KR20220053320A - 이미지 센서 및 이의 동작 방법 - Google Patents

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KR20220053320A
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윤대건
강덕영
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삼성전자주식회사
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Abstract

이미지 센서 및 이의 동작 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 복수의 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 동작 방법은, 제1 픽셀의 출력 전압을 제1 증폭기로 전송하는 단계와, 상기 제1 픽셀에 연결된 제1 스위치를 제어하여 상기 출력 전압을 제2 증폭기로 전송하는 단계와, 상기 제1 픽셀과 비닝(binning)될 제2 픽셀에 연결된 제2 스위치를 제어하여 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 상기 제2 증폭기로 전송하는 단계와, 상기 이미지 센서가 동작하는 환경의 조도에 기초하여 상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기의 출력 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 단계를 포함한다.

Description

이미지 센서 및 이의 동작 방법{IMAGE SENSOR AND OPERATION METHOD OF THE SAME}
본 개시는 이미지 센서 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 입사하는 빛을 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이다. 이미지 센서는 픽셀(pixel) 또는 포토사이트(photosite)로 불리는 작은 포토다이오드(photodiode)들의 어레이로 구성된다. 일반적으로 픽셀은 빛으로부터 색상을 직접적으로 추출하지 않으며, 넓은 스펙트럼 밴드의 광자를 전자로 변환한다. 따라서 이미지 센서의 픽셀은 넓은 스펙트럼 밴드의 빛 중 색상 획득에 필요한 밴드의 빛을 입력 받을 필요가 있다. 이미지 센서의 픽셀은 컬러 필터(color filter) 등과 결합하여 특정 색상에 대응하는 광자만을 전자로 변환할 수 있다.
이미지 센서 내의 픽셀의 개수, 즉 해상도가 높아지고 있는데, 증가하는 픽셀 화상도는 처리해야 할 데이터 양의 증가를 유발한다. 따라서 여러 픽셀의 데이터를 하나의 데이터로 비닝(binning)하는 기술이 사용되고 있다.
일 실시예에 따른 복수의 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 동작 방법은, 제1 픽셀의 출력 전압을 제1 증폭기로 전송하는 단계와, 상기 제1 픽셀에 연결된 제1 스위치를 제어하여 상기 출력 전압을 제2 증폭기로 전송하는 단계와, 상기 제1 픽셀과 비닝(binning)될 제2 픽셀에 연결된 제2 스위치를 제어하여 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 상기 제2 증폭기로 전송하는 단계와, 상기 이미지 센서가 동작하는 환경의 조도에 기초하여 상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기의 출력 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 단계를 포함한다.
상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 출력 전압은, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 수집된 전하에 대한 픽셀 소스 팔로워(pixel source follower)의 출력 전압일 수 있다.
상기 제2 증폭기는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온-오프 타이밍에 기초하여 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 합할 수 있다.
상기 출력하는 단계는, 상기 조도에 기초하여 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 제어 신호에 기초하여 상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기의 출력이 입력된 멀티플렉서(multiplexer)를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동작 방법은, 상기 제2 픽셀에 연결된 제3 스위치를 제어하여 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 제3 증폭기로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 픽셀은, 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀 중 어느 하나이고, 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열될 수 있다.
상기 제2 픽셀은, 상기 제1 픽셀과 동일한 행에 배치되고, 상기 제1 픽셀과 동일한 컬러의 픽셀일 수 있다.
상기 복수의 픽셀은, 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이를 통해 입사된 광선에 기초하여 출력 신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이와, 상기 픽셀 어레이를 제어하는 로우 드라이버(row driver)와, 복수의 스위치, 복수의 증폭기 및 복수의 멀티플렉서(multiplexer)를 포함하는 비닝 블록과, 상기 비닝 블록의 출력을 처리하는 ADC(Analog-to-Digital converter) 블록과, 상기 로우 드라이버, 상기 비닝 블록 및 상기 ADC 블록을 제어하는 제어 회로를 포함하고, 상기 제어 회로는, 상기 로우 드라이버를 제어하여 제1 픽셀의 출력 전압을 제1 증폭기로 전송하고, 상기 제1 픽셀에 연결된 제1 스위치를 제어하여 상기 출력 전압을 제2 증폭기로 전송하고, 상기 제1 픽셀과 비닝(binning)될 제2 픽셀에 연결된 제2 스위치를 제어하여 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 상기 제2 증폭기로 전송하고, 상기 이미지 센서가 동작하는 환경의 조도에 기초하여 상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기의 출력 중 어느 하나를 선택하여 출력한다.
