KR20200115779A - 이미징 장치 및 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이미징 장치는, 광 제어 신호에 의해 동작하는 광원, 및 복수의 픽셀들을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 각각은 전하에 기초하여 전기 신호를 생성하는 픽셀 회로를 포함하는 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 픽셀들 중 일반 픽셀들은, 상기 광원이 출력하고 피사체에서 반사된 수신 광 신호에 반응하여 상기 전하를 생성하는 포토 다이오드를 포함하고, 상기 복수의 픽셀들 중 위상차 검출 픽셀들은, 상기 전하를 출력하는 전하 공급원, 및 스위치 제어 신호에 의해 온/오프되어 상기 픽셀 회로에 상기 전하를 공급하는 스위치 소자를 포함한다.

Description

이미징 장치 및 이미지 센서{IMAGING DEVICE AND IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미징 장치 및 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛을 받아들여 전기 신호를 생성하는 반도체 기반의 센서로서, 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이와, 픽셀 어레이를 구동하고 이미지를 생성하기 위한 로직 회로 등을 포함할 수 있다. 최근에는 일반적인 이미지 센서 외에, 특정 파장 대역의 광 신호를 출력하는 광원을 이미지 센서와 결합한 형태의 이미징 장치에 대한 연구도 활발하게 진행되는 추세이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 수신 광 신호와 출력 광 신호의 위상차를 이용하여 깊이 맵(depth map)을 생성하는 이미징 장치의 성능을 개선하고자 하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치는, 광 제어 신호에 의해 동작하는 광원, 및 복수의 픽셀들을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 각각은 전하에 기초하여 전기 신호를 생성하는 픽셀 회로를 포함하는 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 픽셀들 중 일반 픽셀들은, 상기 광원이 출력하고 피사체에서 반사된 수신 광 신호에 반응하여 상기 전하를 생성하는 포토 다이오드를 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 중 위상차 검출 픽셀들은, 상기 전하를 출력하는 전하 공급원, 및 스위치 제어 신호에 의해 온/오프되어 상기 픽셀 회로에 상기 전하를 공급하는 스위치 소자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀들을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 일부는 픽셀 노드에 연결되는 제1 포토 게이트를 갖는 제1 픽셀 회로, 상기 픽셀 노드에 연결되는 제2 포토 게이트를 갖는 제2 픽셀 회로, 상기 픽셀 노드에 연결되는 스위치 소자, 및 상기 스위치 소자에 연결되는 전하 공급원을 갖는 픽셀 어레이, 및 상기 제1 포토 게이트에 제1 포토 제어 신호를 입력하고, 상기 제2 포토 게이트에 상기 제1 포토 제어 신호와 180도의 위상차를 갖는 제2 포토 제어 신호를 입력하며, 상기 스위치 소자를 턴-온 및 턴-오프시켜 상기 픽셀 노드에 전하를 공급하는 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 칼럼 라인을 따라 배치되는 제1 픽셀들, 및 제2 칼럼 라인을 따라 배치되는 제2 픽셀들을 포함하며, 상기 제1 픽셀들과 상기 제2 픽셀들 각각은 전하를 생성하는 포토 다이오드, 및 상기 전하를 이용하여 전기 신호를 생성하는 픽셀 회로를 포함하는 픽셀 어레이, 및 제1 프레임 주기 동안 상기 제2 픽셀들을 상기 제2 칼럼 라인에 연결하고, 상기 제1 프레임 주기 다음의 제2 프레임 주기 동안 상기 제2 픽셀들을 상기 제1 칼럼 라인에 연결하며, 상기 제1 프레임 주기 및 상기 제2 프레임 주기에서 획득한 데이터들에 기초하여 상기 제1 칼럼 라인 및 상기 제2 칼럼 라인으로 입력되는 클럭 신호의 위상을 보정하는 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 이미징 장치는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이를 포함하며, 픽셀들 각각은 소정의 타이밍으로 동작하여 전하로부터 전기 신호를 생성하는 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 픽셀 회로들에 입력되는 클럭 신호의 위상차 에러를 검출하고, 위상차 에러를 보상함으로써, 이미징 장치의 성능을 개선할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 일반 픽셀들을 나타낸 회로도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 타이밍도들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 위상차 검출 픽셀들을 나타낸 회로도들이다.
도 14a 내지 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 위상차 검출 픽셀의 동작을 설명하기 위해 제공되는 타이밍도들이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀들을 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서 위상차 검출 픽셀들의 그룹핑 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 22 및 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 하나의 그룹에 포함되는 위상차 검출 픽셀들의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 24 및 도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 일반 픽셀들을 이용한 위상차 검출 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치(1)는 광원(2)과 센서부(3)를 포함할 수 있다. 광원(2)은 특정 파장 대역의 광 신호를 출력하는 발광소자를 포함할 수 있다. 일례로 광원(2)은 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 또는 LED (Light Emitting Diode) 등을 발광소자로 포함할 수 있다. 광원(2)은 어레이 형태로 배열되는 복수의 발광소자들을 포함할 수 있으며, 복수의 발광소자가 출력하는 광 신호의 진행 경로 상에는 광학 소자가 더 마련될 수도 있다. 광원(2)이 출력하는 광 신호는 적외선 파장 대역의 광 신호일 수 있다.
광원(2)이 출력하는 광 신호는 피사체(4)에 의해 반사될 수 있으며, 센서부(3)는 피사체(4)가 반사시킨 광 신호를 수신 광 신호로 입력받을 수 있다. 센서부(3)는 수신 광 신호에 응답하여 전기 신호를 생성하는 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이 및 픽셀 어레이가 생성한 전기 신호를 이용하여 이미지를 생성하는 컨트롤러 등을 포함할 수 있다. 일례로, 컨트롤러가 생성하는 상기 이미지는, 피사체(4) 및 그 주변 환경의 거리 정보가 포함된 깊이 맵(Depth Map)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 센서부(3)는 깊이 맵을 생성하는 기능과 함께, 이미징 장치(1)에 근접한 피사체(4)의 존재를 감지하는 근접 센싱 기능, 및 피사체(4)와 이미징 장치(1) 사이의 거리를 계산하는 거리 측정 기능 등을 제공할 수 있다. 센서부(3)는 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이와, 픽셀 어레이를 제어하는 컨트롤러 등을 포함하는 이미지 센서로 구현될 수 있다. 광원(2)이 출력하여 피사체(4)에서 반사된 수신 광 신호를 센서부(3)가 정확하게 검출할수록, 상기 기능들을 더 정확하게 구현할 수 있다.
일례로, 복수의 픽셀들 각각은 서로 위상차를 갖는 복수의 클럭 신호들로 동작할 수 있다. 복수의 픽셀들에 입력되는 클럭 신호들의 위상은, 광원(2)에 입력되는 광 제어 신호에 기초하여 결정될 수 있다. 복수의 픽셀들에 입력되는 클럭 신호들과, 광 제어 신호 사이의 위상차를 정확히 결정함으로써, 이미징 장치(1)의 동작 성능을 개선할 수 있다.
예를 들어, 복수의 픽셀들에 입력되는 클럭 신호들 중 적어도 하나는 광 제어 신호와 같은 위상을 가질 수 있다. 다만 실제로는 여러 요인들로 인해 상기 클럭 신호와 광 제어 신호 사이에 위상차가 발생할 수 있으며, 위상차로 인해 같은 거리에 위치한 피사체(4)에 대해 센서부(3)가 판단하는 거리 정보가 서로 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 복수의 픽셀들에 입력되는 클럭 신호들과 광 제어 신호 사이, 또는 클럭 신호들 사이에서 발생하는 의도치 않은 위상차를 검출하고 보상함으로써, 이미징 장치(1)의 성능을 개선할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 2a 및 도 2b에 도시한 실시예들에 따른 이미지 센서들(5, 5A)은, 도 1을 참조하여 설명한 이미징 장치(1)의 센서부(3)로 채용될 수 있다. 먼저 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(5)는 제1 레이어(6), 제1 레이어(6)의 하부에 마련되는 제2 레이어(7) 및 제2 레이어(6)의 하부에 마련되는 제3 레이어(8) 등을 포함할 수 있다. 제1 레이어(6)와 제2 레이어(7) 및 제3 레이어(8)는 서로 수직 방향에서 적층될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 레이어(6)와 제2 레이어(7)는 웨이퍼 레벨에서 서로 적층되고, 제3 레이어(8)는 칩 레벨에서 제2 레이어(7)의 하부에 부착될 수 있다. 제1 내지 제3 레이어들(6-8)은 하나의 반도체 패키지로 제공될 수 있다.
제1 레이어(6)는 복수의 픽셀들(PX)이 마련되는 센싱 영역(SA)과, 센싱 영역(SA) 주변에 마련되는 제1 패드 영역(PA1)을 포함할 수 있다. 제1 패드 영역(PA1)에는 복수의 상부 패드들(PAD)이 포함되며, 복수의 상부 패드들(PAD)은 비아(VIA) 등을 통해 제2 레이어(7)의 제2 패드 영역(PA2)에 마련된 패드들 및 로직 회로(LC)와 연결될 수 있다.
복수의 픽셀들(PX) 각각은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 포토 다이오드와, 포토 다이오드가 생성한 전하를 처리하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 포토 다이오드가 생성한 전하에 대응하는 전압을 출력하기 위한 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
제2 레이어(7)는 로직 회로(LC)를 제공하는 복수의 소자들을 포함할 수 있다. 로직 회로(LC)에 포함되는 복수의 소자들은, 제1 레이어(6)에 마련된 픽셀 회로를 구동하기 위한 회로들, 예를 들어 클럭 드라이버, 리드아웃 회로, 연산 회로, 및 타이밍 컨트롤러 등을 제공할 수 있다. 로직 회로(LC)에 포함되는 복수의 소자들은 제1 및 제2 패드 영역들(PA1, PA2)을 통해 픽셀 회로와 연결될 수 있다. 로직 회로(LC)는 복수의 픽셀들(PX)로부터 리셋 전압 및 픽셀 전압을 획득하여 픽셀 신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 픽셀들(PX) 중 적어도 하나는 동일한 레벨에 배치되는 복수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 복수의 포토 다이오드들 각각의 전하로부터 생성된 픽셀 신호들은 서로 위상차를 가질 수 있으며, 로직 회로(LC)는 하나의 픽셀(PX)에 포함된 복수의 포토 다이오드들로부터 생성한 픽셀 신호들의 위상차에 기초하여 자동 초점 기능을 제공할 수 있다.
제2 레이어(7)의 하부에 마련되는 제3 레이어(8)는 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC), 및 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC)을 밀봉하는 보호층(EN)을 포함할 수 있다. 메모리 칩(MC)은 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 또는 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)일 수 있으며, 더미 칩(DC)은 데이터를 실제로 저장하는 기능은 갖지 않을 수 있다. 메모리 칩(MC)은 범프에 의해 제2 레이어(7)의 로직 회로(LC)에 포함된 소자들 중 적어도 일부와 전기적으로 연결될 수 있으며, 자동 초점 기능을 제공하는 데에 필요한 정보를 저장할 수 있다. 일 실시예에서 상기 범프는 마이크로 범프일 수 있다.
