WO2018043941A1 - 거리 측정 장치 및 거리 측정 장치의 동작 방법 - Google Patents

거리 측정 장치 및 거리 측정 장치의 동작 방법 Download PDF

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이재용
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김종안
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    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a distance measuring device and a method of operating the distance measuring device.
  • some of the distance measuring devices may photograph an object in multiple pixels and measure the distance according to an angle difference of the object seen in the multiple pixels.
  • Some of the distance measuring devices may irradiate light toward the object and measure a distance to the object by using a time of flight (ToF) in which the light is reflected from the object and returning.
  • TOF time of flight
  • the highly reliable distance measuring device can measure the distance with a relatively small error.
  • a low reliability distance measuring device measures distance with a relatively large error.
  • An apparatus for measuring a distance includes an image sensor and an image sensor driver.
  • the image sensor includes a photodiode, a first capacitor and a second capacitor, and a first transfer gate and a second transfer gate that transfer outputs of the photodiode to the first capacitor and the second capacitor, respectively.
  • the image sensor driver complementarily drives the first transfer gate and the second transfer gate.
  • a method of operating a distance measuring device may include charging first and second capacitors connected to a photodiode through first and second transmission gates, irradiating light toward an object, and photodiode. Reducing the voltage of the first capacitor in proportion to the amount of light incident on and in proportion to the time elapsed after the irradiation of light, in proportion to the amount of light incident on the photodiode and inversely in proportion to the time elapsed after irradiation. Reducing the voltage of the capacitor, and measuring the distance between the object and the distance measuring device using the voltage of the first capacitor and the voltage of the second capacitor.
  • the light incident on the photodiode is measured with voltages through differentially or complementarily controlled transmission gates. Since the distance value is measured complementarily or differentially, a distance measuring device with improved reliability and a method of operating the distance measuring device are provided.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a distance measuring device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of the image sensor shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows an example of a vertical cross-sectional view of the first and second transfer gates and the photodiode of FIG. 2.
  • FIGS. 2 and 3 shows examples of voltages supplied to the image sensor of FIGS. 2 and 3 and voltages generated by the image sensor.
  • FIG. 6 shows the results of a simulation of measuring the voltages of the first and second detection nodes and the first and second output voltages while adjusting the time at which the second light is incident when the duty time is 1 ⁇ s. It shows that the output produced by light incident at different times changes in opposite directions, decreasing (A1) or increasing (A2) at the first and second output voltages. 2 shows an example in which the difference in output voltage changes.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of performing a distance measurement by a distance measuring device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the distance measuring device 100 includes a light source 110, a light source driver 120, an image sensor 130, an image sensor driver 140, and a controller 150.
  • the light source 110 may irradiate the first light L1 under the control of the light source driver 120.
  • the light source 110 may radiate the pulsed first light L1 toward the object 10 in response to the pulse signal PUL received from the light source driver 120.
  • the light source 110 may be a pulsed laser light source.
  • the light source driver 120 may control the light source 110 under the control of the controller 150.
  • the light source driver 120 receives a command to notify the start of the distance measurement from the controller 150 and, when a predetermined time elapses from when the command is received, sends the pulse signal PUL to the light source 110.
  • the light source driver 120 may receive a command requesting to output the pulse signal PUL from the controller 150, and output the pulse signal PUL to the light source 110 according to the received command. have.
  • the image sensor 130 may operate under the control of the image sensor driver 140.
  • the image sensor 130 may be reset in response to reset signals RST received from the image sensor driver 140.
  • the reset of the image sensor 130 may mean that the image sensor 130 prepares to discard previously collected information and collect new information.
  • the image sensor 130 may generate information about light received from the outside in response to the gate voltages VG received from the image sensor driver 140.
  • the image sensor 130 may include information about the intensity of the second light L2 reflected by the first light L1 from the object 10 or information about the ambient light. Can be generated.
  • the image sensor 130 may output the collected information to the image sensor driver 140 in response to the selection signals SEL received from the image sensor driver 140. For example, the collected information can be conveyed to the output voltages VOUT.
  • the image sensor driver 140 may control the image sensor 130 under the control of the controller 150.
  • the image sensor driver 140 receives a command to notify the start of distance measurement from the controller 150, and reset signals RST and gate voltage when predetermined times have elapsed from when the command is received.
  • VG and selection signals SEL may be output to the image sensor 130.
  • the image sensor driver 140 receives commands from the controller 150 to output reset signals RST, gate voltages VG, and selection signals SEL, and receives the received commands.
  • the reset signals RST, the gate voltages VG, and the selection signals SEL may be output to the image sensor 130, respectively.
  • the image sensor driver 140 may transmit output voltages VOUT received from the image sensor 130 to the controller 150.
  • the controller 150 may control the light source driver 120 and the image sensor driver 140 to perform distance measurement.
  • the controller 150 may receive output voltages VOUT from the image sensor driver 140 and calculate a distance between the distance measuring device 100 and the object 10 from the output voltages VOUT.
  • the controller 150 may display the calculated distance through a display device such as a liquid crystal display (LCD), or may transmit the calculated distance to another device through a wired or wireless interface.
  • LCD liquid crystal display
  • the image sensor driver 140 transmits the output voltages VOUT to the controller 150.
  • the image sensor driver 140 may be applied to calculate the distance from the output voltages VOUT and output the calculated distance to the controller 150.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of the image sensor 130 shown in FIG. 1.
  • an example of one pixel of the image sensor 130 is shown in FIG. 2.
  • the image sensor 130 may include a plurality of pixels, in which case each pixel may have the same structure as shown in FIG. 2.
  • the image sensor 130 may further include conventional RGB pixels.
  • the image sensor 130 may include first and second P-type transistors PT1 and PT2, first to fourth N-type transistors NT1 to NT4, and first and second electrodes.
  • Capacitors C1 and C2, first and second transfer gates TG1 and TG2, and photodiode PD are included.
  • a cathode of the photodiode PD is commonly connected to the first nodes (eg, sources) of the first and second transfer gates TG1 and TG2.
  • An anode of the photodiode PD is connected to the ground terminal.
  • First and second gate voltages VG1 and VG2 are supplied to gates of the first and second transfer gates TG1 and TG2, respectively.
  • the first and second gate voltages VG1 and VG2 may be supplied from the image sensor driver 140.
  • Second nodes (eg, drains) of the first and second transmission gates TG1 and TG2 are connected to the first and second detection nodes FD1 and FD2, respectively.
  • the first capacitor C1 is connected between the first detection node FD1 and the ground terminal.
  • the first detection node FD1 may be connected to a second node (eg, a drain) of the first P-type transistor PT1 and may be connected to a gate of the first N-type transistor NT1.
  • the second capacitor C2 is connected between the second detection node FD2 and the ground terminal.
  • the second detection node FD2 may be connected to a second node (eg, a drain) of the second P-type transistor PT2 and may be connected to a gate of the third N-type transistor NT3.
  • a first node (eg, a source) of the first P-type transistor PT1 is connected to a power supply node to which a power supply voltage VDD is supplied.
  • the second node (eg, drain) of the first P-type transistor PT1 is connected to the first detection node FD1.
  • the first reset signal RST1 is supplied to the gate of the first P-type transistor PT1.
  • the first reset signal RST1 may be supplied from the image sensor driver 140.
  • a first node (eg, a source) of the second P-type transistor PT2 is connected to a power supply node to which a power supply voltage VDD is supplied.
  • the second node (eg, drain) of the second P-type transistor PT2 is connected to the second detection node FD2.
  • the second reset signal RST2 is supplied to the gate of the second P-type transistor PT2.
  • the second reset signal RST2 may be supplied from the image sensor driver 140.
  • a first node (eg a source) of the first N-type transistor NT1 is connected to a first node (eg a source) of the second N-type transistor NT2.
  • the second node (eg, drain) of the first N-type transistor NT1 is connected to a power supply terminal.
  • the gate of the first N-type transistor NT1 is connected to the first detection node FD1.
  • the first node (eg, source) of the second N-type transistor NT2 is connected to the first node (eg, source) of the first N-type transistor NT1.
  • the second node (eg, the drain) of the second N-type transistor NT2 may be a first output terminal for outputting the first output voltage VOUT1.
  • the first select signal SEL1 is supplied to the gate of the second N-type transistor NT2.
