KR20140048689A

KR20140048689A - 깊이 영상과 컬러 영상을 획득하는 픽셀 구조를 가진 이미지 센서

Info

Publication number: KR20140048689A
Application number: KR1020120114940A
Authority: KR
Inventors: 신정순; 김성진
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-04-24
Also published as: KR101933994B1; US9544513B2; US20140104397A1

Abstract

깊이 영상과 컬러 영상을 획득하는 픽셀 구조를 가진 이미지 센서가 개시된다. 이미지 센서는 유동 확산 노드를 공유하는 픽셀 구조로 구성될 수 있으며, 깊이 모드와 컬러 모드일 때 서로 다른 픽셀 구조 형태로 동작할 수 있다.

Description

깊이 영상과 컬러 영상을 획득하는 픽셀 구조를 가진 이미지 센서{IMAGE SENSOR HAVING PIXEL ARCHITECTURE FOR CAPTURING DEPTH IAMGE AND COLOR IMAGE}

기술분야는 깊이 영상과 컬러 영상을 획득하는 픽셀 구조를 가진 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유동 확산 노드(Floating Diffusion Node: FD Node)를 공유하는 픽셀들로 구성된 픽셀 구조를 가진 이미지 센서에 관한 것이다.

오브젝트의 3D 영상을 획득(capturing)하기 위해서는 오브젝트의 컬러 영상과 깊이 영상을 함께 추출하는 것이 필요하다. 현재의 이미지 촬영 장치는 오브젝트의 컬러 영상만 추출하기 때문에 3D 영상을 획득하기 어렵다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 오브젝트의 깊이 영상을 추출하는 방법으로, 오브젝트에 빛을 조사하고, 오브젝트에 반사된 빛을 감지하여 빛의 이동 시간을 알아내는 time-of-flight(TOF) 방식 등이 있다.

이러한 깊이 영상을 추출하는 깊이 카메라(depth camera)에서 사용하는 픽셀의 크기는 대략 30~40㎛이다. 그리고, 컬러 영상을 추출하는 컬러 카메라에서 사용하는 픽셀의 크기는 대략 1.4~3.6 ㎛이다.

3D 영상을 제작하기 위해서는 깊이 영상과 컬러 영상을 모두 획득해야 하기 때문에, 픽셀이 컬러 영상과 깊이 영상을 모두 추출하기 위해서는 픽셀의 크기를 줄이는 것이 필요하다. 그러나, 픽셀의 크기를 줄이면 픽셀에 포함된 포토 다이오드의 크기가 작아져서 포토 다이오드의 감도가 낮아진다. 포토 다이오드의 감도가 낮아지면, 깊이 영상을 측정하기 위한 정밀도가 낮아지기 때문에 포토 다이오드의 크기를 최대한 확보할 필요가 있다.

일 측면에 있어서, 이미지 센서는 제1 픽셀과, 제2 픽셀 및 상기 제1 픽셀의 제1 유동확산노드와 상기 제2 픽셀의 제2 유동확산노드의 전기적 연결을 제어하는 제어스위치를 포함한다.

상기 제어스위치는 컬러 영상을 획득하는 컬러 모드에서 상기 제1 유동확산노드와 상기 제2 유동확산노드를 전기적으로 연결하고, 깊이 영상을 획득하는 깊이 모드에서 상기 제1 유동확산노드와 상기 제2 유동확산 노드의 전기적 연결을 해제할 수 있다.

상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀 중 적어도 하나는 상기 제2 유동확산노드와 연결된 픽셀 리드아웃 회로를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 가시광 및 적외선 중 적어도 하나를 센싱할 수 있다.

다른 일 측면에 있어서, 이미지 센서는 m*n 픽셀 구조로 구성된 픽셀 배열부; 상기 픽셀 배열부에 포함된 모든 열과 연결되고, 상기 픽셀 배열부 위쪽에 위치하고, 픽셀의 노이즈(noise)를 제거하고 값을 디지털로 변환하는 제1 컬럼 리드아웃 회로; 상기 픽셀 배열부에 포함된 모든 열과 연결되고, 상기 픽셀 배열부 아래쪽에 위치하고, 픽셀의 노이즈(noise)를 제거하고 값을 디지털로 변환하는 제2 컬럼 리드아웃 회로; 상기 픽셀 배열부와 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로 사이에 위치하고, 제어부의 제어에 따라 상기 픽셀 배열부의 각 열과 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로 간의 연결을 스위칭하는 제1 스위치부; 상기 픽셀 배열부와 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로 사이에 위치하고, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 픽셀 배열부의 각 열과 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로 간의 연결을 스위칭하는 제2 스위치부; 및 상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 초록(green) 픽셀들을 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로 또는 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로 중에서 하나에서 읽히도록 상기 제1 스위치부와 상기 제2 스위치부를 제어하는 상기 제어부를 포함한다.

