KR20170006206A - 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 회로 및 이미지 센서의 동작방법 - Google Patents

넓은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 회로 및 이미지 센서의 동작방법 Download PDF

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Abstract

넓은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 회로 및 이미지 센서의 동작방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로는, 장시간 노광되는 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하는 제1 광전하 축적부와, 단시간 노광되는 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하는 제2 광전하 축적부와, 상기 제1 광전하 축적부에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하는 제1 전송 제어부와, 상기 제2 광전하 축적부에 축적된 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하는 제2 전송 제어부 및 상기 플로팅 확산 영역으로 전달된 광전하에 따라 픽셀 신호를 발생하는 구동 트랜지스터를 구비하고, 상기 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들의 개수는 상기 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드들의 개수보다 많은 것을 특징으로 한다.

Description

넓은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 회로 및 이미지 센서의 동작방법{Image Sensor Having Wide Dynamic Range, Pixel Circuit Of Image Sensor and Operating Method Thereof}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 자세하게는 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 회로 및 이미지 센서의 동작방법에 관한 것이다.
화상을 촬영하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대전화용 카메라 및 휴대용 캠코더와 같은 일반 소비자용 전자기기뿐만 아니라, 자동차, 보안장치 및 로봇에 장착되는 카메라에도 사용된다. 이러한 이미지 센서는 픽셀 어레이를 구비하며, 픽셀 어레이에 포함된 각각의 픽셀은 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 광 감지 소자는 흡수하는 빛의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시킬 수 있다.
이미지 센서는 해상도를 높이기 위하여 픽셀의 크기가 지속적으로 감소되고 있으며, 픽셀 사이즈 감소에도 불구하고 이미지의 화질을 충분히 확보할 필요가 있다. 이미지 센서의 화질과 관련하여 다이나믹 레인지가 문제가 될 수 있으며, 넓은 다이나믹 레인지(Wide Dynamic Range, WDR)가 제공되는 경우 이미지의 밝은 영역과 어두운 영역이 함께 세밀하게 표현될 수 있다. 그러나, 넓은 다이나믹 레인지 구현에 따라 발생될 수 있는 다양한 요인에 의한 화질 저하를 방지할 필요가 있다.
본 발명의 기술적 사상은, 넓은 다이나믹 레인지를 제공하면서 그 구현이 용이한 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 회로 및 이미지 센서의 동작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로는, 장시간 노광되는 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하는 제1 광전하 축적부와, 단시간 노광되는 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하는 제2 광전하 축적부와, 상기 제1 광전하 축적부에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하는 제1 전송 제어부와, 상기 제2 광전하 축적부에 축적된 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하는 제2 전송 제어부 및 상기 플로팅 확산 영역으로 전달된 광전하에 따라 픽셀 신호를 발생하는 구동 트랜지스터를 구비하고, 상기 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들의 개수는 상기 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드들의 개수보다 많은 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로는, M 개의 제1 포토 다이오드 및 N 개의 제2 포토 다이오드를 포함하는 광전하 축적부(단, M은 N보다 큰 정수)와, 상기 광전하 축적부에 축적되는 광전하가 전달되는 플로팅 확산 영역 및 상기 플로팅 확산 영역으로 전달된 광전하에 따라 픽셀 신호를 발생하는 구동 트랜지스터를 구비하고, 상기 M 개의 제1 포토 다이오드가 광전하를 축적하는 시간 중 적어도 일부는 상기 N 개의 제2 포토 다이오드가 광전하를 축적하는 시간과 중첩되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 다수 개의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 다수 개의 서브 픽셀들을 포함하며, 각각의 서브 픽셀은 포토 다이오드를 포함하는 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이로부터의 픽셀 신호로부터 픽셀 데이터를 생성하는 리드 회로를 구비하고, 상기 다수 개의 서브 픽셀들은, 각각 제1 포토 다이오드를 포함하는 M 개의 제1 서브 픽셀 및 각각 제2 포토 다이오드를 포함하는 N 개의 제2 서브 픽셀을 포함하고(단, M은 N보다 큰 정수), 상기 제1 서브 픽셀은 상기 제2 서브 픽셀보다 긴 시간 동안 노광되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작방법에 있어서, 상기 이미지 센서는 다수 개의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 다수 개의 제1 포토 다이오드들 및 하나 이상의 제2 포토 다이오드를 포함하며, 상기 다수 개의 제1 포토 다이오드들을 제1 시간 동안 노광하는 단계와, 상기 하나 이상의 제2 포토 다이오드를 제2 시간 동안 노광하는 단계와, 상기 다수 개의 제1 포토 다이오드들에 축적된 광전하에 대응하는 제1 픽셀 신호를 생성하는 단계와, 상기 하나 이상의 제2 포토 다이오드에 축적된 광전하에 대응하는 제2 픽셀 신호를 생성하는 단계 및 상기 제1 픽셀 신호 및 제2 픽셀 신호로부터 이미지 데이터를 생성하는 단계를 구비하고, 상기 각각의 픽셀에서, 상기 제1 포토 다이오드들의 개수는 상기 제2 포토 다이오드의 개수보다 많은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 회로 및 이미지 센서의 동작방법에 따르면, 하나의 픽셀에 구비되는 장시간 노광용 포토 다이오드의 개수와 단시간 노광용 포토 다이오드의 개수를 달리하여 넓은 다이나믹 레인지를 구현할 수 있으며, 장시간 노광 구간과 단시간 노광 구간의 일부가 중첩될 수 있으므로 이미지 처리에 소요되는 시간을 감소할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 회로 및 이미지 센서의 동작방법에 따르면, 장시간 노광용 포토 다이오드와 단시간 노광용 포토 다이오드의 사이즈를 동일하게 구현할 수 있으므로, 그 제조 공정이 용이할 뿐 아니라 쉐이딩(shading) 발생 가능성을 감소하여 화질을 향상할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 이미지 처리부의 일 구현 예를 나타내는 블록도이다.
도 3a,b는 본 발명의 이미지 센서에 적용되는 픽셀들의 일예를 나타내는 도면이다.
도 4a,b는 도 3의 단위 픽셀 그룹의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5a,b는 도 3의 단위 픽셀 그룹의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀을 구현하는 픽셀 회로를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 회로의 다양한 동작 예를 나타내는 파형도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 11a,b는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구현 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 회로를 나타내는 회로도이다.
도 13a,b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 회로를 나타내는 회로도 및 그 동작 파형도이다.
도 14a,b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 및 비닝 동작의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 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 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), 리드 회로(130), 이미지 처리부(140) 및 콘트롤러(150)를 포함할 수 있다. 상기 이미지 센서(100)는 CMOS 이미지 센서일 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 로우들 및 칼럼들로 배열되는 복수 개의 픽셀들을 포함할 수 있다. 픽셀들 각각은 빛을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 소자의 기능을 수행할 수 있으며, 이를 위하여 픽셀들 각각은 포토 다이오드, 포토 게이트 및 포토 트랜지스터 등의 광전하를 축적할 수 있는 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 이하에서는, 픽셀 어레이(110)의 픽셀들 각각이 광 감지 소자로서 포토 다이오드를 포함하는 것으로 가정된다.
로우 드라이버(120)는 로우 라인들을 통해 픽셀들에 연결되며, 리드 회로(130)는 칼럼 라인들을 통해 픽셀들에 연결될 수 있다. 로우 드라이버(120)는 콘트롤러(150)의 제어 하에서 로우 라인들을 구동할 수 있으며, 예컨대 각각의 픽셀에 포함된 포토 다이오드를 리셋하거나 포토 다이오드가 축적한 광전하에 따른 픽셀 신호를 출력하도록 제어하는 다양한 신호들을 제공할 수 있다. 또한, 리드 회로(130)는 칼럼 라인들을 통해 제공되는 픽셀 신호(Sig_pix)에 대한 샘플링 동작을 수행하여 픽셀 데이터(Pixel data)를 생성할 수 있다. 리드 회로(130)는 아날로그-디지털 변환기(미도시)를 포함할 수 있으며, 픽셀 어레이(110)로부터의 아날로그 값을 갖는 픽셀 신호(Sig_pix)를 디지털 값을 갖는 픽셀 데이터(Pixel data)로 변환할 수 있다.
