KR102405110B1 - 비행시간 센서를 포함하는 광학 이미징 모듈들 및 광학 검출 모듈들 - Google Patents

Abstract

비행시간(time-of-flight, TOF) 센서들과 같은 센서들을 포함하는 광학 이미징 및 광학 검출 모듈들(100). 일부 경우에, 액티브 검출 픽셀들(124)과 참조 픽셀(128)들 간의 광학 크로스-토크의 양을 감소시키는 데 도움이 될 수 있는 그리고/또는 예를 들어, 거리 산출에서 이용될 정확한 위상 차이를 결정하는 센서의 능력을 용이하게 할 수 있는 다양한 구현들이 설명된다.

Description

비행시간 센서를 포함하는 광학 이미징 모듈들 및 광학 검출 모듈들{OPTICAL IMAGING MODULES AND OPTICAL DETECTION MODULES INCLUDING A TIME-OF-FLIGHT SENSOR}

<관련 출원(들)에의 상호 참조>

이 출원은 이하의 미국 특허 가출원들의 우선권의 이익을 주장한다: 2014년 3월 14일에 출원된 일련 번호 61/953,089; 2014년 4월 18일에 출원된 일련 번호 61/981,235; 및 2014년 5월 1일에 출원된 일련 번호 61/987,045. 이 선행 출원들의 내용은 본원에 참조로 포함된다.

스마트폰들과 같은 일부 핸드헬드 컴퓨팅 디바이스들은 일차원(1D) 또는 삼차원(3D) 제스처 검출, 3D 이미징, 근접 검출, 주변광 감지, 및/또는 전면(front-facing) 이차원(2D) 카메라 이미징과 같은 각종의 상이한 광학 기능들을 제공할 수 있다.

예를 들어, TOF 기반 시스템들은 깊이 및/또는 거리 정보를 제공할 수 있다. 일반적으로, TOF 시스템들은 장면에 의해 반사되는, 방출된 강도-변조 광(emitted intensity-modulated light)의 위상-측정 기법에 기초한다. 반사된 광은 센서 상에 이미징되고, 광-생성 전자들(photo-generated electrons)이 센서에서 복조된다. 그 위상 정보에 기초하여, 센서와 관련된 처리 회로에 의해 각각의 픽셀에 대한 장면에서의 지점까지의 거리가 결정된다.

게다가, TOF 기반 시스템들은 펄스-측정 기법을 통해 깊이 및/또는 거리 정보를 제공할 수 있다. 펄스-측정 기법은 상기와 같이 방사체 및 센서를 이용한다; 그러나, 거리는 방출된 광이 센서 상에 다시 반사되는 시간을 계산(tally)하는 것에 의해 결정된다.

그러나, 스마트폰들, 태블릿들 또는 다른 핸드헬드 디바이스들과 같은 디바이스들에 TOF 센서들을 통합하는 것은 몇 가지 이유 때문에 어려울 수 있다. 첫째로, 호스트 디바이스 내의 공간은 전형적으로 귀중하다. 따라서, 비교적 작은 높이를 가진 정밀한 TOF 센서들을 달성할 필요가 있다. 둘째로, 다이들의 사이즈는 제조 비용에 영향을 준다. 이에 따라, 비교적 작은 풋프린트를 가진 TOF 센서들을 달성하는 것이 바람직하다.

전술한 문제들은 다른 유형의 광학 이미징 또는 검출 센서들에도 적용될 수 있지만, 다른 잠재적인 문제는 TOF 센서들에 더 특정적이다. 특히, 픽셀들에 의해 획득된 거리 측정들은, 예를 들어, 열 드리프팅 효과(thermal drifting effects)에 의해 야기되는 위상 지연들에 대하여 강건해야 한다. 이러한 관심사들을 다루기 위해, 일부 TOF 칩들에서는, 조명 광원으로부터의 광을 측정하는 참조 픽셀들을 제공하는 것에 의해 TOF 거리 측정의 자체-캘리브레이션(self-calibration)이 달성된다. 이러한 참조 픽셀들의 이용은 조명 광원으로부터의 광의 일부를 참조 픽셀들로 지향시키는 것을 필요로 하고, 참조 픽셀들은 장면까지의 거리를 측정하기 위해 이용되는 액티브 픽셀들과 광학적으로 분리될 필요가 있을 수 있다.

펄스형-측정 기법을 통한 TOF 기반 거리 측정들은 열 드리프팅 효과에 대하여 강건해야 한다. 예를 들어, 일부 경우에 방사체로부터의 광의 초기 방출의 개시를 위한 정확한 시간은 열 드리프팅 효과에 의해 불명료하게 될 수 있다.

본 개시 내용은 비행시간(time-of-flight)(TOF) 센서들과 같은 센서들을 포함하는 광학 이미징 및 광학 검출 모듈들을 설명한다.

일부 경우에, 액티브 검출 픽셀들과 참조 픽셀들 간의 광학 크로스-토크의 양을 감소시키는 데 도움이 될 수 있는 그리고/또는 예를 들어, 거리 산출에서 이용될 정확한 위상 차이를 결정하는 센서의 능력을 용이하게 할 수 있는 다양한 구현들이 설명된다.

일 양태에서, 이 개시 내용은 조명 광원, 공간적으로 분산된 검출 픽셀들 및 적어도 하나의 참조 픽셀을 포함하는 센서, 상기 조명 광원 및 상기 센서 위에 배치된 광학계 부재(optics member), 및 상기 모듈의 방출 챔버를 상기 모듈의 검출 챔버로부터 분리하는 광 장벽(light barrier)을 포함하는 광전자 모듈을 설명한다. 상기 광학계 부재는 상기 조명 광원 위의 제1 투과성 영역 및 상기 검출 픽셀들 위의 제2 투과성 영역을 갖는다. 상기 조명 광원 및 상기 적어도 하나의 참조 픽셀은 상기 방출 챔버에 있고, 반면 상기 검출 픽셀들은 상기 검출 챔버에 있다. 또한, 광전자 모듈은 (i) 상기 조명 광원 위의 상기 제1 투과성 영역의 표면 상의 부분적 반사성 코팅 또는 (ii) 상기 방출 챔버의 표면 상의 반사성 코팅 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 코팅은 상기 조명 광원으로부터의 일부 광이 상기 적어도 하나의 참조 픽셀을 향하여 상기 코팅에 의해 반사되도록 배열된다.

