KR20210046898A - 미세먼지를 측정하기 위한 전자 시스템 및 이미지 시스템, 및 미세먼지의 측정 방법 - Google Patents
미세먼지를 측정하기 위한 전자 시스템 및 이미지 시스템, 및 미세먼지의 측정 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20210046898A KR20210046898A KR1020190129958A KR20190129958A KR20210046898A KR 20210046898 A KR20210046898 A KR 20210046898A KR 1020190129958 A KR1020190129958 A KR 1020190129958A KR 20190129958 A KR20190129958 A KR 20190129958A KR 20210046898 A KR20210046898 A KR 20210046898A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- light
- fine dust
- values
- pixels
- gain
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 34
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 title description 22
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims abstract description 168
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 57
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 18
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 14
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 4
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 52
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 9
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 210000002345 respiratory system Anatomy 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
- G01N15/1434—Optical arrangements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
- G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/94—Investigating contamination, e.g. dust
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/80—Camera processing pipelines; Components thereof
- H04N23/81—Camera processing pipelines; Components thereof for suppressing or minimising disturbance in the image signal generation
- H04N23/811—Camera processing pipelines; Components thereof for suppressing or minimising disturbance in the image signal generation by dust removal, e.g. from surfaces of the image sensor or processing of the image signal output by the electronic image sensor
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/47—Image sensors with pixel address output; Event-driven image sensors; Selection of pixels to be read out based on image data
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N5/00—Details of television systems
- H04N5/44—Receiver circuitry for the reception of television signals according to analogue transmission standards
- H04N5/52—Automatic gain control
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
- G01N2015/1486—Counting the particles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
- G01N2021/8578—Gaseous flow
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
- G01N21/8507—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템은 조명, 센서, 및 프로세서를 포함한다. 조명은 광을 출력한다. 센서는 출력된 광에 따른 산란광에 기초하여 아날로그 신호를 생성하는 픽셀 어레이, 및 이득 값들에 기초하여 아날로그 신호를 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호들로 변환하는 변환 회로를 포함한다. 프로세서는 디지털 신호들의 값들 중 문턱 값 이상인 값들의 개수를 카운트하고, 이득 값들의 변화에 따른 카운트된 개수의 변화량에 기초하여 타겟 사이즈 범위를 갖는 미세먼지의 농도를 계산한다.
Description
본 발명은 광 센서를 포함하는 반도체 장치 및 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 미세먼지를 측정하기 위한 전자 시스템 및 이미지 시스템, 및 미세먼지의 측정 방법에 관한 것이다.
스마트폰을 비롯한 다양한 전자 장치에 광 센서가 구비되고 있다. 광 센서는 외광을 전기 신호로 변환하여 외부의 이미지를 캡쳐하는데 사용될 수 있다. 최근의 광 센서는 단순히 외부의 이미지를 표시하기 위하여 캡쳐하는 기능뿐만 아니라, 센싱된 이미지를 이용하여, 객체의 거리를 계산하거나, 객체를 인식하는 등의 다양한 기능을 수행하도록 구현될 수 있다.
산업 기술의 발달로 인하여 화석 연료의 연소 또는 공장이나 자동차 등의 가스 배출이 상당히 진행되고 있다. 이에 따라, 미세먼지(particulate matter, PM)가 발생되어 대기 중에 떠다닌다. 이러한 미세먼지는 호흡기, 눈, 및 피부 등에 악영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 미세먼지에 대한 사람들의 관심이 증가하고 있으며, 현재의 미세먼지 농도를 알고 싶어하는 사람들이 증가하고 있다. 그리고, 상술된 광 센서를 통하여 개개의 사람들이 미세먼지를 측정할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 미세먼지의 농도를 크기 별로 측정하기 위한 전자 시스템 및 이미지 시스템, 및 미세먼지의 측정 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템은 조명, 센서, 및 프로세서를 포함한다. 조명은 광을 출력한다. 센서는 출력된 광에 따른 산란광에 기초하여 아날로그 신호를 생성하는 픽셀 어레이, 및 이득 값들에 기초하여 아날로그 신호를 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호들로 변환하는 변환 회로를 포함한다. 프로세서는 디지털 신호들의 값들 중 문턱 값 이상인 값들의 개수를 카운트하고, 이득 값들의 변화에 따른 카운트된 개수의 변화량에 기초하여 타겟 사이즈 범위를 갖는 미세먼지의 농도를 계산한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 시스템은 픽셀 어레이, 변환 회로, 및 프로세서를 포함한다. 픽셀 어레이는 광원으로부터 출력된 제1 파장 대역의 광에 응답하여 생성된 산란광에 기초하여 제1 아날로그 신호를 생성하는 제1 픽셀들, 및 제1 파장 대역보다 작은 제2 파장 대역의 광에 기초하여 제2 아날로그 신호를 생성하는 제2 픽셀들을 포함한다. 변환 회로는 제1 아날로그 신호를 서로 다른 이득 값들에 각각 대응되는 제1 디지털 신호들로 변환하고, 제2 아날로그 신호를 제2 디지털 신호로 변환한다. 프로세서는 제1 디지털 신호들의 값들 중 문턱 값 이상인 값들의 개수 및 이의 변화량에 기초하여, 광이 출력된 영역의 미세먼지 농도를 계산한다.
본 발명의 실시예에 따른 미세먼지의 측정 방법은, 광의 출력에 따른 산란광을 감지하여 아날로그 신호를 생성하는 단계, 이득 값들에 기초하여 아날로그 신호를 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호들로 변환하는 단계, 디지털 신호들의 값들 중 문턱 값 이상인 값들의 개수를 카운트하는 단계, 및 카운트된 개수에 기초하여 적어도 하나의 타겟 사이즈 범위에 대응되는 미세먼지 농도를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 미세먼지를 측정하기 위한 전자 시스템 및 이미지 시스템, 및 미세먼지의 측정 방법은 미세먼지의 농도를 크기 별로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 외부 이미지를 캡쳐하는 이미지 시스템에 미세먼지를 측정하는 기능이 융합될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템 또는 이미지 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이의 예시적인 도면이다.
도 3은 도 1 또는 도 2의 픽셀의 예시적인 회로도이다.
도 4는 도 1의 픽셀 어레이의 예시적인 도면이다.
도 5는 도 4의 픽셀 어레이의 예시적인 단면도이다.
도 6은 도 5의 필터를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 도 1의 변환 회로의 예시적인 블록도이다.
도 8은 도 7에서 설명된 아날로그 신호 및 이득 값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 도 1의 프로세서의 예시적인 블록도이다.
도 10은 도 9의 카운터의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 도 9의 감산기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 도 9의 미세먼지 계산기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 도 1의 시스템의 동작 방법의 예시적인 순서도이다.
도 14는 도 1의 시스템의 동작 방법의 예시적인 순서도이다.
도 15는 도 1의 시스템이 적용된 전자 장치의 예시적인 도면이다.
도 16은 도 1의 시스템이 적용된 전자 장치의 예시적인 도면이다.
도 17은 도 1의 시스템이 적용되는 이미지 시스템의 예시적인 블록도이다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이의 예시적인 도면이다.
도 3은 도 1 또는 도 2의 픽셀의 예시적인 회로도이다.
도 4는 도 1의 픽셀 어레이의 예시적인 도면이다.
도 5는 도 4의 픽셀 어레이의 예시적인 단면도이다.
도 6은 도 5의 필터를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 도 1의 변환 회로의 예시적인 블록도이다.
도 8은 도 7에서 설명된 아날로그 신호 및 이득 값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 도 1의 프로세서의 예시적인 블록도이다.
도 10은 도 9의 카운터의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 도 9의 감산기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 도 9의 미세먼지 계산기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 도 1의 시스템의 동작 방법의 예시적인 순서도이다.
도 14는 도 1의 시스템의 동작 방법의 예시적인 순서도이다.
도 15는 도 1의 시스템이 적용된 전자 장치의 예시적인 도면이다.
도 16은 도 1의 시스템이 적용된 전자 장치의 예시적인 도면이다.
도 17은 도 1의 시스템이 적용되는 이미지 시스템의 예시적인 블록도이다.
아래에서는, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템 또는 이미지 시스템의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 전자 시스템 또는 이미지 시스템(이하, 시스템(100))은 조명(110), 센서(120), 및 프로세서(130)를 포함한다. 시스템(100)은 미세먼지를 측정할 수 있다. 시스템(100)은 디지털 카메라, 스마트 폰, 테블릿 PC, 웨어러블 디바이스 등과 같은 다양한 전자 장치에 구현될 수 있다. 시스템(100)은 집적 회로(IC; Integrated Circuit) 또는 시스템 온 칩(SoC; System On Chip) 등으로 구현될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 시스템(100)은 미세먼지를 측정하기 위한 임의의 장치 또는 회로로 구현될 수 있다. 일례로, 시스템(100)은 미세먼지를 측정하기 위한 전용 전자 장치로 구현될 수 있다.
조명(110)은 광을 외부로 출력하도록 구성된다. 조명(110)은 적외선 대역과 같이, 사용자에게 감지되지 않는 대역의 광을 외부로 출력할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 조명(110)은 적외선 대역 이외의 광을 외부로 출력할 수도 있다. 조명(110)은 광원 컨트롤러(111) 및 광원(112)을 포함할 수 있다.
광원 컨트롤러(111)는 광원(112)의 동작을 제어할 수 있다. 광원 컨트롤러(111)는 조명(110)으로부터 출력되는 광의 타이밍을 제어할 수 있다. 예를 들어, 광원 컨트롤러(111)는 광을 출력하는 시간 동안 토글되는 클럭에 기초하여, 광의 출력 타이밍을 제어할 수 있다. 이러한 클럭은 센서(120) 또는 프로세서(130)로부터 생성될 수 있다.
광원(112)은 광원 컨트롤러(111)의 제어 하에, 광을 외부로 출력할 수 있다. 광원(112)은 광원 컨트롤러(111)로부터 수신된 전기 신호에 기초하여 광을 생성하는 발광 소자를 포함할 수 있다. 광원(112)은 적외선 대역의 광을 출력할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 광원(112)의 종류는 제한되지 않으며, 일례로, 광원(112)은 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)로 구현될 수 있다.