일 예로서, 리드 회로(130)는 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling: CDS) 방식을 적용하여 픽셀 어레이(110)의 칼럼 라인들 각각으로부터 출력되는 픽셀 신호(Sig_pix)에 대하여 상관 이중 샘플링 동작을 수행할 수 있다. 또한, 일 예로서, 리드 회로(130)는 아날로그 CDS 방식, 디지털 CDS 방식 또는 듀얼(Dual) CDS 방식 등 다양한 방식으로 설계될 수 있다.
한편, 이미지 처리부(140)는 리드 회로(130)로부터 픽셀 데이터(Pixel data)를 수신하고 이를 처리하여 이미지 데이터(Image data)를 출력할 수 있다. 픽셀 어레이(110)에 구비되는 픽셀들에 의해 하나의 프레임 이미지가 구현될 수 있으며, 이미지 처리부(140)가 출력하는 이미지 데이터(Image data)는 하나의 프레임에 대응할 수 있다. 또한, 이미지 처리부(140)에 의해 다양한 종류의 처리 동작이 수행될 수 있으며, 일 예로서 색 보간(color interpolation), 색 보정(color correction), 자동 백색 보정(auto white balance), 감마 보정(gamma correction), 색 포화 보정(color saturation correction), 포맷 보정(format correction), 불량 픽셀 보정(bad pixel correction), 색조 보정(hue correction) 등의 동작들이 이미지 처리부(140)에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 픽셀 어레이(110)에 구비되는 각각의 픽셀은 다수 개의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 또한, 일 예로서, 각각의 픽셀에서의 다수 개의 포토 다이오드들은 서로 동일한 사이즈를 갖도록 제조될 수 있다.
또한, 이미지 센서(100)의 다이나믹 레인지(Dynamic Range)를 향상하기 위하여 픽셀 어레이(110)에 구비되는 픽셀들에 대해 장시간 노광 및 단시간 노광 동작이 수행될 수 있다. 일 예로서 각각의 픽셀에 포함되는 다수 개의 포토 다이오드들 중 일부의 포토 다이오드는 상대적으로 긴 시간 동안 노광되고, 다른 일부의 포토 다이오드는 상대적으로 짧은 시간 동안 노광될 수 있다. 다이나믹 레인지는 이미지 센서(100)가 손실 없이 획득할 수 있는 화상의 밝기 범위로서, 다이나믹 레인지가 넓을 수록 이미지 센서(100)는 더 다양한 밝기의 화상을 감지할 수 있다.
하나의 픽셀에 포함되는 다수 개의 포토 다이오드들에 대한 장시간 노광 및 단시간 노광 동작은 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 예컨대, 일부의 포토 다이오드들이 상대적으로 긴 시간 동안 광전하를 축적한 후, 순차적으로 나머지 포토 다이오드들이 상대적으로 짧은 시간 동안 광전하를 축적하도록 노광이 제어될 수 있다. 또는, 어느 하나의 픽셀에서, 장시간 노광되는 포토 다이오드들이 광전하를 축적하는 시간과 단시간 노광되는 포토 다이오드들이 광전하를 축적하는 시간은 일부 중첩될 수 있다. 상기와 같은 제어를 통하여, 하나의 프레임 이미지를 구현하기 위한 정보로서, 장시간 노광된 포토 다이오드들로부터 기인한 픽셀 데이터와 단시간 노광된 포토 다이오드들로부터 기인한 픽셀 데이터가 얻어질 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 장시간 노광되는 포토 다이오드들의 노광 타이밍과 단시간 노광되는 포토 다이오드들의 노광 타이밍 사이의 시간 차이를 감소함으로써, 고스트 효과(Ghost Effect) 등으로 인한 화질 저하를 감소할 수 있다. 또한, 픽셀에 구비되는 다수 개의 포토 다이오드들의 사이즈를 동일하게 구현할 수 있으므로, 픽셀에 대응하는 렌즈의 제작 공정이 용이해질 수 있으며, 렌즈 사이즈의 차이에 기인하는 쉐이딩(shading) 발생 가능성을 감소할 수 있다.
도 2는 도 1의 이미지 처리부(140)의 일 구현 예를 나타내는 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 이미지 처리부(140)는 라인 버퍼(141) 및 이미지 합성부(142)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 리드 회로(130)는 픽셀 어레이(110)로부터의 픽셀 신호(Sig_pix)에 대한 샘플링을 수행하고, 각각의 픽셀에 대한 디지털 신호로서 픽셀 데이터(Pixel data)를 생성할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 각각의 픽셀에 대해 장시간 노광에 따른 제1 픽셀 데이터(Pixel data_1)와 단시간 노광에 따른 제2 픽셀 데이터(Pixel data_2)가 생성될 수 있다.
픽셀 어레이(110)의 어느 하나의 로우(Row) 단위를 참조하면, 하나의 로우(Row)에 배치되는 다수 개의 픽셀들에 대한 장시간 노광을 통해 제1 픽셀 데이터(Pixel data_1)가 생성되고, 제1 픽셀 데이터(Pixel data_1)는 이미지 처리부(140)의 라인 버퍼(141)에 저장될 수 있다. 또한, 상기 하나의 로우(Row)에 배치되는 다수 개의 픽셀들에 대한 단시간 노광을 통해 제2 픽셀 데이터(Pixel data_2)가 생성되고, 제2 픽셀 데이터(Pixel data_2)는 이미지 합성부(142)로 제공될 수 있다. 이미지 합성부(142)는 제2 픽셀 데이터(Pixel data_2)와 라인 버퍼(141)에 저장된 제1 픽셀 데이터(Pixel data_1)를 이용한 합성 동작에 기반하여 하나의 프레임 이미지에 상응하는 이미지 데이터(Image Data)를 출력할 수 있다.
전술한 이미지 합성 동작은 다양하게 수행될 수 있으며, 예컨대 다이나믹 레인지의 향상을 위하여 상대적으로 낮은 조도의 빛을 받는 영역은 고감도 특성을 갖는 제1 픽셀 데이터(Pixel data_1)에 의해 구현되고, 상대적으로 높은 조도의 빛을 받는 영역은 저감도 특성을 갖는 제2 픽셀 데이터(Pixel data_2)에 의해 구현될 수 있다.
라인 버퍼(141)의 사이즈는 다양하게 구현될 수 있으며, 예컨대 픽셀 어레이(110)의 하나 이상의 로우에 대응하는 사이즈의 버퍼들을 포함할 수 있다. 일 예로서, 본 발명의 실시예에 따르면 제1 픽셀 데이터(Pixel data_1)와 제2 픽셀 데이터(Pixel data_2)의 발생 타이밍의 시간적 차이를 감소함으로써, 라인 버퍼(141)에 구비되는 버퍼들의 개수가 감소될 수 있다.
도 2에 도시된 이미지 처리부(140)의 동작은 본 발명의 일 동작 예에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예는 이에 국한될 필요가 없다. 일 예로서, 어느 하나의 로우(Row)에 배치되는 다수 개의 픽셀들로부터 단시간 노광을 통한 제2 픽셀 데이터(Pixel data_2)가 먼저 생성되는 경우, 상기 제2 픽셀 데이터(Pixel data_2)가 라인 버퍼(141)에 저장될 수 있다. 이후, 순차적으로 수신되는 제1 픽셀 데이터(Pixel data_1)와 라인 버퍼(141)에 저장된 제2 픽셀 데이터(Pixel data_2)에 대해 이미지 합성 동작이 수행되어도 무방하다.
