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KR20210156467A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20210156467A
KR20210156467A KR1020200074099A KR20200074099A KR20210156467A KR 20210156467 A KR20210156467 A KR 20210156467A KR 1020200074099 A KR1020200074099 A KR 1020200074099A KR 20200074099 A KR20200074099 A KR 20200074099A KR 20210156467 A KR20210156467 A KR 20210156467A
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KR
South Korea
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capacitor
pixel
exposure time
circuit
pixels
Prior art date
Application number
KR1020200074099A
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English (en)
Inventor
심희성
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Priority to CN202110680564.4A priority patent/CN113824904A/zh
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함한다. 픽셀들 각각은, 빛에 반응하여 전하를 생성하는 적어도 하나의 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드와 상기 전하가 축적되는 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결되는 전송 소자, 및 상기 플로팅 디퓨전 노드에 연결되는 구동 소자를 포함하는 픽셀 회로, 제1 칼럼 라인 및 상기 픽셀 회로 사이에 연결되며, 상기 구동 소자의 출력단에 연결되는 제1 스위치 소자, 상기 제1 스위치 소자에 연결되는 제1 고정 커패시터, 제1 인에이블 소자의 온/오프에 따라 상기 제1 스위치 소자와 연결 또는 분리되는 제1 가변 커패시터, 및 상기 제1 스위치 소자와 상기 제1 칼럼 라인 사이에 연결되는 제1 선택 소자를 포함하는 제1 출력 회로, 및 상기 제1 칼럼 라인과 다른 제2 칼럼 라인 및 상기 픽셀 회로 사이에 연결되며, 상기 구동 소자의 출력단에 연결되는 제2 스위치 소자, 상기 제2 스위치 소자에 연결되는 제2 고정 커패시터, 제2 인에이블 소자의 온/오프에 따라 상기 제2 스위치 소자와 연결 또는 분리되는 제2 가변 커패시터, 및 상기 제2 스위치 소자와 상기 제2 칼럼 라인 사이에 연결되는 제2 선택 소자를 포함하는 제2 출력 회로를 포함한다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛을 받아들여 전기 신호를 생성하는 반도체 기반의 센서로서, 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이와, 픽셀 어레이를 구동하고 이미지 데이터를 생성하는 로직 회로 등을 포함할 수 있다. 로직 회로는 복수의 픽셀들을 동시에 빛에 노출시켜 이미지 데이터를 획득하는 글로벌 셔터 방식으로 이미지 센서를 제어할 수 있다. 글로벌 셔터 방식으로 동작하는 이미지 센서는 젤로 효과(jello effect)를 제거할 수 있으며, 피사체의 정확한 형상을 캡쳐하여 이미지 데이터로 출력할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 글로벌 셔터 방식으로 동작할 수 있도록 픽셀들 각각에 커패시터들을 배치하고 커패시터들의 용량을 필요에 따라 가변함으로써, 노이즈 특성과 동작 속도, 및 결과 이미지의 품질을 개선할 수 있는 이미지 센서를 제공하고자 하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함한다. 픽셀들 각각은, 빛에 반응하여 전하를 생성하는 적어도 하나의 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드와 상기 전하가 축적되는 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결되는 전송 소자, 및 상기 플로팅 디퓨전 노드에 연결되는 구동 소자를 포함하는 픽셀 회로, 제1 칼럼 라인 및 상기 픽셀 회로 사이에 연결되며, 상기 구동 소자의 출력단에 연결되는 제1 스위치 소자, 상기 제1 스위치 소자에 연결되는 제1 고정 커패시터, 제1 인에이블 소자의 온/오프에 따라 상기 제1 스위치 소자와 연결 또는 분리되는 제1 가변 커패시터, 및 상기 제1 스위치 소자와 상기 제1 칼럼 라인 사이에 연결되는 제1 선택 소자를 포함하는 제1 출력 회로, 및 상기 제1 칼럼 라인과 다른 제2 칼럼 라인 및 상기 픽셀 회로 사이에 연결되며, 상기 구동 소자의 출력단에 연결되는 제2 스위치 소자, 상기 제2 스위치 소자에 연결되는 제2 고정 커패시터, 제2 인에이블 소자의 온/오프에 따라 상기 제2 스위치 소자와 연결 또는 분리되는 제2 가변 커패시터, 및 상기 제2 스위치 소자와 상기 제2 칼럼 라인 사이에 연결되는 제2 선택 소자를 포함하는 제2 출력 회로를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 픽셀 어레이를 구동하여 이미지 데이터를 획득하는 로직 회로를 포함하며, 상기 픽셀들 각각은, 빛에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드, 및 상기 포토 다이오드가 생성한 전하가 축적되는 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결되는 전송 소자, 상기 플로팅 디퓨전 노드에 연결되며, 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압을 증폭시켜 출력 전압을 생성하는 구동 소자, 제1 칼럼 라인과 상기 구동 소자 사이에 연결되며, 제1 스위치 소자, 상기 제1 스위치 소자에 연결되는 제1 커패시터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 제1 칼럼 라인 사이에 연결되는 제1 선택 소자를 갖는 제1 출력 회로, 제1 칼럼 라인과 다른 제2 칼럼 라인과 상기 구동 소자 사이에 연결되며, 제2 스위치 소자, 상기 제2 스위치 소자에 연결되는 제2 커패시터, 및 상기 제2 커패시터와 상기 제2 칼럼 라인 사이에 연결되는 제2 선택 소자를 갖는 제2 출력 회로를 포함하며, 상기 로직 회로는, 빛의 세기가 제1 세기이면 상기 제1 커패시터를 제1 용량으로 설정하고, 상기 빛의 세기가 상기 제1 세기보다 큰 제2 세기이면 상기 제1 커패시터를 상기 제1 용량보다 작은 제2 용량으로 설정한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 소정의 노출 시간 동안 상기 픽셀들을 동시에 빛에 노출시키고 이미지 데이터를 획득하는 로직 회로를 포함하며, 상기 픽셀들 각각은, 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드와 연결되며, 리셋 전압 및 픽셀 전압을 생성하는 픽셀 회로, 상기 리셋 전압을 저장하는 제1 커패시터를 포함하며, 제1 칼럼 라인과 상기 픽셀 회로 사이에 연결되는 제1 출력 회로, 및 상기 픽셀 전압을 저장하는 제2 커패시터를 포함하며, 제2 칼럼 라인과 상기 픽셀 회로 사이에 연결되는 제2 출력 회로를 포함하고, 상기 로직 회로는, 상기 노출 시간에 기초하여 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 각각의 용량을 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 픽셀들은 노출 시간 동안 동시에 빛에 노출되며, 노출 시간 동안 생성되는 전하는 픽셀들 각각의 커패시터들에 저장될 수 있다. 이미지 센서로 입사되는 빛의 세기, 또는 이미지 센서와 연동되어 동작하는 적외선 광원과 주변 광의 세기 등의 촬영 환경에 따라 커패시터들의 용량을 조절함으로써, 이미지 센서의 노이즈 특성과 동작 속도, 및 이미지 센서가 출력하는 결과 이미지의 품질을 개선할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들 중 일부를 나타낸 도면이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들 중 일부를 나타낸 도면이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들 중 일부를 나타낸 도면들이다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(1)는 픽셀 어레이(10)와 로직 회로(20) 등을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(10)는 복수의 행들과 복수의 열들을 따라서 어레이 형태로 배치되는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX) 각각은 빛에 응답하여 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환 소자, 및 광전 변환 소자가 생성한 전하에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 복수의 소자들을 포함할 수 있다. 광전 변환 소자는 반도체 물질로 또는 유기 물질로 형성될 수 있으며, 일례로 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
일례로 픽셀들(PX) 각각은 플로팅 디퓨전 노드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 실시예들에 따라 픽셀들(PX)의 구성은 달라질 수 있다. 일례로, 픽셀들(PX) 각각은 유기 물질을 포함하는 유기 포토 다이오드를 포함하거나, 또는 디지털 픽셀로 구현될 수도 있다. 픽셀들(PX)이 디지털 픽셀로 구현되는 경우, 픽셀들(PX) 각각이 디지털 픽셀 신호를 출력하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다.
로직 회로(20)는 픽셀 어레이(10)를 제어하기 위한 회로들을 포함할 수 있다. 일례로, 로직 회로(20)는 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22), 칼럼 드라이버(23), 컨트롤 로직(24) 등을 포함할 수 있다. 로우 드라이버(21)는 픽셀 어레이(10)를 로우(ROW) 라인들 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(21)는 픽셀들(PX) 각각의 전송 트랜지스터를 제어하는 전송 제어 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호 등을 생성하여 픽셀 어레이(10)에 로우 라인 단위로 입력할 수 있다. 또한 로우 드라이버(21)는 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호를 픽셀 어레이(10) 전체에 동시에 입력하여, 픽셀들(PX)을 동시에 리셋하고 빛에 노출시킬 수 있다. 이 경우, 이미지 센서(1)가 글로벌 셔터 방식으로 동작할 수 있다.
리드아웃 회로(22)는 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter, ADC) 등을 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러들은, 픽셀들(PX)과 칼럼 라인들을 통해 연결될 수 있다. 실시예들에 따라, 픽셀들(PX) 각각이 둘 이상의 칼럼 라인들을 통해 둘 이상의 아날로그-디지털 컨버터들과 연결될 수도 있다. 상관 이중 샘플러들은 로우 드라이버(21)의 로우 라인 선택 신호에 의해 선택되는 로우 라인에 연결되는 픽셀들(PX)로부터, 칼럼 라인들을 통해 픽셀 신호를 읽어올 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터는 상관 이중 샘플러가 검출한 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하여 칼럼 드라이버(23)에 전달할 수 있다.
칼럼 드라이버(23)는 디지털 픽셀 신호를 임시로 저장할 수 있는 래치 또는 버퍼 회로와 증폭 회로 등을 포함할 수 있으며, 리드아웃 회로(22)로부터 수신한 디지털 픽셀 신호를 처리할 수 있다. 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)는 컨트롤 로직(24)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤 로직(24)은 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 컨트롤러 등을 포함할 수 있다.
픽셀들(PX) 중에서 제1 방향(가로 방향)으로 같은 위치에 배치되는 픽셀들(PX)은 칼럼 라인들을 서로 공유할 수 있다. 일례로, 제2 방향(세로 방향)으로 같은 위치에 배치되는 픽셀들(PX)은 리드아웃 동작에서 로우 드라이버(21)에 의해 동시에 선택되며 칼럼 라인들을 통해 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 일 실시예에서 리드아웃 회로(22)는 칼럼 라인들을 통해 로우 드라이버(21)가 선택한 픽셀들(PX)로부터 픽셀 신호를 동시에 획득할 수 있다. 픽셀 신호는 리셋 전압과 픽셀 전압을 포함할 수 있으며, 픽셀 전압은 픽셀들(PX) 각각에서 빛에 반응하여 생성된 전하가 리셋 전압에 반영된 전압일 수 있다.
이미지 센서(1)가 글로벌 셔터 방식으로 동작하는 경우, 픽셀들(PX) 각각은 리셋 전압과 픽셀 전압을 저장하기 위한 저장 소자들, 예를 들어 커패시터들을 포함할 수 있다. 커패시터들의 용량이 큰 경우, 픽셀 신호의 노이즈 특성을 개선할 수 있으나, 리셋 전압과 픽셀 전압을 커패시터들에 저장하는 데에 필요한 시간이 증가하여 이미지 센서(1)의 동작 속도가 느려질 수 있다. 반대로, 커패시터들의 용량을 줄이면 이미지 센서(1)의 동작 속도를 개선할 수 있으나 노이즈 특성이 열화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 픽셀들(PX) 각각에 포함되는 커패시터들의 용량을 조절할 수 있도록 하여, 촬영 환경에 최적화된 동작을 구현할 수 있다. 일례로, 노이즈가 크지 않을 것으로 예상되는 고조도 환경에서는 커패시터들의 용량을 줄여 이미지 센서(1)의 빠른 동작 속도를 확보하고, 저조도 환경에서는 커패시터들의 용량을 증가시켜 노이즈 특성을 개선할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 2는 이미지 센서(1)의 글로벌 셔터 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면일 수 있다. 도 1과 도 2를 함께 참조하면, 리셋 시간(TRST) 동안 픽셀 어레이(10)에 포함되는 복수의 픽셀들(PX)의 포토 다이오드들이 동시에 리셋될 수 있다. 일례로, 로우 드라이버(21)는 픽셀들(PX)에 포함되는 리셋 소자를 턴-온시켜 포토 다이오드들의 전하를 제거함으로써, 포토 다이오드들을 리셋할 수 있다.
포토 다이오드들이 리셋되면, 복수의 픽셀들(PX)에 포함되는 포토 다이오드들이 노출 시간(TEX) 동안 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다. 일례로, 노출 시간(TEX)은 이미지 센서(1)의 동작 환경, 셔터 스피드, 조리개 값 등에 의해 결정될 수 있다.
