KR20210123602A - 이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법 - Google Patents

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KR20210123602A
KR20210123602A KR1020200040931A KR20200040931A KR20210123602A KR 20210123602 A KR20210123602 A KR 20210123602A KR 1020200040931 A KR1020200040931 A KR 1020200040931A KR 20200040931 A KR20200040931 A KR 20200040931A KR 20210123602 A KR20210123602 A KR 20210123602A
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서성욱
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에스케이하이닉스 주식회사
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Abstract

본 발명의 일실시예는 이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것으로, 포토제어신호에 기초하여 입사광에 대응하는 제1 전하들을 생성하기 위한 전하 감지 소자; 리셋신호에 기초하여 상기 전하 감지 소자를 리셋하기 위한 리셋 소자; 상기 제1 전하들을 축적하기 위한 플로팅 확산 노드; 보상제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 보상전류를 선택적으로 공급하기 위한 보상 소자; 및 선택신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 대응하는 픽셀신호를 리드아웃 라인으로 출력하기 위한 선택 소자를 포함하는 이미지 센싱 장치를 제공한다.

Description

이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법{IMAGE SENSING DEVICE AND OPERATING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 반도체 설계 기술에 관한 것으로, 이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐(capture)하는 소자이다. 이미지 센싱 장치는 크게 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용한 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. 최근에는 아날로그 및 디지털 제어회로를 하나의 집적회로(IC) 위에 직접 구현할 수 있는 장점으로 인하여 CMOS를 이용한 이미지 센싱 장치가 많이 이용되고 있다.
본 발명의 실시예는 외광(background light)을 제거하기 위한 이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 상기 외광을 제거하기 위한 회로가 픽셀이 배치되는 영역으로부터 최대한 배제되도록 설계된 이미지 센싱 장치 및 그의 동작 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이미지 센싱 장치는, 포토제어신호에 기초하여 입사광에 대응하는 제1 전하들을 생성하기 위한 전하 감지 소자; 리셋신호에 기초하여 상기 전하 감지 소자를 리셋하기 위한 리셋 소자; 상기 제1 전하들을 축적하기 위한 플로팅 확산 노드; 보상제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 보상전류를 선택적으로 공급하기 위한 보상 소자; 및 선택신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 대응하는 픽셀신호를 리드아웃 라인으로 출력하기 위한 선택 소자를 포함할 수 있다.
상기 보상 소자는 상기 보상제어신호에 기초하여 글로벌 바이어스 라인과 상기 플로팅 확산 노드를 선택적으로 접속할 수 있다.
상기 보상제어신호는 상기 플로팅 확산 노드의 포화 여부를 나타낼 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이미지 센싱 장치는, 보상제어신호에 기초하여, 입사광 중 외광을 제거하고 남은 반사광 - 피사체로부터 반사됨 - 에 대응하는 아날로그 타입의 픽셀신호를 생성하기 위한 적어도 하나의 픽셀; 상기 아날로그 타입의 상기 픽셀신호를 디지털 타입의 픽셀신호로 변환하기 위한 신호변환기; 및 상기 디지털 타입의 상기 픽셀신호에 기초하여 상기 보상제어신호를 생성하기 위한 보상제어기를 포함할 수 있다.
상기 픽셀은, 포토제어신호에 기초하여 상기 입사광에 대응하는 제1 전하들을 생성하기 위한 전하 감지 소자; 상기 제1 전하들을 축적하기 위한 플로팅 확산 노드; 보상제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 상기 외광에 대응하는 보상전류를 선택적으로 공급하기 위한 보상 소자; 및 선택신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 대응하는 픽셀신호를 리드아웃 라인으로 출력하기 위한 선택 소자를 포함할 수 있다.
상기 보상제어기는 이전 프레임(frame) 구간 동안 생성된 상기 디지털 타입의 픽셀신호를 이용하여 현재 프레임 구간 동안 생성될 픽셀신호를 보상할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이미지 센싱 장치의 동작 방법은, 제1 프레임(frame) 구간 동안, 적어도 하나의 거리(depth) 센싱 픽셀로부터 리드아웃되는 픽셀신호에 기초하여 상기 거리 센싱 픽셀의 포화(saturation) 여부를 판단하는 단계; 상기 제1 프레임 구간 동안, 상기 판단 결과 포화된 거리 센싱 픽셀에 대응하는 보상정보를 저장하는 단계; 및 상기 제1 프레임 구간 이후의 제2 프레임 구간 동안, 상기 보상정보에 기초하여 상기 포화된 거리 센싱 픽셀로부터 외광을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 거리 센싱 픽셀의 포화 여부를 판단하는 단계는, 아날로그 타입의 상기 픽셀신호를 디지털 타입의 픽셀신호로 변환하는 단계; 상기 디지털 타입의 상기 픽셀신호와 기준신호를 비교하는 단계; 및 상기 비교결과에 따라 상기 거리 센싱 픽셀의 포화 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 외광을 제거하는 단계는, 상기 거리 센싱 픽셀에 포함된 플로팅 확산 노드에게 상기 외광에 대응하는 보상전류를 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예는 외광(background light)을 제거함으로써 거리(depth) 정보를 정확하게 획득할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 상기 외광을 제거하기 위한 회로가 픽셀이 배치되는 영역으로부터 최대한 배제되도록 설계됨으로써 상기 픽셀의 핏치(pitch)에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이와 바이어스전류 생성기의 일예를 보인 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 보상 제어기의 블록 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시된 이미지 센싱 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 도 4의 이미지 센싱 장치의 동작을 부연 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "접속"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 접속"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 접속"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체의 기재에 있어서 일부 구성요소들을 단수형으로 기재하였다고 해서, 본 발명이 그에 국한되는 것은 아니며, 해당 구성요소가 복수 개로 이루어질 수 있음을 알 것이다.