상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 출력 전압은, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 수집된 전하에 대한 픽셀 소스 팔로워(pixel source follower)의 출력 전압일 수 있다.
상기 제2 증폭기는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온-오프 타이밍에 기초하여 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 합할 수 있다.
상기 제어 회로는, 상기 조도에 기초하여 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호에 기초하여 상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기의 출력이 입력된 멀티플렉서(multiplexer)를 제어할 수 있다.
상기 제어 회로는, 상기 제2 픽셀에 연결된 제3 스위치를 제어하여 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 제3 증폭기로 전송할 수 있다.
상기 복수의 픽셀은, 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀 중 어느 하나이고, 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열될 수 있다.
상기 제2 픽셀은, 상기 제1 픽셀과 동일한 행에 배치되고, 상기 제1 픽셀과 동일한 컬러의 픽셀일 수 있다.
상기 복수의 픽셀은, 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이를 통해 입사된 광선에 기초하여 출력 신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치는, 상기 이미지 센서와, 상기 이미지 센서가 출력하는 디지털 신호를 저장하는 메모리와, 상기 이미지 센서 및 상기 메모리의 동작을 제어하는 프로세서를 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 비닝 방식의 예시를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 이미지 센서의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 이미지 센서의 비닝 동작을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 이미지 센서의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 이미징 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시하는 도면이다.
이미지 센서(100)는 제어 회로(110), 로우 드라이버(120), 픽셀 어레이(130), 비닝 블록(binning block; 140) 및 ADC 블록(Analog-to-Digital Converter block; 150)을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(130)는 입사광을 감지하여 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 픽셀 어레이(130)는 각각의 행과 각각의 열에 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각은 입사광을 감지하여 전기 신호를 생성할 수 있다. 픽셀들은 입사광을 전압 신호로 변환할 수 있다.
픽셀 어레이(130)는 특정한 파장의 빛을 통과시키기 위한 컬러 필터를 통해 각각의 픽셀에 특정한 파장의 빛을 입사시킬 수 있다. 각각의 픽셀은 입사되는 빛의 파장에 따라 레드 픽셀(red pixel; R), 그린 픽셀(green pixel; G), 및 블루 픽셀(blue pixel; B) 중 어느 하나일 수 있다.
레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀은 특정한 패턴으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(130)의 각각의 픽셀들은 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열될 수 있다.
제어 회로(110)는 제어 신호를 통해 이미지 센서(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(110)는 제1 제어 신호에 기초하여 로우 드라이버(120)를 제어하고, 제2 제어 신호에 기초하여 비닝 블록(150)을 제어하고, 제3 제어 신호에 기초하여 ADC 블록(150)을 제어할 수 있다. 제어 회로(110)는 타이밍 회로 또는 타이밍 컨트롤러일 수 있다.
로우 드라이버(120)는 제어 회로(110)의 제어에 따라 픽셀 어레이(130)를 로우(row) 단위로 활성화시킬 수 있다. 로우 드라이버(120)는 제1 제어 신호에 기초하여 픽셀 어레이(130)의 특정 로우에 배열된 픽셀들을 활성화시킬 수 있다.
비닝 블록(140)은 저조도 상황에서 비닝(binning)을 수행할 수 있다. 비닝 블록(140)은 이미지 센서(100)가 동작하는 환경의 조도에 기초하여 선택적으로 비닝을 수행할 수 있다. 비닝 블록(140)은 제어 회로(110)의 제어에 따라 저조도 상황에서는 비닝이 수행된 신호를 ADC 블록(150)으로 출력하고, 저조도 상황이 아닌 경우에는 비닝이 수행되지 않은 신호를 ADC 블록(150)으로 전송할 수 있다.
