KR102072359B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 제1 로우 내지 제n 로우 및 제1 컬럼 내지 제m 컬럼을 포함하는 매트릭스 형태로 배열되는 적어도 하나 이상의 액티브 픽셀과 L-OB( 픽셀을 포함하고, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 리드 아웃 동작시에 컬럼 단위로 픽셀 신호와 다크 레벨 오프셋 신호를 출력하는 픽셀 어레이, 상기 제1 로우 내지 제n 로우에 대한 선택 제어 신호를 출력하는 로우 드라이버 및 상기 픽셀 신호와 상기 다크 레벨 오프셋 신호를 디지털 형태로 변환하는 ADC 블록을 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 리드 아웃 동작 시에 다른 로우에 포함된 L-OB 픽셀이 다크 레벨 오프셋 신호를 동시에 출력하고, 상기 n 및 m은 2 이상의 정수이다. 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서에 의하면, 픽셀 어레이 사이즈의 증가 없이도 하나의 로우의 리드 아웃 동작 시에 기여하는 L-OB 픽셀 수를 증가시킬 수 있어 픽셀 고유 노이즈를 효율적으로 감소시킬 수 있다.

Description

이미지 센서{A image sensor}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 픽셀 어레이의 동작을 제어함으로써 이미지에 포함되는 노이즈를 감소시키는 이미지 센서에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 상보형 금속산화반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)를 이용한 고체 촬상 소자이다. CMOS 이미지 센서는 고전압 아날로그 회로를 가지는 CCD 이미지 센서와 비교해 제조 단가가 낮고 소자의 크기가 작아서 소비 전력이 적다는 장점이 있다. 또한, 개발 초기보다 CMOS 이미지 센서의 성능이 향상되어 스마트폰, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기를 비롯한 가전 제품에 주로 CMOS 이미지 센서가 탑재되고 있다.
최근 수요가 높아지고 있는 CMOS 이미지 센서가 생성하는 이미지의 품질을 높이기 위한 여러 가지 연구가 진행되고 있다. 특히, CMOS 이미지 센서의 동작 시에 CMOS 이미지 센서 내부의 소자들에서 발생하는 다양한 노이즈는 이미지의 품질을 저하시킬 수 있는 요인이 되므로 이를 제거할 필요성이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 이미지의 품질을 향상시키기 위해 픽셀 어레이를 제어함으로써 다크 레벨 오프셋과 픽셀 고유 노이즈를 제거하는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 제1 로우 내지 제n 로우 및 제1 컬럼 내지 제m 컬럼을 포함하는 매트릭스 형태로 배열되는 적어도 하나 이상의 액티브 픽셀과 L-OB 픽셀을 포함하고, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 리드 아웃 동작시에 컬럼 단위로 픽셀 신호와 다크 레벨 오프셋 신호를 출력하는 픽셀 어레이, 상기 제1 로우 내지 제n 로우에 대한 선택 제어 신호를 출력하는 로우 드라이버 및 상기 픽셀 신호와 상기 다크 레벨 오프셋 신호를 디지털 형태로 변환하는 ADC 블록을 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 리드 아웃 동작 시에 다른 로우에 포함된 L-OB 픽셀이 다크 레벨 오프셋 신호를 동시에 출력하고, 상기 n 및 m은 2 이상의 정수이다.
실시예에 따라 상기 픽셀 어레이는 서로 다른 로우에 포함되고 동일한 컬럼에 포함된 적어도 2 이상의 L-OB 픽셀들이 동시에 다크 레벨 오프셋 신호들을 출력할 경우 상기 다크 레벨 오프셋 신호들의 평균값을 출력한다.
실시예에 따라 상기 동일한 컬럼에 포함되고 동시에 다크 레벨 오프셋 신호들을 출력하는 적어도 2 이상의 L-OB 픽셀들은 서로 인접하는 로우에 포함된다.
실시예에 따라 상기 적어도 하나의 L-OB 픽셀은 포토 다이오드를 포함하지 않는다.
실시예에 따라 상기 적어도 하나의 L-OB 픽셀은 상부에 차광막을 포함한다.
실시예에 따라 상기 ADC 블록은 상기 제1 컬럼 내지 제m 컬럼 중 어느 하나에 연결된 복수의 ADC 유닛을 포함한다.
실시예에 따라 상기 적어도 하나 이상의 액티브 픽셀과 L-OB 픽셀은 각각 3T, 4T 또는 5T 중 어느 하나의 구조를 가진다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 제1 로우 내지 제n 로우 및 제1 컬럼 내지 제m 컬럼을 포함하는 매트릭스 형태로 배열되는 적어도 하나 이상의 액티브 픽셀과 L-OB 픽셀을 포함하고, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 리드 아웃 동작시에 컬럼 단위로 픽셀 신호와 다크 레벨 오프셋 신호를 출력하는 픽셀 어레이, 상기 제1 로우 내지 제n 로우에 대한 선택 제어 신호를 출력하는 로우 드라이버 및 상기 픽셀 신호와 상기 다크 레벨 오프셋 신호를 디지털 형태로 변환하는 ADC 블록을 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 리드 아웃 동작 시에 다른 로우에 포함된 L-OB 픽셀이 다크 레벨 오프셋 신호를 동시에 출력하고, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나는 L-OB 픽셀로만 구성되고, 상기 n 및 m은 2 이상의 정수이다.
실시예에 따라 상기 제1 컬럼 내지 제m 컬럼은 각각 액티브 픽셀 또는 L-OB 픽셀 중 어느 한 종류만으로 구성된다.
실시예에 따라 상기 L-OB 픽셀로만 구성된 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 출력은 L-OB 픽셀의 종류만으로 구성된 상기 제1 컬럼 내지 제m 컬럼 중 어느 하나에 연결된다.
실시예에 따라 상기 픽셀 어레이는 서로 다른 로우에 포함되고 동일한 컬럼에 포함된 적어도 2 이상의 L-OB 픽셀들이 동시에 다크 레벨 오프셋 신호들을 출력할 경우 상기 다크 레벨 오프셋 신호들의 평균값을 출력한다.
실시예에 따라 상기 적어도 하나의 L-OB 픽셀은 상부에 차광막을 포함한다.
실시예에 따라 상기 ADC 블록은 상기 제1 컬럼 내지 제m 컬럼 중 어느 하나에 연결된 복수의 ADC 유닛을 포함한다.
