KR20130134739A - Three-dimensional image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3차원 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변환 이득을 조절하여 출력 전압의 포화를 방지하기 위한 3차원 이미지 센서에 관한 것이다. The present invention relates to a three-dimensional image sensor, and more particularly to a three-dimensional image sensor for controlling the conversion gain to prevent saturation of the output voltage.
일반적인 씨모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor; CMOS) 이미지 센서는 포토다이오드(photodiode), 포토게이트(photogate)와 같은 수광부가 광신호를 흡수하여 전하를 생성하고 상기 생성된 전하를 플로팅 확산(floationg diffusion) 영역에 축적함으로써, 흡수된 광신호에 상응하는 크기의 전압을 생성하고 상기 생성된 전압에 상응하는 아날로그 신호를 출력한다.In a typical CMOS metal image sensor, a light receiving unit such as a photodiode or a photogate absorbs an optical signal to generate a charge, and a floating diffusion region of the generated charge. By accumulating in, a voltage having a magnitude corresponding to the absorbed optical signal is generated and an analog signal corresponding to the generated voltage is output.
최근, 씨모스 이미지 센서를 이용하여 센서로부터 피사체까지의 거리를 측정하기 위한 3차원 이미지 센서(또는, 깊이 센서(depth sensor))가 많이 연구되고 있다. 센서로부터 피사체까지의 거리 정보를 얻기 위한 방법으로 TOF(Time Of Flight) 방식이 많이 이용되고 있다. TOF 방식은 피사체에 빛을 조사하고 반사되어 돌아오는 빛의 이동 시간을 통해 센서로부터 피사체까지의 거리 정보를 파악하는 방식이다.Recently, three-dimensional image sensors (or depth sensors) for measuring a distance from a sensor to a subject using a CMOS image sensor have been studied. As a method of obtaining distance information from a sensor to a subject, a time of flight (TOF) method is widely used. The TOF method is a method of identifying the distance information from the sensor to the subject through the light travel time irradiated to the subject and reflected back.
이러한 TOF 방식에서는, 반사되어 돌아오는 광의 세기가 물체의 거리의 제곱에 반비례하며, 물체의 광원 파장에 대한 반사율에 비례한다. 따라서 변환 이득이 일정한 값으로 고정된 경우, 1개의 물체를 기준으로 설정한 변환 이득이 낮거나 높은 경우, 다른 물체에 대해서는 광신호가 너무 작아 정확한 거리 측정이 어렵거나, 광신호가 너무 커서 출력 신호가 포화(saturation)되어 정확한 거리 측정이 불가능하다. In this TOF scheme, the intensity of the reflected light is inversely proportional to the square of the distance of the object and is proportional to the reflectance of the light source wavelength of the object. Therefore, when the conversion gain is fixed to a constant value, when the conversion gain set based on one object is low or high, the optical signal is too small for other objects, making accurate distance measurement difficult or the optical signal is too large, resulting in saturation of the output signal. (saturation), accurate distance measurement is impossible.
본 발명의 일 목적은 변환 이득을 조절하여 이미지에 대한 정확한 거리 측정하는 이미지 센서를 제공하는데 있다. 다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.An object of the present invention is to provide an image sensor for measuring the accurate distance to the image by adjusting the conversion gain. It should be understood, however, that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be variously modified without departing from the spirit and scope of the invention.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서는 피사체에 송신광을 조사하는 광원 모듈, 상기 피사체에서 반사된 수신광을 필터링시키는 필터와 집광시키는 렌즈를 포함하는 렌즈 모듈, 상기 수신광의 세기에 상응하는 전하를 생성 및 축적시키고, 상기 축적된 전하에 대해 변환 이득을 조절하여 아날로그 신호로 출력시키는 화소 회로, 상기 아날로그 신호의 포화 여부를 판단하여 포화 판단 신호를 제어부에 제공하고, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그 디지털 변환부, 및 상기 아날로그 디지털 변환부로부터 상기 포화 판단 신호를 수신하여 상기 화소 회로에 변환 이득 조절 신호를 제공하고, 상기 화소 회로 및 상기 광원 모듈에 제어 신호를 보내는 제어부를 포함할 수 있다.In order to achieve the object of the present invention, the three-dimensional image sensor according to the embodiments of the present invention includes a light source module for irradiating the transmission light to the subject, a filter for filtering the received light reflected from the subject and a lens for condensing A lens module that generates and accumulates charges corresponding to the intensity of the received light, and adjusts a conversion gain with respect to the accumulated charges and outputs them as analog signals; An analog-to-digital converter for converting the analog signal into a digital signal, and receiving the saturation determination signal from the analog-digital converter to provide a conversion gain adjustment signal to the pixel circuit, the pixel circuit and It may include a control unit for sending a control signal to the light source module.
일 실시예에 의하면, 상기 제어부는 상기 수신광의 세기를 측정하여 비행 거리를 계산하는 계산부를 포함할 수 있다.In example embodiments, the controller may include a calculator configured to calculate a flight distance by measuring the intensity of the received light.