도 1에 도시된 이미지 센서의 픽셀 어레이의 일 구현예를 설명하면 다음과 같다. 도 3a,b는 본 발명의 이미지 센서에 적용되는 픽셀들의 일예를 나타내는 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(110)는 다수의 로우들 및 칼럼들에 따라 배치되는 다수의 픽셀들을 포함하며, 예컨대 2 개의 로우들 및 2 개의 칼럼들에 배치되는 픽셀들로 정의되는 하나의 단위 픽셀 그룹(Group_pix)은 4 개의 픽셀들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 각각의 픽셀이 다양한 칼라를 센싱할 수 있도록 칼라 필터를 포함할 수 있다. 도 3b는 그 일 예로서, 칼라 필터가 레드, 그린 및 블루 칼라를 센싱하는 필터들을 포함하는 예가 도시되며, 이에 따라 하나의 단위 픽셀 그룹이 하나의 레드 픽셀(R), 하나의 블루 픽셀(B) 및 두 개의 그린 픽셀들(Ga, Gb)을 포함할 수 있다. 그러나 이는 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(110)는 다양한 종류의 칼라 필터들을 포함할 수 있다. 예컨대, 칼라 필터는 옐로우(Yellow), 사이언(Cyan), 마젠타(Magenta) 및 그린(Green) 칼라를 센싱하기 위한 필터들을 포함할 수 있다. 또는, 예컨대, 칼라 필터는 레드, 그린, 블루 및 화이트 칼라를 센싱하는 필터들을 포함하여도 무방하다.
도 4a,b는 도 3의 단위 픽셀 그룹의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 4a,b에서는 하나의 픽셀이 4 개의 포토 다이오드들을 포함하는 예가 도시된다. 하나의 픽셀 내에서 하나의 포토 다이오드에 대응하는 영역이 서브 픽셀로 정의됨에 따라, 하나의 픽셀은 4 개의 서브 픽셀들을 포함하는 것으로 지칭될 수 있다.
도 4a,b에 도시된 바와 같이, 어느 하나의 픽셀이 다수 개의 서브 픽셀들을 포함하고, 장시간 노광되는 포토 다이오드를 포함하는 서브 픽셀을 제1 서브 픽셀(L)로 정의하고 단시간 노광되는 포토 다이오드를 포함하는 서브 픽셀을 제2 서브 픽셀(S)로 정의할 수 있다..
도 4a의 예에서는, 어느 하나의 픽셀이 서로 같은 개수의 제1 서브 픽셀(L)과 제2 서브 픽셀(S)을 포함하는 예가 도시되며, 반면에 도 4b의 예에서는, 어느 하나의 픽셀이 서로 다른 개수의 제1 서브 픽셀(L)과 제2 서브 픽셀(S)을 포함하는 예가 도시된다. 일 예로서, 도 4b의 예에서는 제1 서브 픽셀(L)이 제2 서브 픽셀(S)보다 더 많은 수를 가지는 예가 도시된다. 또한 일 예로서, 하나의 픽셀이 2*2 서브 픽셀들을 포함하고, 제1 서브 픽셀(L)이 제2 서브 픽셀(S)보다 많은 개수를 갖도록 구현되는 경우, 각각의 픽셀은 3 개의 제1 서브 픽셀(L)들과 1 개의 제2 서브 픽셀(S)을 포함할 수 있다.
도 5a,b는 도 3의 단위 픽셀 그룹의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 5a,b에서는 하나의 픽셀이 다양한 개수의 서브 픽셀들을 포함하는 예가 도시된다.
일 예로서, 도 5a는 하나의 픽셀이 9 개의 서브 픽셀들을 포함하는 예를 나타내며, 도시된 바와 같이 하나의 픽셀은 하나 이상의 제1 서브 픽셀(L)과 하나 이상의 제2 서브 픽셀(S)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 하나의 픽셀에서 제1 서브 픽셀(L)의 개수는 제2 서브 픽셀(S)의 개수 보다 많을 수 있으며, 예컨대 하나의 픽셀은 6 개의 제1 서브 픽셀(L)과 3 개의 제2 서브 픽셀(S)을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 도 5b는 하나의 픽셀이 16 개의 서브 픽셀들을 포함하는 예를 나타내며, 도시된 바와 같이 하나의 픽셀은 하나 이상의 제1 서브 픽셀(L)과 하나 이상의 제2 서브 픽셀(S)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 하나의 픽셀에서 제1 서브 픽셀(L)의 개수는 제2 서브 픽셀(S)의 개수 보다 많을 수 있으며, 예컨대 하나의 픽셀은 12 개의 제1 서브 픽셀(L)과 4 개의 제2 서브 픽셀(S)을 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀을 구현하는 픽셀 회로를 나타내는 도면이다. 도 6에서는 픽셀 회로의 구조도가 도시되며, 도 7에서는 픽셀 회로에 구비되는 소자들의 일 예를 나타내는 회로도가 도시된다. 한편, 도 6 및 도 7에서는 하나의 픽셀이 4 개의 서브 픽셀들을 포함하는 것으로 가정한다. 또한, 도 6에 도시된 픽셀 회로의 구조도에서, 3 개의 제1 서브 픽셀(L)과 하나의 제2 서브 픽셀(S)이 포함되는 예가 도시된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 픽셀 회로(Pixel)는 각각 포토 다이오드를 포함하는 3 개의 제1 서브 픽셀들(L)과 포토 다이오드를 포함하는 하나의 제2 서브 픽셀(S)을 포함한다. 또한, 제1 전송 제어 신호(TX_long)를 전달하는 신호 라인(A)과 제2 전송 제어 신호(TX_short)를 전달하는 신호 라인(B)이 픽셀 회로(Pixel) 상에 배치되고, 3 개의 제1 서브 픽셀들(L)은 제1 전송 제어 신호(TX_long)에 응답하여 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하며, 하나의 제2 서브 픽셀(S)은 제2 전송 제어 신호(TX_short)에 응답하여 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달한다. 3 개의 제1 서브 픽셀들(L)의 포토 다이오드들에 축적된 광전하가 함께 플로팅 확산 영역으로 전달되므로, 3 개의 포토 다이오드들로부터의 광전하가 플로팅 확산 영역에서 서로 합산될 수 있다. 상기 합산 결과에 따른 전기적 신호가 픽셀 신호로서 출력된 후 플로팅 확산 영역에 대한 리셋 동작이 수행되고, 이후 하나의 제2 서브 픽셀(S)의 포토 다이오드에 축적된 광전하가 플로팅 확산 영역으로 전달되고, 이에 따른 전기적 신호가 픽셀 신호로서 출력될 수 있다.
도 7에 도시된 픽셀 회로의 동작 예를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 회로의 다양한 동작 예를 나타내는 파형도이다.
픽셀 회로(200)는 광전하를 축적하는 다수 개의 포토 다이오드들을 포함하며, 또한 상기 다수 개의 포토 다이오드들은 광전하의 축적 방식에 따라 두 개 이상의 광전하 축적부로 분류될 수 있다. 일 예로서, 픽셀 회로(200)는 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하는 제1 광전하 축적부(211)와 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하는 제2 광전하 축적부(212)를 포함할 수 있다. 일 예로서, 제1 광전하 축적부(211)는 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)을 포함하고, 제2 광전하 축적부(212)는 하나의 포토 다이오드(D21)를 포함할 수 있다.
