KR20100054540A - 픽셀 회로, 광전 변환장치, 및 이를 포함하는 이미지 센싱 시스템 - Google Patents

픽셀 회로, 광전 변환장치, 및 이를 포함하는 이미지 센싱 시스템 Download PDF

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KR20100054540A
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안정착
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최성호
이강선
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Abstract

픽셀 회로, 광전 변환장치, 및 이를 포함하는 이미지 센싱 시스템이 개시된다, 상기 픽셀 회로는, 피사체와의 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체의 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 생성하는 포토 다이오드; 및 상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제1 광전하에 기초하여 상기 거리를 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 깊이신호를 생성하고, 상기 제2 광전하에 기초하여 상기 피사체의 컬러를 검출하는데 사용되는 컬러신호를 생성하는 출력부를 포함할 수 있다.
픽셀, 광전 변환

Description

픽셀 회로, 광전 변환장치, 및 이를 포함하는 이미지 센싱 시스템{PIXEL CIRCUIT, PHOTO-ELECTRICITY CONVERTER, AND IMAGE SENSING SYSTEM THEREOF}
본 발명은 픽셀 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 깊이신호와 컬러신호를 동일한 포토 다이오드를 이용하여 생성할 수 있는 픽셀 회로, 광전 변환장치, 및 이를 포함하는 이미지 센싱 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 광전 변환장치(또는, 이미지 센서)는 CCD(Charge Coupled Device)형 이미지 센서와 CMOS형 이미지 센서(CMOS Image Sensor; CIS)가 있다. 상기 광전 변환장치는 2차원 매트릭스 형태로 배치된 다수의 픽셀들을 구비하고, 각각의 픽셀은 빛 에너지로부터 이미지 신호를 출력한다.
다수의 픽셀들 각각은 포토 다이오드를 통하여 입사된 빛의 량에 상응하는 광 전하를 축적(integration)하고 축적된 광전하에 기초하여 픽셀신호를 출력한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 깊이신호와 컬러신호를 동일한 포토 다이오드를 이용하여 생성할 수 있는 픽셀 회로, 광전 변환장치, 및 이를 포함하는 이미지 센싱 시스템을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 픽셀회로는, 피사체와의 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체의 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 생성하는 포토 다이오드; 및 상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제1 광전하에 기초하여 상기 거리를 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 깊이신호를 생성하고, 상기 제2 광전하에 기초하여 상기 피사체의 컬러를 검출하는데 사용되는 컬러신호를 생성하는 출력부를 포함할 수 있다.
포토 다이오드는, 상기 피사체로부터 반사된 광신호에 기초하여 상기 제1 광전하를 생성하며, 상기 광신호는 상기 피사체와의 거리를 검출하기 위해 발생된 광신호가 상기 피사체로부터 반사된 신호일 수 있다.
상기 출력부는, 상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제1 광전하를 수신하여 저장하고, 저장된 제1 광전하에 기초하여 상기 적어도 하나의 깊이신호를 생성하는 깊이 신호생성부; 및 상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제2 광전하를 수신하여 저장하고, 저장된 제2 광전하에 기초하여 상기 컬러 신호를 생성하는 컬러 신호 생성부를 포함할 수 있다.
상기 깊이 신호생성부는, 상기 포토 다이오드로부터 발생되는 상기 제1 광전하의 제1 플로팅 디퓨전으로의 전송을 제어하는 제1 전송 트랜지스터; 전원전압과 제1 노드 사이에 접속되며, 상기 제1 플로팅 디퓨젼 노드에 저장된 전하에 기초하여 상기 제1 노드를 상기 전원전압으로 소스 팔로우하는 제1 소스 팔로우 트랜지스터; 상기 포토 다이오드로부터 발생되는 상기 제1 광전하의 제2 플로팅 디퓨전으로의 전송을 제어하는 제2 전송 트랜지스터; 및 상기 전원전압과 제2 노드 사이에 접속되며, 상기 제2 플로팅 디퓨젼 노드에 저장된 전하에 기초하여 상기 제2 노드를 상기 전원전압으로 소스 팔로우하는 제2 소스 팔로우 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 광전변환장치는, 각각이 피사체와의 거리를 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 깊이신호와 상기 피사체의 컬러신호를 생성하는 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 적어도 하나의 깊이신호와 상기 피사체의 상기 컬러신호에 기초하여 상기 상기 피사체의 입체 영상 이미지를 생성하는 이미지 프로세서를 포함할 수 있다.
상기 픽셀들 각각은, 하나의 포토 다이오드를 이용하여 상기 피사체와의 상기 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체의 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 생성하고, 상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제1 광전하에 기초하여 상기 거리를 검출하는데 사용되는 상기 적어도 하나의 깊이신호를 생성하고, 상기 제2 광전하에 기초하여 상기 제2 광전하와 상응하는 상기 컬러신호를 생성할 수 있다.
