KR20140147334A

KR20140147334A - 이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서

Info

Publication number: KR20140147334A
Application number: KR1020130070402A
Authority: KR
Inventors: 김태찬; 김무영
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2014-12-30
Also published as: KR102102702B1; US20140374572A1; US9986188B2

Abstract

이미지 센서의 단위 픽셀은 광전 변환부, 모드 제어부, 제1 신호 생성부 및 제2 신호 생성부를 포함한다. 광전 변환부는 입사광에 응답하여 광전하를 생성하여 제1 노드에 제공한다. 모드 제어부는 제1 동작 모드에서 광전하가 제1 노드로부터 유출되는 것을 방지하고, 제2 동작 모드에서 광전하를 통과시켜 센싱 전류로서 출력하고 센싱 전류의 크기에 비례하는 센싱 전압을 생성한다. 제1 신호 생성부는 제1 동작 모드에서 제1 노드에 축적된 광전하의 양에 기초하여 아날로그 신호를 생성한다. 제2 신호 생성부는 제2 동작 모드에서 센싱 전압의 변화에 기초하여 온 신호 및 오프 신호를 생성한다. 이미지 센서는 동작 모드에 따라 다양한 정보를 제공할 수 있다.

Description

이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서 {UNIT PIXEL OF IMAGE SENSOR AND IMAGE SENSOR HAVING THE SAME}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 센싱 기능을 수행하는 이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.

최근 모바일 장치의 기술이 발전함에 따라 2차원 이미지를 획득하는 이차원 이미지 센서(two dimensional image sensor), 피사체의 움직임을 감지하는 모션 센서(motion sensor), 주변광의 세기를 감지하는 주변광 센서(ambient light sensor) 및 피사체까지의 거리를 감지하는 근접 센서(proximity sensor) 등이 모바일 장치에 포함될 수 있다.

그러나 복수의 센서들이 모바일 장치에 포함되는 경우 소비 전력이 증가하고 센서들이 차지하는 면적이 증가하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 다양한 센싱 기능을 수행하는 이미지 센서의 단위 픽셀을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀은 광전 변환부, 모드 제어부, 제1 신호 생성부 및 제2 신호 생성부를 포함한다. 상기 광전 변환부는 입사광에 응답하여 광전하를 생성하여 제1 노드에 제공한다. 상기 모드 제어부는 제1 동작 모드에서 상기 광전하가 상기 제1 노드로부터 유출되는 것을 방지하고, 제2 동작 모드에서 상기 광전하를 통과시켜 센싱 전류로서 출력하고 상기 센싱 전류의 크기에 비례하는 센싱 전압을 생성한다. 상기 제1 신호 생성부는 상기 제1 동작 모드에서 상기 제1 노드에 축적된 상기 광전하의 양에 기초하여 아날로그 신호를 생성한다. 상기 제2 신호 생성부는 상기 제2 동작 모드에서 상기 센싱 전압의 변화에 기초하여 온 신호 및 오프 신호를 생성한다.

일 실시예에 있어서, 상기 모드 제어부는, 게이트, 상기 제1 노드에 연결되는 소스 및 상기 센싱 전류를 출력하는 드레인을 포함하는 NMOS 트랜지스터, 상기 제1 노드 및 상기 NMOS 트랜지스터의 게이트 사이에 연결되고, 상기 센싱 전류의 크기에 비례하는 상기 센싱 전압을 생성하는 증폭기, 및 상기 NMOS 트랜지스터의 게이트 및 접지 전압 사이에 연결되고, 모드 신호에 응답하여 상기 제1 동작 모드에서 단락되고 상기 제2 동작 모드에서 개방되는 스위치를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 신호 생성부는, 상기 센싱 전압의 시간에 대한 변화율을 누적하여 누적 전압을 출력하는 미분기, 상기 누적 전압과 제1 기준 전압의 크기를 비교하여 상기 온 신호를 출력하는 제1 비교기, 및 상기 누적 전압과 제2 기준 전압의 크기를 비교하여 상기 오프 신호를 생성하는 제2 비교기를 포함할 수 있다.

상기 미분기는 리셋 신호에 응답하여 상기 누적 전압을 리셋할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 신호 생성부는, 상기 제1 노드에 연결되는 소스, 전원 전압에 연결되는 드레인 및 리셋 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 리셋 트랜지스터, 소스, 상기 전원 전압에 연결되는 드레인 및 상기 제1 노드에 연결되는 게이트를 갖는 구동 트랜지스터, 및 상기 구동 트랜지스터의 소스에 연결되는 드레인, 로우 선택 신호가 인가되는 게이트 및 상기 아날로그 신호를 출력하는 소스를 갖는 로우 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 신호 생성부는, 상기 제1 노드에 연결되는 소스, 플로팅 확산 영역에 상응하는 드레인 및 전달 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 전달 트랜지스터, 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 소스, 전원 전압에 연결되는 드레인 및 리셋 제어 신호가 인가되는 게이트를 갖는 리셋 트랜지스터, 소스, 상기 전원 전압에 연결되는 드레인 및 상기 플로팅 확산 영역에 연결되는 게이트를 갖는 구동 트랜지스터, 및 상기 구동 트랜지스터의 소스에 연결되는 드레인, 로우 선택 신호가 인가되는 게이트 및 상기 아날로그 신호를 출력하는 소스를 갖는 로우 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이, 제1 아날로그-디지털 변환부, 모션 감지부 및 조도 감지부를 포함한다. 상기 픽셀 어레이는 로우들 및 컬럼들로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 제1 동작 모드에서 입사광의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호를 생성하고, 제2 동작 모드에서 상기 입사광의 세기에 상응하는 크기를 갖는 센싱 전류를 생성하고 상기 센싱 전류의 변화에 기초하여 온 신호 및 오프 신호를 생성한다. 상기 제1 아날로그-디지털 변환부는 상기 제1 동작 모드에서 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 상기 모션 감지부는 상기 제2 동작 모드에서 상기 복수의 단위 픽셀들로부터 제공되는 상기 온 신호 및 상기 오프 신호에 기초하여 피사체의 움직임을 감지한다. 상기 조도 감지부는 상기 제2 동작 모드에서 상기 복수의 단위 픽셀들로부터 제공되는 상기 센싱 전류들의 합에 기초하여 상기 입사광의 세기를 감지한다.

일 실시예에 있어서, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 상기 제2 동작 모드에서 상기 센싱 전류의 크기에 비례하는 센싱 전압을 생성하고, 상기 센싱 전압의 시간에 대한 변화율을 누적하여 누적 전압을 생성하고, 상기 누적 전압과 제1 기준 전압의 크기를 비교하여 상기 온 신호를 생성하고, 상기 누적 전압과 제2 기준 전압의 크기를 비교하여 상기 오프 신호를 생성할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은, 상기 입사광에 응답하여 광전하를 생성하여 제1 노드에 제공하는 광전 변환부, 상기 제1 동작 모드에서 상기 광전하가 상기 제1 노드로부터 유출되는 것을 방지하고, 상기 제2 동작 모드에서 상기 광전하를 통과시켜 상기 센싱 전류로서 출력하고 상기 센싱 전류의 크기에 비례하는 센싱 전압을 생성하는 모드 제어부, 상기 제1 동작 모드에서 상기 제1 노드에 축적된 상기 광전하의 양에 기초하여 상기 아날로그 신호를 생성하는 제1 신호 생성부, 및 상기 제2 동작 모드에서 상기 센싱 전압의 변화에 기초하여 상기 온 신호 및 상기 오프 신호를 생성하는 제2 신호 생성부를 포함할 수 있다.

상기 모션 감지부는, 버퍼부, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각으로부터 상기 온 신호를 수신하는 경우 상기 온 신호를 출력한 단위 픽셀의 위치를 나타내는 온 좌표를 상기 버퍼부에 저장하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각으로부터 상기 오프 신호를 수신하는 경우 상기 오프 신호를 출력한 단위 픽셀의 위치를 나타내는 오프 좌표를 상기 버퍼부에 저장하는 중재부, 및 상기 버퍼부에 저장된 상기 온 좌표 및 상기 오프 좌표에 기초하여 상기 피사체의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하는 계산부를 포함할 수 있다.

상기 제2 신호 생성부는, 상기 센싱 전압의 시간에 대한 변화율을 누적하여 누적 전압을 출력하고, 리셋 신호에 응답하여 상기 누적 전압을 리셋하는 미분기, 상기 누적 전압과 제1 기준 전압의 크기를 비교하여 상기 온 신호를 출력하는 제1 비교기, 및 상기 누적 전압과 제2 기준 전압의 크기를 비교하여 상기 오프 신호를 출력하는 제2 비교기를 포함하고, 상기 중재부는 상기 복수의 단위 픽셀들 각각으로부터 상기 온 신호 또는 상기 오프 신호를 수신하는 경우 상기 온 신호 또는 상기 오프 신호를 출력한 단위 픽셀에 상기 리셋 신호를 제공할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 조도 감지부는, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류를 합산하여 합산 신호를 생성하는 전류 미러부 및 상기 합산 신호에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)에 상응하는 조도 데이터를 생성하는 제2 아날로그-디지털 변환부를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서는 적외선 신호를 출력하는 광원을 더 포함하고, 상기 픽셀 어레이는 가시광선 영역의 광신호에 응답하여 동작하는 제1 단위 픽셀들 및 상기 적외선 신호가 상기 피사체에 반사되어 입사되는 적외선 영역의 광신호에 응답하여 동작하는 제2 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 조도 감지부는, 상기 제1 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류의 합에 기초하여 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)에 상응하는 제1 조도 데이터를 생성하고, 상기 제2 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류의 합에 기초하여 상기 피사체까지의 거리에 상응하는 제2 조도 데이터를 생성할 수 있다.