또한, 픽셀 회로(200)는 제1 광전하 축적부(211)에 축적된 광전하의 전달을 제어하기 위한 제1 전송 제어부(221)와, 제2 광전하 축적부(212)에 축적된 광전하의 전달을 제어하기 위한 제2 전송 제어부(222)를 더 포함할 수 있다. 제1 전송 제어부(221)는 제1 광전하 축적부(211)의 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)에 대응하여 제1 내지 제3 전송 트랜지스터들(TG11 ~ TG13)을 포함하고, 제2 전송 제어부(222)는 제2 광전하 축적부(212)의 포토 다이오드(D21)에 대응하여 전송 트랜지스터(TG21)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 전송 트랜지스터들(TG11 ~ TG13)은 제1 전송 제어 신호(TX_long)에 의해 공통하게 제어될 수 있으며, 또한 제2 전송 제어부(222)의 전송 트랜지스터(TG21)는 제2 전송 제어 신호(TX_short)에 의해 제어될 수 있다.
또한, 픽셀 회로(200)는 제1 및 제2 광전하 축적부(211, 212)로부터 광전하를 수신하는 플로팅 확산 영역(FD), 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 게이트가 연결되는 구동 트랜지스터(TD), 플로팅 확산 영역(FD)의 전위를 전원전압 레벨(VDD)로 리셋시키는 리셋 트랜지스터(TR) 및 구동 트랜지스터(TD)로부터의 전기적 신호를 픽셀 신호로서 칼럼 라인을 통해 전달하기 위한 선택 트랜지스터(TS)를 더 포함할 수 있다.
제1 및 제2 광전하 축적부(211, 212)는 각각 다양하게 구현될 수 있으며, 또한 고감도의 픽셀 데이터 및 저감도의 픽셀 데이터를 생성하기 위하여 다양한 방식에 따라 동작할 수 있다. 일 예로서, 제1 광전하 축적부(211)의 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)은 제2 광전하 축적부(212)의 포토 다이오드(D21)보다 더 긴 시간 동안 노광되도록 제1 및 제2 전송 제어부(221, 222)가 제어될 수 있다.
또한, 제1 광전하 축적부(211)와 제2 광전하 축적부(212)의 포토 다이오드들(D11 ~ D13, D21)은 모두 그 사이즈가 동일하게 구현될 수 있다. 또한, 제1 광전하 축적부(211)는 제2 광전하 축적부(212)보다 더 많은 수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 동일한 세기의 빛이 감지되었을 때, 제1 광전하 축적부(211) 축적되는 광전하의 양은 제2 광전하 축적부(212)에 축적된 광전하의 양보다 큰 값을 가질 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 하나의 픽셀 회로에 구비되는 다수 개의 서브 픽셀들은 구동 트랜지스터(TD), 리셋 트랜지스터(TR) 및 선택 트랜지스터(TS)를 공유하는 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 전송 트랜지스터들(TG11 ~ TG13)은 제1 전송 제어 신호(TX_long)에 의해 공통하게 제어되므로, 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)에서 축적된 광전하는 플로팅 확산 영역(FD)에서 합산될 수 있다.
구동 트랜지스터(TD)는 소정의 전압 이득(예컨대, 1의 전압 이득)을 갖는 소스 팔로워-버퍼 증폭기(Source Follower-Buffer Amplifier)의 역할을 할 수 있으며, 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된 광전하에 비례하여 소스-드레인간 전류를 생성한다. 구동 트랜지스터(TD)로부터의 전기적 신호는 선택 트랜지스터(TS)를 통해 픽셀 신호로서 칼럼 라인을 통해 제공될 수 있다.
먼저, 픽셀 회로(200)의 일 동작 예로서, 도 8의 타이밍도에 도시된 바와 같이, 제1 전송 제어부(221)의 전송 트랜지스터들(TG11 ~ TG13)을 제어하기 위한 제1 전송 제어 신호(TX_long)는 제1 광전하 축적부(211)의 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)이 상대적으로 긴 제1 시간(T1) 동안 광전하를 축적하도록 하는 파형을 가질 수 있다. 반면에, 제2 전송 제어부(222)의 전송 트랜지스터(TG21)을 제어하기 위한 제2 전송 제어 신호(TX_short)는 제2 광전하 축적부(212)의 포토 다이오드(D21)가 상대적으로 짧은 제2 시간(T2) 동안 광전하를 축적하도록 하는 파형을 가질 수 있다.
포토 다이오드들(D11 ~ D13, D21)에 대해 기 설정된 시간 동안 노광이 완료되면, 포토 다이오드들(D11 ~ D13, D21)에 축적된 광전하에 따라 픽셀 신호를 출력하는 동작이 수행된다. 예컨대, 전술한 실시예들 중 하나로서 이중 상관 샘플링 동작을 통해 픽셀 신호가 생성될 수 있다. 고감도 특성을 갖는 제1 픽셀 신호를 생성하기 위해, 제1 광전하 축적부(211)의 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)에 축적된 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달되도록 제1 전송 제어 신호(TX_long)가 소정 구간(예컨대, 제1 전송 구간, T11) 동안 로직 하이 값을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 전송 구간(T11)을 포함하는 구간(예컨대, 제1 리드 구간, T12) 동안 리셋 트랜지스터(TR)가 턴 오프되도록 리셋 제어 신호(RG)가 로직 로우 값을 가질 수 있다. 이와 함께, 상기 제1 리드 구간(T12) 동안 이중 상관 샘플링 동작을 통해 픽셀 신호가 출력되도록 선택 제어 신호(SEL)가 상기 제1 리드 구간(T12) 동안 로직 하이 값을 가질 수 있다.
상기 제1 리드 구간(T12) 동안, 리셋 동작에 따라 소정의 전원전압 레벨(VDD)로 리셋된 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 대응하는 전기적 신호와, 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)에 축적된 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된 후의 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 대응하는 전기적 신호가 장시간 노광에 따른 제1 픽셀 신호(Read_L)로서 제공될 수 있다.
이후, 저감도 특성을 갖는 제2 픽셀 신호를 생성하기 위해, 제2 광전하 축적부(212)의 포토 다이오드(D21)에 축적된 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달되도록 제2 전송 제어 신호(TX_short)가 소정 구간(예컨대, 제2 전송 구간, T13) 동안 로직 하이 값을 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 전송 구간(T13)을 포함하는 구간(예컨대, 제2 리드 구간, T14) 동안 리셋 트랜지스터(TR)가 턴 오프되도록 리셋 제어 신호(RG)가 로직 로우 값을 가질 수 있다. 이와 함께, 상기 제2 리드 구간(T14) 동안 이중 상관 샘플링 동작을 통해 픽셀 신호가 출력되도록 선택 제어 신호(SEL)이 상기 제2 리드 구간(T14) 동안 로직 하이 값을 가질 수 있다.
상기 제2 리드 구간(T14) 동안, 리셋 동작에 따라 소정의 전원전압 레벨(VDD)로 리셋된 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 대응하는 전기적 신호와, 포토 다이오드(D21)에 축적된 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된 후의 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 대응하는 전기적 신호가 단시간 노광에 따른 제2 픽셀 신호(Read_S)로서 제공될 수 있다.
상기와 같은 동작에 따라, 장시간 노광에 의한 고감도 특성을 갖는 제1 픽셀 데이터와 단시간 노광에 의한 저감도 특성을 갖는 제2 픽셀 데이터가 생성될 수 있다. 또한 상기 제1 및 제2 픽셀 데이터들에 대한 합성 동작을 통해, 다이나믹 레인지가 향상된 최종 이미지 데이터가 생성될 수 있다.
한편, 픽셀 회로의 다른 동작 예로서, 도 9에 도시된 바와 같이 제1 광전하 축적부(211)가 광전하를 축적하는 시간과 제2 광전하 축적부(212)가 광전하를 축적하는 시간이 실질적으로 동일하도록 제1 전송 제어 신호(TX_long)와 제2 전송 제어 신호(TX_short)의 파형이 설정될 수 있다. 또한, 전술한 실시예에서와 유사하게, 제1 광전하 축적부(211) 및 제2 광전하 축적부(212)의 광전하 축적 동작이 완료되면, 제1 광전하 축적부(211)의 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)에 축적된 광전하에 따라 제1 픽셀 신호(Read_L)가 생성되고, 또한 제2 광전하 축적부(212)의 포토 다이오드(D21)에 축적된 광전하에 따라 제2 픽셀 신호(Read_S)가 생성된다.