도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치가 블록 구성도로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100)는 ToF(time of flight) 방식을 이용하여 피사체(200)와의 거리(depth)를 나타내는 거리 정보를 측정할 수 있다. 예컨대, 이미지 센싱 장치(100)는 외부로 방사되는 발신광(MS)과 내부로 입사되는 입사광(RS)의 위상차를 검출함으로써 상기 거리 정보를 측정할 수 있다.
예컨대, 이미지 센싱 장치(100)는 광 발신기(110), 광 수신기(120), 로우(row) 컨트롤러(130), 위상 컨트롤러(140), 픽셀 어레이(150), 신호 변환기(160), 이미지 프로세서(170), 보상 제어기(180), 및 바이어스전류 생성기(190)를 포함할 수 있다.
광 발신기(110)는 노출시간(integration time) 동안 인에이블될 수 있다. 광 발신기(110)는 상기 노출시간 동안 발신광(MS)을 피사체(200)에게 방사할 수 있다. 예컨대, 발신광(MS)은 주기적으로 토글링하는 주기신호일 수 있다.
광 수신기(120)는 상기 상기 노출시간 동안 인에이블될 수 있다. 광 수신기(120)는 상기 노출시간 동안 입사광(RS)을 수신할 수 있고 수신된 입사광(RS')을 픽셀 어레이(RS')에게 전달할 수 있다. 예컨대, 입사광(RS)은 발신광(MS)이 파사체(200)로부터 반사되어 광 수신기(120)에게 수신되는 반사광과 피사체(200)의 주변에 존재하는 외광(background light)을 포함할 수 있다.
로우(row) 컨트롤러(130)는 픽셀 어레이(150)를 로우 별로 제어하기 위한 복수의 로우 제어신호(RCTRL)를 생성할 수 있다. 예컨대, 로우 컨트롤러(130)는 픽셀 어레이(150)의 제1 로우에 배열된 픽셀들을 제어하기 위한 제1 로우 제어신호들을 생성할 수 있고, 픽셀 어레이(150)의 제n 로우에 배열된 픽셀들을 제어하기 위한 제n 로우 제어신호들을 생성할 수 있다(단, 'n'은 2보다 큰 자연수).
위상 컨트롤러(140)는 상기 노출시간 동안 인에이블될 수 있다. 위상 컨트롤러(140)는 상기 노출시간 동안 주기적으로 토글링하는 제어신호(MX)를 생성할 수 있다. 예컨대, 제어신호(MX)는 발신광(MS)과 동일한 위상 및 동일한 주기를 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 하나의 제어신호(MS)가 생성되는 것을 예로 들어 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 설계에 따라 위상이 서로 다른 복수의 제어신호(MS)를 생성 및 이용할 수 있다.
픽셀 어레이(150)는 수신된 입사광(RS'), 복수의 로우 제어신호(RCTRL), 제어신호(MX), 바이어스 전류(IB), 및 보상제어신호(CC)에 기초하여 복수의 픽셀신호(VPX)를 생성할 수 있다. 복수의 픽셀신호(VPX)는 각각 입사광(RS) 중 상기 외광이 제거되고 남은 상기 반사광에 대응하는 신호일 수 있다. 복수의 픽셀신호(VPX)는 각각 아날로그 타입(analog type)의 신호일 수 있다. 픽셀 어레이(150)는 피사체(200)와의 거리를 측정하기 위한 복수의 단위 픽셀(즉, 거리 센싱 픽셀)을 포함할 수 있다. 예컨대, 각각의 단위 픽셀은 복수의 로우 제어신호(RCTRL) 중 할당된 로우 제어신호들에 기초하여 선택될 수 있고, 제어신호(MX)와 수신된 입사광(RS')과 각각의 바이어스 전류(IB)와 각각의 보상제어신호(CC)에 기초하여 하나의 픽셀신호(VPX)를 생성할 수 있다. 상기 단위 픽셀은 도 2를 참조하여 더욱 자세하게 설명한다.
