KR20210002966A - 이미지 센서 및 그것의 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예에 따른 복수의 조도 범위의 이미지 신호를 센싱하기 위한 이미지 센서는, 제 1 서브 픽셀 및 제 2 서브 픽셀을 포함하는 제 1 단위 픽셀, 제 3 서브 픽셀 및 제 4 서브 픽셀을 포함하는 제 2 단위 픽셀, 제 1 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 1 서브 픽셀 및 상기 제 4 서브 픽셀로부터 제 1 센싱 신호 및 제 4 센싱 신호를 생성하도록, 상기 제 1 광 집적 시간보다 짧은 제 2 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 2 서브 픽셀 및 상기 제 3 서브 픽셀로부터 제 2 센싱 신호 및 제 4 센싱 신호를 생성하도록 제어하는 타이밍 컨트롤러, 그리고 상기 제 1 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호, 또는 상기 제 2 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호에 대해 평균화 연산을 적용하는 아날로그-디지털 컨버터를 포함한다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 하이 다이나믹 레인지(High Dynamic Range) 모드를 제공하는 이미지 센서 및 그것의 구동 방법에 관한 것이다.
이미지 센서의 품질을 나타내는 데 있어, 중요한 판단 기준이 되는 것 중에 하나가 다이나믹 레인지(Dynamic Range)이다. 다이나믹 레인지는 일반적으로 입력 신호를 왜곡하지 않으면서 신호를 처리할 수 있는 최대 범위를 나타낸다. 이미지 센서의 경우에는 다이나믹 레인지가 넓을수록 넓은 조도 범위에서 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
일반적으로 이미지 센서는 다이나믹 레인지가 좁아 특정 칼라에 대한 포화 상태가 되면, 이미지 원래의 색을 잘 표현하지 못하는 한계가 있다. 이러한 다이나믹 레인지가 좁은 단점을 극복하기 위하여 하이 다이나믹 레인지(High Dynamic Range: 이하, HDR) 픽셀을 구현하기 위한 다양한 기술들이 시도되고 있다. 예를 들면, 이미지 센서에서 광 집적 시간을 조절하면서 하이 다이나믹 레인지(HDR)를 구현하도록 하는 기술이나 플로팅 확산 영역(Floating Diffusion: 이하, FD)의 용량을 증가시키는 방법 등이 있다.
하지만, 상술한 기술들을 이미지 센서에 구현하는 경우에는 상대적으로 큰 면적이 필요하거나, 이미지 센서의 프레임율 저하가 발생하게 된다. 따라서, 하이 다이나믹 레인지(HDR)를 구현하면서도 높은 프레임율을 제공할 수 있는 기술이 절실한 실정이다.
본 발명의 목적은 프레임율 저하없이 다양한 조도에서의 센싱이 가능한 이미지 센서 및 그것의 구동 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 복수의 조도 범위의 이미지 신호를 센싱하기 위한 이미지 센서는, 제 1 서브 픽셀 및 제 2 서브 픽셀을 포함하는 제 1 단위 픽셀, 제 3 서브 픽셀 및 제 4 서브 픽셀을 포함하는 제 2 단위 픽셀, 제 1 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 1 서브 픽셀 및 상기 제 4 서브 픽셀로부터 제 1 센싱 신호 및 제 4 센싱 신호를 생성하도록, 상기 제 1 광 집적 시간보다 짧은 제 2 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 2 서브 픽셀 및 상기 제 3 서브 픽셀로부터 제 2 센싱 신호 및 제 4 센싱 신호를 생성하도록 제어하는 타이밍 컨트롤러, 그리고 상기 제 1 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호, 또는 상기 제 2 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호에 대해 평균화 연산을 적용하는 아날로그-디지털 컨버터를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단위 칼라 픽셀에 제 1 내지 제 4 서브 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 구동 방법은, 제 1 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 1 서브 픽셀 및 상기 제 2 서브 픽셀로부터 각각 제 1 센싱 신호 및 제 2 센싱 신호를 샘플링하는 단계, 상기 제 1 광 집적 시간보다 짧은 제 2 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 3 서브 픽셀 및 상기 제 4 서브 픽셀로부터 각각 제 3 센싱 신호 및 제 4 센싱 신호를 샘플링하는 단계, 그리고 상기 제 1 센싱 신호와 상기 제 2 센싱 신호를 평균화 연산으로 처리하고, 상기 제 3 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호를 상기 평균화 연산으로 처리하는 단계를 포함하되, 상기 제 1 서브 픽셀과 상기 제 4 서브 픽셀은 제 1 전하 검출 노드를 공유하고, 상기 제 2 서브 픽셀과 상기 제 3 서브 픽셀은 제 2 전하 검출 노드를 공유한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복수의 조도 범위의 이미지 신호를 센싱하기 위한 이미지 센서는, 제 1 전하 검출 노드를 공유하는 제 1 내지 제 3 서브 픽셀들을 포함하는 제 1 단위 픽셀, 제 2 전하 검출 노드를 공유하는 제 4 내지 제 6 서브 픽셀들을 포함하는 제 2 단위 픽셀, 그리고 제 3 전하 검출 노드를 공유하는 제 7 내지 제 9 서브 픽셀들을 포함하는 제 3 단위 픽셀을 포함하되, 상기 제 1 내지 제 3 단위 픽셀들 각각은 상기 제 1 전하 검출 노드, 상기 제 2 전하 검출 노드, 그리고 상기 제 3 전하 검출 노드를 사용하여 개별적으로 센싱 신호들을 출력한다.
이상과 같은 본 발명의 실시 예에 따르면, 프레임율의 저하 또는 해상도의 저하를 최소화할 수 있는 하이 다이나믹 레인지(HDR) 이미지를 제공할 수 있는 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 단위 칼라 픽셀(UCP)을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 단위 픽셀들의 구조를 보여주는 회로도들이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 단위 칼라 픽셀의 하이 다이나믹 레인지 구현을 위한 제어 방법을 보여주는 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 HDR 센싱 방법을 보여주는 순서도이다.
도 6a, 도 6b, 그리고 도 6c는 도 5의 고조도 모드, 중조도 모드, 그리고 저조도 모드 센싱을 각각 설명하는 순서도들이다.
도 7은 본 발명의 단위 칼라 픽셀로부터 센싱된 이미지 신호를 처리하는 다른 실시 예를 보여주는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 단위 칼라 픽셀로부터 센싱된 이미지 신호를 처리하는 또 다른 실시 예를 보여주는 블록도이다.
도 9는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀(UCP)의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 10a 내지 도 10b는 도 9에 도시된 단위 픽셀들의 구조를 보여주는 회로도들이다.
도 11은 도 10a 및 도 10b에 도시된 2×2 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀의 HDR 센싱을 위한 제어 방법을 보여주는 타이밍도이다.
도 12는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 단위 픽셀들의 구조를 보여주는 회로도들이다.
도 14는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 15는 도 14에 도시된 단위 픽셀들의 구조를 예시적으로 보여주는 회로도들이다.
도 2는 도 1의 단위 칼라 픽셀(UCP)을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 단위 픽셀들의 구조를 보여주는 회로도들이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 단위 칼라 픽셀의 하이 다이나믹 레인지 구현을 위한 제어 방법을 보여주는 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 HDR 센싱 방법을 보여주는 순서도이다.
도 6a, 도 6b, 그리고 도 6c는 도 5의 고조도 모드, 중조도 모드, 그리고 저조도 모드 센싱을 각각 설명하는 순서도들이다.
도 7은 본 발명의 단위 칼라 픽셀로부터 센싱된 이미지 신호를 처리하는 다른 실시 예를 보여주는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 단위 칼라 픽셀로부터 센싱된 이미지 신호를 처리하는 또 다른 실시 예를 보여주는 블록도이다.
도 9는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀(UCP)의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 10a 내지 도 10b는 도 9에 도시된 단위 픽셀들의 구조를 보여주는 회로도들이다.
도 11은 도 10a 및 도 10b에 도시된 2×2 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀의 HDR 센싱을 위한 제어 방법을 보여주는 타이밍도이다.
도 12는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 단위 픽셀들의 구조를 보여주는 회로도들이다.
도 14는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 15는 도 14에 도시된 단위 픽셀들의 구조를 예시적으로 보여주는 회로도들이다.
앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조 부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다.
이하에서는, 이미지 센서(Image Sensor)가 본 발명의 특징 및 기능을 설명하기 위한 예로서 사용될 것이다. 하지만, 이 기술 분야에 정통한 사람은 여기에 기재된 내용에 따라 본 발명의 다른 이점들 및 성능을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시 예들을 통해 또한, 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고 관점 및 응용에 따라 수정되거나 변경될 수 있다.
도 1은 본 발명의 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 행 디코더(120), 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 130), 출력 버퍼(140), 그리고 타이밍 컨트롤러(150)를 포함한다.
픽셀 어레이(110)는 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀 센서(Pixel Sensor)들을 포함한다. 각각의 픽셀 센서들은 광신호를 전기적 신호로 변환한다. 픽셀 어레이(110)는 행 디코더(120)로부터 선택 신호(SEL), 리셋 신호(RG) 및 전송 신호(TG)와 같은 센서 구동 신호들에 의해 제어될 수 있다. 또한, 센서 구동 신호들에 응답하여 각각의 픽셀 센서들에 의해서 센싱된 전기적 신호는 복수의 칼럼 라인들(CLm)을 통해서 아날로그-디지털 컨버터(130)에 제공된다.