상기 도 9에 도시된 실시예에 따르면, 제1 광전하 축적부(211)의 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)과 제2 광전하 축적부(212)의 포토 다이오드(D21)가 동일 시간 동안 노광되더라도, 더 많은 개수의 포토 다이오드들을 갖는 제1 광전하 축적부(211)로부터의 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)에서 합산되므로, 제1 광전하 축적부(211)의 픽셀 신호가 고감도의 특성을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 도 8에 도시된 실시예에서와 동일 또는 유사한 효과를 갖도록 동작되며, 또한 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지가 생성될 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에서는 고감도 특성을 갖는 픽셀 신호를 생성함에 있어서 다수 개의 포토 다이오드들로부터의 광전하가 동일한 플로팅 확산 영역에서 합산되는 방식(예컨대, 차지 도메인(charge domain)에서의 합산 방식)이 적용되는 예가 설명되었으나, 본 발명의 실시예는 이에 국한될 필요는 없다.
다른 실시예로서, 제1 광전하 축적부(211)의 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)로부터의 광전하는 아날로그 도메인(analog domain)에서 합산 또는 평균될 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13) 각각으로부터의 광전하가 별도의 제어를 통해 서로 다른 플로팅 확산 영역(예컨대, 3 개의 플로팅 확산 영역들)으로 제공될 수 있다. 각각의 플로팅 확산 영역의 전위에 대응하는 픽셀 신호가 출력단을 통해 제공되고, 상기 출력단으로 제공되는 픽셀 신호는 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)에 축적된 광전하의 합산 또는 평균 값에 대응할 수 있다.
또 다른 실시예로서, 제1 광전하 축적부(211)의 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)로부터의 광전하는 디지털 도메인(analog domain)에서 합산 또는 평균될 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13) 각각으로부터의 광전하가 서로 다른 타이밍에 플로팅 확산 영역으로 제공됨에 따라, 각각의 포토 다이오드에 대응하는 픽셀 데이터가 생성될 수 있으며, 상기 픽셀 데이터에 대한 디지털 처리 동작을 통해 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D11 ~ D13)에 축적된 광전하의 합산 또는 평균 값에 상응하는 데이터가 생성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 먼저 이미지 센서를 구현함에 있어서 다수 개의 픽셀들이 형성되고, 각각의 픽셀에 다수 개의 포토 다이오드들이 배치된다. 일 예로서, 고감도 특성을 갖는 픽셀 신호를 생성하기 위해 A 개의 제1 포토 다이오드가 배치됨과 함께(S11), 저감도 특성을 갖는 픽셀 신호를 생성하기 위해 B 개의 제2 포토 다이오드가 배치된다(S12). 상기 A 개의 제1 포토 다이오드는 전술한 실시예에서의 제1 광전하 축적부를 구성할 수 있으며, 또한 상기 B 개의 제2 포토 다이오드는 전술한 실시예에서의 제2 광전하 축적부를 구성할 수 있다. 또한, 전술한 실시예에서와 같이 하나의 픽셀에서 제1 포토 다이오드의 개수는 제2 포토 다이오드의 개수보다 많을 수 있다. 또한, 다른 실시예로서, 제1 포토 다이오드의 개수와 제2 포토 다이오드의 개수는 동일할 수도 있다.
넓은 다이나믹 레인지를 갖도록 상기 픽셀의 포토 다이오드들에 대한 노광 동작이 수행된다. 일 예로서, 제1 시간(T1) 동안 제1 포토 다이오드가 노광되고(S13), 또한 제2 시간(T2) 동안 제2 포토 다이오드가 노광된다(S14). 전술한 실시예에서와 같이 제1 포토 다이오드가 노광되는 제1 시간(T1)은 제2 포토 다이오드가 노광되는 제2 시간(T2) 보다 길 수 있다. 또한, 다른 실시예로서, 제1 포토 다이오드가 노광되는 제1 시간(T1)과 제2 포토 다이오드가 노광되는 제2 시간(T2)은 서로 동일할 수도 있다. 바람직하게는, A 개의 제1 포토 다이오드로부터의 픽셀 신호가 상대적으로 고감도를 갖도록, 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드의 개수가 조절되거나, 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드의 노광 시간이 조절될 수 있다.
제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드에 대한 노광 동작이 완료되면, 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드에 축적된 광전하에 대응하는 픽셀 신호를 출력하는 동작이 수행된다. 예컨대, 하나 이상의 제1 포토 다이오드에 축적된 광전하들이 플로팅 확산 영역에서 합산되고, 합산된 광전하에 대응하는 픽셀 신호가 출력된다(S15). 또한, 제2 포토 다이오드에 축적된 광전하에 대응하는 픽셀 신호가 출력된다(S16). 상기와 같이 고감도의 픽셀 데이터에 따른 이미지와 저감도의 픽셀 데이터에 따른 이미지에 대한 합성 동작이 수행되고, 이로부터 이미지 데이터가 생성될 수 있다(S17).
도 11a,b는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구현 예를 나타내는 도면이다. 도 11a,b에서는 이미지 센서에 구비되는 다수 개의 픽셀들 중 레드 픽셀과 그린 픽셀이 일 예로서 도시된다. 또한, 하나의 픽셀이 2*2 서브 픽셀들을 포함하는 예가 도시되며, 도 11a,b에서는 픽셀 회로의 단면도가 도시됨에 따라 하나의 픽셀에 대해 두 개의 서브 픽셀들이 도시될 수 있다.
도 11a,b에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(300A, 300B)는 다수 개의 포토 다이오드들(310), 다수의 칼라 필터들(320) 및 다수 개의 마이크로 렌즈들(330A, 330B)을 포함할 수 있다. 또한, 도 11a,b에는 도시되지 않았으나, 다수 개의 포토 다이오드들(310)로부터 광전하를 수신하는 플로팅 확산 영역(미도시)은 다수 개의 포토 다이오드들(310)이 배치되는 기판에 함께 형성될 수 있다.
하나의 픽셀은 4 개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 도 11a,b에서는 하나의 픽셀에 대응하여 두 개의 서브 픽셀들만이 도시되나, 실질적으로 레드 픽셀(Pixel_R)은 고감도 픽셀 신호를 생성하는 세 개의 제1 서브 픽셀들과 저감도 픽셀 신호를 생성하는 하나의 제2 서브 픽셀을 포함할 수 있다. 이에 따라, 레드 픽셀(Pixel_R)은 세 개의 제1 서브 픽셀들에 대응하는 포토 다이오드들(PD(L))과 하나의 제2 서브 픽셀에 대응하는 제2 포토 다이오드(PD(S))를 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 그린 픽셀(Pixel_G) 또한 이와 유사하게 서브 픽셀들을 포함할 수 있다.
도 11a에 도시된 바와 같이, 다수 개의 마이크로 렌즈들(330A)은 다수 개의 픽셀들에 대응하여 배치될 수 있으며, 일 예로서 하나의 픽셀에 대응하여 하나의 마이크로 렌즈가 배치될 수 있다. 다수 개의 서브 픽셀들에 대응하여 하나의 마이크로 렌즈가 배치됨에 따라, 서브 픽셀들 사이의 위상차 정보가 생성되어 뎁스(depth) 정보가 판단될 수 있으며, 이에 따라 오토 포커싱(auto focusing) 기능이 수행될 수 있는 장점이 있다.