신호 변환기(160)는 상기 아날로그 타입의 복수의 픽셀신호(VPX)를 디지털(digital) 타입의 복수의 픽셀신호(DADC)로 변환할 수 있다. 예컨대, 신호 변환기(160)는 아날로그 투 디지털 컨버터(analog to digital converter)를 포함할 수 있다.
이미지 프로세서(170)는 복수의 픽셀신호(DADC)에 기초하여 상기 거리 정보를 측정(즉, 산출)할 수 있다. 상기 거리 정보를 측정하는 방법은 이미 잘 알려진 기술들이 많고 본 발명의 요지와 크게 상관이 없는바 본 발명의 실시예에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
보상 제어기(180)는 복수의 픽셀신호(DADC)에 기초하여 복수의 보상제어신호(CC)와 적어도 하나의 바이어스 제어신호(BC)와 복수의 선택제어신호(CS)를 생성할 수 있다. 복수의 보상제어신호(CC)는 각각의 단위 픽셀에 포함된 플로팅 확산 노드의 포화(saturation) 여부를 나타내는 신호들일 수 있다. 복수의 보상제어신호(CC)의 개수는 상기 복수의 단위 픽셀의 개수에 대응하여 생성될 수 있다. 바이어스 제어신호(BC)와 복수의 선택제어신호(CS)는 각각의 단위 픽셀의 포화 여부에 따라 생성될 수 있다. 예컨대, 바이어스 제어신호(BC)는 공통으로 이용되는 하나의 신호일 수 있고, 복수의 선택제어신호(CS)의 개수는 픽셀 어레이(150)의 컬럼 개수에 대응하여 생성될 수 있다.
보상 제어기(180)는 이전 프레임(frame) 구간 동안 생성된 복수의 픽셀신호(DADC)를 이용하여 현재 프레임 구간 동안 생성될 복수의 픽셀신호(DADC)를 보정해주는 역할을 수행할 수 있다. 보상 제어기(180)는 도 3을 참조하여 더욱 자세하게 설명한다.
바이어스전류 생성기(190)는 바이어스 제어신호(BC)와 선택제어신호(CS)에 기초하여 보상전류(IC)에 대응하는 바이어스전류(IB)를 각각의 단위 픽셀에 포함된 보상 소자(CT)에게 공급할 수 있다. 바이어스전류 생성기(190)는 도 2를 참조하여 더욱 자세하게 설명한다.
한편, 광 발신기(100), 광 수신기(120), 로우 컨트롤러(130), 위상 컨트롤러(140), 픽셀 어레이(150), 신호 변환기(160), 이미지 프로세서(170), 보상 제어기(180), 및 바이어스전류 생성기(190) 중 적어도 픽셀 어레이(150)는 아날로그 영역에 배치될 수 있고 보상 제어기(180)와 바이어스전류 생성기(190)는 디지털 영역에 배치될 수 있다. 다시 말해, 상기 단위 픽셀과 관련된 구성(즉, 픽셀 어레이(150))와 상기 외광을 제거하기 위한 구성(즉, 보상 제어기(180)와 바이어스전류 생성기(190))은 면적 측면에서 서로 영향을 미치지 않는 서로 분리된 영역에 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 단위 픽셀과 관련된 구성(즉, 픽셀 어레이(150))과 상기 외광을 제거하기 위한 구성(즉, 보상 제어기(180)와 바이어스전류 생성기(190))은 서로 다른 칩(chip)에 집적될 수 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 픽셀 어레이(150)와 바이어스전류 생성기(190)의 일예를 보인 회로도가 도시되어 있다. 도 2에는 설명의 편의를 위해 하나의 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이(150)와 픽셀 어레이(150)의 하나의 컬럼에 대응하는 바이어스전류 생성기(190)가 도시되어 있음에 유의한다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(150)는 상기 단위 픽셀을 포함할 수 있다. 상기 단위 픽셀은 리셋신호(RX), 전달신호(TX), 선택신호(SX), 제어신호(MX), 및 보상제어신호(CC)에 기초하여 픽셀신호(VPX)를 생성할 수 있다. 리셋신호(RX), 전달신호(TX), 및 선택신호(SX)는 앞서 설명한 복수의 로우 제어신호(RCTRL)에 포함되는 신호들일 수 있다. 예컨대, 상기 단위 픽셀은 전하 감지 소자(PD), 리셋 소자(RT), 전달 소자(TT), 플로팅 확산 노드(FD), 보상 소자(CT), 구동 소자(DT), 및 선택 소자(ST)를 포함할 수 있다.