상기 제어부는 상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 초록(green) 픽셀들을 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로에서 읽히도록 상기 제1 스위치부를 제어하고, 상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 푸른(blue) 픽셀과 빨강(red) 픽셀을 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로에서 읽히도록 상기 제2 스위치부를 제어할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 초록(green) 픽셀들을 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로에서 읽히도록 상기 제2 스위치부를 제어하고, 상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 푸른(blue) 픽셀과 빨강(red) 픽셀을 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로에서 읽히도록 상기 제1 스위치부를 제어할 수 있다.

상기 픽셀 배열부의 상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 각각은, 같은 행에 존재하는 유동 확산 노드 및 상기 유동 확산 노드와 연결된 픽셀 리드아웃(readout) 회로를 공유할 수 있다.

상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 각각은, 컬러 모드일 때, 상기 픽셀들마다 서로 다른 입력 신호가 입력되고, 깊이 모드일 때, 상기 리드아웃 회로로 상기 픽셀들 모두 동일한 신호가 입력될 수 있다.

상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 각각은, 깊이 모드일 때, 이웃하는 픽셀과 상기 유동 확산 노드를 공유할 수 있다.

상기 m*n 픽셀 구조는, 4x2 픽셀 구조일 수 있다.

상기 4x2 픽셀 구조에 포함된 픽셀들은, 깊이 모드일 때, 8개의 픽셀들이 하나의 유동 확산 노드를 공유할 수 있다.

상기 픽셀 배열부는 제1 픽셀과, 제2 픽셀 및 상기 제1 픽셀의 제1 유동확산노드와 상기 제2 픽셀의 제2 유동확산노드의 전기적 연결을 제어하는 제어스위치를 포함할 수 있다.

칼라 영상 및 깊이 영상을 생성하는 이미지 센서의 성능이 향상될 수 있다.

도 1은 4-shared 컬러/깊이 픽셀 구조의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 픽셀 구조의 레이아웃(layout)을 도시한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 픽셀 구조가 컬러 모드(color mode)일 때, 타이밍 다이어그램을 나타낸다.
도 4는 일실시예에 따른 픽셀 구조가 깊이 모드(depth mode)일 때, 타이밍 다이어그램을 나타낸다.
도 5는 일실시예에 따라 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4 x2 픽셀 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따라 컬러 모드일 때 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4 x4 픽셀 구조의 제1 레이아웃을 도시한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 깊이 모드일 때 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4 x4 픽셀 구조의 제1 레이아웃을 도시한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따라 컬러 모드일 때 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4 x4 픽셀 구조의 제2 레이아웃을 도시한 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 깊이 모드일 때 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4 x4 픽셀 구조의 제2 레이아웃을 도시한 도면이다.
도 10은 일실시예에 따라 아날로그 도메인에서 픽셀 비닝을 위한 회로를 도시한 도면이다.
도 11은 일실시예에 따라 전하 도메인에서의 픽셀 비닝과 아날로그 도메인에서의 픽셀 비닝을 순차적으로 수행하는 계층적 비닝(hierarchical binning)을 도시한 도면이다.
도 12는 일실시예에 따라 스위치가 추가된 4x2 픽셀 구조를 도시한 도면이다.
도 13은 도 12의 픽셀 구조가 컬러 모드(color mode)일 때, 타이밍 다이어그램을 나타낸다.
도 14는 도 12의 픽셀 구조가 컬러 모드로 동작할 때, 회로 상태를 도시한 도면이다.
도 15는 도 12의 픽셀 구조가 깊이 모드(depth mode)일 때, 타이밍 다이어그램을 나타낸다.
도 16은 도 5의 픽셀 구조를 가진 이미지 센서의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 17은 도 14의 픽셀 구조를 가진 이미지 센서의 구성 및 n번째 열에서의 동작을 도시한 도면이다.
도 18은 도 14의 픽셀 구조를 가진 이미지 센서의 구성 및 n+1번째 열에서의 동작을 도시한 도면이다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 일실시예에 따른 4-shared 컬러/깊이 픽셀 구조를 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 이미지 센서는 4개의 픽셀로 구성되어 있으며, 각각의 픽셀은 2개의 이동 게이트(Transfer Gate)를 가지고 있다. 여기서, 픽셀들 각각은 RST(Reset), SEL(Select), SF(Source Follower) 3개의 트랜지스터와 연결되어 있다.

