KR20210084752A - 광원 및 ToF 센서를 포함하는 전자 장치 및 라이다 시스템 - Google Patents

광원 및 ToF 센서를 포함하는 전자 장치 및 라이다 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치는 픽셀 어레이를 포함하는 ToF(time of flight) 센서; 광 신호들을 방출하는 광원; 및 각각이 픽셀 어레이의 픽셀들을 포함하는 복수의 픽셀 블록들에 대응하는 객체의 영역들로 광 신호들을 조사하는 광학 장치를 포함하되, 픽셀들 각각은: 각각이 포토 트랜지스터, 포토 트랜지스터에 연결된 제 1 전송 트랜지스터, 제 1 전송 트랜지스터에 연결된 스토리지 소자, 스토리지 소자에 연결된 제 2 전송 트랜지스터, 제 2 전송 트랜지스터에 연결된 플로팅 확산 영역, 플로팅 확산 영역을 리셋시키는 리셋 트랜지스터, 및 플로팅 확산 영역에 연결된 독출 회로를 포함하는 복수의 탭들; 및 포토 트랜지스터와 인접하게 배치되고 전원 전압에 연결된 오버플로우 트랜지스터를 포함한다.

Description

광원 및 ToF 센서를 포함하는 전자 장치 및 라이다 시스템{ELECTRONIC DEVICE INCLUDING LIGHT SOURCE AND ToF SENSOR, AND LIDAR SYSTEM}
본 발명은 광원 및 ToF 센서를 포함하는 전자 장치 및 라이다 시스템에 관한 것이다.
최근 라이다(LADAR; light detection and ranging) 시스템은 자율주행, 보안, 센서, 감시 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다. 라이다 시스템이 구현된 전자 장치는 광원 및 ToF(time of flight) 센서를 포함할 수 있다. 광원은 광 신호를 객체로 방출할 수 있고 객체로부터 광 신호가 반사될 수 있다. ToF 센서는 광 신호가 객체로 방출되고 객체로부터 반사된 광 신호의 도달 시간을 측정함으로써 깊이 센서와 객체 간의 거리를 계산할 수 있다. 광원 및 ToF 센서를 모두 포함하는 전자 장치의 제한된 전력으로 인해 라이다 시스템이 감지할 수 있는 거리가 제한될 수 있다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 광원 및 ToF 센서를 포함하는 전자 장치 및 라이다 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치는 픽셀 어레이를 포함하는 ToF(time of flight) 센서; 광 신호들을 방출하는 광원; 및 각각이 픽셀 어레이의 픽셀들을 포함하는 복수의 픽셀 블록들에 대응하는 객체의 영역들로 광 신호들을 조사하는 광학 장치를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치는 광원 및 광학 장치에 의한 객체에 대한 스캐닝 동작 그리고 스캐닝 방향에 기초한 ToF 센서의 복조 동작을 통해 제한된 전력으로 상대적으로 먼 거리에 있는 객체를 감지할 수 있고 픽셀들의 위치에 따른 쉐이딩 현상을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 시스템을 예시적으로 도시한다. 도 2a 내지 도 2c는 도 1의 전자 장치의 광원과 광학 장치의 예시들을 도시한다. 도 3a 및 도 3b는 도 1의 픽셀의 회로도들을 예시적으로 도시한다. 도 4a 및 도 4b는 도 1의 ToF 센서의 블록도들을 예시적으로 도시한다. 도 4c 및 도 4d는 도 1의 ToF 센서의 블록도들을 예시적으로 도시한다. 도 5a 및 도 5b는 광 신호들과 도 3a의 픽셀로 인가되는 제어 신호들의 타이밍도를 예시적으로 도시한다. 도 6a 및 도 6b는 광 신호들과 도 3b의 픽셀로 인가되는 제어 신호들의 타이밍도를 예시적으로 도시한다. 도 7a 내지 도 7i는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 열 방향의 1차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 8a 내지 도 8c는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향의 1차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 9a 내지 도 9f는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향과 열 방향의 2차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 10a 내지 도 10f는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향과 열 방향의 2차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 11a 내지 도 11f는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향과 열 방향의 2차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 12a 내지 도 12f는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향과 열 방향의 2차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 패키지 모듈의 단면도를 예시적으로 도시한다. 도 14는 도 1의 전자 장치의 적용 예시를 예시적으로 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 시스템을 예시적으로 도시한다. 라이다(LIDAR; light detection and ranging) 시스템(10)은 객체(object; 11, 혹은 객체, 대상, 피사체 등으로 지칭될 수 있음) 및 전자 장치(100)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 라이다 시스템(10)은 전자 장치(100)에서 구현될 수 있고 전자 장치(100)는 라이다 장치로도 지칭될 수 있다. 전자 장치(100)는 ToF(time of flight) 기술에 기초하여 광 신호(EL)를 객체(11)로 방출하고, 객체(11)로부터 반사되는 광 신호(RL)를 감지하고, 그리고 전자 장치(100)와 객체(11) 간의 거리를 감지할 수 있다. 전자 장치(100)는 광원(110), 광학 장치(optics; 120), 렌즈부(130), ToF 센서(140), 및 컨트롤러(150)를 포함할 수 있다.
광원(110)은 광 신호(EL)를 방출할 수 있다. 광원(110)은 컨트롤러(150)의 제어에 따라 광 신호(EL)를 방출하거나(온) 방출하지 않을 수(오프) 있다. 예를 들어, 광 신호(EL)는 구형파(펄스)의 형태 또는 정현파의 형태를 가질 수 있다. 광 신호(EL)는 사용자에게 감지되지 않은 대역의 신호일 수 있으며, 레이저, 레이저 펄스, 적외선(infrared), 마이크로파(microwave), 광파(light wave), 초음파(ultrasonic wave) 등일 수 있으나, 상술한 예시들로 한정되지 않는다. 예를 들어, 광원(110)은 레이저 광원이거나, 또는 LED(light emitting diode), LD(laser diode), OLED(organic led), 측면 발광 레이저(edge emitter laser), VCSEL(vertical cavity surface emitting laser), 분포 궤환형 레이저(distributed feedback laser) 등을 포함할 수 있다. 광학 장치(120)는 컨트롤러(150)의 제어에 따라 광 신호(EL)의 조사(projection) 방향을 제어하거나 조정할 수 있다. 예를 들어, 광학 장치(120)는 객체(11)에 대한 1차원 혹은 2차원 스캐닝(scanning) 기능을 지원할 수 있다. 광원(110)으로부터 방출된 광 신호(EL)는 광학 장치(120)를 투과하여 객체(11)로 방출되거나 또는 광학 장치(120)에 의해 반사되어 객체(11)로 방출될 수 있다. 렌즈부(130)는 객체(11)로부터 반사된 광 신호(RL)를 모을 수 있다. 광 신호(RL)는 렌즈부(130)로 입사될 수 있고 렌즈부(130)를 통해 ToF 센서(140)의 픽셀들(PX)로 제공될 수 있다. 예를 들어, 렌즈부(130)는 단일 렌즈로 도시되었으나, 복수의 렌즈들을 포함하는 광학계일 수 있다. ToF 센서(140는 ToF 센서 칩, 이미지 센서 (칩), 깊이 센서 (칩) 등으로도 지칭될 수 있다. ToF 센서(140)는 픽셀들(PX)을 포함하는 픽셀 어레이(141)를 포함할 수 있다. 픽셀(PX)은 ToF 픽셀로도 지칭될 수 있고 객체(11)로부터 반사되는 광 신호(RL)를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 전자 장치(100)와 객체(11) 사이의 거리로 인하여, 픽셀 어레이(141)로 입사된 광 신호(RL)는 광 신호(EL)보다 지연될 수 있다. 예를 들어, 광 신호들(EL, RL) 간에는 시차 또는 위상 차이가 존재할 수 있고 픽셀(PX)에 의해 변환된 전기적 신호는 시차 또는 위상 차이를 나타낼 수 있다. 컨트롤러(150)는 광원(110), 광학 장치(120), 및 ToF 센서(140)를 제어할 수 있다. 컨트롤러(150)는 광원(110), 광학 장치(120), 및 ToF 센서(140)를 서로 동기시킬 수 있고 동일한 클럭 신호에 기초하여 광원(110), 광학 장치(120), 및 ToF 센서(140)를 제어하기 위한 제어 신호들을 광원(110), 광학 장치(120), 및 ToF 센서(140)로 전송할 수 있다. 컨트롤러(150)는 클럭 신호를 생성하는 클럭 발생기를 포함할 수 있다. 도 1의 도시와 같이, 컨트롤러(150)는 전자 장치(100) 내에서 ToF 센서(140)와 별개로 배치되거나 구현될 수 있다. 도 1의 도시와 달리, 컨트롤러(150)는 ToF 센서(140)에 포함되거나 내장될 수 있다. 컨트롤러(150)는 전자 장치(100)에 포함되지 않고 전자 장치(100)와 통신할 수도 있다. 전자 장치(100)의 구성 요소들(110~150)은 별개로 구현되거나 적어도 일부가 통합되어 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 컨트롤러(150)는 광원(110) 및 광학 장치(120)를 제어하여 광 신호(EL)를 변조(modulate)하거나 광 신호(EL)의 주파수, 위상, 세기, 온/오프, 조사 방향 등을 제어할 수 있다. 예를 들어, 객체(11)는 각각이 픽셀들(PX) 중 일부 픽셀들(PX)에 대응하는 다수의 영역들로 나뉠 수 있다. 컨트롤러(150)의 제어에 따른 광원(110)과 광학 장치(120)는 광 신호들(EL)을 일부 픽셀들(PX)에 대응하는 객체(11)의 다수의 영역들로 순차적으로(순서대로) 조사하여 객체(11)에 대한 스캐닝을 수행할 수 있다. ToF 센서(140)의 픽셀 어레이(141)의 일부 픽셀들(PX)은 스캐닝의 방향에 기초하여 객체(11)로부터 반사된 광 신호들(RL)을 복조(demodulate)할 수 있다. 스캐닝이 진행됨에 따라, 픽셀들(PX) 중 객체(11)의 다른 영역에 대응하는 다른 일부 픽셀들(PX)도 광 신호(RL)를 복조할 수 있다. 플래시 유형의 광원을 사용하는 경우에 비해, 전자 장치(100)는 광원(110) 및 광학 장치(120)에 의한 객체(11)에 대한 스캐닝 동작 그리고 스캐닝 방향에 기초한 ToF 센서(140)의 복조 동작을 통해 제한된 전력으로 상대적으로 먼 거리에 있는 객체(11)를 감지할 수 있다. 플래시 유형의 광원을 사용하는 경우에 비해, 전자 장치(100)는 픽셀들(PX) 중 일부 픽셀들(PX)을 기준으로 객체(11)에 대한 스캐닝 동작을 수행함으로써, 픽셀들(PX)의 누설 전류를 감소시킬 수 있고 픽셀들(PX)의 위치에 따른 쉐이딩(shading) 현상을 제거할 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 전자 장치의 광원과 광학 장치의 예시들을 도시한다. 도 2a를 참조하면, 광원(110a)은 VCSEL, 측면 발광 레이저, 및 LED 중 하나일 수 있고 그리고 광학 장치(120a)는 MEMS(micro-electro-mechanical system) 거울일 수 있다. 도 2b를 참조하면, 광원(110b)은 VCSEL, 측면 발광 레이저, 및 LED 중 하나일 수 있고 그리고 광학 장치(120b)는 회전 프리즘(rotating prism)일 수 있다. 도 2c를 참조하면, 광원(110c)는 다수의 VCSEL들을 포함하는 VCSEL 어레이일 수 있고 그리고 광학 장치(120c)는 투영(projection) 광학 장치일 수 있다. VCSEL 어레이는 컨트롤러(150)의 제어에 따라 일부 VCSEL들이 온될 수 있고 나머지 VCSEL들이 오프될 수 있고, 상술한 동작이 반복됨으로써 객체(11)에 대한 스캐닝이 수행될 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(100)는 진동 작동기(vibrating actuator)를 더 포함할 수 있다. 진동 작동기는 컨트롤러(150)의 제어에 따라 VCSEL 어레이 또는 투영 광학 장치를 진동시킬 수 있고, 상술한 동작이 반복됨으로써 객체(11)에 대한 스캐닝이 수행될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 픽셀의 회로도들을 예시적으로 도시한다. 픽셀(PX)은 2개 이상의 탭들을 포함할 수 있다. 픽셀들(PXa, PXb)은 각각 픽셀(PX)의 일 예시일 수 있다. 픽셀(PXa)은 광전 변환 소자(PD), 탭들(TAP1, TAP2), 및 오버플로우 트랜지스터(OF)를 포함할 수 있다. 광전 변환 소자(PD)로 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드, 및 이들의 조합이 사용될 수 있다. 이하에서, 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드로 예시적으로 설명된다. 광전 변환 소자(PD)는 광 신호(RL)에 대응하는 전하들을 생성하고 축적할 수 있다. 광전 변환 소자(PD)에 의해 생성된 전하들은 포토 트랜지스터들(PA, PB)로 분산될 수 있다. 포토 트랜지스터들(PA, PB)에 의해 분산되어 저장되는 전하들의 양들은 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)과 광 신호(EL) 간의 위상 차들에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자(PD)는 평면적 관점에서 포토 트랜지스터들(PA, PB)과 겹치도록 픽셀(PXa)이 구현된 기판 내에서 구현될 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 포토 트랜지스터들(PA, PB)의 일단들과 접지 전압(GND) 사이에 연결될 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 하나의 픽셀(PXa)의 복수의 탭들(도 3a에는 2개)에 의해 공유될 수 있다.
