KR20140095224A - 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 동작 방법은 복수의 픽셀들로부터 출력되고 이전 프레임에 상응하는 복수의 제1아날로그 픽셀 신호들 각각과 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 현재 프레임에 상응하는 제2아날로그 픽셀 신호들 각각의 차이들 각각을 저장하는 단계 및 저장된 차이들 각각을 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각으로 변환하는 단계를 포함한다.

Description

이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 이를 포함하는 시스템{IMAGE SENSOR, OPERATING METHOD THEREOF AND SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 픽셀의 이전 프레임에 상응하는 제1픽셀 신호와 상기 픽셀의 현재 프레임에 상응하는 제2픽셀 신호의 차이 값을 이용하여 대상의 모션을 감지하기 위한 방법과 이를 이용하는 장치들에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 상보형 금속산화반도체(complementary metal-oxide semiconductor(CMOS))를 이용한 고체 촬상 소자(solid-state image sensing device)이다.
CMOS 이미지 센서는 고전압 아날로그 회로를 포함하는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서에 비해 제조 단가가 낮으며, 상기 센서의 크기가 작기 때문에 소비 전력이 적다. 최근에는 CMOS 이미지 센서의 성능이 향상되면서 스마트폰 (smart phone)과 디지털 카메라(digital camera) 등과 같은 휴대용 기기(portable device) 이외의 다양한 가전 제품에도 상기 CMOS 이미지 센서가 널리 사용되고 있다.
전력 소모를 최대한 줄여야 하는 모바일(mobile) 장치 분야에서, CMOS 이미지 센서의 전력 소모를 줄이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전력 소모와 성능은 서로 상반 관계(trade-off)에 있으므로, CMOS 이미지 센서의 성능을 저해하지 않는 범위에서 전력 소모를 최대한 줄일 것이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 픽셀의 이전 프레임에 상응하는 제1픽셀 신호와 상기 픽셀의 현재 프레임에 상응하는 제2픽셀 신호의 차이 값을 이용하여 대상의 모션을 감지할 수 있는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 이를 포함하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 동작 방법은 복수의 픽셀들로부터 출력되고 이전 프레임에 상응하는 복수의 제1아날로그 픽셀 신호들 각각과 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 현재 프레임에 상응하는 제2아날로그 픽셀 신호들 각각의 차이들 각각을 저장하는 단계, 및 저장된 차이들 각각을 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 1-비트 디지털 신호들을 이용하여, 상기 이전 프레임과 상기 현재 프레임 사이의 대상의 움직임을 인식하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1아날로그 픽셀 신호들 각각은 상기 이전 프레임 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에 축적된 광 전하들의 전하량에 상응하고, 상기 제2아날로그 픽셀 신호들 각각은 상기 현재 프레임 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에 축적된 광 전하들의 전하량에 상응할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 픽셀들 중에서 어느 하나의 픽셀로부터 출력된 제1아날로그 픽셀 신호와 상기 어느 하나의 픽셀로부터 출력된 제2아날로그 픽셀 신호는 상기 현재 프레임 동안 순차적으로 출력될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1아날로그 픽셀 신호들 각각에 기초하여, 상기 이미지 처리 시스템에 포함된 아날로그-디지털 변환 회로의 오토-제로잉(auto zeroing) 동작을 수행할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 오토-제로잉 동작 이후에, 상기 제2아날로그 픽셀 신호들 각각이 상기 복수의 픽셀들 각각으로부터 출력될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 저장하는 단계 이전에, 픽셀 어레이에 포함된 전체 픽셀들 중에서 상기 복수의 픽셀들을 포함하는 활성화 픽셀 그룹을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 활성화 픽셀 그룹에 포함된 상기 복수의 픽셀들은 서로 인접할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 활성화 픽셀 그룹은, 상기 픽셀 어레이의 가장자리들(edges)에 위치할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 활성화 픽셀 그룹에 포함된 상기 복수의 픽셀들은 서로 인접하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 이전 프레임에 상응하는 복수의 제1아날로그 픽셀 신호들 각각과 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 현재 프레임에 상응하는 복수의 제2아날로그 픽셀 신호들 각각의 차이들 각각을 저장하는 픽셀 신호 차이 저장 회로, 및 저장된 차이들 각각을 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각으로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 픽셀 신호 차이 저장 회로는, 각각이 상기 차이들 각각을 저장하는 복수의 커플링 커패시터들을 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 아날로그-디지털 변환 회로는 복수의 비교기들을 포함하고, 상기 복수의 비교기들 각각은, 상기 저장된 차이들 각각과 기준 전압을 비교하고, 비교 결과들에 따라 상기 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각을 출력할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 커플링 커패시터들 각각은 상기 차이들 각각에 기초하여 상기 복수의 비교기들 각각의 비교값 입력노드의 전압을 조절하고, 상기 복수의 비교기들 각각은 조절된 비교값 입력노드의 전압과 상기 기준 전압을 비교할 수 있다.
실시 예에 따라, 각각이 상기 복수의 비교기들 각각의 상기 비교값 입력노드와 상기 복수의 비교기들 각각의 제1출력노드 사이에 접속된 제1초기화 스위치들을 더 포함하고, 상기 제1초기화 스위치들 각각이 턴-온(turn-on) 됨에 따라 상기 복수의 비교기들 각각의 상기 비교값 입력노드의 전압은 상기 기준 전압과 같아지도록 초기화될 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1초기화 스위치들 각각은 상기 비교값 입력노드의 상기 전압과 상기 기준 전압이 같아진 이후 턴-오프(turn-off) 되고, 상기 제1초기화 스위치들 각각이 턴-오프 된 이후, 상기 복수의 픽셀들 각각이 리셋 동작을 수행할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 비교기들 각각의 기준값 입력노드로 상기 기준 전압을 공급하는 기준 전압 공급 회로를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 기준 전압 공급 회로는, 각각이 상기 복수의 비교기들 각각의 제2출력노드와 상기 복수의 비교기들 각각의 상기 기준값 입력노드 사이에 접속되고 상기 제1초기화 스위치들 각각과 함께 스위칭되는 제2초기화 스위치들을 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 기준 전압 공급 회로는, 모드 선택 신호에 기초하여, 램프 신호와 상기 기준 전압 중에서 어느 하나를 상기 기준값 입력 노드로 공급하는 제1스위치 어레이(switch array)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 모드 선택 신호에 기초하여, 상기 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각을 카운터(counter) 또는 래치(latch)로 전송하는 제2스위치 어레이를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 모드 선택 신호에 기초하여, 상기 카운터 또는 상기 램프 신호를 생성하는 램프 신호 생성기로 공급되는 전원을 제어하는 전원 관리 유닛을 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 비교기들 중 어느 하나로 공급되는 기준 전압과 상기 복수의 비교기들 중 다른 하나로 공급되는 기준 전압은 서로 다를 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 픽셀들 각각과 상기 복수의 커플링 커패시터들 각각의 사이에 접속되고, 상기 복수의 제1아날로그 픽셀 신호들 각각과 상기 복수의 제2아날로그 픽셀 신호들 각각의 출력을 제어하기 위한 픽셀신호 출력 스위치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템은 이미지 센서 및 상기 이미지 센서로부터 출력된 이미지 데이터를 처리하여, 이전 프레임과 현재 프레임 간에 대상의 움직임을 인식하는 ISP(image signal processor)를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 상기 이전 프레임에 상응하는 복수의 제1아날로그 픽셀 신호들 각각과 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 상기 현재 프레임에 상응하는 복수의 제2아날로그 픽셀 신호들 각각의 차이들 각각을 저장하는 픽셀 신호 차이 저장 회로, 저장된 차이들 각각을 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각으로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로, 및 변환된 복수의 1-비트 디지털 신호들에 기초하여 상기 이미지 데이터를 출력하는 래치 블록을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치는 이미지 센서, 상기 이미지 센서로부터 출력된 이미지 데이터를 처리하여, 처리된 이미지 데이터를 출력하는 ISP(image signal processor), 및 처리된 이미지 데이터를 디스플레이하기 위한 디스플레이를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 이전 프레임에 상응하는 복수의 제1아날로그 픽셀 신호들 각각과 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 현재 프레임에 상응하는 복수의 제2아날로그 픽셀 신호들 각각의 차이들 각각을 저장하는 픽셀 신호 차이 저장 회로, 저장된 차이들 각각을 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각으로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로, 및 변환된 복수의 1-비트 디지털 신호들에 기초하여 상기 이미지 데이터를 출력하는 래치 블록을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법과 장치는 기존 이미지 센서의 구조를 활용하여 대상의 모션을 감지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법과 장치는 대상의 모션을 감지하는 동안, 모션 감지에 불필요한 구성들(예컨대, 램프 신호 생성기(ramp signal generator)와 카운터(counter) 등)의 전원을 턴-오프(turn-off) 함으로써 전력 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법과 장치는 극성을 달리하는 오프셋 전압을 이용하여 광량의 증가, 광량의 감소, 및 광량의 유지를 모두 감지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 일 실시 예에 따른 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 픽셀과 일 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 4는 도 3에 도시된 제어 신호들의 일 실시 예에 따른 타이밍도이다.