광원(112)으로부터 출력된 광은 미세먼지에 의하여 산란된다. 여기에서, 미세먼지는 공기 중에 부유하는 고체 또는 액체의 입자 물질로 정의될 수 있다. 미세먼지는 직경에 따라 분류될 수 있다. 예를 들어, PM 10으로 정의되는 미세먼지의 직경은 10㎛ 이하이고, PM 2.5로 정의되는 초미세먼지의 직경은 2.5㎛ 이하일 수 있다. 물리적 성질이 동일한 입자에 광이 조사되면, 산란광의 양은 질량농도에 비례한다. 즉, 미세먼지의 직경이 클수록, 미세먼지의 질량농도가 크고, 산란광의 양이 클 수 있다. 이러한 산란광의 강도를 센싱함으로써, 특정한 사이즈 범위의 미세먼지의 농도가 계산될 수 있다. 여기에서, 특정한 사이즈 범위는 PM 10 및 PM 2.5를 포함하는 다양한 직경 범위를 포함할 수 있다.
센서(120)는 미세먼지에 의하여 산란된 광을 감지한다. 센서(120)는 산란광에 기초하여, 전기 신호인 아날로그 신호를 생성할 수 있고, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 센서(120)는 픽셀 어레이(121), 변환 회로(122), 디지털 로직 회로(123), 및 구동 회로(124)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(121)는 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀들(PX)을 포함한다. 복수의 픽셀들(PX) 각각은 외부로부터 수신된 광에 기초하여 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 픽셀 어레이(121)는 구동 회로(124)로부터 제공되는 구동 신호들에 의해 제어되어, 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 아날로그 신호는 복수의 컬럼 라인들을 통해서 변환 회로(122)로 제공될 수 있다.
복수의 픽셀들(PX) 중 적어도 일부는 산란광을 감지할 수 있다. 광원(112)이 적외선 대역의 광을 출력하는 경우, 산란광은 적외선 대역의 광일 수 있다. 복수의 픽셀들(PX) 중 적어도 일부는 적외선 대역의 광에 기초하여 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 일례로, 시스템(100)이 미세먼지 측정을 위한 전용 장치인 경우, 픽셀 어레이(121)에 포함된 모든 픽셀들(PX)이 적외선 대역의 광을 감지할 수 있다. 일례로, 시스템(100)이 이미지 촬영을 위한 장치인 경우, 복수의 픽셀들(PX) 중 일부는 적외선 대역의 광을 감지하고, 나머지는 가시광선 대역의 광을 감지할 수 있다. 픽셀 어레이(121)에 대한 구체적인 내용은 후술된다.
변환 회로(122)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 변환 회로(122)는 구동 회로(124)의 제어 신호에 응답하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 다양한 동작을 수행할 수 있다. 일례로, 변환 회로(122)는 유효 신호 성분을 추출하기 위해 상관 이중 샘플링(CDS; correlated double sampling)을 수행할 수 있다.
변환 회로(122)는 다양한 이득 값들에 기초하여, 아날로그 신호를 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호들로 변환할 수 있다. 변환 회로(122)는 이득 값들에 기초하여 아날로그 신호를 증폭할 수 있다. 이득 값들에 대한 정보는 프로세서(130)로부터 제공될 수 있고, 구동 회로(124)는 이러한 정보에 기초하여, 변환 회로(122)의 이득 값을 제어할 수 있다. 미세먼지의 사이즈 범위에 따른 농도를 계산하기 위하여, 변환 회로(122)는 이득 값을 증가시키면서, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
일례로, PM 10으로부터 산란된 광에 의한 아날로그 신호는 제1 이득 값에 의하여 변환될 때, 문턱 값 이상일 수 있다. 이 경우, PM 2.5로부터 산란된 광에 의한 아날로그 신호는 제1 이득 값보다 큰 제2 이득 값에 의하여 변환될 때, 문턱 값 이상일 수 있다. 여기에서, 문턱 값은 특정 픽셀이 포화된 것으로 볼 수 있는 전기적인 레벨로 정의될 수 있다. 이를 통하여, 미세먼지와 초미세먼지가 구분될 수 있고, 미세먼지의 사이즈 범위에 따른 농도가 계산될 수 있다. 변환 회로(122)에 대한 구체적인 내용은 후술된다.
디지털 로직 회로(123)는 디지털 신호들을 임시로 저장하고, 저장된 디지털 신호들을 프로세서(130)로 출력할 수 있다. 디지털 로직 회로(123)는 구동 회로(124)의 제어 하에, 디지털 신호들을 순차적으로 래치하고, 래치된 디지털 신호들을 출력할 수 있다.
구동 회로(124)는 픽셀 어레이(121), 변환 회로(122), 및 디지털 로직 회로(123)를 제어할 수 있다. 일례로, 구동 회로(124)는 픽셀 어레이(121), 변환 회로(122), 및 디지털 로직 회로(123)의 동작을 위한 클럭 신호 및 타이밍 제어 신호를 생성할 수 있다. 이러한 클럭 신호는 광원 컨트롤러(111)에 제공될 수도 있다. 일례로, 구동 회로(124)는 로직 제어 회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(Timing control circuit), 및 통신 인터페이스 회로(Communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
구동 회로(124)는 픽셀 어레이(121)의 복수의 행들 중 하나 또는 그 이상의 행을 선택할 수 있다. 선택된 행의 픽셀들(PX)로부터 생성되는 아날로그 신호는 변환 회로(122)로 전달될 수 있다. 구동 회로(124)는 픽셀 어레이(121)가 반복적으로 산란광을 감지하도록 픽셀 어레이(121)를 제어할 수 있다. 구동 회로(124)는 이득 값들 각각에 대응되는 이미지 신호들을 생성하도록, 픽셀 어레이(121)를 제어할 수 있다. 여기에서, 이미지 신호들은 아날로그 신호에 포함된다.
구동 회로(124)는 하나의 이득 값에서 복수의 프레임 신호들을 생성하도록, 픽셀 어레이(121)를 제어할 수 있다. 여기에서, 프레임 신호들은 이미지 신호에 포함된다. 즉, 픽셀 어레이(121)는 이득 값마다 복수의 프레임 신호들을 생성하여 변환 회로(122)로 출력할 수 있다. 복수의 프레임 신호들은 디지털 변환되어, 변환 회로(122) 또는 디지털 로직 회로(123)에 의하여 에버리지 또는 비닝될 수 있다. 이는 미세먼지의 농도의 계산 정확도를 향상시키기 위함이다. 다만, 이에 제한되지 않고, 에버리지 또는 비닝은 프로세서(130)에서 수행될 수 있다.
프로세서(130)는 시스템(100)을 제어하는 제어 동작 및 다양한 데이터를 연산하는 연산 동작을 수행할 수 있다. 프로세서(130)는 광을 출력하도록 조명(110)을 제어할 수 있다. 프로세서(130)는 센서(120)가 산란광을 감지하여 디지털 신호를 생성하도록 센서(120)를 제어할 수 있다.
프로세서(130)는 디지털 신호에 기초하여 미세먼지의 사이즈 범위에 따른 농도를 계산할 수 있다. 디지털 신호는 복수의 픽셀들(PX) 각각에 대응되는 값들을 포함할 수 있다. 프로세서(130)는 이러한 값들 중 문턱 값 이상인 값들의 개수를 카운트할 수 있다. 문턱 값 이상인 값에 대응되는 픽셀은 산란광에 의하여 포화된 것으로 볼 수 있다. 이 경우, 카운트 값은 특정 이득 값에서의 포화된 픽셀의 개수로 이해될 수 있다. 프로세서(130)는 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호들을 수신할 수 있고, 디지털 신호들 각각에서 문턱 값 이상인 값들의 개수를 카운트할 수 있다. 이득 값들의 개수가 16개인 경우, 16개의 카운트 값들이 생성될 수 있다.
프로세서(130)는 이득 값들에 각각 대응되는 카운트 값들의 변화량을 계산할 수 있다. 여기에서, 변화량은 이득 값들에 대한 포화 픽셀의 개수의 변화로 이해될 수 있고, 미분 값으로 나타날 수 있다. 일례로, 이득 값이 1 내지 16인 경우, 이득 값 1 내지 16에 각각 대응되는 제1 내지 제16 카운트 값들이 계산될 수 있다. 프로세서(130)는 제2 카운트 값에 제1 카운트 값을 감산하여 제2 이득 값에 대응되는 미분 값을 계산할 수 있다. 프로세서(130)는 제3 카운트 값에 제2 카운트 값을 감산하여 제3 이득 값에 대응되는 미분 값을 계산할 수 있다. 이러한 미분 값 또는 변화량은 특정 범위의 산란광의 강도 또는 양을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 미분 값 또는 변화량은 광을 산란시키는 미세먼지의 크기와 관련될 수 있다.
프로세서(130)는 계산된 미분 값들에 보정 계수를 적용하여 특정한 사이즈 범위에 대응되는 미세먼지 데이터를 생성할 수 있다. 보정 계수는 계산하고자 하는 미세먼지의 사이즈 범위에 기초하여 결정될 수 있다. 미세먼지의 사이즈 범위는 PM 2.5 및 PM 10과 같이 복수로 제공될 수 있다. 일례로, 미세먼지 데이터는 PM 2.5에 대응되는 미세먼지 데이터 및 PM 10에 대응되는 미세먼지 데이터를 포함할 수 있다. 이러한 미세먼지 데이터는 단위 부피 (일례로, 1m3)를 기준으로 변환되어, 사이즈 범위별 미세먼지 농도를 계산하는데 사용될 수 있다.
상술한 바와 달리, 프로세서(130)에서 수행되는 카운팅 동작, 변화량 계산 동작, 및 보정 계수의 계산 동작의 적어도 일부는 디지털 로직 회로(123)에서 수행될 수 있다. 이 경우, 디지털 로직 회로(123)는 변환 회로(122)를 통하여 생성된 디지털 신호들에서 문턱 값 이상인 값들을 카운트할 수 있다.