일 실시예에 의하면, 상기 화소 회로는 상기 수신광을 흡수하여 상기 수신광의 세기에 상응하는 전하를 생성 및 축적시키는 수광부, 상기 수광부에서 축적된 전하를 플로팅 확산 영역으로 전송시키는 전송 트랜지스터, 상기 전송 트랜지스터를 통해 전송된 전하를 축적시키는 플로팅 확산 영역, 다음 신호 검출을 위해 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시키는 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 확산 영역에 축적된 전하를 상기 아날로그 신호로 출력 및 증폭시키는 드라이브 트랜지스터, 선택 제어 신호에 기초하여 상기 화소 회로를 포함하는 픽셀 어레이의 어드레싱 순서에 따라 상기 아날로그 신호를 출력시키는 선택 트랜지스터, 및 상기 플로팅 확산 영역과 병렬로 연결되고, 상기 제어부로부터 수신된 상기 변환 이득 조절 신호에 기초하여 상기 변환 이득을 조절함으로써, 비행 거리 측정을 위한 상기 아날로그 신호의 포화를 방지하는 변환 이득 조절부를 포함할 수 있다.In example embodiments, the pixel circuit absorbs the received light to generate and accumulate a charge corresponding to the intensity of the received light, a transfer transistor to transfer the charge accumulated in the light receiver to a floating diffusion region, and the transfer A floating diffusion region for accumulating charge transferred through the transistor, a reset transistor for resetting the floating diffusion region for the next signal detection, a drive transistor for outputting and amplifying the charge accumulated in the floating diffusion region as the analog signal, and selection control A selection transistor for outputting the analog signal in accordance with an addressing order of a pixel array including the pixel circuit based on the signal, and a parallel connection with the floating diffusion region, based on the conversion gain adjustment signal received from the controller; The conversion gain It may include controlled by, the conversion gain control to prevent saturation of the analog signal for a flight distance measurement unit.
일 실시예에 의하면, 상기 변환 이득 조절부는 상기 변환 이득 조절 신호에 기초하여 동작하는 변환 이득 조절 트랜지스터, 및 상기 변환 이득 조절 트랜지스터와 직렬로 연결되고, 상기 변환 이득 조절 트랜지스터가 턴온되면 상기 플루팅 확산 영역의 기생 캐패시터와 병렬 연결되어 상기 플루팅 확산 영역의 전압을 조절하여 상기 변환 이득을 조절하는 캐패시터를 포함할 수 있다.In example embodiments, the conversion gain control unit is connected in series with a conversion gain control transistor that operates based on the conversion gain control signal, and the conversion gain control transistor, and when the conversion gain control transistor is turned on, the fluting diffusion. And a capacitor connected in parallel with a parasitic capacitor in a region to adjust the conversion gain by adjusting the voltage of the fluting diffusion region.
일 실시예에 의하면, 상기 아날로그 디지털 변환부에서 첫번째 아날로그 신호의 크기를 포화 임계값과 비교하여, 상기 아날로그 신호의 크기가 상기 포화 임계값보다 작거나 같은 경우에는 논리 로우 레벨의 포화 판단 신호를 상기 제어부에 제공하고, 상기 첫번째 아날로그 신호의 크기가 상기 포화 임계값보다 큰 경우에는 논리 하이 레벨의 포화 판단 신호를 상기 제어부에 제공할 수 있다.According to an embodiment, the analog-to-digital converter compares the magnitude of the first analog signal with a saturation threshold, and if the magnitude of the analog signal is less than or equal to the saturation threshold, the saturation determination signal having a logic low level is determined. When the magnitude of the first analog signal is greater than the saturation threshold, the saturation determination signal having a logic high level may be provided to the controller.
일 실시예에 의하면, 상기 첫번째 아날로그 신호의 크기가 상기 포화 임계값보다 큰 경우, 상기 제어부로부터 논리 하이 레벨의 제 1 이득 제어 신호를 수신하여 제 1 이득 조절 트랜지스터가 턴온됨에 따라, 제 1 캐패시터가 상기 플로팅 확산 영역과 병렬로 연결되어 상기 드라이브 트랜지스터를 통해 출력되는 두번째 아날로그 신호의 크기를 작게 함으로써, 상기 두번째 아날로그 신호의 포화를 방지할 수 있다.According to an embodiment, when the magnitude of the first analog signal is greater than the saturation threshold, the first capacitor is turned on by receiving a logic high level first gain control signal from the controller and turning on the first gain control transistor. It is possible to prevent the saturation of the second analog signal by reducing the size of the second analog signal connected in parallel with the floating diffusion region and output through the drive transistor.
일 실시예에 의하면, 상기 아날로그 디지털 변환부에서 상기 두번째 아날로그 신호의 크기와 포화 임계값을 비교하여, 상기 두번째 아날로그 신호의 크기가 상기 포화 임계값보다 큰 경우 순차적으로 제 2 내지 제 N(단, N은 2이상의 정수) 이득 조절 트랜지스터가 턴온됨에 따라, 제 2 내지 제 N 캐패시터가 상기 플로팅 확산 영역과 병렬로 연결되어 상기 드라이브 트랜지스터를 통해 출력되는 세번째 내지 N번째 아날로그 신호의 크기를 작게 함으로써, 상기 세번째 내지 N번째 아날로그 신호의 포화를 방지할 수 있다.According to an embodiment, in the analog-to-digital converter, the magnitude of the second analog signal is compared with the saturation threshold value, and when the magnitude of the second analog signal is larger than the saturation threshold value, the second to Nth steps are sequentially performed. N is an integer greater than or equal to 2) As the gain control transistor is turned on, the second to Nth capacitors are connected in parallel with the floating diffusion region to reduce the size of the third to Nth analog signals output through the drive transistor, Saturation of the third to Nth analog signals can be prevented.