상기 픽셀들 각각은, 상기 피사체와의 상기 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체의 상기 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 생성하는 포토 다이오드; 및 상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제1 광전하에 기초하여 상기 거리를 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 깊이신호를 생성하고, 상기 제2 광전하에 기초하여 상기 피사체의 컬러를 검출하는데 사용되는 컬러신호를 생성하는 출력부를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 이미지 센싱 시스템은, 피사체와의 거리를 측정하기 위한 광신호를 발생시키고, 포토 다이오드를 이용하여 상기 피사체로부터 반사된 상기 광신호에 응답하여 상기 피사체와의 거리를 구하기 위한 적어도 하나의 깊이신호를 발생하고, 상기 포토 다이오드를 이용하여 상기 피사체의 컬러신호를 검출하는 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부에 의해서 검출된 상기 적어도 하나의 깊이신호 및 상기 컬러신호에 기초하여 상기 피사체의 입체 영상 이미지를 생성하는 이미지 프로세서를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센싱 시스템은, 상기 광전변환부와 렌즈 사이에 위치하여 상기 광신호 및 상기 컬러신호 대역을 필터링하기 위한 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 광전 변환부는, 상기 광신호를 발생시키는 광신호 발생부; 및 각각이 상기 피사체로부터 반사된 상기 광신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 깊이신호와 상기 컬러신호를 생성하는 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 픽셀 회로, 광전 변환장치, 및 이를 포함하는 이미지 센싱 시스템은 입체 이미지 생성시 깊이신호와 컬러신호를 동일한 포토 다이오드를 이용하여 생성함으로서, 픽셀 및 시스템의 크기를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
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 실시 예에 따른 이미지 센싱 시스템의 블록도이고, 도 2는 도 1의 픽셀 어레이를 나타내고, 도 3은 도 1의 픽셀 어레이의 단위 픽셀의 기능 블록도이고, 도 4는 도 1의 픽셀 어레이의 단위 픽셀의 회로도이다.
도 5는 도 1의 픽셀 어레이의 단위 픽셀의 레이아웃도이고, 도 6은 I-I'선 및 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면도이다. 도 1 내지 도 6을 참조하면, 디지털 카메라 또는 디지털 카메라가 부착된 이동 전화기에 구현될 수 있는 이미지 센싱 시스템(10)은 광전변환부(20)와 이미지 프로세서(40)를 포함할 수 있다.
이때, 광전변환부(20)와 이미지 프로세서(40) 각각은 별도의 칩(chip, 또는 모듈(moudule)) 단위로 구현될 수 있다.
광전변환부(20)는 피사체(OB)와의 거리를 측정하기 위한 광신호를 발생시키고, 포토 다이오드(PD)를 이용하여 상기 피사체(OB)로부터 반사된 상기 광신호에 응답하여 상기 피사체(OB)와의 거리를 구하기 위한 적어도 하나의 깊이신호를 생성하고, 상기 포토 다이오드(PD)를 이용하여 상기 피사체(OB)의 컬러신호를 검출할 수 있다.
광전변환부(20)는 픽셀 어레이(Active pixel array, 22), 로우 디코더(Row decoder, 23), 로우 드라이버(Row driver, 24), 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling(CDS)) 블럭(26), 출력버퍼(Output Buffer, 28), 컬럼 드라이버(Column driver, 29), 컬럼 디코더(Column decoder, 30),타이밍 생성기(Timing Generator(TG), 32), 컨트롤 레지스터 블록(Control Register Bolck, 34), 램프 신호 생성기(36), 및 광신호 발생기(38)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(22)는 각각이 다수의 로우(row) 라인들(미도시) 및 다수의 컬럼(column) 라인들(미도시)과 접속되는 2차원 메트릭스 형태의 다수의 픽셀들(예컨대, 도 2의 PX5 내지 PX11)을 포함할 수 있다.
다수의 픽셀(PX5 내지 PX11)들 각각은 레드(red) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 레드 픽셀(PX5), 그린(green) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 그린 픽셀(PX7 및 PX9), 및 블루(blue) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 블루 픽셀(PX11)을 포함할 수 있다.
또한, 픽셀 어레이(22)를 구성하는 다수의 픽셀(PX5 내지 PX11)들 각각의 상부에는 도 2와 같이 특정 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 각각의 컬러 필터(color filter)가 배치된다. 상기 각각의 컬러 필터는 레드 스펙트럼 영역의 빛을 필터링하기 위한 레드 컬러 필터, 그린 스펙트럼 영역의 빛을 필터링하기 위한 그린 컬러 필터, 및 블루 스펙트럼 영역의 빛을 필터링하기 위한 블루 컬러 필터를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(22)를 구성하는 단위픽셀(예컨대, 도 3의 PX1)은 깊이신호 생성(또는, 집적) 모드(예컨대, 도 7의 D1)에서 피사체(OB)와의 거리를 검출하기 위해 포토 다이오드(PD)에서 생성된 제1 광전하에 기초하여 적어도 하나의 깊이신호(예컨대, Vout1 및 Vout3)를 생성할 수 있다.
