KR20220055390A - 균등하게 배치된 위상 검출 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 및 이를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 개시의 예시적 실시예에 따른 복수의 픽셀 그룹들을 포함하는 픽셀 어레이는, 상기 복수의 픽셀 그룹들 각각이, (m)

(n) 행렬(m 및 n은 2 이상의 자연수)로 배열되는 복수의 서브 픽셀들을 포함하며 각기 서로 다른 파장 대역의 빛을 센싱하도록 구성된, 복수의 컬러 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 컬러 픽셀들 각각은, 동일한 수의 위상 검출 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

균등하게 배치된 위상 검출 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 및 이를 포함하는 이미지 센서{PIXEL ARRAY INCLUDING EVENLY ARRANGED PHASE DETECTION PIXEL, AND IMAGE SENSOR INCLUDING THEREOF}

본 개시의 기술적 사상은 픽셀 어레이에 관한 것으로서, 상세하게는 컬러 픽셀마다 균등하게 배치된 위상 검출 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서는 수신되는 광 신호를 센싱하는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 이미지 센서가 오토 포커싱 기능을 제공함에 따라, 픽셀 어레이가 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있으며, 위상 검출 픽셀들은 픽셀 어레이 내에서 불연속적으로 및 규칙적으로 배치될 수 있다.

고화질 이미지의 수요 증대로 인해 이미지 센서의 픽셀은 고집적화가 요구된다. 이미지 센서 내의 픽셀 사이즈가 감소하고, 픽셀 어레이의 패턴이 불균일해짐에 따라, 픽셀 간 크로스토크(cross-talk)가 증가하는 문제가 발생한다. 크로스토크는 대상 픽셀에 대하여 인접한 픽셀에서 발생한 신호가 영향을 줌으로써, 대상 픽셀에서 발생한 신호의 분광 특성을 변화시켜, 색 재현성을 저하시키는 것을 의미한다. 크로스토크의 발생으로 인해 이미지의 화질이 열화될 수 있다. 따라서, 크로스토크에 의한 영향이 제거 또는 최소화될 필요가 있다.

본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는, 위상 검출 픽셀이 균등하게 배치됨으로써 픽셀의 컬러 채널 별 노이즈를 최소화시키는 픽셀 어레이, 및 이를 포함하는 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 복수의 픽셀 그룹들을 포함하는 픽셀 어레이는, 상기 복수의 픽셀 그룹들 각각이, (m) (n) 행렬(m 및 n은 2 이상의 자연수)로 배열되는 복수의 서브 픽셀들을 포함하며 각기 서로 다른 파장 대역의 빛을 센싱하도록 구성된, 복수의 컬러 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 컬러 픽셀들 각각은, 동일한 수의 위상 검출 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서는, 각각 복수의 서브 픽셀들을 포함하며 서로 다른 파장 대역의 빛을 센싱하도록 구성된 복수의 컬러 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 컬러 픽셀들 각각은 동일한 수의 위상 검출 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 복수의 컬럼 라인들을 통해 상기 픽셀 어레이로부터 수신되는 센싱 신호를 이진 데이터로 변환하도록 구성된 리드아웃 회로, 복수의 로우 라인을 통해, 상기 픽셀 어레이가 행마다 상기 센싱 신호를 출력하도록 제어하는 행 선택 신호를 생성하도록 구성된 로우 디코더, 및 상기 로우 디코더 및 상기 리드아웃 회로를 제어하도록 구성된 제어 로직을 포함할 수 있다.

본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서는, 각각 복수의 서브 픽셀들을 포함하며 서로 다른 파장 대역의 빛을 센싱하도록 구성된 복수의 컬러 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 컬러 픽셀들 각각은 미리 정해진 위치에 배치된 위상 검출 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이, 복수의 컬럼 라인들을 통해 상기 픽셀 어레이로부터 수신되는 센싱 신호를 이진 데이터로 변환하도록 구성된 리드아웃 회로, 복수의 로우 라인을 통해, 상기 픽셀 어레이가 행마다 상기 센싱 신호를 출력하도록 제어하는 행 선택 신호를 생성하도록 구성된 로우 디코더, 및 상기 로우 디코더 및 상기 리드아웃 회로를 제어하고, 모드 신호에 기초하여 상기 센싱 신호의 출력 방식을 변경하도록 구성된 제어 로직을 포함할 수 있다.

본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 픽셀 어레이는 균등하게 배치된 위상 검출 픽셀을 포함함에 따라 위상 검출 픽셀과 인접 픽셀간 크로스토크가 일정하게 유발될 수 있고, 일정한 크로스토크는 별도의 보정 없이 제거될 수 있다.

또한, 본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 이미지 센서는 위상 검출 픽셀을 픽셀 어레이의 컬러 채널에 균등하게 포함함으로써 컬러 채널에 포함되는 위상 검출 픽셀을 최소화시킬 수 있고, 센싱 신호의 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio; SNR)를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 이미지 센서는 픽셀 어레이에 위상 검출 픽셀을 컬러 채널마다 균등하게 포함함으로써 위상 검출 성능 및 이미지의 화질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 픽셀 어레이를 도시하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀 그룹을 도시하는 도면이다.
도 4는 서브 픽셀을 포함하는 컬러 픽셀의 데이터값을 설명하는 도면이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 위상 검출 픽셀 쌍을 개략적으로 나타내는 수직 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5b의 듀얼-포토다이오드의 평면도이고, 도 6d는 도 6a의 선 A-A'에 따른 수직 단면도를 나타낸다.
도 7a는 컬러 픽셀마다 균일하게 배치되지 않은 위상 검출 픽셀을 설명하는 도면이고, 도 7b, 및 도 7c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 컬러 픽셀마다 균일하게 배치된 위상 검출 픽셀을 설명하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8f는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 균일하게 배치될 수 있는 위상 검출 픽셀의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 균일하게 배치될 수 있는 위상 검출 픽셀의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 모드마다 상이한 데이터 출력을 도시하는 도면이다.
도 11은 픽셀의 등가 회로도이다.
도 12a 및 도 12b는 센싱 신호의 합산을 수행하는 픽셀의 회로도이다.
도 13은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 적용되는 멀티 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치의 블록도이고, 도 14는 도 13의 멀티 카메라 모듈의 상세 블록도이다.
도 15는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 전자 장치를 도시하는 블록도이다.
도 16은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 전자 장치를 도시하는 블록도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서(100)를 나타내는 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.