다음으로 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(5A)는 제1 레이어(6A)와 제2 레이어(7A)를 포함할 수 있다. 제1 레이어(6A)는 복수의 픽셀들(PX)이 마련되는 센싱 영역(SA)과, 복수의 픽셀들(PX)을 구동하기 위한 소자들이 마련되는 로직 회로(LC), 및 센싱 영역(SA)과 로직 회로(LC)의 주변에 마련되는 제1 패드 영역(PA1)을 포함할 수 있다. 제1 패드 영역(PA1)에는 복수의 상부 패드들(PAD)이 포함되며, 복수의 상부 패드들(PAD)은 비아(VIA) 등을 통해 제2 레이어(7A)에 마련된 메모리 칩(MC)과 연결될 수 있다. 제2 레이어(7A)는 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC), 및 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC)을 밀봉하는 보호층(EN)을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 이미징 장치(10)는 컨트롤러(20), 픽셀 어레이(30), 광원 드라이버(40), 및 광원(50) 등을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(30)는 복수의 행들과 복수의 열들을 따라서 어레이 형태로 배치되는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX) 각각은 피사체(60)로부터 입사하는 광 신호에 응답하여 전하를 생성하는 포토 다이오드, 및 포토 다이오드가 생성한 전하에 대응하는 전기 신호를 생성하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 일례로 픽셀 회로는 플로팅 디퓨전, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 및 선택 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 실시예들에 따라 픽셀들(PX)의 구성은 달라질 수 있다. 일례로, 픽셀들(PX) 각각은 실리콘 포토 다이오드와 달리 유기 물질을 포함하는 유기 포토 다이오드를 포함하거나, 또는 디지털 픽셀로 구현될 수도 있다. 픽셀들(PX)이 디지털 픽셀로 구현되는 경우, 픽셀들(PX) 각각은 비교기 및 비교기의 출력을 디지털 신호로 변환하여 내보내는 카운터 등을 포함할 수 있다.
컨트롤러(20)는 픽셀 어레이(30)를 제어하기 위한 복수의 회로들을 포함할 수 있다. 일례로, 컨트롤러(20)는 클럭 드라이버(21), 리드 아웃 회로(22), 연산 회로(23), 컨트롤 로직(24) 등을 포함할 수 있다. 클럭 드라이버(21)는 픽셀 어레이(30)를 제1 방향 또는 제2 방향에서 구동할 수 있다. 예를 들어, 클럭 드라이버(21)는 픽셀 회로의 전송 게이트에 입력되는 전송 제어 신호, 리셋 게이트에 입력되는 리셋 제어 신호, 선택 게이트에 입력되는 선택 제어 신호, 포토 게이트에 입력되는 포토 제어 신호 등을 생성할 수 있다. 제1 방향과 제2 방향은 다양하게 방식으로 정의될 수 있으며, 일례로 제1 방향은 로우(row) 방향에 대응하고 제2 방향은 칼럼(column) 방향에 대응할 수 있다.
리드 아웃 회로(22)는 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter, ADC) 등을 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러는, 클럭 드라이버(21)가 공급하는 클럭 신호에 의해 선택되는 픽셀들(PX)과 칼럼 라인들을 통해 연결되며, 상관 이중 샘플링을 수행하여 리셋 전압 및 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터는 상관 이중 샘플러가 검출한 리셋 전압 및 픽셀 전압을 디지털 신호로 변환하여 연산 회로(23)에 전달할 수 있다.
연산 회로(23)는 디지털 신호를 임시로 저장할 수 있는 래치 또는 버퍼 회로와 증폭 회로 등을 포함할 수 있으며, 리드 아웃 회로(22)로부터 수신한 디지털 신호를 처리할 수 있다. 클럭 드라이버(21), 리드 아웃 회로(22) 및 연산 회로(23)는 컨트롤 로직(24)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤 로직(24)은 클럭 드라이버(21), 리드 아웃 회로(22) 및 연산 회로(23)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 컨트롤러, 이미지 데이터 처리를 위한 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor) 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 연산 회로(23)는 컨트롤 로직(24)에 포함될 수도 있다.
컨트롤 로직(24)은 리드아웃 회로(22) 및 연산 회로(23)가 출력하는 데이터를 신호 처리하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 일례로 상기 이미지 데이터는 깊이 맵을 포함할 수 있다. 또한 컨트롤 로직(24)은, 이미징 장치(10)의 동작 모드에 따라 리드아웃 회로(22) 및 연산 회로(23)가 출력하는 데이터를 이용하여 피사체(60)와 이미징 장치(10) 사이의 거리를 계산하거나, 또는 이미징 장치(10)에 근접한 피사체(60)를 인식할 수 있다. 또는, 연산 회로(23)가 깊이 맵을 생성하고, 컨트롤 로직(24)은 깊이 맵을 이미지 처리하여 이미지 품질을 개선할 수도 있다.
이미징 장치(10)는, 깊이 맵을 생성하기 위해 피사체(60)로 광 신호를 출력하는 광원(50)을 포함할 수 있다. 광원(50)은, 적어도 하나의 발광소자를 포함할 수 있으며, 일례로 복수의 반도체 발광소자들이 어레이 형태로 배열되는 반도체 칩을 포함할 수 있다. 광원(50)은 광원 드라이버(40)에 의해 동작할 수 있다. 광원 드라이버(40)는 컨트롤러(20)에 의해 제어될 수 있다.
일 실시예에서 광원 드라이버(40)는 펄스 신호 특성을 갖는 광 제어 신호를 생성하여 광원(50)을 구동할 수 있다. 광원 드라이버(40)는 컨트롤러(20)의 제어 명령에 응답하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 광 제어 신호를 생성하고, 광 제어 신호의 주파수, 듀티 비, 지속 시간 등을 결정할 수 있다. 일례로 컨트롤러(20)는, 클럭 드라이버(21)가 픽셀 어레이(30)에 입력하는 클럭 신호들 중 적어도 하나를, 광원(50)에 입력되는 광 제어 신호와 동기화할 수 있다. 일 실시예에서, 광원(50)에 입력되는 광 제어 신호와 동기화되는 신호는, 클럭 드라이버(21)가 픽셀들(PX)의 포토 게이트에 입력하는 포토 제어 신호일 수 있다.
픽셀들(PX)은 클럭 드라이버(21)에 포함되는 출력 버퍼들로부터 포토 제어 신호를 입력받을 수 있다. 일례로, 하나의 로우 라인에 연결되는 픽셀들(PX), 또는 하나의 칼럼 라인에 연결되는 픽셀들(PX)은 같은 포토 제어 신호를 입력받을 수 있다. 이상적으로, 출력 버퍼들이 동시에 내보내는 포토 제어 신호는 서로 위상차를 갖지 않을 수 있으나, 실제로는 여러 요인에 의해 포토 제어 신호 사이에 위상차 에러가 발생할 수 있다. 위상차 에러는, 광 제어 신호와 포토 제어 신호 사이에도 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서는 포토 제어 신호들 사이, 또는 포토 제어 신호와 광 제어 신호 사이에서 의도치 않게 나타나는 위상차 에러를 검출하고, 위상차 에러를 보상할 수 있다. 따라서, 픽셀들(PX)이 출력하는 데이터의 정확도를 개선하여 이미징 장치(10)의 성능을 개선할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(30)는 복수의 픽셀들(PX)을 포함하며, 복수의 픽셀들(PX)은 복수의 로우 라인들(ROW[1]-ROW[m])과 복수의 칼럼 라인들(COL1[1]-COL1[n], COL2[1]-COL2[n])이 교차하는 지점들에 배치될 수 있다. 도 4에 도시한 일 실시예에서, 복수의 픽셀들(PX) 각각은 복수의 로우 라인들(ROW[1]-ROW[m]) 중 하나와 연결될 수 있다. 또한, 복수의 픽셀들(PX) 각각은 복수의 제1 칼럼 라인들(COL1[1]-COL1[n]) 중 하나와 연결되고, 복수의 제2 칼럼 라인들(COL2[1]-COL2[n]) 중 하나와 연결될 수 있다. 실시예들에 따라, 복수의 픽셀들(PX) 각각에 연결되는 로우 라인들(ROW[1]-ROW[m])과 칼럼 라인들(COL[1]-COL[n])의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 또한 복수의 픽셀들(PX)에 연결되는 로우 라인들(ROW[1]-ROW[m])과 복수의 칼럼 라인들(COL1[1]-COL1[n], COL2[1]-COL2[n])의 연장 방향이 도 4에 도시한 바와 다를 수도 있다.
복수의 픽셀들(PX) 각각은, 픽셀 어레이(30)가 수신하는 광 신호에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드가 생성한 전하를 이용하여 전기 신호를 출력하는 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 상기 포토 다이오드가 생성한 전하의 이동 여부를 결정하는 포토 게이트, 전하를 축적하는 플로팅 디퓨전, 상기 플로팅 디퓨전과 상기 포토 게이트 사이에 연결되는 전송 트랜지스터, 상기 플로팅 디퓨전을 리셋하는 리셋 트랜지스터, 상기 플로팅 디퓨전의 전압을 증폭하는 구동 트랜지스터, 및 상기 구동 트랜지스터와 칼럼 라인들(COL1[1]-COL1[n], COL2[1]-COL2[n]) 중 하나를 연결하는 선택 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.
광원에서 출력하는 광 신호가 피사체에서 반사되어 픽셀 어레이(30)로 입사되면, 복수의 픽셀들(PX) 각각의 포토 다이오드는 입사한 광 신호에 응답하여 전하를 생성할 수 있다. 광원에서 출력하는 광 신호와, 피사체에서 반사되어 픽셀 어레이(30)로 입사하는 수신 광 신호는 소정의 위상차를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 이미징 장치는 상기 위상차를 이용하여 이미징 장치와 피사체 사이의 거리를 판별하거나 피사체의 근접을 감지하고, 깊이 맵을 생성할 수 있다.
이미징 장치는, 한 번의 프레임 동안 복수의 픽셀들(PX)에 연결된 복수의 제1 칼럼 라인들(COL1[1]-COL1[n])과 복수의 제2 칼럼 라인들(COL2[1]-COL2[n])을 통해, 서로 다른 적분 시간(integration time) 동안 생성된 전하에 대응하는 전기 신호를 획득할 수 있다. 일례로, 180도의 위상차를 갖는 전송 제어 신호를 이용하여 복수의 픽셀들(PX) 각각에 포함된 전송 트랜지스터를 턴-온 및 턴-오프시킴으로써, 제1 칼럼 라인들(COL1[1]-COL1[n])과 제2 칼럼 라인들(COL2[1]-COL2[n])을 통해 전기 신호를 획득할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 일반 픽셀들을 나타낸 회로도들이다.
