KR20160084797A

KR20160084797A - 이미지 센서, 그것의 동작 방법, 및 그것을 포함하는 촬상 장치

Info

Publication number: KR20160084797A
Application number: KR1020150161951A
Authority: KR
Inventors: 이빙 엠. 왕; 릴롱 쉬
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2016-07-14
Also published as: US20160198131A1

Abstract

이미지 센서는 제1 감도를 나타내는 픽셀들(pixels)의 제1 어레이(array) 및 제2 감도를 나타내는 픽셀들의 제2 어레이를 포함하되, 픽셀들의 제1 어레이는 픽셀들의 제2 어레이와 전기적으로 분리된다.

Description

이미지 센서, 그것의 동작 방법, 및 그것을 포함하는 촬상 장치{IMAGE SENSOR, OPERATION METHOD THEREOF AND IMAGING DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은 이미지 센서, 구체적으로 향상된 듀얼 어레이를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

오늘날 효과적인 촬상 장치들에 대한 요구가 증가하고 있다. 예를 들어, 도시 지역은 보안 위험을 모니터하기 위해 지속적인 감시 아래에 있다. 모바일 컴퓨팅(mobile computing)의 끊임없는 경쟁은 이미지 기능들을 끊임없이 추가하고 있다. 많은 개선들은 처리 능력의 증가, 광학의 향상, 그리고 더 큰 어레이들(arrays)의 제공을 통해 만들어지는 동안에, 여전히 개선의 기회가 있다.

본 발명의 목적은 듀얼 어레이 이미지 센서를 사용하여 이미지를 수집하는 이미지 센서, 그것의 동작 방법 및 그것을 포함하는 촬상 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 제1 감도를 나타내는 픽셀들(pixels)의 제1 어레이(array) 및 제2 감도를 나타내는 픽셀들의 제2 어레이를 포함하되, 픽셀들의 제1 어레이는 픽셀들의 제2 어레이와 전기적으로 분리된다.

실시 예로서, 픽셀들의 제1 어레이는 이미지 센서에 포함된 컬러 필터 모자이크(color filter mosaic)의 화이트 필터들(white filters) 및 그린 필터들(green filters) 중 적어도 하나와 관련된다.

실시 예로서, 픽셀들의 제1 어레이는 이미지 센서에 포함된 컬러 필터 모자이크의 레드 필터들(red filters) 및 블루 필터들(blue filters) 중 적어도 하나와 관련된다.

실시 예로서, 제1 어레이의 노출 시간과 제2 어레이의 노출 시간은 분리된다.

실시 예로서, 제1 어레이의 픽셀들 사이의 전기적 상호 접속 및 제2 어레이의 픽셀들 사이의 전기적 상호 접속은 지그-재그 패턴(zig-zag pattern)으로 구성된다.

실시 예로서, 제1 어레이의 픽셀들 사이의 전기적 상호 접속 및 제2 어레이의 픽셀들 사이의 전기적 상호 접속은 이미지 센서에 포함된 컬러 필터 모자이크와 관련되어 배치된다.

실시 예로서, 제1 어레이 및 제2 어레이는 RST 및 TX 트랜지스터들을 턴-온(turn on)함으로써, 리셋(reset)된다.

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀들의 포화를 피하기 위한 이미지 센서의 동작 방법은 제1 감도를 나타내는 픽셀들의 제1 어레이 및 제2 감도를 나타내는 픽셀들의 제2 에러이를 포함하는 이미지 센서를 선택하는 단계 및 제1 감도에 따라 제1 어레이에 대한 제1 노출 시간을 설정하고, 제2 감도에 따른 제2 어레이에 대한 제2 노출 시간을 설정하는 단계를 포함하되, 제1 노출 시간 및 제2 노출 시간은 포화에 따라 결정된다.

실시 예로서, 제1 노출 시간을 설정하는 단계에서 제1 어레이 내의 픽셀들에 대응하는 가중 평균이 계산되고, 제2 노출 시간을 설정하는 단계에서 제2 어레이 내의 픽셀들에 대응하는 가중 평균이 계산된다.

실시 예로서, 제1 노출 시간 및 제2 노출 시간을 사용하는 프레임(frame)을 촬영하는 단계를 더 포함한다.

실시 예로서, 제1 어레이 및 제2 어레이 사이의 노출 시간 비율을 계산하는 단계를 더 포함한다.

실시 예로서, 제1 노출 시간, 제2 노출 시간 및 노출 시간 비율 중 적어도 하나를 메모리에 저장하는 단계를 더 포함한다.

실시 예로서, 제1 어레이를 그린 컬러 필터들(green color filters) 및 화이트 컬러 필터들(white color filters)의 세트(set) 중 하나와 관련 짓는 단계를 더 포함한다.