다른 양태에서, 광전자 모듈은 상기 조명 광원 위의 상기 광학계 부재의 투과성 영역의 표면 상의 코팅을 포함하고, 상기 코팅은 광학 필터 코팅, 부분적 반사성 코팅, 반사 방지(anti-reflective) 코팅 또는 비투과성 코팅 중 적어도 하나이다.

또 다른 양태에서, 광전자 모듈은 상기 검출 픽셀들 및/또는 상기 참조 픽셀(들) 위에 배치된 하나 이상의 마이크로 렌즈들을 포함한다.

추가 양태에 따르면, 하나 이상의 검출 및/또는 참조 픽셀들 각각은 상기 픽셀에 대한 유효 시계(field of view)를 좁히는 하나 이상의 층들의 차폐물에 의해 측면으로 적어도 부분적으로 둘러싸인다.

다른 양태에 따르면, 광전자 모듈은 인쇄 회로 기판, 및 상기 인쇄 회로 기판 상에 또는 상기 인쇄 회로 기판 내에 장착된 조명 광원을 포함한다. 상기 모듈은 상기 인쇄 회로 기판 내에 내장되는 하나 이상의 반도체 센서에 구현된 공간적으로 분산된 검출 픽셀들 및 적어도 하나의 참조 픽셀을 더 포함한다.

추가 양태는 액티브 복조 검출 픽셀들 및 하나 이상의 참조 픽셀들을 포함하는 비행시간 센서를 이용하여 객체까지의 거리를 결정하는 방법을 설명한다. 상기 방법은 제1 적분 기간 동안 상기 액티브 복조 검출 픽셀들을 적분하는 단계 및 상기 제1 적분 기간과 상이한 제2 적분 기간 동안 상기 하나 이상의 참조 픽셀들을 적분하는 단계를 포함한다. 상기 제1 적분 기간 후의 제1 판독 기간 동안 상기 액티브 복조 검출 픽셀들로부터 신호들이 판독되고, 상기 제2 적분 기간 후의 제2 판독 기간 동안 상기 하나 이상의 참조 픽셀들로부터 신호들이 판독된다.

다른 양태에 따라 설명된 바와 같이, 광전자 모듈은 상기 참조 픽셀(들)에서의 적분 시간을 조정하도록 구성된 제어 로직을 포함한다.

다른 양태는 복조 검출 픽셀들 및 하나 이상의 참조 픽셀들을 포함하는 비행시간 센서 모듈을 이용하여 객체까지의 거리를 결정하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 특정한 복조 검출 픽셀로부터 그리고 특정한 참조 픽셀로부터 감지된 값들을 측정하는 단계, 및 상기 감지된 값들에 적어도 부분적으로 기초하여 그리고 저장된 감도 값들에 기초하여 위상 차이를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 감도 값들은 상기 특정한 복조 검출 픽셀과 상기 특정한 참조 픽셀 간의 광학 크로스-토크의 양들을 나타낸다. 상기 모듈은 상기 방법을 구현하는 처리 로직을 포함할 수 있다.

또 다른 양태에서, 광전자 모듈은 상기 조명 광원 및 상기 센서 위에 배치된 투과성 부재를 포함한다. 투과성 부재의 대향하는 표면들 상에 각각의 블랙 크롬 코팅이 있고, 상기 블랙 크롬 코팅들 각각은 상기 조명 광원으로부터의 광이 상기 모듈의 외부로 진행하도록 통과하게 허용하는 투과성 윈도우를 한정한다. 상기 적어도 하나의 참조 픽셀의 부근에 상기 투과성 부재의 센서 측의 상기 블랙 크롬 코팅의 일부분에 개구들이 제공된다. 일부 경우에, 상기 블랙 크롬 코팅의 존재는 상기 참조 픽셀들로 반사되는 광의 양을 증강시킬 수 있고; 상기 블랙 크롬 코팅의 일부를 패턴으로서 제공하는 것은 과도한 양의 광이 상기 참조 픽셀들에 입사되는 것을 방지하기 위해 이용될 수 있다.

다른 양태들, 특징들 및 이점들은 이하의 상세 설명, 첨부 도면들, 및 청구항들로부터 쉽게 명백해질 것이다.

도 1은 TOF 카메라 시스템의 일반적인 동작을 보여준다.
도 2는 본 발명의 일부 구현들에 따른 광전자 모듈의 예를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일부 구현들에 따른 광전자 모듈의 다른 예를 보여준다.
도 4는 본 발명의 일부 구현들에 따른 광전자 모듈의 추가 예를 보여준다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일부 구현들에 따른 광전자 모듈들의 추가 예들을 보여준다.
도 8a 내지 도 8d는 적분 타이밍 다이어그램들의 예들을 보여준다.
도 9는 본 발명의 일부 구현들에서 위상 차이를 결정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 10은 도 9의 방법을 이해하는 데 도움이 되는 벡터들을 보여주는 벡터 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일부 구현들에 따른 광전자 모듈의 다른 예를 보여준다.

