KR20160109694A - 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템 - Google Patents

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KR20160109694A
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정영균
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강창은
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Abstract

본 발명에 따른 이미지 센서는, 각각이 복수의 로우(row) 라인에 대응하는 복수의 픽셀들 중 적어도 둘 이상의 픽셀을 포함하는 복수의 서브 픽셀 그룹; 및 상기 복수의 서브 픽셀 그룹으로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 픽셀 신호를 출력하는 아날로그 디지털 컨버터(analog-digital converter)를 포함하며, 상기 적어도 둘 이상의 픽셀은 서로 다른 포화(saturation) 시간을 갖는다.

Description

이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템{AN IMAGE SENSOR, AND AN IMAGE PROCESSING SYSTEM INCLUDING THE IMAGE SENSOR}
본 발명의 개념에 따른 실시예는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 동적 범위를 갖는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 이미지(optical image)를 전기적 신호로 변환하는 장치이다. 상기 이미지 센서는 디지털 카메라 또는 다른 이미지 처리 시스템에 사용된다. 상기 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함한다.
상기 복수의 픽셀들 각각은 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전변환소자와, 상기 전기 신호를 디지털 데이터로 변환하는 부가적인 회로를 포함한다.
상기 이미지 센서의 품질은 여러 특성에 의해 평가될 수 있다. 상기 특성으로는 동적 범위(dynamic range), 감도(sensitivity), 응답성(responsivity), 균일도(uniformity), 셔터링(shuttering), 속도(speed) 및 잡음(noise) 등이 있다.
특히, 저조도 영상과 고조도 영상이 존재하는 환경에서 영상 데이터를 손실 없이 획득하기 위해서는 동적 범위가 중요하다. 예컨대, 어두운 곳에서 밝은 곳으로 나올 때의 역광 상황이나 야간에 순간적인 강한 빛에 의한 화면 번짐으로 인한 인식률 저하를 방지하기 위해, 이미지 센서가 넓은 동적 범위를 갖고 있지 않으면, 영상 데이터 내에 피사체를 식별하는데 어려움이 있다.
이를 위해, 기존에는 픽셀로 공급되는 동작 전압들을 제어하거나 픽셀들의 노출 시간을 제어함으로써 동적 범위를 확장시키는 방법이 사용되었다. 그러나, 이러한 방법들은 별도의 회로가 필요하므로 이에 대한 개선이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 넓은 동적 범위를 갖는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 각각이 복수의 로우(row) 라인에 대응하는 복수의 픽셀들 중 적어도 둘 이상의 픽셀을 포함하는 복수의 서브 픽셀 그룹; 및 상기 복수의 서브 픽셀 그룹으로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 픽셀 신호를 출력하는 아날로그 디지털 컨버터(analog-digital converter)를 포함하며, 상기 적어도 둘 이상의 픽셀은 서로 다른 포화(saturation) 시간을 갖는다.
실시예에 따라, 상기 복수의 서브 픽셀 그룹 각각은, 제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함하고, 상기 제1 및 제2 픽셀 중 하나의 픽셀에 포함된 영역의 일부에 제1 차광막이 형성된다.
실시예에 따라, 상기 제1 픽셀에 상기 제1 차광막이 형성되는 경우, 상기 제1 픽셀은 상기 제2 픽셀보다 긴 포화 시간을 갖는다.
실시예에 따라, 상기 제1 및 제2픽셀 각각은, 상기 픽셀에 포함된 광전 변환 소자의 위(over)에 형성된 컬러 필터; 및 상기 컬러 필터의 위에 형성된 마이크로렌즈를 더 포함하고, 상기 제1 픽셀에 포함된 상기 컬러 필터의 하부에 상기 제1 차광막이 형성된다.
실시예에 따라, 상기 제1 차광막은, 상기 광전 변환 소자의 50%의 면적을 갖도록 형성된다.