상기 조도 감지부는, 상기 제1 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류를 합산하여 제1 합산 신호를 생성하는 제1 전류 미러부, 상기 제1 합산 신호에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 상기 제1 조도 데이터를 생성하는 제2 아날로그-디지털 변환부, 상기 제2 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류를 합산하여 제2 합산 신호를 생성하는 제2 전류 미러부, 및 상기 제2 합산 신호에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 상기 제2 조도 데이터를 생성하는 제3 아날로그-디지털 변환부를 포함할 수 있다.

상기 조도 감지부는, 상기 제1 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류를 합산하여 제1 합산 신호를 생성하는 제1 전류 미러부, 상기 제2 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류를 합산하여 제2 합산 신호를 생성하는 제2 전류 미러부, 선택 신호에 응답하여 상기 제1 합산 신호 및 상기 제2 합산 신호 중의 하나를 출력하는 멀티플렉서, 및 상기 멀티플렉서의 출력 신호에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 상기 제1 조도 데이터 또는 상기 제2 조도 데이터를 생성하는 제2 아날로그-디지털 변환부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 동작 모드에 따라 이차원 이미지 센서(two dimensional image sensor), 모션 센서(motion sensor), 주변광 센서(ambient light sensor) 및 근접 센서(proximity sensor)의 기능을 수행할 수 있으므로, 차지하는 면적 및 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 단위 픽셀에 포함되는 모드 제어부의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 단위 픽셀에 포함되는 제1 신호 생성부의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 1의 단위 픽셀에 포함되는 제1 신호 생성부의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 1의 단위 픽셀에 포함되는 제2 신호 생성부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5의 제2 신호 생성부에 포함되는 미분기의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 7은 도 5에 도시된 제2 신호 생성부의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 9는 도 8의 이미지 센서에 포함되는 모션 감지부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 10은 도 8의 이미지 센서에 포함되는 조도 감지부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 12는 도 11의 이미지 센서에 포함되는 조도 감지부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 13은 도 11의 이미지 센서에 포함되는 조도 감지부의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 15a, 15b, 15c 및 15d는 동작 모드에 따른 도 14의 컴퓨팅 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 16은 도 14의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 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 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

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 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 단위 픽셀(10)은 광전 변환부(100), 모드 제어부(200), 제1 신호 생성부(300) 및 제2 신호 생성부(400)를 포함한다.

광전 변환부(100)는 입사광에 응답하여 광전하를 생성하여 제1 노드(N1)에 제공한다. 광전 변환부(100)는 상기 입사광의 세기에 상응하는 양의 상기 광전하를 생성하여 제1 노드(N1)에 제공할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 광전 변환부(100)는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다.

모드 제어부(200)는 모드 신호(MD)에 응답하여 제1 동작 모드 또는 제2 동작 모드로 동작한다. 예를 들어, 모드 제어부(200)는 모드 신호(MD)가 제1 논리 레벨인 경우 상기 제1 동작 모드로 동작하고, 모드 신호(MD)가 제2 논리 레벨인 경우 상기 제2 동작 모드로 동작할 수 있다. 모드 제어부(200)는 상기 제1 동작 모드에서 턴오프(turn off)되어 상기 광전하가 제1 노드(N1)로부터 유출되는 것을 방지한다. 모드 제어부(200)는 상기 제2 동작 모드에서 턴온(turn on)되어 상기 광전하를 통과시켜 센싱 전류(IS)로서 출력한다. 또한, 모드 제어부(200)는 상기 제2 동작 모드에서 센싱 전류(IS)의 크기에 비례하는 센싱 전압(VS)을 생성한다.

제1 신호 생성부(300)는 상기 제1 동작 모드에서 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하의 양에 기초하여 아날로그 신호(AS)를 생성한다.

제2 신호 생성부(400)는 상기 제2 동작 모드에서 센싱 전압(VS)의 변화에 기초하여 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)를 생성한다.

상기 제1 동작 모드에서 제1 신호 생성부(300)가 아날로그 신호(AS)를 출력하는 출력 단자는 상기 제2 동작 모드에서 모드 제어부(200)가 센싱 전류(IS)를 출력하는 출력 단자와는 서로 상이하다.

도 2는 도 1의 단위 픽셀에 포함되는 모드 제어부의 일 예를 나타내는 회로도이다.

도 2를 참조하면, 모드 제어부(200a)는 제1 NMOS 트랜지스터(210), 증폭기(220) 및 스위치(230)를 포함할 수 있다.

제1 NMOS 트랜지스터(210)는 게이트, 제1 노드(N1)에 연결되는 소스 및 센싱 전류(IS)를 출력하는 드레인을 포함할 수 있다.

증폭기(220)는 제1 노드(N1) 및 제1 NMOS 트랜지스터(210)의 게이트 사이에 연결될 수 있다. 증폭기(220)는 제1 NMOS 트랜지스터(210)를 통해 흐르는 센싱 전류(IS)의 크기에 비례하는 크기를 갖는 센싱 전압(VS)을 생성하여 제1 NMOS 트랜지스터(210)의 게이트 단자에 제공할 수 있다. 예를 들어, 증폭기(220)는 센싱 전류(IS)의 크기에 로그적으로 비례하는 크기를 갖는 센싱 전압(VS)을 생성할 수 있다.

스위치(230)는 제1 NMOS 트랜지스터(210)의 게이트 및 접지 전압(GND) 사이에 연결되고, 모드 신호(MD)에 응답하여 개폐될 수 있다. 예를 들어, 스위치(230)는 모드 신호(MD)가 상기 제1 논리 레벨을 갖는 상기 제1 동작 모드에서 단락되고, 모드 신호(MD)가 상기 제2 논리 레벨을 갖는 상기 제2 동작 모드에서 개방될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 스위치(230)는 모드 신호(MD)가 인가되는 게이트를 갖는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 동작 모드에서 모드 신호(MD)는 논리 하이 레벨을 갖고 스위치(230)는 모드 신호(MD)에 응답하여 단락되고, 상기 제2 동작 모드에서 모드 신호(MD)는 논리 로우 레벨을 갖고 스위치(230)는 모드 신호(MD)에 응답하여 개방될 수 있다.

상기 제1 동작 모드에서 스위치(230)는 단락되므로, 제1 NMOS 트랜지스터(210)의 게이트 및 증폭기(220)의 출력 단자는 접지 전압(GND)으로 유지되어 제1 NMOS 트랜지스터(210)는 턴오프될 수 있다. 따라서 제1 NMOS 트랜지스터(210)는 광전 변환부(100)로부터 생성된 상기 광전하를 통과시켜 센싱 전류(IS)로서 출력하지 않으므로 광전 변환부(100)로부터 생성된 상기 광전하는 제1 노드(N1)에 축적될 수 있다.

상기 제2 동작 모드에서 스위치(230)는 개방되므로, 제1 NMOS 트랜지스터(210)는 광전 변환부(100)로부터 생성된 상기 광전하를 통과시켜 센싱 전류(IS)로서 출력하고 증폭기(220)는 센싱 전류(IS)에 로그적으로 비례하는 크기를 갖는 센싱 전압(VS)을 생성하여 제1 NMOS 트랜지스터(210)의 게이트 단자에 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이, 광전 변환부(100)는 상기 입사광의 세기에 상응하는 양의 상기 광전하를 생성하여 제1 노드(N1)에 제공하므로, 상기 제2 동작 모드에서 제1 NMOS 트랜지스터(210)가 출력하는 센싱 전류(IS)의 크기 및 증폭기(220)가 생성하는 센싱 전압(VS)의 크기는 상기 입사광의 세기에 비례할 수 있다.

도 3은 도 1의 단위 픽셀에 포함되는 제1 신호 생성부의 일 예를 나타내는 회로도이다.

도 3을 참조하면, 제1 신호 생성부(300a)는 리셋 트랜지스터(320), 구동 트랜지스터(330) 및 로우 선택 트랜지스터(340)를 포함할 수 있다.

리셋 트랜지스터(320)는 제1 노드(N1)에 연결되는 소스, 전원 전압(VDD)에 연결되는 드레인 및 리셋 제어 신호(RX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다.

구동 트랜지스터(330)는 로우 선택 트랜지스터(340)의 드레인에 연결되는 소스, 전원 전압(VDD)에 연결되는 드레인 및 제1 노드(N1)에 연결되는 게이트를 포함할 수 있다.

로우 선택 트랜지스터(340)는 구동 트랜지스터(330)의 소스에 연결되는 드레인, 로우 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 및 아날로그 신호(AS)를 출력하는 소스를 포함할 수 있다.