도 5는 도 3에 도시된 제어 신호들의 다른 실시 예에 따른 타이밍도이다.
도 6은 도 2에 도시된 픽셀과 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 7은 도 6에 도시된 제어 신호들의 다른 실시 예에 따른 타이밍도이다.
도 8은 도 2에 도시된 픽셀과 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 9는 도 2에 도시된 픽셀과 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 10은 도 2에 도시된 픽셀과 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 11은 도 10에 도시된 아날로그-디지털 변환 회로의 회로도이다.
도 12는 도 11에 도시된 비교 신호의 일 실시 예에 따른 그래프이다.
도 13은 도 11에 도시된 비교 신호의 다른 실시 예에 따른 그래프이다.
도 14는 도 2에 도시된 픽셀 어레이와 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 15는 도 2에 도시된 픽셀 어레이와 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 16은 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시 예에 따른 활성화 픽셀 그룹을 나타낸 도면이다.
도 17은 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 다른 실시 예에 따른 활성화 픽셀 그룹을 나타낸 도면이다.
도 18은 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 또 다른 실시 예에 따른 활성화 픽셀 그룹을 나타낸 도면이다.
도 19는 도 1에 도시된 이미지 센서의 다른 실시 예에 따른 블록도이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법의 플로우차트이다.
도 21은 도 1의 이미지 센서를 포함하는 시스템의 일 실시 예에 따른 블록도이다.
도 22는 도 1의 이미지 센서를 포함하는 시스템의 다른 실시 예에 따른 블록도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/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, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 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, 다수개의 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 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 일 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 처리 시스템(image processing system; 10)은 이미지 센서(image sensor; 100), 이미지 신호 프로세서(image signal processor(ISP); 200), 디스플레이 유닛(display unit; 205), CPU(central processing unit; 210), 및 주변 회로(peripheral circuit; 220)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 이미지 센서(100), ISP(200), 및 CPU(210)는 시스템 온 칩으로 구현될 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(100)와 ISP(200)는 MCP(multi chip package)로 구현될 수 있다.
이미지 처리 시스템(10)은 대상(object)의 컬러(color) 정보를 획득할 수 있는 컬러 센서(color sensor)의 기능, 상기 대상의 깊이(depth) 정보를 획득할 수 있는 깊이 센서(depth sensor)의 기능, 및/또는 상기 대상의 모션(motion)을 감지하여 모션(motion) 정보를 획득할 수 있는 모션 센서(motion sensor)의 기능을 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 이미지 센서(100)가 컬러 센서 픽셀들을 포함하는 경우, 이미지 센서(100)는 CPU(210)로부터 전송된 모드 선택 신호(MSEL)에 따라, 상기 컬러 센서 픽셀들 각각으로부터 출력되는 픽셀 신호에 기초하여 대상의 컬러 정보를 포함하는 이미지 데이터(IDATA) 또는 대상의 모션 정보를 포함하는 이미지 데이터(IDATA)를 ISP(200)로 전송할 수 있다.
예컨대, 이미지 센서(100)는 모드 선택 신호(MSEL)가 제1레벨, 예컨대 로우 레벨일 때 모션 정보에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 출력하고, 모드 선택 신호(MSEL)가 제2레벨, 예컨대 하이 레벨일 때 컬러 정보에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 출력할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(100)가 깊이 센서 픽셀들, 예컨대, TOF(time-of-flight) 센서 픽셀들을 포함하는 경우, 이미지 센서(100)는 CPU(210)로부터 전송된 모드 선택 신호(MSEL)에 따라, 상기 깊이 센서 픽셀들 각각으로부터 출력되는 픽셀 신호에 기초하여 대상의 깊이 정보(또는 깊이 이미지)에 대응되는 이미지 데이터(IDATA) 또는 대상의 모션 정보(또는 모션 이미지)에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 ISP(200)로 전송할 수 있다.
예컨대, 이미지 센서(100)는 모드 선택 신호(MSEL)가 제1레벨, 예컨대 로우 레벨(low level)일 때 모션 정보(또는 모션 이미지)에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 출력하고, 모드 선택 신호(MSEL)가 제2레벨, 예컨대 하이 레벨 (high level)일 때 깊이 정보(또는 깊이 이미지)에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 출력할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시 예에 따라, 이미지 센서(100)는 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 이미지 센서(100)는 CMOS 이미지 센서 칩으로 구현될 수 있다.
ISP(200)는 이미지 데이터(IDATA)를 수신하고, 수신된 이미지 데이터(IDATA)를 처리하여 처리된 이미지 데이터(IDATA')를 생성할 수 있다.
실시 예에 따라, ISP(200)는 모드 선택 신호(MSEL)에 따라, 컬러 정보를 포함하는 이미지 데이터(IDATA), 깊이 정보에 대응되는 이미지 데이터(IDATA) 또는 대상의 모션 정보에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 서로 다른 방식으로 처리할 수 있다.
실시 예에 따라, ISP(200)가 이미지 센서(100)로부터 대상의 모션 정보에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 수신한 경우, 상기 이미지 데이터(IDATA)에 포함된 광량 변화 정보를 처리하여 대상의 모션을 나타내는 처리된 데이터(IDATA'), 즉 모션 데이터를 생성할 수 있다.
ISP(200)는 이미지 데이터(IDATA)의 명암(light and shade), 대비 (contrast), 및/또는 채도(chroma) 등을 보정할 수 있다.