노출 시간(TEX) 동안 포토 다이오드들이 빛에 반응하여 생성한 전하는, 픽셀들(PX)에 포함되는 커패시터들에 저장될 수 있다. 따라서, 노출 시간(TEX)은 포토 다이오드들이 빛에 노출되는 시간과, 포토 다이오드들이 생성한 전하를 커패시터들에 저장하는 시간을 포함할 수 있다. 일례로, 포토 다이오드들이 생성한 전하가 반영되지 않은 리셋 전압을 제1 커패시터에 저장하고, 리셋 전압에 포토 다이오드들이 생성한 전하가 반영된 픽셀 전압은 제1 커패시터와 다른 제2 커패시터에 저장될 수 있다.
노출 시간(TEX)이 경과하면, 로우 드라이버(21)가 복수의 로우 라인들을 각각을 스캔할 수 있다. 리드아웃 회로(22)는 로우 드라이버(21)가 복수의 로우 라인들을 스캔하는 순서에 따라 복수의 픽셀들(PX) 각각에 대한 리드아웃 동작을 실행할 수 있다. 리드아웃 회로(22)는 리드아웃 시간(TRO) 동안 복수의 픽셀들(PX) 각각에 저장된 리셋 전압과 픽셀 전압을 읽어올 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 픽셀(100)은 포토 다이오드(PD)에 연결되는 픽셀 회로(105), 픽셀 회로(105)에 연결되는 제1 출력 회로(110), 및 픽셀 회로(105)에 연결되는 제2 출력 회로(120) 등을 포함할 수 있다. 제1 출력 회로(110)와 제2 출력 회로(120)는 픽셀 회로(105)에 병렬로 연결될 수 있다.
픽셀 회로(105)는 플로팅 디퓨전 노드(FD), 전송 소자(TX), 리셋 소자(RX), 구동 소자(DX) 및 바이어스 소자(BX) 등을 포함할 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하가 축적되는 노드일 수 있으며, 전송 소자(TX)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)와 포토 다이오드(PD) 사이에 연결될 수 있다. 전송 제어 신호(TG)에 의해 전송 소자(TX)가 턴-온되면, 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하가 이동하여 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 축적될 수 있다.
리셋 소자(RX)는 전원 전압(VDD)을 공급하는 전원 노드(101)와 플로팅 디퓨전 노드(FD) 사이에 연결될 수 있다. 리셋 제어 신호(RG)에 의해 리셋 소자(RX)가 턴-온되면, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하가 제거되고 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압이 리셋될 수 있다.
구동 소자(DX)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 연결되는 게이트 전극을 포함하며, 소스-팔로워 증폭기로 동작할 수 있다. 구동 소자(DX)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압을 증폭하여 출력할 수 있으며, 구동 소자(DX)의 출력단에는 제1 출력 회로(110)와 제2 출력 회로(120)가 연결될 수 있다. 또한 구동 소자(DX)는, 바이어스 전압(VBIAS)을 공급하는 바이어스 소자(BX)와 연결되며, 바이어스 소자(BX)를 통해 동작에 필요한 전류를 공급받을 수 있다. 바이어스 소자(BX)는, 바이어스 제어 신호(BG)에 의해 구동 소자(DX)가 동작하는 동안 턴-온될 수 있다.
제1 출력 회로(110)는 픽셀 회로(105)와 제1 칼럼 라인(COL1) 사이에 연결될 수 있다. 제1 출력 회로(110)는 제1 스위치 소자(SW1), 제1 고정 커패시터(MC1), 제1 가변 커패시터(VC1), 제1 선택 소자(SX1), 및 제1 출력 구동 소자(DX1) 등을 포함할 수 있다. 제1 가변 커패시터(VC1)는 제1 인에이블 소자(EX1)와 직렬로 연결되며, 제1 가변 커패시터(VC1)와 제1 인에이블 소자(EX1)는, 제1 고정 커패시터(MC1)와 병렬로 연결될 수 있다.
제1 고정 커패시터(MC1)와 제1 인에이블 소자(EX1) 및 제1 가변 커패시터(VC1)는 제1 출력 회로(110)의 제1 커패시터를 제공할 수 있다. 제1 인에이블 소자(EX1)가 턴-오프되면 제1 고정 커패시터(MC1)만 제1 스위치 소자(SW1)에 연결되고, 제1 인에이블 소자(EX1)가 턴-온되면 제1 고정 커패시터(MC1)와 제1 가변 커패시터(VC1)가 함께 제1 스위치 소자(SW1)에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 인에이블 소자(EX1)의 온/오프에 따라 제1 커패시터의 용량이 변할 수 있다.
제1 출력 구동 소자(DX1)는 전원 전압(VDD)을 입력받으며, 제1 출력 구동 소자(DX1)의 게이트는 제1 스위치 소자(SW1)에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 출력 구동 소자(DX1)는 제1 고정 커패시터(MC1) 또는 제1 고정 커패시터(MC1)와 제1 가변 커패시터(VC1)에 저장된 전압에 의해 소스-팔로워 증폭기로 동작할 수 있다. 제1 선택 소자(SX1)는 제1 칼럼 라인(COL1)과 제1 출력 구동 소자(DX1) 사이에 연결되며, 제1 선택 신호(SEL1)에 의해 제어될 수 있다.
제2 출력 회로(120)는 픽셀 회로(105)와 제2 칼럼 라인(COL2) 사이에 연결될 수 있다. 제2 출력 회로(120)는 제2 스위치 소자(SW2), 제2 고정 커패시터(MC2), 제2 가변 커패시터(VC2), 제2 선택 소자(SX2), 및 제2 출력 구동 소자(DX2) 등을 포함할 수 있다. 제2 출력 회로(120)의 구성과 동작은, 제1 출력 회로(110)와 유사할 수 있다. 일례로, 제2 고정 커패시터(MC1)와 제2 인에이블 소자(EX2) 및 제2 가변 커패시터(VC2)는 제2 출력 회로(120)의 제2 커패시터를 제공할 수 있으며, 제2 인에이블 소자(EX2)의 온/오프에 따라 제2 커패시터의 용량이 변할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 출력 회로(110)는 픽셀 회로(105)가 출력하는 리셋 전압을 샘플링할 수 있으며, 제2 출력 회로(120)는 픽셀 회로(105)가 출력하는 픽셀 전압을 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치 소자(SW1)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋되고 전송 소자(TX)가 턴-온되기 이전에 턴-온될 수 있으며, 제1 커패시터에 리셋 전압이 샘플링될 수 있다. 제2 스위치 소자(SW2)는 전송 소자(TX)가 턴-온되어 포토 다이오드(PD)의 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동한 이후에 턴-온되며, 제2 커패시터에 픽셀 전압이 샘플링될 수 있다.
제1 출력 회로(110)와 제2 출력 회로(120)는 리셋 전압과 픽셀 전압을 동시에 출력할 수 있다. 다시 말해, 제1 출력 회로(110)가 제1 칼럼 라인(COL1)으로 리셋 전압을 출력하는 동안, 제2 출력 회로(120)는 제2 칼럼 라인(COL2)으로 픽셀 전압을 출력할 수 있다. 일례로 제1 칼럼 라인(COL1)은 제1 아날로그-디지털 컨버터에 연결되고 제2 칼럼 라인(COL2)은 제2 아날로그-디지털 컨버터에 연결될 수 있다. 이미지 센서의 로직 회로는, 제1 아날로그-디지털 컨버터가 출력하는 제1 디지털 신호와, 제2 아날로그-디지털 컨버터가 출력하는 제2 디지털 신호의 차이를 연산하여 픽셀(100)의 이미지 데이터를 획득할 수 있다.
제1 고정 커패시터(MC1)는 제1 가변 커패시터(VC1)보다 작은 용량을 가질 수 있다. 마찬가지로, 제2 고정 커패시터(MC2)는 제2 가변 커패시터(VC2)보다 작은 용량을 가질 수 있다. 실시예들에 따라, 제1 고정 커패시터(MC1)와 제2 고정 커패시터(MC2)의 용량은 서로 같거나 다를 수 있다. 유사하게, 제1 가변 커패시터(VC1)와 제2 가변 커패시터(VC2)의 용량 역시 서로 같거나 다를 수 있다.
제1 출력 회로(110)를 예시로 설명하면, 제1 인에이블 소자(EX1)가 턴-오프되는 경우, 제1 스위치 소자(SW1)에 제1 고정 커패시터(MC1)만이 연결될 수 있다. 따라서, 구동 소자(DX)가 출력하는 리셋 전압을 샘플링하는 제1 출력 회로(110)의 용량이 감소하며, 샘플링 시간을 단축시킬 수 있는 반면, 제1 스위치 소자(SW1)의 온/오프 동작 등에 따른 노이즈가 증가할 수 있다. 반대로 제1 인에이블 소자(EX1)가 턴-온되면, 제1 가변 커패시터(VC1)에 의해 제1 출력 회로(110)의 용량이 증가하여 샘플링 시간이 증가하는 대신, 제1 스위치 소자(SW1)의 온/오프 동작 등에 따른 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다. 제2 출력 회로(120)의 동작 역시 마찬가지로 이해될 수 있을 것이다.
이미지 센서의 로직 회로는, 빛의 세기, 노출 시간, 감도 등 다양한 파라미터들 중 적어도 하나를 고려하여 제1 커패시터와 제2 커패시터 각각의 용량을 결정할 수 있다. 예를 들어, 빛의 세기가 제1 세기이면 제1 커패시터를 제1 용량으로 설정하고, 빛의 세기가 제1 세기보다 큰 제2 세기이면 제1 커패시터를 제1 용량보다 작은 제2 용량으로 설정할 수 있다. 유사하게, 빛의 세기가 제1 세기이면 제2 커패시터를 제3 용량으로 설정하고, 빛의 세기가 제2 세기이면 제2 커패시터를 제3 용량보다 작은 제4 용량으로 설정할 수 있다. 제1 고정 커패시터(MC1), 제1 가변 커패시터(VC1), 제2 고정 커패시터(MC2), 및 제2 가변 커패시터(VC2) 각각의 용량에 따라, 제1 내지 제4 용량 각각이 결정될 수 있다. 예시적으로, 제1 고정 커패시터(MC1)와 제2 고정 커패시터(MC2)의 용량이 서로 같고 제1 가변 커패시터(VC1)와 제2 가변 커패시터(VC2)의 용량이 서로 같으면, 제1 용량과 제3 용량이 같고 제2 용량과 제4 용량이 같을 수 있다.
다른 예시로서 로직 회로는, 노출 시간을 소정의 기준 시간과 비교하여 제1 커패시터와 제2 커패시터 각각의 용량을 설정할 수도 있다. 일례로, 노출 시간이 기준 시간보다 길면 제1 커패시터와 제2 커패시터의 용량을 크게 설정하고, 노출 시간이 기준 시간보다 짧으면 제1 커패시터와 제2 커패시터의 용량을 작게 설정할 수 있다. 또는, 감도를 나타내는 ISO 값에 따라 제1 커패시터와 제2 커패시터의 용량이 결정될 수도 있다. 일 실시예에서, ISO 값이 소정의 기준 값보다 작으면 제1 커패시터와 제2 커패시터의 용량을 감소시키고, ISO 값이 기준 값보다 크면 제1 커패시터와 제2 커패시터의 용량을 증가시킬 수 있다. 다만 이는 실시예일 뿐이며, 로직 회로가 다른 다양한 파라미터들을 고려하여 제1 커패시터와 제2 커패시터의 용량을 결정할 수도 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 이하, 설명의 편의를 위해, 도 3을 함께 참조하여 이미지 센서의 동작을 설명하기로 한다.
먼저 도 4를 참조하면, 리셋 제어 신호(RG)와 전송 제어 신호(TG)에 의해 리셋 소자(RX)와 전송 소자(TX)가 턴-온되어 플로팅 디퓨전 노드(FD) 및 포토 다이오드(PD)가 리셋될 수 있다. 리셋 소자(RX)와 전송 소자(TX)가 턴-오프되면 제1 노출 시간(EIT1)이 시작되며, 제1 노출 시간(EIT1) 동안 포토 다이오드가 빛에 반응하여 전하를 생성할 수 있다. 제1 노출 시간(EIT1) 동안 전송 소자(TX)는 턴-오프 상태를 유지하며, 리셋 소자(RX)는 적어도 한 번 이상 턴-온되어 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압을 다시 리셋할 수 있다. 리셋 소자(RX)가 턴-오프되면, 제1 스위치 제어 신호(SG1)에 의해 제1 스위치 소자(SW1)가 턴-온되어 제1 출력 회로(110)에 리셋 전압이 저장될 수 있다. 제1 노출 시간(EIT1)이 시작되면, 픽셀 회로(105)의 구동 소자(DX)가 동작할 수 있도록, 바이어스 제어 신호(BG)에 의해 바이어스 소자(BX)가 턴-온될 수 있다. 바이어스 소자(BX)는 리셋 전압과 픽셀 전압을 저장하는 저장 시간(ST) 동안 턴-온될 수 있다.