픽셀 어레이(110)에 포함되는 복수의 픽셀 센서들은 블루(B), 그린(G1, G2), 레드(R) 칼라를 각각 센싱하기 위한 단위 픽셀 그룹(UPG)들을 포함한다. 단위 픽셀 그룹(UPG)은 각각의 칼라를 센싱하기 위한 단위 칼라 픽셀(UCP)을 포함할 것이다. 단위 칼라 픽셀(UCP)들 각각은 대응하는 칼라를 선택적으로 투과할 수 있는 칼라 필터를 포함할 수 있다. 칼라 필터가 레드, 그린 및 블루 칼라를 센싱하는 필터들을 포함하는 예가 도시되었으나, 이는 하나의 실시 예에 불과함은 잘 이해될 것이다. 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.
단위 칼라 픽셀(UCP) 각각은 복수의 단위 픽셀(UP)들을 포함한다. 그리고 하나의 단위 픽셀(UP)은 복수의 서브 픽셀(SP)들을 포함한다. 하나의 단위 픽셀(UP)은 하나의 전하 검출 노드(예를 들면, Floating Diffusion Region)을 공유하는 복수의 광전 변환 소자들을 포함한다. 광전 변환 소자들 각각이 하나의 서브 픽셀(SP)에 대응할 것이다. 본 발명의 단위 칼라 픽셀(UCP) 구조에 따르면, 하이 다이나믹 레인지(High Dynamic Range: 이하, HDR) 모드에서, 하나의 단위 칼라 픽셀(UCP)로부터 동일 광 집적 시간(Effective Integration Time: 이하, EIT)에 대응하는 복수의 센싱 신호들을 획득할 수 있다. 즉, 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드의 구현을 위해 단위 칼라 픽셀(UCP)을 구성하는 단위 픽셀들(UPs) 각각이 동시에 센싱 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 단위 칼라 픽셀(UCP)에 대한 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드시 센싱 데이터의 출력 속도를 높일 수 있어 프레임율을 증가시킬 수 있다. 이러한 단위 칼라 픽셀(UCP)의 구성 및 동작은 후술하는 도면들을 통해서 상세히 설명하기로 한다.
행 디코더(120)는 타이밍 컨트롤러(150)의 제어에 따라 픽셀 어레이(110)의 어느 하나의 행을 선택할 수 있다. 행 디코더(120)는 타이밍 컨트롤러(150)로부터 제공되는 제어 신호(TC1)에 따라 복수의 행들 중 하나 또는 그 이상의 행을 선택하기 위해서 선택 신호(SEL)를 생성한다. 그리고 행 디코더(120)는 선택된 행에 대응하는 픽셀들에 대해 리셋 신호(RG) 및 전송 신호(TG)를 순차적으로 활성화시킨다. 그러면, 선택된 행의 단위 칼라 픽셀(UCP)들 각각으로부터 생성되는 각 조도별 센싱 신호들이 순차적으로 아날로그-디지털 컨버터(130)로 전달된다.
아날로그-디지털 컨버터(130)는 타이밍 컨트롤러(150)로부터 출력되는 제어 신호(TC2)에 응답하여 단위 칼라 픽셀(UCP)들 각각으로부터 생성되는 센싱 신호들을 디지털 신호로 변환한다. 예를 들면, 아날로그-디지털 컨버터(130)는 하나 또는 그 이상의 단위 칼라 픽셀(UCP)로부터 생성되는 특정 조도의 센싱 신호들에 대한 평균화 연산을 수행할 수 있다. 예를 들면, 아날로그-디지털 컨버터(130)는 비닝(Analogue binning) 동작을 수행할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 아날로그-디지털 컨버터(130)는 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling) 방식으로 HDR 센싱 신호들을 샘플링한 후에 디지털 신호로 변환할 수도 있다. 이를 위해, 아날로그-디지털 컨버터(130)의 전단에 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler: CDS)가 더 포함될 수 있다.
출력 버퍼(140)는 아날로그-디지털 컨버터(130)에 의해서 제공되는 각각의 칼럼 단위의 이미지 데이터를 래치하여 출력한다. 출력 버퍼(140)는 타이밍 컨트롤러(150)로부터의 제어 신호(TC3)에 따라 아날로그-디지털 컨버터(130)에서 출력되는 이미지 데이터를 일시 저장하고, 이후 칼럼 디코더(미도시)에 의해서 순차적으로 래치된 이미지 데이터를 출력하게 될 것이다.
타이밍 컨트롤러(150)는 픽셀 어레이(110), 행 디코더(120), 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 130), 출력 버퍼(140) 등을 제어한다. 타이밍 컨트롤러(150)는 픽셀 어레이(110), 행 디코더(120), 아날로그-디지털 컨버터(130), 출력 버퍼(140) 등의 동작에 클록 신호(Clock signal), 타이밍 컨트롤 신호(Timing control signal) 등과 같은 제어 신호들(Control signals)을 공급할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(150)는 로직 제어 회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(Timing control circuit), 및 통신 인터페이스 회로(Communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(100)의 구성이 간략히 설명되었다. 특히, 픽셀 어레이(110)를 구성하는 단위 칼라 픽셀(UCP)들은 동시에 동일 조도 범위에 대응하는 복수의 센싱 신호들을 출력할 수 있어 평균화 연산(Averaging operation)이 가능하다. 따라서, 이미지 센서(100)에 의하면 센싱 신호에 대한 고속의 평균화 연산이 가능하며, 비닝 속도의 향상을 가능케 한다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드시 높은 프레임율을 제공할 수 있는 이미지 센서(100)의 구현이 가능하다.
다른 실시 예에서, 픽셀 어레이(110)를 구성하는 단위 칼라 픽셀(UCP)들이 동시에 동일 조도 범위에 대응하는 복수의 센싱 신호들을 출력하기 때문에, 비닝이나 평균화 연산을 스킵하는 경우에는 높은 해상도의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 구성이 가능할 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀(UCP)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 어느 하나의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 복수의 단위 픽셀들(UP)을 포함하고, 하나의 단위 픽셀(UP)은 3개의 서브 픽셀(SP)을 포함하는 예를 설명하기로 한다.
하나의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 3개의 단위 픽셀(UP)을 포함한다. 단위 픽셀(UP)은 각각 3개의 광전 변환 소자들을 포함하며, 하나의 플로팅 확산 영역(FD)을 포함할 것이다. 여기서, 하나의 단위 픽셀(UP)은 3개의 서브 픽셀들을 포함하고, 서브 픽셀들 각각은 서로 다른 광 집적 시간(EIT)을 담당한다. 예컨대, 단위 픽셀(UP1)의 서브 픽셀(L1)은 3개의 서브 픽셀들 중에서 가장 긴 광 집적 시간(EIT)을 갖는 서브 픽셀이다. 단위 픽셀(UP1)의 서브 픽셀(S1)은 3개의 서브 픽셀들 중에서 가장 짧은 광 집적 시간(EIT)을 갖는 서브 픽셀이다. 단위 픽셀(UP1)의 서브 픽셀(M1)은 3개의 서브 픽셀들 중에서 중간(Middle)의 광 집적 시간(EIT)을 갖는 서브 픽셀이다.
단위 픽셀(UP2)도 실질적으로 단위 픽셀(UP1)과 동일한 구조를 가지나, 서브 픽셀들의 배열 및 광 집적 시간의 할당 순서는 달라질 수 있다. 즉, 단위 픽셀(UP2)의 첫째 행에 위치하는 서브 픽셀(S2)은 3개의 서브 픽셀들 중에서 가장 짧은 광 집적 시간(EIT)을 가질 수 있다. 그리고 단위 픽셀(UP2)의 둘째 행에 위치하는 서브 픽셀(M2)이 3개의 서브 픽셀들 중에서 가장 중간의 광 집적 시간(EIT)을 가질 수 있다. 그리고 셋째 행에 대응하는 서브 픽셀(L2)이 단위 픽셀(UP2)의 3개의 서브 픽셀들 중에서 가장 긴 광 집적 시간(EIT)을 담당한다.
단위 픽셀(UP3)도 단위 픽셀들(UP1, UP2)과 동일한 구조를 가지나, 광 집적 시간의 할당은 달라질 수 있다. 즉, 단위 픽셀(UP3)의 첫째 행에 위치하는 서브 픽셀(M3)은 3개의 서브 픽셀들 중에서 중간 길이의 광 집적 시간(EIT)을 가질 수 있다. 그리고 단위 픽셀(UP3)의 둘째 행에 위치하는 서브 픽셀(L3)이 3개의 서브 픽셀들 중에서 중간의 광 집적 시간(EIT)을 가질 수 있다. 그리고 셋째 행에 대응하는 서브 픽셀(S3)이 단위 픽셀(UP3)의 3개의 서브 픽셀들 중에서 가장 짧은 광 집적 시간(EIT)을 담당할 것이다.
본 발명의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드를 위한 센싱을 수행하는 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 플로팅 확산 영역을 공유하는 3개의 단위 픽셀(UP)들을 포함한다. 각 단위 픽셀(UP)은 3개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 단위 칼라 픽셀은 3개의 1×3 단위의 픽셀들로 이루어진 3×3 단위의 픽셀 구조를 가질 수 있다. 각 단위 픽셀들은 하이 다이나믹 레인지(HDR) 센싱 동작시에, 동일한 광 집적 시간을 갖는 서브 픽셀들의 신호를 동시에 출력할 수 있다. 동시에 출력되는 센싱 신호들에 대한 평균화 연산이 가능하므로, 고속의 비닝(Binning) 및 아날로그-디지털 변환이 가능하다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 단위 픽셀들의 구조를 보여주는 회로도들이다. 도 3a를 참조하면, 단위 픽셀(UP1)은 복수의 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3), 복수의 전송 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3), 리셋 트랜지스터(RX1), 선택 트랜지스터(SX1), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX1)를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 변환 이득 가변 회로를 구성하기 위한 변환 이득 트랜지스터(CGX) 및 커패시터(CAP)를 더 포함할 수도 있음은 잘 이해될 것이다.