도 1에서 제1 픽셀은 이동 게이트 TX0과 TX1을 포함하고, 제2 픽셀은 이동 게이트 TX2와 TX3를 포함한다. 마찬가지로, 제3 픽셀은 이동 게이트 TX4와 TX5를 포함하고, 제4 픽셀은 이동 게이트 TX6와 TX7을 포함한다. 따라서, 도 1에 도시된 이미지 센서는 4x1 픽셀 구조를 나타낸다.

이 때, 4개의 픽셀은 하나의 픽셀 리드아웃 회로(101)를 공유하고 있다. 그리고, SEL 트랜지스터를 통해 입력된 신호에 따라 각각의 픽셀들이 선택된다. 도 1의 이미지 센서에 대한 세부 동작은 도 2에서 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 도 1의 픽셀 구조의 레이아웃(layout)을 도시한 도면이다.

도 2에서 제1 픽셀(203)은 이동 게이트 0과 이동 게이트 1을 포함한다. 그리고, 제2 픽셀(204)은 이동 게이트 2와 이동 게이트 3을 포함하고, 제3 픽셀(205)는 이동 게이트 4와 이동 게이트 5를 포함한다. 또한, 제4 픽셀(206)은 이동 게이트 6과 이동 게이트 7을 포함한다.

컬러 모드일 때, 이동 게이트 TX2n만 신호가 입력되어 각각의 픽셀이 독립적으로 동작한다. 즉, 이동 게이트 0, 2, 4, 6만 동작한다. 따라서, 제1 픽셀(203), 제2 픽셀(204), 제3 픽셀(205), 제4 픽셀(206)은 서로 다른 신호에 따라 제어된다.

깊이 모드일 때, 이동 게이트 TX 2n+1만 신호가 입력된다. 즉, 이동 게이트 0 내지 7이 모두 동작한다. 이 경우, 이동 게이트 TX 2n+1는 제1 픽셀(203), 제2 픽셀(204), 제3 픽셀(205), 제4 픽셀(206) 모두가 공유하고 있기 때문에 모두 같은 신호에 따라 제어된다. 다시 말해서, 이동 게이트 1, 3, 5, 7은 같은 신호로 동작 가능하므로, 제1 픽셀(203), 제2 픽셀(204), 제3 픽셀(205), 제4 픽셀(206)들은 동일한 Row Line을 공유한다.

도 3은 일실시예에 따른 픽셀 구조가 컬러 모드(color mode)일 때, 타이밍 다이어그램을 나타낸다.

도 3을 참고하면, 컬러 모드일 때, 픽셀에 입력되는 신호는 롤링 셔터 동작을 나타낸다. 픽셀 각각의 라인을 리드아웃하는 시간에 이동 게이트가 연결되고, 픽셀의 포토 다이오드에 수집된 전하는 유동 확산 노드에 전달된다.

도 4는 일실시예에 따른 픽셀 구조가 깊이 모드(depth mode)일 때, 타이밍 다이어그램을 나타낸다.

도 4를 참고하면, 깊이 모드에서 LED 신호와 TX 신호는 동기화된다. TX 신호는 global하게 동작하며 LED에서 변조된 신호를 출력하는 집적 시간 (integration time)동안 전하가 집적된 후, 컬러 모드와 유사하게 하나의 ROW씩 전하가 리드아웃된다.

도 5는 일실시예에 따라 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4x2 픽셀 구조를 도시한 도면이다.

도 5에 도시된 4x2 픽셀 구조인 이미지 센서는 도 1의 4x1 픽셀 구조를 2개 포함하는 것을 의미한다. 도 5에 도시된 이미지 센서는 도 1과 같이 4개의 픽셀이 RST, SEL, SF를 공유한다.

