KR20120025858A - 깊이 센싱 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

깊이 센싱 장치가 제공된다. 상기 깊이 센싱 장치는 제1 시간 구간 동안 센서 픽셀의 제1 부유 확산 노드 및 제2 부유 확산 노드의 전압을 참조 전압 값으로 리셋한다. 그리고 상기 깊이 센싱 장치는, 제2 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드가 제1 페이즈 구간에서 포토 다이오드의 전압을 저장하고 상기 제2 부유 확산 노드가 제2 페이즈 구간에서 상기 포토 다이오드의 전압을 저장하도록 제어한다. 그러면, 상기 깊이 센싱 장치는 제3 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산하여 외광에 의한 왜곡이 제거된 깊이 값을 센싱한다.

Description

깊이 센싱 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DEPTH SENDING}
대상 오브젝트의 깊이 영상을 획득하는 깊이 센싱 장치 및 방법에 연관되며, 보다 특정하게는 오브젝트의 외광(background light)에 의한 깊이 값 센싱의 오류를 해결하는 깊이 센싱 장치 및 방법에 연관된다.
센서로부터 물체까지의 거리 정보를 얻는 방법은 크게 능동(active) 방식과 수동(passive) 방식으로 나눌 수 있다.
수동 방식은 빛을 조사하지 않고 영상 정보만을 이용하여 물체까지의 거리를 계산하는 방식으로 스테레오(stereo) 카메라에 의해 구현된다.
한편, 능동 방식은 물체에 빛을 조사하고 반사되어 돌아온 빛을 감지하여 빛의 이동 시간을 알아내는 TOF(time-of-flight)와 센서로부터 일정 거리에 있는 레이저(laser) 등에 의해 조사되고 반사된 빛의 위치를 감지하여 삼각측량을 이용하여 거리를 계산하는 triangulation 방식 등에 의해 구현된다.
그런데, 능동 방식에서는, 빛을 직접 조사하기 때문에 센서의 모든 픽셀(pixel)에서 거리 값을 획득할 수 있고 이에 따라 밀한 깊이 맵(dense depth map)을 제공할 수 있지만, 외광(background light)이 강한 경우에는 조사한 빛과 외광이 같이 센서에 들어오기 때문에 깊이(depth) 값에 왜곡이 발생할 수 있다.
또한 능동 방식에서는, 픽셀이 외광에 의해 포화(saturation)되어 정확한 깊이 값을 취득하지 못하는 등의 오류가 발생할 수 있다.
능동 방식의 깊이 센싱 장치에 있어서, 외광에 의한 깊이 값의 오류를 제거할 수 있는 깊이 센싱 장치 및 방법이 제공된다.
또한, 외광에 의한 깊이 센싱 픽셀의 포화를 방지하여, 정확한 깊이 값을 제공할 수 있는 깊이 센싱 장치 및 방법이 제공된다.
본 발명의 일측에 따르면, 제1 시간 구간 동안 센서 픽셀의 제1 부유 확산 노드 및 제2 부유 확산 노드의 전압을 참조 전압 값으로 리셋하고, 제2 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드가 제1 페이즈 구간에서 포토 다이오드의 전압을 저장하고 상기 제2 부유 확산 노드가 제2 페이즈 구간에서 상기 포토 다이오드의 전압을 저장하도록 제어하는 제어부, 및 제3 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산하는 계산부를 포함하는 깊이 센싱 장치가 제공된다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 제1 시간 구간 동안, 센서 컬럼의 CDS 증폭기(Correlated Double Sampling Amplifier)의 출력 노드를 상기 제1 부유 확산 노드 및 상기 제2 부유 확산 노드와 단락하여 상기 제1 부유 확산 노드 및 상기 제2 부유 확산 노드의 전압을 상기 참조 전압 값으로 리셋 할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 제2 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드 및 상기 제2 부유 확산 노드 중 어느 것도 포화되지 않도록 상기 제2 시간 구간의 길이를 조정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제3 시간 구간 동안, 상기 제1 부유 확산 노드의 전압을 샘플링 커패시터에 저장하였다가 상기 CDS 증폭기의 피드백 커패시터에 옮기고, 다음으로 상기 제2 부유 확산 노드의 전압을 상기 샘플링 커패시터에 저장할 수 있다.