도 1에 도시된 바와 같이, TOF 카메라 시스템(20)은 조명 광원(22)을 포함한다. 광원(22)으로부터의 변조된 방출 조명 광(24)은 하나 이상의 객체들을 포함하는 장면(26)을 향하여 지향된다. 장면으로 지향된 총 광파워(optical power) 중 일부가, 광학계(28)를 통하여, 카메라(20)로 다시 반사되고, 3D 이미징 센서(30)에 의해 검출된다. 센서(30)는 복조 픽셀들(34)의 2D 픽셀 행렬(32)을 포함한다. 각각의 픽셀(34)은 광학계(28)(예컨대, 렌즈)에 의해 수집되고 이미징 센서(30) 상에 이미징되는 충돌하는 광 신호(25)를 복조할 수 있다. 전자 회로 제어 유닛(36)은 그의 동기식 검출이 가능하도록 조명 모듈(22) 및 센서(30)의 타이밍을 제어한다.

복조 값들은 각각의 픽셀(34)이 비행시간을 계산하는 것을 가능하게 하고, 결국, 비행 시간은 장면(26)에서 대응하는 지점의 거리 정보(R)에 직접적으로 대응한다. 거리 정보를 갖는 2D 그레이 스케일 이미지는 이미지 프로세서 및/또는 다른 제어 및 처리 로직(예컨대, 마이크로프로세서 및/또는 다른 회로)을 포함하는 데이터 출력 인터페이스(38)에서 3D 이미지로 변환될 수 있다. 3D 이미지는 예를 들어, 디스플레이(40)를 통해 사용자에게 표시될 수 있거나 또는 머신 비전 입력으로서 이용될 수 있다.

비행시간(TOF)은 장면(26)으로부터 반사된 그리고 센서(30)의 액티브 픽셀들(34)에 충돌하는 광 신호들을 복조하는 것에 의해 획득된다. 예를 들어, 의사-잡음 변조, 펄스 변조 및 연속 변조와 같은 상이한 변조 기법들이 알려져 있다. 그 후 알려진 기법들을 이용하여 검출된 신호들에 기초하여 각각의 픽셀에 대한 객체까지의 거리가 산출될 수 있다.

센서(30)는, 예를 들어, 참조 픽셀들(44)의 영역(예컨대, 행)을 또한 포함하는 집적된 반도체 칩으로서 구현될 수 있다. 동작 중에, 조명 광원(22)의 순방향 경로로부터의 광의 일부가 하나 이상의 참조 픽셀들(44)로 피드백된다. 참조 픽셀들(44)에 의해 검출된 신호들은 매 프레임마다 제로-거리를 다시 산출하고, 그에 따라 TOF 거리 측정의 자체-캘리브레이션을 용이하게 하는 데 이용될 수 있다. 센서 칩은 또한, 예를 들어, 제어 로직, 디코더 로직 및 판독 로직을 포함할 수 있다.

도 2는 광 방출 채널(102) 및 광 검출 채널(104)을 포함하는 광전자 모듈(100)의 예를 보여준다. 광 방사체 칩(106) 및 TOF 센서 칩(108)이 인쇄 회로 기판(PCB)(110)의 제1 측에 장착된다. 광 방사체(106)는 조명 광원의 예이다. 일부 경우에, 광 방사체(106)는 코히어런트, 방향성, 스펙트럼으로 정의된(coherent, directional, spectrally defined) 광 방출을 생성하도록 동작할 수 있다. 광 방사체(106)의 예들로는 레이저 다이오드 또는 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)이 있다.

광학계 부재(116)는 채널들(102, 104)을 가로질러 걸쳐 있고, 방사체(106)에 의해 방출된 광(예컨대, 적외선 방사)의 파장에 실질적으로 투명한 투과성 윈도우들(122A, 122B)을 포함한다. 일부 경우에, 도 2에 도시된 바와 같이, 방사체 및 검출기 윈도우들(122A, 122B)은 광학계 부재(116)의 일부를 형성하는 불투명한 또는 실질적으로 비투과성 영역(131)에 의해 서로 분리된다. 방사체(106)로부터의 광은 방사체 윈도우(122A)를 통하여 모듈 밖으로 지향되고, 객체에 의해 다시 모듈의 검출 채널(104)을 향하여 반사되면, TOF 센서(108)에 의해 감지될 수 있다.

TOF 센서(108)는 공간적으로 분산된 감광(light sensitive) 소자들(예컨대, 액티브 복조 검출 픽셀들)(124)의 어레이뿐만 아니라 하나 이상의 감광 참조 픽셀들(128)을 포함할 수 있다. 검출 픽셀들(124)과 참조 픽셀들(128) 양쪽 모두는 방사체(106)에 의해 방출된 파장의 광을 감지할 수 있다. 검출 픽셀들(124)은 모듈 외부의 객체까지의 거리를 결정하기 위한 주 신호들을 제공한다. 참조 픽셀들(128)로부터의 신호들은 드리프트를 보상하기 위해 그리고/또는 제로 거리 측정을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 센서(108)는, 예를 들어, 전하 결합 디바이스(CCD) 또는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술들을 이용하여 구현될 수 있다. 일부 경우에, 참조 픽셀들(128)은 검출 픽셀들(124)과 동일한 센서 칩 상에 위치하지만, 다른 경우에, 후술하는 바와 같이, 그것들은 상이한 칩들 상에 위치할 수도 있다. 일부 경우에, 참조 픽셀들의 어레이(예컨대, 단일 라인의 픽셀들 또는 다수의 라인의 픽셀들)가 있을 수 있다. 전형적으로, 검출 픽셀들(124)보다 훨씬 적은 수의 참조 픽셀들(128)이 존재한다.

방사체(106) 및 TOF 센서(108)는, 예를 들어, 도전성 패드들 또는 와이어 본드들에 의해, PCB(110)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이어서, PCB(110)는 호스트 디바이스(예컨대, 스마트폰 또는 태블릿) 내의 다른 컴포넌트들에 전기적으로 연결될 수 있다.