먼저 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치의 픽셀(PX)은, 광 신호에 응답하여 전하를 생성하는 포토 다이오드(PD), 및 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하에 대응하는 전기 신호를 출력하는 픽셀 회로(PC1, PC2)를 포함할 수 있다. 픽셀 회로(PC1, PC2)는 제1 픽셀 회로(PC1)와 제2 픽셀 회로(PC2)를 포함할 수 있다. 제1 픽셀 회로(PC1)는 제1 칼럼 라인(COL1)을 통해 제1 샘플링 회로(SA1)와 제1 아날로그-디지털 컨버터(ADC1)에 연결되고, 제2 픽셀 회로(PC2)는 제2 칼럼 라인(COL2)을 통해 제2 샘플링 회로(SA2)와 제2 아날로그-디지털 컨버터(ADC2)에 연결될 수 있다.
제1 픽셀 회로(PC1)는 포토 다이오드(PD)에 연결되는 제1 포토 트랜지스터(PX1), 제1 전송 트랜지스터(TX1), 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하를 축적하는 제1 플로팅 디퓨전(FD1), 및 복수의 제1 회로 소자들(RX1, DX1, SX1)을 포함할 수 있다. 복수의 제1 회로 소자들(RX1, DX1, SX1)은 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 제1 구동 트랜지스터(DX1), 및 제1 선택 트랜지스터(SX1) 등을 포함할 수 있다. 제2 픽셀 회로(PC2)는 제1 픽셀 회로(PC1)와 유사한 구조를 가질 수 있다. 제1 전송 트랜지스터(TX1), 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 및 제1 선택 트랜지스터(SX1)를 제어하기 위한 제어 신호들(TG1, RG1, SEL1)은 이미징 장치의 로우 드라이버에 의해 입력될 수 있다.
제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-온되면 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 전압이 전원 전압(VDD)으로 리셋되며, 선택 트랜지스터(SX1)가 턴-온되어 제1 샘플링 회로(SA1)가 제1 리셋 전압을 검출할 수 있다. 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-오프되고 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-온되기 전까지의 제1 노출 시간 동안, 포토 다이오드(PD)는 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다.
제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-온되면 포토 다이오드(PD)에서 생성되어 제1 포토 트랜지스터(PX1)에 축적된 전하가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)로 이동할 수 있다. 제1 샘플링 회로(SA1)는 제1 선택 트랜지스터(SX1)의 턴-온에 응답하여 제1 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 제1 아날로그-디지털 컨버터는 제1 리셋 전압과 제1 픽셀 전압의 차이를 디지털 형식의 제1 로우(raw) 데이터(DATA1)로 변환할 수 있다.
제2 픽셀 회로(PC2)의 동작은 제1 픽셀 회로(PC1)의 동작과 유사할 수 있다. 다만, 제2 포토 트랜지스터(PX2)는 제1 포토 트랜지스터(PX1)와 동시에 턴-온되지 않을 수 있다. 따라서, 제2 픽셀 회로(PC2)가 제2 칼럼 라인(COL2)을 통해 출력하는 제2 픽셀 전압은, 상기 제1 노출 시간과 다른 제2 노출 시간 동안 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되어 생성한 전하에 대응할 수 있다. 제2 아날로그-디지털 컨버터(ADC2)는 제2 리셋 전압과 제2 픽셀 전압의 차이를 제2 로우 데이터(DATA2)로 변환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 이미징 장치는 글로벌 셔터 방식으로 동작할 수 있다. 일례로, 이미징 장치에 포함되는 픽셀들(PX) 각각에 포함된 제1 및 제2 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2)이 모두 턴-온되어 픽셀들(PX)이 동시에 리셋된 후, 소정의 노출 시간 동안 픽셀들(PX)에 포함된 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다. 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되는 노출 시간의 길이는, 이미징 장치의 동작 모드에 따라 달라질 수 있다. 노출 시간 동안, 제1 포토 트랜지스터(PX1)와 제2 포토 트랜지스터(PX2)에는 서로 상보적 관계를 갖는 클럭 신호들이 입력될 수 있으며, 포토 다이오드(PD)가 생성한 전하가 제1 포토 트랜지스터(PX1) 및 제2 포토 트랜지스터(PX2) 중 적어도 하나에 저장될 수 있다. 제1 포토 트랜지스터(PX1) 및 제2 포토 트랜지스터(PX2)에 입력되는 클럭 신호들은, 이미징 장치의 광원에 입력되는 광 제어 신호와 동기화되어 제어될 수 있다.
일례로, 제1 시간 동안 제1 포토 트랜지스터(PX1)에 입력되는 제1 포토 제어 신호(PG1)는 광 제어 신호와 같은 위상을 가질 수 있으며, 제2 포토 트랜지스터(PX2)에 입력되는 제2 포토 제어 신호(PG2)는 광 제어 신호와 180도의 위상차를 가질 수 있다. 또한, 제1 시간 다음의 제2 시간 동안, 제1 포토 제어 신호(PG1)는 광 제어 신호와 90도의 위상차를 가질 수 있으며, 제2 전송 제어 신호(TG2)는 광 제어 신호와 270도의 위상차를 가질 수 있다. 이미지 센서는, 제1 시간 동안 획득한 제1 로우 데이터(DATA1)와 제2 로우 데이터(DATA2), 및 제2 시간 동안 획득한 제1 로우 데이터(DATA1)와 제2 로우 데이터(DATA2)를 이용하여 피사체를 인식하거나 피사체까지의 거리를 판단할 수 있다. 일례로, 제1 시간 및 제2 시간 각각은, 이미지 센서의 프레임 주기일 수 있다.
칼럼 라인들(COL1, COL2)이 연장되는 칼럼 방향에서 서로 인접한 픽셀들(PX)은, 제1 포토 제어 신호(PG1)와 제2 포토 제어 신호(PG2)를 공유할 수 있다. 일 실시예에서, 칼럼 방향에서 서로 인접한 픽셀들(PX) 각각에 포함되는 제1 포토 트랜지스터(PX1)는 제1 포토 제어 라인에 연결되어 같은 제1 포토 제어 신호(PG1)를 입력받을 수 있다. 마찬가지로, 칼럼 방향에서 서로 인접한 픽셀들(PX) 각각에 포함되는 제2 포토 트랜지스터(PX2)는 제2 포토 제어 라인에 연결되어 같은 제2 포토 제어 신호(PG2)를 입력받을 수 있다. 일례로 제1 포토 제어 라인과 제2 포토 제어 라인은, 칼럼 방향으로 연장되는 라인들일 수 있다.
다음으로 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀(PX)에서, 하나의 포토 다이오드(PD)에 복수의 픽셀 회로들(PC1, PC2, PC3, PC4)이 연결될 수 있다. 도 6에 도시한 일 실시예에서는 포토 다이오드(PD)에 제1 내지 제4 픽셀 회로들(PC1, PC2, PC3, PC4)이 연결되는 것으로 도시하였으나, 실시예들에 따라 상기 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 제1 내지 제4 픽셀 회로들(PC1, PC2, PC3, PC4)은 서로 실질적으로 같은 구조를 가질 수 있다.
제1 내지 제4 픽셀 회로들(PC1, PC2, PC3, PC4)의 동작은 앞서 도 5를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다. 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되는 동안, 제1 내지 제4 픽셀 회로들(PC1, PC2, PC3, PC4)에 포함되는 제1 내지 제4 포토 트랜지스터들(PX1, PX2, PX3, PX4)은 서로 다른 위상으로 동작할 수 있다. 일례로, 제1 포토 트랜지스터(PX1)에 입력되는 제1 포토 제어 신호(PG1)와, 제2 포토 트랜지스터(PX2)에 입력되는 제2 포토 제어 신호(PG2)와 180도의 위상차를 가질 수 있다. 또한, 제3 포토 제어 신호(PG3)와 제4 포토 제어 신호(PG4)도 서로 180도의 위상차를 가질 수 있으며, 제3 포토 제어 신호(PG3)는 제1 포토 제어 신호(PG1)와 90도의 위상차를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 내지 제4 포토 제어 신호들(PG1, PG2, PG3, PG4)은 광 제어 신호와 같은 주기를 가지며, 광 제어 신호보다 작은 듀티 비를 가질 수 있다. 일례로 제1 내지 제4 포토 제어 신호들(PG1, PG2, PG3, PG4)의 듀티 비는, 광 제어 신호의 듀티 비의 1/2일 수 있다.
이미지 센서는, 상기와 같은 위상차 동작에 의해 제1 내지 제4 포토 트랜지스터들(PX1, PX2, PX3, PX4)에 저장된 전하로부터 획득한 픽셀 전압을 이용하여, 깊이 맵을 생성할 수 있다. 리드아웃 동작에서는, 제1 칼럼 라인(COL1)을 통해 제1 포토 트랜지스터(PX1)에 저장된 전하에 대응하는 제1 데이터가 출력되고, 제2 칼럼 라인(COL2)을 통해 제2 포토 트랜지스터(PX2)에 저장된 전하에 대응하는 제2 데이터가 출력될 수 있다. 또한, 제3 칼럼 라인(COL3)을 통해 제3 포토 트랜지스터(PX3)의 전하에 대응하는 제3 데이터가 출력될 수 있으며, 제4 칼럼 라인(COL4)을 통해 제4 스토리지 트랜지스터(PX4)의 전하에 대응하는 제4 데이터가 출력될 수 있다.
한편 실시예들에 따라, 제1 픽셀 회로(PC1)와 제3 픽셀 회로(PC3)가 하나의 칼럼 라인에 연결되고, 제2 픽셀 회로(PC2)와 제4 픽셀 회로(PC4)가 하나의 칼럼 라인에 연결될 수도 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 유사하게, 로우 방향으로 같은 위치에 배치되며 칼럼 방향에서 인접한 픽셀들(PX)은 제1 내지 제4 포토 제어 신호들(PG1, PG2, PG3, PG4)을 서로 공유할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 7은 이미지 센서의 글로벌 셔터 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면일 수 있다. 도 7을 참조하면, 리셋 시간(TRST) 동안 픽셀 어레이에 포함되는 복수의 픽셀들의 포토 다이오드들이 동시에 리셋될 수 있다. 일례로, 클럭 드라이버는 픽셀 회로에 포함되는 리셋 트랜지스터를 턴-온시켜 포토 다이오드를 소정의 전원 전압에 연결함으로써 포토 다이오드들을 리셋할 수 있다.
포토 다이오드들이 리셋되면, 복수의 픽셀들에 포함되는 포토 다이오드들이 노출 시간(TEX) 동안 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있다. 일례로, 노출 시간(TEX)은 이미지 센서의 동작 환경, 셔터 스피드, 조리개 값 등에 의해 결정될 수 있다.
