KR20150068740A - 오버샘플링 회수를 조절할 수 있는 이미지 센서와 이를 포함하는 이미지 데이터 처리 시스템 - Google Patents

오버샘플링 회수를 조절할 수 있는 이미지 센서와 이를 포함하는 이미지 데이터 처리 시스템 Download PDF

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Abstract

이미지 센서는 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이와, 상기 픽셀들을 로우(row) 단위로 구동하는 로우 드라이버와, 상기 픽셀들로부터 출력된 픽셀 신호들을 리드아웃하는 리드아웃 회로와, 피사체의 밝기에 관련된 신호를 검출하고 검출 결과에 상응하는 제어 신호를 생성하는 결정 회로와, 상기 제어 신호에 기초하여 한 프레임 시간의 범위 내에서 오버샘플링 회수를 제어하기 위해 상기 로우 드라이버를 제어하는 타이밍 컨트롤러를 포함한다.

Description

오버샘플링 회수를 조절할 수 있는 이미지 센서와 이를 포함하는 이미지 데이터 처리 시스템{IMAGE SENSOR FOR ADJUSTING NUMBER OF OVERSAMPLING AND IMAGE DATA PROCESSING SYSTEM}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 오버샘플링 회수를 조절할 수 있는 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 조도에 따라 오버샘플링 회수를 조절할 수 있는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 이를 포함하는 이미지 데이터 처리 시스템에 관한 것이다.
디지털 사진 촬영 기술(digital photography)에서, 이미지 센서는 수신된 광학 이미지를 전기 신호들로 변환하기 위해 사용된다.
상기 이미지 센서는 CCD(charged coupled device) 이미지 센서와 CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)) 이미지 센서로 분류된다.
CMOS 이미지 센서(또는, CMOS 이미지 센서 칩)는 CMOS 반도체 공정을 이용하여 제조되는 액티브 픽셀 센서(active pixel sensor)의 일종이다. 상기 CMOS 이미지 센서 칩은 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함한다.
상기 복수의 픽셀들 각각은 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전변환소자와, 상기 전기 신호를 디지털 데이터로 변환하는 부가적인 회로, 즉 리드아웃 회로를 포함한다.
포토다이오드는, 집적 시간(integration time) 동안, 즉 빛이 수신되는 시간 구간(time interval) 동안, 빛의 강도에 기초하여 전하들(또는 전자들)을 생성하고 생성된 전하들을 저장하는데 사용된다.
이러한 저장 능력(storage capacity)은 풀 웰 커패시티(full well capacity)로 알려져 있고, 상기 풀 웰 커패시티는 동적 범위(dynamic range)를 위해 매우 중요하다. 또한, 상기 풀 웰 커패시티는 개별적인 픽셀이 포화(saturation) 되기 전에 유지할 수 있는 전하들의 양으로 정의될 수 있다.
생성된 전하들은 전송 트랜지스터를 통해 플로팅 디퓨전 노드(floating diffusion node)로 전송되고, 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송된 전하들은 전압, 예컨대 리드아웃 신호로 변환된다.
포토다이오드는 조도에 비례하는 전하들을 생성할 수 있다. 고조도에 CMOS 이미지 센서 칩(예컨대, 포토다이오드)이 노출되었을 때, 상기 광전변환소자에서 과도한 전하들이 생성됨에 따라, 즉 개별적인 픽셀들이 포화됨에 따라, 상기 CMOS 이미지 센서 칩은 정상적으로 광학 이미지를 전기 신호들로 변환하지 못할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 상술한 문제를 해결하기 위해서 조도에 따라 오버샘플링 회수 또는 풀 웰 커패시티를 조절할 수 있는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 이를 포함하는 이미지 데이터 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법은 피사체의 밝기에 관련된 신호를 검출하고 검출 결과에 상응하는 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 제어 신호에 기초하여 한 프레임 시간의 범위 내에서 오버샘플링 회수를 조절하는 단계를 포함한다.
실시 예에 따라, 상기 피사체의 밝기에 관련된 신호는 상기 이미지 센서의 픽셀 어레이에 의해 감지된 상기 피사체의 이미지의 일부에 상응하는 신호일 수 있다.
상기 오버샘플링 회수는 상기 이미지 센서의 포화 레벨과 상기 신호의 레벨의 비율에 따라 결정되고, 상기 오버샘플링 회수는 1보다 큰 정수이다.
상기 제어 신호를 생성하는 단계는 제1집적 시간 동안 검출된 상기 신호의 레벨이 상기 포화 레벨과 같거나 클 때, 상기 제어 신호를 생성하기 위해 상기 제1집적 시간을 제2집적 시간으로 감소시킬 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 상기 피사체의 밝기에 관련된 신호는 상기 이미지 센서에 포함된 조도 센서로부터 출력된 조도 신호일 수 있다.
