KR102488321B1 - 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 3차원 이미지 센서의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이는 제1 픽셀 그룹 및 제1 외광 제거 회로를 포함한다. 제1 픽셀 그룹은 복수의 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하고, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 피사체까지의 제1 거리 정보를 발생하는 복수의 거리 픽셀들을 포함한다. 제1 외광 제거 회로는 수신 광에 포함되는 외광 성분을 제거하고, 복수의 거리 픽셀들에 의해 공유된다. 복수의 거리 픽셀들 각각은 수신 광에 기초하여 광전하들을 발생하는 광전 변환 영역, 광전하들을 축적하는 플로팅 확산 영역, 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 포토 게이트 및 드레인 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 드레인 게이트를 포함한다. 포토 게이트가 턴온되는 경우에 광전 변환 영역은 발생된 광전하들을 축적하고, 드레인 게이트가 턴온되는 경우에 광전 변환 영역 내의 광전하들은 방출된다.

Description

3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 3차원 이미지 센서의 구동 방법{PIXEL ARRAY INCLUDED IN THREE-DIMENSIONAL IMAGE SENSOR AND METHOD OF OPERATING THREE-DIMENSIONAL IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이 및 3차원 이미지 센서의 구동 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부에서 입사하는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 반도체 소자로서, 상기 광 신호에 상응하는 영상 정보를 제공하고 있다. 최근에는 상기 광 신호에 기초하여 영상 정보뿐만 아니라 거리 정보까지 제공할 수 있는 3차원 이미지 센서(3D image sensor)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로, 3차원 이미지 센서는 광학 펄스(laser pulse)를 피사체에 조사한 후, 상기 광학 펄스가 피사체로부터 반사되어 돌아오기까지의 시간인 비행시간(Time Of Flight; TOF)을 측정하는 방식으로, 거리 픽셀 별로 피사체까지의 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 목적은 외광(ambient light) 성분을 효과적으로 제거할 수 있고, 크기가 감소될 수 있는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 거리 측정 성능을 향상시킬 수 있는 3차원 이미지 센서의 구동 방법을 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이는 제1 픽셀 그룹 및 제1 외광 제거 회로를 포함한다. 상기 제1 픽셀 그룹은 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하고, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 상기 피사체까지의 제1 거리 정보를 발생하는 복수의 거리 픽셀들을 포함한다. 상기 제1 외광 제거 회로는 상기 수신 광에 포함되는 외광(ambient light) 성분을 제거하고, 상기 복수의 거리 픽셀들에 의해 공유된다. 상기 복수의 거리 픽셀들 각각은 광전 변환 영역, 플로팅 확산 영역, 포토 게이트 및 드레인 게이트를 포함한다. 상기 광전 변환 영역은 상기 수신 광에 기초하여 광전하들을 발생한다. 상기 플로팅 확산 영역은 상기 광전하들을 축적하고, 상기 제1 외광 제거 회로와 연결된다. 상기 포토 게이트는 상기 복수의 포토 제어 신호들 중 하나에 응답하여 온-오프된다. 상기 드레인 게이트는 상기 복수의 포토 제어 신호들과 반대 위상을 가지는 복수의 드레인 제어 신호들 중 하나에 응답하여 온-오프된다. 상기 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 광전 변환 영역은 발생된 상기 광전하들을 축적하고, 상기 드레인 게이트가 턴온되는 경우에 상기 광전 변환 영역 내의 상기 광전하들은 방출된다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이는 제1 픽셀 그룹 및 제1 외광 제거 회로를 포함한다. 상기 제1 픽셀 그룹은 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하고, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 상기 피사체까지의 제1 거리 정보를 발생하는 복수의 거리 픽셀들을 포함한다. 상기 제1 외광 제거 회로는 상기 수신 광에 포함되는 외광(ambient light) 성분을 제거하고, 상기 복수의 거리 픽셀들에 의해 공유된다. 상기 복수의 거리 픽셀들 각각은 광전 변환 영역, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들 및 제1 및 제2 포토 게이트들을 포함한다. 상기 광전 변환 영역은 상기 수신 광에 기초하여 광전하들을 발생한다. 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들은 상기 광전하들을 축적하고, 상기 제1 외광 제거 회로와 연결된다. 상기 제1 및 제2 포토 게이트들은 상기 복수의 포토 제어 신호들 중 서로 반대 위상을 가지는 두 개에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 및 제2 포토 게이트들이 턴온되는 경우에 상기 광전 변환 영역은 발생된 상기 광전하들을 축적한다. 구동 환경의 조도가 기준 조도보다 낮은 저조도 환경에서, 주변 거리 픽셀들로부터 위상 정보들을 획득하고, 상기 획득된 위상 정보들을 위상 보간(phase interpolation)하여, 상기 복수의 거리 픽셀들 각각에 대한 거리 정보를 발생하는 제1 연산 동작이 선택적으로 수행된다.
상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 구동 방법에서, 상기 3차원 이미지 센서는 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하는 복수의 거리 픽셀들을 구비하는 픽셀 어레이를 포함한다. 상기 픽셀 어레이에서, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 상기 피사체까지의 거리 정보를 발생하기 위한 거리 정보 발생 단위를 결정한다. 미리 정해진 위상 패턴을 기초로 상기 복수의 거리 픽셀들 각각에 상기 복수의 포토 제어 신호들 중 하나를 대응시켜, 상기 복수의 거리 픽셀들을 구동한다. 주변 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 위상 보간(phase interpolation)하는 제1 연산 동작, 및 인접한 거리 픽셀들을 그룹화하고 그룹화된 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 이용하는 제2 연산 동작 중 적어도 하나를 수행하여, 상기 거리 정보 발생 단위마다 하나의 상기 거리 정보를 획득한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이는, 1-탭 또는 2-탭 구조의 복수의 거리 픽셀들이 하나의 외광 제거 회로를 공유함으로써, 외광 성분을 효과적으로 제거하면서 크기가 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 구동 방법에서는, 동작 모드 및/또는 다양한 알고리즘에 따라 거리 정보를 발생함으로써, 3차원 이미지 센서의 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 픽셀 그룹의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 제1 픽셀 그룹에 포함되는 제1 거리 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 인가되는 포토 제어 신호들의 일 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 5 및 6은 도 1의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 픽셀 그룹의 다른 예를 나타내는 회로도들이다.
도 7은 도 1의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 인가되는 포토 제어 신호들의 다른 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 10은 도 8의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 12는 도 11의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 픽셀 그룹의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 13은 도 11의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 15는 도 14의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 17은 도 16의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 픽셀 그룹의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 18은 도 17의 제1 픽셀 그룹에 포함되는 제1 거리 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 19는 도 16의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 20 및 21은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도들이다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 23은 도 22의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 거리 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 25, 26, 27, 28 및 29는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 구동 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(100)는 복수의 픽셀 그룹들(PG11, PG12, PG13, PG14) 및 복수의 외광 제거(ambient light cancellation; ALC) 회로들(ALC11, ALC12, ALC13, ALC14)을 포함한다.
복수의 픽셀 그룹들(PG11~PG14)은 서로 동일한 구조를 가지며, 복수의 거리 픽셀들(DP11, DP12, DP13, DP14, DP15, DP16, DP17, DP18, DP19, DP1A, DP1B, DP1C, DP1D, DP1E, DP1F, DP1G)을 포함한다. 도 1의 예에서, 하나의 픽셀 그룹은 네 개의 거리 픽셀들을 포함할 수 있다.
도 30을 참조하여 후술하는 것처럼, 픽셀 어레이(100)를 포함하는 3차원 이미지 센서(예를 들어, 1000)는 피사체(예를 들어, 1080)에 변조된 송신 광(예를 들어, TX)을 조사한다. 각 픽셀 그룹에 포함되는 거리 픽셀들은 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들(예를 들어, 도 2의 PG1, PG2, PG3, PG4)에 응답하여 동작하고, 피사체(1080)로부터 반사된 수신 광(예를 들어, RX)에 기초하여 피사체(1080)까지의 거리 정보를 발생하며, 하나의 외광 제거 회로를 공유한다.
도 1 및 이후의 도면에서, 각 거리 픽셀 내에 기재되어 있는 숫자는 해당 거리 픽셀에 인가되는 포토 제어 신호의 위상(예를 들어, 송신 광(TX)과의 위상 차)을 예시적으로 나타낸다. 도 1의 예에서, 하나의 픽셀 그룹에 포함되는 네 개의 거리 픽셀들은 서로 다른 위상을 가지는 네 개의 포토 제어 신호들에 응답하여 동작할 수 있다.