이미지 센서(100)는 렌즈(LS), 픽셀 어레이(110), 로우 디코더(120), 제어 로직(130), 램프 생성기(140), 및 리드아웃 회로(150)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시되지는 않았으나, 이미지 센서(100)는 클럭 신호 생성기, 신호 처리기, 컬럼 디코더, 및/또는 메모리를 더 포함할 수 있음이 이해되어야 한다.

이미지 센서(100)는 광학 장치를 통하여 입사된 객체(OBJECT)의 광학적 신호를 전기적 신호로 변환하고, 전기적 신호들을 기초로 이미지 데이터(IDAT)를 생성할 수 있다. 광학 장치는 거울 및 렌즈(LS)를 포함하는 광학적 집광 장치일 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 빛의 분산이나 굴절 등 광학적 특성을 이용하여 객체(OBJECT)에 의해 반사된 빛의 다양한 경로를 집광하거나, 빛의 이동 경로를 변경할 수 있는 광학 장치를 이용할 수 있다. 본 개시에서는 설명의 편의를 위해, 렌즈(LS)가 이용되는 것으로 가정되나 전술한 바와 같이 다양한 광학 장치를 이용해 본 개시의 기술적 사상이 구현될 수 있음이 이해될 수 있다.

픽셀 어레이(110)는 광학 신호를 전기적 신호로 변환하는 CIS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)일 수 있다. 렌즈(LS)를 투과한 광학 신호는 픽셀 어레이(110)의 수광면에 도달하여 피사체의 상을 결상할 수 있다. 이와 같은 픽셀 어레이(110)는 제어 로직(130)의 제어에 의해 광학 신호의 감도 등을 조절할 수 있다.

픽셀 어레이(110)는 매트릭스 형태로 배열된 수의 픽셀들에 신호를 전달하는 복수의 로우 라인들(RLs) 및 복수의 컬럼 라인들(CLs)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 로우 라인들(RLs) 각각은 픽셀에 포함된 트랜지스터들 각각에 로우 디코더(120)로부터 출력되는 제어 신호들을 전송할 수 있으며, 복수의 컬럼 라인들(CLs) 각각은 픽셀 어레이(110)의 열 단위로 픽셀들의 픽셀 신호를 리드아웃 회로(150)에 전송할 수 있다. 복수의 컬럼 라인들(CLs) 각각은 컬럼 방향으로 연장되며, 동일한 컬럼에 배치된 픽셀과 리드아웃 회로(150)를 서로 연결할 수 있다.

픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀들 각각은 적어도 하나의 광전 변환 소자 및 트랜지스터를 포함할 수 있다. 예를 들면, 픽셀 어레이(110)는 CCD(Charge Coupled Devices) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 광전 변환 소자(또는 광 감지 소자)로 구현될 수 있으며 이외에도 다양한 종류의 광전 변환 소자로 구현될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 광전 변환 소자는 빛을 감지하고, 감지된 빛을 광전하로 변환할 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자는 무기 포토(photo) 다이오드, 유기 포토다이오드, 페로브 스카이트 포토다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트 또는 핀드 포토다이오드(pinned photodiode) 등과 같이, 유기 물질 또는 무기 물질로 구성되는 광 감지 소자일 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 트랜지스터는 광전 변환 소자에 저장된 전하를 전송시키거나, 전원 전압으로 리셋시키거나, 전하를 전기적 신호로 변환할 수 있다.

복수의 픽셀 각각의 상부에는 마이크로 렌즈 및 컬러 필터가 적층될 수 있으며, 복수의 픽셀의 복수의 컬러 필터가 컬러 필터 어레이를 구성할 수 있다. 컬러 필터는 마이크로 렌즈를 통해 입사되는 빛 중 특정 색상의 빛, 다시 말해서 특정 색상 영역의 파장을 투과시킬 수 있다. 픽셀에 구비되는 컬러 필터에 따라 픽셀이 감지할 수 있는 색상이 결정될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 실시예에 있어서, 픽셀에 구비되는 광전 변환 소자는 인가되는 전기 신호의 레벨, 예컨대 전압 레벨에 따라서, 색상 영역의 파장에 해당하는 빛을 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 이에 따라서, 광전 변환 소자에 인가되는 전기 신호의 레벨에 따라서 픽셀이 감지할 수 있는 색상이 결정될 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀들 각각은 마이크로 렌즈 및 마이크로 렌즈 아래에 나란하게 배치된 적어도 하나 이상의 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 픽셀 각각은 나란하게 배치된 적어도 하나의 제1 광전 변환 소자 및 적어도 하나의 제2 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 픽셀은 제1 광전 변환 소자로부터 생성되는 제1 이미지 신호 또는 제2 광전 변환 소자로부터 생성되는 제2 이미지 신호를 출력할 수 있다. 또한, 픽셀은 제1 광전 변환 소자 및 제2 광전 변환 소자로부터 생성되는 합산 이미지 신호를 출력할 수 있다.

복수의 픽셀들은 컬러 픽셀, 예를 들어 레드(red) 픽셀, 그린(green) 픽셀, 및 블루(blue) 픽셀을 포함할 수 있다. 컬러 픽셀은 서로 다른 컬러 필터를 통과한 빛에 기초하여 해당 컬러 정보를 포함하는 이미지 신호를 생성할 수 있다. 본 개시에서는 서로 다른 컬러 정보를 생성하는 컬러 필터, 또는 서로 다른 컬러 정보를 포함하는 이미지 신호를 생성하는 컬러 픽셀 각각, 또는 컬러 픽셀들의 집합을 컬러 채널이라고 지칭한다. 예를 들어, 레드 채널은 레드 필터 그 자체, 또는 레드 필터를 통과한 빛을 처리하는 픽셀인 레드 픽셀을 지칭할 수 있고, 블루 채널은 블루 필터 그 자체, 또는 블루 필터를 통과한 빛을 처리하는 픽셀인 블루 픽셀을 지칭할 수 있으며, 그린 채널은 그린 필터 그 자체, 또는 그린 필터를 통과한 빛을 처리하는 픽셀인 그린 픽셀을 지칭할 수 있다. 본 개시에서는 레드, 그린, 블루의 컬러가 예시되었으나, 복수의 픽셀은 다른 색 구성으로 조합된 픽셀들, 예컨대 옐로우(Yellow) 픽셀, 사이언(Cyan) 픽셀 및 화이트 픽셀을 포함할 수 있다.