일 실시예에 의하면, 상기 수광부는 포토다이오드 및 포토게이트일 수 있다.In example embodiments, the light receiving unit may be a photodiode and a photogate.
일 실시예에 의하면, 상기 필터는 광학 대역 통과 필터일 수 있다.According to an embodiment, the filter may be an optical band pass filter.
일 실시예에 의하면, 상기 렌즈 모듈은 상기 수신광을 투과광과 반사광으로 분리시키는 동축 구조의 빔 분할기, 및 상기 빔 분할기로부터 상기 반사광을 흡수하여 상기 반사광의 크기에 상응하는 전하를 생성시키는 수광부를 더 포함할 수 있고, 상기 생성된 전하로부터 측정된 아날로그 신호로부터 상기 수신광의 세기가 측정되어 상기 비행 거리가 측정될 수 있다.In an embodiment, the lens module may further include a beam splitter having a coaxial structure that separates the received light into transmitted light and reflected light, and a light receiving unit that absorbs the reflected light from the beam splitter to generate a charge corresponding to the magnitude of the reflected light. It may include, and the intensity of the received light from the analog signal measured from the generated charge may be measured the flight distance.
본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서는 변환 이득을 조절하여 화소 회로의 출력 전압이 포화되는 것을 방지할 수 있어 피사체에 대한 정확한 거리 측정이 가능하다. 다만, 본 발명의 효과는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.The three-dimensional image sensor according to the embodiments of the present invention can prevent the output voltage of the pixel circuit from being saturated by adjusting the conversion gain, thereby making it possible to accurately measure the distance to the subject. However, the effects of the present invention are not limited thereto, and various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 3차원 이미지 센서에서 피사체의 거리가 계산되는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 3차원 이미지 센서에 포함되는 화소 회로의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 1의 3차원 이미지 센서에서 변환 이득이 조절되는 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 구비하는 컴퓨팅 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a 3D image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example in which a distance of a subject is calculated in the 3D image sensor of FIG. 1.
3 is a circuit diagram illustrating an example of a pixel circuit included in the 3D image sensor of FIG. 1.
FIG. 4 is a flowchart illustrating an example in which a conversion gain is adjusted in the 3D image sensor of FIG. 1.
5 is a block diagram illustrating a 3D image sensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
6 is a block diagram illustrating an example of a computing system including a 3D image sensor according to example embodiments.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 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. As the inventive concept allows for various changes and numerous modifications, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
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 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. The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed as meaning consistent with meaning in the context of the relevant art and are not to be construed as ideal or overly formal in meaning unless expressly defined in the present application .
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일하거나 유사한 참조 부호를 사용한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same or similar reference numerals are used for the same components in the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a 3D image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 3차원 이미지 센서(10)는 감지부(100), 제어부(200), 광원 모듈(300) 및 렌즈 모듈(400)을 포함할 수 있다. 감지부(100)는 픽셀 어레이(110), 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Converion; ADC)부(120), 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor; ISP) (130)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the
픽셀 어레이(110)는 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 화소 회로들을 포함할 수 있다. 복수의 화소 회로들 각각은 수신광(RX)을 탐지하여 수신광(RX)의 세기에 상응하는 크기의 아날로그 신호, 즉 출력 전압(Vo)을 생성할 수 있다. 각각의 화소 회로는 변환 이득을 조절하여 상기 출력 전압(Vo)의 포화를 방지하기 위해 다수의 트랜지스터와 캐패시터를 포함할 수 있다. 상기 화소 회로(140)에 대해서는 도 3을 참조하여 보다 자세하게 후술하기로 한다.The