복수의 외광 제거 회로들(ALC11~ALC14)은 서로 동일한 구조를 가지며, 수신 광(RX)에 포함되는 외광(ambient light) 성분을 제거하고, 하나의 픽셀 그룹에 포함되는 거리 픽셀들에 의해 공유된다. 예를 들어, 제1 외광 제거 회로(ALC11)는 제1 픽셀 그룹(PG11)에 포함되는 거리 픽셀들(DP11~DP14)에 의해 공유될 수 있다.
도시의 편의상, 픽셀 어레이가 특정 개수의 픽셀 그룹들 및 외광 제거 회로들을 포함하는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이는 서로 교차(예를 들어, 직교)하는 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 각각 M개 및 N개가 배치되는 M*N(M, N은 2 이상의 자연수)개의 픽셀 그룹들 및 이에 대응하는 외광 제거 회로들을 포함하여 구현될 수 있다.
도 2는 도 1의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 픽셀 그룹의 일 예를 나타내는 회로도이다. 도 3은 도 2의 제1 픽셀 그룹에 포함되는 제1 거리 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 1, 2 및 3을 참조하면, 제1 픽셀 그룹(PG11)에 포함되고 제1 외광 제거 회로(ALC11)를 공유하는 거리 픽셀들(DP11~DP14)은 각각 1-탭(tap) 구조 또는 싱글-탭 구조로 구현될 수 있다. 1-탭 구조는 하나의 광전 변환 영역이 하나의 플로팅 확산 영역을 이용하는 구조를 나타낸다.
구체적으로, 제1 거리 픽셀(DP11)은 제1 광전 변환 영역(120), 제1 플로팅 확산 영역(130), 제1 포토 게이트(140) 및 제1 드레인 게이트(150)를 포함한다. 제1 거리 픽셀(DP11)은 제1 브릿지 확산 영역(160), 제1 전송 게이트(170), 제1 드레인 영역(180), 제1 리셋 트랜지스터(TR11), 제1 구동 트랜지스터(TSF11) 및 제1 선택 트랜지스터(TSEL11)를 더 포함할 수 있다.
제1 포토 게이트(140), 제1 드레인 게이트(150) 및 제1 전송 게이트(170)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성되며, 제1 광전 변환 영역(120), 제1 플로팅 확산 영역(130), 제1 브릿지 확산 영역(160) 및 제1 드레인 영역(180)은 반도체 기판(110) 내에 형성된다. 도 2에서, 제1 포토 게이트(140), 제1 드레인 게이트(150) 및 제1 전송 게이트(170)에 대응하는 구성요소를 제1 포토 트랜지스터(TP11), 제1 드레인 트랜지스터(TD11) 및 제1 전송 트랜지스터(TT11)로 각각 도시하였고, 제1 광전 변환 영역(120)에 대응하는 구성요소를 제1 포토 다이오드(PD11)로 도시하였으며, 제1 플로팅 확산 영역(130), 제1 브릿지 확산 영역(160) 및 제1 드레인 영역(180)에 대응하는 구성요소를 제1 플로팅 확산 노드(FD11), 제1 브릿지 확산 노드(BD11) 및 제1 드레인 노드(DD11)로 각각 도시하였다.
제1 포토 게이트(140)는 제1 광전 변환 영역(120)의 상부에 배치되며, 제1 포토 제어 신호(PG1)에 응답하여 온-오프된다. 제1 광전 변환 영역(120)은 제1 포토 게이트(140)가 턴온되는 경우에 수신 광(RX)에 기초하여 광전하들을 발생하거나 발생된 상기 광전하들을 축적한다. 제1 브릿지 확산 영역(160)은 제1 광전 변환 영역(120)에 인접하여 형성되고, 제1 광전 변환 영역(120)에서 발생된 상기 광전하들을 임시 저장한다.
제1 드레인 게이트(150)는 제1 광전 변환 영역(120)과 제1 드레인 영역(180) 사이에 배치되며, 제1 포토 제어 신호(PG1)와 반대 위상을 가지는 제1 드레인 제어 신호(DG1)에 응답하여 온-오프된다. 제1 드레인 영역(180)은 제1 광전 변환 영역(120)과 이격되어 형성되고, 제1 드레인 게이트(150)가 턴온되는 경우에 제1 광전 변환 영역(120) 내의 상기 광전하들이 제1 드레인 영역(180)으로 방출된다.
제1 전송 게이트(170)는 제1 광전 변환 영역(120)(또는 제1 브릿지 확산 영역(160))과 제1 플로팅 확산 영역(130) 사이에 배치되며, 전송 제어 신호(TG)에 응답하여 온-오프된다. 제1 플로팅 확산 영역(130)은 제1 광전 변환 영역(120)(또는 제1 브릿지 확산 영역(160))과 이격되어 형성되고, 제1 전송 게이트(170)가 턴온되는 경우에 제1 광전 변환 영역(120)에서 발생된 상기 광전하들을 축적한다.
제1 리셋 트랜지스터(TR11)는 리셋 신호(RG)에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(130)(또는 제1 브릿지 확산 영역(160))을 초기화시킨다. 제1 구동 트랜지스터(TSF11)는 제1 플로팅 확산 영역(130)의 전압을 증폭한다. 제1 선택 트랜지스터(TSEL11)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 제1 구동 트랜지스터(TSF11)에 의해 증폭된 전압을 제1 출력 전압(VOUT11)으로 제공한다.
일 실시예에서, 제1 거리 픽셀(DP11)은 반도체 기판(110)을 이용한 CMOS 공정을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 영역들(120, 130, 160, 180)은 반도체 기판(110)의 상부 표면으로의 이온 주입 공정 등을 통하여 반도체 기판(110) 내에 형성될 수 있고, 게이트들(140, 150, 170)은 증착 공정, 식각 공정 등을 통하여 반도체 기판(110)과 이격되도록 반도체 기판(110)의 상부에 형성될 수 있다. 도시하지는 않았으나, 반도체 기판(110)의 상부 표면과 게이트들(140, 150, 170) 사이에는 절연층이 개재될 수 있다.
일 실시예에서, 영역들(120, 130, 160, 180)은 반도체 기판(110)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(110)은 p형 반도체 기판이고, 영역들(120, 130, 160, 180)은 n형 불순물을 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑하여 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 광전하들은 전자-정공 쌍 중 전자일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 외광 제거 회로(ALC11)는 제1 센싱 신호(SEN11)에 기초하여 제1 플로팅 확산 영역(130)에 축적된 상기 광전하들을 센싱하고, 상기 광전하들의 양이 미리 정해진 기준을 넘을 경우에 제1 보상 신호(C11)를 제1 플로팅 확산 영역(130)(또는 제1 브릿지 확산 영역(160))에 제공한다. 예를 들어, 제1 외광 제거 회로(ALC11)는 제1 보상 신호(C11)에 기초하여 상기 광전하들(예를 들어, 전자들)과 반대 극성의 전하들(예를 들어, 정공들)을 제1 플로팅 확산 영역(130)(또는 제1 브릿지 확산 영역(160))에 주입하거나, 상기 광전하들의 일부를 제1 플로팅 확산 영역(130)(또는 제1 브릿지 확산 영역(160))에서 빼낼 수 있다.
제2, 제3 및 제4 거리 픽셀들(DP12~DP14)은 각각 제1 거리 픽셀(DP11)과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 제2 거리 픽셀(DP12)은 제2 광전 변환 영역, 제2 플로팅 확산 영역, 제2 포토 게이트 및 제2 드레인 게이트에 대응하는 구성요소들(PD12, FD12, TP12, TD12)을 포함하고, 그 밖의 구성요소들(BD12, TT12, DD12, TR12, TSF12, TSEL12)을 더 포함하며, 제3 포토 제어 신호(PG3) 및 제3 드레인 제어 신호(DG3)에 응답하여 동작하고, 제2 출력 전압(VOUT12)을 제공한다. 이와 유사하게, 제3 거리 픽셀(DP13)은 구성요소들(PD13, FD13, TP13, TD13, BD13, TT13, DD13, TR13, TSF13, TSEL13)을 포함하고, 제2 포토 제어 신호(PG2) 및 제2 드레인 제어 신호(DG2)에 응답하여 동작하며, 제3 출력 전압(VOUT13)을 제공한다. 제4 거리 픽셀(DP14)은 구성요소들(PD14, FD14, TP14, TD14, BD14, TT14, DD14, TR14, TSF14, TSEL14)을 포함하고, 제4 포토 제어 신호(PG4) 및 제4 드레인 제어 신호(DG4)에 응답하여 동작하며, 제4 출력 전압(VOUT14)을 제공한다.