레드 픽셀은, 가시광 영역 중에서 레드 영역의 파장들에 응답하여, 레드 컬러 신호에 상응하는 이미지 신호(또는 전하들)를 생성할 수 있다. 그린 픽셀은, 가시광 영역 중에서 그린 영역의 파장들에 응답하여, 그린 컬러 신호에 상응하는 이미지 신호(또는 전하들)를 생성할 수 있다. 블루 픽셀은, 가시광 영역 중에서 블루 영역의 파장들에 응답하여, 블루 컬러 신호에 상응하는 이미지 신호(또는 전하들)를 생성할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 픽셀은 화이트 픽셀을 더 포함할 수 있다. 다른 예로서, 복수의 픽셀은 시안(cyan) 픽셀, 옐로우(yellow) 픽셀, 마젠타(magenta) 픽셀, 또는 화이트 픽셀을 포함할 수도 있다.

로우 디코더(120)는 제어 로직(130)의 제어(예를 들어, 행 제어 신호(CTR_X)) 하에, 픽셀 어레이(110)를 구동하기 위한 제어 신호들을 생성할 수 있고, 복수의 로우 라인들(RLs)을 통해 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀을 행마다 구동시킬 수 있다. 복수의 로우 라인들(RLs) 각각은 행 방향으로 연장되며, 동일한 로우에 배치된 픽셀에 연결될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 로우 디코더(120)는 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀들이 동시에 또는 행(row) 단위로 입사되는 광을 감지하도록 픽셀들을 제어할 수 있다. 또한 로우 디코더(120)는 복수의 픽셀들을 행 단위로 픽셀들을 선택하고, 선택된 픽셀들(예컨대 한 행의 픽셀들)에 리셋 신호를 제공하여 픽셀을 리셋시킬 수 있으며, 선택된 픽셀들이 생성하는 센싱 전압이 복수의 컬럼 라인들(CLs)을 통해 출력되도록 제어할 수 있다.

제어 로직(130)은 로우 디코더(120), 램프 생성기(140) 및 리드아웃 회로(150)의 타이밍을 제어하는 제어 신호들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(130)은 로우 디코더(120)에 행 제어 신호(CTR_X)를 제공할 수 있고, 로우 디코더(120) 는 행 제어 신호(CTR_X)에 기초하여 로우 라인들(RLs)을 통해 픽셀 어레이(110)를 행마다 센싱시킬 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(130)은 램프 생성기(140)에 램프 신호를 제어하는 램프 제어 신호(CTR_R)를 제공할 수 있고, 램프 생성기(140)는 램프 제어 신호(CTR_R)에 기초하여 리드아웃 회로(150)의 동작을 위한 램프 신호(RMP)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(130)은 리드아웃 회로(150)에 열 제어 신호(CTR_Y)를 제공할 수 있고, 리드아웃 회로(150)는 열 제어 신호(CTR_Y)에 기초하여 컬럼 라인들(CLs)을 통해 픽셀 어레이(110)로부터의 픽셀 신호를 수신하고 처리할 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 제어 로직(130)은 모드 신호(MD)에 기초하여 이미지 센서(100)를 전반적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직은 애플리케이션 프로세서로부터 고해상도 센싱 또는 저해상도 센싱을 지시하는 모드 신호(MD)를 수신하고, 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀들 각각이 독립적인 픽셀 신호를 출력하도록 행 제어 신호(CTR_X), 열 제어 신호(CTR_Y), 및 램프 제어 신호(CTR_R)를 제어할 수 있고, 픽셀 어레이(110)는 행 제어 신호(CTR_X) 및 열 제어 신호(CTR_Y)에 기초하여 복수의 픽셀들 각각을 출력할 수 있으며, 리드아웃 회로(150)는 램프 신호(RMP)에 기초하여 픽셀 신호들을 샘플링하고 처리할 수 있다. 예를 들어, 애플리케이션 프로세서는 촬상 환경의 조도, 사용자의 해상도 설정, 센싱되거나 학습된 상태 등 다양한 시나리오에 따라 이미지 센서(100)의 촬상 모드를 결정한 결과를 모드 신호(MD)로 제공할 수 있다.

제어 로직(130)은 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, 제어 로직(130)은 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 않고, 인공 신경망 등의 보조, 또는 인공 신경망 그 자체를 이용한 가속기(Accelerator), NPU(Neural Processing Unit) 등을 더 이용할 수도 있다.

램프 생성기(140)는 소정의 기울기를 가지며 점진적으로 증가 또는 감소하는 램프 신호(RMP)를 생성하고, 램프 신호(RMP)를 리드아웃 회로(150)에 제공할 수 있다.

리드아웃 회로(150)는 픽셀 어레이(110)로부터 출력된 픽셀 신호를 컬럼 라인들(CLs)을 통해 수신하고, 픽셀 신호를 처리하여 이미지 데이터(IDAT)로 출력할 수 있다. 리드아웃 회로(150)는 상관 이중 샘플링(CDS) 회로(151), 아날로그-디지털 컨버팅(ADC) 회로(153) 및 버퍼(155)를 포함할 수 있다.

