KR20220018215A

KR20220018215A - 비행 거리 센서 및 비행 거리 센서의 거리 측정 방법

Info

Publication number: KR20220018215A
Application number: KR1020200098448A
Authority: KR
Inventors: 진영구; 김영찬; 권용현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2022-02-15
Also published as: CN114089345A; US20220043116A1

Abstract

비행 거리 센서의 거리 측정 방법에 따라서, 송신 광 및 복수의 복조 신호들 사이의 복수의 시간 쉬프트들을 발생한다. 상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 복수의 샘플 데이터들을 발생하는 복수의 샘플링 동작들을 수행한다. 상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 복수의 탭들 중 제1 기준 탭 및 제2 기준 탭의 샘플 데이터들이 동일하게 되는 교차 시간 쉬프트를 결정한다. 상기 교차 시간 쉬프트에 기초하여 상기 비행 거리 센서 및 상기 피사체 사이의 거리를 결정한다. 서로 다른 시간 프트들에 상응하는 복수의 샘플 데이터들에 기초하여 결정되는 교차 시간 쉬프트를 이용하여 거리 픽셀의 특성 편차에 관계 없이 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

Description

비행 거리 센서 및 비행 거리 센서의 거리 측정 방법{Time-of-flight sensor and method of measuring distance using the same}

본 발명은 반도체 집적 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비행 거리 센서 및 비행 거리 센서의 거리 측정 방법에 관한 것이다.

최근 물체의 입체 정보를 획득하는 3차원 센싱에 대한 관심이 증대됨에 따라서 여러 가지의 3차원 카메라가 개발되고 있다. 다양한 방식의 3차원 카메라 중에서도, 비행 시간(ToF, Time of Flight) 방식의 카메라가 회로의 복잡도가 낮고 거리 분해능이 뛰어난 장점이 있어서 많이 사용되고 있다.

비행 시간 센서는 거리 정보를 추출하기 위하여 별도의 레이저 또는 발광 다이오드(LED)와 같은 광원을 이용하여 변조된 송신 광을 피사체에 조사한 후 반사되어 나오는 반사 광의 시간차 혹은 위상차를 측정하여 거리를 계산한다. 물체에 반사되어 되돌아온 신호는 복조 신호들을 사용하여 측정된다. 비행 거리 센서에서 거리 픽셀 내부의 오프셋이나 이득 편차에 의해 거리 측정의 정확도가 저하된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은, 거리 측정의 정확도를 향상할 수 있는 비행 거리 센서를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 일 목적은, 거리 측정의 정확도를 향상할 수 있는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법을 제공하는 것이다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정 방법은, 송신 광을 피사체에 조사하는 광원 및 적어도 하나의 거리 센서를 포함하고, 상기 거리 센서는 서로 다른 위상을 갖는 복수의 복조 신호들에 기초하여 상기 송신 광이 상기 피사체에 의해 반사되어 상기 비행 거리 센서에 입사되는 반사 광의 세기에 상응하는 복수의 샘플 데이터들을 각각 발생하는 복수의 탭들을 포함하는 멀티-탭 구조를 갖는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법으로서, 상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 복수의 시간 쉬프트들을 발생하는 단계, 상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플 데이터들을 발생하는 복수의 샘플링 동작들을 수행하는 단계, 상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 복수의 탭들 중 제1 기준 탭 및 제2 기준 탭의 샘플 데이터들이 동일하게 되는 교차 시간 쉬프트를 결정하는 단계 및 상기 교차 시간 쉬프트에 기초하여 상기 비행 거리 센서 및 상기 피사체 사이의 거리를 결정하는 단계를 포함한다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정 방법은, 상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 제1 시간 쉬프트를 발생하는 단계, 상기 제1 시간 쉬프트들에 상응하는 복수의 제1 샘플 데이터들을 발생하는 제1 샘플링 동작을 수행하는 단계, 상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 상기 제1 시간 쉬프트와 다른 제2 시간 쉬프트를 발생하는 단계, 상기 제2 시간 쉬프트들에 상응하는 복수의 제2 샘플 데이터들을 발생하는 제2 샘플링 동작을 수행하는 단계, 상기 복수의 제1 샘플링 데이터들 및 상기 복수의 제2 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 복수의 탭들 중 제1 기준 탭 및 제2 기준 탭의 샘플 데이터들이 동일하게 되는 교차 시간 쉬프트를 결정하는 단계 및 상기 교차 시간 쉬프트에 기초하여 상기 비행 거리 센서 및 상기 피사체 사이의 거리를 결정하는 단계를 포함한다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서는, 송신 광을 피사체에 조사하는 광원, 센싱부 및 제어부를 포함한다. 상기 센싱부는 서로 다른 위상을 갖는 복수의 복조 신호들에 기초하여 상기 송신 광이 상기 피사체에 의해 반사되어 상기 비행 거리 센서에 입사되는 반사 광의 세기에 상응하는 복수의 샘플 데이터들을 각각 발생하는 복수의 탭들을 포함하는 멀티-탭 구조를 갖는 적어도 하나의 거리 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이 및 상기 거리 픽셀의 복수의 탭들에 인가되는 복수의 복조 신호들을 발생하는 로우 주사 회로를 포함한다. 상기 제어부는 상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 복조 신호들을 상기 복수의 탭들에 인가하여 상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플 데이터들을 발생하는 복수의 샘플링 동작들을 수행한다. 상기 비행 거리 센서는 상기 복수의 샘플링 동작들에 상응하는 상기 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 복수의 탭들 중 제1 기준 탭 및 제2 기준 탭의 샘플 데이터들이 동일하게 되는 교차 시간 쉬프트를 결정하고, 상기 교차 시간 쉬프트에 기초하여 상기 비행 거리 센서 및 상기 피사체 사이의 거리를 결정한다.

본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서 및 비행 거리 센서의 거리 측정 방법은 서로 다른 시간 쉬프트들에 상응하는 복수의 샘플 데이터들에 기초하여 결정되는 교차 시간 쉬프트를 이용하여 거리 픽셀의 특성 편차에 관계 없이 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서 및 비행 거리 센서의 거리 측정 방법은 복수의 샘플링 동작들에 의해 피사체의 속도를 측정하고, 상기 속도를 이용하여 거리 측정의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서를 나타내는 블록도이다.
도 3 및 4는 비행 시간 센서에서 피사체의 거리의 측정 및 계산의 일 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 시간 쉬프트를 나타내는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정을 위한 교차 시간 쉬프트의 결정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8a 내지 8f는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 시간 쉬프트에 따른 샘플 데이터들을 나타내는 도면들이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서에 포함되는 2-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 10은 도 9의 거리 픽셀을 포함하는 비행 거리 센서의 동작의 일 실시예를 나타내는 타이밍도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서에 포함되는 2-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 12는 도 10의 거리 픽셀을 포함하는 비행 거리 센서의 동작의 일 실시예를 나타내는 타이밍도이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 펄스파 방식의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 연속파 방식의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 15 및 16은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 기본 시간 쉬프트의 탐색 방법을 나타내는 도면들이다.
도 17 및 18은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정을 위한 샘플링 동작의 일 실시예를 나타내는 도면들이다.
도 19 및 20은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정을 위한 시간 쉬프트의 일 실시예를 나타내는 도면들이다.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 22 및 23은 도 21의 거리 측정 방법의 일 실시예를 나타내는 도면들이다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서에 포함되는 4-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 25는 도 24의 거리 픽셀을 포함하는 비행 거리 센서의 동작의 일 실시예를 나타내는 타이밍도이다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서에 포함되는 4-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 27은 도 26의 거리 픽셀을 포함하는 비행 거리 센서의 동작의 일 실시예를 나타내는 타이밍도이다.
도 28 및 29는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 시간 쉬프트를 나타내는 도면들이다.
도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 비행 시간에 따른 샘플 데이터들을 나타내는 도면들이다.
도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 기본 시간 쉬프트의 탐색 방법을 나타내는 도면이다.
도 32는 본 발명의 비행 시간 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서는 송신 광을 피사체에 조사하는 광원 및 적어도 하나의 거리 센서를 포함한다. 상기 거리 센서는 서로 다른 위상을 갖는 복수의 복조 신호들에 기초하여 상기 송신 광이 상기 피사체에 의해 반사되어 상기 비행 거리 센서에 입사되는 반사 광의 세기에 상응하는 복수의 샘플 데이터들을 각각 발생하는 복수의 탭들을 포함하는 멀티-탭 구조를 갖는다. 이러한 멀티-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 이용하여 본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 방법을 수행할 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 복수의 시간 쉬프트들을 발생한다(S100). 여기서 시간 쉬프트는 송신 광 및 복수의 복조 신호들 사이의 상대적인 시간 차 또는 위상 차를 나타낸다. 일 실시예에서, 도 4 및 5를 참조하여 설명하는 바와 같이, 송신 광 및/또는 복조 신호들의 지연량 또는 위상을 조절하여 시간 쉬프트를 변경할 수 있다. 다른 실시예에서, 도 19 및 20을 참조하여 설명하는 바와 같이, 복조 신호들의 펄스 폭(pulse width) 또는 듀티비(duty ratio)를 조절하여 시간 쉬프트를 변경할 수 있다.

상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플 데이터들을 발생하는 복수의 샘플링 동작들을 수행한다(S200). 후술하는 바와 같이, 샘플링 동작은 거리 픽셀의 탭 구조, 송신 광의 변조 방식 등에 따라서 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 복수의 탭들 중 제1 기준 탭 및 제2 기준 탭의 샘플 데이터들이 동일하게 되는 교차 시간 쉬프트를 결정한다(S300). 상기 교차 시간 쉬프트에 기초하여 상기 비행 거리 센서 및 상기 피사체 사이의 거리를 결정한다(S400). 교차 시간 쉬프트의 결정 방법 및 거리 계산에 대해서는 도 7 내지 8f를 참조하여 후술한다.