탭(TAP1)은 포토 트랜지스터(PA), 전송 트랜지스터(TA), 스토리지 트랜지스터(S1), 전송 트랜지스터(T1), 플로팅 확산 영역(FD1), 및 독출 회로(RO1)를 포함할 수 있고 독출 회로(RO1)는 리셋 트랜지스터(R1), 소스 팔로워 트랜지스터(SF1), 및 선택 트랜지스터(SE1)를 포함할 수 있다. 포토 트랜지스터(PA)의 일단(드레인 또는 소스)은 광전 변환 소자(PD) 및 오버플로우 트랜지스터(OF)의 일단에 연결될 수 있다. 포토 트랜지스터(PA)는 포토 게이트 신호(PGA)에 기초하여 전하들을 집적할 수 있다. 전하들은 픽셀(PXa)로 입사되는 광 신호(RL)에 의해 생성될 수 있다. 포토 게이트 신호(PGA)는 광 신호(EL)와 동일하거나 상이한 위상을 갖는 변조 신호일 수 있다. 포토 게이트 신호(PGA)는 광 신호(EL)가 방출되고 픽셀(PXa)로 광 신호(RL)가 입사되는 노출(또는 집적) 구간(또는 주기) 동안에 활성화(또는 인에이블)될 수 있고 노출 구간 이외의 시간에서는 비활성화(또는 디스에이블)될 수 있다.
전송 트랜지스터(TA)는 포토 트랜지스터(PA)의 일단과 스토리지 트랜지스터(S1)의 일단 사이에 연결될 수 있다. 전송 트랜지스터(TA)는 전송 게이트 신호(TXA)에 기초하여 노출 구간 동안 포토 트랜지스터(PA)의 일단과 스토리지 트랜지스터(S1)의 일단을 전기적으로 연결하여 포토 트랜지스터(PA)에 의해 집적된 전하들을 스토리지 트랜지스터(S1)로 전송할 수 있고 전송 게이트 신호(TXA)에 기초하여 노출 구간 이외의 시간에서 포토 트랜지스터(PA)에 의해 집적된 전하들이 스토리지 트랜지스터(S2)로 전송되는 것을 방지할 수 있다.
스토리지 트랜지스터(S1)는 전송 트랜지스터들(TA, T1) 사이에 연결될 수 있고 스토리지 게이트 신호(SG)에 기초하여 포토 트랜지스터(PA)에 의해 집적된 전하들을 저장할 수 있다. 포토 트랜지스터(PA)에 의해 집적된 전하들은 곧바로 플로팅 확산 영역(FD1)으로 전송되지 않을 수 있다. 예를 들어, 탭(TAP1)은 스토리지 트랜지스터(S1) 대신에 스토리지 다이오드를 포함할 수도 있다. 스토리지 다이오드의 일단은 포토 트랜지스터(PA)의 일단과 전송 트랜지스터(T1)의 일단에 연결될 수 있고 스토리지 다이오드의 타단은 전원 전압(VDD) 및 접지 전압(GND) 중 하나에 연결될 수 있다. 다른 예를 들어, 탭(TAP1)은 스토리지 트랜지스터(S1) 및 스토리지 다이오드를 모두 포함할 수도 있다. 스토리지 트랜지스터(S1), 스토리지 다이오드, 및 스토리지 트랜지스터(S1)와 스토리지 다이오드의 조합은 각각 스토리지 소자로 지칭될 수 있다.
전송 트랜지스터(T1)는 스토리지 트랜지스터(S1)의 일단과 플로팅 확산 영역(FD1) 사이에 연결될 수 있다. 전송 트랜지스터(T1)는 전송 게이트 신호(TG)에 기초하여 스토리지 트랜지스터(S1)에 저장된 전하들을 플로팅 확산 영역(FD1)으로 전송할 수 있다.
탭(TAP1)은 트랜지스터들(TA, S1, T1)을 모두 포함하는 것으로 도 3a에서 도시되었다. 도 3a의 도시와 달리 탭(TAP1)은 트랜지스터들(TA, T1)과 스토리지 소자(S1)의 일부만을 포함하거나 모두 포함하지 않을 수도 있다.
리셋 트랜지스터(R1)는 플로팅 확산 영역(FD1)과 전원 전압(VDD) 사이에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(R1)는 리셋 게이트 신호(RG)에 기초하여 플로팅 확산 영역(FD1)과 전원 전압(VDD)을 전기적으로 연결하여 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압 레벨을 전원 전압(VDD)으로 구동하여 플로팅 확산 영역(FD1)을 리셋시킬 수 있고 플로팅 확산 영역(FD1)에 저장된 전하들을 제거하거나 배출할 수 있다. 소스 팔로워 트랜지스터(SF1)는 전원 전압(VDD)과 선택 트랜지스터(SE1) 사이에 연결될 수 있다. 소스 팔로워 트랜지스터(SF1)의 게이트는 플로팅 확산 영역(FD1)으로 연결될 수 있다. 소스 팔로워 트랜지스터(SF1)는 플로팅 확산 영역(FD1)의 전압 레벨에 기초하여 출력 신호(OUT1)를 출력할 수 있다. 선택 트랜지스터(SE1)는 소스 팔로워 트랜지스터(SF1)와 출력 라인 사이에 연결될 수 있다. 선택 트랜지스터(SE1)는 선택 신호(SEL)에 기초하여 출력 신호(OUT1)를 출력 라인으로 출력할 수 있다.
탭(TAP2)은 포토 트랜지스터(PB), 전송 트랜지스터(TB), 스토리지 트랜지스터(S2), 전송 트랜지스터(T2), 플로팅 확산 영역(FD2), 및 독출 회로(RO2)를 포함할 수 있고 독출 회로(RO2)는 리셋 트랜지스터(R2), 소스 팔로워 트랜지스터(SF2), 및 선택 트랜지스터(SE2)를 포함할 수 있다. 탭(TAP2)의 포토 트랜지스터(PB)가 포토 게이트 신호(PG2)를 수신하는 것을 제외하면, 탭(TAP1)은 탭(TAP1)과 실질적으로 동일하게 구현되고 동작할 수 있다. 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)은 노출 구간 동안에 활성화될 수 있고 노출 구간 이외의 시간에서는 비활성화될 수 있다. 포토 게이트 신호(PGA/PGB)는 광 신호(EL)와 동일하거나 상이한 위상을 갖는 변조 신호일 수 있다. 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)의 위상들은 서로 다를 수 있다. 탭들(TAP1, TAP2)은 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)에 기초하여 출력 신호들(OUT1, OUT2)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력 신호들(OUT1, OUT2)은 전자 장치(100)와 객체(11) 사이의 거리를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 리셋 게이트 신호(RG), 전송 게이트 신호(TG), 및 선택 신호(SEL)는 탭들(TAP1, TAP2)에 공통으로 인가될 수 있다. 도 3a에서 도시된 바와 같이, 전송 게이트 신호들(TXA, TXB)은 탭들(TAP1, TAP2)의 전송 트랜지스터들(TA, TB)에 각각 인가될 수 있다. 도 3a의 도시와 달리, 전송 게이트 신호(TX)가 탭들(TAP1, TAP2)의 전송 트랜지스터들(TA, TB)에 공통으로 인가될 수도 있다.
오버플로우 트랜지스터(OF)는 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있고 포토 트랜지스터들(PA, PB)와 인접하게 배치될 수 있다. 노출 구간 이외의 시간에서 외광으로 인하여, 광전 변환 소자(PD) 또는 포토 트랜지스터들(PA, PB)은 전하들을 집적할 수도 있다. 오버플로우 트랜지스터(OF)는 오버플로우 게이트 신호(OG)에 기초하여 노출 구간 이외의 시간에서 광전 변환 소자(PD) 또는 포토 트랜지스터들(PA, PB)에 의해 집적된 전하들을 제거하거나 전원 전압(VDD)으로 배출할 수 있다. 예를 들어, 오버플로우 트랜지스터(OF)는 탭들(TAP1, TPA2)의 개수만큼의 트랜지스터들로 분할될 수 있다.
픽셀(PXb)은 광전 변환 소자(PD), 탭들(TAP1~TAP4), 및 오버플로우 트랜지스터(OF)를 포함할 수 있다. 픽셀들(PXb, PXa) 간의 차이점이 주로 설명될 것이다. 광전 변환 소자(PD)에 의해 생성된 전하들은 포토 트랜지스터들(PA~PD)로 분산될 수 있다. 포토 트랜지스터들(PA~PD)에 저장되는 전하들의 양들은 포토 게이트 신호들(PGA~PGD)과 광 신호(EL) 간의 위상 차들에 따라 결정될 수 있다.
픽셀(PXb)의 탭들(TAP1, TAP2)은 픽셀(PXa)의 탭들(TAP1, TAP2)과 실질적으로 동일할 수 있다. 탭(TAP3)은 포토 트랜지스터(PC), 전송 트랜지스터(TC), 스토리지 트랜지스터(S3), 전송 트랜지스터(T3), 플로팅 확산 영역(FD3), 및 독출 회로(RO3)를 포함할 수 있고 독출 회로(RO3)는 리셋 트랜지스터(R3), 소스 팔로워 트랜지스터(SF3), 및 선택 트랜지스터(SE3)를 포함할 수 있다. 탭(TAP4)은 포토 트랜지스터(PD), 전송 트랜지스터(TD), 스토리지 트랜지스터(S4), 전송 트랜지스터(T4), 플로팅 확산 영역(FD4), 및 독출 회로(RO4)를 포함할 수 있고 독출 회로(RO4)는 리셋 트랜지스터(R4), 소스 팔로워 트랜지스터(SF4), 및 선택 트랜지스터(SE4)를 포함할 수 있다. 탭들(TAP3, TAP4)은 탭들(TAP1, TAP2)과 실질적으로 동일하게 구현되고 동작할 수 있다.
포토 게이트 신호들(PGA~PGD)은 노출 구간 동안에 활성화될 수 있고 노출 구간 이외의 시간에서는 비활성화될 수 있다. 포토 게이트 신호들(PGA~PGD)의 위상들은 서로 다를 수 있다. 탭들(TAP1~TAP4)은 포토 게이트 신호들(PGA~PGD)에 기초하여 출력 신호들(OUT1~OUT4)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력 신호들(OUT1~OUT4)은 전자 장치(100)와 객체(11) 사이의 거리를 나타낼 수 있다. 도 3b에서 도시된 바와 같이 리셋 게이트 신호(RG1), 전송 게이트 신호(TG1), 및 선택 신호(SEL1)는 탭들(TAP1, TAP2)에 공통으로 인가될 수 있고 리셋 게이트 신호(RG2), 전송 게이트 신호(TG2), 및 선택 신호(SEL2)는 탭들(TAP3, TAP4)에 공통으로 인가될 수 있다. 도 3b의 도시와 달리, 리셋 게이트 신호(RG), 전송 게이트 신호(TG), 및 선택 신호(SEL)는 탭들(TAP1~TAP4)에 공통으로 인가될 수 있다. 도 3b에서 도시된 바와 같이, 전송 게이트 신호들(TXA, TXB)은 탭들(TAP1, TAP2)의 전송 트랜지스터들(TA, TB)에 각각 인가될 수 있고 전송 게이트 신호들(TXC, TXD)는 탭들(TAP3, TAP4)의 전송 트랜지스터들(TC, TD)에 각각 인가될 수 있다. 도 3b의 도시와 달리, 전송 게이트 신호(TX)가 탭들(TAP1~TAP4)의 전송 트랜지스터들(TA~TD)에 공통으로 인가될 수도 있다.