노출 시간(TEX)이 경과하면, 클럭 드라이버가 복수의 픽셀들에 연결된 복수의 로우 라인들을 스캔할 수 있다. 리드아웃 회로는 클럭 드라이버가 복수의 로우 라인들을 스캔하는 순서에 따라 복수의 픽셀들에 대한 리드아웃 동작을 실행할 수 있다. 리드아웃 회로는 리드아웃 시간(TRO) 동안 복수의 픽셀들 각각으로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 읽어올 수 있다.
리드아웃 회로가 리드아웃 시간(TRO) 동안 리셋 전압과 픽셀 전압을 읽어오기 위하여, 노출 시간(TEX) 동안 포토 다이오드들이 생성하는 전하는 픽셀 회로의 스토리지 영역에 저장될 수 있다. 일례로, 스토리지 영역은 픽셀 회로의 포토 트랜지스터일 수 있다. 스토리지 영역에 저장된 전하는 전송 트랜지스터의 턴-온에 응답하여 픽셀 회로의 플로팅 디퓨전으로 이동할 수 있다. 리드아웃 회로는 전송 트랜지스터가 턴-온되기 전에, 즉 전하가 스토리지 영역에 저장되어 있는 동안 복수의 픽셀들의 리셋 전압을 읽어올 수 있다. 리드아웃 회로는 클럭 드라이버에 의해 전송 트랜지스터가 턴-온되어 스토리지 영역의 전하가 플로팅 디퓨전으로 이동한 후, 복수의 픽셀들의 픽셀 전압을 읽어올 수 있다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 타이밍도들이다.
도 8(a)와 도 8(b)는 각각 제1 프레임 주기와 제2 프레임 주기 동안 출력 광 신호와 수신 광 신호, 및 제1 포토 제어 신호(PG1)와 제2 포토 제어 신호(PG2)를 나타낸 도면일 수 있다. 도 8(a)와 도 8(b)에 도시한 일 실시예에서 출력 광 신호는, PWM 방식으로 동작하는 광원에서 출력되는 출력 광 신호일 수 있으며, 광원에 입력되는 광 제어 신호와 같은 주기 및 듀티비를 갖는 신호일 수 있다. 도 8(a)와 도 8(b)는, 글로벌 셔터 방식으로 동작하는 이미징 장치에서, 픽셀들이 동시에 리셋된 후 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되는 노출 시간 동안 픽셀들에 입력되는 제1 포토 제어 신호(PG1)와 제2 포토 제어 신호(PG2)를 나타낸 도면일 수 있다.
도 8(a)를 참조하면, 출력 광 신호와, 피사체가 출력 광 신호를 반사시켜 생성된 수신 광 신호는 소정의 위상차(φ)를 가질 수 있다. 제1 프레임 주기 동안, 제1 포토 제어 신호(PG1)는 출력 광 신호와 0도의 위상차를 가지며, 제2 전송 제어 신호(PG2)는 출력 광 신호와 180도의 위상차를 가질 수 있다. 따라서, 포토 다이오드(PD)가 제1 노출 시간(ex1) 동안 생성한 전하가 제1 포토 제어 신호(PG1)에 의해 제어되는 제1 포토 트랜지스터에 축적되고, 포토 다이오드(PD)가 제2 노출 시간(ex2) 동안 생성한 전하는 제2 포토 제어 신호(PG2)에 의해 제어되는 제2 포토 트랜지스터에 축적될 수 있다.
다음으로 도 8(b)를 참조하면, 제2 프레임 주기 동안, 제1 포토 제어 신호(PG1)는 출력 광 신호와 90도의 위상차를 가지며, 제2 포토 제어 신호(PG2)는 출력 광 신호와 270도의 위상차를 가질 수 있다. 따라서, 제2 프레임 주기 동안 포토 다이오드(PD)가 빛에 노출되는 제1 노출 시간(ex1) 및 제2 노출 시간(ex2) 각각은, 제1 프레임 주기 동안의 제1 노출 시간(ex1) 및 제2 노출 시간(ex2) 각각과 서로 다를 수 있다. 제2 프레임 주기 동안, 제1 노출 시간(ex1)은 제2 노출 시간(ex2)보다 길 수 있다.
노출 시간이 종료되면, 이미징 장치의 컨트롤러는 픽셀 어레이에 포함된 픽셀들로부터 픽셀 전압과 리셋 전압을 읽어올 수 있다. 일례로 이미징 장치의 컨트롤러는, 롤링 방식에 따라 픽셀에 연결된 제1 칼럼 라인과 제2 칼럼 라인 각각에서 픽셀 전압과 리셋 전압을 읽어오고, 그 차이를 계산할 수 있다. 픽셀 전압과 리셋 전압의 차이는 로우 데이터들로 이용될 수 있다.
이미징 장치의 컨트롤러는 제1 프레임 주기 및 제2 프레임 주기 각각에서 픽셀에 연결된 제1 칼럼 라인 및 제2 칼럼 라인을 통해 획득한 로우 데이터들을 이용하여 픽셀과 피사체까지의 거리를 판단할 수 있다. 또한 이미징 장치의 컨트롤러는, 픽셀들 각각과 피사체까지의 거리를 이용하여 깊이 맵을 생성할 수 있다. 일례로, 제1 프레임 주기 동안 제1 칼럼 라인과 제2 칼럼 라인 각각을 통해 출력되는 로우 데이터들을 A0, A2로 정의하고, 제2 프레임 주기 동안 제1 칼럼 라인과 제2 칼럼 라인 각각을 통해 출력되는 로우 데이터들을 A1, A3으로 정의할 경우, 픽셀과 피사체 사이의 거리 d는 다음과 같이 결정될 수 있다. 아래의 수학식 1에서 c는 빛의 속도, fm은 광원에 입력되는 광 제어 신호의 주파수일 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
도 9(a)와 도 9(b)는 각각 제1 프레임 주기와 제2 프레임 주기 동안 출력 광 신호와 수신 광 신호, 및 제1 포토 제어 신호(PG1)와 제2 포토 제어 신호(PG2)를 나타낸 도면일 수 있다. 도 8(a)와 도 8(b)에 도시한 일 실시예와 달리, 도 9(a)와 도 9(b)에 도시한 일 실시예에서는, 출력 광 신호와 제1 포토 제어 신호(PG1) 및 제2 포토 제어 신호(PG2) 사이에 위상차 에러(θ)가 나타날 수 있다. 일례로, 도 9(a)를 참조하면, 위상차 에러(θ)로 인해, 제1 포토 제어 신호(PG1)와 출력 광 신호의 위상차가 0도보다 클 수 있으며, 제2 포토 제어 신호(PG2)와 출력 광 신호의 위상차가 180도보다 클 수 있다. 따라서, 제1 프레임 주기와 제2 프레임 주기에서 나타나는 제1 노출 시간(ex1)과 제2 노출 시간(ex2) 역시, 위상차 에러(θ)가 없는 경우와 다르게 나타날 수 있다.
위상차 에러(θ)로 인해 제1 프레임 주기와 제2 프레임 주기 각각에서 나타나는 제1 노출 시간(ex1)과 제2 노출 시간(ex2)이 달라지므로, 픽셀과 피사체 사이의 거리 역시 정확하게 측정되지 않을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 위상차 에러(θ)를 검출하기 위한 위상차 검출 픽셀들을 픽셀 어레이에 배치하여 위상차 에러(θ)를 검출하고, 위상차 에러(θ)를 보상하기 위한 보상 데이터를 생성할 수 있다. 또는, 위상차 검출 픽셀들 없이, 픽셀들에 입력되는 제1 포토 제어 신호(PG1)와 제2 포토 제어 신호(PG2)를 두 번의 프레임 주기들 각각에서 시프트 시킴으로써 위상차 에러(θ)를 검출할 수도 있다.
다음으로 도 10(a)와 도 10(b)는 하나의 픽셀이 4개의 픽셀 회로들을 포함하는 이미지 센서에서, 위상차 에러(θ)의 유무에 따른 타이밍도일 수 있다. 도 10(a)는 위상차 에러(θ)가 존재하지 않는 경우에 대응하는 타이밍도일 수 있으며, 도 10(b)는 위상차 에러(θ)가 존재하는 경우에 대응하는 타이밍도일 수 있다.
도 10(a)와 도 10(b)를 참조하면, 이미지 센서에서 하나의 픽셀은 4개의 픽셀 회로들을 포함할 수 있다. 4개의 픽셀 회로들에 포함되는 제1 내지 제4 포토 트랜지스터들은 제1 내지 제4 포토 제어 신호들(PG1-PG4)을 입력받을 수 있다. 제1 내지 제4 포토 제어 신호들(PG1-PG4) 각각은 출력 광 신호와 소정의 위상차를 가질 수 있으며, 출력 광 신호보다 작은 듀티비를 가질 수 있다. 제1 포토 제어 신호(PG1)는 출력 광 신호와 0도의 위상차를 가지며, 제2 내지 제4 포토 제어 신호들(PG2-PG4) 각각은 제1 포토 제어 신호(PG1)와 90도, 180도, 270도의 위상차를 가질 수 있다. 일례로, 제1 내지 제4 포토 제어 신호들(PG1-PG4)의 듀티비는 출력 광 신호의 듀티비의 1/2일 수 있다.
먼저 도 10(a)를 참조하면, 제1 포토 제어 신호(PG1)의 턴-온 시간은 수신 광 신호가 포토 다이오드로 들어오는 시간과 중첩되지 않을 수 있다. 제2 내지 제4 포토 제어 신호들(PG2-PG4) 각각의 턴-온 시간은 수신 광 신호가 포토 다이오드로 들어오는 시간과 제2 내지 제4 노출 시간들(ex2-ex4) 각각만큼 중첩될 수 있다. 이미지 센서는 앞서 수학식 1을 참조하여 설명한 방법에 의해 픽셀과 피사체까지의 거리를 측정할 수 있다. 따라서, 한 번의 프레임 주기 동안 획득한 데이터들로 픽셀과 피사체까지의 거리를 측정할 수 있다.
도 10(b)에 도시한 일 실시예에서는, 위상차 에러(θ)가 존재할 수 있다. 따라서, 제1 내지 제4 포토 제어 신호들(PG1-PG4)의 턴-온 시간과 수신 광 신호의 중첩 여부가 도 10(a)에 도시한 일 실시예와 달라질 수 있다. 일례로, 도 10(b)에 도시한 일 실시예에서는 위상차 에러(θ)로 인해 제2 포토 제어 신호(PG2)와 제3 포토 제어 신호(PG3)의 턴-온 시간만 수신 광 신호가 포토 다이오드로 들어오는 시간과 중첩될 수 있다. 위상차 에러(θ)로 인해 이미지 센서가 검출하는 픽셀과 피사체 사이의 거리가 달라질 수 있으며, 깊이 맵에 에러가 나타날 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에서는, 위상차 에러(θ)를 검출하기 위한 위상차 검출 픽셀들을 이용하거나, 또는 포토 제어 신호들(PG1-PG4)을 두 번의 프레임 주기들 각각에서 시프트 시켜 픽셀들에 입력함으로써 위상차 에러(θ)를 검출할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면이다. 도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 위상차 검출 픽셀들을 나타낸 회로도들이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 클럭 드라이버(120), 리드아웃 회로(130), 연산 회로(140) 등을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 방향과 칼럼 방향을 따라 배치되는 복수의 픽셀들(111, 112)을 포함할 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(110)는 복수의 일반 픽셀들(111) 및 복수의 위상차 검출 픽셀들(112)을 포함할 수 있다. 일반 픽셀들(111)은 로우 방향 및 칼럼 방향을 따라 어레이 형태로 배치되며, 위상차 검출 픽셀들(112)은 로우 방향을 따라 배치될 수 있다. 위상차 검출 픽셀들(112)의 개수와 배치 형태는 실시예들에 따라 다양하게 달라질 수 있다.