실시예에 따라 상기 픽셀어레이로부터 컬럼 단위로 출력되는 상기 픽셀 신호와 다크 레벨 오프셋 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 상기 ADC 블록으로 전송하는 CDS 블록, 상기 디지털화된 픽셀 신호와 다크 레벨 오프셋 신호를 임시로 저장한 후 증폭하여 출력하는 버퍼 및 클럭 신호 및 제어 신호를 생성하여 상기 로우 드라이버 및 상기 ADC 블록으로 전송하는 타이밍 제너레이터를 더 포함한다.
실시예에 따른 이미지 처리 시스템은 상기 이미지 센서와 상기 버퍼로부터 증폭된 상기 디지털화된 픽셀 신호와 다크 레벨 오프셋 신호를 입력받아 상기 디지털화된 픽셀 신호로부터 상기 디지털화된 다크 레벨 오프셋 신호를 감산하여 로우 노이즈를 제거하는 이미지 신호 프로세서를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서에 의하면, 픽셀 어레이 사이즈의 증가 없이도 하나의 로우의 리드 아웃 동작 시에 기여하는 L-OB 픽셀 수를 증가시킬 수 있어 픽셀 고유 노이즈를 효율적으로 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 단위 픽셀의 예를 각각 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 동작을 구체적으로 나타내기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내기 위한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 동작을 구체적으로 나타내기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 처리 시스템(Image Process system, 10)은 이미지 센서(Image sensor, 100), 이미지 프로세서(DSP, 200), 디스플레이 유닛(Display Unit, 300) 및 렌즈(500)를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(APS array, 110), 로우 드라이버(Row Driver, 120), 상관 이중 샘플링(CDS:Correlated Double Sampling) 블록(130), 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter; 이하 ADC, 140), 램프 신호 발생기(Ramp Generator, 160) 및 타이밍 제너레이터(Timing Generator, 170), 카운터 컨트롤러(counter controller, 171), 제어 레지스터 블록(control Register Block, 180) 및 버퍼(Buffer, 190)를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서(100)는 이미지 프로세서(200)의 제어에 의해 렌즈(500)를 통해 촬상된 대상물(object, 400)을 센싱하고, 상기 이미지 프로세서(DSP, 200)는 상기 이미지 센서(100)에 의해 센싱되어 출력된 이미지를 디스플레이 유닛(300)에 출력할 수 있다. 이때, 디스플레이 유닛(300)은 영상을 출력할 수 있는 모든 장치를 포함한다. 예컨대, 상기 디스플레이 유닛(300)은 컴퓨터, 휴대폰, 또는 카메라가 구비된 전자 장치 등으로 구현될 수 있다.
이때, 상기 이미지 프로세서(DSP, 200)는 카메라 컨트롤(210), 이미지 신호 프로세서(220) 및 PC I/F(230)를 포함할 수 있다. 상기 카메라 컨트롤(210)은 상기 제어 레지스터 블록(180)을 제어한다. 이때, 상기 카메라 컨트롤(210)은 I2C(Inter-Integrated Circuit)를 이용하여 이미지 센서(100), 즉, 상기 제어 레지스터 블록(180)을 제어할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor, 220)는 상기 버퍼(190)의 출력 신호인 이미지 데이터를 입력받아 이미지를 사람이 보기 좋도록 가공/처리하여 가공/처리된 이미지를 PC I/F(230)를 통해 디스플레이 유닛(300)으로 출력한다.
상기 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor, 220)는 도 1에서는 DSP(200) 내부에 위치하는 것으로 도시하였으나, 이는 당업자에 의해 설계 변경이 가능하다. 예컨대, 상기 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor, 220)는 상기 이미지 센서(100) 내부에 위치할 수도 있다.
픽셀 어레이(110)는 다수의 광전 변환 소자, 예컨대 포토(photo) 다이오드 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode) 등의 광전 변환 소자를 포함한다. 픽셀 어레이(110)는 다수의 광전 변환 소자를 이용하여 빛을 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 영상 신호를 생성한다.
타이밍 제너레이터(170)는 로우 드라이버(120), ADC(140), 램프 신호 발생기(160) 및 카운터 컨트롤러(171) 각각에 제어 신호 또는 클럭 신호를 출력하여 상기 로우 드라이버(120), ADC(140), 램프 신호 발생기(160) 및 카운터 컨트롤러(171)의 동작 또는 타이밍을 제어할 수 있으며, 제어 레지스터 블록(180)은 램프 신호 발생기(160), 타이밍 제너레이터(170), 카운터 컨트롤러(171) 및 버퍼(190) 각각에 제어 신호를 출력하여 동작을 제어할 수 있다. 이때, 상기 제어 레지스터 블록(180)은 상기 카메라 컨트롤(210)의 제어를 받아 동작한다.
카운터 컨트롤러(171)는 상기 제어 레지스터 블록(180)으로부터 제어 신호를 수신하여 상기 ADC(140)에 포함된 복수의 카운터(미도시)들에 카운터 제어 신호(counter control signal, CCS)를 전송하여 상기 카운터(미도시)들의 동작을 제어할 수 있다.
로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)를 행(row) 단위로 구동한다. 예컨대, 로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)을 구성하는 각 단위 픽셀의 전송 트랜지스터들을 제어하는 전송 제어 신호, 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호 등을 생성할 수 있다. 그리고, 픽셀 어레이(110)는 로우 드라이버(120)로부터 제공된 행 선택 신호에 의해 선택되는 행(row)으로부터 픽셀 신호 즉, 리셋 신호와 영상 신호를 CDS(130)로 출력한다. 상기 CDS(130)는 입력받은 리셋 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.
ADC(140)는 상기 램프 신호 발생기(160)로부터 제공된 램프 신호(Vramp)와 CDS(130)로부터 출력되는 상관 이중 샘플링된 신호를 비교하여 그 결과 신호를 출력하고, 상기 결과 신호를 카운팅하여 버퍼(190)로 출력한다.
버퍼(190)는 상기 ADC(130)로부터 출력된 디지털 신호를 임시 저장한 후 센싱하고 증폭하여 출력한다. 이때, 상기 버퍼(190)는 임시 저장을 위해 각 열에 하나씩 포함된 복수의 컬럼 메모리 블록(예컨대, SRAM) 및 상기 ADC(130)로부터 출력된 디지털 신호를 센싱하고 증폭하기 위한 센스 앰프(SA)를 포함할 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 도시된 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 단위 픽셀의 예를 각각 도시한 회로도이다.
도 2a를 참조하면, 단위 픽셀(115a)은 포토 다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 플로팅 디퓨젼 노드 (FD), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 선택 트랜지스터(Sx)를 포함할 수 있다.