실시예에 따라, 상기 복수의 서브 픽셀 그룹 각각은, 제1 픽셀 내지 제4 픽셀을 포함하고, 상기 제1 내지 제4 픽셀 중 적어도 둘 이상의 픽셀들 각각에 포함된 영역의 일부에 제1 차광막과 제2 차광막이 형성된다.
실시예에 따라, 상기 제1 픽셀에 상기 제1 차광막이 형성되고 상기 제2 픽셀에 상기 제2 차광막이 형성되는 경우, 상기 제1 픽셀은 상기 제2 픽셀보다 긴 포화 시간을 갖고, 상기 제2 픽셀은 상기 제3 및 제4 픽셀보다 긴 포화 시간을 갖는다.
실시예에 따라, 상기 제1 내지 제4 픽셀 각각은, 상기 픽셀에 포함된 광전 변환 소자의 위(over)에 형성된 컬러 필터; 및 상기 컬러 필터의 위에 형성된 마이크로렌즈를 더 포함하고, 상기 제1 픽셀에 포함된 상기 컬러 필터의 하부에 상기 제1 차광막이 형성되고, 상기 제2 픽셀에 포함된 상기 컬러 필터의 하부에 상기 제2 차광막이 형성된다.
실시예에 따라, 상기 제1 차광막은 상기 광전 변환 소자의 75%의 면적을 갖도록 형성되고, 상기 제2 차광막은 상기 광전 변환 소자의 50%의 면적을 갖도록 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 처리 시스템은, 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서를 제어하는 이미지 신호 프로세서를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 각각이 복수의 로우 라인에 대응하는 복수의 픽셀들 중 적어도 둘 이상의 픽셀을 포함하는 복수의 서브 픽셀 그룹; 및 상기 복수의 서브 픽셀 그룹으로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 픽셀 신호를 출력하는 아날로그 디지털 컨버터를 포함하며, 상기 적어도 둘 이상의 픽셀은 서로 다른 포화 시간을 갖는 제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함한다.
실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 픽셀 중 하나의 픽셀에 포함된 영역의 일부에 제1 차광막이 형성된다.
실시예에 따라, 상기 제1 픽셀에 상기 제1 차광막이 형성되는 경우, 상기 제1 픽셀은 상기 제2 픽셀보다 긴 포화 시간을 갖는다.
실시예에 따라, 상기 이미지 신호 프로세서는 상기 아날로그 디지털 컨버터로부터 출력되는 상기 디지털 픽셀 신호들을 수신하고, 하나의 로우 라인에 대응하는 각 서브 픽셀 그룹에 포함된 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀에 대응하는 디지털 픽셀 신호들을 합산하여 출력한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 처리 시스템은, 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서를 제어하는 이미지 신호 프로세서를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 각각이 복수의 로우 라인에 대응하는 복수의 픽셀들 중 적어도 둘 이상의 픽셀을 포함하는 복수의 서브 픽셀 그룹; 및 상기 복수의 서브 픽셀 그룹으로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 픽셀 신호를 출력하는 아날로그 디지털 컨버터를 포함하며, 상기 적어도 둘 이상의 픽셀은 서로 다른 포화 시간을 갖는 제1 픽셀 내지 제4 픽셀을 포함한다.
실시예에 따라, 상기 제1 내지 제4 픽셀 중 적어도 둘 이상의 픽셀들 각각에 포함된 영역의 일부에 제1 차광막과 제2 차광막이 형성된다.
실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 픽셀 각각에 상기 제1 및 제2 차광막이 형성되고, 상기 제1 차광막이 상기 제2 차광막보다 큰 면적을 갖는 경우, 상기 제1 픽셀은 상기 제2 픽셀보다 긴 포화 시간을 갖고, 상기 제2 픽셀은 상기 제3 및 제4 픽셀보다 긴 포화 시간을 갖는다.
