KR20120031403A - 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 이를 포함하는 장치들 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서가 개시된다. 상기 이미지 센서는 빛의 파장들을 통과시켜 통과된 빛의 파장들에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 액티브 픽셀; 메탈에 의해 상기 빛을 차단시켜 제1옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제1옵티컬 블랙 픽셀; 및 빛 차단 소자에 의해 상기 빛을 차단시켜 제2옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제2옵티컬 블랙 픽셀을 포함한다.
Description
본 발명의 개념에 따른 실시 예에는 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 효율적으로 자동 다크 레벨 보정을 수행하기 위한 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 이를 포함하는 장치들에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 이미지를 전기적인 이미지로 변환하는 장치이다. CMOS 이미지 센서는 CMOS를 이용한 이미지 센서로서 다크 전류가 크다는 단점을 갖는다.
따라서 CMOS 이미지 센서는 광전 변환 소자인 포토 다이오드에 의한 누설 전류를 보정하기 위해 다크 레벨 보상 동작이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다크 레벨 보상을 위한 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 이를 포함하는 장치들을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 빛의 파장들을 통과시켜 통과된 빛의 파장들에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 액티브 픽셀; 메탈에 의해 상기 빛을 차단시켜 제1옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제1옵티컬 블랙 픽셀; 및 빛 차단 소자에 의해 상기 빛을 차단시켜 제2옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제2옵티컬 블랙 픽셀을 포함한다.
상기 액티브 픽셀은 상기 빛의 파장들 중 적외선 영역의 파장들에 대응되는 이미지 신호를 생성하기 위한 적외선 픽셀이다.
상기 빛 차단 소자는 적어도 2개 이상의 컬러 필터들을 적층하여 구현된다.
실시 예에 따라 상기 빛 차단 소자는 블랙 필터이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 제1옵티컬 블랙 신호와 제2옵티컬 블랙 신호 중 어느 하나와 이미지 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행하는 자동 다크 레벨 보상 블락; 및 픽셀 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 빛의 파장들을 통과시켜 통과된 빛의 파장들에 대응되는 상기 이미지 신호를 생성하는 액티브 픽셀; 메탈에 의해 상기 빛을 차단시켜 상기 제1옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제1옵티컬 블랙 픽셀; 및 빛 차단 소자에 의해 상기 빛을 차단시켜 상기 제2옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제2옵티컬 블랙 픽셀을 포함한다.
상기 자동 다크 레벨 보상 블락은 상기 이미지 신호의 레벨을 기준 레벨과 비교하여 비교 결과에 따라 상기 제1옵티컬 블랙 신호와 상기 제2옵티컬 블랙 신호 중 어느 하나를 선택한다.
상기 자동 다크 레벨 보상 블락은 상기 이미지 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 클 때, 상기 제1옵티컬 블랙 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 시스템은 상기 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서를 제어하는 이미지 프로세서를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법은 액티브 픽셀을 이용하여 빛의 파장들을 통과시키고 통과된 빛의 파장들에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 단계; 제1옵티컬 블랙 픽셀을 이용하여 메탈에 의해 상기 빛을 차단시키고 제1옵티컬 블랙 신호를 생성하는 단계; 제2옵티컬 블랙 픽셀을 이용하여 제1컬러 필터에 의해 상기 빛을 차단시키고 제2옵티컬 블랙 신호를 생성하는 단계; 자동 다크 레벨 보상 블락은 상기 제1옵티컬 블랙 신호와 상기 제2옵티컬 블랙 신호 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및 상기 자동 다크 레벨 보상 블락은 상기 제1옵티컬 블랙 신호와 상기 제2옵티컬 블랙 신호 중에서 어느 하나와 상기 이미지 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 빛의 조도에 따라 서로 다른 형태의 옵티컬 블랙 픽셀들 중에서 어느 하나를 이용함으로써 효율적으로 다크 레벨을 보상할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 센싱 시스템의 개략적인 블락도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 평면도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 액티브 픽셀의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 광전 변환 소자를 포함하는 단위 픽셀 회로의 회로도를 나타낸다.
도 5는 도 2에 도시된 옵티컬 블랙 픽셀의 일 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 6은 도 2에 도시된 옵티컬 블랙 픽셀의 다른 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 7은 도 1에 도시된 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내는 블락도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 다른 이미지 센싱 시스템의 개략적인 블락도를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 센싱 시스템의 개략적인 블락도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 평면도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 액티브 픽셀의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 광전 변환 소자를 포함하는 단위 픽셀 회로의 회로도를 나타낸다.
