KR20130098040A - 깊이 이미지를 자동으로 캘리브레이션하는 이미지 시스템 - Google Patents

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KR20130098040A
KR20130098040A KR1020120019831A KR20120019831A KR20130098040A KR 20130098040 A KR20130098040 A KR 20130098040A KR 1020120019831 A KR1020120019831 A KR 1020120019831A KR 20120019831 A KR20120019831 A KR 20120019831A KR 20130098040 A KR20130098040 A KR 20130098040A
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노요환
일리아 오브시아니코프
김왕현
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 깊이 이미지를 자동으로 캘리브레이션하는 이미지 시스템에 대하여 개시된다. 이미지 시스템은, 광원 제어 신호에 응답하여 변조 광을 타겟 대상물로 조사하는 광원, 적어도 하나 이상의 픽셀을 포함하고 타겟 대상물로부터 반사되는 광에 따라 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호로부터 깊이 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함한다. 이미지 센서는 광원으로부터 이미지 센서로 피이드백되는 광원 신호를 수신하고, 피이드백되는 광원 신호와 픽셀을 구동하는 게이트 신호를 비교하여 광원 제어 신호를 제어하는 지연 보상부를 포함한다.

Description

깊이 이미지를 자동으로 캘리브레이션하는 이미지 시스템{Image system for automatic depth image calibration}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 깊이 이미지의 오프셋을 자동으로 캘리브레이션하는 이미지 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 함께 깊이 이미지(depth image)를 동시에 촬영할 수 있는 기술이 개발되고 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 깊이 이미지의 오프셋을 자동으로 캘리브레이션하는 이미지 시스템 및 그 동작 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일면에 따른 이미지 시스템은, 광원 제어 신호에 응답하여 변조 광을 타겟 대상물로 조사하는 광원, 적어도 하나 이상의 픽셀을 포함하고 타겟 대상물로부터 반사되는 광에 따라 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호로부터 깊이 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함한다. 이미지 센서는 광원으로부터 이미지 센서로 피이드백되는 광원 신호를 수신하고, 피이드백되는 광원 신호와 픽셀을 구동하는 게이트 신호를 비교하여 광원 제어 신호를 제어하는 지연 보상부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따라, 지연 보상부는 게이트 신호와 피이드백되는 광원 신호를 비교하여 비교 신호를 발생하는 위상 비교기와, 비교 신호에 응답하여 내부 클럭 신호를 지연시켜 조정 클럭 신호를 발생하는 지연 조정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 이미지 센서는 광원 제어 신호를 패드로 출력하는 회로부를 더 포함하고, 회로부는 조정 클럭 신호에 응답하여 광원 제어 신호를 출력 시점을 조정할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 픽셀은 변조 광과 소정의 위상 차를 갖는 게이트 신호에 응답하여 픽셀 신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 픽셀은 집적 회로 칩에 형성된 광전 변환 영역에 게이트 신호에 응답하는 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 상기 제2 포토 게이트들로 동시에 인가되어 제2 및 제4 픽셀 신호들을 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 피이드백되는 광원 신호는 제1 피이드백 신호 및 제2 피이드백 신호로 구성되는 차동 신호들로 제공될 수 있다. 이미지 센서는 제1 및 제2 피이드백 광원 신호들을 비교 증폭하여 내부 광원 신호를 발생하는 차동 증폭부, 게이트 신호와 내부 광원 신호를 비교하여 비교 신호를 발생하는 위상 비교기, 그리고 비교 신호에 응답하여 내부 클럭 신호를 지연시켜 조정 클럭 신호를 발생하는 지연 조정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 면에 따른 이미지 시스템의 동작 방법은, 광원 제어 신호에 응답하여 광원에서 타겟 대상물로 변조 광을 조사하는 단계, 타겟 대상물로부터 반사되는 광이 입사되는 적어도 하나의 픽셀로부터 픽셀 신호를 취득하여 깊이 이미지를 생성하는 단계, 광원으로부터 상기 이미지 센서로 피이드백되는 광원 신호를 수신하는 단계, 그리고 피이드백되는 광원 신호와 픽셀을 구동하는 게이트 신호를 비교하여 광원 제어 신호를 제어하는 단계를 포함한다.