좀더 상세히 설명하면, 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3)은 입사광의 광량이나 광의 세기에 따라 전하를 생성 및 축적하는 광감지 소자들이다. 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3)은, 예를 들어, 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3)은 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 또는 이것들의 조합일 수 있다.
전송 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3)은 연결된 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3) 각각에 집적된 전하를 제 1 전하 검출 노드(FD1, 즉, 플로팅 확산 영역)로 전송한다. 전송 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3) 각각의 게이트 전극은 전하 전송 신호들(TG_L1, TG_S1, TG_M1)에 의해서 제어된다.
제 1 전하 검출 노드(FD1)는 전달된 광전하를 구조적으로 제공되는 용량에 축적한다. 제 1 전하 검출 노드(FD1)에 축적된 광전하의 양에 따라 드라이브 트랜지스터(DX)가 제어될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 제 1 전하 검출 노드(FD1)에 축적된 전하들을 리셋시킬 수 있다. 상세하게, 리셋 트랜지스터(RX1)의 드레인 단자는 제 1 전하 검출 노드(FD1)와 연결되며 소스 단자는 픽셀 전원 전압(VPIX)에 연결된다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온되면, 리셋 트랜지스터(RX1)의 소스 전극과 연결된 픽셀 전원 전압(VPIX)이 제 1 전하 검출 노드(FD1)로 전달된다. 따라서, 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-온시 제 1 전하 검출 노드(FD1)에 축적된 전하들이 배출되며, 제 1 전하 검출 노드(FD1)는 리셋될 수 있다.
드라이브 트랜지스터(DX1)는 게이트 전극으로 입력되는 제 1 전하 검출 노드(FD1)의 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류를 발생시키는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)일 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX1)는 제 1 전하 검출 노드(FD1)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터(SX1)를 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인(CLi)으로 출력한다. 드라이브 트랜지스터(DX1)의 소스 단자는 픽셀 전원 전압(VPIX)에 연결되고, 드라이브 트랜지스터(DX1)의 드레인 단자는 선택 트랜지스터(SX1)의 소스 단자와 연결될 수 있다.
선택 트랜지스터(SX1)는 행 단위로 읽어낼 단위 픽셀들(UP1)을 선택할 수 있다. 행 디코더(120)로부터 제공되는 선택 신호(SEL)에 의해서 선택 트랜지스터(SX)가 턴-온될 때, 드라이브 트랜지스터(DX1)의 드레인 전극에 출력되는 전기적 신호를 칼럼 라인(CLi)으로 출력될 수 있다.
이상에서는 3×3 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀(UCP)을 구성하는 1×3 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)의 회로 구조가 설명되었다. 단위 픽셀(UP1)은 제 1 전하 검출 노드(FD1)로 표시된 하나의 전하 검출 노드(또는, 플로팅 확산 영역)를 사용하여 전하를 축적할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 단위 픽셀(UP2)은 복수의 광전 변환 소자들(PD4, PD5, PD6), 복수의 전송 트랜지스터들(TX4, TX5, TX6), 리셋 트랜지스터(RX2), 선택 트랜지스터(SX2), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX2)를 포함할 수 있다. 또한, 도 3c를 참조하면, 단위 픽셀(UP3)은 복수의 광전 변환 소자들(PD7, PD8, PD9), 복수의 전송 트랜지스터들(TX7, TX8, TX9), 리셋 트랜지스터(RX3), 선택 트랜지스터(SX3), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX3)를 포함할 수 있다.
이상의 설명에 따르면, 3×3 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 개별적으로 센싱 신호를 출력할 수 있는 1×3 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP)들을 포함한다. 따라서, 동일한 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 단위 픽셀들이 동시에 센싱 신호들을 출력할 수 있다. 출력되는 센싱 신호들을 평균화 연산을 통해서 머지될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 단위 칼라 픽셀의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 구현을 위한 제어 방법을 보여주는 타이밍도이다. 도 4를 참조하면, 선택된 단위 칼라 픽셀(UCP)에서 동일한 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 센싱 신호들이 동시에 출력될 수 있다. 즉, T0 내지 T6 시점까지는 고조도 센싱을 위한 가장 긴 광 집적 시간(HIT)을 갖는 광전 변환 소자들(PD1, PD6, PD8)의 집적 전하를 센싱한다. T6 내지 T9 시점까지는 중조도 센싱을 위한 중간 길이의 광 집적 시간(EIT)을 갖는 광전 변환 소자들(PD3, PD5, PD7)의 집적된 전하를 센싱한다. T9 내지 T11 시점까지는 저조도 센싱을 위한 가장 짧은 광 집적 시간(EIT)을 갖는 광전 변환 소자들(PD2, PD4, PD9)의 집적 전하를 센싱한다.
먼저, T0 내지 T6 시점까지는 고조도 센싱을 위한 단위 칼라 픽셀(UCP)에 대한 제어 동작이 수행된다. 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3) 각각의 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)을 리셋하기 위해 T0 시점에서 T1 시점까지는 리셋 신호(RG)가 하이 레벨로 유지된다. 그러면, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)이 턴-온된다. 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)이 턴-온되면, 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3) 각각에 축적된 전하들이 방전되며, 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)이 리셋될 수 있다.
T1 시점에서, 리셋 신호(RG)가 로우 레벨로 천이한다. 리셋 신호(RG)의 로우 레벨로의 천이에 따라, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)은 턴-오프된다. 그러면, 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)은 전하 축적이 가능한 상태가 될 것이다.
T2 시점에서, 선택 신호(SEL)가 하이 레벨로 천이된다. 그러면, 선택 트랜지스터(SX1, SX2, SX3)들이 턴-온된다. 선택 트랜지스터(SX1, SX2, SX3)들이 턴-온되면, 센싱 신호의 출력이 가능하다.
T3 시점에서, 가장 긴 광 집적 시간(L1, L2, L3)에 대응하는 서브 픽셀들의 전송 트랜지스터들(TX1, TX6, TX8)을 턴-온 시키기 위해 전하 전송 신호들(TG_L1, TG_L2, TG_L3)이 하이 레벨로 천이한다. 물론, 나머지 전하 전송 신호들(TG_M1, TG_M2, TG_M3, TG_S1, TG_S2, TG_SL3)은 로우 레벨을 유지할 것이다. 전하 전송 신호들(TG_L1, TG_L2, TG_L3)의 하이 구간(T3-T4) 동안, 광전 변환 소자들(PD1, PD6, PD9)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 전달되고 축적된다.
T4 내지 T5 시점 사이에서, 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2, DX3)의 게이트 전극으로 입력되는 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류가 형성된다. 예를 들면, 단위 픽셀(UP1)의 드라이브 트랜지스터(DX1)는 전하 검출 노드(FD1)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터(SX1)를 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인(CLi)으로 출력할 수 있다. 단위 픽셀들(UP2, UP3)도 동일한 방식으로 각각의 전하 검출 노드들(FD2, FD3)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터들(SX2, SX3)을 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인들(CLj, CLk)로 출력할 것이다.
T5 시점에서, 선택 신호(SEL)가 로우 레벨로 천이하면, 선택 트랜지스터들(SX1, SX2, SX3)이 턴-오프된다. 그러면, 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3)의 센싱 신호의 출력은 차단된다.
이어서, T6 시점에서, 리셋 신호(RG)가 하이 레벨로 천이하면, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)이 턴-온된다. 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)이 턴-온되면, 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3) 각각의 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)은 픽셀 전원 전압(VPIX)에 의해서 리셋된다.
이어서, T6 시점 내지 T9 시점까지는, 중조도 센싱을 위한 제어 동작이 발생한다. 여기서, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)을 제어하기 위한 리셋 신호(RG)와 선택 신호(SEL)의 천이는 T0 시점 내지 T6 시점에서 설명된 방식으로 발생한다. 따라서, 이들 신호들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 리셋 신호(RG)가 로우 레벨로, 그리고 선택 신호(SEL)가 하이 레벨로 천이된 상태에서, 중간 길이의 광 집적 시간(HIT)을 갖는 광전 변환 소자들(PD3, PD5, PD7)에는 입사광에 의한 광전하들이 집적된다.
T8 시점에서, 중간 길이의 광 집적 시간(M1, M2, M3)에 대응하는 서브 픽셀들의 전송 트랜지스터들(TX3, TX5, TX7)을 턴-온 시키기 위해 전하 전송 신호들(TG_M1, TG_M2, TG_M3)이 하이 레벨로 천이한다. 전하 전송 신호들(TG_M1, TG_M2, TG_M3)의 하이 구간 동안, 광전 변환 소자들(PD3, PD5, PD7)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 전달되고 축적된다. 이어서, 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2, DX3)의 게이트 전극으로 입력되는 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류가 형성된다. 예를 들면, 단위 픽셀(UP2)의 드라이브 트랜지스터(DX2)는 전하 검출 노드(FD2)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터(SX2)를 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인(CLj)으로 출력할 수 있다. 단위 픽셀들(UP1, UP3)도 동일한 방식으로 각각의 전하 검출 노드들(FD2, FD3)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터들(SX2, SX3)을 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인들(CLi, CLk)로 출력할 것이다.