상관 이중 샘플링 회로(151)는 복수의 비교기들을 포함할 수 있고, 복수의 컬럼 라인들(CLs)을 통해 픽셀 어레이(110)로부터 수신되는 픽셀 신호를 램프 생성기(140)로부터의 램프 신호(RMP)와 비교할 수 있다. 비교기는 수신되는 픽셀 신호를 버퍼링된 램프 신호(RMP)와 비교하고, 비교 결과를 로직 로우, 또는 로직 하이로 출력할 수 있다. 예를 들어, 비교기는 램프 신호(RMP)의 레벨과 픽셀 신호의 레벨이 동일할 때, 제1 레벨(예컨대 로직-하이)에서 제2 레벨(예컨대 로직-로우)로 천이하는 비교 신호를 출력할 수 있으며, 비교 신호의 레벨이 천이되는 시점은 픽셀 신호의 레벨에 따라 결정될 수 있다.

복수의 픽셀들로부터 출력되는 복수의 픽셀 신호는 각 픽셀마다 가지는 고유의 특성(예컨대, FPN(Fixed Pattern Noise) 등)에 의한 편차 및/또는 픽셀로부터 픽셀 신호를 출력하기 위한 로직(예컨대, 픽셀 내에서 광전 변환 소자에 저장된 전하를 출력하기 위한 트랜지스터들)의 특성 차이에 기인한 편차를 가질 수 있다. 이와 같이, 복수의 컬럼 라인들(CLs)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. 비교기는 상관 이중 샘플링 기법이 적용된 비교 결과(예컨대 비교 출력)를 출력할 수 있다. 결과적으로, 상관 이중 샘플링 회로(151)는 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS) 기법이 적용되는 비교 결과를 생성할 수 있다.

아날로그 디지털 컨버팅 회로(153)는 상관 이중 샘플링 회로(151)의 비교 결과를 디지털 데이터로 변환함으로써, 복수의 픽셀에 대응하는 픽셀값들을 행(row) 단위로 생성 및 출력할 수 있다. 아날로그 디지털 컨버팅 회로(153)는 복수의 카운터들을 포함할 수 있다. 복수의 카운터들은 복수의 비교기들 각각의 출력에 연결되며, 비교기로부터 출력되는 비교 결과를 카운팅할 수 있다. 카운터는 리셋 신호를 센싱하는 리셋 변환 구간 및 센싱 신호를 센싱하는 이미지 변환 구간에 카운팅 클럭을 기초로 비교기로부터 출력되는 로직 하이 또는 로직 로우의 비교 결과를 카운팅할 수 있고, 카운팅 결과에 따른 디지털 데이터(예를 들어, 픽셀값)를 출력할 수 있다. 카운터는 래치 회로 및 연산 회로를 포함할 수 있다. 래치 회로는 비교기로부터 수신되는 비교 신호의 레벨이 천이되는 시점에 카운팅 클럭 신호로서 수신되는 코드 값을 래치할 수 있다. 래치 회로는 리셋 신호에 대응하는 코드 값, 예컨대 리셋 값 및 이미지 신호에 대응하는 코드 값, 예컨대 이미지 신호 값 각각을 래치할 수 있다. 연산 회로는 리셋 값과 이미지 신호 값을 연산하여, 픽셀의 리셋 레벨이 제거된 이미지 신호 값을 생성할 수 있다. 카운터는 리셋 레벨이 제거된 이미지 신호 값을 픽셀값으로서 출력할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 카운터는, 카운팅 클럭 신호를 기초로 카운트 값이 순차적으로 증가하는 업-카운터와 연산 회로, 또는 업/다운 카운터, 또는 비트-와이즈 인버젼 카운터(bit-wise inversion counter)로 구현될 수도 있다.

버퍼(155)는 아날로그 디지털 컨버팅 회로(153)로부터 출력되는 픽셀값을 각각 저장할 수 있다. 버퍼(155)는 각 행(row)마다의 디지털 데이터(예를 들어 픽셀값)을 저장할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 버퍼(155)는 카운터로부터 출력되는 복수의 디지털 데이터들을 임시 저장한 후, 증폭하여 출력할 수 있다. 즉, 버퍼(155)는 출력 버퍼일 수 있다. 버퍼(155)는 복수의 카운터 각각으로부터 출력되는 디지털 데이터를 임시 저장한 후 차례로 또는 선택적으로 센스 앰프(미도시)로 출력할 수 있으며, 센스 앰프는 수신되는 디지털 데이터를 증폭하여 출력할 수 있다. 버퍼(155)는 제어 로직(130)의 제어에 따라 컬럼을 선택하는 컬럼 디코더(미도시)의 열 제어 신호(CTR_Y)에 기초하여 증폭된 이미지 데이터(IDAT)를 외부로 출력할 수 있다.

버퍼(155)는 SRAM (static random access memory), 래치(latch), 플립-플롭(flipflop), 또는 이들의 결합으로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 실시예에 있어서, 버퍼(155)는 메모리로서 아날로그 디지털 컨버팅 회로(153) 내부에 포함될 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 이미지 센서(100)는 자동 초점 검출(auto focusing; 이하 AF) 기능을 지원할 수 있으며, 자동 초점 검출을 위해, 위상차 AF 기술이 이용될 수 있다. 위상차 AF는 이미지 센서(100)에 맺힌 상의 위상의 디스패리티(disparity)를 감지하여, 포커스를 조정하는 방식이다. 위상차 AF는 전핀과 후핀의 경우 모두 위상차가 커지는 특성이 있다. 위상차 AF는 감지된 위상차를 통해 위상차값 뿐 아니라, 핀의 방향 정보를 알 수 있으므로, 포커스 렌즈를 한번만 움직여서 포커싱이 가능한 장점이 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 위상차와 핀의 방향 정보에 따른 렌즈의 이동값을 미리 계산해 놓고, 이를 참조하여, 포커스 렌즈를 한번 구동하여 포커싱을 할 수 있다. 따라서, 위상차 AF를 이용한 이미지 센서(100)는 전자 뷰 파인더의 디스플레이 울렁임이 없고 신속한 포커싱이 가능하다.