이 경우, 상기 계산부는, 상기 제어부에 의해 상기 제2 부유 확산 노드의 전압이 상기 샘플링 커패시터에 저장된 후에, 상기 CDS 증폭기의 출력 전압을 이용하여, 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산한다.
그러면, 상기 계산부가 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산하는 경우에, 상기 제2 시간 구간 동안 상기 포토다이오드에 수광된 외광(background light)의 영향은 제거된다.
한편, 상기 제1 페이즈 구간과 상기 제2 페이즈 구간은 서로 180도 차이가 나도록 설정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 포토다이오드는 핀드-포토다이오드(pinned-photodiode) 또는 포토게이트(photogate)로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일측에 따르면, 제1 시간 구간 동안 센서 픽셀의 제1 부유 확산 노드 및 제2 부유 확산 노드의 전압을 참조 전압 값으로 리셋 하도록 제어하는 단계, 제2 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드가 제1 페이즈 구간에서 포토 다이오드의 전압을 저장하고 상기 제2 부유 확산 노드가 제2 페이즈 구간에서 상기 포토 다이오드의 전압을 저장하도록 제어하는 단계, 및 제3 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산하는 단계를 포함하는 깊이 센싱 방법이 제공된다.
능동 방식의 깊이 센싱 장치에 있어서, 외광에 의한 깊이 값의 오류가 제거될 수 있어서, 깊이 값의 정확도가 향상된다.
또한, 외광에 의한 깊이 센싱 픽셀의 포화가 방지되어, 실내 또는 실외를 불문하고 정확한 깊이 값이 측정될 수 있다.
나아가, 깊이 센서의 각 픽셀 별 제어가 용이해지고, 깊이 센서뿐만 아니라 시분할(time dividing) 방식의 칼라 및 깊이 통합 센서에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 장치를 포함하는 깊이 카메라 세트의 예시적인 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 구동되는 깊이 센싱 픽셀 및 컬럼부의 예시적 구성을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 장치의 제어부가 적외선 LED 및 도 3의 픽셀이나 컬럼 내의 각종 트랜지스터를 제어하는 예시적인 신호도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 제1 시간 구간(Reset) 동안 센서 픽셀 내의 부유 확산 노드들을 리셋하는 과정을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 제2 시간 구간(Integration) 동안 센서 픽셀 내의 부유 확산 노드들에 서로 다른 페이즈 구간의 전압이 저장되는 과정을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 제3 시간 구간(Reduction)의 전반부에서 센서 픽셀 내의 제1 부유 확산 노드 전압을 샘플링 커패시터에 저장하는 과정을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 제3 시간 구간(Reduction)의 후반부에서 상기 제1 부유 확산 노드 전압을 피드백 커패시터로 옮기고, 상기 센서 픽셀 내의 제2 부유 확산 노드 전압을 상기 샘플링 커패시터에 저장하는 과정을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해, 상기 제3 시간 구간 후에 다시 제2 시간 구간을 반복하는 과정을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해, 상기 제2 시간 구간과 상기 제3 시간 구간을 n 번 반복한 경우를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법을 도시한다.
이하에서, 본 발명의 일부 실시예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 깊이 센싱 장치(100)를 도시한다.
깊이 센싱 장치(100)는, 센서(110), 제어부(120) 및 계산부(130)를 포함할 수 있다.
상기 센서(110) 내에는, 적외선 따위의 빛(light)을 받아 전하를 발생하는 포토다이오드를 포함하는 픽셀부와, 각 픽셀부의 픽셀 값을 리딩(reading)하고 픽셀을 제어하는 컬럼(column)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 센서(110) 내의 픽셀 및 컬럼의 구성은 도 3을 참조하여 보다 상세히 후술한다.
제어부(120)는 능동형 깊이 값 센싱을 위해 적외선 따위의 빛을 조사(emit)하는 타이밍을 제어하여 LED(Light Emitting Diode) 구동부(Driver)의 역할을 하고, 또한 센서 픽셀들에 포함된 부유 확산 노드의 전하를 읽는 등의 픽셀 및 컬럼을 제어하는 센서 컨트롤러의 역할을 수행한다.