ADC부(120)는 픽셀 어레이(110)에 포함되는 복수의 화소 회로들로부터 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 또한, 복수의 화소 회로들로부터 제공되는 아날로그 신호의 크기 즉, 출력 전압(Vo)을 포화 임계값과 비교하여 포화 판단 신호(SAT)를 생성하여 제어부(200)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 아날로그 신호가 상기 포화 임계값보다 큰 경우 논리 하이 레벨의 포화 판단 신호(SAT)를 제공하고, 아날로그 신호가 상기 포화 임계값보다 작거나 같은 경우 화소 회로에 포함되는 플로팅 확산 영역이 포화되지 않은 것으로 판단하여 논리 로우 레벨의 포화 판단 신호(SAT)를 제어부(200)에 제공할 수 있다. The
3차원 이미지 센서(10)는 ADC부(120)로부터 제공되는 디지털 신호를 이용하여 3차원 이미지 센서(10)에 의해 피사체(50)까지의 거리 정보를 나타내는 깊이 지도(depth map)를 생성하는 이미지 신호 프로세서(130)를 더 포함할 수 있다. The
제어부(200)는 픽셀 어레이(110)에 포함되는 복수의 화소 회로들에 전달 제어 신호(TS), 리셋 제어 신호(RS), 선택 제어 신호(SEL) 및 변환 이득 제어 신호(CS)를 제공하여 픽셀 어레이(110)의 동작을 제어할 수 있다.The
제어부(200)에 포함된 계산부(210)는 ADC부(120)로부터 제공되는 디지털 신호에 기초하여 3차원 이미지 센서(10)로부터 피사체(50)까지의 거리, 피사체(50)의 수평위치, 피사체(50)의 수직위치 및/또는 피사체(50)의 면적 등을 계산할 수 있다. The
광원 모듈(300)은 광원(310) 및 렌즈(320)를 포함할 수 있다. 광원(310)은 제어부(200)에 의해 세기가 주기적으로 변하는 광(TX)을 출력할 수 있다. 광원(310)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등으로 구현될 수 있다. 렌즈(320)는 광원에서 출력되는 광(TX)이 피사체(50)에 집광 되도록 할 수 있다. The
렌즈 모듈(400)은 필터(410)와 렌즈(420)를 포함할 수 있다. 필터(410)는 광학 대역 통과 필터(optical bandpass filter)로서 특정 파장의 광을 통과시킬 수 있다. 예를 들어 적외선만 통과시키고 적외선 이외의 파장을 가진 광을 차단시킬 수 있는 광학 대역통과 필터일 수 있다. 렌즈(420)는 집광 기능을 수행할 수 있다. The
이와 같이, 3차원 이미지 센서(10)는 픽셀 어레이(110)에 포함되는 각각의 화소 회로에서 생성되는 아날로그 신호를 ADC부(120)에서 포화 여부를 판단하여, 제어부(200)로 포화 판단 신호를 전달하고, 포화 판단 신호(SAT)에 기초하여 각각의 화소 회로에 제어 신호를 보내는 피드백 경로(feedback path)에 기초하여 출력 전압(Vo)의 포화를 방지함으로써 정확한 거리 측정이 가능하다.As such, the
도 2는 도 1의 3차원 이미지 센서에서 피사체의 거리가 계산되는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an example in which a distance of a subject is calculated in the 3D image sensor of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면 광원 모듈(300)에서 방출된 송신광(TX)은 피사체(50)에서 반사되어 수신광(RX)으로서 렌즈 모듈(400)에 입력될 수 있다. 렌즈 모듈(400)에서 필터링되고 집광된 수신광(RX)은 픽셀 어레이(110)에 입사될 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 수신광(RX)을 주기적으로 샘플링(sampling)할 수 있다. 실시예에 따라, 픽셀 어레이(110)는 수신광(RX)의 각 주기(즉, 송신광(TX)의 주기)마다 180도의 위상차를 갖는 두 개의 샘플링 포인트들, 각각 90도의 위상차를 갖는 네 개의 샘플링 포인트들, 또는 그 이상의 샘플링 포인트들에서 수신광(RX)을 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(110)는 매 주기마다 송신광(TX)의 90도, 180도, 270도 및 360도의 위상들에서 수신광(RX)의 샘플들(A0, A1, A2, A3)을 추출할 수 있다. 수신광(RX)은 송신광(TX)에 대하여 3차원 이미지 센서(10)로부터 피사체(50)까지의 거리의 두 배에 상응하는 위상차(Φ)는 [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다.1 and 2, the transmission light TX emitted from the
[수학식 1][Equation 1]
(여기서, A0, A1, A2, A3은 각각 송신광(TX)의 90도, 180도, 270도, 360도의 위상에서 샘플링된 수신광의 세기를 나타냄)(Where A0, A1, A2, and A3 represent the intensity of received light sampled at phases of 90, 180, 270, and 360 degrees of TX, respectively).
송신광(TX)에 대한 수신광(RX)의 위상차(Φ)는 광의 비행 시간(Time Of Flight; TOF)에 상응한다. 3차원 이미지 센서(10)로부터 피사체(50)까지의 거리는 수학식 "R= c * TOF / 2" (여기서, R은 피사체(50)의 거리를 나타내고, c는 빛의 속도를 나타냄)을 이용하여 계산될 수 있다. 또한, 3차원 이미지 센서(10)로부터 피사체(50)까지의 거리는 수신광(RX)의 위상차(Φ)를 이용하여 [수학식 2]와 같이 계산될 수 있다.The phase difference Φ of the reception light RX with respect to the transmission light TX corresponds to the time of flight (TOF) of the light. The distance from the three-
[수학식 2]&Quot; (2) "
(여기서, f는 변조 주파수 즉, 수신광(RX)의 주파수를 나타냄)(Where f represents the modulation frequency, i.e., the frequency of the received light RX)
따라서, 송신광(RX)의 세기를 샘플링할 수 있다면 3차원 이미지 센서(10)로부터 피사체(50)까지의 거리를 구할 수 있다. 송신광(RX)의 세기는 송신광(RX)의 세기에 상응하는 전하를 생성 및 축적하고, 축적된 전하로부터 포화되지 않은 아날로그 신호, 즉 출력 전압(Vo)을 구함으로써 측정할 수 있다. Therefore, if the intensity of the transmission light RX can be sampled, the distance from the
이하, 송신광(RX)의 세기에 상응하여 전하를 생성 및 축적하고, 축적된 전하로부터 출력되는 아날로그 신호, 즉 출력 전압(Vo)이 포화되지 않도록 하기 위해 변환 이득을 조절할 수 있는 화소 회로에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a pixel circuit capable of generating and accumulating charges corresponding to the intensity of the transmission light RX, and adjusting the conversion gain so as not to saturate the analog signal output from the accumulated charge, that is, the output voltage Vo, will be described. Let's explain.