또한, 단위픽셀(예컨대, 도 3의 PX1)은 컬러신호 생성(또는, 집적) 모드(예컨대, 도 7의 D3)에서 피사체(OB)의 컬러를 검출하기 위해 포토 다이오드(PD)에서 생성된 제2 광전하에 기초하여 컬러신호(Vout5)를 생성할 수 있다.
픽셀 어레이(22)를 구성하는 단위픽셀(예컨대, 도 2의 PX1)은 포토 다이오드(PD)와 출력부(101)를 포함할 수 있다. 상기 포토 다이오드(PD)는 피사체(OB)와의 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체(OB)의 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 생성할 수 있다.
보다 상세하게는, 포토 다이오드(PD)는 피사체(OB)와의 거리를 검출하기 위해서 광신호 발생기(38)에서 발생된 광신호가 피사체(OB)로부터 반사된 신호에 기초하여 제1 광전하를 생성할 수 있다.
또한, 포토 다이오드(PD)는 피사체(OB)에서 발생 된 빛 에너지를 수신하여 컬러신호를 생성하는데 사용되는 제2 광 전하를 생성할 수 있다.
출력부(101)는 포토 다이오드(PD)에 의해서 생성된 제1 광전하에 기초하여 거리를 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 깊이신호(예컨대, Vout1 및 Vout3)를 생성하고, 제2 광전하에 기초하여 상기 제2 광전하와 상응하는 컬러신호(Vout5)를 생성할 수 있다.
보다 상세하게는, 출력부(101)는 깊이신호 생성(또는, 집적) 모드(예컨대, 도 7의 D1)에서 적어도 하나의 깊이신호(예컨대, Vout1 및 Vout3)를 생성하고, 컬러신호 생성(또는, 집적) 모드(예컨대, 도 7의 D3)에서 컬러신호(Vout5)를 생성할 수 있다.
출력부(101)는 깊이 신호생성부(103)과 컬러 신호 생성부(105)를 포함할 수 있다. 상기 깊이 신호생성부(103)는 포토 다이오드(PD)에 의해서 생성된 제1 광전하를 수신하여 저장하고, 저장된 제1 광전하에 기초하여 상기 적어도 하나의 깊이신호(예컨대, Vout1 및 Vout3)를 생성할 수 있다.
도 4를 참조하여, 깊이 신호생성부(103)의 구성을 상세히 설명하면, 깊이 신호생성부(103)는 제1 깊이신호 생성블록(107)과 제2 깊이신호 생성블록(108)을 포함할 수 있다. 상기 제1 깊이신호 생성블록(107)은 제1 시간(예컨대, 도 7의 Tp1) 동안 상기 포토 다이오드(PD)에 축적된 제1 광전하를 수신하고 수신된 제1 광전하에 기초하여 제1 깊이신호(Vout1)를 생성할 수 있다.
제1 깊이신호 생성블록(107)은 제1 전송 트랜지스터(TX1), 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1, floating diffusion node), 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 제1 소스 팔로우 트랜지스터(또는, 드라이브 트랜지스터, SF1), 및 제1 선택 트랜지스터(SX1)를 포함할 수 있다.
제1 전송 트랜지스터(TX1)는 게이트로 입력되는 제1 전송 제어신호(TG1)에 응답하여 포토 다이오드(PD)에 의해서 상기 축적된 전하(또는 광전류)를 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)로 전송할 수 있다.
제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)는 플로팅 확산 영역(Floating diffusion region)으로 형성되며 제1 전송 트랜지스터(TX1)를 통하여 포토 다이오드(PD)로부터 생성된 광 전하를 수신하고 저장할 수 있다.
예컨대, 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)는 도 6의 I-I'선을 따라 절단한 단면도(또는, 전위장벽도)에서 볼 수 있듯이 제1 시간(예컨대, 도 7의 Tp1) 동안 포토 다이오드(PD)에 축적된 제1 광전하(electron1)를 제1 전송 트랜지스터(TX1)를 통하여 수신하고 저장할 수 있다.
제1 리셋 트랜지스터(RX1)는 전원전압(VDD)과 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1) 사이에 접속되고 제1 리셋 신호(RG1)에 응답하여 상기 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)를 상기 전원전압(VDD)으로 리셋시킬 수 있다.
제1 소스 팔로우 트랜지스터(SF1)는 전원전압(VDD)과 제1 노드(NA) 사이에 접속되며, 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)에 저장된 전하에 기초하여 상기 제1 노드(NA)를 상기 전원전압(VDD)으로 소스 팔로우할 수 있다.
제1 선택 트랜지스터(SX1)는 제1 노드(NA)와 제1 출력 노드(ND1)에 접속되며 제1 선택신호(SEL1)에 응답하여 상기 제1 노드(NA)와 제1 출력 노드(ND1)의 전기적 경로를 형성할 수 있다.