ISP(200)는 처리된 이미지 데이터(IDATA')를 디스플레이 유닛(205)으로 전송할 수 있다.
디스플레이 유닛(205)은 처리된 이미지 데이터(IDATA')를 디스플레이할 수 있는 디스플레이를 의미할 수 있다. 실시 예에 따라 디스플레이 유닛(205)은 LCD(Liquid Crystal Display), LED 디스플레이, OLED 디스플레이, AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes) 디스플레이, 또는 플렉시블 디스플레이(flexible display) 등으로 구현될 수 있다.
CPU(210)는 주변 회로(220)로부터 전송된 데이터를 해석하고 해석의 결과에 기초하여 모드 선택 신호(MSEL)를 생성하여 생성된 모드 선택 신호(MSEL)를 이미지 센서(100)와 ISP(200)로 전송할 수 있다.
주변 회로(220)는 시스템(10)의 상태 또는 다양한 입력들에 따라 발생한 데이터를 CPU(210)로 제공할 수 있다.
실시 예에 따라, 주변 회로(220)는 입력 인터페이스로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 입력 인터페이스의 기능을 수행하는 주변 회로(220)는 유저의 입력에 따라 발생한 데이터를 CPU(210)로 제공할 수 있다. 상기 입력 인터페이스는 버튼, 터치 스크린, 키보드, 또는 마우스 등과 같은 입력 장치일 수 있다. CPU(210)는 상기 데이터에 기초하여 모드 선택 신호(MSEL)를 생성할 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 주변 회로(220)는 애플리케이션 실행 모듈로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 애플리케이션 실행 모듈로 구현된 주변 회로(220)는 특정 애플리케이션의 실행을 감시하고, 감시의 결과에 따라 생성된 데이터를 CPU(210)로 전달할 수 있다. CPU(210)는 상기 데이터에 기초하여 모드 선택 신호(MSEL)를 생성할 수 있다. 상기 특정 애플리케이션은 카메라 구동 애플리케이션 또는 증강 현실 애플리케이션일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 일 실시 예에 따른 블록도이다.
설명의 편의를 위해 대상(object;1)이 이미지 센서(100)와 함께 도시된다.
도 1과 도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(pixel array;24), 리드아웃 회로(readout circuit;28), 타이밍 컨트롤러(timing controller;30), 및 로우 디코더(row decoder;34)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(100)는 모드 선택 신호(MSEL)에 따라, 대상(1)의 컬러 정보(또는 컬러 이미지)에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 얻거나 대상(1)의 모션 정보(또는 모션 이미지)에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 얻을 수 있다.
실시 예에 따라, 이미지 센서(100)는 모드 선택 신호(MSEL)와 무관하게 대상(1)의 모션 정보(또는 모션 이미지)에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 얻을 수 있다.
픽셀 어레이(24)는 대상(1)으로부터 반사된 빛(예컨대, 가시광선)을 감지하기 위한 복수의 픽셀들(26)을 포함할 수 있다.
리드아웃 회로(28)는 픽셀 어레이(24)로부터 출력된 픽셀 신호들에 기초하여 이미지 데이터(IDATA)를 생성할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(30)는 CPU(210)로부터 전송된 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 이미지 센서(100)의 구성들(리드아웃 회로(28) 및/또는 로우 디코더(34))을 제어할 수 있다.
로우 디코더(34)는 타이밍 컨트롤러(30)로부터 출력된 다수의 로우 제어 신호들, 예컨대 로우 어드레스 신호들을 디코딩(decoding)하고 디코딩 결과에 따라 픽셀 어레이(24)에 포함된 특정 로우 라인를 구동시킬 수 있다. 로우 디코더(34)는 로우 라인을 구동시키기 위한 로우 드라이버(row driver)을 포함하는 개념을 의미할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 픽셀과 일 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 픽셀(26)은 4개의 트랜지스터들(transistors)을 포함하는 구조로 구현될 수 있다. 도 3에서는 설명의 편의를 위하여 픽셀(26)이 4개의 트랜지스터들을 포함하는 구조를 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다.
광전 변환 소자(26A)는 입사된 빛에 따라 광 전하들을 생성한다. 광전 변환 소자(26A)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 또는 핀드포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 등으로 구현될 수 있다.
전송 트랜지스터(transfer transistor; TX)는 전송 제어 신호(TS)에 응답하여 광전 변환 소자(26A)에서 생성된 광 전하들을 플로팅 디퓨젼 노드(floating diffusion node;NFD)로 전송한다.
리셋 트랜지스터(reset transistor; RX)는 리셋 신호(RS)에 응답하여 플로팅 디퓨젼 노드(NFD)를 리셋시킨다.
선택 트랜지스터(select transistor; SX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 광전 변환 소자(26A)에 의해 생성된 광 전하들의 전하량에 상응하는 픽셀 신호(PIX1 또는 PIX2)를 출력할 수 있다.
도 2에 도시된 리드아웃 회로(28)의 일 실시 예에 따른 리드아웃 회로(28A)는 제1커플링 커패시터(coupling capacitor;CAZ1), 아날로그-디지털 변환 회로(40A)와 래치 및 감지 증폭기 블록(latch & sense amplifier block;50)을 포함할 수 있다.
아날로그-디지털 변환 회로(40A)는 제1초기화 스위치(initialization switch; SWAZ1), 및 비교기(comparator;42)를 포함할 수 있다.
제1커플링 커패시터(CAZ1)는 제1초기화 스위치(SWAZ1)가 턴-오프(turn-off)된 상태에서, 픽셀신호 입력노드(NPI)와 비교값 입력노드(NCI) 사이의 전압을 유지시킬 수 있다.
제1초기화 스위치(SWAZ1)는 스위칭 신호(SAZ)에 응답하여 턴-온(turn-on) 될 수 있다. 제1초기화 스위치(SWAZ1)가 턴-온 됨에 따라, 비교값 입력노드(NCI)의 전압이 기준 전압(VX)과 같아지도록 초기화할 수 있다. 상기 초기화는 오토-제로잉(auto zeroing) 동작을 의미할 수 있다.
스위칭 신호(SAZ)는 타이밍 컨트롤러(30)에 의해서 생성될 수 있다. 타이밍 컨트롤러(30)는 CPU(도 1의 210)로부터 전송된 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 스위칭 신호(SAZ)를 생성할 수 있다.
비교기(42)는 기준값 입력노드(NRI)를 통하여 입력된 기준 전압(VX)과 비교값 입력노드(NCI)의 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 비교 신호(SCOMP)를 생성할 수 있다. 비교기(42)는 생성된 비교 신호(SCOMP)를 래치 및 감지 증폭기 블록(50)으로 전송할 수 있다.
본 명세서에서 사용한 '기준 전압'이라는 용어는 비교기(42)의 기준값 입력노드(NRI)로 공급되는 전압뿐만 아니라 비교기(42)가 비교 신호(SCOMP)를 생성하는 데 기준이 되는 전압을 포괄하여 의미할 수 있다.