  • the first selection signal SEL1 may be supplied from the image sensor driver 140.
  • the first node (eg, source) of the third N-type transistor NT3 is connected to the first node (eg, source) of the fourth N-type transistor NT4.
  • the second node (eg, drain) of the third N-type transistor NT3 is connected to a power supply terminal.
  • the gate of the third N-type transistor NT3 is connected to the second detection node FD2.
  • the first node (eg, source) of the fourth N-type transistor NT4 is connected to the first node (eg, source) of the third N-type transistor NT3.
  • the second node (eg, the drain) of the fourth N-type transistor NT4 may be a second output terminal for outputting the second output voltage VOUT2.
  • the second select signal SEL2 is supplied to the gate of the fourth N-type transistor NT4.
  • the second selection signal SEL2 may be supplied from the image sensor driver 140.
  • the first and second P-type transistors PT1 and PT2 may be PMOSFETs.
  • the first to fourth N-type transistors NT1 to NT4 may be NMOSFETs.
  • the first and second transfer gates TG1 and TG2 may be NMOFETs.
  • the pixel of the image sensor 130 according to the spirit of the present invention is not limited to the structure shown in FIG.
  • the P-type transistors and the N-type transistors may be replaced with each other, and the power supply terminal and the ground terminal may be replaced with each other.
  • a P-type well 212 is formed in the P-type substrate 210.
  • the P-type well 212 is a pocket p-well formed directly on the P-type substrate 210 or in an N-type well (not shown) formed in the P-type substrate 210. May be).
  • the doping concentration of the P-type well 212 may be higher than the doping concentration of the P-type substrate 210.
  • First to third N-type regions 213, 215, and 217 are formed in the P-type well 212.
  • the first gate 214 is formed over the P-type well 212 in the space between the first and second N-type regions 213 and 215.
  • a second gate 215 is formed over the P-type well 212 in the space between the second and third N-type regions 215 and 217.
  • the first N-type region 213, the second N-type region 215, and the first gate 214 may form a first transfer gate TG1.
  • the second N-type region 215, the third N-type region 217, and the second gate 216 may form a second transfer gate TG2.
  • the second N-type region 215 and the P-type well 212 may form a photodiode PD.
  • the image sensor driver 140 first activates the reset signals RST1 and RST2 at the first time T1 ( For example, logic low, and then deactivated (eg, logic high). While the reset signals RST1 and RST2 are activated, the first and second P-type transistors PT1 and PT2 are turned on. When the first and second P-type transistors PT1 and PT2 are turned on, the voltages of the first and second detection nodes FD1 and FD2 are charged to the power supply voltage VDD.
  • the reset signals RST1 and RST2 For example, logic low, and then deactivated (eg, logic high). While the reset signals RST1 and RST2 are activated, the first and second P-type transistors PT1 and PT2 are turned on. When the first and second P-type transistors PT1 and PT2 are turned on, the voltages of the first and second detection nodes FD1 and FD2 are charged to the power supply voltage VDD.
  • the first and second capacitors C1 and C2 are connected to the first and second detection nodes FD1 and FD2, respectively, the first and second P-type transistors PT1 and PT2 are turned off.
  • the voltages of the first and second detection nodes FD1 and FD2 may maintain the power supply voltage VDD.
  • the first and second output voltages VOUT1 and VOUT2 may be reset to an initial value, for example, a ground voltage.
  • the reset signals RST1 and RST2 are activated, the second gate voltage VG2 may be in a high level, and the first gate voltage VG2 may be in a low level.
  • the photoelectrons due to the background light incident on the photodiode PD may be transferred to the second detection nodes FD2 by the second transmission gate TG2.
  • the pulse widths of the reset signals RST1 and RST2 may start at the first time T1 and continue up to the second time T2.
  • the light source driver 120 After the image sensor 130 is reset, that is, after the first and second capacitors C1 and C2 are charged to the power supply voltage VDD, at the second time T2, the light source driver 120 generates a pulse signal ( PUL). In response to the pulse signal PUL, the light source 110 may irradiate the object 10 with the pulsed first light L1 (for example, a laser).
  • the pulsed first light L1 for example, a laser
  • the first gate voltage VG1 and the second gate voltage VG2 are controlled complementarily or differentially at a second time T2 in synchronization with the light source 110 irradiating the first light L1. Or driven).
  • the image sensor driver 140 may set the first gate voltage VG1 from the low level during a predetermined duty time, for example, a time between the second time T2 and the fifth time T5. Can gradually increase to a higher level.
  • the image sensor driver 140 may move the second gate voltage VG2 from a high level to a low level during a predetermined duty time, for example, a time between the second time T2 and the fifth time T5. Can be decreased gradually.
  • the amount of light incident on the photodiode PD is directed to the first and second detection nodes PD1 and PD2. Delivered.
  • the second light L2 may be incident on the photodiode PD between the third time T3 and the fourth time T4.
  • the photodiode PD generates only photoelectrons by ambient light.
  • the photodiode PD generates photoelectrons by the ambient light and the second light L2.
  • the number of photoelectrons generated in the photodiode PD while the second light L2 is incident is greater than the number of photoelectrons generated in the photodiode PD when the second light L2 is not incident.
  • the first transfer gate TG1 and the second transfer gate TG2 may operate as a voltage control resistor.
  • the first transfer gate TG1 and the second transfer gate TG2 may operate at sub-thresholds.
  • the first and second gate voltages VG1 and VG2 are high and low levels in a voltage region lower than threshold voltages of the first and second transfer gates TG1 and TG2.
  • the difference of can be controlled within the threshold voltage.
  • the threshold voltage of the first transfer gate TG1 and the second transfer gate TG2 is 0.5 V
  • the first gate voltage VG1 is the fourth period at a second time. It can sweep from 0.1V to 0.4V in between.
  • the voltages of the first and second detection nodes FD1 and FD2 or the voltages charged in the first and second capacitors C1 and C2 are generated by the ambient light even when the second light L2 is not incident. Can be gradually reduced by the photoelectrons. While the second light L2 is incident, the voltages of the first and second detection nodes FD1 and FD2 or the voltages charged in the first and second capacitors C1 and C2 are not limited to ambient light. It is further reduced by the photoelectrons generated by the two lights L2. That is, as shown in FIG. 4, the voltages of the first and second detection nodes FD1 and FD2 are greatly reduced while the second light L2 is incident.
  • a band pass filter may be included on the photodiode.
  • the transmission wavelength band of the band pass filter may include a wavelength band of the second light l2.
  • the second light l2 may be an infrared laser, and the bandpass filter may remove wavelengths other than the wavelength of the infrared laser.
  • the first gate voltage VG1 gradually increases during a duty time. do. Therefore, the closer the time that the second light L2 is incident to the second time T2, that is, the time when the first light L1 is irradiated, the number of optoelectronics that may be transmitted through the first transmission gate TG1 is reduced. do.
  • the photoelectrons may be transferred through the first transfer gate TG1.
  • the number increases.
  • the second gate voltage VG2 gradually decreases during the duty time. Therefore, as the time when the second light L2 is incident is closer to the second time T2, that is, the time when the first light L1 is irradiated, the number of optoelectronics that may be transmitted through the second transmission gate TG2 increases. do.
  • the photoelectrons may be transferred through the second transfer gate TG2. The number decreases.
  • the first transfer gate TG1 may be driven in proportion to the intensity (or intensity) of light incident on the photodiode PD and driven by the first light L1 or at the first gate voltage VG1.
  • the voltage of the first detection node FD1 may be decreased in proportion to the time elapsed from the second time T2.
  • the second transfer gate TG2 is proportional to the intensity (or intensity) of the light incident on the photodiode PD and a second time at which the first light L1 is irradiated or driven at the second gate voltage VG2.
  • the voltage of the second detection node FD2 can be reduced in inverse proportion to the time elapsed from T2.
  • the third time T3 at which the second light L2 is incident between the second time T2 and the fifth time T5. Is closer to the first time T1 than to the fifth time T5. Therefore, the number of optoelectronics transferred through the second transfer gate TG2 is greater than the number of optoelectronics transferred through the first transfer gate TG1.
  • the voltage of the second detection node FD2 decreases more than the voltage of the first detection node FD1.