제2 깊이신호 생성블록(108)은 제2 시간(예컨대, 도 7의 Tp3) 동안 상기 포토 다이오드(PD)에 축적된 제1 광전하를 수신하고 수신된 제1 광전하에 기초하여 제2 깊이신호(Vout3)를 생성할 수 있다.
제2 깊이신호 생성블록(108)은 제2 전송 트랜지스터(TX3), 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD3), 제2 리셋 트랜지스터(RX3), 제2 소스 팔로우 트랜지스터(SF3), 및 제2 선택 트랜지스터(SX3)를 포함할 수 있다.
제2 전송 트랜지스터(TX3)는 게이트로 입력되는 제2 전송 제어신호(TG3)에 응답하여 포토 다이오드(PD)에 의해서 상기 축적된 전하(또는, 광전류)를 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD3)로 전송할 수 있다.
제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD3)는 플로팅 확산 영역(Floating diffusion region)으로 형성되며 제2 전송 트랜지스터(TX3)를 통하여 포토 다이오드(PD)로부터 생성된 광 전하를 수신하고 저장할 수 있다.
예컨대, 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD3)는 도 6의 I-I'선을 따라 절단한 단면도(또는, 전위장벽도)에서 볼 수 있듯이 제2 시간(예컨대, 도 7의 Tp3) 동안 포토 다이오드(PD)에 축적된 제1 광전하(electron1)를 제2 전송 트랜지스터(TX3)를 통하여 수신하고 저장할 수 있다.
제2 리셋 트랜지스터(RX3)는 전원전압(VDD)과 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD3) 사이에 접속되고 제2 리셋 신호(RG3)에 응답하여 상기 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD3)를 상기 전원전압(VDD)으로 리셋시킬 수 있다.
제2 소스 팔로우 트랜지스터(SF3)는 전원전압(VDD)과 제2 노드(NB) 사이에 접속되며, 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD3)에 저장된 전하에 기초하여 상기 제2 노드(NB)를 상기 전원전압(VDD)으로 소스 팔로우할 수 있다.
제2 선택 트랜지스터(SX3)는 상기 제2 노드(NB)와 제2 출력 노드(ND3)에 접속되며 제2 선택신호(SEL3)에 응답하여 상기 제2 노드(NB)와 상기 제2 출력 노드(ND3)의 전기적 경로를 형성할 수 있다.
컬러 신호 생성부(105)는 포토 다이오드(PD)에 의해서 생성된 제2 광전하를 수신하여 저장하고, 저장된 제2 광전하에 기초하여 컬러 신호를 생성할 수 있다.
컬러 신호 생성부(105)는 제3 전송 트랜지스터(TX5), 제3 플로팅 디퓨젼 노드(FD5), 제3 리셋 트랜지스터(RX5), 제3 소스 팔로우 트랜지스터(SF5), 및 제3 선택 트랜지스터(SX5)를 포함할 수 있다.
제3 전송 트랜지스터(TX5)는 게이트로 입력되는 제3 전송 제어신호(TG5)에 응답하여 포토 다이오드(PD)에 의해서 상기 축적된 전하(또는, 광전류)를 제3 플로팅 디퓨젼 노드(FD5)로 전송할 수 있다.
제3 플로팅 디퓨젼 노드(FD5)는 플로팅 확산 영역(Floating diffusion region)으로 형성되며 제3 전송 트랜지스터(TX5)를 통하여 포토 다이오드(PD)로부터 생성된 광 전하를 수신하고 저장할 수 있다.
예컨대, 제3 플로팅 디퓨젼 노드(FD5)는 도 6의 II-II'선을 따라 절단한 단면도(또는, 전위장벽도)에서 볼 수 있듯이 컬러신호 생성시간(예컨대, 도 7의 D3) 동안 포토 다이오드(PD)에 축적된 제2 광전하(electron3)를 제3 전송 트랜지스터(TX5)를 통하여 수신하고 저장할 수 있다.
제3 리셋 트랜지스터(RX5)는 전원전압(VDD)과 제3 플로팅 디퓨젼 노드(FD5) 사이에 접속되고 제3 리셋 신호(RG5)에 응답하여 상기 제3 플로팅 디퓨젼 노 드(FD5)를 상기 전원전압(VDD)으로 리셋시킬 수 있다.
제3 소스 팔로우 트랜지스터(SF3)는 전원전압(VDD)과 제3 노드(NC) 사이에 접속되며, 제3 플로팅 디퓨젼 노드(FD5)에 저장된 전하에 기초하여 상기 제3 노드(NC)를 상기 전원전압(VDD)으로 소스 팔로우할 수 있다.
제3 선택 트랜지스터(SX5)는 제3 노드(NC)와 제3 출력 노드(ND5)에 접속되며 제3 선택신호(SEL5)에 응답하여 상기 제3 노드(NC)와 상기 제3 출력 노드(ND5)의 전기적 경로를 형성할 수 있다.