일반적으로, 비행 거리 센서는 복조 신호들에 상응하는 샘플링 데이터의 비율로 비행 거리 센서 및 피사체 사이의 거리를 결정한다. 그러나 이러한 종래의 방식은 거리 픽셀 내부의 오프셋이나 이득의 편차에 의해 거리의 계산 값이 달라질 수 있다는 문제가 있다. 반면에 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정 방법은 시간 쉬프트의 변화에 따른 샘플 데이터들의 교차 점에 상응하는 교차 시간 쉬프트를 결정하고, 교차 시간 쉬프트의 상대적인 변화에 기초하여 거리를 결정한다. 이 경우, 거리 픽셀들의 특성 편차에 따라서 교차 점의 위치가 달라지더라도 일정한 거리 변화를 구할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서 및 비행 거리 센서의 거리 측정 방법은 서로 다른 시간 쉬프트들에 상응하는 복수의 샘플 데이터들에 기초하여 결정되는 교차 시간 쉬프트를 이용하여 거리 픽셀의 특성 편차에 관계 없이 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

실시예에 따라서, 도 22 및 23을 참조하여 후술하는 바와 같이, 상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 피사체의 접근 속도를 결정할 수 있다. 상기 접근 속도에 기초하여 상기 복수의 샘플링 데이터들을 보정하고, 보정된 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 교차 시간 쉬프트를 보정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서 및 비행 거리 센서의 거리 측정 방법은 복수의 샘플링 동작들에 의해 피사체의 속도를 측정하고, 상기 속도를 이용하여 거리 측정의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서를 나타내는 블록도이다.

도 2를 참조하면, 비행 시간 센서(100)는 센싱부, 제어부(150) 및 광원 모듈(200)을 포함할 수 있다. 상기 센싱부는 픽셀 어레이(110), 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion; ADC)부(120), 로우 주사 회로(130) 및 컬럼 주사 회로(140)를 포함할 수 있다.

픽셀 어레이(110)는 광원 모듈(200)에서 송신된 광(TL)이 피사체(OBJ)에서 반사되어 수신된 광(RL)을 전기적인 신호로 변환하는 거리 픽셀(depth pixel)들을 포함한다. 상기 거리 픽셀들은 흑백 영상 정보와 함께 비행 시간 센서(100)로부터 피사체(OBJ)의 거리에 대한 정보를 제공할 수 있다.

픽셀 어레이(110)는 컬러 영상 정보를 제공하는 컬러 픽셀들을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 비행 시간 센서(100)는 상기 컬러 영상 정보 및 상기 거리 정보를 동시에 제공하는 3차원 컬러 이미지 센서일 수 있다. 일 실시예에서, 적외선(또는 근적외선) 필터가 상기 거리 픽셀들 상에 형성되고, 컬러 필터(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색 필터들)가 상기 컬러 픽셀들 상에 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 상기 거리 픽셀과 상기 컬러 픽셀의 개수 비는 변경될 수 있다.

ADC부(120)는 픽셀 어레이(110)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 실시예에 따라, ADC부(120)는 각 컬럼 라인마다 연결된 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 아날로그 신호들을 병렬로 변환하는 컬럼 ADC를 수행하거나, 단일한 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 상기 아날로그 신호들을 순차적으로 변환하는 단일 ADC를 수행할 수 있다.

실시예에 따라, ADC부(120)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS)부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 CDS부는 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 신호와 신호 성분을 나타내는 아날로그 데이터 신호의 차이에 기초하여 상기 유효 신호 성분을 추출하는 아날로그 더블 샘플링(Analog Double Sampling)을 수행할 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 리셋 신호와 상기 아날로그 데이터 신호를 디지털 신호들로 각각 변환한 후 상기 유효 신호 성분으로서 두 개의 디지털 신호의 차이를 추출하는 디지털 더블 샘플링(Digital Double Sampling)을 수행할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 더블 샘플링 및 상기 디지털 더블 샘플링을 모두 수행하는 듀얼 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.

로우 주사 회로(130)는 제어부(150)로부터 제어 신호들을 수신하여 픽셀 어레이(110)의 로우 어드레스 및 로우 주사를 제어할 수 있다. 로우 주사 회로(130)는 로우 라인들 중에서 해당 로우 라인을 선택하기 위하여 해당 로우 라인을 활성화시키는 신호를 픽셀 어레이(110)에 인가할 수 있다. 일 실시예에서, 로우 주사 회로(130)는 픽셀 어레이(110) 내의 로우 라인을 선택하는 로우 디코더 및 선택된 로우 라인을 활성화시키는 신호를 공급하는 로우 드라이버를 포함할 수 있다.

컬럼 주사 회로(140)는 제어부(150)로부터 제어 신호들을 수신하여 픽셀 어레이(110)의 컬럼 어드레스 및 컬럼 주사를 제어할 수 있다. 컬럼 주사 회로(140)는 ADC부(120)에서 출력되는 디지털 출력 신호, 즉 샘플 데이터(SDATA)를 디지털 신호 프로세싱 회로(Digital Signal Processing Circuit, 미도시) 또는 외부의 호스트(미도시)로 출력할 수 있다. 예를 들어, 컬럼 주사 회로(140)는 수평 주사 제어 신호를 ADC부(120)에 출력함으로써, ADC부(120) 내의 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 순차적으로 선택할 수 있다.

일 실시예에서, 컬럼 주사 회로(140)는 복수의 아날로그-디지털 변환기들 중 하나를 선택하는 컬럼 디코더 및 선택된 아날로그-디지털 변환기의 출력을 수평 전송선으로 유도하는 컬럼 드라이버를 포함할 수 있다. 한편, 상기 수평 전송선은 상기 디지털 출력 신호를 출력하기 위한 비트 폭을 가질 수 있다.

제어부(150)는 ADC부(120), 로우 주사 회로(130), 컬럼 주사 회로(140) 및 광원 모듈(200)을 제어할 수 있다. 제어부(150)는 ADC부(120), 로우 주사 회로(130), 컬럼 주사 회로(140) 및 광원 모듈(200)의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤 신호 등과 같은 제어 신호들을 공급할 수 있다. 제어부(150)는 광원 모듈(200) 및 로우 주사 회로(130)에 제공되는 제어 신호들을 통하여 본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 방법을 위한 시간 쉬프트를 변경할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(150)는 로직 제어 회로, 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 제어 회로 및 통신 인터페이스 회로 등을 포함할 수 있다.

광원 모듈(200)은 소정의 파장을 가진 광(예를 들어, 적외선 또는 근적외선)을 출력할 수 있다. 광원 모듈(200)은 광원(210) 및 렌즈(220)를 포함할 수 있다. 광원(210)은 제어부(150)에 의해 제어되어 세기가 주기적으로 변하는 광(TL)을 출력할 수 있다.

예를 들어, 광(TL)의 세기는 연속적인 펄스들을 가지는 펄스 파, 사인 파, 코사인 파 등과 같은 형태를 가지도록 변조될 수 있다. 광원(210)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등으로 구현될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 비행 시간 센서(100)의 동작을 설명한다.

제어부(150)는 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 광(TL)을 출력하도록 광원 모듈(200)을 제어할 수 있다. 광원 모듈(200)에서 방출된 광(TL)은 피사체(OBJ)에서 반사되고, 수신 광(RL)으로서 상기 거리 픽셀들에 입사될 수 있다. 상기 거리 픽셀들은 로우 주사 회로(130)에 의해 활성화되어 수신 광(RL)에 상응하는 아날로그 신호를 출력할 수 있다. ADC부(120)는 상기 거리 픽셀들로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 데이터, 즉 샘플 데이터(SDATA)로 변환할 수 있다. 샘플 데이터(SDATA)는 컬럼 주사 회로(140)에 의해 제어부(150)에 제공될 수도 있다.

제어부(150) 또는 외부의 프로세서는 샘플 데이터(SDATA)에 기초하여 비행 시간 센서(100)로부터 피사체(OBJ)의 거리, 피사체(OBJ)의 수평 위치, 피사체(OBJ)의 수직 위치 및/또는 피사체(OBJ)의 면적 등을 계산할 수 있다. 제어부(150)는 측정된 피사체(OBJ)의 거리, 수평 위치, 수직 위치 및/또는 면적에 기초하여 광원 모듈(200)에서 방출되는 광(TL)의 확산각, 조사 위치 등을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 광원(210)과 렌즈(220)의 간격, 광원(210)과 렌즈(220)의 상대적 위치, 렌즈(220)의 굴절률, 렌즈(220)의 곡률 등을 조절할 수 있다.

피사체(OBJ)에 상응하는 영역에 조사된 광(TL)은 피사체(OBJ)에서 반사되어 상기 거리 픽셀들에 다시 입사될 수 있다. 상기 거리 픽셀들은 수신 광(RL)에 상응하는 아날로그 신호를 출력하고, ADC부(120)는 상기 거리 픽셀들로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 데이터, 즉 샘플 데이터(SDATA)로 변환할 수 있다. 샘플 데이터(SDATA)는 제어부(150) 또는 외부의 프로세서로 제공되어 거리 정보로 변환되고, 상기 거리 정보는 디지털 신호 프로세싱 회로 또는 외부의 호스트로 제공될 수 있다. 실시예에 따라, 픽셀 어레이(110)는 컬러 픽셀들을 포함할 수 있고, 상기 디지털 신호 프로세싱 회로 또는 상기 호스트에는 상기 거리 정보와 함께 컬러 영상 정보가 제공될 수 있다.

도 3 및 4는 비행 시간 센서에서 피사체의 거리의 측정 및 계산의 일 예를 설명하기 위한 도면들이다.

도 2 및 3을 참조하면, 광원 모듈(200)에서 방출된 광(TL)은 주기적으로 변동하는 세기를 가질 수 있다. 예를 들어, 방출된 광(TL)의 세기(즉, 단위 면적당 광자의 수)는 사인 파의 형태를 가질 수 있다.

광원 모듈(200)에서 방출된 광(TL)은 피사체(OBJ)에서 반사되어 수신 광(RL)으로서 픽셀 어레이(110)에 입사된다. 픽셀 어레이(110)는 수신 광(RL)을 주기적으로 샘플링할 수 있다. 실시예에 따라, 픽셀 어레이(110)는 수신 광(RL)의 각 주기(즉, 방출된 광(TL)의 주기)마다 180 도의 위상차를 가지는 두 개의 샘플링 포인트들, 각각 90 도의 위상차를 가지는 네 개의 샘플링 포인트들, 또는 그 이상의 샘플링 포인트들에서 수신 광(RL)을 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(110)는 매 주기 마다 방출된 광(TL)의 0 도, 90 도, 180도 및 270도의 위상들에서 수신 광(RL)의 샘플들(A0, A1, A2, A3)을 추출할 수 있다. 샘플들(A0, A1, A2, A3)에 기초하여 송신 광(TL) 및 수신 광(RL)의 위상차를 계산하고 상기 위상차에 기초하여 피사체까지의 거리를 계산할 수 있다.

