KR20170104824A - Led 플리커 완화 기능을 가지는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템 - Google Patents

Led 플리커 완화 기능을 가지는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템 Download PDF

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Abstract

LED 플리커 완화 기능을 가지는 이미지 센서, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템이 공개된다. 본 발명의 이미지 처리 시스템은 각각이 광전하에 대응하는 픽셀 신호를 출력하는 복수의 픽셀들을 포함하고, 상기 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환(analog-digital conversion)하여 디지털 픽셀 신호를 생성하는 이미지 센서, 및 상기 디지털 픽셀 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성하는 이미지 신호 프로세서를 포함하며, 상기 이미지 센서는 LED(Light Emitting Diode) 조명이 있는 상황에서는 제1 동작 모드로 동작하고, 상기 LED 조명이 없는 일반 상황에서는 제2 동작 모드로 동작한다.

Description

LED 플리커 완화 기능을 가지는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템{AN IMAGE SENSOR HAVING LED FLICKER MITIGATION, 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 LED 플리커 완화 기능을 가지는 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 장치에 사용된다. 상기 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함한다.
상기 전기적 신호의 기초가 되는 광전하(photocharge)의 양을 결정하는 노출 시간(exposure time)의 조절에는, 크게 기계적 셔터(mechanical shutter) 방식과 전기적 셔터(electrical shutter) 방식이 이용된다.
첫째로, 상기 기계적 셔터 방식은 기계적인 장치를 이용해 상기 픽셀들로 입사되는 빛을 물리적으로 차단하는 방식이다.
둘째로, 상기 전기적 셔터 방식은 주로 CMOS 이미지 센서(Complementary Metal-Oxide Semiconductor Image Sensor;CIS)에서 사용되며, 상기 광전하가 생성되어 축적되는 축적 시간(integration time)을 전기적으로 제어하는 방식이다.
상기 전기적 셔터 방식은 롤링 셔터(rolling shutter) 방식과 글로벌 셔터(global shutter) 방식을 포함한다.
상기 롤링 셔터 방식은 상기 축적 시간을 픽셀 어레이의 로우(row) 별로 다르게 제어하는 방식이고, 상기 글로벌 셔터 방식은 상기 축적 시간을 상기 픽셀 어레이의 모든 로우들에 대해 동일하게 제어하는 방식이다.
한편, LED(Light Emitting Diode) 조명은 신호등, 속도 표지판 등에서 많이 사용되고 있다. 하지만 LED 조명은 저 주파수(Low Frequency)의 특정한 주파수 성분을 가지고 있다. 즉, LED 조명은 특정 주기로 온(On) 구간(LED가 켜져 있는 구간)과 오프(OFF) 구간(LED가 켜져 있는 구간)이 반복됨으로써 플리커(flicker, 깜박임)가 발생한다. 이로 인해 CIS(CMOS Image Sensor)가 이미지를 센싱할 수 없는 상황이 초래될 수 있다. 예를 들어, 신호등이나 속도 표지판이 LED로 구현된 경우, 카메라의 이미지 센서가 LED의 오프 구간에서 대상물을 촬상하게 되면, 대상물을 제대로 인식하지 못하는 상황이 발생할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 깜박임(flicker)이 있는 LED(Light Emitting Diode) 조명에서도 대상물을 정확히 인식하여 고품질의 영상을 얻을 수 있는 이미지 센서, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 각각이 광전하에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로를 포함한다.
상기 픽셀 어레이는 플로팅 디퓨전 노드; 상기 플로팅 디퓨전 노드와 연결되는 제1 광전 변환 소자; 및 상기 제1 광전 변환 소자를 통해 상기 플로팅 디퓨전 노드와 연결되는 제2 광전 변환 소자를 포함한다.
상기 아날로그-디지털 변환 회로는 상기 플로팅 디퓨전 노드의 리셋 신호를 아날로그-디지털 변환하고, 상기 제1 광전 변환 소자에 축적된 제1 광전하에 기초한 제1 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환하며, 상기 제2 광전 변환 소자에 축적된 제2 광전하에 기초한 제2 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환한다.
상기 플로팅 디퓨전 노드의 리셋 신호의 출력 후, 상기 제1 광전 변환 소자에 축적된 제1 광전하는 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송될 수 있다.
상기 제2 픽셀 신호는 상기 제1 광전하와 상기 제2광전하를 합한 광전하에 기초한 신호일 수 있다.
상기 제2 픽셀 신호는 상기 제2 광전 변환 소자에 축적된 제2 광전하는 상기 제1 광전 변환 소자로 전송되어, 상기 제1 광전하와 합쳐지고, 상기 제1 광전 변환 소자에서 합쳐진 광전하가 상기 디퓨전 노드로 전송될 수 있다.
상기 픽셀 어레이는 픽셀 전압과 상기 플로팅 디퓨젼 사이에 접속되고, 상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터; 상기 제1 및 제2 광전변환 소자 사이에 접속되는 저장 트랜지스터; 선택 트랜지스터; 및 상기 픽셀 전압과 선택 트랜지스터 사이에 접속되고, 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전하들에 따라 결정된 전압 레벨에 기초하여 동작하는 소스팔로워를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 광전 변환 소자의 리셋 시점과 상기 제2 광전 변환 소자의 리셋 시점은 다르게 제어될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 광전 변환 소자의 광전하 축적 시간은 상기 제2 광전 변환 소자의 광전하 축적 시간과 같거나 길다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 처리 시스템은 각각이 광전하에 대응하는 픽셀 신호를 출력하는 복수의 픽셀들을 포함하고, 상기 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환(analog-digital conversion)하여 디지털 픽셀 신호를 생성하는 이미지 센서; 및 상기 디지털 픽셀 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성하는 이미지 신호 프로세서를 포함한다.
상기 이미지 센서는 LED(Light Emitting Diode) 조명이 있는 상황에서는 제1 동작 모드로 동작하고, 상기 LED 조명이 없는 일반 상황에서는 제2 동작 모드로 동작할 수 있다.
상기 이미지 센서는 각각이 광전하에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로를 포함하고, 상기 픽셀 어레이는 플로팅 디퓨전 노드; 상기 플로팅 디퓨전 노드와 연결되는 제1 광전 변환 소자; 및 상기 제1 광전 변환 소자를 통해 상기 플로팅 디퓨전 노드와 연결되는 제2 광전 변환 소자를 포함한다.