프로세서(130)는 시스템(100)의 동작 모드를 결정할 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(121)는 적외선 대역을 감지하는 제1 픽셀들 및 가시광선 대역을 감지하는 제2 픽셀들을 포함할 수 있다. 미세먼지를 측정하기 위한 동작 모드에서, 프로세서(130)는 조명(110)을 활성화시키고, 제1 픽셀들이 산란광을 감지하도록 센서(120)를 제어할 수 있다. 일반적인 이미지 캡쳐를 위한 동작 모드에서, 프로세서(130)는 조명(110)을 비활성화시키고, 제2 픽셀들이 가시광선 대역의 광을 감지하도록 센서(120)를 제어할 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이의 예시적인 도면이다. 픽셀 어레이(121_1)는 도 1의 픽셀 어레이(121)에 대응된다. 도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(121_1)는 복수의 픽셀들(PX1~PX9)을 포함한다. 복수의 픽셀들(PX1~PX9)은 2차원적으로 배열된다.
도 2의 실시예에서, 복수의 픽셀들(PX1~PX9) 전체는 도 1의 조명(110)으로부터 출력된 광에 따른 산란광을 감지할 수 있다. 즉, 복수의 픽셀들(PX1~PX9) 전체는 적외선 대역의 광을 감지할 수 있다. 이 경우, 도 2의 픽셀 어레이(121_1)를 포함하는 도 1의 시스템(100)은 미세먼지의 측정을 위한 전용 장치로 구현될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 시스템(100)은 미세먼지의 측정을 위한 동작에 추가하여, 예시적으로 깊이 측정과 같이 적외선 대역의 광을 감지하여 수행될 수 있는 추가적인 동작을 더 수행하도록 구현될 수 있다.
도 3은 도 1 또는 도 2의 픽셀의 예시적인 회로도이다. 픽셀(PX)은 도 1의 픽셀(PX) 또는 도 2의 픽셀들(PX1~PX9) 중 하나에 대응될 수 있다. 도 3을 참조하면, 픽셀(PX)은 광전 변환 소자(PD), 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 구동 트랜지스터(DX)를 포함할 수 있다. 도 3의 회로 구조는 예시적인 것으로 도 1 및 도 2의 픽셀 구조는 도 3에 제한되지 않는다. 일례로, 픽셀(PX)은 광전 변환 소자(PD) 및 구동 트랜지스터(DX) 사이에 연결되는 전송 트랜지스터를 더 포함할 수 있다. 일례로, 픽셀(PX)은 변환 이득 가변 회로를 구성하기 위한 변환 이득 트랜지스터 및 커패시터를 더 포함할 수 있다.
광전 변환 소자(PD)는 입사된 광의 광량이나 광의 세기에 따라 전하를 생성 및 축적힌다. 광전 변환 소자(PD)가 도 2의 픽셀 어레이(121_1)에 포함되는 경우, 광전 변환 소자(PD)는 적외선 대역의 산란광에 기초하여 전하를 생성 및 축적할 수 있다. 일례로, 광전 변환 소자(PD)는 적외선 대역의 광을 감지하기 위하여, InGaAs를 이용한 포토 다이오드일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일례로, 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 또는 이것들의 조합일 수 있다.
광전 변환 소자(PD)로부터 생성된 전하는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송된다. 도시되지 않았으나, 픽셀(PX)은 전하 전송을 제어하기 위한 전송 트랜지스터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 전송 트랜지스터(미도시)에 의하여 광전 변환 소자(PD)의 노출 시간이 제어될 수 있다. 일례로, 도 1의 변환 회로(122)에서 이득 값에 기초하여 아날로그 신호를 증폭하는 대신에, 구동 회로(124)가 전송 트랜지스터를 제어함으로써, 도 1의 이득 값 조절 동작을 수행할 수 있다. 이에 따라, 이득 값에 의존하는 노출 시간이 제공될 수 있고, 변환 회로(122)는 노출 시간에 기초하여 생성된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이 경우, 변환 회로(122)는 도 1과 같이, 이득 값을 변화시키면서 디지털 신호들을 생성하지 않을 수 있다.
플로팅 확산 영역(FD)은 광전 변환 소자들(PD)로부터 전달된 전하를 축적할 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하의 양에 따라 구동 트랜지스터(DX)가 제어될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들을 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 단자는 전하 검출 노드(FD)와 연결될 수 있고, 소스 단자는 픽셀 전원 전압(VPIX)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 신호(RG)에 기초하여 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 리셋 신호(RG)는 도 1의 구동 회로(124)로부터 제공될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온되면, 픽셀 전원 전압(VPIX)이 전하 검출 노드(FD)로 전달될 수 있다. 이 경우 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들이 방출되고, 플로팅 확산 영역(FD)은 리셋될 수 있다.
구동 트랜지스터(DX)는 게이트 전극으로 입력되는 플로팅 확산 영역(FD)의 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류를 발생시키는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)일 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터(SX)를 통해 증폭된 신호를 컬럼 라인(CL)으로 출력할 수 있다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 픽셀(PX)을 선택하는데 사용된다. 선택 트랜지스터(SX)는 선택 신호(SEL)에 기초하여 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 선택 신호(SEL)는 도 1의 구동 회로(124)로부터 제공될 수 있다. 선택 신호(SEL)에 의해서 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 구동 트랜지스터(DX)로부터 출력되는 아날로그 신호가 컬럼 라인(CL)으로 출력될 수 있다.
도 4는 도 1의 픽셀 어레이의 예시적인 도면이다. 픽셀 어레이(121_2)는 도 1의 픽셀 어레이(121)에 대응된다. 도 4를 참조하면, 픽셀 어레이(121_2)는 복수의 픽셀들을 포함한다. 복수의 픽셀들은 제1 방향(DR1) 및 제2 방향(DR2)에 의하여 정의되는 평면 상에 2차원적으로 배열된다.
도 4의 실시예에서, 픽셀 어레이(121_2)는 적외선(IR) 대역의 광을 감지하는 제1 픽셀들 및 가시광선 대역의 광을 감지하는 제2 픽셀들 (컬러 픽셀들)을 포함할 수 있다. 일례로, 제2 픽셀들은 레드 컬러에 대응되는 레드 픽셀들, 그린 컬러에 대응되는 그린 픽셀들, 및 블루 컬러에 대응되는 블루 픽셀들을 포함할 수 있다. 이 경우, 도 4의 픽셀 어레이(121_2)를 포함하는 도 1의 시스템(100)은 미세먼지 측정을 위한 동작 및 일반적인 이미지 캡처 동작을 선택적으로 수행할 수 있다.
제1 픽셀들 (IR 픽셀들)은 도 1의 조명(110)으로부터 출력된 광에 따른 산란광을 감지할 수 있다. 제1 픽셀들은 산란광에 기초하여 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 이러한 아날로그 신호는 도 1에서 설명된 바와 같이, 미세먼지를 측정하는데 사용될 수 있다.
제2 픽셀들 (컬러 픽셀들)은 일반적인 이미지 캡처 동작 시에 가시광선 대역의 광을 감지하여 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 도 1의 변환 회로(122)는 아날로그 신호에 기초하여 디지털 이미지 신호를 생성할 수 있다. 이 경우, 제1 픽셀들에 대응되는 이미지 신호는 픽셀 보정 동작 등에 의하여 보정될 수 있다.
일반적인 이미지 캡처 동작에서 생성된 이미지의 열화 및 렌즈 셰이딩(Lens shading)를 최소화하기 위하여, 제1 픽셀들의 개수는 제한될 수 있다. 제1 픽셀들의 개수는 제2 픽셀들의 개수보다 작다. 예시적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 픽셀들이 배열될 수 있다. 일례로, 제1 픽셀들 중 2개 사이에 적어도 4개의 제2 픽셀들이 배치되도록 제1 픽셀들이 배열될 수 있다. 도시된 픽셀 어레이(121_2)의 가장 중심에 위치한 제1 픽셀을 기준으로 제1 방향(DR1), 제2 방향(DR2), 제3 방향(DR3), 및 제4 방향(DR4)으로 다른 제1 픽셀들이 적어도 4개의 제2 픽셀들을 사이에 두고 배치될 수 있다.
도 5는 도 4의 픽셀 어레이의 예시적인 단면도이다. 도 5는 예시적으로 픽셀 어레이(121_2)의 3개의 픽셀들을 도시한다. 도 5를 참조하면, 픽셀 어레이(121_2)는 제1 픽셀 영역(PXa), 제2 픽셀 영역(PXb), 제3 픽셀 영역(PXc), 제1 컬러 필터(CFa), 제2 컬러 필터(CFb), 투명 부재(TM), 및 마이크로 렌즈(ML)를 포함할 수 있다.
제1 픽셀 영역(PXa) 및 제2 픽셀 영역(PXb)은 가시광선 대역의 광에 기초하여 전하를 생성할 수 있다. 일례로, 제1 픽셀 영역(PXa) 및 제2 픽셀 영역(PXb)은 전하 생성을 위한 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 일례로, 제1 픽셀 영역(PXa) 및 제2 픽셀 영역(PXb)은 Si 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
제1 컬러 필터(CFa)는 제1 픽셀 영역(PXa) 상에 배치된다. 제1 컬러 필터(CFa)는 제1 컬러 (일례로, 그린) 대역의 광을 통과시킬 수 있다. 제2 컬러 필터(CFb)는 제2 픽셀 영역(PXb) 상에 배치된다. 제2 컬러 필터(CFb)는 제1 컬러 필터(CFa)와 다른 제2 컬러 (일례로, 블루) 대역의 광을 통과시킬 수 있다. 그 결과, 제1 픽셀 영역(PXa)은 제1 컬러에 대응되는 광에 기초하여 전하를 생성하고, 제2 픽셀 영역(PXb)은 제2 컬러에 대응되는 광에 기초하여 전하를 생성할 수 있다.