상술한 본 발명의 이미지 센서에 의하면, 픽셀 복조 신호를 구동하는 신호와 광원 변조 신호를 구동하는 신호 사이의 위상 정렬을 보정하여 광원 제어 신호의 위상을 조정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 TOF 이미지 센서의 동작을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 시스템을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이 내 하나의 픽셀에 대응하는 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3의 하나의 픽셀 등가 회로에 대응하는 반도체 소자의 일부 단면을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 3의 제1 및 제2 포토 게이트들에 의한 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 시스템을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 시스템을 설명하는 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 발명에 따른 TOF 이미지 센서의 동작을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 광원(10)으로부터 반복 펄스 신호로서 조사되는 변조 광(EL)은 대상물(15)에서 반사되고, 반사된 광(RL)은 렌즈를 통하여 이미지 센서(20)에 입사된다. 위상차(
Figure pat00001
)는 조사된 광(EL)이 대상물(15)에 의해 반사되고, 반사광(RL)이 이미지 센서(20)에 의해 감지될 때까지의 시간을 나타낸다. 위상차(
Figure pat00002
)로부터 대상물(15)과 이미지 센서(20) 간의 거리 정보를 계산할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(20)는 제1 및 제2 패드 회로부들(21, 27), 픽셀 어레이부(22), 위상 동기 루프 회로(PLL, 23), 타이밍 발생 로직 회로(24), 레지스터(25) 그리고 로우 디코더(26)를 포함한다.
제1 패드 회로부(21)는 외부 클럭 신호(CLK)를 수신한다. 픽셀 어레이부(22)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 화상 처리부(미도시)로 전달된다. 화상 처리부는 픽셀들(Xij, i=1~m, j=1~n)에서 출력되는 픽셀 신호들로부터 컬러 이미지와 깊이 이미지를 생성할 수 있다. 화상 처리부는 CDS/ADC부, 메모리 그리고 컬러 및 깊이 계산부를 포함할 수 있다.
CDS/ADC부(Correlated Double Sampling and Analog Digital Converter)는 픽셀 어레이부(22)의 비트라인들으로 전달되는 선택된 1행 분의 픽셀 신호들에 대하여 상관 이중 샘플링하여 노이즈를 캔슬할 수 있다. CDS/ADC부는 노이즈 캔슬된 픽셀 신호와 램프 발생기(미도시)로부터 출력되는 램프 신호를 비교할 수 있다. CDS/ADC부는 비교 결과 출력되는 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환한다. 메모리는 CDS/ADC부에서 출력되는 디지털 픽셀 신호를 저장하고, 컬러 이미지와 깊이 이미지를 생성하는 컬러 및 깊이 계산부로 디지털 픽셀 신호를 제공할 수 있다. 컬러 및 깊이 계산부는 디지털 픽셀 신호에 기초하여 해당 픽셀의 컬러 정보를 계산함과 동시에 깊이 정보를 계산하여 컬러 이미지 및 깊이 이미지를 생성할 수 있다.
PLL(23)은 외부 클럭 신호(CLK)로부터 내부 클럭 신호(MCLK)를 발생할 수 있다. 내부 클럭 신호(MCLK)는 이미지 센서(20)의 마스터 클럭 신호로 사용될 수 있다. 타이밍 발생 로직 회로(24)는 내부 클럭 신호(MCLK)에 응답하여 로우 디코더(26)와 화상 처리부(미도시)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 타이밍 발생 로직 회로(24)는 로우 디코더(26)와 화상 처리부(미도시)에 타이밍 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다. 타이밍 신호 및 제어 신호는 레지스터부(25)에 저장될 수 있다.