본 발명의 일실시예에 따라 제어부(120)가 적외선 LED의 빛 조사(light emitting)를 구동하고 센서 픽셀을 제어하는 과정은 도 4의 타이밍도(timing diagram)을 참조하여 보다 상세히 후술한다.
한편, 깊이 센싱 장치(100)의 계산부(130)는 능동형 방식에 따른 TOF(Time Of Flight)에 따라 빛이 반사된 부분의 깊이 값(depth), 즉 깊이 카메라와 오브젝트 사이의 거리를 계산한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 센서(110) 내의 픽셀 및 컬럼을 제어부(120)가 제어하여, 외광(Background light)에 의한 깊이 값의 왜곡(distortion)을 없애고, 픽셀의 포화(saturation)를 방지하므로, 계산부(130)가 계산한 깊이 값의 정확도가 크게 향상된다.
깊이 값 계산을 위한 과정은 아래 수학식 1 내지 3과 도 5 내지 도 10을 참조하여 보다 상세히 후술한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 장치를 포함하는 깊이 카메라(200) 세트의 예시적인 구성을 도시한다.
깊이 카메라(200)에는 제어부(220)의 제어 신호에 따라 적외선을 방출하는 IR LED(InfraRed LED)(201) 및 적외선 등의 빛을 수광하여 전하를 발생시킬 수 있는 센서(210)가 포함된다.
그리고, 센서(210)에서 발생한 전하를 이용하여 깊이 값을 계산하는 계산부(230)이 포함된다.
그런데, 도 2에서 도시된 바와 같이, 깊이 카메라(200)의 센서(210)에서 수광하는 빛은 IR LED(201)에서 조사한 적외선(Emitted IR)이 오브젝트에서 반사된 것(Reflected IR)만 있는 것이 아니고, 물체 자체에서 발산하거나 또는 다른 원인에 의해 존재하는 외광(Background light)이 함께 존재한다.
이러한 외광이 깊이 값의 계산에 있어서 오류 원인이 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 장치 및 방법은 이러한 외광의 효과를 제거한다.
나아가, 센서(210) 내의 픽셀이 외광(Background light)과 반사광(Reflected IR)에 의해 포화되는 것을 방지한다.
일반적으로 TOF 방식의 능동형 깊이 카메라에 있어서 외광을 제거하는 방법에는 4-phase 방식과 2-phase 방식이 있다.
이하에서는 센서(210)의 한 픽셀 내에는 하나의 포토다이오드와 두 개의 부유 확산 노드, 즉 제1 부유 확산 노드 및 제2 부유 확산 노드가 포함된다고 가정한다.
먼저, 4-phase 방식이라고 하는 첫 번째 방법은, 두 개의 부유 확산 노드 각각의 전기 셔터(electric shutter) 역할을 하는 TX0 및 TX1 트랜지스터를 이용하여, 한 번은 0/180 degree 차이의 전압을 얻고, 다른 한 번은 90/270 degree 차이의 전압을 조사 광(Emitted light)에서 얻는다.
그리고, 이 두 번의 전압 측정 치의 차이를 이용하여 외광을 제거하고 깊이 값(depth value)를 계산하는 것이다.
하나의 픽셀에 대응하는 포토다이오드는 동일하기 때문에, 0/180 degree 차이가 나는 신호를 각 부유 확산 노드에 모으더라도 외광에 의한 전하 발생 량은 동일하다는 데에 착안한 것이다.
그리고, 0/180 degree에서 얻은 전압 값의 차이 및 90/270 degree에서 얻은 전압 값의 차이를 구하면 외광에 의한 전하량은 사라지게 되고 남은 양으로부터 TOF를 구할 수 있는 것이다.
한편, 2-phase 방식이라고 하는 두 번째 방법은, 한 번은 0/180 degree 차이가 나도록 전압을 측정하고, 다른 한 번은 빛을 조사하지 않고(without emitting IR from IR LED) 외광에 의해서만 발생된 전하 값을 반영하는 전압을 측정한다.
그리고, 이 두 번의 차이를 이용하면, 외광이 제거된 0/180 degree의 TOF를 구할 수 있다.
