KR102239944B1 - 다크 픽셀들을 갖는 이미지 센서들 - Google Patents

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Abstract

이미징 센서는 이미징 픽셀의 어레이 및 적어도 2개의 다크 픽셀 행을 포함할 수 있다. 각각의 이미징 픽셀은 입사광에 응답하여 전하를 생성하는 포토다이오드를 포함할 수 있다. 각각의 다크 픽셀은 차폐 재료에 의해 입사광으로부터 차폐되는 포토다이오드를 포함할 수 있다. 적어도 2개의 다크 픽셀 행은 동시에 샘플링되고, 평균 다크 픽셀 전하 레벨을 얻기 위해 평균될 수 있다. 평균 다크 픽셀 전하 레벨은 잡음에 대해 이미징 픽셀 전하 레벨을 보정하기 위해 각각의 이미징 픽셀 전하 레벨로부터 감산될 수 있다. 다크 픽셀의 각각의 열은 제1 및 제2 판독 회로에 결합된 열 라인을 포함할 수 있다. 각각의 열 라인은 제1 및 제2 전류 소스에 결합될 수 있다. 각각의 열 라인은 적어도 하나의 커패시터에 결합될 수 있다.

Description

다크 픽셀들을 갖는 이미지 센서들{IMAGE SENSORS HAVING DARK PIXELS}
본 발명은 일반적으로 이미징 장치에 관한 것이며, 더 구체적으로는 다크 픽셀을 갖는 이미징 장치에 관한 것이다.
이미지 센서는 일반적으로 셀룰러 전화, 카메라 및 컴퓨터와 같은 전자 장치에서 이미지를 캡처하는 데 사용된다. 전형적인 배열에서, 이미지 센서는 픽셀 행(pixel row) 및 픽셀 열(pixel column)로 배열된 이미지 픽셀의 어레이를 포함한다. 회로는 이미지 픽셀로부터 이미지 신호를 판독하기 위해 각각의 픽셀 열에 결합될 수 있다.
전형적인 이미지 픽셀은 입사광에 응답하여 전하를 생성하기 위한 포토다이오드를 포함한다. 이미지 픽셀은 또한 포토다이오드에서 생성된 전하를 저장하기 위한 전하 저장 영역을 포함할 수 있다. 이미지 센서는 글로벌 셔터 또는 롤링 셔터 방식을 사용하여 동작할 수 있다. 글로벌 셔터에서는 이미지 센서 내의 모든 픽셀이 이미지를 동시에 캡처할 수 있는 반면, 롤링 셔터에서는 픽셀의 각각의 행이 이미지를 순차적으로 캡처할 수 있다.
몇몇 이미지 센서는 픽셀 잡음을 보정하는 데 도움을 주는 다크 픽셀을 포함할 수 있다. 다크 픽셀은 다크 픽셀 포토다이오드가 입사광에 노출되는 것을 방지하기 위해 차폐되는 포토다이오드를 포함하여, 임의의 생성된 전하가 단지 잡음인 것을 보장할 수 있다. 잡음 보정에 도움이 되기는 하지만, 다크 픽셀은 이미지 센서에서 중요한 영역을 차지할 수 있다.
따라서, 이미지 센서 내의 다크 픽셀에 대한 개선된 배열을 제공할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 픽셀의 어레이를 사용하여 이미지를 캡처하기 위한 이미지 센서 및 처리 회로를 갖는 예시적인 전자 장치의 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 예시적인 픽셀 어레이 및 픽셀 어레이로부터 이미지 신호를 판독하기 위한 관련 판독 회로의 도면이다.
도 3a는 실시예에 따른 예시적인 이미지 센서 픽셀의 회로도이다.
도 3b는 실시예에 따른 도 3a의 픽셀과 같은 예시적인 이미지 센서 픽셀을 동작시키기 위한 타이밍도이다.
도 4는 실시예에 따른 픽셀을 위한 판독 회로를 도시하는 개략도이다.
도 5는 실시예에 따른 이미징 픽셀의 어레이를 갖는, 그리고 어떠한 다크 픽셀도 갖지 않는 예시적인 이미지 센서의 평면도이다.
도 6은 실시예에 따른 이미징 픽셀의 어레이 및 다크 픽셀의 대응하는 어레이를 갖는 예시적인 이미지 센서의 평면도이다.
도 7은 실시예에 따른 이미징 픽셀의 어레이 및 다크 픽셀의 단일 행을 갖는 예시적인 이미지 센서의 평면도이다.
도 8은 실시예에 따른 이미징 픽셀의 어레이 및 다크 픽셀의 다수의 행을 갖는 예시적인 이미지 센서의 평면도이다.
디지털 카메라, 컴퓨터, 셀룰러 전화 및 다른 전자 장치와 같은 전자 장치는 이미지를 캡처하기 위해 입사광을 수집하는 이미지 센서를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 이미지 픽셀의 어레이를 포함할 수 있다. 이미지 센서 내의 픽셀은 입사광을 이미지 신호로 변환하는 포토다이오드와 같은 감광 요소(photosensitive element)를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 임의의 수(예컨대, 수백 또는 수천 또는 그 초과)의 픽셀을 가질 수 있다. 전형적인 이미지 센서는 예를 들어 수십만 또는 수백만 개의 픽셀(예컨대, 메가픽셀)을 가질 수 있다. 이미지 센서는 이미지 픽셀을 동작시키기 위한 회로와 같은 제어 회로, 및 감광 요소에 의해 생성된 전하에 대응하는 이미지 신호를 판독하기 위한 판독 회로를 포함할 수 있다.
