KR20240034012A - 이미지 센서 및 그 동작 방법 - Google Patents

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KR20240034012A
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김학순
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에스케이하이닉스 주식회사
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Abstract

본 기술은 전자 장치에 관한 것으로, 본 기술에 따른 위글링 에러(wiggling error)를 감소시킬 수 있는 이미지 센서는, 기준 광 신호를 기초로 서로 상이한 위상을 갖는 복수의 광 신호들을 생성하는 광 신호 생성부, 상기 기준 광 신호를 기초로 복수의 복조 신호들을 생성하는 복조 신호 생성부, 상기 복수의 광 신호들을 객체에 순차적으로 출력하는 광원, 상기 복수의 광 신호들이 상기 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신하는 광 수신부 및 상기 복수의 복조 신호들 및 상기 복수의 반사광 신호들을 기초로 픽셀 신호들을 생성하는 픽셀 어레이를 포함한다.

Description

이미지 센서 및 그 동작 방법{IMAGE SENSOR AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 전자 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 이미지 센서 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 일반적으로 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분될 수 있다. 최근, 제조비용이 저렴하고, 전력 소모가 적으며, 주변 회로와의 집적이 용이한 CMOS 이미지 센서가 주목 받고 있다.
스마트 폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라 등에 포함된 이미지 센서는 외부 객체로부터 반사된 광을 전기적인 신호로 변환함으로써, 외부 객체에 대한 이미지 정보를 획득할 수 있다. 이미지 정보를 획득하기 위해서는 색상뿐만 아니라 대상물과 이미지 센서 간의 거리(depth)에 관한 정보를 얻을 필요가 있다. 이미지 센서로부터 대상물까지의 거리 정보를 얻는 방법 중 하나인 TOF(time-of-flight) 방식은 객체에 변조광을 조사하고 반사되어 돌아온 광을 감지하여 위상의 변화로부터 거리를 계산하는 방식이다. TOF 방식은 활용 범위가 넓고 처리속도가 빠르며 비용 면에서도 유리하다.
한편, 객체에 조사되는 광과 반사되어 돌아온 광을 변조하기 위한 신호는 구형파(square wave)로 구현될 수 있다. 이 경우, 신호를 처리하는 과정에서 나이퀴스트(Nyzquist) 주파수 보다 더 높은 고조파(harmonic)가 앨리어싱(aliasing) 현상을 유발하여 신호를 왜곡하는 위글링 에러(wiggling error)가 발생될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 위글링 에러를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 동작 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 기준 광 신호를 기초로 서로 상이한 위상을 갖는 복수의 광 신호들을 생성하는 광 신호 생성부, 상기 기준 광 신호를 기초로 복수의 복조 신호들을 생성하는 복조 신호 생성부, 상기 복수의 광 신호들을 객체에 순차적으로 출력하는 광원, 상기 복수의 광 신호들이 상기 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신하는 광 수신부 및 상기 복수의 복조 신호들 및 상기 복수의 반사광 신호들을 기초로 픽셀 신호들을 생성하는 픽셀 어레이를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법은, 일정 간격으로 위상이 지연된 복수의 광 신호들을 생성하는 단계, 상기 복수의 광 신호들을 객체에 순차적으로 출력하는 단계, 상기 복수의 광 신호들이 상기 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신하는 단계, 상기 복수의 반사광 신호들을 합산한 통합 반사광 신호를 생성하는 단계 및 상기 통합 반사광 신호를 복조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템은, 서로 상이한 위상을 갖는 복수의 광 신호들을 객체에 순차적으로 출력하고, 상기 복수의 광 신호들이 상기 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신하고, 복수의 복조 신호들 및 상기 복수의 반사광 신호들을 기초로 복수의 픽셀 신호들을 생성하고, 상기 복수의 픽셀 신호들을 기초로 이미지 데이터를 생성하는 이미지 센서 및 상기 이미지 데이터를 처리하는 연산을 수행하는 이미지 처리 장치를 포함한다.