제3 픽셀 영역(PXc)은 적외선 대역의 광에 기초하여 전하를 생성할 수 있다. 일례로, 제3 픽셀 영역(PXc)은 전하 생성을 위한 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 일례로, 적외선 대역의 광을 감지하기 위하여, 제3 픽셀 영역(PXc)은 InGaAs 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 픽셀 영역들(PXa, PXb)과 다른 파장 대역의 광을 감지하기 위하여, 제3 픽셀 영역(PXc)에 포함된 물질의 적어도 일부는 제1 및 제2 픽셀 영역들(PXa, PXb)과 다를 수 있다. 또는, 서로 다른 파장 대역의 광 감지를 위하여 제3 픽셀 영역(PXc)의 적어도 일부의 도핑 농도는 제1 및 제2 픽셀 영역들(PXa, PXb)과 다를 수 있다.
투명 부재(TM)는 제3 픽셀 영역(PXc) 상에 배치될 수 있다. 제3 픽셀 영역(PXc)은 적외선 대역의 광을 감지하므로, 제3 픽셀 영역(PXc) 상에 별도의 컬러 필터가 요구되지 않는다. 그러나, 제1 및 제2 컬러 필터들(CFa, CFb)의 배치에 따른 높이를 보상하기 위하여, 투명 부재(TM)는 제3 픽셀 영역(PXc) 상에 배치될 수 있다. 투명 부재(TM)는 적외선 및 가시광선 대역의 광을 통과시킬 수 있다.
마이크로 렌즈(ML)는 제1 및 제2 컬러 필터들(CFa, CFb) 및 투명 부재(TM) 상에 배치된다. 마이크로 렌즈(ML)는 제1 내지 제3 픽셀 영역들(PXa, PXb, PXc)로 들어가는 광을 집광시켜, 광의 감지 효과를 증가시킬 수 있다.
필터(FI)가 픽셀 어레이(121_2) 상에 배치될 수 있다. 필터(FI)는 감지가 요구되는 파장 대역의 광을 통과시킬 수 있다. 여기에서, 감지가 요구되는 파장 대역은 제1 및 제2 픽셀 영역들(PXa, PXb)이 감지하기 위한 가시광선 대역의 적어도 일부 (일례로, 제1 파장 대역) 및 제3 픽셀 영역(PXc)이 감지하기 위한 적외선 대역의 적어도 일부 (일례로, 제2 파장 대역)를 포함할 수 있다. 일례로, 필터(FI)는 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역 사이의 제3 파장 대역의 광을 필터링할 수 있다. 일례로, 제3 파장 대역은 700 내지 1000 nm일 수 있다.
렌즈 유닛(LU)은 픽셀 어레이(121_2)로 입사되는 광을 굴절시켜 픽셀 어레이(121_2)로 전달할 수 있다. 미세먼지에 의한 산란광 또는 이미지 캡처를 위한 가시광선 대역의 광은 렌즈 유닛(LU) 및 필터(FI)를 통하여 픽셀 어레이(121_2)로 전달될 수 있다.
도 6은 도 5의 필터를 설명하기 위한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 가로축은 광의 파장으로 정의되고, 세로축은 특정 파장의 광에 대한 응답의 세기, 즉 분광 감도(Spectral Sensitivity)로 정의된다. 도 4 또는 도 5의 픽셀 어레이(121_2)는 레드 컬러 픽셀, 그린 컬러 픽셀, 블루 컬러 픽셀, 및 적외선(IR) 픽셀을 포함할 수 있다.
레드 컬러 픽셀, 그린 컬러 픽셀, 및 블루 컬러 픽셀은 400nm 내지 700nm 사이의 가시광선 대역에서 분광 감도의 피크 값을 가질 수 있다. 그리고, 적외선 픽셀은 1000nm 보다 큰 적외선 대역에서 분광 감도의 피크 값을 가질 수 있다. 도 5의 필터(FI)는 700nm 보다 작은 가시광선 대역에 대응되는 제1 파장 대역(PA1) 및 1000nm 보다 큰 적외선 대역에 대응되는 제2 파장 대역(PA2)의 광을 통과시킬 수 있다.
도 5의 필터(FI)는 700nm 내지 1000nm 사이의 파장 대역의 광을 필터링할 수 있다. 레드 컬러 픽셀, 그린 컬러 픽셀, 블루 컬러 픽셀, 및 적외선 픽셀은 700nm 내지 1000nm 사이의 파장 대역에서 일정한 크기의 분광 감도를 나타낸다. 700nm 내지 1000nm 사이의 파장 대역의 광을 차단하지 않는 경우, 해당 파장 대역의 광이 각 픽셀들로부터 감지된다. 이 경우, 이미지 캡처 동작 또는 미세먼지 측정 동작의 정확도가 감소할 수 있다. 즉, 도 5의 필터(FI)는 제1 및 제2 파장 대역들(PA1, PA2)의 광을 통과시키고, 그 사이의 파장 대역의 광을 차단함으로서, 이미지 캡처 동작 및 미세먼지 측정 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 도 1의 변환 회로의 예시적인 블록도이다. 도 7을 참조하면, 변환 회로(122)는 상관 이중 샘플러(CDS, 122_1), 이득 증폭기(122_2), 및 아날로그-디지털 변환기(122_3)를 포함할 수 있다. 도 7의 변환 회로(122)의 구조는 편의상, 변환 회로의 기능을 구분하여 설명하기 위한 예시적인 블록도로 이해될 것이다. 일례로, 상관 이중 샘플러(CDS, 122_1), 이득 증폭기(122_2), 및 아날로그-디지털 변환기(122_3)에서 각각 수행되는 동작들은 집적 회로로 구현될 수 있으며, 하나의 집적 회로가 상관 이중 샘플링, 이득 증폭, 및 디지털 변환 등을 함께 수행할 수 있다.
변환 회로(122)는 미세먼지에 의한 산란광에 기초하여 생성된 아날로그 신호(PS)를 수신할 수 있다. 상관 이중 샘플러(CDS, 122_1)는 아날로그 신호(PS)는 상관 이중 샘플링 회로(122_1)로 제공될 수 있다. 일례로, 상관 이중 샘플러(CDS, 122_1)는 아날로그 신호(PS)의 고정 패턴 잡음(Fixed Pattern Noise, FPN) 등을 제거할 수 있다. 일례로, 상관 이중 샘플러(122_1)는 아날로그 신호(PS)와 기준 신호의 차이에 기초하여 샘플링된 아날로그 신호를 이득 증폭기(122_2)로 출력할 수 있다.
이득 증폭기(122_2)는 샘플링된 아날로그 신호를 이득 값에 기초하여 증폭할 수 있다. 일례로, 이득 증폭기(122_2)는 샘플링된 아날로그 신호와 설정된 이득 값을 곱한 결과를 출력할 수 있다. 상술한 바와 같이, 미세먼지의 측정을 위하여, 이득 값은 순차적으로 증가할 수 있다. 일례로, 이득 값은 1에서 16으로 순차적으로 증가할 수 있다. 하나의 이득 값에 대하여 10개의 이미지들 (아날로그 신호)이 픽셀 어레이(121)로부터 생성되는 경우, 이미지들은 10개의 이미지들을 동일한 이득 값을 이용하여 증폭될 수 있다. 이후, 이득 값이 1 증가하고, 다시 획득된 10개의 이미지들이 증가된 이득 값을 이용하여 증폭될 수 있다. 서로 다른 이득 값으로 증폭된 아날로그 신호는 미세먼지의 크기에 따른 농도를 계산하기 위하여 사용될 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(122_3)는 이득 값에 따라 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호(PD)로 변환할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(122_3)는 순차적으로 증가하는 이득 값들에 기초하여 증폭된 복수의 신호들을 순차적으로 디지털 신호들로 변환할 수 있다. 이러한 디지털 신호들(PD)은 이득 값들에 각각 대응된다. 예를 들어, 순차적으로 1부터 16까지 이득 값이 증가하고, 하나의 이득 값에 대하여 10개의 신호들 (일례로, 프레임 신호)이 픽셀 어레이(121)로부터 생성될 수 있다. 이 경우, 아날로그-디지털 변환기(122_3)는 160개의 디지털 신호들을 생성할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 변환 전에 10개의 프레임 신호들이 에버리지 또는 비닝되는 경우, 아날로그-디지털 변환기(122_3)는 16개의 디지털 신호들을 생성할 수 있다. 하나의 디지털 신호는 픽셀들에 각각 대응되는 디지털 수치 값을 가질 수 있다. 이러한 수치 값은 픽셀들 각각이 수신한 산란광의 강도에 의존한다.
도 8은 도 7에서 설명된 아날로그 신호 및 이득 값을 설명하기 위한 그래프이다. 도 8을 참조하면, 가로축은 시간으로 정의되고, 세로축은 아날로그 신호(PS)의 크기, 일례로, 아날로그 신호의 전압 레벨로 정의된다. 아날로그 신호(PS)는 도 1의 픽셀 어레이(121)의 픽셀들(PX) 각각이 미세먼지에 의한 산란광을 감지함으로써 생성될 수 있다. 여기에서, 아날로그 신호(PS)는 하나의 픽셀(PX)에 대응되는 아날로그 신호로 이해될 수 있다.
미세먼지들은 공기 중에 부유하며, 시간의 흐름에 따라 계속적으로 움직일 수 있다. 이에 따라, 픽셀(PX)이 생성하는 전압 레벨의 크기는 시간의 흐름에 따라 계속적으로 변할 수 있다. 이러한 움직임을 고려하여, 픽셀(PX)은 하나의 이득 값에 대하여 여러 회수로 산란광을 감지할 수 있다. 이러한 회수 (기준 스캔 수)는 기설정되고, 일례로, 10회일 수 있다. 10회의 감지에 따라 생성된 아날로그 신호들(PS), 또는 아날로그 신호들(PS)에 의하여 생성된 디지털 신호들은 에버리지 또는 비닝될 수 있다. 따라서, 미세먼지 농도 계산의 신뢰성이 개선될 수 있다.