  • the image sensor driver 140 may turn off the first and second gate voltages TG1 and TG2 so that the first and second gate voltages VG1 and VG2 are turned off. ) Can be controlled.
  • the image sensor driver 140 may supply ground voltages to the first and second gate voltages VG1 and VG2.
  • the image sensor driver 140 activates the first and second selection signals SEL1 and SEL2.
  • the first and second selection signals SEL1 and SEL2 When the first and second selection signals SEL1 and SEL2 are activated, voltages of the first and second detection nodes FD1 and FD2 are transferred by the first and third N-type transistors NT1 and NT3. And are output through the second and fourth N-type transistors NT2 and NT4.
  • the second and fourth N-type transistors NT2 and NT4 may output the first and second output voltages VOUT1 and VOUT2.
  • first and second reset signals RST1 and RST2 for the next distance measurement may be received.
  • the second gate voltage VG2 may rise to a high level state in order to remove photoelectrons accumulated in the photodiode PD by ambient light.
  • the next distance measurement may be performed.
  • the times at which the second light L2 is incident are the ninth time T9 and the tenth time T10. They are closer to the eleventh time T11 at which the duty time ends than the eighth time T8 at which the first light L1 is irradiated.
  • the first detection voltage FD1 decreases more than the second detection voltage FD2.
  • the photodiode PD generates photoelectrons in proportion to the intensity of incident light, for example, the second light L2. That is, the first and second transmission gates TG1 and TG2 reduce the voltages of the first and second detection nodes FD1 and FD2 in proportion to the intensity of the second light L2.
  • the first and second gate voltages VG1 and VG2 are controlled complementarily or differentially. The first gate voltage VG1 rises from a low level to a high level, and the second gate voltage VG2 decreases from a high level to a low level.
  • the first transmission gate TG1 reduces the voltage of the first detection node FD1 in proportion to the time elapsed from the time when the first light L1 is irradiated, and the second transmission gate TG2 is the first light.
  • the voltage of the second detection node FD2 is reduced in inverse proportion to the time elapsed from the time L1 is irradiated.
  • the first output voltage VOUT1 and the second output voltage VOUT2 are used to determine not only the information about the brightness of the second light L2 but also whether the time at which the second light L2 is incident is close to the start point or the end point of the duty time. Contain complementary or differential information about proximity.
  • the time between the time when the first light L1 is irradiated and the time when the second light L2 is incident may be a time of flight (TOF). That is, the first output voltage VOUT1 and the second output voltage VOUT2 further include information about what percentage of the duty time the flight time TOF occupies. Therefore, when the distance is calculated by using the first output voltage VOUT1 and the second output voltage VOUT2 complementarily or differentially, the reliability of the calculated distance is improved.
  • the distance measuring device 100 may include a ratio of the first output voltage VOUT1 to the sum of the first output voltage VOUT1 and the second output voltage VOUT2 and the first output voltage VOUT1 and the second.
  • the distance may be calculated using at least one of the ratio of the second output voltage VOUT2 to the sum of the output voltages VOUT2.
  • FIG. 5 shows examples of the first and second gate voltages VG1 and VG2 corresponding to one duty time DT.
  • the first gate voltage VG1 may gradually increase from the first positive voltage to a second positive voltage higher than the first positive voltage.
  • the first gate voltage VG1 may rise stepwise as shown in the enlarged view ED.
  • the first positive voltage of the first gate voltage VG1 may have a level at which the first transfer gate TG1 is turned on.
  • the second gate voltage VG2 may gradually decrease from the second positive voltage to the first positive voltage lower than the second positive voltage.
  • the second gate voltage VG2 may decrease stepwise.
  • the first positive voltage of the second gate voltage VG2 may have a level of turning on the second transfer gate TG2.
  • the difference ⁇ V between the start level and the end level of the first gate voltage VG1 or the second gate voltage VG2 may be controlled to be less than 100 mV.
  • the duty time DT may be set in proportion to the maximum measurement distance of the distance measuring device 100 (refer to FIG. 1). As the duty time DT increases, the maximum measurement distance may increase. As the duty time DT decreases, the maximum measurement distance may decrease. For example, the duty time DT may be controlled within 10 ⁇ s, and the maximum measurement distance of the distance measuring device 100 may be about 1.5 km.
  • FIG. 6 adjusts the time at which the second light L2 is incident when the duty time is 1 ⁇ s, and the voltages of the first and second detection nodes FD1 and FD2 and the first and second output voltages VOUT1.
  • VOUT2 shows the result of the simulation. 2 and 6, as the time when the second light L2 is incident closer to the second time T2, the voltage of the first detection node FD1 decreases less and the voltage of the second detection node FD2 decreases. The voltage is further reduced. That is, the closer the time that the second light L2 is incident to the second time T2, the higher the first output voltage VOUT1 and the lower the second output voltage VOUT2.
  • the closer the time that the second light L2 is incident to the fifth time T5 the more the voltage of the first detection node FD1 decreases and the less the voltage of the second detection node FD2 decreases. That is, the closer the time that the second light L2 is incident to the second time T2, the lower the first output voltage VOUT1 and the higher the second output voltage VOUT2.
  • FIG. 7 illustrates an example in which a difference between the first output voltage VOUT1 and the second output voltage VOUT2 changes according to the flight time TOF.
  • the horizontal axis indicates the flight time TOF, and the unit is time T.
  • the vertical axis indicates a value obtained by subtracting the second output voltage VOUT2 from the first output voltage VOUT1, and the unit is a voltage V.
  • the first output voltage VOUT1 increases and the second output voltage VOUT2 decreases. Therefore, as the flight time TOF decreases, the value obtained by subtracting the second output voltage VOUT2 from the first output voltage VOUT1 increases. As the flight time TOF increases, the first output voltage VOUT1 decreases and the second output voltage VOUT2 increases. Therefore, as the flight time TOF increases, the value obtained by subtracting the second output voltage VOUT2 from the first output voltage VOUT1 decreases. That is, the value obtained by subtracting the second output voltage VOUT2 from the first output voltage VOUT1 is inversely proportional to the flight time TOF, and is dependent on the value obtained by subtracting the second output voltage VOUT2 from the first output voltage VOUT1.
  • the time of flight (TOF) can be calculated.
  • step S110 the image sensor driver 140 may activate the first and second reset signals RST1 and RST2.
  • the first and second capacitors C1 and C1 connected to the photodiode PD through the first and second transfer gates TG1 and TG2. C2) may be charged to the power supply voltage VDD.
  • the light source driver 120 may output a pulse signal PUL such that the light source 110 irradiates the first light L1.
  • the image sensor driver 140 may drive the first and second gate voltages VG1 and VG2.
  • the image sensor driver 140 reduces the voltage of the first capacitor C1 in proportion to the amount of light incident on the photodiode PD and in proportion to the elapsed time after the first light L1 is irradiated.
  • the first transfer gate TG1 may be controlled through the first gate voltage VG1.
  • the image sensor driver 140 reduces the voltage of the second capacitor C2 in proportion to the amount of light incident on the photodiode PD and inversely proportional to the elapsed time after the first light L1 is irradiated.
  • the second transfer gate TG2 may be controlled through the second gate voltage VG2.
  • the controller 150 may measure the distance using the voltages of the first capacitor C1 and the second capacitor C2.
  • the image sensor driver 140 amplifies the voltage of the first capacitor C1 and the voltage of the first capacitor C2 and outputs the image to the first output voltage VOUT1 and the second output voltage VOUT2.
  • the sensor 130 may be controlled.
  • the controller 150 or the image sensor driver 140 may measure (or calculate) a distance using the first output voltage VOUT1 and the second output voltage VOUT2.

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Abstract

본 발명은 거리 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 거리 측정 장치는 이미지 센서 및 이미지 센서 구동부를 포함한다. 이미지 센서는 포토다이오드, 제1 커패시터 및 제2 커패시터, 그리고 포토다이오드의 출력을 제1 커패시터 및 제2 커패시터로 각각 전달하는 제1 전송 게이트 및 제2 전송 게이트를 포함한다. 이미지 센서 구동부는 제1 전송 게이트 및 제2 전송 게이트를 상보적으로 구동한다.

Description

거리 측정 장치 및 거리 측정 장치의 동작 방법
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 거리 측정 장치 및 거리 측정 장치의 동작 방법에 관한 것이다.