수신 광(RL)은 추가적인 배경 광, 노이즈 등에 의해 광원 모듈(200)에서 방출된 광(TL)의 오프셋과 다른 오프셋(B)을 가질 수 있다. 수신 광(RL)의 오프셋(B)은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, A0는 방출된 광(TL)의 0 도의 위상에서 샘플링된 수신 광(RL)의 세기를 나타내고, A1은 방출된 광(TL)의 90 도의 위상에서 샘플링된 수신 광(RL)의 세기를 나타내고, A2는 방출된 광(TL)의 180 도의 위상에서 샘플링된 수신 광(RL)의 세기를 나타내고, A3는 방출된 광(TL)의 270 도의 위상에서 샘플링된 수신 광(RL)의 세기를 나타낸다.

수신 광(RL)은 광 손실에 의해 광원 모듈(200)에서 방출된 광(TL)의 진폭(amplitude)보다 작은 진폭(A)을 가질 수 있다. 수신 광(RL)의 진폭(A)은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.

[수학식 2]

픽셀 어레이(110)에 포함된 거리 픽셀들 각각에 대한 수신 광(RL)의 진폭(A)에 기초하여 피사체(OBJ)에 대한 흑백 영상 정보가 제공될 수 있다.

수신 광(RL)은 방출된 광(TL)에 대하여 비행 시간 센서(100)로부터 피사체(OBJ)의 거리의 두 배에 상응하는 위상차(φ)만큼 지연된다. 방출된 광(TL)에 대한 수신 광(RL)의 위상차(φ)는 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 3]

방출된 광(TL)에 대한 수신 광(RL)의 위상차(φ)는 광의 비행 시간(Time-Of-Flight; ToF)에 상응한다. 비행 시간 센서(100)로부터 피사체(OBJ)의 거리는 수학식 “R = c * ToF / 2”(여기서, R은 피사체(OBJ)의 거리를 나타내고, c는 빛의 속도를 나타낸다)을 이용하여 계산될 수 있다. 또한, 비행 시간 센서(100)로부터 피사체(OBJ)의 거리는 수신 광(RL)의 위상차(φ)를 이용하여 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.

[수학식 4]

여기서, f는 변조 주파수, 즉 방출된 광(TL)(또는 수신 광(RL))의 주파수를 나타낸다.

도 3에는 사인 파의 형태를 가지도록 변조된 광(TL)을 이용한 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 비행 시간 센서(100)는 다양한 형태의 변조된 광(TL)을 이용할 수 있다. 또한, 비행 시간 센서(100)는 광(TL)의 세기의 파형, 거리 픽셀의 구조 등에 따라 다양한 방식으로 거리 정보를 추출할 수 있다.

도 4는 멀티-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 포함하는 비행 거리 센서의 타이밍도이다.

2-탭 구조의 경우에는 제1 내지 제2 복조 신호들(DEM1~DEM2)과 제3 내지 제4 복조 신호들(DEM3~DEM4)은 시간적으로 내지 공간적으로 나누어져서 동작할 수 있다. 4-탭 구조의 경우에는 제1 내지 제4 복조 신호들(DEM1~DEM4)이 동시에 동작하는데 제1 내지 제4 복조 신호들(DEM1~DEM4)의 듀티비(duty ratio)는 도 25를 참조하여 후술하는 바와 같이 2-탭보다 절반 혹은 그 이하로 감소될 수 있다. 도 4는 비행 시간 센서에서 변조 타이밍과 복조 타이밍, 즉 복조 신호의 제어 타이밍 동작을 설명하기 위해 사용되며, 비행 거리 센서의 동작은 다양하게 변경될 수 있다.

도 4를 참조하면, 광원으로부터 출력되는 송신 광(TL)은 도 2의 제어부(150)로부터 제공되는 신호에 동기되어 출력된다. 제1 내지 제4 복조 신호들(DEM1~DEM4)은 제어부(150)로부터 제공되는 신호에 동기되어 출력된다. 제1 내지 제4 복조 신호들(DEM1~DEM4)은 각각 송신 광(TL)과 0도, 90도, 180도, 270도의 위상차를 갖는다. 결과적으로 이와 같은 제1 내지 제4 복조 신호들(DEM1~DEM4)을 이용하여 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 송신 광(TL)의 0 도, 90 도, 180도 및 270도의 위상들에서 수신 광(RL)의 샘플들(A0, A1, A2, A3)을 추출할 수 있다.

도 4에는 복조 신호의 위상, 즉 제1 복조 신호(DEM1)의 위상이 변조 신호(MOD)의 위상과 동일한 경우가 도시되어 있다. 도 3 및 4는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정의 원리를 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 송신 광(TL)의 듀티비(duty ratio) 및 복조 신호들(DEM1~DEM4)의 개수, 위상차 및 듀티비는 다양하게 변경될 수 있다.

도 5 및 6은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 시간 쉬프트를 나타내는 도면들이다.

도 5 및 6에는 예시적으로 제1 탭 및 제2 탭을 갖는 2-탭 구조를 갖는 거리 픽셀에 대하여 송신 광(TL), 임의의 비행 시간(ToF)에 상응하는 수신 광(RL), 제1 탭에 상응하는 제1 복조 신호(DEM1) 및 제2 탭에 상응하는 제2 복조 신호(DEL2)의 타이밍들이 도시되어 있다. 도 5에는 시간 쉬프트(Ts)가 0인 경우가 도시되어 있고, 도 6에는 시간 쉬프트(Ts)가 양의 값을 갖는 경우가 도시되어 있다.

거리 픽셀이 2-탭 구조를 갖는 경우, 비행 거리 센서 및 피사체 사이의 거리, 즉 비행 시간에 관계 없이, 제1 탭(TA)은 전술한 제1 기준 탭에 해당하고 제2 탭(TB)은 전술한 제2 기준 탭에 해당한다.

도 5 및 6을 참조하면, 송신 광(TL)의 펄스 폭 및 복수의 복조 신호들, 즉 제1 복조 신호(DEM1) 및 제2 복조 신호(DEM2) 의 펄스 폭들은 기준 시간(Tp)으로서 모두 동일할 수 있다. 제1 복조 신호(DEM1)의 하강 에지 및 제2 복조 신호(DEM2)의 상승 에지는 시점(tb)에서 일치하도록 동기화될 수 있다. 따라서, 수신 광(RL)의 펄스 폭은 시점(tb)을 기준으로 제1 복조 신호(DEM1)의 펄스 및 제2 복조 신호(DEM2)의 펄스에 의해 분할될 수 있다. 실시예들에 따라서, 송신 광(TL)의 펄스 폭 및 복조 신호들(DEM1, DEM2)의 펄스 폭들은 서로 다르게 설정될 수도 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 시간 쉬프트(Ts)가 0인 경우에 송신 광(TL)의 상승 에지의 시점(t0') 및 제1 복조 신호(DEM1)의 상승 에지의 시점(t0)은 일치하도록 동기화될 수 있다. 반면에 도 6에 도시된 바와 같이 시간 쉬프트(Ts)가 양의 값을 갖는 경우에는 송신 광(TL)의 상승 에지의 시점(t0')은 제1 복조 신호(DEM1)의 상승 에지의 시점(t0)보다 늦을 수 있다. 한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 송신 광(TL)의 상승 에지의 시점(t0')이 제1 복조 신호(DEM1)의 상승 에지의 시점(t0)보다 앞서는 경우에는 시간 쉬프트(Ts)가 음의 값을 갖는 것으로 간주될 수 있다.

예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 시간 쉬프트(Ts)를 0으로 설정하여 제1 샘플링 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 복조 신호(DEM1)에 상응하는 샘플 데이터는 (tb-ta)에 해당하고 제2 복조 신호(DEM2)에 상응하는 샘플 데이터는 (tc-tb)에 해당한다. 한편, 도 6에 도시된 바와 같이 시간 쉬프트(Ts)를 양의 값으로 설정하여 제2 샘플링 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 복조 신호(DEM1)에 상응하는 샘플 데이터는 (tb-ta')에 해당하고 제2 복조 신호(DEM2)에 상응하는 샘플 데이터는 (tc'-tb)에 해당한다. 이와 같이, 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여, 도 7 내지 8f를 참조하여 후술하는 바와 같이 복수의 탭들 중 제1 기준 탭 및 제2 기준 탭의 샘플 데이터들이 동일하게 되는 교차 시간 쉬프트를 결정할 수 있다.

일 실시예에서, 송신 광(TL)의 지연량(또는 위상) 및/또는 복조 신호들(DEM1, DEM2)의 지연량을 변경함으로써 시간 쉬프트(Ts)를 변경할 수 있다. 도 2의 광원(210) 및/또는 로우 주사 회로(130)는 제어부(150)에 의해 제공되는 제어 신호들에 기초하여 송신 광(TL) 및/또는 복조 신호들(DEM1, DEM2)의 위상을 조절하기 위한 지연 회로를 포함할 수 있다. 송신 광(TL)의 지연량을 증가하거나 복조 신호들(DEM1, DEM2)의 지연량을 감소하여 시간 쉬프트(Ts)를 증가할 수 있다. 반대로 송신 광(TL)의 지연량을 감소하거나 복조 신호들(DEM1, DEM2)의 지연량을 증가하여 시간 쉬프트(Ts)를 감소할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정을 위한 교차 시간 쉬프트의 결정 방법을 나타내는 순서도이고, 도 8a 내지 8f는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 시간 쉬프트에 따른 샘플 데이터들을 나타내는 도면들이다.

도 7 및 8a를 참조하면, 제1 기준 탭(TA)의 샘플 데이터들(S11, S12)에 기초하여 샘플 데이터 및 위상 쉬프트를 좌표들로 하는 좌표 평면상의 제1 직선(LN1)을 결정한다(S310). 제2 기준 탭(TB)의 샘플 데이터들(S21, S22)에 기초하여 상기 좌표 평면상의 제2 직선(LN2)을 결정한다(S320). 제1 직선(LN1)의 방정식은 수학식 5와 같이 결정될 수 있고, 제2 직선(LN2)의 방정식은 수학식 6과 같이 결정될 수 있다.

[수학식 5]

S1(T)=m1*(T-Ts1)+S11 또는 S1(T)=m1*(T-Ts2)+S12

m1=(S12-S11)/(Ts2-Ts1)

[수학식 6]

S2(T)=m2*(T-Ts2)+S21 또는 S2(T)=m2*(T-Ts2)+S22

m2=(S22-S21)/(Ts2-Ts1)

수학식 5 및 6에서, S1(T)는 시간 쉬프트가 T일때의 제1 기준 탭(TA)의 샘플 데이터를 나타내고, S2(T)는 시간 쉬프트가 T일때의 제2 기준 탭(TB)의 샘플 데이터를 나타내고, S11은 시간 쉬프트가 Ts1일때의 제1 기준 탭(TA)의 샘플 데이터를 나타내고, S12는 시간 쉬프트가 Ts2일때의 제1 기준 탭(TA)의 샘플 데이터를 나타내고, S21은 시간 쉬프트가 Ts2일때의 제2 기준 탭(TB)의 샘플 데이터를 나타내고, S22는 시간 쉬프트가 Ts2일때의 제2 기준 탭(TB)의 샘플 데이터를 나타낸다.