예를 들어, 클럭 드라이버(120)는 복수의 포토 제어 라인들을 통해 복수의 픽셀들과 연결될 수 있다. 복수의 포토 제어 라인들은, 픽셀들 각각에 포토 제어 신호들을 입력하는 라인들일 수 있다. 리드아웃 회로(130)는 픽셀들의 선택 트랜지스터와 연결되는 복수의 칼럼 라인들을 통해 픽셀들과 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 위상차 검출 픽셀들(112)은 일반 픽셀들(111)과 다른 구조를 가질 수 있다. 이하, 도 12 및 도 13을 참조하여, 위상차 검출 픽셀들(112)을 설명하기로 한다.
먼저 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 위상차 검출 픽셀(DPX)은 제1 픽셀 회로(PC1)와 제2 픽셀 회로(PC2), 및 전하 회로(CC) 등을 포함할 수 있다. 제1 픽셀 회로(PC1)와 제2 픽셀 회로(PC2) 및 전하 회로(CC)는 픽셀 노드(PN)에 연결될 수 있다. 제1 픽셀 회로(PC1)와 제2 픽셀 회로(PC2)는 앞서 도 5를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다. 즉, 위상차 검출 픽셀(DPX)에 포함되는 픽셀 회로는, 일반 픽셀에 포함되는 픽셀 회로와 같은 구조를 가질 수 있다. 일례로, 제1 포토 트랜지스터(PX1)는 클럭 드라이버에 연결된 제1 포토 제어 라인을 통해 제1 포토 제어 신호(PG1)를 입력받고, 제2 포토 트랜지스터(PX2)는 클럭 드라이버에 연결된 제2 포토 제어 라인을 통해 제2 포토 제어 신호(PG2)를 입력받을 수 있다.
위상차 검출 픽셀(DPX)에서는, 픽셀 노드(PN)에 포토 다이오드 대신 전하 회로(CC)가 연결될 수 있다. 전하 회로(CC)는 픽셀 노드(PN)로 전하를 출력할 수 있다. 일례로, 전하 회로(CC)는 전하를 출력하는 전하 공급원(CS), 및 전하 공급원(CS)과 픽셀 노드(PN) 사이에 연결되는 스위치 소자(SW)를 포함할 수 있다. 스위치 소자(SW)는 스위치 제어 신호(SG)에 의해 턴-온/턴-오프될 수 있다.
다음으로 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 위상차 검출 픽셀(DPX)은 제1 내지 제4 픽셀 회로들(PC1-PC4)과 전하 회로(CC) 등을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 픽셀 회로들(PC1-PC4)과 전하 회로(CC)는 픽셀 노드(PN)에 연결될 수 있다. 제1 내지 제4 픽셀 회로들(PC1-PC4)은 앞서 도 6을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다. 위상차 검출 픽셀(DPX)의 픽셀 회로는, 포토 다이오드를 포함하는 일반 픽셀의 픽셀 회로와 같은 구조를 가질 수 있다.
전하 회로(CC)는 앞서 도 12를 참조하여 설명한 바와 같이 픽셀 노드(PN)에 전하를 공급할 수 있다. 전하 회로(CC)는 직렬로 연결되는 스위치 소자(SW)와 전하 공급원(CS)을 포함하며, 스위치 소자(SW)는 스위치 제어 신호(SG)에 의해 턴-온/턴-오프되어 전하 공급원(CS)이 출력하는 전하를 픽셀 노드(PN)에 공급할 수 있다.
도 12 및 도 13에 도시한 실시예들에서, 스위치 소자(SW)에 입력되는 스위치 제어 신호(SG)는 이미징 장치의 광원에 입력되는 광 제어 신호와 같은 신호일 수 있다. 이하, 도 14a 및 도 14b를 함께 참조하여, 위상차 검출 픽셀(DPX)의 동작을 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
도 14a 내지 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 위상차 검출 픽셀의 동작을 설명하기 위해 제공되는 타이밍도들이다.
도 14a 및 도 14b에 도시한 실시예들에서, 출력 광 신호는 PWM 방식으로 동작하는 광원이 출력하는 광 신호일 수 있으며, 광원에 입력되는 광 제어 신호와 같은 주기 및 듀티비를 가질 수 있다. 스위치 제어 신호(SG)는 광 제어 신호와 같은 신호일 수 있다. 따라서 출력 광 신호와 스위치 제어 신호(SG)가 같은 주기 및 듀티비를 가질 수 있으며, 출력 광 신호와 스위치 제어 신호(SG) 사이의 위상차는 0도일 수 있다.
도 14a를 참조하여 설명하는 일 실시예는, 이미징 장치의 광원에 입력되는 광 제어 신호와, 제1 포토 제어 신호(PG1) 및 제2 포토 제어 신호(PG2) 사이에 의도치 않은 위상차 에러가 발생하지 않는 이상적인 경우일 수 있다. 도 14a를 참조하면, 제1 프레임 주기 동안 제1 포토 제어 신호(PG1)는 광 제어 신호와 위상차가 0도인 신호일 수 있으며, 제2 포토 제어 신호(PG2)는 광 제어 신호와 위상차가 180도인 신호일 수 있다. 따라서 이상적인 경우, 제1 프레임 주기 동안 전하 공급원(CS)이 출력하는 전하는, 모두 제1 포토 트랜지스터(PX1)에 저장될 수 있다.
한편 제1 프레임 주기 다음의 제2 프레임 주기에서, 제1 포토 제어 신호(PG1)는 광 제어 신호와 90도의 위상차를 가질 수 있고, 제2 포토 제어 신호(PG2)는 광 제어 신호와 270도의 위상차를 가질 수 있다. 따라서 이상적인 경우, 제2 프레임 주기 동안 전하 공급원(CS)이 출력하는 전하는, 제1 포토 트랜지스터(PX1)와 제2 포토 트랜지스터(PX2)에 1/2씩 나눠서 저장될 수 있다.
한편, 도 14b를 참조하여 설명하는 일 실시예는, 이미징 장치의 광원에 입력되는 광 제어 신호와, 제1 포토 제어 신호(PG1) 및 제2 포토 제어 신호(PG2) 사이에 의도치 않은 위상차 에러(θ)가 발생하는 경우에 해당할 수 있다. 도 14b를 참조하면, 제1 프레임 주기 동안 제1 포토 제어 신호(PG1)와 광 제어 신호 사이에 위상차 에러(θ)만큼의 위상차가 나타날 수 있다. 위상차 에러(θ)에 의해, 제2 포토 제어 신호(PG2)와 광 제어 신호와 사이의 위상차는 180도+θ 일 수 있다. 따라서, 제1 프레임 주기 동안 전하 공급원(CS)이 출력하는 전하는, 제1 포토 트랜지스터(PX1)와 제2 포토 트랜지스터(PX2)에 나눠서 저장될 수 있다.
제1 프레임 주기 다음의 제2 프레임 주기에서, 제1 포토 제어 신호(PG1)는 광 제어 신호와 90도+θ의 위상차를 가질 수 있고, 제2 포토 제어 신호(PG2)는 광 제어 신호와 270도+θ의 위상차를 가질 수 있다. 따라서 도 14b에 도시한 일 실시예에서, 제2 프레임 주기 동안 전하 공급원(CS)이 출력하는 전하는, 제1 포토 트랜지스터(PX1)보다 제2 포토 트랜지스터(PX2)에 더 많이 저장될 수 있다.
결과적으로, 위상차 에러(θ)가 발생한 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하면, 위상차 검출 픽셀(DPX)에서 출력하는 데이터 간에 차이가 나타날 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미징 장치 및 이미지 센서는, 위상차 검출 픽셀(DPX)의 스위치 소자(SW)에, 광 제어 신호를 스위치 제어 신호(SG)로서 입력하고 위상차 검출 픽셀(DPX)에서 획득한 데이터를 이용함으로써, 위상차 에러(θ)의 발생 여부 및 그 크기 등을 검출할 수 있다. 위상차 에러(θ)가 검출되면, 클럭 드라이버는 위상차 에러(θ)를 상쇄할 수 있는 보상 값을 일반 픽셀(PX)에 입력되는 제1 포토 제어 신호(PG1)와 제2 포토 제어 신호(PG2)에 반영할 수 있다. 따라서, 위상차 에러(θ)를 제거하고 이미징 장치 및 이미지 센서의 성능을 개선할 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀들을 간단하게 나타낸 도면들이다. 일례로, 도 15a와 도 15b는 도 11에 도시한 이미지 센서(100)의 픽셀 어레이(110) 일부를 나타낸 도면들일 수 있다.
도 15a에 도시한 일 실시예에서, 픽셀 어레이(110)는 일반 픽셀(111)과 위상차 검출 픽셀(112)을 포함할 수 있다. 일반 픽셀(111)과 위상차 검출 픽셀(112)은 반도체 기판(113)에 형성될 수 있으며, 픽셀 분리막(DTI)에 의해 서로 분리될 수 있다. 일반 픽셀(111)과 위상차 검출 픽셀(112)은 공통적으로 회로 절연층(116), 광학 절연층(117) 및 마이크로 렌즈(119) 등을 포함할 수 있다.
도 15a에 도시한 일 실시예에서는 위상차 검출 픽셀(112)이 아닌 일반 픽셀(111)만이 포토 다이오드(PD)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 이와 달리 위상차 검출 픽셀(112)에도 포토 다이오드(PD)가 형성될 수 있다. 위상차 검출 픽셀(112)은 빛을 투과시키지 않는 불투명한 물질로 형성되는 광 차단층(118)을 포함하며, 광 차단층(118)은 위상차 검출 픽셀(112)로 입사하는 광 신호를 차단할 수 있다.
다음으로 도 15b를 참조하면, 픽셀 어레이(110A)의 위상차 검출 픽셀(112A)에는 마이크로 렌즈(119)와 광학 절연층(117)이 형성되지 않을 수 있다. 픽셀 어레이(110A)의 제조 공정에서, 반도체 기판(113)에 포토 다이오드(PD)와 픽셀 분리막(DTI)을 형성하고, 픽셀 회로들(114, 115)을 형성한 후, 위상차 검출 픽셀(112A)에 대응하는 영역에만 광 차단층(118A)을 형성할 수 있다. 이후 일반 픽셀(111)에 대응하는 영역에 광학 절연층(117)과 마이크로 렌즈(119)가 형성될 수 있다. 실시예들에 따라, 위상차 검출 픽셀(112A)에 포토 다이오드(PD)가 형성될 수도 있다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면들이다.
