KR20200013792A - 디지털 픽셀 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
디지털 이미징을 위한 기술들이 본 명세서에 개시된다. 디지털 픽셀 이미지 센서는 복수의 픽셀들의 각각의 픽셀에 디지타이저(digitizer)를 포함하고, 여기서 디지타이저는 비교기, 글로벌 기준 램프 신호, 및 클록 카운터를 이용하여 픽셀의 포토다이오드(photodiode)로부터의 아날로그 출력 신호들을 디지털화한다. 일부 실시예들에서, 비교기는 각각의 픽셀의 전력 소비를 감소시키기 위해 일정한 바이어싱 회로보다는 사전 충전 회로(pre-charging circuit)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 각각의 픽셀은 잡음을 감소시키고 더 높은 동적 범위를 제공하기 위해 디지털 또는 아날로그 상관 이중 샘플링(CDS) 회로를 포함한다.
Description
본 발명은 디지털 픽셀 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서들은 많은 상이한 애플리케이션들에서 사용된다. 예를 들면, 이미지 센서들은 디지털 이미지들을 캡쳐하기 위해 디지털 이미징 디바이스들(예로서, 디지털 카메라들, 스마트 폰들, 등)에서 발견될 수 있다. 또 다른 예로서, 가상 현실(VR) 시스템들, 증강 현실(AR) 시스템들, 및 혼합 현실(MR) 시스템들과 같은 인공 현실 시스템들에서, 이미지 센서들은 사용자가 위치되는 물리적 환경의 이미지들을 캡쳐하기 위해 사용될 수 있고, 캡쳐된 이미지들은 그 다음, 인공 현실 시스템의 디스플레이 콘텐트를 제어하거나 그것에 영향을 주는 것과 같은, 인공 현실 시스템의 동작을 제어하거나 그것에 영향을 주기 위해 사용될 수 있다. 인공 현실 시스템들을 포함하는, 이들 많은 애플리케이션들을 위해 고속, 고감도, 고 동적 범위, 저잡음, 고밀도, 고분해능, 및 저전력 소비를 갖는 이미지 센서가 요구될 수 있다.
본 발명은 일반적으로, 디지털 픽셀 이미지 센서들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 명세서에 개시된 기술들은 각각의 픽셀에서 디지타이저(digitizer)(예로서, ADC)를 포함하는 디지털 픽셀 이미지 센서들에 관한 것이며, 여기서 디지타이저는 비교기, 기준 램프 신호, 및 카운터를 사용하여 픽셀의 포토다이오드(photodiode)로부터의 아날로그 출력들을 디지털화한다. 일부 실시예들에서, 각각의 픽셀은 잡음을 감소시키고 더 높은 동적 범위를 제공하기 위해 디지털 또는 아날로그 상관 이중 샘플링(CDS) 회로를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비교기는 각각의 디지털 픽셀의 전력 소비를 감소시키기 위해, 일정한 바이어싱 회로보다는 사전 충전 회로(pre-charging circuit)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 디지털 픽셀 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 각각의 픽셀은 광 신호에 응답하여 전하들을 생성하도록 구성된 포토다이오드, 및 포토다이오드에 의해 생성된 전하들을 저장하도록 구성된 전하 저장 디바이스를 포함할 수 있고, 여기서 저장된 전하들은 전하 저장 디바이스에 전압 신호를 야기할 수 있다. 각각의 픽셀은 또한, 픽셀 메모리 및 디지타이저를 포함할 수 있다. 디지타이저는 램프 신호 및 전압 신호를 수신하도록 구성된 비교기를 포함할 수 있고, 여기서 램프 신호의 전압 레벨은 클록 신호의 각각의 사이클 후에 증가하거나 감소한다. 비교기는 또한, 램프 신호의 전압 레벨이 전압 신호의 전압 레벨에 도달한 후에 비교기의 출력 상태를 변경하도록 구성될 수 있다. 디지타이저는 또한, 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간에, 램프 신호가 시작되는 시간과 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간 사이에 클록 신호의 사이클들의 총 수에 대응하는 제 1 수를 수신하고, 제 1 수를 픽셀 메모리에 저장하도록 구성된 디지털 출력 생성 회로를 포함할 수 있고, 여기서 제 1 수는 전압 신호의 전압 레벨의 디지털화된 값에 대응한다.
특정 실시예들에서, 이미지 센서를 위한 디지털 픽셀은 광 신호에 응답하여 전하들을 생성하도록 구성된 포토다이오드, 및 포토다이오드에 의해 생성된 전하들을 저장하도록 구성된 전하 저장 디바이스를 포함할 수 있고, 여기서 저장된 전하들은 전하 저장 디바이스에 전압 신호를 야기할 수 있다. 각각의 픽셀은 또한, 픽셀 메모리 및 디지타이저를 포함할 수 있다. 디지타이저는 램프 신호 및 전압 신호를 수신하도록 구성된 비교기를 포함할 수 있고, 여기서 램프 신호의 전압 레벨은 클록 신호의 각각의 사이클 후에 증가하거나 감소한다. 비교기는 또한, 램프 신호의 전압 레벨이 전압 신호의 전압 레벨에 도달한 후에 비교기의 출력 상태를 변경하도록 구성될 수 있다. 디지타이저는 또한, 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간에, 램프 신호가 시작되는 시간과 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간 사이에 클록 신호의 사이클들의 총 수에 대응하는 제 1 수를 수신하고, 제 1 수를 픽셀 메모리에 저장하도록 구성된 디지털 출력 생성 회로를 포함할 수 있고, 여기서 제 1 수는 전압 신호의 전압 레벨의 디지털화된 값에 대응한다.
특정 실시예들에서, 디지털 이미징 방법이 개시된다. 방법은 노출 기간 동안 이미지 센서에서 픽셀의 포토다이오드에 의해 광 신호를 수신하는 단계, 및 픽셀에 의해 광 신호를 픽셀의 전하 저장 디바이스의 전압 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 클록 신호의 클록 사이클들의 수를 카운트하는 클록 카운터를 시작하는 단계, 및 전압 신호와 램프 신호를 픽셀의 비교기에 의해 비교하는 단계를 더 포함할 수 있고, 여기서 램프 신호의 전압 레벨은 클럭 사이클들의 수에 따라 선형적으로 증가하거나 감소한다. 방법은 또한, 램프 신호의 전압 레벨이 전압 신호의 전압 레벨에 도달할 때 비교기의 출력 상태를 변경하는 단계, 및 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간에 클록 사이클들의 수에 대응하는 제 1 수를 전압 신호에 대한 제 1 디지털 값으로서 픽셀의 픽셀 메모리에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
이 요약은 청구된 주제의 핵심 또는 필수적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 주제의 범위를 결정하기 위해 단독으로 사용되도록 의도되지도 않는다. 주제는 본 발명의 전체 명세서, 임의의 또는 모든 도면들, 및 각각의 청구항의 적절한 부분들에 대한 참조에 의해 이해되어야 한다. 다른 특징들 및 예들과 함께 상기 내용은 다음의 명세서, 청구항들, 및 첨부 도면들에서 더 상세하게 설명될 것이다.
예시적인 실시예들은 다음의 도면들을 참조하여 하기에 상세히 설명된다.
도 1a는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이(near-eye display)의 사시도.
도 1b는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이의 단면도.
도 2a는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이의 정면도.
도 2b는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이의 단면도.
도 3은 아날로그 픽셀들을 갖는 일 예시적인 이미지 센서의 단순화된 블록도.
도 4는 능동 픽셀 센서(APS)의 일 예시적인 3-트랜지스터 능동 픽셀을 도시한 도면.
도 5a는 제 1 시간에 롤링 셔터를 사용하는 이미지 센서에서 상이한 행들의 픽셀들의 예시적인 상태들을 도시한 도면.
도 5b는 제 2 시간에 롤링 셔터를 사용하는 이미지 센서에서 상이한 행들의 픽셀들의 예시적인 상태들을 도시한 도면.
도 6은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서의 단순화된 블록도.
도 7은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서의 일 예시적인 디지털 픽셀의 단순화된 블록도.
도 8은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서의 예시적인 디지털 픽셀들의 예시적인 동작들을 도시한 도면.
도 9는 특정 실시예들에 따른, 아날로그 상관 이중 샘플링(CDS) 회로를 포함하는 일 예시적인 디지털 픽셀의 단순화된 블록도.
도 10은 특정 실시예들에 따른, 디지털 CDS 회로를 포함하는 일 예시적인 디지털 픽셀의 단순화된 블록도.
도 11은 특정 실시예들에 따른, 디지털 CDS 회로를 포함하는 일 예시적인 디지털 픽셀을 도시한 도면.
도 12a는 특정 실시예들에 따른, 각각의 픽셀에 대한 디지털 CDS 회로를 갖는 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서에 대한 예시적인 시간 프레임들에서의 예시적인 타이밍 기간들을 도시한 도면.
도 12b는 특정 실시예들에 따른, 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서에서 디지털 CDS 회로를 갖는 디지털 픽셀의 동작들을 도시하는 타이밍도.
도 13은 DC 바이어스 회로를 포함하는 일 예시적인 비교기를 도시한 도면.
도 14는 특정 실시예들에 따른, 사전 충전 회로를 포함하는 일 예시적인 비교기를 도시한 도면.
도 15는 특정 실시예들에 따른, 도 14의 예시적인 비교기의 동작들을 도시하는 타이밍도.
도 16은 특정 실시예들에 따른, 디지털 이미징의 일 예시적인 방법을 도시하는 흐름도.
도 17은 본 명세서에 개시된 예들 중 일부를 구현할 수 있는 근안 디스플레이를 포함하는 일 예시적인 인공 현실 시스템 환경의 단순화된 블록도.
도 1b는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이의 단면도.
도 2a는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이의 정면도.
도 2b는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이의 단면도.
도 3은 아날로그 픽셀들을 갖는 일 예시적인 이미지 센서의 단순화된 블록도.
도 4는 능동 픽셀 센서(APS)의 일 예시적인 3-트랜지스터 능동 픽셀을 도시한 도면.
도 5a는 제 1 시간에 롤링 셔터를 사용하는 이미지 센서에서 상이한 행들의 픽셀들의 예시적인 상태들을 도시한 도면.
도 5b는 제 2 시간에 롤링 셔터를 사용하는 이미지 센서에서 상이한 행들의 픽셀들의 예시적인 상태들을 도시한 도면.
도 6은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서의 단순화된 블록도.
도 7은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서의 일 예시적인 디지털 픽셀의 단순화된 블록도.
도 8은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서의 예시적인 디지털 픽셀들의 예시적인 동작들을 도시한 도면.
도 9는 특정 실시예들에 따른, 아날로그 상관 이중 샘플링(CDS) 회로를 포함하는 일 예시적인 디지털 픽셀의 단순화된 블록도.
도 10은 특정 실시예들에 따른, 디지털 CDS 회로를 포함하는 일 예시적인 디지털 픽셀의 단순화된 블록도.
도 11은 특정 실시예들에 따른, 디지털 CDS 회로를 포함하는 일 예시적인 디지털 픽셀을 도시한 도면.
도 12a는 특정 실시예들에 따른, 각각의 픽셀에 대한 디지털 CDS 회로를 갖는 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서에 대한 예시적인 시간 프레임들에서의 예시적인 타이밍 기간들을 도시한 도면.
도 12b는 특정 실시예들에 따른, 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서에서 디지털 CDS 회로를 갖는 디지털 픽셀의 동작들을 도시하는 타이밍도.
도 13은 DC 바이어스 회로를 포함하는 일 예시적인 비교기를 도시한 도면.
도 14는 특정 실시예들에 따른, 사전 충전 회로를 포함하는 일 예시적인 비교기를 도시한 도면.
도 15는 특정 실시예들에 따른, 도 14의 예시적인 비교기의 동작들을 도시하는 타이밍도.
도 16은 특정 실시예들에 따른, 디지털 이미징의 일 예시적인 방법을 도시하는 흐름도.
도 17은 본 명세서에 개시된 예들 중 일부를 구현할 수 있는 근안 디스플레이를 포함하는 일 예시적인 인공 현실 시스템 환경의 단순화된 블록도.
본 명세서에 고속, 고분해능, 고 동적 범위, 고감도, 및 저전력 소비 이미지 센서들이 개시된다. 다양한 실시예들에서, 각각의 픽셀에 대한 디지타이저를 포함하는 디지털 픽셀 이미지 센서들은 원하는 성능을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 디지털 픽셀 이미지 센서에서 각각의 디지털 픽셀은 포토다이오드, 전송 게이트, 아날로그 저장 디바이스(예로서, 명시적 또는 기생 커패시터), 디지타이저(예로서, ADC), 및 디지털 메모리를 포함할 수 있다. 포토다이오드는 광 신호들을 전기 신호들로 변환할 수 있다. 전송 게이트는 전기 신호들(예로서, 축적된 전하들)을 포토다이오드로부터 아날로그 저장 디바이스로 전송하기 위해 사용될 수 있고, 디지타이저는 아날로그 저장 디바이스에서 전기 신호들을 디지털 비트들로 변환할 수 있다. 디지털 메모리는 디지털 비트들이 판독되기 전에 디지털 비트들을 저장할 수 있다. 하나의 예에서, 각각의 디지털 픽셀에서 디지타이저는 비교기를 포함할 수 있다. 비교기는 아날로그 저장 디바이스에서 전기 신호를 기준 램프 신호와 비교할 수 있다. 기준 램프 신호는 예를 들면, DAC에 의해 생성된 글로벌 신호일 수 있다. 클록 카운터(예로서, 글로벌 클록 카운터)는 각각의 이미지 프레임에서 연속적으로 클록 사이클들의 수를 카운트할 수 있다. 기준 램프 신호가 아날로그 저장 디바이스에서 전기 신호의 레벨에 도달할 때, 디지털 픽셀에서 비교기의 출력 상태가 변경될 수 있다(예로서, 플립, 토글, 또는 램프 업/다운). 디지털 픽셀에서 비교기의 출력이 상태들을 변경시키는 시간에서의 카운터 값은 그 다음, 비교기의 출력의 토글링(toggling)에 의해 디지털 픽셀을 위한 메모리에 래치(latch)될 수 있다.
일부 실시예들에서, 디지털 픽셀은 랜덤 잡음들(예로서, 1/f 잡음, 커패시터의 열 kT/C 잡음) 및 고정 패턴 잡음들(FPNs)(예로서, 픽셀들 사이의 비교기 임계 불일치에 의해 야기됨)을 감소시키기 위해 상관 이중 샘플링(CDS) 회로(예로서, 디지털 CDS 회로)를 포함할 수 있다. CDS 회로는 아날로그 저장 디바이스에서 재설정 레벨(예로서, m 비트들로) 및 포토다이오드로부터 전송된 아날로그 저장 디바이스에서 전기적 신호의 레벨(예로서, n 비트들로)을 디지털화할 수 있다. 2개의 디지털화된 값들은 (n+m) 비트 픽셀 메모리에 저장될 수 있다. 2개의 디지털화된 값들 사이의 차는 이미지 프레임에 대한 디지털 픽셀의 디지털 출력으로서 사용될 수 있다.
하나의 구현에서, 각각의 이미지 프레임에 대해, 포토다이오드는 먼저 광 신호에 노출되고 변환된 전기 신호를 통합하는 것을 시작할 수 있다. 노출(또는 통합) 기간의 종료 시에 또는 그 근처(예로서, 종료 전의 약 100㎲)에서, 아날로그 저장 디바이스는 재설정될 수 있다. 재설정 레벨은 디지타이저를 사용하여 디지털화될 수 있다. 노출 기간 후에, (통합된) 전기 신호는 포토다이오드로부터 아날로그 저장 디바이스로 전송될 수 있고, 디지타이저에 의해 디지털화될 수 있다. 따라서, 프레임 기간의 시간(예로서, 33ms)의 대부분(예로서, 약 95%, 99%, 또는 그 이상) 동안, 디지털 픽셀은 저전력 모드(예로서, 통합 모드)에서 작동할 수 있다.
일부 실시예들에서, 디지타이저의 비교기는 정적(DC) 전력 소비를 최소화할 수 있는 회로를 포함할 수 있다. 예를 들면, DC 바이어스 회로를 사용하여 비교기를 작동 조건으로 설정하는 대신에, 사전 충전 회로는 비교기의 내부 노드를 예를 들면, 디지털화 전의 저 레벨로 사전 충전하기 위해 사용될 수 있다. 사전 충전은 몇 마이크로초와 같은 짧은 시간 기간 동안 지속될 수 있다. 프레임 기간의 나머지 시간 동안, 비교기는 적은 정적 전력을 소비하거나 전혀 소비하지 않을 수 있다. 따라서, 비교기에 의한 총 전력 소비는 상당히 감소될 수 있다.
다음의 설명에서, 설명의 목적들을 위해, 본 발명의 예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 상세들이 제시된다. 그러나, 이들 특정 상세들 없이 다양한 예들이 실행될 수 있음이 명백할 것이다. 예를 들면, 디바이스들, 시스템들, 구조들, 어셈블리들, 방법들, 및 다른 구성요소들은 예들을 불필요하게 상세하게 모호하게 하지 않기 위해 블록도 형태로 구성요소들로서 도시될 수 있다. 다른 사례들에서, 잘 알려진 디바이스들, 프로세스들, 시스템들, 구조들, 및 기술들은 예들을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 필요한 상세 없이 도시될 수 있다. 도면들 및 설명은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 본 발명에서 채용된 용어들 및 표현들은 제한이 아닌 설명의 용어들로서 사용되며, 도시되고 설명된 특징들 또는 그들의 부분들의 임의의 등가물들을 배제하는 이러한 용어들 및 표현들의 사용의 어떠한 의도도 존재하지 않는다.
이미지 센서는 광 센서(photo sensor)들의 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 광 센서는 일부 광전자 재료들의 광전 효과를 사용하여 광자들을 전하들(예로서, 전자들 또는 정공들)로 변환함으로써 입사광을 감지할 수 있는 포토다이오드일 수 있다. 광 센서는 또한, 노출 기간 동안 포토다이오드에 의해 생성된 전하들을 수집(예로서, 축적 또는 집적)하기 위해, 용량성 디바이스(예로서, 기생 커패시터)와 같은 아날로그 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 수집된 전하들은 용량성 디바이스에서 전압 변화를 야기할 수 있다. 노출 시간 기간 내에 용량성 디바이스에 저장된 다수의 전하들을 반영하는 전압 변화는 입사광의 세기와 상관될 수 있다. 용량성 디바이스에서 전압 레벨은 버퍼링되고 아날로그 디지털 변환기(ADC) 또는 다른 디지타이저들로 공급될 수 있고, 이는 전압 레벨을 입사광의 세기를 표현하는 디지털 값으로 변환할 수 있다. 이미지 프레임은 광 센서들의 어레이에 의해 제공된 세기 데이터에 기초하여 생성될 수 있으며, 각각의 광 센서는 이미지 프레임의 픽셀에 대응하는 이미지 센서의 픽셀을 형성한다. 이미지 센서의 픽셀들의 어레이는 행들 및 열들로 배열될 수 있고, 각각의 픽셀은 이미지의 특정 위치에서 픽셀에 대한 세기를 표현하는 전압을 생성한다. 어레이에 포함된 다수의 픽셀들은 생성된 이미지 프레임의 분해능을 결정할 수 있다.