이 때, 도 5에 도시된 이미지 센서는 하나의 유동 확산 노드(FD Node)(501)를 2개의 픽셀이 서로 공유함으로써 필 팩터를 향상시킬 수 있다. 그리고, 이미지 센서는 유동 확산 노드에 인가되는 신호를 동시에 리드아웃할 수 있다.

컬러 모드일 때, 이미지 센서는 이동 게이트의 제어에 따라 녹색(Green), 빨강/파랑의 Column Line을 선택할 수 있다. 그리고, 깊이 모드일 때 이미지 센서는 8개의 픽셀이 유동 확산 노드를 공유하는 8-Shard 구조로 변경될 수 있다.

도 6은 일실시예에 따라 컬러 모드일 때 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4 x4 픽셀 구조의 제1 레이아웃을 도시한 도면이다.

도 6은 컬러 모드일 때 4 x4 픽셀 구조를 나타내는 이미지 센서에서의 전하(charge) 이동 방향을 도시한다. 도 6을 참고하면, 이동 게이트는 0부터 7로 표시된 것과 D0부터 D4까지 표시된 것으로 나눌 수 있다. 수평 방향 선은 ROW 신호선을 나타내는데 이는 ROW 내의 모든 픽셀이 공유한다. 수직 방향 선은 이동 게이트를 나타낸다. 선에 표시되어 있는 숫자는 연결을 표시하는데 예를 들어 ROW 0 신호선은 이동 게이트 0과 연결된다. 컬러 모드일 때는 이동 게이트 0부터 7로 표시된 것만 동작한다. 그림에서 점선은 공유되어 있는 유동 확산 노드를 표시한다.

먼저 이동 게이트 0과 1이 동작하면 ROW 4n의 빨강 픽셀의 전하가 왼쪽 유동 확산 노드로 이동하고, Row 4n의 녹색 픽셀의 전하도 왼쪽 유동 확산 노드로 이동한다. 그리고, ROW 4n+1 Line의 픽셀 값을 읽기 위해서 이동 게이트 2와 3을 동작시키면 ROW 4n+1의 녹색 픽셀과 파란색 픽셀의 전하가 오른쪽 유동 확산 노드로 이동하여 Readout 동작이 순차적으로 진행될 수 있다.

여기서, ROW 4n과 4n+1 Line의 픽셀의 전하를 다른 방향의 유동 확산 노드로 이동시킨 이유는 Gr과 Gb 픽셀 간의 미스매치(mismatch)를 최소화하기 위한 것으로 이미지 센서는 Gr과 Gb 픽셀의 전하를 동일한 유동 확산 노드로 이동시키기 위해 전하의 이동 방향을 서로 엇갈리게 할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 이미지 센서에 의하면, 유동 확산 노드의 공유에 의해 이미지 센서의 감도가 향상되며, R/B, G의 컬러 채널이 분리됨으로써 색감이 향상될 수 있다.

도 6을 참고하면, 이미지 센서는 각각의 ROW 별로 이동 게이트의 동작을 제어함으로써 서로 다른 Column에 위치한 녹색 픽셀의 유동 확산 노드를 하나로 묶을 수 있다.

도 7은 일실시예에 따른 깊이 모드일 때 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4 x4 픽셀 구조의 제1 레이아웃을 도시한 도면이다.

깊이 모드일 때, 이동 게이트 0부터 7과 이동 게이트 D0부터 D4가 모두 동작한다. 따라서 전하는 양쪽 게이트를 통해 모두 이동되므로 컬러 모드와 같이 전하 이동 방향을 따로 표시하지 않았다. 이에 따라 이미지 센서에 포함된 모든 픽셀이 동시에 동작하여 깊이 영상을 수집할 수 있다.

도 8은 일실시예에 따라 컬러 모드일 때 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4 x4 픽셀 구조의 제2 레이아웃을 도시한 도면이다.

도 8의 4 x4 픽셀 구조는 도 6의 4 x4 픽셀 구조와 차이가 있다. 도 6에서는 전하가 가로 방향으로 이동한 반면, 도 8에서는 전하가 세로 방향으로 이동하며, 동작 원리는 동일하다. 컬러 모드일 때, 이동 게이트 0부터 7이 동작한다. 도 6과 같이 점선은 공유되어 있는 유동 확산 노드를 나타낸다.

도 8에서 이동 게이트 0과 1이 동작하면 Row 4n에 대응하는 빨간 픽셀의 전하가 위쪽 유동 확산 노드로 이동하고 Row 4n에 대응하는 녹색 픽셀의 전하는 아래쪽 유동 확산 노드로 이동한다.