상기 제1 동작 모드에서, 상기 아날로그-디지털 변환 회로는 상기 플로팅 디퓨전 노드의 리셋 신호를 아날로그-디지털 변환하고, 상기 제1 광전 변환 소자에 축적된 제1 광전하에 기초한 제1 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환하며, 상기 제2 광전 변환 소자에 축적된 제2 광전하에 기초한 제2 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, LED 플리커 완화(LED flicker mitigation) 기능이 제공된다. 따라서, 깜박임(flicker)이 있는 LED(Light Emitting Diode) 조명에서도 대상물을 정확히 인식하여 고품질의 영상을 얻을 수 있다.
예컨대, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 신호등, 속도 표지판 등과 같이 LED 조명을 사용하는 대상물을 촬상하더라도 LED 플리커 완화 기능을 사용하여 대상물을 제대로 인식할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 처리 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 픽셀의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 개략적인 동작 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제1 동작 모드에서의 ADC 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제1 동작 모드에서의 개략적인 신호 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제2 동작 모드에서의 ADC 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 픽셀(10')의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시에에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 10은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 다른 실시 예를 나타내는 블록도이다.
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 처리 시스템의 블록도를 나타낸다. 도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내는 블락도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이미지 처리 시스템(100)은 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다. 상기 휴대용 전자 장치는 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 이동 전화기, 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC, PDA(personal digital assistant), EDA (enterprise digital assistant), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), PMP(portable multimedia player), 모바일 인터넷 장치(mobile internet device(MID), 웨어러블 컴퓨터, 사물 인터넷 (internet of things(IoT)) 장치, 또는 만물 인터넷(internet of everything(IoE)) 장치로 구현될 수 있다.
이미지 처리 시스템(100)은 광학 렌즈(103), CMOS 이미지 센서(110), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor(DSP); 200), 및 디스플레이(300)를 포함한다. 각 구성 요소(110과 200)는 칩(chip)으로 구현될 수 있다.
CMOS 이미지 센서(110)는 광학 렌즈(103)를 통하여 입력된(또는 캡쳐된(captured)) 피사체(101)에 대한 디지털 픽셀 신호(DPS)를 생성할 수 있다.
CMOS 이미지 센서(110)는 픽셀(또는 APS(active pixel sensor)) 어레이 (120), 제어 블록(control block, 125), 리드아웃 회로(150), 램프 신호 생성기(170), 및 버퍼(180)를 포함한다.
CMOS 이미지 센서(110)는 둘 이상의 동작 모드(예컨대, 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드)를 수행할 수 있는 구조로 구현될 수 있다.
CMOS 이미지 센서(110)는 제2 동작 모드(예컨대, 노말 모드)에서는 글로벌 셔터(global shutter) 동작을 수행할 수 있다.
상기 글로벌 셔터는 픽셀 어레이(120)에 포함된 광전변환소자들(예컨대, 도 3의 포토 다이오드(PD))이 광전하(photocharge)를 축적하는 축적 구간(integration period)을 픽셀 어레이(120)의 모든 로우들(rows)에 대해 동일하게 제어하는 방식을 의미할 수 있다.
실시예에 따라, 축적 시간(integration time)은 모든 로우에 대해 동일할 수도 있고, 또는 일정 그룹(예컨대, 짝수 번째 또는 홀수 번째)의 로우들 별로 동일할 수도 있다. 상기 축적 시간은 포토 다이오드(PD)가 실질적으로 광전하를 축적하는 시간을 의미한다.
CMOS 이미지 센서(110)는 제1 동작 모드(예컨대, LED 완환 모드)에서는 롤링 셔터(rolling shutter) 동작을 수행할 수 있다.
상기 롤링 셔터는 픽셀 어레이(120)에 포함된 광전변환소자들(예컨대, 도 3의 포토 다이오드(PD))이 광전하(photocharge)를 축적하는 축적 구간(integration period)을 픽셀 어레이(120)의 로우(row)별로 다르게 제어하는 방식을 의미할 수 있다.
이미지 센서(110)의 동작 모드는 DSP(200)에 의해 설정될 수 있다.
또는 이미지 센서(110)의 동작 모드는 이미지 센서(100)를 포함하는 시스템(100, 800, 또는 900)의 프로세서(예컨대, 도 1의 200, 도 9의 810, 또는 도 10의 910)에 의해 설정될 수 있다.
예컨대, LED가 없는 일반적인 상황에서는 이미지 센서(110)의 동작 모드는 제2 동작 모드로 설정될 수 있다.
반면, LED가 있는 상황에서는 이미지 센서(110)의 동작 모드는 제1 동작 모드로 설정될 수 있다. 예컨대, 시스템(100, 800, 또는 900)의 프로세서(예컨대, 도 1의 200, 도 9의 810, 또는 도 10의 910)는 카메라의 영상을 인식하여 LED가 있는지 여부를 검출하고, 이에 따라, 이미지 센서(110)의 동작 모드를 제어할 수 있다.
픽셀 어레이(120)는 각각이 복수의 행(row) 라인들 및 복수의 컬럼(column) 라인들과 접속되는, 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 픽셀들(10) 포함할 수 있다.
픽셀(10)은 레드(red) 파장 영역의 빛을 통과시키는 레드 필터, 그린(green) 파장 영역의 빛을 통과시키는 그린 필터, 및 블루(blue) 파장 영역의 빛을 통과시키는 블루 필터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실시 예에 따라, 픽셀(111)은 화이트(white) 필터, 사이언(cyan) 필터, 마젠타(magenta) 필터, 및/또는 엘로우(yellow) 필터를 포함할 수 있다.
픽셀(10)은 복수(2이상)의 트랜지스터들과 광전 변환 소자(예컨대 포토(photo) 다이오드 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode))를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(10)들 각각은 광전 변환 소자 를 이용하여 빛을 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 이미지 신호를 생성한다.
복수의 픽셀들(10) 각각의 구조와 작동은 도 3을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 복수의 픽셀들(10)이 하나의 픽셀 어레이(120)를 구성한다는 점에서 복수의 픽셀들(10) 각각은 단위 픽셀(unit pixel)로 불릴 수 있다.
제어 블록(125)은 이미지 센서(110)의 전반적인 동작을 제어하며, 로우 드라이버(row driver, 130), 및 타이밍 생성기(timing generator, 140)를 포함할 수 있다.