본 기술에 따르면, 위글링 에러를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 동작 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 광 신호들을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 통합 반사광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 복조 신호들을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상관 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위글링 에러를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀티 사이클이 조절된 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위글링 에러를 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위글링 에러의 개선 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템을 포함하는 전자 장치를 나타내는 블록도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 TOF(time of flight) 기법을 이용하여 객체(1)의 깊이(depth) 정보(또는 깊이 이미지)에 대응되는 이미지 데이터를 획득할 수 있다. ToF (time of flight) 방식은 크게 direct 방식과 in-direct 방식으로 구분되는데, 조사된 빛과 반사되어 돌아오는 빛을 이용하여 거리를 구하는 원리는 공통되나, 측정 방식에 따라 구분될 수 있다.
direct 방식의 경우, 왕복 시간을 계산하여 거리를 측정하고, in-direct 방식의 경우 위상 차이를 이용하여 거리를 측정한다. direct 방식은 장거리 측정 시 유리하여 자동차 등에 사용되고 있으며, in-direct 방식의 경우 거리가 보다 가깝고, 빠른 처리속도가 요구되는 게임기 및 모바일 카메라 등에 이용되고 있다. in-direct 방식은 direct 방식에 비해 회로가 간단하고 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(100)는 in-direct 방식을 이용한 센서일 수 있다.
이미지 센서(100)는 광원(110), 광 신호 생성부(120), 광 수신부(130), 복조 신호 생성부(140), 픽셀 어레이(150), 신호 변환부(160) 및 제어부(170)를 포함한다.
광원(110)은 객체(1)에 광 신호를 조사할 수 있다. 광원(110)은 특정 파장 대역의 광(예컨대, 근적외선, 적외선 또는 가시광)을 발광하는 레이저 다이오드(LD; Laser Diode)나 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode), 근적외선 레이저(NIR; Near Infrared Laser), 포인트 광원, 백색 램프 및 모노크로메이터(monochromator)가 조합된 단색(monochromatic) 조명원, 또는 다른 레이저 광원의 조합일 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 800㎚ 내지 1000㎚의 파장을 가지는 적외선일 수 있다. 광원(110)으로부터 조사되는 광 신호는 미리 정해진 주파수로 변조된 변조광(Modulated light) 신호일 수 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 하나의 광원(110)만을 도시하였으나, 실시 예에 따라 이미지 센서(100)는 복수의 광원들을 포함할 수 있다.
광원(110)은 광 신호 생성부(120)에 의해 생성된 복수의 광 신호들을 출력할 수 있다. 복수의 광 신호들은 기준 광 신호를 기준으로 일정한 간격에 따라 위상이 쉬프트된(shifted) 신호들일 수 있다.
일 실시 예에서, 광원(110)은 적분 시간(integration time) 동안에 복수의 광 신호들 각각을 일정 시간 간격에 따라 순차적으로 출력할 수 있다. 이때, 적분 시간은 픽셀 어레이(150)가 반사광 신호에 대응되는 전기적 전하를 픽셀 신호로 출력하는데 이용되는 시간일 수 있다. 광원(110)은 복수의 광 신호들을 주기적으로 출력할 수 있다.
일 실시 예에서, 광원(110)은 시분할 방식으로 복수의 광 신호들을 출력할 수 있다. 광원(110)은 적분 시간을 시간적으로 분할하여 복수의 광 신호들을 순차적으로 출력할 수 있다.
광 신호 생성부(120)는 기준 광 신호를 기초로 서로 상이한 위상을 갖는 복수의 광 신호들을 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 복수의 광 신호들은 진폭 및 주기가 서로 동일할 수 있다. 또한, 복수의 광 신호들은 미리 정해진 주파수로 변조된 신호들일 수 있다.
일 실시 예에서, 광 신호 생성부(120)는 기준 광 신호의 위상을 일정 간격에 따라 여러 번 지연시켜 복수의 광 신호들을 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 복수의 광 신호들은 50%보다 작은 듀티 사이클(duty cycle)을 가질 수 있다. 예를 들어, 광 신호 생성부(120)는 복수의 광 신호들의 듀티 사이클이 50%보다 작도록 조절할 수 있다.
광 수신부(130)는 복수의 광 신호들이 객체(1)로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신할 수 있다.
일 실시 예에서, 광 수신부(130)는 복수의 반사광 신호들에서 주변광(ambient light) 등에 따른 잡음을 제거할 수 있다.
일 실시 예에서, 광 수신부(130)는 적분 시간 동안에 수신된 복수의 반사광 신호들을 합산한 통합 반사광 신호를 생성할 수 있다.
복조 신호 생성부(140)는 기준 광 신호를 기초로 복수의 복조 신호들을 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 복조 신호 생성부(140)는 기준 광 신호의 위상을 0°, 90°, 180° 및 270°로 지연시켜 복수의 복조 신호들을 생성할 수 있다. 즉, 복수의 복조 신호들은 각각 기준 광 신호의 위상이 0°, 90°, 180° 및 270°만큼 쉬프트된 신호들일 수 있다.