비닝 블록(140)은 픽셀의 픽셀 소스 팔로워(pixel source follower)의 출력 전압에 기초하여 비닝을 수행할 수 있다. 비닝 블록(140)은 픽셀 소스 팔로워의 출력 전압을 이용함으로써 비닝이 수행된 픽셀의 출력 전압을 재사용할 수 있다.
ADC 블록(150)은 비닝 블록(140)의 출력 신호에 기초하여 디지털 신호를 생성할 수 있다. ADC 블록(150)은 상관 이중 샘플링(correlated double sampling(CDS))을 수행하여 출력 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. ADC 블록(150)이 생성한 디지털 신호에 기초하여 이미지가 생성될 수 있다.
이미지 센서(100)는 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이를 통해 입사된 광선에 기초하여 이미지를 생성할 수 있다. 렌즈 어레이가 이용됨으로써, 이미지 센서(100)는 더 높은 해상도의 이미지를 생성할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 어레이를 이용하는 경우 이미지 센서(100)에 포함되는 픽셀의 크기를 더 작게 하더라도 더 높은 품질의 신호를 획득할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 비닝 방식의 예시를 나타내는 도면으로, 이미지 센서(100)는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 비닝 방식을 수행할 수 있다.
도 2a는 테트라(tetra) 방식(130-1)을 도시한다. 테트라 방식은 서로 인접한 네 개의 픽셀을 합치는 비닝 방식일 수 있다. 테트라 방식에 따르면, 각 행을 기준으로 동일한 컬러 픽셀이 두 개씩 반복되고, 각 열을 기준으로도 동일한 컬러의 픽셀이 두 개씩 반복되는 픽셀 어레이(130)에서, 서로 인접하며 동일한 컬러인 네 개의 픽셀을 합쳐 이미지 센서의 감도를 개선할 수 있다.
도 2b는 제1 베이어 방식(130-2)을 도시한다. 제1 베이어 방식은 베이어 패턴으로 배열된 픽셀 어레이(130)에서 서로 한 개의 픽셀을 사이에 두는 동일한 컬러의 픽셀들을 합치는 비닝 방식일 수 있다. 제1 베이어 방식은 3*3 크기의 사각형의 네 꼭지점의 픽셀들을 합쳐 이미지 센서의 감도를 개선하는 비닝 방식일 수 있다.
도 2c는 제2 베이어 방식(130-3)을 도시한다. 제2 베이어 방식은 제1 베이어 방식과 유사하게 방식은 베이어 패턴으로 배열된 픽셀 어레이(130)에서 서로 한 개의 픽셀을 사이에 두는 동일한 컬러의 픽셀들을 합치는데, 이때 픽셀들이 재사용될 수 있다. 제2 베이어 방식에 따르면, 픽셀 어레이(130)의 가장자리에 배치된 픽셀 중 꼭지점에 배치된 것이 아닌 픽셀은 각각 두 번씩 다른 픽셀과 합쳐질 수 있고, 안쪽에 배치된 픽셀들은 각각 네 번씩 다른 픽셀과 합쳐질 수 있다.
도 2d는 제2 베이어 방식을 3*3 크기로 확장한 방식(130-4)을 도시한다. 확장된 제2 베이어 방식은 새로 한 개의 픽셀을 사이에 두는 세 개의 동일한 컬러의 픽셀들 아홉 개를 합치는 방식일 수 있다. 이 경우에 제2 베이어 방식과 같이 각 픽셀은 재사용되어 다른 픽셀들과 복수 번 합쳐질 수 있다.
도 2a 및 도 2d에 도시된 비닝 방식은 각각 비닝 블록(140)의 구성을 일부 변경하여 수행될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 이미지 센서의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 3에 도시된 이미지 센서(100)는 도 2c에 도시된 제2 베이어 방식(130-3)에 따라 비닝을 수행할 수 있다. 도 3에 도시된 비닝 블록(140)은 저조도 환경에서 제2 베이어 방식에 따라 비닝을 수행할 수 있다.
픽셀 어레이(130)는 복수의 픽셀(300)을 포함할 수 있다. 픽셀(300)은 플로팅 디퓨전 노드(floating diffusion node(FD))를 포함하고, 광전 변환 소자로부터 출력된 전하를 플로팅 디퓨전 노드에 전송할 수 있다.