제1 스위치 소자(SW1)가 턴-온되는 시간은 리셋 샘플링 시간(RST)으로 정의될 수 있다. 도 4에 도시한 일 실시예에서는 제1 스위치 소자(SW1)와 함께, 제1 인에이블 소자(EX1)도 턴-온될 수 있다. 따라서, 제1 고정 커패시터(MC1)와 제1 가변 커패시터(VC1)에 리셋 전압이 저장될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 스위치 소자(SW1)와 제2 스위치 소자(SW2)가 함께 턴-온될 수 있다. 따라서 제2 출력 회로(120)에도 리셋 전압이 저장될 수 있다. 제2 인에이블 소자(EX2)가 제2 스위치 소자(SW2)와 함께 턴-온되므로, 제2 고정 커패시터(MC2)와 제2 가변 커패시터(VC2)에 리셋 전압이 저장될 수 있다.
제1 노출 시간(EIT1)이 종료되면 전송 제어 신호(TG)에 의해 전송 소자(TX)가 턴-온되고, 제1 노출 시간(EIT1) 동안 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동할 수 있다. 전자가 주 전하 캐리어인 경우, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압은 리셋 전압으로부터 감소할 수 있다. 제1 스위치 소자(SW1)는 전송 소자(TX)가 턴-온되기 전, 즉, 제1 노출 시간(EIT1)이 종료되기 전에 턴-오프될 수 있다. 따라서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 포토 다이오드(PD)의 전하가 이동하기 이전에, 제1 출력 회로(110)가 픽셀 회로(105)와 분리될 수 있다.
반면, 제2 스위치 소자(SW2)는 제1 노출 시간(EIT1)이 종료되고 전송 소자(TX)가 턴-온되어 포토 다이오드(PD)의 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동하는 동안에도 계속 턴-온 상태를 유지할 수 있다. 전송 소자(TX)가 턴-오프되면, 포토 다이오드(PD)로부터 이동한 전하에 의해 결정된 픽셀 전압이, 픽셀 샘플링 시간(PIX) 동안 제2 출력 회로(120)에 저장될 수 있다. 일례로 제2 출력 회로(120)에서, 제2 고정 커패시터(MC2) 및 제2 가변 커패시터(VC2)의 전압이, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 축적된 전하에 의해 감소할 수 있다.
픽셀 샘플링 시간(PIX)이 경과하면 바이어스 소자(BX)가 턴-오프될 수 있다. 이후, 제1 선택 소자(SEL1)와 제2 선택 소자(SEL2)가 턴-온되는 리드아웃 시간(RT) 동안, 리드아웃 동작이 실행될 수 있다.
리드아웃 동작은, 제1 출력 회로(110)에 저장된 리셋 전압과, 제2 출력 회로(120)에 저장된 픽셀 전압 각각을 램프 전압(RMP)과 비교하고, 그 결과를 아날로그-디지털 컨버터가 디지털 신호로 변환하는 동작을 포함할 수 있다. 일례로, 제1 칼럼 라인(COL1)과 연결된 제1 샘플러가 리셋 전압과 램프 전압(RMP)을 비교하여 제1 아날로그-디지털 컨버터에 출력할 수 있다. 또한, 제2 칼럼 라인(COL2)과 연결된 제2 샘플러가 픽셀 전압과 램프 전압(RMP)을 비교하여 제2 아날로그-디지털 컨버터에 출력할 수 있다. 따라서, 제1 출력 회로(110)와 제2 출력 회로(120)에 대한 리드아웃 동작이 동시에 진행될 수 있다. 리드아웃 시간(RT) 동안, 바이어스 소자(BX)가 턴-온되어 리드아웃 동작에 필요한 바이어스 전류를 공급할 수 있다.
도 4에 도시한 일 실시예에서, 리셋 전압은 저장 시간(ST) 동안 제1 고정 커패시터(MC1)와 제1 가변 커패시터(VC1)에 저장되고, 픽셀 전압은 저장 시간(ST)동안 제2 고정 커패시터(MC2)와 제2 가변 커패시터(VC2)에 저장될 수 있다. 따라서, 리드아웃 동작이 종료될 때까지, 제1 인에이블 소자(EX1)와 제2 인에이블 소자(EX2)는 턴-온 상태를 유지할 수 있다.
한편, 도 4에 도시한 일 실시예와 달리, 저장 시간(ST) 동안 제2 스위치 소자(SW2)는 제1 스위치 소자(SW1)와 다른 타이밍에 턴-온될 수도 있다. 일례로, 제2 스위치 소자(SW2)는 전송 소자(TX)가 턴-온되어 포토 다이오드(PD)의 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동한 이후에 턴-온될 수도 있다.
다음으로 도 5를 참조하면, 제1 노출 시간(EIT1)보다 짧은 제2 노출 시간(EIT2) 동안 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 도 4를 참조하여 설명하는 실시예는 저조도 환경, 다시 말해 빛의 세기가 약한 촬영 환경에서 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 실시예일 수 있다. 한편, 도 5를 참조하여 설명하는 실시예는 고조도 환경, 즉 빛의 세기가 강한 촬영 환경에서 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 실시예일 수 있다.
빛의 세기가 강한 촬영 환경에서는, 빛의 세기가 약한 촬영 환경보다 포토 다이오드(PD)에서 더 많은 전하가 생성될 수 있다. 따라서, 도 5에 도시한 바와 같이, 제2 노출 시간(EIT2)은 제1 노출 시간(EIT1)보다 짧게 설정될 수 있다. 제2 노출 시간(EIT2)이 짧게 설정됨에 따라, 제1 출력 회로(110)가 리셋 전압을 샘플링하는 리셋 샘플링 시간(RST)이 도 4에 도시한 실시예와 비교하여 감소할 수 있다. 실시예들에 따라, 제2 출력 회로(120)가 픽셀 전압을 샘플링하는 픽셀 샘플링 시간(PIX) 역시 도 4에 도시한 실시예와 비교하여 감소할 수 있다. 따라서, 도 5에 도시한 일 실시예에서는, 저장 시간(ST)이 도 4에 도시한 실시예와 비교하여 감소할 수 있다.
도 5를 참조하면, 저장 시간(ST) 및 리드아웃 시간(RT) 동안 제1 인에이블 소자(EX1)와 제2 인에이블 소자(EX2)는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다. 도 5에 도시한 실시예는 빛의 세기가 상대적으로 강한 고조도 환경일 수 있으며, 도 4에 도시한 실시예에 비해 신호의 세기가 증가하고 노이즈가 약하게 발생할 수 있다. 따라서, 제1 출력 회로(110)에서 제1 인에이블 소자(EX1)를 턴-오프하고 제1 고정 커패시터(MC1)만을 제1 스위치 소자(SW1)에 연결함으로써, 리셋 전압을 제1 고정 커패시터(MC1)에 샘플링하기 위해 필요한 정착 시간(settling time)을 줄이고 이미지 센서의 동작 속도를 개선할 수 있다. 마찬가지로 제2 출력 회로(120)에서도 제2 고정 커패시터(MC2)만을 제2 스위치 소자(SW2)에 연결하여 정착 시간을 단축시킬 수 있다.
다음으로 도 6을 참조하면, 제1 리드아웃 시간(RT1)과 제2 리드아웃 시간(RT2)에서 두 번의 리드아웃 동작이 실행될 수 있다. 도 6에 도시한 일 실시예에서 노출 시간(EIT) 및 저장 시간(ST) 동안 픽셀(100)의 동작은, 앞서 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 실시예들과 유사할 수 있다. 제1 리드아웃 시간(RT1) 동안 이미지 센서의 로직 회로는, 제1 칼럼 라인(COL1)을 통해 제1 출력 회로(110)로부터 리셋 전압을 읽어오고, 제2 칼럼 라인(COL2)을 통해 제2 출력 회로(120)로부터 픽셀 전압을 읽어오는 시간일 수 있다.
제1 출력 회로(110)가 제1 출력 구동 소자(DX1)를 포함하고 제2 출력 회로(120)가 제2 출력 구동 소자(DX2)를 포함하므로, 제1 출력 회로(110)가 출력하는 전압과 제2 출력 회로(120)가 출력하는 전압 사이에는, 제1 출력 구동 소자(DX1)와 제2 출력 구동 소자(DX2)의 차이로 인한 오프셋 성분이 포함될 수 있다. 일례로, 오프셋 성분은 제1 출력 구동 소자(DX1)와 제2 출력 구동 소자(DX2) 사이의 문턱 전압 차이로 인해 발생할 수 있다. 도 6에 도시한 일 실시예에서는, 제1 리드아웃 시간(RT1) 동안 제1 리드아웃 동작을 실행하고, 제2 리드아웃 시간(RT2) 동안 제2 리드아웃 동작을 실행하여 오프셋 성분을 제거할 수 있다.
제1 리드아웃 시간(RT1) 동안 이미지 센서의 로직 회로는, 리셋 전압과 픽셀 전압을 획득할 수 있다. 제1 리드아웃 시간(RT1)이후의 중간 리셋 시간(MRT) 동안, 리셋 소자(RX), 제1 스위치 소자(SW1), 및 제2 스위치 소자(SW2)가 턴-온되며, 제1 출력 회로(110)와 제2 출력 회로(120)에 소정의 기준 전압이 공통으로 입력될 수 있다. 제1 출력 구동 소자(DX1)와 제2 출력 구동 소자(DX2)는 기준 전압에 의해 소스-팔로워 증폭기로 동작할 수 있다. 이후, 리셋 소자(RX), 제1 스위치 소자(SW1), 및 제2 스위치 소자(SW2)가 턴-오프되며, 로직 회로가 제1 칼럼 라인(COL1)과 제2 칼럼 라인(COL2)을 통해 제1 출력 회로(110)와 제2 출력 회로(120)로부터 기준 전압을 읽어올 수 있다.
제1 출력 구동 소자(DX1)와 제2 출력 구동 소자(DX2)의 문턱 전압 차이 등으로 인한 오프셋 성분은, 제1 리드아웃 동작과 제2 리드아웃 동작에서 모두 발생할 수 있다. 리셋 전압과 픽셀 전압, 기준 전압, 및 오프셋 성분을 고려할 때, 제1 칼럼 라인(COL1)과 연결된 제1 아날로그-디지털 컨버터는 리셋 전압과 기준 전압을 순차적으로 출력하고, 제2 칼럼 라인(COL2)에 연결된 제2 아날로그-디지털 컨버터는 (픽셀 전압 + 오프셋 성분)과 (기준 전압 + 오프셋 성분)을 순차적으로 출력할 수 있다. 상기 예시는 제1 출력 구동 소자(DX1)와 제2 출력 구동 소자(DX2)의 차이에 따른 오프셋 성분을, 제2 출력 구동 소자(DX2)에 반영한 실시예일 수 있다.
일례로, 제1 리드아웃 시간(RT1) 동안 제1 아날로그-디지털 컨버터의 출력과 제2 아날로그-디지털 컨버터의 출력의 차이를 계산한 제1 로우 이미지 신호는 (리셋 전압 - 픽셀 전압 - 오프셋 성분)으로 계산될 수 있다. 한편, 제2 리드아웃 시간(RT2) 동안 제1 아날로그-디지털 컨버터의 출력과 제2 아날로그-디지털 컨버터의 출력의 차이를 계산한 제2 로우 이미지 신호는 (기준 전압 - 기준 전압 - 오프셋 성분)으로 계산될 수 있다. 따라서, 제1 로우 이미지 신호와 제2 로우 이미지 신호의 차이를 계산함으로써, 오프셋 성분을 제거하고 (리셋 전압 - 픽셀 전압)에 대응하는 이미지 데이터를 정확하게 획득할 수 있다.
도 6에 도시한 일 실시예에서, 제1 인에이블 소자(EX1)와 제2 인에이블 소자(EX2)는 저장 시간(ST) 및 리드아웃 시간(RT) 동안 턴-온 상태를 유지할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 예를 들어 촬영 환경에서 빛의 세기가 증가하여 노출 시간(EIT)이 감소하는 실시예에서는, 제1 인에이블 소자(EX1)와 제2 인에이블 소자(EX2)가 턴-오프 상태를 유지할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 7에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀(100)에서, 픽셀 회로(105)는 앞서 도 3을 참조하여 설명한 일 실시예와 같을 수 있다. 도 3에 도시한 일 실시예와 달리, 도 7에 도시한 일 실시예에서는 제1 출력 회로(110)와 제2 출력 회로(120)가 하나의 인에이블 소자(EX)를 공유할 수 있다. 인에이블 소자(EX)는 인에이블 신호(EN)에 의해 제어되며, 전원 전압(VDD)을 공급하는 전원 노드(101)에 연결될 수 있다.
