KR20220036751A - 다중 전송을 이용하는 이미지 센서 및 이의 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 센싱된 빛을 전하로 변환하도록 구성된 광전 변환 소자, 및 상기 광전 변환 소자로부터 제공된 전하를 저장하도록 구성된 플로팅 디퓨전 노드를 포함하는 픽셀, 상기 광전 변환 소자, 상기 플로팅 디퓨전 노드 중 적어도 하나에 저장된 전하를 소거시키는 리셋 신호, 상기 광전 변환 소자에 저장된 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드에 이동시키는 전송 신호를 생성하고, 감광 주기 동안 상기 전송 신호에 펄스를 적어도 2번 발생시키도록 구성된 타이밍 생성기 및 상기 전송 신호에 기초하여, 상기 플로팅 디퓨전 노드에 대한 적어도 2회의 샘플링을 수행한 결과를 합산함으로써 출력 데이터를 생성하도록 구성된 리드아웃 회로를 포함할 수 있다.
Description
본 개시의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전하를 다중 전송하는 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법에 관한 것이다.
영상을 촬상하기 위한 장치로서 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 널리 사용되고 있다. 필팩터(fill factor)와 제조 단가의 측면에서 유리한 3-트랜지스터 픽셀 구조, 및 빛에 대한 응답성 및 민감도가 높고, 암전류 및 잡음 등에 강한 4-트랜지스터 픽셀 구조가 CMOS 이미지 센서에 널리 이용된다.
4-트랜지스터 픽셀 구조에서, 픽셀당 최대 전하 수인 풀 웰 커패시티(Full Well Capacity; FWC)에 따라 플로팅 디퓨전(Floating Diffusion) 노드의 포텐셜이 적절히 설계되지 않으면, 플로팅 디퓨전 노드에 저장된 전하가 역류하는 백-플로우(Back-flow)가 발생할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 플로팅 디퓨전 노드의 포텐셜에 좌우되지 않고 전하를 처리할 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 센싱된 빛을 전하로 변환하도록 구성된 광전 변환 소자, 및 상기 광전 변환 소자로부터 제공된 전하를 저장하도록 구성된 플로팅 디퓨전 노드를 포함하는 픽셀, 상기 광전 변환 소자, 상기 플로팅 디퓨전 노드 중 적어도 하나에 저장된 전하를 소거시키는 리셋 신호, 상기 광전 변환 소자에 저장된 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드에 이동시키는 전송 신호를 생성하고, 감광 주기 동안 상기 전송 신호에 펄스를 적어도 2번 발생시키도록 구성된 타이밍 생성기 및 상기 전송 신호에 기초하여, 상기 플로팅 디퓨전 노드에 대한 적어도 2회의 샘플링을 수행한 결과를 합산함으로써 출력 데이터를 생성하도록 구성된 리드아웃 회로를 포함할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 광전 변환 장치 및 플로팅 디퓨전 노드를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법은, 상기 광전 변환 장치 및 상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하는 단계, 상기 이미지 센서의 셔터가 한번 개폐되는 동안 센싱된 빛을 전하로 변환하는 단계, 상기 전하 중 일부인 제1 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 단계, 상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하는 단계 및 상기 전하 중 나머지 일부인 제2 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 센싱된 빛을 전하로 변환하도록 구성된 광전 변환 소자 및 플로팅 디퓨전노드를 포함하는 픽셀을 적어도 하나 포함하는 픽셀 어레이, 적어도 하나의 로우 라인을 통해 상기 픽셀에 제어 신호를 제공하는 로우 디코더, 상기 광전 변환 소자, 상기 플로팅 디퓨전 노드 중 적어도 하나에 저장된 전하를 소거시키는 리셋 신호, 상기 광전 변환 소자에 저장된 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드에 이동시키는 전송 신호, 및 샘플링을 위한 램프 신호를 생성하고, 감광 주기 동안 상기 전송 신호에 전송 펄스를 적어도 2번 발생시키도록 구성된 타이밍 생성기 및 상기 픽셀 어레이로부터 적어도 하나의 컬럼 라인을 통해 픽셀 신호를 수신하고, 상기 램프 신호에 기초하여 상기 픽셀 신호를 샘플링함으로써 출력 데이터을 생성하도록 구성된 리드아웃 회로를 포함할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는 동일한 광전 변환 소자를 이용함에도 상대적으로 많은 FWC를 확보할 수 있으므로 광역 동적 범위(High Dynamic Range)를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는 백-플로우 마진을 확보하기 위해 플로팅 디퓨전 노드의 포텐셜을 증가시킬 필요가 없으므로 변환 이득(Conversion Gain)의 감축을 방지할 수 있다. 또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는 플로팅 디퓨전 노드의 커패시턴스를 최소화할 수 있으므로 노이즈에 강건할 수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀을 도시하는 회로도이고, 도 2b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 단면도 및 픽셀에 상응하는 전하의 축적을 도시하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 포토다이오드와 플로팅 디퓨전의 포텐셜을 구조적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 리셋 신호와 전송 신호 및 선택 신호의 타이밍을 나타내는 타이밍도이다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 포토다이오드와 플로팅 디퓨전의 포텐셜을 순서에 따라 도시한 도면이다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법 중 단계 S170을 설명하는 흐름도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 처리 방법에 따른 처리 속도를 비교하는 도면이다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 적용되는 멀티 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치의 블록도이다.
도 10은 도 9의 멀티 카메라 모듈의 상세 블록도이다.
도 2a는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀을 도시하는 회로도이고, 도 2b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 단면도 및 픽셀에 상응하는 전하의 축적을 도시하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 포토다이오드와 플로팅 디퓨전의 포텐셜을 구조적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 리셋 신호와 전송 신호 및 선택 신호의 타이밍을 나타내는 타이밍도이다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 포토다이오드와 플로팅 디퓨전의 포텐셜을 순서에 따라 도시한 도면이다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법 중 단계 S170을 설명하는 흐름도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 처리 방법에 따른 처리 속도를 비교하는 도면이다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 적용되는 멀티 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치의 블록도이다.
도 10은 도 9의 멀티 카메라 모듈의 상세 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서(100)를 도시한 블록도이다.
이미지 센서(100)는 이미지 또는 광 센싱 기능을 갖는 전자 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 카메라, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다. 또한 이미지 센서(100)는 차량, 가구, 제조 설비, 도어, 각종 계측 기기 등에 부품으로서 구비되는 전자 기기에 탑재될 수 있다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 로우 디코더(120), 램프 신호 생성기(130), 비교 회로(140), 클럭 신호 생성기(150), 계수 회로(160), 타이밍 생성기(170), 컬럼 디코더(180) 및 신호 처리기(190)를 포함할 수 있고, 비교 회로(140) 및 계수 회로(160)는 리드아웃 회로로 지칭될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 픽셀(PX) 및 복수의 픽셀(PX)에 접속되는 복수의 로우 라인(RL) 및 복수의 컬럼 라인(CL)을 포함할 수 있다. 복수의 로우 라인(RL)들 각각은 로우 방향으로 연장될 수 있고, 동일한 로우에 배치된 픽셀(PX)들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 로우 라인(RL) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이 픽셀(PX)에 포함된 트랜지스터들 각각에 로우 디코더(120)로부터 출력되는 제어 신호들을 전송할 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따른 복수의 픽셀(PX)들 각각은 적어도 하나의 광전 변환 소자(또는 광 감지 소자) 및 트랜지스터를 포함할 수 있다. 광전 변환 소자는 빛을 감지하고, 감지된 빛을 광전하로 변환할 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자는 무기 포토(photo) 다이오드, 유기 포토 다이오드, 페로브 스카이트 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photodiode) 등과 같이, 유기 물질 또는 무기 물질로 구성되는 광 감지 소자일 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 복수의 픽셀(PX)들 각각은 복수의 광전 변환 소자들을 포함할 수 있다. 트랜지스터는 광전 변환 소자에 저장된 전하를 전송시키거나, 전원 전압으로 리셋시키거나, 전하를 전기적 신호로 변환할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 플로팅 디퓨전 노드에 저장된 전하의 개수에 상응하여, 전압 신호가 생성될 수 있다. 전압은 전하량에 비례하되, 커패시턴스에는 반비례함이 이용된다. 예시적인 실시예에서, 트랜지스터 중 어느 하나는 광전 변환 소자로부터의 광전하가 저장되는 플로팅 디퓨전 노드(또는 플로팅 디퓨전 영역)(도 2의 FD)의 전압을 반전 증폭하고, 증폭된 신호를 출력할 수 있다. 픽셀(PX)에 관하여는 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명된다.
복수의 컬럼 라인(CL) 각각은 컬럼 방향으로 연장되며, 동일한 컬럼에 배치된 픽셀(PX)에 연결될 수 있다. 복수의 컬럼 라인(CL) 각각은 픽셀 어레이(110)의 로우 단위로 픽셀(PX)들의 리셋 전압 및 센싱 전압을 비교 회로(140)에 전송할 수 있다.
로우 디코더(120)는 타이밍 생성기(170)의 제어 하에, 픽셀 어레이(110)를 구동하기 위한 제어 신호들을 생성할 수 있고, 복수의 로우 라인(RL)을 통해 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀(PX) 각각에 제어 신호들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에는 전송 신호, 리셋 신호 및/또는 선택 신호 등이 포함될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 로우 디코더(120)는 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀(PX)들이 동시에 또는 로우(row) 단위로 입사되는 광을 감지하도록 픽셀(PX)들을 제어할 수 있다. 또한 로우 디코더(120)는 복수의 픽셀(PX)들 중 로우 단위로 픽셀(PX)들을 선택하고, 선택된 픽셀(PX)들(예컨대 한 로우의 픽셀(PX)들)이 생성하는 리셋 전압 및 센싱 전압을 복수의 컬럼 라인(CL)을 통해 출력하도록 제어할 수 있다.