실시 예로서, 제2 어레이를 레드 컬러 필터들(red color filters) 및 블루 컬러 필터들(blue color filters)의 세트(set) 중 하나와 관련 짓는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 촬상 장치는 듀얼 어레이 이미지 센서(dual array image sensor) 및 듀얼 어레이 이미지 센서를 제어하고, 듀얼 이미지 센서로부터의 이미지들(images)을 제공하는 프로세서를 포함한다.

실시 예로서, 사진을 위한 카메라, 카메라를 포함하는 모바일 장치, 진단 촬상 장치, 및 상업용 촬상 장치를 중 하나를 더 포함한다.

실시 예로서, 촬상 장치는 기계 가독형 매체에 저장된 기계 실행 명령어들의 세트를 더 포함하고, 기계 실행 명령어들은 듀얼 어레이 이미지 센서를 제어한다.

실시 예로서, 촬상 장치는 이미지들을 교환하기 위한 통신 인터페이스를 더 포함한다.

본 발명은 듀얼 어레이 이미지 센서를 제공함으로써, 이미지의 색 정확도를 향상 시키기 위한 이미지 센서 및 그것을 포함하는 촬상 장치를 제공한다.

도 1a 및 도 1b는 집합적으로 도 1로 언급되고, 컬러 모자이크 필터(color mosaic filters)를 도시하고, 도 1a는 RGB 모자이크 패턴(pattern) 그리고 도 1b는 RWB 모자이크 패턴을 도시한 개념도이다.
도 2는 픽셀 어레이(pixel array) 위에 배치된 모자이크 필터의 단면도를 도시한다.
도 3은 RGB 모자이크 필터와 관련된 픽셀 어레이의 종래의 하이-레벨 토폴로지(high-level topology)를 도시한 개념도이다.
도 4는 RWB 모자이크 필터와 관련된 픽셀 어레이에 대한 하이-레벨 토폴로지를 도시한 개념도이다.
도 5는 RWB 모자이크 필터와 관련된 픽셀 어레이의 하이-레펠 토폴로지의 다른 실시 예를 도시한 개념도이다.
도 6은 좀 더 자세한 도 4의 전기 토폴로지를 도시한 회로도이다.
도 7은 도 6에 도시된 센서의 판독의 시간적 관계 양태를 도시하는 타이밍도이다.
도 8은 화이트 밸런스(white balabce)를 조절하기 위한 프로세스를 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 센서를 사용한 카메라를 도시한 개념도이다.
도 10a 및 도 10b는 집합적으로 도 10으로 언급되고, 본 발명의 센서를 사용하는 모바일 장치를 도시한 개념도이다.
도 11은 본 발명의 센서에 대한 처리 시스템을 도시한 개념도이다.

앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조 부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다.

아래에서, 장치 및 그것의 동작 방법이 본 발명의 특징 및 기능을 설명하기 위한 한 예로서 사용된다. 하지만, 이 기술 분야에 정통한 사람은 여기에 기재된 내용에 따라 본 발명의 다른 이점들 및 성능을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시 예들을 통해 또한, 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고 관점 및 용도에 따라 수정되거나 변경될 수 있다.

비록 "제 1", "제 2" 등의 용어가 여기서 다양한 요소를 설명하기 위해 사용될 수 있다 하더라도, 이들 요소는 이 용어들에 의해 한정되지 않는다. 이 용어들은 단지 다른 것들로부터 하나의 구성요소를 구별하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 "포함하는" 또는 "구성되는"과 같은 용어는 설명된 특징, 단계, 동작, 성분, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하나, 추가적인 하나 이상의 특징, 단계, 동작, 성분, 구성요소 및/또는 그들의 그룹의 존재를 가능하게 한다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층의 "위(상)/아래(하)(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 위(상)/아래(하)는 직접적으로(directly) 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 한 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층에 "연결되는", "결합하는", 또는 "인접하는" 것으로 언급되는 때에는, 다른 요소 또는 층에 직접적으로 연결되거나, 결합 되거나, 또는 인접하는 것일 수 있고, 혹은 그 사이에 끼워지는 요소 또는 층이 존재할 수 있음이 잘 이해될 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명할 것이다.

픽셀들의 독립적인 세트들의 그룹들은 반드시 동일하지 않지만, 꽤 유사한 성능 특성들을 갖는 픽셀들을 포함할 수 있다. 픽셀들의 제1 어레이는 비교적 넓은 범위에 걸쳐 연장되는 제1 감도를 나타낼 수 있다. 반면, 픽셀들의 제2 어레이는 비교적 넓고 다른 범위에 걸쳐 연장되는 제2 감도를 나타낼 수 있다. 동일한 감도를 나타내는 모든 픽셀들의 제1 또는 제2 어레이 내의 픽셀들의 상이한 유형들을 요구하지 않는다. 예를 들어 그린(Green, G) 픽셀들, 그리고 화이트(White, W) 픽셀들은 제1 어레이에 포함될 수 있다. 반면, 블루(blue, B) 픽셀들 및 레드(Red, R) 픽셀들은 제2 어레이에 포함될 수 있다. 그린 픽셀들의 감도와 화이트 픽셀들의 감도가 반드시 일치할 필요는 없지만, 그린 픽셀들의 감도와 화이트 픽셀들의 감도는 블루 픽셀들 및 레드 픽셀들 중 하나와 비교될 때, 유사할 수 있다. 반대로, 블루 픽셀들의 감도와 레드 픽셀들의 감도가 반드시 일치할 필요가 없다. 하지만 블루 그린 픽셀들 또는 화이트 픽셀들 중 하나와 비교될 때, 픽셀들의 감도 및 레드 픽셀들의 감도는 유사할 수 있다.