도 3은 도 1의 3차원 이미지 센서에 포함되는 화소 회로의 일 예를 나타내는 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating an example of a pixel circuit included in the 3D image sensor of FIG. 1.
도 1 및 도 3을 참조하면, 화소 회로(140)는 수광부(141), 신호 생성부(147) 및 변환 이득 조절부(146)를 포함할 수 있다.1 and 3, the
수광부(141)는 수신광(RX)을 흡수하고, 흡수된 수신광(RX)의 세기에 상응하는 전하를 생성하여 축적할 수 있다. 일 실시예에서, 수광부(141)는 포토게이트(photogate)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 수광부(141)는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다.The
신호 생성부(147)는 수광부(141) 및 전원 전압(VDD) 사이에 연결될 수 있다. 신호 생성부(147)는 전송 트랜지스터(142), 리셋 트랜지스터(143), 드라이브 트랜지스터(144) 및 선택 트랜지스터(145)를 포함할 수 있다. 전송 트랜지스터(142)는 수광부(141)와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 연결되고, 제어부(200)로부터 수신되는 전달 제어 신호(TS)에 기초하여 수광부(141)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송할 수 있다. 리셋 트랜지스터(143)는 전원 전압(VDD)와 플로팅 확산 영역(FD)사이에 연결되고, 리셋 제어 신호(RS)에 응답하여 다음 신호의 검출을 위해 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋시킬 수 있다. 다시 말하면, 리셋 트랜지스터(143)가 턴온되어 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 전하를 전원 전압(VDD)으로 배출함으로써 플로팅 확산영역(FD)을 리셋할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(144)는 플로팅 확산 영역(FD)과 전원 전압(VDD)사이에 연결되고, 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하를 증폭하여 출력시키는 소스 팔로우(source follower) 기능을 수행할 수 있다. 선택 트랜지스터(145)는 선택 제어 신호(SEL)에 기초하여 픽셀 에레이(110)의 어드레싱 순서에 맞춰 출력시키는 역할을 수행할 수 있다. The
변환 이득 조절부(146)는 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되어 제어부(200)로부터 수신되는 이득 제어 신호(CS)에 기초하여 스위치 기능을 수행할 수 있는 변환 이득 조절 트랜지스터(CG1, ..., CGN) 및 변환 이득 조절 트랜지스터(CG1, ..., CGN)와 직렬로 연결된 캐패시터(C1. ..., CN)를 포함할 수 있다. 변환 이득 조절 트랜지스터(CG1, ..., CGN) 및 캐패시터(C1, ..., CN)는 각각 쌍을 이루어 순차적으로 플로팅 확산 영역(FD)과 병렬 연결될 수 있다. The conversion
변환 이득(conversion gain)은 상기 수광부(141)에 수신된 광 전하에 대한 플로팅 확산 영역의 전압의 크기 비율을 의미한다. 상기 플로팅 확산 영역(FD)은 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)를 가지고 있기 때문에, 기생 캐패시턴스의 크기에 따라 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전압의 크기가 달라질 수 있다. 그에 따라, 소스 팔로우 된 출력 전압(Vo)의 크기도 달라질 수 있다. 이에, 상기 변환 이득 조절 트랜지스터(CG1, ..., CGN)가 턴온되는 경우, 플로팅 확산 영역(FD)의 기생 캐패시터와 캐패시터(C1, ..., CN)가 병렬로 연결되어, 플로팅 확산 영역(FD)에서, 등가 캐패시턴스가 커지게 되므로, 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전압은 작아지고, 그에 상응하여 소스 팔로우 되는 출력 전압(Vo)의 크기도 작아질 수 있다. 따라서, 추가적으로 변환 이득 조절 트랜지스터(CG1, ..., CGN)가 턴온되어 병렬적으로 캐패시터(C1, ..., CN)가 연결됨에 따라 등가 커패시턴스는 커지고, 소스 팔로우 되는 출력 전압(Vo)의 크기는 작아질 수 있다. 예를 들어, 플로팅 확산 영역(FD)의 기생 캐패시턴스를 Cp라고 하면, 변환 이득 조절부(146)에서 이득 조절 신호(CS1)의 레벨이 논리 하이 레벨이 되어 변환 이득 조절 트랜지스터(CG1)가 턴온되면, 플로팅 확산 영역(FD)에서 등가 커패시턴스는 (Cp + C1)이 될 수 있다. 그 결과, 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전압의 크기는 전 프레임의 전압에 Cp/(Cp+C1)을 곱한 비율로 줄어들 수 있다. 추가적으로 CS2의 레벨이 논리 하이 레벨이 되는 경우, 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전압 크기는 Cp/(Cp+C1+C2) 비율로 줄어들 수 있다. 즉, 변환 이득 조절 신호(CS)에 의해 추가적으로 캐패시터(C1, ..., CN)가 연결될수록 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전압 크기가 줄어들게 되어, 드라이브 트랜지스터(144)으로부터 출력되는 출력 전압(Vo)의 크기를 작게 할 수 있다. 이에 따라, 포화(saturation) 전압의 임계값보다 작게 만들 수 있어 포화를 방지할 수 있고, 정확한 거리 측정이 가능할 수 있다. 일 실시예에서, 포화의 임계값보다 출력 전압(Vo)이 작거나 같다면, 변환 이득 조절부(146)에서 변환 이득 조절 신호(CS1, ..., CSN)가 턴오프되어, 변환 이득 조절 트랜지스터(CG1, ..., CGN)가 오프되고, 이에 캐패시터들(C1 . . . . . CN)이 플로팅 확산 영역(FD)과 연결되지 않을 수 있다. 따라서, 추가적으로 연결되는 캐패시터(C1, ..., CN)에 의해 변환 이득이 조절될 수 있다.Conversion gain refers to the ratio of the voltage of the floating diffusion region to the optical charge received by the