리셋 전압과 센싱 전압의 전압 차이는 복수의 픽셀(PX) 각각이 수신한 광량에 대한 정보와 상응할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 픽셀(PX)이 광을 수신하지 않은 경우 리셋 전압의 레벨과 센싱 전압의 레벨은 동일할 수 있고, 픽셀(PX)이 광을 수신하는 경우 리셋 전압의 레벨과 센싱 전압의 레벨은 상이할 수 있다. 예를 들어, 출력 데이터는 리셋 전압의 레벨에서 센싱 전압의 레벨의 차일 수 있다. 센싱 전압을 담은 신호 및 리셋 전압을 담은 신호는 픽셀 신호로 지칭될 수 있다.
램프 신호 생성기(130)는 소정의 기울기로 증가 또는 감소하는 램프 신호(RAMP)를 생성하고, 램프 신호(RAMP)를 비교 회로(140)에 제공할 수 있다.
비교 회로(140)는 복수의 픽셀(PX)들 중 로우 디코더(120)에 의해 선택된 로우의 픽셀(PX)들로부터 리셋 전압 또는 센싱 전압을 포함하는 픽셀 신호를 수신할 수 있다. 비교 회로(140)는 복수의 컬럼 라인(CL)을 통해 픽셀 어레이(110)로부터 수신되는 리셋 전압을 담은 신호 또는 센싱 전압을 담은 픽셀 신호를 램프 신호 생성기(130)로부터의 램프 신호(RAMP)를 기초로 디지털 데이터로 변환함으로써, 복수의 픽셀(PX)에 대응하는 픽셀 값들을 로우(row) 단위로 생성 및 출력할 수 있다.
비교 회로(140)는 복수의 비교기(141)를 포함할 수 있다. 비교기(141)는 수신되는 픽셀 신호를 버퍼링된 램프 신호(RMP)와 비교하고, 비교 결과를 로직 로우, 또는 로직 하이로 출력할 수 있다.
복수의 픽셀(PX)들로부터 출력되는 복수의 픽셀 신호는 각 픽셀(PX)마다 가지는 고유의 특성(예컨대, FPN(Fixed Pattern Noise) 등)에 의한 편차 및/또는 픽셀(PX)로부터 픽셀 신호를 출력하기 위한 로직(예컨대, 픽셀(PX) 내에서 광전 변환 소자에 저장된 전하를 출력하기 위한 트랜지스터들)의 특성 차이에 기인한 편차를 가질 수 있다. 이와 같이, 복수의 컬럼 라인(CL)을 통해 출력되는 복수의 픽셀 신호간의 편차를 보상하기 위하여, 픽셀 신호에 대하여 리셋 전압(또는 리셋 성분) 및 센싱 전압(또는 센싱 성분)를 구하고 그 차이(예컨대 전압 차이)를 유효한 신호 성분으로 추출하는 것을 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling)이라고 한다. 비교기(151)는 상관 이중 샘플링 기법이 적용된 비교 결과(예컨대 비교 신호)를 출력할 수 있다. 결과적으로, 비교 회로(140)는 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS) 기법이 적용되는 비교 결과를 생성할 수 있으며, 상관 이중 샘플링 회로로 지칭될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 비교 회로(140)는 리셋 신호 및 센싱 신호를 램프 신호(RAMP)와 각각 비교하고 비교 결과들을 기초로 디지털 데이터의 형태인 픽셀 값을 생성할 수 있다. 예컨대, 비교 회로(140)는 리셋 전압에서 센싱 전압을 제거함으로써, 픽셀(PX)에서 감지된 광 량을 나타내는 픽셀 값을 생성할 수 있다.
클럭 신호 생성기(150)는 타이밍 생성기(170)의 제어 하에, 계수 회로(160)에 카운팅 클럭(CCLK)을 제공할 수 있다. 계수 회로(160)는 복수의 카운터(161)들 및 메모리(162)들을 포함할 수 있다.
카운터(161)는 비교기(141)의 출력에 연결되며, 비교기(141)로부터 출력되는 비교 결과를 카운팅할 수 있다. 카운터(152)는 리셋 신호를 센싱하는 리셋 변환 구간 및 센싱 신호를 센싱하는 이미지 변환 구간에 카운팅 클럭(CCLK)을 기초로 비교기(141)로부터 출력되는 로직 하이 또는 로직 로우의 비교 결과를 카운팅할 수 있고, 카운팅 결과에 따른 디지털 데이터(예를 들어, 픽셀 값)를 출력할 수 있다.
메모리(162)는 각 로우마다의 디지털 데이터(예를 들어 픽셀 값)을 저장할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 메모리(162)는 카운터(161)로부터 출력되는 복수의 디지털 데이터들을 임시 저장한 후, 증폭하여 출력할 수 있다. 즉, 메모리(162)는 출력 버퍼로 기능할 수 있다. 복수의 메모리(162)들 각각은 복수의 카운터(161) 각각으로부터 출력되는 디지털 데이터를 임시 저장한 후 차례로 또는 선택적으로 센스 엠프(미도시)로 출력하며, 센스 엠프는 수신되는 디지털 데이터를 증폭하여 출력할 수 있다. 메모리(162)는 타이밍 생성기(170)의 제어에 따라 컬럼을 선택하는 컬럼 디코더(180)의 신호에 기초하여 증폭된 복수의 디지털 데이터를 신호 처리기(190)로 제공될 수 있다.
타이밍 생성기(170)는 로우 디코더(120), 램프 신호 생성기(130), 및 클럭신호 생성기(150)의 타이밍을 제어할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 타이밍 생성기(170)는 이미지 센서(100)의 구성들, 예컨대, 로우 디코더(120), 램프 신호 생성기(130), 클럭 신호 생성기(150)에 제어 신호 및/또는 클럭 신호를 제공할 수 있다. 로우 디코더(120), 램프 신호 생성기(130), 클럭 신호 생성기(150)는 타이밍 생성기(170)로부터 제공되는 제어 신호 및 및/또는 클럭을 기초로 각 구성에 대하여 설정된 타이밍에 동작할 수 있다. 예를 들어, 카운터(161)는 타이밍 생성기(170)로부터 카운팅 신호 및 카운팅 클럭(CCLK)을 수신할 수 있고, 카운팅 신호가 활성화되는 구간(예컨대 카운팅 신호가 로직 하이인 구간)에 카운팅 클럭(CCLK)을 기초로 비교기(151)로부터 출력되는 비교 결과를 카운팅할 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따른 타이밍 생성기(170)는, 감광 주기 내에 리셋 신호 및 전송 신호를 발생시키고, 발생된 신호들을 로우 디코더(120)에 제공할 수 있다. 전송 신호는 집광된 전하들이 픽셀(PX) 내의 포텐셜 우물에서 이동하는 시간을 나타내는 펄스를 포함할 수 있다. 타이밍 생성기(170)는 카메라의 1회 셔터 개폐 구간 동안에 상기 펄스를 적어도 2회 포함하는 전송 신호를 생성할 수 있다. 이에 따라, 포텐셜 우물의 크기가 작더라도, 적어도 2회의 전송 동작에 의해 픽셀(PX) 내에 축적된 전하가 이동될 수 있다. 또한, 타이밍 생성기(170)는 리셋 신호를 제공함으로써 카메라의 1회 셔터 개폐 동안, 포텐셜 우물에 남아있는 전하를 제거하거나, 이동된 공간에서 독출된 후 남아있는 전하를 제거할 수 있다. 전하가 제거되는 동작은 리셋 동작으로 지칭될 수 있다. 타이밍 생성기(170)의 리셋 신호 및 전송 신호를 이용한 픽셀(PX) 내부의 전하 운반 처리는 도 3a 및 3b를 참조하여 상세히 설명된다.
타이밍 생성기(170)는 로직 회로를 포함하는 하드웨어와 같은 처리 회로로서 구현될 수 있거나, 압축 동작을 수행하는 소프트 웨어를 실행하는 프로세서와 같이 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현 될 수 있다. 특히, 타이밍 생성기(170)는 이미지 센서(100)에 포함된 중앙 처리 장치(Central Procesing Unit; CPU), 산술 및 논리 연산, 비트 쉬프트 등을 수행하는 ALU(Arithmetic Logic Unit), DSP(Digital Signal Processor), 마이크로프로세서(microprocessor), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 컨트롤 로직(control logic) 등으로 구현될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
신호 처리기(190)는 증폭된 디지털 데이터에 대해 데이터 형식을 변경하는 이미지 처리(예컨대 베이어 패턴의 이미지 데이터를 YUV 또는 RGB 형식으로 변경), 노이즈 제거, 밝기 조정, 선명도(sharpness) 조정 등의 화질 향상을 위한 이미지 처리 등을 수행한 결과, 이미지 데이터(IMG)를 출력할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 신호 처리기(190)는 화이트 밸런싱(white balancing), 디노이징(denoising), 디모자이킹(demosaicking), 렌즈 쉐이딩(lenz shading), 및 감마 보정(gamma corrections), 모서리 검출(Edge Detection), 선명도 개선(Edge Enhancement) 등 이미지에 관한 디지털 데이터의 왜곡을 제거하고 알고리즘 성능을 높이기 위한 사전 처리 작업을 수행할 수 있다. 신호 처리기(190)에서 전-처리가 됨에 따라, 이미지 데이터(IMG)의 사후 처리 속도는 향상될 수 있다.
도 1에서는 설명의 편의를 위해 이미지 센서(100) 내부에 신호 처리기(190)가 포함된 것으로 도시되었으나, 이에 국한되지 않는다. 예시적인 실시예에서, 신호 처리기(190)는 공간 효율성을 위해 이미지 센서(100) 외부에 구비될 수 있고, 또는 어플리케이션 프로세서 내부의 기능부로서 기능함으로써 시스템 자원의 효율화를 도모할 수 있다.
도 2a는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀(PX)을 도시하는 회로도이고, 도 2b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀(PX)의 단면도 및 픽셀(PX)에 상응하는 전하의 축적을 도시하는 도면이다.도 2a 및 도 2b의 픽셀(PX)은 도 1의 픽셀(PX)과 동일한 기능을 수행할 수 있다.