도 2의 예에서, 수직 차폐물(즉, 광 장벽)(130)이 광학계 부재(116)와 TOF 센서(108)의 표면 사이에 연장된다. 광을 실질적으로 감쇠시키는 또는 방사체(106)에 의해 방출된 광에 투명하지 않은(즉, 불투명한), 차폐물(130)은 검출 픽셀들(124)이 차폐물의 일 측에 위치하고 참조 픽셀들이 차폐물의 다른 측에 위치하도록 배치된다. 따라서 참조 픽셀들(128)은 차폐물(130)의, 방사체(106)와 동일한 측에서 방출 챔버(102)에 배치된다. 그러나, 검출 픽셀들(124)은 차폐물(130)의 다른 측에서 검출 챔버(104)에 배치된다. 이러한 배열은 방출 챔버(102)로부터 검출 픽셀들(124)로 광학 크로스-토크를 도입하지 않고 방사체(106)로부터의 소량의 광이 참조 픽셀들(128)에 의한 감지를 위해 투과성 윈도우(122A)에 의해 반사되는 것을 가능하게 한다.

도 2의 도시된 예에서, 투과성 윈도우들(122A, 122B) 사이의 광학계 부재(116)의 비투과성 섹션(131)은 광 장벽(130)과 동일한 재료로 구성될 수 있다.

일부 구현들에서, 방출 챔버(102)의 하나 이상의 표면은 광학 필터, 부분적 반사성 코팅, 반사 방지 코팅 및/또는 스크래치 방지(anti-scratch) 코팅으로 코팅된다. 예를 들어, 방사체 윈도우(122A)는 그의 상부 또는 하부 측에(또는 양측에) 배치된, 광학 필터 코팅, 반사 방지 코팅 및/또는 투명하지 않은 코팅(예컨대, 블랙 크롬)과 같은, 코팅(132)을 포함할 수 있다. 일부 상황에, 방사체 윈도우(122A)의 양측은 그 위에 제공된 동일한 코팅을 갖는다. 다른 경우에, 방사체 윈도우(122A)의 상부 및 하부 측들은 상이한 코팅들을 갖는다. 또한, 일부 경우에, 하나 또는 양측은 2개의(또는 더 많은) 상이한 코팅들을 가질 수 있다. 코팅(들)은 광의 일부 파장들(즉, 참조 픽셀들에 의해 검출될 수 있는 파장(들))에 대해 부분적 반사성일 수 있다. 따라서, 예를 들어, 방사체 윈도우(122A)에 의해 반사되는 광의 일부가 참조 픽셀들(128)에 입사될 수 있다. 일부 구현들에서, 수동 광학 소자가 방사체 윈도우(122A) 상에 장착되거나, 또는 방사체 윈도우에 통합된다. 이러한 수동 광학 소자의 예들은 반사성 패치, 회절 광학 소자, 및/또는 굴절 광학 소자, 예컨대 프리즘을 포함한다.

방사체 윈도우(122A)의 표면 상에 부분적 반사성 코팅을 제공하는 대신에, 또는 그에 추가로, 광 장벽(130) 또는 광학계 부재(116)의 비투과성 영역(131)의 표면 상에 반사성 코팅(133)이 제공될 수 있다. 이러한 반사성 코팅은 방사체 광의 일부를 참조 픽셀들(128)을 향하여 지향시키는 데 도움이 될 수 있다.

방사체(106)로부터의 광이 방사체 윈도우(122A) 또는 방출 챔버(102)의 다른 표면에 의해 참조 픽셀들(128)을 향하여 반사될 때, 이러한 광은 바람직하게는 검출 픽셀들(124)에 입사되지 않는다. 도 2의 구현과 같은, 일부 경우에, 광 장벽(130)은 방사체 윈도우(122A)에 의해 반사된 광이 검출 픽셀들(124)에 입사되는 것을 방지하는 데 도움이 된다.

광 장벽(130)은 검출 픽셀들(124)과 참조 픽셀들(128) 간의 광학 크로스-토크를 감소시키는 데 도움이 될 수 있지만, 광 장벽을 모듈(100)에 통합시키는 것은 모듈의 전체 풋프린트 및/또는 높이를 증가시킬 수 있다. 따라서, 일부 경우에, 광 장벽(130)에 대한 필요 없이 참조 픽셀들(128)을 이용하는 것의 이점들을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에, 광학 크로스-토크의 문제를 다루기 위해 다른 기법들이 이용될 수 있다. 이러한 다른 기법들의 예들이 후술되고, 광 장벽(130)과 함께 또는 그 대신에 이용될 수 있다.

도 2의 구현에서, 검출 픽셀들(124)은 넓은 각도로부터의 입사 광을 감지하도록 비교적 넓은 시계(FOV)를 가질 수 있다. 일부 경우에(예컨대, 광 장벽(130)이 없는 모듈에서), 픽셀들(124)에 의해 감지되는 광학 크로스-토크의 양을 감소시키기 위해 검출 픽셀들(124)의 FOV를 좁히는 것이 유리할 수 있다. 이것은, 예를 들어, 검출 픽셀들(124) 위에 하나 이상의 마이크로 렌즈들(140)을 제공하는 것에 의해 달성될 수 있다(도 3 참조).

일부 경우에, 참조 픽셀들(128) 위에도 마이크로 렌즈(140A)가 배치될 수 있다. 방사체(106)의 방향으로 약간 마이크로 렌즈(140A)를 변위시키는 것에 의해, 참조 픽셀들(128)은 방사체로부터 더 많은 광을 수집할 수 있다. 이러한 배열도 참조 픽셀들(128)에 의해 감지되는 광학 크로스-토크의 양을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 일부 구현들에서, 참조 픽셀들 위의 마이크로 렌즈는 생략된다.