제1 외광 제거 회로(ALC11)는 제2, 제3 및 제4 센싱 신호들(SEN12, SEN13, SEN14)에 기초하여 제2, 제3 및 제4 거리 픽셀들(DP12, DP13, DP14)의 플로팅 확산 영역에 축적된 광전하들을 센싱하고, 상기 광전하들의 양이 미리 정해진 기준을 넘을 경우에 제2, 제3 및 제4 보상 신호들(C12, C13, C14)을 제2, 제3 및 제4 거리 픽셀들(DP12, DP13, DP14)의 상기 플로팅 확산 영역(또는 브릿지 확산 영역)에 제공한다.
도시하지는 않았지만, 실시예에 따라서 제1 및 제3 출력 전압들(VOUT11, VOUT13)이 하나의 출력 신호 라인을 공유하고, 제2 및 제4 출력 전압들(VOUT12, VOUT14)이 다른 하나의 출력 신호 라인을 공유할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 인가되는 포토 제어 신호들의 일 예를 나타내는 타이밍도이다.
도 2, 3 및 4를 참조하면, 3차원 이미지 센서는 집광(integration) 구간 동안에 피사체(예를 들어, 도 30의 1080)에 변조된 송신 광(TX)을 조사(illumination)한다. 송신 광(TX)은 피사체(1080)에 의해 반사되어 수신 광(RX)으로서 3차원 이미지 센서에 도달한다. 수신 광(RX)은 송신 광(TX)에 대하여 광의 비행 시간(time of flight)(TOF)만큼 지연된다.
상기 집광 구간 동안에 수신 광(RX)에 의해 광전 변환 영역(120)에서 광전하들이 발생된다. 구체적으로, 도 4에 도시된 것처럼 상기 집광 구간 동안에 포토 제어 신호들(PG1~PG4)은 주기적으로 변동하는 세기를 가지며, 이러한 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 활성화 구간에 상응하는 광전하들이 각 광전 변환 영역에서 발생된다. 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상에 상응하는 광전하들의 양을 구하면 상기 TOF를 구할 수 있다.
상기 집광 구간 동안에, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)은 서로 다른 위상을 가질 수 있다. 제1 포토 제어 신호(PG1)는 송신 광(TX)과 동일한 위상을 가지며, 송신 광(TX)과 약 0도의 위상 차를 가질 수 있다. 제2 포토 제어 신호(PG2)는 송신 광(TX)(또는 제1 포토 제어 신호(PG1))과 약 90도의 위상 차를 가질 수 있다. 제3 포토 제어 신호(PG3)는 송신 광(TX)과 약 180도의 위상 차를 가지며, 제2 포토 제어 신호(PG2)와 약 90도의 위상 차를 가질 수 있다. 제4 포토 제어 신호(PG4)는 송신 광(TX)과 약 270도의 위상 차를 가지며, 제3 포토 제어 신호(PG3)와 약 90도의 위상 차를 가질 수 있다. 상기 집광 구간 동안에, 드레인 제어 신호들(DG1~DG4)은 각각 포토 제어 신호들(PG1~PG4)과 반대 위상을 가질 수 있다.
또한, 상기 집광 구간 동안에, 제1 외광 제거 회로(ALC11)는 수신 광(RX)에 포함되는 상기 외광 성분을 센싱하고 이를 제거하기 위한 보상 동작을 수행할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 집광 구간 이후의 독출(readout) 구간에서, 전송 제어 신호(TG), 리셋 신호(RG), 선택 신호(SEL) 등을 제어하여 출력 전압들(VOUT11~VOUT14)이 발생된다. 3차원 이미지 센서 내의 디지털 신호 처리 회로(예를 들어, 도 30의 1050)는 출력 전압들(VOUT11~VOUT14)을 연산하여 피사체(1080)까지의 거리 정보가 획득된다. 이 때, 후술하는 것처럼 거리 정보 발생 단위마다 하나의 거리 정보를 발생할 수 있다.
도 5 및 6은 도 1의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 픽셀 그룹의 다른 예를 나타내는 회로도들이다.
도 5를 참조하면, 전송 트랜지스터들(TT11~TT14) 및 브릿지 확산 노드들(BD11~BD14)이 생략되는 것을 제외하면, 도 5의 거리 픽셀들(DP11a, DP12a, DP13a, DP14a)은 도 2의 거리 픽셀들(DP11~DP14)과 실질적으로 동일할 수 있다. 다시 말하면, 도 5의 거리 픽셀들(DP11a~DP14a) 각각은 전송 게이트(170) 및 브릿지 확산 영역(160)을 포함하지 않을 수 있다.
도 5의 거리 픽셀들(DP11a~DP14a)은 포토 게이트(140) 또는 포토 트랜지스터들(TP11~TP14)이 턴온되는 경우에 광전 변환 영역(120)에서 발생된 광전하들이 플로팅 확산 영역(130) 또는 플로팅 확산 노드들(FD11~FD14)에 직접 축적될 수 있다. 또한, 도 5에서는 보상 신호들(C11~C14)이 플로팅 확산 영역(130) 또는 플로팅 확산 노드들(FD11~FD14)에 직접 제공될 수 있다.
도 6을 참조하면, 드레인 노드(DD1)가 거리 픽셀들(DP11b, DP12b)에 의해 공유되고 드레인 노드(DD2)가 거리 픽셀들(DP13b, DP14b)에 의해 공유되는 것을 제외하면, 도 6의 거리 픽셀들(DP11b, DP12b, DP13b, DP14b)은 도 2의 거리 픽셀들(DP11~DP14)과 실질적으로 동일할 수 있다. 다시 말하면, 도 6의 거리 픽셀들(DP11b~DP14b) 중 두 개는 하나의 드레인 영역(180)을 공유할 수 있다. 실시예에 따라서, 하나의 픽셀 그룹에 포함되는 네 개의 거리 픽셀들 모두가 하나의 드레인 영역(180)을 공유할 수도 있다.
도 7은 도 1의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1, 4 및 7을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(100)에서, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상은 모든 집광 구간에서 일정하게 고정(fixed)될 수 있다. 예를 들어, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)은 모든 집광 구간에서 항상 도 4에 도시된 것과 같은 위상을 가질 수 있고, 제1 거리 픽셀(DP11)은 항상 송신 광(TX)과 약 0도의 위상 차를 가지는 제1 포토 제어 신호(PG1)에 응답하여 동작할 수 있다. 이러한 구동 방식을 고정 위상 패턴(fixed phase pattern) 방식이라 부를 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이(100)에서, 하나의 거리 정보를 발생하기 위해 네 개의 위상 정보(예를 들어, 약 0도, 90도, 180도, 270도)가 필요할 수 있다. 픽셀 어레이(100)는 동작 모드에 따라서 하나의 거리 정보를 발생하기 위한 최소 단위(즉, 거리 정보 발생 단위)를 결정하고, 상기 동작 모드에 따라 다른 방식으로 거리 정보를 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 동작 모드는 3차원 이미지 센서의 구동 환경의 조도에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 3차원 이미지 센서의 상기 구동 환경의 조도가 기준 조도보다 높거나 같은 고조도 환경(또는 야외 환경)인 경우에, 픽셀 어레이(100)는 도 1에 도시된 것처럼 동작할 수 있다. 이 때, 2*2개의 거리 픽셀들(예를 들어, DP11~DP14)을 포함하는 하나의 픽셀 그룹(예를 들어, PG11)이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 해상도(resolution)가 1/4로 감소된 2*2 비닝(binning) 방식으로 거리 정보를 발생하며, 외광 제거 회로들(ALC11~ALC14)은 활성화되어 외광 성분을 제거할 수 있다.
예를 들어, 거리 픽셀(DP11)로부터 제1 포토 제어 신호(PG1)에 기초한 제1 위상 정보(즉, 약 0도)를 획득하고, 거리 픽셀(DP13)로부터 제2 포토 제어 신호(PG2)에 기초한 제2 위상 정보(즉, 약 90도)를 획득하고, 거리 픽셀(DP12)로부터 제3 포토 제어 신호(PG3)에 기초한 제3 위상 정보(즉, 약 180도)를 획득하고, 거리 픽셀(DP14)로부터 제4 포토 제어 신호(PG4)에 기초한 제4 위상 정보(즉, 약 270도)를 획득하며, 상기 위상 정보들을 연산하여 제1 픽셀 그룹(PG11)에 대한 하나의 거리 정보가 발생될 수 있다. 1회의 샘플링, 즉 1개의 프레임(depth frame)으로 거리 정보를 획득할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동 환경의 조도가 상기 기준 조도보다 낮은 저조도 환경(또는 실내 환경)인 경우에, 픽셀 어레이(100)는 도 7에 도시된 것처럼 동작할 수 있다. 이 때, 하나의 거리 픽셀(예를 들어, DP14)이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 최대 해상도(full depth resolution) 방식으로 거리 정보를 발생하며, 외광 제거 회로들(ALC11~ALC14)은 비활성화되어 상기 외광 성분 제거 기능을 수행하지 않을 수 있다.