T9 내지 T11 시점까지는, 저조도 센싱을 위한 제어 동작이 발생한다. T9 시점 이후, 리셋 신호(RG)가 로우 레벨로, 그리고 선택 신호(SEL)가 하이 레벨로 천이되면, 가장 짧은 길이의 광 집적 시간(EIT)을 갖는 광전 변환 소자들(PD2, PD4, PD9)에는 입사광에 의한 광전하들이 집적된다.
T10 시점에서, 최단 광 집적 시간(M1, M2, M3)에 대응하는 서브 픽셀들의 전송 트랜지스터들(TX2, TX4, TX9)을 턴-온 시키기 위해 전하 전송 신호들(TG_S1, TG_S2, TG_S3)이 하이 레벨로 천이한다. 전하 전송 신호들(TG_S1, TG_S2, TG_S3)의 하이 구간 동안, 광전 변환 소자들(PD2, PD4, PD9)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 전달되고 축적된다. 이어서, 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2, DX3)의 게이트 전극으로 입력되는 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류가 형성된다. 예를 들면, 단위 픽셀(UP3)의 드라이브 트랜지스터(DX3)는 전하 검출 노드(FD3)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터(SX3)를 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인(CLk)으로 출력할 수 있다. 단위 픽셀들(UP1, UP2)도 동일한 방식으로 각각의 전하 검출 노드들(FD1, FD2)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터들(SX1, SX2)을 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인들(CLi, CLj)로 출력할 것이다.
이상에서 본 발명의 단위 칼라 픽셀(UCP)에서 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드를 위해 서브 픽셀들로부터 센싱된 신호가 동시에 출력될 수 있음이 설명되었다. 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3)로부터 출력되는 센싱 신호는 평균화 연산을 가능케 한다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(100)는 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 운영시에 프레임율 향상을 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 센싱 방법을 보여주는 순서도이다. 도 5를 참조하면, 단위 칼라 픽셀(UCP)에서 개별적으로 구비되는 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)을 통해서 동일 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 센싱 신호를 동시에 출력할 수 있다.
S110 단계에서, 이미지 센서(100)의 행 디코더(120)를 통해 어느 하나의 단위 칼라 픽셀(UCP)이 선택될 수 있다. 단위 칼라 픽셀(UCP)은 동일 행에 위치하는 복수의 단위 칼라 픽셀들이 동시에 선택될 수도 있을 것이다.
S120 단계에서, 선택된 단위 칼라 픽셀(UCP)에서 고조도 모드(High Illumination Mode: HIM) 센싱이 수행된다. 고조도 모드(HIM) 센싱은 단위 칼라 픽셀(UCP) 중에서 광 집적 시간(EIT)이 가장 긴 서브 픽셀들을 센싱하는 센싱 모드일 수 있다. 예를 들면, 도 2의 가장 긴 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 고조도 서브 픽셀들(L1, L2, L3)의 광전 변환 소자들(PD1, PD6, PD9)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된다. 그리고 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하들에 대응하는 센싱 신호들이 동시에 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력될 수 있다.
S130 단계에서, 선택된 단위 칼라 픽셀(UCP)에서 중조도 모드(Middle Illumination Mode: MIM) 센싱이 수행된다. 중조도 모드(MIM) 센싱은 단위 칼라 픽셀(UCP) 중에서 광 집적 시간(EIT)이 중간에 해당하는 서브 픽셀들을 센싱하는 센싱 모드이다. 예를 들면, 도 2 내지 도 3a, 도 3b, 그리고 도 3c에 도시된 바에 따르면, 중간 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 중조도 서브 픽셀들(M1, M2, M3)의 광전 변환 소자들(PD3, PD5, PD7)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된다. 그리고 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하들에 대응하는 센싱 신호들이 동시에 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력될 수 있다.
S140 단계에서, 선택된 단위 칼라 픽셀(UCP)에서 저조도 모드(Low Illumination Mode: LIM) 센싱이 수행된다. 저조도 모드(LIM) 센싱은 단위 칼라 픽셀(UCP) 중에서 광 집적 시간(EIT)이 가장 짧은 서브 픽셀들을 센싱하는 센싱 모드이다. 예를 들면, 도 2 내지 도 3a, 도 3b, 그리고 도 3c에 도시된 바에 따르면, 최단 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 저조도 서브 픽셀들(S1, S2, S3)의 광전 변환 소자들(PD2, PD4, PD9)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된다. 그리고 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하들에 대응하는 센싱 신호들이 동시에 대응하는 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력될 수 있다.
S150 단계에서, 선택된 단위 칼라 픽셀(UCP)로부터 출력된 센싱 신호들에 대한 비닝(Binning)이 수행된다. 예를 들면, 선택된 단위 칼라 픽셀(UCP)에서 동시에 출력된 고조도 모드 센싱 신호들에 대한 평균화 연산이 수행될 수 있다. 또는, 동일한 칼라에 대응하는 복수의 단위 칼라 픽셀(UCP)들로부터 출력된 센싱 신호들에 대해서도 평균화 연산이 수행될 수 있다. 평균화 연산을 위해 선택되는 복수의 단위 칼라 픽셀(UCP)들은 동일한 행에 대응하거나, 또는 동일한 열에 위치하는 단위 칼라 픽셀들로 선택될 수 있다. 또는, 평균화 연산을 위해 선택되는 단위 칼라 픽셀(UCP)은 일정 영역에 분포되는 동일 칼라에 대응하는 단위 칼라 픽셀(UCP) 그룹들로 선택될 수 있을 것이다.
S160 단계에서, 비닝(Binning)에 의해서 처리된 센싱 신호는 디지털 데이터로 변환된다. 이후, 저조도 모드(LIM), 중조도 모드(MIM), 그리고 고조도 모드(HIM)에 대응하는 이미지 데이터들이 조합되면, 하이 다이나믹 레인지(HDR) 이미지로 구성될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 단위 칼라 픽셀(UCP) 구조의 이미지 센서를 사용하여 하이 다이나믹 레인지(HDR) 이미지를 구성하는 절차가 간략히 설명되었다. 본 발명의 단위 칼라 픽셀(UCP) 구조에서는 동일한 조도에 대응하는 센싱 신호들이 동시에 출력될 수 있고, 동시에 출력되는 센싱 신호들은 서로 더해지거나 가산되는 평균화 연산으로 처리될 수 있다. 본 발명의 단위 칼라 픽셀(UCP) 구조에 따르면, 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드의 이미지 센싱에 소요되는 시간을 대폭 감소시킬 수 있어, 높은 프레임율로 하이 다이나믹 레인지(HDR) 이미지를 획득할 수 있다.
도 6a, 도 6b, 그리고 도 6c는 도 5의 고조도 모드, 중조도 모드, 그리고 저조도 모드 센싱을 각각 설명하는 순서도들이다. 도 6a 및 도 5를 참조하여, 고조도 모드(HIM) 센싱에 대응하는 S120 단계의 세부 절차들이 구체적으로 설명될 것이다.
S121 단계에서, 선택된 단위 칼라 픽셀(UCP)에서의 고조도 모드(HIM) 센싱을 위하여 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3) 각각의 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)이 리셋된다. 이를 위하여, 리셋 신호(RG)가 하이 레벨로 제공되고, 리셋 트랜지스터들, 예를 들면, 리셋 신호(RG)에 의해서 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3) 각각에 구비된 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)이 턴-온된다. 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)이 턴-온되면, 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3) 각각에 충전된 전하들은 픽셀 전원 전압(VPIX) 단으로 방전된다. 결국, 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)의 전압은 픽셀 전원 전압(VPIX)의 레벨로 리셋될 수 있다.
S123 단계에서, 전하 전송 신호들(TG_L1, TG_L2, TG_L3)이 하이 레벨로 천이된다. 그러면, 단위 칼라 픽셀(UCP)의 광전 변환 소자들(PD1, PD6, PD9)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된다.
S125 단계에서, 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2, DX3)의 게이트 전극으로 입력되는 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류가 형성된다. 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하량에 대응하는 전압 레벨은 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2, DX3) 각각의 소스-드레인 전류로 증폭된다. 그리고 증폭된 신호는 선택 트랜지스터들(SX1, SX2, SX3)을 통해 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력될 것이다.
S127 단계에서, 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력된 고조도 모드 센싱 신호들에 대한 평균화 연산(Averaging operation)이 수행될 수 있다. 예를 들면, 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들은 병합되어 하나의 센싱 신호로 생성될 수 있다.
이상의 S120 단계에 대응하는 고조도 모드 센싱 방법에 따르면, 고조도 모드로 센싱을 수행하는 복수의 서브 픽셀들이 동시에 센싱 신호를 출력할 수 있다. 더불어, 출력되는 센싱 신호들에 대해 평균화 연산을 수행함으로써, 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드에서 고속의 센싱이 가능하고, 프레임율의 향상도 가능하다.
도 6b 및 앞서 언급된 도 5를 참조하여, 중조도 모드(MIM) 센싱에 대응하는 S130 단계의 세부 절차들이 구체적으로 설명될 것이다.
