KR20210115544A - 이미지 센서 및 이를 이용한 광마우스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 신호를 수신하는 픽셀들의 전기 신호에 대해 인접 픽셀 간 차이를 통해 움직임 값을 계산하도록 함으로써 저해상도의 데이터만으로 구동해 간소화된 구성이 가능하고 증폭 이득의 조정을 통해 저전력으로 구동될 수 있는 이미지 센서에 관한 것으로, 광 신호를 전기 신호로 변환하는 다수의 포토 다이오드들로 구성되는 광 센서부; 상기 광 센서부의 인접한 2 개의 포토 다이오드의 전기 신호를 비교하여 그 차를 증폭하는 다수의 차동 증폭기들로 구성되는 비교부; 및 상기 비교부로부터 출력되는 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 다수의 ADC들로 구성되는 신호 변환부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이미지 센서 및 이를 이용한 광마우스{A IMAGE SENSOR AND A OPTICAL MOUSE USING THE SAME}

본 발명은 이미지 센서 및 이를 이용한 광마우스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 신호를 수신하는 픽셀들의 전기 신호에 대해 인접 픽셀 간 차이를 통해 움직임 값을 계산하도록 함으로써 저해상도의 데이터만으로 구동해 간소화된 구성이 가능하고 증폭 이득의 조정을 통해 저전력으로 구동될 수 있으며 발광 LED의 파워를 줄여 배터리 수명을 늘릴 수 있는 이미지 센서 및 이를 이용한 광마우스에 관한 것이다.

통상적으로 마우스는 마우스 올려진 바닥면 위를 이동시켜 조작하는 수동식의 위치 입력 장치로서, 크게 트랙볼의 움직임 변화를 감지하여 마우스의 움직임 정보를 산출하는 일명 볼마우스와 광신호의 변화를 감지하여 마우스의 움직임 정보를 산출하는 광마우스로 분류된다.

볼마우스는 마우스를 이동시킬 때마다 트랙볼의 움직임이 사용자의 손과 귀에 전달되어 마우스를 오랫동안 사용하는 사용자의 신경을 거슬리게 할 수 있고, 또한 트랙볼에 이물질이 자주 끼게 되어 이를 제거해 주어야 하는 불편함이 있었다. 이에 광마우스는 볼마우스보다 보편화되어 가는 추세에 있다.

일반적으로, 광마우스에서는 도 1에 도시된 바와 같이 광원(1)으로부터 나온 광(2)이 작업대 표면(3)에서 반사되고, 그 반사된 광(4)이 렌즈(5)를 통과하여 반도체 칩으로 구성된 이미지 센서(6)에 입력되도록 구성되며, 이미지 센서(6)는 다수의 픽셀로 구성되어 이미지를 획득하게 된다. 그리고 획득된 이미지들을 분석하여 마우스의 움직임 값을 출력하게 된다.

최근의 광마우스는 내부에 배터리를 채용하고 움직임 값의 출력을 무선으로 시스템에 전달하는 형태의 무선 동작이 가능한 제품이 대부분이다. 이 같은 무선 광마우스는 배터리의 전력에 전적으로 의존하는 형태이기 때문에 배터리의 사용기간은 대단히 중요한 문제이다. 하지만 지금까지의 광마우스용 이미지 센서는 그 구동 방식에 있어 다수의 픽셀이 한꺼번에 동작하고 그 개별 신호를 증폭하는 등의 동작이 필수적이기 때문에 많은 전력을 소모하는 방식이었고 이는 결국 광마우스의 배터리 사용시간을 짧아지게 만드는 큰 원인이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 광 신호를 수신하는 픽셀들의 전기 신호에 대해 인접 픽셀 간 차이를 통해 움직임 값을 계산하도록 함으로써 저해상도의 데이터만으로 구동해 간소화된 구성이 가능하고 증폭 이득의 조정을 통해 저전력으로 구동될 수 있으며 발광 LED의 파워를 줄여 배터리 수명을 늘릴 수 있는 이미지 센서 및 이를 이용한 광마우스를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 광 신호를 전기 신호로 변환하는 다수의 포토 다이오드들로 구성되는 광 센서부; 상기 광 센서부의 인접한 2 개의 포토 다이오드의 전기 신호를 비교하여 그 차를 증폭하는 다수의 차동 증폭기들로 구성되는 비교부; 및 상기 비교부로부터 출력되는 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 다수의 ADC들로 구성되는 신호 변환부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.