본 명세서에 개시된 이미지 센서들의 실시예들은 인공 현실 시스템을 포함하거나 이와 결부하여 구현될 수 있다. 인공 현실은 사용자에게 제공되기 전에 일부 방식들로 조정된 현실의 형태이고, 이는 예를 들면, 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실, 또는 그들의 일부 조합들 및/또는 파생물들을 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐트는 컴퓨터 생성 콘텐트만 또는 캡쳐된 콘텐트(예로서, 실세계 객체들의 이미지들)와 조합된 컴퓨터 생성 콘텐트를 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐트는 비디오, 오디오, 햅틱 피드백, 또는 그들의 일부 조합들을 포함할 수 있고, 그들 중 임의의 것은 단일 채널로 또는 다중 채널들(뷰어에 3차원 효과를 생성하는 스테레오 비디오와 같은)로 제공될 수 있다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 인공 현실은 또한 예를 들면, 인공 현실에서 콘텐트를 생성하기 위해 사용되고 및/또는 인공 현실에서 달리 사용되는(예로서, 인공 현실에서 활동들을 수행함) 애플리케이션들, 제품들, 액세서리들, 서비스들, 또는 그들의 일부 조합들과 연관될 수 있다. 인공 현실 콘텐트를 제공하는 인공 현실 시스템은 호스트 컴퓨터 시스템에 연결된 머리 장착 디스플레이(HMD), 독립형 HMD, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 인공 현실 콘텐트를 하나 이상의 뷰어들에게 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼을 포함하는 다양한 플랫폼들에서 구현될 수 있다.
도 1a는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이(100)의 사시도이다. 도 1b는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이(100)의 단면도이다. 근안 디스플레이(100)는 사용자에게 미디어를 제공할 수 있다. 근안 디스플레이(100)에 의해 제공된 미디어의 예들은 하나 이상의 이미지들, 비디오들, 및/또는 오디오 콘텐트들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 오디오 콘텐트들은 근안 디스플레이(100), 콘솔, 또는 둘 모두로부터 오디오 정보를 수신하고, 오디오 정보에 기초하여 오디오 데이터를 제공하는 외부 디바이스(예로서, 스피커들 및/또는 헤드폰들)를 통해 제공될 수 있다. 근안 디스플레이(100)는 가상 현실(VR) 디스플레이로서 동작하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 근안 디스플레이(100)는 증강 현실(AR) 디스플레이 및/또는 혼합 현실(MR) 디스플레이로서 동작하도록 구성될 수 있다.
근안 디스플레이(100)는 프레임(105) 및 디스플레이(110)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 광학 요소들은 프레임(105)에 결합되거나 그것에 내장될 수 있다. 디스플레이(110)는 사용자가 근안 디스플레이(100)에 의해 제공된 콘텐트를 보도록 구성될 수 있다. 디스플레이(110)는 전자 디스플레이 및/또는 광학 디스플레이를 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 구현들에서, 디스플레이(110)는 하나 이상의 생성되거나 실제 이미지들로부터 사용자의 눈으로 광을 지향시키기 위한 도파관 디스플레이 어셈블리를 포함할 수 있다.
근안 디스플레이(100)는 하나 이상의 이미지 센서들(120a, 120b, 120c, 및 120d)을 포함할 수 있다. 이미지 센서들(120a, 120b, 120c, 및 120d)의 각각은 상이한 방향들로 상이한 시야들을 표현하는 이미지 데이터를 생성하도록 구성된 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들면, 이미지 센서들(120a 및 120b)은 Z축을 따라 방향(A)으로 2개의 시야들을 표현하는 이미지 데이터를 제공하도록 구성될 수 있는 반면, 이미지 센서(120c)는 X축을 따라 방향(B)으로 시야를 표현하는 이미지 데이터를 제공하도록 구성될 수 있으며, 이미지 센서(120d)는 X축을 따라 방향(C)으로 시야를 표현하는 이미지 데이터를 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 이미지 센서들(120a 내지 120d)은 근안 디스플레이(100)의 사용자에게 대화형 VR/AR/MR 경험을 제공하기 위해 근안 디스플레이(100)의 디스플레이된 콘텐트를 제어하거나 그것에 영향을 주는 입력 디바이스들로서 구성될 수 있다. 예를 들면, 이미지 센서들(120a 내지 120d)은 사용자가 위치되는 물리적 환경의 물리적 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 물리적 이미지 데이터는 물리적 환경에서 사용자의 위치 및/또는 이동 경로를 추적하기 위해 위치 추적 시스템에 제공될 수 있다. 시스템은 그 다음, 대화형 경험을 제공하기 위해 예를 들면, 사용자의 위치 및 방향에 기초하여 디스플레이(110)에 제공된 이미지 데이터를 업데이트할 수 있다. 일부 실시예들에서, 위치 추적 시스템은 물리적 환경에서 그리고 사용자가 물리적 환경 내에서 이동함에 따라 사용자의 시야 내에서 객체들의 세트를 추적하기 위해 SLAM(simultaneous localization and mapping) 알고리즘을 수행할 수 있다. 위치 추적 시스템은 객체들의 세트에 기초하여 물리적 환경의 맵을 구성 및 업데이트하고, 맵 내의 사용자의 위치를 추적할 수 있다. 다수의 시야들에 대응하는 이미지 데이터를 제공함으로써, 이미지 센서들(120a 내지 120d)은 위치 추적 시스템에 물리적 환경의 보다 전체론적 뷰를 제공할 수 있고, 이는 맵의 구성 및 업데이트에 더 많은 객체들이 포함되도록 야기할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 물리적 환경 내에서 사용자의 위치를 추적하는 정확성 및 견고성(robustness)이 개선될 수 있다.
근안 디스플레이(100)는 물리적 환경으로 광을 투영하기 위한 하나 이상의 조명기들(130)을 더 포함할 수 있다. 투영된 광은 상이한 주파수 스펙트럼들(예로서, 가시광선, 적외선, 자외선, 등)과 연관될 수 있고, 다양한 목적들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 조명기(130)는 예를 들면, 사용자의 위치 추적을 가능하게 하기 위해 이미지 센서들(120a 내지 120d)이 어두운 환경 내에서 상이한 객체들의 이미지들을 캡쳐하는 것을 보조하도록 어두운 환경에서(또는 낮은 세기의 적외선, 자외선, 등을 갖는 환경에서) 광을 투영할 수 있다. 조명기(130)는 위치 추적 시스템이 맵 구성/업데이팅을 위해 객체들을 식별하는 것을 보조하도록 환경 내의 객체들 상에 특정 표시자들(예로서, 구조화된 광 패턴)을 투영할 수 있다.
일부 실시예들에서, 조명기(130)는 또한, 입체 영상 이미징(stereoscopic imaging)을 가능하게 할 수 있다. 예를 들면, 이미지 센서들(120a 또는 120b) 중 하나 이상은 가시광 감지를 위한 제 1 픽셀 어레이 및 적외선(IR) 감지를 위한 제 2 픽셀 어레이 둘 모두를 포함할 수 있다. 제 1 픽셀 어레이는 컬러 필터(예로서, 베이어 필터(Bayer filter))와 오버레이(overlay)될 수 있고, 제 1 픽셀 어레이의 각각의 픽셀은 특정한 컬러(예로서, 적색, 녹색 또는 청색)과 연관된 광의 세기를 측정하도록 구성된다. (IR 광 감지를 위한) 제 2 픽셀 어레이는 또한, IR 광만이 통과하는 것을 허용하는 필터로 오버레이될 수 있고, 제 2 픽셀 어레이의 각각의 픽셀은 IR 광들의 세기를 측정하도록 구성된다. 픽셀 어레이들은 객체의 RGB 이미지 및 IR 이미지를 생성할 수 있고, IR 이미지의 각각의 픽셀은 RGB 이미지의 각각의 픽셀에 매핑된다. 조명기(130)는 객체 상에 IR 표시자들의 세트를 투영할 수 있고, 그들의 이미지들은 IR 픽셀 어레이에 의해 캡쳐될 수 있다. 이미지에 보여지는 바와 같이 객체의 IR 표시자들의 분포에 기초하여, 시스템은 IR 픽셀 어레이로부터 객체의 상이한 부분들의 거리를 추정하고, 거리들에 기초하여 객체의 3차원(3D) 이미지를 생성할 수 있다. 객체의 3D 이미지에 기초하여, 시스템은 예를 들면, 사용자에 대한 객체의 상대적 위치를 결정할 수 있고, 대화형 경험을 제공하기 위해 상대적 위치 정보에 기초하여 근안 디스플레이(100)에 제공된 이미지 데이터를 업데이트할 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 근안 디스플레이(100)는 매우 넓은 범위의 광 세기들과 연관된 환경들에서 동작될 수 있다. 예를 들면, 근안 디스플레이(100)는 실내 환경에서 또는 실외 환경에서, 및/또는 하루 중 상이한 시간들에서 동작될 수 있다. 근안 디스플레이(100)는 또한, 조명기(130)가 턴 온되거나 턴 온되지 않고 동작할 수 있다. 결과적으로, 이미지 센서들(120a 내지 120d)은 근안 디스플레이(100)를 위한 상이한 동작 환경들과 연관된 매우 넓은 범위의 광 세기들에 걸쳐 (예로서, 입사광의 세기와 상관되는 출력을 생성하기 위해) 적절하게 동작할 수 있도록 넓은 동적 범위, 고감도, 및 저 잡음 레벨을 가질 필요가 있을 수 있다.
게다가, 이미지 센서들(120a 내지 120d)은 안구들의 움직임들을 추적하기 위해 고속으로 출력을 생성할 필요가 있을 수 있다. 예를 들면, 사용자의 안구는 하나의 안구 위치로부터 또 다른 안구 위치로 빠르게 점프할 수 있는 매우 빠른 움직임(예로서, 단속적 운동(saccade) 움직임)을 수행할 수 있다. 사용자의 안구의 빠른 움직임을 추적하기 위해, 이미지 센서들(120a 내지 120d)은 안구의 이미지들을 고속으로 생성할 필요가 있을 수 있다. 예를 들면, 이미지 센서들이 이미지 프레임을 생성하는 레이트(프레임 레이트)는 적어도 안구의 움직임 속도와 일치해야 한다. 고 프레임 레이트는 이미지 프레임을 생성하는데 관여된 모든 이미지 센서 픽셀들에 대해 짧은 총 노출 시간 뿐만 아니라, 센서 출력들을 이미지 생성을 위한 디지털 값들로 변환하기 위한 고속을 요구한다. 게다가, 이미지 센서들은 또한, 저 전력 소비로 동작할 필요가 있을 수 있다.
도 2a는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이(200)의 정면도이다. 도 2b는 특정 실시예들에 따른, 다양한 센서들을 포함하는 단순화된 예시적인 근안 디스플레이(200)의 단면도이다. 근안 디스플레이(200)는 근안 디스플레이(100)와 유사할 수 있고, 프레임(205) 및 디스플레이(210)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 이미지 센서(250a 및 250b)는 프레임(205)에 결합되거나 그것에 내장될 수 있다. 도 2a는 근안 디스플레이(200)의 사용자의 안구(들)(235)를 향하는 근안 디스플레이(200)의 측면을 도시한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 근안 디스플레이(200)는 복수의 조명기들(240a, 240b, 240c, 240d, 240e, 및 240f)을 포함할 수 있다. 근안 디스플레이(200)는 복수의 이미지 센서들(250a 및 250b)을 더 포함할 수 있다. 조명기들(240a, 240b, 및 240c)은 방향(D)(도 1a 및 도 1b의 방향(A)과 반대임)으로 특정 주파수 범위(예로서, NIR)에서 광을 방출할 수 있다. 방출된 광은 특정 패턴과 연관될 수 있고, 사용자의 좌측 안구에 의해 반사될 수 있다. 이미지 센서(250a)는 반사된 광을 수신하고 반사된 패턴의 이미지를 생성하기 위해 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 유사하게, 조명기들(240d, 240e, 및 240f)은 특정 패턴을 운반하는 NIR 광들을 방출할 수 있다. NIR 광들은 사용자의 우측 안구에 의해 반사될 수 있고, 이미지 센서(250b)에 의해 수신될 수 있다. 이미지 센서(250b)는 또한, 반사된 패턴의 이미지를 생성하기 위해 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 이미지 센서들(250a 및 250b)로부터의 반사된 패턴의 이미지들에 기초하여, 시스템은 사용자의 응시 지점을 결정하고, 사용자에게 대화형 경험을 제공하기 위해 결정된 응시 지점에 기초하여 근안 디스플레이(200)에 제공된 이미지 데이터를 업데이트할 수 있다.
사용자의 안구들의 손상을 회피하기 위해, 조명기들(240a, 240b, 240c, 240d, 240e, 및 240f)은 전형적으로, 매우 낮은 세기들로 광을 방출하도록 구성된다. 이미지 센서들(250a 및 250b)이 이미지 센서들(120a 내지 120d)과 동일한 센서 디바이스들을 포함하는 경우에, 이미지 센서들(250a 및 250b)은 입사광의 세기가 매우 낮을 때 입사광의 세기와 상관되는 출력을 생성할 필요가 있을 수 있고, 이는 이미지 센서들의 동적 범위 요건을 또한 증가시킬 수 있다.
도 3은 아날로그 픽셀들을 갖는 일 예시적인 이미지 센서(300)의 단순화된 블록도이다. 일부 구현들에서, 이미지 센서(300)는 능동 픽셀 센서(APS) 이미지 센서일 수 있다. 이미지 센서(300)는 픽셀 어레이(310), ADC 인터페이스(320), 디지털 아날로그 변환기(DAC) 및 지원 회로(330), 및 타이밍 및 제어 회로(340)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(310)는 복수의 AOS 픽셀들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(310)에서 각각의 픽셀은 픽셀을 조명하는 광 신호의 세기에 대응하는 전기 전압 또는 전류 신호를 생성할 수 있는 광검출기 또는 포토다이오드와 같은, 광 센서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 각각의 픽셀은 픽셀의 광 신호를 전류로 변환할 수 있다. 픽셀 어레이(310)에서 각각의 픽셀은 또한, 전압 신호를 생성 및 저장하기 위해 전류를 통합할 수 있는 용량성 디바이스와 같은, 아날로그 저장 디바이스를 포함할 수 있고, 상기 전압 신호는 픽셀에 대한 그레이 레벨/컬러 정보를 표현하는 아날로그 검출 신호로서 언급될 수 있다.
타이밍 및 제어 회로(340)는 아날로그 검출 신호를 ADC 인터페이스(320)로 전송하도록 하나 이상의 픽셀들(예로서, 픽셀들의 행)을 선택적으로 활성화하기 위해 픽셀 어레이(310)의 경계에 행 디코더 및 구동기 회로 및/또는 열 디코더 및 구동기 회로를 포함할 수 있다.
ADC 인터페이스(320)는 복수의 ADC 디바이스들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, ADC 디바이스들은 각각 픽셀들의 열에 대응할 수 있고, 아날로그 검출 신호들을 픽셀들로부터 디지털 이미지 데이터로 한번에 한 행씩 변환하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 ADC 디바이스는, 하나가 기준 신호를 위한 것이고 다른 하나가 아날로그 검출 신호를 위한 것인 2개의 입력들을 포함할 수 있다. 기준 신호는 예를 들면, 디지털 아날로그 변환기(DAC) 및 지원 회로(330)에 의해 생성될 수 있다. 각각의 픽셀로부터의 아날로그 검출 신호는 기준 신호에 기초하여 ADC 디바이스에 의해 디지털 데이터로 변환될 수 있다. 픽셀들의 각각의 행으로부터의 디지털 데이터는 이미지 프레임을 형성하기 위해 디지털 이미지 데이터 파일에 저장될 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 ADC는 픽셀마다 파라미터 변동들에 의해 야기된 고정 패턴 잡음(FPN)과 같은, 잡음을 감소시키도록 구성된 내부 오프셋 보정 회로 및 상관 이중 샘플링(CDS) 회로를 포함할 수 있다. CDS 회로는 또한, ADC 인터페이스(320) 외부의 독립형 유닛일 수 있다. CDS 동작은 예를 들면, 기준 또는 재설정 신호를 샘플링하고 유지함으로써; 아날로그 검출 신호를 샘플링 및 유지함으로써; 그리고 상관 아날로그 검출 신호를 생성하기 위해 아날로그 검출 신호로부터 기준 신호를 감산함으로써 행해질 수 있다. 상관된 아날로그 검출 신호는 그 다음, ADC에 의해 디지털 이미지 데이터로 변환될 수 있다.
일부 실시예들에서, 픽셀 어레이(310)에서 각각의 픽셀은 예를 들면, 4-트랜지스터(4T) APS 픽셀 또는 3-트랜지스터(3T) APS 픽셀을 포함할 수 있다. 예를 들면, 픽셀 어레이에서 각각의 3T 픽셀은 광검출기(예로서, 핀드 포토다이오드(pinned photodiode)), 재설정 게이트, 선택 게이트, 소스 팔로어 증폭기 트랜지스터, 및 용량성 디바이스(예로서, 소스 팔로어 증폭기 트랜지스터의 게이트에서 기생 커패시터)를 포함할 수 있다. 재설정 게이트는 용량성 디바이스에 저장된 전하를 소거하기 위해 턴 온될 수 있다. 노출 동안, 광검출기에 의해 생성된 전하들은 아날로그 검출 신호(예로서, 전압 신호)를 생성하기 위해 용량성 디바이스에 저장될 수 있다. 예를 들면, 행 선택 신호를 사용하여 대응하는 선택 게이트를 활성화함으로써 픽셀이 선택될 때, 용량성 디바이스에서 아날로그 검출 신호는 대응하는 열에 대해 ADC에 의해 디지털 이미지 데이터로 변환되도록 소스 팔로어 증폭기 트랜지스터에 의해 증폭되고 판독 버스(예로서, 열 라인)로 전송될 수 있다. 일부 구현들에서, 다수의 픽셀들은 이미지 센서를 위해 사용된 게이트들의 총 수를 감소시키기 위해 일부 게이트들을 공유할 수 있다.
도 4는 CMOS 능동 픽셀 센서(APS)에서 일 예시적인 4-트랜지스터(4T) 능동 픽셀(400)을 도시한다. 4T 능동 픽셀(400)은 광검출기(예로서, 핀드 포토다이오드(PD)(410)), 전송 게이트(M4)(420), 용량성 저장 디바이스(예로서, 플로팅 확산(FD) 커패시터(CFD)(430)), 재설정 게이트(M1)(440), 소스 팔로어 판독 트랜지스터(M2)(450), 및 선택 게이트(M3)(460)를 포함할 수 있다. 핀드 포토다이오드(410)는 광 신호들을 전기 신호들로 변환하고 핀드 포토다이오드(410)에서 기생 커패시터(412)와 같은, 용량성 디바이스에 전기 신호들을 전하들로서 저장할 수 있다. 저장된 전하들은 전송 게이트(M4)(420)를 통해 FD 커패시터(CFD)(430)로 전송될 수 있다. 재설정 게이트(M1)(440)는 FD 커패시터(CFD)(430)를 알려진 전압 레벨로 재설정하기 위해 사용될 수 있다. 선택 게이트(M3)(460)의 게이트는 FD 커패시터(CFD)(430)를 소스 팔로어 판독 트랜지스터(M2)(450)를 통해 판독 버스(예로서, 열 라인(480))에 선택적으로 결합하기 위해 행 선택 신호와 같은, 선택 신호에 연결될 수 있고, 이는 FD 커패시터(CFD)(430)에서 전압 신호를 증폭시킬 수 있다.
능동 픽셀(400)의 동작 동안, 픽셀들의 각각의 라인의 노출 전에, 기생 커패시터(412)에 저장된 전하들은 예를 들면, 셔터 신호를 사용하여 소거되거나 방전될 수 있고, 재설정 게이트(M1)(440)는 FD 커패시터(CFD)(430)에 저장된 전하를 소거하기 위해 턴 온될 수 있다. 선택적으로, 재설정 후에 FD 커패시터(CFD)(430)에서 전압 레벨(즉, 재설정 레벨)이 판독될 수 있다. 노출 동안, 광검출기에 의해 생성된 전하들은 포토다이오드(410)에서 기생 커패시터(412)에 저장될 수 있다. 노출의 종료 시에, 전하들은 전송 게이트(M4)(420)를 통해 FD 커패시터(CFD)(430)로 전송될 수 있다. 핀드 포토다이오드(410)는 낮은 암전류 및 양호한 청색 응답을 가질 수 있고, 전송 게이트와 결합될 때, 핀드 포토다이오드(410)로부터 FD 커패시터(CFD)(430)로의 완전한 전하 전송을 허용할 수 있다. 전하들은 FD 커패시터(CFD)(430)에서 전압 변화를 야기할 수 있다. 픽셀이 대응하는 선택 게이트(M3)(460)를 활성화시킴으로서 선택될 때, FD 커패시터(CFD)(430)에서 전압 신호(즉, 아날로그 검출 신호)는 소스 팔로어 판독 트랜지스터(M2)(450)에 의해 증폭되고, 열 라인(480)으로 전송될 수 있다. 열 라인(480)에 연결된 ADC는 그 다음, 증폭된 전압 신호를 디지털 이미지 데이터로 변환할 수 있다. 일부 구현들에서, 광검출기로부터 플로팅 확산 커패시터로의 픽셀 내 전하 전송의 사용은 상관된 이중 샘플링(CDS)을 가능하게 함으로써 잡음을 감소시킬 수 있다.