위상차 AF를 이용하기 위해 픽셀 어레이(110)에 위상 검출 픽셀을 어떻게 배치할 것인지가 문제된다. 픽셀 어레이(110)에 너무 많은 위상 검출 픽셀을 배치하면 센싱 픽셀의 개수가 줄어들어 해상도 열화가 유발되며, 너무 적은 위상 검출 픽셀을 배치하면, 정확한 위상차 검출이 불가능하다. 또한, 이미지 센서(100)는 라이브 뷰 모드, 정지 이미지 모드, 동영상 모드, 프리뷰 모드, 고해상도 캡처 모드 등 다양한 촬상 모드를 지원하는데, 이러한 다양한 촬상 모드들에서 이미지 생성을 위한 센싱 픽셀의 위치가 달라질 수 있는 바, 위상 검출 픽셀의 배치에 따라 각 모드에서의 촬상 성능에 달라질 수 있다. 따라서, 이미지 센서(100)의 촬상 성능을 극대화시킬 수 있는 위상 검출 픽셀 배치 기술이 요구된다.

도 2는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 픽셀 어레이(110)를 도시하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 반복적으로 배치된 복수의 픽셀 그룹(PG)을 포함할 수 있다. 픽셀 그룹(PG)은 레드 채널, 그린 채널, 및 블루 채널을 포함하며 레드 픽셀, 그린 픽셀, 및/또는 블루 픽셀의 조합으로 객체(도 1, OBJECT)를 재현할 수 있는 하나의 색상 표현 단위다.

예시적인 실시예에서, 하나의 픽셀 그룹(PG)은 레드, 그린, 블루 컬러를 포함하는 베이어(bayer) 패턴의 컬러 픽셀을 포함할 수 있다. 각 컬러 픽셀은 3

3 행렬로 배열된 9개의 서브 픽셀을 포함할 수 있고, 각각의 서브 픽셀은 동일한 컬러 필터를 통과한 빛을 수광할 수 있다. 각각이 3

3 행렬로 배열된 9개의 레드 서브 픽셀(R), 9개의 그린 서브 픽셀(Gr), 9개의 블루 서브 픽셀(B) 및 9개의 그린 서브 픽셀(Gb)(이하, 그린 픽셀(Gr)은 제1 그린 픽셀로, 그린 픽셀(Gb)은 제2 그린 픽셀로 지칭)로 이루어진 픽셀 그룹(PG)은 노나-셀(NONA CELL)이라고 지칭될 수 있다. 본 개시에서는 설명의 편의를 위해 3

3 행렬로 배열된 9개의 서브 픽셀들(즉, 노나-셀)을 예시하였지만, 본 개시의 기술적 사상은 이에 제한되지 않으며, 다양한 개수의 조합(예를 들어, M

N 개, M 및 N은 자연수)으로 픽셀 그룹(PG)이 구성될 수 있음이 이해되어야 한다.

픽셀 그룹(PG)은 컬러 픽셀에 포함된 복수의 서브 픽셀들 중 하나로서 위상 검출 픽셀(P)을 포함할 수 있다. 본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 위상 검출 픽셀(P)은 컬러 채널(또는 컬러 픽셀)마다 균등하게 배치(또는 배열)될 수 있다. 이미지 센서(도 1, 100)는 한 쌍(pair)의 위상 검출 픽셀(P)의 픽셀 신호 차이(예컨대, 디스패리티)에 기초해 객체(OBJECT)와의 거리를 산출할 수 있고, 이로써 자동적으로 초점을 검출할 수 있다. 따라서, 위상 검출 픽셀(P)은 좌우 한 쌍, 또는 상하 한 쌍 단위로 픽셀 어레이(110)에 배치될 수 있다. 본 개시에서, 좌우로 배열된 위상 검출 픽셀 쌍(PHD)이 예시되나, 본 개시의 기술적 사상은 상하, 또는 대각선 등 다양한 기하학적 구조의 위상 검출 픽셀 쌍을 포함할 수 있다.

본 개시의 기술적 사상에 따르면, 픽셀 그룹(PG)의 각 컬러 채널은 모두 동일한 개수의 위상 검출 픽셀(P)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 위상 검출 픽셀 쌍(PHD)의 일 픽셀은 제1 그린 픽셀의 우하단에 배치될 수 있고, 위상 검출 픽셀 쌍(PHD)의 다른 일 픽셀은 레드 픽셀의 좌하단에 배치될 수 있다. 유사하게, 다른 위상 검출 픽셀 쌍의 일 픽셀은 블루 픽셀의 좌하단에 배치될 수 있고, 위상 검출 픽셀 쌍의 다른 일 픽셀은 제2 그린 픽셀의 우하단에 배치될 수 있다. 픽셀 그룹(PG)은 반복적으로 배열되므로, 블루 픽셀의 좌하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 다른 픽셀 그룹(PG)에 포함되고 제2 그린 픽셀의 우하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)과 맞닿아 하나의 쌍을 구성할 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 그린 픽셀에 배치된 위상 검출 픽셀(P) 및 레드 픽셀에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 위상 검출 픽셀 쌍(PHD)을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀의 우하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 객체에 대한 좌측 방면 이미지를, 레드 픽셀의 좌하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 객체에 대한 우측 방면 이미지를 각각 센싱할 수 있다. 이로써 동일한 객체에 대한 좌측 이미지 및 우측 이미지 간의 위상 차에 따른 디스패리티가 산출될 수 있다. 픽셀 그룹(PG)은 픽셀 어레이(110) 전체에 걸쳐 반복적으로 배치될 수 있으므로, 블루 픽셀의 좌하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 픽셀 그룹(PG)보다 좌측에 위치한 픽셀 그룹(예컨대, 제2 그린 픽셀)의 위상 검출 픽셀과 위상 검출 픽셀 쌍(PHD)을 구성할 수 있으며, 제2 그린 픽셀의 우하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 픽셀 그룹(PG)보다 우측에 위치한 픽셀 그룹(예컨대, 블루 픽셀)의 위상 검출 픽셀과 위상 검출 픽셀 쌍(PHD)을 구성할 수 있다. 본 개시에서는 설명의 편의를 위해 베이어 패턴의 일 구현으로서 제1 그린 픽셀의 우측에 레드 픽셀이, 제1 그린 픽셀의 하측에 블루 픽셀이, 제1 그린 픽셀의 대각선측에 제2 그린 픽셀이 각각 배치된 것으로 예시되었으나, 본 개시의 기술적 사상은 이에 제한되지 않고, 레드, 그린, 블루 픽셀들의 위치가 서로 바뀌거나, 2 개의 그린 픽셀 중 어느 하나 대신 화이트 픽셀이 배치되거나, 옐로우(Yellow) 픽셀, 사이언(Cyan) 픽셀 등 다른 색 구성으로 조합될 수 있음이 이해될 수 있을 것이다.