바람직하게는, 하나의 차동 증폭기가 인접한 2 개의 포토 다이오드의 출력단에 연결되고, 또한 인접한 두 차동 증폭기의 입력단 중 하나씩은 같은 포토 다이오드의 출력단에 연결되는 방식으로 상기 광 센서부와 증폭부가 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 차동 증폭기는 AMP로 구성되며, 상기 AMP의 두 입력단자는 서로 다른 인접한 포토 다이오드에 각각 연결되고, AMP의 두 출력단자는 모두 인접한 포토 다이오드 간 차이값을 출력하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 AMP의 출력단자에는 선택 스위치가 연결되어 AMP의 두 출력단자 중 하나를 선택해 출력이 이루어지게 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 AMP의 두 입력단자에 각각 연결되는 커패시터와 AMP의 입력단자와 출력단자를 연결하는 커패시터의 용량을 조절하여 AMP의 이득을 조정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 신호 변환부는 각각의 차동 증폭기와 연결된 다수의 ADC로 구성되며, 상기 ADC는 FLASH ADC로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 특징들 중 하나에 따르며 인접한 픽셀의 차이값을 디지털 신호로 출력하는 이미지 센서; 상기 이미지 센서로부터 출력되는 신호를 연산하여 광마우스의 움직임 값을 계산하는 이미지 데이터 프로세서; 및 상기 이미지 데이터 프로세서의 출력을 수신해 외부 컴퓨터 시스템으로 출력하는 시스템 컨트롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광마우스를 제공한다.

본 발명에 따르면, 광 신호를 수신하는 픽셀들의 전기 신호에 대해 인접 픽셀 간 차이를 통해 움직임 값을 계산하도록 함으로써 저해상도의 데이터만으로 구동해 간소화된 구성이 가능하고 증폭 이득의 조정을 통해 저전력으로 구동될 수 있으며 발광 LED의 파워를 줄여 배터리 수명을 늘릴 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 광마우스를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광마우스의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 차동 증폭기 회로를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 ADC 회로를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광마우스의 블록도이다.

도 2를 참조하면, 다수의 픽셀로 이루어져 있으며 일정 시간 동안 축적된 신호를 하나의 픽셀 단위로 출력하는 이미지 센서(100), 상기 이미지 센서(100)로부터 출력되는 신호를 연산하여 광마우스의 움직임 값(V(X,Y))을 계산하는 이미지 데이터 프로세서(200), 그리고 외부와의 타이밍을 제어하고 상기 이미지 데이터 프로세서(200)의 출력을 수신해 외부 컴퓨터 시스템으로 출력하는 시스템 컨트롤러(300)을 포함하여 구성될 수 있다.

여기에서 상기 외부 컴퓨터 시스템은 노트북, 데스크 탑, 태블릿 PC 등의 컴퓨터, 휴대폰, 스마트폰, PDA 등의 이동통신단말기, IP TV용 리모컨, 휴대용 멀티미디어 재생장치(PMP), 카 내비게이션, 디지털 카메라 등일 수 있다.

또한 상기 시스템 컨트롤러(300)는 유선 또는 무선 방식으로 움직임 값을 외부 컴퓨터 시스템으로 전달할 수 있다.

상기 이미지 센서(100)는 작업대 표면의 이미지를 획득하여 픽셀 단위로 출력하게 된다. 이 같은 이미지 센서(100)는 복수개의 픽셀들로 이루어져 있으며, 일정 시간 동안 각 픽셀은 광량을 축적하고, 축적된 광량에 상응하는 전류의 양을 가지는 신호를 생성하여 출력하게 되며, 이 같은 복수개의 신호를 복수개의 디지털 신호로 변환하여 출력하게 된다.