실시예에 따라, 상기 이미지 신호 프로세서는 상기 아날로그 디지털 컨버터로부터 출력되는 상기 디지털 픽셀 신호들을 수신하고, 두 개의 로우 라인에 대응하는 각 서브 픽셀 그룹에 포함된 상기 제1 픽셀 내지 상기 제4 픽셀에 대응하는 디지털 픽셀 신호들을 합산하여 출력한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템에 의하면, 각 픽셀들에 다양한 차광막을 적용하여 노광량을 제어함으로써 넓은 동적 범위를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 도 2에 도시된 서브 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 2에 도시된 픽셀 어레이에 의한 넓은 동적 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6b는 도 5에 도시된 서브 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들의 단면도를 나타낸다.
도 7은 도 5에 도시된 픽셀 어레이에 의한 넓은 동적 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.
본 명세서 또는 출원에 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 명세서 또는 출원에 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 명세서 또는 출원에 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, 복수의 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 블록도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 이미지 처리 시스템(10)은 휴대용 전자 장치, 예컨대 디지털 카메라, 이동 전화기, 스마트폰(smart phone), 태블릿 PC(tablet personal computer), PDA(personal digital assistant), 모바일 인터넷 장치(mobile internet device(MID)) 또는 웨어러블 컴퓨터(wearable computer)로 구현될 수 있다. 또한, 이미지 처리 시스템(10)은 자동차의 전방 카메라, 후방 카메라, 블랙 박스 카메라로 구현될 수도 있다.
이미지 처리 시스템(10)은 CMOS 이미지 센서(100), 디지털 신호 프로세서 (digital signal processor(DSP); 200), 디스플레이(300), 및 광학 렌즈(500)를 포함한다.
CMOS 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(pixel array; 110), 로우 드라이버(row driver; 120), 아날로그-디지털 컨버터(analog-to-digital converter(ADC))블록(130), 램프 생성기(150), 타이밍 생성기(160), 제어 레지스터 블록(Control Register Block; 170), 및 버퍼(Buffer; 180)를 포함할 수 있다.
CMOS 이미지 센서(100)는 광학 렌즈(500)를 통해 촬영된(또는 입사된) 피사체(400)의 이미지를 감지하고, 감지 결과에 상응하는 이미지 데이터(IDATA)를 생성할 수 있다. CMOS 이미지 센서(100)는 전면 조사형(frontside illumination(FSI)) 이미지 센서 또는 후면 조사형(backside illumination(BSI)) 이미지 센서로 구현될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 픽셀들(P)을 포함한다. 픽셀들(P)은 픽셀 신호들을 컬럼 라인들로 전송한다.
로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)를 로우(row) 단위로 구동한다. 로우 드라이버(120)는 타이밍 생성기(160)의 제어에 따라, 복수의 픽셀들(P) 각각의 동작을 제어하기 위한 복수의 제어 신호들을 픽셀 어레이(110)로 전송할 수 있다.
ADC 블록(130)은 상관 이중 샘플된 픽셀 신호들과 램프 생성기(150)로부터 출력된 램프 신호를 비교하여 복수의 비교 신호들을 출력하고, 복수의 비교 신호들 각각을 디지털 픽셀 신호로 변환하여 버퍼(180)로 출력한다.
타이밍 생성기(160)는, 제어 레지스터 블록(170)의 출력 신호들에 기초하여, 로우 드라이버(120), ADC 블록(130), 및/또는 램프 생성기(150)를 제어할 수 있다.
제어 레지스터 블록(170)은 타이밍 생성기(160), 램프 생성기(150), 및/또는 버퍼(180)의 동작을 제어할 수 있는 제어 비트들을 저장할 수 있다.
버퍼(180)는 ADC 블록(130)으로부터 출력된 복수의 디지털 픽셀 신호들을 버퍼링하고 버퍼링 결과에 따라 이미지 데이터(IDATA)를 생성할 수 있다.