상기 조절하는 단계는 상기 조도 신호에 기초하여 집적 시간을 결정하는 단계와, 상기 한 프레임 시간과 상기 집적 시간의 비율에 따라 상기 오버샘플링 회수를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 오버샘플링 회수는 1보다 큰 정수일 수 있다.
조절된 회수만큼 오버샘플링이 수행될 때마다, 집적 시간 동안 광전변환소자를 이용하여 광전변환동작을 수행하는 단계와, 리드아웃 시간 동작 동안 상기 광전변환소자에 의해 생성된 전하들을 디지털 신호들로 변환하는 단계와, 풀 프레임 이미지 데이터를 얻기 위해, 상기 디지털 신호들을 메모리에 누적하는 단계를 포함한다.
상기 오버샘플링 회수를 조절하는 단계는 상기 이미지 센서에 포함된 광전변환소자의 풀 웰 커패시티(full well capacity)를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이와, 상기 픽셀들을 로우(row) 단위로 구동하는 로우 드라이버와, 상기 픽셀들로부터 출력된 픽셀 신호들을 리드아웃하는 리드아웃 회로와, 피사체의 밝기에 관련된 신호를 검출하고 검출 결과에 상응하는 제어 신호를 생성하는 결정 회로와, 상기 제어 신호에 기초하여 한 프레임 시간의 범위 내에서 오버샘플링 회수를 제어하기 위해 상기 로우 드라이버를 제어하는 타이밍 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 데이터 처리 시스템은 디스플레이와, 이미지 센서와, 상기 디스플레이와 상기 이미지 센서를 제어하는 프로세서를 포함한다.
상기 이미지 센서는 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이와, 상기 픽셀들을 로우(row) 단위로 구동하는 로우 드라이버와, 상기 픽셀들로부터 출력된 픽셀 신호들을 리드아웃하는 리드아웃 회로와, 피사체의 밝기에 관련된 신호를 검출하고 검출 결과에 상응하는 제어 신호를 생성하는 결정 회로와, 상기 제어 신호에 기초하여 한 프레임 시간의 범위 내에서 오버샘플링 회수를 제어하기 위해 상기 로우 드라이버를 제어하는 타이밍 컨트롤러를 포함한다.
상기 프로세서는 상기 디스플레이를 통해 제공되는 사용자 인터페이스를 통해 입력된 사용자 입력에 기초하여 상기 피사체의 밝기에 관련된 신호를 상기 이미지 센서로 전송한다. 상기 디스플레이는 상기 사용자 입력을 처리하는 터치 스크린 패널을 포함한다.
상기 프로세서는 상기 디스플레이에서 디스플레이되는 이미지 중에서 사용자에 의해 선택된 기준 영역에 대한 정보에 기초하여 상기 피사체의 밝기에 관련된 신호를 상기 이미지 센서로 전송한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 조도에 무관하게 광학 이미지를 전기 신호들로 변환할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 조도에 따라 오버샘플링 회수 또는 풀 웰 커패시티를 조절할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 높은 동적 범위(high dynamic rande(HDR))에서, SNR(signal-to-noise)를 최적화할 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 센서의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 2는 밝기(brightness) 또는 집적 시간(integration time)에 따른 리드아웃 회로의 출력 신호의 타이밍 도를 나타내다.
도 3은 도 1에 도시된 이미지 센서의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 조도에 따라 변경되는 집적 회수의 실시 예들에 대한 타이밍 도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 이미지 센서의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 7은 사용자에 의해 선택되는 기준 영역의 실시 예들을 나타낸다.
도 8은 사용자에 의해 선택된 기준 영역에 따라 조절되는 집적 회수에 대한 플로우차트이다.
도 9는 도 1 또는 도 5에 도시된 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템의 블록도를 나타낸다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 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 명세서에서 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 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 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 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 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 나타낸다. 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, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서(100A)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버 (120), 타이밍 컨트롤러(130A), 리드아웃 회로(140), 메모리(150), 및 결정 로직 회로(160)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 2차원 매트릭스 형태로 구현된 복수의 픽셀들을 포함한다. 상기 복수의 픽셀들 각각은 하나의 포토다이오드와 M(M은 3, 4, 또는 5)개의 트랜지스터를 포함할 수 있다.
로우 드라이버(120)는 상기 복수의 픽셀들을 로우(row) 단위로 구동할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(130A)는 제어 신호(CTR1)에 응답하여 오버샘플링 회수를 조절하기 위한 조절 신호들을 생성하고, 생성된 조절 신호들을 로우 드라이버(120)로 전송할 수 있다. 따라서, 로우 드라이버(120)는 조절 신호들에 응답하여 로우 단위로 픽셀들의 동작을 제어할 수 있다.