전하 감지 소자(PD)는 접속 노드(NN)와 저전압단 사이에 접속될 수 있다. 전하 감지 소자(PD)는 상기 노출시간 동안 제어신호(MX)에 기초하여 수신된 입사광(RS')에 대응하는 전하들을 생성할 수 있다. 예컨대, 전하 감지 소자(PD)는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
리셋 소자(RT)는 고전압단과 접속 노드(NN) 사이에 접속될 수 있다. 리셋 소자(RT)는 리셋신호(RX)에 기초하여 상기 노출시간 이전의 리셋시간 동안 인에이블되어 상기 고전압단과 접속 노드(NN)를 전기적으로 접속할 수 있다. 리셋 소자(RT)는 상기 리셋시간 동안 상기 고전압단과 접속 노드(NN)를 전기적으로 접속함으로써 전하 감지 소자(PD)와 플로팅 확산 노드(FD)를 리셋할 수 있다. 예컨대, 리셋 소자(RT)는 리셋신호(RX)를 게이트단으로 입력받고 상기 고전압단과 접속 노드(NN) 사이에 소오스단과 드레인단이 접속되는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
전달 소자(TT)는 접속 노드(NN)와 플로팅 확산 노드(FD) 사이에 접속될 수 있다. 제1 전달 소자(TT)는 제1 전달신호(TX)에 기초하여 상기 리셋시간과 상기 노출시간 동안 인에이블되어 접속 노드(NN)와 플로팅 확산 노드(FD)를 전기적으로 접속할 수 있다. 전달 소자(TT)는 상기 리셋시간 동안 접속 노드(NN)와 플로팅 확산 노드(FD)를 전기적으로 접속함으로써 플로팅 확산 노드(FD)가 리셋될 수 있는 환경을 제공할 수 있고, 상기 노출시간 동안 접속 노드(NN)와 플로팅 확산 노드(FD)를 전기적으로 접속함으로써 전하 감지 소자(PD)로부터 생성된 상기 전하들을 플로팅 확산 노드(FD)에게 전달할 수 있다. 예컨대, 전달 소자(TT)는 전달신호(TX)를 게이트단으로 입력받고 접속 노드(NN)와 플로팅 확산 노드(FD) 사이에 소오스단과 드레인단이 접속되는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
플로팅 확산 노드(FD)는 전하 감지 소자(PD)로부터 생성된 상기 전하들을 상기 노출시간 동안 축적할 수 있다. 더욱 정확하게는, 플로팅 확산 노드(FD)에 접속된 기생 커패시터(C)에 상기 전하들이 축적될 수 있다.
보상 소자(CT)는 플로팅 확산 노드(FD)와 글로벌 바이어스 라인(GBL) 사이에 접속될 수 있다. 보상 소자(CT)는 보상제어신호(CC)에 기초하여 상기 노출시간 동안 인에이블되어 플로팅 확산 노드(FD)와 글로벌 바이어스 라인(GBL)을 전기적으로 접속할 수 있다. 보상 소자(CT)는 상기 노출시간 동안 플로팅 확산 노드(FD)와 글로벌 바이어스 라인(GBL)을 전기적으로 접속함으로써 상기 외광에 대응하는 보상 전류(IC)를 플로팅 확산 노드(FD)에게 공급할 수 있다. 예컨대, 보상 소자(CT)는 보상제어신호(CC)를 게이트단으로 입력받고 플로팅 확산 노드(NN)와 글로벌 바이어스 라인(GBL) 사이에 소오스단과 드레인단이 접속되는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
구동 소자(DT)는 상기 고전압단과 선택 소자(ST) 사이에 접속될 수 있다. 구동 소자(DT)는 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 기초하여 상기 고전압단을 통해 공급되는 고전압으로 리드아웃 라인(RDL)을 구동할 수 있다. 예컨대, 구동 소자(DT)는 플로팅 확산 노드(FD)에 게이트단이 접속되고 상기 고전압단과 선택 소자(ST) 사이에 소오스단과 드레인단이 접속된 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
선택 소자(ST)는 구동 소자(DT)와 리드아웃 라인(COL1) 사이에 접속될 수 있다. 선택 소자(ST)는 선택신호(SX)에 기초하여 상기 노출시간 이후의 리드아웃시간 동안 인에이블되어 구동 소자(DT)와 제1 컬럼라인(COL1)을 전기적으로 접속할 수 있다. 선택 소자(ST)는 상기 리드아웃시간 동안 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 대응하는 픽셀신호(VPX)를 리드아웃 라인(RDL)을 통해 신호 변환기(160)에게 출력할 수 있다. 예컨대, 선택 소자(ST)는 선택신호(SX)를 게이트단으로 입력받고 구동 소자(DT)와 리드아웃 라인(RDL) 사이에 소오스단과 드레인단이 접속되는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
바이어스전류 생성기(190)는 전류원(SF), 및 스위치(SW)를 포함할 수 있다.
전류원(SF)은 상기 고전압단과 스위치(SW) 사이에 접속될 수 있다. 전류원(SF)은 바이어스 제어신호(BC)에 기초하여 바이어스 전류(IB)를 생성할 수 있다.