그런데, 이러한 방법들에 의해 외광을 제거하여 깊이 값을 구할 수는 있지만, 외광이 강할 경우 부유 확산 노드와 같은 전하 저장 노드(charge storage node)의 well capacity의 한계로 인해 포화(saturation) 현상이 발생할 수도 있다.
이 경우 각 node에 생성된 외광의 크기가 다를 수 있으므로 depth를 구할 수 없다. 이러한 saturation 현상을 방지하기 위해서는 full well capacity를 크게 해 주어야 하는데, 이는 센서 회로의 면적 증가를 의미하므로, 한계가 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 외광의 영향을 제거하고 포화(saturation) 현상을 방지하면서도 회로 면적은 유지하는 깊이 센싱 장치 및 방법이 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 및 컬럼의 구조는 도 3을 참조하여 후술하고, 이를 제어하는 타이밍도(timing diagram)은 도 4를 참조하여 후술한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 구동되는 깊이 센싱 픽셀 및 컬럼부의 예시적 구성을 도시한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 하나의 깊이 픽셀(pixel)에는 전하를 저장하는 두 개의 storage node가 부유 확산 노드의 형태로서 존재하나, 그 이상의 수의 storage node가 구비되는 것도 가능하다. 따라서 본 발명은 일부 실시예에 의해 제한적으로 해석되지 않는다.
한편, 포토다이오드(photodiode)는 pinned-photodiode거나 photogate로 구성될 수 있다.
도 3에서 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 픽셀 및 컬럼 구조는 일반적인 4-T(transistor) 칼라 픽셀(color pixel)의 구조를 2개로 확장한 구조이다.
그러나, 종래의 구조와 다른 점은 게이트(Gate) 신호가 RX인 리셋 트랜지스터(reset transistor)의 드레인(drain)이 VDD가 아닌 컬럼(column) 내의 CDS 증폭기(Correlated Double Sampling Amplifier)의 출력단자(output)에 연결된다는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 하나의 픽셀(pixel)에 대응해서 컬럼 내에 2개의 CDS 증폭기 회로가 할당되어 있는데, 이는 일부 실시예에 불과하며, 하나의 CDS 증폭기 회로만 존재하는 실시예 또한 가능하다.
그리고 양 쪽 node와 연결된 컬럼 라인(column line) 사이에 BG 신호로 구동되는 트랜지스터(transistor)가 위치하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 장치(100)의 제어부(120)가 적외선 LED 및 도 3의 픽셀이나 컬럼 내의 각종 트랜지스터를 제어하는 예시적인 신호 타이밍도이다.
타이밍부에도 표시되었지만, 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(120)는 전체 제어 신호를 세 가지의 구간으로 구별한다.
첫 번째는 Reset 구간(이하에서 "제1 시간 구간"이라고도 한다), 두 번째는 Integration 구간(이하에서 "제2 시간 구간"이라고도 한다), 그리고 세 번째는 Reduction 구간(이하에서 "제3 시간 구간"이라고도 한다)이다.
리셋 구간에서의 상기 도 3 회로도는 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 제1 시간 구간(Reset) 동안 센서 픽셀 내의 부유 확산 노드들을 리셋하는 과정을 도시한다.
Reset 구간에서는 TXn과 RX, FBn, RST 신호를 on으로 하여 pixel의 양 쪽 floating diffusion node(storage node와 같다)를 column amplifier에 의해 reset 해 준다.
여기서 CDS 증폭기의 RST 신호를 on 시켰기 때문에 output 신호는 증폭기 (+)단자의 입력인 VREF가 되고 이 값으로 양 쪽 부유 확산 노드(floating diffusion node)가 리셋(reset) 된다.
리셋을 한 후, Integration 구간이 시작되는데 Integration 구간에서의 상기 도 3의 회로도는 도 6와 같이 나타낼 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 제2 시간 구간(Integration) 동안 센서 픽셀 내의 부유 확산 노드들에 서로 다른 페이즈 구간의 전압이 저장되는 과정을 도시한다.
이 구간에서는 LED 신호를 변조하여 조사하고 이와 synch를 맞추어 TX0 및 TX1의 신호를 조절한다.