도 1은 이미지를 캡처하기 위해 이미지 센서를 사용하는 전자 장치와 같은 예시적인 이미징 시스템의 도면이다. 도 1의 전자 장치(10)는 카메라, 셀룰러 전화, 태블릿 컴퓨터, 웹캠, 비디오 카메라, 비디오 감시 시스템, 자동차 이미징 시스템, 이미징 능력을 갖는 비디오 게이밍 시스템, 또는 디지털 이미지 데이터를 캡처하는 임의의 다른 원하는 이미징 시스템 또는 장치와 같은 휴대용 전자 장치일 수 있다. 카메라 모듈(12)은 입사광을 디지털 이미지 데이터로 변환하는 데 사용될 수 있다. 카메라 모듈(12)은 하나 이상의 렌즈(14) 및 하나 이상의 대응하는 이미지 센서(16)를 포함할 수 있다. 렌즈(14)는 고정 및/또는 조정 가능 렌즈를 포함할 수 있고, 이미지 센서(16)의 이미징 표면 상에 형성된 마이크로렌즈를 포함할 수 있다. 이미지 캡처 동작 동안, 장면(scene)으로부터의 광이 렌즈(14)에 의해 이미지 센서(16) 상에 포커싱될 수 있다. 이미지 센서(16)는 아날로그 픽셀 데이터를 저장 및 처리 회로(18)에 제공될 대응하는 디지털 이미지 데이터로 변환하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 원하는 경우, 카메라 모듈(12)에는 렌즈(14)의 어레이 및 대응하는 이미지 센서(16)의 어레이가 제공될 수 있다.
저장 및 처리 회로(18)는 하나 이상의 집적 회로(예를 들어, 이미지 처리 회로, 마이크로프로세서, 랜덤 액세스 메모리 및 비휘발성 메모리와 같은 저장 장치 등)를 포함할 수 있으며, 카메라 모듈(12)로부터 분리되고/되거나 카메라 모듈(12)의 일부를 형성하는 컴포넌트(예를 들어, 이미지 센서(16)를 포함하는 집적 회로 또는 이미지 센서(16)와 관련된 모듈(12) 내의 집적 회로의 일부를 형성하는 회로)를 사용하여 구현될 수 있다. 카메라 모듈(12)에 의해 캡처된 이미지 데이터는 처리 회로(18)를 사용하여(예를 들어, 처리 회로(18) 상의 이미지 처리 엔진을 사용하여, 처리 회로(18) 상의 이미징 모드 선택 엔진을 사용하여, 등등) 처리 및 저장될 수 있다. 처리된 이미지 데이터는, 원하는 경우, 처리 회로(18)에 결합된 유선 및/또는 무선 통신 경로를 사용하여 외부 장비(예를 들어, 컴퓨터, 외부 디스플레이, 또는 다른 장치)에 제공될 수 있다. 이미지 센서(16) 및 처리 회로(18)는 원하는 경우 스택-칩 배열을 사용하여 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(16)는 행 및 열로 배열된 이미지 센서 픽셀(22)(때때로 본 명세서에서 이미지 픽셀 또는 픽셀로 지칭됨)을 포함하는 픽셀 어레이(20)와, 제어 및 처리 회로(24)를 포함할 수 있다. 어레이(20)는 예를 들어 이미지 센서 픽셀(22)의 수백 또는 수천 개의 행 및 열을 포함할 수 있다. 제어 회로(24)는 행 제어 회로(26) 및 이미지 판독 회로(28)(때때로 열 제어 회로, 판독 회로, 처리 회로 또는 열 디코더 회로로 지칭됨)에 결합될 수 있다. 행 제어 회로(26)는 제어 회로(24)로부터 행 어드레스를 수신하고, 재설정, 행 선택, 전하 전송, 이중 변환 이득 및 판독 제어 신호와 같은 대응하는 행 제어 신호를 행 제어 경로(30)를 통해 픽셀(22)에 공급할 수 있다. 열 라인(32)과 같은 하나 이상의 도전성 라인이 어레이(20) 내의 픽셀(22)의 각각의 열에 결합될 수 있다. 열 라인(32)은 픽셀(22)로부터 이미지 신호를 판독하고, 바이어스 신호(예를 들어, 바이어스 전류 또는 바이어스 전압)를 픽셀(22)에 공급하는 데 사용될 수 있다. 원하는 경우, 픽셀 판독 동작 동안, 어레이(20) 내의 픽셀 행이 행 제어 회로(26)를 사용하여 선택될 수 있고, 그 픽셀 행 내의 이미지 픽셀(22)에 의해 생성된 이미지 신호가 열 라인(32)을 따라 판독될 수 있다.
이미지 판독 회로(28)는 열 라인(32)을 통해 이미지 신호(예를 들어, 픽셀(22)에 의해 생성된 아날로그 픽셀 값)를 수신할 수 있다. 이미지 판독 회로(28)는 어레이(20)로부터 판독된 이미지 신호를 샘플링하고 일시적으로 저장하기 위한 샘플 및 홀드 회로, 증폭기 회로, 아날로그/디지털 변환(ADC) 회로, 바이어스 회로, 열 메모리, 열 회로를 선택적으로 인에이블 또는 디스에이블하기 위한 래치 회로, 또는 픽셀(22)을 동작시키고 픽셀(22)로부터 이미지 신호를 판독하기 위해 어레이(20) 내의 픽셀의 하나 이상의 열에 결합된 다른 회로를 포함할 수 있다. 판독 회로(28) 내의 ADC 회로는 어레이(20)로부터 수신된 아날로그 픽셀 값을 대응하는 디지털 픽셀 값(때때로 디지털 이미지 데이터 또는 디지털 픽셀 데이터로 지칭됨)으로 변환할 수 있다. 이미지 판독 회로(28)는 하나 이상의 픽셀 열 내의 픽셀에 대한 경로(25)를 통해 디지털 픽셀 데이터를 제어 및 처리 회로(24) 및/또는 프로세서(18)(도 1)에 공급할 수 있다.