래치 및 감지 증폭기 블록(50)은 래치(latch; 미도시)와 감지 증폭기(sense amplifier; 미도시)를 포함할 수 있다. 상기 래치는 비교 신호(SCOMP)를 저장할 수 있다. 상기 감지 증폭기는 상기 래치에 저장된 비교 신호(SCOMP)를 감지 및 증폭하여 이미지 데이터(IDATA)로써 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 변환 회로(40A)의 동작은 도 4와 도 5를 참조하여 상세히 설명된다.
도 4는 도 3에 도시된 제어 신호들의 일 실시 예에 따른 타이밍도이다.
도 3과 도4를 참조하면, 선택 트랜지스터(SX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 현재 프레임(present frame)에 상응하는 제1시점(T1)부터 제7시점(T7)까지의 구간 동안 턴-온 될 수 있다.
제1초기화 스위치(SWAZ1)는 스위칭 신호(SAZ)에 응답하여 제1시점(T1)부터 제2시점(T2) 까지 턴-온 될 수 있다.
제1초기화 스위치(SWAZ1)가 턴-온 됨에 따라, 비교값 입력노드(NCI)의 전압이 기준 전압(VX)과 같아지도록 하는 초기화 동작이 수행될 수 있다.
픽셀(26)의 리셋 동작 이전에(즉, 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온 되기 이전에) 상기 초기화 동작이 수행되므로, 상기 초기화 동작 시 픽셀(26)의 플로팅 디퓨젼 노드(NFD)에는 이전 프레임(previous frame) 동안 축적된 광 전하들이 유지되고 있다. 즉, 상기 초기화 동작시 이전 프레임 동안 축적된 광 전하들의 전하량에 상응하는 제1픽셀 신호(PIX1)가 픽셀(26)로부터 출력되며, 픽셀 신호 입력노드(NPI)의 전압은 제1픽셀 신호(PIX1)에 의해서 결정된다.
상기 초기화 동작을 통하여 제1커플링 커패시터(CAZ1)의 양단에는 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)과 기준 전압(VX)의 전압의 차에 상응하는 전압 차(VPIX1-VX)가 발생한다. 제2시점(T2)에서 제1초기화 스위치(SWAZ1)는 턴-오프되므로, 제2시점(T2) 이후에 제1커플링 커패시터(CAZ1)의 양단의 전압 차(VPIX1-VX)는 유지된다.
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어 신호(RS)에 응답하여 제3시점(T3)부터 제시점(T4) 까지 턴-온 될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온 됨에 따라, 이전 프레임 동안 축적된 광 전하들이 남아있던 플로팅 디퓨젼 노드(NFD)는 리셋 될 수 있다.
제4시점(T4)부터 제5시점(T5)까지 현재 프레임에 상응하는 광 전하들이 광전 변환 소자(26A)에 의해서 생성될 수 있다.
전송 트랜지스터(TX)는 전송 제어 신호(TS)에 응답하여 제5시점(T5)부터 제6시점(T6) 까지 턴-온 될 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)가 턴-온 됨에 따라, 현재 프레임 동안 생성된 광 전하들이 플로팅 디퓨젼 노드(NFD)로 전송될 수 있다.
제6시점(T6) 이후에는 현재 프레임 동안 픽셀(26)에 축적된 광 전하들의 전하량에 상응하는 제2픽셀 신호(PIX2)가 픽셀(26)로부터 출력될 수 있다.
즉, 제1픽셀 신호(PIX1)와 제2픽셀 신호(PIX2) 각각은 아날로그 신호이며, 현재 프레임 동안 순차적으로 출력될 수 있다.
출력된 제2픽셀 신호(PIX2)는 픽셀신호 입력노드(NPI)로 입력되며, 픽셀신호 입력노드(NPI)의 전압은 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)와 같아진다. 이때, 제1커플링 커패시터(CAZ1)의 양단에는 제2시점(T2)에서의 전압 차(VPIX1-VX)가 유지되므로, 비교값 입력노드(NCI)의 전압은 VX에서 VX+(VPIX2-VPIX1)로 바뀔 수 있다. 즉, 제1커플링 커패시터(CAZ1)는 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)과 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)의 차이(VPIX2-VPIX1)를 저장할 수 있다.
제1커플링 커패시터(CAZ1)는 제1픽셀 신호(PIX1)와 제2픽셀 신호(PIX2)의 차이를 저장할 수 있는 픽셀 신호 차이 저장 회로의 일 예로써 설명되나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
비교기(42)는 기준값 입력노드(NRI)를 통하여 입력된 기준 전압(VX)과 비교값 입력노드(NCI)의 전압(VX+VPIX2-VPIX1)을 비교하고, 비교 결과에 따라 비교 신호(SCOMP)를 생성할 수 있다.
즉, 비교기(42)는 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)과 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)의 차이(VPIX2-VPIX1)를 1-비트 디지털 신호인 비교 신호(SCOMP)로 변환할 수 있다.
본 명세서에서 사용한 '기준 전압'이라는 용어는 비교기(42)의 기준값 입력노드(NRI)로 공급되는 전압(예컨대, VX) 뿐만 아니라, 비교기(42)가 비교 신호(SCOMP)를 생성하는 데 기준이 되는 전압, 또는 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)과 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)의 차이(VPIX2-VPIX1)와의 비교 기준이 되는 전압(예컨대, 0V)을 포괄하여 의미할 수 있다.
예컨대, 비교기(42)는 현재 프레임의 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)이 이전 프레임의 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)보다 높은 경우, 하이 레벨의 비교 신호(SCOMP)를 생성하고, 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)이 이전 프레임의 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)보다 낮은 경우, 로우 레벨의 비교 신호(SCOMP)를 생성할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 제어 신호들의 다른 실시 예에 따른 타이밍도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 선택 신호(SEL)를 제외한 도 5에 도시된 제어 신호들(SAZ, RS, 및 TS)의 타이밍은 도 4에 도시된 제어 신호들(SAZ, RS, 및 TS)의 타이밍과 실질적으로 동일하다.
선택 트랜지스터(SX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여, 픽셀 신호(PIX1 또는 PIX2)의 출력이 필요한 시점에만 턴-온 될 수 있다.
즉, 선택 트랜지스터(SX)는, 픽셀신호 입력 노드(NPI)의 전압을 이전 프레임에 상응하는 제1픽셀 신호(PIX1)를 이용하여 초기화하는 제1시점(T1)부터 제2시점까지의 구간과 현재 프레임에 상응하는 제2픽셀 신호(PIX2)를 픽셀신호 입력 노드(NPI)로 입력하는 제7시점(T7)부터 제8시점(T8)까지의 구간에서 턴-온 될 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 픽셀과 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 2, 도 3, 및 도 6을 참조하면, 도 2에 리드아웃 회로(28)의 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로(28B)의 구조 및 동작은, 픽셀신호 출력 스위치(SWC)를 제외하면 도 3에 도시된 리드아웃 회로(28A)의 구조 및 동작과 실질적으로 동일하다.
픽셀신호 출력 스위치(SWC)는 픽셀(26)과 제1커플링 커패시터(CAZ1) 사이에 접속될 수 있다.
타이밍 컨트롤러(30)는 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 스위칭 신호(SC)를 생성할 수 있다. 픽셀신호 출력 스위치(SWC)는 타이밍 컨틀롤러(30)에 의해 생성된 스위칭 신호(SC)에 응답하여 스위칭될 수 있다.