도 2a는 4-트랜지스터 구조가 적용된 픽셀(PX)일 수 있다. 4-트랜지스터 구조에는 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)가 포함될 수 있다. 4-트랜지스터 구조는 3-트랜지스터 구조에 비해 빛에 대한 응답성 및 민감도가 높고, 암전류 및 노이즈 등에 강하다.
도 2a를 참조하면, 픽셀(PX)은 광전 변환 소자의 일 예시로서 포토다이오드(PD)를 포함할 수 있고, 광전 변환 소자를 증폭 또는 제어하기 위한 구성으로서 트랜스퍼 트랜지스터(TX), 플로팅 디퓨젼 노드(FD), 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 더 포함할 수 있다. 포토다이오드(PD)는 광전 변환 소자의 예시에 불과하며, 다른 종류의 광전 변환 소자로 대체될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 포토다이오드(PD)를 이용하여 픽셀(PX)의 전하 전송 동작이 설명된다. 또한, 트랜스퍼 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX))는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)으로 도시되었으나, 이에 제한되지는 않는다.
포토다이오드(PD)는 입사되는 광의 세기에 따라 가변되는 광전하(photocharge)를 생성할 수 있다. 광전하는 전하(charge)와 전기적 성질이 다르지 않으므로, 이하에서는 전하로 통칭될 수 있다. 포토다이오드(PD)가 전하를 저장할 수 있는 최대 용량은 풀 웰 커패시티(Full Well Capacity; FWC)로 지칭될 수 있다. 포토다이오드(PD)의 일 단은 전송 트랜지스터(TX)에 연결될 수 있고, 포토다이오드(PD)의 다른 일 단은 접지될 수 있다.
전송 트랜지스터(TX)의 일 단(예를 들어, 소스 단)은 포토다이오드(PD)에 연결될 수 있고, 다른 일 단(예를 들어, 드레인 단)은 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 연결될 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)의 게이트 단에는 타이밍 생성기(도 1의 170)에서 생성된 전송 신호(TS)가 로우 디코더(도 1, 120)를 통해 제공될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 전송 트랜지스터(TX)의 게이트단을 통해 제공되는 전송 신호(TS)의 레벨에 따라, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송될 수 있다. 예를 들어, 전송 신호(TS)가 전송 트랜지스터(TX)의 문턱 전압보다 높은 하이 레벨이라면, 전송 트랜지스터(TX)는 턴-온됨으로써 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 공급될 수 있다. 예를 들어, 전송 신호(TS)가 전송 트랜지스터(TX)의 문턱 전압보다 낮은 로우 레벨이라면, 전송 트랜지스터(TX)는 턴-오프될 수 있고, 포토다이오드(PD)에 저장된 전하는 유지될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 하이 레벨의 전송 신호(TS)를 전송 트랜지스터(TX)의 문턱 전압보다 높은 신호로, 로우 레벨의 전송 신호(TS)를 전송 트랜지스터(TX)의 문턱 전압보다 낮은 신호로 가정한다. 본 개시에서는, 로직 레벨의 예시로서 하이 레벨 또는 로우 레벨이라는 용어가 사용된다. 그러나, 본 개시의 기술적 사상의 하이 레벨 또는 로우 레벨은 신호의 레벨이 일정한 값을 의미하는 것은 아니다. 본 개시의 기술적 사상은 로직 레벨로서 0 또는 1, 온 또는 오프, 업 또는 다운 등 논리적이고 추상적인 개념을 이용하여 설명된다.
플로팅 디퓨전 노드(FD)는 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(TX) 및 구동 트랜지스터(DX)에 공통 접속된 노드일 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 광전 변환 소자에서 생성된 전하를 저장할 수 있다. 구체적으로, 광전하는 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 의해 형성되는 플로팅 디퓨전 커패시터(미도시)에 저장될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 로우 디코더(120)로부터 제공되는 리셋 신호(RS)에 따라 플로팅 디퓨젼 노드(FD)를 전원 전압(VDD) 레벨로 리셋할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 리셋 트랜지스터(RX)는 신호의 정확한 검출을 위해 플로팅 디퓨전 노드(FD) 또는 포토다이오드(PD)에 저장된 전하를 배출할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 리셋 트랜지스터(RX)의 일 단(예를 들어, 소스 단)은 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있고, 리셋 트랜지스터(RX)의 다른 일 단(예를 들어, 드레인 단)은 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트 단에는 타이밍 생성기(도 1의 170)에서 생성된 리셋 신호(RS)가 로우 디코더(120)를 통해 제공될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트단을 통해 제공되는 리셋 신호(RS)의 레벨에 따라, 리셋 트랜지스터(RX)의 다른 일 단에 연결된 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋될 수 있다. 예를 들어, 리셋 신호(RS)가 리셋 트랜지스터(RX)의 문턱 전압보다 높은 하이 레벨이라면, 리셋 트랜지스터(RX)는 턴-온됨으로써 전원 전압(VDD)이 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 공급될 수 있고, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜은 전원 전압(VDD)에 상응하는 만큼 높아질 수 있다. 예를 들어, 리셋 신호(RS)가 리셋 트랜지스터(RX)의 문턱 전압보다 낮은 로우 레벨이라면, 리셋 트랜지스터(RX)는 턴-오프될 수 있고, 플로팅 디퓨전 노드는 플로팅 상태일 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 전송 트랜지스터(TX)에 하이 레벨의 전송 신호(TS)가 적어도 두 번 공급됨으로써, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 적어도 두 번에 걸쳐 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 전송될 수 있다.
구동 트랜지스터(DX)는 신호를 증폭할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구동 트랜지스터(DX)의 일 단(예를 들어, 소스 단)은 전원 전압(VDD)과 연결될 수 있고, 구동 트랜지스터(DX)의 다른 일 단(예를 들어, 드레인 단)은 선택 트랜지스터(SX)에 연결될 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)의 게이트 단은 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 연결될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 구동 트랜지스터(DX)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 축적된 전하의 양에 상응하는 전위에 따라 신호를 증폭하고, 증폭된 신호를 선택 트랜지스터(SX)로 전송할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 전하를 증폭하는 특성이 있고, 소스 팔로워(Source Follower)로 지칭될 수도 있다.
선택 트랜지스터(SX)의 일 단(예를 들어, 소스 단)이 구동 트랜지스터(DX)의 일 단(예를 들어, 드레인 단)에 연결될 수 있고, 로우 디코더(120)로부터 출력되는 선택 신호(SEL)에 따라 픽셀(PX)에 연결된 컬럼 라인(CL)으로 픽셀 신호(PS)가 출력될 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)의 게이트 단을 통해 선택 신호(SEL)가 제공된다. 예시적인 실시예에서, 선택 트랜지스터(SX)는 스위칭 또는 어드레싱을 위해 이용될 수 있다.
도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 픽셀 신호(PS)는 리셋 전압을 담은 신호와 센싱 전압을 담은 신호 중 어느 하나일 수 있다. 리셋 전압을 담은 신호는 리셋 트랜지스터(RX)에 의해 플로팅 디퓨젼 노드(FD)가 전원 전압(VDD)으로 리셋된 후 선택 트랜지스터(SX)가 출력하는 신호일 수 있다. 센싱 전압을 담은 신호는 플로팅 디퓨젼 노드(FD)의 전송 트랜지스터(TX)로부터의 전하 수신을 완료한 후 선택 트랜지스터(SX)가 출력하는 신호일 수 있다. 픽셀(PX)은 로우 디코더(120)의 제어에 따라, 컬럼 라인(CL)을 통해 순차적으로 픽셀 신호(PS)를 출력할 수 있다.
도 2b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀(PX)의 단면도 및 픽셀(PX)에 상응하는 전하의 축적을 설명하기 위해 참조된다. 도 2b에는 픽셀(PX)에 포함된 여러 트랜지스터들(RX, DX, SX, 및 TX)을 상면에서 바라본 위치에 상응하도록 픽셀(PX)의 단면도, 및 포텐셜을 도시하는 도면이 도시되어 있다.
도 2b를 참조하면, 전송 트랜지스터(TX)는, 광전 변환 소자의 일 예시에 해당하는 포토다이오드(PD)에 접속되어 있다. 전송 트랜지스터(TX)의 일 단(예를 들어 소스 단)은 n형으로 도핑될 수 있고, 다른 일 단(예를 들어 드레인 단)도 n형으로 도핑될 수 있다. 기판은 폴리-실리콘일 수 있으며, p타입으로 도핑될 수 있다. 그러나, 도핑 타입에 제한되지 않고 다양한 극성을 이용한 픽셀(PX)이 구현될 수 있음이 이해되어야 한다. 도 2b를 참조하면, 픽셀(PX)의 기판 아래에는 포토다이오드(PD) 및 플로팅 디퓨전 노드(FD) 각각의 전하 저장 용량에 상응하는 포텐셜이 도시되어 있다. 포텐셜의 단위로 전압이 이용될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 포텐셜 우물에 축적되는 전하가 전자임에 따라, 전하의 축적은 포텐셜의 감소를 유발할 수 있다. 예를 들어, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜 우물에 전하가 일정량 축적될 수 있다. 이때, 리셋에 해당하는 포텐셜은 신호에 해당하는 포텐셜에 비해 높을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전송 트랜지스터(TX) 및 리셋 트랜지스터(RX)의 턴온 전압으로 전원 전압(VDD)이 사용되고, 턴오프 전압으로 그라운드 전압이 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전송 트랜지스터(TX)는 포토다이오드(PD)의 포텐셜 우물과 플로팅 디퓨전 노드(FD)를 가로막는 포텐셜 장벽으로 기능할 수 있다. 예를 들어, 전송 신호(TS)가 로우 레벨(또는, 로직 로우)일 때, 전송 트랜지스터(TX)는 포텐셜 장벽을 높이 유지함으로써 포토다이오드(PD)에 저장된 전하를 플로팅 디퓨젼 노드(FD)에 전송되지 않도록 억제할 수 있다. 유사하게, 전송 트랜지스터(TX)는 전송 신호(TS)가 하이 레벨(또는, 로직 하이)일 때, 포텐셜 장벽을 낮춤으로써 포토다이오드(PD)에 저장된 전하를 플로팅 디퓨젼 노드(FD)에 전송할 수 있다.