그리고, 다음 줄인 Row 4n+1에 대응하는 픽셀 값을 읽기 위해서 이동 게이트 2와 3을 동작시키면 녹색 픽셀에 포함된 전하가 위쪽 유동 확산 노드로 이동하고, 파랑 픽셀에 포함된 전하가 아래쪽 유동 확산 노드로 이동한다.

도 8에 의하면, 각 ROW 별로 이동 게이트의 동작을 조절함으로써 서로 다른 Column에 위치한 녹색 픽셀의 이동 확산 노드를 하나로 묶을 수 있다.

도 9는 일실시예에 따른 깊이 모드일 때 유동 확산 노드를 이웃 픽셀과 공유하는 4 x4 픽셀 구조의 제2 레이아웃을 도시한 도면이다.

깊이 모드일 때, 이동 게이트 0 부터 7과 이동 게이트 D0 부터 D7가 모두 동작한다. 도 7에서 설명한 바와 같이, 이미지 센서에 포함된 모든 픽셀이 동시에 동작하여 깊이 영상을 수집할 수 있다.

도 10은 일실시예에 따라 아날로그 도메인에서 픽셀 비닝을 위한 회로를 도시한 도면이다.

도 10에서 도시된 회로는 아래와 같이 동작한다.

SP 신호가 on되면 각 column의 값이 커패시터에 저장되며, SP 신호가 OFF되면 BIN(binning) 신호가 ON이 되어 4개의 커패시터에 저장된 전하가 평균되어 비닝 효과가 나타날 수 있다.

도 11은 일실시예에 따라 전하 도메인에서의 픽셀 비닝과 아날로그 도메인에서의 픽셀 비닝을 순차적으로 수행하는 계층적 비닝(hierarchical binning)을 도시한 도면이다.

도 11에서 픽셀(1101, 1102, 1103, 1104)가 센싱한 이미지는 전하 도메인에서 1차적으로 비닝되어 하나의 "Z"로 표시된다. 여기서, 4x1 픽셀 구조로 구성된 이미지 센서가 하나의 단위로 설정되어 하나의 Z가 표시된다. 도 11에 의하면, 4x1 픽셀 구조로 구성된 이미지 센서가 전부 4개의 Z를 표시할 수 있다. 다른 예에 의하면, 4x2 픽셀 구조로 구성된 이미지 센서가 하나의 단위로 설정될 수 있다.

아날로그 도메인에서, 하나의 단위로 설정된 이미지 센서에서 도출된 4개의 Z는 비닝되어 하나의 큰 Z로 표시될 수 있다. 즉, 아날로그 도메인에서 표시되는 이미지는 전하 도메인에서 16개의 픽셀에서 표시된 이미지가 전부 비닝된 효과를 나타낸다. 아날로그 비닝을 위한 회로의 동작은 이미 도 10에서 구체적으로 설명하였으므로, 이하에서는 생략하기로 한다.

한편, 도 5에서 제안한 4ㅧ2의 픽셀 구조는 기본적으로 픽셀 내의 유동 확산 노드(floating diffusion(FD) node)를 공유하고 있기 때문에 픽셀의 변환이득(conversion gain)이 작아지는 단점이 있다. 변환이득은 하나의 전자(electron)가 얼마의 출력(output) 전압으로 변환되는가로 유동 확산 노드의 용량(capacitance)에 반비례한다. 유동 확산 노드의 용량은 접합(junction)의 개수 및 transfer gate(TX)와의 overlap이 크게 영향을 주는데 4ㅧ2 공유 구조에서는 접합과 맞닿아 있는 TX의 개수가 많아 변환이득을 크게 하기에 한계가 있다.

그럼 도 5의 컬러 영상의 감도 저하를 극복하기 위해서 유동 확산 노드의 공유를 적응적으로 조정하는 4ㅧ2 공유 픽셀 구조를 아래에서 도 12를 통해 설명한다.

도 12는 일실시예에 따라 스위치가 추가된 4x2 픽셀 구조를 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, n과 m은 각각 임의의 행과 열을 나타낸다. 도 12를 통해 제안된 기본적인 개념은 공유 유동 확산의 개수를 스위치(FDC switch)(1210)를 통해 제어하는 것이다. 컬러영상 획득하는 컬러 모드에는 스위치(1210)를 끔으로써 공유 유동 확산의 용량을 낮추고, 깊이영상 획득하는 깊이 모드에는 스위치(1210)를 켜서 도 5와 같이 8개의 포토다이오드(photodiode)로부터 생성된 전자를 이용할 수 있다.