이에 따라, 제1 감도는 다소 다양한 성능 특성들을 나타내는 픽셀들의 그룹들을 포함할 수 있다. 하지만, 제2 감도와 관련된 픽셀들의 그룹들과는 완전히 별개이다. 요컨대, 픽셀들의 제1 어레이에 그룹된 특정 픽셀들은 기능적으로 동일하다. 반면 픽셀들의 제2 어레이에 그룹된 특정 픽셀들은 기능적으로 동일하고, 픽셀들의 제1 어레이와는 다른 특성을 나타낸다. 성능의 측정은 사용자, 디자이너(designer), 제조자 또는 다른 유사한 이해 관계자에 의해 결정된다.

본 발명의 일부 내용을 제공하기 위해서, 이미지 센서들의 일부 기술 및 측면들이 소개된다.

상술한 바와 같이, 광학의 향상 및 더 큰 어레이들의 제공은 향상에 대한 기회가 있다.

이미지 센서의 일 실시 예는 기본 컬러 필터 어레이를 포함한다. 좀 더 구체적으로, 베이어 필터 모자이크(Bayer filter mosaic)는 50%의 그린, 25%의 레드 그리고 25% 블루인 픽셀들로 구성된 패턴을 포함한다. 표면적으로, 사람 눈의 생리적 기능을 속이고, 더 많은 색 정확도의 결과들을 생성한다. 다른 조합은 시안(cyan), 마젠타(magenta) 그리고 엘로우(yellow)의 조합을 포함할 수 있다. 다른 조합은 화이트, 레드 그리고 블루 필터들을 포함할 수 있다. 모자이크 패턴들 또는 필터들은 "RGGB", "RGBW", "CMY", "RYB", "RWB"로 언급될 수 있다. 이러한 예시적인 패턴들에서, R은 레드, G는 그린, B는 블루, W는 화이트, C는 시안, M은 마젠타, Y는 엘로우를 나타낼 수 있다. 물론, 이러한 기본 정렬들의 추가적인 변형이 있다. 도 1a 및 도 1b는 집합적으로 도 1로 언급되고, 컬러 모자이크 필터(color mosaic filters)를 도시하고, 도 1a는 RGB 모자이크 패턴(pattern)(3) 그리고 도 1b는 RWB 모자이크 패턴(5)을 도시한 개념도이다.

도 1에서, 각각의 분리된 블록은 픽셀들의 어레이의 일부분인("픽셀 어레이"로 언급된다) 픽셀 위에 배치된다. 각각의 어레이는 4x4 픽셀들을 포함한다. 불행히도, 기존의 센서 어레이들은 이 패턴들에 잘 반응하지 않는다. 좀 더 구체적으로, 그린 필터들과 관련된 픽셀들, 그리고 화이트 필터들과 관련된 픽셀들(간단히, "그린 픽셀들" 그리고 "화이트 픽셀들"로 각각 언급된다.)은 각각의 픽셀 어레이 내에 남아 있는 픽셀들보다 빛에 좀 더 예민하다.

결과적으로, 종래의 이미지 센서에 수집된 이미지들은 종종 부정확한 색 균형을 갖는다. 그린 픽셀들 및 화이트 픽셀들은 픽셀 어레이들 각각에 남아있는 픽셀들 보다 좀 더 빠르게 포화됨으로써, 색 정확도는 감소된다. 색 정확도의 감소는 주어진 어레이에 대한 노출 시간을 감소시킴으로써, 상쇄될 수 있다. 이는 결과에서 제외되지 않는다. 낮은 노출 시간과 함께, 신호 교환의 감소가 있다. 어두운 빛 상태에서 동작할 때, 이는 레드 및/또는 블루 신호 데이터의 부족의 결과가 될 수 있다.

이와 같이, 이미지 센서에서 사용되는 픽셀 어레이의 이미징(imaging)의 정확도를 향상시키기 위한 방법 및 장치가 필요하다. 다양한 색 픽셀들의 감도의 변화를 설명하기 위한 방법 및 장치는 종래의 모자이크 패턴들에서 사용된다.