많은 이미지 센서들에서, 이미지 센서에서 픽셀들은 디지털 이미지 데이터 예를 들면, 한 번에 픽셀들의 하나의 열을 생성하기 위해 ADC들에 교대로 액세스할 수 있는데, 이는 예를 들면, 칩 크기 및/또는 전력 제한들로 인한 이미지 센서에서 ADC들의 제한된 수 때문이다. 일반적으로, ADC들의 세트(예로서, 픽셀들의 각 열에 대해 하나)가 하나의 행에서 픽셀들에 의해 생성된 전압 신호들을 디지털 이미지 데이터로 동시에 변환하기 위해 제공될 수 있다. 그러나, 픽셀 셀들의 인접한 행들은 ADC들의 세트에 교대로 액세스해야 할 수 있다. 하나의 예에서, 롤링 전자 셔터는 CMOS 이미지 센서에서 사용될 수 있고, 여기서 픽셀들의 행들은 전하들을 생성하기 위해 입사광들에 순차적으로 노출되고, 이미지 센서에서 픽셀들의 하나의 행은 이미지 센서의 픽셀들이 이미지 프레임을 생성하기 위해 선택되어 행 단위로 판독될 수 있도록 한번에 선택되고 판독될 수 있다. 하나의 구현에서, 이미지 센서의 픽셀들의 각각의 행은 노출 기간 동안 입사광들에 노출될 수 있다. 행에서 픽셀들은 각각, 노출 기간 동안 포토다이오드에 의해 생성된 전하들에 기초하여 전압 신호를 생성하고, 전압 신호를 열에 대한 ADC로 전송할 수 있다. 모든 열들에 대한 ADC들은 픽셀들의 그 행에 의해 수신된 입사광들의 세기들을 표현하는 디지털 이미지 데이터의 세트를 생성할 수 있다. 픽셀들의 모든 행들이 입사광에 노출되고 이미지 프레임에 대한 출력 디지털 이미지 데이터를 가질 때까지, 픽셀들의 다음 행은 디지털 이미지 데이터의 또 다른 세트를 생성하기 위해 후속 노출 기간에 입사광들에 노출될 수 있다. 또 다른 예에서, 픽셀들의 인접한 행들의 노출 시간은 일부 중첩을 가질 수 있지만, 픽셀들의 각각의 행은 여전히, 광전기 전하들에 의해 생성된 전압 신호들을 디지털 이미지 데이터로 교대로 변환할 필요가 있을 수 있다. 이미지 프레임은 이미지 센서에서 픽셀들의 각각의 행의 디지털 이미지 데이터에 기초하여 생성될 수 있다.
도 5a는 제 1 순간에 롤링 셔터를 사용하는 이미지 센서(510)에서 픽셀들의 상이한 행들의 예시적인 상태들을 도시한다. 제 1 순간, 이미지 센서(510)의 행(520)의 픽셀들이 재설정될 수 있고, 행(들)(530)의 픽셀들은 각각의 픽셀에 전하들을 축적하기 위해 광 신호들에 노출될 수 있으며, 행(540)의 픽셀로부터의 전압 신호들이 판독되어 ADC들의 세트에 의해 디지털 신호로 변환될 수 있다. 이미지 센서(510)에서 픽셀들의 나머지는 비활성화될 수 있고 제 1 순간에 임의의 전력을 소비하지 않을 수 있다. 재설정되는 픽셀들의 행(예로서, 행(520)), VLC 광 신호들에 노출되는 픽셀들의 행(들)(예로서, 행(530)), 및 판독되는 픽셀들의 행(예로서, 행(540))을 포함하는 윈도우는 이미지 프레임을 생성하기 위해 한 번에 하나의 행씩 아래로 시프트될 수 있다.
도 5b는 제 2 순간에 롤링 셔터를 사용하는 이미지 센서(510)에서 픽셀들의 상이한 행들의 예시적인 상태들을 도시한다. 제 2 순간은 제 1 순간보다 늦다. 도 5b에서, 재설정되는 픽셀들의 행(예로서, 행(520)), 광 신호들에 노출되는 픽셀들의 행(들)(예로서, 행(530)), 및 판독되는 픽셀들의 행(예로서, 행(540))은 도 5a에 도시된 바와 같이 제 1 순간에 그들의 위치들과 비교하여 아래로 시프트될 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 가상 현실 또는 증강 현실 디바이스들과 같은 애플리케이션들을 위해 고속(예로서, 고 프레임 레이트), 고감도, 고 동적 범위, 고분해능, 및 저 전력 소비를 가지는 이미지 센서가 요구된다. 그러나, 롤링 셔터를 사용하는 상기 설명된 이미지 센서는 상이한 행들의 픽셀들에 의해 공유되는 ADC들의 제한된 수 및 픽셀들의 각각의 행에 대한 제한된 노출 시간으로 인해 제한된 속도 및 제한된 감도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 픽셀에 대해 디지타이저를 가지는 디지털 픽셀 이미지 센서들은 고 프레임 레이트를 달성하기 위해 사용될 수 있다. 디지털 픽셀 이미지 센서에서 각각의 디지털 픽셀은 광검출기(예로서, 포토다이오드), 전송 게이트, 아날로그 저장 디바이스(예로서, 명시적 또는 기생 커패시터), 디지타이저(예로서, ADC), 및 디지털 메모리를 포함할 수 있다. 포토다이오드는 광 신호들을 전기 신호들(예로서, 전하들 또는 전류들)로 변환하고 및/또는 전기 신호들을 통합할 수 있다. 전송 게이트는 (통합된) 전기 신호들을 포토다이오드로부터 아날로그 저장 디바이스로 전송하기 위해 사용될 수 있고, 디지타이저는 아날로그 저장 디바이스에서 전기 신호들을 디지털 비트들로 변환할 수 있다. 디지털 메모리는 디지털 비트들이 각각의 픽셀로부터 판독되기 전에 디지털 비트들을 저장할 수 있다. 디지털 픽셀 이미지 센서에서 각각의 픽셀이 그 자신의 ADC를 갖기 때문에, 디지털 픽셀 이미지 센서의 모든 픽셀들은 이미지 프레임에 대해 동일한 노출 시간 기간 동안 광 신호들에 노출될 수 있고, 디지털 픽셀 이미지 센서의 모든 픽셀들로부터의 전압 신호들은 디지털 이미지 데이터로 동시에 변환될 수 있다. 따라서, 글로벌 셔터는 이미지 센서에서 모든 픽셀들의 노출을 제어하기 위해 사용될 수 있고, 이미지 센서의 프레임 레이트는 상기 설명된 롤링 셔터 이미지 센서와 비교하여 상당히 증가될 수 있다.
도 6은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서(600)의 단순화된 블록도이다. 디지털 픽셀 이미지 센서(600)는 디지털 픽셀 어레이(610) 및 행 구동기들 및 글로벌 신호 구동기 회로(620), 글로벌 카운터(630), 카운터 버퍼(들)(640), 및 램프 생성기 및 버퍼 회로(650)와 같은, 다른 지원 회로들을 포함할 수 있다. 디지털 픽셀 이미지 센서(600)는 또한, 감지 증폭기들(660), 감지 증폭기 바이어싱 회로(670), 및 디지털 이미지를 형성하기 위해 디지털 픽셀들의 각각의 행으로부터 디지털 데이터를 판독하기 위한 라인 메모리(680)를 포함할 수 있다. 디지털 픽셀 이미지 센서(600)는 또한, 디지털 블록(690), 전력 조절 회로(695), 및/또는 MIPI(mobile industry processor interface) 회로(698)와 같은, 다른 회로들을 포함할 수 있다.
디지털 픽셀 어레이(610)는 픽셀들의 2차원 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 픽셀은 광검출기(예로서, 포토다이오드) 및 디지타이저를 포함할 수 있다. 입사광 신호에 응답하여 포토다이오드에 의해 생성된 전하들을 축적함으로써 생성된 아날로그 전압 신호는 디지타이저에 의해 각각의 픽셀 내부에서 변환될 수 있다. 따라서, 각각의 픽셀은 입사광의 세기 및/또는 컬러에 대응하는 아날로그 전압 신호 대신에 디지털 데이터를 출력할 수 있다. 게다가, 디지털 픽셀 어레이(610)의 모든 픽셀들의 아날로그 전압 신호들은 동시에 변환될 수 있어서, 아날로그 전압 신호를 저장하기 위해 픽셀에 부가적인 차폐된 아날로그 저장 노드를 사용하지 않고 글로벌 셔터 동작을 허용한다. 행 구동기들 및 글로벌 신호 구동기 회로(620)는 전하 통합, 비교기 동작, 디지털 기록, 디지털 출력, 등을 포함하는 픽셀들의 동작을 제어할 수 있다.
글로벌 카운터(630)는 디지털 픽셀 어레이(610)의 모든 픽셀들에 글로벌 카운터 값을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 카운터 버퍼(들)(640)는 글로벌 카운터(630)로부터의 글로벌 카운터 값을 각각의 픽셀로 전송할 수 있다. 램프 생성기 및 버퍼 회로(650)는 모든 픽셀들에 대해 램프 신호(램프 업 또는 다운) 또는 삼각형 신호와 같은 글로벌 기준 신호를 생성할 수 있다. 각각의 픽셀에서의 디지타이저는 픽셀에 의해 생성된 아날로그 전압 신호에 대응하는 디지털 데이터를 결정하기 위해 글로벌 카운터 값 및 글로벌 기준 신호를 사용할 수 있다.
일부 구현들에서, 픽셀 내 디지털 비트들은 레일-투-레일(rail-to-rail)을 스윙하지 않을 수 있고, 따라서 감지 증폭기들은 디지털 값들을 재생성하기 위해 사용될 수 있다. 감지 증폭기들(660)은 아날로그 디지털 변환 후에 픽셀들에서 디지털 값들을 판독할 수 있다. 감지 증폭기들(660)은 한 번에 픽셀들의 하나의 행의 디지털 값들을 판독할 수 있다. 각각의 감지 증폭기(660)는 각각의 픽셀에서 디지털 데이터를 연속적으로 판독하기 위해 픽셀 디지털 출력 라인에 연결될 수 있다. 감지 증폭기 바이어싱 회로(670)는 감지 증폭기들(660)에 바이어스 전압들 및 전류들을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 라인 메모리(680)는 픽셀들의 행으로부터 판독된 디지털 데이터를 일시적으로 유지할 수 있다.
디지털 블록(690)은 이미지 센서의 타이밍을 포함하는, 이미지 센서의 동작을 제어하는 논리 회로를 포함할 수 있다. 전력 조절 회로(695)는 이미지 센서에 대해 상이한 레벨들(예로서, 3.3V, 1.8V, 및 1.2V)에서 아날로그 전력 및 전압원들을 생성하고, 블록 레벨 전력 업 및/또는 전력 다운을 포함하는, 이미지 센서의 전력공급을 관리할 수 있다. MIPI 회로(698)는 디지털 데이터를 MIPI 출력 포맷으로 메모리로 전송하기 위해 사용될 수 있다.
각각의 픽셀에서 디지타이저(예로서, ADC)를 제공함으로써, 픽셀 어레이의 픽셀들은 글로벌 셔터 동작을 제공하기 위해, 입사광에 노출되고 픽셀들에서 동시에 수신된 입사광의 세기들의 디지털 표현들을 생성할 수 있다. 고속 움직임 캡쳐링에 대해, 글로벌 셔터가 이로울 수 있는데, 이는 그것이 상이한 시간들에서 이동하는 객체의 상이한 부분들의 이미지들을 캡쳐하는 픽셀들의 열들에 의해 야기된 롤링 셔터 동작과 연관된 이동 왜곡 문제를 회피할 수 있기 때문이다. 게다가, 광 세기들을 표현하는 이미지 데이터를 생성하기 위해 픽셀들의 행이 교대로 노출되는 방식에 비해, 픽셀들을 사용하는 이미지 프레임 생성을 위한 전체 시간이 감소될 수 있다. 따라서, 개시된 기술들은 이미지 센서의 동작 속도를 증가시킬 수 있다. 게다가, 모든 픽셀들이 동시에 노출되기 때문에, 롤링 셔터를 사용하는 것에 비해 각각의 픽셀에 대한 평균 노출 시간이 증가될 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 감도가 또한 증가될 수 있다.
도 7은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서의 일 예시적인 디지털 픽셀(700)의 단순화된 블록도이다. 디지털 픽셀(700)은 디지털 픽셀 이미지 센서(600)에서 디지털 픽셀 어레이(610)와 같은, 디지털 픽셀 이미지 센서에서 디지털 픽셀 어레이의 일부일 수 있다. 디지털 픽셀(700)은 이미지 프레임에서 픽셀의 세기에 대응하는 디지털 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 디지털 픽셀(700)은 포토다이오드(702), 통합 커패시터(703), 전송 게이트(704), 재설정 스위치(718), 측정 커패시터(706), 선택적 버퍼(710), 및 픽셀 디지타이저(750)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디지털 픽셀(700)은 또한, 글로벌 셔터 신호에 의해 제어된 셔터 스위치(726)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 포토다이오드(702)는 P-N 다이오드 또는 P-I-N 다이오드를 포함할 수 있다. 셔터 스위치(726), 전송 게이트(704), 및 재설정 스위치(718)의 각각은 트랜지스터를 포함할 수 있다. 트랜지스터는 예를 들면, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), 등을 포함할 수 있다. 셔터 스위치(726)는 디지털 픽셀(700)의 노출 기간을 제어하기 위해 전자 셔터 게이트로서 작용할 수 있다. 노출 기간 전에, 셔터 스위치(726)는 통합 커패시터(703)를 재설정하기 위해 인에이블링(enabling)(턴 온)될 수 있다. 노출 기간 동안, 셔터 스위치(726)는 노출 인에이블 신호(724)에 의해 디스에이블링(disabling)(턴 오프)될 수 있고, 이는 포토다이오드(702)에 의해 생성된 전하들이 통합 커패시터(703) 및/또는 측정 커패시터(706)로 이동하는 것을 허용할 수 있다. 재설정 스위치(718)는 재설정 신호(720)에 의해 디스에이블링(턴 오프)될 수 있고, 이는 측정 커패시터(706)가 저장된 전하들의 양과 상관되는 전압 신호를 발생시키고 포토다이오드(702)에 의해 생성된 전하들을 저장하는 것을 허용할 수 있다. 측정 커패시터(706)에서 전압 신호는 그 다음, 디지털 데이터로 변환될 수 있다. 측정 커패시터에서 전압 신호의 변환이 완료된 후에, 재설정 스위치(718)는 측정 커패시터(706)에 저장된 전하들을 비워 싱크(722)를 충전하고, 다음 측정을 위해 측정 커패시터(706)를 이용가능하게 하도록 인에이블링될 수 있다.
통합 커패시터(703)는 포토다이오드(702)의 기생 커패시터 및 포토다이오드(702)에 연결된 다른 회로들일 수 있고, 포토다이오드(702)에 의해 생성된 전하들을 저장할 수 있다. 통합 커패시터(703)는 예를 들면, P-N 다이오드 접합 인터페이스에서 접합 커패시터, 또는 포토다이오드(702)에 연결된 다른 기생 커패시터(들)를 포함할 수 있다. 포토다이오드(702)에 대한 통합 캐패시터(703)의 근접성으로 인해, 포토다이오드(702)에 의해 생성된 전하들은 통합 캐패시터(703)에 축적될 수 있다. 측정 캐패시터(706)는 플로팅 확산 노드(예로서, 전송 게이트(704)의 플로팅 단자)에서 기생 캐패시터, 금속 커패시터, MOS 커패시터, 또는 그들의 임의의 조합일 수 있다. 측정 커패시터(706)는 전하들의 양을 저장하기 위해 사용될 수 있고, 이는 입사광의 세기를 표현하는 디지털 출력을 제공하기 위해 픽셀 디지타이저(750)에 의해 측정될 수 있다. 측정 커패시터(706)에 저장된 전하들은 전송 게이트(704)를 통해 통합 커패시터(703)로부터 전송된 전하들일 수 있다. 전송 게이트(704)는 통합 커패시터(703)로부터 측정 커패시터(706)로의 전하 전송을 제어하기 위해 측정 제어 신호(708)에 의해 제어될 수 있다. 통합 커패시터(703) 및/또는 측정 커패시터(706)에 축적된 전하들의 총량은 노출 기간 동안 포토다이오드(702)에 의해 생성된 총 전하들을 반영할 수 있고, 이는 결과적으로 노출 기간 동안 포토다이오드(702)에 입사된 광의 세기를 반영한다.
측정 커패시터(706)에 저장된 전하들은 아날로그 출력 노드(712)에서 아날로그 전압 신호(그러나 더 큰 구동 세기를 갖는)의 복제를 생성하기 위해 선택적 센서 증폭기 또는 선택적 버퍼(710)에 의해 감지될 수 있다. 아날로그 출력 노드(712)에서 아날로그 전압 신호는 픽셀 디지타이저(750)에 의해 디지털 데이터의 세트(예로서, 논리 1들 및 0들을 포함함)로 변환될 수 있다. 측정 커패시터(706)에서 발생된 아날로그 전압 신호가 샘플링될 수 있고 노출 기간 후에 디지털 출력이 생성될 수 있다.
픽셀 디지타이저(750)는 픽셀 메모리(764)를 포함할 수 있는 디지털 출력 생성기(760) 및 비교기(754)를 포함할 수 있다. 픽셀 디지타이저(750)는 클록 카운터(762)에 의해 생성된 카운터 값을 사용할 수 있고, 이는 디지털 픽셀 이미지 센서에서 모든 픽셀들에 대한 글로벌 클록 카운터일 수 있다. 클록 카운터(762)는 클록 신호(780)에 기초하여 카운터 값들의 세트를 생성할 수 있다. 일부 구현들에서, 클록 카운터(762)는 또한, 기준 신호 생성기(770)에 의해 글로벌 기준 신호를 생성하기 위해 사용될 수 있고, 상기 기준 신호 생성기는 카운터 값을 사용하는 램프 또는 삼각 파형 생성기(triangle waveform generator) 또는 임의의 기준 신호를 생성할 수 있는 디지털 아날로그 변환기(DAC)(772)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 디지털화가 시작된 후에, DAC(772)는 클록 카운터(762)로부터의 카운터 출력(766)에 대응하는 램핑 기준 신호(VREF)(752)를 생성하도록 프로그래밍될 수 있고, 이는 구현에 의존하여 램핑 업 또는 램핑 다운할 수 있다. 비교기(754)는 버퍼(710)로부터의 아날로그 전압 신호 및 기준 신호 생성기(770)로부터의 기준 신호(VREF)(752)를 비교할 수 있다. 비교기(754)의 출력은 버퍼(710)로부터의 아날로그 전압 신호 및 기준 신호(VREF)(752)가 서로 교차할 때 상태들을 변경할 수 있다. 비교기의 출력은 디지털 출력 생성기(760)에 의해 클록 카운터(762)로부터 픽셀 메모리(764)로 카운터 출력(766)의 현재 값을 래치하기 위해 사용될 수 있다. 현재 카운터 출력(766)은 양자화 단계를 표현하는 전압 레벨 미만의 양자화 오차(최하위 비트(LSB)로서 또한 언급됨)를 갖는 아날로그 전압 신호를 디지털화하기 위해 사용된 양자화 단계들의 총 수에 대응할 수 있다. 카운터 출력(766)은 따라서, 측정 커패시터(706)에 저장된 전하들의 양의 디지털 표현, 및 입사광의 세기의 디지털 표현이다. 픽셀 메모리(764)에서 디지털 데이터는 픽셀 출력 버스들(790)의 세트를 통해 예를 들면, 디지털 이미지 프레임들을 저장하기 위한 외부 메모리 또는 라인 메모리(680)로 판독될 수 있다.