S131 단계에서, 단위 칼라 픽셀(UCP)에서의 중조도 모드(MIM) 센싱을 위하여 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3) 각각의 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)이 리셋된다. 리셋 신호(RG)가 하이 레벨로 제공되면, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)이 턴-온되고, 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3) 각각에 충전된 전하들은 픽셀 전원 전압(VPIX) 단으로 방전된다. 결국, 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)의 전압은 픽셀 전원 전압(VPIX)의 레벨로 리셋될 수 있다.
S133 단계에서, 전하 전송 신호들(TG_M1, TG_M2, TG_M3)이 하이 레벨로 천이된다. 그러면, 단위 칼라 픽셀(UCP)의 광전 변환 소자들(PD3, PD5, PD7)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된다.
S135 단계에서, 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2, DX3)의 게이트 전극으로 입력되는 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류가 형성된다. 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하량에 대응하는 전압 레벨은 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2, DX3) 각각의 소스-드레인 전류로 증폭된다. 그리고 증폭된 신호는 선택 트랜지스터들(SX1, SX2, SX3)을 통해 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력될 것이다.
S137 단계에서, 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력된 중조도 모드 센싱 신호들에 대한 평균화 연산(Averaging operation)이 수행될 수 있다. 예를 들면, 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력되는 중조도 모드 센싱 신호들은 병합되어 하나의 센싱 신호로 출력될 수 있다.
이상의 S130 단계에 대응하는 중조도 모드 센싱 방법에 따르면, 중조도 모드로 센싱을 수행하는 복수의 서브 픽셀들이 동시에 센싱 신호를 출력할 수 있다. 더불어, 출력되는 센싱 신호들에 대해 평균화 연산을 수행함으로써, 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드에서 고속의 센싱이 가능하고, 프레임율의 향상도 가능하다.
도 6c 및 앞서 언급된 도 5를 참조하여, 저조도 모드(LIM) 센싱에 대응하는 S140 단계의 세부 절차들이 구체적으로 설명될 것이다.
S141 단계에서, 단위 칼라 픽셀(UCP)에서의 저조도 모드(LIM) 센싱을 위하여 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3) 각각의 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)이 리셋된다. 리셋 신호(RG)가 하이 레벨로 제공되면, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2, RX3)이 턴-온되고, 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3) 각각에 충전된 전하들은 픽셀 전원 전압(VPIX) 단으로 방전된다. 결국, 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)의 전압은 픽셀 전원 전압(VPIX)의 레벨로 리셋될 수 있다.
S143 단계에서, 전하 전송 신호들(TG_S1, TG_S2, TG_S3)이 하이 레벨로 천이된다. 그러면, 단위 칼라 픽셀(UCP)의 광전 변환 소자들(PD2, PD4, PD9)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된다.
S145 단계에서, 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2, DX3)의 게이트 전극으로 입력되는 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류가 형성된다. 전하 검출 노드들(FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하량에 대응하는 전압 레벨은 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2, DX3) 각각의 소스-드레인 전류로 증폭된다. 그리고 증폭된 신호는 선택 트랜지스터들(SX1, SX2, SX3)을 통해 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력될 것이다.
S147 단계에서, 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력된 저조도 모드 센싱 신호들에 대한 평균화 연산(Averaging operation)이 수행될 수 있다. 예를 들면, 칼럼 라인들(CLi, CLj, CLk)로 출력되는 저조도 모드 센싱 신호들은 병합되어 하나의 센싱 신호로 출력될 수 있다.
이상의 S140 단계에 대응하는 저조도 모드 센싱 방법에 따르면, 저조도 모드로 센싱을 수행하는 복수의 서브 픽셀들이 동시에 센싱 신호를 출력할 수 있다. 더불어, 출력되는 센싱 신호들에 대해 평균화 연산을 수행함으로써, 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드에서 고속의 센싱이 가능하고, 프레임율의 향상도 가능하다.
도 7은 본 발명의 단위 칼라 픽셀로부터 센싱된 이미지 신호를 처리하는 다른 실시 예를 보여주는 블록도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 동일 광 집적 시간(EIT)의 서브 픽셀들의 동시 센싱 및 리드 아웃(Read out) 동작이 동일한 행에 배열된 단위 칼라 픽셀(UCP)들에 걸쳐서 수행될 수 있다.
픽셀 어레이(110) 내부에는 본 발명의 단위 칼라 픽셀들(112a~112d, 114a~114d)을 포함하는 복수의 단위 픽셀 그룹(112, 114)(Unit Pixel Group: 이하, UPG)들이 포함될 수 있다. 여기서, 단위 픽셀 그룹(UPG)은 센싱되는 칼라들(R, G1, G2, B) 각각에 대응하는 단위 칼라 픽셀(UCP)들의 조합을 의미한다. 단위 픽셀 그룹들(112, 114) 중에서 단위 칼라 픽셀들(112a, 114a)이 선택될 수 있다. 그리고 단위 칼라 픽셀들(112a, 114a)에 대한 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드의 센싱이 수행될 수 있다.
단위 칼라 픽셀들(112a, 114a)에 대한 하이 다이나믹 레인지(HDR) 센싱 모드시, 평균화 연산이 두개의 단위 칼라 픽셀들의 서브 픽셀들에 대해서 수행될 수 있다. 즉, 단위 칼라 픽셀(112a)의 서브 픽셀들(L1, L2, L3)로부터 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들과, 단위 칼라 픽셀(114a)의 서브 픽셀들(L1, L2, L3)로부터 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들이 동시에 비닝 회로(135)에 출력될 수 있다. 그리고 비닝 회로(135)에 의해서 단위 칼라 픽셀들(112a, 114a)에 포함되는 서브 픽셀들(L1, L2, L3)의 고조도 모드 센싱 신호들이 평균화 연산에 따라 처리될 수 있다.
비닝 회로(135)에 의해서 처리된 단위 칼라 픽셀들(112a, 114a)로부터 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들은 아날로그-디지털 컨버터(130)에 의해서 디지털 이미지 데이터로 변환된다. 결국, 하이 다이나믹 레인지(HDR) 센싱 모드시 2개의 3×3 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀들(112a, 114a)의 센싱 결과는 하나의 1×1 픽셀 데이터로 생성 가능하다. 이러한 복수의 단위 칼라 픽셀들(112a, 114a) 단위의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 센싱 및 비닝은 단위 칼라 픽셀들(112b, 114b)에 대해서도 동일하게 적용된다. 또한, 복수의 단위 칼라 픽셀들(112a, 114a) 단위의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 센싱 및 비닝은 단위 칼라 픽셀들(112c, 114c) 및 단위 칼라 픽셀들(112d, 114d)에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 단위 칼라 픽셀로부터 센싱된 이미지 신호를 처리하는 또 다른 실시 예를 보여주는 블록도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 동일 광 집적 시간(EIT)의 서브 픽셀들의 동시 센싱 동작이 열 단위 칼라 픽셀(UCP)들에 걸쳐서 수행될 수 있다.
픽셀 어레이(110) 내부에는 본 발명의 단위 칼라 픽셀들(112a~112d, 113a~113d, 114a~114d, 115a~115d)을 포함하는 복수의 단위 픽셀 그룹(112, 113, 114, 115)들이 포함될 수 있다. 하이 다이나믹 레인지(HDR) 센싱 모드를 위해 단위 픽셀 그룹들(112, 113, 114, 115) 중에서 단위 칼라 픽셀들(112a, 113a, 114a, 115a)이 선택될 수 있다.
동일한 열에 위치하는 단위 칼라 픽셀들(112a, 113a)에 대한 하이 다이나믹 레인지(HDR) 센싱 모드시, 평균화 연산이 두 개의 단위 칼라 픽셀들의 서브 픽셀들에 대해서 수행될 수 있다. 즉, 단위 칼라 픽셀(112a)의 서브 픽셀들(L1, L2, L3)로부터 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들과, 단위 칼라 픽셀(113a)의 서브 픽셀들(L1, L2, L3)로부터 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들이 비닝 회로(136)에 출력될 수 있다. 그리고 비닝 회로(136)에 의해서 단위 칼라 픽셀들(112a, 113a)에 포함되는 서브 픽셀들(L1, L2, L3)의 고조도 모드 센싱 신호들이 평균화 연산에 따라 처리될 수 있다.
마찬가지로, 동일 열에 위치하는 단위 칼라 픽셀들(114a, 114a)에 대한 HDR 센싱시, 평균화 연산이 두 개의 단위 칼라 픽셀들의 서브 픽셀들에 대해서 수행될 수 있다. 즉, 단위 칼라 픽셀(114a)의 서브 픽셀들(L1, L2, L3)로부터 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들과, 단위 칼라 픽셀(115a)의 서브 픽셀들(L1, L2, L3)로부터 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들이 동시에 비닝 회로(137)에 출력될 수 있다. 그리고 비닝 회로(137)에 의해서 단위 칼라 픽셀들(114a, 115a)에 포함되는 서브 픽셀들(L1, L2, L3)의 고조도 모드 센싱 신호들이 평균화 연산에 따라 처리될 수 있다.
비닝 회로들(136, 137)에 의해서 각각 처리된 단위 칼라 픽셀들(112a, 113a, 114a, 115a)로부터 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들은 아날로그-디지털 컨버터(130)에 의해서 디지털 이미지 데이터로 변환된다. 결국, 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱시, 2개의 3×3 픽셀 사이즈의 동일 열에 위치하는 단위 칼라 픽셀들(112a, 113a)의 센싱 결과는 하나의 1×1 픽셀 데이터로 생성 가능하다. 이러한 열 단위의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 센싱 및 비닝 동작은 나머지 단위 칼라 픽셀들에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 9는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀(UCP)의 다른 예를 보여주는 도면이다. 도 9를 참조하면, 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 2개의 서브 픽셀들을 포함하는 2개의 단위 픽셀들(UP1, UP2)을 포함할 수 있다. 즉, 단위 칼라 픽셀(UCP)은 두 개의 1×2 픽셀 사이즈의 단위 픽셀들로 구성되는 2×2 픽셀 사이즈의 픽셀 단위로 제공될 수 있다.