인에이블 소자(EX)가 턴-오프되면, 제1 고정 커패시터(MC1)와 제2 고정 커패시터(MC2)만이 픽셀 회로(105)에 연결되며, 제1 가변 커패시터(VC1)와 제2 가변 커패시터(VC2)는 픽셀 회로(105)와 분리될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 인에이블 소자(EX)는 긴 노출 시간이 필요한 경우, 예를 들어 빛의 세기가 약한 저조도의 촬영 환경에서 턴-온될 수 있다. 노출 시간이 짧아야 하는 경우 예를 들어 빛의 세기가 강한 고조도의 촬영 환경에서는 인에이블 소자(EX)가 턴-오프될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 8에 도시한 일 실시예에서, 이미지 센서(1A)는 픽셀 어레이(10), 로직 회로(20) 및 광원(30) 등을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(10)의 구성 및 동작은 앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
광원(30)은 컨트롤 로직(24)이 출력하는 제어 신호(CNT)에 의해 동작할 수 있다. 일례로 제어 신호(CNT)는 구형파 신호일 수 있으며, 광원(30)은 적외선 파장 대역의 빛을 출력할 수 있다. 제어 신호(CNT)에 의해 광원(30)이 빛을 출력하는 동안, 로직 회로(20)는 픽셀들(PX)을 빛에 노출시킬 수 있다. 광원(30)이 출력하고 피사체에 의해 반사된 빛이 픽셀들(PX)로 입사될 수 있으며, 포토 다이오드들이 빛에 반응하여 전하를 생성할 수 있다.
도 8에 도시한 일 실시예에 따른 이미지 센서(1A)는, 얼굴 인식을 위한 카메라 장치, 자율 주행 차량, 차량의 운전자 모니터링 등의 분야에 다양하게 적용될 수 있다. 또한 로직 회로(20)는, 광원(30)이 동작하는 동안 포토 다이오드들이 생성한 전하에 대응하는 제1 픽셀 전압으로부터 제1 디지털 픽셀 신호를 획득하고, 광원(30)이 동작하지 않는 동안 포토 다이오드들이 생성한 전하에 대응하는 제2 픽셀 전압으로부터 제2 디지털 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 로직 회로(20)는 제1 디지털 픽셀 신호와 제2 디지털 픽셀 신호의 차이를 연산하여 이미지 데이터를 생성할 수 있으며, 광원(30)이 출력하는 빛 외에 주변 빛의 효과를 제거할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 9는 광원(30)을 포함하는 이미지 센서(1A)의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면일 수 있다. 도 8과 도 9를 함께 참조하면, 제1 리셋 시간(TRST1) 동안 픽셀 어레이(10)에 포함되는 복수의 픽셀들(PX)의 포토 다이오드들이 동시에 리셋될 수 있다. 일례로, 로우 드라이버(21)는 픽셀들(PX)에 포함되는 리셋 소자를 턴-온시켜 포토 다이오드들의 전하를 제거함으로써, 포토 다이오드들을 리셋할 수 있다.
포토 다이오드들이 리셋되면, 복수의 픽셀들(PX)에 포함되는 포토 다이오드들이 제1 노출 시간(TEX1) 동안 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다. 제1 노출 시간(TEX1) 동안 컨트롤 로직(24)은 광원(30)에 제어 신호(CNT)를 출력하여 광원(30)을 동작시킬 수 있다. 제1 노출 시간(TEX1) 동안 포토 다이오드들은 광원(30)이 출력하고 피사체에서 반사된 빛과, 광원(30)이 출력한 빛이 아닌 주변 빛에 반응하여 전하를 생성할 수 있다.
제1 노출 시간(TEX1) 동안 포토 다이오드들이 생성한 전하에 대응하는 제1 픽셀 전압이, 픽셀들(PX) 각각에 포함되는 제1 출력 회로에 샘플링될 수 있다. 제1 노출 시간(TEX1)은 포토 다이오드들이 빛에 노출되는 시간과, 포토 다이오드들이 생성한 전하에 대응하는 제1 픽셀 전압을 픽셀들(PX) 각각의 제1 출력 회로가 샘플링하는 시간을 포함할 수 있다.
제1 노출 시간(TEX) 이후 제2 리셋 시간(TRST2) 동안, 로직 회로(20)는 픽셀 어레이(10)에 포함되는 픽셀들(PX)을 다시 리셋할 수 있다. 픽셀들(PX)이 리셋되어 포토 다이오드들의 전하가 제거되면, 로직 회로(20)는 제2 노출 시간(TEX2) 동안 다시 픽셀들을 빛에 노출시킬 수 있다. 제2 노출 시간(TEX2) 동안에는 광원(30)이 동작하지 않을 수 있다. 따라서, 제2 노출 시간(TEX2) 동안 포토 다이오드들은 주변 빛에 반응하여 전하를 생성할 수 있다. 제2 노출 시간(TEX2) 동안 포토 다이오드들이 생성한 전하에 대응하는 제2 픽셀 전압은, 픽셀들(PX) 각각에 포함되는 제2 출력 회로에 샘플링될 수 있다.
리드아웃 시간(TRO) 동안, 로우 드라이버(21)는 복수의 로우 라인들을 각각을 스캔할 수 있다. 리드아웃 회로(22)는 로우 드라이버(21)가 복수의 로우 라인들을 스캔하는 순서에 따라 픽셀들(PX) 각각에 대한 리드아웃 동작을 실행할 수 있다. 리드아웃 회로(22)는 리드아웃 시간(TRO) 동안 픽셀들(PX) 각각에 저장된 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압을 램프 전압과 비교하여 제1 디지털 픽셀 신호 및 제2 디지털 픽셀 신호를 획득할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 이미지 센서의 픽셀(200)은 포토 다이오드(PD), 픽셀 회로(205), 제1 출력 회로(210) 및 제2 출력 회로(220) 등을 포함할 수 있다. 픽셀 회로(205)와 제1 출력 회로(210), 및 제2 출력 회로(220)의 구성과 동작 등은, 앞서 도 3을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
도 10은 이미지 센서에 포함되는 광원이 동작하는 동안 픽셀(200)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있으며, 도 11은 이미지 센서에 포함되는 광원이 동작하지 않는 동안 픽셀(200)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 이하, 도 12를 함께 참조하여 픽셀(200)의 동작을 설명하기로 한다.
도 12를 참조하면, 픽셀(200)의 동작은 리셋 제어 신호(RG)와 전송 제어 신호(TG)에 의해 리셋 소자(RX)와 전송 소자(TX)가 턴-온되고, 포토 다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하가 제거되는 것으로 시작될 수 있다. 포토 다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하가 제거되어 리셋 동작이 완료되면, 제1 노출 시간(EIT1)이 시작될 수 있다. 제1 노출 시간(EIT1) 동안 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되어 전하를 생성하며, 제1 노출 시간(EIT1)이 경과하면 전송 소자(TX)가 턴-온되어 포토 다이오드(PD)의 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동할 수 있다.
전송 소자(TX)가 턴-오프되면, 제1 스위치 제어 신호(SG1)에 의해 제1 스위치 소자(SW1)가 제1 샘플링 시간(T1) 동안 턴-온되며, 도 10에 도시한 바와 같이 구동 소자(DX)가 출력하는 제1 픽셀 전압을 제1 출력 회로(210)가 샘플링할 수 있다. 제1 픽셀 전압은, 제1 노출 시간(EIT1) 동안 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하에 대응하는 전압일 수 있다. 한편, 제1 출력 회로(210)가 제1 픽셀 전압을 샘플링하는 동안, 바이어스 소자(BX)가 턴-온되어 구동 소자(DX)의 동작에 필요한 바이어스 전류를 공급할 수 있다. 일례로 바이어스 소자(BX)는, 제1 샘플링 시간(T1)보다 긴 제1 저장 시간(ST1) 동안 턴-온될 수 있다.
도 12를 참조하면, 제1 노출 시간(EIT1) 동안 제어 신호(CNT)에 의해 광원이 동작할 수 있다. 따라서, 제1 샘플링 시간(T1) 동안 제1 출력 회로가 샘플링하는 제1 픽셀 전압은, 광원이 출력한 빛과 주변 빛에 의해 포토 다이오드(PD)에서 생성되는 전하에 대응하는 전압일 수 있다. 도 12에 도시한 일 실시예에서는 광원이 제1 저장 시간(ST1)과 제1 샘플링 시간(T1) 동안에도 턴-온되는 것으로 도시하였으나, 이와 달리 광원은 제1 노출 시간(EIT1) 동안만 턴-온될 수도 있다.
제1 샘플링 시간(T1) 및 제1 저장 시간(ST1)이 종료되면, 리셋 소자(RX)와 전송 소자(TX)가 다시 턴-온되고, 플로팅 디퓨전 노드(FD) 및 포토 다이오드(PD)가 리셋될 수 있다. 리셋 동작 후 제2 노출 시간(EIT2) 동안 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다. 제2 노출 시간(EIT2) 동안에는 광원이 동작하지 않으므로, 제2 노출 시간(EIT2) 동안 포토 다이오드(PD)는 광원의 영향 없이 주변 빛에 의해서만 전하를 생성할 수 있다.
제2 노출 시간(EIT2)이 경과하면 전송 소자(TX)가 턴-온되어 포토 다이오드(PD)의 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동하고, 턴-온된 바이어스 소자(BX)에 의해 구동 소자(DX)가 소스-팔로워 증폭기로 동작할 수 있다. 또한 제2 샘플링 시간(T2) 동안 제2 스위치 소자(SW2)가 턴-온될 수 있으며, 도 11에 도시한 바와 같이 제2 출력 회로(220)가 제2 픽셀 전압을 샘플링할 수 있다. 제2 픽셀 전압은, 포토 다이오드(PD)가 광원의 영향 없이 주변 빛에 의해서만 생성한 전하에 대응하는 전압일 수 있다.
제2 샘플링 시간(T2)과 제2 저장 시간(ST2)이 경과하면, 제1 리드아웃 시간(RT1) 동안 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압을 읽어올 수 있다. 제1 리드아웃 시간(RT1) 동안 이미지 센서의 리드아웃 회로는, 제1 칼럼 라인(COL1)을 통해 출력되는 제1 픽셀 전압을 램프 전압(RMP)과 비교하여 제1 디지털 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 또한 리드아웃 회로는, 제1 리드아웃 시간(RT1) 동안 제2 칼럼 라인(COL2)을 통해 출력되는 제2 픽셀 전압을 램프 전압(RMP)과 비교하여 제2 디지털 픽셀 신호를 획득할 수 있다.
제1 리드아웃 시간(RT1)이 경과하면 리셋 소자(RX)가 턴-온되어 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋될 수 있다. 이때, 리셋 소자(RX)와 함께 제1 스위치 소자(SW1) 및 제2 스위치 소자(SW2)가 턴-온되어 제1 출력 회로(110)의 커패시터들(MC1, VC1)과 제2 출력 회로(120)의 커패시터들(MC2, VC2)에 리셋 전압이 샘플링될 수 있다. 리드아웃 회로는 제2 리드아웃 시간(RT2) 동안 제1 출력 회로(210)와 제2 출력 회로(220)가 출력하는 리셋 전압을 램프 전압(RMP)과 비교하여 디지털 리셋 신호를 획득할 수 있다.
리드아웃 회로는 디지털 리셋 신호와 제1 디지털 픽셀 신호의 차이를 연산하여 제1 디지털 신호를 획득하고, 디지털 리셋 신호와 제2 디지털 픽셀 신호의 차이를 연산하여 제2 디지털 신호를 획득할 수 있다. 제1 픽셀 전압에는 광원이 출력하는 빛과 주변 빛의 영향이 반영되어 있는 반면, 제2 픽셀 전압에는 주변 빛의 영향만이 반영되어 있으므로, 제1 디지털 신호와 제2 디지털 신호의 차이를 연산하여 주변 빛의 영향을 제거할 수 있다. 따라서, 광원이 출력한 빛에 의해 생성된 정확한 이미지 데이터를 이미지 센서가 획득할 수 있다.
한편, 도 12를 참조하면, 제1 인에이블 소자(EX1)와 제2 인에이블 소자(EX2)는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다. 제1 인에이블 소자(EX1)와 제2 인에이블 소자(EX2)를 턴-오프 상태로 유지함으로써 제1 출력 회로(210)와 제2 출력 회로(220)의 용량을 줄이고, 샘플링 동작에 필요한 정착 시간을 단축시킬 수 있다. 따라서, 두 번의 노출 시간들(EIT1, EIT2)에도 불구하고, 이미지 센서의 동작 속도 저하를 최소화하며 주변 빛을 제거하는 기능을 구현할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 13에 도시한 일 실시예에서, 이미지 센서는 글로벌 셔터 방식으로 동작할 수 있다. 제1 리셋 시간(TRST1) 동안, 픽셀들에 포함되는 리셋 소자와 전송 소자가 턴-온되어 픽셀들 각각에서 포토 다이오드와 플로팅 디퓨전 노드의 전하가 제거될 수 있다. 따라서, 플로팅 디퓨전 노드의 전압이 리셋될 수 있다.