예를 들어, 제4 포토 제어 신호(PG4)와 다른 위상을 가지는 포토 제어 신호들(PG1, PG2, PG3)에 응답하여 동작하고 거리 픽셀(DP14)과 인접한 제1 주변 거리 픽셀들(DP11, DP15, DP19, DP1D)로부터 제1 포토 제어 신호(PG1)에 기초한 제1 위상 정보(즉, 약 0도)를 획득하고, 제2 주변 거리 픽셀들(DP13, DP17)로부터 제2 포토 제어 신호(PG2)에 기초한 제2 위상 정보(즉, 약 90도)를 획득하고, 제3 주변 거리 픽셀들(DP12, DP1A)로부터 제3 포토 제어 신호(PG3)에 기초한 제3 위상 정보(즉, 약 180도)를 획득하고, 거리 픽셀(DP14) 자신으로부터 제4 포토 제어 신호(PG4)에 기초한 제4 위상 정보(즉, 약 270도)를 획득하며, 상기 위상 정보들을 위상 보간(phase interpolation)(또는 위상 모자이크(phase mosaic))하여 거리 픽셀(DP14)에 대한 하나의 거리 정보가 발생될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고정 위상 패턴 방식에서, 하나의 거리 픽셀(예를 들어, DP14)에 대한 거리 정보를 발생하기 위해, 도 7에 도시된 것처럼 동일한 픽셀 그룹(예를 들어, PG11)에 포함되는 나머지 거리 픽셀들 모두(예를 들어, DP11, DP12, DP13) 및 그 밖의 주변 거리 픽셀들(예를 들어, DP15, DP17, DP19, DP1A, DP1D)로부터 위상 정보들이 획득될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 8을 참조하면, 복수의 거리 픽셀들(DP11~DP1G)에 인가되는 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상이 집광 구간마다 가변되는(variable) 것을 제외하면, 도 8의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(100a)는 도 1의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(100)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 인가되는 포토 제어 신호들의 다른 예를 나타내는 타이밍도이다. 도 10은 도 8의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4, 8, 9 및 10을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(100a)에서, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상은 연속하는 제1 및 제2 집광 구간들에서 가변될 수 있다. 예를 들어, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)은 상기 제1 집광 구간에서 도 4에 도시된 위상을 가지고, 상기 제1 집광 구간 이후의 상기 제2 집광 구간에서 도 9에 도시된 위상을 가질 수 있다. 이 경우, 제1 거리 픽셀(DP11)은 상기 제1 집광 구간에서 송신 광(TX)과 약 0도의 위상 차를 가지는 제1 포토 제어 신호(PG1)에 응답하여 동작하고, 상기 제2 집광 구간에서 송신 광(TX)과 약 90도의 위상 차를 가지는 제1 포토 제어 신호(PG1)에 응답하여 동작할 수 있다. 이러한 구동 방식을 가변 위상 패턴(variable phase pattern) 방식이라 부를 수 있다.
도 9에 도시된 것처럼, 상기 제1 집광 구간 이후의 상기 제2 집광 구간 동안에, 제1 포토 제어 신호(PG1)는 송신 광(TX)과 약 90도의 위상 차를 가지고, 제2 포토 제어 신호(PG2)는 송신 광(TX)과 약 0도의 위상 차를 가지고, 제3 포토 제어 신호(PG3)는 송신 광(TX)과 약 270도의 위상 차를 가지며, 제4 포토 제어 신호(PG4)는 송신 광(TX)과 약 180도의 위상 차를 가질 수 있다. 드레인 제어 신호들(DG1~DG4)은 각각 포토 제어 신호들(PG1~PG4)과 반대 위상을 가질 수 있다.
도 1 및 7을 참조하여 상술한 것과 유사하게, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이(100a)는 동작 모드에 따라 거리 정보 발생 단위를 결정하고, 동작 모드에 따라 다른 방식으로 거리 정보를 발생할 수 있다. 또한, 상기 동작 모드는 구동 환경의 조도에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고조도 환경인 경우에, 픽셀 어레이(100a)는 도 8에 도시된 것처럼 동작할 수 있다. 이 때, 2*1개의 거리 픽셀들(예를 들어, DP11, DP12)을 포함하는 하나의 서브 픽셀 그룹이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 2*1 비닝 방식으로 거리 정보를 발생하며, 외광 제거 회로들(ALC11~ALC14)은 활성화될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 집광 구간에서 거리 픽셀들(DP11, DP12)로부터 제1 및 제3 위상 정보들(즉, 약 0 및 180도)을 획득하고, 상기 제2 집광 구간에서 거리 픽셀들(DP11, DP12)로부터 제2 및 제4 위상 정보들(즉, 약 90 및 270도)을 획득하며, 상기 위상 정보들을 연산하여 거리 픽셀들(DP11, DP12)의 서브 픽셀 그룹에 대한 하나의 거리 정보가 발생될 수 있다. 2회의 샘플링으로 거리 정보를 획득할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 저조도 환경인 경우에, 픽셀 어레이(100a)는 도 10에 도시된 것처럼 동작할 수 있다. 이 때, 하나의 거리 픽셀(예를 들어, DP14)이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 외광 제거 회로들(ALC11~ALC14)은 비활성화될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 집광 구간에서 주변 거리 픽셀들(DP13, DP17) 및 거리 픽셀(DP14) 자신으로부터 제2 및 제4 위상 정보들(즉, 약 90 및 270도)을 획득하고, 상기 제2 집광 구간에서 주변 거리 픽셀들(DP13, DP17) 및 거리 픽셀(DP14) 자신으로부터 제1 및 제3 위상 정보들(즉, 약 0 및 180도)을 획득하며, 상기 위상 정보들을 위상 보간하여 거리 픽셀(DP14)에 대한 하나의 거리 정보가 발생될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가변 위상 패턴 방식에서, 하나의 거리 픽셀(예를 들어, DP14)에 대한 거리 정보를 발생하기 위해, 도 10에 도시된 것처럼 동일한 픽셀 그룹(예를 들어, PG11)에 포함되는 나머지 거리 픽셀들 중 일부(예를 들어, DP13) 및 그 밖의 주변 거리 픽셀(예를 들어, DP17)로부터 위상 정보들이 획득될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 11을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(200)는 복수의 픽셀 그룹들(PG21, PG22, PG23, PG24, PG25, PG26, PG27, PG28) 및 복수의 외광 제거 회로들(ALC21, ALC22, ALC23, ALC24, ALC25, ALC26, ALC27, ALC28)을 포함한다.
복수의 픽셀 그룹들(PG21~PG28)은 서로 동일한 구조를 가지며, 복수의 거리 픽셀들(DP21, DP22, DP23, DP24, DP25, DP26, DP27, DP28, DP29, DP2A, DP2B, DP2C, DP2D, DP2E, DP2F, DP2G)을 포함한다. 도 11의 예에서, 하나의 픽셀 그룹은 두 개의 거리 픽셀들을 포함할 수 있다. 각 픽셀 그룹에 포함되는 거리 픽셀들은 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들(PG1~PG4) 중 일부에 응답하여 동작하고, 피사체(1080)로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 피사체(1080)까지의 거리 정보를 발생하며, 하나의 외광 제거 회로를 공유한다.
복수의 외광 제거 회로들(ALC21~ALC28)은 서로 동일한 구조를 가지며, 수신 광(RX)에 포함되는 외광 성분을 제거하고, 하나의 픽셀 그룹에 포함되는 거리 픽셀들에 의해 공유된다. 제1 외광 제거 회로(ALC21)는 제1 픽셀 그룹(PG21)에 포함되는 거리 픽셀들(DP21, DP22)에 의해 공유될 수 있다.
도 12는 도 11의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 픽셀 그룹의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 11 및 12를 참조하면, 제1 픽셀 그룹(PG21)에 포함되고 제1 외광 제거 회로(ALC21)를 공유하는 거리 픽셀들(DP21, DP22)은 1-탭 구조 또는 싱글-탭 구조로 구현될 수 있다.