하나의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 2개의 단위 픽셀들(UP1, UP2)을 포함한다. 단위 픽셀들(UP1, UP2)은 각각 2개의 서브 픽셀들로 구성된다. 단위 칼라 픽셀(UP1)은 서브 픽셀들(L1, S1)과 하나의 전하 검출 노드(FD1)를 포함할 것이다. 각각 상이한 광 집적 시간(EIT)이 할당되는 서브 픽셀들(L1, S1)은 광전 변환 소자들(PD1, PD2)에 대응한다. 단위 칼라 픽셀(UP2)은 서브 픽셀들(S2, L2)과 하나의 전하 검출 노드(FD2)를 포함할 것이다. 서브 픽셀들(S2, L2)은 광전 변환 소자들(PD3, PD4)에 대응한다.
여기서, 서브 픽셀들 각각은 서로 다른 광 집적 시간(EIT)에 대응한다. 예컨대, 단위 픽셀(UP1)의 서브 픽셀(L1)은 고조도 모드 센싱을 위해 상대적으로 긴 광 집적 시간(EIT)을 가질 수 있다. 단위 픽셀(UP1)의 서브 픽셀(S1)은 서브 픽셀(L1)보다 짧은 광 집적 시간(EIT)을 가질 것이다. 단위 픽셀(UP2)도 실질적으로 단위 픽셀(UP1)과 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 단위 픽셀(UP2)의 첫째 행에 위치하는 서브 픽셀(S2)은 짧은 광 집적 시간(EIT)을 가질 수 있다. 그리고 단위 픽셀(UP2)의 둘째 행에 위치하는 서브 픽셀(L2)이 긴 광 집적 시간(EIT)을 가질 수 있다.
본 발명의 어느 하나의 칼라에 대한 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱을 수행하는 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 전하 검출 노드를 공유하는 2개의 단위 픽셀(UP)들을 포함할 수 있다. 각 단위 픽셀(UP)은 2개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 단위 칼라 픽셀은 2개의 1×2 픽셀 사이즈의 픽셀들로 이루어진 2×2 픽셀 사이즈의 픽셀 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조에서, 본 발명의 단위 픽셀들은 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱 동작시에, 동일한 광 집적 시간을 갖는 서브 픽셀들의 신호를 출력할 수 있다. 출력되는 센싱 신호들에 대한 평균화 연산이 가능하므로, 고속의 비닝(Binning) 및 아날로그-디지털 변환이 가능하다.
도 10a 내지 도 10b는 도 9에 도시된 단위 픽셀들의 구조를 보여주는 회로도들이다. 도 10a를 참조하면, 1×2 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)은 복수의 광전 변환 소자들(PD1, PD2), 복수의 전송 트랜지스터들(TX1, TX2), 리셋 트랜지스터(RX1), 선택 트랜지스터(SX1), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX1)를 포함할 수 있다. 복수의 광전 변환 소자들(PD1, PD2), 복수의 전송 트랜지스터들(TX1, TX2), 리셋 트랜지스터(RX1), 선택 트랜지스터(SX1), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX1)는 도 3a의 그것들과 실질적으로 동일하다. 따라서, 이것들의 기능에 대한 구체적은 설명은 생략하기로 한다.
다만, 1×2 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)을 통해서는 2개의 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱이 수행될 수 있다. 즉, 1×2 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)을 통해서 전하 전송 신호들(TG_L1, TG_S1)에 의해서 고조도 모드와 저조도 모드의 2개 모드의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱이 가능하다.
도 10b를 참조하면, 1×2 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP2)은 복수의 광전 변환 소자들(PD3, PD4), 복수의 전송 트랜지스터들(TX3, TX4), 리셋 트랜지스터(RX2), 선택 트랜지스터(SX2), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX2)를 포함할 수 있다. 복수의 광전 변환 소자들(PD3, PD4), 복수의 전송 트랜지스터들(TX3, TX4), 리셋 트랜지스터(RX2), 선택 트랜지스터(SX2), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX2)는 도 10a의 그것들과 실질적으로 동일하다. 따라서, 이것들의 기능에 대한 구체적은 설명은 생략하기로 한다.
이상의 도 10a 및 도 10b의 설명에 따르면, 2×2 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 개별적으로 센싱 신호를 출력할 수 있는 1×2 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP)들을 포함한다. 따라서, 단위 칼라 픽셀(UCP)은 고조도 모드와 저조도 모드의 2개 모드의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱을 수행할 수 있다. 더불어, 각각의 단위 픽셀에서 동시에 출력되는 고조도 모드 센싱 신호들 또는 저조도 모드 센싱 신호들에 대한 평균화 연산이 가능하다. 따라서, 본 발명의 이미지 센서를 적용하면 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱시 프레임율 향상이 가능하다.
도 11은 도 10a 및 도 10b에 도시된 2×2 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀의 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱을 위한 제어 방법을 보여주는 타이밍도이다. 도 11을 참조하면, 선택된 단위 칼라 픽셀(UCP)에서 동일한 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 센싱 신호들이 동시에 전하 검출 노드들(FD1, FD2)에 축적 및 출력될 수 있다. 즉, T0 내지 T6 시점까지는 고조도 센싱을 위한 광전 변환 소자들(PD1, PD4)의 집적 전하가 센싱된다. T6 내지 T9 시점까지는 저조도 센싱을 위한 광전 변환 소자들(PD2, PD3)의 집적 전하가 센싱될 것이다.
먼저, T0 내지 T6 시점까지는 고조도 센싱을 위한 단위 칼라 픽셀(UCP)에 대한 제어 동작이 수행된다. 단위 픽셀들(UP1, UP2) 각각의 전하 검출 노드들(FD1, FD2)을 리셋하기 위해 T0 시점에서 T1 시점까지는 리셋 신호(RG)는 하이 레벨로 유지된다. 그러면, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2)이 턴-온되고, 전하 검출 노드들(FD1, FD2)은 리셋된다.
T1 시점에서, 리셋 신호(RG)가 로우 레벨로 천이한다. 리셋 신호(RG)의 로우 레벨로의 천이에 따라, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2)은 턴-오프되고, 전하 검출 노드들(FD1, FD2)은 전하 축적이 가능한 상태가 될 것이다.
T2 시점에서, 선택 신호(SEL)가 하이 레벨로 천이된다. 그러면, 선택 트랜지스터(SX1, SX2)들이 턴-온되고, 센싱된 데이터의 출력이 가능하게 된다.
T3 시점에서, 서브 픽셀들(L1, L2)의 전송 트랜지스터들(TX1, TX4)을 턴-온 시키기 위해 전하 전송 신호들(TG_L1, TG_L2)이 하이 레벨로 천이한다. 물론, 나머지 전하 전송 신호들(TG_S1, TG_S2)은 로우 레벨을 유지할 것이다. 전하 전송 신호들(TG_L1, TG_L2)의 하이 구간(T3-T4) 동안, 광전 변환 소자들(PD1, PD4)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2)에 전달되고 축적된다.
T4 내지 T5 시점 사이에서, 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2)의 게이트 전극으로 입력되는 전하 검출 노드들(FD1, FD2)에 축적된 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류가 형성된다. 예를 들면, 단위 픽셀(UP1)의 드라이브 트랜지스터(DX1)는 전하 검출 노드(FD1)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터(SX1)를 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인(CLi)으로 출력할 수 있다. 단위 픽셀들(UP2)도 동일한 방식으로 각각의 전하 검출 노드들(FD2)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터들(SX2)을 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인(CLj)으로 출력할 것이다.
T5 시점에서, 선택 신호(SEL)가 로우 레벨로 천이하면, 선택 트랜지스터들(SX1, SX2)이 턴-오프된다. 그러면, 단위 픽셀들(UP1, UP2)의 센싱 신호의 출력은 차단된다.
이어서, T6 시점에서, 리셋 신호(RG)가 하이 레벨로 천이하면, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2)이 턴-온된다. 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2)이 턴-온되면, 단위 픽셀들(UP1, UP2) 각각의 전하 검출 노드들(FD1, FD2)은 픽셀 전원 전압(VPIX)에 의해서 리셋된다.
이어서, T6 시점 내지 T9 시점까지는, 저조도 센싱을 위한 제어 동작이 발생한다. 여기서, 리셋 트랜지스터들(RX1, RX2)을 제어하기 위한 리셋 신호(RG)와 선택 신호(SEL)의 천이는 T0 시점 내지 T6 시점에서 설명된 방식으로 발생한다. 따라서, 이들 신호들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 리셋 신호(RG)가 로우 레벨로, 그리고 선택 신호(SEL)가 하이 레벨로 천이된 상태에서, 저조도 모드 센싱을 위해 구비된 광전 변환 소자들(PD2, PD3)에는 입사광에 의한 광전하들이 집적된다.