비닝을 수행함에 있어서, 픽셀(300)의 플로팅 디퓨전 노드(FD)에서 전하를 합치는 방식이 노이즈를 최소화할 수 있지만, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에서 전하를 합치는 경우 전하가 복원되지 않는다.
픽셀(300)의 전하가 재사용할 수 있도록 픽셀 소스 팔로워의 전압 출력(Vpix)이 이용될 수 있다. 픽셀 소스 팔로워의 전압 출력(Vpix)은 픽셀(300)의 컬럼 버스 노드(column bus node)의 전압일 수 있다.
픽셀(300)의 출력 전압은 픽셀(300)의 컬럼 라인에 연결된 서로 다른 스위치를 제어함으로써 재사용될 수 있다. 예를 들어, 픽셀(300-2)의 컬럼 라인에 두 개의 스위치(S2 및 S5)가 연결되고, 스위치(S2)가 스위치 온 되는 경우 출력 전압이 증폭기(325-1)에 전송되고, 스위치(S5)가 스위치 온 되는 경우 출력 전압이 증폭기(325-3)에 전송될 수 있다.
비닝 블록(140)은 스위치 블록(310), 증폭기 블록(320) 및 멀티플렉서 블록(330)을 포함할 수 있다.
스위치 블록(310)은 픽셀 어레이(130)의 컬럼 라인(column line)에 연결된 복수의 스위치(S1 내지 S6)을 포함할 수 있다. 복수의 스위치는 대응하는 컬럼 라인의 픽셀들의 컬럼 버스 노드에 연결될 수 있다. 픽셀 어레이(130)의 첫 두개 및 마지막 두개의 컬럼 라인의 픽셀들은 하나의 스위치와 연결될 수 있고, 다른 컬럼 라인의 픽셀들은 두 개의 스위치와 연결될 수 있다.
제어 회로(110)는 이미지 센서(100)가 동작하는 환경의 조도에 기초하여 스위치 블록(310)을 제어할 수 있다. 제어 회로(110)는 고조도에서 픽셀 어레이(130)의 모든 스위치를 오픈(open) 베이어 패턴을 그대로 출력 신호를 증폭기 블록(320)으로 전송할 수 있고, 저조도에서 비닝이 수행되도록 스위치의 온-오프 타이밍을 조절하여 증폭기 블록(320)으로 전송할 수 있다.
증폭기 블록(320)은 복수의 증폭기(325)를 포함할 수 있다. 증폭기 블록(320)은 컬럼 라인에 대응되는 복수의 증폭기와 비닝을 위한 복수의 증폭기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 증폭기(325-1)는 컬럼 라인에 대응되는 증폭기이고, 증폭기(325-2 및 325-3)은 비닝을 위한 증폭기일 수 있다.
증폭기(325)는 PGA(programable gain amplifier)일 수 있다. 증폭기(325)는 입력 신호를 증폭할 수 있고, 복수의 입력 신호를 합하여 증폭할 수도 있다. 예를 들어, 컬럼 라인에 대응되는 증폭기는 하나의 입력 신호를 증폭하여 출력하고, 비닝을 위한 증폭기는 복수의 입력 신호를 합하고 증폭하여 출력할 수 있다.
비닝을 위한 증폭기는 복수의 스위치와 연결될 수 있다. 비닝을 위한 증폭기는 복수의 컬럼 라인에 연결된 스위치들과 연결될 수 있다. 예를 들어, 증폭기(325-2)는 첫번째 컬럼 라인에 대응되는 스위치(S1) 및 세번째 컬럼 라인에 대응되는 스위치(S2)에 연결될 수 있다.
비닝을 위한 증폭기는 연결된 스위치의 온-오프 타이밍에 기초하여 입력 신호를 합할 수 있다. 제어 회로(110)는 증폭기에 연결된 스위치의 온-오프 타이밍 및 증폭기를 제어하여 입력 신호를 합할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(110)는 첫번째 컬럼 라인의 출력 신호와 세번째 컬럼 라인의 출력 신호를 합하기 위해 스위치(S1 및 S2)의 온-오프 타이밍 및 증폭기(325-2)를 제어할 수 있다. 스위치 블록(310) 및 증폭기 블록(320)의 비닝 동작은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 더 상세하게 설명하도록 한다.