도 12의 제1 및 제2 거리 픽셀들(DP21, DP22) 및 제1 외광 제거 회로(ALC21)는 도 2의 제1 및 제2 거리 픽셀들(DP11, DP12) 및 제1 외광 제거 회로(ALC11)와 각각 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 제1 거리 픽셀(DP21)은 구성요소들(PD21, FD21, TP21, TD21, BD21, TT21, DD21, TR21, TSF21, TSEL21)을 포함하고, 제1 포토 제어 신호(PG1) 및 제1 드레인 제어 신호(DG1)에 응답하여 동작하며, 제1 출력 전압(VOUT21)을 제공한다. 제2 거리 픽셀(DP22)은 구성요소들(PD22, FD22, TP22, TD22, BD22, TT22, DD22, TR22, TSF22, TSEL22)을 포함하고, 제3 포토 제어 신호(PG3) 및 제3 드레인 제어 신호(DG3)에 응답하여 동작하며, 제2 출력 전압(VOUT22)을 제공한다. 제1 외광 제거 회로(ALC21)는 제1 및 제2 센싱 신호들(SEN21, SEN22)에 기초하여 제1 및 제2 거리 픽셀들(DP21, DP22)의 플로팅 확산 영역(또는 브릿지 확산 영역)에 제1 및 제2 보상 신호들(C21, C22)을 제공한다.
실시예에 따라서, 도 5를 참조하여 상술한 것처럼 전송 트랜지스터들(TT21, TT22) 및 브릿지 확산 노드들(BD21, BD22)이 생략될 수도 있고, 도 6을 참조하여 상술한 것처럼 하나의 드레인 영역이 거리 픽셀들(DP21, DP22)에 의해 공유될 수도 있다.
한편, 제2 픽셀 그룹(PG22)에 포함되고 제2 외광 제거 회로(ALC22)를 공유하는 거리 픽셀들(DP23, DP24) 역시 1-탭 구조로 구현되며, 각각 제2 및 제4 포토 제어 신호들(PG2, PG4)에 응답하여 동작한다.
도 13은 도 11의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4, 11 및 13을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(200)에서, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상이 항상 일정한 상기 고정 위상 패턴 방식일 수 있다. 두 개의 거리 픽셀들이 하나의 외광 제거 회로를 공유하는 것을 제외하면, 도 11 및 13의 픽셀 어레이(200)의 위상 패턴은 도 1 및 7의 픽셀 어레이(100)의 위상 패턴과 실질적으로 동일하며, 따라서 도 11 및 13의 픽셀 어레이(200)는 도 1 및 7의 픽셀 어레이(100)와 각각 실질적으로 동일하게 동작할 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다. 도 15는 도 14의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4, 9, 14 및 15를 참조하면, 복수의 거리 픽셀들(DP21~DP2G)에 인가되는 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상이 집광 구간마다 가변되는 가변 위상 패턴 방식인 것을 제외하면, 도 14의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(200a)는 도 11의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(200)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 또한, 두 개의 거리 픽셀들이 하나의 외광 제거 회로를 공유하는 것을 제외하면, 도 14 및 15의 픽셀 어레이(200a)의 위상 패턴은 도 8 및 10의 픽셀 어레이(100a)의 위상 패턴과 실질적으로 동일하며, 따라서 도 14 및 15의 픽셀 어레이(200a)는 도 8 및 10의 픽셀 어레이(100a)와 실질적으로 동일하게 동작할 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 16을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(300)는 복수의 픽셀 그룹들(PG31, PG32, PG33, PG34) 및 복수의 외광 제거 회로들(ALC31, ALC32, ALC33, ALC34)을 포함한다.
복수의 픽셀 그룹들(PG31~PG34)은 서로 동일한 구조를 가지며, 복수의 거리 픽셀들(DP31, DP32, DP33, DP34, DP35, DP36, DP37, DP38)을 포함한다. 도 16의 예에서, 하나의 픽셀 그룹은 두 개의 거리 픽셀들을 포함할 수 있다. 각 픽셀 그룹에 포함되는 거리 픽셀들은 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들(PG1~PG4)에 응답하여 동작하고, 피사체(1080)로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 피사체(1080)까지의 거리 정보를 발생하며, 하나의 외광 제거 회로를 공유한다.
복수의 외광 제거 회로들(ALC31~ALC34)은 서로 동일한 구조를 가지며, 수신 광(RX)에 포함되는 외광 성분을 제거하고, 하나의 픽셀 그룹에 포함되는 거리 픽셀들에 의해 공유된다. 제1 외광 제거 회로(ALC31)는 제1 픽셀 그룹(PG31)에 포함되는 거리 픽셀들(DP31, DP32)에 의해 공유될 수 있다.
도 17은 도 16의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 픽셀 그룹의 일 예를 나타내는 회로도이다. 도 18은 도 17의 제1 픽셀 그룹에 포함되는 제1 거리 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 16, 17 및 18을 참조하면, 제1 픽셀 그룹(PG31)에 포함되고 제1 외광 제거 회로(ALC31)를 공유하는 거리 픽셀들(DP31, DP32)은 각각 2-탭 구조로 구현될 수 있다. 2-탭 구조는 하나의 광전 변환 영역이 두 개의 플로팅 확산 영역들에 의해 공유되는 구조를 나타낸다.
구체적으로, 제1 거리 픽셀(DP31)은 반도체 기판(310) 내에 형성되는 제1 광전 변환 영역(320) 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(330a, 330b)과, 반도체 기판(310)의 상부에 형성되는 제1 및 제2 포토 게이트들(340a, 340b)을 포함한다. 제1 거리 픽셀(DP31)은 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(360a, 360b), 제1 및 제2 전송 게이트들(370a, 370b), 제1 및 제2 리셋 트랜지스터들(TR31, TR32), 제1 및 제2 구동 트랜지스터들(TSF31, TSF32), 및 제1 및 제2 선택 트랜지스터들(TSEL31, TSEL32)을 더 포함할 수 있다. 도 17에서, 제1 및 제2 포토 게이트들(340a, 340b)과 제1 및 제2 전송 게이트들(370a, 370b)을 포토 트랜지스터들(TP31, TP32)과 전송 트랜지스터들(TT31, TT32)로 각각 도시하였고, 제1 광전 변환 영역(320)을 포토 다이오드(PD31)로 도시하였으며, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(330a, 330b)과 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(360a, 360b)을 플로팅 확산 노드들(FD31, FD32)과 브릿지 확산 노드들(BD31, BD32)로 각각 도시하였다.
제1 및 제2 포토 게이트들(340a, 340b)은 제1 광전 변환 영역(320)의 상부에 배치되며, 서로 반대 위상을 가지는 제1 및 제3 포토 제어 신호들(PG1, PG3)에 응답하여 온-오프된다. 제1 광전 변환 영역(320)은 제1 및 제2 포토 게이트들(340a, 340b)이 턴온되는 경우에 수신 광(RX)에 기초하여 광전하들을 발생하거나 발생된 상기 광전하들을 축적한다.
제1 거리 픽셀(DP31)의 그 밖의 구성요소들(330a, 330b, 360a, 360b, 370a, 370b, TR31, TR32, TSF31, TSF32, TSEL31, TSEL32)의 동작은 도 2 및 3을 참조하여 상술한 제1 거리 픽셀(DP11)의 구성요소들(130, 160, 170, TR11, TSF11, TSEL11)의 동작과 유사할 수 있다. 제1 거리 픽셀(DP31)은 제1 및 제2 출력 전압들(VOUT31, VOUT32)을 제공한다.
이와 유사하게, 제2 거리 픽셀(DP32)은 구성요소들(PD33, FD33, FD34, TP33, TP34, BD33, BD34, TT33, TT34, TR33, TR34, TSF33, TSF34, TSEL33, TSEL34)을 포함하고, 서로 반대 위상의 제2 및 제4 포토 제어 신호들(PG2, PG4)에 응답하여 동작하며, 제3 및 제4 출력 전압들(VOUT33, VOUT34)을 제공한다.
제1 외광 제거 회로(ALC31)는 센싱 신호들(SEN31, SEN32, SEN33, SEN34)에 기초하여 제1 및 제2 거리 픽셀들(DP31, DP32)의 플로팅 확산 영역(또는 브릿지 확산 영역)에 보상 신호들(C31, C32, C33, C34)을 제공한다.