DSP(200)는 CMOS 이미지 센서(100)로부터 출력된 이미지 데이터(IDATA)에 상응하는 이미지 신호들을 디스플레이(300)로 출력할 수 있다.
DSP(200)는 이미지 신호 프로세서(image signal processor(ISP); 210), 센서 컨트롤러(220), 및 인터페이스(interface(I/F); 230)를 포함한다.
실시 예에 따라, 이미지 센서(100)와 DSP(200) 각각은 칩으로 구현되고, 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지(multi-chip package)로 구현될 수 있다. 다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(100)와 이미지 신호 프로세서(210) 각각은 칩으로 구현되고 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지로 구현될 수 있다. 또 다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(100)와 이미지 신호 프로세서(210)는 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.
ISP(210)는 버퍼(180)로부터 출력된 이미지 데이터(IDATA)를 수신하고, 수신된 이미지 데이터(IDATA)를 사람이 보기 좋도록 가공(또는 처리)하고, 가공(또는 처리)된 이미지 데이터를 I/F(230)를 통해 디스플레이(300)로 출력한다.
또한, ISP(210)는 버퍼(180)로부터 출력된 로우 라인에 대응하는 디지털 픽셀 신호들 중 적어도 둘 이상의 디지털 픽셀 신호들을 합산하여 출력할 수 있다.
센서 컨트롤러(220)는, 이미지 신호 프로세서(210)의 제어에 따라, 제어 레지스터 블록(170)을 제어하기 위한 다양한 제어 신호들을 생성한다.
인터페이스(230)는 이미지 신호 프로세서(210)에서 처리된 이미지 데이터를 디스플레이(300)로 전송한다.
디스플레이(300)는 인터페이스(230)로부터 출력된 이미지 데이터를 디스플레이한다. 예컨대, 디스플레이(300)는 TFT-LCD(thin film transistor-liq0id crystal display), LED(light emitting diode) 디스플레이, OLED(organic LED) 디스플레이, 또는 AMOLED(active-matrix OLED) 디스플레이로 구현될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 도 3a내지 도 3b는 도 2에 도시된 서브 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들의 단면도를 나타낸다.
도 1과 도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110A)는 복수의 로우 라인에 대응하는 복수의 픽셀들(P)을 포함한다. 복수의 픽셀들(P) 각각은 복수의 포토다이오드들(photodiodes)을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110A)에 포함된 포토다이오드들 각각은 광전 변환 소자의 일 예로서, 상기 포토다이오드들 각각은 포토트랜지스터(phototransistor), 포토게이트(photogate), 또는 핀드 포토다이오드(pinned-photodiode)로 대체될 수 있다.
각 픽셀들(P)에 포함된 복수의 포토다이오드들 각각은 독립적으로 빛 또는 이미지를 캡쳐(capture)할 수 있다.
실시예에 따른 픽셀 어레이(110A)는, 복수의 로우 라인에 대응하는 복수의 픽셀들(P) 중 적어도 둘 이상의 픽셀을 포함하는 복수의 서브 픽셀 그룹을 포함한다. 복수의 서브 픽셀 그룹 각각은, 각 로우 라인에 대응하는 두 개의 픽셀을 포함하거나 인접하는 로우 라인 각각에 대응하는 두 개의 픽셀을 포함할 수 있다.
본 명세서에서는, 제1 서브 픽셀 그룹(111A)을 예로 들어 설명한다. 도 2에서는 제1 서브 픽셀 그룹(111A)이 제1 로우 라인(Row 1)에 대응하는 픽셀들을 포함하는 예를 도시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 인접하는 제1 로우 라인(Row 1) 및 제2 로우 라인(Row 2) 각각에 대응하는 픽셀들을 포함할 수도 있다.