플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 정보는 촬상 대상인 객체를 센싱한 정보일 수 있다. 예를 들어, 전송 신호(TS)가 로직 로우임에 따라 가지는 포텐셜에서 전송 신호(TS)가 로직 하이임에 따라 전송된 전하에 의한 포텐셜을 제함으로써, 객체를 센싱한 정보가 획득될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에서는, 하나의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOSFET (TX, RX, DX, 및 SX)을 포함하는 4-트랜지스터 구조의 픽셀(PX)이 예시적으로 설명되었다. 그러나 픽셀(PX)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변경될 수 있다. 픽셀(PX)은 3-트랜지스터 또는 5-트랜지스터 구조를 채용한 픽셀(PX)로 구현될 수 있으며, 픽셀(PX)은 광량 또는 광의 세기에 따라 광전하를 생성하는 광전 변환 소자, 및 광전 변환 소자에 의해 생성된 광전하를 전류 또는 전압 신호로 출력할 수 있는 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하는 회로로 구현될 수 있다. 또한, 도 2a 및 도 2b에서는 설명의 편의를 위해 N-타입의 MOSFET이 예시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 본 개시의 기술적 사상은 서로 반대 극성으로 도핑된 P-타입 MOSFET에도 적용될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 포토다이오드와 플로팅 디퓨전의 포텐셜을 구조적으로 도시한 도면이다. 도 2b가 함께 참조된다. 도 3a 및 3b의 세로축은 전하 포텐셜과 관련된 지표이다. 예를 들어, PX2PX는 픽셀간 문턱 전압을 의미하고, PD max는 포토다이오드의 최대 포텐셜을 의미하고, FD potential은 플로팅 디퓨전 노드의 포텐셜을 의미한다.
예시적인 실시예에서, 픽셀간 문턱 전압(PX2PX)은 포토다이오드의 최대 포텐셜(PD max) 또는 플로팅 디퓨전 노드의 포텐셜(FD Potential)보다 높기 때문에, 하나의 픽셀(PX)에 축적된 전하는 다른 픽셀(PX)로 흐르지 않을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 포토다이오드의 최대 포텐셜(PD max)는 플로팅 디퓨전 노드의 포텐셜(FD potential)보다 높기 때문에, 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD)간의 문턱 전압이 낮아진다면, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하는 포텐셜 차이로 인해 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 포토다이오드(PD)에 전하가 축적될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전송 트랜지스터(도 2의 TX)의 게이트 단에 입력되는 전송 신호(TS)가 로우 레벨인 경우, 전송 트랜지스터(TX)의 문턱 전압은 높게 유지될 수 있다. 예를 들어, 전송 트랜지스터(TX)의 포텐셜 장벽은 포토다이오드(PD)의 포텐셜 및 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜보다 높을 수 있다. 따라서, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하는 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동하지 않을 수 있다.
전송 신호(TS)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이하는 경우, 전송 트랜지스터(TX)의 포텐셜 장벽은 낮아질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 포토다이오드(PD)에 저장된 전하는, 포텐셜 차이에 따라 상대적으로 포텐셜이 낮은 곳인 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동할 수 있다. 요컨대, 전송 신호(TS)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이함에 따라, 전하의 전송 동작이 수행된 것으로 이해될 수 있다.
전하의 전송 동작이 적절히 수행되기 위해서는, 포토다이오드(PD)의 FWC와 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC가 상응할 필요가 있다. 예시적인 실시예에서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC가 포토다이오드(PD)의 FWC보다 크거나 같은 경우, 포토다이오드(PD)에 저장된 전하는 모두 플로팅 디퓨전 노드(FD)으로 전송될 수 있다. 이 경우, 전하의 손실은 없고, 이미지의 다이내믹 레인지는 충분히 확보될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC가 포토다이오드(PD)의 FWC보다 작은 경우가 설명된다.
전송 신호(TS)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이하는 경우, 전송 트랜지스터(TX)의 포텐셜 장벽은 낮아질 수 있고, 전하는 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동할 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC가 포토다이오드(PD)의 FWC보다 작거나 같은 경우, 포토다이오드(PD)에 저장된 전하는 모두 플로팅 디퓨전 노드(FD)으로 전송될 수 없거나, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜 우물이 가득 찰 수 있다. 그 후, 전송 신호(TS)가 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이하는 경우, 포텐셜 장벽은 다시 높아질 수 있고, 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 다시 분리될 수 있다.
전송 신호(TS)가 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이함에 따라 포텐셜 장벽이 높아지는 과정에서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동된 전하의 일부가 포토다이오드(PD)의 영역으로 이동하는 현상이 발생할 수 있다. 상기 현상은 백플로우(Backflow) 현상이라고 지칭될 수 있다. 백플로우 현상에 의해 포토다이오드(PD)에 전하가 남아있는 경우, 새로운 감광 주기동안에 생성된 광전하와 남아있는 전하가 합산될 수 있다. 결과적으로 포토다이오드(PD)의 전하의 개수는 이미지 센싱의 결과에 따라 생성된 전하의 개수와 다르므로, 센싱된 객체를 정확하게 표상하지 않을 수 있다.
백플로우 현상을 방지하기 위해서는 백플로우 마진이 충분히 확보될 필요가 있다. 객체에 대한 다이내믹 레인지를 충분히 확보하기 위해 포토다이오드(PD)의 FWC를 감축시키는 것은 선호되지 않는다. 따라서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC를 충분히 확보할 필요가 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC를 증가시키기 위해, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜 우물의 폭 또는 깊이를 조절하거나, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜 레벨을 부스팅하는 방법이 고려될 수 있다. 그러나, 반도체 회로 설계 및 공정상 난이도, 및 복잡성, 및 공간 비용, 및 변환 이득(Conversion Gain)을 고려할 때, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC를 증가시키는 것은 한계가 있다.
플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장되어 있던 전하는 샘플링을 통해 독출될 수 있다. 그러나, 독출된 출력 데이터는 전하의 일부를 포함하지 않으므로 센싱된 이미지의 모든 데이터를 포함하지 않는다. 따라서, 독출된 출력 데이터는 이미지를 정확하게 표상하지 않거나, 적어도 다이내믹 레인지가 감소된 데이터일 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 개시의 기술적 사상이, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC에 무관하게 센싱된 전하를 충분히 샘플링할 수 있고, 높은 다이내믹 레인지를 가지며 변환 이득이 높고 노이즈에 강건한 이미지 센서를 제공할 수 있음이 설명된다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 리셋 신호와 전송 신호 및 선택 신호의 타이밍을 나타내는 타이밍도이다. 도 4의 가로축은 시간을, 세로축은 각 신호별 로직 레벨을 도시한다. 도 4는 도 1 및 도 2b와 함께 참조된다.
시점 t1에서, 선택 신호(SEL)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이될 수 있다. 선택 신호(SEL)는 픽셀 어레이(도 1, 110)의 복수의 픽셀들 중 하나의 픽셀(PX)을 선택할 수 있다. 선택 신호(SEL)는 시점 t1부터 시점 t12까지 하이 레벨을 유지할 수 있다. 로우 디코더(도 1, 120)는 복수의 로우들 중 어느 하나의 로우를 선택할 수 있고, 선택된 로우에 연결된 픽셀(PX)들은 실질적으로 동시에 동작할 수 있다. 따라서, 선택 신호(SEL)의 로직 레벨이 하이 레벨로 유지되는 시구간(즉, 시점 t1부터 시점 t12까지)은 픽셀 어레이(110)의 수평 센싱 시간(1H time)과 상응할 수 있다. 상기 수평 센싱 시간(1H time)은 리드아웃 시간으로 지칭될 수 있다. 객체를 단위 시간동안 촬상한 결과로서, 프레임 데이터가 생성될 수 있다. 하나의 프레임 데이터는 수평 센싱 시간과 프레임 데이터를 구성하는 로우의 개수와 상응할 수 있다.
시점 t2에서, 리셋 신호(RS)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이될 수 있다. 이 때, 전송 신호(TS)는 로우 레벨이므로, 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 포텐셜 장벽에 의해 분리될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 다른 일 단(예를 들어, 드레인 단)이 플로팅 디퓨전 노드(FD)와 연결되어 있기 때문에, 리셋 신호가 하이 레벨로 천이함에 따라 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 잔존 전하는 제거될 수 있다.
시점 t3에서, 리셋 신호(RS)는 하이 레벨로 유지되며, 전송 신호(TS)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이될 수 있다. 전송 신호(TS)가 하이 레벨로 천이함에 따라 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD) 사이의 포텐셜 장벽은 침강할 수 있고, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 공급되는 전원 전압(VDD)은 포토다이오드(PD)에도 공급될 수 있다. 결과적으로, 포토다이오드(PD) 및 플로팅 디퓨전 노드(FD) 모두는 축적된 전하를 상실함으로써 리셋될 수 있다.
구체적으로, 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온되어 있는 상태에서 전송 트랜지스터(TX)가 턴-온된 구간동안, 포토다이오드(PD)와 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 사이에 로우 임피던스가 유지될 수 있고, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하가 픽셀 외부로 흘러가 포토다이오드(PD)의 리셋이 이루어질 수 있다.
시점 t4에서, 전송 신호(TS)가 로우 레벨로 천이될 수 있다. 시점 t4에서 여전히 리셋 신호(RS)가 하이 레벨임에 따라, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 잔존 전하는 제거될 수 있다. 시점 t4에서 시점 t5 사이의 동작은 시점 t2부터 시점 t3까지의 동작과 유사할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 포토다이오드(PD)의 리셋 후이며 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온된 구간 동안, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 리셋이 이루어질 수 있다. 그에 따라, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압이, 전원 전압(VDD)에서 리셋 트랜지스터의 문턱 전압을 뺀 전압으로 고정될 수있다.