상기 제1 동작 모드에서, 활성화된 리셋 제어 신호(RX)가 인가되는 경우 리셋 트랜지스터(320)는 턴온되어 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하는 리셋 트랜지스터(320)를 통해 전원 전압(VDD)으로 유출되고 제1 노드(N1)의 전압은 전원 전압(VDD)으로 유지될 수 있다.

이후, 리셋 제어 신호(RX)는 비활성화되어 리셋 트랜지스터(320)는 턴오프되고, 광전 변환부(100)로부터 생성되는 상기 광전하는 제1 노드(N1)에 축적될 수 있다. 따라서 구동 트랜지스터(330)의 게이트에 상응하는 제1 노드(N1)의 전위는 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하의 양에 기초하여 변할 수 있다. 따라서 활성화된 로우 선택 신호(SEL)가 인가되는 경우 로우 선택 트랜지스터(340)는 턴온되어 로우 선택 트랜지스터(340)는 제1 노드(N1)의 전위에 상응하는 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다.

상술한 바와 같은 동작을 통해, 상기 제1 동작 모드에서 제1 신호 생성부(300a)는 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하의 양에 기초하여 아날로그 신호(AS)를 생성할 수 있다.

도 8을 참조하여 후술하는 바와 같이, 리셋 제어 신호(RX) 및 로우 선택 신호(SEL)는 단위 픽셀(10)을 포함하는 이미지 센서의 제어부로부터 제공될 수 있다.

도 4는 도 1의 단위 픽셀에 포함되는 제1 신호 생성부의 다른 예를 나타내는 회로도이다.

도 4를 참조하면, 제1 신호 생성부(300b)는 전달 트랜지스터(311), 리셋 트랜지스터(321), 구동 트랜지스터(331) 및 로우 선택 트랜지스터(341)를 포함할 수 있다.

전달 트랜지스터(311)는 제1 노드(N1)에 연결되는 소스, 플로팅 확산(floating diffusion) 영역(FD)에 상응하는 드레인 및 전달 제어 신호(TX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다.

리셋 트랜지스터(321)는 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 소스, 전원 전압(VDD)에 연결되는 드레인 및 리셋 제어 신호(RX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다.

구동 트랜지스터(331)는 로우 선택 트랜지스터(341)의 드레인에 연결되는 소스, 전원 전압(VDD)에 연결되는 드레인 및 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되는 게이트를 포함할 수 있다.

로우 선택 트랜지스터(341)는 구동 트랜지스터(331)의 소스에 연결되는 드레인, 로우 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 및 아날로그 신호(AS)를 출력하는 소스를 포함할 수 있다.

상기 제1 동작 모드에서, 비활성화된 전달 제어 신호(TX) 및 활성화된 리셋 제어 신호(RX)가 인가되는 경우, 전달 트랜지스터(311)는 턴오프되어 광전 변환부(100)로부터 생성되는 상기 광전하는 제1 노드(N1)에 축적되고, 리셋 트랜지스터(321)는 턴온되어 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 상기 광전하는 리셋 트랜지스터(321)를 통해 전원 전압(VDD)으로 유출되고 플로팅 확산 영역(FD)의 전압은 전원 전압(VDD)으로 유지될 수 있다.

이후, 리셋 제어 신호(RX)는 비활성되어 리셋 트랜지스터(321)는 턴오프되고 전달 제어 신호(TX)는 활성화되어 전달 트랜지스터(311)는 턴온될 수 있다. 이 경우, 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하는 전달 트랜지스터(311)를 통해 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달될 수 있다. 따라서 구동 트랜지스터(331)의 게이트에 상응하는 플로팅 확산 영역(FD)의 전위는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된 상기 광전하의 양에 기초하여 변할 수 있다. 따라서 활성화된 로우 선택 신호(SEL)가 인가되는 경우 로우 선택 트랜지스터(341)는 턴온되어 로우 선택 트랜지스터(341)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 상응하는 아날로그 신호(AS)를 출력할 수 있다.

상술한 바와 같은 동작을 통해, 상기 제1 동작 모드에서 제1 신호 생성부(300b)는 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하의 양에 기초하여 아날로그 신호(AS)를 생성할 수 있다.

도 8을 참조하여 후술하는 바와 같이, 전달 제어 신호(TX), 리셋 제어 신호(RX) 및 로우 선택 신호(SEL)는 단위 픽셀(10)을 포함하는 이미지 센서의 제어부로부터 제공될 수 있다.

도 5는 도 1의 단위 픽셀에 포함되는 제2 신호 생성부의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 5를 참조하면, 제2 신호 생성부(400a)는 미분기(410), 제1 비교기(420) 및 제2 비교기(430)를 포함할 수 있다.

미분기(410)는 상기 제2 동작 모드에서 모드 제어부(200)로부터 센싱 전압(VS)을 수신하고, 센싱 전압(VS)의 시간에 대한 변화율(time derivative)을 누적하여 누적 전압(VACCUM)을 생성할 수 있다. 미분기(410)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 누적 전압(VACCUM)을 초기화할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 모드 제어부(200)가 생성하는 센싱 전압(VS)의 크기는 상기 입사광의 세기에 비례하므로, 미분기(410)가 생성하는 누적 전압(VACCUM)은 상기 입사광의 세기의 시간에 대한 변화율의 누적값을 나타낼 수 있다.

도 6은 도 5의 제2 신호 생성부에 포함되는 미분기의 일 예를 나타내는 회로도이다.

도 6을 참조하면, 미분기(410a)는 제1 커패시터(411), 제2 커패시터(412), 반전 증폭기(413) 및 리셋 스위치(414)를 포함할 수 있다.

제1 커패시터(411)의 제1 전극은 센싱 전압(VS)을 수신하고, 제1 커패시터(411)의 제2 전극은 반전 증폭기(413)의 입력 단자에 연결될 수 있다.

제2 커패시터(412)는 반전 증폭기(413)의 출력 단자 및 상기 입력 단자 사이에 연결되어 반전 증폭기(413)에 피드백 경로를 제공할 수 있다.

리셋 스위치(414)는 반전 증폭기(413)의 상기 입력 단자 및 상기 출력 단자 사이에 연결되고, 리셋 신호(RST)에 응답하여 개폐될 수 있다.

반전 증폭기(413)는 상기 출력 단자를 통해 누적 전압(VACCUM)을 출력할 수 있다.

리셋 신호(RST)가 활성화되는 경우, 리셋 스위치(414)는 단락되어 제2 커패시터(412)는 방전(discharge)되고 누적 전압(VACCUM)은 일정한 크기의 전압으로 리셋될 수 있다.

한편, 리셋 신호(RST)가 비활성화되는 경우, 리셋 스위치(414)는 개방될 수 있다. 이 때, 제2 커패시터(412)는 반전 증폭기(413)의 출력 단자 및 상기 입력 단자 사이에 연결되어 반전 증폭기(413)에 피드백 경로를 제공하므로, 반전 증폭기(413)의 상기 입력 단자의 전압은 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 반전 증폭기(413)의 상기 입력 단자는 가상 접지 단자(virtual ground)일 수 있다. 따라서 센싱 전압(VS)의 시간에 대한 변화율(time derivative)에 비례하는 크기의 제1 전류가 제1 커패시터(411) 및 제2 커패시터(412)를 통해 흐를 수 있다. 상기 제1 전류는 아래의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, Io는 상기 제1 전류를 나타내고, C1은 제1 커패시터(411)의 커패시턴스(capacitance)를 나타낸다.

제1 커패시터(411) 및 제2 커패시터(412)는 상기 제1 전류를 통해 충전(charge)되고 누적 전압(VACCUM)은 제2 커패시터(412)에 충전된 전하량에 비례하므로, 누적 전압(VACCUM)은 아래의 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, C2는 제2 커패시터(412)의 커패시턴스(capacitance)를 나타낸다.

상기 [수학식 2]에 표현된 바와 같이, 센싱 전압(VS)이 증가하는 경우 누적 전압(VACCUM)은 감소하고, 센싱 전압(VS)이 감소하는 경우 누적 전압(VACCUM)은 증가할 수 있다.

도 6을 참조하여 상술한 바와 같이, 미분기(410a)는 센싱 전압(VS)의 시간에 대한 변화율(time derivative)을 누적하여 누적 전압(VACCUM)을 생성할 수 있다.

도 6에 도시된 미분기(410a)는 도 5의 제2 신호 생성부(400a)에 포함되는 미분기(410)의 일 예이며, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 도 5의 제2 신호 생성부(400a)에 포함되는 미분기(410)는 다양한 형태로 구현될 수 있다.

다시 도 5를 참조하면, 제1 비교기(420)는 누적 전압(VACCUM)과 제1 기준 전압(VR1)의 크기를 비교하여 온 신호(ONS)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 비교기(420)는 누적 전압(VACCUM)이 제1 기준 전압(VR1) 보다 낮은 경우 온 신호(ONS)를 출력할 수 있다.

제2 비교기(430)는 누적 전압(VACCUM)과 제2 기준 전압(VR2)의 크기를 비교하여 오프 신호(OFFS)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제2 비교기(430)는 누적 전압(VACCUM)이 제2 기준 전압(VR2) 보다 높은 경우 오프 신호(OFFS)를 출력할 수 있다.