여기서, 포토 다이오드(PD)는 광전 변환 소자의 예시로서, 포토트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2a에서는 하나의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS트랜지스터들(Tx, Rx, Dx, 및 Sx)을 포함하는 4T 구조의 단위 픽셀을 예시하고 있지만, 본 발명에 따른 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며, 드라이브 트랜지스터(Dx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함하는 적어도 3개의 트랜지스터들과 포토다이오드(PD)를 포함하는 모든 회로들에 본 발명에 따른 실시 예가 적용될 수 있다.
단위 픽셀(115a)의 동작을 살펴보면, 포토 다이오드(PD)는 대상물(400)로부터 입사되는 광의 세기에 따라 가변되는 광전하를 생성한다. 전송 트랜지스터(Tx)는 로우 드라이버(120)로부터 출력되는 전송 제어 신호(TG)에 따라 상기 생성된 광전하를 플로팅 디퓨젼 노드(FD)로 전송할 수 있다.
상기 플로팅 디퓨젼 노드(FD)에 축적된 광전하에 따른 전위에 따라 드라이브 트랜지스터(Dx)는 선택 트랜지스터(Sx)로 상기 광전하를 증폭하여 전송할 수 있다.
선택 트랜지스터(Sx)는 드레인 단자가 상기 드라이브 트랜지스터(Dx)의 소스 단자에 연결되고, 로우 드라이버(120)로부터 출력되는 선택 신호(SEL)에 따라 단위 픽셀(115a)에 연결된 칼럼 라인으로 픽셀 신호를 출력할 수 있다.
리셋 트랜지스터(Rx)는 로우 드라이버(120)로부터 출력되는 리셋 제어 신호(RS)에 따라 플로팅 디퓨젼 노드(FD)를 VDD로 리셋할 수 있다.
단위 픽셀의 다른 실시 예가 도 2b 내지 도 2e에 도시된다.
도 2b에 도시된 단위 픽셀(115b)은 3-트랜지스터(3T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토다이오드(PD), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 선택 트랜지스터(Sx)를 포함할 수 있다. 상기 포토다이오드가 생성한 광전하는 바로 플로팅 디퓨젼 노드(FD)에 축적될 수 있고, 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 선택 트랜지스터(Sx)의 동작에 따라 칼럼 라인으로 픽셀 신호를 출력할 수 있다.
도 2c에 도시된 단위 픽셀(115c)은 3-트랜지스터(3T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토다이오드(PD), 전송 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx) 및 드라이브 트랜지스터(Tx)를 포함할 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(Rx)는 n 채널 디프레션형 트랜지스터(n-channel depression type transistor)로 구현될 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(Rx)는 로우 드라이버(120)로부터 출력되는 리셋 제어 신호에 따라 플로팅 디퓨젼 노드(FD)를 VDD로 리셋하거나, 로우 레벨(예컨대, 0V)로 셋팅하여 선택 트랜지스터(Sx)와 유사한 기능을 수행할 수 있다.
도 2d에 도시된 단위 픽셀(115d)은 5-트랜지스터(5T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 선택 트랜지스터(Sx)를 포함하며, 이외에 하나의 트랜지스터(Gx)를 더 포함한다.
도 2e에 도시된 단위 픽셀(115e)은 5-트랜지스터 단위 픽셀로서, 포토다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx)와, 선택 트랜지스터(Sx)를 포함하며, 이외에 한 개의 트랜지스터(Px)를 더 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기 이미지 센서(100')는 픽셀 어레이(active pixel array, 110), 로우 드라이버(row driver, 120), CDS 블록(130), 아날로그 디지털 컨버터(140), 램프 신호 생성기(ramp generator, 160) 및 버퍼(190)를 포함한다. 이때, 아날로그 디지털 컨버터(140)는 비교 블록(180) 및 카운터 블록(150)을 포함한다.
픽셀 어레이(110)는 각각 다수의 로우(row) 라인들 및 다수의 컬럼(column) 라인들과 접속되는 매트릭스 형태의 도 2a 내지 도 2e에 도시된 다수의 단위 픽셀(115a 내지 115e)들을 포함할 수 있다.
상기 픽셀 어레이는 수직적으로 반도체 기판(미도시), 층간 절연층(미도시), 컬러 필터층(미도시) 및 마이크로 렌즈(미도시)들이 적층되어 형성될 수 있다. 반도체 기판(미도시)은 p형 벌크(bulk) 실리콘 기판 상에 p형 에피택셜 층이 형성된 반도체 기판일 수 있고, 이러한 p형 에피택셜 층 내에 n형 이온이 주입됨으로써 포토다이오드가 형성될 수 있다. 또한, 반도체 기판(미도시)의 상부에는 층간 절연층(미도시)이 적층될 수 있는데, 층간 절연층(미도시)은 단위 화소를 구성하는 트랜지스터들의 게이트들 및 다층의 도전 라인들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 층간 절연층(미도시)의 상부에는 소자들을 보호하기 위한 보호층(미도시)이 적층될 수도 있다. 컬러 필터층(미도시)은 층간 절연층(또는 보호층)의 상부에 적층될 수 있는데, 컬러 필터층(미도시)은 복수의 컬러 필터들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 컬러 필터층(미도시)에는 베이어 패턴(bayer pattern) 기술이 적용될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터들을 적어도 하나 이상의 레드 필터들, 적어도 하나 이상의 그린 필터들 및 적어도 하나 이상의 블루 필터들을 포함하거나, 또는 적어도 하나 이상의 마젠타 필터들, 적어도 하나 이상의 시안 필터들 및 적어도 하나 이상의 옐로우 필터들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 컬러 필터층(미도시) 상부에는 오버 코팅 레이어(over-coating layer)라고 불리는 평탄층이 적층될 수 있다. 마이크로 렌즈(미도시)들은 컬러 필터층(또는 평탄층)의 상부에 적층되는데, 마이크로 렌즈(미도시)들은 입사광이 단위 화소의 포토다이오드에 효율적으로 입사되도록 입사광을 가이드(guide)할 수 있다.
상기 픽셀 어레이(110)는 액티브(active) 픽셀 어레이(112) 및 L-OB(Line-Optical Black) 픽셀 어레이(114)를 포함할 수 있다.