도 2는 픽셀 어레이(pixel array) 위에 배치된 모자이크 필터의 단면도를 도시한다. 이미지 센서(20)는 픽셀 어레이(21)에 배치된 복수의 픽셀들(22)을 포함한다. 실시 예로서, 픽셀 어레이(`)는 평면적이고, 길이(L) 및 폭(W)을 가짐으로써 특징지어진다. 픽셀 어레이의 상부에 배치된 것은 RGB 색 필터(3)이다. RGB 색 필터(3)는 그린 필터들(G), 레드 필터들(R), 블루 필터들(B)의 어레이를 포함한다. 일반적으로 RGB 색 필터(3)의 각각의 필터 요소(25)는 픽셀 어레이(21) 내의 픽셀(22)과 연관성이 있다. 실제로, 이미지 센서(20)는 길이(L) 및/또는 넓이(W)를 따라 확장된 수백 개에서 수천 개의 픽셀들(22)을 가질 수 있다.

물론, 다른 필터 배열들은 다른 관계들뿐만 아니라 다른 색들을 포함할 수 있다. 단독으로 도입하기 위해, 본 발명에서 개시되는 기술은 RGB 색 필터(3) 및/또는 RWB 색 필터(5)로 간주된다. 추가적으로, RGB 색 필터(3)는 RGBG 패턴을 포함함으로써 좀 더 정확하게 설명될 수 있다. 유사하게, RWB 색 필터(5)는 RWBW 패턴을 포함함으로써 좀 더 정확하게 설명될 수 있다. 따라서, 이 배열들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

입사광은 RGB 색 필터(3)를 통해 이동한다. 픽셀들(22) 각각에서 광자들의 상호작용은 전하의 수집을 발생시킨다. 각각의 픽셀(22)에서 축적된 천하의 주기적인 독출은 각각의 픽셀(22)에 대한 입사광의 양을 결정할 수 있다. 일반적으로 픽셀들의 배출은 열 별로 발생하고, 선택된 열의 제1 픽셀(22)로부터 전하는 빠지고, 순차적으로 제2 픽셀, 제3 픽셀로부터 전하가 빠진다. 전하가 픽셀 어레이(21)의 모든 픽셀들(22)로부터 수집될 때, 그것은 이미지를 생성할 수 있다. 외부의 처리 성능을 사용함으로써, 이미지 센서(20)에 의해 보여지는 이미지와 상호 관련된 이미지를 수집할 수 있다.

상술한 바와 같이, 일반적인 기술들을 따르도록 구성된 이미지 센서(20)의 몇몇 문제들은 그린 또는 화이트 필터 요소들(25), 및 레드 또는 블루 필터 요소들(25)과 관련된 픽셀들(22) 사이의 전하 수집의 차이를 포함한다. 이미징 센서(20)의 독출의 빠른 사이클링(cycling)은 충분한 신호(불충분한 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)가 있다.) 잡음의 수집 전에 방출되는 레드 또는 블루 픽셀들(22)을 발생시킨다. 반대로, 이미징 센서(20)의 독출의 부적절한 사이클링은 그린 또는 화이트 픽셀들(22)의 포화를 발생시킬 수 있다. 주어진 이미징 센서(20)는 크게 변화하는 조명 조건에서 사용되고, 신호대 잡음비(SNR) 및 신호 클리핑(clipping)의 완벽한 조화를 위해 이미징 센서(20)의 독출 간격을 조절할 수 있다.

"위"뿐만 아니라 "아래"를 포함하는 방향에 관련된 전문 용어의 사용은 임의적이고, 단순히 설명의 목적으로 도면을 참조한다. 이미징 센서(20) 또는 이와 관련된 구성 요소들의 방향에 관한 한정을 의미하지 않는다.

도 3은 RGB 모자이크 필터와 관련된 픽셀 어레이의 종래의 하이-레벨 토폴로지(high-level topology)를 도시한 개념도이다. 픽셀 어레이(21)에 대한 전기 토폴로지는 RGB 색 필터(3)와 관련된 하이 레벨로써 도시된다. 픽셀 에러이(21)에 대한 전기적 연결들은 RGB 색 필터(3)와 관련하여 도시된다. 전기 토폴로지는 복수의 열(rows)을 포함한다. 일 예로서, 제1 열(11)은 일련의 그린 및 블루 픽셀들(22)과 연결된 금속 트레이스(metallized trace)를 포함한다. 제2 열(12)은 일련의 레드 및 그린 픽셀들(22)과 연결된 금속 트레이스를 포함한다. 간단히 말해서, 각 열의 금속 트레이스는 그 열의 픽셀들(22) 각각과 연결된다. 따라서, 전하 수집을 위해 짧은 간격을 필요로 하는 그린 픽셀들(22)과 같은 높은 감도의 픽셀들(22)은 블루 또는 레드 색의 픽셀들(22)과 같은 낮은 감도의 픽셀들(22)과 연결된다.

