터회로의 게이트 트랜지스터를 작동시켜 상기 축적된 전자가 확산되어 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터에 누적되도록 한다.
광신호의 기준 위상에 따라 상기 게이트 트랜지스터가 반복 작동되어 상기 누적 트랜지스터에 동일 위상을 기준으로 한 광량이 누적되도록 하며 상기 수거회로는 상기 셔터회로가 광량을 누적하기 위하여 반복 작동되는 주기의 반주기로 작동되어 유효하지 않은 위상 범위 이외의 전자 량을 수거한다.
상기 제어부는 상기 셔터회로의 누적 트랜지스터에 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 OUT 선으로 출력되도록 제어하며 같은 방식으로 다른 화소의 전압 레벨 출력을 읽어낸다.
또한 상기 수거회로(300)는 상기 수거회로 내의 누적 트랜지스터(303)에 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 출력되는 제 1 출력 트랜지스터(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
상기 수거회로는 상기 셔터회로와 반주기로 작동되므로 상기 셔터회로가 기준으로 누적하는 위상의 180도 차이를 갖는 위상을 기준으로 광량을 누적하고 있다. 따라서 상기 수거회로에 제 1 출력 트랜지스터를 더 포함하여 상기 수거회로의 누적 트랜지스터에 누적된 전자량에 따른 전압 레벨 값을 출력하도록 하여 하나의 광신호에서 2개의 위상을 기준으로 광량을 누적하여 출력을 얻을 수도 있다.
이에 따라 상기 셔터회로가 제 1 수신 광신호에서 0도, 제 2 수신 광신호에서 90도를 기준으로 광량을 누적하면 같은 화소 내의 수거회로가 제 1 수신 광신호에서 180도, 제 2 수신 광신호에서 270도를 기준으로 광량을 누적하므로 2개의 광신호에서 4개의 위상을 기준으로 광량을 누적하여 출력할 수 있다.
정밀한 거리 측정이 요구되지 않는 작업에서는 단일 수신 광신호에서도 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 이미지센서로 일반적인 2차원 영상을 얻을 수도 있다. 일반적인 2차원 영상을 얻기 위해서는 상기 수거회로의 작동 없이 상기 셔터회로의 작동으로 구현될 수 있다. 상기 셔터회로의 게이트 트랜지스터는 광신호와 동기를 맞추어 반복 작동되지 않고 일반적인 촬영 작동과 동일하게 작동될 수 있다. 일반적인 2차원 영상을 얻는 경우에는 누적 트랜지스터에 전자가 반복하여 누적될 필요가 없다. 또한 측정 대상의 밝기에 따라 게이트 트랜지스터의 ON 시간이 조정되어 노광시간이 제어될 수 있다.
2차원 영상을 얻기 위한 각 소자의 작동 순서는 초기 리셋을 위한 상기 셔터회로의 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.
상기와 같이 획득한 2차원 영상은 본 발명에 따른 이미지센서로 획득한 거리 정보와 픽셀 별 정합을 통하여 입체영상을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서에 의하면 빛의 왕복거리를 측정하기 위하여 변조 파장에 해당하는 위상의 광량을 주기적으로 축적함으로써 원하는 밝기의 영상을 얻을 수 있으며, 측정하고자 하는 위상 범위 이외의 축적 광량을 수거하여 유효한 축적 광량 만 누적할 수 있고, 간단한 구성의 전자 수거 회로가 추가됨으로써 불량 출력 값을 쉽게 제거하는 효과를 얻을 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.
100 : 포토다이오드
200 : 셔터회로
201 : 게이트 트랜지스터
202 : 리셋 트랜지스터
203 : 누적 트랜지스터
204 : 제 1 출력 트랜지스터
205 : 제 2 출력 트랜지스터
300 : 수거회로
301 : 게이트 트랜지스터
302 : 리셋 트랜지스터
303 : 누적 트랜지스터

Claims (8)

  1. 광신호가 수신되면 전자를 축적하는 포토다이오드와;
    상기 포토다이오드에 축적된 전자를 누적하는 셔터회로와;
    상기 셔터회로와 반주기로 작동하며 상기 포토다이오드에 축적된 전자를 수거하는 수거회로와;
    상기 셔터회로와 수거회로가 서로 반주기로 작동되도록 제어하여 측정하고자 하는 위상 범위 이외의 축적 광량을 수거하며, 일정 위상을 기준으로 전자가 복수 번 누적되도록 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 복수의 광신호 중 제1 광신호 그룹을 제1 위상 기준으로 순차적으로 수신하고 광량을 누적하여 출력하도록 제어하고, 상기 제1 광신호 그룹 이후에 수신되는 제2 광신호 그룹을 제2 위상 기준으로 순차적으로 수신하고 광량을 누적하여 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 셔터회로와 수거회로는 상기 포토다이오드에 축적된 전자의 이송을 결정하는 게이트 트랜지스터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 셔터회로는 상기 게이트 트랜지스터를 통해 이송된 전자를 누적하는 누적 트랜지스터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는 복수 개의 광신호가 각각 서로 다른 위상을 기준으로 수신되도록 상기 게이트 트랜지스터의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는
    수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 셔터회로와 수거회로는 회로 내에 축적된 전자를 제거하는 리셋 트랜지스터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 리셋 트랜지스터가 일정 위상에 따른 광신호를 복수 번 누적하는 누적 작동을 하기 직전에 리셋 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는
    수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 셔터회로는 상기 누적 트랜지스터에 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 화소 Row별로 출력되기 위한 제 1 출력 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서.
  8. 제 7항에 있어서
    상기 셔터회로는 복수 개의 화소에 누적된 전자량에 따른 전압 레벨이 선택적으로 출력되기 위한 제 2 출력 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    수거회로를 갖는 병렬 구조의 광량 누적 이미지센서.
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