디지털 픽셀(700)은 또한, 광 세기 결정을 위한 통합 커패시터(703) 및 측정 커패시터(706)에서 전하 축적 동작들을 제어하도록 노출 인에이블 신호(724), 측정 제어 신호(708), 및 재설정 신호(720)의 타이밍 및 크기들을 제어하기 위해 다른 제어 회로들(도 7에 도시되지 않음)를 포함하거나 그들에 연결될 수 있다. 이들 제어 회로들이 디지털 픽셀(700) 외부에 있을 수 있고 예를 들면, 도 6의 디지털 블록(690) 및/또는 글로벌 신호 구동기 회로(620) 및 행 구동기들의 일부일 수 있음을 이해해야 한다.
도 8은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 글로벌 셔터 디지털 픽셀 이미지 센서의 예시적인 디지털 픽셀들(예로서, 디지털 픽셀(700))의 예시적인 동작들을 도시한다. 도 8에 도시된 예에서, 양자화 프로세스는 기준 신호(예로서, 도 7의 기준 신호(VREF)(752))가 클록 신호(예로서, 클록 신호(780))의 각각의 클록 사이클에 대해 동일한 양만큼 증가(또는 감소)하는 균일한 양자화 단계들로 수행될 수 있다. 기준 신호의 증가(또는 감소)의 양은 양자화 단계(즉, LSB)에 대응할 수 있다. 클록 사이클들의 수가 증가함에 따라, 기준 신호는 비교기의 입력에서 아날로그 전압 신호의 하나의 양자화 단계 내에서 증가하고 그에 도달할 수 있으며, 이때 비교기의 출력은 예를 들면, 저 레벨로부터 고 레벨로 플리핑(flipping)하는 상태들을 변경할 수 있다. 비교기의 출력의 플리핑은 현재 카운터 값을 픽셀에서 아날로그 전압 신호를 표현하는 디지털 데이터로서 픽셀 메모리에 래치할 수 있다.
도 8은 2개의 픽셀들에서 아날로그 전압 신호 즉, 픽셀(1)에서 아날로그 전압 신호(810) 및 픽셀(2)에서 아날로그 전압 신호(820)를 도시한다. 도 8은 또한, 클록 신호(860)의 사이클들의 수를 카운트하는 클록 카운터의 클록 카운터 값(870) 및 클록 신호(860)를 도시한다. 시간(tO)(디지털화가 시작될 때)에서, 클록 카운터는 클록 신호(860)의 사이클들의 수를 카운트하는 것을 시작할 수 있다. 예를 들면, 클록 카운터 값(870)은 클록 신호(860)의 각각의 사이클 후에 1만큼 증가할 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 클록 카운터는 많은 픽셀들에 의해 공유된 글로벌 클록 카운터일 수 있어서 각각의 픽셀의 크기가 감소될 수 있다. 클록 카운터 값이 증가함에 따라, 기준 신호(VREF)(830)의 전압 레벨이 증가할 수 있다. 기준 신호(VREF)(830)는 예를 들면, 클록 카운터 값(870)에 기초한 DAC에 의해 생성될 수 있다. 기준 신호(VREF)(830)가 픽셀(1)에서 아날로그 전압 신호(810) 및 픽셀(2)에서 아날로그 전압 신호(820)보다 낮기 때문에, 픽셀(1)에서 비교기의 출력(840) 및 픽셀(2)에서 비교기의 출력(850)은 저(또는 고) 레벨일 수 있다.
시간(t1)에서, 기준 신호(VREF)(830)는 픽셀(1)에서 아날로그 전압 신호(810)(예로서, 아날로그 전압 신호(810)의 하나의 LSB 내)에 도달할 수 있고, 픽셀(1)에서 비교기의 출력(840)은 저 레벨로부터 고 레벨로 플리핑할 수 있다. 픽셀(1)에서 비교기의 출력(840)의 플리핑은 시간(t1)에서 클럭 카운터 값(870)의 디지털 값(D1)으로 하여금 픽셀(1)의 픽셀 메모리에 저장되게 할 수 있다. 클럭 카운터는 클럭 신호(860)의 사이클들의 수를 계속 카운트할 수 있고, 기준 신호(VREF)(830)의 전압 레벨은 계속 증가할 수 있다. 시간(t2)에서, 기준 신호(VREF)(830)는 픽셀(2)에서 아날로그 전압 신호(820)(예로서, 아날로그 전압 신호(820)의 하나의 LSB 내)에 도달할 수 있고, 따라서 픽셀(2)에서 비교기의 출력(850)은 저 레벨로부터 고 레벨로 플리핑할 수 있다. 픽셀(2)에서 비교기의 출력(850)의 플리핑은 시간(t2)에서 클럭 카운터 값(870)의 디지털 값(D2)으로 하여금 픽셀(2)의 픽셀 메모리에 저장되게 할 수 있다.
이러한 방식으로, 상이한 픽셀들에서의 아날로그 전압 신호들은 각각의 픽셀 또는 픽셀들의 각각의 열에서 복잡한 ADC에 의해서 보다는, 글로벌 클록 카운터 값 및 글로벌 램프 신호(VREF)(830)를 사용하여 각각의 픽셀에서 비교기에 의해 상이한 픽셀들에서 광 세기들을 표현하는 디지털 값들로 동시에 변환될 수 있다. 따라서, 디지털 픽셀의 크기 및 디지털 픽셀의 전력 소비가 상당히 감소될 수 있고, 이는 더 높은 분해능, 더 높은 밀도, 더 작은 크기, 및 저 전력 소비를 갖는 이미지 센서를 허용할 수 있다.
다양한 잡음들 또는 오차들은 이미지 센서의 측정가능한 광 세기의 하한(종종 최소 분해가능한 신호 레벨로서 언급됨)에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 플로팅 노드에서 수집된 전하들은 입사광의 세기와 관련되지 않은 잡음 전하들을 포함할 수 있다. 잡음 전하들의 하나의 소스는 암전류이며, 이는 예를 들면, 결정학적 결함들로 인해 커패시터에 연결된 다른 반도체 디바이스들(예로서, 트랜지스터들)의 p-n 접합들에서 그리고 포토다이오드의 p-n 접합에서 생성된 누설 전류들일 수 있다. 암전류들은 커패시터로 흐르고 입사광의 세기와 상관되지 않은 전압 변화들을 야기할 수 있다. 포토다이오드에서 생성된 암전류는 전형적으로, 다른 반도체 디바이스들에서 생성된 암전류 미만이다. 다른 회로들과의 용량성 결합에 의해 일부 잡음 충전들이 야기될 수 있다. 예를 들면, 디지타이저가 플로팅 노드에 저장된 전하들의 양을 결정하기 위해 판독 동작들을 수행할 때, 디지타이저는 용량성 결합을 통해 플로팅 노드에 잡음 전하들을 도입할 수 있다.
잡음 전하들 외에, 디지타이저는 또한, 전하들의 양을 결정할 때 측정 오차들을 도입할 수 있다. 측정 오차들은 디지털 출력과 입사광의 세기 사이의 상관의 정도를 저하시킬 수 있다. 측정 오차의 하나의 소스는 양자화 오차이다. 양자화 프로세스에서, 레벨들의 별개의 세트는 전압 신호들의 연속적인 세트를 표현하기 위해 사용될 수 있고, 각각의 레벨은 전압 신호 레벨의 미리 결정된 범위를 표현한다. 따라서, 양 레벨로 표현된 전압 레벨과 양 레벨로 근사된 입력 아날로그 전압 사이에 차가 존재할 때 양자화 오차가 발생할 수 있다. 도 7에 도시된 디지타이저의 양자화 오차는 더 작은 양자화 단계 크기(예로서, 각각의 단계 또는 각각의 클록 사이클에서 기준 신호(VREF)(830)의 증가 또는 감소) 및/또는 더 빠른 클록 신호를 사용함으로써 감소될 수 있다. 측정 오차들의 다른 소스들은 예를 들면, 랜덤 잡음들(예로서, 커패시터의 열 kT/C 잡음), 디바이스 잡음들(예로서, ADC 회로들의), 및 커패시터에 저장된 전하들의 양의 측정에서 불확실성들을 부가하는 비교기 오프셋들을 포함할 수 있다.
잡음 전하들 및 디지타이저 측정 오차들은 이미지 센서의 측정가능한 광 세기(감도)의 하한을 결정할 수 있다. 이미지 센서의 측정가능한 광 세기의 상한은 포토다이오드에 의해 단위 시간에서 생성된 전하들(즉, 광 전류)에서 포화를 야기할 광 세기에 의해 결정될 수 있다. 상한과 하한 사이의 비는 일반적으로, 동적 범위로서 언급될 수 있고, 이는 이미지 센서에 대한 동작 광 세기들의 범위를 결정할 수 있다.
일부 경우들에서, 비교기들에서 원하지 않는 오프셋들 및 디지털 픽셀들의 다른 구성요소들 및 파라미터들에서 변형들은 고정 패턴 잡음(FPN)를 야기할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디지털 픽셀 이미지 센서에서 디지털 픽셀은 오프셋 오차들, 따라서 FPN을 감소시키기 위해 상관 이중 샘플링(CDS) 회로를 포함할 수 있다. CDS 회로는 노출 후에 아날로그 저장 디바이스(예로서, 측정 커패시터(806))에서 재설정 레벨 및 아날로그 저장 디바이스에서 아날로그 전압 신호의 신호 레벨을 측정하고, 픽셀에 대한 실제 신호 값을 결정하기 위해 측정된 신호 레벨과 재설정 레벨 사이의 차를 사용할 수 있다. 측정된 신호 레벨이 이미지 센서에서 픽셀들 사이의 다른 파라미터들 또는 디바이스들에서 상이한 오프셋들 또는 변동들에 의해 야기되는 재설정 레벨 구성요소를 포함하기 때문에, 측정된 신호 레벨과 재설정 레벨 사이의 차는 픽셀의 광 조명으로 인해 생성된 전하들에 의해 야기된 실제 전압 변화의 더 정확한 표현일 수 있다.
도 9는 특정 실시예들에 따른, 아날로그 상관 이중 샘플링(CDS) 회로를 포함하는 일 예시적인 디지털 픽셀(900)의 단순화된 블록도이다. 디지털 픽셀(900)은 고 픽셀 변환 이득을 보장하기 위해, 핀드 포토다이오드(910), 제어 신호(TX)에 의해 제어된 전송 게이트(920), 플로팅 확산 노드(930), 제어 신호(RST)에 의해 제어된 재설정 게이트(940), 제어 신호(SEL)에 의해 제어된 선택 게이트(950), 트랜지스터들(942 및 952) 및 선택 게이트(950)를 포함하는 픽셀 내 소스 팔로어 버퍼 스테이지를 포함할 수 있다. 디지털 픽셀(900)은 또한, 비교기(970) 및 픽셀 메모리(980)를 포함할 수 있다. 이들 회로들의 동작들은 상기 설명된 능동 픽셀(400) 또는 디지털 픽셀(700)의 동작들과 유사할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 디지털 픽셀(900)은 아날로그 CDS 회로(960)를 더 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 아날로그 CDS 회로(960)는 2개의 CDS 커패시터들, 2개의 게이트들, 및 차동 증폭기를 포함할 수 있다. 재설정 후의 측정 커패시터(즉, FD 노드(930))에서 아날로그 전압 레벨(즉, 재설정 레벨)은 하나의 게이트를 통해 하나의 CDS 커패시터에 저장될 수 있고, 전하 전송 후의 측정 커패시터에서 아날로그 전압 레벨(즉, 신호 레벨)은 또 다른 게이트를 통해 또 다른 CDS 커패시터에 저장될 수 있다. 2개의 아날로그 전압 레벨들 사이의 차는 차동 증폭기를 사용하여 생성될 수 있고, 그 다음 비교기(970)에 의해 디지털화될 수 있다. 아날로그 CDS의 일부 다른 구현들이 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 구현들에서, 아날로그 CDS 회로(960)의 일부 회로 단순화들은 트랜지스터들의 총 수를 감소시키기 위해 적용될 수 있다. 그러나, 이미지 센서의 요건을 충족시키기 위한 커패시터의 열 잡음(kT/C 잡음)에 대해, 아날로그 CDS는 픽셀 CDS 커패시터(들)에 대해 상대적인 큰 영역을 사용할 수 있다. 게다가, CDS 커패시터의 영역 및 아날로그 CDS 커패시터(들)를 구동하기 위한 소스 팔로어 버퍼 스테이지의 사용은 디지털 픽셀을 축소하는 능력을 제한할 수 있고 또한, 디지털 픽셀의 전력 소비를 증가시킬 수 있다.
도 10은 특정 실시예들에 따른, 디지털 CDS 회로를 포함하는 일 예시적인 디지털 픽셀(1000)의 단순화된 블록도이다. 디지털 픽셀(1000)은 상기 설명된 바와 같은 3T 또는 4T 광 센서, 비교기(1050), 및 픽셀 메모리 블록을 포함할 수 있다. 광 센서는 핀드 포토다이오드(1010), 전송 게이트(1020), 재설정 게이트(1040), 및 플로팅 확산 커패시터(1030)를 포함할 수 있다.
디지털 픽셀(1000)의 노출 전에 또는 노출 동안, 플로팅 확산 커패시터(1030)는 재설정 신호(RST)를 사용하여 재설정 게이트(1040)를 턴 온함으로써 재설정 레벨(예로서, 0V 또는 또 다른 DC 레벨)로 재설정될 수 있다. 플로팅 확산 커패시터(1030)에서 전압 레벨은 디지털화되고 픽셀 메모리의 m-비트 메모리 블록(1060)에 저장될 수 있다. 재설정 레벨이 일반적으로 낮기 때문에, 상기 설명된 디지타이저를 이용하는 디지털화를 위한 시간은 짧을 수 있고 재설정 레벨은 적은 수의 비트들로 표현될 수 있는 작은 값으로 디지털화될 수 있다.
디지털 픽셀(1000)의 노출 후에, 핀드 포토다이오드(1010)에 의해 생성되고 포토다이오드(1010)에 축적된 전하들은 전송 제어 신호(TX)를 사용하여 전송 게이트(1020)를 턴 온함으로써 플로팅 확산 커패시터(1030)로 전송될 수 있다. 플로팅 확산 커패시터(1030)에서 전압 레벨은 디지털화되고 픽셀 메모리의 n-비트 메모리 블록(1070)에 저장될 수 있으며, 여기서 n은 m보다 클 수 있다. 전하 전달 후의 플로팅 확산 커패시터(1030)에서 전압 레벨이 재설정 레벨보다 높을 수 있기 때문에, 상기 설명된 디지타이저를 사용하는 디지털화를 위한 시간은 더 길 수 있고 전압 레벨은 더 큰 수의 비트들로 표현될 수 있는 더 큰 값으로 디지털화될 수 있다.
재설정 레벨을 표현하는 m-비트 데이터 및 신호 레벨을 표현하는 n-비트 데이터가 판독될 수 있고, n-비트 데이터와 m-비트 데이터 사이의 차는 광 전류들 또는 전하들, 따라서 픽셀에서의 검출된 광 세기에 의해 야기된 검출된 전압 신호를 표현할 수 있다. 이러한 방식으로, 픽셀들의 파라미터들 및 디바이스들에서 불일치들 또는 변동들에 의해 야기된 오차들 또는 잡음들(예로서, 오프셋 오차들, 비교기 임계 불일치들, 커패시터 불일치들, 등)이 디지털 이미지 데이터에서 감소될 수 있다. 일부 구현에서, n-비트 데이터 및 m-비트 데이터의 감산은 픽셀의 출력이 판독되기 전에 픽셀 레벨에서 수행될 수 있어서, 픽셀로부터 판독된 디지털 비트들의 총 수가 적을 수 있다.
어떠한 부가적인 CDS 커패시터 또는 차동 증폭기도 디지털 CDS에서 이용될 수 없기 때문에, 디지털 CDS 회로를 포함하는 디지털 픽셀은 아날로그 CDS 회로를 사용하는 디지털 픽셀보다 상당히 적은 실리콘 영역 및 전력을 이용할 수 있다.
도 11은 특정 실시예들에 따른, 디지털 CDS 회로를 포함하는 일 예시적인 디지털 픽셀(1100)을 도시한다. 디지털 픽셀(1100)은 디지털 픽셀(1000)의 일 예시적인 구현일 수 있다. 디지털 픽셀(1100)은 핀드 포토다이오드(1110), 전송 게이트(1120), 재설정 게이트(1140), 및 플로팅 확산 커패시터(1130)를 포함할 수 있는 광 센서(1105)를 포함할 수 있다. 디지털 픽셀(1100)은 또한, 아날로그 전압 레벨 디지털화를 위해 비교기(754)와 같은 비교기(1150)를 포함할 수 있다.
디지털 픽셀(1100)은 AND(또는 NAND) 게이트(1160)를 포함할 수 있는 기록 로직을 더 포함할 수 있다. AND(또는 NAND) 게이트(1160)의 입력들은 비교기(1150)의 출력 및 재설정 인에이블 신호(enable_rst)(예로서, 재설정 신호와 동기화된 신호 또는 재설정 게이트(1140)를 턴 온하기 위해 사용된 재설정 신호)에 연결될 수 있다. AND(또는 NAND) 게이트(1160)의 출력은 m 비트 셀들(1180)(예로서, D 플립 플롭들)의 기록 인에이블 입력들에 연결될 수 있다. 재설정 레벨이 디지털화될 때, 재설정 인에이블 신호(enable_rst)가 어서팅(asserting)될 수 있다(예로서, 고 레벨로 설정됨). 비교기(1150)의 출력이 기준 신호(예로서, 램프 신호)가 재설정 레벨에 도달할 때, 예를 들면, "0"으로부터 "1"로 상태들을 변경시킬 때, AND(또는 NAND) 게이트(1160)의 출력은 예를 들면, 글로벌 클록 카운터로부터의 현재 카운터 값으로 하여금 m 비트 셀들(1180)로 래치되게 할 수 있는 "0"으로부터 "1"로 플리핑할 수 있고, 이는 나중에 판독될 수 있다.
디지털 픽셀(1100)의 기록 로직은 AND(또는 NAND) 게이트(1170)를 더 포함할 수 있다. AND(또는 NAND) 게이트(1170)의 입력들은 비교기(1150)의 출력 및 판독 인에이블 신호(enable_sig)(예로서, 픽셀을 선택하기 위해 사용된 선택 신호)에 연결될 수 있다. AND(또는 NAND) 게이트(1170)의 출력은 n 비트 셀들(1190)(예로서, D 플립-플롭들)의 기록 인에이블 입력들에 연결될 수 있다. 픽셀 신호 레벨이 디지털화될 때, 판독 인에이블 신호(enable_sig)가 어서팅될 수 있다(예로서, 고 레벨로 설정됨). 기준 신호(예로서, 램프 신호)가 픽셀 신호 레벨에 도달할 때, 비교기(1150)의 출력은 예를 들면, "0"으로부터 "1"로 플리핑할 수 있고, 따라서 AND(또는 NAND) 게이트(1170)의 출력은 글로벌 클록 카운터로부터의 현재 카운터 값으로 하여금 n 비트 셀들(1190)로 래치되게 할 수 있는 "0"으로부터 "1"로 플리핑할 수 있고, 이는 나중에 판독될 수 있다.