멀티플렉서 블록(330)은 복수의 멀티플렉서(335)를 포함할 수 있다. 멀티플렉서(335)는 컬럼 라인에 대응되는 증폭기(325-1) 및 비닝을 위한 증폭기(325-2)의 출력 중 어느 하나를 선택하여 출력할 수 있다.
멀티플렉서(335)는 이미지 센서가 동작하는 환경의 조도에 기초하여 입력 신호 중 어느 하나를 선택하여 출력할 수 있다. 멀티플렉서(335)는 조도에 따라 제어 회로(110)에서 전송하는 신호에 기초하여 증폭기(325-1)의 출력 및 증폭기(325-2)의 출력을 출력할 수 있다. 멀티플렉서(335)는 저조도 상황에서 비닝이 수행된 신호인 증폭기(325-2)의 출력을 ADC 블록(150)으로 전송하고, 고조도에서 컬럼 라인을 통해 출력되는 픽셀 어레이(130)의 출력 전압을 그대로 증폭한 증폭기(325-1)의 출력을 ADC 블록(150)으로 전송할 수 있다.
ADC 블록(150)은 복수의 컬럼 ADC(155)를 포함할 수 있다. 각각의 컬럼 ADC(155)는 각각의 컬럼 라인에 대응될 수 있다. 컬럼 ADC(155)는 멀티플렉서(335)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 이미지 센서의 비닝 동작을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여, 비닝을 위해 픽셀(300-1 내지 300-4)의 출력 전압을 합하는 동작을 예시로 설명하도록 한다. 픽셀(300-1 내지 300-4)를 합하기 위한 스위치(S1 및 S2) 및 증폭기(400)의 동작은 다른 픽셀을 합하기 위해 각각의 픽셀에 연결된 스위치 및 증폭기에서도 동일하게 수행될 수 있다. 즉, 증폭기(400)는 도 3에 도시된 비닝을 수행하기 위한 증폭기들에 대응되고, 증폭기(400)의 출력 Vo은 도 3에 도시된 비닝을 위한 증폭기의 출력(Vo1 내지 Vo3)에 대응될 수 있다.
로우 드라이버(120)는 제어 신호(D4)를 이용하여 제1 픽셀(300-1) 및 제2 픽셀(300-2)을 활성화시킬 수 있다. 활성화된 제1 픽셀(300-1) 및 제2 픽셀(300-2)은 각각의 컬럼 라인을 통해 출력 전압을 전송할 수 있다.
제1 픽셀(300-1)이 활성화된 경우 제어 회로(110)는 스위치(S1)를 스위치 온 시켜 제1 픽셀(300-1)의 출력 전압(Vp1)을 증폭기(400)로 출력할 수 있다. 증폭기(400)는 출력 전압(Vp1)을 수신한 경우 스위치(Sa) 및 스위치(Sb)를 순차적으로 스위치 온하여 출력 전압(Vp1)을 증폭기(400)의 출력 전압(Vo)에 합할 수 있다.
활성화된 제2 픽셀(300-2)의 출력 전압(Vp2)은 스위치(S2)를 스위치 온 되는 경우 증폭기(400)로 출력될 수 있다. 제1 픽셀(300-1)의 출력 전압(Vp1)과 마찬가지로 제2 픽셀(300-2)의 출력 전압(Vp2)은 스위치(Sa) 및 스위치(Sb)가 순차적으로 스위치 온 되어 증폭기(400)의 출력 전압(Vo)에 합쳐질 수 있다.
제1 픽셀(300-1)의 출력 전압(Vp1) 및 제2 픽셀(300-2)의 출력 전압(Vp2)을 합한 후 로우 드라이버(1200는 제어 신호(D4)를 이용하여 제1 픽셀(300-1) 및 제2 픽셀(300-2)을 비활성화 시키고, 제어 신호(D\2)를 이용하여 제3 픽셀(300-3) 및 제4 픽셀(300-4)을 활성화시킬 수 있다.