일부 경우에, 검출 픽셀들(124)의 FOV를 좁히기 위해 마이크로 렌즈들(140)을 제공하는 것은 방사체 윈도우(122A)에 의해 반사된 광이 검출 픽셀들(124)에 입사되는 것을 방지하기 위한 광 장벽(130)(도 2 참조)에 대한 필요를 없앨 수 있다. 광 장벽(130)을 포함하지 않는 구현들에서는, 방사체(106)에 의해 방출된 광을 실질적으로 감쇠시키는 또는 방사체에 의해 방출된 광에 투명하지 않은 광학계 부재(116)의 섹션(131)도 생략될 수 있어 투과성 윈도우들(122A, 122B)이 불투명한 또는 투명하지 않은 섹션(131)에 의해 서로 분리되지 않는다. 광 장벽(130)에 대한 필요를 제거하는 것은 모듈의 전체 사이즈를 감소시키는 데 도움이 될 수 있고, 이는 공간이 귀중한 스마트폰 또는 태블릿과 같은 핸드헬드 디바이스에 모듈이 통합되어야 하는 응용들을 위해 유리할 수 있다.

일부 구현들에서, 스택들(144)이 픽셀들(124, 128) 중 하나 이상의 주위에 차폐물들로서 제공될 수 있다(도 4 참조). 예를 들어, 금속 또는 다른 층들로 구성될 수 있는, 스택들(144)은 검출 픽셀들(124)에 대한 FOV를 정의하는 데 도움이 될 수 있고, 검출 픽셀들을 향하여 반사되는 방사체 광에 의해 야기되는 광학 크로스-토크를 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 마찬가지로, 참조 픽셀들(128) 주위의 스택(144)은 방사체 윈도우(122A)에 의해 반사된 광이 참조 픽셀들에 입사되지만, 모듈 외부의 객체에 의해 반사된 광은 참조 픽셀들에 입사되지 않는 것을 보장하는 데 도움이 될 수 있다. 각각의 스택(144)은 각각의 개별 픽셀(124, 128)을 측면으로 부분적으로, 또는 완전히 둘러쌀 수 있다. 또한, 스택들(144)은 도 3의 마이크로 렌즈들(140, 142) 대신에 또는 그에 추가로 제공될 수 있다.

일부 경우에, 도 5에 도시된 바와 같이, 센서 칩(108)은 PCB(110)의 층들 내에 내장될 수 있다. 이러한 배열은 액티브 검출 픽셀들(124)로부터 참조 픽셀들(128)의 광학 분리를 용이하게 하고, 그에 따라 광학 크로스-토크를 감소시킬 수 있다. 또한, PCB 스택(110) 자체의 하나 이상의 층들(110A)이 참조 및 검출 픽셀들 간의 광학 분리를 제공하는 데 이용될 수 있다. 센서 칩(108)을 PCB(110) 내에 내장시키는 것에 의해, PCB(110)에 의한 센서(108)의 내재적인 보호로 인해 재료 및 기계적 응력에 관련된 고려 사항들이 덜 중요한 경향이 있기 때문에 광 장벽의 설계가 더 쉬워질 수 있다. 또한, 광학 분리를 제공하기 위해 PCB(110)의 층들(110A)을 이용하는 것에 의해, 모듈의 전체 높이가 비교적 작게 유지될 수 있다.

전술한 예들(도 5의 예를 포함함)에서는, 단일 센서 칩(108)이 (제어 로직, 디코더 로직 및 판독 로직뿐만 아니라) 액티브 검출 픽셀들(124)과 참조 픽셀들(128) 양쪽 모두를 포함한다. 다른 구현들에서, 참조 픽셀들(128)은 액티브 검출 픽셀들(124)을 포함하는 칩(108B)과는 별도의 칩(108A)에 통합된다(도 6 참조). PCB(110) 내에 내장될 수 있는, 칩들(108A, 108B) 각각은 적절한 제어 로직, 디코더 로직 및/또는 판독 로직도 포함할 수 있다. 센서 칩(들)을 PCB 층들 내에 내장시키는 것은, 예를 들어, 여기서 설명된 다른 기법들(예컨대, 방출 챔버의 표면 상의 부분적 반사성 또는 다른 코팅; 픽셀들 위에 마이크로 렌즈들(140, 142)의 추가; 픽셀들 주위에 반사성 층들(144)의 추가)과 조합될 수 있다.

일부 경우에, 센서 칩(들)(108A, 108B)을 PCB(110)에 내장시키는 것에 추가로, 방사체 칩(106)도 PCB 층들 내에 내장될 수 있다(도 7 참조).

센서 및/또는 방사체 칩들(108, 106)을 PCB(110) 내에 내장시키는 것은 일부 경우에 다른 이점들을 달성할 수 있다. 예를 들어, 본딩 와이어들에 대한 필요를 없앨 수 있다. 기계적 진동들에 취약한 경향이 있는, 본딩 와이어들에 대한 필요를 제거하는 것은 유익할 수 있다. 또한, 본딩 와이어들은 기생 커패시턴스들 및 인덕턴스들을 도입하고, 이는 고주파 응용들을 더 어렵게 만든다. 따라서, 본딩 와이어들에 대한 필요를 제거하는 것은 고주파 응용들을 용이하게 할 수 있다.

센서 및/또는 방사체 칩들(108, 106)을 PCB(110) 내에 내장시키는 것은 또한 칩들의 패시베이션된 칩 표면들만이 노출되기 때문에 일부 구현들에서 칩들을 더 잘 보호하는 데 도움이 될 수 있다.

일부 구현들에서, 액티브 검출 픽셀들(124) 및 참조 픽셀들(128)은 동시에 발생할 수 있는 적분 시간들(즉, 노출 시간들)을 가질 수 있다. 그러나, 다른 경우에, 모듈은 다수의 겹치지 않는 적분 시간들을 이용할 수 있다(예컨대, 액티브 검출 픽셀들(124)에 대해 하나 그리고 참조 픽셀들(128)에 대해 또 하나). 이러한 구현에 대한 타이밍의 예가 도 8a에 도시되어 있다. 일부 경우에, 가변 적분 기간(152)이 액티브 검출 픽셀들(124)에 대해 이용될 수 있고, 반면 고정 적분 기간(154)이 참조 픽셀들(128)에 대해 이용될 수 있다. 검출 픽셀들(124)에 대한 노출 시간은, 예를 들어, 장면(26)에서의 객체들에 의해 반사되는 신호들의 레벨에 기초하여 신호 대 잡음(S/N) 비를 감소시키기 위해 조절될 수 있다. 액티브 픽셀들(124)은, 예를 들어, 제1 기간(156) 동안에 판독될 수 있고, 참조 픽셀들(128)은 제2 기간(158) 동안에 판독될 수 있다. 판독 시간의 지속기간은, 예를 들어, 픽셀(들) 사이즈의 함수일 수 있다.