따라서 상기 입사광의 세기가 증가하여 센싱 전압(VS)이 증가하는 경우 누적 전압(VACCUM)은 감소하게 되고, 누적 전압(VACCUM)이 제1 기준 전압(VR1) 보다 낮게 되는 경우 제1 비교기(420)는 온 신호(ONS)를 출력할 수 있다. 이와는 반대로, 상기 입사광의 세기가 감소하여 센싱 전압(VS)이 감소하는 경우 누적 전압(VACCUM)은 증가하게 되고, 누적 전압(VACCUM)이 제2 기준 전압(VR2) 보다 높게 되는 경우 제2 비교기(430)는 오프 신호(OFFS)를 출력할 수 있다.

도 8을 참조하여 후술하는 바와 같이, 제2 신호 생성부(400a)로부터 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS) 중의 하나가 생성되는 경우 활성화된 리셋 신호(RST)가 인가될 수 있다. 따라서 제2 신호 생성부(400a)는 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS) 중의 하나를 출력할 때마다 누적 전압(VACCUM)을 리셋하고 새로이 센싱 전압(VS)의 시간에 대한 변화율(time derivative)을 누적하여 누적 전압(VACCUM)을 생성하고, 새로이 생성된 누적 전압(VACCUM)에 기초하여 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)를 생성할 수 있다.

도 7은 도 5에 도시된 제2 신호 생성부의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 7에서, 세로축은 상기 입사광의 세기를 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 제1 구간(t1) 동안 상기 입사광의 세기는 일정하게 유지된다. 따라서, 센싱 전압(VS) 및 누적 전압(VACCUM)의 크기도 일정하게 유지되므로 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)는 생성되지 않을 수 있다.

제2 구간(t2) 동안 상기 입사광의 세기는 제1 기울기로 증가하므로 제2 구간(t2) 동안 온 신호(ONS)는 세 번 생성될 수 있다.

제3 구간(t3) 동안 상기 입사광의 세기는 상기 제1 기울기보다 작은 제2 기울기로 감소하므로 제3 구간(t3) 동안 오프 신호(OFFS)는 두 번 생성될 수 있다.

제4 구간(t4) 동안 상기 입사광의 세기는 상기 제2 기울기와 유사한 크기를 갖는 제3 기울기로 증가하므로 제4 구간(t4) 동안 온 신호(ONS)는 두 번 생성될 수 있다.

제5 구간(t5) 동안 상기 입사광의 세기는 일정하게 유지된다. 따라서, 센싱 전압(VS) 및 누적 전압(VACCUM)의 크기도 일정하게 유지되므로 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)는 생성되지 않을 수 있다.

도 1 내지 7을 참조하여 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀(10)은 상기 제1 동작 모드에서는 상기 입사광의 세기에 상응하는 양의 상기 광전하를 생성하고 상기 생성된 광전하의 양에 기초하여 아날로그 신호(AS)를 생성하고, 상기 제2 동작 모드에서는 상기 입사광의 세기에 비례하는 크기를 갖는 센싱 전류(IS)를 생성하고, 상기 센싱 전류(IS)의 시간에 따른 변화율에 기초하여 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)를 생성할 수 있다. 도 8을 참조하여 후술하는 바와 같이, 단위 픽셀(10)은 동작 모드에 따라 다양한 정보를 제공함으로써 단위 픽셀(10)을 포함하는 이미지 센서는 다양한 센싱 기능을 수행할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.

도 8을 참조하면, 이미지 센서(20)는 픽셀 어레이(500), 제1 아날로그-디지털 변환부(ADC1)(600), 모션 감지부(700), 조도(illuminance) 감지부(800) 및 제어부(850)를 포함할 수 있다.

픽셀 어레이(500)는 로우들 및 컬럼들로 배열된 복수의 단위 픽셀들(P)(10)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 모드 신호(MD)에 응답하여 제1 동작 모드 또는 제2 동작 모드로 동작할 수 있다. 예를 들어, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 모드 신호(MD)가 제1 논리 레벨인 경우 상기 제1 동작 모드로 동작하고, 모드 신호(MD)가 제2 논리 레벨인 경우 상기 제2 동작 모드로 동작할 수 있다. 모드 신호(MD)는 제어부(850)로부터 제공될 수 있다.

복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 상기 제1 동작 모드에서 제어부(850)로부터 제공되는 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX) 및 전달 제어 신호(TX)에 응답하여 입사광의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 생성하여 제1 아날로그-디지털 변환부(600)에 제공할 수 있다.

복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 상기 제2 동작 모드에서 상기 입사광의 세기에 상응하는 크기를 갖는 센싱 전류(IS)를 생성하고, 센싱 전류(IS)의 변화에 기초하여 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 상기 제2 동작 모드에서 센싱 전류(IS)의 크기에 비례하는 센싱 전압을 생성하고, 상기 센싱 전압의 시간에 대한 변화율을 누적하여 누적 전압을 생성하고, 상기 누적 전압과 제1 기준 전압의 크기를 비교하여 온 신호(ONS)를 생성하고, 상기 누적 전압과 제2 기준 전압의 크기를 비교하여 오프 신호(OFFS)를 생성할 수 있다. 또한, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 리셋 신호(RST)에 응답하여 상기 누적 전압을 초기화할 수 있다.

제1 아날로그-디지털 변환부(600)는 상기 제1 동작 모드에서 제어부(850)로부터 제공되는 제어 신호(CON1)에 기초하여 복수의 단위 픽셀들(10)로부터 제공되는 아날로그 신호(AS)를 디지털 신호(DS)로 변환할 수 있다.

모션 감지부(700)는 상기 제2 동작 모드에서 복수의 단위 픽셀들(10)로부터 제공되는 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)에 기초하여 피사체의 움직임을 감지하여 상기 피사체의 이동 방향을 나타내는 방향 신호(DIRS) 및 상기 피사체의 이동 속도를 나타내는 속도 신호(SPS)를 생성할 수 있다.

조도 감지부(800)는 상기 제2 동작 모드에서 복수의 단위 픽셀들(10)로부터 제공되는 센싱 전류(IS)들의 합에 기초하여 상기 입사광의 세기를 감지하여 조도(illuminance) 데이터(ILLUS)를 생성할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 도 1에 도시된 단위 픽셀(10)로 구현될 수 있다.

이하, 도 1 내지 8을 참조하여 이미지 센서(20)의 상기 제1 동작 모드에서의 동작에 대해 설명한다.

설명의 편의상, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 도 4에 도시된 제1 신호 생성부(300b)를 포함하는 실시예를 예로 들어 설명한다.

복수의 단위 픽셀들(10) 각각에 포함되는 광전 변환부(100)는 상기 입사광의 세기에 상응하는 양의 광전하를 생성하여 제1 노드(N1)에 제공할 수 있다.

상기 제1 동작 모드에서 제어부(850)는 상기 제1 논리 레벨을 갖는 모드 신호(MD)를 복수의 단위 픽셀들(10) 각각에 제공하고, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각에 포함되는 모드 제어부(200)는 모드 신호(MD)에 응답하여 턴오프(turn off)되어 상기 광전하가 제1 노드(N1)로부터 유출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 광전 변환부(100)로부터 생성되는 상기 광전하는 제1 노드(N1)에 축적될 수 있다.

제어부(850)는 픽셀 어레이(500)에 활성화된 로우 선택 신호(SEL)를 제공하여 로우 선택 트랜지스터(341)를 턴온(turn-on)시킴으로써 픽셀 어레이(500)에 포함되는 복수의 로우들 중에서 하나의 로우를 선택하고, 상기 선택된 로우에 활성화된 리셋 제어 신호(RX)를 제공하여 리셋 트랜지스터(321)를 턴온시킬 수 있다. 따라서 플로팅 확산 영역(FD)에 저장된 상기 광전하는 리셋 트랜지스터(321)를 통해 전원 전압(VDD)으로 유출되고 플로팅 확산 영역(FD)의 전위는 전원 전압(VDD)이 되며 구동 트랜지스터(331)가 턴온되어 리셋 성분을 나타내는 신호가 단위 픽셀(10)로부터 출력될 수 있다.

이후, 제어부(850)는 상기 선택된 로우의 리셋 트랜지스터(321)에 비활성화된 리셋 제어 신호(RX)를 제공하여 리셋 트랜지스터(321)를 턴오프시키고, 상기 선택된 로우의 전달 트랜지스터(311)에 활성화된 전달 제어 신호(TX)를 제공하여 전달 트랜지스터(311)를 턴온시킬 수 있다. 이 경우, 제1 노드(N1)에 축적된 상기 광전하는 전달 트랜지스터(311)를 통해 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달될 수 있다. 따라서 구동 트랜지스터(331)의 게이트에 상응하는 플로팅 확산 영역(FD)의 전위는 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된 상기 광전하의 양에 기초하여 변할 수 있다. 활성화된 로우 선택 신호(SEL)에 응답하여 선택 트랜지스터(341)가 턴온 상태이므로, 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 상응하는 아날로그 신호(AS)가 단위 픽셀(10)로부터 출력될 수 있다.

이후, 제어부(850)는 다음 로우들에 대해 상기와 같은 동작을 반복할 수 있다. 따라서 픽셀 어레이(500)는 로우 단위로 아날로그 신호(AS)를 순차적으로 출력할 수 있다.

이상, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 도 4에 도시된 제1 신호 생성부(300b)를 포함하는 실시예를 예로 들어 설명하였으나, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 도 3에 도시된 제1 신호 생성부(300a)를 포함할 수도 있다.