각 오버샘플링(샘플링 또는 멀티플(multiple) 샘플링)은 집적 동작과 리드아웃 동작을 포함할 수 있다.
예컨대, 집적 시간 동안 수행되는 집적 동작은 픽셀(pixel)에 포함된 광전변환소자(예컨대, 포토다이오드, 포토게이트, 포토 트랜지스터, 또는 핀드(pinned) 포토다이오드)를 이용하여 전하들을 생성하고 생성된 전하들을 저장하는 동작을 의미한다.
리드아웃 동작은 광전변환소자에 집적된 전하들을 전송 트랜지스터를 이용하여 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 동작, 상기 전하들에 기초하여 픽셀 신호를 생성하는 동작, 및 리드아웃 회로(140)를 이용하여 상기 픽셀 신호로부터 디지털 픽셀 신호를 생성하는 동작을 포함한다.
리드아웃 회로(140)는, 타이밍 컨트롤러(130A)의 제어에 따라, 픽셀 어레이 (110)로부터 출력된 픽셀 신호들을 디지털 픽셀 신호들로 변환할 수 있다.
리드아웃 회로(140)는 피사체(113)의 밝기에 관련된 신호(SOUT; 이하 "제1밝기 신호"라 한다)를 생성할 수 있다. 예컨대, 피사체(113)의 제1밝기 신호(SOUT)는 디지털 신호(들)일 수 있다.
타이밍 컨트롤러(130A)의 제어에 따라, 메모리(150)는 상기 디지털 픽셀 신호들에 상응하는 풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)를 출력할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 피사체(113)의 제1밝기 신호(SOUT)를 정의할 수 있는 픽셀 신호들을 생성할 수 있는 일부(partial) 픽셀들(111)을 포함한다.
일부 픽셀들(111)의 개수와 위치를 정의하는 방법은 이미지 센서(100A)의 설계 방법에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
실시 예에 따라, 픽셀 어레이(110)의 모든 픽셀들이 일부 픽셀들(111)로 정의될 수 있다. 또한, 다른 실시 예에 따라, 일부 픽셀들(111)의 개수와 위치는 사용자의 설정에 따라 자유롭게 변경될 수도 있다.
결정 로직 회로(160)는 피사체(113)의 제1밝기 신호(SOUT)를 검출(또는 분석)하고, 검출 결과(또는 분석 결과)에 상응하는 제어 신호(CTR1)를 생성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제어 신호(CTR1)는 하나의 프레임 시간의 범위 내에서 오버샘플링 회수(집적 회수 또는 풀 웰 커패시티)를 조절할 수 있는 제어 신호(들)로서의 기능을 수행할 수 있다.
결정 로직 회로(160)는 이미지 센서(100A)의 동작을 제어할 수 있는 프로세서(예컨대, 도 9의 410)로부터 출력된 오버샘플링 조절 신호(UI)에 응답하여 제어 신호(CTR1)를 생성할 수 있다. 오버샘플링 조절 신호(UI)는 사용자 입력에 관련된 신호(들)일 수 있다.
결정 로직 회로(160)는 우선권 정보(priority information)에 기초하여 피사체(113)의 제1밝기 신호(SOUT)와 오버샘플링 조절 신호(UI) 중에서 어느 신호를 먼저 처리할지를 결정할 수 있다. 예컨대, 상기 우선권 정보는 제조자 또는 사용자에 의해 결정될 수 있고, 상기 우선권 정보는 결정 로직 회로(160)의 레지스터 (register)에 저장될 수 있다.
도 2는 밝기 또는 집적 시간에 따른 리드아웃 회로의 출력 신호의 타이밍 도를 나타내고, 도 3은 도 1에 도시된 이미지 센서의 동작을 나타내는 플로우차트이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 조도에 따라 변경되는 집적 회수의 실시 예들에 대한 타이밍 도들이다.
오버샘플링 회수(또는 풀 웰 커패시티)를 조절하는 방법은 도 1부터 도 4를 참조하여 상세히 설명된다.
설명의 편의를 위해, CASE2에 해당하는 제2집적 시간(Tint2)이 집적 시간으로 설정되어 있다고 가정한다(S110). 따라서, 이미지 센서(100A)는 타이밍 컨트롤러(130A)의 조절 신호들에 따라 제2집적 시간(Tint2)을 이용하여 피사체(113)의 제밝기 신호(SOUT)를 검출한다(S120).