대상과의 거리를 측정하기 위하여, 다양한 형태의 거리 측정 장치가 사용되고 있다. 예를 들어, 거리 측정 장치들 중 일부는 다중 픽셀들로 대상을 촬영하고, 다중 픽셀들에서 보여지는 대상의 각도 차이에 따라 거리를 측정할 수 있다. 거리 측정 장치들 중 다른 일부는 대상을 향해 광을 조사하고, 광이 대상으로부터 반사되어 돌아오는 비행시간(ToF, Time of Flight)을 이용하여 대상까지의 거리를 측정할 수 있다.
거리 측정 장치의 중요한 요소 중 하나는 신뢰도이다. 신뢰도가 높은 거리 측정 장치는 상대적으로 적은 오차로 거리를 측정할 수 있다. 반면 신뢰도가 낮은 거리 측정 장치는 상대적으로 큰 오차로 거리를 측정한다. 실생활에서 또는 산업에서 유용하게 사용되기 위하여, 향상된 신뢰도를 갖는 거리 측정 장치에 대한 연구 및 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 향상된 신뢰도를 갖는 거리 측정 장치 및 거리 측정 장치의 동작 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 거리 측정 장치는 이미지 센서 및 이미지 센서 구동부를 포함한다. 이미지 센서는 포토다이오드, 제1 커패시터 및 제2 커패시터, 그리고 포토다이오드의 출력을 제1 커패시터 및 제2 커패시터로 각각 전달하는 제1 전송 게이트 및 제2 전송 게이트를 포함한다. 이미지 센서 구동부는 제1 전송 게이트 및 제2 전송 게이트를 상보적으로 구동한다.
본 발명의 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 동작 방법은 제1 및 제2 전송 게이트들을 통해 포토다이오드와 각각 연결된 제1 및 제2 커패시터들을 충전하는 단계, 대상을 향해 광을 조사하는 단계, 포토다이오드에 입사되는 광량에 비례하여 그리고 광을 조사한 후 경과한 시간에 비례하여 제1 커패시터의 전압을 감소시키는 단계, 포토다이오드에 입사되는 광량에 비례하여 그리고 광을 조사한 후 경과한 시간에 반비례하여 제2 커패시터의 전압을 감소시키는 단계, 그리고 제1 커패시터의 전압 및 제2 커패시터의 전압을 이용하여 대상과 거리 측정 장치 사이의 거리를 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 포토다이오드에 입사되는 광들은 차동 또는 상보적으로 제어되는 전송 게이트들을 통해 전압들로 측정된다. 거리 값이 상보적 또는 차동적으로 측정되므로, 향상된 신뢰도를 갖는 거리 측정 장치 및 거리 측정 장치의 동작 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 거리 측정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 예를 보여주는 회로도이다.
도 3은 도 2의 제1 및 제2 전송 게이트들 및 포토다이오드의 수직 단면도의 예를 보여준다.
도 4는 도 2 및 도 3의 이미지 센서에 공급되는 전압들 및 이미지 센서에 의해 생성되는 전압들의 예를 보여준다.
도 5는 하나의 듀티 시간에 대응하는 제1 및 제2 게이트 전압들의 예를 보여준다.
도 6은 듀티 시간이 1 μs인 때에 제2 광이 입사되는 시간을 조절하며 제1 및 제2 검출 노드들의 전압들 및 제1 및 제2 출력 전압들을 측정한 시뮬레이션의 결과를 보여준다. 서로 다른 시간에 입사된 광이 만드는 출력이 제 1 및 제 2 출력 전압에서 감소 (A1)또는 증가(A2)하는 서로 반대 방향으로 변함을 보여준다.도 7은 비행시간에 따라 제1 출력 전압과 제2 출력 전압의 차이가 변화하는 예를 보여준다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 거리 측정 장치가 거리 측정을 수행하는 예를 보여주는 흐름도이다.
이하에서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 거리 측정 장치(100)를 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 광원(110), 광원 구동부(120), 이미지 센서(130), 이미지 센서 구동부(140), 그리고 제어부(150)를 포함한다.
광원(110)은 광원 구동부(120)의 제어에 따라 제1 광(L1)을 조사할 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 광원 구동부(120)로부터 수신되는 펄스 신호(PUL)에 응답하여 펄스 형태의 제1 광(L1)을 대상(10)을 향해 조사할 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 펄스 레이저 광원일 수 있다.
광원 구동부(120)는 제어부(150)의 제어에 따라 광원(110)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 광원 구동부(120)는 제어부(150)로부터 거리 측정의 시작을 알리는 명령을 수신하고, 명령이 수신된 때로부터 미리 정해진 시간이 경과한 때에 펄스 신호(PUL)를 광원(110)으로 출력할 수 있다. 다른 예로서, 광원 구동부(120)는 제어부(150)로부터 펄스 신호(PUL)를 출력할 것을 요청하는 명령을 수신하고, 수신된 명령에 따라 펄스 신호(PUL)를 광원(110)으로 출력할 수 있다.
이미지 센서(130)는 이미지 센서 구동부(140)의 제어에 따라 동작할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(130)는 이미지 센서 구동부(140)로부터 수신되는 리셋 신호들(RST)에 응답하여 리셋될 수 있다. 이미지 센서(130)가 리셋되는 것은 이미지 센서(130)에서 이전에 수집된 정보를 버리고 새로운 정보를 수집할 준비를 수행하는 것을 의미할 수 있다. 이미지 센서(130)는 이미지 센서 구동부(140)로부터 수신되는 게이트 전압들(VG)에 응답하여 외부로부터 수신되는 광에 대한 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(130)는 제1 광(L1)이 대상(10)에서 반사된 제2 광(L2)의 강도(intensity)에 대한 정보 또는 그것과 주변광(ambient light)에 대한 정보를 생성할 수 있다. 이미지 센서(130)는 이미지 센서 구동부(140)로부터 수신되는 선택 신호들(SEL)에 응답하여 수집된 정보를 이미지 센서 구동부(140)로 출력할 수 있다. 예를 들어, 수집된 정보는 출력 전압들(VOUT)로 전달될 수 있다.
이미지 센서 구동부(140)는 제어부(150)의 제어에 따라 이미지 센서(130)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서 구동부(140)는 제어부(150)로부터 거리 측정의 시작을 알리는 명령을 수신하고, 명령이 수신된 때로부터 미리 정해진 시간들이 경과한 때에 각각 리셋 신호들(RST), 게이트 전압들(VG) 및 선택 신호들(SEL)을 이미지 센서(130)로 출력할 수 있다. 다른 예로서, 이미지 센서 구동부(140)는 제어부(150)로부터 리셋 신호들(RST), 게이트 전압들(VG) 및 선택 신호들(SEL)을 출력할 것을 요청하는 명령들을 수신하고, 수신된 명령들에 따라 각각 리셋 신호들(RST), 게이트 전압들(VG) 및 선택 신호들(SEL)을 이미지 센서(130)로 출력할 수 있다. 이미지 센서 구동부(140)는 이미지 센서(130)로부터 수신되는 출력 전압들(VOUT)을 제어부(150)로 전달할 수 있다.
제어부(150)는 거리 측정을 수행하도록 광원 구동부(120) 및 이미지 센서 구동부(140)를 제어할 수 있다. 제어부(150)는 이미지 센서 구동부(140)로부터 출력 전압들(VOUT)을 수신하고, 출력 전압들(VOUT)로부터 거리 측정 장치(100) 및 대상(10) 사이의 거리를 계산할 수 있다. 제어부(150)는 계산된 거리를 LCD (Liquid Crystal Display)와 같은 표시 장치를 통해 표시하거나, 유선 또는 무선 인터페이스를 통해 다른 장치로 전달할 수 있다.
도 1에서, 이미지 센서 구동부(140)는 출력 전압들(VOUT)을 제어부(150)로 전달하는 것으로 설명되었다. 그러나 이미지 센서 구동부(140)는 출력 전압들(VOUT)로부터 거리를 계산하고, 계산된 거리를 제어부(150)로 출력하도록 응용될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서(130)의 예를 보여주는 회로도이다. 예시적으로, 이미지 센서(130)의 하나의 픽셀의 예가 도 2에 도시된다. 이미지 센서(130)는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있으며, 이 경우에 각 픽셀은 도 2에 도시된 것과 동일한 구조를 가질 수 있다. 상기 이미지 센서(130)는 통상적인 RGB 픽셀을 더 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이미지 센서(130)는 제1 및 제2 P형 트랜지스터들(PT1, PT2), 제1 내지 제4 N형 트랜지스터들(NT1~NT4), 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2), 제 1 및 제2 전송 게이트들(TG1, TG2), 그리고 포토다이오드(PD)를 포함한다.