일 실시 예에서, 복수의 복조 신호들은 50%보다 작은 듀티 사이클을 가질 수 있다. 즉, 복수의 복조 신호들의 듀티 사이클은 복수의 광 신호들의 듀티 사이클과 동일할 수 있다. 예를 들어, 복조 신호 생성부(140)는 복수의 복조 신호들의 듀티 사이클이 50%보다 작도록 조절할 수 있다.
픽셀 어레이(150)는 2차원 매트릭스(matrix) 구조로 연속적으로 배열된(예를 들어, 컬럼(column) 방향 및 로우(row) 방향으로 연속적으로 배열된) 복수의 픽셀들이 포함될 수 있다. 픽셀은 픽셀 어레이 상에서 동일한 형태가 반복 배열되는 최소 단위일 수 있다.
일 실시 예에서, 복수의 픽셀들은 각각 2-탭(2-tab) 구조의 픽셀일 수 있다. 예를 들어, 복수의 픽셀들은 각각 인 페이즈 리셉터(in phrase receptor)와 아웃 페이즈 리셉터(out phrase receptor)로 구성될 수 있다. 광원(110)은 빠른 간격으로 점멸하면서 광을 출력할 수 있다. 이 경우, 인 페이즈 리셉터는 인 페이즈 즉, 광원(110)이 온(on) 상태인 동안에만 활성화되어 광을 감지할 수 있다. 아웃 페이즈 리셉터는 아웃 페이즈 즉, 광원(110)이 오프(off) 상태인 동안에만 활성화되어 광을 감지할 수 있다. 다만, 이는 일 예시에 불과하며, 복수의 픽셀 들의 구조는 다양하게 설정될 수 있다.
일 실시 예에서, 각 픽셀들은 복수의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 서브 픽셀들은 매트릭스 구조로 배열되어 단위 픽셀들을 형성할 수 있다.
픽셀들은 반도체 기판 또는 에피텍셜 층에 형성될 수 있으며, 각 단위 픽셀은 광 수신부(130)를 통해 입사되는 입사광을 광의 세기에 대응하는 전기 신호로 변환하여 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 이때, 픽셀 신호는 객체(1)와의 거리를 나타내는 신호일 수 있다.
픽셀 어레이(150) 상에서 픽셀들이 위치하는 영역을 센싱 영역(sensing region)이라고 할 수 있다. 센싱 영역에 위치한 픽셀들은 입사광을 입사광의 세기에 대응하는 전기 신호로 변환하여 픽셀 신호를 출력할 수 있다.
픽셀 어레이(150)는 센싱 영역의 가장자리를 따라 위치하는 바이어스 필드 영역을 포함할 수 있다. 바이어스 필드 영역은 반도체 기판 또는 에피텍셜 층에 형성될 수 있으며, 제어부(170)는 바이어스 필드 영역에 인가되는 전압을 조절함으로써 픽셀이 출력하는 픽셀 신호를 조절할 수 있다.
일 실시 예에서, 픽셀 어레이(150)는 복수의 복조 신호들 및 복수의 반사광 신호들을 기초로 복수의 픽셀 신호들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(150)는 복수의 반사광 신호들에 의해 형성되는 통합 반사광 신호를 복조하여 복수의 픽셀 신호들을 생성할 수 있다. 구체적으로, 픽셀 어레이(150)는 복수의 복조 신호들을 기초로 통합 반사광 신호를 샘플링함으로써 복수의 픽셀 신호들을 생성할 수 있다.
신호 변환부(160)는 복수의 픽셀 신호들을 기초로 객체(1)와의 거리를 나타내는 깊이 정보에 대응되는 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들어, 신호 변환부(160)는 복수의 픽셀 신호들을 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하고, 변환된 신호를 연산해서 깊이 정보를 생성할 수 있다.
광원(110)에서 출력되는 변조광과 광 수신부(130)를 통해 수신된 입사광 사이에는 이미지 센서(100)와 객체(1) 간의 거리에 따른 시간 지연(time delay)이 존재할 수 있다. 이러한 시간 지연은 픽셀 신호와 광원(110)을 통해 출력되는 광 신호 간의 위상차(phase difference)로 나타날 수 있다. 신호 변환부(160)는 이러한 위상차를 연산하여 깊이 정보에 대응되는 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 신호 변환부(160)는 픽셀 어레이(150)로부터 출력된 픽셀 신호들에 대해 상관 이중 샘플링(correlated double sampling)을 수행하는 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampling, CDS)를 포함할 수 있다. 또한, 신호 변환부(160)는 상관 이중 샘플러로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(Analog Digital Converter, ADC)를 포함할 수 있다. 또한, 신호 변환부(160)는 아날로그-디지털 컨버터로부터 출력된 디지털 신호를 임시 저장하고, 제어부(170)의 제어에 따라 외부로 출력하는 버퍼(buffer)를 포함할 수 있다.