도 13은 도 12의 픽셀 구조가 컬러 모드(color mode)일 때, 타이밍 다이어그램을 나타낸다.

도 13을 참고하면, 컬러 모드일 때, 픽셀에 입력되는 신호는 롤링 셔터 동작을 나타낸다. 픽셀 각각의 라인을 리드아웃하는 시간에 이동 게이트가 연결되고, 픽셀의 포토 다이오드에 수집된 전하는 유동 확산 노드에 전달된다. 이때, 스위치(1210) 및 TXD 신호들은 오프 상태로 도 14에 점선으로 표시하였다.

도 14는 도 12의 픽셀 구조가 컬러 모드로 동작할 때, 회로 상태를 도시한 도면이다. 도 14를 참조하면, 점선으로 표시된 부분은 오프 상태로 동작을 하지 않음을 나타낸다.

도 15는 도 12의 픽셀 구조가 깊이 모드(depth mode)일 때, 타이밍 다이어그램을 나타낸다.

도 15를 참고하면, 깊이 모드에서 LED 신호와 TX 신호는 동기화된다. TX 신호는 global하게 동작하며 LED에서 변조된 신호를 출력하는 집적 시간(integration time)동안 전하가 집적된 후, 컬러 모드와 유사하게 하나의 ROW씩 전하가 리드아웃된다. 이때, 컬러 모드와 반대로 스위치(1210)는 온 상태이다.

도 12의 4x2 픽셀 구조는 하나의 실시 예이며 다른 형태의 공유 시에도 유사한 형태로 구현 가능하다.

이미지 센서에는 픽셀의 노이즈(noise)를 제거하고 값을 디지털로 변환해주는 correlated double sampling(CDS) 및 analog-to-digital conversion(ADC) 기능을 수행하는 회로가 집적되어 있다. 최근에는 이 회로를 하나의 column 당 하나씩 두어 여러 개의 회로가 동시에 동작하도록, 즉, column-parallel하게 구성하는 경우가 많은데 픽셀의 크기가 작아짐에 따라 하나의 컬럼 간격(column pitch)이 작아 물리적인 배치가 어려워져 위아래로 나누어 2 컬럼(column) 당 하나씩 두는 경우도 있다. 이하의 설명에서 CDS 및 ADC 기능을 하는 column 당 하나씩 위치한 회로를 컬럼 리드아웃 회로라 한다.

도 16은 도 5의 픽셀 구조를 가진 이미지 센서의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

도 16을 참조하면, 짝수 열의 경우 아래 쪽에 위치한 제2 컬럼 리드아웃 회로(1610)를 통해 값을 읽어 내고, 홀수 열의 경우는 위쪽에 위치한 제1 컬럼 리드아웃 회로(1620)를 통해 값을 읽어 낼 수 있다.

이때, 도 14의 픽셀 구조를 가진 이미지 센서의 경우 짝수 행에 위치한 green pixel(red pixel 옆에 위치하므로 Gr이라고 부름)과 홀수 행에 위치한 green pixel(blue pixel 옆에 위치하므로 Gb라 부름)이 서로 다른 곳에 위치한 컬럼 리드아웃 회로를 통해 값을 읽히게 되므로 같은 값을 가져야 하는 Gr-Gb의 차이가 심해질 수 있다.

도 5의 4ㅧ2 픽셀 구조의 경우 TX를 행 별로 적절히 조절하여 전자 전달 방향을 제어함으로써 Gr과 Gb pixel을 같은 위치의 컬럼 리드아웃 회로를 통해 읽어 낼 수 있었으나, 도 14의 4ㅧ2 픽셀 구조에서는 도 16과 같은 구성으로 전자 전달 방향의 제어가 불가능하다. 다시 말해서, 도 14의 4ㅧ2 픽셀 구조는 컬러 모드에서 유동 확산 노드의 공유를 분리하기 때문에 전자 전달 방향을 한쪽 방향으로 고정해야 한다. 이를 해결하기 위해 아래 도 17과 도 18의 구조를 제안한다.