픽셀신호 출력 스위치(SWC)의 구체적인 동작은 도 7을 참조하여 상세히 설명된다.
도 6의 아날로그-디지털 변환회로(40B)의 구조 및 동작은, 도 3에 도시된 아날로그-디지털 변환회로(40A)의 구조 및 동작과 실질적으로 동일하다.
도 7은 도 6에 도시된 제어 신호들의 다른 실시 예에 따른 타이밍도이다.
도 4, 도 6, 및 도 7을 참조하면, 스위칭 신호(SC)를 제외한 도 7에 도시된 제어 신호들(SEL, SAZ, RS, 및 TS)의 타이밍은 도 4에 도시된 제어 신호들(SEL, SAZ, RS, 및 TS)의 타이밍과 실질적으로 동일하다.
픽셀신호 출력 스위치(SWC)는 선택 신호(SC)에 응답하여, 픽셀 신호(PIX1 또는 PIX2)의 출력이 필요한 시점에만 턴-온 될 수 있다.
즉, 픽셀신호 출력 스위치(SWC)는, 제1시점(T1)부터 제2시점(T2)까지의 구간과 제7시점(T7)부터 제8시점(T8)까지의 구간에서 턴-온 될 수 있다.
제1시점(T1)부터 제2시점(T2)까지의 구간은 픽셀신호 입력 노드(NPI)의 전압을 이전 프레임에 상응하는 제1픽셀 신호(PIX1)를 이용하여 초기화하는 구간이다.
제7시점(T7)부터 제8시점(T8)까지의 구간은 현재 프레임에 상응하는 제2픽셀 신호(PIX2)를 픽셀신호 입력 노드(NPI)로 입력하는 구간이다.
도 8은 도 2에 도시된 픽셀과 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 2, 도 3, 및 도 8을 참조하면, 도 2에 도시된 리드아웃 회로(28)의 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로(28C)는 제1커플링 커패시터(CAZ1), 아날로그-디지털 변환 회로(40C)와 래치 및 감지 증폭기 블록(50)을 포함한다.
아날로그-디지털 변환 회로(40C)에 포함된 비교기(42')는 도 3에 도시된 비교기(42)와는 달리 2개의 출력 노드(NCO1과 NCO2)들을 가지며, 2개의 출력 노드(NCO1과 NCO2)들 각각을 통해 출력되는 출력 값은 서로 상보적일 수 있다.
아날로그-디지털 변환 회로(40C)는 기준 전압 공급 회로(40C-1)를 포함한다. 기준 전압 공급 회로(40C-1)는 비교기(42')의 제2출력 노드(NCO2)와 기준값 입력 노드(NRI) 사이에 접속된 제2초기화 스위치(SWAZ2)를 포함한다. 제2초기화 스위치(SWAZ2)는 제1초기화 스위치(SWAZ1)과 함께 스위칭 신호(SAZ)에 의해 스위칭될 수 있다.
기준 전압 공급 회로(40C-1)는 전원 소스(power source;VX)와 기준값 입력 노드(NRI) 사이에 제2커플링 커패시터(CAZ2)를 포함할 수 있다.
초기화 동작시, 제1초기화 스위치(SWAZ1)와 제2초기화 스위치(SWAZ2)가 함께 턴-온 됨에 따라 기준값 입력 노드(NRI)와 비교값 입력 노드(NCI)는 임의의 전압 값으로 초기화될 수 있다. 이 경우, 상기 임의의 전압이 기준 전압이 될 수 있다.
도 9는 도 2에 도시된 픽셀과 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 2, 도 3, 및 도 9을 참조하면, 도 2에 도시된 리드아웃 회로(28)의 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로(28D)는 아날로그-디지털 변환 회로(40D), 래치 및 감지 증폭기 블록(50), 카운터(counter;60), 및 제2스위치 어레이(swtich array;62)를 포함한다.
아날로그-디지털 변환 회로(40D)는 램프 신호 생성기(ramp signal generator;44)와 제1스위치 어레이(46)를 포함할 수 있다.
램프 신호 생성기(44)는 램프 신호를 생성하고, 생성된 램프 신호를 비교값 입력 노드(NRI)로 공급할 수 있다.
제1스위치 어레이(46)는 스위치들(SW1와 SW2)을 포함하며, 스위칭 신호들(SE와 /SE)에 응답하여 램프 신호와 기준 전압(VSS) 중에서 어느 하나를 기준값 입력 노드(NRI)로 공급할 수 있다.
실시 예에 따라, 도 1의 이미지 센서(100)를 기존의 컬러 이미지 센서로 동작시키기 위한 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 타이밍 컨트롤러(30)에 의해 생성된 스위칭 신호들(SE와 /SE)에 따라, 제1스위치 어레이(46)는 램프 신호를 기준값 입력 노드(NRI)로 공급할 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 도 1의 이미지 센서(100)를 모션(motion)을 감지할 수 있는 이미지 센서로 동작시키기 위한 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 타이밍 컨트롤러(30)에 의해 생성된 스위칭 신호들(SE와 /SE)에 따라, 제1스위치 어레이(46)는 기준 전압(VSS)를 기준값 입력 노드(NRI)로 공급할 수 있다.
카운터(60)는 클럭 신호(clock signal;미도시)에 응답하여 비교 신호(SCOMP)의 레벨 천이 시간을 카운트할 수 있다.
제2스위치 어레이(62)는 스위치들(SW3와 SW4)을 포함하며, 스위칭 신호들(SE와 /SE)에 응답하여 비교 신호(SCOMP)를 카운터(60)와 래치 및 감지 증폭기 블록(50)에 포함된 래치 중에서 어느 하나로 공급할 수 있다.
실시 예에 따라, 도 1의 이미지 센서(100)를 기존의 컬러 이미지 센서로 동작시키기 위한 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 타이밍 컨트롤러(30)에 의해 생성된 스위칭 신호들(SE와 /SE)에 따라, 제2스위치 어레이(62)는 비교 신호(SCOMP)를 카운터(60)로 공급할 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 도 1의 이미지 센서(100)를 모션(motion)을 감지할 수 있는 이미지 센서로 동작시키기 위한 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여 타이밍 컨트롤러(30)에 의해 생성된 스위칭 신호들(SE와 /SE)에 따라, 제2스위치 어레이(62)는 비교 신호(SCOMP)를 래치 및 감지 증폭기 블록(50)에 포함된 래치로 공급할 수 있다.
전원 관리 유닛(power management unit;70)은 CPU(210)로부터 전송된 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 램프 신호 생성기(44)와 카운터(60) 각각으로 공급되는 전원 신호(PRSG 또는 PCNT)를 제어할 수 있다.
실시 예에 따라, 전원 관리 유닛(70)은 도 1의 이미지 센서(100)를 모션(motion)을 감지할 수 있는 이미지 센서로서 동작시키기 위한 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 전원 신호(PRSG 또는 PCNT)를 제어함으로써 램프 신호 생성기(44)와 카운터(60)의 전원을 턴-오프할 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 전원 관리 유닛(70)은 도 1의 이미지 센서(100)를 모션을 감지할 수 있는 이미지 센서로서 동작시키기 위한 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 래치 및 감지 증폭기 블록(50)에 포함되고 복수의 비트들을 래치할 수 있는 래치(미도시)의 1-비트만을 활성화 시킬 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(100)의 픽셀 어레이(24)에 포함된 픽셀들(26) 중의 일부를 이용하여 모션을 감지하는 경우, 전원 관리 유닛(70)은 램프 신호 생성기(44)와 카운터(60) 외에도 이미지 센서(100)에 포함된 구성들 중에서 모션 감지에 불필요한 부분(예컨대, 리드아웃 회로(28)의 일부 및 로우 디코더(34)의 일부 등)의 전원 공급을 제어할 수 있다.