이러한 방식으로, 픽셀들의 파라미터들 및 디바이스들에서 불일치들 및 변동들에 의해 야기된 오차들 또는 잡음들(예로서, 오프셋 오차들, 비교기 임계 불일치들, 커패시터 불일치들, 등)이 디지털 이미지 데이터에서 감소될 수 있다. 디지털 CDS 회로를 포함하지 않을 수 있는 디지털 픽셀과 비교하여, 디지털 픽셀(1100)은 디지털 회로들이고 작은 영역을 사용할 수 있는 D 플립 플롭들과 같은, m개의 부가적인 비트 셀들을 사용할 수 있다. 또한 상기 설명된 바와 같이, 디지털 픽셀을 사용하여, (예로서, 각각의 픽셀에 대한 더 긴 노출 시간으로 인해) 증가된 프레임 레이트 및 감도를 위해 이미지 센서에 대한 글로벌 셔터가 가능할 수 있다. 디지털 픽셀들의 재설정 레벨들은 이미지 프레임에 대한 시간 기간 동안 상이한 시간들에서 디지털화될 수 있다.
도 12a는 특정 실시예들에 따른, 각각의 픽셀에 대한 디지털 CDS 회로를 갖는 글로벌 셔터 디지털 픽셀 센서의 동작 동안 예시적인 타이밍 기간들을 도시한다. 디지털 픽셀 센서에서 모든 픽셀들은 동시에 동일한 방식으로 동작할 수 있다. 디지털 픽셀이 이미지 프레임에 대한 출력 데이터의 하나의 세트를 출력하기 위한 시간 기간(1200)은 셔터 기간(1210), 통합 기간(1212), 재설정 기간(1214), 재설정 레벨 변환 기간(1216), 전하 전송 기간(1218), 신호 레벨 변환 기간(1220), 및 데이터 출력 기간(1222)을 포함할 수 있다.
디지털 픽셀이 이미지 프레임에 대한 출력 데이터의 하나의 세트를 생성하기 위한 시간 기간은 셔터 기간(1210)으로 시작될 수 있고, 이 기간 동안 포토다이오드에서 전압 레벨이 재설정될 수 있고 픽셀 통합을 위한 시간 기간이 설정될 수 있다. 셔터 기간(1210)의 종료 시에, 각각의 디지털 픽셀은 통합 기간(1212)에서 신호 통합(예로서, 전하 축적)을 시작할 수 있고, 이 기간 동안 디지털 픽셀의 포토다이오드의 기생 커패시터(예로서, 포토다이오드(702)에 연결된 다른 회로들 및 포토다이오드(702)의 기생 커패시터를 포함할 수 있는 통합 커패시터(703))는 디지털 픽셀에서 입사광에 응답하여 포토다이오드에 의해 생성된 전하들(예로서, 광전자들)을 수집할 수 있다. 통합 기간(1212)의 종료 전의 짧은 기간(예로서, 100㎲ 미만)에서, 각각의 픽셀의 측정 커패시터(예로서, 측정 커패시터(706) 또는 플로팅 확산 커패시터(1130))는 재설정 기간(1214)에서 재설정될 수 있고, 그 다음 재설정 레벨 변환 기간(1216) 동안 재설정 전압 레벨의 아날로그 디지털 변환이 이어진다. 디지털화된 픽셀 재설정 레벨은 m 비트 셀들(1180)과 같은, 픽셀 메모리에 저장될 수 있다. 픽셀 재설정 레벨이 변환된 후에, 각각의 픽셀의 포토다이오드에서 통합 커패시터에 축적된 전하들은 전하 전송 기간(1218) 동안 측정 커패시터로 전송될 수 있고(예로서, 포토다이오드에서 통합 커패시터와 측정 커패시터 사이에 재분배됨), 그 다음 신호 레벨 변환 기간(1220) 동안 픽셀 신호 레벨(즉, 전하 전송 후의 측정 커패시터의 전압 레벨)의 아날로그 디지털 변환이 이어진다. 각각의 픽셀의 디지털화된 픽셀 신호 레벨은 n 비트 셀들(1190)과 같은, 픽셀 메모리에 저장될 수 있다. 디지털화된 픽셀 재설정 레벨 및 신호 레벨이 픽셀 메모리에 저장된 후에, 데이터 출력 기간(1222)이 시작될 수 있고 각각의 픽셀에 대한 신호 레벨 및 픽셀 재설정 레벨의 디지털 값들이 픽셀 어레이로부터 행 단위로 판독될 수 있다. 디지털 값들은 아날로그 전압들보다 훨씬 빠르게 판독될 수 있다.
이전에 축적된 전하들이 측정 커패시터로 전송된 후에 디지털 픽셀이 다음 이미지 프레임에 대한 전하들을 축적하는 것을 시작할 수 있기 때문에, 디지털 이미지 센서에 대한 프레임 시간 기간(T_Frame)은 셔터 기간(1210)(T_Shutter), 통합 기간(1212)(T_Int), 재설정 기간(1214) 및 재설정 레벨 변환 기간(1216)(집합적으로, T_Rst), 및 전하 전송 기간(1218)(T_TX)의 합과 같을 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 재설정 레벨은 일반적으로 낮고, 따라서 재설정 레벨을 디지털화하기 위한 시간이 짧을 수 있다. 전하 전송 기간(1218), 신호 레벨 변환 기간(1220), 및 데이터 출력 기간(1222)은 또한, 통합 기간에 비해 짧을 수 있다. 따라서, 프레임 시간 기간 내의 프레임 통합 오버헤드(비 통합 시간)는 작을 수 있다. 하나의 예에서, 프레임 시간 기간은 약 33ms(즉, 초당 30 프레임들의 프레임 레이트에서)일 수 있고, 프레임 통합 오버헤드(재설정 기간(1214), 재설정 레벨 변환 기간(1216), 전하 전송 기간(1218), 및 일부 구현들에서, 신호 레벨 변환 기간(1220), 및 데이터 출력 기간(1222)를 포함할 수 있음)는 약 100㎲일 수 있다. 따라서, 프레임 시간 기간의 시간의 대부분(예로서, 약 95%, 99%, 또는 그 이상) 동안, 디지털 픽셀은 저 전력 모드(예로서, 통합 모드)에서 작동할 수 있다. 프레임 시간 기간의 대부분의 시간 기간을 차지할 수 있는 셔터 기간(1210) 및 통합 기간(1212) 동안 디지털 픽셀은 저전력 모드에서 매우 적은 전력을 소비할 수 있기 때문에, 디지털 픽셀의 전체 전력 소비는 매우 낮을 수 있다.
도 12b는 특정 실시예들에 따른, 글로벌 셔터 디지털 픽셀 센서에서 디지털 CDS 회로를 갖는 디지털 픽셀의 동작들을 도시하는 타이밍도이다. 도 12b에서, 재설정 신호(RST)(1250)의 제 1 재설정 펄스(1252) 및 전송 제어 신호 TX(1260)의 제 1 전송 제어 펄스(1262)는 동일한 시간(예로서, 셔터 기간(1210)과 같은 셔터 기간의 종료 시에)에서 발생할 수 있어서, 통합 커패시터 및 측정 커패시터가 재설정되거나 방전될 수 있다. 제 1 재설정 펄스(1252) 및 제 1 전송 제어 펄스(1262) 후에, 픽셀 통합이 시작될 수 있다. 통합 기간의 종료 시에, 제 2 재설정 펄스(1254)는 측정 커패시터(예로서, 플로팅 확산 커패시터)를 0V 또는 또 다른 DC 레벨과 같은 재설정 레벨로 재설정할 수 있다. 측정 커패시터의 재설정 레벨은 비교기, 클록 카운터, 및 램프 신호(1270)를 사용하여 디지털화될 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 재설정 레벨의 디지털화 동안, 램프 신호(1270)는 램프(1272)에 의해 도시된 바와 같이 점진적으로 증가하거나 감소할 수 있다. 클럭 카운터는 클럭 사이클들의 수를 카운트할 수 있다. 램프 신호(1270)가 재설정 레벨에 도달하는 시간의 클록 카운터 값(1280)은 픽셀 메모리(예로서, m-비트 재설정 레벨 메모리)에 재설정 카운트(1282)로서 저장될 수 있다. 후속적으로, 제 2 전송 제어 펄스(1264)는 포토다이오드에서 통합 커패시터로부터 측정 커패시터로 전하들을 전송하도록 어서팅될 수 있다. 측정 커패시터의 전압 레벨(신호 레벨로서 언급됨)은 상기 설명된 바와 같이 비교기, 램프 신호(1270), 및 클록 카운터를 사용하여 디지털화될 수 있다. 신호 레벨의 디지털화 동안, 램프 신호(1270)는 램프(1274)에 의해 도시된 바와 같이 점진적으로 증가하거나 감소할 수 있다. 램프 신호(1270)가 재설정 레벨에 도달하는 시간의 클록 카운터 값(1280)은 픽셀 메모리(예로서, n-비트 신호 레벨 메모리)에 신호 카운트(1284)로서 저장될 수 있다. 재설정 카운트(1282) 및 신호 카운트(1284)는 디지털 픽셀 메모리로부터 판독되고 MIPI 인터페이스(1290)에서 MIPI 포맷으로 출력 데이터(1292)로서 전송될 수 있다. 재설정 레벨을 표현하는 재설정 카운트는 신호 레벨을 표현하는 신호 카운트보다 적은 비트들을 사용할 수 있는데, 이는 측정 커패시터에서 재설정 값이 일반적으로 작기 때문이다.
도 12a 및 도 12b는 재설정 레벨이 통합 기간의 종료 시에 측정되는 것을 도시한다. 일부 구현들에서, 재설정 레벨은 또 다른 시간에서 측정될 수 있다. 예를 들면, 재설정 레벨은 셔터 기간 동안, 통합 기간의 시작 시에, 또는 통합 기간의 중간에서 측정되고 디지털화될 수 있는데, 이는 측정 커패시터 및 통합 커패시터가 전송 게이트에 의해 분리될 수 있기 때문이다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 예들은 디지털 픽셀의 다른 동작 및 타이밍 구성들보다 1/f 잡음 및 암전류에 의해 야기된 잡음들과 같은, 디지털 픽셀의 잡음을 감소시키는데 더 양호한 성능을 가질 수 있다.
예를 들면, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 측정 커패시터가 전하 전송 및 신호 레벨 디지털화 직전에 재설정되기 때문에, 신호 레벨이 디지털화되기 전에 암전류가 측정 커패시터에 전하들을 축적하기 위한 시간이 짧을 수 있고, 따라서 암전류에 의해 야기된 잡음 또는 오류가 작을 수 있다. 대조적으로, 측정 커패시터가 통합 기간의 시작 시에 또는 셔터 기간 동안 재설정되면, 암전류가 측정 커패시터에 전하들을 축적하기 위한 시간이 전체 또는 대부분의 통합 기간 동안 지속될 수 있고, 따라서 암전류에 의해 야기된 잡음 또는 오차가 클 수 있다.
또한, 측정 커패시터가 전하 전송 및 신호 레벨 디지털화 직전에 재설정되기 때문에, CDS 회로는 측정 커패시터의 재설정과 전하 전송 사이의 짧은 시간 기간으로 인해 고 주파수에서 효과적으로 스위칭된다. 따라서, 더 높은 동작 주파수 때문에 디지털 픽셀의 1/f 잡음(즉, 플리커 잡음 또는 핑크 잡음)이 감소될 수 있다. 반대로, 예를 들면, 통합 기간의 시작 시에 측정 커패시터가 재설정되면, 측정 커패시터의 재설정과 전하 전송 사이의 더 긴 시간 기간으로 인해, CDS 회로는 더 낮은 주파수에서 효과적으로 스위칭된다. 따라서, 이러한 데이터 변환 프로세스에서 1/f 잡음에 의해 야기된 오차 또는 잡음이 더 커질 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 각각의 디지털 픽셀이 디지타이저를 포함하기 때문에, 모든 픽셀들이 동시에 동작할 때 디지털 픽셀 이미지 센서의 전체 전력 소비가 높을 수 있다. 예를 들면, 각각의 디지타이저가 1㎼를 소비하면, 1 백만개의 디지털 픽셀들을 갖는 이미지 센서는 적어도 1W를 소비할 수 있고, 이는 HMD들과 같은 모바일 또는 웨어러블 디바이스들 위해 적합하지 않을 수 있다. 따라서, 디지털 픽셀에서 디지타이저, 버퍼, 및 다른 회로들의 전력 소비를 감소시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 7에 대해 상기 설명된 일부 예들에서, 디지타이저는 신호 레벨을 기준 레벨과 비교하고 클록 카운터 값들을 픽셀 메모리에 래치하기 위해 비교기를 사용할 수 있다. 래치 및 픽셀 메모리가 적은 전력을 소비할 수 있기 때문에, 비교기의 전력 소비를 감소시키는 것은 디지타이저 및 디지털 픽셀의 전력 소비를 감소시키는데 더 효과적일 수 있다.
도 13은 DC 바이어스 회로를 포함하는 일 예시적인 비교기(1300)를 도시한다. 비교기(1300)는 P-채널 트랜지스터들(1310 및 1320), N-채널 트랜지스터들(1330, 1340, 및 1350)을 포함할 수 있는 상이한 증폭기를 포함할 수 있다. 측정 커패시터로부터의 아날로그 전압 신호(VFD)는 트랜지스터(1330) 및 트랜지스터(1340) 중 하나의 게이트에 연결될 수 있고, 기준 신호 생성기(예로서, 기준 신호 생성기(770))로부터의 램프 신호(VRAMP)는 트랜지스터(1330) 및 트랜지스터(1340) 중 다른 하나의 게이트에 연결될 수 있다. 측정 커패시터로부터의 아날로그 전압 신호(VFD)와 램프 신호(VRAMP) 사이의 차는 트랜지스터들(1310, 1320, 1330, 및 1340)를 통해 상이한 전류들을 야기할 수 있다. 따라서, 노드(1325)에서 전압 레벨은 측정 커패시터로부터의 아날로그 전압 신호(VFD)와 램프 신호(VRAMP) 사이의 차에 의존할 수 있다. 노드(1325)에 연결된 인버터(1360)는 노드(1325)에서 전압 레벨을 "높은" 또는 "낮은" 신호로 변환할 수 있다.
비교기(1300)에서, 차동 증폭기의 트랜지스터들은 트랜지스터들(1350)에 의해 트랜지스터들의 적절한 DC 동작 레벨들로 바이어싱될 수 있다. 비교기의 동작 동안, 트랜지스터(1330)를 통한 전류의 감소는 트랜지스터(1340)를 통한 전류의 증가에 대응할 수 있고, 트랜지스터(1350)를 통한 DC 바이어스 전류는 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 비교기(1300)의 차동 증폭기는 트랜지스터들을 바이어싱하기 위해 DC 전력을 소비할 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 바이어싱을 위한 DC 전력이 픽셀 당 1㎼이면, 1 백만개의 디지털 픽셀들을 갖는 이미지 센서는 적어도 1W를 소비할 수 있다.
도 14는 특정 실시예들에 따른, 사전 충전 회로를 포함하는 일 예시적인 비교기(1400)를 도시한다. 비교기(1400)에서, 측정 커패시터로부터의 아날로그 전압 신호(VFD)는 트랜지스터(1410)의 게이트에 연결될 수 있고, 기준 신호(VRAMP)는 트랜지스터(1410)의 소스(또는 드레인)에 연결될 수 있다. 일부 구현들에서, 트랜지스터(1410)는 p-채널 금속 산화물 반도체(PMOS) 트랜지스터이고, 어떠한 DC 바이어스 회로도 트랜지스터(1410)를 바이어싱하기 위해 사용되지 않는다. 오히려, 사전 충전 트랜지스터(1420)를 포함하는 사전 충전 회로는 아날로그 전압 신호(VFD)의 디지털화가 시작되기 전에 비교기의 출력 노드(COMP)를 사전 충전하기 위해 사용될 수 있다. 디지털화 동안, 사전 충전 트랜지스터(1420)는 턴 오프될 수 있고 어떠한 전류도 사전 충전 트랜지스터(1420)를 통해 흐르지 않을 수 있다. 따라서, DC 바이어스 전류 및 정적 전력 소비가 감소되거나 최소화될 수 있다.
비교기(1400)는 또한, 하나 이상의 인버터들을 포함할 수 있다. 예를 들면,도 14에 도시된 바와 같이, 제 1 인버터는 기록 신호를 생성하기 위해 트랜지스터들(1430 및 1440)을 포함하고, 제 2 인버터는 기록b 신호를 생성하기 위해 트랜지스터들(1450 및 1460)을 포함할 수 있다. 기록 신호 및 기록b 신호는 클록 카운터 값들을 픽셀 메모리에 래치하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 기록 신호 및/또는 기록b 신호의 스위칭 에지가 예리할 수 있고 기록 신호 및/또는 기록b 신호의 레벨이 조합 로직(예로서, AND 게이트들(1160 및 1170)) 및 메모리 디바이스들을 포함하는 디지털 회로들의 동작 전압과 더 양호하게 일치할 수 있도록, 트랜지스터들(1410 및 1420)은 두꺼운 게이트 산화물을 가질 수 있고 3.3V에서 동작할 수 있으며, 2개의 인버터들 중 하나 또는 둘 모두는 얇은 게이트 산화물을 갖는 트랜지스터들을 포함할 수 있고 1.8V 또는 1.2V와 같은 더 낮은 전압에서 동작할 수 있다. 얇은 산화물 트랜지스터들을 사용하는 하나의 동기는 그들이 픽셀에서 더 작은 영역을 차지하고 또한, 두꺼운 산화물 트랜지스터들보다 낮은 전력 소비를 가질 수 있다는 것이다.
도 15는 특정 실시예들에 따른, 도 14에 도시된 비교기(1400)와 같은 일 예시적인 비교기의 동작들을 도시하는 타이밍도(1500)이다. 도 15는 사전 충전 트랜지스터(1420)를 제어하기 위해 사용될 수 있는 사전 충전 신호(1510), p 채널 트랜지스터(1410)의 소스에 연결될 수 있는 램프 신호(VRAMP)(1520), 트랜지스터(1410)의 게이트를 구동할 수 있는 VFD 신호(1530), 트랜지스터(1410)의 드레인에서의 신호(VCOMP)(1540), 비교기(1400)의 제 1 인버터의 출력에서의 기록 신호(1550), 및 비교기(1400)의 제 2 인버터의 출력에서의 기록b 신호(1560)를 도시한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 디지타이징 동작의 시작 전에, 고 레벨의 펄스는 사전 충전 트랜지스터(1420)를 턴 온하기 위해 사전 충전 트랜지스터(1420)의 게이트에 인가되고, 따라서 노드(COMP)는 저 레벨(예로서, Vss)로 사전 충전될 수 있다. 사전 충전 동작 후에, 사전 충전 신호(1510)는 사전 충전 트랜지스터(1420)를 턴 오프하기 위해 저 레벨로 설정될 수 있고, 아날로그 디지털 변환이 시작될 수 있다. 아날로그 디지털 변환 동안, 램프 신호(VRAMP)(1520)는 점진적으로 증가할 수 있다. 램프 신호(VRAMP)(1520)가 트랜지스터(1410)의 임계 전압(Vtp) 및 VFD 신호(1530)의 합 미만일 때, 트랜지스터(1410)는 턴 오프될 수 있고 신호(VCOMP)(1540)는 낮을 수 있다. 따라서, 제 1 인버터의 출력에서 기록 신호(1550)는 높을 수 있고, 제 2 인버터의 출력에서 기록b 신호(1560)는 낮을 수 있다. 시간(t1)에서, 램프 신호(VRAMP)(1520)는 트랜지스터(1410)의 임계 전압(Vtp) 및 VFD 신호(1530)의 합보다 커지고, 트랜지스터(1410)는 신호(VCOMP)(1540)가 제 1 인버터를 플리핑하도록 트리거링할 수 있는 고 레벨로 증가될 수 있도록 노드(COMP)를 충전하기 위해 턴 온될 수 있다. 따라서, 제 1 인버터의 출력에서 기록 신호(1550)는 낮아질 수 있고, 게이트 지연 후에 제 2 인버터의 출력에서 기록b 신호(1560)는 높아질 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 사전 충전 트랜지스터는 측정 커패시터에서 아날로그 전압 신호의 디지털화 전에 짧은 시간 기간(예로서, 약 1 us) 동안 단지 턴 온된다. 프레임 시간 기간의 나머지 시간 동안, 비교기는 적은 정적 전력을 소비하거나 전혀 소비하지 않을 수 있다. 따라서, 비교기에 의한 정적(DC) 전력 소비가 감소되거나 최소화될 수 있다. 이와 같이, 디지털 픽셀 이미지 센서의 전체 전력 소비는 감소되거나 최소화될 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 기술들은 글로벌 셔터 및 픽셀 당 디지타이저들을 사용함으로써 그리고 각각의 픽셀로부터의 아날로그 신호보다는 디지털 값을 판독함으로써 프레임 레이트를 증가시킬 수 있다. 본 명세서에 개시된 기술들은 또한, CDS 회로를 사용하여 랜덤 및 고정 잡음들(예로서, 오프셋 오차들, 암전류들, 및 1/f 잡음)을 감소시킬 수 있고, 따라서 이미지 센서의 감도, 신호 대 잡음 비(SNR), 동적 범위, 등을 개선한다. 본 명세서에 개시된 기술들은 또한, (복잡한 ADC가 아닌) 비교기 및 디지털 CDS를 사용함으로써 각각의 디지털 픽셀에 대한 픽셀 크기를 감소시킬 수 있고, 따라서 디지털 픽셀 이미지 센서의 밀도 또는 분해능을 증가시킬 수 있다. 본 명세서에 개시된 기술들은 또한, 디지털 픽셀들이 고 전력 모드에서 동작할 수 있는 시간 기간을 감소시킴으로써 그리고 디지털 픽셀의 디지타이저에서 비교기에 의한 정적(DC) 전력 소비를 감소시킴으로써 디지털 픽셀들의 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
도 16은 특정 실시예들에 따른, 일 예시적인 디지털 이미징 방법을 도시하는 흐름도이다. 방법은 예를 들면, 디지털 픽셀 이미지 센서(600) 및/또는 디지털 픽셀(700, 900, 1000, 또는 1100)에 의해 수행될 수 있다. 방법은 디지털 이미지 프레임들을 고감도, 저 잡음 레벨, 및 저 전력 소비를 통해 고 프레임 레이트로 캡쳐하기 위해 사용될 수 있다. 방법은 디지털 픽셀 이미지 센서에서 모든 디지털 픽셀들에 의해 동시에 수행될 수 있다.