본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 픽셀 어레이(110)는 컬러 픽셀마다 위상 검출 픽셀(P)을 균등하게 포함함에 따라 위상 검출 픽셀(P)과 인접 픽셀간의 크로스토크는 비교적 일정하게 유발될 수 있다. 일정한 크로스토크는 별도의 보정 없이 제거될 수 있으므로, 위상 검출의 성능 및 이미지의 품질은 향상될 수 있다. 위상 검출 픽셀(P)과 인접 픽셀 사이에 유발되는 크로스토크에 관하여는 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.

또한, 본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 이미지 센서(100)는 위상 검출 픽셀(P)을 픽셀 어레이(110)의 컬러 픽셀 마다 균등하게 포함함으로써 컬러 픽셀에 포함되는 위상 검출 픽셀(P)의 수를 최소화시킬 수 있다. 컬러 픽셀 중 위상 검출 픽셀(P)을 제외한 객체를 센싱하는 서브 픽셀의 수가 증가됨에 따라, 이미지 센서(100)의 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio; SNR)는 향상될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀 그룹(PG1 또는 PG2)을 도시하는 도면이다. 도 3a, 도 3b를 참조하여, 본 개시에서 사용되는 용어인 픽셀 그룹(PG1, PG2), 컬러 픽셀(CP1, CP2), 서브 픽셀(SP1, SP2)이 보다 상세히 정의된다.

도 3a를 참조하면, 제1 픽셀 그룹(PG1)은 레드, 그린, 블루 컬러를 포함하는 베이어(bayer) 패턴의 컬러 픽셀들을 포함하며, 각 컬러 픽셀은 2

2 행렬로 배열된 4개의 서브 픽셀을 포함할 수 있다. 각각이 2

2 행렬로 배열된 4개의 레드 서브 픽셀(R1~R4), 4개의 그린 서브 픽셀(Gr1~Gr4), 4개의 블루 서브 픽셀(B1~B4) 및 4개의 그린 서브 픽셀(Gb1~Gb4)로 구성된 픽셀 그룹(PG1)은 테트라-셀(TETRA CELL)이라고 지칭될 수 있다.

제1 픽셀 그룹(PG1)은 2개의 그린 픽셀, 1개의 레드 픽셀, 1개의 블루 픽셀을 컬러 픽셀로서 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 픽셀 중 레드 픽셀의 좌측에 위치한 그린 픽셀은 제1 컬러 픽셀(CP1)일 수 있다.

제1 컬러 픽셀(CP1)은 동일한 컬러 정보를 가지는 복수의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 컬러 픽셀(CP1)로서 그린 픽셀은 2

2 행렬로 배열된 4개의 서브 픽셀들(Gr1, Gr2, Gr3, Gr4)을 포함할 수 있다. 복수의 서브 픽셀들 중 제1 컬러 픽셀(CP1)의 좌상단에 위치한 서브 픽셀(Gr1)은 제1 서브 픽셀(SP1)일 수 있다.

도 3b를 참조하면, 제2 픽셀 그룹(PG2)은 레드, 그린, 블루 컬러를 포함하는 베이어(bayer) 패턴의 컬러 픽셀들을 포함하며, 각 컬러 픽셀은 3

3 행렬로 배열된 9개의 서브 픽셀을 포함할 수 있다. 각각이 3

3 행렬로 배열된 9개의 레드 서브 픽셀(R1~R9), 9개의 그린 서브 픽셀(Gr1~Gr9), 9개의 블루 서브 픽셀(B1~B9) 및 9개의 그린 서브 픽셀(Gb1~Gb9)로 구성된 픽셀 그룹(PG2)은 노나-셀임은 전술한 바와 같다.

제2 픽셀 그룹(PG2)은 2개의 그린 픽셀, 1개의 레드 픽셀, 1개의 블루 픽셀을 컬러 픽셀로서 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 픽셀 중 레드 픽셀의 좌측에 위치한 그린 픽셀은 제2 컬러 픽셀(CP2)일 수 있다.

제2 컬러 픽셀(CP2)은 동일한 컬러 정보를 가지는 복수의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 컬러 픽셀(CP2)로서 그린 픽셀은 3

3 행렬로 배열된 9개의 서브 픽셀들(Gr1 내지 Gr9)을 포함할 수 있다. 복수의 서브 픽셀들 중 제2 컬러 픽셀(CP2)의 좌상단에 위치한 서브 픽셀(Gr2)은 제2 서브 픽셀(SP2)일 수 있다.

도 3a 및 도 3b에서는 테트라-셀 또는 노나-셀을 예시하여 픽셀 그룹, 컬러 픽셀, 및 서브 픽셀(예를 들어, 픽셀 그룹(PG1, PG2), 컬러 픽셀(CP1, CP2), 서브 픽셀(SP1, SP2))의 정의에 대해 설명되었으나, 본 개시의 기술적 사상은 각 컬러 픽셀이 포함할 수 있는 다양한 개수의 조합의 서브 픽셀들(예를 들면, M

N 행렬로 배열된 서브 픽셀들)에도 동일하게 적용될 수 있음이 이해될 것이다.

도 4는 서브 픽셀을 포함하는 컬러 픽셀의 데이터값을 설명하는 도면이다. 도 4에서는 3

3 행렬로 배열된 9개의 서브 픽셀들의 집합인 노나-셀을 예시하여 본 개시의 기술적 사상을 설명하나, 전술한 바와 같이 M

N 행렬로 배열된 서브 픽셀들로 확장적으로 적용될 수 있다.