제어부(170)는 광원(110), 광 신호 생성부(120), 광 수신부(130), 복조 신호 생성부(140), 픽셀 어레이(150) 및 신호 변환부(160)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(170)는 광원(110), 광 신호 생성부(120), 광 수신부(130), 복조 신호 생성부(140), 픽셀 어레이(150) 및 신호 변환부(160)를 제어하기 위한 클록 신호를 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 광 신호들을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 광 신호 생성부(120)는 일정 간격으로 위상이 지연된 복수의 광 신호들(201~211)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 광 신호 생성부(120)는 기준 광 신호(206)의 위상을 일정 간격으로 여러 번 지연시켜 복수의 광 신호들(201~211)을 생성할 수 있다. 위상이 일정 간격으로 지연된다는 것은 위상이 일정 간격으로 쉬프트되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.
기준 광 신호(206)는 구형파일 수 있다. 예를 들어, 기준 광 신호(206)는 위상 0°부터 180°까지 진폭이 1이고, 위상 180°부터 360°까지 진폭이 0인 파형이 주기적으로 반복되는 신호일 수 있다.
광 신호 생성부(120)는 기준 광 신호(206)의 위상을 a° 간격으로 쉬프트하여 복수의 광 신호들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 광 신호 생성부(120)는 기준 광 신호(206)의 위상이 -a° 만큼 쉬프트된 광 신호(205), 기준 광 신호(206)의 위상이 -2a° 만큼 쉬프트된 광 신호(204), 기준 광 신호(206)의 위상이 -3a° 만큼 쉬프트된 광 신호(203), 기준 광 신호(206)의 위상이 -4a° 만큼 쉬프트된 광 신호(202) 및 기준 광 신호(206)의 위상이 -5a° 만큼 쉬프트된 광 신호(201)를 생성할 수 있다. 또한, 기준 광 신호(206)의 위상이 a° 만큼 쉬프트된 광 신호(207), 기준 광 신호(206)의 위상이 2a° 만큼 쉬프트된 광 신호(208), 기준 광 신호(206)의 위상이 3a° 만큼 쉬프트된 광 신호(209), 기준 광 신호(206)의 위상이 4a° 만큼 쉬프트된 광 신호(210) 및 기준 광 신호(206)의 위상이 5a° 만큼 쉬프트된 광 신호(211)를 생성할 수 있다.
복수의 광 신호들(201~211)은 진폭 및 주기가 동일하고, 위상이 상이한 신호들일 수 있다.
한편, 도 2에서는 기준 광 신호(206)의 위상을 10번 쉬프트하여 총 11개의 광 신호들을 생성한 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 실시 예에 따라, 기준 광 신호(206)의 위상을 쉬프트하는 횟수, 쉬프트 간격, 쉬프트 범위 등은 실시 예에 따라 다양할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 통합 반사광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광 수신부(130)는 복수의 반사광 신호들을 합산하여 통합 반사광 신호(301)를 생성할 수 있다. 복수의 반사광 신호들은 각각 복수의 광 신호들과 대응될 수 있다. 복수의 반사광 신호들은 복수의 광 신호들과 비교하여 객체(1)와의 거리에 따라 위상이 달라질 수 있다.
일 실시 예에서, 광 수신부(130)는 복수의 반사광 신호들을 합산한 뒤 합산된 신호들의 진폭의 크기가 기준 광 신호(206)의 진폭과 동일하도록 조절할 수 있다. 이에 따라, 통합 반사광 신호(301)는 복수의 광 신호들(201~211)과 동일한 진폭을 가질 수 있다. 이에 따라, 통합 반사광 신호(301)는 삼각파와 유사한 형태를 가질 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 통합 반사광 신호(301)는 신호의 형태를 설명하기 위한 것이고, 통합 반사광 신호(301)의 위상은 객체와의 거리에 의해 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 복조 신호들을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 복조 신호 생성부(140)는 기준 광 신호(206)의 위상을 0°, 90°, 180° 및 270°만큼 지연시켜 복수의 복조 신호들(401~404)을 생성할 수 있다. 복수의 복조 신호들(401~404)은 기준 광 신호(206)와 진폭 및 주기가 동일할 수 있다. 복수의 복조 신호들(401~404)은 픽셀 어레이(150)에 인가되어 통합 반사광 신호(301)를 복조하는데 이용될 수 있다.