또한, 타이밍 발생 로직 회로(24)는 광원(10)의 동작 타이밍을 제어하는 광원 제어 신호(LED_INT)를 발생하여 제2 패드 회로부(27)로 전달할 수 있다. 제2 패드 회로부(27)에서 출력되는 광원 제어 신호(LED_INT)는 광원 소스 드라이버(29)를 통해 광원 구동 신호(LED_DRV)로 발생될 수 있다. 광원 소스 드라이버(29)는 광원 구동 신호(LED_DRV)를 이용하여 광원(10)의 온/오프를 제어한다. 광원(10)은 광원 전압(VLED)에 연결되는 다수개의 직렬 연결되는 광 다이오드들(LEDs)을 포함할 수 있다.
로우 디코더(26)는 픽셀 어레이(22)의 각 행을 구동하는 구동 신호들, 예컨대, 전달 신호(TG), 리셋 신호(RS), 선택 신호(SEL) 등과 게이트 신호들(PGi)을 발생할 수 있다. 로우 디코더(26)는 구동 신호들과 게이트 신호들(PGi)에 응답하여 픽셀 어레이(22)의 복수의 픽셀들(Xij, i=1~m, j=1~n)을 행 단위로 선택할 수 있다.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이(22) 내 하나의 픽셀에 대응하는 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 픽셀(Xij)은 광전 변환 영역(60)에 두 개의 포토 게이트(PX1, PX2)가 형성되어 있는 2-탭 픽셀 구조를 갖는다. 픽셀(Xij)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 포함할 수 있다. 또한, 픽셀(Xij)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 포함할 수 있다.
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 비트라인으로 픽셀 신호가 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 비트라인으로 픽셀 신호가 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 4는 도 3의 하나의 픽셀 등가 회로에 대응하는 반도체 소자의 일부 단면을 설명하는 도면이다.
도 4를 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(10)으로부터 조사된 변조 광은, 대상물(15)에서 반사되고, 렌즈를 통해 각 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n)에 입사한다. 각각의 픽셀(Xij, i=1~m, j=1~n) 중 하나의 픽셀(Xij)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 5는 도 3의 제1 및 제2 포토 게이트들(PX1, PX2)에 의한 동작을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 광원(10, 도 1)으로부터 조사된 광(EL)과 대상물(15)에서 반사되어 픽셀(Xij)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 1과 같이 표시될 수 있다.
[수학식1]
Figure pat00003
여기에서, ak , n은 k에 해당하는 위상 차로 n(n은 자연수)번째의 해당 게이트 신호를 인가했을 때, 픽셀(Xij)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 2와 같이 간략화될 수 있다.
[수학식2]
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
여기에서,
Figure pat00008
는 백그라운드 오프셋(background offset)을 나타내고,
Figure pat00009
는 디모듈레이션 인텐시티(demodulation intensity)를 나타낸다. 디모듈레이션 인텐시티(
Figure pat00010
)는 반사광(RL)의 강도를 의미한다.
이 때, 위상차(
Figure pat00011
)는 수학식 3와 같이 계산할 수 있다.
[수학식3]
Figure pat00012
한편, 이미지 센서(20)는 광원(10)으로부터 조사된 광(EL)과 대상물(15)에 의하여 반사되어 입사되는 반사광(RL) 사이의 시간 차(tΔ)와 대상물(52)까지의 거리(d)를 수학식 4와 같이 추정할 수 있다.
[수학식4]
Figure pat00013
여기에서, c는 광속을 나타낸다.
따라서, 이미지 센서(20)는 수학식 3와 수학식 4를 이용하여 깊이 정보(
Figure pat00014
)를 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.