상기 전원 관리 유닛(70)의 동작들에 따라, 도 1의 이미지 센서(100)에서 소모되는 전력을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 10은 도 2에 도시된 픽셀과 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 2, 도 3, 및 도 10을 참조하면, 도 2에 도시된 리드아웃 회로(28)의 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로(28E)는 아날로그-디지털 변환 회로(40E)와 래치 및 감지 증폭기 블록(50)을 포함한다.
아날로그-디지털 변환 회로(40E)는 오프셋 생성 회로(offset generating circuit;48)를 포함할 수 있다.
오프셋 생성 회로(48)는 비교값 입력 노드(NCI)와 기준값 입력 노드(NRI) 각각에 서로 다른 값을 가지는 오프셋 전압을 공급할 수 있다. 오프셋 생성 회로(48)로부터 공급되는 상기 오프셋 전압에 의해 노이즈(noise)에 의한 오류가 줄어드는 효과가 있다.
오프셋 생성 회로(48)의 구조 및 동작에 대해서는 도 11 내지 도 13을 참조하여 상세히 설명된다.
도 11은 도 10에 도시된 아날로그-디지털 변환 회로의 회로도이다. 도 12는 도 11에 도시된 비교 신호의 일 실시 예에 따른 그래프이다. 도 13은 도 11에 도시된 비교 신호의 다른 실시 예에 따른 그래프이다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 오프셋 생성 회로(48)는 가산기(adder;82)를 통하여 비교값 입력 노드(NCI)의 전압에 제1오프셋 전압(VOFS1)을 더하고, 오프셋 생성 회로(48)는 가산기(84)를 통하여 기준 전압(VX)에 제2오프셋 전압(VOFS2)을 더할 수 있다. 가산기(84)는 기준값 입력 노드(NRI)에 위치한다.
기준값 입력 노드(NRI)와 비교값 입력 노드(NCI)는 오프셋 생성 회로(48)에 의해 공급된 오프셋 전압들(VOFS1과 VOFS2)에 의해 오프셋 전압 차(ΔVOFS=VOFS2-VOFS1)가 발생한다.
즉, 오프셋 전압 차(ΔVOFS=VOFS2-VOFS1)에 의해, 비교기(42)의 비교 기준이 되는 기준 전압이 달라질 수 있다.
오프셋 전압 차가 양의 값을 가지는 경우, 비교 신호(SCOMP)는 도 12에 도시된 바와 같다. 예컨대, 현재 프레임에 상응하는 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)과 이전 프레임에 상응하는 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)의 차이가 오프셋 전압차(+ΔVOFS) 이상인 경우 비교 신호(SCOMP)는 하이 레벨이고, 상기 차이가 오프셋 전압차(+ΔVOFS) 보다 작은 경우, 비교 신호(SCOMP)는 로우 레벨일 수 있다.
즉, 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)이 오차 범위(예컨대, +ΔVOFS) 내에서 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)보다 높은 경우, 비교 신호(SCOMP)는 로우 레벨일 수 있다.
오프셋 전압 차가 음의 값을 가지는 경우, 비교 신호(SCOMP)는 도 13에 도시된 바와 같다. 예컨대, 현재 프레임에 상응하는 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)과 이전 프레임에 상응하는 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)의 차이가 오프셋 전압 차(-ΔVOFS) 이상인 경우 비교 신호(SCOMP)는 하이 레벨이고, 상기 차이가 차동 오프셋(-ΔVOFS) 보다 작은 경우, 비교 신호(SCOMP)는 로우 레벨일 수 있다.
즉, 제2픽셀 신호(PIX2)의 전압(VPIX2)이 오차 범위(예컨대, -ΔVOFS) 내에서 제1픽셀 신호(PIX1)의 전압(VPIX1)보다 낮은 경우, 비교 신호(SCOMP)는 하이 레벨일 수 있다.
도 14는 도 2에 도시된 픽셀 어레이와 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 2, 도 10 내지 도 14를 참조하면, 도 2에 도시된 리드아웃 회로(28)의 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로(28F)는 제1아날로그-디지털 변환 회로(40-1)와 제2아날로그-디지털 변환 회로(40-2)를 포함할 수 있다.
제1아날로그-디지털 변환 회로(40-1)와 제2아날로그-디지털 변환 회로(40-2) 각각의 구조 및 동작은 도 11에 도시된 아날로그-디지털 변환 회로(40-E)의 구조 및 동작과 실질적으로 동일하다.
도 14에서는 설명의 편의를 위하여 제1커플링 커패시터(CAZ1)의 도시가 생략되었으나, 제1커플링 커패시터(CAZ1)는 각 픽셀(26-1 또는 26-2)과 각 아날로그-디지털 변환 회로(40-1 또는 40-2) 사이에 접속될 수 있다.
실시 예에 따라, 제1아날로그-디지털 변환 회로(40-1)의 오프셋 전압 차(ΔVOFS)는 양의 값을 가지고, 제2아날로그-디지털 변환 회로(40-2)의 오프셋 전압 차(ΔVOFS)는 음의 값을 가질 수 있다. 즉, 제1아날로그-디지털 변환 회로(40-1)에 포함된 비교기로 공급되는 기준 전압과 제2아날로그-디지털 변환 회로(40-2)에 포함된 비교기로 공급되는 기준 전압은 서로 다를 수 있다.
이 경우, 제1아날로그-디지털 변환 회로(40-1)는 현재 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압이 오차 범위(예컨대, ΔVOFS) 내에서 이전 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압보다 높은 경우, 제1비교 신호(SCOMP1)는 로우 레벨일 수 있다.
제2아날로그-디지털 변환 회로(40-2)는 현재 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압이 오차 범위(예컨대, -ΔVOFS) 내에서 이전 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압보다 낮은 경우, 제2비교 신호(SCOMP2)는 하이 레벨일 수 있다.
제1비교 신호(SCOMP1)와 제2비교 신호(SCOMP2)가 모두 로우 레벨인 경우는 현재 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압이 이전 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압보다 낮아진 경우, 즉 광량이 감소한 경우를 의미한다.
제1비교 신호(SCOMP1)는 로우 레벨이고 제2비교 신호(SCOMP2)는 하이 레벨인 경우는 현재 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압이 오차 범위(-ΔVOFS~+ΔVOFS) 내에서 이전 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압과 동일한 경우, 즉 광량의 변화가 없어서 광량이 유지되는 경우를 의미한다.
제1비교 신호(SCOMP1)와 제2비교 신호(SCOMP2)가 모두 하이 레벨인 경우는 현재 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압이 이전 프레임에 상응하는 픽셀 신호의 전압보다 높아진 경우, 즉 광량이 증가한 경우를 의미한다.