상술한 바와 같이, 아날로그 신호(PS)의 레벨은 광을 산란시키는 미세먼지의 크기에 의존한다. 미세먼지의 크기가 클수록, 산란광의 양 또는 세기는 증가하고, 아날로그 신호(PS)의 레벨은 증가한다. 도 8의 그래프에서, 피크 값의 크기에 따라 큰 입자들(Large Particles)과 작은 입자들(Small Particles)이 구분될 수 있다. 그리고, 아날로그 신호(PS)를 생성하는 픽셀들(PX)의 개수는 미세먼지의 양에 의존한다. 미세먼지의 양이 많을수록, 산란광을 감지하는 픽셀들(PX)의 개수가 많아진다.
도 1의 변환 회로(122) 또는 도 7의 이득 증폭기(122_2)는 이득 값을 증가시키면서, 아날로그 신호(PS)를 증폭할 수 있다. 증폭된 아날로그 신호(PS)는 디지털 신호로 변환되고, 디지털 신호에서 문턱 값 이상인 값들의 개수가 카운트될 수 있다. 카운트된 값들의 개수는 특정 세기 이상의 산란광을 감지한 픽셀들의 개수에 의존한다. 즉, 카운트된 값들의 개수는 특정 사이즈 이상의 미세먼지의 농도와 관련될 수 있다.
큰 입자들에 의하여 생성된 아날로그 신호(PS)는 작은 이득 값에 의하여 증폭되어도 문턱 값을 넘을 수 있다. 작은 입자들에 의하여 생성된 아날로그 신호(PS)는 큰 이득 값에 의하여 증폭될 때 비로소 문턱 값을 넘을 수 있다. 따라서, 이득 값의 증가에 따른 카운트된 값들의 개수의 변화량은 특정 사이즈 범위의 미세먼지의 양 또는 농도와 관련될 수 있다. 이를 이용하여, 본 발명의 시스템(100)은 미세먼지의 크기 및 양(농도)을 계산할 수 있다.
도 9는 도 1의 프로세서의 예시적인 블록도이다. 도 9를 참조하면, 프로세서(130)는 에버리지 계산기(131), 카운터(132), 감산기(133), 및 미세먼지 계산기(134)를 포함할 수 있다. 도 9의 프로세서(130)의 구조는 편의상, 미세먼지의 측정 기능의 전반적인 동작을 설명하기 위한 예시적인 블록도로 이해될 것이다. 에버리지 계산기(131), 카운터(132), 감산기(133), 및 미세먼지 계산기(134)의 적어도 일부는 다른 구성 (일례로, 도 1의 디지털 로직 회로(123))에서 수행될 수 있다.
에버리지 계산기(131)는 디지털 신호(PD)에 대한 에버리지 또는 비닝 동작을 수행할 수 있다. 도 8에서 설명한 바와 같이, 도 1의 픽셀 어레이(121)는 하나의 이득 값에 대하여 기준 스캔 수만큼 산란광을 감지할 수 있다. 이에 따라, 미세먼지를 측정하기 위한 아날로그 신호는 서로 다른 이득 값들에 각각 대응되는 이미지 신호들을 포함하고, 이미지 신호들 각각은 기준 스캔 수만큼의 아날로그 프레임 신호들을 포함할 수 있다. 변환 회로(122)는 기준 스캔 수만큼 생성된 아날로그 프레임 신호들을 디지털 프레임 신호들로 변환할 수 있다. 에버리지 계산기(131)는 디지털 프레임 신호들에 대한 에버리지 연산을 수행함으로써, 하나의 이득 값에 대응되는 디지털 이미지 신호를 생성할 수 있다.
에버리지 계산기(131)가 프로세서(130)에 포함되어 디지털 에버리지 또는 디지털 비닝를 수행하는 것으로 설명되나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 시스템(100)은 아날로그 신호에 대한 에버리지 연산을 수행할 수 있다. 이 경우, 에버리지 계산기(131)는 도 1의 픽셀 어레이(121)와 변환 회로(122) 사이에 배치되거나, 변환 회로(122)에 포함될 수 있다. 또한, 일례로, 에버리지 계산기(131)는 센서(120)에 포함되어, 디지털 에버리지 또는 디지털 비닝을 수행할 수 있다. 이 경우, 에버리지 계산기(131)는 변환 회로(122) 또는 디지털 로직 회로(123)에 포함될 수 있다.
또한, 에버리지 계산기(131)는 카운터(132)에 의하여 생성된 카운트 값들에 대한 에버리지 연산을 수행할 수 있다. 이 경우, 카운터(132)가 디지털 신호(PD)를 수신하고, 에버리지 계산기(131)는 카운터(132)의 출력 결과들에 대한 에버리지 연산을 수행할 수 있다.
카운터(132)는 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호(PD) (일례로, 에버리지된 디지털 신호)에서 문턱 값 이상인 값들의 개수를 카운트할 수 있다. 하나의 이득 값에 대응되는 디지털 신호(PD) (에버리지된 디지털 신호)는 복수의 픽셀들에 각각 대응되는 수치 값들을 가질 수 있다. 수치 값들 각각은 대응되는 픽셀이 감지한 산란광의 세기에 이득 값을 곱한 결과와 관련될 수 있다. 카운트된 값들의 개수가 많을수록, 광을 산란시킨 미세먼지의 개수가 많은 것일 수 있다. 카운터(132)는 이득 값들에 각각 대응되는 카운트 값들을 생성할 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 10에서 다시 설명된다.
감산기(133)는 이득 값에 대한 카운트 값의 변화량을 계산할 수 있다. 일례로, 감산기(133)는 특정 이득 값에 대한 카운트 값과 직전 이득 값에 대한 카운트 값을 감산함으로써, 특정 이득 값에 대한 감산 값 (미분 값 또는 변화량)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 특정 이득 값이 3인 경우, 직전 이득 값은 2일 수 있다. 감산 값은 특정 사이즈 범위의 미세먼지의 개수와 관련될 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 11에서 다시 설명된다.
미세먼지 계산기(134)는 감산 값에 기초하여 미세먼지 데이터(PMD)를 생성할 수 있다. 미세먼지 계산기(134)는 타겟 사이즈 범위(들) (일례로, PM 10 및 PM 2.5)의 미세먼지들의 양과 관련된 값을 갖는 미세먼지 데이터(PMD)를 생성할 수 있다. 이를 위하여, 미세먼지 계산기(134)는 타겟 사이즈 범위에 대응되는 보정 계수를 감산 값들에 적용할 수 있다. 예를 들어, 미세먼지 계산기(134)는 PM 10에 대응되는 보정 계수를 감산 값들에 곱할 수 있다. 이러한 보정 계수는 이득 값마다 서로 다를 수 있다. 보정된 데이터의 크기는 타겟 사이즈 범위의 미세먼지의 양 또는 개수와 관련될 수 있다. 미세먼지 계산기(134)는 이에 대한 구체적인 내용은 도 12에서 다시 설명된다.
미세먼지 계산기(134)는 보정 계수에 의하여 보정된 데이터를 단위 부피 (일례로, 1m3)로 환산하여 미세먼지 데이터(PMD)를 생성할 수 있다. 도 1의 조명(110)에 의하여 광이 출력되어 산란된 영역의 부피는 단위 부피와 다르다. 미세먼지 계산기(134)는 이러한 영역의 부피에 대한 단위 부피의 비율을 보정된 데이터에 곱할 수 있다. 이를 통하여, 미세먼지 계산기(134)는 타겟 사이즈 범위들 각각에 대한 미세먼지의 농도를 계산할 수 있다.
도 10은 도 9의 카운터의 동작을 설명하기 위한 그래프이다. 도 10을 참조하면, 가로축은 이득 값으로 정의되고, 세로축은 카운트 값으로 정의된다. 예시적으로, 이득 값들은 1 내지 16으로 도시된다.
상술한 바와 같이, 도 1의 센서(120)는 미세먼지에 의한 산란광을 감지한 결과, 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호들을 생성할 수 있다. 이러한 디지털 신호들 각각은 산란광을 감지한 픽셀들에 각각 대응되는 수치 값들을 가질 수 있다. 이득이 증가함에 따라, 수치 값들의 크기는 증가할 수 있다. 도 9의 카운터(132)는 문턱 값 이상인 수치 값들의 개수를 카운트하여, 카운트 값을 생성할 수 있다.
도 10을 참조하면, 이득 값이 증가함에 따라, 카운트 값이 증가할 수 있다. 이득 값이 증가함에 따라, 아날로그 신호의 증폭 이득이 증가하여 수치 값이 증가하기 때문이다. 카운트 값은 산란광을 감지한 픽셀들의 개수에 의존하며, 미세먼지의 개수와 관련된다. 카운트 값이 높을수록, 감지된 미세먼지의 양 또는 개수가 많은 것으로 이해될 것이다.
도 11은 도 9의 감산기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다. 도 11을 참조하면, 가로축은 이득 값으로 정의되고, 세로축은 감산 값으로 정의된다. 예시적으로, 이득 값들은 1 내지 16으로 도시된다.
상술한 바와 같이, 도 9의 감산기(133)는 특정 이득 값에 대한 카운트 값과 직전 이득 값에 대한 카운트 값을 감산하여, 특정 이득 값에 대한 감산 값을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 감산 값은 도 10의 제1 카운트 값과 같을 수 있다. 제2 감산 값은 도 10의 제2 카운트 값에서 제1 카운트 값을 감산한 값과 같을 수 있다. 즉, 감산 값은 이득 값에 대한 카운트 값의 변화량 또는 미분 값으로 이해될 수 있다.
감산 값이 큰 경우, 특정 크기의 미세먼지의 개수가 많다는 것을 의미할 수 있다. 특정 이득에 대한 감산 값은 특정 범위의 전압 레벨로 아날로그 신호를 생성한 픽셀들의 개수일 수 있다. 그리고, 특정 범위의 전압 레벨은 특정 사이즈 범위의 미세먼지에 의한 산란광을 수신한 결과일 수 있다. 즉, 감산 값의 크기는 특정 사이즈 범위의 미세먼지의 개수를 나타낼 수 있다. 이득 값이 클수록, 더 작은 전압 레벨을 생성한 픽셀들도 카운트될 수 있다. 따라서, 감산 값에 대응되는 이득 값이 클수록, 더 작은 사이즈 범위의 미세 먼지의 양을 나타내는 것일 수 있다. 이를 통하여, 원하는 사이즈 범위의 미세먼지의 농도가 계산될 수 있다.