ADC부(120)는 소스 팔로우 되는 출력 전압(Vo)의 크기를 임계값과 비교하여 포화 판단 신호(SAT)를 생성하여 제어부(200)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 출력 전압(Vo)이 상기 임계값보다 큰 경우, ADC부(120)는 논리 하이 레벨의 포화 판단 신호(SAT)를 제어부(200)에 제공할 수 있고, 제어부(200)로부터 제공되는 논리 하이 레벨의 변환 이득 조절 신호(CS1)에 기초하여 이득 조절 트랜지스터(CG1)가 턴온 되는 경우, 추가적으로 캐패시터가 연결되어 플루팅 확산 영역(FD)의 등가 커패시턴스가 커지고, 그에 따라 소스 팔로우 되는 출력 전압의 크기가 작아지게 되어, 플로팅 확산 영역(FD)의 포화를 방지할 수 있다. 반면에, 출력 전압(Vo)이 상기 임계값보다 작거나 같은 경우, 화소 회로(140)에 포함되는 플로팅 확산 영역(FD)이 포화되지 않은 것으로 판단하여 논리 로우 레벨의 포화 판단 신호(SAT)를 제어부(200)에 제공할 수 있어, 추가적으로 캐패시터들(C1, ..., CN)이 연결되지 않을 수 있다. 즉, 변환 이득이 조절되어, 출력 전압의 포화를 방지할 수 있고, 수신광의 세기를 구할 수 있게 되어 정확한 거리 측정이 가능한 것이다. 다시 말하면, 플로팅 확산 영역(FD)에서 전압값과 플로팅 확산 영역(FD)에서의 등가 캐패시턴스를 곱하여 플로팅 확산 영역(FD)에서 축적된 전하량을 알 수 있으며, 축적된 전하량은 수광부(141)에 흡수되는 수신광(RX)의 세기에 상응하므로, 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전하량으로부터 수신광(RX)의 세기를 구할 수 있다. 수신광(RX)의 세기를 알 수 있다면, 상술한 바와 같이 3차원 이미지 센서(10)로부터 피사체(50)까지의 거리를 구할 수 있다.The
도 4는 도 1의 3차원 이미지 센서에서 변환 이득이 조절되는 일 예를 나타내는 순서도이다. FIG. 4 is a flowchart illustrating an example in which a conversion gain is adjusted in the 3D image sensor of FIG. 1.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 모든 변환 이득 조절 트랜지스터(CG1, ..., CGN)가 턴오프 상태에서, 3차원 이미지 센서(10)의 광원 모듈(300)에서 피사체(50)에 송신광(TX)을 조사(Step S310)할 수 있다. 이후, 피사체(50)에 반사된 수신광(RX)이 필터(410)에 의해 필터링되고 렌즈(420)에 의해 집광(Step S320)될 수 있다. 집광된 수신광(RX)은 수광부(141)에서 흡수되어 수신광(RX)의 세기에 상응하는 전하를 생성 및 축적(Step S330)할 수 있다. 축적된 전하는 전송 트랜지스터(142)에 의해 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송 및 축적되며, 드라이브 트랜지스터(144)에 의해 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전압이 증폭되어 출력(Step S340)될 수 있다. ADC부(120)에서 상기 증폭 및 출력된 전압(Vo)과 포화의 임계값을 비교(Step S350)할 수 있다. 이 때, 출력 전압(Vo)이 포화의 임계값보다 작거나 같은 경우에는 출력 전압(Vo)을 디지털 변환하여 디지털 신호를 생성(Step S370)할 수 있다. 반면에, 출력 전압(Vo)이 포화의 임계값보다 큰 경우에는 ADC부(120)로부터 제어부(200)에 포화 판단 신호(SAT)를 전달하여 제어부(200)부터 변환 이득 조절 신호(CS1, ..., CSN)의 레벨이 논리 하이 레벨이 되어, 그에 상응하는 변환 이득 조절 트랜지스터(CG1, ..., CGN)가 턴온(Step S360)되어, 상술한 바와 같이, 포화의 임계값보다 작은 출력 전압(Vo)을 생성하여 포화를 방지할 수 있다. 이와 같이, 3차원 이미지 센서(10)는 ADC부(120)로부터 제어부(200)로의 피드백 과정을 통하여 포화를 방지함으로써 정확한 거리 측정을 할 수 있다.1 to 3, when all of the conversion gain adjusting transistors CG1,..., CGN are turned off, the
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다. 5 is a block diagram illustrating a 3D image sensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 도 1과 비교하여, 렌즈 모듈(800)은 추가적으로 동축(coaxial) 구조의 빔 분할기(beam splitter)(830), 및 빔 분할기(830)로부터 90도로 반사되는 반사광(FX)을 흡수하여, 흡수된 반사광(FX)의 세기에 상응하는 전하를 생성 및 축적할 수 있는 수광부(840)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 수광부(840)는 포토게이트(photogate)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 수광부(840)는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5, in comparison with FIG. 1, the
광원 모듈(700)은 광원(710) 및 렌즈(720)를 포함할 수 있다. 광원(710)은 제어부(500)에 의해 제어되어 세기가 주기적으로 변하는 광(TX)을 출력할 수 있다. 광원(710)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등으로 구현될 수 있다. 렌즈(720)는 광원에서 출력되는 광(TX)이 피사체에 집광되도록 할 수 있다. The
렌즈 모듈(800)은 필터(810)와 렌즈(820)를 포함할 수 있다. 필터(810)는 적외선 필터로서 적외선 이외의 파장을 가진 광을 필터링할 수 있는 광학 대역통과 필터(optical bandpass filter)일 수 있다. 렌즈(820)는 집광기능을 수행할 수 있다. 렌즈(820)로부터 집광된 광은 빔 분할기(830)를 통과할 때, 직진하여 투과하는 투과광(PX)과 90도로 반사되는 반사광(FX)으로 분리될 수 있다. 투과광(PX)은 픽셀 어레이(610)로 흡수된다. 반사광(RX)은 렌즈 모듈(800)에 포함된 수광부(840)를 통해 흡수되며, 흡수된 반사광의 세기에 상응하는 전하를 생성하여 축적할 수 있다.The
일 실시예에서, 빔 분할기(830)로부터 반사된 반사광(FX)의 비율은 4% 미만일 수 있다. 예를 들어, 빔 분할기(830)에 의해 2%가 수광부(840)에 흡수되는 경우 투과광(PX)은 98%이므로, 수광부(840)에서 반사광(FX)기에 상응하여 생성되는 전하는 픽셀 어레이(610)에 흡수되어 축적되는 전하보다 양적으로 매우 적을 것이다. 따라서, 상기 빔 분할기(830)로부터 반사되어 수광부(840)에 흡수된 전하로부터 출력된 아날로그 신호와 포화의 임계값을 비교하는 경우 포화가 될 가능성이 줄어들 수 있다. 다시 말하면, 빔 분할기(830)를 추가하여 수신광(RX)의 세기가 매우 강한 경우에도 수신광(RX)의 세기를 측정할 수 있다. In one embodiment, the proportion of reflected light FX reflected from