한편, 도 4에서는 4개의 복조 신호를 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 실시 예에 따라 복조 신호의 개수는 다양하게 설정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상관 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서, 도면 5(a)는 종래의 기술에 따라 인 페이즈에서 수신된 반사광 신호와 복수의 복조 신호들(401~404) 사이의 상관 신호를 나타낸 그래프이다. 도면 5(b)는 종래의 기술에 따라 아웃 페이즈에서 수신된 반사광 신호와 복수의 복조 신호들(401~404) 사이의 상관 신호를 나타낸 그래프이다. 이때, 종래의 기술은 기준 광 신호만을 객체에 출력한 방식을 나타낼 수 있다. 도면 5(c)는 본 발명에 따라 인 페이즈에서 수신된 통합 반사광 신호(301)와 복수의 복조 신호들(401~404) 사이의 상관 신호를 나타낸 그래프이다. 도면 5(d)는 본 발명에 따라 아웃 페이즈에서 수신된 통합 반사광 신호(301)와 복수의 복조 신호들(401~404) 사이의 상관 신호를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상관 신호는 교차 상관(cross correlation) 신호를 나타낼 수 있다. 일 실시 예에서, 상관 신호는 반사광 신호와 복조 신호 사이의 교차 상관 관계를 나타내는 신호일 수 있다. 예를 들어, 상관 신호는 반사광 신호와 복조 신호 사이의 샘플링에 의해 나타날 수 있다.
여기서, 도 5(a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 상관 신호들은 삼각파 형태로 나타날 수 있다. 이 경우, 후술할 바와 같이, 위글링 에러는 증가할 수 있다. 이와 달리, 도 5(c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상관 신호들은 사인(sine) 또는 코사인(cosine)과 같은 삼각함수 형태로 나타날 수 있다. 이 경우, 후술할 바와 같이, 위글링 에러는 감소할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위글링 에러를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 그래프에서 점선은 종래의 기술에 따라 발생되는 위글링 에러를 나타낸다. 그래프에서 실선은 본 발명에 따라 발생되는 위글링 에러를 나타낸다. 여기서, 종래의 기술은 구형파인 기준 광 신호만을 객체로 출력한 뒤, 반사된 반사 광 신호와 복조 신호 사이의 상관 신호를 생성한 것을 의미한다. 본 발명은 복수의 광 신호들을 객체로 출력한 뒤, 통합 반사광 신호와 복조 신호 사이의 상관 신호를 생성한 것을 의미한다. 일 실시 예에서, 도 6을 참조하여 설명된 본 발명은 복수의 광 신호들 사이의 위상 시프트 간격이 11.25°이고, 듀티 사이클이 50%인 실시 예를 나타낼 수 있다. 이때, 위글링 에러가 높을수록 신호의 왜곡 정도가 심한 것으로 해석될 수 있다.
예를 들어, 종래의 기술에 따라 발생되는 위글링 에러는 대략 +4°에서 -4°까지의 범위를 가질 수 있다. 이와 달리, 본 발명에 따라 발생되는 위글링 에러는 대략 +0.334°에서 -0.334° 까지의 범위를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 종래의 기술과 비교할 때 위글링 에러가 12배 정도 개선될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀티 사이클이 조절된 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 광 신호 생성부(120)는 복수의 광 신호들의 듀티 사이클이 50%보다 작도록 조절할 수 있다. 예를 들어, 광 신호 생성부(120)는 기준 광 신호의 듀티 사이클을 50%보다 작도록 조절할 수 있다. 이 경우, 듀티 사이클이 조절된 기준 광 신호(701)는 진폭이 1인 위상의 범위가 진폭이 0인 위상의 범위보다 작아질 수 있다. 이후, 광 신호 생성부(120)는 듀티 사이클이 조절된 기준 광 신호(701)의 위상을 일정 간격으로 지연시켜 복수의 광 신호들을 생성할 수 있다. 이에 따라, 복수의 광 신호들도 50%보다 작은 듀티 사이클을 가질 수 있다.