제1비교 신호(SCOMP1)와 제2비교 신호(SCOMP2)에 기초하여 리드아웃 회로(28F)로부터 모션 정보를 포함하는 이미지 데이터(IDATA)가 출력될 수 있다.
도 15는 도 2에 도시된 픽셀 어레이와 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 회로도이다.
도 15에서는 설명의 편의를 위하여 제1커플링 커패시터(CAZ1)의 도시가 생략되었으나, 제1커플링 커패시터(CAZ1)는 픽셀(26-1)과 각 아날로그-디지털 변환 회로(40-1 또는 40-2) 사이에 접속될 수 있다.
도 2와 도 10 내지 도 15를 참조하면, 도 2에 도시된 리드아웃 회로(28)의 또 다른 실시 예에 따른 리드아웃 회로(28G)는 하나의 픽셀(26-1)로부터 출력된 픽셀 신호들을 이용하여 도 14에 도시된 리드아웃 회로(28F)와 실질적으로 동일한 동작을 수행할 수 있다.
도 16은 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시 예에 따른 활성화 픽셀 그룹을 나타낸 도면이다. 도 17은 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 다른 실시 예에 따른 활성화 픽셀 그룹을 나타낸 도면이다. 도 18은 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 또 다른 실시 예에 따른 활성화 픽셀 그룹을 나타낸 도면이다.
도 2와 도 16 내지 도 18을 참조하면, 도 2에 도시된 이미지 센서(100)가 모션 센싱 모드로 동작하는 경우 모드 선택 신호(MSEL)에 기초하여, 픽셀 어레이(24)에 포함된 복수의 픽셀들 중에서 모션 센싱에 사용할 픽셀을 포함하는 활성화 픽셀 그룹(enable pixel group)을 선택하여 동작시킬 수 있다.
도 16의 경우, 활성화 픽셀 그룹은 밀집된 영역에 위치할 수 있다. 즉, 활성화 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들은 서로 인접할 수 있다. 이 경우, 밀집된 영역에 위치한 활성화 픽셀 그룹을 사용함으로써, 모션 센싱의 감도 또는 해상도가 높아질 수 있다.
도 17의 경우, 활성화 픽셀 그룹은 픽셀 어레이(24)의 가장자리들에 위치할 수 있다.
도 18의 경우, 활성화 픽셀 그룹은 분산된 영역에 위치할 수 있다. 즉, 활성화 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들은 서로 인접하지 않을 수 있다. 이 경우, 분산된 영역에 위치한 활성화 픽셀 그룹을 사용함으로써, 더 넓은 범위의 동작을 감지할 수 있다.
도 19는 도 1에 도시된 이미지 센서의 다른 실시 예에 따른 블록도이다.
도 1, 도 2, 및 도 19를 참조하면, 도 1에 도시된 이미지 센서(100)의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서(100')는 TOF(time-of-flight) 방식으로 동작하는 이미지 센서일 수 있다.
이미지 센서(100')는 도 2에 도시된 이미지 센서(100)에 비해 광원(light source; 20), 적외선 통과 필터(infrared ray(IR) pass filter;22), 포토 게이트 컨트롤러(photo gate controller;32), 및 광원 구동기(light source driver;36)를 더 포함할 수 있다.
광원(20)은 광원 구동기(36)의 제어 신호(MLS)에 따라 대상(1)으로 변조된 광신호, 예컨대 적외선을 방사할 수 있다.
적외선 통과 필터(22)는 광원(20)으로부터 방사되어 대상(1)으로부터 반사된 광신호만을 픽셀 어레이(24)로 통과시킬 수 있다.
픽셀 어레이(24)는 복수의 픽셀들(26')을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(26') 각각은 TOF 센서 픽셀로 구현될 수 있다.
포토 게이트 컨트롤러(32)는 타이밍 컨트롤러(30)의 제어에 따라 포토 게이트 컨트롤 신호들을 생성하고, 생성된 포토 게이트 컨트롤 신호들을 픽셀 어레이(24)로 전송할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법의 플로우차트이다.
도 3과 도 20을 참조하면, 제1커플링 커패시터(CAZ1)는 픽셀(26)의 이전 프레임에 상응하는 제1픽셀 신호(PIX1)와 픽셀(26)의 현재 프레임에 상응하는 제2픽셀 신호(PIX2)의 차이를 저장할 수 있다(S10).
제1픽셀 신호(PIX1)는 이전 프레임 동안 픽셀(26)에 축적된 광 전하들의 전하량에 상응하고, 제2픽셀 신호(PIX2)는 현재 프레임 동안 상기 픽셀(26)에 축적된 광 전하들의 전하량에 상응할 수 있다.
아날로그-디지털 변환 회로(40A)는 저장된 차이를 1-비트 디지털 신호, 예컨대 비교 신호(SCOMP)로 변환하여 출력할 수 있다(S12).
도 21은 도 1의 이미지 센서를 포함하는 시스템의 일 실시 예에 따른 블록도이다.
도 1과 도 21를 참조하면, 전자 시스템(1000)은 MIPI®(mobile industry processor interface)를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대, PDA (personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), IPTV(internet protocol television) 또는 스마트 폰(smart phone)으로 구현될 수 있다.
전자 시스템(1000)은 도 1의 이미지 센서(100), 애플리케이션 프로세서(application processor; 1010), 및 디스플레이(1050)를 포함한다.
애플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 CSI 호스트(camera serial interface(CSI) host; 1012)는 카메라 시리얼 인터페이스를 통하여 이미지 센서 (100)의 CSI 장치(1041)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, CSI 호스트 (1012)는 디시리얼라이저(deserializer(DES))를 포함할 수 있고, CSI 장치(1041)는 시리얼라이저(serializer(SER))를 포함할 수 있다.
애플리케이션 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)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1051)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 전자 시스템(1000)은 애플리케이션 프로세서(1010)와 통신할 수 있는 RF 칩(1060)을 더 포함할 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1010)에 포함된 PHY(PHYsical layer; 1013)와 RF 칩(1060)에 포함된 PHY(1061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
실시 예에 따라, 전자 시스템(1000)은 GPS(1020) 수신기, 스토리지(storage; 1070), 마이크로폰(microphone(MIC); 1080), DRAM(dynamic random access memory; 1085) 및 스피커(speaker; 1090)를 더 포함할 수 있다.
전자 시스템(1000)은 Wimax(world interoperability for microwave access; 1030) 모듈, WLAN(wireless lan; 1100) 모듈 및/또는 UWB(ultra wideband; 1110) 모듈 등을 이용하여 통신할 수 있다.
도 22는 도 1의 이미지 센서를 포함하는 시스템의 다른 실시 예에 따른 블록도이다.
도 1과 도 22을 참조하면, 이미지 처리 시스템(1200)은 도 1의 이미지 센서(100), 프로세서(1210), 메모리(1220), 디스플레이 유닛(1230) 및 인터페이스(1240)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 이미지 처리 시스템(1200)은 의료 장치 또는 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다. 상기 휴대용 전자 장치는 이동 전화기, 스마트 폰(smart phone), 태블릿 (tablet) PC, PDA(personal digital assistant), EDA(enterprise digital assistant), PMP (portable multimedia player), 또는 e-북(e-book) 등으로 구현될 수 있다.