예를 들어, 탭들(TAP1, TAP3)은 하나의 출력 라인을 통해 출력 신호들(OUT1, OUT3)을 출력할 수 있고 탭들(TAP2, TAP4)은 다른 하나의 출력 라인을 통해 출력 신호들(OUT2, OUT4)을 출력할 수 있다. 선택 신호(SEL1)가 활성화된 경우, 탭들(TAP1, TAP2)은 출력 신호들(OUT1, OUT2)을 각각 출력할 수 있다. 그 다음, 선택 신호(SEL2)가 활성화된 경우, 탭들(TAP3, TAP4)은 출력 신호들(OUT1, OUT2)이 전송된 출력 라인들을 통해 출력 신호들(OUT3, OUT4)을 각각 출력할 수 있다. 다른 예를 들어, 탭들(TAP1, TAP3) 두 개의 출력 라인들을 통해 출력 신호들(OUT1, OUT3)을 각각 출력할 수 있고 탭들(TAP2, TAP4)은 다른 두 개의 출력 라인들을 통해 출력 신호들(OUT2, OUT4)을 각각 출력할 수 있다.
픽셀(PXa/PXb)의 트랜지스터들은 모두 NMOS 트랜지스터로 구현되는 것으로 설명되었으나, 픽셀(PXa)의 트랜지스터들은 PMOS 트랜지스터 또는 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터의 조합으로 구현될 수도 있다. 픽셀(PXa/PXb)의 트랜지스터들의 종류는 도 3a 및 도 3b에서 도시된 것으로 제한되지 않는다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 ToF 센서의 블록도들을 예시적으로 도시한다. ToF 센서들(140a, 140b)은 각각 ToF 센서(140)의 일 예시일 수 있다. ToF 센서들(140a, 140b) 각각은 픽셀 어레이(141), 행 구동기(142), 포토 게이트 구동기(143), 아날로그 처리 회로(144; CDS/ADC), 데이터 버퍼(145), 및 타이밍 컨트롤러(146)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(141)는 서로 수직하는 행 방향(D1; 제 1 방향) 및 열 방향(D2; 제 2 방향)으로 배치되는 도 1의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(141)는 반도체(혹은 실리콘) 기판 상에서 구현될 수 있다. 픽셀(PX)은 행 구동기(142) 및 포토 게이트 구동기(143)로부터 제공되는 제어 신호들(OG, RG, TX, SG, TG, SEL, PG)에 기초하여 전하들을 집적, 저장, 전송, 또는 제거할 수 있다.
행 구동기(142)는 타이밍 컨트롤러(146)의 제어에 기초하여 픽셀 어레이(141)를 제어할 수 있다. 행 구동기(142)는 행 방향(D1)으로 제어 신호들(OG, RG, TX, SG, TG, SEL)을 픽셀들(PX)로 전송할 수 있다. 제어 신호들(OG, RG, TX, SG, TG, SEL)이 전송되고, 픽셀들(PX)에 연결되고, 그리고 행 방향(D1)으로 형성되는 배선들은 픽셀 어레이(141) 상에 배치될 수 있다. 제어 신호들(OG, RG, TX, SG, TG, SEL)은 도 3a 및 도 3b에서 도시된 OG, RG, TX, SG, TG, SEL(번호는 생략)일 수 있다. 행 구동기(142)는 롤링 모드(rolling mode)에서 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)을 행 단위로 제어하거나 글로벌 모드(global mode)에서 픽셀 어레이(141)의 모든 픽셀들(PX)을 한꺼번에 제어할 수 있다.
포토 게이트 구동기(143)는 타이밍 컨트롤러(146)의 제어에 기초하여 제어 신호들(PG)을 픽셀 어레이(141)로 전송할 수 있다. 제어 신호들(PG)은 도 3a 및 도 3b에서 도시된 PG(번호는 생략)일 수 있다. ToF 센서(140a)의 포토 게이트 구동기(143)는 행 방향(D1)으로 제어 신호들(PG)을 픽셀들(PX)로 전송할 수 있다. 행 구동기(142) 및 포토 게이트 구동기(143)는 각각 픽셀 어레이(141)와 인접하게 행 방향(D1)을 따라 배치될 수 있다. 픽셀 어레이(141)는 행 구동기(142) 및 포토 게이트 구동기(143) 사이에 배치될 수 있다. 도 4a의 도시와 달리, 포토 게이트 구동기(143)는 행 구동기(142)에 포함될 수도 있다. ToF 센서(140b)의 포토 게이트 구동기(143)는 열 방향(D2)으로 제어 신호들(PG)을 픽셀들(PX)로 전송할 수 있다. 포토 게이트 구동기(143) 및 아날로그 처리 회로(144)는 각각 픽셀 어레이(141)와 인접하게 열 방향(D2)을 따라 배치될 수 있다. 픽셀 어레이(141)는 포토 게이트 구동기(143) 및 아날로그 처리 회로(144) 사이에 배치될 수 있다. 도 4b의 도시와 달리, 포토 게이트 구동기(143)는 아날로그 처리 회로(144)에 포함될 수도 있다. 제어 신호들(PG)이 전송되고, 픽셀들(PX)에 연결되고, 그리고 행 방향(D1) 또는 열 방향(D2)으로 형성되는 배선들은 픽셀 어레이(141) 상에 배치될 수 있다.
아날로그 처리 회로(144)는 픽셀 어레이(141)로부터 열 방향(D2)으로 출력되는 출력 신호(도 3a 및 도 3b의 OUT1~OUT2/OUT1~OUT4 참조; 이미지 신호 또는 깊이 신호로도 지칭될 수 있음)를 수신하고, 샘플링(sampling)하고, 그리고 홀드(hold)할 수 있다. 아날로그 처리 회로(144)는 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)에 연결되고, 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)이 전송되고, 그리고 열 방향(D2)으로 형성되는 출력 라인들을 제어할 수 있다. 아날로그 처리 회로(144)는 출력 신호에 대한 상관 이중 샘플링(CDS) 동작을 수행하고 출력 신호에 포함된 잡음(noise)을 제거할 수 있다. 아날로그 처리 회로(144)는 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환(ADC) 동작을 수행할 수 있다. 아날로그 처리 회로(144)는 디지털 신호를 이용하여 데이터(이미지 데이터 또는 깊이 데이터)를 생성할 수 있다. 아날로그 처리 회로(144)는 데이터 처리 회로로도 지칭될 수 있다. 아날로그 처리 회로(144)는 이미지 데이터를 데이터 버퍼(145)로 제공할 수 있다. 데이터 버퍼(145)는 아날로그 처리 회로(144)로부터 전송된 데이터를 저장할 수 있다. 데이터 버퍼(145)는 데이터(DATA)를 ToF 센서(140a/140b)의 외부(예를 들어, 전자 장치(100)의 내부 구성 요소 혹은 전자 장치(100) 외부)로 출력할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(146)는 ToF 센서(140a/140b)의 구성 요소들(141~145)을 제어할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(146)는 컨트롤러(150)의 제어에 기초하여 ToF 센서(140a/140b)의 구성 요소들(141~145)을 제어할 수도 있다. 타이밍 컨트롤러(146)는 광 신호(EL)의 변조 정보 또는 위상 정보에 기초하여 행 구동기(142) 및 포토 게이트 구동기(143)를 제어할 수 있다. 전술한대로, 도 1의 도시와 달리, 컨트롤러(150)가 ToF 센서(140)에 내장될 수 있다. 이 경우, 타이밍 컨트롤러(146)는 컨트롤러(150)를 포함하거나 컨트롤러(150)의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 타이밍 컨트롤러(146; 또는 컨트롤러(150))는 픽셀 어레이(141), 행 구동기(142), 포토 게이트 구동기(143), 광원(110), 및 광학 장치(120)를 서로 동기시킬 수 있다.
도 4c 및 도 4d는 도 1의 ToF 센서의 블록도들을 예시적으로 도시한다. ToF 센서들(140c, 140d)은 각각 ToF 센서(140)의 일 예시일 수 있다. ToF 센서들(140c, 140d)과 ToF 센서들(140a, 140b) 간의 차이점 그리고 ToF 센서들(140c, 140d) 간의 차이점이 주로 설명될 것이다.
ToF 센서들(140a, 140b)에 비해, ToF 센서들(140c, 140d)은 각각 열 구동기(147)를 더 포함할 수 있다. 열 구동기(147)는 타이밍 컨트롤러(146)의 제어에 기초하여 픽셀 어레이(141)를 제어할 수 있다. 열 구동기(147)는 열 방향(D2)으로 제어 신호들(OG, TX, SG)을 픽셀들(PX)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호들(OG, TX, SG)이 전송되고, 픽셀들(PX)에 연결되고, 그리고 열 방향(D2)으로 형성되는 배선들은 픽셀 어레이(141) 상에 배치될 수 있다. 이 경우, 행 구동기(142)는 행 방향(D1)으로 제어 신호들(RG, TG, SEL)을 픽셀들(PX)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호들(RG, TG, SEL)이 전송되고, 픽셀들(PX)에 연결되고, 그리고 행 방향(D1)으로 형성되는 배선들은 픽셀 어레이(141) 상에 배치될 수 있다. ToF 센서들(140c, 140d)은 열 구동기(147)를 더 포함하므로, ToF 센서들(140a, 140b)에 비해, 포토 게이트 신호(PG)의 구동 방향과 오버플로우 게이트 신호(OG), 전송 게이트 신호(TX), 및 스토리지 게이트 신호(SG)의 구동 방향들을 일치시킬 수 있는 장점을 갖는다.
ToF 센서(140d)는 ToF 센서(140c)에 비해 열 방향(D2)을 기준으로 픽셀 어레이(141)의 양쪽에 배치되는 포토 게이트 구동기들(143a, 143b)을 포함할 수 있다. 포토 게이트 구동기들(143a, 143b)은 서로 반대방향으로 그리고 함께 포토 게이트 신호들(PG)을 픽셀 어레이(141)로 전송할 수 있다. 포토 게이트 구동기들(143a, 143b) 각각의 동작은 포토 게이트 구동기(143)의 동작과 실질적으로 동일할 수 있다. 포토 게이트 구동기(143)를 포함하는 ToF 센서들(140a~140c)에 비해, 포토 게이트 구동기들(143a, 143b)을 포함하는 ToF 센서(140d)에서 제어 신호들(PG)이 전송되는 배선들의 저항 및 커패시턴스 성분들로 인한 RC 지연 및 포토 게이트 신호들(PG)이 열 방향(D2)으로 산포하는 문제점이 개선될 수 있다.
실시 예에 있어서, ToF 센서(140c/140d)의 구성 요소들(141~147)은 하나의 기판 상에서 구현되고 배치될 수 있다. 또는, 도 4c 및 도 4d를 참조하면, ToF 센서(140c/140d)의 구성 요소들(141~147) 중 픽셀 어레이(141)는 제 1 기판(151) 상에서 구현되고 배치될 수 있고 그리고 나머지 구성 요소들(142~147)은 제 2 기판(152) 상에서 구현되고 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 2 기판(152) 상에 제 1 기판(151)이 적층될 수 있다. 예를 들어, ToF 센서(140c/140d)의 구성 요소들(141~147)이 모두 하나의 기판 상에서 배치되는 경우에 비해, ToF 센서(140c/140d)의 구성 요소들(141~147)이 둘 이상의 기판들(151, 152) 상에서 배치되는 경우에서는 제어 신호들(OG, TX, SG)과 출력 신호들(OUT)이 전송되는 배선들의 복잡도가 상대적으로 감소할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 광 신호들과 도 3a의 픽셀로 인가되는 제어 신호들의 타이밍도를 예시적으로 도시한다. 도 5a 및 도 5b의 타이밍도들 각각은 리셋 구간, 노출 구간, 및 독출 구간을 포함할 수 있고 그리고 반복될 수 있다.