도 17은 도 14의 픽셀 구조를 가진 이미지 센서의 구성 및 n번째 열에서의 동작을 도시한 도면이다.

도 18은 도 14의 픽셀 구조를 가진 이미지 센서의 구성 및 n+1번째 열에서의 동작을 도시한 도면이다.

도 17과 도 18을 참조하면, 실시예에 따른 이미지 센서는 픽셀 배열부(1710), 제1 컬럼 리드아웃 회로(1720), 제2 컬럼 리드아웃 회로(1730), 제1 스위치부(1740), 제2 스위치부(1750) 및 제어부(1760)를 포함한다.

픽셀 배열부(1710)의 모든 열은 위아래에 위치한 제1 컬럼 리드아웃 회로(1720)와 제2 컬럼 리드아웃 회로(1730)에 둘 다 연결되어 있다.

픽셀 배열부(1710)는 제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함할 수 있다. 이때, 픽셀 배열부는 상기 제1 픽셀의 제1 유동확산노드와 상기 제2 픽셀의 제2 유동확산노드의 전기적 연결을 제어하는 제어스위치(미도시 함)를 포함할 수 있다.

제1 스위치부(1740)와 제2 스위치부(1750)는 각기 픽셀 배열부(1710)와 컬럼 리드아웃 회로(1720, 1730)들 사이에 위치하며, 제어부(1760)의 제어에 따라 픽셀 배열부(1710)와 컬럼 리드아웃 회로(1720, 1730)들 간의 연결을 수행한다.

도 17과 도 18에서 굵은 실선이 스위치부(1740, 1750)들을 통해 활성화된 것이고 얇은 점선은 활성화되지 않은 것이다.

제어부(1760)는 짝수 행의 값을 읽어 낼 경우, 짝수 열은 아래 쪽에 위치한 제2 컬럼 리드아웃 회로(1730)로 홀수 열은 위쪽에 위치한 제1 컬럼 리드아웃 회로(1720)로 연결한다. 또한, 제어부(1760)는 짝수 행과 반대로 홀수 행의 값을 일어 낼 경우, 짝수 열은 위쪽에 위치한 제1 컬럼 리드아웃 회로(1720)로 홀수 열은 아래 쪽에 위치한 제2 컬럼 리드아웃 회로(1730)로 연결한다. 이러한 방식으로 픽셀 배열부(1710)로부터 픽셀 값을 읽음으로써 초록(green) 픽셀은 모두 위쪽의 제1 컬럼 리드아웃 회로(1720)를 통하여 읽게 되어 Gr-Gb difference를 최소화할 수 있다.

즉, 제어부(1760)는 초록(green) 픽셀들을 하나의 컬럼 리드아웃 회로로 읽히도록 하고, 나머지 푸른(blue) 픽셀과 빨강(red) 픽셀을 다른 컬럼 리드아웃 회로로 읽히도록 제어한다.

일 실시예에 따른 이미지 센서는 도 17의 배열부(1710)와 같이, 제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함할 수 있다. 이때, 이미지 센서는 상기 제1 픽셀의 제1 유동확산노드와 상기 제2 픽셀의 제2 유동확산노드의 전기적 연결을 제어하는 제어스위치를 포함할 수 있다.

이때, 제어스위치는 컬러 영상을 획득하는 컬러 모드에서 상기 제1 유동확산노드와 상기 제2 유동확산노드를 전기적으로 연결하고, 깊이 영상을 획득하는 깊이 모드에서 상기 제1 유동확산노드와 상기 제2 유동확산 노드의 전기적 연결을 해제할 수 있다.

이때, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀 중 적어도 하나는 도 17의 제2 컬럼 리드아웃 회로(1730)와 유사한 픽셀 리드 아웃 회로를 포함할 수 있다. 이때, 픽셀 리드 아웃 회로는 상기 제2 유동확산노드와 연결될 수 있다.

한편, 이미지 센서의 각 픽셀은 가시광 및 적외선 중 적어도 하나를 센싱할 수 있다. 따라서, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 가시광 및 적외선 중 적어도 하나를 센싱할 수 있다.