로우 드라이버(130)는, 타이밍 생성기(140)의 제어에 따라, 복수의 픽셀들 (10) 각각의 동작을 제어하기 위한 복수의 로우 제어 신호들(CS1~CSp)을 픽셀 어레이(120)로 전송할 수 있다. 즉, 로우 드라이버(130)는 타이밍 생성기(140)로부터 수신한 복수의 로우 드라이버 제어 신호들(RCS)에 기초하여 복수의 로우 제어 신호들(CS1~CSp)을 생성할 수 있다. 복수의 로우 제어 신호들(CS1~CSp)은 픽셀 어레이(120)의 p 개의 로우들 각각에 대응하므로, 픽셀 어레이(120)는 로우 별로 제어된다고 할 수 있다.
복수의 로우 제어 신호들(CS1~CSp)은 도 6에 도시된 오버플로우 제어 신호(OS), 저장 제어 신호(SS), 전송 제어 신호(TS), 리셋 제어 신호(RS), 및 선택 제어 신호(SLS)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(120)는 로우 드라이버(130)로부터 제공된 로우 제어 신호들(CS1~CSp)에 응답하여, 선택된 하나 이상의 로우(row)로부터 리셋 신호와 이미지 신호를 리드아웃 회로(150)로 출력한다.
타이밍 생성기(140)는 제어 레지스터 블록(control register block, 145)을 포함할 수 있다. 제어 레지스터 블록(145)은, DSP(200)의 제어에 따라, 타이밍 생성기(140), 램프 신호 생성기(170), 및 버퍼(180)의 작동을 제어한다.
타이밍 생성기(140)는, 제어 레지스터 블록(145)의 제어에 따라, 로우 드라이버(130), 리드아웃 회로(150), 램프 신호 생성기(170) 및 버퍼(180)의 작동을 제어한다.
타이밍 생성기(140)는 동작 모드에 따라, 이미지 센서(110)가 서로 다른 방식으로 동작하도록 로우 드라이버 제어 신호들(RCS)을 생성할 수 있다.
리드아웃 회로(150)는 복수의 상관 이중 샘플링(correlated double sampling(CDS)) 회로들(160), 복수의 카운터들(165), 복수의 메모리들(180), 컬럼 디코더(181), 센스 엠프(183) 및 데이터 버스(185)를 포함할 수 있다.
CDS 회로(160)은 픽셀 어레이(120)에 구현된 복수의 컬럼 라인들 각각으로부터 출력된 각 픽셀 신호(P1~Pr; r은 자연수)에 대해 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.
CDS 회로(160)은 상관 이중 샘플링된 픽셀 신호와 램프 신호 생성기(170)로부터 출력된 램프 신호(RAMP)를 서로 비교(예컨대, 전압 레벨을 비교)하고, 비교의 결과에 따라 비교 신호(CMP)를 출력할 수 있다.
예컨대, CDS 회로(160)는 이미지 신호와 리셋 신호(RST)의 차이를 출력하기 위하여 램프 신호(RAMP)를 이용하여, 이미지 신호와 리셋 신호(RST)의 차이를 픽업(pick-up)하고 램프 신호(RAMP)의 기울기에 따라 비교 신호(CMP)를 출력할 수 있다. 램프 신호 생성기(170)는 타이밍 제너레이터(140)에서 발생된 제어 신호에 기초해 동작할 수 있다.
카운터(165)는 CDS 회로(160)로부터 출력된 비교 신호(CMP)를 디지털 신호(CNT)로 변환하고, 디지털 신호를 메모리(180)로 출력할 수 있다.
예컨대, 카운터(165)는 CDS 회로(160)의 출력단에 연결되며, 타이밍 생성기(140)로부터 입력되는 클락(CNT_CLK)에 따라 비교 신호(CMP)를 카운팅하여 디지털 신호(CNT)로 출력한다.
복수의 컬럼 라인들 각각으로부터 출력된 각 픽셀 신호(P1~Pr; r은 자연수)는 CDS 회로(160) 및 카운터(165)에 의하여, 디지털 신호로 변환된다. 따라서, CDS 회로(160) 및 카운터(165)는 아날로그-디지털 변환기에 해당할 수 있다.
클락(CNT_CLK)은 상기 타이밍 생성기(140)에서 발생된 카운터 제어 신호에 기초하여, 카운터(미도시) 내부 또는 타이밍 생성기(140) 내부에 위치한 카운터 컨트롤러(미도시)에 의해 발생될 수 있다.
버퍼(180)는 ADC 블록(154)으로부터 출력된 복수의 디지털 신호들에 각각 대응되는 복수의 디지털 픽셀 신호(DPS)들을 DSP(200)로 전송한다.
DSP(200)는 이미지 신호 프로세서(210), 센서 컨트롤러(220), 및 인터페이스 (230)를 포함한다.
이미지 신호 프로세서(210)는 제어 레지스터 블록(145)을 제어하는 센서 컨트롤러(220)와, 인터페이스(210)를 제어한다. 실시 예에 따라, 이미지 센서(110)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(110)와 이미지 신호 프로세서(210) 각각은 칩으로 구현되고 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지로 구현될 수 있다. 또 다른 실시 예에 따라, 이미지 센서(110)와 이미지 신호 프로세서(210)는 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.
이미지 신호 프로세서(210)는 버퍼(180)로부터 전송된 디지털 픽셀 신호(DPS)들을 처리하고, 처리된 이미지 데이터(IDATA)를 인터페이스(230)로 전송한다.
센서 컨트롤러(220)는, 이미지 신호 프로세서(210)의 제어에 따라, 제어 레지스터 블록(145)을 제어하기 위한 다양한 제어 신호들을 생성한다. 인터페이스(230)는 이미지 신호 프로세서(210)에서 처리된 이미지 데이터(IDATA)를 디스플레이(300)로 전송한다.
디스플레이(300)는 인터페이스(230)로부터 출력된 이미지 데이터(IDATA)를 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 3은 도 1에 도시된 픽셀의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 픽셀(10)은 제1 및 제2 광전 변환 소자(SD, PD) 오버플로우 트랜지스터(overflow transistor, OX), 저장 트랜지스터(storage transistor, SX), 전송 트랜지스터(transmission transistor, TX), 리셋 트랜지스터(reset transistor, RX), 소스 팔로워(source follower, SF), 및 선택 트랜지스터(selection transistor, SEL)를 포함한다.
제2 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드(photo diode, PD)로 구현될 수 있다. 포토 다이오드(PD)는 입사광에 응답하여 생성된 광전하들을 축적(또는 수집)한다. 포토 다이오드(PD)는 광전 변환 소자의 예시로서, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중에서 적어도 하나일 수 있다.