제1 서브 픽셀 그룹(111A)은 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A)을 포함한다. 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A)은 서로 다른 포화(saturation) 시간을 가질 수 있다. 이를 위해, 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A) 중 하나의 픽셀에 차광막이 형성될 수 있으며, 이러한 일예가 도 3a 내지 도 3b에 도시되어 있다. 도 3a는 이미지 센서(100)가 전면 조사형 이미지 센서로 구현되는 경우의 제1 서브 픽셀 그룹(111A)의 단면도이고, 도 3b는 이미지 센서(100)가 후면 조사형 이미지 센서로 구현되는 경우의 제1 서브 픽셀 그룹(111A')의 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 서브 픽셀 그룹(111A)에 포함된 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A) 각각은, 실리콘 기판(silicon substrate)상에 포토다이오드들(PD1, PD2)이 형성되고, 포토다이오드들(PD1, PD2) 상에 컬러 필터가 형성될 수 있다. 마이크로렌즈와 컬러 필터 사이에는 렌즈 버퍼(lens buffer) 또는 평탄화 레이어(planarization layer)가 형성될 수 있다.
이때, 제2 픽셀(115A)은 컬러 필터와 포토다이오드(PD2) 사이에 차광막(20)을 더 포함할 수 있다. 도 3a에서는 차광막(20)이 컬러 필터의 우측 하부에 형성된 것으로 나타나있으나, 포토다이오드(PD2)의 50%에 해당하는 면적을 갖도록 컬러 필터의 좌측 하부 또는 중앙 하부에 형성될 수도 있다. 이때, 차광막(20)은 메탈 레이어(metal layer)를 사용하여 형성될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 서브 픽셀 그룹(111A')에 포함된 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A) 각각은, 실리콘 기판의 하부에 포토다이오드들(PD1, PD2)이 형성되고, 컬러 필터와 실리콘 기판 사이에 차광막(20')이 형성될 수 있다. 이때, 차광막(20')은 와이어 본딩(wire bonding)용 패드(pad)를 형성하는 메탈 레이어(metal layer)를 사용하여 형성될 수 있다.
이러한 구성에 의해, 제1 서브 픽셀 그룹(111A, 111A')으로 입사되는 빛(light)은 제1 및 제2 픽셀(113A, 115A)의 포토다이오드들(PD1, PD2)에 축적되고, 제1 및 제2 픽셀(113A, 115A)은 이에 따른 픽셀 신호들을 출력한다.
도 3a 내지 도 3b에서는 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A) 각각의 상부에 두 개의 마이크로렌즈가 구비되는 예를 도시하였으나 이에 한정되지 않으며, 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A)에 대응하는 하나의 마이크로렌즈가 구비될 수도 있다.
ADC 블록(130)은 제1 서브 픽셀 그룹(111A)으로부터 출력되는 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하고, 디지털 픽셀 신호들을 ISP(210)로 출력한다.
ISP(210)는 제1 서브 픽셀 그룹(111A)에 포함된 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A)의 픽셀 신호에 대응하는 디지털 픽셀 신호들을 합산하여 출력할 수 있다.
즉, ISP(210)는 하나의 로우 라인에 대응하는 각 서브 픽셀 그룹의 디지털 픽셀 신호들을 합산하여 출력하거나, 인접하는 로우 라인에 대응하는 각 서브 픽셀 그룹의 디지털 픽셀 신호들을 합산하여 출력할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 픽셀 어레이에 의한 넓은 동적 범위를 설명하기 위한 도면이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, Pa 곡선은 제1 픽셀(113A)에 대응하는 픽셀 신호의 레벨을 나타내고, Pb 곡선은 제2 픽셀(115A)에 대응하는 픽셀 신호의 레벨을 나타낸다. 또한, Pab 곡선은 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A)에 대하여 합성된 픽셀 신호의 레벨을 나타낸다.
같은 조도(light level)에서 제1 픽셀(113A)은 제2 픽셀(115A)보다 더 많은 양의 빛을 축적하게 되지만, 제1 픽셀(113A)은 제1 조도(L1)에서 포화되고, 차광막(20)이 형성된 제2 픽셀(115A)은 제1 조도(L1)보다 큰 제2 조도(L2)에서 포화된다.