도 4는 RWB 모자이크 필터와 관련된 픽셀 어레이에 대한 하이-레벨 토폴로지를 도시한 개념도이다. 듀얼 어레이(dual array) 이미지 센서(30)는 상보형 금속 산화 센서(complementary metal-oxide sensor, CMOS) 장치, 전하 결합 소자(charge-coupled device, CCD), 또는 다른 유형의 장치로 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 유사하게, 픽셀 어레이들에 대한 전기 토폴로지는 RWB 색 필터(5)에 관하여 하이 레벨로 도시된다. 장치는 픽셀들(22)의 독립된 두 개의 세트를 포함하는 장치로써 "듀얼 어레이"를 갖는 것으로 언급된다. 제1 어레이(31)는 화이트 픽셀들(22) 전부를 포함한다. 제2 어레이(32)는 모든 블루 픽셀들(22) 및 레드 픽셀들(22)을 포함한다.

픽셀들(22)의 독립된 세트들은 개별적으로 관리된다. 고감도의 픽셀들을 하나의 세트로 그룹핑하고(제1 어레이(31)), 저감도 픽셀들을 다른 세트로 그룹핑함으로써(제2 어레이(32)), 듀얼 어레이 이미지 센서(30)의 감도는 밀접하게 제어될 수 있다.

도 4의 실시 예로서, 제1 어레이(31)는 제1 열(31-1) 및 제2 열(31-2)을 포함하는 것으로 도시된다. 제2 어레이(32)는 제1 열(32-1) 및 제2 열(32-2)을 포함하는 것으로 도시된다. 물론, 듀얼 어레이 이미지 센서(30)는 더 많은 열들 및 행들을 포함할 수 있다. 일 예로, 각 열은 픽셀들(22)로부터 또는 픽셀들(22)로 전하를 전도하기 위한 컨덕터(conductor)를 포함한다. 컨덕터는 금속 트레이스의 레이아웃(layout)을 포함한다. 이 경우, 금속 트레이스는 기능적으로 "지그-재그(zig-zag)" 패턴을 갖는 것으로 언급되고, "지그-재그 어레이 이미지 센서(35)"로 언급된다. 비록, 제1 어레이(31)의 금속 트레이스(컨덕터)는 제2 어레이(32)의 금속 트레이스(컨덕터)와 교차하지만, 제1 어레이(31)는 이러한 기술을 이용하여 제2 어레이(32)의 이러한 교차 지점들 각각으로부터 절연될 수 있다.

도 5는 RWB 모자이크 필터와 관련된 픽셀 어레이의 하이-레펠 토폴로지의 다른 실시 예를 도시한 개념도이다. 듀얼 어레이 이미지 센서(30)는 선형 금속 트레이스에 의해 특징지어진 열들의 시리즈(series)를 포함한다. 이에 따라, 듀얼 어레이 이미지 센서(30)의 실시 예는 이미지 지향적 센서(45)로 언급될 수 있다.

도 6은 좀 더 자세한 도 4의 전기 토폴로지를 도시한 회로도이다. 일 예로서, 픽셀들(22)의 두 개의 열들이 도시된다. 각각의 열은 개별적인 열 드라이버(driver)(37-1, 37-2)를 통해 제어된다. 열 드라이버들(37-1, 37-2)은 픽셀들(22)을 재설정하고, 픽셀들(22)로부터 전하의 수집을 제공한다. 화이트 픽셀들(22) 각각은 열 드라이버들(37-1, 37-2) 각각에 도시된 TX_E 게이트(TX_E gate)(짝수 전송)과 연결된다. 레드 픽셀들(22) 및 블루 픽셀들(22) 각각은 열 드라이버들(37-1, 37-2)의 각각에 도시된 TX_O 게이트(홀수 전송)와 연결된다. 픽셀들(22) 각각의 리셋(reset)은 일련의 TX 트랜지스터들과 함께 일련의 RST 트랜지스터들을 동시에 턴-온(turn-on)함으로써, 수행된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 두 개의 분리된 픽셀들(22)의 의 어레이들은 유지된다. 제1 어레이(31) 및 제2 어레이(32)는 각각 독립적으로 동작될 수 있다. 독립적인 동작은 어레이 각각에 대해 다른 노출 시간의 사용을 제공한다. 제1 어레이(31) 및 제2 어레이(32)의 다른 노출 시간의 사용은 도 7을 통해 설명된다.