원하는 경우, 이미지 픽셀(22)은 이미지 광에 응답하여 전하를 생성하기 위한 하나 이상의 감광 영역을 포함할 수 있다. 이미지 픽셀(22) 내의 감광 영역들은 어레이(20) 상의 행 및 열로 배열될 수 있다. 픽셀 어레이(20)에는 단일 이미지 센서가 상이한 컬러의 광을 샘플링하도록 허용하는 다수의 컬러 필터 요소를 갖는 컬러 필터 어레이가 제공될 수 있다. 예로서, 어레이(20) 내의 이미지 픽셀과 같은 이미지 센서 픽셀에는, 단일 이미지 센서가 바이어 모자이크 패턴(Bayer mosaic pattern)으로 배열된 대응하는 적색, 녹색 및 청색 이미지 센서 픽셀을 사용하여 적색, 녹색 및 청색(RGB) 광을 샘플링하도록 허용하는 컬러 필터 어레이가 제공될 수 있다. 바이어 모자이크 패턴은 2x2 이미지 픽셀의 반복 단위 셀로 이루어지며, 이때 2개의 녹색 이미지 픽셀은 서로 대각선으로 대향하고, 청색 이미지 픽셀에 대각선으로 대향하는 적색 이미지 픽셀에 인접한다. 다른 적합한 예에서, 바이어 패턴 내의 녹색 픽셀은 광대역 컬러 필터 요소(예를 들어, 투명 컬러 필터 요소, 황색 컬러 필터 요소 등)를 갖는 광대역 이미지 픽셀로 대체된다. 이러한 예는 단지 예시적인 것이며, 일반적으로, 임의의 원하는 컬러의 그리고 임의의 원하는 패턴의 컬러 필터 요소가 임의의 원하는 수의 이미지 픽셀(22) 위에 형성될 수 있다.
이미지 센서(16)의 예시적인 이미지 픽셀(22)의 회로가 도 3a에 도시되어 있다. 픽셀(22)의 동작을 보여주는 타이밍도가 도 3b에 도시되어 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 픽셀(22)은 픽셀 회로(72) 및 판독 회로(70)를 포함할 수 있다. 픽셀(22)은 포토다이오드(42)(PD)와 같은 감광 요소를 포함할 수 있다. 바이어스 전압(예를 들어, 전압 VAAPIX)이 양성 전력 공급 라인(44, 46)에 공급될 수 있다. 원하는 경우, 동일한 바이어스 전압이 양 전력 공급 라인(44, 46)에 공급될 수 있다(즉, 라인(44, 46)이 함께 단락될 수 있다). 대안적으로, 상이한 바이어스 전압들이 양성 전력 공급 라인(44, 46)에 공급될 수 있다. 입사광이 컬러 필터 구조를 통과한 후에 포토다이오드(42)에 의해 수집된다. 포토다이오드(42)는 광을 전하로 변환한다.
이미지가 획득되기 전에, 행 선택 신호(RS)가 t1에서 표명될 수 있다. 신호(RS)가 표명될 때, 트랜지스터(64)는 턴온되고, 전하 저장 노드(50) 상의 전하의 크기를 나타내는 대응하는 출력 신호(pixout)가 출력 경로(60) 상에 생성된다. 노드(50) 상의 저장된 전하와 관련된 신호는 소스-팔로워 트랜지스터(66)에 의해 행 선택 트랜지스터(64)로 전달된다. 전형적인 구성에서, 주어진 이미지 센서의 이미지 센서 픽셀 어레이 내의 픽셀(22)과 같은 픽셀의 다수의 행 및 열이 존재한다. 경로(68)와 같은 수직 도전성 경로가 각각의 픽셀 열과 관련될 수 있다. 경로(68)는 전류 소스(74)에 결합될 수 있다.
신호(RS)가 주어진 행에서 표명될 때, 경로(68)는 출력 신호(pixout)를 그 행으로부터 판독 회로(70)(때때로 본 명세서에서 판독 회로로 지칭됨)로 라우팅하는 데 사용될 수 있다. 이어서, 재설정 제어 신호(RST)가 표명될 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 재설정 제어 신호는 t2에서 표명될 수 있다. 이것은 재설정 트랜지스터(48)를 턴온하고, 전하 저장 노드(50)(부동 확산(FD)으로 또한 지칭됨)를 VAAPIX로 재설정한다. 이어서, 재설정 제어 신호(RST)는 시간 t3에서 역표명되어 재설정 트랜지스터(48)를 턴오프할 수 있다. 재설정 프로세스가 완료된 후에, 부동 확산 노드(50)에서의 전하 레벨은 t4에서 샘플 및 홀드 재설정 신호(SHR)를 표명함으로써 샘플링될 수 있다. 샘플 및 홀드 재설정 신호(SHR)의 표명은 스위치(52)가 출력 라인(60)을 샘플 및 홀드 재설정 커패시터(56)(CSHR)에 결합하는 결과를 가져올 수 있다. 따라서, 부동 확산 노드(50)를 재설정한 후의 부동 확산 노드(50)에서의 전하 레벨은 커패시터(56)에 저장될 것이다. 일단 재설정 전하 레벨이 커패시터(56)에 저장되면, 샘플 및 홀드 재설정 신호는 t5에서 역표명될 수 있다.
다음에, t6에서 전송 게이트 제어 신호(TX)가 표명되어 전송 트랜지스터(전송 게이트)(62)를 턴온할 수 있다. 전송 트랜지스터(62)가 턴온될 때, 입사광에 응답하여 포토다이오드(42)에 의해 생성된 전하가 전하 저장 노드(50)로 전송된다. 전송 게이트 제어 신호(TX)는 전하 전송이 완료된 후에 시간 t7에서 역표명될 수 있다.
일단 전하가 포토다이오드(42)로부터 부동 확산 노드(50)로 전송되면, 부동 확산 노드(50)에서의 전하 레벨은 t8에서 샘플 및 홀드 신호(SHS)를 표명함으로써 샘플링될 수 있다. 샘플 및 홀드 신호(SHS)의 표명은 스위치(54)가 출력 라인(60)을 샘플 및 홀드 신호 커패시터(58)(CSHS)에 결합하는 결과를 가져올 수 있다. 따라서, 부동 확산 노드(50)에서의 샘플 전하 레벨은 커패시터(58)에 저장될 것이다. 일단 샘플 전하 레벨이 커패시터(58)에 저장되면, 샘플 및 홀드 신호는 t9에서 역표명될 수 있다.