제1 아날로그-디지털 변환부(600)는 상기 제1 동작 모드에서 픽셀 어레이(500)로부터 제공되는 아날로그 신호(AS)를 디지털 신호(DS)로 변환할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 아날로그-디지털 변환부(600)는 아날로그 신호(AS)에 대해 단일 기울기(single slope) 아날로그-디지털 변환을 수행하여 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다. 이 경우, 램프 신호는 제어부(850)로부터 제공될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제1 아날로그-디지털 변환부(600)는 아날로그 신호(AS)에 대해 시그마-델타(sigma-delta) 아날로그-디지털 변환을 수행하여 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다. 실시예에 따라서, 제1 아날로그-디지털 변환부(600)는 아날로그 신호(AS)에 대해 다양한 종류의 아날로그-디지털 변환을 수행하여 디지털 신호(DS)를 생성할 수도 있다.

제1 아날로그-디지털 변환부(600)로부터 생성되는 디지털 신호(DS)는 피사체에 대한 이차원 이미지 데이터를 나타낼 수 있다. 따라서 이미지 센서(20)는 상기 제1 동작 모드에서 이차원 이미지 센서(two dimensional image sensor)로서 동작 할 수 있다.

이하, 도 1 내지 8을 참조하여 이미지 센서(20)의 상기 제2 동작 모드에서의 동작에 대해 설명한다.

복수의 단위 픽셀들(10) 각각에 포함되는 광전 변환부(100)는 상기 입사광의 세기에 상응하는 양의 광전하를 생성할 수 있다.

상기 제2 동작 모드에서 제어부(850)는 상기 제2 논리 레벨을 갖는 모드 신호(MD)를 복수의 단위 픽셀들(10) 각각에 제공하고, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각에 포함되는 모드 제어부(200)는 모드 신호(MD)에 응답하여 턴온(turn on)되어 광전 변환부(100)로부터 생성되는 상기 광전하를 통과시켜 센싱 전류(IS)로서 출력할 수 있다. 또한, 모드 제어부(200)는 센싱 전류(IS)의 크기에 비례하는 센싱 전압(VS)을 생성할 수 있다.

제2 신호 생성부(400)는 센싱 전압(VS)의 시간에 대한 변화율을 누적하여 누적 전압(VACCUM)을 생성하고, 누적 전압(VACCUM)과 제1 기준 전압(VR1)의 크기를 비교하여 온 신호(ONS)를 생성하고, 누적 전압(VACCUM)과 제2 기준 전압(VR2)의 크기를 비교하여 오프 신호(OFFS)를 생성할 수 있다. 한편, 제2 신호 생성부(400)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 누적 전압(VACCUM)을 초기화할 수 있다.

복수의 단위 픽셀들(10) 각각에 포함되는 모드 제어부(200) 및 제2 신호 생성부(400)의 구성 및 동작에 대해서는 도 1 내지 7을 참조하여 상세히 설명하였으므로 여기서는 모드 제어부(200) 및 제2 신호 생성부(400)에 대한 상세한 설명은 생략한다.

모션 감지부(700)는 상기 제2 동작 모드에서 복수의 단위 픽셀들(10)로부터 제공되는 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)에 기초하여 상기 피사체의 움직임을 감지하여 상기 피사체의 이동 방향을 나타내는 방향 신호(DIRS) 및 상기 피사체의 이동 속도를 나타내는 속도 신호(SPS)를 생성할 수 있다.

도 9는 도 8의 이미지 센서에 포함되는 모션 감지부의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 9를 참조하면, 모션 감지부(700)는 중재부(710), 버퍼부(720) 및 계산부(730)를 포함할 수 있다.

중재부(710)는 복수의 단위 픽셀들(10) 각각으로부터 온 신호(ONS)를 수신하는 경우, 온 신호(ONS)를 출력한 단위 픽셀의 위치를 나타내는 온 좌표(COR_ON)를 버퍼부(720)에 저장할 수 있다. 중재부(710)는 복수의 단위 픽셀들(10) 각각으로부터 오프 신호(OFFS)를 수신하는 경우, 오프 신호(OFFS)를 출력한 단위 픽셀의 위치를 나타내는 오프 좌표(COR_OFF)를 버퍼부(720)에 저장할 수 있다.

또한, 중재부(710)는 복수의 단위 픽셀들(10) 각각으로부터 온 신호(ONS) 또는 오프 신호(OFFS)를 수신하는 경우, 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)를 출력한 단위 픽셀에 리셋 신호(RST)를 제공할 수 있다. 따라서 복수의 단위 픽셀들(10) 각각에 포함되는 제2 신호 생성부(400)는 온 신호(ONS) 또는 오프 신호(OFFS)를 출력할 때마다 누적 전압(VACCUM)을 리셋하고 새로이 센싱 전압(VS)의 시간에 대한 변화율(time derivative)을 누적하여 누적 전압(VACCUM)을 생성하고, 새로이 생성된 누적 전압(VACCUM)에 기초하여 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)를 생성할 수 있다.

계산부(730)는 버퍼부(720)에 저장된 온 좌표(COR_ON) 및 오프 좌표(COR_OFF)에 기초하여 상기 피사체의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하여 상기 피사체의 이동 방향을 나타내는 방향 신호(DIRS) 및 상기 피사체의 이동 속도를 나타내는 속도 신호(SPS)를 생성할 수 있다.

피사체가 단위 픽셀(10)의 전방에서 제1 방향에서 제2 방향으로 이동하는 경우, 단위 픽셀(10)에 입사되는 상기 입사광의 세기는 증가하다가 감소하거나 감소하다가 증가할 수 있다. 예를 들어, 상기 피사체로부터 제공되는 광신호의 세기가 주변광(ambient light)의 세기보다 큰 경우, 상기 피사체가 단위 픽셀(10)의 전방에서 이동할 때 단위 픽셀(10)에 입사되는 상기 입사광의 세기는 증가하다가 감소할 수 있다. 이와 반대로, 상기 피사체로부터 제공되는 광신호의 세기가 주변광(ambient light)의 세기보다 작은 경우, 상기 피사체가 단위 픽셀(10)의 전방에서 이동할 때 단위 픽셀(10)에 입사되는 상기 입사광의 세기는 감소하다가 증가할 수 있다.

도 1 내지 7을 참조하여 상술한 바와 같이, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각에 있어서, 상기 입사광의 세기가 증가하는 경우 센싱 전압(VS)은 증가하고 누적 전압(VACCUM)은 감소하게 되고, 누적 전압(VACCUM)이 제1 기준 전압(VR1) 보다 낮게 되는 경우 단위 픽셀(10)은 온 신호(ONS)를 출력할 수 있다.

이와는 반대로, 상기 입사광의 세기가 감소하는 경우 센싱 전압(VS)은 감소하고 누적 전압(VACCUM)은 증가하게 되고, 누적 전압(VACCUM)이 제2 기준 전압(VR2) 보다 높게 되는 경우 단위 픽셀(10)은 오프 신호(OFFS)를 출력할 수 있다.

또한, 상기 피사체의 이동 속도가 증가할수록 상기 입사광의 세기의 시간에 대한 변화율(time derivative)이 증가하므로, 단위 픽셀(10)로부터 온 신호(ONS) 또는 오프 신호(OFFS)가 출력되는 시간 간격은 감소할 수 있다.

따라서 계산부(730)는 버퍼부(720)에 저장된 온 좌표(COR_ON) 또는 오프 좌표(COR_OFF)의 이동 경로를 통해 상기 피사체의 이동 방향을 계산하여 방향 신호(DIRS)를 생성할 수 있다. 또한, 계산부(730)는 버퍼부(720)에 연속적으로 저장된 동일한 값을 갖는 온 좌표(COR_ON) 또는 오프 좌표(COR_OFF)의 개수를 통해 상기 피사체의 이동 속도를 계산하여 속도 신호(SPS)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 피사체의 이동 속도는 버퍼부(720)에 연속적으로 저장된 동일한 값을 갖는 온 좌표(COR_ON) 또는 오프 좌표(COR_OFF)의 개수에 비례할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 모션 감지부(700)가 생성하는 방향 신호(DIRS) 및 속도 신호(SPS)는 상기 피사체의 움직임을 나타낼 수 있다. 따라서 이미지 센서(20)는 상기 제2 동작 모드에서 모션 센서(motion sensor)로서 동작 할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 복수의 단위 픽셀들(10) 각각은 상기 입사광의 세기에 비례하는 크기를 갖는 센싱 전류(IS)를 생성하고, 조도 감지부(800)는 복수의 단위 픽셀들(10)로부터 제공되는 센싱 전류(IS)들의 합에 기초하여 상기 입사광의 세기를 감지하여 조도 데이터(ILLUS)를 생성할 수 있다.

도 10은 도 8의 이미지 센서에 포함되는 조도 감지부의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 10을 참조하면, 조도 감지부(800)는 전류 미러부(801) 및 제2 아날로그-디지털 변환부(ADC2)(807)를 포함할 수 있다.