도 5는 도 2에 도시된 옵티컬 블랙 픽셀의 일 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 6은 도 2에 도시된 옵티컬 블랙 픽셀의 다른 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 7은 도 1에 도시된 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내는 블락도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 다른 이미지 센싱 시스템의 개략적인 블락도를 나타낸다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 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 실시 예를 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 부가 가능성을 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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 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.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센싱 시스템의 개략적인 블락도를 나타내며, 도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 평면도를 나타내며, 도 3은 도 2에 도시된 픽셀들의 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(pixel array; 110), 로우 드라이버(row driver; 120), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling(CDS)) 블락(130), 아날로그 디지털 컨버터(analog digital converter(ADC); 140), 램프 신호 발생기(ramp generator; 160), 타이밍 제너레이터(timing generator; 170), 제어 레지스터 블락(control register block; 180), 버퍼(buffer; 190), 및 자동 다크 레벨 보상 블락(auto dark level compensation(ADLC) block, 195)을 포함한다.
이미지 센서(100)는 디지털 신호 프로세서(digital signal processor(DSP); 200)의 제어에 따라 렌즈(500)를 통해 촬영된 물체(400)를 센싱하고, DSP(200)는 이미지 센서(100)에 의해 센싱되어 출력된 이미지를 디스플레이 유닛(300)으로 출력할 수 있다. 이때, 디스플레이 유닛(300)은 이미지를 출력 또는 디스플레이할 수 있는 모든 장치를 포함한다. 예컨대, 디스플레이 유닛(300)은 컴퓨터, 이동 통신 장치, 및 기타 영상 출력 단말을 의미할 수 있다.
DSP(200)는 카메라 컨트롤(210), 이미지 신호 프로세서(image signal processor(ISP); 220) 및 인터페이스(interface(I/F); 230)를 포함한다.
카메라 컨트롤(210)은 제어 레지스터 블락(180)의 동작을 제어한다. 카메라 컨트롤(210)은 I2C(inter-integrated circuit)를 이용하여 이미지 센서(100), 즉, 제어 레지스터 블락(180)의 동작을 제어할 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
ISP(220)는 자동 다크 레벨 보상 블록(195)으로부터 출력된 이미지 데이터를 수신하고 수신된 이미지 데이터를 사람이 보기 좋도록 가공 또는 처리하고 가공 또는 처리된 이미지 데이터를 I/F(230)를 통해 디스플레이 유닛(300)으로 출력한다.
ISP(220)는 도 1에서는 DSP(200) 내부에 위치하는 것으로 도시하였으나, 실시 예에 따라 ISP(220)는 이미지 센서(100) 내부에 위치할 수도 있다. 또한 이미지 센서(100)와 ISP(220)는 하나의 패키지, 예컨대 MCP(multi-chip package)로 구현될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 다수의 광 감지 소자, 예컨대 포토(photo) 다이오드 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode)로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 액티브 픽셀 영역(active pixel region; 600)과 옵티컬 블랙 픽셀 영역(optical black pixel region; 700)을 포함한다.
액티브 픽셀 영역(600)은 복수의 액티브 픽셀들(610)을 포함한다. 복수의 액티브 픽셀들(610) 각각은 빛의 파장들을 통과시켜 통과된 빛의 파장들에 상응하는 이미지 신호를 생성하는 픽셀을 의미한다.
도 2와 도 3을 참조하면, 복수의 액티브 픽셀들(610) 각각은 마이크로렌즈(microlens; 611), 필터(612), 절연막(613), 메탈(614), 광전 변환 소자(627), 및 기판(618)을 포함한다.
마이크로렌즈(611)는 외부로부터 입사되는 빛을 집광시키는 기능을 수행한다.
필터(612)는 마이크로렌즈(611)를 통하여 입력된 빛의 파장들 중에서 가시광 영역의 파장들을 통과시키는 컬러 필터, 또는 상기 빛의 파장들 중에서 적외선 영역의 파장들을 통과시키는 적외선 필터로 구현될 수 있다.
예컨대, 상기 컬러 필터는 상기 가시광 영역의 파장들 중에서 레드 영역의 파장들을 통과시키는 레드 필터, 상기 가시광 영역의 파장들 중에서 그린 영역의 파장들을 통과시키는 그린 필터, 또는 상기 가시광 영역의 파장들 중에서 블루 영역의 파장들을 통과시키는 블루 필터를 의미한다.