리드아웃 회로(140)로부터 출력된 제1밝기 신호(SOUT)가 SS11일 때, 즉, 제1밝기 신호(SOUT)가 포화되지 않았을 때, 결정 로직 회로(160)는 한 프레임 시간 (Tamx)의 범위 내에서 오버샘플링 회수를 결정할 수 있다. 예컨대, 한 프레임 시간 (Tamx)은 프레임 레이트(frame rate)로 결정될 수 있다.
결정 로직 회로(160)는 포화 레벨(Smax)에 대한 정보와 한 프레임 시간 (Tamx)에 대한 정보를 외부로부터 수신하고, 상기 정보를 내부의 레지스터에 저장할 수 있다. 예컨대, 포화 레벨(Smax)에 대한 정보와 한 프레임 시간(Tamx)에 대한 정보는 업데이트 가능하다.
예컨대, 결정 로직 회로(160)는 포화 레벨(Smax)과 밝기 신호(SOUT)의 레벨 (SS11)의 비율(예컨대, Smax/SS11)에 따라 오버샘플링 회수를 결정하고, 상기 오버샘플링 회수에 상응하는 제어 신호(CTR1)를 타이밍 컨트롤러(130A)로 출력할 수 있다. 예컨대, 상기 오버샘플링 회수는 1보다 큰 정수일 수 있다.
결정 로직 회로(160)에 의해 계산된 비율에 따라 오버샘플링 회수는 도 4의 CASE3 또는 CASE4에 도시된 바와 같이 3회 또는 n(n은 3보다 큰 정수)회로 증가할 수도 있고, 도 4의 CASE1에 도시된 바와 같이 1회로 감소할 수도 있다.
이미지 센서(100A)는 결정된 오버샘플링 회수만큼 오버샘플링이 수행될 때마다, 오버샘플링을 반복적으로 수행한다(S150). 즉, 이미지 센서(100A)는 각 집적 시간(Tint3 또는 Tintn) 동안 광전변환소자를 이용하여 광전변환동작을 수행하고, 각 리드아웃 시간(To) 동안 리드아웃 회로(140)를 이용하여 상기 광전변환소자에 의해 생성된 전하들을 디지털 신호들로 변환한다.
풀 프레임(full frame) 이미지 데이터(IDATA)를 얻기 위해, 오버샘플링이 수행될 때마다 생성된 디지털 신호들은 메모리(150)에 누적된다.
메모리(150)는 오버샘플링 회수에 상응하는 누적 과정을 통해 생성된 풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)를 출력한다(S160).
그러나, 제1밝기 신호(SOUT)가 SS12일 때, 즉, 제1밝기 신호(SOUT)는 포화될 때, 결정 로직 회로(160)는 제2집적 시간(Tint2)보다 작은 제3집적 시간(Tint3)을 이미지 센서(100A)의 집적 시간으로 다시 설정한다. 실시 예들에 따라, 결정 로직 회로(160)는 제3집적 시간(Tint3)보다 작은 집적 시간을 이미지 센서(100A)의 집적 시간으로 다시 설정할 수 있다.
따라서, 이미지 센서(100A)는 타이밍 컨트롤러(130A)의 조절 신호들에 따라 제3집적 시간(Tint3)을 이용하여 피사체(113)의 제1밝기 신호(SOUT)를 검출한다 (S120). 그리고, 이미지 센서(100A)는 다음 단계들(S130, S140, S150, 및 S160)을 수행할 수 있다.
계속하여, 설명의 편의를 위해 CASE1에 따라 제1집적 시간(Tint1)가 설정되어 있다고 가정한다(S110). 따라서, 이미지 센서(100A)는 타이밍 컨트롤러(130)의 조절 신호들에 따라 제1집적 시간(Tint1)을 이용하여 피사체(113)의 제1밝기 신호 (SOUT)를 검출한다(S120).
리드아웃 회로(140)로부터 출력된 제1밝기 신호(SOUT)가 SS21일 때, 즉, 제1밝기 신호(SOUT)가 포화되지 않을 때, 결정 로직 회로(160)는 한 프레임 시간 (Tamx)의 범위 내에서 오버샘플링 회수를 결정할 수 있다.
결정 로직 회로(160)는 포화 레벨(Smax)과 밝기 신호(SOUT)의 레벨(SS21)의 비율(예컨대, Smax/SS21)에 따라 오버샘플링 회수를 결정하고, 상기 오버샘플링 회수에 상응하는 제어 신호(CTR1)를 타이밍 컨트롤러(130A)로 출력한다. 예컨대, 상기 오버샘플링 회수는 1보다 큰 정수일 수 있다.