먼저 도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(200)는 픽셀 어레이(210), 클럭 드라이버(220), 리드아웃 회로(230), 연산 회로(240) 등을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(210)는 로우 방향과 칼럼 방향을 따라 배치되는 복수의 픽셀들(211, 212)을 포함할 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(210)는 복수의 일반 픽셀들(211) 및 복수의 위상차 검출 픽셀들(212)을 포함할 수 있다. 일반 픽셀들(211)은 로우 방향 및 칼럼 방향을 따라 어레이 형태로 배치되며, 위상차 검출 픽셀들(212)은 로우 방향을 따라 배치될 수 있다. 도 16에 도시한 일 실시예에서, 위상차 검출 픽셀들(212)은 픽셀 어레이(210)에서 최하단의 로우 라인을 따라 배치될 수 있다.
클럭 드라이버(220)와 리드아웃 회로(230) 및 연산 회로(240)의 동작은 앞서 도 11을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다. 일례로, 클럭 드라이버(220)는 포토 제어 라인들을 통해 픽셀들(211, 212) 각각에 칼럼 방향으로 포토 제어 신호들을 입력할 수 있다. 즉, 로우 방향으로 같은 위치에서 칼럼 방향을 따라 배열되는 픽셀들(211, 212)은, 같은 포토 제어 라인에 연결되며, 글로벌 셔터 동작의 노출 시간 동안 같은 포토 제어 신호를 입력받을 수 있다.
다음으로 도 17을 참조하면, 이미지 센서(300)의 픽셀 어레이(310)에서, 위상차 검출 픽셀들(312, 313)이 최상단의 로우 라인과 최하단의 로우 라인을 따라 배열될 수 있다. 일반 픽셀들(311)은 칼럼 방향에서 위상차 검출 픽셀들(312, 313) 사이에 배치될 수 있다. 클럭 드라이버(320), 리드아웃 회로(330), 연산 회로(340)의 동작은 앞서 설명한 바와 유사할 수 있다.
도 18을 참조하면, 이미지 센서(400)의 픽셀 어레이(410)에서, 위상차 검출 픽셀들(412)은 일반 픽셀들(411)로 둘러싸일 수 있으며, 서로 분리되어 배치될 수 있다. 클럭 드라이버(320), 리드아웃 회로(330), 연산 회로(340)의 동작은 앞서 설명한 바와 유사할 수 있다.
도 18에 도시한 일 실시예에서는, 포토 제어 라인들 중 일부가 위상차 검출 픽셀들(412)에 연결되지 않을 수 있다. 위상차 검출 픽셀들(412)과 연결되지 않는 포토 제어 라인들로 입력되는 포토 제어 신호의 위상차 에러를 보상하기 위해, 보간 방법을 이용할 수 있다. 도 18에 도시한 일 실시예에서는 위상차 검출 픽셀들(412)로부터 짝수번째 포토 제어 라인들에 입력되는 포토 제어 신호들의 위상차 에러를 획득할 수 있으며, 획득한 위상차 에러를 이용하여 홀수번째 포토 제어 라인들에 입력되는 포토 제어 신호들의 위상차 에러를 보간 방법으로 추정할 수 있다.
다음으로 도 19를 참조하면, 이미지 센서(500)의 픽셀 어레이(510)에서, 위상차 검출 픽셀들(512, 513)이 최상단에 위치한 두 개의 로우 라인들을 따라 배열될 수 있다. 일반 픽셀들(511)은 칼럼 방향에서 위상차 검출 픽셀들(512, 513)의 하단에 배치될 수 있다. 클럭 드라이버(520), 리드아웃 회로(530), 연산 회로(540)의 동작은 앞서 설명한 바와 유사할 수 있다.
도 19에 도시한 일 실시예에서, 위상차 검출 픽셀들(512, 513)에 입력되는 스위치 제어 신호는 이미지 센서(500)와 이미징 장치를 구성하는 광원에 입력되는 광 제어 신호일 수 있다. 실시예들에 따라, 스위치 제어 신호가 광 제어 신호가 아닌, 다른 신호일 수 있다. 일례로, 위상차 검출 픽셀들(512, 513) 각각에 입력되는 스위치 제어 신호는, 위상차 검출 픽셀들(512, 513)에 입력되는 포토 제어 신호들 중 하나일 수 있다.
위상차 검출 픽셀들(512, 513)에 입력되는 포토 제어 신호들 중 하나를 스위치 제어 신호로 이용하기 위하여, 로우 방향에서 서로 인접한 한 쌍의 위상차 검출 픽셀들은 하나의 그룹으로 그룹핑될 수 있다. 이하, 도 20 내지 도 23을 참조하여 더 자세히 설명하기로 한다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서 위상차 검출 픽셀들의 그룹핑 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 한편, 도 22 및 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 하나의 그룹에 포함되는 위상차 검출 픽셀들의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 20은 이미지 센서에서 위상차 검출 픽셀들이 적어도 하나의 로우 라인을 따라 연속적으로 배치되는 일 실시예에서의 그룹핑 방법을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 도 20(a)는 제1 프레임 주기 동안의 그룹핑 방법을, 도 20(b)는 제2 프레임 주기 동안의 그룹핑 방법에 대응하는 도면들일 수 있다.
먼저 도 20(a)를 참조하면, 첫번째 위상차 검출 픽셀(DPX0)과 마지막 위상차 검출 픽셀(DPXN-1)을 제외한 나머지 위상차 검출 픽셀들이 그룹핑될 수 있다. 로우 방향에서 인접한 한 쌍의 위상차 검출 픽셀들이 하나의 그룹으로 묶일 수 있으며, 위상차 검출 픽셀들의 개수가 N개일 경우, 제1 프레임 주기 동안 그룹의 개수는 (N/2-1)개일 수 있다.
다음으로 도 20(b)를 참조하면, 제2 프레임 주기 동안에는 모든 위상차 검출 픽셀들이 그룹핑될 수 있다. 따라서, 위상차 검출 픽셀들의 개수가 N개이면, 제2 프레임 주기 동안 그룹의 개수는 N/2 개일 수 있다. 도 20에 도시한 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 두 번의 프레임 주기 동안 위상차 에러를 검출하고 위상차 에러를 보상하기 위한 보상 데이터를 생성할 수 있다.
도 21은, 이미지 센서에서 위상차 검출 픽셀들이 두 개 이상의 로우 라인들을 따라 연속적으로 배치되는 일 실시예에서의 그룹핑 방법을 나타낸 도면일 수 있다. 도 20을 참조하면, 첫번째 로우 라인(ROW[0])에 포함되는 위상차 검출 픽셀들과, 두번째 로우 라인(ROW[1])에 포함되는 위상차 검출 픽셀들이 서로 다르게 그룹핑될 수 있다. 따라서, 도 21에 도시한 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 도 20에 도시한 일 실시예와 다르게 한 번의 프레임 주기만으로 위상차 에러를 검출하고 위상차 에러를 보상하기 위한 보상 데이터를 생성할 수 있다.
도 22는 하나의 그룹에 포함되는 제1 위상차 검출 픽셀(DPX1)과 제2 위상차 검출 픽셀(DPX2)을 나타낸 회로도일 수 있으며, 도 23은 제1 위상차 검출 픽셀(DPX1)과 제2 위상차 검출 픽셀(DPX2)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도일 수 있다. 도 22와 도 23에 도시한 일 실시예에서, 제1 위상차 검출 픽셀(DPX1)과 제2 위상차 검출 픽셀(DPX2) 각각의 제1 포토 제어 신호(PGA1)와 제2 포토 제어 신호(PGA2)는 서로 180도의 위상차를 가질 수 있다.
제1 위상차 검출 픽셀(DPX1)의 스위치 소자(SW1)와, 제2 위상차 검출 픽셀(DPX2)의 스위치 소자(SW2)는, 제1 위상차 검출 픽셀(DPX1)의 제1 포토 제어 신호(PGA1)를 스위치 제어 신호(SG1, SG2)로 입력받을 수 있다. 도 23에 도시한 바와 같이, 제1 위상차 검출 픽셀(DPX1)에 입력되는 포토 제어 신호들(PGA1, PGB1)과 제2 위상차 검출 픽셀(DPX2)에 입력되는 포토 제어 신호들(PGA2, PGB2) 사이에 위상차 에러(θ)가 존재하면, 제1 위상차 검출 픽셀(DPX1)과 제2 위상차 검출 픽셀(DPX2) 각각에서 획득하는 데이터가 서로 다를 수 있다.
따라서, 제1 위상차 검출 픽셀(DPX1)에 입력되는 포토 제어 신호들(PGA1, PGB1) 중 하나를 제1 위상차 검출 픽셀(DPX1) 및 제2 위상차 검출 픽셀(DPX2)에 스위치 제어 신호(SG1, SG2)로 입력함으로써, 위상차 에러(
Figure pat00003
)를 검출할 수 있다. 위상차 에러(
Figure pat00004
)는 제1 위상차 검출 픽셀(DPX1)에 연결된 포토 제어 라인과, 제2 위상차 검출 픽셀(DPX2)에 연결된 포토 제어 라인 사이의 에러일 수 있다.
다시 도 20을 참조하면, 이미지 센서에서 위상차 검출 픽셀들이 하나의 로우 라인(ROW[0])을 따라 배열되는 경우, 서로 인접한 칼럼 라인들 간의 위상차 에러를 검출하기 위해 두 번의 프레임 주기가 필요할 수 있다. 두 번의 프레임 주기들 각각에서, 위상차 검출 픽셀들은 서로 다른 방식으로 그룹핑될 수 있다. 한편, 도 21과 같이 위상차 검출 픽셀들이 두 개의 로우 라인들(ROW[0], ROW[1])을 따라 배열되면, 두 개의 로우 라인들(ROW[0], ROW[1]) 각각에서 위상차 검출 픽셀들을 서로 다르게 그룹핑함으로써 한 번의 프레임 주기만으로 서로 인접한 포토 제어 라인들 간의 위상차 에러를 검출할 수 있다. 서로 인접한 포토 제어 라인들 간의 위상차 에러를 검출하면, 포토 제어 라인들 중 하나를 기준 라인으로 선택하고, 기준 라인을 기준으로 각 포토 제어 라인에 대한 위상차 에러의 누적값을 연산함으로써 위상차 에러를 보정하는 데에 필요한 보상 데이터를 계산할 수 있다. 일례로 보상 데이터는, 이미지 센서의 연산 회로 또는 컨트롤 로직 등에 의해 계산될 수 있다. 컨트롤 로직은 보상 데이터에 기초하여, 클럭 드라이버가 각 포토 제어 라인에 입력하는 포토 제어 신호를 결정할 수 있다.