상기 이미지 데이터 프로세서(200)는 상기 이미지 센서(100)로부터 출력되는 복수개의 디지털 신호들을 수신하고, 각 디지털 신호에 포함되는 픽셀의 값의 차이를 비교하여 패턴을 만들어 저장하며, 이전 샘플 기간에 만들어진 패턴과 비교하여 광마우스의 움직임 값(V(X,Y))을 계산하게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 회로를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 회로는, 광 신호(빛)를 전기 신호로 검출하는 다수의 포토 다이오드(111)로 구성되는 광 센서부(110), 상기 광 센서부(110)에서 인접한 2개의 포토 다이오드(111)의 전기 신호를 비교하여 그 차를 증폭하는 다수의 차동 증폭기(121)로 구성되는 비교부(120), 상기 비교부(120)로부터 출력되는 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 다수의 ADC(131)로 구성되는 신호 변환부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 광 센서부(111)는 다수의 포토 다이오드(111)로 구성될 수 있다. 상기 포토 다이오드(111)는 광 신호(빛)가 입사되면 전기 신호가 검출된다.

상기 비교부(120)는 다수의 차동 증폭기(121)로 구성될 수 있다. 각각의 차동 증폭기(121)는 인접한 2개의 포토 다이오드(111)의 전기 신호를 비교하고 그 차이를 증폭해 출력하게 된다. 이때 광 센서부(111)와 비교부(120)의 연결은 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 차동 증폭기(121)는 인접한 2개의 포토 다이오드(111)의 출력단에 연결되고, 또한 인접한 두 차동 증폭기(121)의 입력단 중 하나씩은 같은 포토 다이오드(111)의 출력단에 연결되는 방식으로 구조화된다.

상기 차동 증폭기(121)는 인접한 2개의 포토 다이오드(111)의 전기 신호를 비교하게 된다.

이때 상기 차동 증폭기(121)는 높은 이득(gain)을 가지게 구성하여 이미지 처리 과정에서 소요되는 전력을 크게 줄이는 것이 가능하며, 이를 포함하는 전체 이미지 센서 및 마우스가 저전력으로 구동될 수 있게 만들 것이다. 이 같은 차동 증폭기(121)의 이득 조정과 관련된 내용은 후술되는 설명에서 보다 상세히 설명될 것이다.

그리고 상기 신호 변환부(114)는 각각의 차동 증폭기(121)와 연결된 다수의 ADC(131)로 구성되며, 각 차동 증폭기(121)의 출력을 디지털 신호로 변환하여 이미지 데이터 프로세서(200)로 전달하게 된다.

따라서 본 발명에 따른 이미지 센서(100)에서 이미지 데이터 프로세서(200)로 전달되는 디지털 신호는 각 픽셀의 값이 아닌 인접한 픽셀의 차이값이다. 이 같은 차이는 광마우스와 같이 고해상도의 데이터를 필요로 하지 않는 케이스에 적합할 것이며, 저해상도의 데이터만으로 구동되기 때문에 전체 이미지 센서 및 마우스의 간소화된 구성과 빠른 데이터 처리를 가능하게 만들 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 차동 증폭기 회로를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 차동 증폭기(121) 내 AMP(122)의 두 입력단자는 서로 다른 인접한 포토 다이오드(111)에 각각 연결될 것이다. 그리고 AMP(122)의 두 출력단자(OUT_P, OUP_N)는 모두 인접한 포토 다이오드(111) 간 차이값이 된다.

이때 AMP(122)의 출력단자에는 선택 스위치(123)가 연결되어 AMP(122)의 두 출력단자(OUT_P, OUP_N) 중 하나를 선택해 출력이 이루어지게 만든다.