제어 회로(110)는 활성화된 제3 픽셀(300-3) 및 제4 픽셀(300-4)에 대해서 제1 픽셀(300-1) 및 제2 픽셀(300-2)의 경우와 동일하게 스위치(S1, S2, Sa 및 Sb)를 제어하여 증폭기(400)의 출력 전압(Vo)에 제3 픽셀(300-3) 및 제4 픽셀(300-4)의 출력 전압(Vp3 및 Vp4)를 합할 수 있다.
정리하면, 제어 회로(110)는 도 4b에 도시된 바와 같이 로우 드라이버(120)의 제어 신호(D2 및 D4)와 스위치(S1, S2, Sa 및 Sb)를 제어하여 제1 내지 제4 픽셀(300-1 내지 300-4)의 출력 전압(Vp1 내지 Vp4)를 합칠 수 있다. 출력 전압(Vp1 내지 Vp4)이 합쳐진 증폭기(400)의 출력(Vo)은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 이때, Ci 및 Cf는 증폭기 내 커패시터의 커패시턴스이다.
Figure pat00001
도 5는 도 1에 도시된 이미지 센서의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 5에 도시된 이미지 센서(100)는 도 2d에 도시된 3*3 크기로 확장된 제2 베이어 방식(130-4)에 따라 비닝을 수행할 수 있다. 3*3 크기로 확장된 제2 베이어 방식에 따라 비닝을 수행하기 위해 스위치 블록(310)의 구조가 변경될 수 있다.
비닝을 수행하기 위한 증폭기는 세 개의 스위치와 연결되어 아홉 개의 픽셀의 출력 전압을 합할 수 있다. 예를 들어, 증폭기(325-2)는 세 개의 스위치(S1, S2 및 S3)와 연결될 수 있고, 스위치(S1, S2 및 S3) 및 로우 드라이버(120)의 제어 신호(D0, D2 및 D4)에 기초하여 아홉 개의 픽셀(300-1 내지 300-9)의 출력 전압을 합할 수 있다.
제어 회로(110)는 제2 베이어 방식에 따른 비닝을 수행하는 동작과 유사하게 스위치 및 증폭기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(110)는 로우 드라이버(120)를 통해 특정 로우의 픽셀들을 활성화시키고, 활성화된 픽셀들에 연결된 스위치를 순차적으로 스위치 온 시킴으로써 픽셀들의 출력 전압을 합할 수 있다.
비닝을 위한 증폭기에 연결되는 스위치의 개수에 따라 이미지 센서(100)는 3*3 이상의 크기로 확장된 제2 베이어 방식에 따라 비닝을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 비닝을 위한 증폭기에 네 개의 컬럼 라인에 대응되는 스위치들을 연결하여 4*4 크기로 확장된 제2 베이어 방식에 따라 비닝을 수행할 수도 있으며, 동일한 방식으로 N*N 크기로 확장된 제2 베이어 방식에 따라 비닝을 수행할 수 있는 이미지 센서(100)를 구현할 수도 있다.
멀티플렉서 블록(330) 및 ADC 블록(150)은 도 3을 참조하여 설명한 동작과 동일하게 동작할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 이미징 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이다.
이미징 시스템(1100)은 이미지 센서(100), 프로세서(1010), 메모리(1020), 디스플레이 장치(1030) 및 인터페이스(1040)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(100), 프로세서(1010), 메모리(1020), 디스플레이 장치(1030) 및 인터페이스(1050) 각각은 버스를 통해서 데이터를 전송하거나 수신할 수 있다.
프로세서(1010)는 이미지 센서(100)의 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(1010)는 이미지 센서(100)로부터 출력되는 픽셀 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
메모리(1020)는 이미지 센서(100)의 동작을 제어하기 위한 프로그램과 프로세서(1010)에 의해 생성된 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 프로세서(1010)는 메모리(1020)에 저장된 프로그램을 실행할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1020)는 휘발성 메모리 또는 불휘발성 메모리로 구현될 수 있다.