전하 저장 노드(50)는 도핑된 반도체의 영역(예를 들어, 이온 주입, 불순물 확산, 또는 다른 도핑 기술에 의해 규소 기판 내에 형성된 도핑된 규소 영역)을 사용하여 구현될 수 있다. 도핑된 반도체 영역(즉, 부동 확산(FD))은 포토다이오드(42)로부터 전송된 전하를 저장하는 데 사용될 수 있는 용량(capacitance)을 나타낸다.
판독 회로(70)는 커패시터(56, 58)에 결합된 증폭기(76)를 포함할 수 있다. 증폭기(76)는 아날로그/디지털 변환기(78)에 결합될 수 있다. 아날로그/디지털 변환기(78)(때때로 A/D 변환기 또는 ADC로 지칭됨)는 적분 기간 동안 픽셀에 의해 수신된 광을 나타내는 디지털 코드를 출력할 수 있다.
원하는 경우, 다른 유형의 이미지 픽셀 회로가 센서(16)의 이미지 픽셀을 구현하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(14) 내의 이미지 픽셀은 3 트랜지스터 픽셀, 각각 4개의 트랜지스터를 갖는 핀 포토다이오드 픽셀, 글로벌 셔터 픽셀, 비행 시간(time-of-flight) 픽셀 등일 수 있다. 또한, 도 3a에 도시된 픽셀은 원하는 경우 스택-칩 배열로 구현될 수 있다. 픽셀은 픽셀 내의 임의의 원하는 포인트에서 칩들 사이에(예를 들어, 전송 트랜지스터와 부동 확산 영역 사이에, 소스 팔로워 트랜지스터와 행 선택 트랜지스터 사이에 등등) 분할될 수 있다.
도 4는 판독 회로(70)의 단순화된 도면을 도시한다. 도시된 바와 같이, 판독 회로(70)는 출력 경로(60)로부터 픽셀로부터의 하나 이상의 신호(pixout)를 수신할 수 있다. 판독 회로는 아날로그 신호를 저장하고, 신호를 판독 회로로부터 출력되는 디지털 신호로 변환할 수 있다.
도 5는 어떠한 다크 픽셀도 갖지 않는 예시적인 이미지 센서의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(20)는 다수의 이미징 픽셀(22)을 포함할 수 있다. 각각의 픽셀은 열 출력 라인(68)에 결합될 수 있다. 각각의 열 출력 라인은 픽셀 어레이 내의 전체 열에 걸쳐 연장될 수 있다. 각각의 열 출력 라인은 각자의 전류 소스(74) 및 판독 회로(70)에 결합될 수 있다. 도 5의 픽셀 어레이(20)는 임의의 수의 이미징 픽셀 행 및 열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(20)는 100개 초과의 행, 1000개 초과의 행, 2000개 초과의 행, 2000개 미만의 행, 또는 임의의 다른 원하는 수의 행을 포함할 수 있다. 유사하게, 픽셀 어레이(20)는 100개 초과의 열, 1000개 초과의 열, 2000개 초과의 열, 2000개 미만의 열, 또는 임의의 다른 원하는 수의 열을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(20)는 동일한 수의 열과 행, 행보다 많은 열, 또는 열보다 많은 행을 포함할 수 있다. 각각의 픽셀 행은 순차적으로 판독될 수 있다. 도 5에 도시된 센서에는 다크 픽셀이 없기 때문에, 센서는 잡음에 취약할 수 있다. 도 5에서, 잡음은 픽셀 데이터 내로 혼합될 수 있다. 사용자가 인식할 수 있는 아티팩트를 생성하는 구조화된 행 잡음이 있을 수 있다. 센서 내의 잡음을 감소시키기 위해, 센서에 다크 픽셀이 포함될 수 있다.
도 6은 추가의 다크 픽셀 열을 갖는 예시적인 이미지 센서의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 센서(16)는 이미징 픽셀(때때로 광학 픽셀로 지칭됨)의 어레이(22-1) 및 다크 픽셀의 어레이(22-2)를 포함할 수 있다. 광학 픽셀의 어레이(20-1)와 다크 픽셀의 어레이(20-2)는 동일한 수의 행을 가질 수 있다. 어레이(20-1)와 어레이(20-2)는 동일한 수의 열을 가질 수 있거나, 어레이(20-2)는 어레이(20-1)보다 적은 열을 가질 수 있다. 어레이(20-2)는 차폐 재료(82)(예를 들어, 입사광에 대해 불투명한 금속 또는 임의의 다른 원하는 재료)에 의해 커버될 수 있다. 센서의 동작 동안, 다크 픽셀은 동일한 행 내의 이미징 픽셀과 동시에 판독될 수 있다. 이어서, 각각의 행의 평균 다크 픽셀 레벨이 결정될 수 있다. 평균 다크 픽셀 레벨은 그 행에 대한 평균 잡음 양에 대응할 수 있다. 이어서, 각각의 행 내의 평균 다크 픽셀 레벨은 잡음을 보정하기 위해 각자의 행 내의 각각의 광학 픽셀 샘플로부터 감산될 수 있다. 예를 들어, 적분 시간 후에, 이미징 픽셀의 제1 행 및 다크 픽셀의 제1 행의 전하 레벨이 판독 회로(70)에 의해 샘플링될 수 있다. 다크 픽셀의 제1 행 내의 다크 픽셀로부터의 데이터는 평균될 수 있다. 이어서, 다크 픽셀의 제1 행의 평균 다크 픽셀 전하 레벨은 광학 픽셀의 제1 행으로부터의 각각의 검출된 전하 레벨로부터 감산될 수 있다. 다음에, 이미징 픽셀의 제2 행 및 다크 픽셀의 제2 행의 전하 레벨이 샘플링될 수 있다. 다크 픽셀의 제2 행 내의 다크 픽셀로부터의 데이터는 평균될 수 있다. 이어서, 다크 픽셀의 제2 행의 평균 다크 픽셀 전하 레벨은 광학 픽셀의 제2 행으로부터의 각각의 검출된 전하 레벨로부터 감산될 수 있다. 이러한 프로세스는 어레이 내의 각각의 행에 대해 계속될 수 있으며, 이때 다크 픽셀의 각각의 행으로부터의 평균 전하 레벨은 동일한 행 내의 광학 픽셀에 의해 검출된 전하 레벨로부터 감산된다. 일반적으로 잡음 보정의 정확성을 증가시키기 위해 가능한 한 많은 다크 픽셀 열을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 다크 픽셀이 더 많이 존재할수록, 잡음 보정 프로세스가 더 정확할 것이다. 그러나 다크 픽셀은 센서 상의 귀중한 공간을 차지할 수 있다.