또한, 복조 신호 생성부(140)는 복수의 복조 신호들의 듀티 사이클이 50%보다 작도록 조절할 수 있다. 예를 들어, 복조 신호 생성부(140)는 듀티 사이클이 조절된 기준 광 신호(701)의 위상을 0°, 90°, 180° 및 270°로 지연시켜 복수의 복조 신호들을 생성할 수 있다. 이에 따라, 복수의 복조 신호들도 50%보다 작은 듀티 사이클을 가질 수 있다. 결과적으로, 복수의 광 신호들 및 복수의 복조 신호들은 동일한 듀티 사이클을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위글링 에러를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 그래프에서 점선은 종래의 기술에 따라 발생되는 위글링 에러를 나타낸다. 그래프에서 실선은 본 발명에 따라 발생되는 위글링 에러를 나타낸다. 여기서, 종래의 기술은 구형파인 기준 광 신호만을 객체로 출력한 뒤, 반사된 반사 광 신호와 복조 신호 사이의 상관 신호를 생성하고, 듀티 사이클은 50%인 경우를 의미한다. 본 발명은 복수의 광 신호들을 객체로 출력한 뒤, 통합 반사광 신호와 복조 신호 사이의 상관 신호를 생성하고, 복수의 광 신호들과 복수의 복조 신호들의 듀티 사이클이 50%보다 작은 경우를 의미한다. 일 실시 예에서, 도 8을 참조하여 설명된 본 발명은 복수의 광 신호들 사이의 위상 시프트 간격이 11.25°이고, 듀티 사이클이 45%인 실시 예를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 종래의 기술에 따라 발생되는 위글링 에러는 대략 +4°에서 -4°까지의 범위를 가질 수 있다. 이와 달리, 본 발명에 따라 발생되는 위글링 에러는 대략 +0.0815°에서 -0.0815° 까지의 범위를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 종래의 기술과 비교할 때 위글링 에러가 50배 정도 개선될 수 있다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위글링 에러의 개선 정도를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 9a는 복수의 광 신호들의 위상 시프트에 따라 위글링 에러가 개선되는 정도를 나타내는 표이다.
일 실시 예에서, 도 9a는 위상 시프트 간격이 2.8125°, 5.625°, 11.25° 22.5° 또는 45° 중 어느 하나이고, 듀티 사이클이 50%인 경우에 각각의 위글링 에러 개선도를 나타낸다. 위상 시프트 간격이 2.8125° 또는 5.625°이면, 복수의 광 신호들은 -61.875°부터 +67.875°까지의 위상 시프트 범위를 가질 수 있다. 또한, 위상 시프트 간격이 11.25°이면, 복수의 광 신호들은 -56.25°부터 +56.25°까지의 위상 시프트 범위를 가질 수 있다. 또한, 위상 시프트 간격이 22.5° 또는 45°이면, 복수의 광 신호들은 -45°부터 +45°까지의 위상 시프트 범위를 가질 수 있다.
도 9a를 참조하면, 5가지의 위상 시프트 간격 중 복수의 광 신호들 사이의 위상 시프트 간격이 2.8125°인 경우에 위글링 에러의 개선도가 가장 높았고, 위상 시프트 간격이 11.25°인 경우에 위글링 에러의 개선도가 두번째로 높았다.
도 9b는 복수의 광 신호들의 위상 시프트와 듀티 사이클 조절에 따라 위글링 에러가 개선되는 정도를 나타내는 표이다.
일 실시 예에서, 도 9b는 위상 시프트 간격이 2.8125°, 5.625°, 11.25° 22.5° 또는 45° 중 어느 하나이고, 듀티 사이클이 45%인 경우에 각각의 위글링 에러 개선도를 나타낸다. 즉, 도 9b는 도 9a와 비교하여 듀티 사이클을 50%에서 45%로 변경한 예를 나타낼 수 있다.
도 9b를 참조하면, 5가지의 위상 시프트 간격 중 복수의 광 신호들 사이의 위상 시프트 간격이 11.25°이면서 듀티 사이클이 45%로 설정된 경우에, 위글링 에러의 개선도가 가장 높았다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 위상이 서로 상이한 복수의 광 신호들을 출력하고, 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 기초로 픽셀 신호들을 생성함으로써, 위글링 에러를 감소시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10에 도시된 방법은 예를 들어, 도 1에 도시된 이미지 센서(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 10을 참조하면, 단계 S1001에서, 이미지 센서(100)는 일정 간격으로 위상이 지연된 복수의 광 신호들을 생성할 수 있다. 이때, 이미지 센서(100)는 기준 광 신호의 위상을 일정 간격에 따라 여러 번 지연시킴으로써 복수의 광 신호들을 생성할 수 있다.
단계 S1003에서, 이미지 센서(100)는 복수의 광 신호들을 객체에 순차적으로 출력할 수 있다. 이때, 이미지 센서(100)는 적분 시간 동안에 복수의 광 신호들을 시간적으로 분할하여 출력할 수 있다.
단계 S1005에서, 이미지 센서(100)는 복수의 광 신호들이 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신할 수 있다.