프로세서(1210)는 이미지 센서(100)의 동작을 제어하거나, 이미지 센서(100)로부터 출력된 이미지 데이터를 처리할 수 있다.
실시 예에 따라, 프로세서(1210)는 ISP(200)를 의미할 수 있다.
메모리(1220)는 프로세서(1210)의 제어에 따라 버스(1250)를 통하여 이미지 센서(100)의 동작을 제어하기 위한 프로그램과 프로세서(1210)에서 생성된 이미지를 저장할 수 있고, 프로세서(1210)는 저장된 정보를 액세스하여 상기 프로그램을 실행시킬 수 있다. 메모리(1220)는 예컨대, 불휘발성 메모리(non-volatile memory)로 구현될 수 있다.
디스플레이 유닛(1230)은 이미지를 프로세서(1210) 또는 메모리 (1220)로부터 수신하여 디스플레이, 예컨대, LCD(Liquid Crystal Display), LED 디스플레이, OLED 디스플레이, AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes) 디스플레이, 또는 플렉시블 디스플레이(flexible display)를 통하여 디스플레이할 수 있다.
인터페이스(1240)는 2차원 또는 3차원 이미지를 입출력하기 위한 인터페이스로 구현될 수 있다. 실시 예에 따라, 인터페이스(1240)는 무선 인터페이스로 구현될 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.
10 : 이미지 처리 시스템 30 : 타이밍 컨트롤러
20 : 광원 34 : 로우 디코더
22 : 적외선 통과 필터 100 : 이미지 센서
24 : 픽셀 어레이 205 : 디스플레이 유닛
26 : 픽셀 210 : CPU(central processing unit)
28 : 리드아웃 회로 220 : 주변 회로

Claims (20)

  1. 복수의 픽셀들로부터 출력되고 이전 프레임에 상응하는 복수의 제1아날로그 픽셀 신호들 각각과 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 현재 프레임에 상응하는 제2아날로그 픽셀 신호들 각각의 차이들 각각을 저장하는 단계; 및
    저장된 차이들 각각을 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각으로 변환하는 단계를 포함하는 이미지 처리 시스템의 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 1-비트 디지털 신호들을 이용하여, 상기 이전 프레임과 상기 현재 프레임 사이의 대상의 움직임을 인식하는 단계를 더 포함하는 이미지 처리 시스템의 동작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1아날로그 픽셀 신호들 각각은 상기 이전 프레임 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에 축적된 광 전하들의 전하량에 상응하고, 상기 제2아날로그 픽셀 신호들 각각은 상기 현재 프레임 동안 상기 복수의 픽셀들 각각에 축적된 광 전하들의 전하량에 상응하는 이미지 처리 시스템의 동작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 중에서 어느 하나의 픽셀로부터 출력된 제1아날로그 픽셀 신호와 상기 어느 하나의 픽셀로부터 출력된 제2아날로그 픽셀 신호는 상기 현재 프레임 동안 순차적으로 출력되는 이미지 처리 시스템의 동작 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1아날로그 픽셀 신호들 각각에 기초하여, 상기 이미지 처리 시스템에 포함된 아날로그-디지털 변환 회로의 오토-제로잉(auto zeroing) 동작을 수행하는 이미지 처리 시스템의 동작 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 오토-제로잉 동작 이후에,
    상기 제2아날로그 픽셀 신호들 각각이 상기 복수의 픽셀들 각각으로부터 출력되는 이미지 처리 시스템의 동작 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 저장하는 단계 이전에,
    픽셀 어레이에 포함된 전체 픽셀들 중에서 상기 복수의 픽셀들을 포함하는 활성화 픽셀 그룹을 선택하는 단계를 더 포함하는 이미지 처리 시스템의 동작 방법.
  8. 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 이전 프레임에 상응하는 복수의 제1아날로그 픽셀 신호들 각각과 상기 복수의 픽셀들로부터 출력되고 현재 프레임에 상응하는 복수의 제2아날로그 픽셀 신호들 각각의 차이들 각각을 저장하는 픽셀 신호 차이 저장 회로; 및
    저장된 차이들 각각을 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각으로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로를 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 픽셀 신호 차이 저장 회로는,
    각각이 상기 차이들 각각을 저장하는 복수의 커플링 커패시터들을 포함하는 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환 회로는 복수의 비교기들을 포함하고,
    상기 복수의 비교기들 각각은,
    상기 저장된 차이들 각각과 기준 전압을 비교하고, 비교 결과들에 따라 상기 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각을 출력하는 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 커플링 커패시터들 각각은 상기 차이들 각각에 기초하여 상기 복수의 비교기들 각각의 비교값 입력노드의 전압을 조절하고,
    상기 복수의 비교기들 각각은 조절된 비교값 입력노드의 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 이미지 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    각각이 상기 복수의 비교기들 각각의 상기 비교값 입력노드와 상기 복수의 비교기들 각각의 제1출력노드 사이에 접속된 제1초기화 스위치들을 더 포함하고,
    상기 제1초기화 스위치들 각각이 턴-온(turn-on) 됨에 따라 상기 복수의 비교기들 각각의 상기 비교값 입력노드의 전압은 상기 기준 전압과 같아지도록 초기화되는 이미지 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1초기화 스위치들 각각은 상기 비교값 입력노드의 상기 전압과 상기 기준 전압이 같아진 이후 턴-오프(turn-off) 되고,
    상기 제1초기화 스위치들 각각이 턴-오프 된 이후, 상기 복수의 픽셀들 각각이 리셋 동작을 수행하는 이미지 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 비교기들 각각의 기준값 입력노드로 상기 기준 전압을 공급하는 기준 전압 공급 회로를 더 포함하는 이미지 센서.
  15. 제14항에 있어서, 상기 기준 전압 공급 회로는,
    각각이 상기 복수의 비교기들 각각의 제2출력노드와 상기 복수의 비교기들 각각의 상기 기준값 입력노드 사이에 접속되고 상기 제1초기화 스위치들 각각과 함께 스위칭되는 제2초기화 스위치들을 포함하는 이미지 센서.
  16. 제14항에 있어서, 상기 기준 전압 공급 회로는,
    모드 선택 신호에 기초하여, 램프 신호와 상기 기준 전압 중에서 어느 하나를 상기 기준값 입력 노드로 공급하는 제1스위치 어레이(switch array)를 포함하는 이미지 센서.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 모드 선택 신호에 기초하여, 상기 복수의 1-비트 디지털 신호들 각각을 카운터(counter) 또는 래치(latch)로 전송하는 제2스위치 어레이를 더 포함하는 이미지 센서.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 모드 선택 신호에 기초하여, 상기 카운터 또는 상기 램프 신호를 생성하는 램프 신호 생성기로 공급되는 전원을 제어하는 전원 관리 유닛을 더 포함하는 이미지 센서.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 비교기들 중 어느 하나로 공급되는 기준 전압과 상기 복수의 비교기들 중 다른 하나로 공급되는 기준 전압은 서로 다른 이미지 센서.
  20. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 각각과 상기 복수의 커플링 커패시터들 각각의 사이에 접속되고, 상기 복수의 제1아날로그 픽셀 신호들 각각과 상기 복수의 제2아날로그 픽셀 신호들 각각의 출력을 제어하기 위한 픽셀신호 출력 스위치를 더 포함하는 이미지 센서.
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