제1 노출 시간(TEX1) 동안 픽셀들은 동시에 빛에 노출될 수 있으며, 포토 다이오드들이 빛에 반응하여 전하를 생성할 수 있다. 제1 노출 시간(TEX1) 동안 포토 다이오드들이 생성한 전하에 대응하는 제1 픽셀 전압은, 픽셀들 각각에 포함되는 제1 출력 회로가 샘플링할 수 있다. 일례로 제1 노출 시간(TEX1) 동안 포토 다이오드들이 생성한 전하가 제1 출력 회로에 포함되는 커패시터에 저장될 수 있다.
제1 노출 시간(TEX1)이 경과하면, 다시 픽셀들에 포함되는 리셋 소자와 전송 소자가 턴-온되어 픽셀들 각각에서 포토 다이오드와 플로팅 디퓨전 노드의 전하가 제거될 수 있다. 일례로 제2 리셋 시간(TRST2) 동안 포토 다이오드와 플로팅 디퓨전 노드의 전하가 제거될 수 있다.
제2 노출 시간(TEX2) 동안 픽셀들의 동작은 제1 노출 시간(TEX1)의 동작과 유사할 수 있으며, 제2 노출 시간(TEX2)은 제1 노출 시간(TEX1)보다 짧을 수 있다. 제2 노출 시간(TEX2) 동안 픽셀들에서 생성된 전하에 대응하는 제2 픽셀 전압은, 픽셀들 각각의 제2 출력 회로가 샘플링할 수 있다. 제1 노출 시간(TEX1)과 제2 노출 시간(TEX2)의 차이로 인해, 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압은 서로 다를 수 있다.
일례로, 제1 노출 시간(TEX1) 동안 포토 다이오드들에서 생성되는 전하는, 제2 노출 시간(TEX2) 동안 포토 다이오드들에서 생성되는 전하보다 많을 수 있다. 이미지 센서는, 리드아웃 시간(TRO) 동안 픽셀들 각각으로부터 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압을 읽어오며, 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압을 이용하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 일례로 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압을 이용하여 하나의 이미지 데이터를 생성함으로써, 이미지 데이터의 다이나믹 레인지를 개선할 수 있다.
또한 이미지 센서는 제1 노출 시간(TEX1)과 제2 노출 시간(TEX2) 각각에서 픽셀들의 변환 이득을 서로 다르게 설정할 수도 있다. 일례로 제1 노출 시간(TEX1) 동안 픽셀들 각각이 갖는 제1 변환 이득은, 제2 노출 시간(TEX2) 동안 픽셀들 각각이 갖는 제2 변환 이득보다 작을 수 있다.
도 13에 도시한 일 실시예에서는 픽셀들 각각의 제1 출력 회로가 제1 픽셀 전압을 샘플링하고 제2 출력 회로가 제2 픽셀 전압을 샘플링하므로, 리드아웃 시간(TRO) 동안 이미지 센서의 리드아웃 회로는 제1 픽셀 전압 및 제2 픽셀 전압을 먼저 읽어오고 리셋 전압을 나중에 읽어올 수 있다. 리셋 전압을 읽어오기 위해, 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압을 읽어온 후 리셋 동작시 실행될 수 있다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 이미지 센서의 픽셀(300)은 포토 다이오드(PD), 픽셀 회로(305), 제1 출력 회로(310) 및 제2 출력 회로(320) 등을 포함할 수 있다. 제1 출력 회로(310), 및 제2 출력 회로(320)의 구성과 동작 등은, 앞서 도 3을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
한편 도 14 및 도 15를 참조하면, 픽셀 회로(305)는 전송 소자(TX), 리셋 소자(RX), 구동 소자(DX) 외에 변환 이득 제어 소자(DCX)를 더 포함할 수 있다. 변환 이득 제어 소자(DCX)는 리셋 소자(RX)와 플로팅 디퓨전 노드(FD) 사이에 연결되며, 변환 이득 제어 신호(DCG)에 의해 제어될 수 있다. 일례로, 변환 이득 제어 소자(DCX)가 턴-온되면 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 용량이 증가하고 픽셀 회로(305)의 변환 이득이 감소할 수 있다. 반대로 변환 이득 제어 소자(DCX)가 턴-오프되면 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 용량이 감소하고 픽셀 회로(305)의 변환 이득이 증가할 수 있다.
도 14는 상대적으로 긴 노출 시간 동안 픽셀(300)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있으며, 도 15는 상대적으로 짧은 노출 시간 동안 픽셀(300)의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 이하, 도 16을 함께 참조하여 픽셀(300)의 동작을 설명하기로 한다.
도 16을 참조하면, 픽셀(300)의 동작은 리셋 제어 신호(RG)와 전송 제어 신호(TG)에 의해 리셋 소자(RX)와 전송 소자(TX)가 턴-온되고, 포토 다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하가 제거되는 것으로 시작될 수 있다. 리셋 동작이 완료되면, 제1 노출 시간(EIT1)이 시작될 수 있다. 제1 노출 시간(EIT1) 동안 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되어 전하를 생성하며, 제1 노출 시간(EIT1)이 경과하면 전송 소자(TX)가 턴-온되어 포토 다이오드(PD)의 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동할 수 있다. 제1 노출 시간(EIT1)이 시작되면 변환 이득 제어 소자(DCX)가 턴-온되어 픽셀 회로(305)의 변환 이득이 감소할 수 있다.
제1 노출 시간(EIT1)이 경과하면 전송 소자(TX)가 턴-오프되고, 제1 스위치 제어 신호(SG1)에 의해 제1 스위치 소자(SW1)가 제1 샘플링 시간(T1) 동안 턴-온될 수 있다. 제1 샘플링 시간(T1) 동안, 도 14에 도시한 바와 같이 구동 소자(DX)가 출력하는 제1 픽셀 전압을 제1 출력 회로(310)가 샘플링할 수 있다. 제1 픽셀 전압은, 제1 노출 시간(EIT1) 동안 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하에 대응하는 전압일 수 있다. 제1 샘플링 시간(T1) 동안 제1 인에이블 소자(EX1)가 턴-온되어 제1 가변 커패시터(VC1)가 제1 스위치 소자(SW1)에 연결될 수 있다.
한편, 제1 출력 회로(310)가 제1 픽셀 전압을 샘플링하는 동안, 바이어스 소자(BX)가 턴-온되어 구동 소자(DX)의 동작에 필요한 바이어스 전류를 공급할 수 있다. 일례로 바이어스 소자(BX)는, 제1 샘플링 시간(T1)보다 긴 제1 저장 시간(ST1) 동안 턴-온될 수 있다. 제1 저장 시간(ST1)의 적어도 일부는 제1 노출 시간(EIT1)과 중첩될 수 있다.
제1 샘플링 시간(T1) 및 제1 저장 시간(ST1)이 종료되면, 리셋 소자(RX)와 전송 소자(TX)가 다시 턴-온되며, 플로팅 디퓨전 노드(FD) 및 포토 다이오드(PD)가 리셋될 수 있다. 리셋 동작 후 제2 노출 시간(EIT2) 동안 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다. 제2 노출 시간(EIT2)은 제1 노출 시간(EIT1)보다 짧을 수 있으며, 제2 노출 시간(EIT2) 동안에는 변환 이득 제어 소자(DCX)가 턴-온되지 않을 수 있다.
제2 노출 시간(EIT2)이 경과하면 전송 소자(TX)가 턴-온되어 포토 다이오드(PD)의 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동하고, 턴-온된 바이어스 소자(BX)에 의해 구동 소자(DX)가 소스-팔로워 증폭기로 동작할 수 있다. 또한 제2 샘플링 시간(T2) 동안 제2 스위치 소자(SW2)가 턴-온되고, 도 11에 도시한 바와 같이 제2 출력 회로(120)가 제2 픽셀 전압을 샘플링할 수 있다. 제2 픽셀 전압은, 포토 다이오드(PD)가 제1 노출 시간(EIT1)보다 짧은 제2 노출 시간(EIT2) 동안 생성한 전하에 대응하는 전압일 수 있다.
제2 샘플링 시간(T2)과 제2 저장 시간(ST2)이 경과하면, 이미지 센서의 리드아웃 회로가 제1 리드아웃 시간(RT1) 동안 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압을 읽어올 수 있다. 제1 리드아웃 시간(RT1) 동안 이미지 센서의 리드아웃 회로는, 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압 각각을 램프 전압(RMP)과 비교하여 제1 디지털 픽셀 신호와 제2 디지털 픽셀 신호를 획득할 수 있다.
제1 리드아웃 시간(RT1)이 경과하면 리셋 소자(RX)가 턴-온되어 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋될 수 있다. 이때, 리셋 소자(RX)와 함께 제1 스위치 소자(SW1) 및 제2 스위치 소자(SW2)가 턴-온되어 제1 출력 회로(310)와 제2 출력 회로(320)에 리셋 전압이 샘플링될 수 있다. 리드아웃 회로는 제2 리드아웃 시간(RT2) 동안 제1 출력 회로(310)와 제2 출력 회로(320)가 출력하는 리셋 전압을 램프 전압(RMP)과 비교하여, 디지털 리셋 신호를 획득할 수 있다.
도 14 내지 도 16을 참조하여 설명한 실시예에서, 이미지 센서의 로직 회로는 한 번의 프레임 주기 동안 제1 노출 시간(EIT1), 및 제1 노출 시간(EIT1)보다 짧은 제2 노출 시간(EIT2)을 설정할 수 있다. 로직 회로는 제1 노출 시간(EIT1)과 제2 노출 시간(EIT2) 사이에 제1 출력 회로(310)를 픽셀 회로(305)에 연결하고, 제2 노출 시간(EIT2) 이후에는 제2 출력 회로(320)를 픽셀 회로(305)에 연결할 수 있다. 따라서 로직 회로가, 한 번의 프레임 주기 동안 제1 디지털 픽셀 신호와 제2 디지털 픽셀 신호, 및 디지털 리셋 신호를 획득할 수 있다.
이미지 센서의 로직 회로는, 디지털 리셋 신호와 제1 디지털 픽셀 신호의 차이를 연산하여 제1 디지털 신호를 획득하고, 디지털 리셋 신호와 제2 디지털 픽셀 신호의 차이를 연산하여 제2 디지털 신호를 획득할 수 있다. 제1 디지털 신호는 상대적으로 긴 제1 노출 시간(EIT1)에 대응하며, 제2 디지털 신호는 상대적으로 짧은 제2 노출 시간(EIT2)에 대응할 수 있다. 또한 제1 디지털 신호는 제2 디지털 신호에 비해 상대적으로 더 낮은 변환 이득 조건에서 생성되는 신호일 수 있다. 제1 디지털 신호와 제2 디지털 신호를 이용하여 이미지 데이터를 생성함으로써, 이미지 데이터의 다이나믹 레인지를 개선할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들 중 일부를 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 이미지 센서(400)는 반도체 기판(401), 반도체 기판(401)에 형성되는 포토 다이오드(403)와 소자들(410), 소자들(410)에 연결되는 메탈 배선들(411, 412) 및 소자들(410)과 메탈 배선들(411, 412)을 매립하는 절연층(420) 등을 포함할 수 있다. 반도체 기판(401)은 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함하는 기판일 수 있으며, 반도체 기판(401) 내부에 포토 다이오드(403)가 형성될 수 있다. 일례로 반도체 기판(401)의 내부에 불순물을 주입하는 공정에 의해 포토 다이오드(403)가 형성될 수 있으며, 포토 다이오드(403)는 소자들(410) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다.
반도체 기판(401)의 일면에는 광 투과층(405)과 마이크로 렌즈(407)가 형성될 수 있다. 광 투과층(405)은 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 투과시키는 컬러 필터를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 이미지 센서(400)에서 서로 다른 위치에 배치되는 픽셀들 중 적어도 일부에서, 마이크로 렌즈(407)는 서로 다른 곡률 반지름을 갖도록 형성될 수 있다. 따라서 적어도 일부의 픽셀들에서 마이크로 렌즈(407)의 상면이 서로 다른 높이에 위치할 수 있다.
소자들(410)은 픽셀 회로와 제1 출력 회로, 및 제2 출력 회로를 제공할 수 있다. 일례로 소자들(410)은 전송 소자, 리셋 소자, 구동 소자들, 스위치 소자들, 선택 소자들, 인에이블 소자들 등을 포함할 수 있다. 소자들(410)은 포토 다이오드(403)에 연결되며, 메탈 배선들(411, 412)을 통해 절연층(420) 내에 매립되는 커패시터들(413)과도 연결될 수 있다. 일례로 커패시터들(413)은 소자들(410) 중 스위치 소자 및 인에이블 소자와 연결될 수 있으며, 커패시터들(413) 중에서 고정 커패시터들은 메탈 배선들(411, 412) 중 전원 전압을 공급하는 배선과 연결될 수 있다.