포토다이오드(PD)의 음극(cathode)은 제1 및 제2 전송 게이트들(TG1, TG2)의 제1 노드들(예를 들어 소스들)에 공통 연결된다. 포토다이오드(PD)의 양극(anode)은 접지 단자에 연결된다. 제1 및 제2 전송 게이트들(TG1, TG2)의 게이트들에 각각 제1 및 제2 게이트 전압들(VG1, VG2)이 공급된다. 제1 및 제2 게이트 전압들(VG1, VG2)은 이미지 센서 구동부(140)로부터 공급될 수 있다. 제1 및 제2 전송 게이트들(TG1, TG2)의 제2 노드들(예를 들어 드레인들)은 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)에 각각 연결된다.
제1 커패시터(C1)는 제1 검출 노드(FD1)와 접지 단자 사이에 연결된다. 제1 검출 노드(FD1)는 제1 P형 트랜지스터(PT1)의 제2 노드(예를 들어 드레인)에 연결되고, 제1 N형 트랜지스터(NT1)의 게이트에 연결될 수 있다. 제2 커패시터(C2)는 제2 검출 노드(FD2)와 접지 단자 사이에 연결된다. 제2 검출 노드(FD2)는 제2 P형 트랜지스터(PT2)의 제2 노드(예를 들어 드레인)에 연결되고, 제3 N형 트랜지스터(NT3)의 게이트에 연결될 수 있다.
제1 P형 트랜지스터(PT1)의 제1 노드(예를 들어 소스)는 전원 전압(VDD)이 공급되는 전원 노드에 연결된다. 제1 P형 트랜지스터(PT1)의 제2 노드(예를 들어 드레인)는 제1 검출 노드(FD1)에 연결된다. 제1 P형 트랜지스터(PT1)의 게이트에 제1 리셋 신호(RST1)가 공급된다. 제1 리셋 신호(RST1)는 이미지 센서 구동부(140)로부터 공급될 수 있다. 제2 P형 트랜지스터(PT2)의 제1 노드(예를 들어 소스)는 전원 전압(VDD)이 공급되는 전원 노드에 연결된다. 제2 P형 트랜지스터(PT2)의 제2 노드(예를 들어 드레인)는 제2 검출 노드(FD2)에 연결된다. 제2 P형 트랜지스터(PT2)의 게이트에 제2 리셋 신호(RST2)가 공급된다. 제2 리셋 신호(RST2)는 이미지 센서 구동부(140)로부터 공급될 수 있다.
제1 N형 트랜지스터(NT1)의 제1 노드(예를 들어 소스)는 제2 N형 트랜지스터(NT2)의 제1 노드(예를 들어 소스)에 연결된다. 제1 N형 트랜지스터(NT1)의 제2 노드(예를 들어 드레인)는 전원 단자에 연결된다. 제1 N형 트랜지스터(NT1)의 게이트는 제1 검출 노드(FD1)에 연결된다. 제2 N형 트랜지스터(NT2)의 제1 노드(예를 들어 소스)는 제1 N형 트랜지스터(NT1)의 제1 노드(예를 들어 소스)에 연결된다. 제2 N형 트랜지스터(NT2)의 제2 노드(예를 들어 드레인)는 제1 출력 전압(VOUT1)을 출력하는 제1 출력 단자일 수 있다. 제2 N형 트랜지스터(NT2)의 게이트에 제1 선택 신호(SEL1)가 공급된다. 제1 선택 신호(SEL1)는 이미지 센서 구동부(140)로부터 공급될 수 있다.
제3 N형 트랜지스터(NT3)의 제1 노드(예를 들어 소스)는 제4 N형 트랜지스터(NT4)의 제1 노드(예를 들어 소스)에 연결된다. 제3 N형 트랜지스터(NT3)의 제2 노드(예를 들어 드레인)는 전원 단자에 연결된다. 제3 N형 트랜지스터(NT3)의 게이트는 제2 검출 노드(FD2)에 연결된다. 제4 N형 트랜지스터(NT4)의 제1 노드(예를 들어 소스)는 제3 N형 트랜지스터(NT3)의 제1 노드(예를 들어 소스)에 연결된다. 제4 N형 트랜지스터(NT4)의 제2 노드(예를 들어 드레인)는 제2 출력 전압(VOUT2)을 출력하는 제2 출력 단자일 수 있다. 제4 N형 트랜지스터(NT4)의 게이트에 제2 선택 신호(SEL2)가 공급된다. 제2 선택 신호(SEL2)는 이미지 센서 구동부(140)로부터 공급될 수 있다.
예시적으로, 제1 및 제2 P형 트랜지스터들(PT1, PT2)은 PMOSFET들일 수 있다. 제1 내지 제4 N형 트랜지스터들(NT1~NT4)은 NMOSFET들일 수 있다. 제1 및 제2 전송 게이트들(TG1, TG2)은 NMOFET들일 수 있다. 그러나 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(130)의 픽셀은 도 2에 도시된 구조에 한정되지 않는다. 예를 들어, P형 트랜지스터들과 N형 트랜지스터들이 서로 교체되고, 전원 단자와 접지 단자가 서로 교체될 수 있다.
도 3은 도 2의 제1 및 제2 전송 게이트들(TG1, TG2) 및 포토다이오드(PD)의 수직 단면도의 예를 보여준다. 도 2 및 도 3을 참조하면, P형 기판(210) 내에 P형 웰(212)이 형성된다. 예를 들어, P형 웰(212)은 P형 기판(210) 상에 직접 형성되거나 또는 P형 기판(210) 내에 형성되는 N형 웰(미도시) 내에 형성되는 포켓 P웰(pocket p-well)일 수 있다. P형 웰(212)의 도핑 농도는 P형 기판(210)의 도핑 농도보다 높을 수 있다.
P형 웰(212) 내에 제1 내지 제3 N형 영역들(213, 215, 217)이 형성된다. 제1 및 제2 N형 영역들(213, 215) 사이의 공간에서 P형 웰(212)의 위에 제1 게이트(214)가 형성된다. 제2 및 제3 N형 영역들(215, 217) 사이의 공간에서 P형 웰(212)의 위에 제2 게이트(215)가 형성된다. 제1 N형 영역(213), 제2 N형 영역(215), 그리고 제1 게이트(214)는 제1 전송 게이트(TG1)를 형성할 수 있다. 제2 N형 영역(215), 제3 N형 영역(217), 그리고 제2 게이트(216)는 제2 전송 게이트(TG2)를 형성할 수 있다. 제2 N형 영역(215) 및 P형 웰(212)은 포토다이오드(PD)를 형성할 수 있다.
제2 N형 영역(215)에 제2 광(L2)이 입사되면, 광전자가 형성된다. 제1 게이트 전압(VG1)에 의해 제1 전송 게이트(TG1)가 턴-온 되면, 광전자는 제1 전송 게이트(TG1)를 통해 제1 검출 노드(FD1)로 흐를 수 있다. 제2 게이트 전압(VG2)에 의해 제2 전송 게이트(TG2)가 턴-온 되면, 광전자는 제2 전송 게이트(TG2)를 통해 제2 검출 노드(FD2)로 흐를 수 있다. 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)의 전압 변화를 측정함으로써, 제2 N형 영역(215)에 입사되는 제2 광(L2)의 강도가 측정될 수 있다.