결정 로직 회로(160)에 의해 계산된 비율에 따라 오버샘플링 회수는 도 4의 CASE2, CASE3 또는 CASE4에 도시된 바와 같이 2회, 3회 또는 n(n은 3보다 큰 정수)회로 증가할 수 있다.
이미지 센서(100A)는 결정된 오버샘플링 회수만큼 오버샘플링이 수행될 때마다, 오버샘플링을 반복적으로 수행한다(S150). 즉, 이미지 센서(100A)는 각 집적 시간(Tint2, Tint3, 또는 Tintn) 동안 광전변환소자를 이용하여 광전변환동작을 수행하고, 각 리드아웃 시간(To) 동안 리드아웃 회로(140)를 이용하여 상기 광전변환소자에 의해 생성된 전하들을 디지털 신호들로 변환한다.
풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)를 얻기 위해, 오버샘플링이 수행될 때마다 생성된 디지털 신호들은 메모리(150)에 누적된다.
메모리(150)는 오버샘플링 회수에 상응하는 누적 과정을 통해 생성된 풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)를 출력한다(S160).
그러나, 제1밝기 신호(SOUT)가 SS22일 때, 즉, 제1밝기 신호(SOUT)가 포화될 때, 결정 로직 회로(160)는 제1집적 시간(Tint1)보다 작은 제2집적 시간(Tint2)을 이미지 센서(100A)의 집적 시간으로 다시 설정한다. 실시 예들에 따라, 결정 로직 회로(160)는 제3집적 시간(Tint3)보다 작은 집적 시간을 이미지 센서(100A)의 집적 시간으로 다시 설정할 수 있다.
따라서, 이미지 센서(100A)는 타이밍 컨트롤러(130A)의 조절 신호들에 따라 제2집적 시간(Tint2)을 이용하여 피사체(113)의 제1밝기 신호(SOUT)를 검출한다 (S120). 그리고, 이미지 센서(100A)는 다음 단계들(S130, S140, S150, 및 S160)을 수행할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 싱글 프레임 시간(Tamx) 동안, CASE1의 샘플링 회수는 1회이고, CASE2의 샘플링 회수는 2회이고, CASE3의 샘플링 회수는 3회이고, CASE4의 샘플링 회수는 n회이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 이미지 센서(100B)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버 (120), 타이밍 컨트롤러(130B), 리드아웃 회로(140), 메모리(150), 조도 센서 (210), 및 결정 로직 회로(220)를 포함할 수 있다.
조도 센서(210)는 이미지 센서(100B) 또는 피사체(113)의 주위의 조도를 감지하고 감지 결과에 따라 조도 신호(LI)를 결정 로직 회로(220)로 출력한다.
결정 로직 회로(220)는 피사체(113)의 밝기에 관련된 신호(LI, 이하 "제2 밝기 신호"라 한다), 즉 조도 신호(LI)를 검출하고 검출 결과에 상응하는 제어 신호 (CTR2)를 출력한다.
타이밍 컨트롤러(130B)는 제어 신호(CTR2)에 응답하여 오버샘플링 회수를 조절하기 위한 조절 신호들을 생성하고, 생성된 조절 신호들을 로우 드라이버(120)로 전송할 수 있다.
결정 로직 회로(220)는 이미지 센서(100B)의 동작을 제어할 수 있는 프로세서(예컨대, 도 9의 410)로부터 출력된 오버샘플링 조절 신호(UI)에 응답하여 제어 신호(CTR2)를 생성할 수 있다.
결정 로직 회로(220)는 우선권 정보에 기초하여 피사체(113)의 제2밝기 신호 (LI)와 오버샘플링 조절 신호(UI) 중에서 어느 신호를 먼저 처리할지를 결정할 수 있다. 예컨대, 상기 우선권 정보는 사용자에 의해 결정될 수 있고, 상기 우선권 정보는 결정 로직 회로(220)의 레지스터(register)에 저장될 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 이미지 센서의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
오버샘플링 회수를 조절하는 방법은 도 2, 도 4, 도 5, 및 도 6을 참조하여 상세히 설명된다.
조도 센서(210)는 이미지 센서(100B) 또는 피사체(113)의 주위의 조도를 감지하고 피사체(113)의 제2밝기 신호, 즉 조도 신호(LI)를 결정 로직 회로(220)로 출력한다.
결정 로직 회로(220)는 집적 시간을 설정한다(S220).
예컨대, 결정 로직 회로(220)는 최대 조도 신호(Imax), 감지된 조도 신호 (LI), 및 한 프레임 시간의 최소 값(Tmin)을 이용하여 집적 시간(T)을 결정할 수 있다(S220). 예컨대, 집적 시간(T)은 Tmin*LI/Imax로 결정될 수 있다.