여기서, 컬러 신호 생성부(105)는 제4 전송 트랜지스터(TX7)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제4 전송 트랜지스터(TX7)는 게이트로 입력되는 제4 전송 제어신호(TG7)에 응답하여 포토 다이오드(PD)에 의해서 상기 축적된 전하(또는, 광전류)를 제3 플로팅 디퓨젼 노드(FD5)로 전송할 수 있다.
도 7은 도 1의 픽셀 어레이의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. 도 4와 도 7을 참조하여, 단위 픽셀(PX1)의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
깊이신호 생성(또는, 집적) 모드(D1)의 제1 시간(Tp1) 동안, 광신호 발생부(38)는 광신호(Transmitted light)를 발생할 수 있다. 이때, 포토 다이오드(PD)는 피사체(OB)로부터 반사된 광신호(Received light)를 수신하고 제1 광전하를 생성할 수 있다.
이때, 반사된 광신호(Received light)는 광신호(Transmitted light)가 피사체(OB)로 발생된 후 소정의 지연시간(Td) 후에 포토 다이오드(PD)에 수신되는 신호 로서, 상기 포토 다이오드(PD)는 백그라운드 전하(또는, 고정 패턴전하, BS)를 포함할 수 있다.
여기서, 백그라운드 전하(BS)는 포토 다이오드(PD)에 반사된 광신호(Received light)가 수신되기 전에 상기 포토 다이오드(PD)에서 이미 발생된 전하로서, 포토 다이오드(PD)가 반사된 광신호(Received light)가 아닌 피사체(OB)에서 발생되는 빛에너지에 기초하여 생성하는 전하일 수 있다.
깊이신호 생성 모드(D1)의 제1 시간(Tp1) 동안, 제1 전송신호(TG1)는 제1 논리레벨(예컨대, 하이 '1' 레벨) 상태가 되고, 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)는 제1 전송 트랜지스터(TX1)를 통하여 포토 다이오드(PD)로부터 생성된 광 전하(ΔQ1)를 수신하고 저장할 수 있다.
또한, 깊이신호 생성 모드(D1)의 제2 시간(Tp3) 동안, 제2 전송신호(TG3)는 제1 논리레벨(예컨대, 하이 '1' 레벨) 상태가 되고, 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD3)는 제2 전송 트랜지스터(TX3)를 통하여 포토 다이오드(PD)로부터 생성된 광 전하(ΔQ3)를 수신하고 저장할 수 있다.
이 경우, 깊이신호 생성 모드(D1)에서 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)에 저장되는 전하는 포토 다이오드(PD)로부터 생성된 광 전하(ΔQ1 + ΔQ3) 외에 백그라운드 전하(ΔQbp)가 포함될 수 있다.
한편, ISP(40)는 깊이신호 생성 모드(D1)에서 생성된 광 전하(ΔQ1 + ΔQ3) 및 백그라운드 전하(ΔQbp)에 기초하여 피사체(BS)와의 거리를 측정할 수 있다. 상기 ISP(40)가 상기 피사체(BS)와의 거리를 측정과정에 대한 상세한 설명은 후술하 도록 한다.
컬러신호 생성(또는, 집적) 모드(D3)에서 포토 다이오드(PD)는 피사체(OB)에서 발생된 빛 에너지에 기초하여 제2 광전하(ΔQb)를 생성할 수 있다.
보다 상세하게는, 컬러신호 생성 모드(D3)에서 제2 및 제3 전송신호(TG3, 및 TG5)는 제1 논리레벨(예컨대, 하이 '1' 레벨) 상태가 되고, 제3 플로팅 디퓨젼 노드(FD5)는 제2 및 제3 전송 트랜지스터(TX3 및 TX5)를 통하여 포토 다이오드(PD)로부터 생성된 제2 광전하(ΔQb)를 수신하고 저장할 수 있다.
다시 도 1 내지 도 6을 참조하면, 로우 디코더(23)는 타이밍 생성기(32)에서 발생된 로우 제어신호(예컨대, 어드레스신호)를 디코딩하고, 로우 드라이버(24)는 디코딩된 로우 제어신호에 응답하여 픽셀 어레이(22)를 구성하는 로우라인들(미도시) 중에서 적어도 어느 하나의 로우라인을 선택할 수 있다.
상관 이중 샘플링 블럭(26)은 픽셀 어레이(22)를 구성하는 컬럼라인들(미도시) 중에서 어느 하나의 컬럼라인에 접속된 단위 픽셀(예컨대, PX1)로부터 출력되는 컬러신호(또는, 픽셀 신호)에 대해 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.
보다 상세하게는, 상관 이중 샘플링 블럭(26)은 픽셀 어레이(22)를 구성하는 컬럼라인들(미도시) 중에서 어느 하나의 컬럼라인에 접속된 단위 픽셀(예컨대, PX1)로부터 출력되는 컬러신호(또는, 픽셀 신호)에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 샘플링신호(미도시)를 생성하고, 샘플링신호와 램프 신호(Vramp)를 비교하여 비교 결과에 따른 디지털 신호를 생성할 수 있다.