시점 t5에서, 리셋 신호(RS)가 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이될 수 있다. 리셋 신호(RS)가 로우 레벨임에 따라 리셋 트랜지스터(RX)는 턴-오프될 수 있고, 전송 신호(TS)가 로우 레벨임에 따라 전송 트랜지스터(TX)는 턴-오프될 수 있다. 즉, 리셋 동작 및 전송 동작 중 어떤 동작도 이루어지지 않을 수 있다. 시점 t2부터 시점 t5 사이의 구간은 픽셀(PX)의 초기화 구간이라고 지칭될 수 있다. 또한, 시점 t5부터 t6까지의 기간은, 셔터의 개폐 구간, 또는 감광 주기일 수 있다. 즉, 시점 t5에서 시점 t6까지의 시구간 사이에서, 포토다이오드(PD)에 객체가 센싱됨으로써 전하가 생성될 수 있다.
시점 t6에서, 리셋 신호(RS)는 로우 레벨이나, 전송 신호(TS)가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이될 수 있다. 전송 신호(TS)가 하이 레벨이 됨에 따라 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD) 사이의 포텐셜 장벽은 침강할 수 있고, 문턱 전압은 낮아질 수 있다. 그에 따라, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하는 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동할 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 포토다이오드(PD)의 FWC에 비해 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC가 작더라도, 일단 포토다이오드(PD)에서 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 수용할 수 있을 정도의 전하를 우선 전송할 수 있다. 시점 t6부터 시점 t7까지의 전하 이동은 제1 전송 동작으로 지칭될 수 있다.
시점 t7에서, 전송 신호(TS)는 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이할 수 있다. 전송 신호(TS)가 로우 레벨이 됨에 따라, 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD) 사이의 포텐셜 장벽은 융기할 수 있고, 문턱 전압은 높아질 수 있다. 그에 따라, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하는 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동하지 않고 포토다이오드(PD)의 포텐셜 우물에 머무를 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 시점 t7에서 시점 t8 사이에, 하이 레벨의 전송 신호(TS)가 전송됨에 따라 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 전하를 독출하는 동작이 수행될 수 있다. 예를 들어, 리드아웃 회로(도 1의 140 및 160)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 전하를 샘플링함으로써, 전하를 신호로 변환할 수 있고, 변환된 신호는 이진 데이터로 변환될 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 시점 t7에서 전송 트랜지스터(TX)의 포텐셜 장벽이 융기함에 따라 백플로우 현상이 발생할 수 있다. 그러나, 후술할 바와 같이, 백플로우 현상의 발생에도 불구하고, 시점 t10부터 시점 t11에서의 제2 전송 동작을 통해 센싱으로 인해 생성된 전하는 온전히 이미지 센서(100)에 의해 처리될 수 있다.
시점 t8에서, 전송 신호(TS)는 로우 레벨을 유지하고, 리셋 신호(RS)는 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이될 수 있다. 전송 신호(TS)는 로우 레벨을 유지함에 따라 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 포텐셜 장벽에 의해 분리되나, 리셋 신호(RS)는 하이 레벨이므로 전원 전압(VDD)이 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 공급될 수 있다. 따라서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 잔존 전하는 제거될 수 있다.
시점 t9에서, 전송 신호(TS)는 로우 레벨을 유지하되, 리셋 신호(RS)는 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이될 수 있다. 시점 t9 부터 시점 t10 사이의 시구간은 시점 t5부터 시점 t6 까지의 시구간과 유사할 수 있다.
시점 t10에서, 리셋 신호(RS)는 로우 레벨을 유지하되, 전송 신호(TS)는 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이할 수 있다. 전송 신호(TS)가 하이 레벨로 천이됨에 따라 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전 노드(FD) 사이의 포텐셜 장벽은 침강할 수 있고, 문턱 전압은 낮아질 수 있다. 그에 따라, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하는 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동할 수 있다.
시점 t11에서, 리셋 신호(RS)는 로우 레벨을 유지하되, 전송 신호(TS)는 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이할 수 있다. 시점 t11 부터 시점 t12의 시구간은 전송 동작 또는 리셋 동작이 수행되지 않는 구간일 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 아직 하나의 감광 주기(또는 셔터의 개폐 구간)에서 객체를 센싱한 결과로서의 전하가 포토다이오드(PD)에 남아 있으므로, 시점 t10부터 발생하는 전하의 이동은 시점 t6부터 시점 t7까지의 제1 전송 동작에 후행하는, 제2 전송 동작일 수 있다.
포토다이오드(PD)의 FWC에 비해 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC가 충분히 크지 않은 경우 객체를 센싱함으로써 생성된 전하가 온전히 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 이동할 수 없다. 본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 하나의 감광 주기 동안(또는, 셔터의 개폐 구간 동안) 전송 동작을 적어도 2회 수행함으로써, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC에 의존하지 않고 포토다이오드(PD)에 축적된 전하를 충분히 샘플링할 수 있다. 그에 따라, 객체를 센싱한 출력 데이터의 다이내믹 레인지는 향상될 수 있다. 또한, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC를 향상시키기 위해 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 물리적인 크기(폭 또는 깊이)를 증가시키지 않아도 되므로, 공간 비용을 절감할 수 있다.
본 개시는 설명의 편의를 위해 전송 동작이 두 번 수행됨을 예시하고 있으나, 본 개시의 기술적 사상은 이에 국한되지 않고, N번(N은 3 이상의 자연수) 이상의 전송 동작이 수행될 수 있음이 이해되어야 한다.
도 4에서는 설명의 편의를 위해 시점 t2와 시점 t3이 분리된 것으로 도시되었으나, 본 개시의 기술적 사상은 이에 제한되지 않는다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 한 번만 리셋되어도 족하기 때문에, 시점 t2와 시점 t3은 오버랩됨으로써 시점 t4 와 시점 t5에서의 플로팅 디퓨전 노드(FD) 리셋만이 이용될 수도 있고, 반대로 시점 t4와 시점 t5가 오버랩될 수도 있음이 이해되어야 한다.
요컨대, 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(100)는 감광 주기 내에 하이 레벨의 전송 신호(TS)를 적어도 두 번 생성하고 픽셀(PX)에 인가함으로써, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC에 무관하게, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하를 수용할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(100)는 동일한 크기의 FWC를 가지는 포토다이오드(PD)에서, 보다 많은 픽셀당 전자 수를 확보할 수 있으므로, 객체를 센싱한 데이터의 다이내믹 레인지를 충분히 높게 확보할 수 있다. 또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(100)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC를 증가시킬 필요가 없으므로, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜을 부스팅하거나, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜 우물을 높일 필요가 없고, 따라서 변환 이득(Conversion Gain)의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서(100)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)로부터 수반되는 노이즈를 회피할 수 있다.
도 4에서는 설명의 간명화를 위해 전송 신호에 2개의 펄스를 도시하였으나, 전송 신호에 포함되는 펄스의 개수는 이에 제한되지 않는다. 본 개시의 기술적 사상은 전송 신호에 2개 이상의 펄스가 인가되는 경우에도 적용될 수 있음은 자명하다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 포토다이오드와 플로팅 디퓨전의 포텐셜을 순서에 따라 도시한 도면이다. PX2PX는 픽셀간 문턱 전압을 의미할 수 있고, PD max는 포토다이오드의 최대 포텐셜을 의미할 수 있으며, FD potential은 플로팅 디퓨전 노드의 포텐셜을 의미할 수 있음은 전술한 바와 같다. 도 5는 도 3a, 도 3b 및 도 4와 함께 참조된다.
단계 1에서, 전송 신호(TG)는 로우 레벨일 수 있다. 아직 셔터링이 되지 않음에 따라 포토다이오드(PD)에는 어떠한 광전하도 생성되지 않을 수 있다. 한편, 리셋 신호(RG)가 하이 레벨임에 따라 플로팅 디퓨전 노드(FD)에는 전원 전압(VDD)이 공급될 수 있다. 그 결과로서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에는 어떠한 전하도 존재하지 않을 수 있다.
단계 2에서, 전송 신호(TG)는 하이 레벨로 천이될 수 있다. 여전히 셔터링이 되지않고, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에는 전원 전압(VDD)이 공급됨에 따라, 포토다이오드(PD) 및 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 모두 리셋될 수 있다.
단계 3에서, 전송 신호(TG)는 로우 레벨일 수 있다. 여전히 셔터링이 되지않고, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에는 전원 전압(VDD)이 공급됨에 따라, 포토다이오드(PD) 및 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 모두 리셋될 수 있다.
즉, 단계 1 내지 단계 3은 도 4에서 설명된 초기화 동작으로 이해될 수 있다.
단계 4에서, 셔터가 개폐됨에 따라, 객체가 센싱될 수 있다. 포토다이오드(PD)는 객체를 센싱한 결과로서, 빛을 광전하로 변환할 수 있고, 그 결과로서 전하를 포텐셜 우물에 저장할 수 있다. 전송 신호(TG)는 로우 레벨임에 따라, 전송 트랜지스터(TX)로 인한 포텐셜 장벽은 포토다이오드(PD)에 저장된 전하보다 높을 수 있다.
단계 5에서, 전송 신호(TG)가 하이 레벨로 천이될 수 있고, 포텐셜 차이에 따라 포토다이오드(PD)에 저장된 전하는 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 이동할 수 있다.
단계 6에서, 전송 신호(TG)가 로우 레벨로 다시 천이될 수 있고, 이 때 백플로우 현상이 발생될 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 백플로우의 발생과 무관하게, 즉 백플로우를 무시할 수 있다. 한편, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에는 이동된 전하가 축적될 수 있다.
즉, 단계 4 내지 단계 6은 도 4에서 설명된 제1 전송 동작으로 이해될 수 있다.
단계 6과 단계 7 사이에, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 전하에 기초하여 샘플링이 수행됨으로써 센싱된 출력 데이터는 독출될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 전하의 수, 또는 총 전하량은 전압으로 변환될 수 있다.