실시예에 따라, 제1 픽셀(113A) 및 제2 픽셀(115A)의 픽셀 신호를 합산하게 되면, 저조도에서 많은 양의 빛을 축적하면서 제2 조도(L2)보다 큰 조도에서 포화되므로, 제1 픽셀(113A)의 동적 범위(D1)와 제2 픽셀(115A)의 동적 범위(D2)보다 더 넓은 동적 범위를 가질 수 있게 된다.
즉, 제1 픽셀(113A)이 포화된 이후에도 제2 픽셀(115A)에 의해 획득된 이미지를 합성할 수 있게 된다.
도 5는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 다른 실시예를 나타내는 도면이다. 도 6a 내지 도 6b는 도 5에 도시된 서브 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들의 단면도를 나타낸다.
도 1과 도 5를 참조하면, 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이(110B)는 복수의 로우 라인에 대응하는 복수의 픽셀들(P) 중 적어도 둘 이상의 픽셀을 포함하는 복수의 서브 픽셀 그룹을 포함한다. 복수의 서브 픽셀 그룹 각각은, 인접하는 로우 라인 각각에 대응하는 네 개의 픽셀을 포함할 수 있다.
본 명세서에서는, 제1 서브 픽셀 그룹(111B)을 예로 들어 설명한다.
제1 서브 픽셀 그룹(111B)은 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B)을 포함한다. 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B)은 서로 다른 포화 시간을 가질 수 있다. 이때, 제3 및 제4 픽셀(117B)은 동일한 포화 시간을 갖도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B) 중 둘 이상의 픽셀에 차광막이 형성될 수 있으며, 이러한 일 예가 도 6a 내지 도 6b에 도시되어 있다. 도 6a는 이미지 센서(100)가 전면 조사형 이미지 센서로 구현되는 경우의 제1 서브 픽셀 그룹(111B)의 단면도이고, 도 6b는 이미지 센서(100)가 후면 조사형 이미지 센서로 구현되는 경우의 제1 서브 픽셀 그룹(111B')의 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 서브 픽셀 그룹(111B)에 포함된 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B) 각각은, 실리콘 기판상에 포토다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)이 형성되고, 포토다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 상에 컬러 필터가 형성될 수 있다. 마이크로렌즈와 컬러 필터 사이에는 렌즈 버퍼 또는 평탄화 레이어가 형성될 수 있다.
이때, 제2 픽셀(115B)은 컬러 필터와 포토다이오드(PD2) 사이에 제1 차광막(20)을 더 포함할 수 있다. 제3 및 제4 픽셀(117B)은 컬러 필터와 포토다이오드(PD3, PD4) 사이에 제2 차광막(30)을 더 포함할 수 있다. 도 6a에서의 제1 차광막(20) 및 제2 차광막(30)은, 메탈 레이어를 사용하여 형성될 수 있다.
또한, 도 6b를 참조하면, 서브 픽셀 그룹(111B')에 포함된 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B) 각각은, 실리콘 기판의 하부에 포토다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)이 형성되고, 컬러 필터와 실리콘 기판 사이에 제1 차광막(20') 및 제2 차광막(30')이 형성될 수 있다. 이때, 제1 차광막(20') 및 제2 차광막(30')은, 와이어 본딩용 패드를 형성하는 메탈 레이어를 사용하여 형성될 수 있다.
도 6a 내지 도 6b에서도 마찬가지로, 제1 차광막(20, 20')과 제2 차광막(30, 30')이 컬러 필터의 우측 하부 및 좌측 하부에 형성된 것으로 나타나있으나, 포토다이오드(PD2)의 50%에 해당하는 면적과 포토다이오드(PD3, PD4)의 75%에 해당하는 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
즉, 제2 픽셀(115B)은 제1 픽셀(113B)보다 긴 포화 시간을 갖고, 제3 및 제4 픽셀(117B)은 제2 픽셀(115B)보다 긴 포화 시간을 가질 수 있다.