실시 예에 따라, 상기 컬러 필터는 사이언 필터(cyan filter), 옐로우 필터 (yellow filter), 및 마젠타 필터(magenta filter) 중에서 어느 하나로 구현될 수 있다.
절연막(dielectric layer; 613)은 필터(612)와 광전 변환 소자(627) 사이에 형성된다. 절연막(613)은 산화막(oxide layer), 또는 산화막(oxide layer)과 질화막(nitride layer)의 복합막(composite layer)으로 형성될 수 있다.
메탈(614)의 일부는 빛을 통과시키기 위해 열처리 과정을 통해 제거된다. 따라서 액티브 픽셀(610)은 빛의 파장들을 통과시켜 통과된 빛의 파장들에 상응되는 이미지 신호를 생성할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 광전 변환 소자를 포함하는 단위 픽셀 회로의 회로도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 단위 픽셀 회로(617)는 광전 변환 소자(627)와 4개의 트랜지스터들(RX, TX, DX, 및 SX)을 포함한다.
광전 변환 소자(627)는 외부로부터 입사되는 빛에 응답하여 광전하들을 생성할 수 있다. 광전 변환 소자(627)는 광 감지 소자로서 포토다이오드(photo diode), 포토트랜지스터(photo transistor), 포토게이트(photo gate), 또는 핀드 포토다이오드(pinned photo diode; PPD)로 구현될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 신호(RG)에 응답하여 플로팅 디퓨전 영역(floating diffusion region; FD)을 리셋할 수 있다.
전송 트랜지스터(TX)는 전송 신호(TG)에 응답하여 광전 변환 소자(627)에 의하여 생성된 광 전하들을 플로팅 디퓨전 영역(FD)으로 전송할 수 있다.
드라이브 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 수행한다. 즉, 드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 충전된 광 전하들에 응답하여 버퍼링 동작을 수행할 수 있다.
선택 트랜지스터(SX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 드라이브 트랜지스터(DX)로부터 출력된 픽셀 신호를 컬럼 라인(COL)으로 출력할 수 있다.
도 4에서는 하나의 광전 변환 소자(627)와 4개의 트랜지스터(TX, RX, DX, 및 SX)를 포함하는 단위 픽셀 회로(617)가 도시되어 있으나 이는 예시적인 것에 불과하다.
도 3을 참조하면, 기판(618)은 P형 또는 N형 실리콘 기판으로 구현된다.
도 2를 참조하면, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(700)은 복수의 옵티컬 블랙 픽셀들 (710과 720)을 포함한다. 복수의 옵티컬 블랙 픽셀들(710과 720) 각각은 입사된 빛을 차단시켜 옵티컬 블랙 신호를 생성한다.
도 5는 도 2에 도시된 옵티컬 블랙 픽셀의 일 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 2와 도 5를 참조하면, 복수의 액티브 픽셀들(710과 720) 중에서 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)은 마이크로렌즈(711), 필터(712), 제1절연막(713), 메탈(714), 제2절연막(715), 광전 변환 소자(717), 및 기판(618)을 포함한다.
마이크로렌즈(711)는 외부로부터 입사되는 빛을 집광시킨다.
필터(712)는 마이크로렌즈(711)로부터 출력된 빛의 파장들 중에서 가시광 영역의 파장들을 통과시키는 컬러 필터, 또는 상기 빛의 파장들 중에서 적외선 영역의 파장들을 통과시키는 적외선 필터로 구현될 수 있다. 실시 예에 따라, 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)은 필터(712)를 포함하지 않을 수 있다.
제1절연막(713)은 필터(712) 아래에 형성되며, 제2절연막(715)은 광전 변환 소자(717) 위에 형성된다. 제1절연막(713)과 제2절연막(715)은 도 3에 도시된 절연막(613)과 같이 산화막(oxide layer), 또는 산화막(oxide layer)과 질화막 (nitride layer)의 복합막(composite layer)으로 형성될 수 있다.
메탈(714)은 빛을 차단하기 위해 제1절연막(713)과 제2절연막(715) 사이에 형성된다.