단계 7에서, 전송 신호(TG)는 로우 레벨로 유지되나, 리셋 신호(RG)는 하이 레벨로 천이됨으로써 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 전하가 리셋될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 미처 제거되지 못한 전하가 남아있는 경우, 제2 전송 동작에 따른 전하와 섞일 수 있고, 이는 객체에 대한 정확한 센싱의 방해 요소가 될 수 있다. 따라서, 제1 전송 동작 후, 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 리셋될 필요가 있다.
단계 8에서, 리셋 신호(RG)는 로우 레벨로 유지되나, 전송 신호(TG)는 하이 레벨로 천이될 수 있다. 따라서, 제1 전송 동작에서 포토다이오드(PD)의 FWC가 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC에 비해 큼으로 발생한 잔존 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 마저 이동할 수 있다. 즉, 제2 전송 동작이 수행될 수 있다.
단계 9에서, 리셋 신호(RG)는 로우 레벨로 유지되나, 전송 신호(TG)는 하이 레벨에서 로우 레벨로 다시 천이될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 전하에 기초하여 샘플링이 수행됨으로서, 센싱된 출력 데이터는 독출될 수 있다.
즉, 단계 7 내지 단계 9은 도 4에서 설명된 제 전송 동작으로 이해될 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 픽셀(PX)에서 출력되는 출력 데이터가 가지는 전압은 다음 수학식 1과 같을 수 있다.
여기서 VDOUT은 픽셀에서 출력되는 출력 데이터의 전압이고, V SENSE1는 제1 전송 동작에 따른 센싱 신호의 전압이며, V SENSE2는 제2 전송 동작에 따른 센싱 신호의 전압이고, VRESET은 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋됨에 따른 리셋 신호의 전압이다. 도 2b에서 전술한 바와 같이, 포텐셜 우물에 전하가 축적될수록 포텐셜의 크기는 작아질 수 있다.
객체에 대한 센싱 결과인 출력 데이터의 전압(VDOUT)은, 리셋 동작이 수행된 때의 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜(예를 들어, 전압)에서 제1 전송 동작이 수행된 때의 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜(예를 들어, 전압)의 차와, 리셋 동작이 수행된 때의 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜(예를 들어, 전압)에서 제2 전송 동작이 수행된 때의 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 포텐셜(예를 들어, 전압)의 차 간의 합에 상응할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따르면, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC 한계에 불구하고, 다중 전송(Multiple Transfer) 동작을 수행함에 따라, 포토다이오드(PD)에 축적된 전하는 손실 없이 처리될 수 있다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 6은 도 4 및 도 5와 함께 참조된다.
단계 S110에서, 광전 변환 장치(예를 들어, 포토다이오드(PD)) 및 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋될 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 전송 신호(TS) 및 리셋 신호(RS)가 모두 하이 레벨임에 따라, 광전 변환 장치 및 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 축적된 전하는 제거될 수 있다.
단계 S120에서, 셔터가 한번 개폐되는 동안 센싱된 빛이 전하로 변환될 수 있다. 셔터링 구간 동안, 객체에 대한 전하는 충분히 센싱되어야 하므로, 리셋 신호(RS) 및 전송 신호(TS)는 모두 로우 레벨일 수 있다. 셔터가 한번 개폐되는 구간은 감광 주기로 지칭될 수도 있다.
단계 S130에서, 광전 변환 장치에 저장된 전하 중 일부는 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 전송 신호(TS)는 하이 레벨이며, 리셋 신호(RS)는 로우 레벨일 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 포토다이오드(PD)의 FWC는 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 FWC보다 큰 경우가 상정되므로, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 수용 한계 때문에, 광전 변환 장치에 저장된 전하 모두가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송되지 않고, 광전 변환 장치에 저장된 전하 중 일부가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송될 수 있다. 상기 전송 과정을 제1 전송 동작이라고 지칭할 수 있음은 전술한 바와 같다.
단계 S140에서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송된 전하는 샘플링을 통해 전위값을 가지는 신호로 변환될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송된 전하는 광전 변환 장치에 저장된 전하 중 일부일 수 있다. 이 때, 전송 신호(TS) 및 리셋 신호(RS)는 모두 로우 레벨일 수 있다.
단계 S150에서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 전하가 샘플링을 통해 독출된 후, 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋될 수 있다. 이 때, 전송 신호(TS)는 하이 레벨이고, 리셋 신호(RS)는 로우 레벨일 수 있다.
단계 S160에서, 광전 변환 장치에서 생성된 전하 중 제1 전송 동작을 통해 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송되지 못한 나머지 일부의 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송될 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, 전송 신호(TS)는 하이 레벨이며, 리셋 신호(RS)는 로우 레벨일 수 있다. 상기 전송 동작은 제2 전송 동작이라고 지칭될 수 있다.
단계 S170에서, 광전 변환 장치에서 생성된 전하 중 제1 전송 동작을 통해 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송되지 못한 나머지 일부의 전하는 샘플링을 통해 전위값을 가지는 신호로 변환될 수 있다. 이 때, 전송 신호(TS) 및 리셋 신호(RS)는 모두 로우 레벨일 수 있다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법 중 단계 S170을 설명하는 흐름도이다.
단계 S170은 다음과 같은 단계로 상술될 수 있다.
단계 S171에서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 수용 한계 때문에, 광전 변환 장치에 저장된 전하 중 일부가 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송된 결과, 센싱된 전하 중 일부는 샘플링됨으로써 제1 전압 레벨을 가지는 신호가 생성될 수 있다.
단계 S173에서, 광전 변환 장치에 저장된 전하 중 나머지 일부가 샘플링 됨으로써 제2 전압 레벨을 가지는 신호가 생성될 수 있다.
단계 S175에서, 제1 전압 레벨을 가지는 신호 및 제2 전압 레벨을 가지는 신호에 기초하여 출력 데이터가 생성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 리셋 동작에 따른 신호에서, 제1 전압 레벨을 가지는 신호의 차를 구하고, 다시 리셋 동작에 따른 신호에서 제2 전압 레벨을 가지는 신호의 차를 구한 결과의 합산을 통해, 출력 데이터가 생성될 수 있다.
결과적으로, 출력 데이터는, 단계 S110에 따른 전압에서 단계 S140에 따른 전압을 제하고, 단계 S110에 따른 전압에서 단계 S170에 따른 전압을 제한 결과의 합에 상응할 수 있다. 즉, 수학식 1을 만족할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 처리 방법에 따른 처리 속도를 비교하는 도면이다.
도 8a는 롤링 셔터 방식으로 촬상된 객체에 대한 이미지 처리를 도시한다. 도 8a를 참조하면, 1 프레임을 센싱하기 위해, 감광 시간(Effective Integration Time; EIT), CDS 및 데이터 리드아웃 시간이 로우마다 소요될 수 있다.
롤링 셔터 방식은 객체를 수직(또는 수평) 방향으로 스캔함으로써 이미지를 센싱하는 방식이다. 이미지 센서(100)가 롤링 셔터 방식을 적용해 객체를 센싱할 경우, 이미지 센서(100)의 촬상 속도는, 다중 전송(multi transfer) 방식이 적용되지 않은 경우에 비해, 다중 전송 방식이 적용된 경우의 데이터 처리 소요 시간은 샘플링을 적어도 한번 더 처리하는 시간(repeatedCDS) 에 로우의 수보다 하나 작은 수(# of Row-1)의 곱만큼이 추가적으로 소요될 수 있다. 요컨대, 다중 전송 방식은 롤링 셔터 방식으로 촬상하는 이미지 센서(100)의 데이터 처리에 추가적인 지연을 유발할 수 있다. 데이터 처리의 지연은 이미지가 부자연스럽게 흔들리게 되는 젤로 효과(ello effect)를 심화시킬 수 있다.
도 8b는 디지털 프로세스 셔터(Digital Process Shutter; DPS) 방식으로 촬상된 객체에 대한 이미지 처리를 도시한다. DPS 방식은 객체 센싱(수광) 및 샘플링이 모두 동시에 이루어질 수 있는, 글로벌 셔터 방식의 일 예이다.
DPS 방식은 로우마다 데이터를 센싱하지 않고, 모든 로우에 대해 동일한 시점에 객체를 센싱시킬 수 있기 문에, 다중 전송 방식이 적용된 경우는 다중 전송 방식이 적용되지 않은 경우에 비해 오직 샘플링을 적어도 한번 더 처리하는 시간(repeatedCDS)만큼만이 추가적으로 소요될 수 있다. 따라서, 다중 전송을 이용하는 이미지 센서(도 1의 100)에 DPS 방식이 적용된다면, 로우의 개수에 상응하는 만큼 처리 시간이 지연되는 롤링 셔터 방식에 비해 처리 속도의 지연을 최소화할 ㅅ ㅜ있다. 요컨대, 본 개시의 기술적 사상은 글로벌 셔터 방식에 적용될 때 보다 높은 처리 속도의 향상이 제고될 수 있으며, 특히 DPS 방식에 유용할 수 있다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 적용되는 멀티 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치의 블록도이고, 도 10는 도 9의 멀티 카메라 모듈의 상세 블록도이다.
도 9를 참조하면, 전자 장치(1000)는 카메라 모듈 그룹(1100), 애플리케이션 프로세서(1200), PMIC(1300) 및 외부 메모리(1400)를 포함할 수 있다. 도 1의 이미지 센서(100)는 도 9의 카메라 모듈 그룹(1100)에 적용될 수 있다.
카메라 모듈 그룹(1100)은 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)을 포함할 수 있다. 비록 도면에는 3개의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 배치된 실시예가 도시되어 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 그룹(1100)은 2개의 카메라 모듈만을 포함하도록 변형되어 실시될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 그룹(1100)은 n개(n은 4 이상의 자연수)의 카메라 모듈을 포함하도록 변형되어 실시될 수도 있다.
이하, 도 10을 참조하여, 카메라 모듈(1100b)의 상세 구성에 대해 보다 구체적으로 설명할 것이나, 이하의 설명은 실시예에 따라 다른 카메라 모듈들(1100a, 1100b)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 10을 참조하면, 카메라 모듈(1100b)은 프리즘(1105), 광학 경로 폴딩 요소(Optical Path Folding Element, 이하, ˝OPFE˝)(1110), 액츄에이터(1130), 이미지 센싱 장치(1140) 및 저장부(1150)를 포함할 수 있다.