결정 로직 회로(220)는 결정된 집적 시간(T)과 한 프레임 시간(Tmax)의 비율 (예컨대, Tmax/T)에 따라 오버샘플링 회수를 결정하고, 상기 오버샘플링 회수에 상응하는 제어 신호(CTR2)를 타이밍 컨트롤러(130B)로 출력한다. 예컨대, 상기 오버샘플링 회수는 1보다 큰 정수일 수 있다.
조도 센서(210)로부터 출력된 조도 신호(LI)와 리드아웃 회로(140)의 출력 신호(SOUT)는 거의 비례하므로, 도 4에 도시된 경우(CASE1, CASE2, CASE3, 및 CASE4)는 도 5에 적용될 수 있다.
결정 로직 회로(220)에 의해 집적 시간(T)이 제2집적 시간(Tint2)으로 결정되면(S230), 이미지 센서(100B)는 결정된 2번의 오버샘플링을 반복적으로 수행한다 (S240). 즉, 이미지 센서(100A)는 각 집적 시간(Tint2) 동안 광전변환소자를 이용하여 광전변환동작을 수행하고, 각 리드아웃 시간(To) 동안 리드아웃 회로(140)를 이용하여 상기 광전변환소자에 의해 생성된 전하들을 디지털 신호들로 변환한다.
풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)를 얻기 위해, 각 오버샘플링이 수행될 때마다 생성된 디지털 신호들은 메모리(150)에 누적된다.
메모리(150)는 2번의 오버샘플링에 상응하는 누적 과정을 통해 생성된 풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)를 출력한다(S250).
그러나, 결정 로직 회로(220)에 의해 집적 시간(T)이 제3집적 시간(Tint3)으로 결정되면(S230), 이미지 센서(100B)는 3번의 오버샘플링을 반복적으로 수행한다 (S240). 즉, 이미지 센서(100A)는 각 집적 시간(Tint3) 동안 광전변환소자를 이용하여 광전변환동작을 수행하고, 각 리드아웃 시간(To) 동안 리드아웃 회로(140)를 이용하여 상기 광전변환소자에 의해 생성된 전하들을 디지털 신호들로 변환한다.
풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)를 얻기 위해, 각 오버샘플링이 수행될 때마다 생성된 디지털 신호들은 메모리(150)에 누적된다.
메모리(150)는 3번의 오버샘플링에 상응하는 누적 과정을 통해 생성된 풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)를 출력한다(S250).
도 7은 사용자에 의해 선택되는 기준 영역의 실시 예들을 나타낸다.
도 7의 디스플레이(300)에 디스플레이된 이미지는 서로 다른 밝기를 갖는다. 예컨대, 제1기준 영역(RR1)이 상대적으로 가장 어둡고, 제3기준 영역(RR3)이 상대적으로 가장 밝고, 제2기준 영역(RR2)이 상대적으로 중간 밝기를 갖는다.
사용자는 터치 스크린 패널을 포함하는 디스플레이(300)에서 원하는 기준 영역을 선택할 수 있다. 예컨대, 사용자가 제1터치 입력(TP1)을 통해 제1기준 영역 (RR1)을 선택할 경우 오버샘플링 회수는 상대적으로 가장 적고, 상기 사용자가 제3터치 입력(TP3)을 통해 제3기준 영역(RR3)을 선택할 경우 오버샘플링 회수는 상대적으로 가장 많고, 상기 사용자가 제2터치 입력(TP2)을 통해 제2기준 영역(RR2)을 선택할 경우 오버샘플링 회수는 상대적으로 중간이다.
각 사용자 입력(TP1, TP2, 및 TP3)은 오버샘플링 조절 신호(UI)에 관련된다. 경우에 따라, 각 사용자 입력(TP1, TP2, 및 TP3)은 사용자 인터페이스의 터치 포인트를 의미할 수 있다.
도 8은 사용자에 의해 선택된 기준 영역에 따라 조절되는 집적 회수에 대한 플로우차트이다.
도 1, 도 5, 도 7, 및 도 8을 참조하면, 사용자가 제1터치 입력(TP1)을 입력하면, 제1터치 입력(TP1)에 상응하는 오버샘플링 조절 신호(UI)는 결정 로직 회로(160 또는 220)로 입력된다(S310).
결정 로직 회로(160 또는 220)는 오버샘플링 조절 신호(UI)를 해석하고 해석 결과에 따라 오버샘플링 회수를 결정한다(S320). 결정된 오버샘플링 회수를 지시하는 제어 신호(CTR1 또는 CTR2)는 타이밍 컨트롤러(130A 또는 130B)로 출력된다.