한편, 다른 실시예로서, 도 11b에 도시된 바와 같이 이미지 센서(300B)는 다수 개의 서브 픽셀들에 대응하여 다수 개의 마이크로 렌즈들(330B)을 포함할 수 있다. 일 예로서 하나의 서브 픽셀에 대응하여 하나의 마이크로 렌즈(330B)가 배치될 수 있다. 장시간 노광되는 제1 서브 픽셀들의 포토 다이오드(PD(L))와 단시간 노광되는 제2 서브 픽셀의 포토 다이오드(PD(S))의 사이즈가 동일할 수 있으며, 이에 따라 각각의 서브 픽셀에 대응하여 배치되는 마이크로 렌즈들(330B)의 사이즈를 동일하게 구현할 수 있으므로, 마이크로 렌즈(330B)의 제조 공정이 상대적으로 용이할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈의 사이즈가 서로 다른 경우, 렌즈의 사이즈가 큰 픽셀이 렌즈의 사이즈가 작은 픽셀에 영향을 미침에 따라 쉐이딩(shading)이 발생될 가능성이 있으나, 본 발명의 실시예에 따르면 쉐이딩(shading) 발생 가능성을 감소할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 회로를 나타내는 회로도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 픽셀 회로(400)는 다수 개의 포토 다이오드들을 포함하며, 또한 상기 다수 개의 포토 다이오드들에 대응하여 다수 개의 전송 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 다수 개의 포토 다이오드들은 상대적으로 큰 사이즈를 갖는 하나 이상의 포토 다이오드들(D31 ~ D33)과, 상대적으로 작은 사이즈를 갖는 하나 이상의 포토 다이오드(D41)를 포함할 수 있다. 포토 다이오드들(D31 ~ D33)은 고감도의 픽셀 신호를 제공하는 제1 광전하 축적부를 구성할 수 있으며, 포토 다이오드(D41)는 저감도의 픽셀 신호를 제공하는 제2 광전하 축적부를 구성할 수 있다.
또한, 상기 다수 개의 전송 트랜지스터들은, 제1 광전하 축적부를 구성하는 포토 다이오드들(D31 ~ D33)에 축적된 광전하의 전달을 제어하기 위한 전송 트랜지스터들(TG31 ~ TG33)과 제2 광전하 축적부를 구성하는 제2 포토 다이오드(D41)에 축적된 광전하의 전달을 제어하기 위한 전송 트랜지스터(TG41)를 포함할 수 있다. 도 12에서는 하나의 픽셀에서 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들(D31 ~ D33)의 개수가 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드(D41)보다 많은 것으로 도시되었으나, 이는 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들(D31 ~ D33)와 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드(D41)가 동일한 개수로서 배치되어도 무방하다.
이외에도, 픽셀 회로(400)는 플로팅 확산 영역(FD), 구동 트랜지스터(TD), 리셋 트랜지스터(TR) 및 선택 트랜지스터(TS)를 더 포함할 수 있다. 또한, 전송 트랜지스터들(TG31 ~ TG33)은 서로 동일한 제1 전송 제어 신호(TX_long)에 의해 제어될 수 있으며, 전송 트랜지스터(TG41)는 제2 전송 제어 신호(TX_short)에 의해 제어될 수 있다.
전술한 실시에에서와 유사하게, 넓은 다이나믹 레인지를 제공하기 위하여 픽셀 회로(400)는 고감도의 픽셀 신호와 저감도의 픽셀 신호를 제공할 수 있다. 본 실시예에서는, 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들(D31 ~ D33)이 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드(D41)에 비해 사이즈가 크므로, 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들(D31 ~ D33)의 개수와 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드(D41)의 개수가 동일하더라도 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들(D31 ~ D33)에 의해 상대적으로 고감도의 픽셀 신호가 제공될 수 있다. 또한, 포토 다이오드들(D31 ~ D33, D41)이 동일한 시간 동안 노광되더라도 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들(D31 ~ D33)에 의해 상대적으로 고감도의 픽셀 신호가 제공될 수 있다.
도 13a,b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 회로를 나타내는 회로도 및 그 동작 파형도이다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 픽셀 회로(500)는 다수 개의 포토 다이오드들을 포함하며, 또한 상기 다수 개의 포토 다이오드들에 대응하여 다수 개의 전송 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 다수 개의 포토 다이오드들은 상대적으로 장시간 노광되는 하나 이상의 포토 다이오드들(D51 ~ D53)과, 상대적으로 단시간 노광되는 하나 이상의 포토 다이오드(D61)를 포함할 수 있다. 포토 다이오드들(D51 ~ D53)은 고감도의 픽셀 신호를 제공하는 제1 광전하 축적부를 구성할 수 있으며, 포토 다이오드(D61)는 저감도의 픽셀 신호를 제공하는 제2 광전하 축적부를 구성할 수 있다. 일 예로서, 제1 광전하 축적부는 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D51 ~ D53)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 다수 개의 전송 트랜지스터들은, 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D51 ~ D53)에 축적된 광전하의 전달을 제어하기 위한 제1 내지 제3 전송 트랜지스터들(TG51 ~ TG53)과 포토 다이오드(D61)에 축적된 광전하의 전달을 제어하기 위한 전송 트랜지스터(TG61)를 포함할 수 있다. 전술한 실시예에서와 유사하게, 제1 광전하 축적부의 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D51 ~ D53) 및 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드(D61)는 다양한 사이즈로 구현될 수 있으며 또한 다양한 개수로 배치될 수 있다.
이외에도, 픽셀 회로(500)는 플로팅 확산 영역(FD), 구동 트랜지스터(TD), 리셋 트랜지스터(TR) 및 선택 트랜지스터(TS)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 전송 트랜지스터들(TG51 ~ TG53)은 서로 다른 전송 제어 신호들(TX_long1 ~ TX_long3)에 의해 제어될 수 있으며, 전송 트랜지스터(TG61)는 전송 제어 신호(TX_short)에 의해 제어될 수 있다.
한편, 도 13b를 참조하면, 제1 내지 제3 전송 제어 신호들(TX_long1 ~ TX_long3)의 파형에 따라, 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들(D51 ~ D53)은 각각 상대적으로 긴 제1 시간(T1) 동안 광전하를 축적할 수 있다. 반면에, 제2 광전하 축적부의 광전하를 전달하기 위한 전송 제어 신호(TX_short)의 파형에 따라, 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드(D61)는 상대적으로 짧은 제2 시간(T2) 동안 광전하를 축적할 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 전송 트랜지스터들(TG51 ~ TG53)이 서로 별개로 제어되므로, 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들(D51 ~ D53) 각각에 축적된 광전하는 서로 동일한 타이밍 또는 서로 다른 타이밍에 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달될 수 있다.
먼저, 고감도의 픽셀 신호를 생성하기 위해, 제1 전송 제어 신호(TX_long1)가 로직 하이 레벨을 가짐에 따라 제1 포토 다이오드(D51)에 축적된 광전하에 대응하는 전기적 신호가 장시간 노광에 따른 픽셀 신호(Read_L1)로서 제공될 수 있다. 또한, 순차적으로 제2 전송 제어 신호(TX_long2)가 로직 하이 레벨을 가짐에 따라 제2 포토 다이오드(D52)에 축적된 광전하에 대응하는 전기적 신호가 장시간 노광에 따른 픽셀 신호(Read_L2)로서 제공될 수 있다. 또한, 순차적으로 제3 전송 제어 신호(TX_long3)가 로직 하이 레벨을 가짐에 따라 제3 포토 다이오드(D53)에 축적된 광전하에 대응하는 전기적 신호가 장시간 노광에 따른 픽셀 신호(Read_L3)로서 제공될 수 있다.
이후, 저감도의 픽셀 신호를 생성하기 위해, 전송 제어 신호(TX_short)가 로직 하이 레벨을 가짐에 따라 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드(D61)에 축적된 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 제공되고, 플로팅 확산 영역(FD)의 전위에 대응하는 전기적 신호가 단시간 노광에 따른 픽셀 신호(Read_S)로서 제공될 수 있다.