실시예에 따라서, 도 5를 참조하여 상술한 것처럼 전송 트랜지스터들(TT31~TT34) 및 브릿지 확산 노드들(BD31~BD34)이 생략될 수도 있고, 출력 전압들(VOUT31, VOUT33)이 하나의 출력 신호 라인을 공유하고 출력 전압들(VOUT32, VOUT34)이 다른 하나의 출력 신호 라인을 공유할 수도 있다.
도 19는 도 16의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이의 구동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4, 16 및 19를 참조하면, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(300)에서, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상이 항상 일정한 상기 고정 위상 패턴 방식으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 제1 거리 픽셀(DP31)은 항상 송신 광(TX)과 약 0도 및 180도의 위상 차를 가지는 제1 및 제3 포토 제어 신호들(PG1, PG3)에 응답하여 동작할 수 있다.
도 1 및 7을 참조하여 상술한 것과 유사하게, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(300)는 동작 모드에 따라 거리 정보 발생 단위를 결정하고, 동작 모드에 따라 다른 방식으로 거리 정보를 발생할 수 있다. 또한, 상기 동작 모드는 구동 환경의 조도에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고조도 환경인 경우에, 픽셀 어레이(300)는 도 16에 도시된 것처럼 동작할 수 있다. 이 때, 1*2개의 거리 픽셀들(예를 들어, DP31, DP32)을 포함하는 하나의 픽셀 그룹(예를 들어, PG31)이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 1*2 비닝 방식으로 거리 정보를 발생하며, 외광 제거 회로들(ALC31~ALC34)은 활성화될 수 있다. 예를 들어, 거리 픽셀(DP31)로부터 제1 및 제3 위상 정보들(즉, 약 0 및 180도)을 획득하고, 거리 픽셀(DP32)로부터 제2 및 제4 위상 정보들(즉, 약 90 및 270도)을 획득하며, 상기 위상 정보들을 연산하여 픽셀 그룹(PG31)에 대한 하나의 거리 정보가 발생될 수 있다. 1회의 샘플링으로 거리 정보를 획득할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 저조도 환경인 경우에, 픽셀 어레이(300)는 도 19에 도시된 것처럼 선택적으로 동작할 수 있다. 다시 말하면, 도 19에 도시된 동작 모드는 상기 저조도 환경에서 항상 활성화되지 않으며, 선택적으로 활성화될 수 있다. 이 때, 하나의 거리 픽셀(예를 들어, DP32)이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되며, 다만 상술한 실시예들과 다르게 외광 제거 회로들(ALC31~ALC34)은 활성화될 수 있다. 예를 들어, 주변 거리 픽셀들(DP31, DP35)로부터 제1 및 제3 위상 정보들(즉, 약 0 및 180도)을 획득하고, 거리 픽셀(DP32) 자신으로부터 제2 및 제4 위상 정보들(즉, 약 90 및 270도)을 획득하며, 상기 위상 정보들을 위상 보간하여 거리 픽셀(DP32)에 대한 하나의 거리 정보가 발생될 수 있다.
도 20 및 21은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도들이다.
도 20 및 21을 참조하면, 복수의 거리 픽셀들(DP31~DP38)에 인가되는 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상이 집광 구간마다 가변되는 가변 위상 패턴 방식인 것을 제외하면, 도 20 및 21의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(300a, 300b)는 도 16의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(300)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.
3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(300a, 300b)에서, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상은 연속하는 제1 및 제2 집광 구간들에서 가변될 수 있다. 예를 들어, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)은 상기 제1 집광 구간에서 도 4에 도시된 위상을 가지고, 상기 제1 집광 구간 이후의 상기 제2 집광 구간에서 도 9에 도시된 위상을 가질 수 있다. 이 때, 포토 제어 신호들(PG1~PG4)의 위상 패턴 또는 배열이 도 20에 도시된 것처럼 제1 방향(D1)으로는 동일하고 제2 방향(D2)으로는 교번적으로 엇갈릴 수도 있고, 도 21에 도시된 것처럼 제1 및 제2 방향(D1, D2)으로 모두 동일할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 고조도 환경인 경우에, 픽셀 어레이(300a, 300b)는 도 20 및 21에 도시된 것처럼 동작할 수 있다. 이 때, 하나의 거리 픽셀(예를 들어, DP32)이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 외광 제거 회로들(ALC31~ALC34)은 활성화될 수 있다. 거리 픽셀(DP32) 자신으로부터 모든 위상 정보들(약 0도, 90도, 180도 및 270도)을 획득하며, 위상 보간 없이 상기 위상 정보들을 연산하여 거리 픽셀(DP32)에 대한 하나의 거리 정보가 발생될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 저조도 환경인 경우에, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(300a, 300b)는 구동 방식의 변화 없이 도 20 및 21에 도시된 것처럼 동작할 수 있다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다. 도 23은 도 22의 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 외광 제거 회로 및 제1 거리 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 22 및 23을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(400)는 복수의 거리 픽셀들(DP41, DP42, DP43, DP44) 및 복수의 외광 제거 회로들(ALC41, ALC42, ALC43, ALC44)을 포함한다.
복수의 거리 픽셀들(DP41~DP44)은 서로 동일한 구조를 가지며, 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들(PG1~PG4)에 응답하여 동작하고, 피사체(1080)로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 피사체(1080)까지의 거리 정보를 발생하며, 하나의 외광 제거 회로를 공유하는 복수의 플로팅 확산 영역들을 포함한다.
제1 거리 픽셀(PD41)은 4-탭 구조로 구현될 수 있다. 4-탭 구조는 하나의 광전 변환 영역이 네 개의 플로팅 확산 영역들에 의해 공유되는 구조를 나타낸다. 구체적으로, 제1 거리 픽셀(PD41)은 광전 변환 영역에 대응하는 포토 다이오드(PD41), 네 개의 플로팅 확산 영역들에 대응하는 플로팅 확산 노드들(FD41, FD42, FD43, FD44) 및 네 개의 포토 게이트들에 대응하는 포토 트랜지스터들(TP41, TP42, TP43, TP44)을 포함하며, 그 밖의 구성요소들(BD41, BD42, BD43, BD44, TT41, TT42, TT43, TT44, TR41, TR42, TR43, TR44, TSF41, TSF42, TSF43, TSF44, TSEL41, TSEL42, TSEL43, TSEL44)을 더 포함할 수 있다. 포토 다이오드(PD41)가 네 개의 포토 트랜지스터들(TP41~TP44)과 연결되는 것을 제외하면, 제1 거리 픽셀(PD41)의 구조 및 동작은 도 17 및 18을 참조하여 상술한 제1 거리 픽셀(DP31)의 구조 및 동작과 유사할 수 있다. 제1 거리 픽셀(PD41)은 포토 제어 신호들(PG1~PG4)에 응답하여 동작하며, 출력 전압들(VOUT41, VOUT42, VOUT43, VOUT44)을 제공한다.
복수의 외광 제거 회로들(ALC41~ALC44)은 서로 동일한 구조를 가지며, 수신 광(RX)에 포함되는 외광 성분을 제거하고, 하나의 거리 픽셀에 포함되는 플로팅 확산 영역들에 의해 공유된다. 예를 들어, 제1 외광 제거 회로(ALC41)는 제1 거리 픽셀(PD41)에 포함되는 플로팅 확산 영역들에 의해 공유될 수 있다. 제1 외광 제거 회로(ALC41)는 센싱 신호들(SEN41, SEN42, SEN43, SEN44)에 기초하여 제1 거리 픽셀(DP41)의 플로팅 확산 영역들(또는 브릿지 확산 영역들)에 보상 신호들(C41, C42, C43, C44)을 제공한다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 24를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 구동 방법에서, 상기 3차원 이미지 센서는 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들(PG1~PG4)에 응답하여 동작하는 복수의 거리 픽셀들을 구비하는 픽셀 어레이를 포함한다.
상기 픽셀 어레이에서, 피사체로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 상기 피사체까지의 거리 정보를 발생하기 위한 거리 정보 발생 단위를 결정한다(단계 S100). 미리 정해진 위상 패턴을 기초로 상기 복수의 거리 픽셀들 각각에 상기 복수의 포토 제어 신호들 중 하나를 대응시켜, 상기 복수의 거리 픽셀들을 구동한다(단계 S200). 주변 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 위상 보간하는 제1 연산 동작, 및 인접한 거리 픽셀들을 그룹화하고 그룹화된 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 이용하는 제2 연산 동작 중 적어도 하나를 수행하여, 상기 거리 정보 발생 단위마다 하나의 상기 거리 정보를 획득한다(단계 S300). 다시 말하면, 거리 정보를 발생하는 다양한 방식들을 외광 제거 회로 없이, 그리고 가변 위상 패턴 방식을 이용하지 않고 고정 위상 패턴 방식을 이용하여 수행할 수 있다.