스위치(SW)는 전류원(SF)과 글로벌 바이어스 라인(GBL) 사이에 접속될 수 있다. 스위치(SW)는 선택제어신호(CS)에 기초하여 전류원(SF)과 글로벌 바이어스 라인(GBL) 사이를 선택적으로 접속함으로써 보상 전류(IB)를 보상 소자(CT)에게 공급할 수 있다.
도 3에는 도 1에 도시된 보상 제어기(180)가 블록 구성도로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 보상 제어기(180)는 복수의 비교기(181), 메모리(183), ㅂ복수의 제1 버퍼(185), 복수의 제2 버퍼(18), 및 바이어스 제어기(189)를 포함할 수 있다.
복수의 비교기(181)는 복수의 픽셀신호(DADC)와 기준신호(DTH)를 비교하고 그 비교결과에 대응하는 복수의 비교신호(COMP)를 생성할 수 있다. 예컨대, 각각의 비교기(181)는 대응하는 픽셀신호(DADC)가 기준신호(DTH)보다 같거나 클 경우(즉, DADC ≥ DTH) 논리 로우 레벨("0")의 비교신호(COMP)를 생성할 수 있다. 픽셀신호(DADC)가 기준신호(DTH)보다 같거나 클 경우(즉, DADC ≥ DTH)는 대응하는 단위 픽셀이 포화되지 않았음을 나타낼 수 있다. 반대로, 각각의 비교기(181)는 대응하는 픽셀신호(DADC)가 기준신호(DTH)보다 작을 경우(즉, DADC < DTH) 논리 하이 레벨("1")의 비교신호(COMP)를 생성할 수 있다. 픽셀신호(DADC)가 기준신호(DTH)보다 작을 경우(즉, DADC < DTH)는 대응하는 단위 픽셀이 포화되었음을 나타낼 수 있다. 예컨대, 복수의 비교기(181)는 픽셀 어레이(150)의 컬럼 개수에 대응하여 구비될 수 있다.
메모리(183)는 복수의 비교신호(COMP)를 단위 픽셀 별로 저장할 수 있다. 즉, 메모리(183)는 각각의 단위 픽셀의 포화 여부에 대응하는 보상정보로서 각각의 비교신호(COMP)를 저장할 수 있다. 예컨대, 메모리(183)는 상기 복수의 단위 픽셀에 대응하는 복수의 메모리 셀을 포함할 수 있다. 상기 복수의 메모리 셀은 각각의 비교신호(COMP)를 저장할 수 있다. 메모리(183)는 상기 이전 프레임 구간 동안 복수의 비교신호(COMP)를 저장하고, 상기 현재 프레임 구간 동안 복수의 비교신호(COMP)에 대응하는 복수의 제1 및 제2 선택정보신호(ROW, COL)를 생성할 수 있다.
복수의 제1 버퍼(185)는 복수의 제1 선택정보신호(ROW)를 버퍼링하여 복수의 보상제어신호(CC)를 생성할 수 있다. 예컨대, 복수의 제1 버퍼(185)는 상기 복수의 단위 픽셀의 개수에 대응하여 구비될 수 있다.
복수의 제2 버퍼(187)는 복수의 제2 선택정보신호(COL)를 버퍼링하여 복수의 선택제어신호(CS)를 생성할 수 있다. 예컨대, 복수의 제2 버퍼(187)는 픽셀 어레이(150)의 컬럼 개수에 대응하여 구비될 수 있다.
바이어스 제어기(189)는 바이어스 제어신호(BC)를 생성할 수 있다. 예컨대, 바이어스 제어기(189)는 상기 외광에 대응하는 보상값에 따라 바이어스 제어신호(BC)를 생성할 수 있다. 바이어스 제어기(189)는 이미지 센싱 장치(100)의 초기 동작 시 기설정된 보상값에 따라 바이어스 제어신호(BC)를 정적으로(static) 생성할 수 있거나, 또는 이미지 센싱 장치(100)의 노말 동작 시 실시간으로 변경되는 보상값에 따라 바이어스 제어신호(BC)를 동적으로(dynamic) 생성할 수 있다.
이하, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(100)의 동작을 설명한다.
도 4에는 도 1에 도시된 이미지 센싱 장치(100)의 동작을 설명하기 위한 흐름도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 프레임 구간 동안, 이미지 센싱 장치(100)는 상기 복수의 단위 픽셀(즉, 거리 센싱 픽셀)로부터 리드아웃되는 복수의 픽셀신호(VPX)에 기초하여 상기 복수의 단위 픽셀 각각의 포화(saturation) 여부를 나타내는 상기 복수의 보상정보를 저장할 수 있다. 상기 제2 프레임 구간 동안, 이미지 센싱 장치(100)는 상기 복수의 보상정보에 기초하여 포화된 단위 픽셀로부터 상기 외광을 제거하고, 상기 복수의 단위 픽셀로부터 리드아웃되는 복수의 픽셀신호(VPX)에 기초하여 상기 거리 정보를 측정할 수 있다.