오버플로우 트랜지스터(OX)는 픽셀 전압(Vpix)과 포토 다이오드(PD) 사이에 접속된다. 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트는 포토 다이오드(PD)에 의해 생성된 전하들이 제2 광전 변환 소자(SD)로 오버플로우되는 것을 방지하기 위해 사용된다. 오버플로우 트랜지스터(OX)는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트에 인가되는 오버플로우 제어 신호(OG)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
저장 다이오드(SD)라 칭해지기도 하는 제1 광전 변환 소자(SD)는 포토 다이오드(PD)로부터 전송된 전하들을 저장한다. 저장 다이오드(SD)는, 포토 다이오드(PD)와 유사한 구조 또는 커패시터(capacitor)로 구현될 수 있다.
그러나, 저장 다이오드(SD)는 포토 다이오드(PD)에 비하여 광 감도가 낮을 수 있다. 예컨대, 동일 시간 동안 동일한 세기의 입사광을 수신한다고 가정한 경우, 저장 다이오드(SD)에 축적되는 광 전하의 수가 포토 다이오드(PD)에 축적되는 광 전하의 수에 비하여 훨씬 적을 수 있다.
실시예에 따라, 저장 다이오드(SD)의 감도(sensitivity) 대비 포토 다이오드(PD)의 감도는 다음의 수학식 1과 같을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[수학식 1]
20log(Sen.PD/Sen.SD) = 80 - 100 dB
여기서, Sen.SD 는 저장 다이오드(SD)의 감도를, Sen.PD는 포토 다이오드(PD)의 감도를 나타낸다.
포토 다이오드(PD)와 저장 다이오드(SD) 각각은 접지 전압(VSS)에 접속될 수 있다.
픽셀 전압(Vpix)은 전원 전압(예컨대, 5V) 이하의 전압일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
예컨대, 픽셀(10)로 입사되는 입사광의 세기가 클 경우(태양 또는 전구 등을 촬영할 때 즉, 고조도일 때), 또는 축적 구간 이외의 시간에서 생성된 광전하가 포토 다이오드(PD)에 축적될 경우, 오버플로우 트랜지스터(OX)는 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광전하들(예컨대, 전자들)이 저장 다이오드(SD)로 오버플로우되는 것을 방지하기 위해 사용된다.
또한, 오버플로우 트랜지스터(OX)는 축적 구간의 시작 직전에 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 광전하를 제거(또는 리셋)하기 위해 사용된다.
저장 트랜지스터(SX)는 포토 다이오드(PD)와 저장 다이오드(SD) 사이에 접속되고, 포토 다이오드(PD)로부터 전송된 전하들은 저장 트랜지스터(SX)를 통해 저장 다이오드(SD)에 저장된다. 저장 트랜지스터(SX)는 저장 트랜지스터(SX)의 게이트로 공급되는 저장 제어 신호(SG)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
전송 트랜지스터(TX)는 저장 다이오드(SD)와 플로팅 디퓨젼(FD) 사이에 접속된다. 저장 다이오드(SD)에 저장된 전하들은 전송 트랜지스터(TX)를 통해 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장(또는 축적)된다. 전송 트랜지스터(TX)는 게이트로 공급되는 전송 제어 신호(TG)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
리셋 트랜지스터(RX)는 픽셀 전압(Vpix)과 플로팅 디퓨젼(FD) 사이에 접속되고, 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트로 공급되는 리셋 제어 신호(RG)에 응답하여 온(on) 또는 오프(off)된다.
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어 신호(RS)에 응답하여 플로팅 디퓨젼(FD)의 광전하들(예컨대, 전자들)을 제거할 수 있다. 즉, 리셋 트랜지스터(RX)가 온(on)되는 경우, 플로팅 디퓨젼(FD)의 전압 레벨은 픽셀 전압(Vpix)으로 리셋될 수 있다.
소스팔로워(SF)는 픽셀 전압(Vpix)과 선택 트랜지스터(SEL) 사이에 접속되고, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하들에 따라 결정된 전압 레벨에 기초하여 동작한다.
도 3에서는 설명의 편의를 위해, 픽셀 전압(Vpix)이 오버플로우 트랜지스터(OX), 리셋 트랜지스터(RX), 및 소스팔로워(SF)로 공통으로 공급되는 것으로 도시되어 있으나, 실시 예들에 따라 오버플로우 트랜지스터(OX), 리셋 트랜지스터(RX), 및 소스팔로워(SF) 각각으로 공급되는 동작 전압은 서로 다르게 설계될 수 있다.
선택 트랜지스터(SEL)는 선택 신호(SLS)에 응답하여 소스 팔로워(SF)의 출력 신호(예컨대, 아날로그 픽셀 신호)를 컬럼 라인으로 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 개략적인 동작 타이밍도이다.
도 4에서 'SH'는 픽셀을 구성하는 트랜지스터들 중 오버플로우 트랜지스터(OX)를 제외한 다른 트랜지스터들(예컨대, 리셋 트랜지스터(RX), 저장 트랜지스터(SX), 전송 트랜지스터(TX))을 온(ON)시키는 시점, 즉 셔터 시점을 의미할 수 있다.
도 4에서 'OG'는 오버플로우 트랜지스터(OX)의 게이트로 공급되는 오버플로우 제어 신호(OG)가 하이레벨이 되는 시점을 의미할 수 있다. 이에 따라, 오버플로우 트랜지스터(OX)을 온(ON)시키는 시점, 즉 포토 다이오드(PD)의 리셋 시점을 의미할 수 있다.
셔터 시점(SH)과 포토 다이오드(PD)의 리셋 시점(OG)은 동일하게 제어될 수도 있고, 다르게 제어될 수도 있다.
도 4의 제1 구간(P1)에서, 셔터 시점(SH)과 포토 다이오드(PD)의 리셋 시점(OG)은 동일하게 제어된다. 예컨대, 하나 이상의 로우에 대하여, 오버플로우 제어 신호(OS), 저장 제어 신호(SS1), 전송 제어 신호(TS), 및 리셋 제어 신호(RS)가 동시에 하이레벨('1')로 인에이블될 수 있다.
이에 따라, 해당 로우의 오버플로우 트랜지스터(OX), 저장 트랜지스터(SX), 전송 트랜지스터(TX) 및 리셋 트랜지스터(RX)가 모두 온(ON)되어, 포토 다이오드(PD), 저장 다이오드(SD) 및 플로팅 디퓨젼(FD)이 모두 리셋된다.
이와 같이, 포토 다이오드(PD) 및 저장 다이오드(SD)가 동시에 리셋되고, 동시에 광전하를 축적하기 시작한다.
도 4에서 'read' 는 포토 다이오드(PD) 및 저장 다이오드(SD)에 저장된 광전하에 기초하여 픽셀 신호를 리드아웃하는 시점을 의미한다. 픽셀 신호의 리드아웃 동작에 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 설명할 것이다.