단계 S1007에서, 이미지 센서(100)는 복수의 반사광 신호들을 합산한 통합 반사광 신호를 생성할 수 있다.
단계 S1009에서, 이미지 센서(100)는 통합 반사광 신호를 복조할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 복수의 광 신호들 중 기준 광 신호를 기초로 복수의 복조 신호들을 생성할 수 있다. 이후, 이미지 센서(100)는 복수의 복조 신호들을 기초로 통합 반사광 신호를 샘플링하여 통합 반사광 신호를 복조할 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(100)는 위글링 에러가 감소된 픽셀 신호들을 생성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템을 포함하는 전자 장치를 나타내는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 전자 장치(2000)는 이미지 센서(2010), 프로세서(2020), 저장 장치(STORAGE DEVICE)(2030), 메모리 장치(MEMORY DEVICE)(2040), 입력 장치(2050) 및 출력 장치(2060)를 포함할 수 있다. 도 11에는 도시되지 않았지만, 전자 장치(2000)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.
이미지 센서(2010)는 입사광에 상응하는 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 이미지 데이터는 프로세서(2020)으로 전달되어 처리될 수 있다. 출력 장치(2060)는 이미지 데이터를 표시할 수 있다. 저장 장치(2030)는 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 프로세서(2020)는 이미지 센서(2010), 출력 장치(2060) 및 저장 장치(2030)의 동작을 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 이미지 센서(2010)는 도 1을 참조하여 설명된 이미지 센서(100)의 동작들을 수행할 수 있다.
예를 들어, 이미지 센서(2010)는 서로 상이한 위상을 갖는 복수의 광 신호들을 객체에 출력할 수 있다. 이미지 센서(2010)는 복수의 광 신호들이 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신하고, 복수의 반사광 신호들에 의해 형성되는 통합 반사광 신호를 생성할 수 있다. 이미지 센서(2010)는 통합 반사광 신호 및 복수의 복조 신호들을 기초로 복수의 픽셀 신호들을 생성하고, 복수의 픽셀 신호들을 기초로 이미지 데이터를 출력할 수 있다.
프로세서(2020)는 이미지 센서(2010)로부터 수신되는 이미지 데이터를 처리하는 연산을 수행하고, 처리된 이미지 데이터를 출력하는 이미지 처리 장치일 수 있다. 여기서, 처리는 EIS(Electronic Image Stabilization), 보간, 색조 보정, 화질 보정, 크기 조정 등일 수 있다.
프로세서(2020)는 이미지 센서(2010)와는 독립적인 칩으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(2020)는 멀티-칩 패키지(multi-chip package)로 구현될 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에서는 프로세서(2020)는 이미지 센서(2010)의 일부로 포함되어 하나의 칩으로 구현될 수 있다.
프로세서(2020)는 전자 장치(2000)의 동작을 실행하고 제어할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 프로세서(2020)는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit, CPU) 또는 어플리케이션 프로세서(application processor, AP)일 수 있다. 프로세서(2020)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 저장 장치(2030), 메모리 장치(2040), 입력 장치(2050) 및 출력 장치(2060)에 연결되어 통신을 수행할 수 있다.
저장 장치(2030)는 플래시 메모리 장치(flash memory device), 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive; SSD), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD), 씨디롬(CD-ROM) 및 모든 형태의 비휘발성 메모리 장치 등을 포함할 수 있다.
메모리 장치(2040)는 전자 장치(2000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(2040)는 동적 랜덤 액세스 메모리(Dynamic Random Access Memory; DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(Static Random Access Memory; SRAM) 등과 같은 휘발성 메모리 장치 및 이피롬(Erasable Programmable Read-Only Memory; EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; EEPROM) 및 플래시 메모리 장치(flash memory device) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다. 프로세서(2020)는 메모리 장치(2040)에 저장된 명령어 세트를 실행하여 이미지 센서(2010)와 출력 장치(2060)를 제어할 수 있다.
입력 장치(2050)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단을 포함하고, 출력 장치(2060)는 프린터장치, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다.
이미지 센서(2010)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(2010)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Metric Quad Flat Package(MQFP), Thin Quad Flat Package(TQFP), Small Outline Integrated Circuit(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline Package(TSOP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 구현될 수 있다.
한편, 전자 장치(2000)는 이미지 센서(2010)를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석될 수 있다. 전자 장치(2000)는 패키징된 모듈, 부품 등의 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(2000)는 디지털 카메라, 모바일 장치, 스마트폰(smart phone), PC(Personal Computer), 태블릿 PC(tablet personal computer), 노트북(notebook), PDA(personal digital assistant), EDA(enterprise digital assistant), PMP(portable multimedia player), 웨어러블 디바이스(wearable device), 블랙박스, 로봇, 자율주행 차량 등으로 구현될 수 있다.