제1 직선(LN1)의 기울기(m1) 도 8a에 도시된 바와 같이, 좌표 평면 상의 두 개의 점들(Ts1, S11), (Ts2, S12)에 의해 결정될 수 있고, 제2 직선(LN2)의 기울기(LN2)는 좌표 평면 상의 두 개의 점들(Ts1, S21), (Ts2, S22)에 의해 결정될 수 있다. 다시 말해, 서로 다른 시간 쉬프트들(Ts1, Ts2)에 상응하는 2개의 샘플링 동작들에 따른 샘플 데이터들을 이용하여 제1 직선(LN1) 및 제2 직선(LN2)이 결정될 수 있다. 실시예에 따라서, 서로 다른 시간 쉬프트들에 상응하는 3개 이상의 샘플링 동작들에 따른 샘플 데이터들이 이용될 수도 있다. 이 경우, 좌표 평면상의 3개 이상의 점들에 기초한 최소 제공 평균(least mean square) 방식 등의 피팅(fitting)을 통하여 직선의 방정식이 결정될 수 있다.

상기 좌표 평면상의 제1 직선(LN1) 및 제2 직선(LN2)의 교차 점(CP)을 결정하고(S330). 교차 점(CP)에 상응하는 시간 쉬프트를 교차 시간 쉬프트(Tc)로 결정한다. 교차 시간 쉬프트(Tc)는 수학식 5 및 6을 이용하여 S1(Tc)=S2(Tc)의 조건을 적용함으로써 수학식 7과 같이 결정될 수 있다.

[수학식 7]

(m1-m2)*Tc=m1*Ts1-m2*Ts2+S21-S11

도 8a 내지 8b에는 다양한 비행 시간(ToF)에 상응하는 경우들이 도시되어 있다. 도 8a는 비행 시간(ToF)이 0인 경우에 해당하고, 도 8b 및 8c는 비행 시간(ToF)이 0과 Tp/2 사이인 경우에 해당하고, 도 8d는 비행 시간(ToF)이 Tp/2인 경우에 해당하고, 도 8e는 비행 시간(ToF)이 Tp/2와 Tp 사이인 경우에 해당하고, 도 8f는 비행 시간(ToF)이 Tp인 경우에 해당한다. 비행 시간(ToF)에 따라서 도 8d의 경우와 같이 교차 시간 쉬프트(Tc)는 0의 값을 가질 수도 있고 도 8e 및 8f의 경우와 같이 교차 시간 쉬프트(Tc)는 음의 값을 가질 수도 있다. 한편, 도 8f에 도시된 바와 같이, 시간 쉬프트들(Ts1, Ts2)은 음의 값을 가질 수도 있다.

도 8a 내지 8f에 도시된 바와 같이, 비행 시간(ToF)은 기준 신간(Tp) 및 교차 시간 쉬프트(Tc)를 이용하여 수학식 8과 같이 결정될 수 있고, 이와 같이 결정된 비행 시간(ToF)을 이용하여 비행 거리 센서 및 피사체 사이의 거리를 결정할 수 있다.

[수학식 8]

ToF = 2D/c = Tp/2 - Tc

수학식 8에서 D는 측정 거리를 나타내고, c는 광속을 나타낸다.

도 8a 내지 8f에서 Sa 는 주변 광 및 거리 픽셀의 특성 편차에 상응하는 기준 샘플 데이터를 나타낸다. 도 8a 내지 8f에는 제1 탭(TA) 및 제2 탭(TA)의 기준 샘플 데이터(Sa)가 동일한 것으로 도시되어 있으나, 일반적으로 거리 픽셀 내부의 오프셋이나 이득 편차에 의해 탭 별로 기준 샘플 데이터가 다를 수 있고, 이러한 기준 샘플 데이터의 차이는 거리 계산에 영향을 미치게 된다.

실시예에 따라서, 거리 픽셀마다의 특성 편차를 보상하기 위해 수학식 8에서 사용되는 기준 시간(Tp)의 값을 캘리브레이션 (calibration) 과정을 통하여 거리 픽셀에 상응하는 보정 값으로 대체할 수 있으며, 이러한 보정 값을 적용하여 더욱 정확한 거리를 측정할 수 있다. 각 샘플링 동작에서의 탭 신호들의 합산 값(S11+S21, S12+S22)은 실질적으로 일정하므로 탭들의 오프셋 편차는 제1 직선(LN1) 및 제2 직선(LN2)의 기울기들(m1, m2) 및 시간 쉬프트들의 변화에 거의 영향을 미치지 않는다.

제1 샘플링 동작에 상응하는 제1 시간 쉬프트(Ts1) 및 제2 샘플링 동작에 상응하는 제2 시간 쉬프트(Ts1)는 적절한 값으로 고정될 수도 있고, 제1 샘플링 동작의 결과에 따라서 제2 샘플링 동작을 위한 제2 시간 쉬프트(Ts2)가 가변될 수도 있다. 일 실시예에서, 2개의 시간 쉬프트들(Ts1, Ts2)의 차이는 기준 시간(Tp)의 1/2 이하로 설정될 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서에 포함되는 2-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 나타내는 회로도이고, 도 10은 도 9의 거리 픽셀을 포함하는 비행 거리 센서의 동작의 일 실시예를 나타내는 타이밍도이다. 도 9에는 탭 별로 개별적인 포토게이트를 적용한 2-탭 구조가 도시되어 있다.

도 9를 참조하면, 거리 픽셀(PX1)은 제1 탭(TA)에 상응하는 제1 포토게이트(PGA)와 트랜지스터들(TMA, TS, TT), 제2 탭(TB)에 상응하는 제2 포토게이트(PGB)와 트랜지스터들(TMB, TS, TT), 독출 회로에 상응하는 트랜지스터들(TRS, TSF, TSL), 오버플로우 게이트(OG) 및 포토다이오드(PD)를 포함할 수 있다.

트랜지스터들(TMA, TMB, TS, TT, TRS)의 각각은 반도체 기판의 상부에 배치되는 게이트 및 상기 게이트의 양 측면의 반도체 기판의 상부에 형성되는 소스 영역 및 드레인 영역을 포함할 수 있다. 트랜지스터들(TMA, TMB, TS, TT, TRS)의 게이트들은 각각 제1 복조 전송 게이트(TGA), 제2 복조 전송 게이트(TGB), 스토리지 게이트(SG), FD 전송 게이트(TG) 및 리셋 게이트(RG)에 해당한다.

제1 포토게이트(PGA)에는 제1 포토게이트 신호(SPGA)가 인가되고, 제2 포토게이트(PGB)에는 제2 포토게이트 신호(SPGB)가 인가되고, 오버플로우 게이트(OG)에는 오버플로우 게이트 전압(VOG)이 인가되고, 스토리지 게이트(SG)에는 스토리지 제어 신호(SSG)가 인가되고, FD 전송 게이트(TG)에는 FD 전송 제어 신호(STG)가 인가되고, 리셋 게이트(RG)에는 리셋 신호(RG)가 인가되고, 선택 트랜지스터(TSL)의 게이트에는 선택 신호(SEL)가 인가된다. 제1 포토게이트 신호(SPGA) 및 제2 포토 게이트 신호(SPGAB)는 서로 다른 위상을 갖고, 전술한 복조 신호들에 상응한다.

포토게이트 전압(VPG), 오버플로우 게이트 전압(VOG), 스토리지 제어 신호(SSG), FD 전송 제어 신호(STG), 리셋 신호(RG), 선택 신호(SEL), 복조 신호들(STGA, STGB)은 도 2의 제어부(150)의 제어에 따라서 로우 주사 회로(130)로부터 제공될 수 있다.

스토리지 게이트(SG)는 전하 저장 구조물 중의 하나로서, 복조 전송 게이트들(TGA, TGB)을 통해 전하를 플로팅 디퓨젼 영역들(FDA, FDB)로 전달하기 전에 전하를 임시적으로 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 전하 저장 구조물은 스토리지 게이트(SG) 단독으로 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 전하 저장 구조물은 스토리지 게이트(SG)의 하부의 반도체 기판 내에 스토리지 다이오드가 추가적으로 형성된 구조로 구현될 수도 있다. 이와 같이, 거리 픽셀(PX1) 내에 전하 저장 구조물이 포함됨으로써, 정확한(true) CDS(Correlated Double Sampling) 동작이 가능하게 되어 독출 노이즈(read noise)가 최소화될 수 있다. 실시예들에 따라서, FD 전송 게이트(TG) 및/또는 스토리지 게이트(SG)는 생략될 수 있다.

플로팅 디퓨젼 영역들(FDA, FDB)에 저장된 전하는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 수행하는 트랜지스터(TSF) 및 선택 트랜지스터(TSL)를 통하여 출력 신호들, 즉 샘플 데이터(SOA, SOBB)로서 제공될 수 있다.

도 2, 9 및 10을 참조하면, 입사 광에 의해 발생된 광 전하를 수집하기 위한 집광 구간(TINT) 동안에, 광원(210)은 변조 주파수로 변조된 송신 광(TL)을 발생한다. 집광 구간(TINT) 동안에 로우 주사 회로(130)는 서로 다른 위상을 갖는 복조 신호들, 즉 제1 및 제2 포토게이트 신호들(SPGA, SPGB)을 제1 및 제2 탭들(TA, TB)에 상응하는 제1 및 제2 포토게이트들(PGA, PGB)에 인가한다.

집광 구간(TINT) 동안에 오버플로우 게이트(OG)에 인가되는 오버플로우 게이트 전압(VOG)은 광 전하의 배출을 차단하기 위한 턴오프 전압 레벨(VOFF)을 갖는다. 집광 구간(TINT) 동안에 복조 전송 제어 신호들(STGA~STGD) 및 스토리지 제어 신호들(SSG1, SSG2)이 활성화된다. 따라서, 집광 구간(TINT) 동안에 제1 및 제2 포토게이트 신호들(SPGA, SPGB)에 의해 수집된 광 전하가 제1 및 제2 탭들(TA, TB)의 스토리지 게이트들(SG) 하부의 반도체 기판에 저장될 수 있다.