상기 액티브 픽셀 어레이(112)는 다수의 액티브 픽셀들(P12 내지 Pn(m-1))을 포함할 수 있으며, 상기 다수의 액티브 픽셀들(P12 내지 Pn(m-1)) 각각은 레드(red) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 레드 픽셀, 그린(green) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 그린 픽셀, 블루(blue) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 블루 픽셀, 및 TOF(Time Of Flight) 방식을 이용해 깊이 정보를 전기 신호로 변환하기 위한 깊이 픽셀을 포함할 수 있다. 즉, 상기 다수의 액티브 픽셀들(P12 내지 Pn(m-1)) 각각은 입사광의 세기에 따른 픽셀 신호들을 출력할 수 있다.
상기 L-OB 픽셀 어레이(114)는 다수의 L-OB 픽셀들(P11 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)을 포함할 수 있으며, 도 4에서는 각 로우에 좌우 양 끝에만 L-OB 픽셀이 구현되는 것으로 나타나 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 필요에 따라 하나의 로우에 적어도 2 이상의 L-OB 픽셀이 연속하여 또는 불연속적으로 구현될 수 있다. 상기 다수의 L-OB 픽셀들(P11 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)은 상기 다수의 액티브 픽셀들(P12 내지 Pn(m-1))과 달리 포토 다이오드가 제거되거나 컬러 필터에 대응되는 층에 차광막이 형성될 수 있다. 즉, 상기 L-OB 픽셀들(P11 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)은 상기 액티브 픽셀들(P12 내지 Pn(m-1))과 거의 동일한 구조를 가질 수 있고, 입사광과는 무관한 노이즈에 따른 신호를 생성할 수 있다. 다시 말하면, 상기 다수의 L-OB 픽셀들(P11 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)은 로우 노이즈(row noise)를 포함하는 다크 레벨 오프셋 신호(dark level offset signal)를 생성할 수 있다.
상기 로우 노이즈는 상기 액티브 픽셀들(P12 내지 Pn(m-1))이 출력하는 각각의 픽셀 신호에 포함되는 노이즈이다. 상기 로우 노이즈는 최종 이미지에 가로 줄무늬의 모양의 잡음을 일으킬 수 있어 이미지의 품질을 높이기 위해 제거될 필요가 있다. 상기 로우 노이즈는 주로 이미지 센서(100)에 공급되는 파워(power)의 변화, 로우 드라이버(120)의 구동시에 발생하는 노이즈 등이 주원인이 되며, 시간에 따라 달라지는 특성(time-variant)을 갖는다. 이미지 신호 프로세서(220)는 상기 픽셀 신호로부터 상기 다크 레벨 오프셋 신호를 감산하여 로우 노이즈가 제거된 최종 픽셀 신호를 생성할 수 있다. 즉, 이미지 신호 프로세서(220)는 오토 다크 레벨 보상(Auto Dark Level Compensation; ADLC) 기술을 적용하여 픽셀 신호에 포함된 로우 노이즈를 제거할 수 있다.
상기 로우 노이즈가 시간에 따라 달라지므로 보다 정확히 제거되기 위해서는 상기 픽셀 어레이(110')의 각 행마다 적어도 하나 이상의 L-OB 픽셀이 구비될 수 있다. 즉, 상기 픽셀 어레이(100')의 픽셀 신호들은 로우 단위로 출력되므로 시간에 따라 달라지는 로우 노이즈를 효과적으로 제거하기 위해서는 동일한 로우에서 거의 동시에 출력되는 다크 레벨 오프셋 신호를 픽셀 신호에서 감산할 필요가 있다.
또한, 하나의 L-OB 픽셀(P11 내지 Pn1 또는 P1m 내지 Pnm)이 출력하는 다크 레벨 오프셋 신호에는 로우 노이즈 외에 픽셀 고유 노이즈(intrinsic noise)가 포함될 수 있다. 상기 픽셀 고유 노이즈는 각각의 픽셀의 구조에 기인하며 픽셀마다 값이 달라질 수 있다. 상기 픽셀 고유 노이즈는 그 값이 0을 중심으로 양(+) 또는 음(-)의 값을 가질 수 있으며 다크 레벨 오프셋 신호를 출력하는 L-OB 픽셀(P11 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)이 많을수록 그 평균은 0에 가까워질 수 있다. 따라서, 하나의 로우에 포함된 L-OB 픽셀이 많아질수록 픽셀 고유 노이즈는 감소될 수 있으나 전체 픽셀 어레이(110')에 비한 액티브 픽셀 어레이(112)의 면적은 감소하게 된다. 이는 이미지 센서(100')의 성능을 저하시킬 수 있으므로 이를 막기 위해 하나의 로우마다의 L-OB 픽셀 갯수는 제한받게 된다. 따라서, 하나의 로우에 대한 픽셀 신호의 출력시(read out)에 다른 로우에 속한 적어도 하나의 L-OB 픽셀(P11 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)도 함께 활성화시켜 상기 적어도 하나의 L-OB 픽셀(P11 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)의 다크 레벨 오프셋 신호도 함께 출력되도록 할 수 있다.
이를 위해 액티브 픽셀 어레이(112)와 L-OB 픽셀 어레이(114)는 각각 따로 로우 드라이버(120)로부터 선택 제어 신호를 공급받는 도전 라인을 구비할 수 있다. 즉, L-OB 픽셀 어레이(114)의 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)은 제1 L-OB 선택 제어 신호(SEL1a)를 수신하고, 액티브 픽셀 어레이(112)의 제1 로우의 액티브 픽셀들(P12 내지 P1(m-1))은 제1 액티브 선택 제어 신호(SEL1b)를 수신하여 활성화될 수 있다. 마찬가지로, 제2 로우 내지 제n 로우의 L-OB 픽셀들(P12 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)은 각각 제2 L-OB 선택 제어 신호 내지 제n L-OB 선택 제어 신호(SEL2a 내지 SELna)를 수신하여 활성화될 수 있다. 또한, 제2 로우 내지 제n 로우의 액티브 픽셀들(P12 내지 Pn(m-1))은 각각 제2 액티브 선택 제어 신호 내지 제n 액티브 선택 제어 신호(SEL2b 내지 SELnb)를 수신하여 활성화될 수 있다.
따라서, 제1 로우에 속한 액티브 픽셀들(P12 내지 P1(m-1))과 L-OB 픽셀들(P11, P1m)이 각각 제1 액티브 선택 제어 신호(SEL1b)와 제1 L-OB 선택 제어 신호(SEL1a)를 수신하여 활성화됨과 동시에, 제2 로우에 속한 L-OB 픽셀들(P21, P2m)이 제2 L-OB 선택 제어 신호(SEL2a)를 수신하여 활성화될 수 있다. 즉, 동일한 컬럼 라인에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 제2 로우의 L-OB 픽셀들(P21, P2m)은 동시에 활성화 되어 각각의 다크 레벨 오프셋 신호를 출력할 수 있다.