커패시터들(413)의 제조 공정은 유전막을 형성하는 공정을 포함할 수 있다. 커패시터들(143)의 누설 특성을 개선하기 위해 유전막을 형성하는 공정은 상대적으로 고온에서 진행될 수 있다. 일 실시예에서, 고온에서 유전막을 형성할 수 있도록, 커패시터들(413)보다 먼저 형성되는 하부 배선들(411)은 텅스텐으로 형성될 수 있다. 반면, 커패시터들(413)보다 나중에 형성되는 상부 배선들(412)은 구리 등으로 형성될 수 있다. 다만 이는 하나의 실시예일뿐이며, 하부 배선들(411)과 상부 배선들(412)이 동일한 물질로 형성될 수도 있다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면들이다.
먼저 도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(500)는 제1 레이어(510)와 제2 레이어(520)를 포함할 수 있다. 제1 레이어(510)와 제2 레이어(520)는 수직 방향에서 적층될 수 있다.
제1 레이어(510)는 픽셀 어레이(511)를 포함할 수 있으며, 제2 레이어(520)는 로직 회로들(521, 522)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(511)는 복수의 픽셀들을 포함하며, 복수의 픽셀들은 복수의 로우 라인들 및 복수의 칼럼 라인들을 통해 로직 회로(521)와 연결될 수 있다. 도 18에 도시한 일 실시예에서, 제1 레이어(510)에서 픽셀 어레이(511)에 배치되는 픽셀들 각각은 픽셀 회로와 제1 출력 회로, 및 제2 출력 회로를 포함할 수 있다. 따라서, 픽셀들 각각은 앞서 도 17을 참조하여 설명한 일 실시예와 유사한 구조를 가질 수 있다.
로직 회로들(521, 522)는 제1 로직 회로(821)와 제2 로직 회로(822)를 포함할 수 있다. 제1 로직 회로(521)는 픽셀 어레이(511)의 구동에 필요한 로우 드라이버, 리드아웃 회로, 칼럼 드라이버, 및 컨트롤 로직 등을 포함할 수 있다. 제2 로직 회로(522)는 전원 회로, 입출력 인터페이스, 이미지 신호 프로세서 등을 포함할 수 있다. 제1 로직 회로(521)와 제2 로직 회로(522) 각각이 차지하는 면적 및 배치 형태 등은 다양하게 변형될 수 있다.
다음으로 도 19를 참조하면, 이미지 센서(600)는 순차적으로 적층되는 제1 레이어(610), 제2 레이어(620) 및 배치되는 제3 레이어(630)를 포함할 수 있다. 제1 레이어(610)와 제2 레이어(620), 및 제3 레이어(630)는 서로 다른 반도체 기판에 형성되어 적층될 수 있다. 제3 레이어(630)는 제1 로직 회로(631)와 제2 로직 회로(632)를 포함하며, 제1 로직 회로(631)와 제2 로직 회로(632)의 구성은 앞서 도 18을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
제1 레이어(610)는 제1 픽셀 어레이(611)를 포함하며, 제2 레이어(620)는 제2 픽셀 어레이(621)를 포함할 수 있다. 제1 픽셀 어레이(611)와 제2 픽셀 어레이(621)는 서로 연결되어 복수의 픽셀들을 제공할 수 있다. 일례로, 픽셀들 각각은 앞서 설명한 다른 실시예들과 같이 포토 다이오드, 픽셀 회로, 제1 출력 회로, 및 제2 출력 회로 등을 포함할 수 있으며, 포토 다이오드와 픽셀 회로는 제1 픽셀 어레이(611)에 배치되고 제1 출력 회로와 제2 출력 회로는 제2 픽셀 어레이(621)에 배치될 수 있다. 제1 픽셀 어레이(611)의 픽셀 회로는, 제2 픽셀 어레이(621)의 제1 출력 회로 및 제2 출력 회로와 Cu-Cu 본딩 등의 방식으로 연결될 수 있다.
제1 출력 회로 및 제2 출력 회로에 포함되는 커패시터들을 형성하기 위한 공정은, 커패시터들의 누설 특성을 개선하기 위해 상대적으로 고온에서 진행될 수 있다. 따라서 픽셀 회로와 제1 출력 회로 및 제2 출력 회로가 하나의 레이어에 모두 형성될 경우, 픽셀 회로와 제1 출력 회로 및 제2 출력 회로에 직접 연결되는 배선 패턴들을 텅스텐으로 형성해야 할 수 있다.
반면, 도 19에 도시한 일 실시예에서는, 픽셀 회로와 제1 출력 회로 및 제2 출력 회로의 공정이 서로 분리되므로, 픽셀 회로의 리셋 소자, 전송 소자, 구동 소자 등에 연결되는 배선 패턴들을 텅스텐보다 녹는점이 낮지만 반사율과 저항 특성이 우수한 구리 등으로 형성할 수 있다. 반사율이 높은 구리로 형성된 배선 패턴들의 포토 다이오드 및 픽셀 회로의 하부에 배치되므로, 이미지 센서의 광전 변환 효율을 개선할 수 있다. 또한 실시예들에 따라, 픽셀 회로와 제1 출력 회로 및 제2 출력 회로에 포함되는 소자들을 모두 제1 레이어(610)에 형성하고, 커패시터들을 따로 분리하여 제2 레이어(620)에 형성할 수도 있다. 이 경우, 픽셀 회로와 제1 출력 회로 및 제2 출력 회로에서 소자들과 커패시터들을 연결하기 위한 메탈 배선의 대부분을 구리로 형성할 수 있으며, 저항 특성을 개선할 수 있다. 이하, 도 20 및 도 21을 참조하여 더욱 자세히 설명하기로 한다.
도 20 내지 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들 중 일부를 나타낸 도면들이다.
먼저 도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(700)는 제1 레이어(L1)와 제2 레이어(L2)를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 제2 레이어(L2)의 상부에는 로직 회로들이 형성되는 제3 레이어가 추가될 수도 있다. 또는, 로직 회로들이 제1 레이어(L1) 또는 제2 레이어(L2)에 픽셀들과 함께 형성될 수도 있다.
도 20에 도시한 일 실시예에서, 제1 레이어(L1)는 픽셀들 각각의 구성 요소들 중에서 포토 다이오드(703)와 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 제1 레이어(L1)를 참조하면, 제1 반도체 기판(701)에 포토 다이오드(703)가 형성되며, 제1 반도체 기판(701)의 일면에는 광 투과층(705) 및 마이크로 렌즈(707)가 형성될 수 있다. 또한 제1 반도체 기판(701)에는 픽셀 회로에 포함되는 소자들(710)이 형성되며, 소자들(710) 및 소자들(710)에 연결되는 메탈 배선들(711)은 절연층(720)에 매립될 수 있다. 소자들(710)은 전송 소자, 리셋 소자, 구동 소자, 변환 이득 제어 소자, 플로팅 디퓨전 노드 등을 제공할 수 있다.
제2 레이어(L2)는 제1 레이어(L1) 상부에 배치되며 픽셀들 각각의 구성 요소들 중에서 제1 출력 회로와 제2 출력 회로를 포함할 수 있다. 제2 레이어(L2)는 제2 반도체 기판(702)에 형성되며 제1 출력 회로 또는 제2 출력 회로에 포함되는 소자들(730)을 포함할 수 있다. 소자들(730)은 메탈 배선들(741)에 의해 서로 연결되며, 소자들(730)과 메탈 배선들(741)은 절연층(750)에 매립될 수 있다. 제2 레이어(L2)의 메탈 배선들(741) 중 적어도 일부는, 본딩 패턴(760)을 통해 제1 레이어(L1)의 메탈 배선들(711) 중 적어도 일부와 연결될 수 있다. 다시 말해, 제2 레이어(L2)는 제1 레이어(L1)와 Cu-Cu 본딩 방식 등에 의해 서로 연결될 수 있다. 일례로, 본딩 패턴(760)은 제1 출력 회로와 제2 출력 회로에 각각 포함되는 제1 스위치 소자와 제2 스위치 소자가, 픽셀 회로의 구동 소자와 연결되는 노드일 수 있다.
제2 레이어(L2)는 절연층(750)에 매립되는 커패시터들(755)을 포함할 수 있다. 커패시터들(755)은 제1 출력 회로 및 제2 출력 회로에 포함되는 구성 요소들로서, 제1 레이어(L1)의 픽셀 회로가 생성하는 픽셀 전압 및/또는 리셋 전압 등을 샘플링하는 용도로 이용될 수 있다. 일례로 커패시터들(755)은 고정 커패시터와 가변 커패시터를 포함하며, 고정 커패시터는 전원 노드와 스위치 소자에 연결되고, 가변 커패시터는 인에이블 소자와 스위치 소자에 연결될 수 있다.
다음으로 도 21을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(800)는 제1 레이어(L1)와 제2 레이어(L2)를 포함할 수 있다. 이하, 도 20과 유사하거나 도 20을 참조하여 이해될 수 있는 구성 요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 21에 도시한 일 실시예에서는 제2 레이어(L2)에 커패시터들(835)만이 형성될 수 있으며, 픽셀 회로와 제1 출력 회로, 및 제2 출력 회로를 제공하기 위한 소자들(810)은 모두 포토 다이오드(803)와 함께 제1 레이어(L1)에 형성될 수 있다. 일례로, 제1 반도체 기판(801)에 픽셀 회로와 제1 출력 회로 및 제2 출력 회로에 포함되는 소자들(810)과 포토 다이오드(803)를 형성하고, 메탈 배선들(811) 및 절연층(820)을 형성할 수 있다. 이때, 제2 레이어(L2)의 커패시터들(835)과 메탈 배선들(811)을 연결하기 위한 본딩 패턴(840)이 제1 레이어(L1)에 형성될 수 있다.
또한, 제1 반도체 기판(801)과 다른 제2 반도체 기판에 커패시터들(835)과 메탈 배선들(831) 및 절연층(830) 등을 형성하고, Cu-Cu 본딩 등에 의해 본딩 패턴(840)을 서로 연결하여 제1 레이어(L1)와 제2 레이어(L2)를 서로 부착할 수 있다. 제1 레이어(L1)와 제2 레이어(L2)가 서로 부착되면, 제1 레이어(L1)에서 제1 반도체 기판(801)의 일부 영역을 연마 공정 등으로 제거하고, 광 투과층(805)과 마이크로 렌즈(807)를 형성할 수 있다. 선택적으로, 커패시터들(835)을 형성하기 위한 제2 반도체 기판은 연마 공정 등에 의해 제거될 수 있으며, 절연층(830)이 노출될 수 있다.
도 21에 도시한 일 실시예에서 픽셀들을 구동하고 이미지 데이터를 생성하기 위한 로직 회로는 제1 레이어(L1) 및 제2 레이어(L2) 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 로직 회로의 적어도 일부가 제2 레이어(L2)에 배치되는 경우, 제2 레이어(L2)를 형성하기 위한 제2 반도체 기판이 연마 공정 등으로 제거되지 않을 수 있다.
또한, 실시예들에 따라 로직 회로는 제2 레이어(L2)의 상부에 배치되는 제3 레이어(L3)에 의해 제공될 수도 있다. 도 22를 참조하면, 이미지 센서(900)의 제2 레이어(L2)를 형성하기 위한 제2 반도체 기판이 연마 공정 등으로 완전히 제거될 수 있으며, 제2 레이어(L2)의 상부에 제3 레이어(L3)가 배치될 수 있다. 제3 레이어(L3)는 제3 반도체 기판(902), 로직 회로를 제공하는 소자들(950)과 메탈 배선들(951) 및 절연층(960) 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서 제3 레이어(L3)의 메탈 배선들(951) 중 일부는 제2 레이어(L2)의 절연층(930)을 관통하며 픽셀들의 외곽에 배치되는 수직 비아에 의해 제1 레이어(L1)의 메탈 배선들(911) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 23을 참조하면, 전자 기기(1000)는 카메라 모듈 그룹(1100), 애플리케이션 프로세서(1200), PMIC(1300) 및 외부 메모리(1400)를 포함할 수 있다.
카메라 모듈 그룹(1100)은 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)을 포함할 수 있다. 비록 도면에는 3개의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 배치된 실시예가 도시되어 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 그룹(1100)은 2개의 카메라 모듈만을 포함하도록 변형되어 실시될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 그룹(1100)은 n개(n은 4 이상의 자연수)의 카메라 모듈을 포함하도록 변형되어 실시될 수도 있다. 또한 일 실시예에서, 카메라 모듈 그룹(1100)에 포함되는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 하나는, 앞서 도 1 내지 도 22를 참조하여 설명한 실시예들 중 하나에 따른 이미지 센서를 포함할 수 있다.