도 4는 도 2 및 도 3의 이미지 센서(130)에 공급되는 전압들 및 이미지 센서(130)에 의해 생성되는 전압들의 예를 보여준다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 거리 측정 장치(100)가 거리 측정을 실시하고자 할 때에, 이미지 센서 구동부(140)는 우선 제1 시간(T1)에 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화(예를 들어 로직 로우)한 후에 비활성화(예를 들어 로직 하이)할 수 있다. 리셋 신호들(RST1, RST2)이 활성화된 동안에, 제1 및 제2 P형 트랜지스터들(PT1, PT2)이 턴-온 된다. 제1 및 제2 P형 트랜지스터들(PT1, PT2)이 턴-온 되면, 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)의 전압들이 전원 전압(VDD)으로 충전된다. 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)에 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2)이 각각 연결되어 있으므로, 제1 및 제2 P형 트랜지스터들(PT1, PT2)이 턴-오프 되어도 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)의 전압들은 전원 전압(VDD)을 유지할 수 있다. 예시적으로, 리셋 신호들(RST1, RST2)이 활성화된 동안에, 제1 및 제2 출력 전압들(VOUT1, VOUT2)은 초기값, 예를 들어 접지 전압으로 리셋될 수 있다. 상기 리셋 신호들(RST1, RST2)이 활성화되는 동안, 제2 게이트 전압(VG2)은 고레벨 상태에 있고, 상기 제1 게이트 전압(VG2)는 저레벨 상태에 있을 수 있다. 이에 따라, 상기 포토다이오드(PD)에 입사하는 배경광에 의한 광전자는 상기 제2 전송 게이트(TG2)에 의하여 제2 검출 노드들(FD2)에 전달될 수 있다. 상기 리셋 신호들(RST1, RST2)의 펄스폭은 상기 제1 시간(T1)에서 시작하여 최대 상기 제2 시간(T2) 까지 지속될 수 있다.
이미지 센서(130)가 리셋된 후에, 즉 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2)이 전원 전압(VDD)으로 충전된 후에 제2 시간(T2)에, 광원 구동부(120)는 펄스 신호(PUL)를 출력한다. 펄스 신호(PUL)에 응답하여 광원(110)은 펄스 형태의 제1 광(L1)(예를 들어 레이저)을 대상(10)을 향해 조사할 수 있다.
광원(110)이 제1 광(L1)을 조사하는 것에 동기되어 제2 시간(T2)에, 제1 게이트 전압(VG1) 및 제2 게이트 전압(VG2)이 상보적으로 또는 차동적으로 제어(또는 구동)된다. 예를 들어, 이미지 센서 구동부(140)는 미리 정해진 듀티 시간(duty time), 예를 들어 제2 시간(T2) 및 제5 시간(T5) 사이의 시간 동안에 제1 게이트 전압(VG1)을 저레벨로부터 고레벨로 점차 증가시킬 수 있다. 또한, 이미지 센서 구동부(140)는 미리 정해진 듀티 시간(duty time), 예를 들어 제2 시간(T2) 및 제5 시간(T5) 사이의 시간 동안에 제2 게이트 전압(VG2)을 고레벨로부터 저레벨로 점차 감소시킬 수 있다.
제1 게이트 전압(VG1) 및 제2 게이트 전압(VG2)이 상보적 또는 차동적으로 구동되는 동안에, 포토다이오드(PD)에 입사되는 광량이 제1 및 제2 검출 노드들(PD1, PD2)로 전달된다. 예를 들어, 제3 시간(T3) 및 제4 시간(T4) 사이에 제2 광(L2)이 포토다이오드(PD)에 입사될 수 있다. 제2 광(L2)이 입사되지 않으면, 포토다이오드(PD)는 주변광에 의한 광전자들만을 발생한다. 제2 광(L2)이 입사되면, 포토다이오드(PD)는 주변광 및 제2 광(L2)에 의한 광전자들을 발생한다. 따라서, 제2 광(L2)이 입사되는 동안에 포토다이오드(PD)에서 발생하는 광전자들의 수는 제2 광(L2)이 입사되지 않는 때에 포토다이오드(PD)에서 발생하는 광전자들의 수보다 많다. 상보적 또는 차동적으로 구동되는 동안에, 상기 제1 전송 게이트(TG1) 및 상기 제2 전송 게이트(TG2)는 전압 제어 저항(voltage control resistor)로 동작할 수 있다. 상보적 또는 차동적으로 구동되는 동안에, 상기 제1 전송 게이트(TG1) 및 상기 제2 전송 게이트(TG2)는 문턱전압이하 (sub-threshold)에서 동작할 수 있다.
구체적으로, 제1 및 제2 게이트 전압(VG1, VG2)은 상기 제1 전송게이트(TG1) 및 상기 제2 전송게이트(TG2)의 문턱전압(threshold voltage) 보다 낮은 전압영역에서 높은 레벨과 낮은 레벨의 차이를 문턱전압 이내로 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전송게이트(TG1) 및 상기 제2 전송게이트(TG2)의 문턱전압(threshold voltage)이 0.5 V인 경우, 상기 제1 게이트 전압(VG1)은 제2 시간에서 제4 구간 사이에서 0.1V에서 0.4 V까지 스윕(sweep)할 수 있다.
제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)의 전압들 또는 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2)에 충전된 전압들은 제2 광(L2)이 입사되지 않는 때에도 주변광에 의해 발생하는 광전자들에 의해 점차 감소할 수 있다. 제2 광(L2)이 입사되는 동안, 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)의 전압들 또는 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2)에 충전된 전압들은 주변광 뿐 아니라 제2 광(L2)에 의해 발생하는 광전자들에 의해 더 많이 감소한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 광(L2)이 입사되는 동안 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)의 전압들이 크게 감소한다.
상기 주변광에 의한 노이즈를 최소화하기 위하여, 상기 포토다이오 상에 밴드패스 필터를 포함할 수 있다. 상기 밴드패스 필터의 투과 파장 대역은 제2 광(l2)의 파장 대역을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 광(l2)은 적외선 레이저이고, 상기 밴드패스 필터는 상기 적외선 레이저의 파장을 제외한 다른 영역의 파장을 제거할 수 있다.제1 게이트 전압(VG1)은 듀티 시간 동안에 점차 증가한다. 따라서 제2 광(L2)이 입사되는 시간이 제2 시간(T2), 즉 제1 광(L1)이 조사되는 시간과 가까울수록 제1 전송 게이트(TG1)를 통해 전달될 수 있는 광전자들의 수가 감소한다. 제2 광(L2)이 입사되는 시간이 제5 시간(T5), 즉 제1 게이트 전압(VG1)의 구동이 종료되는 시간과 가까울수록 제1 전송 게이트(TG1)를 통해 전달될 수 있는 광전자들의 수가 증가한다. 마찬가지로, 제2 게이트 전압(VG2)은 듀티 시간 동안에 점차 감소한다. 따라서 제2 광(L2)이 입사되는 시간이 제2 시간(T2), 즉 제1 광(L1)이 조사되는 시간과 가까울수록 제2 전송 게이트(TG2)를 통해 전달될 수 있는 광전자들의 수가 증가한다. 제2 광(L2)이 입사되는 시간이 제5 시간(T5), 즉 제2 게이트 전압(VG2)의 구동이 종료되는 시간과 가까울수록 제2 전송 게이트(TG2)를 통해 전달될 수 있는 광전자들의 수가 감소한다.
즉, 제1 전송 게이트(TG1)는 포토다이오드(PD)에 입사되는 광의 강도(또는 세기)에 비례하여, 그리고 제1 광(L1)이 조사되는 또는 제1 게이트 전압(VG1)에 구동되는 제2 시간(T2)으로부터 경과한 시간에 비례하여 제1 검출 노드(FD1)의 전압을 감소시킬 수 있다. 제2 전송 게이트(TG2)는 포토다이오드(PD)에 입사되는 광의 강도(또는 세기)에 비례하여, 그리고 제1 광(L1)이 조사되는 또는 제2 게이트 전압(VG2)에 구동되는 제2 시간(T2)으로부터 경과한 시간에 반비례하여 제2 검출 노드(FD2)의 전압을 감소시킬 수 있다.
제2 광(L2)이 입사되는 제1 노출 구간(EI1)을 참조하면, 제2 시간(T2) 및 제5 시간(T5) 사이에서, 제2 광(L2)이 입사되는 제3 시간(T3)은 제5 시간(T5)보다 제1 시간(T1)에 더 가깝다. 따라서, 제2 전송 게이트(TG2)를 통해 전달되는 광전자들의 수가 제1 전송 게이트(TG1)를 통해 전달되는 광전자들의 수보다 많다. 제2 검출 노드(FD2)의 전압이 제1 검출 노드(FD1)의 전압보다 더 많이 감소한다.