또한, 이미지 센서의 각 픽셀은 PPD(Pinned Photo Diode)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제1 픽셀 및 제2 픽셀은 PPD(Pinned Photo Diode)를 포함할 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 이미지 센서가 설명되었으나, 이미지 센서는 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 이미지 센서의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

제1 픽셀;
제2 픽셀; 및
상기 제1 픽셀의 제1 유동확산노드와 상기 제2 픽셀의 제2 유동확산노드의 전기적 연결을 제어하는 제어스위치를 포함하는, 이미지 센서.
제1 항에 있어서,
상기 제어스위치는 컬러 영상을 획득하는 컬러 모드에서 상기 제1 유동확산노드와 상기 제2 유동확산노드를 전기적으로 연결하고, 깊이 영상을 획득하는 깊이 모드에서 상기 제1 유동확산노드와 상기 제2 유동확산 노드의 전기적 연결을 해제하는, 이미지 센서.
제1 항에 있어서,
상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀 중 적어도 하나가
상기 제2 유동확산노드와 연결된 픽셀 리드아웃 회로를 더 포함하는, 이미지 센서.
제1 항에 있어서,
상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 가시광 및 적외선 중 적어도 하나를 센싱하는, 이미지 센서.
제1 항에 있어서,
상기 제1 픽셀 및 제2 픽셀은 PPD(Pinned Photo Diode)를 포함하는, 이미지 센서.
m*n 픽셀 구조로 구성된 픽셀 배열부;
상기 픽셀 배열부에 포함된 모든 열과 연결되고, 상기 픽셀 배열부 위쪽에 위치하고, 픽셀의 노이즈(noise)를 제거하고 값을 디지털로 변환하는 제1 컬럼 리드아웃 회로;
상기 픽셀 배열부에 포함된 모든 열과 연결되고, 상기 픽셀 배열부 아래쪽에 위치하고, 픽셀의 노이즈(noise)를 제거하고 값을 디지털로 변환하는 제2 컬럼 리드아웃 회로;
상기 픽셀 배열부와 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로 사이에 위치하고, 제어부의 제어에 따라 상기 픽셀 배열부의 각 열과 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로 간의 연결을 스위칭하는 제1 스위치부;
상기 픽셀 배열부와 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로 사이에 위치하고, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 픽셀 배열부의 각 열과 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로 간의 연결을 스위칭하는 제2 스위치부; 및
상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 초록(green) 픽셀들을 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로 또는 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로 중에서 하나에서 읽히도록 상기 제1 스위치부와 상기 제2 스위치부를 제어하는 상기 제어부를 포함하는
이미지 센서.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 초록(green) 픽셀들을 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로에서 읽히도록 상기 제1 스위치부를 제어하고,
상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 푸른(blue) 픽셀과 빨강(red) 픽셀을 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로에서 읽히도록 상기 제2 스위치부를 제어하는
이미지 센서.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 초록(green) 픽셀들을 상기 제2 컬럼 리드아웃 회로에서 읽히도록 상기 제2 스위치부를 제어하고,
상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 중에서 푸른(blue) 픽셀과 빨강(red) 픽셀을 상기 제1 컬럼 리드아웃 회로에서 읽히도록 상기 제1 스위치부를 제어하는
이미지 센서.
제6항에 있어서,
상기 픽셀 배열부의 상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 각각은,
같은 행에 존재하는 유동 확산 노드 및 상기 유동 확산 노드와 연결된 픽셀 리드아웃(readout) 회로를 공유하는
이미지 센서.
제6항에 있어서,
상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 각각은,
컬러 모드일 때, 상기 픽셀들마다 서로 다른 입력 신호가 입력되고,
깊이 모드일 때, 상기 리드아웃 회로로 상기 픽셀들 모두 동일한 신호가 입력되는
이미지 센서.
제6항에 있어서,
상기 m*n 픽셀 구조에 포함된 픽셀들 각각은,
깊이 모드일 때, 이웃하는 픽셀과 상기 유동 확산 노드를 공유하는
이미지 센서.
제6항에 있어서,
상기 m*n 픽셀 구조는,
4x2 픽셀 구조인
이미지 센서.
제12항에 있어서,
상기 4x2 픽셀 구조에 포함된 픽셀들은,
깊이 모드일 때, 8개의 픽셀들이 하나의 유동 확산 노드를 공유하는
이미지 센서.
제6 항에 있어서,
상기 픽셀 배열부는
제1 픽셀;
제2 픽셀; 및
상기 제1 픽셀의 제1 유동확산노드와 상기 제2 픽셀의 제2 유동확산노드의 전기적 연결을 제어하는 제어스위치를 포함하는, 이미지 센서.