도 25, 26, 27, 28 및 29는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 구동 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 25, 26, 27, 28 및 29를 참조하면, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(500a, 500b, 500c)는 복수의 거리 픽셀들(DP51~DP5G)을 포함하고, 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이(600a, 600b)는 복수의 거리 픽셀들(DP601~DP664)을 포함한다. 예를 들어, 각 거리 픽셀은 1-탭 구조일 수 있다. 도 25 및 26에서는 2*2개의 거리 픽셀들이 서로 다른 포토 제어 신호들(PG1~PG4)에 응답하여 동작하고, 도 27, 28 및 29에서는 2*2개의 거리 픽셀들이 모두 동일한 포토 제어 신호에 응답하여 동작하도록 위상 패턴이 정해진다.
도 25의 픽셀 어레이(500a)에서, 하나의 거리 픽셀(예를 들어, DP54)이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 도 7을 참조하여 상술한 것과 유사하게 상기 제1 연산 동작을 수행하여, 거리 픽셀마다 하나의 거리 정보가 발생될 수 있다. 이를 full read 방식이라 부를 수 있다.
도 26의 픽셀 어레이(500b)에서, 픽셀 그룹들(PG51~PG54) 중 하나(예를 들어, PG51)가 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 도 1을 참조하여 상술한 것과 유사하게 상기 제2 연산 동작을 수행하여, 픽셀 그룹마다 하나의 거리 정보가 발생되며, 4-pixel-merged binning 방식이라 부를 수 있다.
도 27의 픽셀 어레이(500a)에서, 서브 픽셀 그룹들(SPG51~SPG54)을 포함하는 하나의 픽셀 그룹(PG5A)이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 각 서브 픽셀 그룹을 평균화하여 하나의 단위로 취급하고, 도 1을 참조하여 상술한 것과 유사하게 상기 제2 연산 동작을 수행하여, 픽셀 그룹마다 하나의 거리 정보가 발생되며, averaged binning 방식이라 부를 수 있다.
도 28의 픽셀 어레이(600a)에서, 하나의 거리 픽셀(예를 들어, DP613)이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 도 7을 참조하여 상술한 것과 유사하게 상기 제1 연산 동작을 수행하여, 거리 픽셀마다 하나의 거리 정보가 발생되며, tetra phase 방식이라 부를 수 있다. 주변 거리 픽셀들 사이의 거리가 상이하므로, 거리 픽셀들 사이의 거리에 따라 다른 가중치를 부여하는 가중 보간(weighted interpolation) 동작이 수행될 수 있다.
도 29의 픽셀 어레이(600b)에서, 픽셀 그룹들(PG61~PG64)에 포함되는 서브 픽셀 그룹들(SPG61~SPG6G) 중 하나(예를 들어, SPG64)가 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되고, 각 서브 픽셀 그룹을 평균화하여 하나의 거리 픽셀로 취급하고, 도 7을 참조하여 상술한 것과 유사하게 상기 제1 연산 동작을 수행하여, 서브 픽셀 그룹마다 하나의 거리 정보가 발생될 수 있다.
도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 30을 참조하면, 3차원 이미지 센서(1000)는 픽셀 어레이(1010), 로우 구동(RD) 회로(1020), 아날로그-디지털 변환(ADC) 회로(1030), 광원부(1040), 디지털 신호 처리(DSP) 회로(1050) 및 제어 회로(1060)를 포함하고, 조도 센서(1070)를 더 포함할 수 있다.
광원부(1040)는 피사체(1080)에 변조된 송신 광(TX)을 조사한다. 광원부(1040)는 광원(1041) 및 렌즈(1043)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(1010)는 복수의 거리 픽셀들을 포함하며, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이일 수 있다. 로우 구동 회로(1020)는 픽셀 어레이(1010)의 각 로우를 구동한다. 아날로그-디지털 변환 회로(1030)는 픽셀 어레이(1010)의 각 컬럼으로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 디지털 신호 처리 회로(1050)는 상기 디지털 신호에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행하며, 본 발명의 실시예들에 따른 구동 방법을 수행(예를 들어, 동작 모드, 거리 정보 발생 단위/방식 등을 결정하고, 상기 제1 연산 동작 및/또는 상기 제2 연산 동작을 수행)할 수 있다. 제어 회로(1060)는 구성요소들을 제어할 수 있다. 조도 센서(1070)는 3차원 이미지 센서(1000)의 구동 환경의 조도를 판단하고, 3차원 이미지 센서(1000)의 외부 또는 내부에 배치될 수 있다. 조도 센서(1070)는 생략될 수 있으며, 이 때는 픽셀 어레이(1010)가 조도 체크를 위한 프리 센싱을 수행할 수 있다.
본 발명은 3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 다양한 장치 및 시스템에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하고, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 상기 피사체까지의 제1 거리 정보를 발생하는 복수의 거리 픽셀들을 포함하는 제1 픽셀 그룹; 및
    상기 수신 광에 포함되는 외광(ambient light) 성분을 제거하고, 상기 복수의 거리 픽셀들에 의해 공유되는 제1 외광 제거 회로를 포함하고,
    상기 복수의 거리 픽셀들 각각은,
    상기 수신 광에 기초하여 광전하들을 발생하는 광전 변환 영역;
    상기 광전하들을 축적하고, 상기 제1 외광 제거 회로와 연결되는 플로팅 확산 영역;
    상기 복수의 포토 제어 신호들 중 하나에 응답하여 온-오프되는 포토 게이트; 및
    상기 복수의 포토 제어 신호들과 반대 위상을 가지는 복수의 드레인 제어 신호들 중 하나에 응답하여 온-오프되는 드레인 게이트를 포함하며,
    상기 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 광전 변환 영역은 발생된 상기 광전하들을 축적하고, 상기 드레인 게이트가 턴온되는 경우에 상기 광전 변환 영역 내의 상기 광전하들은 방출되는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 포토 제어 신호들은 서로 다른 위상을 가지는 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들을 포함하고,
    상기 제1 픽셀 그룹은,
    상기 제1 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 제1 거리 픽셀;
    상기 제3 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 제2 거리 픽셀;
    상기 제2 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 제3 거리 픽셀; 및
    상기 제4 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 제4 거리 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 외광 제거 회로는,
    상기 3차원 이미지 센서의 구동 환경의 조도가 기준 조도보다 높거나 같은 고조도 환경에서 활성화되어 상기 외광 성분을 제거하고,
    상기 3차원 이미지 센서의 상기 구동 환경의 조도가 상기 기준 조도보다 낮은 저조도 환경에서 비활성화되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 저조도 환경에서 상기 제1 외광 제거 회로가 비활성화된 경우에, 상기 제1 포토 제어 신호와 다른 위상을 가지는 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하고 상기 제1 거리 픽셀과 인접한 주변 거리 픽셀들로부터 위상 정보들을 획득하고, 상기 획득된 위상 정보들을 위상 보간(phase interpolation)하여, 상기 제1 거리 픽셀에 대한 거리 정보가 발생되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 포토 제어 신호의 위상이 모든 집광 구간에서 일정한 경우에, 상기 제2, 제3 및 제4 거리 픽셀들 모두로부터 상기 위상 정보들이 획득되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 포토 제어 신호의 위상이 연속하는 제1 및 제2 집광 구간들에서 가변되는 경우에, 상기 제2, 제3 및 제4 거리 픽셀들 중 하나로부터 상기 위상 정보들이 획득되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 포토 제어 신호들은 서로 다른 위상을 가지는 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들을 포함하고,
    상기 제1 픽셀 그룹은,
    상기 제1 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 제1 거리 픽셀; 및
    상기 제3 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 제2 거리 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하고, 상기 수신 광에 기초하여 상기 피사체까지의 제2 거리 정보를 발생하는 복수의 거리 픽셀들을 포함하는 제2 픽셀 그룹; 및
    상기 수신 광에 포함되는 상기 외광 성분을 제거하고, 상기 제2 픽셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 거리 픽셀들에 의해 공유되는 제2 외광 제거 회로를 더 포함하고,
    상기 제2 픽셀 그룹은,
    상기 제2 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 제3 거리 픽셀; 및
    상기 제4 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 제4 거리 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 외광 제거 회로들은,
    상기 3차원 이미지 센서의 구동 환경의 조도가 기준 조도보다 높거나 같은 고조도 환경에서 활성화되어 상기 외광 성분을 제거하고,
    상기 3차원 이미지 센서의 상기 구동 환경의 조도가 상기 기준 조도보다 낮은 저조도 환경에서 비활성화되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 저조도 환경에서 상기 제1 및 제2 외광 제거 회로들이 비활성화된 경우에, 상기 제1 포토 제어 신호와 다른 위상을 가지는 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하고 상기 제1 거리 픽셀과 인접한 주변 거리 픽셀들로부터 위상 정보들을 획득하고, 상기 획득된 위상 정보들을 위상 보간하여, 상기 제1 거리 픽셀에 대한 거리 정보가 발생되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  11. 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하고, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 상기 피사체까지의 제1 거리 정보를 발생하는 복수의 거리 픽셀들을 포함하는 제1 픽셀 그룹; 및