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 구비하는 컴퓨팅 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.6 is a block diagram illustrating an example of a computing system including a 3D image sensor according to example embodiments.
도 6을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 프로세서(1010), 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030), 입출력 장치(1040), 파워 서플라이(1050) 및 3차원 이미지 센서(1060)를 포함할 수 있다. 한편, 도 6에 도시되지는 않았지만, 컴퓨팅 시스템(1000)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6, the
프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 마이크로프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(1010)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030) 및 입출력 장치(1040)와 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에 연결될 수도 있다. 메모리 장치(1020)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1020)는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), 모바일 DRAM 등과 같은 휘발성 메모리로 구현되거나, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리(Flash Memory), PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistance Random Access Memory), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistance Random Access Memory), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) 등과 같은 비휘발성 메모리로 구현될 수 있다. 저장 장치(1030)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive), 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(1040)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1050)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
3차원 이미지 센서(1060)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(1010)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 3차원 이미지 센서(1060)는 거리 정보 및 컬러 영상 정보를 제공할 수 있다. 3차원 이미지 센서(1060)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1060)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다. The
한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 3차원 이미지 센서를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(1000)은 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 개인 정보 단말기(personal digital assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(portable multimedia player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC), 서버 컴퓨터(Server Computer), 워크스테이션(Workstation), 노트북(Laptop), 디지털 TV(Digital Television), 셋-탑 박스(Set-Top Box), 음악 재생기(Music Player), 휴대용 게임 콘솔(Portable Game Console), 네비게이션(Navigation) 시스템 등을 포함할 수 있다. Meanwhile, the
본 발명은 이미지 센서 및 이를 포함하는 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 휴대폰, 스마트 폰, 개인 정보 단말기, 휴대형 멀티미디어 플레이어, 디지털 카메라, 컴퓨터, 노트북, 음악 재생기, 휴대용 게임 콘솔, 네비게이션 시스템, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템, 얼굴 인식 보안 시스템 등에 유용하게 이용될 수 있다. The present invention can be applied to an image sensor and a system including the same. For example, the present invention provides a mobile phone, a smart phone, a personal digital assistant, a portable multimedia player, a digital camera, a computer, a laptop, a music player, a portable game console, a navigation system, a video phone, a surveillance system, an auto focus system, a tracking system, It may be usefully used for a motion detection system, an image stabilization system, a face recognition security system, and the like.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. You will understand.