도 7은 도 6의 다크 픽셀보다 이미지 센서 상의 공간을 덜 차지하는 잡음 보정을 위한 다크 픽셀을 갖는 예시적인 이미지 센서의 평면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 센서(16)는 이미징 픽셀(때때로 광학 픽셀로 지칭됨)의 어레이(22-1) 및 다크 픽셀의 행(22-2)을 포함할 수 있다. 광학 픽셀의 어레이(20-1)는 임의의 원하는 수의 행을 가질 수 있는 반면, 다크 픽셀의 단일 행(20-2)만이 포함될 수 있다. 어레이(20-1)와 행(20-2)은 동일한 수의 열을 가질 수 있거나, 행(20-2)은 어레이(20-1)보다 적은 열을 가질 수 있다. 행(20-2)은 차폐 재료(82)(예를 들어, 입사광에 대해 불투명한 금속 또는 임의의 다른 원하는 재료)에 의해 커버될 수 있다. 광학 픽셀의 출력 라인의 부하를 에뮬레이트하기 위해, 하나 이상의 커패시터(84)가 다크 픽셀의 각각의 열에 포함될 수 있다. 도 7은 다크 픽셀의 각각의 열 라인(68)에 결합된 하나의 커패시터(84)를 도시한다. 그러나, 이러한 예는 단지 예시적인 것이며, 원하는 경우 각각의 열 라인에 하나 초과의 커패시터가 결합될 수 있다.
센서의 동작 동안, 다크 픽셀은 광학 픽셀의 행이 판독될 때마다 판독될 수 있다. 평균 다크 픽셀 레벨은 그 행에 대한 평균 잡음 양에 대응할 수 있다. 이어서, 평균 다크 픽셀 레벨은 잡음을 보정하기 위해 각각의 광학 픽셀 샘플로부터 감산될 수 있다. 예를 들어, 적분 시간 후에, 이미징 픽셀의 제1 행 및 다크 픽셀의 행의 전하 레벨은 판독 회로(70)에 의해 샘플링될 수 있다 다크 픽셀의 행 내의 다크 픽셀로부터의 데이터는 평균될 수 있다. 이어서, 다크 픽셀의 행의 평균 다크 픽셀 전하 레벨은 광학 픽셀의 제1 행으로부터의 각각의 검출된 전하 레벨로부터 감산될 수 있다. 다음에, 이미징 픽셀의 제2 행 및 다크 픽셀의 행의 전하 레벨이 샘플링될 수 있다(즉, 다크 픽셀의 행이 다시 샘플링될 수 있다). 다크 픽셀의 행 내의 다크 픽셀로부터의 데이터는 평균될 수 있다. 이어서, 다크 픽셀의 행의 평균 다크 픽셀 전하 레벨은 광학 픽셀의 제2 행으로부터의 각각의 검출된 전하 레벨로부터 감산될 수 있다. 이러한 프로세스는 어레이 내의 각각의 행에 대해 계속될 수 있으며, 이때 다크 픽셀의 행으로부터의 평균 전하 레벨은 샘플링되고 있는 특정 행 내의 광학 픽셀의 전하 레벨로부터 감산된다. 이러한 방식으로 다크 픽셀의 동일한 행을 재사용하는 것은 센서 내의 다크 픽셀의 수를 대폭 감소시킨다(즉, 이미징 픽셀이 존재하는 것과 동일한 수의 행 대신에 하나의 행만이 필요하다). 다크 픽셀이 광학 픽셀의 각각의 행에 대해 사용되기 때문에, 다크 픽셀의 행은 글로벌 기준 행으로 지칭될 수 있다.
원하는 정확도의 잡음 보정을 보장하기 위해, 소정 수의 열이 필요할 수 있다. 예를 들어, 200개 내지 300개의 다크 픽셀 열이 필요할 수 있다. 다크 픽셀이 차지하는 센서 영역의 양을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 도 7에서, 다크 픽셀은 단일 행으로 배열된다. 센서의 폭을 감소시키기 위해, 다크 픽셀은 대신에 다수의 행으로 배열될 수 있다(즉, 250개 픽셀의 하나의 행 대신에, 125개 픽셀의 두 개의 행이 포함될 수 있다).
도 8은 하나 초과의 글로벌 기준 픽셀 행을 갖는 이미지 센서의 평면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 센서(16)는 이미징 픽셀(때때로 본 명세서에서 광학 픽셀로 지칭됨)의 어레이(22-1) 및 다크 픽셀(때때로 본 명세서에서 기준 픽셀로 지칭됨)의 다수의 행(22-2)을 포함할 수 있다. 도 8에, 다크 픽셀의 제1 행(20-2) 및 다크 픽셀의 제2 행(20-2’)이 도시된다. 광학 픽셀의 어레이(20-1)는 임의의 원하는 수의 행을 가질 수 있는 반면, 다크 픽셀의 2개의 행만이 포함될 수 있다. 어레이(20-1)와 어레이(20-2)는 동일한 수의 열을 가질 수 있거나, 행(20-2, 20-2’)은 어레이(20-1)보다 적은 열을 가질 수 있다. 행(20-2, 20-2’)은 동일한 수의 열 또는 상이한 수의 열을 가질 수 있다. 행(20-2, 20-2’)은 차폐 재료(82)(예를 들어, 입사광에 대해 불투명한 금속 또는 임의의 다른 원하는 재료)에 의해 커버될 수 있다. 광학 픽셀의 출력 라인의 부하를 에뮬레이트하기 위해, 하나 이상의 커패시터(84)가 다크 픽셀의 각각의 열에 포함될 수 있다. 도 8은 다크 픽셀의 각각의 열 라인(68)에 결합된 하나의 커패시터(84)를 도시한다. 그러나, 이러한 예는 단지 예시적인 것이며, 원하는 경우 각각의 열 라인에 하나 초과의 커패시터가 결합될 수 있다.