전류 미러부(801)는 복수의 단위 픽셀들(10) 각각으로부터 제공되는 센싱 전류(IS)를 합산하여 합산 신호(SUMS)를 생성할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 전류 미러부(801)는 제1 PMOS 트랜지스터(803) 및 제2 PMOS 트랜지스터(805)를 포함할 수 있다.

제1 PMOS 트랜지스터(803) 및 제2 PMOS 트랜지스터(805)의 소스는 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 제1 PMOS 트랜지스터(803) 및 제2 PMOS 트랜지스터(805)의 게이트는 서로 연결될 수 있다. 제1 PMOS 트랜지스터(803)의 드레인은 제1 PMOS 트랜지스터(803) 및 제2 PMOS 트랜지스터(805)의 게이트에 연결될 수 있다. 제1 PMOS 트랜지스터(803)의 드레인은 복수의 단위 픽셀들(10) 각각으로부터 제공되는 센싱 전류(IS)를 수신할 수 있다. 따라서 제2 PMOS 트랜지스터(805)의 드레인을 통해 복수의 단위 픽셀들(10) 각각으로부터 제공되는 센싱 전류(IS)의 합에 상응하는 합산 신호(SUMS)가 출력될 수 있다.

제2 아날로그-디지털 변환부(807)는 합산 신호(SUMS)에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 조도 데이터(ILLUS)를 생성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 복수의 단위 픽셀들(10) 각각으로부터 생성되는 센싱 전류(IS)의 크기는 상기 입사광의 세기에 비례하므로, 복수의 단위 픽셀들(10) 각각으로부터 제공되는 센싱 전류(IS)의 합에 상응하는 합산 신호(SUMS)는 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)에 비례할 수 있다. 따라서 상기 제2 동작 모드에서 조도 감지부(800)가 생성하는 조도 데이터(ILLUS)는 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)를 나타낼 수 있다. 따라서 이미지 센서(20)는 상기 제2 동작 모드에서 주변광 센서(ambient light sensor)로서 동작 할 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.

도 11을 참조하면, 이미지 센서(30)는 픽셀 어레이(550), 제1 아날로그-디지털 변환부(ADC1)(600), 모션 감지부(750), 조도(illuminance) 감지부(810), 제어부(850) 및 광원(IR LED)(890)을 포함할 수 있다.

광원(890)은 적외선 신호(IRS)를 출력할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 광원(890)은 제어부(850)로부터 수신되는 모드 신호(MD)에 응답하여 상기 제1 동작 모드에서는 턴오프되고 상기 제2 동작 모드에서는 턴온되어 적외선 신호(IRS)를 출력할 수 있다.

픽셀 어레이(550)는 로우들 및 컬럼들로 배열된 복수의 제1 단위 픽셀들(P1)(10-1) 및 복수의 제2 단위 픽셀들(P2)(10-2)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 및 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)은 규칙적인 패턴으로 배열될 수도 있고 불규칙적인 패턴으로 배열될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 단위 픽셀들(10-1)의 개수는 제2 단위 픽셀들(10-2)의 개수보다 많을 수 있다. 이 경우, 제1 단위 픽셀들(10-1) 사이에 제2 단위 픽셀들(10-2)이 고르게 분산되어 배치될 수 있다.

제어부(850)는 픽셀 어레이(550)에서 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 및 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)의 위치 정보를 저장할 수 있다.

복수의 제1 단위 픽셀들(10-1)은 가시광선 영역의 광신호를 선택적으로 투과시키는 제1 필터를 포함할 수 있다. 따라서 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1)에 입사되는 입사광은 가시광선 영역의 광신호를 포함할 수 있다.

복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)은 적외선 영역의 광신호를 선택적으로 투과시키는 제2 필터를 포함할 수 있다. 따라서 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)에 입사되는 입사광은 적외선 영역의 광신호를 포함할 수 있다.

복수의 제1 단위 픽셀들(10-1)은 상기 제1 필터를 포함하고, 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)은 상기 제2 필터를 포함한다는 사항을 제외하고는, 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 및 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)은 서로 동일한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 및 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)은 도 1에 도시된 단위 픽셀(10)로 구현될 수 있다. 따라서 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1)은 가시광선 영역의 광신호에 응답하여 도 1 내지 도 7을 참조하여 상술한 바와 같은 동작을 수행하는 반면에, 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)은 광원(890)으로부터 출력된 적외선 신호(IRS)가 피사체에 반사되어 입사되는 적외선 영역의 광신호에 응답하여 도 1 내지 도 7을 참조하여 상술한 바와 같은 동작을 수행할 수 있다.

상기 제1 동작 모드에서, 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 및 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)은 제어부(850)로부터 제공되는 로우 선택 신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX) 및 전달 제어 신호(TX)에 응답하여 입사광의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호(AS)를 생성하여 제1 아날로그-디지털 변환부(600)에 제공하고, 제1 아날로그-디지털 변환부(600)는 아날로그 신호(AS)에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)은 적외선 영역의 광신호에 응답하여 동작하므로, 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)에 상응하는 디지털 신호(DS)는 피사체에 대한 이차원 이미지 정보를 포함하지 않을 수 있다. 따라서 제어부(850)는 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1)에 상응하는 디지털 신호(DS)들을 사용하여 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)에 상응하는 디지털 신호(DS)를 보간할 수 있다. 따라서 상기 제1 동작 모드에서 이미지 센서(30)로부터 출력되는 디지털 신호(DS)는 상기 피사체에 대한 이차원 이미지 데이터를 나타내므로, 이미지 센서(20)는 상기 제1 동작 모드에서 이차원 이미지 센서(two dimensional image sensor)로서 동작 할 수 있다.

상기 제2 동작 모드에서, 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1)은 가시광선에 상응하는 입사광의 세기에 비례하는 크기를 갖는 제1 센싱 전류(IS1)를 생성하고, 제1 센싱 전류(IS1)의 변화에 기초하여 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)를 생성하고, 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)은 적외선에 상응하는 입사광의 세기에 비례하는 크기를 갖는 제2 센싱 전류(IS2)를 생성하고, 제2 센싱 전류(IS2)의 변화에 기초하여 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)를 생성할 수 있다.

모션 감지부(750)는 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1)로부터 제공되는 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)에 기초하여 상기 피사체의 움직임을 감지하여 상기 피사체의 이동 방향을 나타내는 방향 신호(DIRS) 및 상기 피사체의 이동 속도를 나타내는 속도 신호(SPS)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 모션 감지부(750)는 도 9에 도시된 모션 감지부(700)와 동일한 구성을 가지되, 모션 감지부(750)에 포함되는 중재부(710)는 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)로부터 제공되는 온 신호(ONS) 및 오프 신호(OFFS)는 무시하고, 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 각각으로부터 온 신호(ONS) 또는 오프 신호(OFFS)를 수신하는 경우 온 신호(ONS)를 출력한 제1 단위 픽셀(10-1)의 위치를 나타내는 온 좌표(COR_ON) 또는 오프 신호(OFFS)를 출력한 제1 단위 픽셀(10-1)의 위치를 나타내는 오프 좌표(COR_OFF)를 버퍼부(720)에 저장할 수 있다. 모션 감지부(750)에 포함되는 계산부(730)는 모션 감지부(700)에 포함되는 계산부와 동일한 동작을 수행하므로, 여기서는 중복되는 설명은 생략한다.

상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 모션 감지부(750)가 생성하는 방향 신호(DIRS) 및 속도 신호(SPS)는 상기 피사체의 움직임을 나타낼 수 있다. 따라서 이미지 센서(30)는 상기 제2 동작 모드에서 모션 센서(motion sensor)로서 동작 할 수 있다.

한편, 상기 제2 동작 모드에서, 조도 감지부(810)는 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1)로부터 제공되는 제1 센싱 전류(IS1)들의 합에 기초하여 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)에 상응하는 제1 조도 데이터(ILLUS1)를 생성하고, 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2)로부터 제공되는 제2 센싱 전류(IS2)들의 합에 기초하여 상기 피사체까지의 거리에 상응하는 제2 조도 데이터(ILLUS2)를 생성할 수 있다.

도 12는 도 11의 이미지 센서에 포함되는 조도 감지부의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 12를 참조하면, 조도 감지부(810a)는 제1 전류 미러부(811), 제3 아날로그-디지털 변환부(ADC3)(817), 제2 전류 미러부(821) 및 제4 아날로그-디지털 변환부(ADC4)(827)를 포함할 수 있다.

제1 전류 미러부(811)는 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 각각으로부터 제공되는 제1 센싱 전류(IS1)를 합산하여 제1 합산 신호(SUMS1)를 생성할 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 제1 전류 미러부(811)는 제3 PMOS 트랜지스터(813) 및 제4 PMOS 트랜지스터(815)를 포함할 수 있다.

제3 PMOS 트랜지스터(813) 및 제4 PMOS 트랜지스터(815)의 소스는 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 제3 PMOS 트랜지스터(813) 및 제4 PMOS 트랜지스터(815)의 게이트는 서로 연결될 수 있다. 제3 PMOS 트랜지스터(813)의 드레인은 제3 PMOS 트랜지스터(813) 및 제4 PMOS 트랜지스터(815)의 게이트에 연결될 수 있다. 제3 PMOS 트랜지스터(813)의 드레인은 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 각각으로부터 제공되는 제1 센싱 전류(IS1)를 수신할 수 있다. 따라서 제4 PMOS 트랜지스터(815)의 드레인을 통해 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 각각으로부터 제공되는 제1 센싱 전류(IS1)의 합에 상응하는 제1 합산 신호(SUMS1)가 출력될 수 있다.