이하, 도 24를 참조하여, 카메라 모듈(1100b)의 상세 구성에 대해 보다 구체적으로 설명할 것이나, 이하의 설명은 실시예에 따라 다른 카메라 모듈들(1100a, 1100b)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 24를 참조하면, 카메라 모듈(1100b)은 프리즘(1105), 광학 경로 폴딩 요소(Optical Path Folding Element, 이하, ˝OPFE˝)(1110), 액츄에이터(1130), 이미지 센싱 장치(1140) 및 저장부(1150)를 포함할 수 있다.
프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 포함하여 외부로부터 입사되는 광(L)의 경로를 변형시킬 수 있다.
몇몇 실시예에서, 프리즘(1105)은 제1 방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 변경시킬 수 있다. 또한, 프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 중심축(1106)을 중심으로 A방향으로 회전시키거나, 중심축(1106)을 B방향으로 회전시켜 제1 방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 수직인 제2 방향(Y)으로 변경시킬 수 있다. 이때, OPFE(1110)도 제1 방향(X)및 제2 방향(Y)과 수직인 제3 방향(Z)로 이동할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 도시된 것과 같이, 프리즘(1105)의 A방향 최대 회전 각도는 플러스(+) A방향으로는 15도(degree)이하이고, 마이너스(-) A방향으로는 15도보다 클 수 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서, 프리즘(1105)은 플러스(+) 또는 마이너스(-) B방향으로 20도 내외, 또는 10도에서 20도, 또는 15도에서 20도 사이로 움직일 수 있고, 여기서, 움직이는 각도는 플러스(+) 또는 마이너스(-) B방향으로 동일한 각도로 움직이거나, 1도 내외의 범위로 거의 유사한 각도까지 움직일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1106)을 중심축(1106)의 연장 방향과 평행한 제3 방향(예를 들어, Z방향)으로 이동할 수 있다.
OPFE(1110)는 예를 들어 m(여기서, m은 자연수)개의 그룹으로 이루어진 광학 렌즈를 포함할 수 있다. m개의 렌즈는 제2 방향(Y)으로 이동하여 카메라 모듈(1100b)의 광학 줌 배율(optical zoom ratio)을 변경할 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100b)의 기본 광학 줌 배율을 Z라고할 때, OPFE(1110)에 포함된 m개의 광학 렌즈를 이동시킬 경우, 카메라 모듈(1100b)의 광학 줌 배율은 3Z 또는 5Z 또는 5Z 이상의 광학 줌 배율로 변경될 수 있다.
액츄에이터(1130)는 OPFE(1110) 또는 광학 렌즈(이하, 광학 렌즈로 지칭)를 특정 위치로 이동시킬 수 있다. 예를 들어 액츄에이터(1130)는 정확한 센싱을 위해 이미지 센서(1142)가 광학 렌즈의 초점 거리(focal length)에 위치하도록 광학 렌즈의 위치를 조정할 수 있다.
이미지 센싱 장치(1140)는 이미지 센서(1142), 제어 로직(1144) 및 메모리(1146)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1142)는 광학 렌즈를 통해 제공되는 광(L)을 이용하여 센싱 대상의 이미지를 센싱할 수 있다. 제어 로직(1144)은 카메라 모듈(1100b)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(1144)은 제어 신호 라인(CSLb)을 통해 제공된 제어 신호에 따라 카메라 모듈(1100b)의 동작을 제어할 수 있다.
메모리(1146)는 캘리브레이션 데이터(1147)와 같은 카메라 모듈(1100b)의 동작에 필요한 정보를 저장할 수 있다. 캘리브레이션 데이터(1147)는 카메라 모듈(1100b)이 외부로부터 제공된 광(L)을 이용하여 이미지 데이터를 생성하는데 필요한 정보를 포함할 수 있다. 캘리브레이션 데이터(1147)는 예를 들어, 앞서 설명한 회전도(degree of rotation)에 관한 정보, 초점 거리(focal length)에 관한 정보, 광학 축(optical axis)에 관한 정보 등을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(1100b)이 광학 렌즈의 위치에 따라 초점 거리가 변하는 멀티 스테이트(multi state) 카메라 형태로 구현될 경우, 캘리브레이션 데이터(1147)는 광학 렌즈의 각 위치별(또는 스테이트별) 초점 거리 값과 오토 포커싱(auto focusing)과 관련된 정보를 포함할 수 있다.
저장부(1150)는 이미지 센서(1142)를 통해 센싱된 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 저장부(1150)는 이미지 센싱 장치(1140)의 외부에 배치될 수 있으며, 이미지 센싱 장치(1140)를 구성하는 센서 칩과 스택된(stacked) 형태로 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저장부(1150)는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)으로 구현될 수 있으나 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 23과 도 24를 함께 참조하면, 몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 액추에이터(1130)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 그 내부에 포함된 액추에이터(1130)의 동작에 따른 서로 동일하거나 서로 다른 캘리브레이션 데이터(1147)를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 하나의 카메라 모듈(예를 들어, 1100b)은 앞서 설명한 프리즘(1105)과 OPFE(1110)를 포함하는 폴디드 렌즈(folded lens) 형태의 카메라 모듈이고, 나머지 카메라 모듈들(예를 들어, 1100a, 1100b)은 프리즘(1105)과 OPFE(1110)가 포함되지 않은 버티칼(vertical) 형태의 카메라 모듈일 수 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 하나의 카메라 모듈(예를 들어, 1100c)은 예를 들어, IR(Infrared Ray)을 이용하여 깊이(depth) 정보를 추출하는 버티컬 형태의 깊이 카메라(depth camera)일 수 있다. 이 경우, 애플리케이션 프로세서(1200)는 이러한 깊이 카메라로부터 제공받은 이미지 데이터와 다른 카메라 모듈(예를 들어, 1100a 또는 1100b)로부터 제공받은 이미지 데이터를 병합(merge)하여 3차원 깊이 이미지(3D depth image)를 생성할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 두 개의 카메라 모듈(예를 들어, 1100a, 1100b)은 서로 다른 관측 시야(Field of View, 시야각)를 가질 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 두 개의 카메라 모듈(예를 들어, 1100a, 1100b)의 광학 렌즈가 서로 다를 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각의 시야각은 서로 다를 수 있다. 이 경우, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 포함된 광학 렌즈 역시 서로 다를 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 서로 물리적으로 분리되어 배치될 수 있다. 즉, 하나의 이미지 센서(1142)의 센싱 영역을 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 분할하여 사용하는 것이 아니라, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각의 내부에 독립적인 이미지 센서(1142)가 배치될 수 있다.
다시 도 23을 참조하면, 애플리케이션 프로세서(1200)는 이미지 처리 장치(1210), 메모리 컨트롤러(1220), 내부 메모리(1230)를 포함할 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)과 분리되어 구현될 수 있다. 예를 들어, 애플리케이션 프로세서(1200)와 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 별도의 반도체 칩으로 서로 분리되어 구현될 수 있다.
이미지 처리 장치(1210)는 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c), 이미지 생성기(1214) 및 카메라 모듈 컨트롤러(1216)를 포함할 수 있다.
이미지 처리 장치(1210)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)의 개수에 대응하는 개수의 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)를 포함할 수 있다.
각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 서로 분리된 이미지 신호 라인(ISLa, ISLb, ISLc)를 통해 대응되는 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100a)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLa)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212a)에 제공되고, 카메라 모듈(1100b)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLb)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212b)에 제공되고, 카메라 모듈(1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLc)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212c)에 제공될 수 있다. 이러한 이미지 데이터 전송은 예를 들어, MIPI(Mobile Industry Processor Interface)에 기반한 카메라 직렬 인터페이스(CSI; Camera Serial Interface)를 이용하여 수행될 수 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 몇몇 실시예에서, 하나의 서브 이미지 프로세서가 복수의의 카메라 모듈에 대응되도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 서브 이미지 프로세서(1212a)와 서브 이미지 프로세서(1212c)가 도시된 것처럼 서로 분리되어 구현되는 것이 아니라 하나의 서브 이미지 프로세서로 통합되어 구현되고, 카메라 모듈(1100a)과 카메라 모듈(1100c)로부터 제공된 이미지 데이터는 선택 소자(예를 들어, 멀티플렉서) 등을 통해 선택된 후, 통합된 서브 이미지 프로세서에 제공될 수 있다.
각각의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공된 이미지 데이터는 이미지 생성기(1214)에 제공될 수 있다. 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보(Generating Information) 또는 모드 신호(Mode Signal)에 따라 각각의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)로부터 제공된 이미지 데이터를 이용하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.
구체적으로, 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라, 서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 적어도 일부를 병합(merge)하여 출력 이미지를 생성할 수 있다. 또한, 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라, 서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이미지 생성 정보는 줌 신호(zoom signal or zoom factor)를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 모드 신호는 예를 들어, 유저(user)로부터 선택된 모드에 기초한 신호일 수 있다.
이미지 생성 정보가 줌 신호(줌 팩터)이고, 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 서로 다른 관측 시야(시야각)를 갖는 경우, 이미지 생성기(1214)는 줌 신호의 종류에 따라 서로 다른 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 줌 신호가 제1 신호일 경우, 카메라 모듈(1100a)로부터 출력된 이미지 데이터와 카메라 모듈(1100c)로부터 출력된 이미지 데이터를 병합한 후, 병합된 이미지 신호와 병합에 사용하지 않은 카메라 모듈(1100b)로부터 출력된 이미지 데이터를 이용하여, 출력 이미지를 생성할 수 있다. 만약, 줌 신호가 제1 신호와 다른 제2 신호일 경우, 이미지 생성기(1214)는 이러한 이미지 데이터 병합을 수행하지 않고, 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)로부터 출력된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다. 하지만 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 이미지 데이터를 처리하는 방법은 얼마든지 변형되어 실시될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이미지 생성기(1214)는 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c) 중 적어도 하나로부터 노출 시간이 상이한 복수의 이미지 데이터를 수신하고, 복수의 이미지 데이터에 대하여 HDR(high dynamic range) 처리를 수행함으로서, 다이나믹 레인지가 증가된 병합된 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
카메라 모듈 컨트롤러(1216)는 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제어 신호를 제공할 수 있다. 카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 생성된 제어 신호는 서로 분리된 제어 신호 라인(CSLa, CSLb, CSLc)를 통해 대응되는 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공될 수 있다.
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 어느 하나는 줌 신호를 포함하는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라 마스터(master) 카메라(예를 들어, 1100b)로 지정되고, 나머지 카메라 모듈들(예를 들어, 1100a, 1100c)은 슬레이브(slave) 카메라로 지정될 수 있다. 이러한 정보는 제어 신호에 포함되어, 서로 분리된 제어 신호 라인(CSLa, CSLb, CSLc)를 통해 대응되는 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공될 수 있다.
줌 팩터 또는 동작 모드 신호에 따라 마스터 및 슬레이브로서 동작하는 카메라 모듈이 변경될 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100a)의 시야각이 카메라 모듈(1100b)의 시야각보다 넓고, 줌 팩터가 낮은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100b)이 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100a)이 슬레이브로서 동작할 수 있다. 반대로, 줌 팩터가 높은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100a)이 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100b)이 슬레이브로서 동작할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공되는 제어 신호는 싱크 인에이블 신호(sync enable) 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100b)이 마스터 카메라이고, 카메라 모듈들(1100a, 1100c)이 슬레이브 카메라인 경우, 카메라 모듈 컨트롤러(1216)는 카메라 모듈(1100b)에 싱크 인에이블 신호를 전송할 수 있다. 이러한 싱크 인에이블 신호를 제공받은 카메라 모듈(1100b)은 제공받은 싱크 인에이블 신호를 기초로 싱크 신호(sync signal)를 생성하고, 생성된 싱크 신호를 싱크 신호 라인(SSL)을 통해 카메라 모듈들(1100a, 1100c)에 제공할 수 있다. 카메라 모듈(1100b)과 카메라 모듈들(1100a, 1100c)은 이러한 싱크 신호에 동기화되어 이미지 데이터를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공되는 제어 신호는 모드 신호에 따른 모드 정보를 포함할 수 있다. 이러한 모드 정보에 기초하여 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 센싱 속도와 관련하여 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드로 동작할 수 있다.
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 제1 동작 모드에서, 제1 속도로 이미지 신호를 생성(예를 들어, 제1 프레임 레이트의 이미지 신호를 생성)하여 이를 제1 속도보다 높은 제2 속도로 인코딩(예를 들어, 제1 프레임 레이트보다 높은 제2 프레임 레이트의 이미지 신호를 인코딩)하고, 인코딩된 이미지 신호를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다. 이때, 제2 속도는 제1 속도의 30배 이하일 수 있다.