둘 모두의 다크 픽셀 행(20-2, 및 20-2’) 내의 모든 픽셀은 센서(16)의 동작 동안 동시에 샘플링될 수 있다. 이는, 동일한 열 내의 픽셀이 열 라인(68)에 의해 함께 단락되기 때문에, 둘 모두의 행의 픽셀 출력이 열 라인(68) 상에서 함께 합산될 것임을 의미한다. 그러나, 다크 픽셀 레벨은 결국 모두 합산되고 평균될 것이기 때문에, 이는 잡음 보정 성능에 악영향을 미치지 않는다. 각각의 열 라인(68)은 제1 및 제2 전류 소스(74-1, 74-2)뿐만 아니라 제1 및 제2 판독 회로(70-1, 70-2)에 결합될 수 있다. 열 내의 각각의 픽셀에 대한 전류 소스 및 판독 회로의 사용은 다크 픽셀과 광학 픽셀 간의 더 나은 상관관계를 보장할 수 있다. 열 라인에 결합된 픽셀이 존재하는 것과 동일한 수의 전류 소스 및 판독 회로의 사용은 잡음 보정의 유효성을 최대화할 수 있다.
센서의 동작 동안, 광학 픽셀의 행이 판독될 때마다 둘 모두의 다크 픽셀 행이 판독될 수 있다. 평균 다크 픽셀 레벨은 그 행에 대한 평균 잡음 양에 대응할 수 있다. 이어서, 평균 다크 픽셀 레벨은 잡음을 보정하기 위해 각각의 광학 픽셀 샘플로부터 감산될 수 있다. 예를 들어, 적분 시간 후에, 이미징 픽셀의 제1 행 및 둘 모두의 다크 픽셀 행의 전하 레벨은 판독 회로(70)에 의해 샘플링될 수 있다. 다크 픽셀의 행 내의 다크 픽셀로부터의 데이터는 평균될 수 있다. 이어서, 둘 모두의 다크 픽셀 행의 평균 다크 픽셀 전하 레벨은 광학 픽셀의 제1 행으로부터의 각각의 검출된 전하 레벨로부터 감산될 수 있다. 다음에, 이미징 픽셀의 제2 행 및 둘 모두의 다크 픽셀 행의 전하 레벨이 샘플링될 수 있다(즉, 둘 모두의 다크 픽셀 행이 다시 샘플링될 수 있다). 다크 픽셀의 행 내의 다크 픽셀로부터의 데이터는 평균될 수 있다. 이어서, 다크 픽셀의 평균 다크 픽셀 전하 레벨은 광학 픽셀의 제2 행으로부터의 각각의 검출된 전하 레벨로부터 감산될 수 있다. 이러한 프로세스는 어레이 내의 각각의 행에 대해 계속될 수 있으며, 이때 다크 픽셀의 행으로부터의 평균 전하 레벨은 샘플링되고 있는 특정 행 내의 광학 픽셀의 전하 레벨로부터 감산된다. 이러한 방식으로 다크 픽셀의 행을 재사용하는 것은 센서 내의 다크 픽셀의 수를 대폭 감소시킨다. 또한, 글로벌 기준 행을 2개의 다크 픽셀 행으로 분할함으로써, 이미징 센서의 폭이 감소될 수 있다.
다양한 실시예에서, 이미징 센서는 이미징 픽셀의 어레이 및 다크 픽셀의 제1 및 제2 행을 포함할 수 있다. 각각의 이미징 픽셀은 입사광에 응답하여 전하를 생성하는 포토다이오드를 포함할 수 있고, 이미징 픽셀은 제1 복수의 행 및 제1 복수의 열로 배열될 수 있다. 각각의 다크 픽셀은 포토다이오드를 포함할 수 있고, 다크 픽셀의 제1 및 제2 행은 제2 복수의 열을 가질 수 있고, 제2 복수의 열의 각각의 열은 제1 및 제2 판독 회로에 결합된 열 라인을 포함할 수 있다.
입사광이 다크 픽셀의 포토다이오드에 도달하는 것을 방지하기 위해 차폐 재료가 다크 픽셀을 커버할 수 있다. 각각의 열 라인은 제1 및 제2 전류 소스에 결합될 수 있다. 각각의 열 라인은 적어도 하나의 커패시터에 결합될 수 있다. 제1 다크 픽셀이 다크 픽셀의 제1 행에 위치될 수 있고, 제2 다크 픽셀이 다크 픽셀의 제2 행에 위치될 수 있다. 제1 및 제2 다크 픽셀은 둘 모두가 제2 복수의 열의 제1 열에 위치될 수 있다. 제1 및 제2 다크 픽셀은 둘 모두가 제1 열 라인에 결합될 수 있다. 제1 열 라인은 제1 및 제2 다크 픽셀에 결합된 유일한 열 라인일 수 있다. 제1 및 제2 다크 픽셀은 전하를 생성하도록 구성될 수 있고, 제1 및 제2 다크 픽셀 전하 레벨은 제1 열 라인을 사용하여 동시에 샘플링되도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 판독 회로는 각각 제1 및 제2 저장 커패시터를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 이미징 센서는 차폐 재료에 의해 커버되는 포토다이오드를 갖는 제1 복수의 픽셀 및 포토다이오드를 갖는 제2 복수의 픽셀을 포함할 수 있다. 제1 복수의 픽셀은 적어도 2개의 픽셀 행을 포함할 수 있고, 제1 복수의 픽셀의 포토다이오드는 적분 시간 동안 전하를 생성하도록 구성될 수 있고, 적분 시간 동안 제1 복수의 픽셀의 각각의 포토다이오드에 의해 생성된 전하는 동시에 샘플링되도록 구성될 수 있다. 제2 복수의 픽셀은 복수의 행 및 복수의 열을 포함할 수 있고, 제2 복수의 픽셀의 포토다이오드는 적분 시간 동안 전하를 생성하도록 구성될 수 있고, 적분 시간 동안 제2 복수의 픽셀의 각각의 포토다이오드에 의해 생성된 전하는 한 번에 한 행씩 샘플링되도록 구성될 수 있다.