제3 아날로그-디지털 변환부(817)는 제1 합산 신호(SUMS1)에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 제1 조도 데이터(ILLUS1)를 생성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 각각으로부터 생성되는 제1 센싱 전류(IS1)의 크기는 가시광선에 상응하는 입사광의 세기에 비례하므로, 복수의 제1 단위 픽셀들(10-1) 각각으로부터 제공되는 제1 센싱 전류(IS1)의 합에 상응하는 제1 합산 신호(SUMS1)는 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)에 비례할 수 있다. 따라서 상기 제2 동작 모드에서 제3 아날로그-디지털 변환부(817)가 생성하는 제1 조도 데이터(ILLUS1)는 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)를 나타낼 수 있다.

한편, 제2 전류 미러부(821)는 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2) 각각으로부터 제공되는 제2 센싱 전류(IS2)를 합산하여 제2 합산 신호(SUMS2)를 생성할 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 제2 전류 미러부(821)는 제5 PMOS 트랜지스터(823) 및 제6 PMOS 트랜지스터(825)를 포함할 수 있다.

제5 PMOS 트랜지스터(823) 및 제6 PMOS 트랜지스터(825)의 소스는 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 제5 PMOS 트랜지스터(823) 및 제6 PMOS 트랜지스터(825)의 게이트는 서로 연결될 수 있다. 제5 PMOS 트랜지스터(823)의 드레인은 제5 PMOS 트랜지스터(823) 및 제6 PMOS 트랜지스터(825)의 게이트에 연결될 수 있다. 제5 PMOS 트랜지스터(823)의 드레인은 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2) 각각으로부터 제공되는 제2 센싱 전류(IS2)를 수신할 수 있다. 따라서 제6 PMOS 트랜지스터(825)의 드레인을 통해 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2) 각각으로부터 제공되는 제2 센싱 전류(IS2)의 합에 상응하는 제2 합산 신호(SUMS2)가 출력될 수 있다.

제4 아날로그-디지털 변환부(827)는 제2 합산 신호(SUMS2)에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 제2 조도 데이터(ILLUS2)를 생성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2) 각각으로부터 생성되는 제2 센싱 전류(IS2)의 크기는 광원(890)으로부터 출력된 적외선 신호(IRS)가 피사체에 반사되어 입사되는 적외선에 상응하는 입사광의 세기에 비례하므로, 제2 센싱 전류(IS2)의 크기는 상기 피사체와 상기 이미지 센서(30) 사이의 거리에 반비례할 수 있다. 따라서 복수의 제2 단위 픽셀들(10-2) 각각으로부터 제공되는 제2 센싱 전류(IS2)의 합에 상응하는 제2 합산 신호(SUMS2)는 상기 피사체와 상기 이미지 센서(30) 사이의 거리 반비례할 수 있다. 따라서 상기 제2 동작 모드에서 제4 아날로그-디지털 변환부(827)가 생성하는 제2 조도 데이터(ILLUS2)는 상기 피사체와 상기 이미지 센서(30) 사이의 거리를 나타낼 수 있다.

따라서 이미지 센서(30)는 상기 제2 동작 모드에서 주변광 센서(ambient light sensor) 및 근접 센서(proximity sensor)로서 동작 할 수 있다.

도 13은 도 11의 이미지 센서에 포함되는 조도 감지부의 다른 예를 나타내는 블록도이다.

도 13을 참조하면, 조도 감지부(810b)는 제1 전류 미러부(811), 제2 전류 미러부(821), 멀티플렉서(831) 및 제5 아날로그-디지털 변환부(ADC5)(833)를 포함할 수 있다.

제1 전류 미러부(811) 및 제2 전류 미러부(821)는 도 12의 조도 감지부(810a)에 포함되는 제1 전류 미러부(811) 및 제2 전류 미러부(821)와 동일할 수 있다. 도 12의 조도 감지부(810a)에 포함되는 제1 전류 미러부(811) 및 제2 전류 미러부(821)의 구성 및 동작에 대해서는 도 12를 참조하여 상세히 설명하였으므로, 여기서는 제1 전류 미러부(811) 및 제2 전류 미러부(821)에 대한 상세한 설명은 생략한다.

멀티플렉서(831)는 선택 신호(SS)에 응답하여 제1 합산 신호(SUMS1) 및 제2 합산 신호(SUMS2) 중의 하나를 출력할 수 있다. 선택 신호(SS)는 제어부(850)로부터 제공될 수 있다.

제5 아날로그-디지털 변환부(833)는 멀티플렉서(831)의 출력 신호에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 제1 조도 데이터(ILLUS1) 또는 제2 조도 데이터(ILLUS2)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 멀티플렉서(831)가 제1 합산 신호(SUMS1)를 출력하는 경우 제5 아날로그-디지털 변환부(833)는 제1 조도 데이터(ILLUS1)를 생성하고, 멀티플렉서(831)가 제2 합산 신호(SUMS2)를 출력하는 경우 제5 아날로그-디지털 변환부(833)는 제2 조도 데이터(ILLUS2)를 생성할 수 있다.

도 12를 참조하여 상술한 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 조도 감지부(810b)가 생성하는 제1 조도 데이터(ILLUS1)는 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)를 나타내고 제2 조도 데이터(ILLUS2)는 상기 피사체와 상기 이미지 센서(30) 사이의 거리를 나타낼 수 있다. 따라서 이미지 센서(30)는 상기 제2 동작 모드에서 주변광 센서(ambient light sensor) 또는 근접 센서(proximity sensor)로서 동작 할 수 있다.

도 1 내지 13을 참조하여 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 동작 모드에 따라 이차원 이미지 센서(two dimensional image sensor), 모션 센서(motion sensor), 주변광 센서(ambient light sensor) 및 근접 센서(proximity sensor)의 기능을 수행할 수 있으므로, 이차원 이미지 센서(two dimensional image sensor), 모션 센서(motion sensor), 주변광 센서(ambient light sensor) 및 근접 센서(proximity sensor)를 별도로 구비하는 경우에 비해 차지하는 면적 및 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 14를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(900)은 이미지 센서(910), 프로세서(920) 및 저장 장치(STORAGE DEVICE)(930)를 포함한다.

컴퓨팅 시스템(900)은 메모리 장치(MEMORY DEVICE)(940), 입출력 장치(950) 및 디스플레이 장치(960)를 더 포함할 수 있다. 또한, 도 14에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(900)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.

이미지 센서(910)는 제1 동작 모드에서 입사광에 응답하여 피사체에 대한 이차원 이미지 데이터를 나타내는 디지털 신호(DS)를 생성할 수 있다. 이미지 센서(910)는 제2 동작 모드에서 입사광에 응답하여 상기 피사체의 움직임을 나타내는 방향 신호(DIRS) 및 속도 신호(SPS)를 생성하고, 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)를 나타내는 제1 조도 데이터(ILLUS1)를 생성할 수 있다. 실시예에 따라서 이미지 센서(910)는 상기 제2 동작 모드에서 상기 피사체와 이미지 센서(910) 사이의 거리를 나타내는 제2 조도 데이터(ILLUS2)를 더 생성할 수도 있다. 따라서 이미지 센서(910)는 동작 모드에 따라 이차원 이미지 센서(two dimensional image sensor), 모션 센서(motion sensor), 주변광 센서(ambient light sensor) 및 근접 센서(proximity sensor)의 기능을 수행할 수 있다.

이미지 센서(910)는 도 8에 도시된 이미지 센서(20) 및 도 11에 도시된 이미지 센서(30) 중의 하나로 구현될 수 있다. 도 8에 도시된 이미지 센서(20) 및 도 11에 도시된 이미지 센서(30)의 구성 및 동작에 대해서는 도 1 내지 13을 참조하여 상세히 설명하였으므로 여기서는 이미지 센서(910)에 대한 상세한 설명은 생략한다.

저장 장치(930)는 이미지 센서(910)로부터 제공되는 디지털 신호(DS)를 저장할 수 있다. 저장 장치(930)는 플래시 메모리 장치(flash memory device), 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive; SSD), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD), 씨디롬(CD-ROM) 및 모든 형태의 비휘발성 메모리 장치 등을 포함할 수 있다.

프로세서(920)는 이미지 센서(910)로부터 제공되는 방향 신호(DIRS), 속도 신호(SPS), 제1 조도 데이터(ILLUS1) 및 제2 조도 데이터(ILLUS2)에 기초하여 컴퓨팅 시스템(900)의 동작을 제어할 수 있다.

도 15a, 15b, 15c 및 15d는 동작 모드에 따른 도 14의 컴퓨팅 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.

도 15a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 동작 모드에서 이미지 센서(910)는 피사체에 대한 이차원 이미지 데이터를 나타내는 디지털 신호(DS)를 생성하고, 프로세서(920)는 디지털 신호(DS)를 디스플레이 장치(960)에 표시할 수 있다.