프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 포함하여 외부로부터 입사되는 광(L)의 경로를 변형시킬 수 있다.
몇몇 실시예에서, 프리즘(1105)은 제1 방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 변경시킬 수 있다. 또한, 프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 중심축(1106)을 중심으로 A방향으로 회전시키거나, 중심축(1106)을 B방향으로 회전시켜 제1 방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 수직인 제2 방향(Y)으로 변경시킬 수 있다. 이때, OPFE(1110)도 제1 방향(X)및 제2 방향(Y)과 수직인 제3 방향(Z)로 이동할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 도시된 것과 같이, 프리즘(1105)의 A방향 최대 회전 각도는 플러스(+) A방향으로는 15도(degree) 이하이고, 마이너스(-) A방향으로는 15도보다 클 수 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서, 프리즘(1105)은 플러스(+) 또는 마이너스(-) B방향으로 20도 내외, 또는 10도에서 20도, 또는 15도에서 20도 사이로 움직일 수 있고, 여기서, 움직이는 각도는 플러스(+) 또는 마이너스(-) B방향으로 동일한 각도로 움직이거나, 1도 내외의 범위로 거의 유사한 각도까지 움직일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1106)을 중심축(1106)의 연장 방향과 평행한 제3 방향(예를 들어, Z방향)으로 이동할 수 있다.
OPFE(1110)는 예를 들어 m(여기서, m은 자연수)개의 그룹으로 이루어진 광학 렌즈를 포함할 수 있다. m개의 렌즈는 제2 방향(Y)으로 이동하여 카메라 모듈(1100b)의 광학 줌 배율(optical zoom ratio)을 변경할 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100b)의 기본 광학 줌 배율을 Z라고할 때, OPFE(1110)에 포함된 m개의 광학 렌즈를 이동시킬 경우, 카메라 모듈(1100b)의 광학 줌 배율은 3Z 또는 5Z, 또는 5Z 이상의 광학 줌 배율로 변경될 수 있다.
액츄에이터(1130)는 OPFE(1110) 또는 광학 렌즈(이하, 광학 렌즈로 지칭)를 특정 위치로 이동시킬 수 있다. 예를 들어 액츄에이터(1130)는 정확한 센싱을 위해 이미지 센서(1142)가 광학 렌즈의 초점 거리(focal length)에 위치하도록 광학 렌즈의 위치를 조정할 수 있다.
이미지 센싱 장치(1140)는 이미지 센서(1142), 제어 로직(1144) 및 메모리(1146)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1142)는 광학 렌즈를 통해 제공되는 광(L)을 이용하여 센싱 대상의 이미지를 센싱할 수 있다. 제어 로직(1144)은 카메라 모듈(1100b)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(1144)은 제어 신호 라인(CSLb)을 통해 제공된 제어 신호에 따라 카메라 모듈(1100b)의 동작을 제어할 수 있다.
메모리(1146)는 캘리브레이션 데이터(1147)와 같은 카메라 모듈(1100b)의 동작에 필요한 정보를 저장할 수 있다. 캘리브레이션 데이터(1147)는 카메라 모듈(1100b)이 외부로부터 제공된 광(L)을 이용하여 이미지 데이터를 생성하는데 필요한 정보를 포함할 수 있다. 캘리브레이션 데이터(1147)는 예를 들어, 앞서 설명한 회전도(degree of rotation)에 관한 정보, 초점 거리(focal length)에 관한 정보, 광학 축(optical axis)에 관한 정보 등을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(1100b)이 광학 렌즈의 위치에 따라 초점 거리가 변하는 멀티 스테이트(multi state) 카메라 형태로 구현될 경우, 캘리브레이션 데이터(1147)는 광학 렌즈의 각 위치별(또는 스테이트별) 초점 거리 값과 오토 포커싱(auto focusing)과 관련된 정보를 포함할 수 있다.
저장부(1150)는 이미지 센서(1142)를 통해 센싱된 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 저장부(1150)는 이미지 센싱 장치(1140)의 외부에 배치될 수 있으며, 이미지 센싱 장치(1140)를 구성하는 센서 칩과 스택된(stacked) 형태로 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저장부(1150)는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)으로 구현될 수 있으나 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 9과 도 10을 함께 참조하면, 몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 액추에이터(1130)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 그 내부에 포함된 액추에이터(1130)의 동작에 따른 서로 동일하거나 서로 다른 캘리브레이션 데이터(1147)를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 하나의 카메라 모듈(예를 들어, 1100b)은 앞서 설명한 프리즘(1105)과 OPFE(1110)를 포함하는 폴디드 렌즈(folded lens) 형태의 카메라 모듈이고, 나머지 카메라 모듈들(예를 들어, 1100a, 1100b)은 프리즘(1105)과 OPFE(1110)가 포함되지 않은 버티칼(vertical) 형태의 카메라 모듈일 수 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 하나의 카메라 모듈(예를 들어, 1100c)은 예를 들어, IR(Infrared Ray)을 이용하여 깊이(depth) 정보를 추출하는 버티컬 형태의 깊이 카메라(depth camera)일 수 있다. 이 경우, 애플리케이션 프로세서(1200)는 이러한 깊이 카메라로부터 제공받은 이미지 데이터와 다른 카메라 모듈(예를 들어, 1100a 또는 1100b)로부터 제공받은 이미지 데이터를 병합(merge)하여 3차원 깊이 이미지(3D depth image)를 생성할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 두 개의 카메라 모듈(예를 들어, 1100a, 1100b)은 서로 다른 관측 시야(Field of View, 시야각)를 가질 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 두 개의 카메라 모듈(예를 들어, 1100a, 1100b)의 광학 렌즈가 서로 다를 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각의 시야각은 서로 다를 수 있다. 이 경우, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 포함된 광학 렌즈 역시 서로 다를 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 서로 물리적으로 분리되어 배치될 수 있다. 즉, 하나의 이미지 센서(1142)의 센싱 영역을 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 분할하여 사용하는 것이 아니라, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각의 내부에 독립적인 이미지 센서(1142)가 배치될 수 있다.
다시 도 9를 참조하면, 애플리케이션 프로세서(1200)는 이미지 처리 장치(1210), 메모리 컨트롤러(1220), 내부 메모리(1230)를 포함할 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)과 분리되어 구현될 수 있다. 예를 들어, 애플리케이션 프로세서(1200)와 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 별도의 반도체 칩으로 서로 분리되어 구현될 수 있다.
이미지 처리 장치(1210)는 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c), 이미지 생성기(1214) 및 카메라 모듈 컨트롤러(1216)를 포함할 수 있다.
이미지 처리 장치(1210)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)의 개수에 대응하는 개수의 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)를 포함할 수 있다.
각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 서로 분리된 이미지 신호 라인(ISLa, ISLb, ISLc)를 통해 대응되는 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100a)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLa)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212a)에 제공되고, 카메라 모듈(1100b)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLb)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212b)에 제공되고, 카메라 모듈(1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLc)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212c)에 제공될 수 있다. 이러한 이미지 데이터 전송은 예를 들어, MIPI(Mobile Industry Processor Interface)에 기반한 카메라 직렬 인터페이스(CSI; Camera Serial Interface)를 이용하여 수행될 수 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 몇몇 실시예에서, 하나의 서브 이미지 프로세서가 복수의의 카메라 모듈에 대응되도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 서브 이미지 프로세서(1212a)와 서브 이미지 프로세서(1212c)가 도시된 것처럼 서로 분리되어 구현되는 것이 아니라 하나의 서브 이미지 프로세서로 통합되어 구현되고, 카메라 모듈(1100a)과 카메라 모듈(1100c)로부터 제공된 이미지 데이터는 선택 소자(예를 들어, 멀티플렉서) 등을 통해 선택된 후, 통합된 서브 이미지 프로세서에 제공될 수 있다.
각각의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공된 이미지 데이터는 이미지 생성기(1214)에 제공될 수 있다. 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보(Generating Information) 또는 모드 신호(Mode Signal)에 따라 각각의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)로부터 제공된 이미지 데이터를 이용하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.
구체적으로, 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라, 서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 적어도 일부를 병합(merge)하여 출력 이미지를 생성할 수 있다. 또한, 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라, 서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이미지 생성 정보는 줌 신호(zoom signal or zoom factor)를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 모드 신호는 예를 들어, 유저(user)로부터 선택된 모드에 기초한 신호일 수 있다.
이미지 생성 정보가 줌 신호(줌 팩터)이고, 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 서로 다른 관측 시야(시야각)를 갖는 경우, 이미지 생성기(1214)는 줌 신호의 종류에 따라 서로 다른 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 줌 신호가 제1 신호일 경우, 카메라 모듈(1100a)로부터 출력된 이미지 데이터와 카메라 모듈(1100c)로부터 출력된 이미지 데이터를 병합한 후, 병합된 이미지 신호와 병합에 사용하지 않은 카메라 모듈(1100b)로부터 출력된 이미지 데이터를 이용하여, 출력 이미지를 생성할 수 있다. 만약, 줌 신호가 제1 신호와 다른 제2 신호일 경우, 이미지 생성기(1214)는 이러한 이미지 데이터 병합을 수행하지 않고, 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)로부터 출력된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다. 하지만 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 이미지 데이터를 처리하는 방법은 얼마든지 변형되어 실시될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이미지 생성기(1214)는 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c) 중 적어도 하나로부터 노출 시간이 상이한 복수의 이미지 데이터를 수신하고, 복수의 이미지 데이터에 대하여 HDR(high dynamic range) 처리를 수행함으로서, 다이나믹 레인지가 증가된 병합된 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
카메라 모듈 컨트롤러(1216)는 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제어 신호를 제공할 수 있다. 카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 생성된 제어 신호는 서로 분리된 제어 신호 라인(CSLa, CSLb, CSLc)를 통해 대응되는 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공될 수 있다.