도 4를 참고하면, 에서는 TX0는 LED 신호와 phase 차이가 없고 TX1은 LED 신호와 phase가 180도 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이는 TOF의 측정을 위한 것이다.
물체의 거리에 따라 빛이 반사되어 돌아오는 시간이 차이가 나게 되므로 양 쪽 floating diffusion node의 전압은 빛에 의해 발생된 전자에 의해 감소하게 된다. 반사 광에 의해 감소된 전압을 각각 Vph0, Vph180이라 하고, 외광에 의해 감소된 전압을 Vbg라 하면 두 개의 부유 확산 노드(floating diffusion node)의 전압은 다음과 같이 나타난다.
[수학식 1]
VFD0 = VREF - Vph0 - Vbg
[수학식 2]
VFD1 = VREF - Vph180 - Vbg
하나의 photodiode에서 발생된 전자에 의해 floating diffusion node의 전압이 감소하는 것이기 때문에 외광에 의해 감소되는 전압은 같다. 감소되는 전압은 물체의 거리 및 integration time, 빛의 세기에 의해 결정될 것이다.
따라서 외광이 강할 경우 상기에서 언급한 바와 같이 감소되는 전압이 너무 커서 saturation 될 수 있으므로 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(120)는 integration time을 적절히 조절하여 saturation이 일어나지 않도록 한다.
그리고, Reduction 구간이 시작된다.
Reduction 구간은 깊이 값을 계산하기 위해 외광에 의한 영향을 제거하는 구간으로서, Reduction 구간에서의 상기 도 3의 회로도는 도 7 내지 도 8과 같이 나타낼 수 있다.
다시 도 4의 타이밍도를 참고하면, 먼저 도 7처럼 스위치 구성이 된 후, 다음에 도 8과 같이 스위치 구성이 됨을 알 수 있다. Reduction 동작은 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 제3 시간 구간(Reduction)의 전반부에서 센서 픽셀 내의 제1 부유 확산 노드 전압을 샘플링 커패시터에 저장하는 과정을 도시한다.
먼저 도 7의 스위치 구성과 같이, column amplifier의 RST 신호를 킨 후 phase 0 신호를 저장하고 있는 floating diffusion node의 전압을 읽어서 sampling capacitor에 저장한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해 제3 시간 구간(Reduction)의 후반부에서 상기 제1 부유 확산 노드 전압을 피드백 커패시터로 옮기고, 상기 센서 픽셀 내의 제2 부유 확산 노드 전압을 상기 샘플링 커패시터에 저장하는 과정을 도시한다.
다음으로 도 8의 스위치 구성과 같이 RST 신호를 끄고 BG 신호를 켜서 sampling capacitor에 phase 180 신호를 읽어 저장한다.
그러면, Sampling capacitor의 반대쪽은 column amplifier의 negative 단자에 연결되어 있으므로 capacitor의 전하량이 변화된 만큼이 feedback capacitor로 전달되게 되고 이에 따라 column amplifier의 output 전압은 다음과 같이 된다.
[수학식 3]
VCDSOUT = VREF + [(VREF - Vph0 - Vbg) - (VREF - Vph180 - Vbg)]
= VREF - (Vph0 - Vph180)
수학식 3에 나타난 것처럼 증폭기 출력(output) 전압은 phase 0과 180 신호의 차이에 의해 결정된다.
즉, 외광에 의해 감소된 전압인 Vbg는 사라지게 된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 이 경우에, 깊이 센싱 장치(100)는 이 증폭기 출력 전압을 제1 부유 확산 노드에 피드백하고, 제2 부유 확산 노드 전압은 VREF로 리셋 한 뒤에, 다시 상기한 Integration 구간 및 Reduction 구간을 수행한다. 도 4에는 이러한 타이밍 도가 나타나 있다.
이 때의 부유 확산 노드들의 전압 레벨 피드백 또는 리셋이 도 9에 도시되었다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해, 상기 제3 시간 구간 후에 다시 제2 시간 구간을 반복하는 과정을 도시한다.