이러한 구성에 의해, 제1 서브 픽셀 그룹(111B, 111B')으로 입사되는 빛(light)은 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B)의 포토다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)에 축적되고, 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B)은 이에 따른 픽셀 신호들을 출력한다.
도 6a 내지 도 6b에서는 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B) 각각의 상부에 네 개의 마이크로렌즈가 구비되는 예를 도시하였으나 이에 한정되지 않으며, 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B)에 대응하는 하나의 마이크로렌즈가 구비될 수도 있다.
ADC 블록(130)은 제1 서브 픽셀 그룹(111B)으로부터 출력되는 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하고, 디지털 픽셀 신호들을 ISP(210)로 출력한다.
ISP(210)는 제1 서브 픽셀 그룹(111B)에 포함된 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B)의 픽셀 신호에 대응하는 디지털 픽셀 신호들을 합산하여 출력할 수 있다.
즉, ISP(210)는 인접하는 로우 라인에 대응하는 각 서브 픽셀 그룹의 디지털 픽셀 신호들을 합산하여 출력할 수 있다.
도 7은 도 5에 도시된 픽셀 어레이에 의한 넓은 동적 범위를 설명하기 위한 도면이다. 도 5 내지 도 7을 참조하면, Pabc 곡선은 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B)에 대하여 합성된 픽셀 신호의 레벨을 나타낸다. Pbc 곡선은 제2 픽셀(115B) 내지 제4 픽셀(117B)에 대하여 합성된 픽셀 신호의 레벨을 나타낸다.
도 4에서 설명한 바와 같이, 제1 픽셀(113B) 내지 제4 픽셀(117B)의 픽셀 신호를 합산하게 되면, 차광막이 형성되지 않은 제1 픽셀(113B)이 제1 조도(L11)에서 포화된 이후에도, 제2 픽셀(115B) 내지 제4 픽셀(117B)의 픽셀 신호를 합산하여 제2 조도(L12)까지 이미지를 획득할 수 있게 된다.
따라서, 복수의 서브 픽셀 그룹을 포함하도록 구성된 픽셀 어레이(110A, 110B)에 의해 서로 다른 노광량으로 획득된 이미지들을 합성함으로써 넓은 동적 범위를 갖는 이미지 센서를 구현할 수 있게 된다.
도 8은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템의 일 실시예를 나타내는 블록도이다. 여기서, 카메라 시스템은 일 예로 자동차의 전방 카메라, 후방 카메라, 블랙 박스 카메라 등을 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 카메라 시스템(700)은 렌즈(710)와 이미지 센서(720)와 모터부(730) 및 엔진부(740)를 포함할 수 있다. 이때, 이미지 센서(720)에는 도 1 내지 도 7에서 설명된 이미지 센서가 적용될 수 있다.
렌즈(710)는 이미지 센서(720)의 수광 영역(예컨대, 포토다이오드)으로 입사 광을 집광시킨다.
이미지 센서(720)는 렌즈(710)를 통하여 입사된 광에 기초하여 이미지 데이터를 생성한다. 이미지 센서(720)는 클록 신호(CLK)에 기초하여 이미지 데이터를 제공할 수 있다. 실시 예에 따라, 이미지 센서(720)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 및/또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(740)와 인터페이싱할 수 있다.
모터부(730)는 엔진부(740)로부터 수신된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 렌즈(710)의 포커스(Focus)를 조절하거나, 셔터링(Shuttering)을 수행할 수 있다.
엔진부(740)는 이미지 센서(720) 및 모터부(730)를 제어한다. 또한, 엔진부(740)는 이미지 센서(720)로부터 수신된 거리 및/또는 이미지 데이터에 기초하여 피사체와의 거리, 휘도 성분, 상기 휘도 성분과 청색 성분의 차, 및 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터(YUV)를 생성하거나, 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다.