따라서, 제1 구간에서는 포토 다이오드(PD)의 축적 시간(IT_PD1)과 저장 다이오드(SD)의 축적 시간(IT_SD1)이 거의 동일하다.
반면, 제2 구간(P2)에서, 셔터 시점(SH)과 포토 다이오드(PD)의 리셋 시점(OG)은 서로 다르게 제어된다. 예컨대, 하나 이상의 로우에 대하여, 셔터 시점(SH)에 저장 제어 신호(SS1), 전송 제어 신호(TS), 및 리셋 제어 신호(RS)가 동시에 '1'로 인에이블되지만, 오버플로우 제어 신호(OS)는 셔터 시점보다 늦은 시점에 '1'로 인에이블된다.
이에 따라, 셔터 시점에 해당 로우의 저장 트랜지스터(SX), 전송 트랜지스터(TX) 및 리셋 트랜지스터(RX)가 온(ON)되어, 저장 다이오드(SD) 및 플로팅 디퓨젼(FD)이 모두 리셋된다.
이에 반해, 포토 다이오드(PD)는 오버플로우 제어 신호(OS)가 인에이블되어 오버플로우 트랜지스터(OX)가 온되는 시점에 리셋된다.
따라서, 저장 다이오드(SD)는 셔터 시점(SH)에 리셋되어 광전하를 축적하기 시작하고, 포토 다이오드(PD)는 이후에 리셋되어 광전하를 축적하기 시작한다.
따라서, 제2 구간에서는 포토 다이오드(PD)의 축적 시간(IT_PD2)이 저장 다이오드(SD)의 축적 시간(IT_SD2)에 비하여 짧다.
제1 구간(P1)과 제2 구간(P2)는 서로 다른 프레임에 속할 수 있다.
예컨대, 프레임별로 셔터 시점(SH) 및/또는 포토 다이오드의 리셋 시점(OG)이 다르게 제어될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제1 동작 모드에서의 ADC 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제1 동작 모드에서의 개략적인 신호 타이밍도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 제1 동작 모드에서 이미지 센서(110)의 아날로그-디지털 변환 회로(150, 160)는 선택된 픽셀(120)의 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다(ADC.RST1).
다음으로, 아날로그-디지털 변환 회로(150, 160)는 저장 다이오드(SD)에 축적된 제1 광전하에 기초한 제1 이미지 신호를 디지털 신호로 변환하고(ADC.SD1), 이어서, 포토 다이오드(PD)에 축적된 제2 광전하에 기초한 제2 이미지 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다(ADC.PD1).
도 6을 참조하면, 일 시점에 n번째 로우에 대하여 오버플로우 제어 신호(OG)를 인에이블될 수 있다. 오버플로우 제어 신호(OG)에 응답하여, n번째 로우에 속하는 픽셀들의 포토 다이오드들(PD)이 리셋될 수 있다. 예컨대, 오버플로우 제어 신호(OG)가 하이 레벨인 동안에 포토 다이오드(PD)에 존재하던 전하들이 픽셀 전압(Vpix)으로 방전되어 리셋된다.
하이 레벨이던 오버플로우 제어 신호(OG)가 로우 레벨로 천이함에 따라 포토 다이오드(PD)에 의한 광전하 축적이 시작될 수 있다. 광전하 축적을 시작한 포토 포토 다이오드(PD)는 n번째 로우의 픽셀 신호를 리드아웃하기까지 입사광에 따라 생성되는 전하들을 축적할 수 있다.
n번째 로우의 오버플로우 제어 신호(OG)의 인에이블 시점과 동일한 시점에, k번째 로우에 대하여 리셋 제어 신호(RGk), 저장 제어 신호(SGk), 및 전송 제어 신호(TGk)가 동시에 '1'로 인에이블될 수 있다.
이에 따라, k번째 로우에 속하는 픽셀들의 저장 트랜지스터(SX), 전송 트랜지스터(TX) 및 리셋 트랜지스터(RX)가 모두 온(ON)되어, 저장 다이오드(SD) 및 플로팅 디퓨젼(FD)이 모두 리셋될 수 있다.
예컨대, 리셋 제어 신호(RGk), 저장 제어 신호(SGk), 및 전송 제어 신호(TGk)가 하이 레벨인 동안에 저장 다이오드(SD)에 존재하던 전하들이 픽셀 전압(Vpix)으로 방전되어 리셋될 수 있다.
리셋 제어 신호(RGk), 저장 제어 신호(SGk), 및 전송 제어 신호(TGk)가 로우 레벨로 천이함에 따라 저장 다이오드(SD)에 의한 광전하 축적이 시작될 수 있다. 즉, k번째 로우의 저장 다이오드(SD)들이 리셋된 후에 광전하를 축적하기 시작한다.
광전하 축적을 시작한 저장 다이오드(SD)는 k번째 로우의 픽셀 신호를 리드아웃하기까지 입사광에 따라 생성되는 전하들을 축적할 수 있다.
또한, n번째 로우의 오버플로우 제어 신호(OG)의 인에이블 시점과 동일한 시점에, m번째 로우에 대하여 리셋 제어 신호(RGk)가 '1'로 인에이블될 수 있다.
도 6의 실시예에서는, m번째 로우의 픽셀 신호를 리드아웃하기 위하여, 플로팅 디퓨젼(FD)을 리셋하는 시점에 맞추어, n번째 로우의 픽셀들의 포토 다이오드들(PD)을 리셋하고, 또한, k번째 로우의 픽셀들의 저장 다이오드(SD)를 리셋한다.
여기서, k, m, n은 각각 1부터 p까지의 자연수 중의 어느 하나일 수 있다. 실시예에 따라, k, m, n은 상호 다를 수 있다. 예컨대, m번째 로우의 픽셀 신호를 리드아웃하는 시점에, 다른 로우(예컨대, n번째 로우)에 대해서는 포토 다이오드들(PD)이 광전하들을 축적하도록 제어하고, 또 다른 로우(예컨대, k번째 로우)에 대해서는 저장 다이오드들(SD)이 광전하들을 축적하도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 포토 다이오드(PD)와 저장 다이오드(SD)의 리셋 시점은 다르게 제어될 수 있고, 이에 따라, 포토 다이오드(PD)의 광전하 축적 시간과 저장 다이오드(SD)의 광전하 축적 시간은 다를 수 있다.