집광 구간(TINT) 이외의 구간, 예를 들어, 거리 픽셀을 초기화하기 위한 리셋 구간(TRST) 및 집광 구간(TINT) 동안 수집된 광 전하의 양을 측정하기 위한 독출 구간(TRD) 동안에 오버플로우 게이트 전압(VOG)은 상기 광 전하를 배출하기 위한 턴온 전압 레벨(VON)을 가질 수 있다. 집광 구간(TINT) 이외의 구간에서는 턴온 전압 레벨(VON)에 의해 광 전하가 전원 전압(VDD)의 단자로 배출될 수 있다. 이와 같은 오버플로우 게이트들(OG)을 이용하여 글로벌 셔터(global shutter) 기능을 구현할 수 있다.

독출 구간(TRD)의 제1 시점(t10)에서, 제1 탭(TA) 및 제2 탭(TB)에 대하여, 리셋 신호(SRG)가 비활성화되고 선택 신호(SEL)가 활성화된 상태에서 제1 및 제2 리셋 상태 신호들이 컬럼 라인들을 통하여 각각 출력될 수 있다. FD 전송 제어 신호(STG)가 활성화되고 스토리지 게이트 제어 신호(SSG)가 비활성화되어 스토리지 게이트(SG) 하부에 저장된 광 전하를 플로팅 디퓨젼 영역들(FDA, FDB)로 이동시킨 다음, 독출 구간(TRD)의 제2 시점(t11)에서 제1 및 제2 샘플 신호들(즉, 샘플 데이터들)(SOA, SOB)이 컬럼 라인들을 통하여 각각 출력될 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서에 포함되는 2-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 나타내는 회로도이고, 도 12는 도 10의 거리 픽셀을 포함하는 비행 거리 센서의 동작의 일 실시예를 나타내는 타이밍도이다. 도 11의 거리 픽셀(PX2)은 도 9의 거리 픽셀(PX1)과 유사하므로 도 9 및 10과 중복되는 설명을 생략하고 차이점만을 설명한다.

도 11을 참조하면, 거리 픽셀(PX2)은 제1 포토게이트(PGA) 및 제2 포토게이트(PGB)를 대체한 공통 포토게이트(CPG)를 포함한다.

도 11 및 12를 참조하면, 집광 구간(TINT) 동안에 공통 포토게이트(CPG)에 인가되는 포토게이트 전압(VPG)은 광 전하를 수집하기 위한 DC 전압 레벨(VDC)을 갖고, 집광 구간(TINT) 동안에 오버플로우 게이트들(OG1, OG2)에 인가되는 오버플로우 게이트 전압(VOG)은 상기 광 전하의 배출을 차단하기 위한 턴오프 전압 레벨(VOFF)을 갖는다. DC 전압 레벨(VDC)은 복조 신호들(STGA, STGB)의 하이 전압 레벨(VH) 및 로우 전압 레벨(VL) 사이의 전압 레벨일 수 있다. 또한, 집광 구간(TINT) 동안에 제1 복조 전송 게이트(TGA) 및 제2 복조 전송 게이트(TGB)에는 서로 다른 위상들을 갖는 제1 복조 전송 제어 신호(STGA) 및 제2 복조 전송 제어 신호(STGB)가 각각 인가된다. 즉, 도 11의 거리 픽셀(PX2)의 경우 제1 복조 전송 제어 신호(STGA) 및 제2 복조 전송 제어 신호(STGB)가 전술한 복조 신호들(DEM1, DEM2)에 해당한다. 제1 복조 신호(STGA) 및 제2 복조 신호(STGB)의 위상차는 180도일 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 펄스파 방식의 동작을 나타내는 타이밍도이고, 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 연속파 방식의 동작을 나타내는 타이밍도이다.

도 13을 참조하면, 도 2의 광원(210)은 듀티비가 1/2 보다 작은 펄스파(pulsed wave)를 송신 광(TL)으로서 출력할 수 있다. 이 경우, 비행 거리 센서가 측정할 수 있는 비행 시간(ToF)의 최대 범위는 펄스들의 사이클 주기(Tm) 이하로 제한된다. 다시 말해, 펄스파 방식의 동작에서 비행 거리 센서는 0에서 c/(2fm) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 여기서, c는 광속을 나타내고 fm는 송신 광(TL)의 변조 주파수를 나타내고, fm=1/Tm을 만족한다.

이러한 펄스파 방식에서는 복조 신호들(DEL1, DEL2)에 의한 샘플링이 가능한 샘플링 범위(SPL) 내에 수신 광(RL)이 포함되도록 기본 시간 쉬프트를 탐색하는 과정이 요구된다. 기본 시간 쉬프트의 탐색에 대해서는 도 15 및 16을 참조하여 후술한다.

도 14를 참조하면, 도 2의 광원(210)은 듀티비가 1/2인 연속파(continuous wave)를 송신 광(TL)으로서 출력할 수 있다. 이 경우, 비행 거리 센서가 측정할 수 있는 비행 시간(ToF)의 최대 범위는 펄스들의 사이클 주기(Tm) 이하로 제한된다. 연속파 방식의 동작에서는 Tm=2Tp를 만족한다. 다시 말해, 연속파 방식의 동작에서 비행 거리 센서는 0에서 c*Tp 사이의 거리를 측정할 수 있다. 이러한 연속파 방식에서는 집광 구간(TINT)의 전구간 내에서 복조 신호들(DEL1, DEL2)에 의한 샘플링이 가능하므로, 기본 시간 쉬프트를 탐색하는 과정이 생략될 수 있다.

도 15 및 16은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 기본 시간 쉬프트의 탐색 방법을 나타내는 도면들이다.

도 15에는 시간 쉬프트에 따라 샘플링되는 제1 탭(TA)에 상응하는 제1 샘플 데이터 및 제2 탭(TB)에 상응하는 제2 샘플 데이터가 도시되어 있다. 시간 쉬프트가 Tsa보다 작은 구간에서 제1 샘플 데이터 및 제2 샘플 데이터는 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지한다. 시간 쉬프트가 Tsa 및 Tsb 사이의 구간에서 제1 샘플 데이터는 증가하고 제2 샘플 데이터는 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지한다. 시간 쉬프트가 Tsb 및 Tsc 사이의 구간에서 제1 샘플 데이터는 감소하고 제2 샘플 데이터는 증가한다. 시간 쉬프트가 Tsc 및 Tsd 사이의 구간에서 제1 샘플 데이터는 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지하고 제2 샘플 데이터는 감소한다. 시간 쉬프트가 Tsd보다 큰 구간에서 제1 샘플 데이터 및 제2 샘플 데이터는 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지한다.

결과적으로, 시간 쉬프트가 Tsb 및 Tsc 사이의 구간이 교차 점(CP)이 존재하는 유효 구간(VAL)에 해당한다. 이와 같이, 복조 신호들(DEM1, DEM2)에 의한 샘플링이 가능한 샘플링 범위(SPL) 내에 수신 광(RL)이 포함되도록 기본 시간 쉬프트를 탐색할 수 있다.

일 예로서, 도 16은 송신 광(TL)의 사이클 주기(Tm)가 9Tp 이고, 비행 시간(ToF)이 6Tp와 7Tp 사이인 경우를 나타낸다. 제1 경우(CS1)는 기본 시간 쉬프트가 0인 경우에 해당하고, 제2 경우(CS2)는 기본 시간 쉬프트가 Tb인 경우를 나타낸다. 제1 경우(CS1)는 수신 광(RL)이 샘플링이 가능한 구간(SPL)내에 포함되지 않는 도 15의 시간 쉬프트가 Tsa보다 작은 구간에 해당한다. 제2 경우(CS2)는 수신 광(RL)이 샘플링이 가능한 구간(SPL)내에 포함되는 도 15의 시간 쉬프트가 Tsb 및 Tsc 사이의 구간, 즉 유효 구간(VAL)에 해당한다.

예를 들어, 유효 구간(VAL)이 발견될 때까지 송신 광(TL) 및 복조 신호들(DEM1, DEM2) 사이의 시간 쉬프트를 Tp 만큼 또는 Tp/2만큼씩 순차적으로 증가시키면서 샘플링 동작을 수행함으로써 기본 시간 쉬프트(Tb)를 탐색할 수 있다.

이와 같이, 송신 광(TL) 및 복조 신호들(DEM1, DEM2) 사이의 기본 시간 쉬프트(Tb)를 먼저 탐색하여 결정하고, 제1 시간 쉬프트(Tb+Ts1)에 상응하는 제1 샘플링 동작을 수행하고 제2 시간 쉬프트(Tb+Ts2)에 상응하는 제2 샘플링 동작을 수행하여 전술한 바와 같이 교차 시간 쉬프트를 결정할 수 있다.

기본 시간 쉬프트(Tb)가 적용되는 경우를 포함할 수 있도록 수학식 8은 수학식 9로 일반화될 수 있다.

[수학식 9]

ToF = 2D/c = Tb + (Tp/2 - Tc)

도 17 및 18은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정을 위한 샘플링 동작의 일 실시예를 나타내는 도면들이다.

도 17 및 18을 참조하면, 입상 광에 의해 발생된 광 전하를 수집하기 위한 하나의 집광 구간(TINT) 동안에 송신 광(TL) 및 복수의 복조 신호들(DEM1, DEM2) 사이의 시간 쉬프트를 변경할 수 있다. 예를 들어, 집광 구간(TINT)을 복수의 서브 구간들로 분할하고, 각 서브 구간마다 서로 다른 시간 쉬프트를 적용할 수 있다. 예를 들어, 도 17에 도시된 바와 같이, 집광 구간(TINT)을 제1 내지 제3 서브 구간들(TSUB1~TSUB3)로 분할하고, 제1 서브 구간(TSUB1)에서는 Ts-Δ의 시간 쉬프트를 적용하고, 제2 서브 구간(TSUB2)에서는 Ts의 시간 쉬프트를 적용하고, 제2 서브 구간(TSUB3)에서는 Ts+Δ의 시간 쉬프트를 적용할 수 있다. 이후 독출 구간(TRD)에서 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이 샘플 데이터를 독출할 수 있다.

도 18에는 도 17의 방법을 적용한 시간 쉬프트에 따른 샘플 데이터들을 나타낸다. 도 18에 도시된 바와 같이, 복수의 시간 쉬프트들(Ts1-Δ, Ts1, Ts1+Δ)을 적용한 제1 샘플링 동작에 의한 샘플 데이터들(S11, S12) 및 복수의 시간 쉬프트들(Ts2-Δ, Ts2, Ts2+Δ)을 적용한 제2 샘플링 동작에 의한 샘플 데이터들(S21, S22)에 기초하여 전술한 바와 같이 교차 점(CP)에 상응하는 교차 시간 쉬프트(Tc)를 결정할 수 있다.