리셋 구간 동안, 오버플로우 게이트 신호(OG) 및 리셋 게이트 신호(RG)가 활성화될 수 있다. 오버플로우 트랜지스터(OF)는 활성화된 오버플로우 게이트 신호(OG)에 기초하여 광전 변환 소자(PD) 또는 포토 트랜지스터들(PA, PB)에 의해 집적된 전하들을 제거하거나 전원 전압(VDD)으로 배출할 수 있다. 리셋 트랜지스터들(R1, R2)은 리셋 게이트 신호(RG)에 기초하여 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)을 리셋시킬 수 있다. 나머지 제어 신호들(PGA, PGB, TXA, TXB, SEL, TG, SG)은 모두 비활성화될 수 있고, 광 신호(EL)는 방출되지 않고, 그리고 광 신호(RL)는 픽셀(PXa)로 입사되지 않을 수 있다.
노출 구간 동안, 광 신호(EL)가 객체(11)로 방출될 수 있고 그리고 광 신호(RL)가 픽셀(PXa)로 입사될 수 있다. 도 5a의 광 신호(EL)는 컨트롤러(150)에 의해 지속파(continuous wave)와 유사하게 변조될 수 있다. 예를 들어, 광 신호(EL)의 온 및 오프의 듀티비(duty ratio)는 약 50%일 수 있다. 예를 들어, 광 신호(EL)가 상대적으로 높은 레벨을 갖는 구간은 광 신호(EL)가 객체(11)로 방출되는 온 구간을 나타낼 수 있고 광 신호(EL)가 상대적으로 낮은 레벨을 갖는 구간은 광 신호(EL)가 객체(11)로 방출되지 않는 오프 구간을 나타낼 수 있다. 도 5b의 광 신호(EL)는 컨트롤러(150)에 의해 게이팅 신호(gating signal; 혹은 펄스 신호(pulsed signal)와 유사하게 변조될 수 있다. 예를 들어, 광 신호(EL)의 온 및 오프의 듀티비는 약 50% 미만일 수 있다.
노출 구간 동안, 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)은 광 신호(EL)에 동기될 수 있다. 포토 게이트 신호(PGA)는 광 신호(EL)와 동일한 위상을 가질 수 있다. 포토 게이트 신호(PGB)는 포토 게이트 신호(PGA)와 상이한 위상을 가질 수 있다. 포토 게이트 신호(PGA)는 광 신호(EL)가 상대적으로 높은 레벨을 갖는 구간 동안 활성화될 수 있고 광 신호(EL)가 상대적으로 낮은 레벨을 갖는 구간 동안 비활성화될 수 있다. 포토 게이트 신호(PGB)는 광 신호(EL)가 상대적으로 높은 레벨을 갖는 구간 동안 비활성화될 수 있고 광 신호(EL)가 상대적으로 낮은 레벨을 갖는 구간 동안 활성화될 수 있다. 광 신호(EL), 포토 게이트 신호(PGA), 및 포토 게이트 신호(PGB) 간의 도 5a 및 도 5b의 위상 차들(예를 들어, 0도 및 180도)은 예시적인 것에 불과하다. 포토 트랜지스터들(PA, PB)은 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)에 기초하여 전하들을 각각 집적할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 노출 구간 동안, 오버플로우 게이트 신호(OG)는 비활성화될 수 있다. 도 5b를 참조하면, 노출 구간 동안, 오버플로우 게이트 신호(OG)는 광 신호(EL)와 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)이 활성화되는 구간 동안 비활성화될 수 있고 광 신호(EL)와 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)이 비활성화되는 구간 동안 활성화될 수 있다. 도 5a의 경우에 비해 도 5b에서, 컨트롤러(150)는 노출 구간 중 일부 구간 동안 오버플로우 게이트 신호(OG)를 활성화하고 광 신호(EL)와 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)을 비활성화함으로써 노출 구간 중 일부 구간 동안 객체(11)에 대한 스캐닝과 ToF 센서(140)의 복조 동작을 차단하는 게이팅 동작을 수행할 수 있다. 도 5a의 경우에 비해 도 5b에서, ToF 센서(140)는 노출 구간 동안 외광에 상대적으로 덜 노출될 수 있다.
노출 구간 동안, 전송 게이트 신호(TXA/TXB) 및 스토리지 게이트 신호(SG)는 활성화될 수 있다. 전송 트랜지스터들(TA, TB)은 활성화된 전송 게이트 신호들(TXA, TXB)에 기초하여 포토 트랜지스터들(PA, PB)에 의해 각각 집적된 전하들을 스토리지 트랜지스터들(S1, SG2)로 각각 전송할 수 있다. 스토리지 트랜지스터들(S1, SG2)은 활성화된 스토리지 게이트 신호(SG)에 기초하여 전송 트랜지스터들(TA, TB)을 통해 전송되는 전하들을 각각 저장할 수 있다.
독출 구간 동안, 광 신호(EL)는 객체(11)로 방출되지 않을 수 있고 비활성화될 수 있다. 오버플로우 게이트 신호(OG)는 다시 활성화될 수 있고 전송 게이트 신호(TXA/TXB)는 다시 비활성화될 수 있다. 선택 신호(SEL)는 활성화될 수 있고 리셋 게이트 신호(RG)는 비활성화될 수 있다. 독출 구간 동안 전송 게이트 신호(TG)가 활성화되기 전에, 픽셀(PXa)의 출력 신호들(OUT1, OUT2)은 리셋 레벨들을 가질 수 있고 그리고 아날로그 처리 회로(144)는 리셋 레벨들을 갖는 출력 신호들(OUT1, OUT2)을 수신하고 샘플링할 수 있다. 독출 구간 동안 전송 게이트 신호(TG)는 활성화되었다가 다시 비활성화될 수 있다. 또한, 스토리지 게이트 신호(SG)는 비활성화되었다가 다시 활성화될 수 있다. 전송 트랜지스터들(T1, T2)은 활성화된 전송 게이트 신호(TG)에 기초하여 스토리지 트랜지스터들(S1, S2)에 저장된 전하들을 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)로 각각 전송할 수 있다. 스토리지 트랜지스터들(S1, S2)은 비활성화된 스토리지 게이트 신호(SG)에 기초하여 전하들을 저장하지 않을 수 있다. 독출 구간 동안 전송 게이트 신호(TG)가 활성화되었다가 다시 비활성화되고 스토리지 게이트 신호(SG)가 비활성화되었다가 다시 활성화되면, 픽셀(PXa)의 출력 신호들(OUT1, OUT2)은 리셋 레벨들과 상이한 신호 레벨들을 가질 수 있고 그리고 아날로그 처리 회로(144)는 신호 레벨들을 갖는 출력 신호들(OUT1, OUT2)을 수신하고 샘플링할 수 있다. 전술한대로, 아날로그 처리 회로(144)는 리셋 레벨들과 신호 레벨들에 대한 CDS 동작과 ADC 동작을 수행할 수 있다. 이후, 리셋 게이트 신호(RG)가 다시 활성화되고 선택 신호(SEL)가 다시 비활성화되면, 픽셀(PXa)에 대한 독출 동작 및 독출 구간이 종료될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에서 픽셀(PXa)의 타이밍도들이 예시적으로 설명되었다. 픽셀(PXa)로 인가되는 도 5a 및 도 5b의 제어 신호들(PGA, PGB, OG, TXA, TXB, RG, SEL, TG, SG)은 다른 픽셀들로도 인가될 수 있고 그리고 다른 픽셀들은 픽셀(PXa)과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있다. 예를 들어, 픽셀(PXa)과 다른 픽셀들은 픽셀 어레이(141)에서 행 방향(D1) 혹은 행 라인을 따라 배치될 수 있다. 픽셀(PXa)과 다른 픽셀들은 공통으로 인가되는 제어 신호들(PGA, PGB, OG, TXA, TXB, RG, SEL, TG, SG)에 따라 함께(동시에) 동작할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 광 신호들과 도 3b의 픽셀로 인가되는 제어 신호들의 타이밍도를 예시적으로 도시한다. 도 6a 및 도 6b의 타이밍도들 각각은 리셋 구간, 노출 구간, 및 독출 구간을 포함할 수 있고 그리고 반복될 수 있다. 도 6a 및 도 6b의 광 신호들(EL, RL)은 도 5a 및 도 5b의 광 신호들(EL, RL)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 도 6a 및 도 6b의 제어 신호들(OG, TXA, TXB, TXC, TXD, RG1, RG2, SEL1, SEL2, TG1, TG2, SG1, SG2) 각각은 도 5a 및 도 5b의 제어 신호들(OG, TXA, TXB, RG, SEL, TG, SG) 중 유사한 명칭을 갖는 제어 신호와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 6a 및 도 6b의 타이밍도들과 도 5a 및 도 5b의 타이밍도들 간의 차이점이 주로 설명될 것이다.
픽셀(PXa)에 비해, 픽셀(PXb)은 4개의 탭들(TAP1~TAP4)을 포함하므로 4개의 포토 게이트 신호들(PGA~PGD)이 픽셀(PXb)로 인가될 수 있다. 포토 게이트 신호들(PGA, PGB)과 유사하게, 포토 게이트 신호들(PGA~PGD)은 서로 다른 위상들(예를 들어, 0도, 90도, 180도, 270도)을 가질 수 있고 시간 관점에서 서로 겹치지 않을 수 있다.
예를 들어, 픽셀(PXb)은 4개의 출력 라인들을 통해 출력 신호들(OUT1~OUT4)을 아날로그 처리 회로(144)로 출력할 수 있다. 하나의 독출 구간 동안 제어 신호들(OG, TXA, TXB, TXC, TXD, RG1, RG2, SEL1, SEL2, TG1, TG2, SG1, SG2)이 픽셀(PXb)로 도 6a 및 도 6b에서 도시된 바와 같이 인가될 수 있고, 픽셀(PXb)은 하나의 독출 구간 동안 리셋 레벨들을 갖는 출력 신호들(OUT1~OUT4)을 출력하고 신호 레벨들을 갖는 출력 신호들(OUT1~OUT4)을 출력할 수 있다.
다른 예를 들어, 픽셀(PXb)은 2개의 출력 라인들을 통해 출력 신호들(OUT1~OUT4)을 아날로그 처리 회로(144)로 출력할 수 있다. 하나의 독출 구간 동안 제어 신호들(OG, TXA, TXB, RG1, SEL1, TG1, SG1)이 픽셀(PXb)로 도 6a 및 도 6b에서 도시된 바와 같이 인가될 수 있고, 제어 신호들(TXC, TXD, SEL2, TG2)은 비활성화될 수 있고, 그리고 제어 신호들(RG2, SG2)은 활성화될 수 있다. 픽셀(PXb)은 하나의 독출 구간 동안 리셋 레벨들을 갖는 출력 신호들(OUT1, OUT2)을 출력하고 신호 레벨들을 갖는 출력 신호들(OUT1, OUT2)을 출력할 수 있다. 상술한 독출 구간 이후에 다른 하나의 독출 구간 동안 제어 신호들(OG, TXC, TXD, RG2, SEL2, TG2, SG2)이 픽셀(PXb)로 도 6a 및 도 6b에서 도시된 바와 유사하게 인가될 수 있고, 제어 신호들(TXA, TXB, SEL1, TG1)은 비활성화될 수 있고, 그리고 제어 신호들(RG1, SG1)은 활성화될 수 있다. 픽셀(PXb)은 다른 하나의 독출 구간 동안 리셋 레벨들을 갖는 출력 신호들(OUT3, OUT4)을 출력하고 신호 레벨들을 갖는 출력 신호들(OUT3, OUT4)을 출력할 수 있다. 픽셀(PXb)의 출력 신호들(OUT1~OUT4)에 관하여, 도 6a 및 도 6b에서 도시된 독출 구간이 두 번 반복될 수 있으며, 출력 신호들(OUT1~OUT4)의 독출 순서는 상술한 예시로 한정되지 않는다.