디스플레이 장치(1030)는 프로세서(1010) 또는 메모리(1020)로부터 출력되는 상기 이미지 데이터를 디스플레이할 수 있다. 인터페이스(1040)는 이미지 데이터를 입출력하기 위한 인터페이스로 구현될 수 있다. 예를 들어, 인터페이스(1040)는 무선 인터페이스로 구현될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있으며 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 복수의 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 동작 방법에 있어서,
    제1 픽셀의 출력 전압을 제1 증폭기로 전송하는 단계;
    상기 제1 픽셀에 연결된 제1 스위치를 제어하여 상기 출력 전압을 제2 증폭기로 전송하는 단계;
    상기 제1 픽셀과 비닝(binning)될 제2 픽셀에 연결된 제2 스위치를 제어하여 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 상기 제2 증폭기로 전송하는 단계; 및
    상기 이미지 센서가 동작하는 환경의 조도에 기초하여 상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기의 출력 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 단계
    를 포함하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 출력 전압은,
    상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 수집된 전하에 대한 픽셀 소스 팔로워(pixel source follower)의 출력 전압인, 이미지 센서의 동작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 증폭기는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온-오프 타이밍에 기초하여 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 합하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출력하는 단계는,
    상기 조도에 기초하여 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제어 신호에 기초하여 상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기의 출력이 입력된 멀티플렉서(multiplexer)를 제어하는 단계
    를 포함하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 픽셀에 연결된 제3 스위치를 제어하여 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 제3 증폭기로 전송하는 단계
    를 더 포함하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀은,
    레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀 중 어느 하나이고, 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열되는, 이미지 센서의 동작 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 픽셀은,
    상기 제1 픽셀과 동일한 행에 배치되고, 상기 제1 픽셀과 동일한 컬러의 픽셀인, 이미지 센서의 동작 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀은,
    복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이를 통해 입사된 광선에 기초하여 출력 신호를 생성하는, 이미지 센서의 동작 방법.
  9. 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 픽셀 어레이를 제어하는 로우 드라이버(row driver);
    복수의 스위치, 복수의 증폭기 및 복수의 멀티플렉서(multiplexer)를 포함하는 비닝 블록;
    상기 비닝 블록의 출력을 처리하는 ADC(Analog-to-Digital converter) 블록; 및
    상기 로우 드라이버, 상기 비닝 블록 및 상기 ADC 블록을 제어하는 제어 회로
    를 포함하고,
    상기 제어 회로는,
    상기 로우 드라이버를 제어하여 제1 픽셀의 출력 전압을 제1 증폭기로 전송하고,
    상기 제1 픽셀에 연결된 제1 스위치를 제어하여 상기 출력 전압을 제2 증폭기로 전송하고,
    상기 제1 픽셀과 비닝(binning)될 제2 픽셀에 연결된 제2 스위치를 제어하여 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 상기 제2 증폭기로 전송하고,
    이미지 센서가 동작하는 환경의 조도에 기초하여 상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기의 출력 중 어느 하나를 선택하여 출력하는, 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 출력 전압은,
    상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 수집된 전하에 대한 픽셀 소스 팔로워(pixel source follower)의 출력 전압인, 이미지 센서.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 증폭기는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온-오프 타이밍에 기초하여 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 합하는, 이미지 센서.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 조도에 기초하여 제어 신호를 생성하고,
    상기 제어 신호에 기초하여 상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기의 출력이 입력된 멀티플렉서(multiplexer)를 제어하는, 이미지 센서.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 제2 픽셀에 연결된 제3 스위치를 제어하여 상기 제2 픽셀의 출력 전압을 제3 증폭기로 전송하는, 이미지 센서.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀은,
    레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀 중 어느 하나이고, 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열되는, 이미지 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 픽셀은,
    상기 제1 픽셀과 동일한 행에 배치되고, 상기 제1 픽셀과 동일한 컬러의 픽셀인, 이미지 센서.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀은,
    복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이를 통해 입사된 광선에 기초하여 출력 신호를 생성하는, 이미지 센서.
  17. 제9항 내지 제16항의 이미지 센서;
    상기 이미지 센서가 출력하는 디지털 신호를 저장하는 메모리; 및
    상기 이미지 센서 및 상기 메모리의 동작을 제어하는 프로세서
    를 포함하는, 전자 장치.
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