도 7은 도 6에 도시된 센서의 판독의 시간적 관계 양태를 도시하는 타이밍도이다. 일 예로서, 듀얼 어레이 이미지 센서(30)는 백 개의 열들을 포함한다. 이에 따라, 백 개의 열들의 독출은 한 프레임(완성된 이미지)을 제공한다. 로우 1(Row 1) 및 로우 2(Row2)의 화이트 픽셀들(22)은 로우 100(Row 100)에서 리셋되고, 로우 1(Row 1)에서 독출된다. 노출 시간은 로우 1(Row 1)이다. 로우 1(Row 1) 및 로우 2(Row2)의 레드 픽셀들(22) 및 블루 픽셀들(22)은 로우 10(Row 10)에서 리셋되고, 로우 1 (Row 1)에서 독출된다. 노출 시간은 로우 91(Row 91)이다. 동작 동안, 각각의 픽셀은 광전자들을 순차적으로 통합한다. RX 및 TX가 함께 펄스되면(pulsed), 축적된 전하는 픽셀로부터 제거된다. 다음 RX가 펄스되면, 픽셀의 부동 분산(floating diffusion, FD) 노드 내의 전하는 제거된다. TX가 펄스되면, 새롭게 축적된 전하는 독출을 위해, 픽셀의 FD 노드로 전달된다.

바람직하게는, 듀얼 어레이 이미지 센서(30)의 사용자 허가를 포함하는 장치를 갖는 화상 형성 공정을 통해 더 정밀한 제어를 발휘할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 이미지 컬렉션(collection)을 위해 사용된 적절한 화이트 밸런스에 대한 장치를 조정할 수 있다. 이 과정은 도 8을 통해 좀 더 자세히 설명된다.

도 8은 화이트 밸런스(white balance)를 조절하기 위한 프로세스를 도시한 순서도이다. 화이트 밸런스(80)를 조절하기 위한 방법은 카메라(81)를 지시하는 것으로부터 시작한다. 사용자는 노출 측정 영역을 선택할 수 있다(82). 온보드(onboard) 처리 후, 카메라는 픽셀들의 어레이들의 가중 평균을 계산하는 단계로 진행된다(83-1, 83-2). 좀 더 구체적으로, 프로세서는 제1 어레이(31)로부터 데이터를 수신할 수 있고, 제1 어레이(31)에 포함된 그린 및/또는 화이트 픽셀들(22)에 대한 노출 설정의 계산을 진행할 수 있다.

유사하게, 프로세서는 제2 어레이(32)로부터 데이터를 수신할 수 있고, 제2 어레이(32)에 포함된 블루 및 레드 픽셀들(22)에 대한 노출 설정의 계산을 진행할 수 있다. 제1 어레이(31)에 대한 노출 설정들 및 제2 어레이(32)에 대한 노출 설정들은 어레이들(31, 32) 각각의 노출 시간들을 조절하기 위해 사용된다. 다음 단계에서, 카메라는 변경된 노출 시간을 사용하는 이미지 (프레임 촬영)의 수집을 진행할 수 있다(84). 이미지 수집 후(84), 카메라는 노출 시간 비율의 계산을 진행하고, 노출 비율을 제공할 수 있다(85). 노출 시간 비율 (노출 비율)을 계산한 후(85), 카메라는 노출 비율과 화이트 밸런스 파라미터들을 업데이트를 진행할 수 있다(86).

화이트 밸런스의 조절이 완료된 후(80), 사용자는 장치와 이미지들 수집을 시작할 수 있다. 수집된 이미지들은 화이트 또는 그린, 그리고 블루 및 레드 픽셀들의 적절한 비율을 갖는다.

이미지 데이터의 비교는 테이블 1(Table 1)에 제공된다. 좀 더 구체적으로, 테이블 1은 서로 다른 센서들의 실험 노출에 대한 세 개(3)의 서로 다른 이미지 스킴들(schemes)로부터 이미징 결과들을 비교한다.

	센서 종류
파라미터	RWB, 단일 어레이	RWB, 단일 어레이	RWB, 듀얼 어레이
노출 시간	4.2ms	2.3ms	2.3ms(W)/ 4.2ms(RB)
화이트 요소	노출 과도	좋음	좋음
레드/블루 요소	좋음	노출 부족	좋음
결과	나쁜컬러 및 밝은 영역들	높은 컬러 노이즈	좋은 컬러 및 낮은 컬러 노이즈

바람직하게는 듀얼 어레이 이미지 센서(30)는 포토 응답 불균일성(photo response non-uniformity, PRNU)을 해결하기 위해 사용되는 픽셀 매칭(플랫 필딩(flat fielding))을 교란하지 않는다.

다양한 장치들은 듀얼 어레이 이미지 센서(30)를 사용할 수 있다. 예시적으로, 장치들은 사진을 위해 의도된 카메라, 모바일 장치(mobile device), 진단 이미징(imaging)을 위해 사용되는 장치, 상업용 촬상 장치들 및 다른 전문 장치들을 포함할 수 있다.

도 9는 본 발명의 듀얼 어레이 이미지 센서(30)를 사용한 카메라(90)를 도시한 개념도이다. 실시 예로서, 카메라(90)는 개인적으로 사용되거나 전문적으로 사용되는 디지털 싱글 렌즈 리플렉스 카메라(digital single lens reflex(DSLR) camera)와 유사하다.