도 7a 내지 도 7i는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 열 방향의 1차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 픽셀 어레이(141)는 행 방향(D1)과 열 방향(D2)으로 배치되는 4x4 픽셀들(PX) 또는 8x4 픽셀들(PX)을 포함하는 것으로 도시되었으나, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)의 개수는 상술한 예시들로 한정되지 않는다. 도 7a 내지 도 7i의 픽셀(PX)은 도 3a 및 도 3b의 픽셀들(PXa, PXb) 중 어느 하나일 수 있다. 도 4a의 ToF 센서(140a)의 포토 게이트 구동기(143)는 행 방향(D1)으로 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)을 도 7a 내지 도 7i의 픽셀(PX)로 전송할 수 있다. 광 스캐닝의 방향은 광 신호(RL)가 픽셀 블록들(PB)로 순차적으로 입사되는 방향에 해당할 수 있다. 광 스캐닝의 방향은 열 방향(D2)일 수 있고 1차원에 해당할 수 있다. 픽셀 어레이 스캐닝은 광 스캐닝의 방향에 기초하여 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)이 순차적으로 광 신호들(RL)을 복조하는 일련의 동작들을 의미한다. 컨트롤러(150)는 광원(110) 및 광학 장치(120)를 제어하여 광 신호(EL)를 객체(11)의 다수의 영역들로 순차적으로 조사하여 객체(11)에 대한 스캐닝을 수행할 수 있다. 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)이 전송되는 방향은 광 스캐닝의 방향에 대응할 수 있다. 예를 들어, 상술한 방향들은 서로 상이하고 수직할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 픽셀 블록(PB)은 행들(R1~R4) 각각, 즉 하나의 행(라인으로도 지칭될 수 있음)에 배치되는 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 하나의 픽셀 블록(PB)만이 도 7a 내지 도 7d에서 도시되었으나, 픽셀 어레이(141)는 복수의 픽셀 블록들(PB)로 나뉠 수 있으며, 도 7a 내지 도 7d의 경우 4x4 픽셀들(PX)은 각각이 1x4 픽셀들(PX)을 포함하는 복수의 픽셀 블록들(PB)로 나뉠 것이다. 예를 들어, 픽셀 블록(PB)의 픽셀들(PX)은 동일한 행 및 서로 상이한 열들(C1~C4)에 배치될 수 있다. 도 7e 내지 도 7i를 참조하면, 픽셀 블록(PB)은 복수의 행들(R1~R4/R5~R8)에 배치되는 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 블록(PB)의 픽셀들(PX)은 서로 상이한 행들(R1~R4/R5~R8) 및 서로 상이한 열들(C1~C4)에 배치될 수 있다. 도 7e 내지 도 7i의 경우, 8x4 픽셀들(PX)은 각각이 4x4 픽셀들(PX)을 포함하는 복수의 픽셀 블록들(PB)로 나뉠 것이다. 어느 경우든, 픽셀 블록(PB)은 픽셀 어레이(141)를 분할하는 단위이고 하나 이상의 행들에 배치되는 픽셀들(PX)을 포함할 수 있고, 그리고 픽셀 블록(PB)의 픽셀들(PX)은 광 신호들(RL)에 함께 노출될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 광 신호(RL)는 행(R1)에 배치된 픽셀들(PX), 행(R2)에 배치된 픽셀들(PX), 행(R3)에 배치된 픽셀들(PX), 그리고 행(R4)에 배치된 픽셀들(PX)로 순차적으로 입사될 수 있다. 컨트롤러(150)에 의해 수행되는 광 스캐닝의 방향(열 방향(D2))에 따라, 구성 요소들(142~146)은 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)을 시간에 따라 행 단위(픽셀 블록 단위)로 제어(구동)할 수 있다. 먼저, 행(R1)에 배치되는 픽셀들(PX)은 리셋 구간(RST) 동안 리셋될 수 있고, 노출 구간(EXP) 동안 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있고, 그리고 독출 구간(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 출력할 수 있다. 노출 구간(RST), 노출 구간(EXP), 및 독출 구간(RO)에서 픽셀(PX)의 동작은 도 5a 내지 도 6b에서 전술되었다. 그 다음, 행(R2)에 배치되는 픽셀들(PX)은 리셋 구간(RST) 동안 리셋될 수 있고, 노출 구간(EXP) 동안 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있고, 그리고 독출 구간(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 출력할 수 있다. 행(R1)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간(RO)과 행(R2)에 배치되는 픽셀들(PX)의 리셋 구간(RST)은 서로 겹칠 수 있고, 행(R1)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간(RO) 이후에 행(R2)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간(EXP)이 위치할 수 있고, 그리고 행(R1)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간(RO)은 행들(R1, R2)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP) 사이에 위치할 수 있다. 행(R2)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간(RO)은 행(R2)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간(EXP) 이후에 위치할 수 있다. 행들(R1, R2)에 배치된 픽셀들(PX)과 실질적으로 동일하게, 행들(R3, P4)에 배치된 픽셀들(PX)도 순차적으로 동작할 수 있다. 광 신호들(RL)이 입사되는 스캐닝 방향에 따라, (R1)에 배치된 픽셀들(PX), 행(R2)에 배치된 픽셀들(PX), 행(R3)에 배치된 픽셀들(PX), 그리고 행(R4)에 배치된 픽셀들(PX)은 순차적으로 광 신호들(RL)을 복조할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 노출 구간들(EXP) 동안 행들(R1, R3)에 배치된 픽셀들(PX)로 인가되는 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)의 주파수들은 f1(예를 들어, 약 80MHz)일 수 있고 그리고 노출 구간들(EXP) 동안 행들(R2, R4)에 배치된 픽셀들(PX)로 인가되는 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)의 주파수들은 f2(예를 들어, 약 100MHz)일 수 있다. 예를 들어, 행들(R1~R4)에 배치된 픽셀들(PX)로 인가되는 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)의 주파수들 중 일부는 서로 동일하고 나머지와 상이할 수 있거나, 혹은 서로 상이할 수 있다. 포토 게이트 구동기(143)는 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)의 주파수들을 행들(R1~R4)에 따라 상이하게 조정(설정)할 수 있다. 따라서, 행들(R1~R4)에 따른 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)의 주파수들이 서로 동일한 경우에 비해, ToF 센서(140)는 픽셀 어레이(141)를 여러 번 동작시키는 멀티 프레임 깊이 센싱의 부담을 완화할 수 있고 센싱 거리를 증가시킬 수 있다.
도 7c를 참조하면, 도 7a의 노멀 독출 동작과 달리, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 롤링 독출 동작을 수행할 수 있다. 행(R1)에 배치되는 픽셀들(PX)은 리셋 구간(RST) 동안 리셋될 수 있고 노출 구간(EXP) 동안 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다. 행(R2)에 배치되는 픽셀들(PX)의 리셋 구간(RST)은 행(R1)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간(EXP)과 겹칠 수 있다. 행들(R1, R2)에 배치된 픽셀들(PX)과 실질적으로 동일하게, 행들(R3, P4)에 배치된 픽셀들(PX)도 리셋 동작 및 노출 동작을 수행할 수 있다. 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 노출 구간이 종료되면, 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 독출 동작이 개시될 수 있다. 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)은 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 순차적으로 출력할 수 있다. 행(R1)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간(RO)은 행(R4)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간(EXP) 이후에 위치할 수 있다. 행(R2)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간(RO)은 행(R1)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간(RO) 이후에 위치할 수 있다. 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간들(RO)은 순차적으로 위치할 수 있다. 도 7d를 참조하면, 도 7c와 달리, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 글로벌 독출 동작을 수행할 수 있다. 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간들(RO)은 서로 겹칠 수 있다. 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)은 서로 겹치는 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 한꺼번에 출력할 수 있다. 도 7d의 경우, 아날로그 처리 회로(144)는 행 방향(D1)과 열 방향(D2)에 수직한 방향으로 픽셀 어레이(141)와 겹치도록 ToF 센서(140)에서 배치될 수 있다. 아날로그 처리 회로(144)가 구현되는 기판 상에 픽셀 어레이(141)가 구현되는 기판이 3차원적으로 적층될 수 있다. 포토 게이트 구동기(143)는 도 7b에서 전술한대로, 도 7c 및 도 7d에서도 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)의 주파수들을 행들(R1~R4)에 따라 상이하게 조정할 수 있다.
도 7e를 참조하면, 컨트롤러(150)에 의해 수행되는 광 스캐닝의 방향에 따라, 구성 요소들(142~146)은 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)을 시간에 따라 복수의 행들 단위(픽셀 블록 단위)로 제어할 수 있다. 픽셀 블록(PB)의 행들(R1~R4)에 배치된 픽셀들(PX)은 리셋 구간(RST) 동안 리셋될 수 있고 노출 구간(EXP) 동안 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다. 노출 구간(EXP) 이후에, 행들(R1~R4)에 배치된 픽셀들(PX)은 도 7c의 경우와 유사하게 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 순차적으로 출력할 수 있다. 그 다음, 픽셀 블록(PB)의 행들(R5~R8)에 배치된 픽셀들(PX) 픽셀들(PX)은 리셋 구간(RST) 동안 리셋될 수 있고 노출 구간(EXP) 동안 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다. 노출 구간(EXP) 이후에, 행들(R5~R8)에 배치된 픽셀들(PX)은 도 7c의 경우와 유사하게 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 순차적으로 출력할 수 있다. 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간들(RO)과 행들(R5~R8)에 배치되는 픽셀들(PX)의 리셋 구간들(RST)은 서로 겹칠 수 있고, 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간들(RO) 이후에 행들(R5~R8)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간(EXP)이 위치할 수 있고, 그리고 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간들(RO)은 행들(R1~R4, R5~R8)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP) 사이에 위치할 수 있다. 도 7f를 참조하면, 포토 게이트 구동기(143)는 도 7b에서 전술한대로 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)의 주파수들을 행들(R1~R4)에 따라 상이하게 조정할 수 있고 상술한 점을 제외하면 도 7f의 타이밍도는 도 7e의 타이밍도와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 7g를 참조하면, 포토 게이트 구동기(143)는 픽셀 블록(PB) 내 행들(R1~R4)에 따라 광 신호(EL) 대비 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)을 상이하게 지연시킬 수 있다. 예를 들어, 광 신호(EL)와 노출 구간(EXP) 동안 픽셀들(PX)로 전송되는 포토 게이트 신호들(PGA) 간의 시차들은 행들(R1~R4)에 따라 상이한 TD1~TD4(예를 들어, 0ns, 100ns, 200ns, 300ns)로 설정될 수 있다. 도 7g의 도시와 달리, 광 신호(EL)와 포토 게이트 신호들(PGA) 간의 시차들 중 일부 시차들은 서로 동일할 수 있다. 또한, 광 신호(EL)와 포토 게이트 신호들(PGA) 간의 시차들은 픽셀 블록(PB)에 따라 서로 상이하게 설정될 수도 있다.
도 7h를 참조하면, 도 7e와 다르게 그리고 도 7c와 유사하게, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 롤링 독출 동작을 수행할 수 있다. 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)은 리셋 구간(RST) 동안 리셋될 수 있고 노출 구간(EXP) 동안 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다. 행들(R5~R8)에 배치되는 픽셀들(PX)의 리셋 구간(RST)은 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간(EXP)과 겹칠 수 있다. 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 노출 구간이 종료되면, 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 독출 동작이 개시될 수 있다. 도 7i를 참조하면, 도 7h와 다르게 그리고 도 7d와 유사하게, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 글로벌 독출 동작을 수행할 수 있다. 행들(R1~R8)에 배치되는 픽셀들(PX)은 서로 겹치는 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 한꺼번에 출력할 수 있다. 포토 게이트 구동기(143)는 도 7f 또는 도 7g와 유사하게, 도 7h 및 도 7i에서도 픽셀 블록(PB) 내 행들(R1~R4)에 따라 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)의 주파수들을 상이하게 조정하거나 광 신호(EL) 대비 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)을 상이하게 지연시킬 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향의 1차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 8a 내지 도 8c의 타이밍도들과 도 7a 내지 도 7i의 타이밍도들 간의 차이점이 주로 설명될 것이다. 도 4b의 ToF 센서(140b)의 포토 게이트 구동기(143)는 열 방향(D2)으로 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)을 도 8a 내지 도 8c의 픽셀(PX)로 전송할 수 있다. 광 스캐닝의 방향은 도 7a 내지 도 7i에서 설명된 열 방향(D2)과 상이한 행 방향(D1)일 수 있고 1차원에 해당할 수 있다. 광 신호(RL)는 광 스캐닝의 방향인 행 방향(D1)으로 픽셀 블록들(PB)로 순차적으로 입사될 수 있다. 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)이 전송되는 방향은 광 스캐닝의 방향에 대응할 수 있다. 예를 들어, 상술한 방향들은 서로 상이하고 수직할 수 있다. 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 픽셀 블록(PB)은 열들(C1~C4) 각각, 즉 하나의 열(라인으로도 지칭될 수 있음)에 배치되는 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 블록(PB)의 픽셀들(PX)은 동일한 열 및 서로 상이한 행들(R1~R4)에 배치될 수 있다. 도 8a 내지 도 8c의 도시와 달리, 픽셀 블록(PB)은 복수의 열들에 배치되는 픽셀들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 픽셀 블록(PB)의 픽셀들(PX)은 서로 상이한 행들(R1~R4) 서로 상이한 열들에 배치될 수 있다. 어느 경우든, 픽셀 블록(PB)은 하나 이상의 열들에 배치되는 픽셀들(PX)을 포함할 수 있고 픽셀 블록(PB)의 픽셀들은 광 신호들(RL)에 함께 노출될 수 있다.