메탈(714)은 Au, Ag, Cu, 또는 Al로 구현될 수 있다. 따라서 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)에 형성된 메탈(714)은 빛을 차단하므로 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)은 다크 레벨을 가지는 제1옵티컬 블랙 신호를 생성할 수 있다.
광전 변환 소자(717)는 도 2와 도 3에 도시된 광전 변환 소자(627)과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
실시 예에 따라, 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)은 광전 변환 소자(717)를 포함하지 않을 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 옵티컬 블랙 픽셀의 다른 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 2와 도 6을 참조하면, 복수의 액티브 픽셀들(710과 720) 중에서 제2옵티컬 블랙 픽셀(720)은 마이크로렌즈(721), 빛 차단 소자(light blocking element; 722), 절연막(723), 메탈(724), 광전 변환 소자(727), 및 기판(618)을 포함한다.
마이크로렌즈(721)는 외부로부터 입사되는 빛을 집광시킨다.
절연막(723)은 빛 차단 소자(722)와 광전 변환 소자(727) 사이에 형성된다.
액티브 픽셀(610)의 다크 레벨과 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)의 다크 레벨은 다르다. 왜냐하면, 액티브 픽셀(610)의 다크 레벨은 열처리 과정에 의해 영향을 받기 때문이다. 액티브 픽셀(610)의 다크 레벨과 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)의 다크 레벨의 차이는 완전한 다크 레벨 보상 동작을 수행할 수 없게 한다.
따라서 액티브 픽셀(610)의 열처리 과정에 의해 유발되는 상기 차이를 보상하기 위해, 제2옵티컬 블랙 픽셀(720)의 메탈(724)의 일부가 액티브 픽셀(610)과 마찬가지로 열처리 과정에 의해 제거된다.
제2옵티컬 블랙 픽셀(720)은 제2옵티컬 블랙 신호를 생성하기 위해 빛을 차단하여야 한다. 따라서 빛을 차단하기 위해 제2옵티컬 블랙 픽셀(720)은 빛 차단 소자(722)를 포함한다.
예컨대, 빛 차단 소자(722)는 블랙 필터로 구현될 수 있다.
실시 예에 따라, 빛 차단 소자(722)는 적층된 적어도 2개의 컬러 필터들로 구현될 수 있다. 예컨대, 빛 차단 소자(722)는 레드 필터와 블루 필터, 레드 필터와 그린 필터, 또는 그린 필터와 블루 필터를 적층하여 구현할 수 있다.
광전 변환 소자(727)은 도 2와 도 3에 도시된 광전 변환 소자(627)과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
도 7은 도 1에 도시된 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내는 블락도이다.
도 1, 도 2, 및 도 7을 참조하면, 타이밍 제너레이터(170)는 로우 드라이버(120), ADC(140), 및 램프 신호 발생기(160) 각각으로 제어 신호를 출력하여 로우 드라이버(120), ADC(140), 및 램프 신호 발생기(160) 각각의 동작을 제어할 수 있다.
제어 레지스터 블락(180)은 램프 신호 발생기(160), 타이밍 제너레이터 (170), 및 버퍼(190) 각각으로 제어 신호를 출력하여 램프 신호 발생기(160), 타이밍 제너레이터(170), 및 버퍼(190) 각각의 동작을 제어할 수 있다. 이때, 제어 레지스터 블락(180)은 카메라 컨트롤(210)의 제어하에 동작한다.
로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)를 행(row) 단위로 구동한다. 예컨대, 로우 드라이버(120)는 행 선택 신호를 생성할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 복수의 액티브 픽셀들(예컨대, 액티브 픽셀 (610))과 복수의 옵티컬 블랙 픽셀들(예컨대, 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)과 제2옵티컬 블랙 픽셀(720))을 포함한다.
복수의 액티브 픽셀들(예컨대, 액티브 픽셀(610)) 각각은 입사된 빛을 감지하여 이미지 리셋 신호와 이미지 신호를 CDS(130)로 출력한다.
복수의 옵티컬 블랙 픽셀들(예컨대, 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)과 제2옵티컬 블랙 픽셀(720)) 각각은 옵티컬 블랙 리셋 신호와 옵티컬 블랙 신호를 CDS(130)로 출력한다.
CDS(130)는 입력받은 이미지 리셋 신호와 이미지 신호 각각에 대하여 상관 이중 샘플링을 수행한다. 또한 CDS(130)는 입력받은 옵티컬 블랙 리셋 신호와 옵티컬 블랙 신호 각각에 대하여 상관 이중 샘플링을 수행한다.