예컨대, m이 k보다 크고, n이 m보다 큰 경우, 포토 다이오드(PD)의 광전하 축적 시간은 대략 (n-m)로우에 해당하는 시간이고, 저장 다이오드(SD)의 광전하 축적 시간은 '1프레임-(m-k)로우'에 해당하는 시간일 수 있다.
실시예에 따라, 포토 다이오드(PD)와 저장 다이오드(SD)의 리셋 시점은 동일하게 제어될 수 있고, 이에 따라, 포토 다이오드(PD)의 광전하 축적 시간과 저장 다이오드(SD)의 광전하 축적 시간이 같을 수 있다.
예컨대, k와 n이 동일한 경우, 예컨대, m번째 로우의 픽셀 신호를 리드아웃하는 시점에, 다른 로우(예컨대, n번째 로우)에 대해서 포토 다이오드들(PD)와 저장 다이오드들(SD)을 동시에 리셋하여 포토 다이오드들(PD)와 저장 다이오드들(SD)이 동시에 광전하들을 축적하도록 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 저장 다이오드(SD)의 광전하 축적 시간이 포토 다이오드(PD)의 광전하 축적 시간과 같거나 길다.
도 6의 실시예에서, 이미지 센서(110)는 m번째 로우에 대하여 리셋 제어 신호(RGm)을 인에이블하여 플로팅 디퓨젼(FD)을 리셋한 후, 리셋 신호를 리드아웃한다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 리셋 신호에 대한 ADC가 수행된다(ADC.RST1)
리셋 신호 독출 후, 이미지 센서(110)는 m번째 로우의 전송 제어 신호(TGm)을 인에이블하여 저장 다이오드(SD)에 축적된 제1 광전하를 플로팅 디퓨젼(FD)으로 전송한 후, 플로팅 디퓨젼(FD)의 픽셀 신호를 리드아웃한다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 저장 다이오드(SD)에 기초한 픽셀 신호에 대한 ADC가 수행된다(ADC.SD1)
저장 다이오드(SD)에 기초한 픽셀 신호의 독출 후, 이미지 센서(110)는 m번째 로우의 전송 제어 신호(TGm)와 저장 제어 신호(SGm)을 동시에 인에이블하여 포토 다이오드(PD)에 축적된 제2 광전하를 저장 다이오드(SD)로 전송한다.
따라서, 저장 다이오드(SD)에는 기 저장된 제1 광전하와 포토 다이오드(PD)로부터 전송된 제2 광전하가 합쳐질 수 있다.
저장 다이오드(SD)에서 합쳐진 광전하는 플로팅 디퓨젼(FD)으로 전송되어 리드아웃된다.
이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(PD)에 기초한 픽셀 신호에 대한 ADC가 수행된다(ADC.PD1)
따라서, 제1 동작 모드에서는 선택된 픽셀로부터 픽셀 신호를 독출하기 위하여 세 번의 연속적인 ADC가 수행된다.
도 6에 도시된 바와 같이, m번째 로우에 대한 픽셀 신호를 독출한 후, 이미지 센서(110)는 (m+1)번째 로우에 대한 픽셀 신호를 독출한다.
이를 위하여, (m+1)번째 로우의 리셋 제어 신호(RGm +1)을 인에이블하여 플로팅 디퓨젼(FD)을 리셋한다.
(m+1)번째 로우의 리셋 제어 신호(RG m+1)의 인에이블 시점과 동일한 시점에, (n+1)번째 로우에 대하여 오버플로우 제어 신호(OGn +1)를 인에이블할 수 있다. 오버플로우 제어 신호(OG n+1)에 응답하여, (n+1)번째 로우에 속하는 픽셀들의 포토 다이오드들(PD)이 리셋될 수 있다. 예컨대, 오버플로우 제어 신호(OG n+1)가 하이 레벨인 동안에 포토 다이오드(PD)에 존재하던 전하들이 픽셀 전압(Vpix)으로 방전되어 리셋된다.
하이 레벨이던 오버플로우 제어 신호(OG n+1)가 로우 레벨로 천이함에 따라 포토 다이오드(PD)에 의한 광전하 축적이 시작될 수 있다. 광전하 축적을 시작한 포토 포토 다이오드(PD)는 (n+1)번째 로우의 픽셀 신호를 리드아웃하기까지 입사광에 따라 생성되는 전하들을 축적할 수 있다.
(n+1)번째 로우의 오버플로우 제어 신호(OG n+1)의 인에이블 시점과 동일한 시점에, (k+1)번째 로우에 대하여 리셋 제어 신호(RG k+1), 저장 제어 신호(SG k+1), 및 전송 제어 신호(TG k+1)가 동시에 '1'로 인에이블될 수 있다.
이에 따라, (k+1)번째 로우에 속하는 픽셀들의 저장 트랜지스터(SX), 전송 트랜지스터(TX) 및 리셋 트랜지스터(RX)가 모두 온(ON)되어, 저장 다이오드(SD) 및 플로팅 디퓨젼(FD)이 모두 리셋될 수 있다.
예컨대, 리셋 제어 신호(RG k+1), 저장 제어 신호(SG k+1), 및 전송 제어 신호(TG k+1)가 하이 레벨인 동안에 저장 다이오드(SD)에 존재하던 전하들이 픽셀 전압(Vpix)으로 방전되어 리셋될 수 있다.
리셋 제어 신호(RG k+1), 저장 제어 신호(SG k+1), 및 전송 제어 신호(TG k+1)가 로우 레벨로 천이함에 따라 저장 다이오드(SD)에 의한 광전하 축적이 시작될 수 있다. 즉, (k+1)번째 로우의 저장 다이오드(SD)들이 리셋된 후에 광전하를 축적하기 시작한다.
광전하 축적을 시작한 저장 다이오드(SD)는 (k+1)번째 로우의 픽셀 신호를 리드아웃하기까지 입사광에 따라 생성되는 전하들을 축적할 수 있다.
도 6의 실시예에서, 이미지 센서(110)는 (m+1)번째 로우에 대하여 리셋 제어 신호(RG m+1)을 인에이블하여 플로팅 디퓨젼(FD)을 리셋한 후, 리셋 신호를 리드아웃한다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 리셋 신호에 대한 ADC가 수행된다(ADC.RST2)
리셋 신호 독출 후, 이미지 센서(110)는 (m+1)번째 로우의 전송 제어 신호(TG m+1)을 인에이블하여 저장 다이오드(SD)에 축적된 제1 광전하를 플로팅 디퓨젼(FD)으로 전송한 후, 플로팅 디퓨젼(FD)의 픽셀 신호를 리드아웃한다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 저장 다이오드(SD)에 기초한 픽셀 신호에 대한 ADC가 수행된다(ADC.SD2)
저장 다이오드(SD)에 기초한 픽셀 신호의 독출 후, 이미지 센서(110)는 (m+1)번째 로우의 전송 제어 신호(TG m+1)와 저장 제어 신호(SG m+1)을 동시에 인에이블하여 포토 다이오드(PD)에 축적된 제2 광전하를 저장 다이오드(SD)로 전송한다.