도 12는 도 9의 미세먼지 계산기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다. 도 12를 참조하면, 가로축은 이득 값으로 정의되고, 세로축은 감산 값으로 정의된다.
상술한 바와 같이, 도 9의 미세먼지 계산기(123_4)는 감산 값에 보정 계수를 적용하여 원하는 사이즈 범위의 미세먼지의 개수, 양, 또는 농도를 계산할 수 있다. 예를 들어, 직경 10㎛의 미세먼지의 개수와 관련된 제1 미세먼지 데이터(PMa) 및 직경은 2.5㎛의 미세먼지의 개수와 관련된 제2 미세먼지 데이터(PMb)가 계산될 수 있다. 제1 미세먼지 데이터(PMa)는 제1 보정 계수를 감산 값들에 각각 곱하여 생성될 수 있다. 제2 미세먼지 데이터(PMb)는 제2 보정 계수를 감산 값들에 각각 곱하여 생성될 수 있다. 일례로, 제1 및 제2 보정 계수들 각각은 이득 값들에 각각 대응되는 서로 다른 계수 값들을 포함할 수 있다.
일반적으로, 감산 값의 크기는 특정 사이즈 범위의 미세먼지의 개수에 의존한다. 그러나, 미세먼지와 픽셀 사이의 거리, 미세먼지의 크기에 따른 시스템(100)에 대한 흡착 정도, 미세먼지의 종류, 물질, 및 형상 등에 따라 감산 값과 특정 사이즈 범위의 미세먼지의 개수의 관련성에 오차가 발생될 수 있다. 이러한 다양한 요인을 고려하여 미세먼지 농도 계산의 신뢰성을 개선하도록, 보정 계수가 설정될 수 있다. 그리고, 미세먼지 계산기(123_4)는 제1 미세먼지 데이터(PMa) 및 제2 미세먼지 데이터(PMb)를 미세먼지 농도의 표준 단위로 환산할 수 있다.
도 13은 도 1의 시스템의 동작 방법의 예시적인 순서도이다. 도 13의 단계들은 도 1의 시스템(100)에서 수행될 수 있다. 도 13의 단계들은 미세먼지를 측정하기 위한 시스템(100)의 동작 방법으로 이해될 것이다. 설명의 편의상, 도 1의 도면 부호를 참조하여, 도 13이 설명된다.
S110 단계에서, 광원(112)은 적외선 대역의 광을 출력할 수 있다. 출력된 광은 미세먼지에 의하여 산란될 수 있다. 산란된 광은 센서(120)의 픽셀 어레이(121)에 도달할 수 있다.
S120 단계에서, 시스템(100)은 미세먼지를 측정할 수 있는 조건인지 판단할 수 있다. 예를 들어, 출력된 광에 응답하여 감지된 산란광 또는 반사광의 세기가 기준 세기보다 큰 경우, 프로세서(130)는 센서(120)의 전면에 객체가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 여기에서, 기준 세기는 객체가 센서(120)에 인접한 것으로 판단될 정도의 감지된 광의 세기로 이해될 수 있다. 객체에 의하여 미세먼지 측정이 어려운 경우, 시스템(100)은 객체가 존재함을 출력 장치(미도시)를 통하여 사용자에게 알릴 수 있다. 이후, S110 단계가 진행될 수 있다. 객체가 센서(120)로부터 감지되지 않는 경우, S130 단계가 진행된다.
S130 단계에서, 센서(120)는 이미지를 캡처할 수 있다. 여기에서 이미지의 캡처는 산란광을 감지하는 동작으로 이해될 것이다. 미세먼지는 시간의 흐름에 따라 계속적으로 움직일 수 있으므로, 센서(120)는 기준 스캔 수만큼 이미지들을 생성할 수 있다. 생성된 이미지들은 에버리지 연산을 통하여 하나의 이미지로 병합될 수 있다. 센서(120)는 픽셀 어레이(121)로부터 생성된 아날로그 신호를 설정된 이득 값에 기초하여 디지털 신호로 변환할 수 있다. 여기에서의 이미지는 픽셀들(PX)에 각각 대응되는 수치 값들을 포함하는 디지털 신호일 수 있다.
S140 단계에서, 시스템(100)은 포화된 픽셀들의 개수를 카운트할 수 있다. S140 단계는 프로세서(130)에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 포화된 픽셀들의 개수는 디지털 신호 (이미지)에서 문턱 값 이상의 수치 값들의 개수로 이해될 수 있다. 시스템(100)은 설정된 이득 값에 대응되는 카운트 값을 생성할 수 있다.
S150 단계에서, 시스템(100)은 카운트된 개수의 변화량을 계산할 수 있다. S150 단계는 프로세서(130)에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일례로, 시스템(100)은 S140 단계에서 생성된 카운트 값과 직전 동작에서 생성된 카운트 값을 감산하여 변화량을 계산할 수 있다. 직전 동작에서 생성된 카운트 값은 S140 단계에서 설정된 이득 값보다 작은 이득 값에 대응되는 카운트 값일 수 있다.
S160 단계에서, 시스템(100)은 이득 값이 기준 이득 값인지 판단할 수 있다. 기준 이득 값은 미세먼지 측정을 위하여 사용되는 이득 값들 중 최대값일 수 있다. 현재 이득 값이 기준 이득 값이 아닌 경우, S165 단계로 진행한다. S165 단계에서, 이득 값이 증가하고, 증가된 이득 값에 기초하여, S130 내지 S150 단계들이 진행될 수 있다. S130 내지 S150 단계들은 이득 값이 기준 이득 값에 도달할 때까지 반복될 수 있다. 그 결과, 복수의 서로 다른 이득 값들에 대한 카운트 값 및 변화량이 계산될 수 있다.
S170 단계에서, 시스템(100)은 이득 값에 대한 카운트 값의 변화량에 기초하여 미세먼지 데이터를 생성할 수 있다. S170 단계는 프로세서(130)에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 시스템(100)은 이득 값들에 각각 대응되는 변화량들에 보정 계수를 적용하여 타겟 사이즈 범위의 미세먼지 양을 계산할 수 있다. 여기에서, 미세먼지 데이터는 단위 부피로 환산하기 전의 미세먼지 양에 대한 수치 값으로 이해될 것이다.
S180 단계에서, 시스템(100)은 미세먼지 데이터에 기초하여 미세먼지를 측정할 수 있는 조건인지 다시 판단할 수 있다. S120 단계에서 언급한 바와 같이, 미세먼지 데이터의 크기가 기준 값보다 큰 경우, 프로세서(130)는 센서(120)의 전면에 객체가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 객체에 의하여 미세먼지 측정이 어려운 경우, 시스템(100)은 객체가 존재함을 출력 장치(미도시)를 통하여 사용자에게 알릴 수 있고, 이후, S110 단계가 진행될 수 있다. 객체가 센서(120)로부터 감지되지 않는 경우, S190 단계가 진행된다.
S190 단계에서, 시스템(100)은 미세먼지 데이터를 단위 부피로 환산하여 미세먼지 농도를 계산할 수 있다. S190 단계는 프로세서(130)에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 미세먼지 데이터는 적어도 하나의 타겟 사이즈 범위의 미세먼지들의 양과 관련된다. 측정하고자 하는 미세먼지의 사이즈가 복수인 경우, 미세먼지 데이터는 복수의 사이즈들 각각에 대한 값들을 포함할 수 있다. 시스템(100)은 이러한 값들 각각을 단위 부피로 환산하여 미세먼지의 사이즈별 농도들을 계산할 수 있다.
도 14는 도 1의 시스템의 동작 방법의 예시적인 순서도이다. 도 14의 단계들은 도 1의 시스템(100)에서 수행될 수 있다. 도 14의 단계들은 시스템(100)이 도 4의 픽셀 어레이(121_2)와 같이 가시광선 대역을 감지하는 픽셀들과 및 적외선 대역을 감지하는 픽셀들을 포함하는 경우의 실시예일 수 있다. 도 14의 단계들은 일반적인 이미지 캡처 및 미세먼지 측정을 선택적으로 수행하는 방법으로 이해될 것이다. 설명의 편의상, 도 1의 도면 부호를 참조하여, 도 14가 설명된다.
S210 단계에서, 프로세서(130)는 시스템(100)의 동작 모드를 결정할 수 있다. 일반적인 이미지 캡처를 위한 동작 모드가 선택된 경우, S220 및 S230 단계가 진행된다. 미세먼지 측정을 위한 동작 모드가 선택된 경우, S240 및 S250 단계가 진행된다.
S220 단계에서, 센서(120)는 가시광선 대역의 광을 감지하여 이미지를 생성할 수 있다. 이 경우, 복수의 픽셀들 중 가시광선 대역의 광을 감지하는 컬러 픽셀들이 감지된 광에 기초하여 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 변환 회로(122)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 그리고, 적외선 대역의 광을 감지하는 픽셀들 (PM 픽셀)은 가시광선 대역의 광을 감지하지 않는다.
S230 단계에서, 시스템(100)은 PM 픽셀에 대응되는 이미지를 보정할 수 있다. S230 단계는 프로세서(130)에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일례로, 시스템(100)은 PM 픽셀에 인접한 컬러 픽셀들에 대응되는 값에 기초하여 PM 픽셀에 대응되는 데이터 값을 보정할 수 있다. 보정된 값은 S220에서 생성된 이미지에 적용될 수 있다.
S240 단계에서, 시스템(100)은 조명(110)을 활성화시킬 수 있다. 조명(110)은 미세먼지의 농도를 측정하기 위하여, 미세먼지에 조사될 광을 출력할 수 있다. 출력된 광은 미세먼지에 의하여 산란될 수 있다. 산란된 광은 센서(120)에 도달할 수 있다.
S250 단계에서, 시스템(100)은 산란된 광을 감지하여 미세먼지를 측정할 수 있다. 미세먼지를 측정하는 동작은 도 13의 단계들과 같을 수 있다.