T8 시점에서, 저조도 모드 센싱을 위해 제공되는 서브 픽셀들(S1, S2)의 전송 트랜지스터들(TX2, TX3)을 턴-온시키기 위해 전하 전송 신호들(TG_S1, TG_S2)이 하이 레벨로 천이한다. 전하 전송 신호들(TG_S1, TG_S2)의 하이 구간 동안, 광전 변환 소자들(PD2, PD3)에 집적된 광전하들이 전하 검출 노드들(FD1, FD2)에 전달되고 축적된다. 이어서, 드라이브 트랜지스터들(DX1, DX2)의 게이트 전극으로 입력되는 전하 검출 노드들(FD1, FD2)에 축적된 전하량에 비례하여 소스-드레인 전류가 형성된다. 예를 들면, 단위 픽셀(UP2)의 드라이브 트랜지스터(DX2)는 전하 검출 노드(FD2)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터(SX2)를 통해 증폭된 신호를 칼럼 라인(CLj)으로 출력할 수 있다.
이상에서 본 발명의 2×2 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀(UCP)에서 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱을 위한 절차가 설명되었다. 고조도 모드 또는 저조도 모드 센싱시에 복수의 서브 픽셀들로부터 센싱된 신호가 출력될 수 있음이 설명되었다. 단위 픽셀들(UP1, UP2)로부터 출력되는 센싱 신호는 평균화 연산을 가능케 한다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(100)는 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 운영시에 프레임율 향상을 가능케 한다.
도 12는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀(UCP)의 또 다른 예를 보여주는 도면이다. 도 12를 참조하면, 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 4개의 서브 픽셀들을 포함하는 4개의 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3, UP4)을 포함할 수 있다. 즉, 단위 칼라 픽셀(UCP)은 4개의 1×4 픽셀 사이즈의 단위 픽셀들로 구성되는 4×4 픽셀 사이즈의 픽셀 단위로 제공될 수 있다.
이 실시 예에서, 하나의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 4개의 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3, UP4)을 포함한다. 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3, UP4)은 각각 4개의 서브 픽셀들로 구성된다. 단위 칼라 픽셀(UP1)은 서브 픽셀들(L1, M1, E1, S1)과 하나의 전하 검출 노드(FD1)를 포함할 것이다. 각각 상이한 광 집적 시간(EIT)이 할당되는 서브 픽셀들(L1, M1, E1, S1)은 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3, PD4)에 대응한다. 전하 검출 노드(FD2)를 갖는 단위 칼라 픽셀(UP2)은 서브 픽셀들(L2, M2, E2, S2)과 하나의 전하 검출 노드(FD2)를 포함할 것이다. 각각 전하 검출 노드들(FD3, FD4)을 갖는 단위 칼라 픽셀들(UP3, UP4)도 포함되는 서브 픽셀들의 배열만 다를 뿐, 단위 칼라 픽셀들(UP1, UP2)과 동일한 구조를 가진다.
본 발명의 어느 하나의 칼라에 대한 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱을 수행하는 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 플로팅 확산 영역을 공유하는 4개의 단위 픽셀(UP)들을 포함할 수 있다. 단위 픽셀들(UP) 각각은 4개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 4개의 1×4 픽셀 사이즈의 픽셀들로 이루어진 4×4 픽셀 사이즈의 픽셀 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조에서, 본 발명의 단위 픽셀들은 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱 동작시에, 동일한 광 집적 시간을 갖는 4개의 서브 픽셀들의 신호를 동시에 출력할 수 있다. 출력되는 센싱 신호들에 대한 평균화 연산이 가능하므로, 고속의 비닝(Binning) 및 아날로그-디지털 변환이 가능하다.
도 13은 도 12에 도시된 단위 픽셀들의 구조를 예시적으로 보여주는 회로도들이다. 도 13을 참조하면, 1×4 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)은 복수의 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3, PD4), 복수의 전송 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3, TX4), 리셋 트랜지스터(RX1), 선택 트랜지스터(SX1), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX1)를 포함할 수 있다. 복수의 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3, PD4), 복수의 전송 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3, TX4), 리셋 트랜지스터(RX1), 선택 트랜지스터(SX1), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX1)는 도 3a의 그것들과 실질적으로 동일하다. 따라서, 이것들의 기능에 대한 구체적은 설명은 생략하기로 한다.
4개의 1×4 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)을 통해서는 4개의 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱이 수행될 수 있다. 즉, 1×4 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)을 통해서 전하 전송 신호들(TG_L1, TG_S1, TG_M1, TG_E1)에 의해서 4개의 조도 범위에 대한 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱이 가능하다.
이상의 도 12 및 도 13의 설명에 따르면, 4×4 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 독립적으로 센싱 신호를 출력할 수 있는 1×4 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP)들을 포함한다. 따라서, 단위 칼라 픽셀(UCP)은 동일한 조도에 대응하는 센싱 신호를 단위 픽셀(UP) 단위로 생성 및 평균화 연산을 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이미지 센서를 적용하면 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱시 프레임율 향상이 가능하다.
도 14는 도 1에 도시된 단위 칼라 픽셀(UCP)의 또 다른 예를 보여주는 도면이다. 도 14를 참조하면, 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 5개의 서브 픽셀들을 포함하는 5개의 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3, UP4, UP5)을 포함할 수 있다. 즉, 단위 칼라 픽셀(UCP)은 5개의 1×5 픽셀 사이즈의 단위 픽셀들로 구성되는 5×5 픽셀 사이즈의 픽셀 단위로 제공될 수 있다.
이 실시 예에서, 하나의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 5개의 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3, UP4, UP5)을 포함한다. 단위 픽셀들(UP1, UP2, UP3, UP4, UP5)은 각각 5개의 서브 픽셀들로 구성된다. 단위 칼라 픽셀(UP1)은 서브 픽셀들(L1, M1, E1, S1, A1)과 하나의 전하 검출 노드(FD1)를 포함할 것이다. 각각 상이한 광 집적 시간(EIT)이 할당되는 서브 픽셀들(L1, M1, E1, S1, A1)은 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3, PD4, PD5)에 대응한다. 전하 검출 노드(FD2)를 갖는 단위 칼라 픽셀(UP2)은 서브 픽셀들(L2, M2, E2, S2, A2)과 하나의 전하 검출 노드(FD2)를 포함할 것이다. 각각 전하 검출 노드들(FD3, FD4, FD5)을 갖는 단위 칼라 픽셀들(UP3, UP4, UP5)도 포함되는 서브 픽셀들의 배열만 다를 뿐, 단위 칼라 픽셀들(UP1, UP2)과 동일한 구조를 가진다.
본 발명의 어느 하나의 칼라에 대한 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱을 수행하는 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 전하 검출 노드를 공유하는 5개의 단위 픽셀(UP)들을 포함할 수 있다. 단위 픽셀들(UP) 각각은 5개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 5개의 1×5 픽셀 사이즈의 픽셀들로 이루어진 5×5 픽셀 사이즈의 픽셀 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조에서, 본 발명의 단위 픽셀들은 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱 동작시에, 동일한 광 집적 시간을 갖는 5개의 서브 픽셀들의 신호를 동시에 출력할 수 있다. 출력되는 센싱 신호들에 대한 평균화 연산이 가능하므로, 고속의 비닝(Binning) 및 아날로그-디지털 변환이 가능하다.
도 15는 도 14에 도시된 단위 픽셀들의 구조를 예시적으로 보여주는 회로도들이다. 도 15를 참조하면, 1×5 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)은 복수의 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3, PD4, PD5), 복수의 전송 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3, TX4, TX5), 리셋 트랜지스터(RX1), 선택 트랜지스터(SX1), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX1)를 포함할 수 있다. 복수의 광전 변환 소자들(PD1, PD2, PD3, PD4, PD5), 복수의 전송 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3, TX4, TX5), 리셋 트랜지스터(RX1), 선택 트랜지스터(SX1), 그리고 드라이브 트랜지스터(DX1)는 도 3a의 그것들과 실질적으로 동일하다. 따라서, 이것들의 기능에 대한 구체적은 설명은 생략하기로 한다.
5개의 1×5 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)을 통해서는 5개의 광 집적 시간(EIT)에 대응하는 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱이 수행될 수 있다. 즉, 1×5 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP1)을 통해서 전하 전송 신호들(TG_L1, TG_S1, TG_M1, TG_E1, TG_A1)에 의해서 5개의 조도 범위에 대한 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱이 가능하다.
이상의 도 14 및 도 15의 설명에 따르면, 5×5 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀(UCP)은 각각 독립적으로 센싱 신호를 출력할 수 있는 1×5 픽셀 사이즈의 단위 픽셀(UP)들을 포함한다. 따라서, 단위 칼라 픽셀(UCP)은 동일한 조도에 대응하는 센싱 신호를 단위 픽셀(UP) 단위로 생성 및 평균화 연산을 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이미지 센서를 적용하면 하이 다이나믹 레인지(HDR) 모드 센싱시 프레임율 향상이 가능하다.