블록(1610)에서, 이미지 센서에서 픽셀의 포토다이오드는 노출 기간 동안 광 신호를 수신할 수 있다. 일부 구현들에서, 광 신호를 수신하기 전에 또는 수신하는 동안, 픽셀의 포토다이오드는 예를 들면, 이미지 센서에서 모든 픽셀들의 포토다이오드들의 재설정을 제어하는 전기 셔터 신호에 의해 재설정될 수 있다. 따라서, 이미지 센서에서 모든 픽셀들의 포토다이오드들은 동일한 전기 셔터 신호(즉, 글로벌 전자 셔터)에 의해 동시에 재설정될 수 있다. 포토다이오드는 포토다이오드와 연관된 기생 커패시터에서 모든 전하들을 방전시키기 위해 0V와 같은 DC 전압 레벨로 재설정될 수 있다. 일부 구현들에서, 명시적 또는 기생 커패시터(예로서, 플로팅 확산 노드)와 같은 전하 저장 디바이스(즉, 측정 커패시터)가 또한 재설정될 수 있다. 일부 구현들에서, 픽셀의 포토다이오드는 재설정 스위치(예로서, 재설정 스위치(718) 또는 재설정 게이트(1040)) 및 전송 게이트(예로서, 전송 게이트(704 또는 1020))를 통해 재설정 신호(예로서, 도 10에서 재설정 신호(720) 또는 RST 신호) 및 전송 게이트 제어 신호(예로서, 도 10에서 측정 제어 신호(708) 또는 TX 신호)에 의해 재설정될 수 있다.
블록(1620)에서, 픽셀은 광 신호를 전하 저장 디바이스(예로서, FD 노드)의 전압 레벨로 변환할 수 있다. 노출 기간 동안, 포토다이오드는 예를 들면, 전송 게이트를 턴 오프함으로써 전하 저장 디바이스로부터 분리될 수 있다. 포토다이오드는 광 신호를 수신하는 것에 응답하여 전하들(예로서, 광전자들 또는 정공들) 또는 광 전류들을 생성할 수 있다. 예를 들면, 더 밝은 광 신호를 위해, 포토다이오드는 더 큰 광 전류, 따라서 더 많은 전하들을 생성할 수 있다. 노출 기간 동안 포토다이오드에 의해 생성된 전하들은 통합 커패시터에 축적되거나 통합 커패시터에 의해 집적될 수 있다. 일부 구현들에서, 통합 커패시터는 포토다이오드와 연관된 기생 커패시터 및/또는 포토다이오드에 연결된 회로들일 수 있다. 노출 기간 후에, 전하 저장 디바이스는 축적된 전하들의 적어도 일부 또는 전부를 통합 커패시터로부터 전하 저장 디바이스로 전송하기 위해 예를 들면, 전송 게이트를 턴 온함으로써 포토다이오드에 연결될 수 있다. 일부 구현들에서, 전하 저장 디바이스는 노출 기간의 종료 전의 100㎲에서와 같은, 노출 기간의 종료 전에 재설정될 수 있다. 전송된 전하들은 전하 저장 디바이스(예로서, 측정 커패시터(706) 또는 FD 커패시터(1030))에 전압 신호의 발생(또는 전압 레벨 변화)을 야기할 수 있다. 전압 신호 레벨은 전하 저장 디바이스에 저장된 전하들의 양과 상관될 수 있고, 따라서 광 신호의 밝기 또는 세기와 또한 상관될 수 있다. 전압 신호 레벨은 또한, 전하 저장 디바이스의 정전용량에 의존할 수 있다. 전하 전송 후에, 전하 저장 디바이스는 예를 들면, 전송 게이트를 턴 오프함으로써 포토다이오드로부터 분리될 수 있다.
블록(1630)에서, 픽셀(더 구체적으로, 픽셀의 디지타이저에서의 비교기)은 클럭 신호의 클럭 사이클들의 수를 카운트하는 클럭 카운터로부터 카운터 값을 수신할 수 있다. 클록 카운터는 이미지 센서의 다수 또는 모든 픽셀들에 카운터 값들을 제공하는 글로벌 클록 카운터일 수 있다. 클록 카운터는 디지털화 기간이 시작될 때 클록 사이클들의 수를 카운트하는 것을 시작할 수 있고, 디지털화 기간이 시작되기 전에 또는 디지털화 기간이 종료된 후에 디폴트 값(예로서, 0 또는 0보다 큰 수)으로 재설정될 수 있다.
블록(1640)에서, 픽셀의 비교기는 전하 저장 디바이스의 전압 레벨 및 램프 신호를 비교할 수 있다. 클록 사이클들의 수가 증가함에 따라 램프 신호의 전압 레벨은 선형적으로 증가(즉, 램핑 업하기 위해)하거나 감소(즉, 램핑 다운하기 위해)할 수 있다. 일부 실시예들에서, 램프 신호는 글로벌 기준 신호 생성기에 의해 생성될 수 있다. 예를 들면, 일부 구현들에서, 램프 신호는 클록 카운터의 카운터 값들(카운트된 클록 사이클들의 수들)을 입력들로서 사용하여 DAC에 의해 생성될 수 있고, 이미지 센서의 다수 또는 모든 픽셀들의 비교기들에 의해 기준 신호로서 사용될 수 있다. 전하 저장 디바이스의 전압 레벨은 비교기로 전송되기 전에 (예로서, 선택 신호를 사용하여) 감지되고 (예로서, 상기 설명된 바와 같이 소스 팔로어 증폭기 또는 버퍼에 의해) 증폭될 수 있다. 램프 신호가 전하 저장 디바이스로부터의 감지된(및 증폭된) 전압 레벨보다 낮을(또는 램핑 다운 신호에 대해 더 높을) 때, 비교기의 출력은 저 레벨(또는 일부 구현들에서 고 레벨)일 수 있다. 램프 신호는 클록 사이클들의 증가하는 수에 따라 점진적으로 증가(또는 램프 다운 신호에 대해 감소)할 수 있다.
블록(1650)에서, 램프 신호가 전하 저장 디바이스로부터의 감지된 전압 레벨(예로서, 트랜지스터의 임계 전압에 의해) 이상(또는 램프 다운 신호에 대해 그 이하)의 레벨에 도달하는 시간에, 비교기의 출력은 상태들을 변경시킬 수 있는데, 예를 들면, 저 레벨로부터 고 레벨로 플리핑 또는 토글링될 수 있다.
블록(1660)에서, 비교기의 출력 상태가 변경(예로서, 플리핑 또는 토글링)되는 시간의 클록 카운터의 카운터 값은 예를 들면, 픽셀 메모리에서 n-비트 블록에 제 1 디지털 값으로서 저장될 수 있다. 제 1 디지털 값은 픽셀에서 광 신호의 세기에 대응할 수 있다. 이미지 센서의 각각의 픽셀에 대한 제 1 디지털 값은 디지털 이미지 프레임을 형성하기 위해 라인 단위로 판독될 수 있다.
일부 구현들에서, 노출 기간의 종료 전의 시간에 전하 저장 디바이스가 재설정된 후에, 전하 저장 디바이스의 전압 레벨은 비교기, 클록 카운터, 및 광 신호와 연관된 전압 레벨이 디지털화되는 방식과 유사한 방식으로, 기준 신호 생성기에 의해 생성된 제 2 램프 신호를 사용하여 제 2 디지털 값으로 디지털화될 수 있다. 제 1 디지털 값과 제 2 디지털 값 사이의 차는 픽셀에서 광 신호의 세기의 더 정확한 표현일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 인공 현실 시스템을 포함하거나 그와 결부하여 구현될 수 있다. 인공 현실은 예로서, 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실, 또는 그들의 일부 조합 및/또는 그들의 파생물들을 포함할 수 있는, 사용자에게 제공하기 전에 일부 방식으로 조정된 현실의 형태이다. 인공 현실 콘텐트는 캡쳐된(예로서, 실세계) 콘텐트와 조합된 생성된 콘텐트 또는 완전히 생성된 콘텐트를 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐트는 비디오, 오디오, 햅틱 피드백, 또는 그들의 일부 조합을 포함할 수 있고, 이들 중 임의의 것은 단일 채널로 또는 다수의 채널들(뷰어에게 3차원 효과를 생성하는 스테레오 비디오와 같은)로 제공될 수 있다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 인공 현실은 또한 예로서, 인공 현실에서 콘텐트를 생성하기 위해 사용되고 및/또는 인공 현실에서 달리 사용되는(예로서, 인공 현실에서 활동들을 수행함) 애플리케이션들, 제품들, 액세서리들, 서비스들, 또는 그들의 일부 조합과 연관될 수 있다. 인공 현실 콘텐트를 제공하는 인공 현실 시스템은 호스트 컴퓨터 시스템에 연결된 머리 장착 디스플레이(HMD), 독립형 HMD, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 인공 현실 콘텐트를 하나 이상의 뷰어들에게 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼을 포함하는, 다양한 플랫폼들에서 구현될 수 있다.
도 17은 특정 실시예들에 따른, 근안 디스플레이(1720)를 포함하는 일 예시적인 인공 현실 시스템 환경(1700)의 단순화된 블록도이다. 도 17에 도시된 인공 현실 시스템 환경(1700)은 근안 디스플레이(1720), 외부 이미징 디바이스(1750), 및 콘솔(1710)에 각각 결합되는 입력/출력 인터페이스(1740)를 포함할 수 있다. 도 17이 하나의 근안 디스플레이(1720), 하나의 외부 이미징 디바이스(1750), 및 하나의 입력/출력 인터페이스(1740)를 포함하는 예시적인 인공 현실 시스템 환경(1700)을 도시할지라도, 임의의 수의 이들 구성요소들이 인공 현실 시스템 환경(1700)에 포함될 수 있거나, 구성요소들 중 임의의 구성요소가 생략될 수 있다. 예를 들면, 콘솔(1710)과 통신하는 하나 이상의 외부 이미징 디바이스들(1750)에 의해 모니터링된 다수의 근안 디스플레이들(1720)이 존재할 수 있다. 대안적인 구성들에서, 상이하거나 부가적인 구성요소들이 인공 현실 시스템 환경(1700)에 포함될 수 있다.
근안 디스플레이(1720)는 콘텐트를 사용자에게 제공하는 머리 장착 디스플레이(HMD)일 수 있다. 근안 디스플레이(1720)에 의해 제공된 콘텐트의 예들은 이미지들, 비디오들, 오디오들, 또는 그들의 일부 조합 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 오디오들은 근안 디스플레이(1720), 콘솔(1710), 또는 둘 모두로부터 오디오 정보를 수신하고, 오디오 정보에 기초하여 오디오 데이터를 제공하는 외부 디바이스(예로서, 스피커들 및/또는 헤드폰들)를 통해 제공될 수 있다. 근안 디스플레이(1720)는 서로 견고하거나 견고하지 않게 결합될 수 있는 하나 이상의 강체들을 포함할 수 있다. 강체들 사이의 강성 결합은 결합된 강체들로 하여금 단일 강성 개체로서 작용하게 할 수 있다. 강체들 사이의 비강성 결합은 강체들이 서로에 관해 이동하는 것을 허용할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 근안 디스플레이(1720)는 한 쌍의 안경들을 포함하는 임의의 적합한 폼 인자로 구현될 수 있다. 근안 디스플레이(1720)의 일부 실시예들은 도 2 및 도 3에 대해 하기에 또한 설명된다. 부가적으로, 다양한 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 기능은 근안 디스플레이(1720) 외부의 환경의 이미지들 및 콘솔(1710)로부터, 또는 콘텐트를 생성하고 상기 콘텐트를 사용자에게 제공하는 임의의 다른 콘솔로부터 수신된 콘텐트를 광학적으로 또는 전기적으로 결합하는 헤드셋에서 사용될 수 있다. 따라서, 근안 디스플레이(1720)는 사용자에게 증강 현실을 제공하기 위해 생성된 콘텐트(예로서, 이미지들, 비디오, 사운드, 등)로 근안 디스플레이(1720) 외부의 물리적 실세계 환경의 이미지들을 증강할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 근안 디스플레이(1720)는 디스플레이 전자 장치(1722), 디스플레이 광학부(1724), 하나 이상의 위치자(locator)들(1726), 하나 이상의 위치 센서들(1728), 눈 추적 유닛(1730), 및 관성 측정 유닛(IMU)(1732) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 근안 디스플레이(1720)는 다양한 실시예들에서 이들 요소들 중 임의의 요소를 생략하거나 부가적인 요소들을 포함할 수 있다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 근안 디스플레이(1720)는 도 17과 결부하여 설명된 다양한 요소들의 기능을 조합하는 요소들을 포함할 수 있다.
디스플레이 전자 장치(1722)는 콘솔(1710)로부터 수신된 데이터에 따라 이미지들을 사용자에게 디스플레이할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 디스플레이 전자 장치(1722)는 가상 또는 실제 객체들의 이미지들을 생성하기 위한 회로들, 및/또는 하기에 상세히 설명된 전기적으로 조정가능한 거울들과 같은, 디스플레이 광학부(1724)의 일부 구성요소들을 구동하기 위한 회로들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 전자 장치(1722)는 액정 디스플레이(LCD), 액정 온 실리콘(LCOS) 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이, 마이크로 발광 다이오드(mLED) 디스플레이, 능동 매트릭스 OLED 디스플레이(AMOLED), 투명 OLED 디스플레이(TOLED), 디지털 마이크로-미러 디바이스(DMD), 또는 일부 다른 디스플레이와 같은, 하나 이상의 디스플레이 패널들을 포함할 수 있다. 근안 디스플레이(1720)의 하나의 구현에서, 디스플레이 전자 장치(1722)는 적색, 녹색, 청색, 백색, 또는 황색과 같은 주된 컬러의 광을 방출하기 위해 서브-픽셀들을 포함할 수 있는 TOLED 패널을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 디스플레이 전자 장치(1722)는 이미지 깊이의 주관적인 지각을 생성하기 위해 2차원 패널들에 의해 생성된 스테레오 효과들을 통해 3D 이미지를 디스플레이할 수 있다. 예를 들면, 디스플레이 전자 장치(1722)는 사용자의 좌측 눈 및 우측 눈의 정면에 각각 배치된 좌측 디스플레이 및 우측 디스플레이를 포함할 수 있다. 좌측 및 우측 디스플레이들은 입체 영상 효과(즉, 이미지를 뷰잉하는 사용자에 의한 이미지 깊이의 지각)를 생성하기 위해 서로에 관해 수평으로 시프트된 이미지의 사본들을 제공할 수 있다.
특정 실시예들에서, 디스플레이 광학부(1724)는 이미지 콘텐트를 광학적으로 디스플레이하거나(예로서, 광 도파관들 및 결합기들을 이용하여), 디스플레이 전자 장치(1722)로부터 수신된 이미지 광을 확대하고, 이미지 광과 연관된 광 오차들을 정정하고, 디스플레이 전자 장치(1722)로부터의 이미지 광 및 환경을 조합하며, 정정되고 조합된 이미지 광을 근안 디스플레이(1720)의 사용자에게 제공할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 디스플레이 광학부(1724)는 하나 이상의 광학 요소들을 포함할 수 있다. 예시적인 광학 요소들은 기판, 광학 도파관들, 애퍼쳐, 프레넬 렌즈, 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 필터, 거울, 회절 광학 요소(DOE), 또는 디스플레이 전자 장치(1722) 및 환경으로부터 방출된 이미지 광에 영향을 줄 수 있는 임의의 다른 적합한 광학 요소를 포함할 수 있다. 디스플레이 광학부(1724)는 조합에서 광학 요소들의 상대적 간격 및 방향을 유지하기 위해 기계적 결합들 뿐만 아니라, 상이한 광학 요소들의 조합을 포함할 수 있다. 디스플레이 광학부(1724)에서의 하나 이상의 광학 요소들은 반사 방지 코팅, 반사 코팅, 필터링 코팅, 또는 상이한 광학 코팅들의 조합과 같은 광학 코팅을 가질 수 있다.
디스플레이 광학부(1724)에 의한 이미지 광의 확대는 디스플레이 전자 장치(1722)가 물리적으로 더 작고, 덜 무게가 나가며, 더 큰 디스플레이들보다 전력을 덜 소비하게 하는 것을 허용할 수 있다. 부가적으로, 확대는 디스플레이된 콘텐트의 시야를 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 광학부(1724)는 디스플레이 전자 장치(1722)에 의해 투영된 이미지 광을 확대하기 위해 디스플레이 광학부(1724)와 디스플레이 전자 장치(1722) 사이의 간격보다 큰 유효 초점 길이를 가질 수 있다. 디스플레이 광학부(1724)에 의한 이미지 광의 확대량은 디스플레이 광학부(1724)로부터 광학 요소들을 부가하거나 제거함으로써 조정될 수 있다.
디스플레이 광학부(1724)는 2차원 광학 오차들, 3차원 광학 오차들, 또는 그들의 조합과 같은, 하나 이상의 유형들의 광학 오차들을 정정하도록 설계될 수 있다. 2차원 오차들은 2차원들에서 발생하는 광학 수차들을 포함할 수 있다. 2차원 오차들의 예시적인 유형들은 배럴 왜곡, 핀쿠션 왜곡, 종방향 색 수차, 및 횡방향 색 수차를 포함할 수 있다. 3차원 오차들은 3차원들에서 발생하는 광학 오차들을 포함할 수 있다. 3차원 오차들의 예시적인 유형들은 구면 수차, 코마틱 수차, 필드 곡률, 및 비점 수차(astigmatism)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이를 위해 디스플레이 전자 장치(1722)에 제공된 콘텐트는 사전 왜곡될 수 있고, 디스플레이 광학부(1724)는 그것이 사전 왜곡된 콘텐트에 기초하여 생성된 디스플레이 전자 장치(1722)로부터 이미지 광을 수신할 때 왜곡을 정정할 수 있다.