도 4를 참조하면, 픽셀 그룹(PG)은 M

N(=MN) 행렬로 배열된 서브 픽셀들이 구성하는 컬러 픽셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 그룹(PG)은 제1 및 제2 그린 픽셀들, 레드 픽셀, 및 블루 픽셀을 포함할 수 있으며, 제1 그린 픽셀은 (MN)개의 그린 서브 픽셀(Gr)을, 제2 그린 픽셀은 (MN)개의 그린 서브 픽셀(Gb)을, 레드 픽셀은 (MN)개의 레드 서브 픽셀(R)을, 블루 픽셀은 (MN)개의 블루 서브 픽셀(B)을 각각 포함할 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 각 컬러 픽셀들(즉, 제1 및 제2 그린 픽셀, 레드 픽셀 및 그린 픽셀)은 동일한 수의 위상 검출 픽셀(P)을 포함할 수 있다. 위상 검출 픽셀(P)이 각 컬러 픽셀들에 균등하게 배치됨으로써, 각 위상 검출 픽셀(P)과 인접 픽셀 사이에는 크로스토크가 비교적 일정하게 유발될 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀의 우하단, 레드 픽셀의 좌하단, 블루 픽셀의 좌하단, 제2 그린 픽셀의 우하단에는 각각 하나의 위상 검출 픽셀(P)이 배치될 수 있고, 각 컬러 채널마다 동일한 수의 위상 검출 픽셀(P)이 포함될 수 있다.

고해상도의 이미지가 요구될 필요가 없거나, 촬상 환경의 조도가 낮아 충분한 광량을 확보하지 못하거나, 빠른 이미지 처리가 요구(예컨대, 프리뷰 영상 등)되는 등의 시나리오에서, 컬러 픽셀들에 포함된 복수의 서브 픽셀들의 센싱 신호 또는 센싱 데이터는 합산될 수 있다. 복수의 광 감지 소자들에서 생성된 아날로그 신호들이 합산되는 경우는 아날로그 합산으로 지칭될 수 있으며, 센싱 신호의 디지털 변환 결과들이 합산되는 경우는 디지털 합산으로 지칭될 수 있다. 아날로그 합산에 관하여는 도 11 및 도 12를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이고, 디지털 합산에 관하여는 도 13에서 보다 상세히 설명될 것이다.

예시적인 실시예에 따르면, 하나의 컬러 채널에서 생성된 신호 또는 데이터는 하나의 컬러 픽셀 정보로 합산될 수 있다. 예를 들어, 각각의 컬러 픽셀들은 M

N(=MN)개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있고, 그 중 하나는 디스패리티 산출을 위한 위상 검출 픽셀(P)일 수 있으며, 그 중 나머지는 이미지를 센싱하기 위한 센싱 픽셀일 수 있다. 예시적인 실시예에 따라 제1 그린 픽셀을 참조하면, (MN)개의 서브 픽셀들 중 위상 검출 픽셀의 개수(#P)를 제외한 나머지 서브 픽셀들의 수(M

N - #P)에 상응하는 센싱 픽셀이 합산될 수 있다. 합산된 센싱 픽셀의 신호 또는 데이터는 복수의 서브 픽셀들 각각의 신호 또는 데이터에 비해 보다 많은 정보(예컨대, 해상도(resolution), 명암(contrast), 감도(sensitivity) 등)를 포함할 수 있다. 레드 픽셀, 블루 픽셀 및 제2 그린 픽셀 역시 유사한 방식으로 합산됨으로써 개별적 서브 픽셀들에 포함된 정보보다 많은 정보를 생성할 수 있다.

도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 위상 검출 픽셀 쌍(PHDa, PHDb, PHDc)을 개략적으로 나타내는 수직 단면도이다. 도 5a 내지 도 5c 중 서로 중복되는 설명은 생략될 것이다.

도 5a를 참조하면, 위상 검출 픽셀 쌍(PHDa)은 마이크로 렌즈, 광 감지 소자 및 컬러 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 픽셀들(PX1, PX2) 각각은 광 감지 소자 중 일 구현예로서 포토다이오드(PD1, PD2), 컬러 필터(CF1, CF2)를 포함하고, 컬러 필터(CF1, CF2) 상부에는 마이크로 렌즈(ML1, ML2)가 구비될 수 있다. 예시적인 실시예에 따라 마이크로 렌즈(ML)의 수직 단면 형상은 원의 곡률을 가지는 호이거나, 타원의 일부일 수 있다.

도 5a에 예시된 실시예에 따르면, 하나의 포토다이오드(PD1 또는 PD2) 상에 하나의 컬러 필터(CF1 또는 CF2) 및 하나의 마이크로 렌즈(ML1 또는 ML2)가 각각 구비될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈(ML1)의 중심으로 입사한 빛은 컬러 필터(CF1)를 통과함으로써 특정 파장 대역의 빛(예를 들어, 그린 컬러에 상응하는 500~600nm(nano-meter))만 투과되고, 투과된 특정 파장 대역의 빛은 포토다이오드(PD1)에 결상(imagery)될 수 있다. 유사하게, 마이크로 렌즈(ML2)의 중심으로 입사한 빛은 컬러 필터(CF2)를 통과함으로써 특정 파장의 빛만 투과되고, 투과된 특정 파장의 빛은 포토다이오드(PD2)에 결상될 수 있다. 도 5a에 예시된 바와 같이, 하나의 마이크로 렌즈(ML1 또는 ML2)에 입사된 빛이 하나의 포토다이오드(PD1 또는 PD2)에 결상되는 경우는 싱글-포토다이오드(Single-PD)라고 지칭될 수 있다. 복수의 픽셀들(PX1 및 PX2)은 한 쌍으로서 위상 검출 픽셀 쌍(PHDa)을 구성할 수 있고, 이미지 센서(도 1, 100)는 위상 검출 픽셀 쌍(PHDa)을 이용해 포토다이오드들(PD1 및 PHD2) 간의 위상 차에 따른 디스패리티를 산출함으로써 객체와의 거리를 판단하고 초점 거리를 조절할 수 있다.