일부 구현들에서, 센서의 제어 회로는 픽셀들에 대한 정서적 감도를 달성하기 위하여 참조 픽셀들의 적분 시간들을 조정하도록 구성된다. 참조 픽셀들에 대한 적분 시간들을 변경하는 것은 픽셀들의 애퍼처(aperture) 사이즈를 변경하는 것에 대한 대안을 제공할 수 있다. 예를 들어, 더 긴 적분 기간은 비교적 큰 애퍼처를 갖는 픽셀에 대응할 수 있고, 반면 더 작은 적분 기간은 비교적 작은 애퍼처를 갖는 픽셀에 대응할 수 있다. 일부 경우에, 액티브 검출 픽셀들의 적분 기간에 대하여 특정된 시간에 참조 픽셀 적분 기간을 개시(또는 종료)하기 위해 조정가능 적분 시간들이 이용될 수 있다. 도 8b 및 도 8c는 참조 픽셀들에 대한 조정가능 적분 시간들을 이용하여 달성될 수 있는 예들을 보여준다. 도 8b의 예에 도시된 바와 같이, 참조 픽셀 적분(162)은 액티브 픽셀 적분(164) 중인 동안에 발생한다. 이에 반하여, 도 8c의 예에 도시된 바와 같이, 참조 픽셀 적분은 액티브 픽셀 적분 기간(164)의 시작 시에 그리고 종료 시에 짧은 기간들(166, 168) 동안 발생하고, 이는 시간의 흐름에 따라 발생하는 방사체(106)의 열 위상 시프트의 평균을 야기할 수 있다. 일부 경우에, 특정한 참조 픽셀이 양쪽 적분 기간들(166, 168) 동안에 적분된다. 다른 경우에, 제1 적분 기간(166) 동안 제1 참조 픽셀이 적분될 수 있고, 제2 적분 기간(168) 동안 상이한 제2 픽셀이 적분될 수 있다.

센서(108)가 다수의 참조 픽셀들(128)을 갖는 경우와 같은, 일부 경우에, 센서의 제어 회로는 상이한 픽셀들이 상이한 지속기간의 적분 기간들을 갖도록 참조 픽셀들을 제어할 수 있다. 도 8d는 제1 지속기간을 갖는 제1 적분 기간(172) 동안 제1 참조 픽셀(또는 참조 픽셀들의 서브세트)이 적분되고, 제1 적분 기간보다 긴 제2 지속기간을 갖는 제2 적분 기간(174) 동안 제2 참조 픽셀(또는 참조 픽셀들의 서브세트)이 적분되고, 제2 적분 기간보다 긴 제3 지속기간을 갖는 제3 적분 기간(176) 동안 제3 참조 픽셀(또는 참조 픽셀들의 서브세트)이 적분되는 예를 보여준다. 도시된 예에서, 픽셀들 각각은 액티브 픽셀들에 대한 적분 기간의 중간 부근의 시간에 적분되지만, 모든 구현들에 대해 그러할 필요는 없다. 또한, 적분 기간들(172, 174, 176) 각각은 액티브 픽셀들에 대한 적분 기간(164)보다 짧다.

센서의 다이내믹 레인지는 각각의 픽셀이 축적할 수 있는 전하의 최대량에 의존한다. 따라서, 일부 구현들에서, 센서의 다이내믹 레인지는 참조 픽셀들(128)의 최대 충전 능력을 증가시키는 것에 의해 증가될 수 있다.

전술한 예들에서는, 광학 크로스-토크를 감소시키기 위해(즉, 예를 들어, 검출 픽셀들(124)에 의해 감지되는 방출 윈도우(122A)에 의해 반사되는 광의 양을 감소시키기 위해, 그리고 참조 픽셀들(128)에 의해 감지되는 장면(26)에서의 객체에 의해 반사되는 광의 양을 감소시키기 위해) 검출 픽셀들(124) 및 참조 픽셀들(128)을 광학적으로 서로 격리시키는 데 도움이 되는 다양한 기법들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 후술하는 바와 같이, 일부 구현들에서, 그러한 광학 크로스-토크가 존재하는 경우에도, 위상 차이를 결정하고, 따라서 장면에서의 객체까지의 거리를 결정하는 것이 가능하다.

예를 들어, 이미징 시스템의 사전 캘리브레이션들에 기초하여, 특정한 검출 픽셀(124)은 방출 윈도우(122A)(또는 방출 챔버의 다른 표면)에 의해 반사된 광으로부터 각각 생기는 2개의 감지된 신호들(Aref/Bref)의 비율로서 정의된 제1 감도 α를 갖는다는 것이 결정될 수 있다(도 9, 블록 200). 이 경우, Aref는 방출 윈도우(122A)(또는 방출 채널의 다른 표면)에 의해 반사된 광으로부터 생기는 검출 픽셀(124)에 의해 감지된 광의 성분을 나타내고, Bref는 방출 윈도우(122A)(또는 방출 채널의 다른 표면)에 의해 반사된 광으로부터 생기는 특정한 참조 픽셀(128)에 의해 감지된 광의 성분을 나타낸다. 마찬가지로, 이미징 시스템의 사전 캘리브레이션들에 기초하여, 참조 픽셀(128)은 장면(26)에서의 객체에 의해 반사된 광으로부터 각각 생기는 2개의 감지된 신호들(Aobj/Bobj)의 비율로서 정의된 제2 감도 β를 갖는다는 것이 결정될 수 있다. 이 경우, Aobj는 장면(26)에서의 객체에 의해 반사된 광으로부터 생기는 참조 픽셀(128)에 의해 감지된 광의 성분을 나타내고, Bobj는 장면에서의 객체에 의해 반사된 광으로부터 생기는 검출 픽셀(124)에 의해 감지된 광의 성분을 나타낸다. 일반적으로, α 및 β 각각은 0과 1 사이의 각각의 값들을 가질 것이고, 전형적으로 0에 가까운 값들을 가져야 한다. 따라서, 감도들 α 및 β는 참조 및 액티브 검출 픽셀들 사이에 발생하는 광학 크로스-토크의 표시들을 나타낸다. α 및 β에 대한 값들은 이미징 시스템 내의 로직 또는 메모리에 의해 저장될 수 있다(도 9, 블록 202).