일반적으로 샘플링 동작마다 편차가 존재하기 때문에, 샘플링 횟수를 증가할수록 교차 시간 쉬프트(Tc)의 정확도가 증가될 수 있다. 그러나, 샘플링 횟수를 증가하는 경우 비행 거리 센서의 동작 속도가 저하된다. 본 발명의 실시예들에 따라서, 도 17 및 18를 설명한 바와 같이 하나의 집광 구간(TINT) 내에서 시간 쉬프트를 변경하고 평균적인 샘플 데이터를 한번의 독출 동작을 통해 독출함으로써 거리 픽셀의 고정 패턴 노이즈(FPN, fixed pattern noise)에 따른 편차, 위글링(wiggnling) 효과에 따른 편차와 같은 특성 편차를 효율적으로 상쇄하고, 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 19 및 20은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정을 위한 시간 쉬프트의 일 실시예를 나타내는 도면들이다. 이하 도 5 및 6과 중복되는 설명을 생략한다.

도 19 및 20을 참조하면, 도 2의 제어부(150)는 복수의 복조 신호들(DEM1, DEM2)의 펄스 폭들을 또는 듀티비들을 변경하여 송신 광(TL) 및 복수의 복조 신호들(DEM1, DEM2) 사이의 시간 쉬프트를 변경하도록 로우 주사 회로(130)를 제어할 수 있다.

도 19에서 제1 경우(CS1)는 제1 복조 신호(DEM1)의 펄스 폭과 제2 복조 신호(DEM2)의 펄스 폭이 동일한 경우에 해당하고, 제2 경우(CS2)는 제1 복조 신호(DEM1)의 펄스 폭이 제2 복조 신호(DEM2)의 펄스 폭보다 작은 경우에 해당하고, 제3 경우(CS3)는 제1 복조 신호(DEM1)의 펄스 폭이 제2 복조 신호(DEM2)의 펄스 폭보다 큰 경우에 해당한다. 빗금 부분의 면적은 각 샘플 데이터에 비례한다. 제1 경우(CS1)는 시점(tb1)을 기준으로, 제2 경우(CS2)는 시점(tb2)를 기준으로, 제3 경우(CS1)는 시점(tb13을 기준으로 하여, 수신 광(RL)의 펄스 폭은 시점(tb)을 기준으로 제1 복조 신호(DEM1)의 펄스 및 제2 복조 신호(DEM2)의 펄스에 의해 분할될 수 있다.

도 20에 도시된 바와 같이, 제1 경우(CS1)의 분할 시점(tb1)은 시간 쉬프트(Ts)에 해당하고, 제2 경우(CS2)의 분할 시점(tb1)은 시간 쉬프트(Ts-Δ)에 해당하고, 제3 경우(CS3)의 분할 시점(tb3)은 시간 쉬프트(Ts+Δ)에 해당한다. 이와 같이 복조 신호들(DEM1, DEM2)의 펄스 폭들, 즉 듀티비들을 변경함으로써 시간 쉬프트를 변경한 것과 동일한 샘플 데이터들(S11~S13, S21~S23)을 얻을 수 있다.

결과적으로, 제1 기준 탭(TA)에 인가되는 복조 신호(DEM1)의 펄스 폭을 감소하고 제2 기준 탭(TB)에 인가되는 복조 신호(DEM2)의 펄스 폭을 증가하여 송신 광(TL) 및 복조 신호들(DEM1, DEM2) 사이의 시간 쉬프트를 감소할 수 있다.

도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이고, 도 22 및 23은 도 21의 거리 측정 방법의 일 실시예를 나타내는 도면들이다.

도 21을 참조하면, 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 피사체의 접근 속도를 결정할 수 있다(S510). 상기 접근 속도에 기초하여 상기 복수의 샘플링 데이터들을 보정할 수 있다(S520). 보정된 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 교차 시간 쉬프트를 보정할 수 있다(S530).

도 22에서, P0는 비행 거리 센서의 위치를 나타내고, P1은 제1 시간 쉬프트(Ts1)에 상응하는 제1 샘플링 동작을 수행하는 시점(t1)에서의 피사체의 위치를 나타내고, P2는 제2 시간 쉬프트(Ts2)에 상응하는 제2 샘플링 동작을 수행하는 시점(t2)에서의 피사체의 위치를 나타낸다. 예를 들어, 피사체는 비행 거리 센서를 향하여 접근 속도(Va)로 다가오는 경우, 제1 시점(t1)에서의 거리(D1)보다 제2 시점(t2)에서의 거리(D2)가 더 작을 수 있다. 피사체가 움직이는 경우 거리에 따라서 샘플 데이터가 변화되고 전술한 바와 같이 제1 시간 쉬프트(Ts1)에 상응하는 샘플 데이터들(S11, S21) 및 제2 시간 쉬프트(Ts2)에 상응하는 샘플 데이터들(S12, S22)에 기초한 교차 점(CP)이 실제와 달라질 수 있다. 다시 말해, 샘플 데이터들(S11, S21, S12, S22)에 기초한 제1 직선(LN1) 및 제2 직선(LN2)의 교차 점(CP)에 상응하는 교차 시간 쉬프트(Tc)는 정확한 비행 시간을 반영하지 않을 수 있다. 피사체에 의해 반사된 수신 광(RL)의 세기는 수학식 10과 같이 거리의 제곱에 반비례한다.

[수학식 10]

S11+S21 = k/D1²

S12+S22 = k/D2²

수학식 10에서 S11+S21는 제1 시점(t1)에서의 샘플 데이터들의 합에 해당하고, S12+S22는 제2 시점(t2)에서의 샘플 데이터들의 합에 해당하고, k는 광이 진행하는 매질의 특성, 피사체의 반사 계수 등에 따라 결정되는 상수이다. 수학식 10을 통하여 제1 및 제2 샘플링 동작의 시점들(t1, t2) 사이의 거리 변화(D1-D2)를 구할 수 있고, 피사체의 접근 속도(Va)는 수학식 11과 같이 결정될 수 있다.

[수학식 11]

Va = (D1-D2)/(t1-t2)

도 23에는 제2 시간 쉬프트(Ts2)에 상응하는 샘플 데이터들(S12, S22)에 정규화되도록(normalized), 제1 시간 쉬프트(Ts1)에 상응하는 샘플 데이터들(S11, S21)을 보정 샘플 데이터들(S11', S21')로 보정한 경우가 도시되어 있다. 이 경우, 제2 시간 쉬프트(Ts2)에 상응하는 샘플 데이터들(S12, S22)은 보정 샘플 데이터들(S12', S22')와 동일할 수 있다. 전술한 바와 같이, 보정 샘플 데이터들(S11', S12', S21', S22')을 이용하여 보정된 직선들(LN1', LN2') 및 보정된 교차 점(CP')을 결정할 수 있다. 결과적으로 본래의 샘플 데이터들(S11, S12, S21, S22)에 기초하여 교차 시간 쉬프트(Tc)를 보정된 시간 쉬프트(Tc')로 보정할 수 있다.

도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서에 포함되는 4-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 나타내는 회로도이고, 도 25는 도 24의 거리 픽셀을 포함하는 비행 거리 센서의 동작의 일 실시예를 나타내는 타이밍도이다. 도 24에는 탭 별로 개별적인 포토게이트를 적용한 4-탭 구조가 도시되어 있다. 이하, 도 9 및 10과 중복되는 설명을 생략한다.

도 24를 참조하면, 거리 픽셀(PX3)은 제1 탭(TA)에 상응하는 제1 포토게이트(PGA)와 트랜지스터들(TMA, TS1, TT1), 제2 탭(TB)에 상응하는 제2 포토게이트(PGB)와 트랜지스터들(TMB, TS1, TT1), 제3 탭(TC)에 상응하는 제3 포토게이트(PGC)와 트랜지스터들(TMC, TS2, TT2), 제4 탭(TD)에 상응하는 제4 포토게이트(PGD)와 트랜지스터들(TMD, TS2, TT2) 및 독출 회로에 상응하는 트랜지스터들(TRS1, TRS2, TSF1, TSF2, TSL1, TSL2)을 포함할 수 있다.

트랜지스터들(TMA, TMB, TMC, TMD, TS1, TS2, TT1, TT2, TRS1, TRS2)의 각각은 반도체 기판의 상부에 배치되는 게이트 및 상기 게이트의 양 측면의 반도체 기판의 상부에 형성되는 소스 영역 및 드레인 영역을 포함할 수 있다. 트랜지스터들(TMA, TMB, TMC, TMD, TS1, TS2, TT1, TT2, TRS1, TRS2)의 게이트들은 각각 복조 전송 게이트들(TGA~TGD), 스토리지 게이트들(SG1, SG2), FD 전송 게이트들(TG) 및 리셋 게이트(RG1, RG2)에 해당한다.

제1 내지 제4 포토게이트들(PGA~PGD)에는 제1 내지 제4 포토게이트 신호들(SPGA~SPGD)이 인가되고, 오버플로우 게이트(OG)에는 오버플로우 게이트 전압(VOG)이 인가되고, 복조 전송 게이트들(TGA~TGD)에는 복조 전송 제어 신호들(STGA~STGD)이 인가되고, 스토리지 게이트들(SG1, SG2)에는 스토리지 제어 신호들(SSG1, SSG2)이 인가되고, FD 전송 게이트들(TG)에는 FD 전송 제어 신호들(STG1, STG2)이 인가되고, 리셋 게이트들(RG1, RG2)에는 리셋 신호들(SRG1, SRG2)이 인가되고, 선택 트랜지스터들(TSL1, TSL2)의 게이트에는 선택 신호들(SEL1, SEL2)이 인가된다. 제1 내지 제4 포토게이트 신호들(SPGA~SPGAD)는 서로 다른 위상을 갖고, 전술한 복조 신호들에 상응한다.

포토게이트 신호들(SPGA~SPGD), 오버플로우 게이트 전압(VOG), 스토리지 제어 신호들(SSG1, SSG2), FD 전송 제어 신호들(STG1, STG2), 리셋 신호들(SRG1, SRG2), 선택 신호들(SEL1, SEL2), 복조 신호들(STGA, STGB, STGC, STGD)은 도 2의 제어부(150)의 제어에 따라서 로우 주사 회로(130)로부터 제공될 수 있다.

도 2, 24 및 25를 참조하면, 입사 광에 의해 발생된 광 전하를 수집하기 위한 집광 구간(TINT) 동안에, 광원(210)은 변조 주파수로 변조된 송신 광(TL)을 발생한다. 집광 구간(TINT) 동안에 로우 주사 회로(130)는 서로 다른 위상을 갖는 복조 신호들, 즉 제1 내지 제4 포토게이트 신호들(SPGA~SPGD)을 제1 내지 제4 탭들(TA~TD)에 상응하는 제1 내지 제4 포토게이트들(PGA~PGD)에 인가한다.