먼저, 상기 제1 프레임 구간 동안의 이미지 센싱 장치(100)의 동작을 더욱 자세하게 설명한다. 상기 제1 프레임 구간 동안, 메모리(183)에 포함된 상기 복수의 메모리 셀에는 모두 논리 로우 레벨(즉, 불포화 정보)의 비교신호(COMP)가 저장된 것을 전제로 설명한다.
제1 리셋시간 동안, 픽셀 어레이(150)에 포함된 상기 복수의 단위 픽셀은 리셋될 수 있다. 예컨대, 상기 복수의 단위 픽셀은 상기 제1 리셋시간 동안 불필요하게 잔류하는 전하들을 제거할 수 있다. 제1 노출시간 동안, 상기 복수의 단위 픽셀은 각각 전하들을 축적할 수 있다. 예컨대, 각각의 단위 픽셀은 자신의 플로팅 확산 노드(FD)에 전하들을 축적할 수 있다. 제1 리드아웃시간 동안, 상기 복수의 단위 픽셀은 복수의 픽셀신호(VPX)를 신호 변환기(160)에게 출력할 수 있다(S110). 예컨대, 각각의 단위 픽셀은 자신의 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 기초하여 각각의 픽셀신호(VPX)를 각각의 리드아웃 라인(RDL)을 통해 출력할 수 있다.
상기 제1 리드아웃시간 동안, 신호 변환기(160)는 아날로그 타입의 복수의 픽셀신호(VPX)를 디지털 타입의 복수의 픽셀신호(DADC)로 변환할 수 있다. 상기 제1 리드아웃시간 동안, 이미지 프로세서(170)는 복수의 픽셀신호(DADC)에 기초하여 상기 제1 프레임 구간에 대응하는 상기 거리 정보를 측정할 수 있다. 상기 제1 리드아웃시간 동안, 보상 제어기(180)는 복수의 픽셀신호(VPX)의 포화 여부를 판단할 수 있고(S120), 복수의 픽셀신호(VPX)의 포화 여부에 대응하는 상기 복수의 보상정보를 메모리(183)에 저장할 수 있다(S130). 참고로, 각각의 픽셀신호(VPX)의 포화 여부를 판단하는 과정은, 상기 디지털 타입의 상기 픽셀신호(VPX)와 기준신호를 비교함으로써 각각의 단위 픽셀의 포화 여부를 판단할 수 있다.
다음, 상기 제2 프레임 구간 동안의 이미지 센싱 장치(100)의 동작을 더욱 자세하게 설명한다.
제2 리셋시간 동안, 픽셀 어레이(150)에 포함된 상기 복수의 단위 픽셀은 리셋될 수 있다. 예컨대, 상기 복수의 단위 픽셀은 상기 제2 리셋시간 동안 불필요하게 잔류하는 전하들을 제거할 수 있다. 제2 노출시간 동안, 상기 복수의 단위 픽셀은 각각 전하들을 축적할 수 있다. 예컨대, 각각의 단위 픽셀은 자신의 플로팅 확산 노드(FD)에 전하들을 축적할 수 있다. 이때, 보상 제어기(160)가 상기 보상정보에 기초하여 복수의 선택제어신호(CS)와 복수의 보상제어신호(CC)를 생성하면, 상기 복수의 단위 픽셀 중 포화된 단위 픽셀로부터 외광이 제거될 수 있다(S210). 예컨대, 상기 포화된 단위 픽셀에 포함된 보상 소자(CT)는 인에이블되어 상기 외광에 대응하는 보상 전류(IC)를 상기 포화된 단위 픽셀에 포함된 플로팅 확산 노드(FD)에게 공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 포화된 단위 픽셀에 포함된 플로팅 확산 노드(FD)에 축적된 전하들 중 상기 외광에 대응하는 만큼의 전하들이 상쇄될 수 있다. 예컨대, 플로팅 확산 노드(FD)에 축적된 전하들(예: 음의 전하)과 반대 극성의 전하들(예: 양의 전하)이 상기 외광에 대응하는 만큼 주입됨으로써 상쇄되거나 또는 플로팅 확산 노드(FD)에 축적된 전하들 중 상기 외광에 대응하는 만큼의 전하들이 방출됨으로써 상쇄될 수 있다.
제2 리드아웃시간 동안, 상기 복수의 단위 픽셀은 복수의 픽셀신호(VPX)를 신호 변환기(160)에게 출력할 수 있다(S220). 예컨대, 각각의 단위 픽셀은 자신의 플로팅 확산 노드(FD)에 걸린 전압에 기초하여 각각의 픽셀신호(VPX)를 각각의 리드아웃 라인(RDL)을 통해 출력할 수 있다.