도 8a를 참조하면, 열(C1)에 배치된 픽셀들(PX)은 리셋 구간(RST) 동안 리셋될 수 있고, 노출 구간(EXP) 동안 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있고, 그리고 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 출력할 수 있다. 열(C1)에 배치된 픽셀들(PX)은 도 7c와 유사하게 복수의 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 순차적으로 출력할 수 있다. 열(C1)과 행(R1)에 배치되는 픽셀(PX)의 독출 구간(RO)은 열(C1)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간(EXP) 이후에 위치할 수 있다. 열(C1)과 행(R2)에 배치되는 픽셀(PX)의 독출 구간(RO)은 열(C1)과 행(R1)에 배치되는 픽셀(PX)의 독출 구간(RO) 이후에 위치할 수 있다. 열(C1)에 배치된 픽셀들(PX)의 독출 구간들(RO) 이후에, 열(C2)에 배치된 픽셀들(PX)의 리셋 구간(RST)이 위치할 수 있다. 열(C1)에 배치된 픽셀들(PX)과 실질적으로 동일하게, 열들(C2~C4)에 배치된 픽셀들(PX)도 순차적으로 동작할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 도 8a의 노멀 독출 동작과 달리, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 롤링 독출 동작을 수행할 수 있다. 열(C1)에 배치된 픽셀들(PX)은 리셋 구간(RST) 동안 리셋될 수 있고 노출 구간(EXP) 동안 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다. 열(C1)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간(EXP) 이후에, 열(C2)에 배치된 픽셀들(PX)은 리셋 구간(RST) 동안 리셋될 수 있고 노출 구간(EXP) 동안 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다. 유사한 방식으로, 열들(C3, C4)에 배치된 픽셀들(PX)도 리셋될 수 있고 광 신호(RL)에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다. 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 노출 구간이 종료되면, 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 독출 동작이 개시될 수 있다. 경우에 따라서, 각 열들의 리셋 동작은 리셋 게이트 신호(RG)를 제외한 오버플로우 게이트 신호(OG)를 제어하는 동작만으로 실행될 수도 있다. 픽셀 어레이 전체의 노출 동작 직전에 글로벌 리셋을 수행하고 열 별로는 오버플로우 게이트 신호(OG)에 의한 리셋 동작만이 수행될 수도 있다. 열들(C1~C4)에 배치된 픽셀들(PX)은 도 7c와 유사하게 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 순차적으로 출력할 수 있다. 도 8c를 참조하면, 도 8b와 다르게 그리고 도 7d와 유사하게, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 글로벌 독출 동작을 수행할 수 있다. 열들(C1~C4)에 배치되는 픽셀들(PX)은 서로 겹치는 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 한꺼번에 출력할 수 있다.
실시 예에 있어서, 포토 게이트 구동기(143)는 도 7b에서 전술한대로, 도 8a 내지 도 8c에서 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)의 주파수들을 행들(R1~R4)에 따라 상이하게 조정할 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 포토 게이트 구동기(143)는 도 7g와 유사하게 도 8a 내지 도 8c에서도 행들(R1~R4)에 따라 광 신호(EL) 대비 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)을 상이하게 지연시킬 수 있다.
도 9a 내지 도 9f는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향과 열 방향의 2차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 7a 내지 도 8c에서, 컨트롤러(150)는 광원(110) 및 광학 장치(120)를 제어하여 1차원으로 광 스캐닝을 수행하였다. 도 9a 내지 도 9f에서, 컨트롤러(150)의 제어에 따른 광원(110) 및 광학 장치(120)는 행 방향(D1)과 열 방향(D2)의 2차원으로 광 스캐닝을 수행할 수 있다. 픽셀들(PX) 상의 음영들은 광 신호(RL)의 레이저 빔들을 나타낼 수 있다. 행과 열(R1, C1), 행과 열(R1, C2), 행과 열(R1, C3), 그리고 행과 열(R1, C4)에 배치된 픽셀들(PX)로 레이저 빔들이 순차적으로 입사되고, 그 다음 행과 열(R2, C4), 행과 열(R2, C3), 행과 열(R2, C2), 그리고 행과 열(R2, C1)에 배치된 픽셀들(PX)로 광 신호(RL)의 레이저 빔들이 순차적으로 입사될 수 있다. 유사한 방식으로, 나머지 픽셀들(PX)에도 레이저 빔들이 순차적으로 입사될 수 있다. 예를 들어, 광 스캐닝의 방향은 사형(serpentine) 방향일 수 있다. 도시되진 않았으나, 행들(R1~R4) 각각에 배치된 픽셀들(PX)은 전술한 픽셀 블록을 구성할 수 있다.
도 9a를 참조하면, 컨트롤러(150)에 의해 수행되는 광 스캐닝의 방향에 따라, 구성 요소들(142~146)은 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)을 제어할 수 있다. 행과 열(R1, C1), 행과 열(R1, C2), 행과 열(R1, C3), 그리고 행과 열(R1, C4)에 배치된 픽셀들(PX)은 리셋 구간들(RST) 동안 리셋되고, 노출 구간들(EXP) 동안 순차적으로 레이저 빔들에 노출되고 전하들을 집적할 수 있고, 그리고 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 행과 열(R1, C1), 행과 열(R1, C2), 행과 열(R1, C3), 그리고 행과 열(R1, C4)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP)은 서로 겹치지 않을 수 있고 광 스캐닝의 방향에 따라 순차적으로 위치할 수 있다. 나머지 픽셀들(PX)도 행과 열(R1, C1), 행과 열(R1, C2), 행과 열(R1, C3), 그리고 행과 열(R1, C4)에 배치된 픽셀들(PX)과 유사하게 리셋, 노출, 및 독출 동작들을 수행할 수 있다. 다만, 광 스캐닝의 방향이 사형 방향이므로, 서로 인접한 행들에 배치되는 픽셀들(PX)에 대한 광 스캐닝 방향들은 서로 반대이고 픽셀들(PX)의 복조 동작들이 수행되는 방향들은 서로 반대일 수 있다. 예를 들어, 행과 열(R4, C4), 행과 열(R4, C3), 행과 열(R4, C2), 그리고 행과 열(R4, C1)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP)은 서로 겹치지 않을 수 있고 행(R1)에 대한 광 스캐닝의 방향과 반대인 방향에 따라 순차적으로 위치할 수 있다.
도 9b를 참조하면, 도 9a의 노멀 독출 동작과 달리, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 롤링 독출 동작을 수행할 수 있다. 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 노출 구간이 종료되면, 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 독출 동작이 개시될 수 있다. 도 7c와 유사하게, 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)은 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 순차적으로 출력할 수 있다. 도 9c를 참조하면, 도 9b와 달리, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 글로벌 독출 동작을 수행할 수 있다. 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간들(RO)은 서로 겹칠 수 있다. 도 7d와 유사하게 행들(R1~R4)에 배치되는 픽셀들(PX)은 서로 겹치는 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 한꺼번에 출력할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 픽셀들(PX)의 노출 구간들은 서로 겹치지 않을 수 있다. 예를 들어, ToF 센서(140a/140b)는 열 방향(D2)으로 오버플로우 게이트 신호들(OG)을 픽셀 어레이(141)로 전송하는 오버플로우 게이트 드라이버(미도시)를 더 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 오버플로우 게이트 드라이버는 ToF 센서(140b)의 포토 게이트 구동기(143)에 통합될 수도 있다. 오버플로우 게이트 신호들(OG)이 열 방향(D2)으로 전송되면, 포토 게이트 신호들(PGA~PGB/PGA~PGD)은 행 방향(D1) 또는 열 방향(D2) 중 어느 방향으로 전송되어도 무방하다.
도 9d 내지 도 9f를 참조하면, 동일한 행(R1/R2/R3/R4)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간들은 서로 겹칠 수 있다. 상술한 점을 제외하면, 도 9d 내지 도 9f의 타이밍도들은 도 9a 내지 도 9c의 타이밍도들과 각각 유사할 수 있다. 예를 들어, ToF 센서(140a/140b)의 행 구동기(142)는 행 방향(R1)으로 오버플로우 게이트 신호들(OG)을 픽셀 어레이(141)로 전송할 수 있다.
도 10a 내지 도 10f는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향과 열 방향의 2차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 컨트롤러(150)는 광원(110) 및 광학 장치(120)를 제어하여 행 방향(D1)과 열 방향(D2)의 2차원으로 광 스캐닝을 수행할 수 있다. 행과 열(R1, C1), 행과 열(R1, C2), 행과 열(R1, C3), 그리고 행과 열(R1, C4)에 배치된 픽셀들(PX)로 레이저 빔들이 순차적으로 입사되고, 그 다음 행과 열(R2, C1), 행과 열(R2, C2), 행과 열(R2, C3), 그리고 행과 열(R2, C4)에 배치된 픽셀들(PX)로 레이저 빔들이 순차적으로 입사될 수 있다. 유사한 방식으로, 나머지 픽셀들(PX)에도 레이저 빔들이 순차적으로 입사될 수 있다. 예를 들어, 광 스캐닝의 방향은 도 9a 내지 도 9f에서 전술한 사형 방향이 아닌 지그재그(zigzag) 방향일 수 있다. 도 10a를 참조하면, 컨트롤러(150)에 의해 수행되는 광 스캐닝의 방향(즉, 지그재그 방향)에 따라, 구성 요소들(142~146)은 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)을 제어할 수 있다. 행과 열(R1, C1), 행과 열(R1, C2), 행과 열(R1, C3), 그리고 행과 열(R1, C4)에 배치된 픽셀들(PX)은 리셋 구간들(RST) 동안 리셋되고, 노출 구간들(EXP) 동안 순차적으로 레이저 빔들에 노출되고 전하들을 집적할 수 있고, 그리고 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 출력할 수 있다. 나머지 픽셀들(PX)도 행과 열(R1, C1), 행과 열(R1, C2), 행과 열(R1, C3), 그리고 행과 열(R1, C4)에 배치된 픽셀들(PX)과 유사하게 리셋, 노출, 및 독출 동작들을 수행할 수 있다. 광 스캐닝의 방향과 픽셀들(PX)의 제어 방향을 제외하면, 도 10a 내지 도 10f의 타이밍도들은 도 9a 내지 도 9f의 타이밍도들과 유사할 수 있다.
도 11a 내지 도 11f는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향과 열 방향의 2차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 9a 내지 도 10f에서 광 신호(RL)의 레이저 빔의 크기는 하나의 픽셀(PX)에 대응하거나 작을 수 있다. 반면에, 도 11a 내지 도 11f에서, 레이저 빔의 크기는 하나의 픽셀(PX)보다 클 수 있고 예를 들어 2x2 픽셀들(PX)에 대응할 수 있다. 레이저 빔의 크기는 상술한 예시로 한정되지 않으며 mXn 픽셀들(m과 n은 각각 1 이상의 정수)에 대응할 수 있다. 레이저 빔의 크기를 제외하면, 도 9a 내지 도 9f와 유사하게, 컨트롤러(150)는 광원(110) 및 광학 장치(120)를 제어하여 행 방향(D1)과 열 방향(D2)의 2차원으로 광 스캐닝을 수행할 수 있다. 행들과 열들(R1, R2, C1, C2), 행들과 열들(R1, R2, C3, C4), 행들과 열들(R1, R2, C5, C6), 그리고 행들과 열들(R1, R2, C7, C8)에 배치된 픽셀들(PX)로 레이저 빔들이 순차적으로 입사되고, 그 다음 행들과 열들(R3, R4, C7, C8), 행들과 열들(R3, R4, C5, C6), 행들과 열들(R3, R4, C3, C4), 그리고 행들과 열들(R3, R4, C1, C2)에 배치된 픽셀들(PX)로 레이저 빔들이 순차적으로 입사될 수 있다. 유사한 방식으로, 나머지 픽셀들(PX)에도 레이저 빔들이 순차적으로 입사될 수 있다. 예를 들어, 광 스캐닝의 방향은 사형 방향일 수 있다.