위치자들(1726)은 서로에 관해 그리고 근안 디스플레이(1720)의 기준 지점에 관해 근안 디스플레이(1720)의 특정 위치들에 위치된 객체들일 수 있다. 콘솔(1710)은 인공 현실 헤드셋의 위치, 방향, 또는 둘 모두를 결정하기 위해 외부 이미징 디바이스(1750)에 의해 캡쳐된 이미지들에서 위치자들(1726)을 식별할 수 있다. 위치자(1726)는 발광 다이오드(LED), 코너 큐브 반사기, 반사 표시자, 근안 디스플레이(1720)가 동작하는 환경과 대조되는 광원의 유형, 또는 그들의 일부 조합들일 수 있다. 위치자들(1726)이 능동 구성요소들(예로서, LED들 또는 다른 유형들의 발광 디바이스들)인 실시예들에서, 위치자들(1726)은 가시 대역(예로서, 약 380 nm 내지 750 nm), 적외선(IR) 대역(예로서, 약 750 nm 내지 17 mm), 자외선 대역(예로서, 약 170 nm 내지 약 380 nm), 전자기 스펙트럼의 또 다른 부분에서, 또는 전자기 스펙트럼의 부분들의 임의의 조합에서 광을 방출할 수 있다.
외부 이미징 디바이스(1750)는 콘솔(1710)로부터 수신된 교정 파라미터들에 기초하여 느린 교정 데이터를 생성할 수 있다. 느린 교정 데이터는 외부 이미징 디바이스(1750)에 의해 검출가능한 위치자들(1726)의 관측된 위치들을 보여주는 하나 이상의 이미지들을 포함할 수 있다. 외부 이미징 디바이스(1750)는 하나 이상의 카메라들, 하나 이상의 비디오 카메라들, 위치자들(1726) 중 하나 이상을 포함하는 이미지들을 캡쳐할 수 있는 임의의 다른 디바이스, 또는 그들의 일부 조합들을 포함할 수 있다. 부가적으로, 외부 이미징 디바이스(1750)는 (예로서, 신호 대 잡음비를 증가시키기 위해) 하나 이상의 필터들을 포함할 수 있다. 외부 이미징 디바이스(1750)는 외부 이미징 디바이스(1750)의 시야로 위치자들(1726)로부터 방출되거나 반사된 광을 검출하도록 구성될 수 있다. 위치자들(1726)이 수동 요소들(예로서, 역반사기들)을 포함하는 실시예들에서, 외부 이미징 디바이스(1750)는 외부 이미징 디바이스(1750)에서 광원으로 광을 역 반사할 수 있는 위치자들(1726) 중 일부 또는 전부를 조명하는 광원을 포함할 수 있다. 느린 교정 데이터는 외부 이미징 디바이스(1750)로부터 콘솔(1710)로 전달될 수 있고, 외부 이미징 디바이스(1750)는 하나 이상의 이미징 파라미터들(예로서, 초점 길이, 초점, 프레임 레이트, 센서 온도, 셔터 속도, 개구부, 등)을 조정하기 위해 콘솔(1710)로부터의 하나 이상의 교정 파라미터들을 수신할 수 있다.
위치 센서들(1728)은 근안 디스플레이(1720)의 이동에 응답하여 하나 이상의 측정 신호들을 생성할 수 있다. 위치 센서들(1728)의 예들은 가속도계들, 자이로스코프들, 자력계들, 다른 이동 검출 또는 오차 정정 센서들, 또는 그들의 일부 조합들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 위치 센서들(1728)은 병진 운동(예로서, 전진/후진, 위/아래, 또는 좌측/우측)을 측정하기 위한 다수의 가속도계들 및 회전 운동(예로서, 피치, 요(yaw), 또는 롤(roll))을 측정하기 위한 다수의 자이로스코프들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 다양한 위치 센서들이 서로 직교로 지향될 수 있다.
IMU(1732)는 위치 센서들(1728) 중 하나 이상으로부터 수신된 측정 신호들에 기초하여 빠른 교정 데이터를 생성하는 전자 디바이스일 수 있다. 위치 센서들(1728)은 IMU(1732) 외부에, IMU(1732) 내부에, 또는 그들의 일부 조합에 위치될 수 있다. 하나 이상의 위치 센서들(1728)로부터의 하나 이상의 측정 신호들에 기초하여, IMU(1732)는 근안 디스플레이(1720)의 초기 위치에 관한 근안 디스플레이(1720)의 추정된 위치를 나타내는 빠른 교정 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들면, IMU(1732)는 속도 벡터를 추정하기 위해 시간에 따라 가속도계들로부터 수신된 측정 신호들을 통합하고 근안 디스플레이(1720)의 기준 지점의 추정된 위치를 결정하기 위해 시간에 따라 속도 벡터를 통합할 수 있다. 대안적으로, IMU(1732)는 샘플링된 측정 신호들을 콘솔(1710)에 제공할 수 있고, 이는 빠른 교정 데이터를 결정할 수 있다. 기준 지점이 일반적으로, 공간의 지점으로서 정의될 수 있을지라도, 다양한 실시예들에서, 기준 지점은 또한, 근안 디스플레이(1720) 내의 지점(예로서, IMU(1732)의 중심)으로서 정의될 수 있다.
눈 추적 유닛(1730)은 하나 이상의 눈 추적 시스템들을 포함할 수 있다. 눈 추적 시스템은 눈에 의해 반사된 광이 이미징 시스템에 의해 캡쳐될 수 있도록, 하나 이상의 눈들을 이미징하기 위한 이미징 시스템을 포함할 수 있고 눈으로 지향되는 광을 생성할 수 있는 광 방출기를 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들면, 눈 추적 유닛(1730)은 가시 스펙트럼 또는 적외선 스펙트럼에서 광을 방출하는 간섭성 광원(coherent light source)(예로서, 레이저 다이오드), 및 사용자의 눈에 의해 반사된 광을 캡쳐하는 카메라를 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 눈 추적 유닛(1730)은 소형 레이더 유닛에 의해 방출된 반사된 전파들을 캡쳐할 수 있다. 눈 추적 유닛(1730)은 눈을 손상시키지 않거나 신체적 불편함을 야기하지 않을 주파수들 및 세기들로 빛을 방출하는 저 전력 광 방출기들을 사용할 수 있다. 눈 추적 유닛(1730)은 눈 추적 유닛(1730)에 의해 소비된 전체 전력을 감소시키면서(예로서, 눈 추적 유닛(1730)에 포함된 이미징 시스템 및 광 방출기에 의해 소비된 전력을 감소시키면서) 눈 추적 유닛(1730)에 의해 캡쳐된 눈의 이미지들에서 콘트라스트를 증가시키도록 배열될 수 있다. 예를 들면, 일부 구현들에서, 눈 추적 유닛(1730)은 1700 밀리와트 미만의 전력을 소비할 수 있다.
눈 추적 유닛(1730)은 사용자의 눈의 방향을 추정하도록 구성될 수 있다. 눈의 방향은 근안 디스플레이(1720) 내에서 사용자의 응시 방향에 대응할 수 있다. 사용자의 눈의 방향은 중심와(fovea)(가장 높은 농도의 광수용체들을 갖는 눈의 망막 상의 영역)와 사용자의 동공의 중심 사이의 축인 중심와축의 방향으로서 정의될 수 있다. 일반적으로, 사용자의 눈들이 하나의 지점에 고정될 때, 사용자의 두 눈들의 중심와축들은 그 지점과 교차한다. 눈의 동공축은 동공의 중심을 통과하고 각막 표면에 수직인 축으로서 정의될 수 있다. 일반적으로, 동공축 및 중심와축이 동공의 중심에서 교차하더라도, 동공축은 중심와축과 직접적으로 정렬되지 않을 수 있다. 중심와축이 눈의 뒤쪽에 위치되는 중심와에 따라 정의되기 때문에, 중심와축은 일부 안구 추적 실시예들에서 직접적으로 측정하는 것이 어렵거나 불가능할 수 있다. 그에 따라, 일부 실시예들에서, 동공축의 방향이 검출될 수 있고 중심와축은 검출된 동공축에 기초하여 추정될 수 있다.
근안 디스플레이(1720)는 예로서, 사용자의 동공 간 거리(IPD)를 결정하기 위해, 응시 방향을 결정하기 위해, 깊이 신호들을 도입하기 위해(예로서, 사용자의 주 시선 외부의 이미지를 흐리게하기 위해), 인공 현실 미디어에서 사용자 상호작용에 관한 휴리스틱(heuristic)들(예로서, 노출된 자극들의 함수로서 임의의 특정한 주제, 객체, 또는 프레임에 소요된 시간)을 수집하기 위해, 사용자의 눈들 중 적어도 하나의 방향에 부분적으로 기초하는 일부 다른 기능들, 또는 그들의 일부 조합을 위해 눈의 방향을 사용할 수 있다. 방향이 사용자의 양쪽 눈들에 대해 결정될 수 있기 때문에, 눈 추적 유닛(1730)은 사용자가 보고 있는 곳을 결정할 수 있다. 예를 들면, 사용자의 응시 방향을 결정하는 것은 사용자의 좌측 및 우측 눈들의 결정된 방향들에 기초하여 수렴 지점을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 수렴 지점은 사용자의 눈들의 2개의 중심와축들이 교차하는 지점(또는 2개의 축들 사이의 가장 가까운 지점)일 수 있다. 사용자의 응시 방향은 수렴 지점을 통과하는 라인의 방향 및 사용자의 눈들의 동공들 사이의 중간 지점일 수 있다.
입력/출력 인터페이스(1740)는 사용자가 동작 요청들을 콘솔(1710)로 전송하는 것을 허용하는 디바이스일 수 있다. 동작 요청은 특정한 동작을 수행하기 위한 요청일 수 있다. 예를 들면, 동작 요청은 애플리케이션을 시작 또는 종료하거나 애플리케이션 내에서 특정한 동작을 수행하는 것일 수 있다. 입력/출력 인터페이스(1740)는 하나 이상의 입력 디바이스들을 포함할 수 있다. 예시적인 입력 디바이스들은 키보드, 마우스, 게임 제어기, 장갑, 버튼, 터치 스크린, 또는 동작 요청들을 수신하고 수신된 동작 요청들을 콘솔(1710)에 전달하기 위한 임의의 다른 적합한 디바이스를 포함할 수 있다. 입력/출력 인터페이스(1740)에 의해 수신된 동작 요청은 요청된 동작에 대응하는 동작을 수행할 수 있는 콘솔(1710)에 전달될 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력/출력 인터페이스(1740)는 콘솔(1710)로부터 수신된 지시들에 따라 햅틱 피드백을 사용자에게 제공할 수 있다. 예를 들면, 입력/출력 인터페이스(1740)는 동작 요청이 수신될 때, 또는 콘솔(1710)이 요청된 동작을 수행했고 지시들을 입력/출력 인터페이스(1740)에 전달할 때 햅틱 피드백을 제공할 수 있다.
콘솔(1710)은 외부 이미징 디바이스(1750), 근안 디스플레이(1720), 및 입력/출력 인터페이스(1740) 중 하나 이상으로부터 수신된 정보에 따라 사용자에게 제공하기 위해 콘텐트를 근안 디스플레이(1720)에 제공할 수 있다. 도 17에 도시된 예에서, 콘솔(1710)은 애플리케이션 저장장치(1712), 헤드셋 추적 모듈(1714), 인공 현실 엔진(1716), 및 눈 추적 모듈(1718)을 포함할 수 있다. 콘솔(1710)의 일부 실시예들은 도 17과 결부하여 설명된 것들과 상이하거나 부가적인 모듈들을 포함할 수 있다. 하기에 또한 설명된 기능들은 본 명세서에서 설명된 것과 상이한 방식으로 콘솔(1710)의 구성요소들 사이에 분배될 수 있다.
일부 실시예들에서, 콘솔(1710)은 프로세서 및 프로세서에 의해 실행가능한 지시들을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독가능한 저장 매체를 포함할 수 있다. 프로세서는 지시들을 동시에 실행하는 다수의 프로세싱 유닛들을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 저장 매체는 하드 디스크 드라이브, 착탈가능한 메모리, 또는 고체 상태 드라이브(예로서, 플래시 메모리 또는 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM))와 같은 임의의 메모리일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 도 17과 결부하여 설명된 콘솔(1710)의 모듈들은 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 하기에 또한 설명된 기능들을 수행하게 하는 비일시적 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에서 지시들로서 인코딩될 수 있다.
애플리케이션 저장장치(1712)는 콘솔(1710)에 의해 실행하기 위한 하나 이상의 애플리케이션들을 저장할 수 있다. 애플리케이션은 프로세서에 의해 실행될 때 사용자에게 제공하기 위한 콘텐트를 생성하는 지시들의 그룹을 포함할 수 있다. 애플리케이션에 의해 생성된 콘텐트는 사용자의 눈들의 움직임을 통해 사용자로부터 수신된 입력들 또는 입력/출력 인터페이스(1740)로부터 수신된 입력들에 응답하는 것일 수 있다. 애플리케이션들의 예들은 게임 애플리케이션들, 회의 애플리케이션들, 비디오 재생 애플리케이션들, 또는 다른 적합한 애플리케이션들을 포함할 수 있다.
헤드셋 추적 모듈(1714)은 외부 이미징 디바이스(1750)로부터의 느린 교정 정보를 사용하여 근안 디스플레이(1720)의 이동들을 추적할 수 있다. 예를 들면, 헤드셋 추적 모듈(1714)은 근안 디스플레이(1720)의 모델 및 느린 교정 정보로부터의 관측된 위치자들을 사용하여 근안 디스플레이(1720)의 기준 지점의 위치들을 결정할 수 있다. 헤드셋 추적 모듈(1714)은 또한, 빠른 교정 정보로부터의 위치 정보를 사용하여 근안 디스플레이(1720)의 기준 지점의 위치들을 결정할 수 있다. 부가적으로, 일부 실시예들에서, 헤드셋 추적 모듈(1714)은 근안 디스플레이(1720)의 미래 위치를 예측하기 위해 빠른 교정 정보, 느린 교정 정보, 또는 그들의 일부 조합의 부분들을 사용할 수 있다. 헤드셋 추적 모듈(1714)은 근안 디스플레이(1720)의 추정되거나 예측된 미래 위치를 인공 현실 엔진(1716)에 제공할 수 있다.
헤드셋 추적 모듈(1714)은 하나 이상의 교정 파라미터들을 사용하여 인공 현실 시스템 환경(1700)을 교정할 수 있고, 근안 디스플레이(1720)의 위치의 결정 시에 오류들을 감소시키기 위해 하나 이상의 교정 파라미터들을 조정할 수 있다. 예를 들면, 헤드셋 추적 모듈(1714)은 근안 디스플레이(1720)의 관측된 위치자들에 대한 더 정확한 위치를 얻기 위해 외부 이미징 디바이스(1750)의 초점을 조정할 수 있다. 게다가, 헤드셋 추적 모듈(1714)에 의해 수행된 교정은 또한, IMU(1732)로부터 수신된 정보를 설명할 수 있다. 부가적으로, 근안 디스플레이(1720)의 추적이 실패하면(예로서, 외부 이미징 디바이스(1750)가 적어도 임계 수의 위치자들(1726)의 시선을 놓쳐버림), 헤드셋 추적 모듈(1714)은 교정 파라미터들의 일부 또는 전부를 재교정할 수 있다.
인공 현실 엔진(1716)은 인공 현실 시스템 환경(1700) 내에서 애플리케이션들을 실행하고 근안 디스플레이(1720)의 위치 정보, 근안 디스플레이(1720)의 가속 정보, 근안 디스플레이(1720)의 속도 정보, 근안 디스플레이(1720)의 예측된 미래 위치들, 또는 헤드셋 추적 모듈(1714)로부터의 그들의 일부 조합을 수신할 수 있다. 인공 현실 엔진(1716)은 또한, 눈 추적 모듈(1718)로부터 추정된 눈 위치 및 방향 정보를 수신할 수 있다. 수신된 정보에 기초하여, 인공 현실 엔진(1716)은 사용자에게 제공하기 위해 근안 디스플레이(1720)에 제공할 콘텐트를 결정할 수 있다. 예를 들면, 수신된 정보가 사용자가 좌측을 바라본 것을 나타내면, 인공 현실 엔진(1716)은 가상 환경에서 사용자의 눈 움직임을 미러링하는 근안 디스플레이(1720)를 위한 콘텐트를 생성할 수 있다. 부가적으로, 인공 현실 엔진(1716)은 입력/출력 인터페이스(1740)로부터 수신된 동작 요청에 응답하여 콘솔(1710)에서 실행하는 애플리케이션 내에서 동작을 수행하고, 동작이 수행되었음을 나타내는 피드백을 사용자에게 제공할 수 있다. 피드백은 근안 디스플레이(1720)를 통한 시각적 또는 청취가능한 피드백이거나 입력/출력 인터페이스(1740)를 통한 햅틱 피드백일 수 있다.
눈 추적 모듈(1718)은 눈 추적 유닛(1730)으로부터 눈 추적 데이터를 수신하고 눈 추적 데이터에 기초하여 사용자의 눈의 위치를 결정할 수 있다. 눈의 위치는 근안 디스플레이(1720) 또는 그것의 임의의 요소에 관한 눈의 방향, 위치, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 눈의 회전축들이 그것의 소켓에서 눈의 위치의 함수로서 변경되기 때문에, 그것의 소켓에서 눈의 위치를 결정하는 것은 눈 추적 모듈(1718)이 눈의 방향을 더 정확하게 결정하는 것을 허용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 눈 추적 유닛(1730)은 눈의 이미지들을 포함하는 눈 추적 데이터를 출력할 수 있고, 눈 추적 모듈(1718)은 이미지들에 기초하여 눈의 위치를 결정할 수 있다. 예를 들면, 눈 추적 모듈(1718)은 눈 추적 유닛(1730)에 의해 캡쳐된 이미지로부터 기준 눈 위치를 결정하기 위해 눈 추적 유닛(1730)에 의해 캡쳐된 이미지들과 눈 위치들 사이의 매핑을 저장할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 눈 추적 모듈(1718)은 기준 눈 위치가 결정되는 이미지와 업데이트된 눈 위치가 결정되어야 하는 이미지를 비교함으로써 기준 눈 위치에 관한 업데이트된 눈 위치를 결정할 수 있다. 눈 추적 모듈(1718)은 상이한 이미징 디바이스들 또는 다른 센서들로부터의 측정들을 사용하여 눈 위치를 결정할 수 있다. 예를 들면, 상기 설명된 바와 같이, 눈 추적 모듈(1718)은 다음 기준 눈 위치가 저속 눈 추적 시스템으로부터의 측정들에 기초하여 결정될 때까지 기준 눈 위치를 결정하고, 그 다음 고속 눈 추적 시스템으로부터 기준 눈 위치에 관한 업데이트된 위치들을 결정하기 위해 저속 눈 추적 시스템으로부터의 측정들을 사용할 수 있다.
상기 논의된 방법들, 시스템들, 및 디바이스들은 예들이다. 다양한 실시예들은 다양한 절차들 또는 구성요소들을 적절히 생략, 대체, 또는 부가할 수 있다. 예를 들면, 대안적인 구성들에서, 설명된 방법들은 설명된 것과 상이한 순서로 수행될 수 있고, 및/또는 다양한 단계들이 부가되고, 생략되고, 및/또는 조합될 수 있다. 또한, 특정 실시예들에 대해 설명된 특징들은 다양한 다른 실시예들에서 조합될 수 있다. 실시예들의 상이한 양태들 및 요소들은 유사한 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 기술이 진화하고, 따라서 많은 요소들은 본 발명의 범위를 그들 특정 예들로 제한하지 않는 예들이다.