집광 구간(TINT) 동안에 오버플로우 게이트들(OG1, OG2)에 인가되는 오버플로우 게이트 전압(VOG)은 광 전하의 배출을 차단하기 위한 턴오프 전압 레벨(VOFF)을 갖는다. 집광 구간(TINT) 동안에 복조 전송 제어 신호들(STGA~STGD) 및 스토리지 제어 신호들(SSG1, SSG2)이 활성화된다. 따라서, 집광 구간(TINT) 동안에 제1 내지 제4 포토게이트 신호들(SPGA~SPGD)에 의해 수집된 광 전하가 제1 내지 제4 탭들(TA~TD)의 스토리지 게이트들(SG) 하부의 반도체 기판에 저장될 수 있다.

독출 구간(TRD)의 제1 시점(t10)에서, 제1 탭(TA) 및 제2 탭(TB)에 대하여, 리셋 신호(SRG1)가 비활성화되고 선택 신호(SEL1)가 활성화된 상태에서 제1 및 제2 리셋 상태 신호들이 컬럼 라인들(COL1, COL2)을 통하여 각각 출력될 수 있다. FD 전송 제어 신호(STG1)가 활성화되고 스토리지 게이트 제어 신호(SSG1)가 비활성화되어 스토리지 게이트(SG) 하부에 저장된 광 전하를 플로팅 디퓨젼 영역들(FDA, FDB)로 이동시킨 다음, 독출 구간(TRD)의 제2 시점(t11)에서 제1 및 제2 샘플 신호들(즉, 샘플 데이터들)(SOA, SOB)이 컬럼 라인들(COL1, COL2)을 통하여 각각 출력될 수 있다.

독출 구간(TRD)의 제3 시점(t20)에서, 제3 탭(TC) 및 제4 탭(TD)에 대하여, 리셋 신호(SRG2)가 비활성화되고 선택 신호(SEL2)가 활성화 된 상태에서 제3 및 제4 리셋 상태 신호들이 컬럼 라인들(COL1, COL2)을 통하여 각각 출력될 수 있다. FD 전송 제어 신호(STG2)가 활성화되고 스토리지 게이트 제어 신호(SSG2)가 비활성화되어 스토리지 게이트(SG) 하부에 저장된 광 전하를 플로팅 디퓨젼 영역들(FDC, FDD)로 이동시킨 다음, 독출 구간(TRD)의 제4 시점(t21)에서 제3 및 제4 샘플 신호들(즉, 샘플 데이터들)(SOC, SOD)이 컬럼 라인들(COL1, COL2)을 통하여 각각 출력될 수 있다. 이와 같이 집광 구간(TINT) 동안의 멀티-탭 동작을 통하여 스토리지 게이트들(SG) 하부의 반도체 기판에 제1 내지 제4 샘플 데이터들(SOA~SOD)을 저장하고, 독출 구간(TRD)에서 제1 내지 제4 샘플 데이터들(SOA~SOD)과 리셋 상태 신호들을 독출할 수 있다.

도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서에 포함되는 4-탭 구조를 갖는 거리 픽셀을 나타내는 회로도이고, 도 27은 도 26의 거리 픽셀을 포함하는 비행 거리 센서의 동작의 일 실시예를 나타내는 타이밍도이다. 도 26의 거리 픽셀(PX4)은 도 24의 거리 픽셀(PX3)과 유사하므로 도 24 및 25와 중복되는 설명을 생략하고 차이점만을 설명한다.

도 26을 참조하면, 거리 픽셀(PX4)은 제1 내지 제4 포토게이트들(PGA~PGD)를 대체한 공통 포토게이트(CPG)를 포함한다.

도 26 및 27을 참조하면, 집광 구간(TINT) 동안에 공통 포토게이트(CPG)에 인가되는 포토게이트 전압(VPG)은 광 전하를 수집하기 위한 DC 전압 레벨(VDC)을 갖고, 집광 구간(TINT) 동안에 오버플로우 게이트들(OG1, OG2)에 인가되는 오버플로우 게이트 전압(VOG)은 상기 광 전하의 배출을 차단하기 위한 턴오프 전압 레벨(VOFF)을 갖는다. DC 전압 레벨(VDC)은 복조 신호들(STGA~STGD)의 하이 전압 레벨(VH) 및 로우 전압 레벨(VL) 사이의 전압 레벨일 수 있다. 또한, 집광 구간(TINT) 동안에 제1 제4 복조 전송 게이트들(TGA~TGD)에는 서로 다른 위상들을 갖는 제1 내지 제4 복조 전송 제어 신호들(STGA~STGD)이 각각 인가된다. 즉, 도 26의 거리 픽셀(PX2)의 경우 제1 내지 제4 복조 전송 제어 신호들(STGA~STGD)이 전술한 복조 신호들(DEM1, DEM2)에 해당한다. 제1 복조 신호(STGA) 및 제2 복조 신호(STGB)의 위상차는 90도이고, 제1 복조 신호(STGA) 및 제3 복조 신호(STGC)의 위상차는 180도이고, 제1 복조 신호(STGA) 및 제4 복조 신호(STGD)의 위상차는 270도일 수 있다.

도 28 및 29는 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 시간 쉬프트를 나타내는 도면들이다.

도 28 및 29에는 제1 내지 제4 탭들을 갖는 4-탭 구조를 갖는 거리 픽셀에 대하여 송신 광(TL), 임의의 비행 시간(ToF)에 상응하는 수신 광(RL), 제1 내지 제4 탭들에 상응하는 제1 내지 제4 복조 신호들(DEM1~DEL4)의 타이밍들이 도시되어 있다. 도 28에는 시간 쉬프트(Ts)가 0인 경우가 도시되어 있고, 도 29에는 시간 쉬프트(Ts)가 양의 값을 갖는 경우가 도시되어 있다.

도 28 및 29를 참조하면, 송신 광(TL)의 펄스 폭 및 복수의 복조 신호들, 즉 제1 내지 제4 복조 신호들(DEM1~DEM4) 의 펄스 폭들은 기준 시간(Tp)으로서 모두 동일할 수 있다. 제1 복조 신호(DEM1)의 하강 에지 및 제2 복조 신호(DEM2)의 상승 에지는 시점(tb1)에서 일치하도록 동기화되고, 제2 복조 신호(DEM2)의 하강 에지 및 제3 복조 신호(DEM3)의 상승 에지는 시점(tb2)에서 일치하도록 동기화되고, 제3 복조 신호(DEM3)의 하강 에지 및 제4 복조 신호(DEM4)의 상승 에지는 시점(tb3)에서 일치하도록 동기화될 수 있다.

따라서, 수신 광(RL)의 펄스 폭은 시점(tb1)을 기준으로 제1 복조 신호(DEM1)의 펄스 및 제2 복조 신호(DEM2)의 펄스에 의해 분할되거나, 시점(tb2)을 기준으로 제2 복조 신호(DEM2)의 펄스 및 제3 복조 신호(DEM3)의 펄스에 의해 분할되거나, 시점(tb3)을 기준으로 제3 복조 신호(DEM3)의 펄스 및 제4 복조 신호(DEM3)의 펄스에 의해 분할될 수 있다. 실시예들에 따라서, 송신 광(TL)의 펄스 폭 및 복조 신호들(DEM1, DEM2)의 펄스 폭들은 서로 다르게 설정될 수도 있다.

도 28에 도시된 바와 같이, 시간 쉬프트(Ts)가 0인 경우에 송신 광(TL)의 상승 에지의 시점(t0') 및 제1 복조 신호(DEM1)의 상승 에지의 시점(t0)은 일치하도록 동기화될 수 있다. 반면에 도 29에 도시된 바와 같이 시간 쉬프트(Ts)가 양의 값을 갖는 경우에는 송신 광(TL)의 상승 에지의 시점(t0')은 제1 복조 신호(DEM1)의 상승 에지의 시점(t0)보다 늦을 수 있다. 한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 송신 광(TL)의 상승 에지의 시점(t0')이 제1 복조 신호(DEM1)의 상승 에지의 시점(t0)보다 앞서는 경우에는 시간 쉬프트(Ts)가 음의 값을 갖는 것으로 간주될 수 있다.

예를 들어, 도 28에 도시된 바와 같이 시간 쉬프트(Ts)를 0으로 설정하여 제1 샘플링 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 복조 신호(DEM1)에 상응하는 샘플 데이터는 (tb-ta)에 해당하고 제2 복조 신호(DEM2)에 상응하는 샘플 데이터는 (tc-tb)에 해당한다. 한편, 도 29에 도시된 바와 같이 시간 쉬프트(Ts)를 양의 값으로 설정하여 제2 샘플링 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 복조 신호(DEM1)에 상응하는 샘플 데이터는 (tb-ta')에 해당하고 제2 복조 신호(DEM2)에 상응하는 샘플 데이터는 (tc'-tb)에 해당한다. 이와 같이, 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여, 도 7 내지 8f를 참조하여 설명한 바와 같이 복수의 탭들 중 제1 기준 탭 및 제2 기준 탭의 샘플 데이터들이 동일하게 되는 교차 시간 쉬프트를 결정할 수 있다.

도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 비행 시간에 따른 샘플 데이터들을 나타내는 도면들이다.

도 30을 참조하면, 비행 시간이 0에서 Tp 사이인 경우, 시간 쉬프트들(Ts1, Ts2)에 상응하는 제1 탭(TA) 및 제2 탭(TB)의 샘플 데이터들에 기초하여 교차 점(CP1)의 교차 시간 쉬프트(Tc1)를 결정할 수 있다. 즉, 비행 시간이 0에서 Tp 사이인 경우 제1 탭(TA)이 제1 기준 탭에 해당하고, 제2 탭(TB)이 제2 기준 탭에 해당할 수 있다.

비행 시간이 Tp에서 2Tp 사이인 경우, 시간 쉬프트들(Tp+Ts1, Tp+Ts2)에 상응하는 제2 탭(TB) 및 제3 탭(TC)의 샘플 데이터들에 기초하여 교차 점(CP2)의 교차 시간 쉬프트(Tc2)를 결정할 수 있다. 즉, 비행 시간이 Tp에서 2Tp 사이인 경우 제2 탭(TB)이 제1 기준 탭에 해당하고, 제3 탭(TC)이 제2 기준 탭에 해당할 수 있다.