애플리케이션 프로세서(1200)는 수신된 이미지 신호, 다시 말해서 인코딩된 이미지 신호를 내부에 구비되는 메모리(1230) 또는 애플리케이션 프로세서(1200) 외부의 스토리지(1400)에 저장하고, 이후, 메모리(1230) 또는 스토리지(1400)로부터 인코딩된 이미지 신호를 독출하여 디코딩하고, 디코딩된 이미지 신호에 기초하여 생성되는 이미지 데이터를 디스플레이할 수 있다. 예컨대 이미지 처리 장치(1210)의 복수의 서브 프로세서들(1212a, 1212b, 1212c) 중 대응하는 서브 프로세서가 디코딩을 수행할 수 있으며, 또한 디코딩된 이미지 신호에 대하여 이미지 처리를 수행할 수 있다.
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 제2 동작 모드에서, 제1 속도보다 낮은 제3 속도로 이미지 신호를 생성(예를 들어, 제1 프레임 레이트보다 낮은 제3 프레임 레이트의 이미지 신호를 생성)하고, 이미지 신호를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)에 제공되는 이미지 신호는 인코딩되지 않은 신호일 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)는 수신되는 이미지 신호에 대하여 이미지 처리를 수행하거나 또는 이미지 신호를 메모리(1230) 또는 스토리지(1400)에 저장할 수 있다.
PMIC(1300)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 전력, 예컨대 전원 전압을 공급할 수 있다. 예를 들어, PMIC(1300)는 애플리케이션 프로세서(1200)의 제어 하에, 파워 신호 라인(PSLa)을 통해 카메라 모듈(1100a)에 제1 전력을 공급하고, 파워 신호 라인(PSLb)을 통해 카메라 모듈(1100b)에 제2 전력을 공급하고, 파워 신호 라인(PSLc)을 통해 카메라 모듈(1100c)에 제3 전력을 공급할 수 있다.
PMIC(1300)는 애플리케이션 프로세서(1200)로부터의 전력 제어 신호(PCON)에 응답하여, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 대응하는 전력을 생성하고, 또한 전력의 레벨을 조정할 수 있다. 전력 제어 신호(PCON)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)의 동작 모드 별 전력 조정 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 동작 모드는 저전력 모드(low power mode)를 포함할 수 있으며, 이때, 전력 제어 신호(PCON)는 저전력 모드로 동작하는 카메라 모듈 및 설정되는 전력 레벨에 대한 정보를 포함할 수 있다. 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 제공되는 전력들의 레벨은 서로 동일하거나 또는 서로 상이할 수 있다. 또한, 전력의 레벨은 동적으로 변경될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
1, 1A, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900: 이미지 센서
105, 205, 305: 픽셀 회로
110, 210, 310: 제1 출력 회로
120, 220, 320: 제2 출력 회로
PD: 포토 다이오드
FD: 플로팅 디퓨전 노드
PX: 픽셀

Claims (20)

  1. 복수의 픽셀들을 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 픽셀들 각각은,
    빛에 반응하여 전하를 생성하는 적어도 하나의 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드와 상기 전하가 축적되는 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결되는 전송 소자, 및 상기 플로팅 디퓨전 노드에 연결되는 구동 소자를 포함하는 픽셀 회로;
    제1 칼럼 라인 및 상기 픽셀 회로 사이에 연결되며, 상기 구동 소자의 출력단에 연결되는 제1 스위치 소자, 상기 제1 스위치 소자에 연결되는 제1 고정 커패시터, 제1 인에이블 소자의 온/오프에 따라 상기 제1 스위치 소자와 연결 또는 분리되는 제1 가변 커패시터, 및 상기 제1 스위치 소자와 상기 제1 칼럼 라인 사이에 연결되는 제1 선택 소자를 포함하는 제1 출력 회로; 및
    상기 제1 칼럼 라인과 다른 제2 칼럼 라인 및 상기 픽셀 회로 사이에 연결되며, 상기 구동 소자의 출력단에 연결되는 제2 스위치 소자, 상기 제2 스위치 소자에 연결되는 제2 고정 커패시터, 제2 인에이블 소자의 온/오프에 따라 상기 제2 스위치 소자와 연결 또는 분리되는 제2 가변 커패시터, 및 상기 제2 스위치 소자와 상기 제2 칼럼 라인 사이에 연결되는 제2 선택 소자를 포함하는 제2 출력 회로; 를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고정 커패시터의 용량은 상기 제1 가변 커패시터의 용량보다 작고, 상기 제2 고정 커패시터의 용량은 상기 제2 가변 커패시터의 용량보다 작은 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 칼럼 라인은 제1 아날로그-디지털 컨버터에 연결되고, 상기 제2 칼럼 라인은 제2 아날로그-디지털 컨버터에 연결되는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 회로는, 전원 전압을 공급하는 전원 노드와 상기 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결되는 리셋 소자, 및 상기 구동 소자와 연결되며 상기 구동 소자에 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 소자를 더 포함하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 출력 회로는 상기 제1 스위치 소자와 상기 제1 선택 소자 사이에 연결되는 제1 출력 구동 소자를 더 포함하고,
    상기 제2 출력 회로는 상기 제2 스위치 소자와 상기 제2 선택 소자 사이에 연결되는 제2 출력 구동 소자를 더 포함하는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀들을 구동하여 이미지 데이터를 획득하는 로직 회로; 를 더 포함하고,
    상기 로직 회로는, 노출 시간 동안 상기 복수의 픽셀들을 동시에 빛에 노출시키며, 상기 제1 칼럼 라인을 통해 리셋 전압을 획득하고 상기 제2 칼럼 라인을 통해 픽셀 전압을 획득하는 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 로직 회로는, 빛의 세기가 소정의 기준 세기보다 작으면 상기 제1 인에이블 소자와 상기 제2 인에이블 소자를 턴-온시키고, 빛의 세기가 상기 기준 세기보다 크면 상기 제1 인에이블 소자와 상기 제2 인에이블 소자를 턴-오프시키는 이미지 센서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 로직 회로는, 상기 리셋 전압과 상기 픽셀 전압을 획득한 이후 상기 제1 칼럼 라인과 상기 제2 칼럼 라인 각각을 통해 소정의 기준 전압을 획득하며,
    상기 기준 전압과 상기 리셋 전압의 차이 및 상기 기준 전압과 상기 픽셀 전압의 차이를 이용하여 상기 이미지 데이터를 생성하는 이미지 센서.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 로직 회로는, 제1 노출 시간 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에서 상기 포토 다이오드가 생성한 전하에 대응하는 제1 픽셀 전압을 상기 제1 고정 커패시터 및 상기 제1 가변 커패시터에 샘플링하고,
    상기 제1 노출 시간 이후 상기 제1 노출 시간보다 짧은 제2 노출 시간 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에서 상기 포토 다이오드가 생성한 전하에 대응하는 제2 픽셀 전압을 상기 제2 고정 커패시터에 샘플링하며,
    상기 제1 픽셀 전압과, 상기 제2 픽셀 전압을 이용하여 상기 이미지 데이터를 생성하는 이미지 센서.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들로 빛을 반사시키는 피사체에 소정 파장 대역의 빛을 조사하는 광원; 을 더 포함하며,
    상기 로직 회로는, 상기 광원이 턴-온되는 제1 노출 시간 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에서 상기 포토 다이오드가 생성한 전하를 상기 제1 고정 커패시터에 저장하고,
    상기 제1 노출 시간 이후 상기 광원이 턴-오프되는 제2 노출 시간 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에서 상기 포토 다이오드가 생성한 전하를 상기 제2 고정 커패시터에 저장하며,
    상기 제1 노출 시간 동안 상기 포토 다이오드가 생성한 전하에 대응하는 제1 픽셀 전압과, 상기 제2 노출 시간 동안 상기 포토 다이오드가 생성한 전하에 대응하는 제2 픽셀 전압을 이용하여 상기 이미지 데이터를 생성하는 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 로직 회로는, 상기 제1 노출 시간 및 상기 제2 노출 시간 동안 상기 제1 인에이블 소자와 상기 제2 인에이블 소자를 턴-오프시키는 이미지 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 포토 다이오드와 상기 픽셀 회로가 배치되는 제1 반도체 기판, 및 상기 제1 출력 회로와 상기 제2 출력 회로가 배치되며 상기 제1 반도체 기판과 적층되는 제2 반도체 기판을 포함하는 이미지 센서.
  13. 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 픽셀 어레이를 구동하여 이미지 데이터를 획득하는 로직 회로; 를 포함하며,
    상기 픽셀들 각각은, 빛에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드, 및 상기 포토 다이오드가 생성한 전하가 축적되는 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결되는 전송 소자;
    상기 플로팅 디퓨전 노드에 연결되며, 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전압을 증폭시켜 출력 전압을 생성하는 구동 소자;
    제1 칼럼 라인과 상기 구동 소자 사이에 연결되며, 제1 스위치 소자, 상기 제1 스위치 소자에 연결되는 제1 커패시터, 및 상기 제1 커패시터와 상기 제1 칼럼 라인 사이에 연결되는 제1 선택 소자를 갖는 제1 출력 회로;
    제1 칼럼 라인과 다른 제2 칼럼 라인과 상기 구동 소자 사이에 연결되며, 제2 스위치 소자, 상기 제2 스위치 소자에 연결되는 제2 커패시터, 및 상기 제2 커패시터와 상기 제2 칼럼 라인 사이에 연결되는 제2 선택 소자를 갖는 제2 출력 회로; 를 포함하며,
    상기 로직 회로는, 빛의 세기가 제1 세기이면 상기 제1 커패시터를 제1 용량으로 설정하고, 상기 빛의 세기가 상기 제1 세기보다 큰 제2 세기이면 상기 제1 커패시터를 상기 제1 용량보다 작은 제2 용량으로 설정하는 이미지 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 로직 회로는, 빛의 세기가 상기 제1 세기이면 상기 제2 커패시터를 제3 용량으로 설정하고, 상기 빛의 세기가 상기 제2 세기이면 상기 제2 커패시터를 상기 제3 용량보다 작은 제4 용량으로 설정하는 이미지 센서.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 커패시터는, 제1 고정 커패시터, 상기 제1 고정 커패시터보다 작은 용량을 갖는 제1 가변 커패시터, 및 상기 제1 고정 커패시터와 상기 제1 가변 커패시터를 연결 또는 분리하는 제1 인에이블 소자를 포함하는 이미지 센서.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 로직 회로는, 상기 제1 칼럼 라인에 연결되는 제1 아날로그-디지털 컨버터, 및 상기 제2 칼럼 라인에 연결되는 제2 아날로그-디지털 컨버터를 포함하며,
    상기 제1 아날로그-디지털 컨버터가 출력하는 제1 디지털 신호와, 상기 제2 아날로그-디지털 컨버터가 출력하는 제2 디지털 신호의 차이를 이용하여 상기 이미지 데이터를 획득하는 이미지 센서.
  17. 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
    소정의 노출 시간 동안 상기 픽셀들을 동시에 빛에 노출시키고 이미지 데이터를 획득하는 로직 회로; 를 포함하며,
    상기 픽셀들 각각은, 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드와 연결되며, 리셋 전압 및 픽셀 전압을 생성하는 픽셀 회로;
    상기 리셋 전압을 저장하는 제1 커패시터를 포함하며, 제1 칼럼 라인과 상기 픽셀 회로 사이에 연결되는 제1 출력 회로; 및
    상기 픽셀 전압을 저장하는 제2 커패시터를 포함하며, 제2 칼럼 라인과 상기 픽셀 회로 사이에 연결되는 제2 출력 회로; 를 포함하고,
    상기 로직 회로는, 상기 노출 시간에 기초하여 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 각각의 용량을 조절하는 이미지 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 로직 회로는, 상기 노출 시간이 소정의 기준 시간보다 길면 상기 제1 커패시터의 용량을 제1 용량으로 설정하고, 상기 노출 시간이 상기 기준 시간보다 짧으면 상기 제1 커패시터의 용량을 상기 제1 용량보다 작은 제2 용량으로 설정하는 이미지 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 로직 회로는, 상기 노출 시간이 상기 기준 시간보다 길면 상기 제2 커패시터의 용량을 제3 용량으로 설정하고, 상기 노출 시간이 상기 기준 시간보다 짧으면 상기 제2 커패시터의 용량을 상기 제3 용량보다 작은 제4 용량으로 설정하는 이미지 센서.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 로직 회로가 상기 픽셀들로부터 상기 이미지 데이터를 획득하는 한 번의 프레임 주기 동안, 상기 노출 시간은 제1 노출 시간, 및 상기 제1 노출 시간보다 짧은 제2 노출 시간을 포함하며,
    상기 로직 회로는 상기 제1 노출 시간과 상기 제2 노출 시간 사이에 상기 제1 출력 회로를 상기 픽셀 회로에 연결하고, 상기 제2 노출 시간 이후에 상기 제2 출력 회로를 상기 픽셀 회로에 연결하는 이미지 센서.


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