도 13의 실시예에 따르면, 제1 내지 제3 전송 제어 신호(TX_long1 ~ TX_long3)의 파형에 따라 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D51 ~ D53)에 축적된 광전하가 플로팅 확산 영역(FD)에서 합산될 수 있다. 또는, 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D51 ~ D53)에 축적된 광전하가 서로 다른 타이밍에 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달되고, 제1 내지 제3 포토 다이오드들(D51 ~ D53) 각각에 대응하는 픽셀 데이터에 대해 디지털 도메인에서의 합산 또는 평균 동작이 수행될 수도 있다.
도 14a,b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 및 비닝 동작의 일 예를 나타내는 블록도이다. 도 14a의 이미지 센서(600)는 픽셀 어레이(610), 비닝 모드 제어부(620), 보상부(630), 칼라 변환부(640), 재구성부(650) 및 DRC부(Dynamic Range Compression Unit, 660)를 포함할 수 있다.
상기 픽셀 어레이(610)는 전술한 실시예에서 설명된 픽셀들을 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 픽셀 어레이(610)에 구비되는 각각의 픽셀은 다수 개의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 또한, 다수 개의 포토 다이오드들 중 일부의 포토 다이오드는 고감도의 픽셀 신호를 생성하기 위해 이용되며, 다른 일부의 포토 다이오드는 저감도의 픽셀 신호를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 일 예로서, 다수 개의 포토 다이오드들 중 일부의 포토 다이오드는 상대적으로 긴 시간 동안 노광되는 반면에, 다른 일부의 포토 다이오드는 상대적으로 짧은 시간 동안 노광된다. 또한, 다수 개의 포토 다이오드들 중 긴 시간 동안 노광되는 포토 다이오드의 개수가 짧은 시간 동안 노광되는 포토 다이오드의 개수보다 많을 수 있다.
또한, 도 14a에 도시된 각종 기능 블록들 중 적어도 일부는 도 1의 이미지 처리부(140)에 구비되는 구성일 수 있다. 예컨대, 비닝 모드 제어부(620), 보상부(630), 칼라 변환부(640), 재구성부(650) 및 DRC부(660) 중 적어도 일부의 기능 블록들은 도 1의 이미지 처리부(140)에 내에 구비될 수 있으며, 다른 일부의 기능 블록들은 도 1의 리드 회로(130)로부터 픽셀 데이터를 수신하여 소정의 처리 동작을 수행한 후 처리 결과를 이미지 처리부(140)로 제공할 수 있다.
비닝 모드 제어부(620)의 제어하에서, 고화질 모드 선택시 상대적으로 높은 해상도를 갖는 픽셀 데이터가 보상부(630)로 제공될 수 있으며, 또는 저화질 모드 선택시 상대적으로 낮은 해상도를 갖는 픽셀 데이터가 보상부(630)로 제공될 수 있다. 즉, 비닝 모드에 따라 픽셀 어레이(610)에 구비되는 모든 픽셀들로부터의 픽셀 데이터가 이용되거나, 일부의 픽셀들로부터의 픽셀 데이터가 이용될 수 있다.
보상부(630)는 수신된 픽셀 데이터를 처리하여 하나 이상의 픽셀을 보상한다. 예컨대, 소정의 칼라 픽셀(예컨대, 레드 픽셀)을 보상하기 위하여, 상기 소정의 칼라 픽셀에 인접한 하나 이상의 주변 픽셀들(예컨대, 레드, 블루 및 그린 픽셀들)의 픽셀 데이터를 이용하여 보상 동작을 수행할 수 있다. 일 실시예로서, 상기 소정의 칼라 픽셀의 고감도의 픽셀 데이터에 대한 보상 동작을 위하여, 하나 이상의 주변 픽셀들 각각의 고감도의 픽셀 데이터가 이용될 수 있다. 즉, 상기 소정의 칼라 픽셀에서 생성된 고감도의 픽셀 데이터는, 주변 픽셀들에서 생성된 고감도의 픽셀 데이터를 이용하여 보상될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 소정의 칼라 픽셀에서 생성된 저감도의 픽셀 데이터는, 주변 픽셀들에서 생성된 저감도의 픽셀 데이터를 이용하여 보상될 수 있다.
칼라 변환부(640)는 픽셀 어레이(610)로부터 센싱된 칼라를 RGB 칼라로 변환하는 칼라 변환 동작을 수행한다. 픽셀 어레이(610)는 RGB 칼라 이외의 다른 타입의 칼라 필터들을 포함할 수 있으며, 예컨대 픽셀 어레이(610)의 칼라 필터는 RGBW 칼라 성분을 갖거나 또는 다른 패턴의 칼라 성분을 갖는 픽셀 신호를 발생할 수 있다. 칼라 변환부(640)는 소정의 알고리즘에 따라 픽셀 데이터에 대한 연산을 수행하여 표준 이미지 신호에 해당하는 RGB 칼라 성분을 갖는 픽셀 데이터를 생성할 수 있다.
재구성부(650)는 신호 재구성(Reconstruction) 처리를 수행함에 의해 전술한 실시예에서와 같은 이미지 합성 동작을 수행할 수 있다. 즉, 재구성부(650)는 어느 하나의 이미지에 대해 서로 다른 민감도를 갖는 픽셀 데이터를 수신하고, 이로부터 다이나믹 레인지가 향상된 RGB 픽셀 데이터를 생성하여 출력할 수 있다. DRC 부(660)는 재구성부(650)로부터의 RGB 픽셀 데이터에 대해 다이나믹 레인지의 손실(Loss) 없이 압축 동작을 수행할 수 있다. 상기 DRC 부(660)에 의한 압축 기능에 의하여 범용적인 프로세서(예컨대, 디지털 신호 프로세서(DSP) 등)가 후처리 동작에 이용될 수 있다.
도 14b는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서에서 비닝 동작이 수행되는 예를 나타내는 도면이다. 도 14b에서는 저해상도 모드에서 픽셀들을 그룹핑(또는, 비닝, binning)함에 있어서, 동일한 칼라를 센싱하는 4 개의 픽셀들이 그룹핑되는 예가 도시된다.
저해상도 모드에서, 동일한 칼라 성분을 갖는 다수 개의 픽셀들이 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라, 각각의 픽셀은 고감도의 픽셀 신호를 생성하기 위한 다수 개의 제1 서브 픽셀들과 저감도의 픽셀 신호를 생성하기 위한 하나 이상의 제2 서브 픽셀을 포함할 수 있다. 비닝 동작을 수행함에 있어서, 다수 개의 픽셀들을 전기적으로 연결하는 경우 각각의 픽셀에 구비되는 제1 서브 픽셀들 및 제2 서브 픽셀의 구조가 고려될 수 있다.
각각의 픽셀의 다수 개의 제1 서브 픽셀들에 대해 전술한 실시예에 따라 차지 도메인, 아날로그/디지털 도메인 등에서의 합산/평균 동작이 수행될 수 있다. 저해상도 모드에서, 서로 전기적으로 연결되는 다수 개의 픽셀들의 제1 서브 픽셀들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 저해상도 모드에서, 서로 전기적으로 연결되는 다수 개의 픽셀들의 제2 서브 픽셀들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 서로 전기적으로 연결되는 다수 개의 픽셀들을 포함하는 그룹에서 고감도의 제1 픽셀 데이터 및 저감도의 제2 픽셀 데이터가 생성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 15의 시스템(700)은 이미지 데이터를 필요로 하는 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 차량 네비게이션, 비디오 폰, 경비 시스템, 움직임 검출 시스템을 포함할 수 있다. 도 15를 참조하면, 시스템(700)은 중앙 처리 장치 또는 프로세서(710), 비휘발성 메모리(720), 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치(730), 입출력 장치(740) 및 RAM(750)를 포함할 수 있다. 중앙 처리 장치(710)는 버스(760)를 통해서 비휘발성 메모리(720), 촬상 장치(730), 입출력 장치(740) 및 RAM(750)과 통신할 수 있다.