이하의 설명에서는, 2개의 픽셀들(즉, 검출 픽셀 및 참조 픽셀)이 서로 상이한 감도들을 갖는다(즉, α 및 β는 상이하다)고 가정한다. 2개의 픽셀들 각각에 의해 감지된 신호들을 측정하고 판독하여 참조 벡터

및 객체 벡터

를 각각 획득한다(도 9, 블록 204; 도 10 참조). 이 벡터들 각각은 참조 픽셀(128) 또는 검출 픽셀(124)에 의해 각각 검출된 광의 총량을 나타내고, 따라서 각각의 벡터는 특정한 픽셀에 의해 감지된 2개의 신호 성분(즉, 방출 윈도우(122A)(또는 방출 챔버의 다른 표면)에 의해 반사된 광으로부터 생기는 픽셀에 의해 감지된 광의 제1 성분 및 장면(26)에서의 객체에 의해 반사된 광으로부터 생기는 동일한 픽셀에 의해 감지된 광의 제2 성분)의 합계를 나타낸다. 2개의 신호 성분은 서로에 겹치지만, 위상

, 및 장면에서의 실제 객체까지의 거리는 다음과 같이 센서의 처리 로직에 의해 산출될 수 있다:

,

여기서:

.

(도 9, 블록 206 참조). 위상 차이를 결정하기 위한 전술한 기법의 유리한 이용을 획득하기 위해, 다양한 픽셀들에 대한 감도들 α 및 β는 센서 모듈이 위치하는 환경과는 실질적으로 무관해야 한다.

도 11은 참조 픽셀들(128)을 포함하는 센서를 갖는 광전자 모듈의 일부분을 보여준다. 이 예에서, 광학계 부재(116)는 PCB 기판(110) 위에 투과성 커버(예컨대, 커버 글라스)(122)를 포함한다. 커버 글라스(122)의 양측은, 예를 들어, 각각, 광학 필터들(121A 및 121B)로 코팅된다. 광학 필터들(121A 및 121B)은 방사체(106)에 의해 방출된 광의 특정한 파장 또는 파장들의 범위를 필터링할 수 있다. 또한 광학 필터들(121A, 121B)은 커버 글라스(122)를 통한 크로스-토크를 방지하기 위해, 예를 들어, 블랙 크롬(184A, 184B)으로 코팅된다. 필터들(121A, 121B)의 각각의 부분들은 방사체(106)로부터의 광이 모듈 밖으로 진행하는 것을 허용하는 투과성 윈도우(122C)를 한정하기 위해 블랙 크롬으로 커버되지 않는다. 광학계 부재(116)의 센서 측의 블랙 크롬 코팅(184B)의 존재도 참조 픽셀들(128)을 향하여 광학 필터(121B)로부터 반사되는 광의 양을 증강시키는 데 도움이 될 수 있다. 일부 경우에, 너무 많은 방사체 광이 블랙 크롬 층(184B)에 의해 참조 픽셀들(128)에 반사되는 가능성을 감소시키기 위해, 블랙 크롬 층(184B)은 참조 픽셀들(128)에 입사되는 광의 양을 감소시키기 위해 개구들(예컨대, 점들, 선들, 동심원들)을 갖는 패턴(185B)으로서 제공될 수 있다. 또한, 블랙 크롬 층(184A)은 참조 픽셀들(128)에 입사되는 광의 양을 감소시키기 위해 개구들(예컨대, 점들, 선들, 동심원들)을 갖는 패턴(185A)으로서 제공될 수 있다. 도 11의 예에 도시된 바와 같이, 패턴들(185A, 185B)은 블랙 크롬이 없는 개구들(186A, 186B)을 포함한다. 따라서, 블랙 크롬 코팅(184A, 184B)의 존재는 참조 픽셀들(128)로 반사되는 광의 양을 증강시킬 수 있지만, 블랙 크롬 코팅의 부분을 패턴(185A, 185B)으로서 제공하는 것은 너무 많은 광이 참조 픽셀들(128)에 입사되는 것을 방지하기 위해 이용될 수 있다. 일부 구현들에서, 블랙 크롬 층들(184A, 184B)은 개구들을 갖는 패턴들(185A, 185B)로서 제공될 필요가 없다. 예를 들어, 크롬 층들(184A, 184B)은 원, 사각형 또는 다른 기하학적 형상과 같은 단일 개구로서 제공될 수 있다.

전술한 구현들에서의 특징들 및 기법들의 이용은, 일부 경우에, 작은 센서 모듈들(즉, 작은 높이 및/또는 작은 풋프린트를 가짐)을 생성할 수 있다. 또한, 전술한 구현들은 광학 크로스-토크를 감소시키거나 제거하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 작은 모듈들은 공간이 귀중한 스마트폰들, 태블릿들, 및 다른 호스트 디바이스들과 같은 디바이스들에 유리하게 통합될 수 있다.