    상기 수신 광에 포함되는 외광(ambient light) 성분을 제거하고, 상기 복수의 거리 픽셀들에 의해 공유되는 제1 외광 제거 회로를 포함하고,
    상기 복수의 거리 픽셀들 각각은,
    상기 수신 광에 기초하여 광전하들을 발생하는 광전 변환 영역;
    상기 광전하들을 축적하고, 상기 제1 외광 제거 회로와 연결되는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들; 및
    상기 복수의 포토 제어 신호들 중 서로 반대 위상을 가지는 두 개에 응답하여 온-오프되는 제1 및 제2 포토 게이트들을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 포토 게이트들이 턴온되는 경우에 상기 광전 변환 영역은 발생된 상기 광전하들을 축적하고,
    구동 환경의 조도에 따라서, 주변 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 위상 보간(phase interpolation)하는 제1 연산 동작, 및 인접한 거리 픽셀들을 그룹화하고 그룹화된 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 이용하는 제2 연산 동작 중 적어도 하나를 수행하여, 거리 정보 발생 단위마다 하나의 거리 정보를 획득하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 포토 제어 신호들은 서로 다른 위상을 가지는 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들을 포함하고,
    상기 제1 픽셀 그룹은,
    상기 제1 및 제3 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하는 제1 거리 픽셀; 및
    상기 제2 및 제4 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하는 제2 거리 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들의 위상은 모든 집광(integration) 구간에서 일정한 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  14. 서로 다른 위상을 가지는 복수의 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하는 복수의 거리 픽셀들을 구비하는 픽셀 어레이를 포함하는 3차원 이미지 센서의 구동 방법으로서,
    상기 픽셀 어레이에서, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 상기 피사체까지의 거리 정보를 발생하기 위한 거리 정보 발생 단위를 결정하는 단계;
    미리 정해진 위상 패턴을 기초로 상기 복수의 거리 픽셀들 각각에 상기 복수의 포토 제어 신호들 중 하나를 대응시켜, 상기 복수의 거리 픽셀들을 구동하는 단계; 및
    주변 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 위상 보간(phase interpolation)하는 제1 연산 동작, 및 인접한 거리 픽셀들을 그룹화하고 그룹화된 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 이용하는 제2 연산 동작 중 적어도 하나를 수행하여, 상기 거리 정보 발생 단위마다 하나의 상기 거리 정보를 획득하는 단계를 포함하는 3차원 이미지 센서의 구동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 포토 제어 신호들은 서로 다른 위상을 가지는 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들을 포함하고,
    하나의 거리 픽셀이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되며,
    정사각형 형상으로 배치되는 2*2개의 거리 픽셀들은 각각 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들 중 하나에 응답하여 동작하고,
    상기 제2 포토 제어 신호에 응답하여 동작하고 제1 거리 픽셀과 인접한 적어도 두 개의 주변 거리 픽셀들, 상기 제3 포토 제어 신호에 응답하여 동작하고 상기 제1 거리 픽셀과 인접한 적어도 두 개의 주변 거리 픽셀들, 및 상기 제4 포토 제어 신호에 응답하여 동작하고 상기 제1 거리 픽셀과 인접한 적어도 두 개의 주변 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 기초로 상기 제1 연산 동작을 수행하여, 상기 제1 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 상기 제1 거리 픽셀에 대한 제1 거리 정보가 발생되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 구동 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 포토 제어 신호들은 서로 다른 위상을 가지는 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들을 포함하고,
    정사각형 형상으로 배치되는 2*2개의 거리 픽셀들을 포함하는 하나의 픽셀 그룹이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되며,
    상기 하나의 픽셀 그룹에 포함되는 상기 2*2개의 거리 픽셀들은 각각 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들 중 하나에 응답하여 동작하고,
    제1 픽셀 그룹에 포함되고 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하는 제1, 제2, 제3 및 제4 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 기초로 상기 제2 연산 동작을 수행하여, 상기 제1 픽셀 그룹에 대한 제1 거리 정보가 발생되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 구동 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 포토 제어 신호들은 서로 다른 위상을 가지는 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들을 포함하고,
    정사각형 형상으로 배치되는 4*4개의 거리 픽셀들을 포함하고 정사각형 형상으로 배치되는 2*2개의 서브 픽셀 그룹들을 포함하는 하나의 픽셀 그룹이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되며,
    상기 하나의 픽셀 그룹에 포함되는 상기 2*2개의 서브 픽셀 그룹들은 각각 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들 중 하나에 응답하여 동작하고,
    제1 픽셀 그룹에 포함되고 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들에 응답하여 동작하는 제1, 제2, 제3 및 제4 서브 픽셀 그룹들로부터 획득된 위상 정보들을 기초로 상기 제2 연산 동작을 수행하여, 상기 제1 픽셀 그룹에 대한 제1 거리 정보가 발생되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 구동 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 포토 제어 신호들은 서로 다른 위상을 가지는 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들을 포함하고,
    하나의 거리 픽셀이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되며,
    정사각형 형상으로 배치되는 4*4개의 거리 픽셀들을 포함하고 정사각형 형상으로 배치되는 2*2개의 서브 픽셀 그룹들을 포함하는 하나의 픽셀 그룹에서, 상기 하나의 픽셀 그룹에 포함되는 상기 2*2개의 서브 픽셀 그룹들은 각각 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들 중 하나에 응답하여 동작하고,
    상기 제2 포토 제어 신호에 응답하여 동작하고 제1 거리 픽셀과 인접한 적어도 두 개의 주변 거리 픽셀들, 상기 제3 포토 제어 신호에 응답하여 동작하고 상기 제1 거리 픽셀과 인접한 적어도 두 개의 주변 거리 픽셀들, 및 상기 제4 포토 제어 신호에 응답하여 동작하고 상기 제1 거리 픽셀과 인접한 적어도 두 개의 주변 거리 픽셀들로부터 획득된 위상 정보들을 기초로 상기 제1 연산 동작을 수행하여, 상기 제1 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 상기 제1 거리 픽셀에 대한 제1 거리 정보가 발생되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 구동 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 거리 픽셀에 대한 상기 제1 거리 정보를 발생하는 상기 제1 연산 동작은, 거리 픽셀들 사이의 거리에 따라 다른 가중치를 부여하는 가중 보간(weighted interpolation) 동작인 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 구동 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 포토 제어 신호들은 서로 다른 위상을 가지는 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들을 포함하고,
    정사각형 형상으로 배치되는 2*2개의 거리 픽셀들을 포함하는 하나의 서브 픽셀 그룹이 상기 거리 정보 발생 단위로서 결정되며,
    정사각형 형상으로 배치되는 4*4개의 거리 픽셀들을 포함하고 정사각형 형상으로 배치되는 2*2개의 서브 픽셀 그룹들을 포함하는 하나의 픽셀 그룹에서, 상기 하나의 픽셀 그룹에 포함되는 상기 2*2개의 서브 픽셀 그룹들은 각각 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 포토 제어 신호들 중 하나에 응답하여 동작하고,
    상기 제2 포토 제어 신호에 응답하여 동작하고 제1 서브 픽셀 그룹과 인접한 적어도 두 개의 주변 서브 픽셀 그룹들, 상기 제3 포토 제어 신호에 응답하여 동작하고 상기 제1 서브 픽셀 그룹과 인접한 적어도 두 개의 주변 서브 픽셀 그룹들, 및 상기 제4 포토 제어 신호에 응답하여 동작하고 상기 제1 서브 픽셀 그룹과 인접한 적어도 두 개의 주변 서브 픽셀 그룹들로부터 획득된 위상 정보들을 기초로 상기 제1 연산 동작을 수행하여, 상기 제1 포토 제어 신호에 응답하여 동작하는 상기 제1 서브 픽셀 그룹에 대한 제1 거리 정보가 발생되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 구동 방법.
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