결정 로직 회로(160 또는 220)가 1회의 샘플링을 지시하는 제어 신호(CTR1 또는 CTR2)를 타이밍 컨트롤러(130A 또는 130B)로 출력한다고 가정하면, 이미지 센서(100A 또는 100B)는 도 4의 CASE1에 도시된 바와 같이 1회의 샘플링을 수행하고(S330), 수행 결과에 상응하는 디지털 픽셀 신호들을 메모리(150)에 저장한다. 메모리(150)에 저장된 픽셀 신호들에 상응하는 풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)는 타이밍 컨트롤러(130A 또는 130B)의 제어에 따라 출력된다(S340).
도 1, 도 5, 도 7, 및 도 8을 참조하면, 사용자가 제2터치 입력(TP2)을 입력하면, 제2터치 입력(TP2)에 상응하는 오버샘플링 조절 신호(UI)는 결정 로직 회로 (160 또는 220)로 입력된다(S310).
결정 로직 회로(160 또는 220)는 오버샘플링 조절 신호(UI)를 해석하고 해석 결과에 따라 오버샘플링 회수를 결정한다(S320). 결정된 오버샘플링 회수를 지시하는 제어 신호(CTR1 또는 CTR2)는 타이밍 컨트롤러(130A 또는 130B)로 출력된다.
결정 로직 회로(160 또는 220)가 3회의 샘플링을 지시하는 제어 신호(CTR1 또는 CTR2)를 타이밍 컨트롤러(130A 또는 130B)로 출력한다고 가정하면, 이미지 센서(100A 또는 100B)는 도 4의 CASE3에 도시된 바와 같이 3회의 샘플링을 수행하고 (S330), 수행 결과에 상응하는 디지털 픽셀 신호들을 메모리(150)에 누적한다. 메모리(150)에 누적된 픽셀 신호들에 상응하는 풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)는 타이밍 컨트롤러(130A 또는 130B)의 제어에 따라 출력된다(S340).
도 1, 도 5, 도 7, 및 도 8을 참조하면, 사용자가 제3터치 입력(TP3)을 입력하면, 제3터치 입력(TP3)에 상응하는 오버샘플링 조절 신호(UI)는 결정 로직 회로 (160 또는 220)로 입력된다(S310).
결정 로직 회로(160 또는 220)는 오버샘플링 조절 신호(UI)를 해석하고 해석 결과에 따라 오버샘플링 회수를 결정한다(S320). 결정된 오버샘플링 회수를 지시하는 제어 신호(CTR1 또는 CTR2)는 타이밍 컨트롤러(130A 또는 130B)로 출력된다.
결정 로직 회로(160 또는 220)가 n회의 샘플링을 지시하는 제어 신호(CTR1 또는 CTR2)를 타이밍 컨트롤러(130A 또는 130B)로 출력한다고 가정하면, 이미지 센서(100A 또는 100B)는 도 4의 CASE4에 도시된 바와 같이 n회의 샘플링을 수행하고 (S330), 수행 결과에 상응하는 디지털 픽셀 신호들을 메모리(150)에 누적한다. 메모리(150)에 누적된 픽셀 신호들에 상응하는 풀 프레임 이미지 데이터(IDATA)는 타이밍 컨트롤러(130A 또는 130B)의 제어에 따라 출력된다(S340).
도 9는 도 1 또는 도 5에 도시된 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템의 블록도를 나타낸다. 도 1부터 도 9를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(400)은 프로세서(410), 디스플레이(530), 및 이미지 센서 IC(540)을 포함한다.
컴퓨팅 시스템(400)은 이동 전화기, 스마트 폰, 태블릿 PC, 모바일 인터넷 장치(mobile internet device(MID)), 인터넷 태블릿(Internet tablet), 또는 웨어러블 컴퓨터로 구현될 수 있다.
프로세서(410)는 디스플레이(530)와 이미지 센서 IC(540)를 제어할 수 있다.
프로세서(410)는 집적 회로, 시스템 온 칩(system on chip(SoC)), 애플리케이션 프로세서(application processor), 또는 모바일 AP로 구현될 수 있다.
프로세서(410)는 디스플레이(530)와 통신할 수 있는 디스플레이 호스트(411)와 이미지 센서 IC(540)와 통신할 수 있는 이미지 센서 IC 호스트(421)를 포함한다.
디스플레이 호스트(411)는 DSI-2 호스트(413), UniPro(415), 및 M-PHY(417)을 포함한다. 이미지 센서 IC 호스트(421)는 CSI-3 호스트(423), UniPro(425), 및 M-PHY(427)을 포함한다.