하나의 컬럼 라인(COL1 또는 COLm)에 각기 다른 다크 레벨 오프셋 신호가 인가될 경우 상기 하나의 컬럼 라인(COL1 또는 COLm)의 출력은 각기 다른 다크 레벨 오프셋 신호의 레벨들 사이의 값을 가질 수 있다(Pixel Level Averaging:PLA). 컬럼 라인(COL1 또는 COLm)에 레벨이 다른 두 신호가 동시에 인가될 경우 보다 높은 레벨을 가진 신호에 가깝도록 상기 컬럼 라인의 출력이 결정될 수 있으며, 두 신호의 레벨의 차이가 작을수록 두 신호의 레벨의 평균값에 가깝게 결정될 수 있다. 일반적으로 L-OB 픽셀들(P11 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)의 다크 레벨 오프셋 신호들의 차이는 매우 작은 값을 가지므로, 컬럼 라인(COL1 또는 COLm)의 출력은 상기 다크 레벨 오프셋 신호들의 평균값에 가깝게 결정될 수 있다.
즉, 하나의 로우에 속한 L-OB 픽셀들(예컨대, P11과 P1m)의 다크 레벨 오프셋 신호들은 ADC 블록(140)에 의해 디지털화되어 이미지 신호 프로세서(220)에 의해 평균값이 구해지는데 반해, 동일한 컬럼에 속한 L-OB 픽셀들(예컨대, P11과 P21)의 다크 레벨 오프셋 신호들은 아날로그 적으로 평균값이 결정될 수 있다.
따라서, 동일한 컬럼 라인(예컨대, COL1)에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀들과 제2 로우의 L-OB 픽셀들(예컨대, P11과 P21)이 동시에 활성화 되어 각각의 다크 레벨 오프셋 신호를 출력할 경우 상기 컬럼 라인(예컨대, COL1)의 출력은 제1 로우의 L-OB 픽셀들과 제2 로우의 L-OB 픽셀들(예컨대, P11과 P21)의 다크 레벨 오프셋 신호의 평균값이 출력될 수 있다. 마찬가지로 제k 로우(k는 1에서 n 중 어느 하나)의 리드 아웃 동작 시에 인접하는 제(k+1) 로우 또는 제(k-1) 로우의 L-OB 픽셀들이 함께 활성화될 수 있다.
또한, 리드 아웃 동작이 이루어지는 로우와 인접한 로우의 L-OB 픽셀이 아닌 임의의 다른 로우(예컨대, 가장 멀리 떨어진 로우)가 함께 활성화될 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 리드 아웃 동작이 이루어지는 로우 이외에 복수의 로우에 속한 L-OB 픽셀들이 함께 활성화될 수 있다.
도 3에서는 하나의 로우에서 액티브 픽셀들과 L-OB 픽셀끼리만이 각각 다른 선택 제어 신호를 수신하는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 L-OB 픽셀들 중에서도 달리 L-OB 선택 제어 신호를 수신하도록 하여 동시에 활성화되는 L-OB 픽셀의 갯수를 조절할 수 있다. 또한, 하나의 로우의 양 끝에 L-OB 픽셀들(P11 내지 Pn1 및 P1m 내지 Pnm)이 구비되는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 하나의 로우에 구비되는 L-OB 픽셀들의 갯수는 제한이 없고 그 위치에도 제한이 없다.
또한, 픽셀 어레이(110')를 구성하는 다수의 픽셀들(P11 내지 Pnm) 각각의 상부에는 특정 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키거나 차단하기 위한 각각의 컬러 필터 또는 차광막을 포함하는 필터 어레이(미도시)가 배열될 수 있다.
로우 드라이버(120)는 타이밍 제너레이터(170)에서 생성된 행 제어신호(예컨대, 어드레스 신호)를 디코딩하고, 디코딩된 행 제어신호에 응답하여 픽셀 어레이(110)를 구성하는 행 라인들 중에서 적어도 어느 하나의 행 라인을 선택할 수 있다. 상술한 바와 같이 상기 로우 드라이버(120)는 하나의 로우에서 액티브 픽셀들과 L-OB 픽셀들 중 L-OB 픽셀들만(예컨대, P21 내지 P2m 중에서 P21과 P2m)을 선택할 수 있다.
상관 이중 샘플링 블록(130)은 픽셀 어레이(110')를 구성하는 컬럼 라인들(COL1 내지 COLm) 중에서 어느 하나의 컬럼 라인에 접속된 단위 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호 및 다크 레벨 오프셋 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플링 블록(130)은 픽셀 신호 및 다크 레벨 오프셋 신호에 포함된 외부 빛의 조도에 따라 달라지는 영상 신호와 리셋 신호를 순차적으로 수신하고 감산하여 리셋 신호가 제거된 픽셀 신호 및 다크 레벨 오프셋 신호를 출력할 수 있다. 상기 상관 이중 샘플링 블록(130)은 각각의 컬럼 라인에 연결되는 복수의 상관 이중 샘플링 유닛(132)들로 구성될 수 있다.
비교 블록(142)은 복수의 비교기(144)들을 포함하며, 각 비교기(144)는 상기 상관 이중 샘플링 블록(130) 및 램프 신호 생성기(160)와 연결된다. 이때, 상기 상관 이중 샘플링 블록(130)은 비교기(144)의 제1입력단에, 램프 신호 생성기(160)는 비교기(144)의 제2입력단에 연결될 수 있다.
상기 비교기(144)는 상기 상관 이중 샘플링 블록(130)의 출력 신호와 상기 램프 신호 생성기(160)로부터 발생된 램프 신호(ramp) 값을 입력받아 서로 비교하여 그 비교 결과 신호를 출력단으로 출력할 수 있다. 이때, 상기 비교기(144)로부터 출력되는 비교 결과 신호는 상기 영상 신호와 리셋 신호의 차이가 픽업(pick-up)되어 램프 신호의 기울기에 따라 출력될 수 있다. 상기 램프 신호 생성기(160)는 타이밍 제너레이터(170)에서 발생된 제어신호에 기초해 동작할 수 있다.
상기 카운터 블록(150)은 복수의 카운터(152)들을 포함하며, 상기 카운터(152)들은 각각 상기 비교기(144)들의 출력단에 연결될 수 있다. 상기 카운터 블록(150)은 도 1에 도시된 카운터 컨트롤러(171)의 제어를 받아 동작할 수 있다. 이때, 도 1에는 상기 카운터 컨트롤러(171)가 상기 타이밍 제너레이터(170) 외부에 도시되었으나, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고 상기 카운터 블록(150) 내부 또는 타이밍 제너레이터(170) 내부에 위치할 수 있다.