비행 시간이 2Tp에서 3Tp 사이인 경우, 시간 쉬프트들(2Tp+Ts1, 2Tp+Ts2)에 상응하는 제3 탭(TC) 및 제4 탭(TD)의 샘플 데이터들에 기초하여 교차 점(CP3)의 교차 시간 쉬프트(Tc3)를 결정할 수 있다. 즉, 비행 시간이 2Tp에서 3Tp 사이인 경우 제3 탭(TB)이 제1 기준 탭에 해당하고, 제4 탭(TC)이 제2 기준 탭에 해당할 수 있다.

이와 같이, 거리 픽셀이 4-탭 구조를 갖는 경우, 비행 거리 센서 및 피사체 사이의 거리, 즉 비행 시간에 따라서, 제1 내지 제4 탭(TA~TD)들 중 하나를 상기 제1 기준 탭으로 결정하고 다른 하나를 상기 제2 기준 탭으로 결정할 수 있다.

거리 픽셀이 4-탭 구조를 갖는 경우, 제1 내지 제4 탭들(TA~TD) 중 상기 제1 기준 탭 및 상기 제2 기준 탭을 제외한 2개의 탭들의 샘플 데이터들에 기초하여 상기 복수의 샘플 데이터들을 보정할 수 있다. 예를 들어, 도 31의 시간 쉬프트가 Tsc 및 Tsd 사이인 구간에서, 제1 기준 탭에 상응하는 제2 탭(TB) 및 제2 기준 탭에 상응하는 제3 탭(TC)를 제외한 제1 및 제4 탭들(TA, TD)의 샘플 데이터는 전술한 기준 샘플 데이터(Sa)에 해당한다. 제2 탭 및 제3 탭의 샘플 데이터들에서 기준 샘플 데이터(Sa)를 감산한 보정 샘플 데이터들에 기초하여 전술한 바와 같은 교차 시간 쉬프트를 결정함으로써 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 비행 거리 센서의 기본 시간 쉬프트의 탐색 방법을 나타내는 도면이다.

도 31에는 시간 쉬프트에 따라 샘플링되는 제1 탭 내지 제4 탭들(TA~TD)에 각각 상응하는 샘플 데이터들이 도시되어 있다. 시간 쉬프트가 Tsa보다 작은 구간에서 제1 내지 제 4 샘플 데이터들은 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지한다. 시간 쉬프트가 Tsa 및 Tsb 사이의 구간에서 제1 샘플 데이터는 증가하고 제2 내지 제4 샘플 데이터들은 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지한다. 시간 쉬프트가 Tsb 및 Tsc 사이의 구간에서 제1 샘플 데이터는 감소하고 제2 샘플 데이터는 증가하고, 제3 및 제4 샘플 데이터들은 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지한다. 시간 쉬프트가 Tsc 및 Tsd 사이의 구간에서 제2 샘플 데이터는 감소하고 제3 샘플 데이터는 증가하고, 제1 및 제4 샘플 데이터들은 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지한다. 시간 쉬프트가 Tsd 및 Tse 사이의 구간에서 제3 샘플 데이터는 감소하고 제4 샘플 데이터는 증가하고, 제1 및 제2 샘플 데이터들은 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지한다. 시간 쉬프트가 Tse 및 Tsf 사이의 구간에서 제1 내지 제3 샘플 데이터들은 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지하고 제4 샘플 데이터는 감소한다. 시간 쉬프트가 Tsf보다 큰 구간에서 제1 내지 제4 샘플 데이터들은 기준 샘플 데이터(Sa)에 상응하는 값을 유지한다.

결과적으로, 시간 쉬프트가 Tsb 및 Tse 사이의 구간이 교차 점(CP)이 존재하는 유효 구간(VAL)에 해당한다. 이와 같이, 복조 신호들(DEM1~ DEM4)에 의한 샘플링이 가능한 샘플링 범위(SPL) 내에 수신 광(RL)이 포함되도록 도 15 및 16을 참조하여 설명한 바와 같이 기본 시간 쉬프트를 탐색할 수 있다.

도 32는 본 발명의 비행 시간 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 32를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 프로세서(1010), 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030), 입출력 장치(1040), 파워 서플라이(1050) 및 비행 시간 센서(100)를 포함할 수 있다. 한편, 도 32에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(1000)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.

프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 마이크로프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(1010)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030) 및 입출력 장치(1040)와 통신을 수행할 수 있다.

실시예에 따라, 프로세서(1010)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. 메모리 장치(1020)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다.

예를 들어, 메모리 장치(1020)는 디램(DRAM), 모바일 디램, 에스램(SRAM), 피램(PRAM), 에프램(FRAM), 알램(RRAM) 및/또는 엠램(MRAM)으로 구현될 수 있다. 저장 장치(1030)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive), 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(1040)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1050)는 전자 기기(1000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.

비행 시간 센서(100)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(1010)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 비행 시간 센서(100)는 프로세서(1010)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 비행 시간 센서(100)는 서로 다른 시간 프트들에 상응하는 복수의 샘플 데이터들에 기초하여 결정되는 교차 시간 쉬프트를 이용하여 거리 픽셀의 특성 편차에 관계 없이 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들은 비행 시간 센서를 포함하는 장치 및 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터(computer), 노트북(laptop), 핸드폰(cellular phone), 스마트폰(smart phone), 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 TV, 디지털 카메라, 포터블 게임 콘솔(portable game console), 네비게이션(navigation) 기기, 웨어러블(wearable) 기기, IoT(internet of things;) 기기, IoE(internet of everything:) 기기, e-북(e-book), VR(virtual reality) 기기, AR(augmented reality) 기기, 차량용 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템 등과 같은 전자 기기에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.

상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

송신 광을 피사체에 조사하는 광원 및 적어도 하나의 거리 센서를 포함하고, 상기 거리 센서는 서로 다른 위상을 갖는 복수의 복조 신호들에 기초하여 상기 송신 광이 상기 피사체에 의해 반사되어 상기 비행 거리 센서에 입사되는 반사 광의 세기에 상응하는 복수의 샘플 데이터들을 각각 발생하는 복수의 탭들을 포함하는 멀티-탭 구조를 갖는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법으로서,
상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 복수의 시간 쉬프트들을 발생하는 단계;
상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플 데이터들을 발생하는 복수의 샘플링 동작들을 수행하는 단계;
상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 복수의 탭들 중 제1 기준 탭 및 제2 기준 탭의 샘플 데이터들이 동일하게 되는 교차 시간 쉬프트를 결정하는 단계; 및
상기 교차 시간 쉬프트에 기초하여 상기 비행 거리 센서 및 상기 피사체 사이의 거리를 결정하는 단계를 포함하는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 시간 쉬프트들을 발생하는 단계는,
상기 송신 광의 지연량을 증가하거나 상기 복수의 복조 신호들의 지연량을 감소하여 상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 시간 쉬프트를 증가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 시간 쉬프트들을 발생하는 단계는,
상기 복수의 복조 신호들 중 상기 제1 기준 탭에 인가되는 복조 신호의 펄스 폭을 감소하고 상기 복수의 복조 신호들 중 상기 제2 기준 탭에 인가되는 복조 신호의 펄스 폭을 증가하여 상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 시간 쉬프트를 감소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 교차 시간 쉬프트를 결정하는 단계는,
상기 제1 기준 탭의 샘플 데이터들에 기초하여 샘플 데이터 및 위상 쉬프트를 좌표들로 하는 좌표 평면상의 제1 직선을 결정하는 단계;
상기 제2 기준 탭의 샘플 데이터들에 기초하여 상기 좌표 평면상의 제2 직선을 결정하는 단계;
상기 좌표 평면상의 상기 제1 직선 및 상기 제2 직선의 교차 점을 결정하는 단계; 및
상기 교차 점에 상응하는 시간 쉬프트를 상기 교차 시간 쉬프트로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 복조 신호들에 의한 샘플링이 가능한 샘플링 범위 내에 상기 수신 광이 포함되도록 기본 시간 쉬프트를 탐색하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법.
제1 항에 있어서,
입상 광에 의해 발생된 광 전하를 수집하기 위한 하나의 집광 구간 동안에 상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 시간 쉬프트를 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 피사체의 접근 속도를 결정하는 단계;
상기 접근 속도에 기초하여 상기 복수의 샘플링 데이터들을 보정하는 단계; 및
보정된 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 교차 시간 쉬프트를 보정하는 것을 특징으로 하는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 거리 센서는 제1 탭 및 제2 탭을 포함하는 2-탭 구조를 갖고,
상기 비행 거리 센서 및 상기 피사체 사이의 거리에 관계 없이, 상기 제1 탭은 상기 제1 기준 탭에 해당하고 상기 제2 탭은 상기 제2 기준 탭에 해당하는 것을 특징으로 하는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 거리 센서는 제1 탭 내지 제4 탭들을 포함하는 4-탭 구조를 갖고,
상기 비행 거리 센서 및 상기 피사체 사이의 거리에 따라서, 상기 제1 내지 제4 탭들 중 하나를 상기 제1 기준 탭으로 결정하고 다른 하나를 상기 제2 기준 탭으로 결정하고,
상기 제1 내지 제4 탭들 중 상기 제1 기준 탭 및 상기 제2 기준 탭을 제외한 2개의 탭들의 샘플 데이터들에 기초하여 상기 복수의 샘플 데이터들을 보정하는 것을 특징으로 하는 비행 거리 센서의 거리 측정 방법.
송신 광을 피사체에 조사하는 광원;
서로 다른 위상을 갖는 복수의 복조 신호들에 기초하여 상기 송신 광이 상기 피사체에 의해 반사되어 상기 비행 거리 센서에 입사되는 반사 광의 세기에 상응하는 복수의 샘플 데이터들을 각각 발생하는 복수의 탭들을 포함하는 멀티-탭 구조를 갖는 적어도 하나의 거리 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이 및 상기 거리 픽셀의 복수의 탭들에 인가되는 복수의 복조 신호들을 발생하는 로우 주사 회로를 포함하는 센싱부; 및
상기 송신 광 및 상기 복수의 복조 신호들 사이의 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 복조 신호들을 상기 복수의 탭들에 인가하여 상기 복수의 시간 쉬프트들에 각각 상응하는 상기 복수의 샘플 데이터들을 발생하는 복수의 샘플링 동작들을 수행하는 제어부를 포함하고,
상기 복수의 샘플링 동작들에 상응하는 상기 복수의 샘플링 데이터들에 기초하여 상기 복수의 탭들 중 제1 기준 탭 및 제2 기준 탭의 샘플 데이터들이 동일하게 되는 교차 시간 쉬프트를 결정하고, 상기 교차 시간 쉬프트에 기초하여 상기 비행 거리 센서 및 상기 피사체 사이의 거리를 결정하는 비행 거리 센서.