출력버퍼(Output Buffer, 28)는 컬럼 드라이버(29)에서 출력되는 컬럼 제어 신호(예컨대, 어드레스 신호)에 응답하여 상관 이중 샘플링 블럭(26)에서 출력되는 신호들을 버퍼링하여 출력할 수 있다.
컬럼 드라이버(29)는 컬럼 디코더(30)에서 출력되는 디코딩된 제어신호(예컨대, 어드레스 신호)에 응답하여 픽셀 어레이(22)의 컬럼라인들(미도시) 중에서 적어도 어느 하나의 컬러라인을 선택적으로 활성화시킬 수 있다.
컬럼 디코더(30)는 타이밍 생성기(32)에서 발생된 컬럼 제어신호(예컨대, 어드레스신호)를 디코딩할 수 있다.
타이밍 생성기(32)는 컨트롤 레지스터 블록(34)에서 출력된 명령에 기초하여 픽셀 어레이(22), 로우 디코더(23), 출력버퍼(28), 컬럼 디코더(29), 램프 신호 생성기(36), 및 광신호발생기(38) 중에서 적어도 하나의 동작을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어신호를 생성할 수 있다.
컨트롤 레지스터 블록(34)은 광전변환부(20)를 구성하는 구성요소들(예컨대, 픽셀 어레이(22), 로우 디코더(23), 출력버퍼(28), 컬럼 디코더(29), 타이밍 생성기(32), 램프 신호 생성기(36), 및 광신호발생기(38))을 제어하기 위한 각종 명령을 발생할 수 있다.
램프 신호 생성기(36)는 컨트롤 레지스터 블록(34)으로부터 발생된 명령에 응답하여 상관 이중 샘플링 블럭(26)에 램프 신호(Vramp)를 출력할 수 있다.
광신호 발생기(38)는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 또는 광 다이오드(PD) 등으로 구현될 수 있으며, 피사체(OB)와의 거리측정을 위한 광신호를 발생할 수 있다.
이때, 광신호 발생기(38)에 의해서 발생되는 광신호의 파장은 약 870nm 근방 대역(예컨대, 도 8의 LED-Reg)일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
ISP(26)는 광전 변환부(20)에 의해서 검출된 적어도 하나의 깊이신호(예컨대, Vout1 및 Vout3) 및 컬러신호(예컨대, Vout5)에 기초하여 피사체(OB)의 입체 영상 이미지를 생성할 수 있다.
보다 상세하게는, ISP(26)는 픽셀 어레이(22)에서 생성되는 적어도 하나의 깊이신호(예컨대, Vout1 및 Vout3) 및 컬러신호(예컨대, Vout5) 각각이 아날로그-디지털 변환된 신호들에 기초하여 피사체(OB)와의 거리 및 컬러를 검출하고 검출결과에 기초하여 디지털 영상 처리를 수행하고 영상처리된 결과에 따른 상기 피사체(OB)의 입체 영상 이미지를 생성할 수 있다.
이때, ISP(26)는 다음의 수학식 1에 기초하여 피사체(OB)와의 거리를 산출할 수 있다.
Figure 112008078843068-PAT00001
(여기서, c = 3*108, ΔQ1 = 깊이신호 생성 모드(D1)의 제1 시간(Tp1) 동안 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)에 저장되는 광 전하, ΔQ3 = 깊이신호 생성 모드(D1)의 제2 시간(Tp3) 동안 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD3)에 저장되는 광 전하, ΔQbp = 백그라운드 전하(BS), Td = 광신호(Transmitted light)와 반사된 광신호(Received light)와의 지연시간, Vout1 = 제1 시간(Tp1) 동안 발생된 제1 깊이신호, 및 Vout3 = 제2 시간(Tp3) 동안 발생된 제2 깊이신호, Vbp = 백그라운드 전하(BS)와 상응하는 전압(또는, 신호)이다.)
이때, ISP(26)는 다음의 수학식 2에 의해서 Vbp를 산출할 수 있다.
Figure 112008078843068-PAT00002
(여기서, D=Tp/T, T는 깊이신호 생성모드(D1) 및 컬러신호 생성모드(D3)가 수행되는 시간, C1은 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)의 캐패시턴스, 및 C5는 제3 플로팅 디퓨젼 노드(FD5)의 캐패시턴스이다.)
한편, 수학식 1에 의해서 계산되는 피사체(OB)와의 거리의 레졸루션(resolution)은 다음의 수학식 3과 상응할 수 있다.
Figure 112008078843068-PAT00003
(여기서, c= 3*108, Td = 광신호(Transmitted light)와 반사된 광신호(Received light)와의 지연시간, 및 NS = 광신허 발생기(38)에서 발생된 광신호의 세기(또는, 포톤(photin)일 수 있다.