[수학식5]
Figure pat00015
다시, 도 2에서, 픽셀 복조 신호와 광원 변조 신호에는 전달 지연(propagation delay)이 발생할 수 있다. 픽셀 변조 신호의 전달 지연 시간(DDM)은, 수학식 6과 같이, 게이트 신호(PGi)의 클럭-투-데이터 출력 지연 시간(DPGIOUT)과 각 픽셀의 게이트 신호(PGi)의 평균 전달 지연 시간(DPGIPROP)을 합한 시간으로 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
DDM = DPGIOUT + DPGIPROP
광원 변조 신호의 전달 지연 시간(DM)은, 수학식 7과 같이, 이미지 센서(20) 내 제2 패드 회로부(27)에서의 클럭-투-데이터 출력 지연 시간(DLEDOUT), 광원(10)으로의 광원 제어 신호(LED_INT)의 지연 시간(DLEDPROP), 광원 소스 드라이버(29)의 지연 시간(DLS), 그리고 광원 구동 신호(LED_DRV)의 지연 시간(DLEDDRV)을 합한 시간으로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
DM = DLEDOUT + DLEDPROP + DLS + DLEDDRV
픽셀 복조 신호의 전달 지연 시간(DDM)과 광원 변조 신호의 전달 지연 시간(DM) 사이에 수학식 8과 같은 차이(ΔD)가 발생하면, 이미지 센서(20)에 의해 측정되는 깊이 이미지에 수학식 9와 같은 에러(
Figure pat00016
)가 발생할 수 있다.
[수학식 8]
ΔD = DDM - DM ≠ 0
[수학식 9]
Figure pat00017
예컨대, fmod의 조사 광(EL)의 변조 주파수가 20MHz이고, 시간 차(ΔD)가 10ns 인 경우, 깊이 에러는 1.5m로 계산될 수 있다. 즉, 1ns 지연은 15cm의 깊이 에러에 해당됨을 알 수 있다. 이러한 깊이 에러를 줄일 수 있는 요구된다.
광원 변조 신호의 전달 지연 시간(DM) 중에서 광원 소스 드라이버(29)의 지연 시간(DLS)이 가장 큰 지연 요소가 된다. 왜냐하면, 광원 소스 드라이버(29)는 광원 제어 신호(LED_INT)를 증폭하여 광원 구동 신호(LED_DRV)를 발생시키기 때문이다. 나머지 지연 시간들(DLEDOUT, DLEDPROP, DLEDDRV)은 전송 라인 상의 지연으로 광원 소스 드라이버(29)의 지연 시간(DLS)을 크게 차지하지 않는다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 시스템을 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서(60)는, 도 2의 이미지 센서(20)와 비교하여, 지연 보상부(62)와 제3 패드 회로부(68)를 더 구비한다는 점에서 차이가 있다. 이미지 센서(60)의 제1 및 제2 패드 회로부들(21, 27), 픽셀 어레이부(22), 위상 동기 루프 회로(PLL, 23), 타이밍 발생 로직 회로(24), 레지스터(25) 그리고 로우 디코더(26)는, 도 2에서 설명된 바와 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위하여 구체적인 설명은 생략된다.
제3 패드 회로부(68)는 광원(10)으로부터 이미지 센서(60)로 피이드백되는 광원 신호(LED_FB)를 수신한다. 피이드백된 광원 신호(LED_FB)는 지연 보상부(62)로 제공된다. 지연 보상부(62)는 활성화된 게이트 신호(PG_FB)와 피이드백된 광원 신호(LED_FB)를 비교하고, 비교 결과에 응답하여 광원 제어 신호(LED_INT)를 제어한다. 지연 보상부(62)는 위상 비교기(62)와 지연 조정부(64)를 포함할 수 있다.
위상 비교기(62)는 활성화된 게이트 신호(PG_FB)와 피이드백된 광원 신호(LED_FB)를 비교하여 비교 신호(COMP)를 발생한다. 지연 조정부(64)는 비교 신호(COMP)에 응답하여 내부 클럭 신호(MCLK)를 지연시켜 조정 클럭 신호(MCLKD)를 발생할 수 있다. 제2 패드 회로부(27)는 조정 클럭 신호(MCLKD)에 응답하여 광원 제어 신호(LED_INT)의 출력 시점을 조정할 수 있다. 조정 클럭 신호(MCLKD)에 의해 조정되는 광원 제어 신호(LED_INT)는 광원 변조 신호의 전달 지연을 보상하게 된다.