따라서, 저장 다이오드(SD)에는 기 저장된 제1 광전하와 포토 다이오드(PD)로부터 전송된 제2 광전하가 합쳐질 수 있다.
저장 다이오드(SD)에서 합쳐진 광전하는 플로팅 디퓨젼(FD)으로 전송되어 리드아웃된다.
이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(PD)에 기초한 픽셀 신호에 대한 ADC가 수행된다(ADC.PD2).
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제2 동작 모드에서의 ADC 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 제1 동작 모드에서는 이미지 센서(110)는 도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 픽셀로부터 픽셀 신호를 독출하기 위해 세 번의 연속적인 ADC를 수행한다. 이에 반해, 제2 동작 모드에서는 이미지 센서(110)는 도 7에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(SD)에 기초한 픽셀 신호에 대한 ADC 동작(ADC.SD1 또는 ADC.SD2)은 수행하지 않는다.
예컨대, 제2 동작 모드에서 이미지 센서(110)의 아날로그-디지털 변환 회로(150, 160)는 선택된 픽셀(120)의 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다(ADC.RST1). 제2 동작 모드에서 리셋 신호의 ADC 동작(ADC.RST1)은 도 5에 도시된 리셋 신호에 대한 ADC 동작 (ADC.RST1)과 동일할 수 있다.
리셋 신호의 ADC 후, 아날로그-디지털 변환 회로(150, 160)는 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전하에 기초한 이미지 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다(ADC.PD1).
예컨대, 이미지 센서(110)는 m번째 로우의 전송 제어 신호(TGm)와 저장 제어 신호(SGm)을 동시에 인에이블하여 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전하를 저장 다이오드(SD)로 전송하고, 동시에 저장 다이오드(SD)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨젼(FD)으로 전송한 후, 플로팅 디퓨젼(FD)의 픽셀 신호를 리드아웃한다.
이 때 저장 다이오드(SD)에는 기 저장된 제 광전하와 포토 다이오드(PD)로부터 전송된 제2 광전하가 합쳐질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, LED가 있는 상황에서는 이미지 센서(110)의 동작 모드는 제1 동작 모드로 설정될 수 있다.
제1 동작 모드에서는, 상술한 바와 같이, 비교적 긴 광전하 축적 시간을 갖도록 제어되는 저장 다이오드(SD)를 이용하여, 픽셀 신호를 독출한 후, 다시 포토 다이오드(PS)를 이용하여 픽셀 신호를 독출한다. 예컨대, 제1 동작 모드에서는, 롤링 셔터 방식으로, 선택된 픽셀에 대하여 세 번의 ADC 동작을 이용하여 픽셀 신호를 리드아웃한다.
이에 따라, 깜박임(flicker)이 있는 LED(Light Emitting Diode) 조명에서도 대상물을 정확히 인식하여 고품질의 영상을 얻을 수 있다.
이에 반해, 제2 동작 모드에서는, 글로벌 셔터 방식으로, 선택된 픽셀에 대하여 두 번의 ADC 동작을 이용하여 픽셀 신호를 리드아웃한다.
따라서, 제2 동작 모드에서는 제1 동작 모드 보다 프레임 레이트(frame rate)가 높을 수 있다. 이에 반해, 제1 동작 모드의 프레임 레이트는 제2 동작 모드의 프레임 레이트보다 낮을 수 있으나, LED 플리커 완화(LED flicker mitigation) 기능을 제공한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 신호등, 속도 표지판 등과 같이 LED 조명을 사용하는 대상물을 촬상하더라도 LED 플리커 완화 기능을 사용하여 대상물을 제대로 인식할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 픽셀(10')의 회로도를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 픽셀(10)은 둘 이상의 픽셀 간에 트랜지스터나 소자의 공유가 없는 단독 픽셀이다.
이에 비하여, 도 8의 공유 픽셀(10')은 이웃하는 두 개의 픽셀 간에 소스 팔로워(source follower, SF), 및 선택 트랜지스터(selection transistor, SEL)를 공유한다.
플로팅 디퓨젼(FD) 역시 두 개의 픽셀 간에 공유될 수 있다.
예컨대, 제1 픽셀은 제1 저장 트랜지스터(SX1), 제1 전송 트랜지스터(TX1), 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 공유 소스 팔로워(SF), 및 공유 선택 트랜지스터(SEL)를 포함하고, 제2 픽셀은 제2 저장 트랜지스터(SX2), 제2 전송 트랜지스터(TX2), 제2 리셋 트랜지스터(RX2), 공유 소스 팔로워(SF), 및 공유 선택 트랜지스터(SEL)를 포함할 수 있다.
또한, 픽셀 면적을 줄이기 위하여, 공유 픽셀(10')은 오버플로우 트랜지스터(OX)를 포함하지 않는다. 즉, 도 3의 픽셀(10)에 비하여, 공유 픽셀(10')에서는, 오버플로우 트랜지스터(OX)가 구비되지 않을 수 있다.
실시예에 따라, 두 개의 픽셀 간에 하나 이상의 트랜지스터를 공유할 수도 있지만, 셋 이상의 픽셀 간에 하나 이상의 트랜지스터를 공유할 수도 있다.
또한, 공유 픽셀에서도 오버플로우 트랜지스터(OX)가 구비될 수도 있다.
이와 같이, 실시예에 따라, 픽셀의 구조나 트랜지스터의 수는 달라질 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시에에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템(800)의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 전자 시스템(800)은 MIPI 인터페이스(mobile industry processor interface)를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), IPTV(internet protocol television) 또는 스마트 폰(smart phone)으로 구현될 수 있다.
전자 시스템(800)은 이미지 센서(110), 어플리케이션 프로세서(application processor;810), 및 디스플레이(850)를 포함한다.