한편, 이미지 센싱 시스템(10)은 필터(예컨대, 스탑 밴드필터(Stop-band filter), FT)를 더 포함할 수도 있다. 상기 스탑 밴드필터(FT)는 피사체(OB)로부터 반사되는 빛을 수광하는 렌즈(LS)와 픽셀어레이(22) 사이에 위치하여, 광신호 대역 및 컬러신호 대역을 각각 필터링할 수 있다.
도 8은 도 1의 광전 변환장치에 구현될 수 있는 스탑 밴드 필터의 동작 특성을 설명하기 위한 도면으로, 도 8을 참조하면, 픽셀어레이(22)에 입사되는 컬러신호들(예컨대, R, G, 및 B)의 파장의 전송도(Transmittance)는 약 400nm와 650nm 사이의 대역에서 높고, 광신호의 전송도(Transmittance)는 약, 870nm 근방 대역(예컨대, LED-Reg)에서 높다.
따라서, 스탑 밴드필터(FT)는 약 650nm와 800nm 사이의 대역(SBF-Reg)을 금지대역으로 설정함으로써 약 650nm와 800nm 사이의 파장을 갖는 신호들(예컨대, 컬러신호들(R, G, 및 B))이 픽셀어레이(22)로 입사되지 않도록 필터링(또는, 금지(stop) 필터링)할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센싱 시스템(10)은 스탑 밴드필터(FT)를 포함함으로써, 상대적으로 깊이신호 및 컬러신호 생성시 영향을 주지않는 신호대역을 금지 필터링함으로써, 불필요한 신호의 유입을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 개략적인 블록도이다. 도 1과 도 8를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 데이터 전자 시스템(1)은 시스템 버스(system bus, 120)에 접속된 이미지 센서(또는, 이미지 센싱 시스템, 10), 메모리 장치(110)와 프로세서(processor, 130)를 포함할 수 있다.
이 경우 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템(1)은 디지털 카메라 또는 디지털 카메라가 부착된 이동 전화기일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 데 이터 메모리 시스템(1)은 카메라가 부착된 인공 위성 시스템(satellite system)일 수 있다.
프로세서(130)는 이미지 센서(10) 및 메모리 장치(110)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성할 수 있다.
이미지 센서(10)는 도 1 내지 도 8을 통하여 상세히 설명한 바와 같이 피사체(OB)의 입체 이미지를 생성할 수 있고, 메모리 장치(110)는 상기 입체 이미지를 저장할 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템(1)이 휴대용 어플리케이션(portalble application)으로 구현되는 경우에, 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템(1)은 이미지 센서(10), 메모리 장치(110), 및 프로세서(130)에 동작 전원을 공급하기 위한 배터리(battery, 160)를 더 포함할 수 있다.
이때, 휴대용 어플리케이션은, 휴대용 컴퓨터(portable computer), 디지털 카메라(digital camera), PDA(personal digital assistance), 휴대 전화기(cellular telephone), MP3 플레이어, PMP(portable multimedia player), 차량자동항법장치(automotive navigation system), 메모리 카드(memory card), 또는 전자 사전를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템(1)은 외부의 데이터 처리 장치와 데이터를 주고 받을 수 있도록 하는 인터페이스, 예컨대 입/출력 장치(140)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템(1)이 무선 시스템인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템(1)은 무선 인터페이스(150)를 더 포함할 수 있다. 이 경우 무선 인터페이스(150)는 프로세서(130)에 접속되고 시스템 버스(120)를 통하여 무선으로 외부 무선 장치와 데이터를 송수신할 수 있다.
상기 무선 시스템은 PDA, 휴대용 컴퓨터, 무선 전화기, 페이저(pager), 디지털 카메라와 같은 무선 장치, RFID 리더, 또는 RFID 시스템일 수 있다. 또한, 상기 무선 시스템은 WLAN(Wireless Local Area Network) 시스템 또는 WPAN(Wireless Personal Area Network) 시스템일 수 있다. 또한, 상기 무선 시스템은 이동 전화 네트워크(Cellular Network)일 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱방벙을 나타내는 흐름도이다. 도 1과 도 10을 참조하면, 광전 변환부(20)는 피사체(OB)와의 거리를 측정하기 위한 광신호를 발생시키고, 포토 다이오드를 이용하여 상기 피사체(OB)로부터 반사된 상기 광신호에 응답하여 상기 피사체(OB)와의 거리를 구하기 위한 적어도 하나의 깊이신호를 발생하고, 상기 포토 다이오드를 이용하여 상기 피사체의 컬러신호를 검출한다(S10).
ISP(40)는 광전 변환부(20)에 의해서 검출된 상기 적어도 하나의 깊이신호 및 상기 컬러신호에 기초하여 피사체(OB)의 입체 영상 이미지를 생성한다(S12).
본 발명은 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, 광 데이터 저장장치 등이 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 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센싱 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이를 나타낸다.