피이드백되는 광원 신호(LED_FB)의 전달 지연 시간(DFB)은, 수학식 10과 같이, 광원(10)에서 제3 패드 회로부(68) 사이의 경로 상의 지연 시간(DFBPROP), 제3 패드 회로부(68)에서의 지연 시간(DFBPAD), 그리고 이미지 센서(60) 내 전달 지연 시간(DFBIN)의 합으로 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
DFB = DFBPROP + DFBPAD + DFBIN
이에 따라, 광원 변조 신호와 피이드백되는 광원 신호(LED_FB) 사이의 위상 차 (
Figure pat00018
)는 수학식 11과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00019
Figure pat00020
픽셀 복조 신호를 구동하는 클럭 신호와 광원 변조 신호를 구동하는 클럭 신호의 위상 정렬은 두가지 보정 방법에 의해 획득할 수 있다. 하나는
Figure pat00021
성분을 보상하는 방법이고, 다른 하나는
Figure pat00022
성분을 보상하는 방법이다. 지연 보상부(62)는 게이트 신호(PG_FB)와 피이드백된 광원 신호(LED_FB)를 비교하여, 위상차(
Figure pat00023
)를 0으로 만들기 위해 필요한 정도로 광원 제어 신호(LED_INT)의 위상을 조정할 수 있다.
PLL(23)에서 출력되는 내부 클럭 신호(MCLK)의 주파수는, 예컨대 싱글-탭 3D TOF 이미지 센서인 경우, 광원 제어 신호(LED_INT) 주파수의 4배 정도 일 수 있다. 타이밍 발생 로직 회로(24)는 내부 클럭 신호(MCLK)의 네가티브 에지에서 광원 제어 신호(LED_INT)를 내보내기 시작할 수 있다. 즉, 광원 제어 신호(LED_INT)는 내부 클럭 신호(MCLK) 보다 반주기 먼저 출력될 수 있다. 제2 패드 회로부(27)는 조정 클럭 신호(MCLKD)의 라이징 에지에서 광원 제어 신호(LED_INT)를 내보낼 수 있다. 이에 따라, PLL(23)은 조정 클럭 신호(MCLKD)를 ±0.5MCLK 주기만큼 지연시킬 수 있다.
광원 변조 신호와 피이드백되는 광원 신호(LED_FB) 사이의 위상 차 (
Figure pat00024
)가
Figure pat00025
보다 크게 되면, 게이트 신호(PG_FB)와 피이드백된 광원 신호(LED_FB) 사이의 거친(coarse) 위상 차를 측정하기 위하여, 이미지 센서(60)는 다음과 같이 설계될 수 있다.
게이트 신호(PG_FB)와 피이드백된 광원 신호(LED_FB)는, 준안정성(meatastability)을 피하기 위해, 내부 클럭 신호(MCLK)와 2개의 플립플롭을 사용하여 재클럭킹될 수 있다. 이미지 센서(60)는 카운터를 구비하여, 게이트 신호(PG_FB)가 라이징할 때 마다 카운터를 리셋시킬 수 있다. 카운터는 피이드백된 광원 신호(LED_FB)가 라이징할 때까지 증가될 수 있다. 카운터 값은 누적기에 추가되고, 누적되는 샘플들의 수는 증가될 수 있다. 카운터와 누적기는 피이드백된 광원 신호(LED_FB)에 대하여 제공될 수 있다.
이미지 센서(60) 내 로직 회로 또는 펌웨어는 주기적으로 누적된 카운터 값을 읽고, 누적된 카운터 값을 누적된 샘플들의 수로 나누어, 게이트 신호(PG_FB)와 피이드백된 광원 신호(LED_FB) 사이의 거친(coarse) 위상 차를 추정하여 얻을 수 있다. 로직 회로 또는 펌웨어는 누적된 샘플들의 수를 홀딩하는 누적기들과 레지스터들을 리셋시킬 수 있다. 거친 위상차 추정에 근거하여, 펌웨어 또는 제어 로직들은 계산된 거친 위상차에 대응하여 광원 제어 신호(LED_INT)가 내부 클럭 신호(MCLK) 주기 보다 하나 이상 빠르거나 느리도록 내보낼 수 있다.