도 15b에 도시된 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 이미지 센서(910)는 피사체의 움직임을 나타내는 방향 신호(DIRS) 및 속도 신호(SPS)를 생성하고, 프로세서(920)는 방향 신호(DIRS) 및 속도 신호(SPS)에 기초하여 사용자의 동작에 상응하는 입력 명령을 생성할 수 있다. 따라서 컴퓨팅 시스템(900)은 터치리스(touchless) 입력 시스템을 구현할 수 있다.

도 15c에 도시된 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 이미지 센서(910)는 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)를 나타내는 제1 조도 데이터(ILLUS1)를 생성하고, 프로세서(920)는 제1 조도 데이터(ILLUS1)에 기초하여 상기 주변광의 조도가 높은 경우 디스플레이 장치(960)의 밝기(brightness)를 증가시키고 상기 주변광의 조도가 낮은 경우 디스플레이 장치(960)의 밝기를 감소시킴으로써 디스플레이 장치(960)의 가시성(visibility)을 증가시킬 수 있다.

도 15d에 도시된 바와 같이, 상기 제2 동작 모드에서 이미지 센서(910)는 피사체와 이미지 센서(910) 사이의 거리를 나타내는 제2 조도 데이터(ILLUS2)를 생성하고, 프로세서(920)는 제2 조도 데이터(ILLUS2)에 기초하여 상기 피사체와 이미지 센서(910) 사이의 거리가 기준 거리 이하인 경우 터치 스크린 장치를 턴오프시킬 수 있다. 따라서 통화 중인 경우와 같이 가까운 거리에서 컴퓨팅 시스템(900)을 사용하는 환경에서 컴퓨팅 시스템(900)은 의도하지 않은 터치 입력으로 인한 오작동을 방지할 수 있다.

다시 도 14를 참조하면, 프로세서(920)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(920)는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit)일 수 있다. 프로세서(920)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 저장 장치(930), 메모리 장치(940) 및 입출력 장치(950)에 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(920)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.

메모리 장치(940)는 컴퓨팅 시스템(900)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(940)는 동적 랜덤 액세스 메모리(Dynamic Random Access Memory; DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(Static Random Access Memory; SRAM) 등과 같은 휘발성 메모리 장치 및 이피롬(Erasable Programmable Read-Only Memory; EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; EEPROM) 및 플래시 메모리 장치(flash memory device) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.

입출력 장치(950)는 터치 스크린, 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 스피커 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다.

디스플레이 장치(960)는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode) 표시 장치 등을 포함할 수 있다.

이미지 센서(910)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(920)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다.

이미지 센서(910)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(910)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.

실시예에 따라서, 이미지 센서(910)는 프로세서(920)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다.

한편, 컴퓨팅 시스템(900)은 이미지 센서(910)를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(900)은 스마트폰(smart phone), 디지털 카메라, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP) 등을 포함할 수 있다.

도 16은 도 14의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 16을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치(예를 들어, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트폰 등)로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다.

어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(1140)의CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.

또한, 컴퓨팅 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있고, RF 칩(1160)은 DigRF MASTER(1114)를 통하여 제어되는 DigRF SLAVE(1162)를 더 포함할 수 있다.

한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(1000)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(1000)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.

본 발명은 이미지 센서를 구비하는 임의의 전자 장치에 유용하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 개인 정보 단말기(personal digital assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(portable multimedia player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC), 서버 컴퓨터(Server Computer), 워크스테이션(Workstation), 노트북(Laptop), 디지털 TV(Digital Television) 등에 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

입사광에 응답하여 광전하를 생성하여 제1 노드에 제공하는 광전 변환부;
제1 동작 모드에서 상기 광전하가 상기 제1 노드로부터 유출되는 것을 방지하고, 제2 동작 모드에서 상기 광전하를 통과시켜 센싱 전류로서 출력하고 상기 센싱 전류의 크기에 비례하는 센싱 전압을 생성하는 모드 제어부;
상기 제1 동작 모드에서 상기 제1 노드에 축적된 상기 광전하의 양에 기초하여 아날로그 신호를 생성하는 제1 신호 생성부; 및
상기 제2 동작 모드에서 상기 센싱 전압의 변화에 기초하여 온 신호 및 오프 신호를 생성하는 제2 신호 생성부를 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
제1 항에 있어서, 상기 모드 제어부는,
게이트, 상기 제1 노드에 연결되는 소스 및 상기 센싱 전류를 출력하는 드레인을 포함하는 NMOS 트랜지스터;
상기 제1 노드 및 상기 NMOS 트랜지스터의 게이트 사이에 연결되고, 상기 센싱 전류의 크기에 비례하는 상기 센싱 전압을 생성하는 증폭기; 및
상기 NMOS 트랜지스터의 게이트 및 접지 전압 사이에 연결되고, 모드 신호에 응답하여 상기 제1 동작 모드에서 단락되고 상기 제2 동작 모드에서 개방되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
제1 항에 있어서, 상기 제2 신호 생성부는,
상기 센싱 전압의 시간에 대한 변화율을 누적하여 누적 전압을 출력하는 미분기;
상기 누적 전압과 제1 기준 전압의 크기를 비교하여 상기 온 신호를 출력하는 제1 비교기; 및
상기 누적 전압과 제2 기준 전압의 크기를 비교하여 상기 오프 신호를 생성하는 제2 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
제3 항에 있어서, 상기 미분기는 리셋 신호에 응답하여 상기 누적 전압을 리셋하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
로우들 및 컬럼들로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 제1 동작 모드에서 입사광의 세기에 상응하는 크기를 갖는 아날로그 신호를 생성하고, 제2 동작 모드에서 상기 입사광의 세기에 상응하는 크기를 갖는 센싱 전류를 생성하고 상기 센싱 전류의 변화에 기초하여 온 신호 및 오프 신호를 생성하는 픽셀 어레이;
상기 제1 동작 모드에서 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 아날로그-디지털 변환부;
상기 제2 동작 모드에서 상기 복수의 단위 픽셀들로부터 제공되는 상기 온 신호 및 상기 오프 신호에 기초하여 피사체의 움직임을 감지하는 모션 감지부; 및
상기 제2 동작 모드에서 상기 복수의 단위 픽셀들로부터 제공되는 상기 센싱 전류들의 합에 기초하여 상기 입사광의 세기를 감지하는 조도(illumination) 감지부를 포함하는 이미지 센서.
제5 항에 있어서, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은,
상기 입사광에 응답하여 광전하를 생성하여 제1 노드에 제공하는 광전 변환부;
상기 제1 동작 모드에서 상기 광전하가 상기 제1 노드로부터 유출되는 것을 방지하고, 상기 제2 동작 모드에서 상기 광전하를 통과시켜 상기 센싱 전류로서 출력하고 상기 센싱 전류의 크기에 비례하는 센싱 전압을 생성하는 모드 제어부;
상기 제1 동작 모드에서 상기 제1 노드에 축적된 상기 광전하의 양에 기초하여 상기 아날로그 신호를 생성하는 제1 신호 생성부; 및
상기 제2 동작 모드에서 상기 센싱 전압의 변화에 기초하여 상기 온 신호 및 상기 오프 신호를 생성하는 제2 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제6 항에 있어서, 상기 모션 감지부는,
버퍼부;
상기 복수의 단위 픽셀들 각각으로부터 상기 온 신호를 수신하는 경우 상기 온 신호를 출력한 단위 픽셀의 위치를 나타내는 온 좌표를 상기 버퍼부에 저장하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각으로부터 상기 오프 신호를 수신하는 경우 상기 오프 신호를 출력한 단위 픽셀의 위치를 나타내는 오프 좌표를 상기 버퍼부에 저장하는 중재부; 및
상기 버퍼부에 저장된 상기 온 좌표 및 상기 오프 좌표에 기초하여 상기 피사체의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제5 항에 있어서, 상기 조도 감지부는,
상기 복수의 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류를 합산하여 합산 신호를 생성하는 전류 미러부; 및
상기 합산 신호에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)에 상응하는 조도 데이터를 생성하는 제2 아날로그-디지털 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제5 항에 있어서,
적외선 신호를 출력하는 광원을 더 포함하고,
상기 픽셀 어레이는,
가시광선 영역의 광신호에 응답하여 동작하는 제1 단위 픽셀들; 및
상기 적외선 신호가 상기 피사체에 반사되어 입사되는 적외선 영역의 광신호에 응답하여 동작하는 제2 단위 픽셀들을 포함하고,
상기 조도 감지부는, 상기 제1 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류의 합에 기초하여 주변광(ambient light)의 조도(illuminance)에 상응하는 제1 조도 데이터를 생성하고, 상기 제2 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류의 합에 기초하여 상기 피사체까지의 거리에 상응하는 제2 조도 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제9 항에 있어서, 상기 조도 감지부는,
상기 제1 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류를 합산하여 제1 합산 신호를 생성하는 제1 전류 미러부;
상기 제2 단위 픽셀들 각각으로부터 제공되는 상기 센싱 전류를 합산하여 제2 합산 신호를 생성하는 제2 전류 미러부;
선택 신호에 응답하여 상기 제1 합산 신호 및 상기 제2 합산 신호 중의 하나를 출력하는 멀티플렉서; 및
상기 멀티플렉서의 출력 신호에 대해 아날로그-디지털 변환을 수행하여 상기 제1 조도 데이터 또는 상기 제2 조도 데이터를 생성하는 제2 아날로그-디지털 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.