도 15의 시스템(700)에 포함된 촬상 장치(730)는 본 발명의 실시예들에 따라 이상에서 설명된 이미지 센서를 포함할 수 있다. 예컨대, 촬상 장치(730)에 포함된 이미지 센서는 다수 개의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 다수 개의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 또한, 다수 개의 포토 다이오드들 중 일부의 포토 다이오드는 상대적으로 긴 시간 동안 노광되는 반면에, 다른 일부의 포토 다이오드는 상대적으로 짧은 시간 동안 노광될 수 있다. 또한, 다수 개의 포토 다이오드들 중 긴 시간 동안 노광되는 포토 다이오드의 개수가 짧은 시간 동안 노광되는 포토 다이오드의 개수보다 많을 수 있다.
촬상 장치(730)로부터 출력된 이미지 데이터는 버스(760)를 통해서 중앙 처리 장치(710), 비휘발성 메모리(720), 입출력 장치(740) 및 RAM(750)에 전달될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따른 촬상 장치(730)는 넓은 다이나믹 레인지를 가지는 향상된 이미지를 제공할 것이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 나타내는 사시도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 모바일 폰(mobile phone, 800)에 구비될 수 있다. 또한, 이미지 센서(810)는 카메라(camera), 캠코더(camcorder), 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant: PDA), 무선폰(wireless phone), 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 광마우스(optical mouse), 팩시밀리(facsimile) 및 복사기(copying machine) 등과 같은 전자장치에 구비될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 망원경, 모바일 폰 핸드셋, 스캐너, 내시경, 지문인식장치, 장난감, 게임기, 가정용 로봇, 그리고 자동차 등과 같은 장치에도 구비될 수 있다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

Claims (20)

  1. 장시간 노광되는 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하는 제1 광전하 축적부;
    단시간 노광되는 하나 이상의 포토 다이오드를 포함하는 제2 광전하 축적부;
    상기 제1 광전하 축적부에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전달하는 제1 전송 제어부;
    상기 제2 광전하 축적부에 축적된 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하는 제2 전송 제어부; 및
    상기 플로팅 확산 영역으로 전달된 광전하에 따라 픽셀 신호를 발생하는 구동 트랜지스터를 구비하고,
    상기 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드들의 개수는 상기 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드들의 개수보다 많은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    하나의 프레임에 상응하는 이미지를 촬영함에 있어서, 상기 제1 광전하 축적부에 축적되는 광전하의 개수는 상기 제2 광전하 축적부에 축적되는 광전하의 개수보다 많은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전하 축적부는 제1 내지 제M 포토 다이오드들을 포함하고, 상기 제2 광전하 축적부는 제1 내지 제N 포토 다이오드들을 포함하며(단, M 은 N 보다 큰 정수),
    상기 제1 전송 제어부는 상기 제1 내지 제M 포토 다이오드들에 대응하는 제1 내지 제M 전송 트랜지스터들을 포함하고,
    상기 제2 전송 제어부는 상기 제1 내지 제N 포토 다이오드들에 대응하는 제1 내지 제N 전송 트랜지스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 내지 제M 전송 트랜지스터들은 동일한 제1 전송 제어신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전하 축적부에서 광전하를 축적하는 시간 중 적어도 일부는 상기 제2 광전하 축적부에서 광전하를 축적하는 시간과 중첩되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전하 축적부에서 축적된 광전하에 따른 제1 픽셀 신호가 발생된 후, 상기 제2 광전하 축적부에서 축적된 광전하에 따른 제2 픽셀 신호가 발생되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드와 상기 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드는 사이즈가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전하 축적부의 포토 다이오드의 사이즈는 상기 제2 광전하 축적부의 포토 다이오드의 사이즈보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  9. M 개의 제1 포토 다이오드 및 N 개의 제2 포토 다이오드를 포함하는 광전하 축적부(단, M은 N보다 큰 정수);
    상기 광전하 축적부에 축적되는 광전하가 전달되는 플로팅 확산 영역; 및
    상기 플로팅 확산 영역으로 전달된 광전하에 따라 픽셀 신호를 발생하는 구동 트랜지스터를 구비하고,
    상기 M 개의 제1 포토 다이오드가 광전하를 축적하는 시간 중 적어도 일부는 상기 N 개의 제2 포토 다이오드가 광전하를 축적하는 시간과 중첩되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 M 개의 제1 포토 다이오드에 의한 제1 픽셀 신호 및 상기 N 개의 제2 포토 다이오드에 의한 제2 픽셀 신호가 순차적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 광전하 축적부는 세 개의 제1 포토 다이오드들과 하나의 제2 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 포토 다이오드는 상기 제2 포토 다이오드에 비해 상대적으로 긴 시간동안 노광되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 M 개의 제1 포토 다이오드에 대응하는 M 개의 제1 전송 트랜지스터; 및
    상기 N 개의 제2 포토 다이오드에 대응하는 N 개의 제2 전송 트랜지스터를 더 구비하고,
    상기 M 개의 제1 전송 트랜지스터는 제1 전송 제어신호에 의해 제어되고, 상기 N 개의 제2 전송 트랜지스터는 제2 전송 제어신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 M 개의 제1 전송 트랜지스터가 동시에 턴온됨에 따라, 상기 M 개의 제1 포토 다이오드에 축적된 광전하가 상기 플로팅 확산 영역에서 합산되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.
  15. 이미지 센서에 있어서,
    다수 개의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 다수 개의 서브 픽셀들을 포함하며, 각각의 서브 픽셀은 포토 다이오드를 포함하는 픽셀 어레이; 및
    상기 픽셀 어레이로부터의 픽셀 신호로부터 픽셀 데이터를 생성하는 리드 회로를 구비하고,
    상기 다수 개의 서브 픽셀들은, 각각 제1 포토 다이오드를 포함하는 M 개의 제1 서브 픽셀 및 각각 제2 포토 다이오드를 포함하는 N 개의 제2 서브 픽셀을 포함하고(단, M은 N보다 큰 정수),
    상기 제1 서브 픽셀은 상기 제2 서브 픽셀보다 긴 시간 동안 노광되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    하나의 프레임에 상응하는 이미지에 대해, 각각의 픽셀은 상기 M 개의 제1 서브 픽셀에 따른 제1 픽셀 신호와 상기 N 개의 제2 서브 픽셀에 따른 제2 픽셀 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 픽셀 신호들을 처리하여 이미지 데이터를 발생하는 이미지 처리부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드는 서로 동일한 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 M 개의 제1 서브 픽셀의 제1 포토 다이오드로부터의 광전하가 플로팅 확산 영역에서 합산되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  20. 이미지 센서의 동작방법에 있어서, 상기 이미지 센서는 다수 개의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 다수 개의 제1 포토 다이오드들 및 하나 이상의 제2 포토 다이오드를 포함하며,
    상기 다수 개의 제1 포토 다이오드들을 제1 시간 동안 노광하는 단계;
    상기 하나 이상의 제2 포토 다이오드를 제2 시간 동안 노광하는 단계;
    상기 다수 개의 제1 포토 다이오드들에 축적된 광전하에 대응하는 제1 픽셀 신호를 생성하는 단계;
    상기 하나 이상의 제2 포토 다이오드에 축적된 광전하에 대응하는 제2 픽셀 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 픽셀 신호 및 제2 픽셀 신호로부터 이미지 데이터를 생성하는 단계를 구비하고,
    상기 각각의 픽셀에서, 상기 제1 포토 다이오드들의 개수는 상기 제2 포토 다이오드의 개수보다 많은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작방법.
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