어플리케이션 프로세서(810)에 구현된 CSI 호스트(camera serial interface(CSI) host; 812)는 카메라 시리얼 인터페이스를 통하여 이미지 센서(110)의 CSI 장치(841)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, CSI 호스트(812)는 광 디시리얼라이저(deserializer(DES))를 포함할 수 있고, CSI 장치(841)는 광 시리얼라이저(serializer(SER))를 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(810)에 구현된 DSI 호스트(811)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface(DSI))를 통하여 디스플레이(850)의 DSI 장치(851)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(811)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(851)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 전자 시스템(800)은 어플리케이션 프로세서(810)와 통신할 수 있는 RF 칩(860)을 더 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(810)에 포함된 PHY(PHYsical channel; 813)와 RF 칩(860)에 포함된 PHY(861)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
실시 예에 따라, 전자 시스템(800)은 GPS(820), 스토리지(storage; 870), 마이크(microphone(MIC); 880), DRAM(dynamic random access memory; 885) 및 스피커(speaker; 890)를 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(800)은 Wimax(world interoperability for microwave access; 891), WLAN(wireless lan; 893) 및/또는 UWB(ultra wideband; 895) 등을 이용하여 통신할 수 있다.
도 10은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 다른 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 1과 도 10을 참조하면, 전자 시스템(900)은 이미지 센서(110), 프로세서(910), 메모리(920), 디스플레이 유닛(930) 및 인터페이스(940)를 포함할 수 있다.
프로세서(910)는 이미지 센서(110)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 프로세서(910)는 이미지 센서(110)로부터 출력되는 픽셀 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
메모리(920)는 이미지 센서(110)의 동작을 제어하기 위한 프로그램과 프로세서(910)에 의해 생성된 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 프로세서(910)는 메모리(920)에 저장된 프로그램을 실행할 수 있다. 예컨대, 메모리(920)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리로 구현될 수 있다.
디스플레이 유닛(930)은 프로세서(910) 또는 메모리(920)로부터 출력되는 상기 이미지 데이터를 디스플레이할 수 있다. 예컨대, 디스플레이 유닛(930)은 LCD(Liquid Crystal Display), LED 디스플레이, OLED 디스플레이, AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes) 디스플레이, 또는 플렉시블 디스플레이(flexible display)일 수 있다.
인터페이스(940)는 이미지 데이터를 입출력하기 위한 인터페이스로 구현될 수 있다. 실시 예에 따라, 인터페이스(940)는 무선 인터페이스로 구현될 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 있으며, 또한 본 발명에 따른 객체 정보 추정 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드는 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 전송될 수도 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.
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.
이미지 처리 시스템(100)
광학 렌즈(103),
CMOS 이미지 센서(110),
픽셀(또는 APS(active pixel sensor)) 어레이 (120),
제어 블록(control block, 125),
리드아웃 회로(150),
램프 신호 생성기(170),
버퍼(180)
디지털 신호 프로세서(digital signal processor(DSP); 200),
디스플레이(300)

Claims (10)

  1. 각각이 광전하에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이; 및
    상기 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로를 포함하고,
    상기 픽셀 어레이는
    플로팅 디퓨전 노드;
    상기 플로팅 디퓨전 노드와 연결되는 제1 광전 변환 소자; 및
    상기 제1 광전 변환 소자를 통해 상기 플로팅 디퓨전 노드와 연결되는 제2 광전 변환 소자를 포함하고,
    상기 아날로그-디지털 변환 회로는
    상기 플로팅 디퓨전 노드의 리셋 신호를 아날로그-디지털 변환하고,
    상기 제1 광전 변환 소자에 축적된 제1 광전하에 기초한 제1 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환하며,
    상기 제2 광전 변환 소자에 축적된 제2 광전하에 기초한 제2 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅 디퓨전 노드의 리셋 신호의 출력 후,
    상기 제1 광전 변환 소자에 축적된 제1 광전하는 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송되는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 픽셀 신호는
    상기 제1 광전하와 상기 제2광전하를 합한 광전하에 기초한 신호인 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 픽셀 신호는
    상기 제2 광전 변환 소자에 축적된 제2 광전하는 상기 제1 광전 변환 소자로 전송되어, 상기 제1 광전하와 합쳐지고,
    상기 제1 광전 변환 소자에서 합쳐진 광전하가 상기 디퓨전 노드로 전송되는 이미지 센서.
  5. 제3항에 있어서, 상기 픽셀 어레이는
    픽셀 전압과 상기 플로팅 디퓨젼 사이에 접속되고, 상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하는 리셋 트랜지스터;
    상기 제1 및 제2 광전변환 소자 사이에 접속되는 저장 트랜지스터;
    선택 트랜지스터; 및
    상기 픽셀 전압과 선택 트랜지스터 사이에 접속되고, 상기 플로팅 디퓨전 노드의 전하들에 따라 결정된 전압 레벨에 기초하여 동작하는 소스팔로워를 더 포함하는 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 픽셀 어레이는
    상기 제2 광전 변환 소자에 접속되어, 상기 제2 광전 변환 소자를 리셋하는 오버플로우 트랜지스터를 더 포함하는 이미지 센서.
  7. 제5항에 있어서, 상기 선택 트랜지스터 및 상기 소스팔로워는
    이웃하는 둘 이상의 픽셀간에 공유되는 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환 소자의 리셋 시점과 상기 제2 광전 변환 소자의 리셋 시점은 다르게 제어되는, 이미지 센서.
  9. 각각이 광전하에 대응하는 픽셀 신호를 출력하는 복수의 픽셀들을 포함하고, 상기 픽셀 신호를 아날로그 디지털 변환(analog-digital conversion)하여 디지털 픽셀 신호를 생성하는 이미지 센서; 및
    상기 디지털 픽셀 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성하는 이미지 신호 프로세서를 포함하며,
    상기 이미지 센서는
    LED(Light Emitting Diode) 조명이 있는 상황에서는 제1 동작 모드로 동작하고,
    상기 LED 조명이 없는 일반 상황에서는 제2 동작 모드로 동작하는 이미지 처리 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    각각이 광전하에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 회로를 포함하고,
    상기 픽셀 어레이는
    플로팅 디퓨전 노드;
    상기 플로팅 디퓨전 노드와 연결되는 제1 광전 변환 소자; 및
    상기 제1 광전 변환 소자를 통해 상기 플로팅 디퓨전 노드와 연결되는 제2 광전 변환 소자를 포함하고,
    상기 제1 동작 모드에서, 상기 아날로그-디지털 변환 회로는
    상기 플로팅 디퓨전 노드의 리셋 신호를 아날로그-디지털 변환하고,
    상기 제1 광전 변환 소자에 축적된 제1 광전하에 기초한 제1 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환하며,
    상기 제2 광전 변환 소자에 축적된 제2 광전하에 기초한 제2 픽셀 신호를 아날로그-디지털 변환하는 이미지 처리 시스템.
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