듀티 시간이 종료되는 제5 시간(T5)에, 이미지 센서 구동부(140)는 제1 및 제2 전송 게이트들(TG1, TG2)이 턴-오프 되도록 제1 및 제2 게이트 전압들(VG1, VG2)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서 구동부(140)는 제1 및 제2 게이트 전압들(VG1, VG2)로 접지 전압을 공급할 수 있다.
제6 시간(T6)에, 이미지 센서 구동부(140)는 제1 및 제2 선택 신호들(SEL1, SEL2)을 활성화한다. 제1 및 제2 선택 신호들(SEL1, SEL2)이 활성화되면, 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)의 전압들이 제1 및 제3 N형 트랜지스터들(NT1, NT3)에 의해 전달되고, 제2 및 제4 N형 트랜지스터들(NT2, NT4)을 통해 출력된다. 예를 들어, 제2 및 제4 N형 트랜지스터들(NT2, NT4)은 제1 및 제2 출력 전압들(VOUT1, VOUT2)을 출력할 수 있다.
제7 시간(T7)에 다음 거리 측정을 위한 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)이 수신될 수 있다. 제7 시간(T7)에 다음 거리 측정을 위하여, 주변광에 의하여 상기 포토다이오드(PD)에 축적된 광전자를 제거하기 위해, 제2 게이트 전압(VG2)는 고레벨 상태로 상승할 수 있다.
이후에, 제8 시간(T8) 내지 제12 시간(T12) 동안에, 다음 거리 측정이 실시될 수 있다. 다음 거리 측정 동안에, 제2 광(L2)이 입사되는 제2 노출 구간(EI2)을 참조하면, 제2 광(L2)이 입사되는 시간은 제9 시간(T9) 및 제10 시간(T10)이며, 이들은 제1 광(L1)이 조사되는 제8 시간(T8) 보다는 듀티 시간이 종료되는 제11 시간(T11)에 더 가깝다. 따라서, 제1 검출 전압(FD1)이 제2 검출 전압(FD2)보다 더 많이 감소한다.
상술된 바와 같이, 포토다이오드(PD)는 입사되는 광, 예를 들어 제2 광(L2)의 강도에 비례하여 광전자들을 발생한다. 즉, 제1 및 제2 전송 게이트들(TG1,TG2)은 제2 광(L2)의 강도에 비례하여 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)의 전압들을 감소시킨다. 제1 및 제2 게이트 전압들(VG1, VG2)은 상보적 또는 차동적으로 제어된다. 제1 게이트 전압(VG1)은 저레벨로부터 고레벨로 상승하며, 제2 게이트 전압(VG2)은 고레벨로부터 저레벨로 감소한다. 따라서 제1 전송 게이트(TG1)는 제1 광(L1)이 조사되는 시간으로부터 경과한 시간에 비례하여 제1 검출 노드(FD1)의 전압을 감소시키고, 제2 전송 게이트(TG2)는 제1 광(L1)이 조사되는 시간으로부터 경과한 시간에 반비례하여 제2 검출 노드(FD2)의 전압을 감소시킨다.
제1 출력 전압(VOUT1) 및 제2 출력 전압(VOUT2)은 제2 광(L2)의 광도에 대한 정보뿐 아니라 제2 광(L2)이 입사된 시간이 듀티 시간의 시작점에 가까운지 또는 종료점에 가까운지에 대한 정보를 상보적 또는 차동적으로 내포한다. 제1 광(L1)이 조사된 시간과 제2 광(L2)이 입사되는 시간 사이의 시간은 비행시간(TOF, Time of Flight)일 수 있다. 즉, 제1 출력 전압(VOUT1) 및 제2 출력 전압(VOUT2)은 비행시간(TOF)이 듀티 시간의 몇 퍼센트를 차지하는지에 대한 정보를 더 포함한다. 따라서, 제1 출력 전압(VOUT1) 및 제2 출력 전압(VOUT2)을 상보적 또는 차동적으로 이용하여 거리가 계산되면, 계산된 거리의 신뢰도가 향상된다.
예를 들어, 거리 측정 장치(100)는 제1 출력 전압(VOUT1) 및 제2 출력 전압(VOUT2)의 합에 대한 제1 출력 전압(VOUT1)의 비율 그리고 제1 출력 전압(VOUT1) 및 제2 출력 전압(VOUT2)의 합에 대한 제2 출력 전압(VOUT2)의 비율 중 적어도 하나를 이용하여 거리를 계산할 수 있다.
도 5는 하나의 듀티 시간(DT)에 대응하는 제1 및 제2 게이트 전압들(VG1, VG2)의 예를 보여준다. 도 5를 참조하면, 듀티 시간(DT) 동안에 제1 게이트 전압(VG1)은 제1 양전압으로부터 제1 양전압보다 높은 제2 양전압으로 점차 상승할 수 있다. 예를 들어, 제1 게이트 전압(VG1)은 확대도(ED)에 표시된 바와 같이 계단형으로 상승할 수 있다. 제1 게이트 전압(VG1)의 제1 양전압은 제1 전송 게이트(TG1)를 턴-온하는 레벨을 가질 수 있다.
듀티 시간(DT) 동안에 제2 게이트 전압(VG2)은 제2 양전압으로부터 제2 양전압보다 낮은 제1 양전압으로 점차 하강할 수 있다. 예를 들어, 제2 게이트 전압(VG2)은 계단형으로 감소할 수 있다. 제2 게이트 전압(VG2)의 제1 양전압은 제2 전송 게이트(TG2)를 턴-온하는 레벨을 가질 수 있다.
예시적으로, 제1 게이트 전압(VG1) 또는 제2 게이트 전압(VG2)의 시작 레벨 및 종료 레벨 사이의 차이(△V)는 100mV 미만으로 제어될 수 있다.
예시적으로, 듀티 시간(DT)은 거리 측정 장치(100, 도 1 참조)의 최대 측정 거리에 비례하여 설정될 수 있다. 듀티 시간(DT)이 증가할수록 최대 측정 거리가 증가하고, 듀티 시간(DT)이 감소할수록 최대 측정 거리가 감소할 수 있다. 예를 들어, 듀티 시간(DT)은 10 μs 이내로 제어되고, 거리 측정 장치(100)의 최대 측정 거리는 약 1.5km일 수 있다.
도 6은 듀티 시간이 1 μs인 때에 제2 광(L2)이 입사되는 시간을 조절하며 제1 및 제2 검출 노드들(FD1, FD2)의 전압들 및 제1 및 제2 출력 전압들(VOUT1, VOUT2)을 측정한 시뮬레이션의 결과를 보여준다. 도 2 및 도 6을 참조하면, 제2 광(L2)이 입사되는 시간이 제2 시간(T2)에 가까울수록 제1 검출 노드(FD1)의 전압은 덜 감소하고 제2 검출 노드(FD2)의 전압은 더 감소한다. 즉, 제2 광(L2)이 입사되는 시간이 제2 시간(T2)에 가까울수록 제1 출력 전압(VOUT1)은 더 높아지고 제2 출력 전압(VOUT2)은 더 낮아진다.
마찬가지로, 제2 광(L2)이 입사되는 시간이 제5 시간(T5)에 가까울수록 제1 검출 노드(FD1)의 전압은 더 감소하고 제2 검출 노드(FD2)의 전압은 덜 감소한다. 즉, 제2 광(L2)이 입사되는 시간이 제2 시간(T2)에 가까울수록 제1 출력 전압(VOUT1)은 더 낮아지고 제2 출력 전압(VOUT2)은 더 높아진다.