이상에서는 2×2, 3×3, 4×4, 그리고 5×5 픽셀 사이즈의 단위 칼라 픽셀들이 본 발명의 이점을 설명하기 위해 예시적으로 설명되었으나 본 발명은 여기의 개시에만 국한되지 않는다. 필요에 따라 2×3, 4×3과 같이 단위 칼라 픽셀(UCP)의 행과 열의 픽셀 사이즈가 다를 수도 있고, 5×5 픽셀 사이즈보다 큰 픽셀들이 단위 칼라 픽셀(UCP)에 포함될 수도 있을 것이다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (20)
- 복수의 조도 범위의 이미지 신호를 센싱하기 위한 이미지 센서에 있어서:
제 1 서브 픽셀 및 제 2 서브 픽셀을 포함하는 제 1 단위 픽셀;
제 3 서브 픽셀 및 제 4 서브 픽셀을 포함하는 제 2 단위 픽셀;
제 1 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 1 서브 픽셀 및 상기 제 4 서브 픽셀로부터 제 1 센싱 신호 및 제 4 센싱 신호를 생성하도록, 그리고 상기 제 1 광 집적 시간보다 짧은 제 2 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 2 서브 픽셀 및 상기 제 3 서브 픽셀로부터 제 2 센싱 신호 및 제 4 센싱 신호를 생성하도록 제어하는 타이밍 컨트롤러; 그리고
상기 제 1 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호, 또는 상기 제 2 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호에 대해 평균화 연산을 적용하는 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단위 픽셀은, 상기 제 1 및 제 2 서브 픽셀들에 대응하는 제 1 및 제 2 광전 변환 소자들과, 상기 제 1 내지 제 2 광전 변환 소자들 중 어느 하나로부터 전달되는 전하를 축적하는 제 1 전하 검출 노드를 포함하고,
상기 제 2 단위 픽셀은, 상기 제 3 및 제 4 서브 픽셀들에 대응하는 제 3 및 제 4 광전 변환 소자들과, 상기 제 3 및 제 4 광전 변환 소자들 중 어느 하나로부터 전달되는 전하를 축적하는 제 2 전하 검출 노드를 포함하는 이미지 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 4 광전 변환 소자들은 상기 제 1 광 집적 시간 동안 광전하를 집적하고, 상기 제 2 및 제 3 광전 변환 소자들은 상기 제 2 광 집적 시간 동안 상기 광전하를 집적하는 이미지 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 센싱 신호 및 상기 제 4 센싱 신호는 상기 제 1 전하 검출 노드로부터 생성되고, 상기 제 2 센싱 신호 및 상기 제 3 센싱 신호는 상기 제 2 전하 검출 노드로부터 생성되는 이미지 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호가 동시에 생성되고, 상기 제 2 센싱 신호와 상기 제 3 센싱 신호가 동시에 생성되는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단위 픽셀 및 상기 제 2 단위 픽셀은 동일 칼라를 센싱하기 위한 단위 칼라 픽셀에 포함되는 이미지 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 단위 픽셀은 제 5 서브 픽셀을, 상기 제 2 단위 픽셀은 제 6 서브 픽셀을 각각 더 포함하고,
상기 단위 칼라 픽셀은, 상기 제 7 내지 제 9 서브 픽셀들을 포함하는 제 3 단위 픽셀을 더 포함하되,
상기 제 5 서브 픽셀과 상기 제 6 서브 픽셀, 그리고 상기 제 7 서브 픽셀은 상기 제 2 광 집적 시간보다 짧은 제 3 광 집적 시간을 적용하여 각각 제 5 센싱 신호, 제 6 센싱 신호, 그리고 제 7 센싱 신호를 생성하는 이미지 센서. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 5 센싱 신호, 상기 제 6 센싱 신호, 그리고 상기 제 7 센싱 신호는 동시에 생성되는 이미지 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 아날로그-디지털 컨버터에 의해 상기 제 5 센싱 신호, 제 6 센싱 신호, 그리고 제 7 센싱 신호는 아날로그 방식으로 평균화되는 이미지 센서. - 단위 칼라 픽셀에 제 1 내지 제 4 서브 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 구동 방법에 있어서;
제 1 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 1 서브 픽셀 및 상기 제 2 서브 픽셀로부터 각각 제 1 센싱 신호 및 제 2 센싱 신호를 샘플링하는 단계;
상기 제 1 광 집적 시간보다 짧은 제 2 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 3 서브 픽셀 및 상기 제 4 서브 픽셀로부터 각각 제 3 센싱 신호 및 제 4 센싱 신호를 샘플링하는 단계; 그리고
상기 제 1 센싱 신호와 상기 제 2 센싱 신호를 평균화 연산으로 처리하고, 상기 제 3 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호를 상기 평균화 연산으로 처리하는 단계를 포함하되,
상기 제 1 서브 픽셀과 상기 제 4 서브 픽셀은 제 1 전하 검출 노드를 공유하고, 상기 제 2 서브 픽셀과 상기 제 3 서브 픽셀은 제 2 전하 검출 노드를 공유하는 구동 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 센싱 신호 및 상기 제 2 센싱 신호를 샘플링하는 단계에서, 상기 제 1 센싱 신호와 상기 제 2 센싱 신호는 동시에 샘플링되고,
상기 제 3 센싱 신호 및 상기 제 4 센싱 신호를 샘플링하는 단계에서, 상기 제 3 센싱 신호와 상기 제 4 센싱 신호는 동시에 샘플링되는 구동 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 단위 칼라 픽셀은 상기 제 1 전하 검출 노드를 공유하는 제 5 서브 픽셀, 상기 제 2 전하 검출 노드를 공유하는 제 6 서브 픽셀, 그리고 제 3 전하 검출 노드를 공유하는 제 7 내지 제 9 서브 픽셀을 더 포함하고,
상기 제 2 광 집적 시간보다 짧은 제 3 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 5 서브 픽셀, 상기 제 6 서브 픽셀, 그리고 상기 제 7 서브 픽셀 각각으로부터 센싱 신호들을 샘플링하는 단계를 더 포함하는 구동 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 센싱 신호 및 상기 제 2 센싱 신호를 샘플링하는 단계에서, 상기 제 8 서브 픽셀로부터 제 5 센싱 신호가 샘플링되고,
상기 제 3 센싱 신호 및 상기 제 4 센싱 신호를 샘플링하는 단계에서, 상기 제 9 서브 픽셀로부터는 제 6 센싱 신호가 샘플링되는 구동 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 평균화 연산의 결과를 사용하여 하이 다이나믹 레인지(High Dynamic Range) 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하는 구동 방법. - 복수의 조도 범위의 이미지 신호를 센싱하기 위한 이미지 센서에 있어서:
제 1 전하 검출 노드를 공유하는 제 1 내지 제 3 서브 픽셀들을 포함하는 제 1 단위 픽셀;
제 2 전하 검출 노드를 공유하는 제 4 내지 제 6 서브 픽셀들을 포함하는 제 2 단위 픽셀; 그리고
제 3 전하 검출 노드를 공유하는 제 7 내지 제 9 서브 픽셀들을 포함하는 제 3 단위 픽셀을 포함하되,
상기 제 1 내지 제 3 단위 픽셀들 각각은 상기 제 1 전하 검출 노드, 상기 제 2 전하 검출 노드, 그리고 상기 제 3 전하 검출 노드를 사용하여 개별적으로 센싱 신호들을 출력하는 이미지 센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 단위 픽셀은, 상기 제 1 내지 제 3 서브 픽셀들 각각에 대응하는 제 1 내지 제 3 광전 변환 소자들을 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 광전 변환 소자들 중 어느 하나로부터 제공되는 광전하를 상기 제 1 전하 검출 노드에 축적하며,
상기 제 2 단위 픽셀은, 상기 제 4 내지 제 6 서브 픽셀들 각각에 대응하는 제 4 내지 제 6 광전 변환 소자들을 포함하고, 상기 제 4 내지 제 6 광전 변환 소자들 중 어느 하나로부터 제공되는 광전하를 상기 제 2 전하 검출 노드에 축적하며,
상 제 3 단위 픽셀은, 상기 제 7 내지 제 9 서브 픽셀들 각각에 대응하는 제 7 내지 제 9 광전 변환 소자들을 포함하고, 상기 제 7 내지 제 9 광전 변환 소자들 중 어느 하나로부터 제공되는 광전하를 상기 제 3 전하 검출 노드에 축적하는 이미지 센서. - 제 16 항에 있어서,
제 1 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 1 서브 픽셀, 상기 제 4 서브 픽셀, 그리고 상기 제 7 서브 픽셀 각각으로부터 제 1 센싱 신호들을 출력하도록, 상기 제 1 광 집적 시간보다 짧은 제 2 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 2 서브 픽셀, 상기 제 5 서브 픽셀, 그리고 상기 제 8 서브 픽셀 각각으로부터 제 2 센싱 신호들을 출력하도록, 그리고 상기 제 2 광 집적 시간보다 짧은 제 3 광 집적 시간을 적용하여 상기 제 3 서브 픽셀, 상기 제 6 서브 픽셀, 그리고 상기 제 9 서브 픽셀 각각으로부터 제 3 센싱 신호들을 출력하도록 상기 제 1 내지 제 3 단위 픽셀들을 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함하는 이미지 센서. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 센싱 신호들, 상기 제 2 센싱 신호들, 그리고 상기 제 3 센싱 신호들 각각에 대해 평균화 연산을 수행하는 비닝 회로를 더 포함하는 이미지 센서. - 제 17 항에 있어서,
상기 타이밍 컨트롤러는 상기 제 1 센싱 신호들이 동시에 출력되도록, 상기 제 2 센싱 신호들이 동시에 출력되도록, 그리고 상기 제 3 센싱 신호들이 동시에 출력되도록 상기 제 1 내지 제 3 단위 픽셀들을 제어하는 이미지 센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 단위 픽셀들은 상기 복수의 조도 범위에서 상기 이미지 신호를 센싱하기 위한 단일 칼라에 대응하는 단위 칼라 픽셀을 구성하는 이미지 센서.
Priority Applications (5)
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