상기 제2 리드아웃시간 동안, 신호 변환기(160)는 아날로그 타입의 복수의 픽셀신호(VPX)를 디지털 타입의 복수의 픽셀신호(DADC)로 변환할 수 있다. 상기 제2 리드아웃시간 동안, 이미지 프로세서(170)는 복수의 픽셀신호(DADC)에 기초하여 상기 제2 프레임 구간에 대응하는 상기 거리 정보를 측정할 수 있다. 이때, 복수의 픽셀신호(DADC)는 상기 외광이 제거된 상태이므로 정확한 상기 거리 정보를 측정할 수 있다. 아울러, 상기 제2 리드아웃시간 동안, 보상 제어기(180)는 복수의 픽셀신호(VPX)의 포화 여부를 판단할 수 있고(S230), 복수의 픽셀신호(VPX)의 포화 여부에 대응하는 상기 복수의 보상정보를 메모리(183)에 저장(즉, over-write 또는 re-write)할 수 있다(S240).
도 5에는 도 4에 도시된 이미지 센싱 장치(100)의 동작을 부연 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 프레임 구간 동안, 상기 복수의 단위 픽셀의 포화 여부를 판단한 결과, "(A)"에서 검정색으로 표시한 부분에 대응하는 단위 픽셀들이 포화되었을 경우, "(B)"와 같이 상기 포화된 단위 픽셀들에 대응하여 논리 하이 레벨("1")의 비교신호(COMP)를 상기 보상정보로서 저장하고 불포화된 단위 픽셀들에 대응하여 논리 로우 레벨("0")의 비교신호(COMP)를 상기 보상정보로서 저장할 수 있다.
상기 제2 프레임 구간 동안, 상기 외광이 제거된 상태에서 상기 복수의 단위 픽셀의 포화 여부를 판단한 결과, "(C)"와 같이 상기 복수의 단위 픽셀이 모두 포화되지 않았을 경우, "(D)"와 같이 불포화된 단위 픽셀들에 대응하여 논리 로우 레벨("0")의 비교신호(COMP)를 상기 보상정보로서 저장(즉, over-write 또는 re-write)할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 픽셀 내에 외광 제거 회로로서 보상 소자만이 구성되도록 설계함으로써 상기 외광을 용이하게 제거할 수 있으면서도 상기 외광 제거 회로에 의한 상기 픽셀의 설계 복잡성 및 상기 픽셀의 면적을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 이상에서 설명한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경으로 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 이미지 센싱 장치 110 : 광 발신기
120 : 광 수신기 130 : 로우 컨트롤러
140 : 위상 컨트롤러 150 : 픽셀 어레이
160 : 신호 변환기 170 : 이미지 프로세서
180 : 보상 제어기 190 : 바이어스전류 생성기

Claims (20)

  1. 포토제어신호에 기초하여 입사광에 대응하는 제1 전하들을 생성하기 위한 전하 감지 소자;
    리셋신호에 기초하여 상기 전하 감지 소자를 리셋하기 위한 리셋 소자;
    상기 제1 전하들을 축적하기 위한 플로팅 확산 노드;
    보상제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 보상전류를 공급하기 위한 보상 소자; 및
    선택신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 대응하는 픽셀신호를 리드아웃 라인으로 출력하기 위한 선택 소자
    를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보상 소자는 상기 보상제어신호에 기초하여 글로벌 바이어스 라인과 상기 플로팅 확산 노드를 선택적으로 접속하는 이미지 센싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보상제어신호는 상기 플로팅 확산 노드의 포화 여부를 나타내는 이미지 센싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    아날로그 타입의 상기 픽셀신호를 디지털 타입의 픽셀신호로 변환하기 위한 신호변환기; 및
    상기 디지털 타입의 상기 픽셀신호에 기초하여 상기 보상제어신호를 생성하기 위한 보상제어기를 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보상제어기는 이전 프레임(frame) 구간 동안 생성된 상기 디지털 타입의 상기 픽셀신호를 이용하여 현재 프레임 구간 동안 생성될 픽셀신호를 보상하기 위한 상기 보상제어신호를 생성하는 이미지 센싱 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 보상제어기는,
    상기 디지털 타입의 상기 픽셀신호와 기준신호를 비교하기 위한 비교기;
    상기 비교기로부터 출력되는 비교신호를 저장하고 상기 비교신호에 대응하는 제1 선택정보신호를 생성하기 위한 메모리; 및
    상기 제1 선택정보신호를 버퍼링하여 상기 보상제어신호를 생성하기 위한 버퍼를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 비교신호에 대응하는 제2 선택정보신호를 더 생성하고,
    상기 보상제어기는,
    바이어스 제어신호를 생성하기 위한 바이어스 제어기;
    상기 제2 선택정보신호를 버퍼링하여 선택제어신호를 생성하기 위한 제2 버퍼; 및
    상기 바이어스 제어신호와 상기 선택제어신호에 기초하여 상기 보상전류에 대응하는 바이어스전류를 상기 보상 소자에게 공급하기 위한 바이어스전류 생성기를 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 바이어스전류 생성기는,
    상기 바이어스 제어신호에 기초하여 상기 바이어스 전류를 생성하기 위한 전류원; 및
    상기 선택제어신호에 기초하여 상기 전류원과 상기 보상 소자 사이를 선택적으로 접속하기 위한 스위치를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 전하 감지 소자, 상기 플로팅 확산 노드, 상기 보상 소자, 및 상기 선택 소자는 아날로그 영역에 배치되고,
    상기 보상제어기는 디지털 영역에 배치되는 이미지 센싱 장치.