전술한 예들에 대해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 또한, 상이한 예들로부터의 특징들이, 일부 경우에, 동일한 모듈에 통합될 수 있다. 다른 구현들이 청구항들의 범위 안에 있다.

Claims (47)

1. 광전자 모듈로서,
   조명 광원;
   공간적으로 분산된 검출 픽셀들 및 적어도 하나의 참조 픽셀을 포함하는 센서;
   상기 조명 광원 및 상기 센서 위에 배치된 광학계 부재(optics member) - 상기 광학계 부재는 상기 조명 광원 위의 제1 투과성 영역 및 상기 검출 픽셀들 위의 제2 투과성 영역을 가짐 -;
   상기 모듈의 방출 챔버를 상기 모듈의 검출 챔버로부터 분리하는 광 장벽(light barrier) - 상기 조명 광원 및 상기 적어도 하나의 참조 픽셀은 상기 방출 챔버에 있고, 상기 검출 픽셀들은 상기 검출 챔버에 있음 -; 및
   상기 조명 광원 위의 상기 제1 투과성 영역의 표면 상의 부분적 반사성 코팅 - 상기 코팅은 상기 참조 픽셀에 의해 검출 가능한 파장에 대해 부분적 반사성이고, 상기 조명 광원으로부터의 일부 광이 상기 적어도 하나의 참조 픽셀을 향하여 상기 코팅에 의해 반사되도록 배열됨 -
   를 포함하는, 광전자 모듈.
2. 제1항에 있어서, 상기 조명 광원을 대면하는 상기 제1 투과성 영역의 표면 상의 부분적 반사성 코팅을 포함하는, 광전자 모듈.
3. 제1항에 있어서, 상기 조명 광원을 대면하지 않는 상기 제1 투과성 영역의 표면 상의 부분적 반사성 코팅을 포함하는, 광전자 모듈.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 투과성 영역의 대향하는 표면들 상의 부분적 반사성 코팅을 포함하는, 광전자 모듈.
5. 제1항에 있어서, 상기 조명 광원을 대면하는 상기 광 장벽의 표면 상의 반사성 코팅을 포함하는, 광전자 모듈.
6. 제1항에 있어서, 상기 광학계 부재는 상기 제1 투과성 영역과 상기 제2 투과성 영역을 분리하는 비투과성 영역을 포함하고, 상기 비투과성 영역은 상기 조명 광원을 대면하는 표면 상의 반사성 코팅을 갖는, 광전자 모듈.
7. 광전자 모듈로서,
   조명 광원;
   공간적으로 분산된 검출 픽셀들 및 적어도 하나의 참조 픽셀을 포함하는 센서;
   상기 조명 광원 및 상기 센서 위에 배치된 광학계 부재 - 상기 광학계 부재는 상기 조명 광원 위의 제1 투과성 영역 및 상기 검출 픽셀들 위의 제2 투과성 영역을 갖고, 상기 제1 투과성 영역은 상기 조명 광원을 대면하는 제1 표면 상의 제1 코팅 및 상기 조명 광원을 대면하지 않는 제2 표면 상의 제2 코팅을 가짐 -; 및
   상기 모듈의 방출 챔버를 상기 모듈의 검출 챔버로부터 분리하는 광 장벽 - 상기 조명 광원 및 상기 적어도 하나의 참조 픽셀은 상기 방출 챔버에 있고, 상기 검출 픽셀들은 상기 검출 챔버에 있음 -
   을 포함하고, 상기 코팅들 각각은 광학 필터 코팅, 부분적 반사성 코팅, 반사 방지 코팅 또는 비투과성 코팅 중 적어도 하나인, 광전자 모듈.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 코팅과 상기 제2 코팅은 서로 상이한, 광전자 모듈.
9. 제7항에 있어서, 상기 제1 코팅 또는 상기 제2 코팅 중 적어도 하나는 블랙 크롬을 포함하는, 광전자 모듈.
10. 제7항에 있어서, 상기 제1 투과성 영역의 대향하는 표면들 상의 각각의 블랙 크롬 코팅을 포함하는, 광전자 모듈.
11. 제7항에 있어서, 상기 제1 투과성 영역의 하나 이상의 표면들 각각은 블랙 크롬 코팅 및 광학 필터 코팅을 포함하는, 광전자 모듈.
12. 제7항에 있어서, 상기 제1 투과성 영역 상에 장착된, 또는 상기 제1 투과성 영역 내에 통합된 수동 광학 소자를 더 포함하는, 광전자 모듈.
13. 제12항에 있어서, 상기 수동 광학 소자는 반사성 패치, 회절 광학 소자, 또는 굴절 광학 소자 중 적어도 하나를 포함하는, 광전자 모듈.
14. 제7항에 있어서, 상기 검출 픽셀들 위에 배치된 하나 이상의 마이크로 렌즈들을 더 포함하는, 광전자 모듈.
15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 참조 픽셀들 위의 마이크로 렌즈를 더 포함하는, 광전자 모듈.
16. 제15항에 있어서, 상기 검출 픽셀들보다 상기 하나 이상의 참조 픽셀들이 상기 조명 광원에 더 가까이 배치되고, 상기 적어도 하나의 참조 픽셀 위의 상기 마이크로 렌즈는 상기 조명 광원을 향하는 방향으로 약간 변위되는, 광전자 모듈.
17. 제7항에 있어서, 하나 이상의 상기 검출 또는 참조 픽셀들 각각은 상기 픽셀에 대한 유효 시계를 좁히는 하나 이상의 층들의 차폐물에 의해 측면으로 적어도 부분적으로 둘러싸이는, 광전자 모듈.
18. 제17항에 있어서, 상기 검출 및 참조 픽셀들 각각은 개별적으로 하나 이상의 층들의 스택을 포함하는 각각의 차폐물에 의해 측면으로 둘러싸이는, 광전자 모듈.
19. 제18항에 있어서, 각각의 스택은 하나 이상의 금속 층들을 포함하는, 광전자 모듈.
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