도 7은 비행시간(TOF)에 따라 제1 출력 전압(VOUT1)과 제2 출력 전압(VOUT2)의 차이가 변화하는 예를 보여준다. 도 7에서 가로축은 비행시간(TOF)을 가리키며, 단위는 시간(T)이다. 세로축은 제1 출력 전압(VOUT1)으로부터 제2 출력 전압(VOUT2)을 감한 값을 가리키며, 단위는 전압(V)이다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 비행시간(TOF)이 감소할수록 제1 출력 전압(VOUT1)이 증가하고 제2 출력 전압(VOUT2)이 감소한다. 따라서, 비행시간(TOF)이 감소할수록 제1 출력 전압(VOUT1)으로부터 제2 출력 전압(VOUT2)을 감한 값은 증가한다. 비행시간(TOF)이 증가할수록 제1 출력 전압(VOUT1)은 감소하고 제2 출력 전압(VOUT2)은 증가한다. 따라서, 비행시간(TOF)이 증가할수록 제1 출력 전압(VOUT1)으로부터 제2 출력 전압(VOUT2)을 감한 값은 감소한다. 즉, 제1 출력 전압(VOUT1)으로부터 제2 출력 전압(VOUT2)을 감한 값은 비행시간(TOF)이 반비례하며, 제1 출력 전압(VOUT1)으로부터 제2 출력 전압(VOUT2)을 감한 값에 따라 비행시간(TOF)이 계산될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 거리 측정 장치(100)가 거리 측정을 수행하는 예를 보여주는 흐름도이다. 도 1, 도 2 및 도 8을 참조하면, S110 단계에서, 이미지 센서 구동부(140)는 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화할 수 있다. 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)이 활성화됨에 따라, 제1 및 제2 전송 게이트들(TG1, TG2)을 통해 포토다이오드(PD)에 연결된 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2)이 전원 전압(VDD)으로 충전될 수 있다.
S120 단계에서, 광원 구동부(120)는 광원(110)이 제1 광(L1)을 조사하도록 펄스 신호(PUL)를 출력할 수 있다. 펄스 신호(PUL)를 출력하는 것에 동기되어, 이미지 센서 구동부(140)는 제1 및 제2 게이트 전압들(VG1, VG2)을 구동할 수 있다.
S130 단계에서, 이미지 센서 구동부(140)는 포토다이오드(PD)에 입사되는 광량이 비례하여, 그리고 제1 광(L1)이 조사된 후 경과 시간에 비례하여 제1 커패시터(C1)의 전압을 감소시키도록 제1 게이트 전압(VG1)을 통해 제1 전송 게이트(TG1)를 제어할 수 있다.
S140 단계에서, 이미지 센서 구동부(140)는 포토다이오드(PD)에 입사되는 광량이 비례하여, 그리고 제1 광(L1)이 조사된 후 경과 시간에 반비례하여 제2 커패시터(C2)의 전압을 감소시키도록 제2 게이트 전압(VG2)을 통해 제2 전송 게이트(TG2)를 제어할 수 있다.
S150 단계에서, 제어부(150)는 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)의 전압들을 이용하여 거리를 측정할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서 구동부(140)는 제1 커패시터(C1)의 전압 및 제1 커패시터(C2)의 전압을 증폭하여 제1 출력 전압(VOUT1) 및 제2 출력 전압(VOUT2)으로 출력하도록 이미지 센서(130)를 제어할 수 있다. 제어부(150) 또는 이미지 센서 구동부(140)는 제1 출력 전압(VOUT1) 및 제2 출력 전압(VOUT2)을 이용하여 거리를 측정(또는 계산)할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위와 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (21)

  1. 포토다이오드, 제1 커패시터 및 제2 커패시터, 그리고 상기 포토다이오드의 출력을 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터로 각각 전달하는 제1 전송 게이트 및 제2 전송 게이트를 포함하는 이미지 센서; 그리고
    상기 제1 전송 게이트 및 상기 제2 전송 게이트를 상보적으로 구동하는 이미지 센서 구동부를 포함하는 거리 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전송 게이트 및 상기 제2 전송 게이트는 전압 제어 저항(voltage control resistor)로 동작하는 거리 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 구동부는 상기 제1 전송 게이트에 낮은 레벨로부터 높은 레벨로 증가하는 제1 게이트 전압을 인가하고, 그리고 상기 제2 전송 게이트에 상기 높은 레벨로부터 상기 낮은 레벨로 감소하는 제2 게이트 전압을 인가하는 거리 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    광원을 더 포함하고,
    상기 이미지 센서 구동부는 상기 광원이 광을 조사하는 것에 동기되어 상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압을 구동하는 거리 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광원은 펄스 광을 출력하는 거리 측정 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 이미지 센서 구동부는 상기 제1 전송게이트 및 상기 제2 전송게이트의 문턱전압(threshold voltage) 보다 낮은 전압영역에서 상기 높은 레벨과 상기 낮은 레벨의 차이를 문턱전압 이내로 제어하는 거리 측정 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 이미지 센서 구동부는 상기 제1 게이트 전압이 증가하는 시간 구간 및 상기 제2 게이트 전압이 감소하는 시간 구간 각각을 측정하려는 전체 거리 영역과 연계하여 제어하는 거리 측정 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압이 구동되기 전에, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터에 각각 전원 전압을 충전하는 제1 리셋 트랜지스터 및 제2 리셋 트랜지스터를 더 포함하는 거리 측정 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전송 게이트는 상기 포토다이오드에 입사되는 광량에 비례하여 그리고 상기 제1 게이트 전압이 구동된 후 경과한 시간에 비례하여 상기 제1 커패시터의 전압을 감소시키는 거리 측정 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제2 전송 게이트는 상기 포토다이오드에 입사되는 광량에 비례하여 그리고 상기 제2 게이트 전압이 구동된 후 경과한 시간에 반비례하여 상기 제2 커패시터의 전압을 감소시키는 거리 측정 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    상기 제1 커패시터의 전압을 전달하는 제1 트랜지스터; 그리고
    상기 제2 커패시터의 전압을 전달하는 제2 트랜지스터를 더 포함하는 거리 측정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    제1 선택 신호에 응답하여 상기 제1 트랜지스터의 출력을 상기 이미지 센서 구동부로 전달하는 제1 선택 트랜지스터; 그리고
    제2 선택 신호에 응답하여 상기 제2 트랜지스터의 출력을 상기 이미지 센서 구동부로 전달하는 제2 선택 트랜지스터를 더 포함하는 거리 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 이미지 센서 구동부는 상기 제1 게이트 전압이 상기 높은 레벨로 구동된 후에 그리고 상기 제2 게이트 전압이 상기 낮은 레벨로 구동된 후에 상기 제1 선택 신호 및 상기 제2 선택 신호를 활성화하는 거리 측정 장치.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 제1 커패시터를 이용하여 획득되는 제1 전압 및 상기 제2 커패시터를 이용하여 획득되는 제2 전압을 이용하여 상기 포토다이오드에 입사된 광에 대응하는 물체와의 거리를 계산하는 제어부를 더 포함하는 거리 측정 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 합에 대한 상기 제1 전압의 비율 그리고 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 합에 대한 상기 제2 전압의 비율 중 적어도 하나를 이용하여 상기 거리를 계산하는 거리 측정 장치.
  16. 거리 측정 장치의 동작 방법에 있어서:
    제1 및 제2 전송 게이트들을 통해 포토다이오드와 각각 연결된 제1 및 제2 커패시터들을 충전하는 단계;
    대상을 향해 광을 조사하는 단계;
    상기 포토다이오드에 입사되는 광량에 비례하여 그리고 상기 광을 조사한 후 경과한 시간에 비례하여 상기 제1 커패시터의 전압을 감소시키는 단계;
    상기 포토다이오드에 입사되는 광량에 비례하여 그리고 상기 광을 조사한 후 경과한 시간에 반비례하여 상기 제2 커패시터의 전압을 감소시키는 단계; 그리고
    상기 제1 커패시터의 전압 및 상기 제2 커패시터의 전압을 이용하여 상기 대상과 상기 거리 측정 장치 사이의 거리를 측정하는 단계를 포함하는 동작 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 커패시터의 전압을 감소시키는 단계는, 미리 정해진 듀티 시간 동안에 상기 제1 전송 게이트의 게이트 전압을 제1 레벨로부터 제2 레벨로 점차 상승시키는 단계를 포함하는 동작 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제2 커패시터의 전압을 감소시키는 단계는, 미리 정해진 듀티 시간 동안에 상기 제2 전송 게이트의 게이트 전압을 제2 레벨로부터 제1 레벨로 점차 감소시키는 단계를 포함하는 동작 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 듀티 시간은 상기 거리 측정 장치의 최대 측정 거리에 비례하여 결정되는 동작 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 대상과 상기 거리 측정 장치 사이의 거리를 측정하는 단계는 상기 듀티 시간 이후에 수행되는 동작 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 제1 커패시터의 전압을 감소시키는 단계 및 상기 제2 커패시터의 전압을 감소시키는 단계는 상기 광을 조사하는 단계와 동기되어 시작되는 동작 방법.
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