도 11a를 참조하면, 컨트롤러(150)에 의해 수행되는 광 스캐닝의 방향(즉, 사형 방향)에 따라, 구성 요소들(142~146)은 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)을 제어할 수 있다. 행들(R1, R2)에 배치된 픽셀들(PX)은 리셋 구간들(RST) 동안 리셋되고 행 방향(D1)으로 노출 구간들(EXP) 동안 순차적으로 레이저 빔들에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다. 행(R1)에 배치된 픽셀들(PX)은 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 출력할 수 있고 그 다음 행(R2)에 배치된 픽셀들(PX)은 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 열들(C1~C8)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP)은 서로 겹치지 않을 수 있고 광 스캐닝의 방향에 따라 순차적으로 위치할 수 있다. 다른 예를 들어, 도 11a의 도시와 달리, 행들과 열들(R1, R2, C1, C2)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP)은 서로 겹칠 수 있고, 행들과 열들(R1, R2, C3, C4)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP)은 서로 겹칠 수 있고, 행들과 열들(R1, R2, C5, C6)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP)은 서로 겹칠 수 있고, 행들과 열들(R1, R2, C7, C8)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP)은 서로 겹칠 수 있다. 행들과 열들(R1, R2, C1, C2)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP), 행들과 열들(R1, R2, C3, C4)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP), 행들과 열들(R1, R2, C5, C6)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP), 및 행들과 열들(R1, R2, C7, C8)에 배치된 픽셀들(PX)의 노출 구간들(EXP)은 서로 겹치지 않을 수 있다. 행들(R3~R4)에 배치된 나머지 픽셀들(PX)도 행들(R1, R2)에 배치된 픽셀들(PX)과 유사하게 리셋, 노출, 및 독출 동작들을 수행할 수 있다. 행들(R7, R8)에 배치된 픽셀들(PX)은 리셋 구간들(RST) 동안 리셋되고 행 방향(D1)과 반대 방향으로 노출 구간들(EXP) 동안 순차적으로 레이저 빔들에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다.
도 11b를 참조하면, 도 11a의 노멀 독출 동작과 달리, 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 롤링 독출 동작을 수행할 수 있다. 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 노출 구간이 종료되면, 픽셀 어레이(141)의 전체 픽셀들(PX)의 독출 동작이 개시될 수 있다. 도 7c와 유사하게, 행들(R1~R8)에 배치되는 픽셀들(PX)은 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 순차적으로 출력할 수 있다. 도 11c를 참조하면, 도 11b와 달리, 행들(R1~R8)에 배치되는 픽셀들(PX)의 독출 구간들(RO)은 서로 겹칠 수 있다. 도 7d와 유사하게 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)은 글로벌 독출 동작을 수행할 수 있다. 행들(R1~R8)에 배치되는 픽셀들(PX)은 서로 겹치는 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 한꺼번에 출력할 수 있다. 도 9a 내지 도 9c에서 전술한대로, ToF 센서(140a/140b)는 방향(D2)으로 오버플로우 게이트 신호들(OG)을 픽셀 어레이(141)로 전송하는 오버플로우 게이트 드라이버(미도시)를 더 포함할 수 있거나 또는 오버플로우 게이트 드라이버는 ToF 센서(140b)의 포토 게이트 구동기(143)에 통합될 수도 있다.
도 11d 내지 도 11f를 참조하면, 행들(예를 들어, (R1, R2), (R3, R4), (R5, R6), 및 (R7, R8) 중 어느 하나)에 배치되는 픽셀들(PX)의 노출 구간들은 서로 겹칠 수 있다. 상술한 점을 제외하면, 도 11d 내지 도 11f의 타이밍도들은 도 11a 내지 도 11c의 타이밍도들과 각각 유사할 수 있다. 도 9d 내지 도 9f에서 전술한대로, ToF 센서(140a/140b)의 행 구동기(142)는 행 방향(R1)으로 오버플로우 게이트 신호들(OG)을 픽셀 어레이(141)로 전송할 수 있다.
도 12a 내지 도 12f는 도 1의 전자 장치에 의해 수행되는 행 방향과 열 방향의 2차원 광 스캐닝 및 픽셀 어레이 스캐닝의 예시들을 각각 도시한다. 도 12a 내지 도 12f에서도, 레이저 빔의 크기는 하나의 픽셀(PX)보다 클 수 있고 예를 들어 2x2 픽셀들(PX)에 대응할 수 있다. 레이저 빔의 크기를 제외하면, 도 10a 내지 도 10f와 유사하게, 컨트롤러(150)는 광원(110) 및 광학 장치(120)를 제어하여 행 방향(D1)과 열 방향(D2)의 2차원으로 광 스캐닝을 수행할 수 있다. 행들과 열들(R1, R2, C1, C2), 행들과 열들(R1, R2, C3, C4), 행들과 열들(R1, R2, C5, C6), 그리고 행들과 열들(R1, R2, C7, C8)에 배치된 픽셀들(PX)로 레이저 빔들이 순차적으로 입사되고, 그 다음 행들과 열들(R3, R4, C1, C2), 행들과 열들(R3, R4, C3, C4), 행들과 열들(R3, R4, C5, C6), 그리고 행들과 열들(R3, R4, C7, C8)에 배치된 픽셀들(PX)로 레이저 빔들이 순차적으로 입사될 수 있다. 유사한 방식으로, 나머지 픽셀들(PX)에도 레이저 빔들이 순차적으로 입사될 수 있다. 예를 들어, 광 스캐닝의 방향은 도 11a 내지 도 11f에서 전술한 사형 방향이 아닌 지그재그 방향일 수 있다. 도 12a를 참조하면, 컨트롤러(150)에 의해 수행되는 광 스캐닝의 방향(즉, 지그재그 방향)에 따라, 구성 요소들(142~146)은 픽셀 어레이(141)의 픽셀들(PX)을 제어할 수 있다. 행들(R1, R2)에 배치된 픽셀들(PX)은 리셋 구간들(RST) 동안 리셋되고 행 방향(D1)으로 노출 구간들(EXP) 동안 순차적으로 레이저 빔들에 노출되고 전하들을 집적할 수 있다. 행(R1)에 배치된 픽셀들(PX)은 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 출력할 수 있고 그 다음 행(R2)에 배치된 픽셀들(PX)은 독출 구간들(RO) 동안 출력 신호들(OUT1~OUT2/OUT1~OUT4)을 출력할 수 있다. 나머지 픽셀들(PX)도 나머지 픽셀들(PX)도 행들(R1, R2)에 배치된 픽셀들(PX)과 유사하게 리셋, 노출, 및 독출 동작들을 수행할 수 있다. 광 스캐닝의 방향과 픽셀들(PX)의 제어 방향을 제외하면, 도 12a 내지 도 12f의 타이밍도들은 도 11a 내지 도 11f의 타이밍도들과 유사할 수 있다.
도 7a 도 12f의 타이밍도들에서 도시된 노출 구간(RST), 노출 구간(EXP), 및 독출 구간(RO)에서 해당 픽셀(PX)의 동작은 도 5a 내지 도 6b에서 전술되었다. 도 7a 도 12f의 타이밍도들에서 점선으로 표시된 구간에서는 해당 픽셀(PX)의 오버플로우 트랜지스터(OF)는 활성화된 오버플로우 게이트 신호(OF)에 의해 턴 온되고 포토 트랜지스터들(PA, PB)에 의해 집적된 전하들을 제거할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 패키지 모듈의 단면도를 예시적으로 도시한다. 반도체 패키지 모듈(1000)에서는 패키지 기판(1100) 상에 반도체 패키지(1200)가 접착막(1110)에 의해 부착될 수 있다. 반도체 패키지(1200)는 반도체 칩(1210), 반도체 칩(1210) 아래에 실장된 반도체 칩(1220), 및 반도체 칩(1220) 아래에 실장된 반도체 칩(1230)을 포함할 수 있다. 반도체 칩들(1210, 1220, 1230)은 서로 다른 기능을 가질 수 있다. 반도체 칩(1210)과 반도체 칩(1220)은 서로 동일한 폭을 가질 수 있다. 반도체 칩(1210)과 반도체 칩(1220)의 측벽들은 수직적으로 서로 정렬될 수 있다. 반도체 칩(1210)과 반도체 칩(1220)은 서로 접할 수 있다. 반도체 칩(1220) 아래에는 재배선 패턴(1221)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 반도체 칩(1210)은 도 1 내지 도 12f를 참조하여 설명된 ToF 센서(140)를 포함하는 ToF 센서 칩일 수 있다. 반도체 칩(1220)은 반도체 칩(1210)을 구동하기 위한 로직 칩일 수 있다. 다른 예를 들어, 반도체 칩(1210)은 도 1 내지 도 12f를 참조하여 설명된 ToF 센서(140)의 픽셀 어레이(141)를 포함할 수 있고 반도체 칩(1220)는 ToF 센서(140)의 나머지 구성 요소들(142~146)을 포함할 수 있다. 반도체 칩(1230)의 폭은 반도체 칩(1220)의 폭 보다 좁을 수 있다. 반도체 칩(1230)의 측벽은 수직적으로 반도체 칩(1220)의 측벽과 정렬되지 않을 수 있다. 예를 들어, 반도체 칩(1230)은 반도체 칩(1210) 또는 반도체 칩(1220)에서 생성된 데이터를 저장하기 위한 메모리 칩일 수 있다. 반도체 칩(1230)의 측면은 몰드막(1240)으로 덮일 수 있다. ToF 센서 칩에 로직 칩이 본딩되어 있고 로직 칩에 메모리 칩이 플립칩 본딩 방식으로 본딩될 수 있다. 이는 메모리 칩이 ToF 센서 칩과 멀리 떨어져 있는 경우에 비하여 빠른 판독 기능을 제공할 수 있다. 메모리 칩이 디램(dynamic random access memory)인 경우 대량 생산하여 원가를 낮추기 위해 입출력 단자들의 위치와 규격이 표준화되어 있을 수 있다. 이 경우 로직 칩과 디램 칩과 크기가 다르고 입출력 단자들의 위치가 서로 맞지 않을 수 있다. 로직 칩일 수 있는 반도체 칩(1220)은 재배선 패턴(1221)을 포함함으로써 반도체 칩(1220)과 반도체 칩(1230) 간의 연결을 위한 배선 자유도를 증가시킬 수 있다. 반도체 칩(1210)의 상부 도전 패드(1211)와 패키지 기판(1100)은 와이어(1212)로 연결될 수 있다. 패키지 기판(1100) 상에는 홀더(1300)가 배치될 수 있다. 홀더(1300)는 반도체 패키지(1200)과 이격될 수 있다. 홀더(1300)는 접착막(1310)에 의해 패키지 기판(1100)에 부착될 수 있다. 홀더(1300)는 평면적으로 폐곡선 형태를 가질 수 있다. 홀더(1300)는 반도체 패키지(1200)의 가장자리에 인접하며 중공의 구조를 가질 수 있다. 홀더(1300)는 폴리아미드와 같은 고분자 물질로 형성될 수 있다. 홀더(1300) 상에는 투명 기판(1400)이 배치될 수 있다. 투명 기판(1400)은 투명한 유리나 플라스틱 등으로 형성될 수 있다. 투명 기판(1400)은 반도체 패키지(1200)와 이격되어 빈 공간(S)을 제공할 수 있다. 패키지 기판(1100)의 하부에는 솔더 범프(1120)가 부착될 수 있다. 투명 기판(1400) 상에는 렌즈부(130)에 해당하는 복수의 렌즈들(1500, 1600), 스페이서(1700) 및 차단막(1510)이 배치될 수 있다. 도 14는 도 1의 전자 장치의 적용 예시를 예시적으로 도시한다. 도 1의 전자 장치(100)는 도 14의 전자 장치(2000)로 구현되거나 적용될 수 있다. 전자 장치(2000)는 컴퓨팅 시스템, 메모리 시스템, 전자 시스템, 통신 시스템 등으로도 지칭될 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(2000)는 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 모바일 장치, 스마트폰, PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Media Player), 웨어러블(Wearable) 장치, 비디오 게임기(Video Game Console), 워크스테이션, 서버(Server), MIPI 연합(Mobile Industry Processor Interface Alliance)에 의해 제안된 인터페이스 규약을 이용하거나 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 가전 기기, 블랙박스, 드론 등일 수 있다. 전자 장치(2000)는 시스템 온 칩(2100), 디스플레이(2220), 및 이미지 센서(2230)를 포함할 수 있다. 시스템 온 칩(2100)은 DigRF 마스터(2110), DSI(Display Serial Interface) 호스트(2120), CSI(Camera Serial Interface) 호스트(2130), 및 물리 계층(2140)을 더 포함할 수 있다. DSI 호스트(2120)는 DSI에 따라 디스플레이(2220)의 DSI 장치(2225)와 통신할 수 있다. DSI 호스트(2120)에는 시리얼라이저(SER)가 구현될 수 있고, DSI 장치(2225)에는 디시리얼라이저(DES)가 구현될 수 있다. CSI 호스트(2130)는 CSI에 따라 이미지 센서(2230)의 CSI 장치(2235)와 통신할 수 있다. CSI 호스트(2130)에는 디시리얼라이저(DES)가 구현될 수 있고, CSI 장치(2235)에는 시리얼라이저(SER)가 구현될 수 있다. 이미지 센서(2230)는 도 1 내지 도 12f에서 전술한 ToF 센서(140) 또는 반도체 패키지 모듈(1000)일 수 있다. 전자 장치(2000)는 시스템 온 칩(2100)과 통신하는 RF(Radio Frequency) 칩(2240)을 더 포함할 수 있다. RF 칩(2240)은 물리 계층(2242), DigRF 슬레이브(2244), 및 안테나(2246)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 물리 계층(2242)과 물리 계층(2140)은 MIPI 연합에 의해 제안된 DigRF 인터페이스에 의해 서로 데이터를 교환할 수 있다. 전자 장치(2000)는 워킹 메모리(2250) 및 임베디드/카드 저장 장치(2255)를 더 포함할 수 있다. 워킹 메모리(2250) 및 임베디드/카드 저장 장치(2255)는 시스템 온 칩(2100)에 관한 데이터를 저장하거나 출력할 수 있다. 임베디드 저장 장치(2255)는 전자 장치(2000) 내에 내장될 수 있고 그리고 카드 저장 장치(2255)는 착탈식(removable) 장치로서 전자 장치(2000)에 장착될 수 있다. 전자 장치(2000)는 Wimax(World Interoperability for Microwave Access, 2260), WLAN(Wireless Local Area Network, 2262), UWB(Ultra Wideband, 2264) 등과 같은 통신 모듈을 통해 외부 장치/시스템과 통신할 수 있다. 전자 장치(2000)는 스피커(2270), 마이크(2275), GPS(Global Positioning System) 장치(2280), 및 브릿지(Bridge) 칩(2290)을 더 포함할 수 있다.