실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 상세들이 설명에 제공된다. 그러나, 이들 특정 상세들 없이 실시예들이 실행될 수 있다. 예를 들면, 잘 알려진 회로들, 프로세스들, 시스템들, 구조들, 및 기술들은 실시예들을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 불필요한 상세없이 도시되었다. 이 설명은 예시적인 실시예들만을 제공하며, 본 발명의 범위, 적용가능성, 또는 구성을 제한하도록 의도되지 않는다. 오히려, 실시예들의 상기 설명은 당업자들에게 다양한 실시예들을 구현하기 위한 가능한 설명을 제공할 것이다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 요소들의 기능 및 배열에서 다양한 변경들이 행해질 수 있다.
또한, 일부 실시예들은 흐름도들 또는 블록도들로서 묘사된 프로세스들로서 설명되었다. 각각이 순차적 프로세스로서 동작들을 설명할 수 있을지라도, 많은 동작들은 병렬로 또는 동시에 수행될 수 있다. 게다가, 동작들의 순서가 재배열될 수 있다. 프로세스는 도면에 포함되지 않은 부가적인 단계들을 가질 수 있다. 또한, 방법들의 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어들, 또는 그들의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 또는 마이크로코드로 구현될 때, 연관된 작업들을 수행하기 위한 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트들은 저장 매체와 같은 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장될 수 있다. 프로세서들은 연관된 작업들을 수행할 수 있다.
특정 요구조건들에 따라 실질적인 변형들이 행해질 수 있음이 당업자들에게 명백할 것이다. 예를 들면, 맞춤형 또는 특수 목적 하드웨어가 또한, 사용될 수 있고, 및/또는 특정 요소들이 하드웨어, 소프트웨어(애플릿들, 등과 같은 휴대가능한 소프트웨어를 포함함), 또는 둘 모두로 구현될 수 있다. 게다가, 네트워크 입력/출력 디바이스들과 같은 다른 컴퓨팅 디바이스들에 대한 연결이 사용될 수 있다.
첨부된 도면들을 참조하면, 메모리를 포함할 수 있는 구성요소들은 비일시적 기계 판독가능한 매체들을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "기계 판독가능한 매체" 및 "컴퓨터 판독가능한 매체"는 기계로 하여금 특정 방식으로 동작하게 하는 데이터의 제공에 참여하는 임의의 저장 매체를 언급한다. 본 명세서에서 상기 제공된 실시예들에서, 다양한 기계 판독가능한 매체들은 실행을 위한 다른 디바이스(들) 및/또는 프로세싱 유닛들에 지시들/코드를 제공하는데 관여될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 기계 판독가능한 매체들은 이러한 지시들/코드를 저장하고, 및/또는 운반하기 위해 사용될 수 있다. 많은 구현들에서, 컴퓨터 판독가능한 매체는 물리적 및/또는 유형의 저장 매체이다. 이러한 매체는 비휘발성 매체들, 휘발성 매체들, 및 송신 매체들을 포함하지만 그들로 제한되지 않는 많은 형태들을 취할 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체들의 공통적인 형태들은 예를 들면, 콤팩트 디스크(CD) 또는 디지털 다기능 디스크(DVD)와 같은 자기 및/또는 광학 매체들, 펀치 카드들, 종이 테이프, 정공들의 패턴들을 갖는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, 프로그래밍가능한 판독 전용 메모리(PROM), 소거가능한 프로그래밍가능한 판독 전용 메모리(EPROM), 플래시-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 이하에 설명된 바와 같은 반송파, 또는 컴퓨터가 지시들 및/또는 코드를 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 제품은 절차, 기능, 서브프로그램, 프로그램, 루틴, 애플리케이션(App), 서브루틴, 모듈, 소프트웨어 패키지, 클래스, 또는 지시들, 데이터 구조들, 또는 프로그램문들의 임의의 조합을 표현할 수 있는 코드 및/또는 기계 실행가능한 지시들을 포함할 수 있다.
당업자들은 본 명세서에서 설명된 메시지들을 전달하기 위해 사용된 정보 및 신호들이 다양한 상이한 과학 기술들 및 기술들 중 임의의 것을 사용하여 표현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 상기 설명 전반에 걸쳐 참조될 수 있는 데이터, 지시들, 명령어들, 정보, 신호들, 비트들, 기호들, 및 칩들은 전압들, 전류들, 전자파들, 자기장들 또는 입자들, 광학장들 또는 입자들, 또는 그들의 임의의 조합으로 표현될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어들 "및" 및 "또는"은 이러한 용어들이 사용되는 문맥에 적어도 부분적으로 의존할 것으로 또한 예상되는 다양한 의미들을 포함할 수 있다. 전형적으로, A, B, 또는 C와 같은 목록을 연관시키기 위해 사용되는 경우 "또는"은 본 명세서에서 포괄적인 의미로 사용된 A, B, 및 C 뿐만 아니라, 본 명세서에서 독점적인 의미로 사용된 A, B, 또는 C를 의미한다. 게다가, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "하나 이상"은 단수의 임의의 특징, 구조, 또는 특성을 설명하기 위해 사용될 수 있거나 특징들, 구조들, 또는 특성들의 일부 조합을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이것은 단지 예시적인 예이고 청구된 주제는 이 예로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 또한, A, B, 또는 C와 같은 목록을 연관시키기 위해 사용되는 경우 용어 "~중 적어도 하나"는 A, AB, AC, BC, AA, ABC, AAB, AABBCCC, 등과 같은 A, B, 및/또는 C의 임의의 조합을 의미하도록 해석될 수 있다.
게다가, 특정 실시예들이 하드웨어 및 소프트웨어의 특정한 조합을 사용하여 설명될지라도, 하드웨어 및 소프트웨어의 다른 조합들도 또한 가능하다는 것을 인식해야 한다. 특정 실시예들은 단지 하드웨어로, 또는 단지 소프트웨어로, 또는 그들의 조합들을 사용하여 구현될 수 있다. 하나의 예에서, 소프트웨어는 본 발명에서 설명된 단계들, 동작들, 또는 프로세스들 중 임의의 것 또는 전부를 수행하기 위해 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행가능한 컴퓨터 프로그램 코드 또는 지시들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로 구현될 수 있고, 여기서 컴퓨터 프로그램은 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 다양한 프로세스들은 임의의 조합으로 동일한 프로세서 또는 상이한 프로세서들에서 구현될 수 있다.
디바이스들, 시스템들, 구성요소들 또는 모듈들이 특정 동작들 또는 기능들을 수행하도록 구성되는 것으로서 설명되는 경우, 이러한 구성은 컴퓨터 지시들 또는 코드, 또는 비일시적 메모리 매체에 저장된 코드 또는 지시들을 실행하도록 프로그래밍된 프로세서들 또는 코어들, 또는 그들의 임의의 조합을 실행함으로써와 같은 동작을 수행하기 위해 예를 들면, 프로그래밍가능한 전자 회로들(마이크로프로세서들과 같은)을 프로그래밍함으로써 동작을 수행하기 위한 전자 회로들을 설계함으로써 달성될 수 있다. 프로세스들은 프로세스 간 통신들을 위한 종래의 기술을 포함하지만 그것으로 제한되지 않는 다양한 기술들을 사용하여 통신할 수 있고, 상이한 쌍들의 프로세스들은 상이한 기술들을 사용할 수 있거나, 동일한 쌍의 프로세스들은 상이한 시간들에서 상이한 기술들을 사용할 수 있다.
명세서 및 도면들은 그에 따라, 제한적인 의미가 아니라 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 그러나, 청구항들에 제시된 바와 같이 더 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않고 부가들, 감산들, 삭제들, 및 다른 수정들 및 변경들이 그에 대해 행해질 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 특정 실시예들이 설명되었을지라도, 이들은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 다양한 수정들 및 등가물들은 다음의 청구항들의 범위 내에 있다.
Claims (20)
- 디지털 픽셀 이미지 센서에 있어서:
복수의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은:
광 신호에 응답하여 전하들을 생성하도록 구성된 포토다이오드;
상기 포토다이오드에 의해 생성된 상기 전하들을 저장하도록 구성된 전하 저장 디바이스로서, 상기 저장된 전하들은 상기 전하 저장 디바이스에 전압 신호를 야기하는, 상기 전하 저장 디바이스;
픽셀 메모리; 및
디지타이저(digitizer)를 포함하고, 상기 디지타이저는:
비교기로서,
램프 신호 및 상기 전압 신호를 수신하고, 상기 램프 신호의 전압 레벨은 클록 신호의 각각의 사이클 후에 증가하거나 감소하고;
상기 램프 신호의 전압 레벨이 상기 전압 신호의 전압 레벨에 도달한 후에 상기 비교기의 출력 상태를 변경하도록 구성되는, 상기 비교기; 및
디지털 출력 생성 회로로서, 상기 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간에,
상기 램프 신호가 시작되는 시간과 상기 비교기의 출력 상태가 변경되는 상기 시간 사이에 상기 클록 신호의 사이클들의 총 수에 대응하는 제 1 수를 수신하고;
상기 전압 신호의 전압 레벨의 디지털화된 값에 대응하는 상기 제 1 수를 상기 픽셀 메모리에 저장하도록 구성되는, 상기 디지털 출력 생성 회로를 포함하는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
클록 카운터를 더 포함하고, 상기 클록 카운터는:
상기 램프 신호가 시작된 후에 수신된 상기 클록 신호의 사이클들의 총 수를 카운트하고;
상기 사이클들의 총 수에 대응하는 카운터 값을 상기 복수의 픽셀들로 전송하도록 구성되는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 2 항에 있어서,
기준 신호 생성기를 더 포함하고, 상기 기준 신호 생성기는:
상기 카운터 값에 기초하여 상기 램프 신호를 생성하고;
상기 램프 신호를 상기 복수의 픽셀들로 전송하도록 구성되는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 포토다이오드 및 상기 전하 저장 디바이스에 결합된 전송 게이트를 더 포함하고,
상기 포토다이오드는 노출 시간 기간 동안 전하들을 축적하도록 구성되고;
상기 전송 게이트는:
상기 노출 시간 기간 동안 상기 전하 저장 디바이스로부터 상기 포토다이오드를 분리하고;
상기 축적된 전하들을 상기 포토다이오드로부터 상기 전하 저장 디바이스로 전송하기 위해 상기 노출 시간 기간 후에 상기 포토다이오드를 상기 전하 저장 디바이스에 연결하고;
상기 축적된 전하들을 전송한 후에 상기 전하 저장 디바이스로부터 상기 포토다이오드를 분리하도록 구성되는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 전하 저장 디바이스를 재설정 전압 레벨로 재설정하도록 구성가능한 재설정 회로를 더 포함하는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 5 항에 있어서,
상기 비교기는 또한, 상기 전하 저장 디바이스가 재설정된 후에:
제 2 램프 신호를 수신하고, 상기 제 2 램프 신호의 전압 레벨은 상기 클록 신호의 각각의 사이클 후에 증가하거나 감소하고;
상기 제 2 램프 신호의 전압 레벨이 상기 재설정 전압 레벨에 도달한 후에 상기 비교기의 출력 상태를 변경하도록 구성되고;
상기 디지털 출력 생성 회로는 또한, 상기 제 2 램프 신호의 전압 레벨이 상기 재설정 전압 레벨에 도달한 후에 상기 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간에,
상기 제 2 램프 신호가 시작되는 시간과 상기 비교기의 출력 상태가 변경되는 상기 시간 사이에 상기 클록 신호의 사이클들의 총 수에 대응하는 제 2 수를 수신하고;
상기 재설정 전압 레벨의 디지털화된 값에 대응하는 상기 제 2 수를 상기 픽셀 메모리에 저장하도록 구성되며;
상기 제 1 수와 상기 제 2 수 사이의 차는 상기 광 신호의 세기에 대응하는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 픽셀 메모리는:
상기 제 2 수를 저장하도록 구성된 M-비트 메모리 블록; 및
상기 제 1 수를 저장하도록 구성된 N-비트 메모리 블록을 포함하고,
N은 M보다 큰, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 포토다이오드 및 상기 전하 저장 디바이스에 결합된 전송 게이트를 더 포함하고, 상기 전송 게이트는:
노출 시간 기간 동안 상기 전하 저장 디바이스로부터 상기 포토다이오드를 분리하고;
전하들을 상기 포토다이오드로부터 상기 전하 저장 디바이스로 전송하기 위해 상기 노출 시간 기간 후에 상기 포토다이오드를 상기 전하 저장 디바이스에 연결하고;
상기 전하들을 전송한 후에 상기 전하 저장 디바이스로부터 상기 포토다이오드를 분리하도록 구성되는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 재설정 회로는 상기 노출 시간 기간의 종료 시에 그리고 상기 전송 게이트가 상기 포토다이오드를 상기 전하 저장 디바이스에 연결하기 전에 상기 전하 저장 디바이스를 재설정하도록 구성되는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 비교기는 상기 비교기의 출력 노드에 결합된 사전 충전 회로(pre-charge circuit)를 포함하고, 상기 사전 충전 회로는 상기 비교기의 출력 노드를 DC 레벨로 충전하도록 구성되는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 비교기는 p-채널 금속 산화물 반도체(PMOS) 트랜지스터를 더 포함하고;
상기 PMOS 트랜지스터의 게이트는 상기 전하 저장 디바이스에 결합되고;
상기 PMOS 트랜지스터의 소스는 상기 램프 신호를 수신하도록 구성되고;
상기 비교기의 출력 노드는 상기 PMOS 트랜지스터의 드레인에 결합되는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
각각의 픽셀은 셔터 게이트를 더 포함하고, 상기 복수의 픽셀들의 셔터 게이트들은 동일한 노출 인에이블 신호에 의해 제어되는, 디지털 픽셀 이미지 센서. - 이미지 센서를 위한 디지털 픽셀에 있어서,
상기 디지털 픽셀은:
광 신호에 응답하여 전하들을 생성하도록 구성된 포토다이오드;
상기 포토다이오드에 의해 생성된 상기 전하들을 저장하도록 구성된 전하 저장 디바이스로서, 상기 저장된 전하들은 상기 전하 저장 디바이스에 전압 신호를 야기하는, 상기 전하 저장 디바이스;
픽셀 메모리; 및
디지타이저를 포함하고, 상기 디지타이저는:
비교기로서,
램프 신호 및 상기 전압 신호를 수신하고, 상기 램프 신호의 전압 레벨은 클록 신호의 각각의 사이클 후에 증가하거나 감소하고;
상기 램프 신호의 전압 레벨이 상기 전압 신호의 전압 레벨에 도달한 후에 상기 비교기의 출력 상태를 변경하도록 구성되는, 상기 비교기; 및
디지털 출력 생성 회로로서, 상기 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간에,
상기 램프 신호가 시작되는 시간과 상기 비교기의 출력 상태가 변경되는 상기 시간 사이에 상기 클록 신호의 사이클들의 총 수에 대응하는 제 1 수를 수신하고;
상기 전압 신호의 전압 레벨의 디지털화된 값에 대응하는 상기 제 1 수를 상기 픽셀 메모리에 저장하도록 구성되는, 상기 디지털 출력 생성 회로를 포함하는, 디지털 픽셀. - 제 13 항에 있어서,
상기 전하 저장 디바이스를 재설정 전압 레벨로 재설정하도록 구성가능한 재설정 게이트를 더 포함하고,
상기 비교기는 또한, 상기 전하 저장 디바이스가 재설정된 후에:
제 2 램프 신호를 수신하고, 상기 제 2 램프 신호의 전압 레벨은 상기 클록 신호의 각각의 사이클 후에 증가하거나 감소하고;
상기 제 2 램프 신호의 전압 레벨이 상기 재설정 전압 레벨에 도달한 후에 상기 비교기의 출력 상태를 변경하도록 구성되고;
상기 디지털 출력 생성 회로는 또한, 상기 제 2 램프 신호의 전압 레벨이 상기 재설정 전압 레벨에 도달한 후에 상기 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간에,
상기 제 2 램프 신호가 시작되는 시간과 상기 비교기의 출력 상태가 변경되는 상기 시간 사이에 상기 클록 신호의 사이클들의 총 수에 대응하는 제 2 수를 수신하고;
상기 재설정 전압 레벨의 디지털화된 값에 대응하는 상기 제 2 수를 상기 픽셀 메모리에 저장하도록 구성되고;
상기 제 1 수와 상기 제 2 수 사이의 차는 상기 광 신호의 세기에 대응하는, 디지털 픽셀. - 디지털 이미징 방법에 있어서:
이미지 센서에서 픽셀의 포토다이오드에 의해 노출 기간 동안 광 신호를 수신하는 단계;
상기 픽셀에 의해 상기 광 신호를 상기 픽셀의 전하 저장 디바이스의 전압 신호로 변환하는 단계;
클록 신호의 클록 사이클들의 수를 카운트하는 클록 카운터를 시작하는 단계;
상기 픽셀의 비교기에 의해 상기 전압 신호와 램프 신호를 비교하는 단계로서, 상기 램프 신호의 전압 레벨은 상기 클럭 사이클들의 수에 따라 선형적으로 증가하거나 감소하는, 상기 비교 단계;
상기 비교기에 의해, 상기 램프 신호의 전압 레벨이 상기 전압 신호의 전압 레벨에 도달할 때 상기 비교기의 출력 상태를 변경하는 단계; 및
상기 비교기의 출력 상태가 변경되는 시간에 상기 클록 사이클들의 수에 대응하는 제 1 수를 상기 전압 신호에 대한 제 1 디지털 값으로서 상기 픽셀의 픽셀 메모리에 저장하는 단계를 포함하는, 디지털 이미징 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 포토다이오드로부터 상기 전하 저장 디바이스를 분리하는 단계;
상기 전하 저장 디바이스를 DC 전압 레벨로 재설정하는 단계;
상기 클록 신호의 클록 사이클들의 수를 카운트하는 상기 클록 카운터를 시작하는 단계;
상기 비교기에 의해 상기 DC 전압 레벨 및 제 2 램프 신호를 비교하는 단계로서, 상기 제 2 램프 신호의 전압 레벨은 상기 클록 사이클들의 수에 따라 선형적으로 증가하거나 감소하는, 상기 비교 단계; 및
상기 제 2 램프 신호의 전압 레벨이 상기 DC 전압 레벨에 도달하는 시간에 상기 클록 사이클들의 수에 대응하는 제 2 수를 제 2 디지털 값으로서 상기 픽셀 메모리에 저장하는 단계를 더 포함하는, 디지털 이미징 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 전하 저장 디바이스를 상기 DC 전압 레벨로 재설정하는 단계는:
상기 노출 기간의 종료 시에 상기 전하 저장 디바이스를 상기 DC 전압 레벨로 재설정하는 단계를 포함하는, 디지털 이미징 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 광 신호를 상기 전하 저장 디바이스의 전압 신호로 변환하는 단계는:
상기 포토다이오드로부터 상기 전하 저장 디바이스를 분리하는 단계;
상기 포토다이오드에 의해, 상기 노출 기간 동안 상기 광 신호를 수신하는 것에 응답하여 전하들을 생성하는 단계;
상기 노출 기간 동안 상기 포토다이오드에 상기 전하들을 축적하는 단계;
상기 노출 기간 후에, 상기 축적된 전하들을 상기 전하 저장 디바이스로 전송하기 위해 상기 전하 저장 디바이스를 상기 포토다이오드에 연결하는 단계로서, 상기 전송된 전하들은 상기 전하 저장 디바이스에 상기 전압 신호를 야기하는, 상기 연결 단계; 및
상기 포토다이오드로부터 상기 전하 저장 디바이스를 분리하는 단계를 포함하는, 디지털 이미징 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 노출 기간 전에 상기 포토다이오드 및 상기 전하 저장 디바이스를 재설정하는 단계를 더 포함하는, 디지털 이미징 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 전압 신호와 상기 램프 신호를 비교하기 전에:
상기 비교기의 출력 노드를 사전 충전하기 위해 상기 비교기의 출력 노드를 DC 전압원에 연결하는 단계; 및
상기 DC 전압 소스로부터 상기 비교기의 출력 노드를 분리하는 단계를 더 포함하는, 디지털 이미징 방법.
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