ADC(140)는 램프 신호 발생기(160)로부터 제공된 램프 신호(Vramp)와 CDS(130)로부터 출력되는 상관 이중 샘플링된 신호를 비교하여 비교 신호를 출력하고, 클락(CNT_CLK)에 따라 상기 비교 신호를 카운팅하고 카운터값을 버퍼(190)로 출력한다.
도 7을 참조하면, ADC(140)는 비교 블록(145) 및 카운터 블록(150)을 포함한다.
비교 블록(145)은 복수의 비교기들(Comp)을 포함한다. 복수의 비교기들(Comp) 각각은 상관 이중 샘플링 블록(130) 및 램프 신호 생성기(160)와 연결된다. 이때, 상기 상관 이중 샘플링 블록(130)은 복수의 비교기들(Comp) 각각의 제1입력단에 접속되고, 램프 신호 생성기(160)는 복수의 비교기들(Comp) 각각의 제2입력단에 연결될 수 있다.
복수의 비교기들(Comp) 각각은 상기 상관 이중 샘플링 블록(130)의 출력 신호와 상기 램프 신호 생성기(160)로부터 발생된 램프 신호(ramp)를 입력받아 서로 비교하여 비교 신호를 출력단으로 출력할 수 있다.
예컨대, 제1비교기(147)로부터 출력되는 비교 신호는 외부로부터 입사된 빛의 조도에 따라 달라지는 이미지 신호와 이미지 리셋 신호의 차이에 해당할 수 있으며, 상기 이미지 신호와 이미지 리셋 신호의 차이를 출력하기 위하여 상기 램프 신호(ramp)가 이용되어, 상기 이미지 신호와 이미지 리셋 신호의 차이가 픽업(pick-up)되어 램프 신호의 기울기에 따라 출력될 수 있다.
마찬가지로, 제2비교기(149)로부터 출력되는 비교 신호는 옵티컬 블랙 신호와 옵티컬 블랙 리셋 신호의 차이에 해당할 수 있으며, 상기 옵티컬 블랙 신호와 옵티컬 블랙 리셋 신호의 차이를 출력하기 위하여 상기 램프 신호(ramp)가 이용되어, 상기 옵티컬 블랙 신호와 옵티컬 블랙 리셋 신호의 차이가 픽업(pick-up)되어 램프 신호의 기울기에 따라 출력될 수 있다.
램프 신호 생성기(160)는 타이밍 제너레이터(170)에서 발생된 제어신호에 기초해 동작할 수 있다.
카운터 블록(150)은 복수의 카운터들(151)을 포함한다. 복수의 카운터(151)들 각각은 복수의 비교기들 각각의 출력단에 연결되며, 타이밍 제너레이터(170)로부터 입력되는 클락(CNT_CLK)에 따라 상기 비교 결과 신호를 카운팅하여 디지털 신호로 출력한다. 즉 카운터 블록(150)은 복수의 디지털 이미지 신호들과 복수의 디지털 옵티컬 블랙 신호들을 출력한다.
이때, 상기 클락(CNT_CLK)은 상기 타이밍 제너레이터(170)에서 발생된 카운터 제어신호에 기초하여, 카운터 블록(150) 내부 또는 타이밍 제너레이터(170) 내부에 위치한 카운터 컨트롤러(미도시)에 의해 발생될 수 있다.
이때, 카운터(151)는 업/다운 카운터(Up/Down Counter) 또는 비트-와이즈 카운터(Bit-wise Inversion Counter)로 구현될 수 있다. 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 카운터 값을 반전하여 1의 보수, 즉, 음수 값으로 변환할 수 있다.
버퍼(190)는 ADC(130)로부터 출력된 복수의 디지털 이미지 신호들과 복수의 디지털 옵티컬 블랙 신호들을 임시 저장한 후 센싱하고 증폭하여 출력한다. 이때, 버퍼(190)는 메모리 블락(191)과 센스 엠프(192)를 포함한다. 메모리 블락(191)은 복수의 카운터들(151) 각각으로부터 출력된 카운트값을 저장하기 위한 복수의 메모리들(193)을 포함한다. 예컨대, 상기 카운트값은 액티브 픽셀(610)에 의해 생성된 디지털 이미지 신호, 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)에 의해 생성된 제1디지털 옵티컬 블랙 신호, 및 제2옵티컬 블랙 픽셀(720)에 의해 생성된 제2디지털 옵티컬 블랙 신호 중 어느 하나이다.