도 15는 도 1의 시스템이 적용된 전자 장치의 예시적인 도면이다. 도 15를 참조하면, 전자 장치(200)는 조명(210), 센서(220), 및 커넥터(250)를 포함할 수 있다. 도시되지 않았으나, 전자 장치(200)는 도 1의 프로세서(130)에 대응되는 구성을 내장할 수 있다.
조명(210)은 도 1의 조명(110)에 대응된다. 조명(210)은 미세먼지 측정을 위하여, 적외선 대역의 광을 외부로 출력할 수 있다. 출력된 광은 미세먼지에 의하여 산란될 수 있다. 산란된 광은 센서(220)로 입사될 수 있다.
센서(220)는 산란광에 기초하여 미세먼지를 측정하기 위한 전기 신호를 생성할 수 있다. 센서(220)는 도 1의 센서(120)에 대응된다. 센서(220)는 미세먼지에 의하여 산란된 광을 수신하기 위하여, 조명(210)에 인접하게 배치될 수 있다. 센서(220)는 서로 다른 이득 값들에 각각 대응되는 아날로그 신호를 생성하고, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
센서(220)는 도 2의 픽셀 어레이(121_1)를 포함할 수 있다. 이 경우, 전자 장치(200)는 미세먼지 측정을 위한 전용 장치일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 센서(220)는 도 4의 픽셀 어레이(121_2)를 포함할 수도 있다. 이 경우, 전자 장치(200)는 미세먼지 측정 및 일반적인 이미지 캡처를 모두 수행할 수 있다.
커넥터(250)는 외부의 전자 장치와 전기적으로 연결되도록 제공될 수 있다. 커넥터(250)를 통하여, 전자 장치(200)는 컴퓨터 장치 등과 같은 외부 장치와 통신할 수 있다. 사용자는 외부 장치를 통하여 미세먼지의 측정 결과를 인식할 수 있다.
전자 장치(200)는 센서(220)에서 생성된 디지털 신호에 기초하여 특정 사이즈 범위(들)의 미세먼지 농도를 계산할 수 있다. 이를 위하여, 도 1의 프로세서(130)에 대응되는 구성이 전자 장치(200)에 제공될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 전자 장치(200)에 포함된 프로세서는 조명(210) 및 센서(220)의 동작을 제어하고, 미세먼지의 측정은 커넥터(250)를 통하여 연결된 외부 장치에서 수행될 수도 있다.
도 16은 도 1의 시스템이 적용된 전자 장치의 예시적인 도면이다. 도 16을 참조하면, 전자 장치(300)는 조명(310) 및 센서들(321, 333, 323, 324)을 포함할 수 있다. 도시되지 않았으나, 전자 장치(300)는 도 1의 프로세서(130)에 대응되는 구성을 내장할 수 있다.
조명(310)은 도 1의 조명(110)에 대응된다. 조명(310)은 미세먼지 측정을 위하여, 적외선 대역의 광을 외부로 출력할 수 있다. 출력된 광은 미세먼지에 의하여 산란될 수 있다. 산란된 광은 센서들(321, 333, 323, 324) 중 적어도 하나로 입사될 수 있다.
센서들(321, 333, 323, 324)은 외부의 광을 수신하여 아날로그 신호와 같은 전기 신호로 변환할 수 있다. 센서들(321, 333, 323, 324)은 초점 거리, 시야각, 픽셀들의 개수, 감지하는 광의 파장 대역 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
일례로, 제1 센서(321)는 깊이를 감지하기 위한 적외선 감지 센서일 수 있으며, TOF(Time of Flight) 센서일 수 있다. 제1 센서(321)는 조명(310)으로부터 출력된 광의 반사광에 기초하여 객체의 깊이를 측정할 수 있다. 일례로, 제2 센서(322)는 센서들(321, 333, 323, 324) 중 가장 넓은 시야각을 갖고, 가장 작은 초점 거리를 갖는 초광각 이미지 센서일 수 있다. 일례로, 제3 센서(323)는 제2 센서(322)보다 작은 시야각을 갖고, 제2 센서(322)보다 큰 초점 거리를 갖는 광각 이미지 센서일 수 있다. 제4 센서(324)는 망원 이미지 센서일 수 있다. 제2 내지 제4 센서들(322, 323, 324)은 가시광선 대역의 광을 감지하는 픽셀들을 포함할 수 있다. 센서들(321, 333, 323, 324)의 종류는 예시적인 것으로, 설명된 예시와 다른 특성을 갖고, 다른 개수의 센서들이 제공될 수 있다.
조명(310)에 인접한 센서는 도 1의 센서(120)에 대응될 수 있다. 일례로, 제1 센서(321) 또는 제2 센서(322)는 미세먼지 측정을 위한 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제2 센서(322)는 도 4의 픽셀 어레이(121_2)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제2 센서(322)는 일반적인 이미지 캡처 동작 및 미세먼지 측정을 위한 산란광 감지 동작을 선택적으로 수행할 수 있다. 일례로, 제1 센서(321)는 깊이 측정을 위한 동작 및 미세먼지 측정을 위한 동작을 선택적으로 수행할 수 있다.
도 17은 도 1의 시스템이 적용되는 이미지 시스템의 예시적인 블록도이다. 도 17을 참조하면, 이미지 시스템(1000)은 조명(1100), 이미지 센서(1200), 이미지 신호 프로세서(1300), 및 어플리케이션 프로세서(1400)를 포함할 수 있다. 이미지 시스템(1000)은 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 스마트폰, 및 웨어러블(wearable) 장치 등으로 다양하게 구현될 수 있다.
조명(1100)은 적외선 대역의 광을 외부로 출력할 수 있다. 조명(1100)은 광원 컨트롤러(1110) 및 광원(1120)을 포함할 수 있다. 광원 컨트롤러(1110) 및 광원(1120)은 도 1의 광원 컨트롤러(111) 및 광원(112)에 대응되므로 구체적인 설명이 생략된다. 조명(1100)으로부터 출력된 광은 미세먼지에 의하여 산란되어 이미지 센서(1200)로 입사될 수 있다.
이미지 센서(1200)는 도 4와 같은 픽셀 어레이(121_2)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1200)는 적외선 대역의 광을 감지하는 픽셀들 및 가시광선 대역의 광을 감지하는 픽셀들을 포함할 수 있다. 일반 동작 모드에서 이미지 센서(1200)는 가시광선 대역의 광을 감지하여, 디지털 이미지 신호를 생성할 수 있다. 미세먼지 측정 모드에서 이미지 센서(1200)는 광원(1120)으로부터 출력된 광의 산란광을 감지하여 서로 다른 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호들을 생성할 수 있다.
이미지 신호 프로세서(1300)는 이미지 센서(1200)로부터 생성된 디지털 신호에 기초하여 다양한 이미지 처리를 수행할 수 있다. 이미지 신호 프로세서(1300)는 일반 동작 모드에서 디지털 이미지 신호를 처리할 수 있다. 일례로, 이미지 신호 프로세서(1300)는 적외선 대역의 광을 감지하는 픽셀들에 대응되는 데이터 값을 보정하는 등, 화질 개선을 위한 다양한 동작을 수행할 수 있다. 이미지 신호 프로세서(1300)는 미세먼지 측정 모드에서 디지털 신호들을 분석하여 원하는 사이즈 범위의 미세먼지의 농도를 계산할 수 있다. 이러한 계산 프로세스는 상술되었다.
어플리케이션 프로세서(1400)는 이미지 시스템(1000)의 구성 요소들의 전반적인 동작들을 제어할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1400)는 이미지 시스템(1000)을 동작시키기 위한 다양한 연산을 처리할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1400)는 일반 모드 또는 미세먼지 측정 모드를 결정할 수 있다. 일반 모드에서, 어플리케이션 프로세서(1400)는 조명(1100)을 비활성화시키고, 이미지 센서(1200)의 이미지 캡처를 위한 제어 신호를 제공할 수 있다. 미세먼지 측정 모드에서 어플리케이션 프로세서(1400)는 광을 출력하도록 조명(1100)을 활성화시키고, 이미지 센서(1200)의 이득 값을 제어할 수 있다.
위에서 설명한 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 예들이다. 본 발명에는 위에서 설명한 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경하거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함될 것이다. 또한, 본 발명에는 상술한 실시 예들을 이용하여 앞으로 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다.