또한, 타이밍 발생 로직 회로(24)는 내부 클럭 신호(MCLK)의 네가티브 에지와 포지티브 에지에서 광원 제어 신호(LED_INT)를 내보내기 시작할 수 있다. 이에 따라, 광원 제어 신호(LED_INT)는 제1 및 제2 광원 제어 신호들(LED_INTP, LED_INTN)로 분리될 수 있다. 제2 패드 회로부(27)는 더블 데이터 레이트 시그널링을 사용하도록 변경되고, 조정 클럭 신호(MCLKD)의 양 에지들에서 제1 및 제2 광원 제어 신호들(LED_INTP, LED_INTN)을 저장하도록 변경될 수 있다. 거친 위상차 추정에 근거하여, 제어 로직들은 데이터를 래치하기 위하여 조정 클럭 신호(MCLKD)의 어느 에지를 사용할 지를 결정할 수 있다.
다른 방법으로, 제2 패드 회로부(27)는 내부 클럭 신호(MCLK) 또는 조정 클럭 신호(MCLKD)에 클럭킹되지 않을 수 있다. PLL(23)은 내부 클럭 신호(MCLK) 대신에 광원 제어 신호(LED_INT)의 지연을 제어할 수 있다. 이 경우, 거친 위상차 추정은 필요치 않는다.
카메라에 의해 기록되는 깊이 이미지와, 게이트 신호(PG_FB)와 피이드백된 광원 신호(LED_FB)에 의해 위상차 제거된 실제적인 깊이 이미지를 비교하여 캘리브레이션 위상차(
Figure pat00026
)를 실험적으로 계산할 수 있다. 캘리브레이션 위상차(
Figure pat00027
)에 영향을 주는 지연은, 일반적으로 변조 신호의 지연 보다 작고, 프로세스, 온도 그리고 전원 전압의 변동에 덜 영향을 받을 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 시스템을 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 이미지 센서(70)는, 도 6의 이미지 센서와 비교하여, 피이드백된 광원 신호(LED_FB)가 차동 신호(LED_FBN, LED_FBP)로 제공된다는 점에서 차이가 있다. 제1 및 제2 피이드백 광원 신호들(LED_FBN, LED_FBP)은 주변 환경으로 인한 노이즈에 의해 피이드백된 광원 신호(LED_FB)의 수신이 어려울 수 있는 문제점을 해결하기 위하여, 차동 신호로 제공될 수 있다.
제1 피이드백 광원 신호(LED_FBN)는 제3 패드 회로부(72)로 제공되고, 제2 피이드백 광원 신호(LED_FBP)는 제4 패드 회로부(74)로 제공된다. 제1 및 제2 피이드백 광원 신호들(LED_FBN, LED_FBP)은 차동 증폭부(76)로 제공된다. 차동 증폭부(76)는 제1 및 제2 피이드백 광원 신호들(LED_FBN, LED_FBP)을 비교 증폭하여 내부 광원 신호(LED_FBIN)를 발생한다. 내부 광원 신호(LED_FBIN)는 지연 보상부(62)로 제공된다. 지연 보상부(62)는 활성화된 게이트 신호(PG_FB)와 내부 광원 신호(LED_FBIN)를 비교하고, 비교 결과에 응답하여 광원 제어 신호(LED_INT)를 제어한다.
이미지 센서(70)의 제1 및 제2 패드 회로부들(21, 27), 픽셀 어레이부(22), 위상 동기 루프 회로(PLL, 23), 타이밍 발생 로직 회로(24), 레지스터(25), 로우 디코더(26) 그리고 지연 보상부(62)는, 도 2 및 도 6에서 설명된 바와 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위하여 구체적인 설명은 생략된다.