10, 20 : 3차원 이미지 센서 50, 51 : 피사체
100, 600 : 감지부 110, 610 : 픽셀 어레이
120, 620 : ADC부 130, 630 : ISP부
200, 500 : 제어부 210, 510 : 계산부
300, 700 : 광원 모듈 310, 710 : 광원
320, 720 : 렌즈 400, 800 : 렌즈 모듈
410, 810 : 필터 420, 820 : 렌즈
830 : 빔 분할기10, 20:
100, 600:
120, 620:
200, 500:
300, 700:
320, 720:
410, 810:
830: beam splitter
Claims (10)
상기 피사체에서 반사된 수신광을 필터링시키는 필터와 집광시키는 렌즈를 포함하는 렌즈 모듈;
상기 수신광의 세기에 상응하는 전하를 생성 및 축적시키고, 상기 축적된 전하에 대해 변환 이득을 조절하여 아날로그 신호로 출력시키는 화소 회로;
상기 아날로그 신호의 포화 여부를 판단하여 포화 판단 신호를 제어부에 제공하고, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그 디지털 변환부; 및
상기 아날로그 디지털 변환부로부터 상기 포화 판단 신호를 수신하여 상기 화소 회로에 변환 이득 조절 신호를 제공하고, 상기 화소 회로 및 상기 광원 모듈에 제어 신호를 보내는 제어부를 포함하는 3차원 이미지 센서.A light source module irradiating transmission light to a subject;
A lens module including a filter for filtering the received light reflected from the subject and a lens for condensing the light;
A pixel circuit which generates and accumulates charges corresponding to the intensity of the received light, and outputs an analog signal by adjusting a conversion gain with respect to the accumulated charges;
An analog-digital converter for determining whether the analog signal is saturated and providing a saturation determination signal to a controller, and converting the analog signal into a digital signal; And
And a controller which receives the saturation determination signal from the analog-digital converter, provides a conversion gain control signal to the pixel circuit, and sends a control signal to the pixel circuit and the light source module.
상기 수신광의 세기를 측정하여 비행 거리를 계산하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서.The apparatus of claim 1, wherein the control unit
And a calculator configured to calculate a flight distance by measuring the intensity of the received light.
상기 수신광을 흡수하여 상기 수신광의 세기에 상응하는 전하를 생성 및 축적시키는 수광부;
상기 수광부에서 축적된 전하를 플로팅 확산 영역으로 전송시키는 전송 트랜지스터;
상기 전송 트랜지스터를 통해 전송된 전하를 축적시키는 플로팅 확산 영역;
다음 신호 검출을 위해 상기 플로팅 확산 영역을 리셋시키는 리셋 트랜지스터;
상기 플로팅 확산 영역에 축적된 전하를 상기 아날로그 신호로 출력 및 증폭시키는 드라이브 트랜지스터;
선택 제어 신호에 기초하여 상기 화소 회로를 포함하는 픽셀 어레이의 어드레싱 순서에 따라 상기 아날로그 신호를 출력시키는 선택 트랜지스터; 및
상기 플로팅 확산 영역과 병렬로 연결되고, 상기 제어부로부터 수신된 상기 변환 이득 조절 신호에 기초하여 상기 변환 이득을 조절함으로써, 비행 거리 측정을 위한 상기 아날로그 신호의 포화를 방지하는 변환 이득 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서.3. The pixel circuit of claim 2, wherein the pixel circuit is
A light receiving unit which absorbs the received light to generate and accumulate a charge corresponding to the intensity of the received light;
A transfer transistor configured to transfer charges accumulated in the light receiving unit to a floating diffusion region;
A floating diffusion region that accumulates charges transferred through the transfer transistor;
A reset transistor for resetting the floating diffusion region for next signal detection;
A drive transistor for outputting and amplifying the charge accumulated in the floating diffusion region as the analog signal;
A selection transistor configured to output the analog signal according to an addressing order of a pixel array including the pixel circuit based on a selection control signal; And
And a conversion gain control unit connected in parallel with the floating diffusion region and adjusting the conversion gain based on the conversion gain adjustment signal received from the control unit, thereby preventing saturation of the analog signal for flight distance measurement. Three-dimensional image sensor characterized by.
상기 변환 이득 조절 신호에 기초하여 동작하는 변환 이득 조절 트랜지스터; 및
상기 변환 이득 조절 트랜지스터와 직렬로 연결되고, 상기 변환 이득 조절 트랜지스터가 턴온되면 상기 플루팅 확산 영역의 기생 캐패시터와 병렬 연결되어 상기 플루팅 확산 영역의 전압을 조절하여 상기 변환 이득을 조절하는 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서. The method of claim 3, wherein the conversion gain control unit
A conversion gain adjustment transistor operating based on the conversion gain adjustment signal; And
A capacitor connected in series with the conversion gain control transistor and connected to the parasitic capacitor of the fluting diffusion region when the conversion gain control transistor is turned on to adjust the voltage of the fluting diffusion region to adjust the conversion gain. Three-dimensional image sensor, characterized in that.
상기 렌즈 모듈은 상기 수신광을 투과광과 반사광으로 분리시키는 동축 구조의 빔 분할기, 및 상기 빔 분할기로부터 상기 반사광을 흡수하여 상기 반사광의 크기에 상응하는 전하를 생성시키는 수광부를 더 포함하고,
상기 생성된 전하로부터 측정된 아날로그 신호로부터 상기 수신광의 세기가 측정되어 상기 비행 거리가 측정되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서. The method of claim 3, wherein
The lens module further includes a beam splitter having a coaxial structure that separates the received light into transmitted light and reflected light, and a light receiving unit that absorbs the reflected light from the beam splitter to generate a charge corresponding to the size of the reflected light,
And the flight distance is measured by measuring the intensity of the received light from the analog signal measured from the generated charge.
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2012
- 2012-05-31 KR KR1020120058470A patent/KR20130134739A/en not_active Application Discontinuation
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