이때, 상기 카운터(152)는 업/다운 카운터(Up/Down Counter) 및 비트-와이즈 카운터(Bit-wise Inversion Counter)를 포함한다. 이때, 상기 비트-와이즈 카운터는 상기 업/다운 카운터와 비슷한 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 상기 비트-와이즈 카운터는 업 카운트만 수행하는 기능 및 특정 신호가 들어오면 카운터 내부의 모든 비트를 반전하여 1의 보수(1's complement)로 만드는 기능을 수행할 수 있기 때문에, 이를 이용하여 리셋 카운트(reset count)를 수행한 후 이를 반전하여 1의 보수, 즉, 음수 값으로 변환할 수 있다.
상기 버퍼(190)는 컬럼 메모리 블록(192) 및 센스 엠프(194)를 포함하고, 상기 컬럼 메모리 블록(192)은 복수의 메모리(196)들을 포함한다.
상기 메모리(196)들은 상기 타이밍 제너레이터(170)에서 발생된 제어신호에 기초하여, 상기 컬럼 메모리 블록(192) 내부 또는 타이밍 제너레이터(170) 내부에 위치한 메모리 컨트롤러(미도시)에 의해 발생된 메모리 제어 신호에 따라 동작할 수 있으며, 상기 메모리(196)는 SRAM에 해당할 수 있다.
상기 컬럼 메모리 블록(192)은 상기 메모리 제어 신호에 따라, 상기 카운터(152)들이 카운팅하여 출력한 디지털 신호를 임시 저장한 후 센스 앰프(194)로 출력하며, 상기 센스 앰프(194)는 이를 센싱하고 증폭해 이미지 신호 프로세서(220)로 출력한다.
실시예에 따라 상기 상관 이중 샘플링 유닛(132), 상기 비교기(152), 상기 카운터(152) 및 상기 메모리(196) 중 적어도 하나는 L-OB 픽셀에 접속된 하나의 컬럼 라인(COL1, COLm)마다 적어도 2 이상씩 구현될 수 있다. 이는 상기 상관 이중 샘플링 유닛(132), 상기 비교기(144), 상기 카운터(152) 및 상기 메모리(196)에서도 고유의 노이즈가 발생할 수 있으므로 이를 제거하기 위함이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서에 의하면, 픽셀 어레이 사이즈의 증가 없이도 하나의 로우의 리드 아웃 동작 시에 기여하는 L-OB 픽셀 수를 증가시킬 수 있어 픽셀 고유 노이즈를 효율적으로 감소시킬 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 동작을 구체적으로 나타내기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 도 4에서 제1 컬럼 라인(COL1)에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀(P11)과 상기 제1 컬럼 라인(COL1)에 연결된 제2 로우의 L-OB 픽셀(P21)이 나타나 있으며, 각 L-OB 픽셀(P11, P21)은 도 2a에 도시된 4T 단위 픽셀의 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 L-OB 픽셀은 이에 한정되지 않고 포토 다이오드가 제거된 구조를 가질 수 있으며, 3T 또는 5T 단위 픽셀의 구조를 가질 수 있다.
제1 컬럼 라인(COL1)에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀(P11)과 상기 제1 컬럼 라인에 연결된 제2 로우의 L-OB 픽셀(P21)은 로우 드라이버(120)로부터 각각의 전송 제어 신호(TG11, TG21), 리셋 신호(RS11, RS21) 및 선택 제어 신호(SEL1a, SEL2a)를 수신하여 플로팅 디퓨젼 노드(FD11, FD21)로의 전송 동작, 리셋 동작, 리드 아웃 동작을 수행할 수 있다. 상기 각각의 전송 제어 신호(TG11, TG21), 리셋 신호(RS11, RS21) 및 선택 제어 신호(SEL1a, SEL2a)는 액티브 픽셀 어레이(112)의 제1 로우에 입력되는 전송 제어 신호, 리셋 신호 및 선택 제어 신호와 동일하게 제어될 수 있다.
따라서, 제1 로우에 대한 리드 아웃 동작 시에 제1 컬럼 라인(COL1)에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀(P11)과 상기 제1 컬럼 라인(COL1)에 연결된 제2 로우의 L-OB 픽셀(P21)은 동시에 다크 레벨 오프셋 신호를 출력할 수 있다. 이 때, 상기 제1 로우의 L-OB 픽셀(P11)과 제2 로우의 L-OB 픽셀(P21)의 출력이 제1 컬럼 라인(COL1)에 함께 연결되어 있어 상기 제1 컬럼 라인(COL1)의 출력은 제1 로우의 L-OB 픽셀(P11)과 제2 로우의 L-OB 픽셀(P21)의 다크 레벨 오프셋 신호 레벨의 평균값에 가깝게 결정될 수 있다.
즉, 제1 로우의 리드 아웃 시에 동일한 컬럼 라인에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀(P11)과 제2 로우의 L-OB 픽셀(P21)이 동시에 활성화 되어 각각의 다크 레벨 오프셋 신호를 출력할 경우 상기 컬럼 라인(COL1)의 출력은 동일한 컬럼 라인에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 제2 로우의 L-OB 픽셀들(P21, P2m)의 다크 레벨 오프셋 신호의 평균값이 출력될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 도 3에 도시된 이미지 센서와 거의 동일한 구조를 가지므로 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이(110'')는 도 3에 도시된 픽셀 어레이(110')와 달리 제n 로우가 모두 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)로 구성될 수 있다. 제1 로우에 속한 액티브 픽셀들(P12 내지 P1(m-1))과 L-OB 픽셀들(P11, P1m)이 각각 제1 액티브 선택 제어 신호(SEL1b)와 제1 L-OB 선택 제어 신호(SEL1a)를 수신하여 활성화됨과 동시에, 제n 로우에 속한 m 개의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)이 제n L-OB 선택 제어 신호(SELn)를 수신하여 활성화될 수 있다. 제n 로우는 모두 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)로 구성되는바 제1 내지 제(n-1) 로우들과 달리 로우 드라이버(120)로부터 동일한 제n L-OB 선택 제어 신호(SELn)를 수신할 수 있도록 도전 라인이 구성될 수 있다. 또한, 제n 로우에 속한 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)은 출력이 모두 제1 컬럼 라인(COL1) 및 제m 컬럼 라인(COLm)에 연결될 수 있다.