  10. 보상제어신호에 기초하여, 입사광 중 외광을 제거하고 남은 반사광 - 피사체로부터 반사됨 - 에 대응하는 아날로그 타입의 픽셀신호를 생성하기 위한 적어도 하나의 픽셀;
    상기 아날로그 타입의 상기 픽셀신호를 디지털 타입의 픽셀신호로 변환하기 위한 신호변환기; 및
    상기 디지털 타입의 상기 픽셀신호에 기초하여 상기 보상제어신호를 생성하기 위한 보상제어기
    를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 픽셀은,
    포토제어신호에 기초하여 상기 입사광에 대응하는 제1 전하들을 생성하기 위한 전하 감지 소자;
    상기 제1 전하들을 축적하기 위한 플로팅 확산 노드;
    보상제어신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 상기 외광에 대응하는 보상전류를 선택적으로 공급하기 위한 보상 소자; 및
    선택신호에 기초하여 상기 플로팅 확산 노드에 걸린 전압에 대응하는 픽셀신호를 리드아웃 라인으로 출력하기 위한 선택 소자
  12. 제11항에 있어서,
    상기 보상제어신호는 상기 픽셀에 포함된 플로팅 확산 노드의 포화 여부를 나타내는 이미지 센싱 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 보상제어기는 이전 프레임(frame) 구간 동안 생성된 상기 디지털 타입의 픽셀신호를 이용하여 현재 프레임 구간 동안 생성될 픽셀신호를 보상하는 이미지 센싱 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 보상제어기는,
    상기 디지털 타입의 상기 픽셀신호와 기준신호를 비교하기 위한 비교기;
    상기 비교기로부터 출력되는 비교신호를 상기 픽셀 별로 저장하고 상기 비교신호에 대응하는 제1 선택정보신호를 생성하기 위한 메모리; 및
    상기 제1 선택정보신호를 버퍼링하여 상기 보상제어신호를 생성하기 위한 버퍼를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 비교신호에 대응하는 제2 선택정보신호를 더 생성하고,
    상기 보상제어기는,
    바이어스 제어신호를 생성하기 위한 바이어스 제어기;
    상기 제2 선택정보신호를 버퍼링하여 선택제어신호를 생성하기 위한 제2 버퍼; 및
    상기 바이어스 제어신호와 상기 선택제어신호에 기초하여 상기 보상전류에 대응하는 바이어스전류를 상기 보상 소자에게 공급하기 위한 바이어스전류 생성기를 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 바이어스전류 생성기는,
    상기 바이어스 제어신호에 기초하여 상기 바이어스 전류를 생성하기 위한 전류원; 및
    상기 선택제어신호에 기초하여 상기 전류원과 상기 보상 소자 사이를 선택적으로 접속하기 위한 스위치를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 픽셀은 아날로그 영역에 배치되고,
    상기 보상제어기는 디지털 영역에 배치되는 이미지 센싱 장치.
  18. 제1 프레임(frame) 구간 동안, 적어도 하나의 거리(depth) 센싱 픽셀로부터 리드아웃되는 픽셀신호에 기초하여 상기 거리 센싱 픽셀의 포화(saturation) 여부를 판단하는 단계;
    상기 제1 프레임 구간 동안, 상기 판단 결과 포화된 거리 센싱 픽셀에 대응하는 보상정보를 저장하는 단계; 및
    상기 제1 프레임 구간 이후의 제2 프레임 구간 동안, 상기 보상정보에 기초하여 상기 포화된 거리 센싱 픽셀로부터 외광을 제거하는 단계
    를 포함하는 이미지 센싱 장치의 동작 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 거리 센싱 픽셀의 포화 여부를 판단하는 단계는,
    아날로그 타입의 상기 픽셀신호를 디지털 타입의 픽셀신호로 변환하는 단계;
    상기 디지털 타입의 상기 픽셀신호와 기준신호를 비교하는 단계; 및
    상기 비교결과에 따라 상기 거리 센싱 픽셀의 포화 여부를 판단하는 단계를 포함하는 이미지 센싱 장치의 동작 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 외광을 제거하는 단계는,
    상기 거리 센싱 픽셀에 포함된 플로팅 확산 노드에게 상기 외광에 대응하는 보상전류를 공급하는 이미지 센싱 장치의 동작 방법.
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