도 24 및 도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 일반 픽셀들을 이용한 위상차 검출 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 24 및 도 25를 참조하여 설명하는 일 실시예에서, 이미지 센서(600)는 픽셀 어레이(610), 클럭 드라이버(620), 칼럼 선택 회로(625), 리드아웃 회로(630), 연산 회로(640) 등을 포함할 수 있다. 이미지 센서(600)의 픽셀 어레이(610)는 위상차 검출 픽셀들을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 픽셀 어레이(610)는 일반 픽셀들만을 포함할 수 있다. 도 24와 도 25는, 연속적인 제1 프레임 주기와 제2 프레임 주기 각각에서 이미지 센서(600)의 동작을 설명하기 위한 도면들일 수 있다.
픽셀 어레이(610)는 픽셀들에 연결되는 복수의 포토 제어 라인들을 포함하며, 복수의 포토 제어 라인들은 클럭 드라이버(620)의 출력단과 연결되어 클럭 신호들을 입력받을 수 있다. 클럭 신호들은, 픽셀들의 노출 시간 동안, 포토 트랜지스터를 턴-온 및 턴-오프시켜 포토 다이오드가 생성하는 전하를 포토 트랜지스터에 저장하기 위한 포토 제어 신호일 수 있다. 따라서 하나의 픽셀에는 한 쌍의 포토 제어 라인들이 연결될 수 있으며, 한 쌍의 포토 제어 라인들에 입력되는 클럭 신호들은 90도 또는 180도의 위상차를 가질 수 있다.
서로 다른 칼럼 라인들에 입력되는 포토 제어 신호들 사이에는 위상차가 존재할 수 있다. 먼저 도 24를 참조하면, 제1 프레임 주기 동안 포토 제어 라인들 각각은, 포토 제어 라인들에 대응하는 클럭 드라이버(620)의 출력단에 연결될 수 있다. 일례로, 제1 포토 제어 라인은 클럭 드라이버(620)의 제1 출력단에 연결되고, 제2 포토 제어 라인은 클럭 드라이버(620)의 제2 출력단에 연결될 수 있다.
클럭 드라이버(620)의 출력단들 각각에서 출력되는 클럭 신호들은 소정의 위상차를 가질 수 있다. 일례로, 제1 포토 제어 라인과 제2 포토 제어 라인 사이에는 위상차 d1이 존재할 수 있다. 위상차 d1은, 클럭 드라이버(620)의 제1 출력단에서 출력되는 제1 클럭 신호와, 클럭 드라이버(620)의 제2 출력단에서 출력되는 제2 클럭 신호 사이의 위상차일 수 있다. 유사하게, 제2 클럭 신호와 제3 클럭 신호 사이에는 위상차 d2가 존재할 수 있으며, 제1 클럭 신호와 제3 클럭 신호 사이의 위상차는 d1+d2 로 결정될 수 있다.
다음으로 도 25를 참조하면, 제2 프레임 주기 동안 칼럼 선택 회로(625)에 의해, 클럭 드라이버(620)의 출력단들이 하나씩 시프트되어 포토 제어 라인들에 입력될 수 있다. 제1 프레임 주기에서 클럭 드라이버(620)의 n번째 출력단에 연결되는 n번째 포토 제어 라인은, 제2 프레임 주기에서 클럭 드라이버(620)의 n-1번째 출력단에 연결될 수 있다. 제2 프레임 주기에서 제1 포토 제어 라인은 클럭 드라이버(620)의 출력단에 연결되지 않으며, 따라서 제1 포토 제어 라인과 연결된 픽셀들은 더미 픽셀로 설정될 수 있다.
제2 포토 제어 라인은 제1 프레임 주기 동안 클럭 드라이버(620)의 제2 출력단에 연결되고, 제2 프레임 주기 동안 클럭 드라이버(620)의 제1 출력단에 연결될 수 있다. 클럭 드라이버(620)의 제1 출력단과 제2 출력단에서 출력되는 제1 클럭 신호와 제2 클럭 신호의 위상차는 d1일 수 있다. 마찬가지로, 제1 프레임 주기 및 제2 프레임 주기에서 제3 포토 제어 라인은 클럭 드라이버(620)의 제3 출력단 및 제2 출력단에 각각 연결될 수 있다. 클럭 드라이버(620)의 제2 출력단과 제3 출력단에서 출력되는 제2 클럭 신호와 제3 클럭 신호의 위상차는 d2일 수 있다. 연산 회로(640)는 제1 프레임 주기에서 획득한 데이터와, 제2 프레임 주기에서 획득한 데이터의 차이를 계산함으로써, 클럭 드라이버(620)가 출력단들을 통해 출력하는 클럭 신호들, 예를 들어 포토 제어 신호들 사이의 위상차를 계산할 수 있다.
도 24 및 도 25에 도시한 일 실시예에서는 위상차 에러를 검출하기 위해 두 번의 프레임 주기가 필요할 수 있다. 위상차 에러를 검출하기 위한 두 번의 프레임 주기는, 이미지 센서(600)가 웨이크업 모드(wakeup mode)로 전환되는 동작 초기로 설정되거나, 또는 이미지 센서(600)의 동작 중에 소정의 주기마다 삽입될 수 있다. 일 실시예로, 소정의 주기마다 두 번의 프레임 주기를 할당하여 위상차 에러를 검출함으로써, 온도 및 회로 소자들의 문턱 전압 변화에 따른 위상차 에러 변화를 보상할 수 있으며, 이미지 센서(600)의 성능을 최적화할 수 있다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 26에 도시한 실시예에 따른 컴퓨터 장치(1000)는 디스플레이(1010), 이미지 센서(1020), 메모리(1030), 프로세서(1040), 및 포트(1050) 등을 포함할 수 있다. 이외에 컴퓨터 장치(1000)는 유무선 통신 장치, 전원 장치 등을 더 포함할 수 있다. 도 26에 도시된 구성 요소 가운데, 포트(1050)는 컴퓨터 장치(1000)가 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하기 위해 제공되는 장치일 수 있다. 컴퓨터 장치(1000)는 일반적인 데스크톱 컴퓨터나 랩톱 컴퓨터 외에 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 웨어러블 기기 등을 모두 포괄하는 개념일 수 있다.
프로세서(1040)는 특정 연산이나 명령어 및 태스크 등을 수행할 수 있다. 프로세서(1040)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 마이크로프로세서 유닛(MCU), 시스템 온 칩(SoC) 등일 수 있으며, 버스(1060)를 통해 디스플레이(1010), 센서부(1020), 메모리 장치(1030)는 물론, 포트(1050)에 연결된 다른 장치들과 통신할 수 있다.
메모리(1030)는 컴퓨터 장치(1000)의 동작에 필요한 데이터, 또는 멀티미디어 데이터 등을 저장하는 저장 매체일 수 있다. 메모리(1030)는 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 휘발성 메모리나, 또는 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 또한 메모리(1030)는 저장장치로서 솔리드 스테이트 드라이브(SSD), 하드 디스크 드라이브(HDD), 및 광학 드라이브(ODD) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 이미지 센서(1020)는 이미지 센서는 도 1 내지 도 25를 참조하여 설명한 다양한 실시예들에 따른 형태로 컴퓨터 장치(1000)에 채용될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
1, 10: 이미징 장치
2, 50: 광원
3, 5, 5A, 100, 200, 300, 400, 500, 600: 이미지 센서
30, 110, 210, 310, 410, 510, 610: 픽셀 어레이
21, 120, 220, 320, 420, 520, 620: 클럭 드라이버
22, 130, 230, 330, 430, 530, 630: 리드아웃 회로
23, 140, 240, 340, 440, 540, 640: 연산 회로

Claims (20)

  1. 광 제어 신호에 의해 동작하는 광원; 및
    복수의 픽셀들을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 각각은 전하에 기초하여 전기 신호를 생성하는 픽셀 회로를 포함하는 픽셀 어레이; 를 포함하고,
    상기 복수의 픽셀들 중 일반 픽셀들은, 상기 광원이 출력하고 피사체에서 반사된 수신 광 신호에 반응하여 상기 전하를 생성하는 포토 다이오드를 포함하고,
    상기 복수의 픽셀들 중 위상차 검출 픽셀들은, 상기 전하를 출력하는 전하 공급원, 및 스위치 제어 신호에 의해 온/오프되어 상기 픽셀 회로에 상기 전하를 공급하는 스위치 소자를 포함하는 이미징 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 회로는 상기 전하를 입력받는 픽셀 노드를 포함하고,
    상기 일반 픽셀들에서 상기 포토 다이오드가 상기 픽셀 노드에 연결되고, 상기 위상차 검출 픽셀들에서 상기 스위치 소자의 일단이 상기 픽셀 노드에 연결되는 이미징 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이에서 상기 일반 픽셀들은 로우(row) 방향 및 상기 로우 방향과 교차하는 칼럼(column) 방향을 따라 어레이 형태로 배치되고,
    상기 위상차 검출 픽셀들은 상기 로우 방향을 따라 배치되는 이미징 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 위상차 검출 픽셀들은 상기 칼럼 방향에서 제1 위치에 배치되는 이미징 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 위상차 검출 픽셀들은 상기 칼럼 방향에서 제1 위치 및 상기 제1 위치에 인접한 제2 위치에 배치되는 이미징 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 위상차 검출 픽셀들은 상기 칼럼 방향에서 제1 위치 및 상기 제1 위치와 분리되는 제2 위치에 배치되는 이미징 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이에서 상기 일반 픽셀들은 로우(row) 방향 및 상기 로우 방향과 교차하는 칼럼(column) 방향을 따라 어레이 형태로 배치되고,
    상기 위상차 검출 픽셀들은, 서로 분리 배치되며 상기 일반 픽셀들 중 일부에 의해 둘러싸이는 이미징 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어 신호는 상기 광 제어 신호와 같은 이미징 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 회로는 서로 같은 구조를 갖는 제1 픽셀 회로와 제2 픽셀 회로를 갖고, 상기 제1 픽셀 회로는 제1 포토 제어 신호에 의해 제어되는 제1 포토 게이트를 포함하고, 상기 제2 픽셀 회로는 상기 제1 포토 제어 신호와 180도의 위상차를 갖는 제2 포토 제어 신호에 의해 제어되는 제2 포토 게이트를 포함하며,
    상기 제1 포토 게이트가 턴-온되면 상기 전하는 상기 제1 픽셀 회로에 입력되고, 상기 제2 포토 게이트가 턴-온되면 상기 전하는 상기 제2 픽셀 회로에 입력되는 이미징 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스위치 제어 신호는 상기 제1 포토 제어 신호 및 상기 제2 포토 제어 신호 중 하나와 같은 이미징 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 위상차 검출 픽셀들은 로우 방향을 따라 배치되고,
    상기 위상차 검출 픽셀들 중에서 상기 로우 방향으로 인접한 제1 위상차 검출 픽셀 및 제2 위상차 검출 픽셀은 하나의 그룹으로 그룹핑되는 이미징 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 위상차 검출 픽셀의 상기 스위치 제어 신호와 상기 제2 위상차 검출 픽셀의 상기 스위치 제어 신호는, 상기 제1 위상차 검출 픽셀의 제1 포토 제어 신호 및 제2 포토 제어 신호 중 하나와 같은 이미징 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 위상차 검출 픽셀들 중 일부는 상기 로우 방향과 교차하는 칼럼 방향에서 제1 위치에 배치되고, 나머지는 상기 칼럼 방향에서 상기 제1 위치와 인접한 제2 위치에 배치되며,
    상기 제1 위치에 배치된 상기 위상차 검출 픽셀들과, 상기 제2 위치에 배치된 상기 위상차 검출 픽셀들은 서로 다르게 그룹핑되는 이미징 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 위상차 검출 픽셀들로부터 획득한 데이터를 이용하여, 상기 제1 포토 제어 신호와 상기 제2 포토 제어 신호의 위상차 에러를 보정하는 컨트롤 로직; 을 더 포함하는 이미징 장치.