센스 엠프(192)는 메모리 블락(191)으로부터 출력되는 카운트값을 감지한다.
임시 저장을 위해 각 열에 하나씩 포함된 복컬럼 메모리 블락(191) 및 ADC(130)로부터 출력된 디지털 신호를 센싱하고 증폭하기 위한 센스 앰프(SA)를 포함할 수 있다.
자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 제1디지털 옵티컬 블랙 신호와 제2디지털 옵티컬 블랙 신호 중 어느 하나와 디지털 이미지 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행한다. 상기 제1디지털 옵티컬 블랙 신호는 제1옵티컬 블랙 픽셀(710)에 의해 생성된 신호를 나타내며, 상기 제2디지털 옵티컬 블랙 신호는 제2옵티컬 블랙 픽셀(720)에 의해 생성된 신호를 나타내며, 상기 디지털 이미지 신호는 액티브 픽셀(610)에 의해 생성된 신호를 나타낸다.
자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 상기 디지털 이미지 신호의 레벨을 기준 레벨과 비교하여 비교 결과에 따라 상기 제1디지털 옵티컬 블랙 신호와 상기 제2디지털 옵티컬 블랙 신호 중 어느 하나를 선택한다.
예컨대, 상기 디지털 이미지 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 클 때, 자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 상기 제1디지털 옵티컬 블랙 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행한다.
따라서 이미지 센서(100)는 자동 다크 레벨 보상 블록(195)를 이용하여 다크 레벨이 보상된 이미지 데이터를 이미지 프로세서(200)로 출력한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 액티브 픽셀(610)은 빛의 파장들을 통과시켜 통과된 빛의 파장들에 대응되는 이미지 신호를 생성한다(S10).
제1옵티컬 블랙 픽셀(710)은 메탈(714)에 의해 상기 빛을 차단시켜 제1옵티컬 블랙 신호를 생성하고(S20), 제2옵티컬 블랙 픽셀(720)은 빛 차단 소자(722)에 의해 상기 빛을 차단시켜 제2옵티컬 블랙 신호를 생성한다(S30).
자동 다크 레벨 보상 블락(195)은 상기 빛이 고조도인지 여부를 판단한다(S40).
예컨대, 자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 이미지 신호의 레벨을 기준 레벨과 비교하여 비교 결과에 따라 상기 빛이 고조도인지 여부를 판단한다.
자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 상기 빛이 고조도라고 판단할 때(예컨대, 자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 상기 이미지 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 크다고 판단할 때), 자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 상기 제1옵티컬 블랙 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행한다(S50).
자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 상기 빛이 고조도가 아니라고 판단할 때(예컨대, 자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 상기 이미지 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 작다고 판단할 때), 자동 다크 레벨 보상 블록(195)은 상기 제2옵티컬 블랙 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행한다(S60).
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 다른 이미지 센싱 시스템의 개략적인 블락도를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 이미지 센싱 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP, 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다.
이미지 센싱 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, CSI 호스트(1012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(1041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다. 이미지 센서(1040)는 도 1 내지 도 8에서 설명한 이미지 센서(100)를 나타낸다.
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.
이미지 센싱 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010)와 통신할 수 있는 RF 칩(1060)을 더 포함할 수 있다. 이미지 센싱 시스템(1000)의 PHY(1013)와 RF 칩(1060)의 PHY(1061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
이미지 센싱 시스템(1000)은 GPS(1020), 스토리지(1070), 마이크(1080), DRAM(1085) 및 스피커(1090)를 더 포함할 수 있으며, 이미지 센싱 시스템(1000)은 Wimax(1030), WLAN(1100) 및 UWB(1110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 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.