100: 이미지 센서
110: 광원
120: 광 신호 생성부
130: 광 수신부
140: 복조 신호 생성부
150: 픽셀 어레이
160: 신호 변환부
170: 제어부

Claims (18)

  1. 기준 광 신호를 기초로 서로 상이한 위상을 갖는 복수의 광 신호들을 생성하는 광 신호 생성부;
    상기 기준 광 신호를 기초로 복수의 복조 신호들을 생성하는 복조 신호 생성부;
    상기 복수의 광 신호들을 객체에 순차적으로 출력하는 광원;
    상기 복수의 광 신호들이 상기 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신하는 광 수신부; 및
    상기 복수의 복조 신호들 및 상기 복수의 반사광 신호들을 기초로 복수의 픽셀 신호들을 생성하는 픽셀 어레이;를 포함하는, 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 광 신호들은,
    진폭 및 주기가 서로 동일한, 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 광 신호 생성부는,
    상기 기준 광 신호의 위상을 일정 간격에 따라 여러 번 지연시켜 상기 복수의 광 신호들을 생성하는, 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 광원은,
    적분 시간(integration time) 동안에 상기 복수의 광 신호들 각각을 일정 시간 간격에 따라 순차적으로 출력하는, 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 복조 신호 생성부는,
    상기 기준 광 신호의 위상을 0°, 90°, 180° 및 270°로 지연시켜 상기 복수의 복조 신호들을 생성하는, 이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 광 수신부는,
    적분 시간 동안에 수신된 상기 복수의 반사광 신호들을 합산한 통합 반사광 신호를 생성하는, 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 픽셀 어레이는,
    상기 복수의 복조 신호들을 기초로 상기 통합 반사광 신호를 샘플링함으로써 상기 복수의 픽셀 신호들을 생성하는, 이미지 센서.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 광 신호들 및 상기 복수의 복조 신호들은,
    50%보다 작은 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는, 이미지 센서.
  9. 일정 간격으로 위상이 지연된 복수의 광 신호들을 생성하는 단계;
    상기 복수의 광 신호들을 객체에 순차적으로 출력하는 단계;
    상기 복수의 광 신호들이 상기 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신하는 단계;
    상기 복수의 반사광 신호들을 합산한 통합 반사광 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 통합 반사광 신호를 복조하는 단계;를 포함하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 복수의 광 신호들을 생성하는 단계는,
    기준 광 신호의 위상을 상기 일정 간격에 따라 여러 번 지연시킴으로써 상기 복수의 광 신호들을 생성하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 출력하는 단계는,
    적분 시간(integration time) 동안에 상기 복수의 광 신호들을 시간적으로 분할하여 출력하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    기준 광 신호를 기초로 복수의 복조 신호들을 생성하는 단계;를 더 포함하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 복수의 복조 신호들을 생성하는 단계는,
    상기 기준 광 신호의 위상을 0°, 90°, 180° 및 270°로 지연시킴으로써 상기 복수의 복조 신호들을 생성하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  14. 제12 항에 있어서, 상기 복조하는 단계는,
    상기 복수의 복조 신호들을 기초로 상기 통합 반사광 신호를 샘플링하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 복수의 광 신호들 및 상기 복수의 복조 신호들의 듀티 사이클(duty cycle)이 50%보다 작도록 조절하는 단계;를 더 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
  16. 서로 상이한 위상을 갖는 복수의 광 신호들을 객체에 순차적으로 출력하고, 상기 복수의 광 신호들이 상기 객체로부터 반사된 복수의 반사광 신호들을 수신하고, 복수의 복조 신호들 및 상기 복수의 반사광 신호들을 기초로 복수의 픽셀 신호들을 생성하고, 상기 복수의 픽셀 신호들을 기초로 이미지 데이터를 생성하는 이미지 센서; 및
    상기 이미지 데이터를 처리하는 연산을 수행하는 이미지 처리 장치;를 포함하는, 이미지 처리 시스템.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 복수의 광 신호들은,
    진폭 및 주기가 서로 동일한, 이미지 처리 시스템.
  18. 제16 항에 있어서, 상기 이미지 센서는,
    기준 광 신호의 위상을 일정 간격에 따라 여러 번 쉬프트시켜 상기 복수의 광 신호들을 생성하는, 이미지 처리 시스템.

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