Claims (22)

  1. 픽셀 어레이를 포함하는 ToF(time of flight) 센서;
    광 신호들을 방출하는 광원; 및
    각각이 상기 픽셀 어레이의 픽셀들을 포함하는 복수의 픽셀 블록들에 대응하는 객체의 영역들로 상기 광 신호들을 조사하는 광학 장치를 포함하되, 상기 픽셀들 각각은:
    각각이 포토 트랜지스터, 상기 포토 트랜지스터에 연결된 제 1 전송 트랜지스터, 상기 제 1 전송 트랜지스터에 연결된 스토리지 소자, 상기 스토리지 소자에 연결된 제 2 전송 트랜지스터, 상기 제 2 전송 트랜지스터에 연결된 플로팅 확산 영역, 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결된 독출 회로를 포함하는 복수의 탭들; 및
    상기 포토 트랜지스터와 인접하게 배치되고 전원 전압에 연결된 오버플로우 트랜지스터를 포함하는 전자 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 신호들에 동기된 포토 게이트 신호는 상기 픽셀들의 배치 방향인 제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향 중 하나의 방향으로 상기 포토 트랜지스터로 전송되는 전자 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 포토 게이트 신호가 전송되는 상기 방향은 상기 객체로부터 반사된 상기 광 신호들이 상기 픽셀 어레이로 순차적으로 입사되는 방향에 대응하는 전자 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 상기 광 신호들의 조사 방향들을 제어하여 상기 객체에 대한 1차원 광 스캐닝을 수행하는 전자 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 블록들은 상기 픽셀들이고 적어도 하나의 제 1 행에 배치되는 제 1 픽셀들을 포함하는 제 1 픽셀 블록 그리고 상기 픽셀들이고 적어도 하나의 제 2 행에 배치되는 제 2 픽셀들을 포함하는 제 2 픽셀 블록을 포함하는 전자 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 픽셀들은 제 1 리셋 구간 동안 리셋되고, 제 1 노출 구간 동안 전하들을 집적하고, 그리고 제 1 독출 구간 동안 제 1 출력 신호들을 출력하고, 그리고
    상기 제 2 픽셀들은 제 2 리셋 구간 동안 리셋되고, 제 2 노출 구간 동안 전하들을 집적하고, 그리고 제 2 독출 구간 동안 제 2 출력 신호들을 출력하는 전자 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 독출 구간은 상기 제 1 노출 구간과 상기 제 2 노출 구간 사이에 위치하고, 그리고
    상기 제 2 독출 구간은 상기 제 2 노출 구간 이후에 위치하는 전자 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 독출 구간은 상기 제 2 노출 구간 이후에 위치하고, 그리고
    상기 제 2 독출 구간은 상기 제 1 독출 구간 이후에 위치하는 전자 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 독출 구간과 상기 제 2 독출 구간은 서로 겹치고 상기 제 2 노출 구간 이후에 위치하는 전자 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 노출 구간 동안 상기 제 1 픽셀들 각각의 상기 포토 트랜지스터로 전송되는 상기 포토 게이트 신호의 제 1 주파수는, 상기 제 2 노출 구간 동안 상기 제 2 픽셀들 각각의 상기 포토 트랜지스터로 전송되는 상기 포토 게이트 신호의 제 2 주파수와 다른 전자 장치.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 노출 구간 동안 상기 제 1 픽셀들 각각의 상기 포토 트랜지스터로 전송되는 상기 포토 게이트 신호와 상기 광 신호들 중 제 1 광 신호 간의 제 1 시차는, 상기 제 2 노출 구간 동안 상기 제 2 픽셀들 각각의 상기 포토 트랜지스터로 전송되는 상기 포토 게이트 신호와 상기 광 신호들 중 제 2 광 신호 간의 제 2 시차와 다른 전자 장치.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 블록들은 상기 픽셀들이고 제 1 열에 배치되는 제 1 픽셀들을 포함하는 제 1 픽셀 블록을 포함하고,
    상기 제 1 픽셀들은 제 1 리셋 구간 동안 리셋되고, 제 1 노출 구간 동안 전하들을 집적하고, 그리고 복수의 제 1 독출 구간들 동안 제 1 출력 신호들을 순차적으로 출력하는 전자 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 블록들은 상기 픽셀들이고 제 1 방향으로 배치되는 제 1 픽셀들을 포함하는 제 1 픽셀 블록 그리고 상기 픽셀들이고 상기 제 1 방향으로 배치되는 제 2 픽셀들을 포함하는 제 2 픽셀 블록을 포함하고,
    상기 광학 장치는 상기 광 신호들의 조사 방향들을 제어하여 상기 객체에 대한 2차원 스캐닝을 수행하고, 그리고
    상기 객체로부터 반사된 상기 광 신호들은 순차적으로 상기 제 1 방향으로 상기 제 1 픽셀들로 입사되는 전자 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 객체로부터 반사된 상기 광 신호들은 순차적으로 상기 제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향 중 어느 하나의 방향으로 상기 제 2 픽셀들로 입사되는 전자 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    오버플로우 게이트 신호는 상기 제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 수직한 제 2 방향 중 하나의 방향으로 상기 오버플로우 트랜지스터로 전송되는 전자 장치.
  16. 픽셀 어레이를 포함하는 ToF(time of flight) 센서;
    제 1 광 신호와 제 2 광 신호를 방출하는 광원; 및
    상기 픽셀 어레이의 제 1 픽셀 블록에 대응하는 객체의 제 1 영역으로 상기 제 1 광 신호를 조사하고 그리고 상기 픽셀 어레이의 제 2 픽셀 블록에 대응하는 상기 객체의 제 2 영역으로 상기 제 2 광 신호를 조사하는 광학 장치를 포함하되,
    상기 제 1 픽셀 블록의 픽셀들은 제 1 방향으로 배치되고, 상기 제 2 픽셀 블록의 픽셀들은 상기 제 1 방향으로 배치되고, 그리고 상기 제 1 및 제 2 픽셀 블록들은 제 2 방향으로 배치되고, 그리고
    상기 픽셀들 각각은:
    각각이 포토 트랜지스터, 상기 포토 트랜지스터에 연결된 제 1 전송 트랜지스터, 상기 제 1 전송 트랜지스터에 연결된 스토리지 소자, 상기 스토리지 소자에 연결된 제 2 전송 트랜지스터, 상기 제 2 전송 트랜지스터에 연결된 플로팅 확산 영역, 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결된 독출 회로를 포함하는 복수의 탭들; 및
    상기 포토 트랜지스터와 인접하게 배치되고 전원 전압에 연결된 오버플로우 트랜지스터를 포함하는 전자 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 MEMS(micro-electro-mechanical system) 거울 및 회전 프리즘(rotating prism) 중 하나를 포함하는 전자 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 광원은 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser) 어레이를 포함하고, 그리고
    상기 광학 장치는 투영 광학 장치인 전자 장치.
  19. 광 신호들을 방출하는 광원;
    상기 광 신호들의 조사 방향들을 제어하여 객체에 대한 스캐닝을 수행하는 광학 장치;
    상기 스캐닝의 방향에 기초하여 상기 객체로부터 반사된 상기 광 신호들을 복조하는 복수의 픽셀 블록들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하는 ToF(time of flight) 센서, 상기 복수의 픽셀 블록들 각각의 픽셀들 각각은:
    각각이 포토 트랜지스터, 상기 포토 트랜지스터에 연결된 제 1 전송 트랜지스터, 상기 제 1 전송 트랜지스터에 연결된 스토리지 소자, 상기 스토리지 소자에 연결된 제 2 전송 트랜지스터, 상기 제 2 전송 트랜지스터에 연결된 플로팅 확산 영역, 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결된 독출 회로를 포함하는 복수의 탭들; 및
    상기 포토 트랜지스터와 인접하게 배치되고 전원 전압에 연결된 오버플로우 트랜지스터를 포함하는 라이다(LIDAR; light detection and ranging) 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 블록들 각각의 상기 픽셀들은 적어도 하나의 라인에 배치되는 라이다 시스템.
  21. 픽셀 어레이를 포함하는 ToF(time of flight) 센서;
    광 신호들을 방출하는 광원; 및
    각각이 상기 픽셀 어레이의 픽셀들을 포함하는 복수의 픽셀 블록들에 대응하는 객체의 영역들로 상기 광 신호들을 조사하는 광학 장치를 포함하되, 상기 픽셀들 각각은:
    각각이 포토 트랜지스터, 플로팅 확산 영역 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결된 독출 회로를 포함하는 복수의 탭들; 및
    상기 포토 트랜지스터와 인접하게 배치되고 전원 전압에 연결된 오버플로우 트랜지스터를 포함하고,
    상기 ToF 센서는:
    상기 오버플로우 트랜지스터를 제어하고 제 1 방향으로 배치되는 제 1 구동기; 및
    상기 독출 회로의 독출 동작을 제어하고 제 2 방향으로 배치되는 제 2 구동기를 포함하는 전자 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 복수의 탭들 각각은 상기 포토 트랜지스터 및 플로팅 확산 영역 사이에 배치되는 제 1 전송 트랜지스터, 상기 제 1 전송 트랜지스터에 연결된 스토리지 소자, 상기 스토리지 소자에 연결된 제 2 전송 트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 제 1 구동기는 상기 제 1 방향으로 상기 오버플로우 트랜지스터를 제어하고, 그리고
    상기 ToF 센서는 상기 제 1 방향으로 상기 제 1 전송 트랜지스터와 상기 스토리지 소자를 제어하는 제 3 구동기를 더 포함하는 전자 장치.
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