도 10a 및 도 10b는 집합적으로 도 10으로 언급되고, 본 발명의 센서를 사용하는 모바일 장치를 도시한 개념도이다. 실시 예로서, 모바일 장치(100)는 "스마트 폰(smart phone)"이다. 모바일 장치(100)의 핵심적인 측면들은 홈 버튼(home button)(106), 온/오프 스위치(on/off switch)(103), 디스플레이(display)(105), 카메라(107) 및 램프(lamp)(109)를 포함하는 것이다. 일반적으로, 전술한 요소들은 통상적이고 해당 분야에 널리 공지된 기능을 제공한다. 본 발명의 설명을 위해, 모바일 장치(100)는 "스마트 폰(100)" 및 유사한 다른 용어들로 언급될 수 있다. 예시적으로, 스마트 폰들은 중앙 아메리카(CA), 쿠퍼티노(Cupertino)의 애플 회사(Apple Corp)의 아이폰(IPHONE), 중앙 아메리카(CA), 마운틴 뷰(Mountain View)의 구글 회사(Google Corp.)의 안드로이드 플랫폼(ANDROID platform)으로 동작하는 장치들, 그리고, 워싱턴(WA), 레드몬드(Redmond)의 마이크로소프트 회사(Microsoft Corp.)로부터 제공되는 윈도우 환경(WINDOWS environment)로 동작하는 장치들을 포함할 수 있다.

방향의 용어들이 제공된다. 예를 들어, 도 10a는 모바일 장치(100)의 앞면을 도시한다. 도 10b는 모바일 장치(100)의 뒷면을 도시한다. 방향 용어들은 모바일 장치(100)의 동작 동안의 방향을 참조한다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 기술(200)을 포함하는 모바일 장치(100)를 제공한다. 예시적인 기술(200)은 모바일 장치(100)에서 구현되는 요소들을 도시한다. 예시적인 기술(200)은 적어도 하나의 중앙 처리 유닛(central processing unit, CPU)(260)을 포함한다. 중앙 처리 유닛(CPU)(260)은 시스템 버스(system bus)(250)를 통해 다른 요소들과 연결되거나 통신한다. 예시적으로 다른 요소들은 전원 공급부(power supply)(227), 메모리(memory)(221), 소프트웨어(software)(222), 사용자 제어부(user controls)(208)(예를 들어, 도 10의 홈버튼(106), 온/오프 스위치(103), 디스플레이(105), 카메라(107), 램프(109) 및 인터페이스(230)를 포함한다.

인터페이스(230)는 유선 인터페이스 및/또는 무선 인터페이스를 포함한다. 예시적으로 무선 인터페이스들은 블루투스(Bluetooth), 와이-파이(Wi-Fi), 근거리 무선 통신(near field technology, NFC) 또는 다른 기술을 사용할 수 있다. 인터페이스(230)는 청각 채널(auditory channel)을 포함할 수 있다. 인터페이스(230)는 음성 명령어들을 수신하기 위한 마이크로폰(microphone)을 포함할 수 있고 스피커(speaker)를 더 포함할 수 있다. 몇몇 예시들로서, 바코드(barcode)가 읽혀질 때, 스피커는 청각 신호를 제공할 수 있다. 인터페이스(230)는 상태표시등 또는 다른 시각적인 지표들을 포함할 수 있다.

모바일 장치(100)는 방향 정보를 제공하는 가속도계, 위치 정보를 재공하는 GPS 센서 그리고 다른 장치들을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, "소프트웨어"(222)라는 용어는 일반적으로 방법의 실행을 제공하는 기계 가독형 명령어들로 언급될 수 있다. 기계 가독형 명령어들은 메모리(221)와 같은 비 일시적 기계 가독형 매체에 저장될 수 있다. 구형될 수 있는 방법들은 카메라(1-07)의 동작에 대한 명령어들, 램프(109), 인터페이스를 통한 통신들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들로서, 소프트웨어(222)는 듀얼 어레이 이미지 센서(30)를 제어할 수 있고, 화이트 밸런스(80)의 조절 또는 이미지들 수집을 제공할 수 있다.

메모리(221)는 여러 형태의 메모리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(221)는 불휘발성 랜덤 액세스 메모리(non-volatile random access memory, NVRAM), 및/또는 휘발성 랜덤 액세스 메모리(volatile random access memory, RAM)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 불휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM)은 소프트웨어(222)를 저장할 뿐만 아니라, 소프트웨어(222)의 동작에 의해 발생된 데이터를 저장하는데 유용하다. 메모리(221)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM)를 포함할 수 있다. 읽기 전용 메모리(ROM)는 기술(200) 내의 요소들의 기본적인 동작을 위해 필요한 명령어 세트들을 제공하기 위한 펌웨어를 저장하는데 사용될 수 있다.

인터페이스(230)는 음성 통신들뿐만 아니라 데이터 통신들에 제공될 수 있다. 데이터 통신들은 소프트웨어, 데이터(적어도 하나의 이미지, 분석의 결과 및 다 유형의 데이터)의 통신을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 인터페이스(230)를 통한 통신은 양방향성 또는 단 방향성일 수 있다.