엔진부(740)는 호스트/어플리케이션(750)에 연결될 수 있으며, 엔진부(740)는 마스터 클록(MCLK)에 기초하여 YUV 데이터(YUV) 또는 JPEG 데이터를 호스트/어플리케이션(750)에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(740)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 및/또는 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/어플리케이션(750)과 인터페이싱할 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다.
또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 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
100; 이미지 센서
110; 픽셀 어레이
120; 로우 드라이버
130; ADC 블록
150; 램프 생성기
160; 타이밍 생성기
170; 제어 레지스터 블록
180; 버퍼

Claims (10)

  1. 각각이 복수의 로우(row) 라인에 대응하는 복수의 픽셀들 중 적어도 둘 이상의 픽셀을 포함하는 복수의 서브 픽셀 그룹; 및
    상기 복수의 서브 픽셀 그룹으로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 픽셀 신호를 출력하는 아날로그 디지털 컨버터(analog-digital converter)를 포함하며,
    상기 적어도 둘 이상의 픽셀은 서로 다른 포화(saturation) 시간을 갖는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 서브 픽셀 그룹 각각은,
    제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 픽셀 중 하나의 픽셀에 포함된 영역의 일부에 제1 차광막이 형성되는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 픽셀에 상기 제1 차광막이 형성되는 경우,
    상기 제1 픽셀은 상기 제2 픽셀보다 긴 포화 시간을 갖는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2픽셀 각각은,
    상기 픽셀에 포함된 광전 변환 소자의 위(over)에 형성된 컬러 필터; 및
    상기 컬러 필터의 위에 형성된 마이크로렌즈를 더 포함하고,
    상기 제1 픽셀에 포함된 상기 컬러 필터의 하부에 상기 제1 차광막이 형성되는 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 차광막은,
    상기 광전 변환 소자의 50%의 면적을 갖도록 형성되는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 서브 픽셀 그룹 각각은,
    제1 픽셀 내지 제4 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 픽셀 중 적어도 둘 이상의 픽셀들 각각에 포함된 영역의 일부에 제1 차광막과 제2 차광막이 형성되는 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 픽셀에 상기 제1 차광막이 형성되고 상기 제2 픽셀에 상기 제2 차광막이 형성되는 경우,
    상기 제1 픽셀은 상기 제2 픽셀보다 긴 포화 시간을 갖고, 상기 제2 픽셀은 상기 제3 및 제4 픽셀보다 긴 포화 시간을 갖는 이미지 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 픽셀 각각은,
    상기 픽셀에 포함된 광전 변환 소자의 위(over)에 형성된 컬러 필터; 및
    상기 컬러 필터의 위에 형성된 마이크로렌즈를 더 포함하고,
    상기 제1 픽셀에 포함된 상기 컬러 필터의 하부에 상기 제1 차광막이 형성되고, 상기 제2 픽셀에 포함된 상기 컬러 필터의 하부에 상기 제2 차광막이 형성되는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 차광막은 상기 광전 변환 소자의 75%의 면적을 갖도록 형성되고, 상기 제2 차광막은 상기 광전 변환 소자의 50%의 면적을 갖도록 형성되는 이미지 센서.
  10. 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서를 제어하는 이미지 신호 프로세서를 포함하고,
    상기 이미지 센서는,
    각각이 복수의 로우 라인에 대응하는 복수의 픽셀들 중 적어도 둘 이상의 픽셀을 포함하는 복수의 서브 픽셀 그룹; 및
    상기 복수의 서브 픽셀 그룹으로부터 출력되는 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 픽셀 신호를 출력하는 아날로그 디지털 컨버터를 포함하며,
    상기 적어도 둘 이상의 픽셀은 서로 다른 포화 시간을 갖는 제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함하는 이미지 처리 시스템.
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