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 어느 하나는 줌 신호를 포함하는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라 마스터(master) 카메라(예를 들어, 1100b)로 지정되고, 나머지 카메라 모듈들(예를 들어, 1100a, 1100c)은 슬레이브(slave) 카메라로 지정될 수 있다. 이러한 정보는 제어 신호에 포함되어, 서로 분리된 제어 신호 라인(CSLa, CSLb, CSLc)를 통해 대응되는 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공될 수 있다.
줌 팩터 또는 동작 모드 신호에 따라 마스터 및 슬레이브로서 동작하는 카메라 모듈이 변경될 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100a)의 시야각이 카메라 모듈(1100b)의 시야각보다 넓고, 줌 팩터가 낮은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100b)이 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100a)이 슬레이브로서 동작할 수 있다. 반대로, 줌 팩터가 높은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100a)이 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100b)이 슬레이브로서 동작할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공되는 제어 신호는 싱크 인에이블 신호(sync enable) 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100b)이 마스터 카메라이고, 카메라 모듈들(1100a, 1100c)이 슬레이브 카메라인 경우, 카메라 모듈 컨트롤러(1216)는 카메라 모듈(1100b)에 싱크 인에이블 신호를 전송할 수 있다. 이러한 싱크 인에이블 신호를 제공받은 카메라 모듈(1100b)은 제공받은 싱크 인에이블 신호를 기초로 싱크 신호(sync signal)를 생성하고, 생성된 싱크 신호를 싱크 신호 라인(SSL)을 통해 카메라 모듈들(1100a, 1100c)에 제공할 수 있다. 카메라 모듈(1100b)과 카메라 모듈들(1100a, 1100c)은 이러한 싱크 신호에 동기화되어 이미지 데이터를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공되는 제어 신호는 모드 신호에 따른 모드 정보를 포함할 수 있다. 이러한 모드 정보에 기초하여 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 센싱 속도와 관련하여 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드로 동작할 수 있다.
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 제1 동작 모드에서, 제1 속도로 이미지 신호를 생성(예를 들어, 제1 프레임 레이트의 이미지 신호를 생성)하여 이를 제1 속도보다 높은 제2 속도로 인코딩(예를 들어, 제1 프레임 레이트보다 높은 제2 프레임 레이트의 이미지 신호를 인코딩)하고, 인코딩된 이미지 신호를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다. 이때, 제2 속도는 제1 속도의 30배 이하일 수 있다.
애플리케이션 프로세서(1200)는 수신된 이미지 신호, 다시 말해서 인코딩된 이미지 신호를 내부에 구비되는 메모리(1230) 또는 애플리케이션 프로세서(1200) 외부의 스토리지(1400)에 저장하고, 이후, 메모리(1230) 또는 스토리지(1400)로부터 인코딩된 이미지 신호를 독출하여 디코딩하고, 디코딩된 이미지 신호에 기초하여 생성되는 이미지 데이터를 디스플레이할 수 있다. 예컨대 이미지 처리 장치(1210)의 복수의 서브 프로세서들(1212a, 1212b, 1212c) 중 대응하는 서브 프로세서가 디코딩을 수행할 수 있으며, 또한 디코딩된 이미지 신호에 대하여 이미지 처리를 수행할 수 있다.
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 제2 동작 모드에서, 제1 속도보다 낮은 제3 속도로 이미지 신호를 생성(예를 들어, 제1 프레임 레이트보다 낮은 제3 프레임 레이트의 이미지 신호를 생성)하고, 이미지 신호를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)에 제공되는 이미지 신호는 인코딩되지 않은 신호일 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)는 수신되는 이미지 신호에 대하여 이미지 처리를 수행하거나 또는 이미지 신호를 메모리(1230) 또는 스토리지(1400)에 저장할 수 있다.
PMIC(1300)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 전력, 예컨대 전원 전압을 공급할 수 있다. 예를 들어, PMIC(1300)는 애플리케이션 프로세서(1200)의 제어 하에, 파워 신호 라인(PSLa)을 통해 카메라 모듈(1100a)에 제1 전력을 공급하고, 파워 신호 라인(PSLb)을 통해 카메라 모듈(1100b)에 제2 전력을 공급하고, 파워 신호 라인(PSLc)을 통해 카메라 모듈(1100c)에 제3 전력을 공급할 수 있다.
PMIC(1300)는 애플리케이션 프로세서(1200)로부터의 전력 제어 신호(PCON)에 응답하여, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 대응하는 전력을 생성하고, 또한 전력의 레벨을 조정할 수 있다. 전력 제어 신호(PCON)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)의 동작 모드 별 전력 조정 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 동작 모드는 저전력 모드(low power mode)를 포함할 수 있으며, 이때, 전력 제어 신호(PCON)는 저전력 모드로 동작하는 카메라 모듈 및 설정되는 전력 레벨에 대한 정보를 포함할 수 있다. 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 제공되는 전력들의 레벨은 서로 동일하거나 또는 서로 상이할 수 있다. 또한, 전력의 레벨은 동적으로 변경될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (10)
- 이미지 센서에 있어서,
센싱된 빛을 전하로 변환하도록 구성된 광전 변환 소자, 및 상기 광전 변환 소자로부터 제공된 전하를 저장하도록 구성된 플로팅 디퓨전 노드를 포함하는 픽셀;
상기 광전 변환 소자, 상기 플로팅 디퓨전 노드 중 적어도 하나에 저장된 전하를 소거시키는 리셋 신호, 상기 광전 변환 소자에 저장된 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드에 이동시키는 전송 신호를 생성하고, 감광 주기 동안 상기 전송 신호에 펄스를 적어도 2번 발생시키도록 구성된 타이밍 생성기; 및
상기 전송 신호에 기초하여, 상기 플로팅 디퓨전 노드에 대한 적어도 2회의 샘플링을 수행한 결과를 합산함으로써 출력 데이터를 생성하도록 구성된 리드아웃 회로를 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 펄스는 제1 펄스 및 제2 펄스를 포함하고,
상기 픽셀은,
상기 제1 펄스에 기초하여 상기 광전 변환 소자에 저장된 전하 중 일부를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하고,
상기 제2 펄스에 기초하여 상기 광전 변환 소자에 저장된 전하 중 나머지 일부를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제2항에 있어서,
상기 타이밍 생성기는,
상기 전송 신호에 상기 제1 펄스를 발생시킨 후, 상기 리셋 신호에 제3 펄스를 발생시키고, 상기 제3 펄스가 제공된 후 상기 전송 신호에 상기 제2 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제2항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는,
상기 플로팅 디퓨전 노드에 전송된 상기 전하 중 일부인 제1 전하를 샘플링함으로써 제1값을 생성하고, 그 후 전송된 상기 전하 중 나머지 일부인 제2 전하를 샘플링함으로써 제2값을 생성하며, 상기 제1값 및 제2값에 기초하여 상기 출력 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 광전 변환 소자는, 상기 리셋 신호 및 상기 전송 신호가 모두 제1 로직 레벨일 때 리셋되고,
상기 플로팅 디퓨젼 노드는, 상기 리셋 신호가 상기 제1 로직 레벨이고 상기 전송 신호가 제2 로직 레벨일 때 리셋되고,
상기 광전 변환 소자에 저장된 전하는, 상기 리셋 신호가 상기 제2 로직 레벨이고 상기 전송 신호가 상기 제1 로직 레벨일 때 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 감광 주기는 제1 시구간, 제2 시구간 및 제3 시구간을 포함하고,
상기 제1 시구간에서, 상기 전송 신호는 제1 로직 레벨이며, 상기 리셋 신호는 제2 로직 레벨이고,
상기 제1 시구간보다 후행하는 제2 시구간에서, 상기 리셋 신호는 상기 제1 로직 레벨이고, 상기 전송 신호는 상기 제2 로직 레벨이며,
상기 제2 시구간보다 후행하는 제3 시구간에서, 상기 리셋 신호는 상기 제2 로직 레벨이고, 상기 전송 신호는 상기 제1 로직 레벨인 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 픽셀은,
전송 게이트단을 통해 상기 전송 신호를 수신하고, 상기 광전 변환 소자와 상기 플로팅 디퓨전 노드를 연결하도록 구성된 전송 트랜지스터; 및
리셋 게이트단을 통해 상기 리셋 신호를 수신하고, 상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하도록 구성된 리셋 트랜지스터를 더 포함하고,
상기 전송 신호는 제1 전송 신호 및 제2 전송 신호를 포함하고,
상기 전송 트랜지스터는,
상기 제1 전송 신호에 응답해 턴-온 됨으로써 상기 광전 변환 소자에 저장된 전하 중 일부를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하고,
상기 제2 전송 신호에 응답해 턴-온 됨으로써 상기 광전 변환 소자에 저장된 전하 중 나머지 일부를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 것을 특징으로하는 이미지 센서. - 광전 변환 장치 및 플로팅 디퓨전 노드를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법에 있어서,
상기 광전 변환 장치 및 상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하는 단계;
상기 이미지 센서의 셔터가 한번 개폐되는 동안 센싱된 빛을 전하로 변환하는 단계;
상기 전하 중 일부인 제1 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 단계;
상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하는 단계; 및
상기 전하 중 나머지 일부인 제2 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법. - 제8항에 있어서,
상기 플로팅 디퓨전 노드에 저장된 전하를 샘플링하는 단계를 더 포함하고,
상기 플로팅 디퓨전 노드에 저장된 전하를 샘플링하는 단계는,
상기 제1 전하를 샘플링함으로써 제1값을 생성하는 단계;
상기 제2 전하를 샘플링함으로써 제2값을 생성하는 단계; 및
상기 제1값 및 상기 제2값에 기초하여 출력 데이터을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법. - 제8항에 있어서,
상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하는 단계는 상기 제1 전하를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 단계 후에 수행되고,
상기 전하 중 나머지 일부를 상기 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 단계는 상기 플로팅 디퓨전 노드를 리셋하는 단계 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 동작 방법.
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