100 ; 이미지 센서 600 ; 액티브 픽셀 영역
110 ; 픽셀 어레이 610 ; 액티브 픽셀
120 ; 로우 드라이버 611 ; 마이크로렌즈
130 ; 상관 이중 샘플링 블락 612 ; 필터
140 ; 아날로그 디지털 컨버터 613 ; 절연막
160 ; 램프 신호 발생기 614 ; 메탈
170 ; 타이밍 제너레이터 70 ; 옵티컬 블랙 픽셀 영역
180 ; 제어 레지스터 블락 710 ; 제1옵티컬 블랙 픽셀
190 ; 버퍼 720 ; 제2옵티컬 블랙 픽셀
195 ; 자동 다크 레벨 보상 블락
200 ; 이미지 프로세서
210 ; 카메라 컨트롤
220 ; 이미지 신호 프로세서
230 ; PC I/F
110 ; 픽셀 어레이 610 ; 액티브 픽셀
120 ; 로우 드라이버 611 ; 마이크로렌즈
130 ; 상관 이중 샘플링 블락 612 ; 필터
140 ; 아날로그 디지털 컨버터 613 ; 절연막
160 ; 램프 신호 발생기 614 ; 메탈
170 ; 타이밍 제너레이터 70 ; 옵티컬 블랙 픽셀 영역
180 ; 제어 레지스터 블락 710 ; 제1옵티컬 블랙 픽셀
190 ; 버퍼 720 ; 제2옵티컬 블랙 픽셀
195 ; 자동 다크 레벨 보상 블락
200 ; 이미지 프로세서
210 ; 카메라 컨트롤
220 ; 이미지 신호 프로세서
230 ; PC I/F
Claims (10)
- 빛의 파장들을 통과시켜 통과된 빛의 파장들에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 액티브 픽셀;
메탈에 의해 상기 빛을 차단시켜 제1옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제1옵티컬 블랙 픽셀; 및
빛 차단 소자에 의해 상기 빛을 차단시켜 제2옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제2옵티컬 블랙 픽셀을 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서, 상기 액티브 픽셀은,
상기 빛의 파장들 중 적외선 영역의 파장들에 대응되는 이미지 신호를 생성하기 위한 적외선 픽셀인 이미지 센서. - 제1항에 있어서, 상기 빛 차단 소자는,
적어도 2개 이상의 컬러 필터들을 적층하여 구현되는 이미지 센서. - 제1항에 있어서, 상기 빛 차단 소자는,
블랙 필터인 이미지 센서. - 제1옵티컬 블랙 신호와 제2옵티컬 블랙 신호 중 어느 하나와 이미지 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행하는 자동 다크 레벨 보상 블락; 및
픽셀 어레이를 포함하며,
상기 픽셀 어레이는,
빛의 파장들을 통과시켜 통과된 빛의 파장들에 대응되는 상기 이미지 신호를 생성하는 액티브 픽셀;
메탈에 의해 상기 빛을 차단시켜 상기 제1옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제1옵티컬 블랙 픽셀; 및
빛 차단 소자에 의해 상기 빛을 차단시켜 상기 제2옵티컬 블랙 신호를 생성하는 제2옵티컬 블랙 픽셀을 포함하는 이미지 센서. - 제5항에 있어서, 상기 자동 다크 레벨 보상 블락은,
상기 이미지 신호의 레벨을 기준 레벨과 비교하여 비교 결과에 따라 상기 제1옵티컬 블랙 신호와 상기 제2옵티컬 블랙 신호 중 어느 하나를 선택하는 이미지 센서. - 제6항에 있어서, 상기 자동 다크 레벨 보상 블락은.
상기 이미지 신호의 레벨이 상기 기준 레벨보다 클 때, 상기 제1옵티컬 블랙 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행하는 이미지 센서. - 제5항에 있어서, 상기 액티브 픽셀은,
상기 빛의 파장들 중 적외선 영역의 파장들에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 적외선 픽셀인 이미지 센서. - 제5항에 있어서, 상기 빛 차단 소자는,
적어도 2개 이상의 컬러 필터들을 적층하여 구현되는 이미지 센서. - 액티브 픽셀을 이용하여 빛의 파장들을 통과시키고 통과된 빛의 파장들에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 단계;
제1옵티컬 블랙 픽셀을 이용하여 메탈에 의해 상기 빛을 차단시키고 제1옵티컬 블랙 신호를 생성하는 단계;
제2옵티컬 블랙 픽셀을 이용하여 제1컬러 필터에 의해 상기 빛을 차단시키고 제2옵티컬 블랙 신호를 생성하는 단계;
자동 다크 레벨 보상 블락은 상기 제1옵티컬 블랙 신호와 상기 제2옵티컬 블랙 신호 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및
상기 자동 다크 레벨 보상 블락은 상기 제1옵티컬 블랙 신호와 상기 제2옵티컬 블랙 신호 중에서 어느 하나와 상기 이미지 신호를 이용하여 다크 레벨 보상을 수행하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
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