제1 복수의 픽셀은 추가의 복수의 열을 포함할 수 있고, 추가의 복수의 열의 각각의 열은 열 라인을 포함할 수 있다. 각각의 열 라인은 적어도 2개의 판독 회로에 결합될 수 있고, 제1 복수의 픽셀 내의 각각의 픽셀 행에 대해 열 라인에 결합된 하나의 판독 회로가 있을 수 있다. 각각의 열 라인은 적어도 2개의 전류 소스에 결합될 수 있고, 제1 복수의 픽셀 내의 각각의 픽셀 행에 대해 열 라인에 결합된 하나의 전류 소스가 있을 수 있다. 적어도 2개의 픽셀 행은 제1 수의 픽셀 행을 포함할 수 있고, 각각의 열 라인은 제2 수의 판독 회로에 결합될 수 있고, 제1 수는 제2 수와 동일할 수 있다. 각각의 열 라인은 제3 수의 전류 소스에 결합될 수 있고, 제1 수는 제3 수와 동일할 수 있다. 복수의 열에서보다 추가의 복수의 열에서 더 적은 열이 존재할 수 있다.
광학 픽셀의 어레이 및 적어도 2개의 기준 픽셀 행을 포함하는 이미징 센서를 동작시키는 방법은 광학 픽셀의 어레이 내의 각각의 광학 픽셀로 적분 시간 동안 입사광에 응답하여 전하를 생성하는 단계, 적어도 2개의 기준 픽셀 행 내의 각각의 기준 픽셀로 적분 시간 동안 전하를 생성하는 단계, 각각의 기준 픽셀에 의해 생성된 전하를 동시에 샘플링하여, 적어도 2개의 기준 픽셀 행에 의해 생성된 평균 전하를 결정하는 단계, 각각의 광학 픽셀에 의해 생성된 전하를 샘플링하는 단계, 및 적어도 2개의 기준 픽셀 행에 의해 생성된 평균 전하에 기초하여 각각의 광학 픽셀로부터의 샘플을 보정하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 2개의 기준 픽셀 행은 복수의 열을 포함할 수 있고, 복수의 열의 각각의 열은 열 라인을 포함할 수 있다. 각각의 열 라인은 적어도 2개의 판독 회로에 결합될 수 있다. 각각의 열 라인은 적어도 2개의 전류 소스에 결합될 수 있다. 각각의 기준 픽셀에 의해 생성된 전하를 동시에 샘플링하는 단계는 각자의 열 라인 상의 복수의 열의 각각의 열 내의 픽셀로부터의 전하를 합산하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 이미징 센서는 이미징 픽셀의 어레이 및 다크 픽셀의 제1 및 제2 행을 포함할 수 있다. 각각의 이미징 픽셀은 입사광에 응답하여 전하를 생성하는 포토다이오드를 포함할 수 있으며, 여기서 이미징 픽셀은 제1 복수의 행 및 제1 복수의 열로 배열될 수 있다. 각각의 다크 픽셀은 포토다이오드를 포함할 수 있고, 다크 픽셀의 제1 및 제2 행은 제2 복수의 열을 가질 수 있고, 제2 복수의 열의 각각의 열은 제1 및 제2 판독 회로에 결합된 열 라인을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 입사광이 다크 픽셀의 포토다이오드에 도달하는 것을 방지하기 위해 차폐 재료가 다크 픽셀을 커버할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 열 라인은 제1 및 제2 전류 소스에 결합될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 열 라인은 적어도 하나의 커패시터에 결합될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제1 다크 픽셀은 다크 픽셀의 제1 행에 위치될 수 있고, 제2 다크 픽셀은 다크 픽셀의 제2 행에 위치될 수 있고, 제1 및 제2 다크 픽셀은 둘 모두가 제2 복수의 열의 제1 열에 위치될 수 있고, 제1 및 제2 다크 픽셀은 둘 모두가 제1 열 라인에 결합될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제1 열 라인은 제1 및 제2 다크 픽셀에 결합된 유일한 열 라인일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 다크 픽셀은 전하를 생성하도록 구성될 수 있고, 제1 및 제2 다크 픽셀 전하 레벨은 제1 열 라인을 사용하여 동시에 샘플링되도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 판독 회로는 각각 제1 및 제2 저장 커패시터를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 이미징 센서는 차폐 재료에 의해 커버된 포토다이오드를 갖는 제1 복수의 픽셀 및 포토다이오드를 갖는 제2 복수의 픽셀을 포함할 수 있다. 제1 복수의 픽셀은 적어도 2개의 픽셀 행을 포함할 수 있고, 제1 복수의 픽셀의 포토다이오드는 적분 시간 동안 전하를 생성하도록 구성될 수 있고, 적분 시간 동안 제1 복수의 픽셀의 각각의 포토다이오드에 의해 생성된 전하는 동시에 샘플링되도록 구성될 수 있고, 제2 복수의 픽셀은 복수의 행 및 복수의 열을 포함할 수 있고, 제2 복수의 픽셀의 포토다이오드는 적분 시간 동안 전하를 생성하도록 구성될 수 있고, 적분 시간 동안 제2 복수의 픽셀의 각각의 포토다이오드에 의해 생성된 전하는 한 번에 한 행씩 샘플링되도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제1 복수의 픽셀은 추가의 복수의 열을 포함할 수 있고, 추가의 복수의 열의 각각의 열은 열 라인을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 열 라인은 적어도 2개의 판독 회로에 결합될 수 있고, 제1 복수의 픽셀 내의 픽셀의 각각의 행에 대해 열 라인에 결합된 하나의 판독 회로가 있을 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 열 라인은 적어도 2개의 전류 소스에 결합될 수 있고, 제1 복수의 픽셀 내의 픽셀의 각각의 행에 대해 열 라인에 결합된 하나의 전류 소스가 있을 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 적어도 2개의 픽셀 행은 제1 수의 픽셀 행을 포함할 수 있고, 각각의 열 라인은 제2 수의 판독 회로에 결합될 수 있으며, 제1 수는 제2 수와 동일할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 열 라인은 제3 수의 전류 소스에 결합될 수 있고, 제1 수는 제3 수와 동일할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 복수의 열에서보다 추가의 복수의 열에서 더 적은 열이 존재할 수 있다.