이미지 센서(70)는 차동 신호로 제공되는 피이드백 광원 신호들(LED_FBN, LED_FBP)을 이용하여 내부 광원 신호(LED_FBIN)를 발생할 수 있다. 내부 광원 신호(LED_FBIN)는 지연 보상부(62)로 제공될 수 있다. 지연 보상부(62)는 활성화된 게이트 신호(PG_FB)와 내부 광원 신호(LED_FBIN)를 비교하고, 비교 결과에 응답하여 광원 제어 신호(LED_INT)를 제어할 수 있다. 지연 보상부(62) 내 위상 비교기(62)는 활성화된 게이트 신호(PG_FB)와 피이드백된 광원 신호(LED_FB)를 비교하여 비교 신호(COMP)를 발생할 수 있다. 지연 조정부(64)는 비교 신호(COMP)에 응답하여 내부 클럭 신호(MCLK)를 지연시켜 조정 클럭 신호(MCLKD)를 발생할 수 있다. 제2 패드 회로부(27)는 조정 클럭 신호(MCLKD)에 응답하여 광원 제어 신호(LED_INT)의 출력 시점을 조정할 수 있다. 조정 클럭 신호(MCLKD)에 의해 조정되는 광원 제어 신호(LED_INT)는 광원 변조 신호의 전달 지연을 보상하게 된다.
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. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 광원 제어 신호에 응답하여 변조 광을 타겟 대상물로 조사하는 광원; 및
    적어도 하나 이상의 픽셀을 포함하고, 상기 타겟 대상물로부터 반사되는 광에 따라 상기 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호로부터 깊이 이미지를 생성하는 이미지 센서를 포함하고,
    상기 이미지 센서는 상기 광원으로부터 상기 이미지 센서로 피이드백되는 광원 신호를 수신하고, 상기 피이드백되는 광원 신호와 상기 픽셀을 구동하는 게이트 신호를 비교하여 상기 광원 제어 신호를 제어하는 지연 보상부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지연 보상부는
    상기 게이트 신호와 상기 피이드백되는 광원 신호를 비교하여 비교 신호를 발생하는 위상 비교기; 및
    상기 비교 신호에 응답하여 내부 클럭 신호를 지연시켜 조정 클럭 신호를 발생하는 지연 조정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 광원 제어 신호를 패드로 출력하는 회로부를 더 구비하고,
    상기 회로부는 상기 조정 클럭 신호에 응답하여 상기 광원 제어 신호를 출력 시점을 조정하는 것을 특징으로 하는 이미지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 픽셀은
    상기 변조 광과 소정의 위상 차를 갖는 상기 게이트 신호에 응답하여 상기 픽셀 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 픽셀은
    집적 회로 칩에 형성된 광전 변환 영역에 상기 게이트 신호에 응답하는 두 개의 포토 게이트들을 포함하고,
    상기 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, 상기 변조 광과의 위상 차가 각각 90도와 270도인 제2 및 제4 게이트 신호들이 상기 제1 및 상기 제2 포토 게이트들로 동시에 인가되어 제2 및 제4 픽셀 신호들을 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 피이드백되는 광원 신호는
    제1 피이드백 신호 및 제2 피이드백 신호로 구성되는 차동 신호들로 제공되는 것을 특징으로 하는 이미지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 제1 및 제2 피이드백 광원 신호들을 비교 증폭하여 내부 광원 신호를 발생하는 차동 증폭부;
    상기 게이트 신호와 상기 내부 광원 신호를 비교하여 비교 신호를 발생하는 위상 비교기; 및
    상기 비교 신호에 응답하여 내부 클럭 신호를 지연시켜 조정 클럭 신호를 발생하는 지연 조정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 광원 제어 신호를 패드로 출력하는 회로부를 더 구비하고,
    상기 회로부는 상기 조정 클럭 신호에 응답하여 상기 광원 제어 신호를 출력 시점을 조정하는 것을 특징으로 하는 이미지 시스템.
  9. 이미지 센서의 동작 방법에 있어서,
    광원 제어 신호에 응답하여 광원에서 타겟 대상물로 변조 광을 조사하는 단계;
    상기 타겟 대상물로부터 반사되는 광이 입사되는 적어도 하나의 픽셀로부터 픽셀 신호를 취득하여 깊이 이미지를 생성하는 단계;
    상기 광원으로부터 상기 이미지 센서로 피이드백되는 광원 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 피이드백되는 광원 신호와 상기 픽셀을 구동하는 게이트 신호를 비교하여 상기 광원 제어 신호를 제어하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 피이드백되는 광원 신호는
    차동 신호로 제공되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
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