  15. 복수의 픽셀들을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 중 적어도 일부는 픽셀 노드에 연결되는 제1 포토 게이트를 갖는 제1 픽셀 회로, 상기 픽셀 노드에 연결되는 제2 포토 게이트를 갖는 제2 픽셀 회로, 상기 픽셀 노드에 연결되는 스위치 소자, 및 상기 스위치 소자에 연결되는 전하 공급원을 갖는 픽셀 어레이; 및
    상기 제1 포토 게이트에 제1 포토 제어 신호를 입력하고, 상기 제2 포토 게이트에 상기 제1 포토 제어 신호와 180도의 위상차를 갖는 제2 포토 제어 신호를 입력하며, 상기 스위치 소자를 턴-온 및 턴-오프시켜 상기 픽셀 노드에 전하를 공급하는 컨트롤러; 를 포함하는 이미지 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 광 신호를 출력하는 광원을 구동하기 위한 광 제어 신호를 생성하며, 상기 광 제어 신호를 스위치 제어 신호로서 상기 스위치 소자에 입력하는 이미지 센서.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 제1 포토 제어 신호와 상기 제2 포토 제어 신호 중 하나를, 스위치 제어 신호로서 상기 스위치 소자에 입력하는 이미지 센서.
  18. 제1 포토 제어 라인을 따라 배치되는 제1 픽셀들, 및 제2 포토 제어 라인을 따라 배치되는 제2 픽셀들을 포함하며, 상기 제1 픽셀들과 상기 제2 픽셀들 각각은 전하를 생성하는 포토 다이오드, 및 상기 전하를 이용하여 전기 신호를 생성하는 픽셀 회로를 포함하는 픽셀 어레이;
    제1 클럭 신호를 출력하는 제1 출력단, 및 제2 클럭 신호를 출력하는 제2 출력단을 갖는 클럭 드라이버; 및
    제1 프레임 주기 동안 상기 제2 출력단을 상기 제2 포토 제어 라인에 연결하고, 상기 제1 프레임 주기 다음의 제2 프레임 주기 동안 상기 제1 출력단을 상기 제2 포토 제어 라인에 연결하며, 상기 제1 프레임 주기 및 상기 제2 프레임 주기에서 획득한 데이터들에 기초하여 상기 제1 포토 제어 라인 및 상기 제2 포토 제어 라인으로 입력되는 클럭 신호의 위상을 보정하는 컨트롤러; 를 포함하는 이미지 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 제1 프레임 주기, 및 상기 제2 프레임 주기 다음의 제3 프레임 주기 동안, 상기 제1 출력단을 상기 제1 포토 제어 라인에 연결하고, 상기 제2 출력단을 상기 제2 포토 제어 라인에 연결하는 이미지 센서.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 컨트롤러의 명령에 응답하여, 상기 제1 출력단과 상기 제2 출력단 중 하나를 상기 제2 픽셀들에 연결하는 칼럼 선택 회로; 를 더 포함하는 이미지 센서.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220136709A (ko) * 2021-04-01 2022-10-11 주식회사 솔리드뷰 이미지 센서 및 이를 포함하는 이미지 처리 장치

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021030034A1 (en) 2019-08-15 2021-02-18 Apple Inc. Depth mapping using spatial multiplexing of illumination phase
WO2021034409A1 (en) * 2019-08-20 2021-02-25 Apple Inc. Depth sensor with interlaced sampling structure
KR20210105056A (ko) * 2020-02-18 2021-08-26 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센서 및 이를 포함하는 촬영 장치
US11763472B1 (en) 2020-04-02 2023-09-19 Apple Inc. Depth mapping with MPI mitigation using reference illumination pattern
WO2021252153A1 (en) 2020-06-11 2021-12-16 Apple Inc. Global-shutter image sensor with time-of-flight sensing capability
US11754718B2 (en) * 2020-07-30 2023-09-12 Microsoft Technology Licensing, Llc Time of flight imaging using long and short-exposure storage nodes
KR20220075016A (ko) * 2020-11-26 2022-06-07 삼성전자주식회사 이미징 장치
KR20220081522A (ko) * 2020-12-09 2022-06-16 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센서
DE102022124675A1 (de) 2022-09-26 2024-03-28 Ifm Electronic Gmbh PMD-Sensor mit mehreren Halbleiterebenen

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10210370A (ja) * 1997-01-28 1998-08-07 Sharp Corp 固体撮像装置
JP2005235893A (ja) * 2004-02-18 2005-09-02 National Univ Corp Shizuoka Univ 光飛行時間型距離センサ
KR20150054568A (ko) * 2013-11-12 2015-05-20 삼성전자주식회사 깊이 센서, 및 이의 동작 방법
KR20160005573A (ko) * 2014-07-07 2016-01-15 삼성전자주식회사 이미지 센서, 이를 포함하는 이미지 처리 시스템, 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6580496B2 (en) 2000-11-09 2003-06-17 Canesta, Inc. Systems for CMOS-compatible three-dimensional image sensing using quantum efficiency modulation
EP1612511B1 (en) 2004-07-01 2015-05-20 Softkinetic Sensors Nv TOF rangefinding with large dynamic range and enhanced background radiation suppression
US7741589B2 (en) * 2006-05-04 2010-06-22 Micron Technology, Inc. Method and apparatus providing multiple transfer gate control lines per pixel for automatic exposure control
JP5171158B2 (ja) 2007-08-22 2013-03-27 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置及び距離画像測定装置
WO2010144616A1 (en) 2009-06-09 2010-12-16 Mesa Imaging Ag System for charge-domain electron subtraction in demodulation pixels and method therefor
US8587771B2 (en) 2010-07-16 2013-11-19 Microsoft Corporation Method and system for multi-phase dynamic calibration of three-dimensional (3D) sensors in a time-of-flight system
KR101812035B1 (ko) * 2010-11-30 2017-12-26 삼성전자 주식회사 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서, 이미지 센서의 동작 방법 및 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템
KR101788032B1 (ko) * 2011-03-24 2017-10-19 삼성전자주식회사 깊이 센서, 상기 깊이 센서의 깊이 정보 에러 보상 방법, 및 상기 깊이 센서를 포함하는 신호 처리 시스템
EP2803090B1 (en) 2012-01-10 2016-05-25 Softkinetic Sensors N.V. Multispectral sensor
KR101848771B1 (ko) 2012-02-08 2018-05-28 삼성전자주식회사 3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 휴대용 장치
KR20130098040A (ko) * 2012-02-27 2013-09-04 삼성전자주식회사 깊이 이미지를 자동으로 캘리브레이션하는 이미지 시스템
KR101977711B1 (ko) * 2012-10-12 2019-05-13 삼성전자주식회사 깊이 센서, 이의 이미지 캡쳐 방법, 및 상기 깊이 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템
KR102028124B1 (ko) 2013-05-24 2019-10-02 삼성전자주식회사 위상차 초점검출 가능한 촬상소자
TWI623232B (zh) * 2013-07-05 2018-05-01 Sony Corp 固體攝像裝置及其驅動方法以及包含固體攝像裝置之電子機器
US9250714B2 (en) 2013-11-27 2016-02-02 Intersil Americas LLC Optical proximity detectors
US9977512B2 (en) 2014-10-24 2018-05-22 Intersil Americas LLC Open loop correction for optical proximity detectors
KR102272254B1 (ko) * 2015-02-13 2021-07-06 삼성전자주식회사 위상 검출 픽셀을 이용하여 깊이 맵을 생성하기 위한 영상 생성 장치
JP6558122B2 (ja) 2015-07-30 2019-08-14 株式会社デンソー 光飛行型測距装置
US20170041589A1 (en) 2015-08-06 2017-02-09 Texas Instruments Incorporated Non-linearity correction in phase-to-depth conversion in 3d time of flight systems
JP6559021B2 (ja) * 2015-09-02 2019-08-14 キヤノン株式会社 撮像装置およびその制御プログラム
JP6762710B2 (ja) * 2015-12-14 2020-09-30 キヤノン株式会社 撮像装置及びその制御方法
US10236400B2 (en) 2016-02-01 2019-03-19 Heptagon Micro Optics Pte. Ltd. Quantum dot film based demodulation structures
EP3414599B1 (en) 2016-02-08 2019-12-18 Denso Corporation Time-of-flight distance measuring device and method for detecting multipath error
JP6693783B2 (ja) 2016-03-24 2020-05-13 株式会社トプコン 距離測定装置およびその校正方法
JP2017198477A (ja) * 2016-04-25 2017-11-02 スタンレー電気株式会社 距離画像生成装置
US10598783B2 (en) 2016-07-07 2020-03-24 Microsoft Technology Licensing, Llc Multi-frequency unwrapping
US10641869B2 (en) 2016-07-29 2020-05-05 Texas Instruments Incorporated Resonant illumination driver in an optical distance measurement system
US10440301B2 (en) * 2017-09-08 2019-10-08 Apple Inc. Image capture device, pixel, and method providing improved phase detection auto-focus performance
KR102624984B1 (ko) * 2018-03-21 2024-01-15 삼성전자주식회사 ToF 센서와 이를 이용한 3차원 영상 장치 및 3차원 영상 장치의 구동 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10210370A (ja) * 1997-01-28 1998-08-07 Sharp Corp 固体撮像装置
JP2005235893A (ja) * 2004-02-18 2005-09-02 National Univ Corp Shizuoka Univ 光飛行時間型距離センサ
KR20150054568A (ko) * 2013-11-12 2015-05-20 삼성전자주식회사 깊이 센서, 및 이의 동작 방법
KR20160005573A (ko) * 2014-07-07 2016-01-15 삼성전자주식회사 이미지 센서, 이를 포함하는 이미지 처리 시스템, 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220136709A (ko) * 2021-04-01 2022-10-11 주식회사 솔리드뷰 이미지 센서 및 이를 포함하는 이미지 처리 장치

Also Published As

Publication number Publication date
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