100, 1000: 시스템
110, 210, 310, 1110: 조명
120, 220, 321, 322, 323, 324, 1200: 센서
121, 121_1, 121_2: 픽셀 어레이
122: 변환 회로
130: 프로세서
200, 300: 전자 장치
110, 210, 310, 1110: 조명
120, 220, 321, 322, 323, 324, 1200: 센서
121, 121_1, 121_2: 픽셀 어레이
122: 변환 회로
130: 프로세서
200, 300: 전자 장치
Claims (20)
- 광을 출력하는 조명;
상기 출력된 광에 따른 산란광에 기초하여 아날로그 신호를 생성하는 픽셀 어레이, 및 이득 값들에 기초하여 상기 아날로그 신호를 상기 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호들로 변환하는 변환 회로를 포함하는 센서; 및
상기 디지털 신호들의 값들 중 문턱 값 이상인 값들의 개수를 카운트하고, 상기 이득 값들의 변화에 따른 상기 카운트된 개수의 변화량에 기초하여 타겟 사이즈 범위를 갖는 미세먼지의 농도를 계산하는 프로세서를 포함하는 전자 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 변환 회로는,
상기 이득 값들 중 가장 작은 제1 이득 값으로부터 가장 큰 제2 이득 값까지 이득 값을 순차적으로 증가시키면서, 상기 아날로그 신호를 증폭하여 상기 디지털 신호들을 생성하는 전자 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 아날로그 신호는 상기 이득 값들에 각각 대응되는 이미지 신호들을 포함하고, 상기 이미지 신호들 각각은 기준 스캔 수의 프레임 신호들을 포함하고,
상기 픽셀 어레이는,
상기 이득 값들마다 상기 기준 스캔 수만큼의 상기 프레임 신호들을 생성하는 전자 시스템. - 제3 항에 있어서,
상기 디지털 신호들 각각은 상기 프레임 신호들에 각각 대응되는 디지털 프레임 신호들을 포함하고,
상기 센서는,
상기 디지털 프레임 신호들의 에버리지 연산을 수행하여 상기 이득 값들 중 하나에 대응되는 디지털 신호를 생성하는 전자 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 이득 값들 중 제1 이득 값에 대응되는 제1 디지털 신호에서 상기 문턱 값 이상인 값들의 제1 개수를 카운트하고,
상기 이득 값들 중 상기 제1 이득 값보다 큰 제2 이득 값에 대응되는 제2 디지털 신호에서 상기 문턱 값 이상인 값들의 제2 개수를 카운트하고,
상기 제2 개수에서 상기 제1 개수를 감산하여 상기 제2 이득 값에 대응되는 상기 변화량을 계산하는 전자 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 디지털 신호들 각각에서 상기 문턱 값 이상인 값들의 개수를 카운트하여 상기 이득 값들에 각각 대응되는 카운트 값들을 생성하고,
상기 이득 값들의 변화에 따른 상기 카운트 값들의 미분 값들을 계산하고,
상기 미분 값들에 상기 타겟 사이즈 범위에 대응되는 보정 계수를 곱하여 상기 타겟 사이즈 범위에 대응되는 상기 미세먼지의 상기 농도를 계산하는 전자 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 타겟 사이즈 범위는 제1 범위 및 제2 범위를 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 변화량에 기초하여, 상기 제1 범위에 대응되는 미세먼지의 제1 농도 및 상기 제2 범위에 대응되는 미세먼지의 제2 농도를 계산하는 전자 시스템. - 제7 항에 있어서,
상기 제1 범위는 PM 10에 대응되고, 상기 제2 범위는 PM 2.5에 대응되는 전자 시스템. - 광원으로부터 출력된 제1 파장 대역의 광에 응답하여 생성된 산란광에 기초하여 제1 아날로그 신호를 생성하는 제1 픽셀들, 및 상기 제1 파장 대역보다 작은 제2 파장 대역의 광에 기초하여 제2 아날로그 신호를 생성하는 제2 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
상기 제1 아날로그 신호를 이득 값들에 각각 대응되는 제1 디지털 신호들로 변환하고, 상기 제2 아날로그 신호를 제2 디지털 신호로 변환하는 변환 회로; 및
상기 제1 디지털 신호들 각각에서 문턱 값 이상인 값들의 개수 및 상기 개수의 변화량에 기초하여, 상기 광이 출력된 영역의 미세먼지 농도를 계산하는 프로세서를 포함하는 이미지 시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 파장 대역은 적외선 대역의 적어도 일부이고, 상기 제2 파장 대역은 가시광선 대역의 적어도 일부인 이미지 시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 파장 대역의 상기 광 및 상기 제2 파장 대역의 상기 광을 통과시키고, 상기 제1 파장 대역 및 상기 제2 파장 대역 사이의 제3 파장 대역의 광을 차단하는 필터를 더 포함하고,
상기 픽셀 어레이는 상기 필터를 통하여 상기 산란광 또는 상기 제2 파장 대역의 상기 광을 수신하는 이미지 시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 픽셀들의 개수는 상기 제2 픽셀들의 개수보다 작고, 상기 제1 픽셀들 사이에 적어도 4개의 제2 픽셀들이 배치되는 이미지 시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 픽셀들 각각은, 상기 제1 파장 대역의 상기 광을 수신하는 제1 픽셀 영역, 및 상기 제1 픽셀 영역 상에 배치되는 투명 부재를 포함하고,
상기 제2 픽셀들 각각은, 상기 제2 파장 대역의 상기 광을 수신하는 제2 픽셀 영역, 및 상기 제2 픽셀 영역 상에 배치되고 상기 제2 파장 대역의 일부 대역의 광을 통과시키는 컬러 필터를 포함하고,
상기 투명 부재의 두께는 상기 컬러 필터의 두께와 같은 이미지 시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제1 디지털 신호들의 값들 중 상기 문턱 값 이상인 값들의 상기 개수를 카운트하고,
상기 이득 값들에 대한 상기 카운트된 개수의 변화량을 계산하고,
상기 변화량에 기초하여 타겟 사이즈 범위의 상기 미세먼지 농도를 계산하는 이미지 시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 타겟 사이즈 범위는 제1 범위 및 제2 범위를 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 변화량에 제1 보정 계수를 곱하여 상기 제1 범위의 사이즈를 갖는 제1 미세먼지의 농도를 계산하고, 상기 변화량에 제2 보정 계수를 곱하여 상기 제2 범위의 사이즈를 갖는 제2 미세먼지의 농도를 계산하는 이미지 시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 프로세서는,
제1 모드에서 상기 조명을 활성화시키고, 상기 제1 디지털 신호들을 생성하도록 상기 변환 회로를 제어하고,
제2 모드에서 상기 조명을 비활성화시키고, 상기 제2 디지털 신호를 생성하도록 상기 변환 회로를 제어하는 이미지 시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제2 디지털 신호에 기초하여 상기 제1 픽셀들에 대응되는 값들을 보상하는 이미지 시스템. - 광의 출력에 따른 산란광을 감지하여 아날로그 신호를 생성하는 단계;
이득 값들에 기초하여 상기 아날로그 신호를 상기 이득 값들에 각각 대응되는 디지털 신호들로 변환하는 단계;
상기 디지털 신호들의 값들 중 문턱 값 이상인 값들의 개수를 카운트하는 단계; 및
상기 카운트된 개수에 기초하여 적어도 하나의 타겟 사이즈 범위에 대응되는 미세먼지 농도를 계산하는 단계를 포함하는 미세먼지의 측정 방법. - 제18 항에 있어서,
상기 미세먼지 농도를 계산하는 단계는,
상기 카운트된 개수들에 기초하여, 상기 이득 값들에 각각 대응되는 상기 카운트된 개수들의 미분 값들을 계산하는 단계; 및
상기 미분 값들에 보정 계수를 곱하여 상기 적어도 하나의 타겟 사이즈 범위에 대응되는 미세먼지 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 미세먼지의 측정 방법. - 제18 항에 있어서,
상기 광은 적외선 대역의 파장을 갖고,
상기 아날로그 신호를 생성하는 단계는,
픽셀 어레이에서 상기 적외선 대역의 광을 감지하는 제1 픽셀들이 상기 산란광을 상기 아날로그 신호로 변환하는 단계를 포함하고,
상기 픽셀 어레이는 가시광선 대역의 광을 감지하는 제2 픽셀들을 더 포함하는 미세먼지의 측정 방법.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190129958A KR102771158B1 (ko) | 2019-10-18 | 미세먼지를 측정하기 위한 전자 시스템 및 이미지 시스템, 및 미세먼지의 측정 방법 | |
| US16/901,488 US11678073B2 (en) | 2019-10-18 | 2020-06-15 | Electronic system and image system for measuring particulate matter and method for measuring particulate matter |
| CN202010979509.0A CN112683852A (zh) | 2019-10-18 | 2020-09-17 | 测量颗粒物的电子系统和图像系统以及测量颗粒物的方法 |
| JP2020169543A JP2021067682A (ja) | 2019-10-18 | 2020-10-07 | 微細粉塵を測定するための電子システム、イメージシステム、及び微細粉塵の測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190129958A KR102771158B1 (ko) | 2019-10-18 | 미세먼지를 측정하기 위한 전자 시스템 및 이미지 시스템, 및 미세먼지의 측정 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210046898A true KR20210046898A (ko) | 2021-04-29 |
| KR102771158B1 KR102771158B1 (ko) | 2025-02-26 |
Family
ID=
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112683852A (zh) | 2021-04-20 |
| US11678073B2 (en) | 2023-06-13 |
| JP2021067682A (ja) | 2021-04-30 |
| US20210120195A1 (en) | 2021-04-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9979886B2 (en) | Multi-mode power-efficient light and gesture sensing in image sensors | |
| US10924703B2 (en) | Sensors and systems for the capture of scenes and events in space and time | |
| US10284769B2 (en) | Image sensor with in-pixel depth sensing | |
| KR102088401B1 (ko) | 이미지 센서 및 이를 포함하는 촬상 장치 | |
| JP6410824B2 (ja) | 画像センサのフリッカ検出 | |
| JP6261151B2 (ja) | 空間および時間内のイベントのキャプチャ | |
| US10110833B2 (en) | Hybrid infrared sensor array having heterogeneous infrared sensors | |
| US9497397B1 (en) | Image sensor with auto-focus and color ratio cross-talk comparison | |
| CN101189885A (zh) | 照明闪烁检测 | |
| CN108304803B (zh) | 光检测电路、光检测方法和显示装置 | |
| US10574872B2 (en) | Methods and apparatus for single-chip multispectral object detection | |
| CN106796146B (zh) | 确定入射辐射的频谱发射特性 | |
| US10419699B1 (en) | Method for shift register digital in pixel unit cell | |
| US11678073B2 (en) | Electronic system and image system for measuring particulate matter and method for measuring particulate matter | |
| CN111225163A (zh) | 图像传感器 | |
| US20040012711A1 (en) | Image pickup apparatus and photometer | |
| KR102771158B1 (ko) | 미세먼지를 측정하기 위한 전자 시스템 및 이미지 시스템, 및 미세먼지의 측정 방법 | |
| US11523073B2 (en) | Image sensor with noise cancellation feature and electronic device with same | |
| CN101557473A (zh) | 摄像装置及其亮度调节方法 | |
| CN104902266B (zh) | 遥感相机电子学响应非线性测试与判别方法及装置 | |
| KR20050092775A (ko) | 광검출 장치 | |
| WO2025027925A1 (ja) | 光検出装置、膜厚計測装置、半導体プロセス監視装置及びノイズ検出方法 | |
| CN116132832A (zh) | 图像感测系统 | |
| WO2025027924A1 (ja) | 光検出装置、膜厚計測装置、半導体プロセス監視装置及びノイズ検出方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20191018 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| A201 | Request for examination | ||
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20221017 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20191018 Comment text: Patent Application |
|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20240411 Patent event code: PE09021S01D |
|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20241119 |