도 3은 도 1의 픽셀 어레이의 단위 픽셀의 기능 블록도이다.
도 4는 도 1의 픽셀 어레이의 단위 픽셀의 회로도이다.
도 5는 도 1의 픽셀 어레이의 단위 픽셀의 레이아웃도이다.
도 6은 I-I'선 및 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 도 1의 픽셀 어레이의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 8은 도 1의 광전 변환장치에 구현될 수 있는 스탑 밴드 필터의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱방벙을 나타내는 흐름도이다.

Claims (10)

  1. 피사체와의 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체의 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 생성하는 포토 다이오드; 및
    상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제1 광전하에 기초하여 상기 거리를 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 깊이신호를 생성하고, 상기 제2 광전하에 기초하여 상기 피사체의 컬러를 검출하는데 사용되는 컬러신호를 생성하는 출력부를 포함하는 픽셀회로.
  2. 제1항에 있어서, 포토 다이오드는,
    상기 피사체로부터 반사된 광신호에 기초하여 상기 제1 광전하를 생성하며, 상기 광신호는 상기 피사체와의 거리를 검출하기 위해 발생된 광신호가 상기 피사체로부터 반사된 신호인 픽셀회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 출력부는,
    상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제1 광전하를 수신하여 저장하고, 저장된 제1 광전하에 기초하여 상기 적어도 하나의 깊이신호를 생성하는 깊이 신호생성부; 및
    상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제2 광전하를 수신하여 저장하고, 저장된 제2 광전하에 기초하여 상기 컬러 신호를 생성하는 컬러 신호 생성부를 포 함하는 컬러 신호 생성부를 포함하는 픽셀회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 깊이 신호생성부는,
    상기 포토 다이오드로부터 발생되는 상기 제1 광전하의 제1 플로팅 디퓨전으로의 전송을 제어하는 제1 전송 트랜지스터;
    전원전압과 제1 노드 사이에 접속되며, 상기 제1 플로팅 디퓨젼 노드에 저장된 전하에 기초하여 상기 제1 노드를 상기 전원전압으로 소스 팔로우하는 제1 소스 팔로우 트랜지스터;
    상기 포토 다이오드로부터 발생되는 상기 제1 광전하의 제2 플로팅 디퓨전으로의 전송을 제어하는 제2 전송 트랜지스터; 및
    상기 전원전압과 제2 노드 사이에 접속되며, 상기 제2 플로팅 디퓨젼 노드에 저장된 전하에 기초하여 상기 제2 노드를 상기 전원전압으로 소스 팔로우하는 제2 소스 팔로우 트랜지스터를 포함하는 픽셀회로.
  5. 각각이 피사체와의 거리를 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 깊이신호와 상기 피사체의 컬러신호를 생성하는 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이; 및
    상기 적어도 하나의 깊이신호와 상기 피사체의 상기 컬러신호에 기초하여 상기 상기 피사체의 입체 영상 이미지를 생성하는 이미지 프로세서를 포함하는 광전변환장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 픽셀들 각각은,
    하나의 포토 다이오드를 이용하여 상기 피사체와의 상기 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체의 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 생성하고, 상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제1 광전하에 기초하여 상기 거리를 검출하는데 사용되는 상기 적어도 하나의 깊이신호를 생성하고, 상기 제2 광전하에 기초하여 상기 제2 광전하와 상응하는 상기 컬러신호를 생성하는 광전변환장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 픽셀들 각각은,
    상기 피사체와의 상기 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체의 상기 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 생성하는 포토 다이오드; 및
    상기 포토 다이오드에 의해서 생성된 상기 제1 광전하에 기초하여 상기 거리를 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 깊이신호를 생성하고, 상기 제2 광전하에 기초하여 상기 피사체의 컬러를 검출하는데 사용되는 컬러신호를 생성하는 출력부를 포함하는 광전변환장치.
  8. 피사체와의 거리를 측정하기 위한 광신호를 발생시키고, 포토 다이오드를 이용하여 상기 피사체로부터 반사된 상기 광신호에 응답하여 상기 피사체와의 거리를 구하기 위한 적어도 하나의 깊이신호를 발생하고, 상기 포토 다이오드를 이용하여 상기 피사체의 컬러신호를 검출하는 광전 변환부; 및
    상기 광전 변환부에 의해서 검출된 상기 적어도 하나의 깊이신호 및 상기 컬 러신호에 기초하여 상기 피사체의 입체 영상 이미지를 생성하는 이미지 프로세서를 포함하는 이미지 센싱 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 이미지 센싱 시스템은,
    상기 광전변환부와 렌즈 사이에 위치하여 상기 광신호 및 상기 컬러신호 대역을 필터링하기 위한 필터를 더 포함하는 이미지 센싱 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 광전 변환부는,
    상기 광신호를 발생시키는 광신호 발생부; 및
    각각이 상기 피사체로부터 반사된 상기 광신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 깊이신호와 상기 컬러신호를 생성하는 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센싱 시스템.
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