Reduction 동작이 끝난 후 output 전압을 phase 0 신호가 저장되는 floating diffusion node에 reset transistor를 통하여 저장하고 phase 180 신호가 저장되는 node에는 처음처럼 VREF 값을 저장한다
그리고 integration과 reduction을 반복할 수 있다. Integration 구간에는 양쪽 floating diffusion node에서 빛에 의해 전압이 내려가고 reduction 구간에는 다시 양쪽 값의 차이를 낸 후 feedback을 통해 값을 저장하는 것이다.
이러한 반복 과정을 n회 수행한 후 column amplifier의 output 전압은 다음 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
VCDSOUT = VREF - n(Vph0 - Vph180)
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법에 의해, 상기 제2 시간 구간과 상기 제3 시간 구간을 n 번 반복한 경우를 도시한다.
이 경우, phase 0과 180 신호의 차이가 n배 증폭되어 나타나게 되며 외광에 의한 영향은 없어진다. VREF는 이미 알고 있는 값이므로 쉽게 뺄 수 있으며 depth를 구하기 위해서는 LED와 TXn 신호의 phase를 90, 270도가 되도록 조정하여 같은 방법으로 두 값의 차이를 구한 후 위에서 언급한 4-phase 방식을 통해 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 제어부(120)는 외광의 세기에 따라 cycle의 횟수 n을 결정할 수 있으며 제2 시간 구간(Reduction)에서 부유 확산 노드(floating diffusion node)들의 값을 읽고 비교기 회로(comparator)로 비교한 후 외광 제거 동작을 수행할 지의 여부를 결정할 수도 있다.
따라서 깊이 센싱 장치(100)는 주변 환경에 따른 외광 조건에 따라 외광 제거 동작을 수행할 지, 그리고 얼마나 민감도(sensitivity)를 높여서 수행할지를 적응적으로(adaptively) 결정할 수 있다.
나아가 깊이 센싱 장치(100)는 센서 내의 각 픽셀(pixel) 별로 외광 조건에 따라 상기 동작을 다르게 수행할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 장치 및 방법에 의하면, 센서 픽셀(pixel) 내의 리셋 트랜지스터(reset transistor)와 컬럼(column)에 위치한 CDS 증폭기(Correlated Double Sampling Amplifier) 회로, 그리고 BG 트랜지스터(transistor)를 이용하여 외광에 의해 포토다이오드에 생성된 전하(charge)를 제거할 수 있다.
이로써, 깊이 센싱 픽셀(pixel)의 포화(saturation)를 방지하고 정확한 깊이 값을 획득할 수 있다. 따라서 실내 환경뿐만 아니라 실외 환경에서도 정밀도가 향상된 깊이 영상(depth image)를 얻을 수 있다.
나아가, 이러한 본 발명의 일실시예에 따른 외광 제거 및 포화 방지 과정은, 깊이 값만을 측정하는 깊이 센서(depth sensor)뿐만 아니라 칼라(color) 및 깊이(depth)를 동시에 취득하는 센서에도 활용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 센싱 방법을 도시한다.
단계(1110)에서 제어부(120)는 센서 픽셀 내의 부유 확산 노드들을 리셋한다(Reset 구간).
그리고, 단계(1120)에서 제어부(120)는 수광을 통한 전압 레벨을 측정을 수행한다(Integration 구간)
그리고, 단계(1130)에서 계산부(130)는 부유 확산 노드들의 전압 레벨의 차이를 계산한다(Reduction 구간).