디스플레이 호스트(411)는 DSI(display serial interface)-2를 통하여 디스플레이(530)와 데이터를 주거나 받을 수 있다. 디스플레이(530)는 M-PHY(531), UniPro(533), 및 DSI-2 장치(300)를 포함한다. DSI-2 장치(300)는 디스플레이 패널을 포함하거나 또는 터치 스크린 패널과 디스플레이 패널을 포함할 수 있다.
프로세서(410)의 제어에 따라 DSI-2 장치(300)는 각 터치 입력(TP1, TP2, 및 TP3)을 수신할 수 있는 사용자 인터페이스 또는 이미지 센서 IC(540)의 동작을 제어할 수 있는 사용자 메뉴를 사용자에게 제공할 수 있다.
이미지 센서 IC 호스트(421)는 CSI(camera serial interface)-3을 통하여 이미지 센서 IC(540)와 데이터를 주거나 받을 수 있다. 이미지 센서 IC(540)는 M-PHY(541), UniPro(543), 및 CSI-3 장치(100)를 포함한다. CSI-3 장치(100)는 도 1의 이미지 센서(100A) 또는 도 5의 이미지 센서(100B)를 의미할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 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.
100A와 100B; 이미지 센서
110; 픽셀 어레이
120; 로우 드라이버
130A와 130B; 타이밍 컨트롤러
140; 리드아웃 회로
150; 메모리
160과 220; 결정 회로

Claims (10)

  1. 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 픽셀들을 로우(row) 단위로 구동하는 로우 드라이버;
    상기 픽셀들로부터 출력된 픽셀 신호들을 리드아웃하는 리드아웃 회로;
    피사체의 밝기에 관련된 신호를 검출하고 검출 결과에 상응하는 제어 신호를 생성하는 결정 회로; 및
    상기 제어 신호에 기초하여 한 프레임 시간의 범위 내에서 오버샘플링 회수를 제어하기 위해 상기 로우 드라이버를 제어하는 타이밍 컨트롤러를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피사체의 밝기에 관련된 신호는 상기 픽셀들 중에서 일부의 픽셀들로부터 출력된 픽셀 신호들에 관련된 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 결정 회로는 상기 픽셀들의 포화 레벨과 상기 일부의 픽셀들로부터 출력된 픽셀 신호들의 레벨의 비율에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 결정 회로는,
    제1집적 시간 동안 검출된 상기 신호의 레벨이 상기 포화 레벨과 같거나 클 때, 상기 제어 신호를 생성하기 위해 상기 제1집적 시간을 제2집적 시간으로 감소시키는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피사체 주위의 조도를 감지하고 감지 결과에 상응하는 상기 피사체의 밝기에 관련된 신호를 출력하는 조도 센서를 더 포함하는 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 결정 회로는,
    상기 조도 센서의 출력 신호에 기초하여 집적 시간을 결정하고, 상기 한 프레임 시간과 상기 집적 시간의 비율에 따라 상기 제어 신호를 생성하고,
    상기 오버샘플링 회수는 1보다 큰 정수인 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서는 메모리를 더 포함하고,
    조절된 회수만큼 오버샘플링이 수행될 때마다,
    집적 시간 동안, 상기 픽셀들에 포함된 광전변환소자들은 광전변환동작을 수행하고,
    리드아웃 시간 동작 동안, 상기 리드아웃 회로는 상기 광전변환소자들에 의해 생성된 전하들을 디지털 신호들로 변환하고,
    상기 메모리는, 풀 프레임 이미지 데이터를 얻기 위해, 상기 디지털 신호들을 누적하는 이미지 센서.
  8. 디스플레이;
    이미지 센서; 및
    상기 디스플레이와 상기 이미지 센서를 제어하는 프로세서를 포함하고.
    상기 이미지 센서는,
    픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 픽셀들을 로우(row) 단위로 구동하는 로우 드라이버;
    상기 픽셀들로부터 출력된 픽셀 신호들을 리드아웃하는 리드아웃 회로;
    피사체의 밝기에 관련된 신호를 검출하고 검출 결과에 상응하는 제어 신호를 생성하는 결정 회로; 및
    상기 제어 신호에 기초하여 한 프레임 시간의 범위 내에서 오버샘플링 회수를 제어하기 위해 상기 로우 드라이버를 제어하는 타이밍 컨트롤러를 포함하는 이미지 데이터 처리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 디스플레이를 통해 제공되는 사용자 인터페이스를 통해 입력된 사용자 입력에 기초하여 상기 피사체의 밝기에 관련된 신호를 상기 이미지 센서로 전송하는 이미지 데이터 처리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 디스플레이는 상기 사용자 입력을 처리하는 터치 스크린 패널을 포함하는 이미지 데이터 처리 시스템.
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