제1 로우의 리드 아웃 동작 시 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)은 동시에 활성화되어 각각의 다크 레벨 오프셋 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 제1 컬럼 라인(COL1) 및 제m 컬럼 라인(COLm)의 출력값은 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)의 다크 레벨 오프셋 신호들의 평균값에 해당할 수 있다. 결과적으로 제1 로우의 리드 아웃 동작시 기여하는 L-OB 픽셀의 수가 제m 로우의 L-OB 픽셀 수(m개)만큼 증가되어 픽셀 고유 노이즈가 감소되는 효과가 있다.
제2 로우 내지 제(n-1) 로우의 리드 아웃 동작 시에도 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)이 함께 활성화 되어 다크 레벨 오프셋 신호들을 출력함으로써 하나의 로우 당 기여하는 L-OB 픽셀의 수가 증가되어 픽셀 고유 노이즈는 감소될 수 있다.
도 5에서는 제n 로우 만에 속한 픽셀들 전체를 L-OB 픽셀(Pn1 내지 Pnm)로 구현하였으나, 실시예에 따라 픽셀들 전체가 L-OB 픽셀인 로우를 복수의 로우로 구현할 수도 있다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 동작을 구체적으로 나타내기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 도 6에서 제1 컬럼 라인(COL1) 및 제m 컬럼 라인(COLm)에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)이 나타나 있으며, 각 L-OB 픽셀은 도 2a에 도시된 4T 단위 픽셀의 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 L-OB 픽셀은 이에 한정되지 않고 포토 다이오드가 제거된 구조를 가질 수 있으며, 3T 또는 5T 단위 픽셀의 구조를 가질 수 있다.
제1 컬럼 라인(COL1) 및 제m 컬럼 라인(COLm)에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 상기 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)은 로우 드라이버(120)로부터 각각의 전송 제어 신호(TG11, TG1m, TGn1 내지 TGnm), 리셋 신호(RS11, RS1m, RSn1 내지 RSnm) 및 선택 제어 신호(SEL1a, SELn)를 수신하여 플로팅 디퓨젼 노드(FD11, FD1m, FDn1 내지 FDnm)로의 전송 동작, 리셋 동작, 리드 아웃 동작을 수행할 수 있다. 상기 각각의 전송 제어 신호(TG11, TG1m, TGn1 내지 TGnm), 리셋 신호(RS11, RS1m, RSn1 내지 RSnm) 및 선택 제어 신호(SEL1a, SELn)는 액티브 픽셀 어레이(116)의 제1 로우에 입력되는 전송 제어 신호(미도시), 리셋 신호(미도시) 및 선택 제어 신호(SEL1a)와 동일하게 제어될 수 있다.
따라서, 제1 로우에 대한 리드 아웃 동작 시에 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 상기 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)은 동시에 다크 레벨 오프셋 신호를 출력할 수 있다. 이 때, 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 상기 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)의 출력이 제1 컬럼 라인(COL1) 및 제m 컬럼 라인(COLm)에 함께 연결되어 있어 상기 제1 컬럼 라인(COL1) 및 제m 컬럼 라인(COLm)의 출력은 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 상기 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)의 다크 레벨 오프셋 신호 레벨의 평균값에 가깝게 결정될 수 있다.
즉, 제1 로우의 리드 아웃 시에 제1 컬럼 라인(COL1) 및 제m 컬럼 라인(COLm)에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 상기 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)이 동시에 활성화 되어 각각의 다크 레벨 오프셋 신호를 출력할 경우 상기 제1 컬럼 라인(COL1) 및 제m 컬럼 라인(COLm)의 출력은 동일한 컬럼 라인에 연결된 제1 로우의 L-OB 픽셀들(P11, P1m)과 상기 제n 로우의 L-OB 픽셀들(Pn1 내지 Pnm)의 다크 레벨 오프셋 신호들의 평균값이 출력될 수 있다.
도 5 및 도 6에서는 제n 로우만이 L-OB 픽셀들로만 구성된 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 L-OB 픽셀들로만 구성된 로우는 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나 또는 그 이상에 구현될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 1 내지 도 7을 참고하면, 하나의 로우에 대해 리드 아웃 동작이 수행되는 경우 하나의 로우에 속한 액티브 픽셀들과 L-OB 픽셀들은 각각 제1 액티브 선택 제어 신호와 제1 L-OB 선택 제어 신호에 따라 활성화되어 픽셀 신호와 다크 레벨 오프셋 신호를 출력할 수 있다(S710).
상기 하나의 로우에 대한 리드 아웃 동작이 수행됨과 동시에, 즉 상기 하나의 로우 이외의 적어도 하나의 로우에 속한 적어도 하나의 L-OB 픽셀에 대한 리드 아웃 동작이 수행될 수 있다. 즉, 임의의 컬럼 라인에 연결된 적어도 2 이상의 L-OB 픽셀들이 동시에 활성화될 수 있으며, 이로 인해 상기 임의의 컬럼 라인에는 상기 적어도 2 이상의 L-OB 픽셀들의 다크 레벨 오프셋 신호들의 평균값에 가까운 레벨의 신호가 출력될 수 있다(S720).
픽셀 어레이(110)에 연결된 각각의 컬럼 라인(COL1 내지 COLm)을 통해 출력된 상기 픽셀 신호들과 다크 레벨 오프셋 신호들은 CDS 블록(130)에 의한 리셋 오프셋의 제거, ADC 블록(140)에 의한 디지털화 및 버퍼(190)를 통한 증폭이 이루어진 후 이미지 신호 프로세서(220)는 로우 노이즈 및 픽셀 고유 노이즈가 제거된 이미지 신호를 생성할 수 있다(S730).
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 상기 전자 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP, IPTV 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다.
상기 전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010), 이미지 센서(1040), 및 디스플레이(1050)를 포함한다.
어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 CSI 호스트(1012)는 카메라 시리얼 인터페이스(camera serial interface(CSI))를 통하여 이미지 센서(1040)의 CSI 장치(1041)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, 상기 CSI 호스트(1012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(1041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다.
어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 DSI 호스트(1011)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface(DSI))를 통하여 디스플레이(1050)의 DSI 장치(1051)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(1011)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있고, DSI 장치(1051)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있다.
전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010)와 통신할 수 있는 RF 칩(1060)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(1000)의 PHY(1013)와 RF 칩(1060)의 PHY(1061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
전자 시스템(1000)은 GPS(1020), 스토리지(1070), 마이크(1080), DRAM(1085) 및 스피커(1090)를 더 포함할 수 있으며, 상기 전자 시스템(1000)은 Wimax(1030), WLAN(1100) 및 UWB(1110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 이미지 처리 시스템(1100)은 프로세서(1110), 메모리(1120), 이미지 센서(100), 디스플레이 유닛(1130) 및 인터페이스(1140)를 포함할 수 있다.