카메라(107)는 적절한 센서 및 바코드와 같은 요소들의 이미지들을 생성하기 위해 필요한 광 요소들을 포함할 수 있다. 램프(109)는 적절한 광원을 포함할 수 있다. 램프(109)의 예시적인 요소들은 적어도 하나의 발광 다이오드(light emitting diode, LED)를 포함할 수 있다.

비록 모바일 장치(100)의 예시가 스마트 폰이지만, 모바일 장치(100)는 이에 한정되지 않고, 다른 장치들을 포함할 수 있다. 따라서, 모바일 장치(100)는 도 11의 모든 n성 요소들을 통합하는 것을 요구하지 않고, 다른 구성 요소를 포함할 수 있다.

본 발명은 이차원의 픽셀 어레이에 관하여 설명하였지만, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 본 발명의 예시는 일차원 픽셀 어레이뿐만 아니라 성능 또는 감도에 따른 픽셀의 분리가 요구되는 임의의 배열 형태에 적용될 수 있다.

듀얼 어레이 이미지 센서(30)는 다양한 방법들을 통해 생산될 수 있다. 일 예로서, 듀얼 어레이 이미지 센서(30)의 생산은 픽셀 어레이의 선택 및 픽셀 어레이 내의 픽셀들의 서브세트(subset)의 상호 연결, 픽셀 어레이 내의 남아있는 픽셀들의 상호 연결을 수반할 수 있다. 픽셀 어레이는 픽셀들의 제1 서브세트(제1 어레이) 및 픽셀들의 제2 서브세트(제2 어레이)를 포함할 수 있다. 나중에, 적절한 컬러 필터는 픽셀 어레이(제1 어레이 및 제2 어레이) 상에 배치될 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 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 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

3: RGB 모자이크 패턴
5: RWB 모자이크 패턴
20: 이미지 센서
21: 픽셀 어레이
22: 픽셀들
30: 듀얼 어레이 이미지 센서
35: 지그-재그 어레이 이미지 센서
90: 카메라
100: 모바일 장치

Claims

제1 감도를 나타내는 픽셀들(pixels)의 제1 어레이(array); 및
제2 감도를 나타내는 상기 픽셀들의 제2 어레이를 포함하되,
상기 픽셀들의 상기 제1 어레이는 상기 픽셀들의 상기 제2 어레이와 전기적으로 분리된 이미지 센서(image sensor).
제 1 항에 있어서,
상기 픽셀들의 상기 제1 어레이는 상기 이미지 센서에 포함된 컬러 필터 모자이크(color filter mosaic)의 화이트 필터들(white filters) 및 그린 필터들(green filters) 중 적어도 하나와 관련된 이미지 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 픽셀들의 상기 제1 어레이는 상기 이미지 센서에 포함된 컬러 필터 모자이크의 레드 필터들(red filters) 및 블루 필터들(blue filters) 중 적어도 하나와 관련된 이미지 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 어레이의 노출 시간과 상기 제2 어레이의 노출 시간은 분리되는 이미지 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 어레이의 픽셀들 사이의 전기적 상호 접속 및 상기 제2 어레이의 픽셀들 사이의 전기적 상호 접속은 이미지 센서에 포함된 컬러 필터 모자이크와 관련되어 배치된 이미지 센서.
이미지 센서의 픽셀들의 포화를 피하기 위한 이미지 센서의 동작 방법에 있어서:
제1 감도를 나타내는 픽셀들의 제1 어레이 및 제2 감도를 나타내는 상기 픽셀들의 제2 에러이를 포함하는 상기 이미지 센서를 선택하는 단계; 및
상기 제1 감도에 따라 상기 제1 어레이에 대한 제1 노출 시간을 설정하고, 상기 제2 감도에 따른 상기 제2 어레이에 대한 제2 노출 시간을 설정하는 단계를 포함하되,
상기 제1 노출 시간 및 상기 제2 노출 시간은 상기 포화에 따라 결정되는 동작 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제1 노출 시간을 설정하는 단계에서 상기 제1 어레이 내의 픽셀들에 대응하는 가중 평균이 계산되고, 상기 제2 노출 시간을 설정하는 단계에서 상기 제2 어레이 내의 픽셀들에 대응하는 가중 평균이 계산되는 동작 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 제1 노출 시간 및 상기 제2 노출 시간을 사용하는 프레임(frame)을 촬영하는 단계를 더 포함하는 동작 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 어레이 및 상기 제2 어레이 사이의 노출 시간 비율을 계산하는 단계를 더 포함하는 동작 방법.
듀얼 어레이 이미지 센서(dual array image sensor); 및
상기 듀얼 어레이 이미지 센서를 제어하고, 상기 듀얼 이미지 센서로부터의 이미지들(images)을 제공하는 프로세서를 포함하는 촬상 장치.