실시예에 따르면, 광학 픽셀의 어레이 및 적어도 2개의 기준 픽셀 행을 포함하는 이미징 센서를 동작시키는 방법은 광학 픽셀의 어레이 내의 각각의 광학 픽셀로 적분 시간 동안 입사광에 응답하여 전하를 생성하는 단계, 적어도 2개의 기준 픽셀 행 내의 각각의 기준 픽셀로 적분 시간 동안 전하를 생성하는 단계, 각각의 기준 픽셀에 의해 생성된 전하를 동시에 샘플링하여, 적어도 2개의 기준 픽셀 행에 의해 생성된 평균 전하를 결정하는 단계, 각각의 광학 픽셀에 의해 생성된 전하를 샘플링하는 단계, 및 적어도 2개의 기준 픽셀 행에 의해 생성된 평균 전하에 기초하여 각각의 광학 픽셀로부터의 샘플을 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 적어도 2개의 기준 픽셀 행은 복수의 열을 포함할 수 있고, 복수의 열의 각각의 열은 열 라인을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 열 라인은 적어도 2개의 판독 회로에 결합될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 열 라인은 적어도 2개의 전류 소스에 결합될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 기준 픽셀에 의해 생성된 전하를 동시에 샘플링하는 단계는 각자의 열 라인 상의 복수의 열의 각각의 열 내의 픽셀로부터의 전하를 합산하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명의 원리를 예시할 뿐이며, 다양한 변경이 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 전술한 실시예는 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.

Claims (5)

  1. 이미징 센서에 있어서:
    이미징 픽셀들의 어레이로서, 각각의 이미징 픽셀은 입사광에 응답하여 전하를 생성하는 포토다이오드를 포함하고, 상기 이미징 픽셀들은 제1 복수의 행들 및 제1 복수의 열들로 배열되는, 상기 이미징 픽셀들의 어레이; 및
    다크 픽셀들의 제1 및 제2 행들로서, 각각의 다크 픽셀은 포토다이오드를 포함하고, 상기 다크 픽셀들의 제1 및 제2 행들은 제2 복수의 열들을 가지며, 상기 제2 복수의 열들의 각각의 열은 제1 및 제2 판독 회로들에 결합되고 제1 및 제2 전류 소스에 결합된 열 라인을 포함하는, 상기 다크 픽셀들의 제1 및 제2 행들을 포함하는, 이미징 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    제1 다크 픽셀이 상기 다크 픽셀들의 제1 행에 위치되고 제2 다크 픽셀이 상기 다크 픽셀들의 제2 행에 위치되며, 상기 제1 및 제2 다크 픽셀들은 둘 모두가 상기 제2 복수의 열들의 제1 열에 위치되고, 상기 제1 및 제2 다크 픽셀들은 둘 모두가 제1 열 라인에 결합되며, 상기 제1 열 라인은 상기 제1 및 제2 다크 픽셀들에 결합된 유일한 열 라인이고, 상기 제1 및 제2 다크 픽셀들은 전하를 생성하도록 구성되며, 상기 제1 및 제2 다크 픽셀 전하 레벨들은 상기 제1 열 라인을 사용하여 동시에 샘플링되도록 구성되는, 이미징 센서.
  4. 삭제
  5. 광학 픽셀들의 어레이 및 적어도 2개의 기준 픽셀들의 행들을 포함하는 이미징 센서를 동작시키는 방법으로서, 상기 적어도 2개의 기준 픽셀들의 행들은 복수의 열들을 포함하고 상기 복수의 열들의 각각의 열은 적어도 2개의 각각의 전류 소스들에 결합된 열 라인을 포함하는, 상기 이미징 센서를 동작시키는 방법에 있어서:
    상기 광학 픽셀들의 어레이 내의 각각의 광학 픽셀로, 적분 시간 동안 입사광에 응답하여 전하를 생성하는 단계;
    상기 적어도 2개의 기준 픽셀들의 행들 내의 각각의 기준 픽셀로, 상기 적분 시간 동안 전하를 생성하는 단계;
    각각의 기준 픽셀에 의해 생성된 상기 전하를 동시에 샘플링하여, 상기 적어도 2개의 기준 픽셀들의 행들에 의해 생성된 평균 전하를 결정하는 단계;
    각각의 광학 픽셀에 의해 생성된 상기 전하를 샘플링하는 단계; 및
    상기 적어도 2개의 기준 픽셀들의 행들에 의해 생성된 상기 평균 전하에 기초하여 각각의 광학 픽셀로부터의 상기 샘플들을 보정하는 단계를 포함하는, 이미징 센서를 동작시키는 방법.
KR1020170121608A 2016-09-28 2017-09-21 다크 픽셀들을 갖는 이미지 센서들 KR102239944B1 (ko)

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