프로세서(1110)는 이미지 센서(100)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 프로세서(1110)는 이미지 센서(100)로부터 깊이 정보와 컬러 정보(예컨대, 레드 정보, 그린 정보, 블루 정보, 마젠타 정보, 사이언 정보, 또는 엘로우 정보 중에서 적어도 하나)에 기초하여 2차원 또는 3차원 이미지를 생성할 수 있다.
메모리(1120)는 프로세서(1110)의 제어에 따라 버스(1150)를 통하여 이미지 센서(100)의 동작을 제어하기 위한 프로그램과 상기 생성된 이미지를 저장할 수 있고, 프로세서(1110)는 저장된 정보를 액세스하여 상기 프로그램을 실행시킬 수 있다. 상기 메모리(1120)는 예컨대, 비휘발성 메모리(non-volatile memory)로 구현될 수 있다.
이미지 센서(100)는 프로세서(1110)의 제어 하에 각 디지털 픽셀 신호(예컨대, 컬러 정보 또는 깊이 정보)에 기초하여 2차원 또는 3차원 이미지 정보를 생성할 수 있다.
디스플레이 유닛(1130)은 상기 생성된 이미지를 프로세서(1110) 또는 메모리(1120)로부터 수신하여 디스플레이(예컨대, LCD, AMOLED)를 통하여 디스플레이할 수 있다.
인터페이스(1140)는 2차원 또는 3차원 이미지를 입출력하기 위한 인터페이스로 구현될 수 있다. 실시 예에 따라, 인터페이스(1140)는 무선 인터페이스로 구현될 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 본 발명에 따른 객체 정보 추정 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드는 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 전송될 수도 있다.
또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이미지 센서(100)
픽셀 어레이(110)
로우 드라이버(120)
CDS 블록(130)
ADC 블록(140)
이미지 신호 프로세서(220)

Claims (16)

  1. 제1 로우(row) 내지 제n 로우 및 제1 컬럼(column) 내지 제m 컬럼을 포함하는 매트릭스 형태로 배열되는 적어도 하나 이상의 액티브 픽셀과 L-OB(Line-Optical Black) 픽셀을 포함하고, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 리드 아웃 동작시에 컬럼 단위로 픽셀 신호와 다크 레벨 오프셋 신호를 출력하는 픽셀 어레이;
    상기 제1 로우 내지 제n 로우에 대한, 제1 선택 제어 신호 및 제2 선택 제어 신호를 포함하는 선택 제어 신호를 출력하는 로우 드라이버; 및
    상기 픽셀 신호와 상기 다크 레벨 오프셋 신호를 디지털 형태로 변환하는 ADC 블록을 포함하며,
    상기 로우 드라이버가 상기 L-OB 픽셀에 접속된 제1 도전 라인에 상기 제1 선택 제어 신호를 인가하는 것과 동시에, 상기 리드 아웃 동작에 관여하는 상기 액티브 픽셀들 중 하나에 접속된 제2 도전 라인에 상기 제2 선택 제어 신호를 동시에 인가하는 경우, 상기 픽셀 어레이에서, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 로우에 대한 리드 아웃 동작 시 픽셀 신호가 생성되는 것과 동시에, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 상기 리드 아웃 동작이 수행되는 로우를 제외한 적어도 하나의 로우에 포함된 L-OB 픽셀이 다크 레벨 오프셋 신호를 출력하고,
    상기 n 및 m은 2 이상의 정수인 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컬럼 내지 제m 컬럼은 각각 액티브 픽셀 또는 L-OB 픽셀 중 어느 한 종류만으로 구성되는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이는 서로 다른 로우에 포함되고 동일한 컬럼에 포함된 적어도 2 이상의 L-OB 픽셀들이 동시에 다크 레벨 오프셋 신호들을 출력할 경우 상기 다크 레벨 오프셋 신호들의 평균값을 출력하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 동일한 컬럼에 포함되고 동시에 다크 레벨 오프셋 신호들을 출력하는 적어도 2 이상의 L-OB 픽셀들은 서로 인접하는 로우에 포함되는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 L-OB 픽셀은 포토 다이오드를 포함하지 않는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 L-OB 픽셀은 상부에 차광막을 포함하는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 ADC 블록은 상기 제1 컬럼 내지 제m 컬럼 중 어느 하나에 연결된 복수의 ADC 유닛을 포함하는 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 액티브 픽셀과 L-OB 픽셀은 각각 3T, 4T 또는 5T 중 어느 하나의 구조를 가지는 이미지 센서.
  9. 제1 로우(row) 내지 제n 로우 및 제1 컬럼(column) 내지 제m 컬럼을 포함하는 매트릭스 형태로 배열되는 적어도 하나 이상의 액티브 픽셀과 L-OB 픽셀을 포함하고, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 리드 아웃 동작시에 컬럼 단위로 픽셀 신호와 다크 레벨 오프셋 신호를 출력하는 픽셀 어레이;
    상기 제1 로우 내지 제n 로우에 대한, 제1 선택 제어 신호 및 제2 선택 제어 신호를 포함하는 선택 제어 신호를 출력하는 로우 드라이버; 및
    상기 픽셀 신호와 상기 다크 레벨 오프셋 신호를 디지털 형태로 변환하는 ADC 블록을 포함하며,
    상기 로우 드라이버가 상기 L-OB 픽셀에 접속된 제1 도전 라인에 상기 제1 선택 제어 신호를 인가하는 것과 동시에, 상기 리드 아웃 동작에 관여하는 상기 액티브 픽셀들 중 하나에 접속된 제2 도전 라인에 상기 제2 선택 제어 신호를 동시에 인가하는 경우, 상기 픽셀 어레이에서, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나의 로우에 대한 리드 아웃 동작 시 픽셀 신호가 생성되는 것과 동시에, 상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 상기 리드 아웃 동작이 수행되는 로우를 제외한 적어도 하나의 로우에 포함된 L-OB 픽셀이 다크 레벨 오프셋 신호를 출력하고,
    상기 제1 로우 내지 제n 로우 중 어느 하나는 L-OB 픽셀로만 구성되고,
    상기 n 및 m은 2 이상의 정수인 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 컬럼 내지 제m 컬럼은 각각 액티브 픽셀 또는 L-OB 픽셀 중 어느 한 종류만으로 구성되는 이미지 센서.
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