여기에서 AMP(122)의 두 입력단자에 각각 연결되는 2개의 커패시터(C1, C2)와 AMP(122)의 입력단자와 출력단자를 연결하는 2개의 커패시터(C3, C4)의 용량을 조절함으로써 해당 AMP(122)의 이득을 조정할 수 있다. 일 예로, 두 입력단자에 각각 연결되는 커패시터(C1, C2)의 용량을 각각 30 F로 구성하고 AMP(122)의 입력단자와 출력단자를 연결하는 커패시터(C3, C4)의 용량을 3 F로 구성할 경우 AMP(122)의 이득은 10이 될 것이다. 바람직하게는 AMP(122)의 이득을 100으로 하여 전체 배터리 소비량을 1/100(CPU, RF단 전력은 계산에서 제외)로 줄일 수 있게 될 것이다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 ADC 회로를 나타내는 도면이다.

도 5는 상기 차동 증폭기(121) 내 AMP(122)의 두 출력단자(OUT_P, OUP_N) 중 선택 스위치(123)에 의해 선택된 OUT_P의 신호를 디지털 신호(0/1)로 만드는 ADC(131)를 도시하고 있다. 또한 도 6은 상기 차동 증폭기(121) 내 AMP(122)의 두 출력단자(OUT_P, OUP_N) 중 선택 스위치(123)에 의해 선택된 OUT_N의 신호를 디지털 신호(0/1)로 만드는 ADC(131)를 도시하고 있다.

상기 ADC(131) 회로는 병렬 비교형 ADC로서 아날로그 신호를 빠르게 디지털 신호로 바꾸는 FLASH ADC 회로로 구성되었다.

이 회로에서는 AMP(122)에서 출력된 인접한 포토 다이오드(111) 간 차이값을 기준 신호와 비교하여 대소 비교에 따라 0 또는 1을 출력하게 된다.

결국 이렇게 출력된 디지털 신호는 각 픽셀의 값이 아닌 인접한 픽셀의 차이값으로, 광마우스와 같이 고해상도의 데이터를 필요로 하지 않는 케이스에 적합할 것이며, 저해상도의 데이터만으로 구동되기 때문에 전체 이미지 센서 및 마우스의 간소화된 구성과 빠른 데이터 처리를 가능하게 만들 것이다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 이미지 센서 110 : 광 센서부
120 : 비교부 130 : 신호 변환부
200 : 이미지 데이터 프로세서 300 : 시스템 컨트롤러

Claims (7)

1. 광 신호를 전기 신호로 변환하는 다수의 포토 다이오드들로 구성되는 광 센서부;
   상기 광 센서부의 인접한 2 개의 포토 다이오드의 전기 신호를 비교하여 그 차를 증폭하는 다수의 차동 증폭기들로 구성되는 비교부; 및
   상기 비교부로부터 출력되는 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 다수의 ADC들로 구성되는 신호 변환부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
   
2. 제 1항에 있어서,
   하나의 차동 증폭기가 인접한 2 개의 포토 다이오드의 출력단에 연결되고, 또한 인접한 두 차동 증폭기의 입력단 중 하나씩은 같은 포토 다이오드의 출력단에 연결되는 방식으로 상기 광 센서부와 증폭부가 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 차동 증폭기는 AMP로 구성되며,
   상기 AMP의 두 입력단자는 서로 다른 인접한 포토 다이오드에 각각 연결되고, AMP의 두 출력단자는 모두 인접한 포토 다이오드 간 차이값을 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 AMP의 출력단자에는 선택 스위치가 연결되어 AMP의 두 출력단자 중 하나를 선택해 출력이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 AMP의 두 입력단자에 각각 연결되는 커패시터와 AMP의 입력단자와 출력단자를 연결하는 커패시터의 용량을 조절하여 AMP의 이득을 조정하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 신호 변환부는 각각의 차동 증폭기와 연결된 다수의 ADC로 구성되며, 상기 ADC는 FLASH ADC로 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
   
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따르며 인접한 픽셀의 차이값을 디지털 신호로 출력하는 이미지 센서;
   상기 이미지 센서로부터 출력되는 신호를 연산하여 광마우스의 움직임 값을 계산하는 이미지 데이터 프로세서; 및
   상기 이미지 데이터 프로세서의 출력을 수신해 외부 컴퓨터 시스템으로 출력하는 시스템 컨트롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광마우스.
   

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