이러한 과정은 n 회 반복될 수 있으며, 이상의 깊이 센싱 방법은 도 4 내지 도 10을 참조하여 상술한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 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. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 깊이 센싱 장치
110: 센서
120: 제어부
130: 계산부

Claims (16)

  1. 제1 시간 구간 동안 센서 픽셀의 제1 부유 확산 노드 및 제2 부유 확산 노드의 전압을 참조 전압 값으로 리셋하고, 제2 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드가 제1 페이즈 구간에서 포토 다이오드의 전압을 저장하고 상기 제2 부유 확산 노드가 제2 페이즈 구간에서 상기 포토 다이오드의 전압을 저장하도록 제어하는 제어부; 및
    제3 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산하는 계산부
    를 포함하는 깊이 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 시간 구간 동안, 센서 컬럼의 CDS 증폭기(Correlated Double Sampling Amplifier)의 출력 노드를 상기 제1 부유 확산 노드 및 상기 제2 부유 확산 노드와 단락하여 상기 제1 부유 확산 노드 및 상기 제2 부유 확산 노드의 전압을 상기 참조 전압 값으로 리셋하는, 깊이 센싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드 및 상기 제2 부유 확산 노드 중 어느 것도 포화되지 않도록 상기 제2 시간 구간의 길이를 조정하는, 깊이 센싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제3 시간 구간 동안, 센서 컬럼의 CDS 증폭기가 리셋(reset)되어 있는 상태에서 상기 제1 부유 확산 노드의 전압을 샘플링 커패시터에 저장한 후, 다음으로 상기 CDS 증폭기가 리셋 상태에 있지 않은 상태에서 상기 제2 부유 확산 노드의 전압을 상기 샘플링 커패시터에 저장하는, 깊이 센싱 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계산부는,
    상기 제어부에 의해 상기 제2 부유 확산 노드의 전압이 상기 샘플링 커패시터에 저장된 후에, 상기 CDS 증폭기로부터의 전압 피드백을 이용하여, 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산하는, 깊이 센싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 계산부가 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산하는 경우, 상기 제2 시간 구간 동안 상기 포토다이오드에 수광된 외광(background light)의 영향은 제거되는, 깊이 센싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 페이즈 구간과 상기 제2 페이즈 구간은 서로 180도 차이가 나는, 깊이 센싱 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 핀드-포토다이오드(pinned-photodiode) 또는 포토게이트(photogate)로 구성되는, 깊이 센싱 장치.
  9. 제1 시간 구간 동안 센서 픽셀의 제1 부유 확산 노드 및 제2 부유 확산 노드의 전압을 참조 전압 값으로 리셋 하도록 제어하는 단계;
    제2 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드가 제1 페이즈 구간에서 포토 다이오드의 전압을 저장하고 상기 제2 부유 확산 노드가 제2 페이즈 구간에서 상기 포토 다이오드의 전압을 저장하도록 제어하는 단계; 및
    제3 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산하는 단계
    를 포함하는 깊이 센싱 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 리셋 하도록 제어하는 단계는,
    상기 제1 시간 구간 동안, 센서 컬럼의 CDS 증폭기(Correlated Double Sampling Amplifier)의 출력 노드를 상기 제1 부유 확산 노드 및 상기 제2 부유 확산 노드와 단락하여 상기 제1 부유 확산 노드 및 상기 제2 부유 확산 노드의 전압을 상기 참조 전압 값으로 리셋 하도록 제어하는, 깊이 센싱 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 시간 구간 동안 상기 제1 부유 확산 노드 및 상기 제2 부유 확산 노드 중 어느 것도 포화되지 않도록 상기 제2 시간 구간의 길이를 조정하는 단계
    를 더 포함하는, 깊이 센싱 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는,
    상기 제3 시간 구간 동안, 센서 컬럼의 CDS 증폭기가 리셋(reset)되어 있는 상태에서 상기 제1 부유 확산 노드의 전압을 샘플링 커패시터에 저장하는 단계; 및
    상기 CDS 증폭기가 리셋 상태에 있지 않은 상태에서 상기 제2 부유 확산 노드의 전압을 상기 샘플링 커패시터에 저장하는 단계
    를 포함하는, 깊이 센싱 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는,
    상기 제2 부유 확산 노드의 전압이 상기 샘플링 커패시터에 저장된 후에, 상기 CDS 증폭기로부터의 전압 피드백을 이용하여, 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이를 계산하는, 깊이 센싱 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 계산하는 단계에서 상기 제1 부유 확산 노드의 전압과 상기 제2 부유 확산 노드의 전압의 차이가 계산되는 경우, 상기 제2 시간 구간 동안 상기 포토다이오드에 수광된 외광(background light)의 영향은 제거되는, 깊이 센싱 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1 페이즈 구간과 상기 제2 페이즈 구간은 서로 180도 차이가 나는, 깊이 센싱 방법.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항의 깊이 센싱 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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