도 5b를 참조하면, 위상 검출 픽셀 쌍(PHDb)은 마이크로 렌즈, 광 감지 소자 및 컬러 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어 픽셀(PXx)은 두 개의 컬러 필터들(CFa 및 CFb) 및, 컬러 필터들 (CFa 및 CFb) 각각에 대응되는 포토다이오드(PDa 및 PDb)를 포함할 수 있으며, 유사하게 픽셀(PXy)은 두 개의 컬러 필터들 (CFc 및 CFd) 및, 컬러 필터들(CFc 및 CFd) 각각에 대응되는 포토다이오드들 (PDc 및 PDd)를 포함할 수 있다.

도 5b에 예시된 실시예에 따르면, 하나의 마이크로 렌즈(MLx) 하에 두 개의 컬러 필터들(CF1 및 CF2) 및 두 개의 포토다이오드들(PDa, PDb)이 각각 구비될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈(MLx)의 중심으로 입사한 빛 중 일부인 제1 광속(LFx)은 컬러 필터(CFa)를 통과하여 포토다이오드(PDa)에 결상될 수 있고, 마이크로 렌즈(MLx)의 중심으로 입사한 빛 중 나머지 일부인 제2 광속(LXy)은 컬러 필터(CFb)를 통과하여 포토다이오드(PDb)에 결상될 수 있다. 픽셀(PXy)에도 픽셀(PXx)과 유사한 현상이 발생할 수 있다. 도 5b에 예시된 바와 같이, 하나의 마이크로 렌즈(MLx 또는 MLy)에 입사된 빛이 두 개의 포토다이오드(PDa 및 PDb)(또는, PDc 및 PDd)에 결상되는 경우는 듀얼-포토다이오드(Dual-PD)라고 지칭될 수 있다.

도 5c를 참조하면, 위상 검출 픽셀 쌍(PHDc) 마이크로 렌즈, 광 감지 소자, 컬러 필터, 및 메탈 쉴드를 포함할 수 있다. 예를 들어 픽셀(PXz)은 하나의 컬러 필터(CFz), 하나의 메탈 쉴드(MSz) 및, 하나의 포토다이오드(PDz)를 포함할 수 있으며, 유사하게 픽셀(PXw)은 하나의 컬러 필터(CFw), 하나의 메탈 쉴드(MSw) 및, 하나의 포토다이오드(PDw)를 포함할 수 있다. 메탈 쉴드는 금속을 성분으로 포함하며 빛의 진행 또는 전파를 차단할 수 있다.

도 5c에 예시된 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈(MLz)의 중심으로 입사한 빛 중 일부인 제3 광속(LFz)은 컬러 필터(CFz)를 통과하여 포토다이오드(PDz)에 결상될 수 있으나, 마이크로 렌즈(MLz)의 중심으로 입사한 빛 중 나머지 일부는 메탈 쉴드(MSz)에 의해 빛의 경로가 차단될 수 있고 결과적으로 포토다이오드(PDz)에 결상되지 않을 수 있다. 유사하게, 마이크로 렌즈(MLw)의 중심으로 입사한 빛 중 일부인 제4 광속(LFw)은 컬러 필터(CFw)를 통과하여 포토다이오드(PDw)에 결상될 수 있으나, 마이크로 렌즈(MLw)의 중심으로 입사한 빛 중 나머지 일부는 메탈 쉴드(MSw)에 의해 포토다이오드(PDw)로의 결상이 차단될 수 있다. 본 개시에서는 설명의 편의를 위해 하나의 픽셀(예컨대, PXz)에 하나의 컬러 필터(예컨대 CFz) 및 하나의 메탈 쉴드(예컨대 MSz)가 포함된 것으로 예시되었으나 빛의 진행을 차단하는 메탈 쉴드의 특성 상 마이크로 렌즈(예컨대 MLz)의 폭 만큼 충분히 마련된 컬러 필터의 상부 또는 하부에 메탈 쉴드가 마련되어도 무방할 것이다. 도 5c에 예시된 바와 같이, 하나의 마이크로 렌즈(MLz 또는 MLw)에 입사된 빛 중 일부가 메탈 쉴드에 의해 차단되는 경우는 메탈쉴드-포토다이오드(Metalshield-PD)라고 지칭될 수 있다.

도 5c를 참조하면, 메탈 쉴드로 인해 빛의 일부가 차단되므로, 동일한 객체에 대해 제1 광속(도 5b, LFx)과 제3 광속(LFz)이 상대적으로 유사할 수 있고, 위상 검출 픽셀 쌍(PHDb 또는 PHDc)의 객체에 대한 디스패리티는 유사할 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 도 5b의 듀얼-포토다이오드의 평면도이고, 도 6d는 도 6a의 선 A-A'에 따른 수직 단면도를 나타낸다.

도 6a를 참조하면, 픽셀(PXx)은 마이크로 렌즈(MLx) 및 두 개의 서브 픽셀, 예컨대 제1 서브 픽셀(SPXa) 및 제2 서브 픽셀(SPXb)을 포함할 수 있다. 제1 서브 픽셀(SPXa) 및 제2 서브 픽셀(SPXb)은 컬럼 방향, 예컨대 Y 축 방향(제2 방향)으로 나란하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 픽셀(SPXa)은 픽셀(PXx) 내에서 왼쪽에 배치되고 제2 서브 픽셀(SPXb)은 픽셀(PXx) 내에서 오른쪽에 배치될 수 있다. 제1 서브 픽셀(SPXa) 및 제2 서브 픽셀(SPXb)은 제1 포토다이오드(PDa) 및 제2 포토다이오드(PDb)를 각각 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 제1 포토다이오드(PDa) 및 제2 포토다이오드(PDb)에서 센싱 신호가 생성될 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 픽셀(SPXa)에서는 제1 이미지 신호들이, 제2 서브 픽셀(SPXb)에서는 제2 이미지 신호들이 각각 출력되고, 제1 및 제2 이미지 신호들에 기초하여 위상차 연산에 따른 디스패리티가 산출됨으로써 초점의 좌우 방향이 조정될 수 있다.

도 6b를 참조하면, 픽셀(PXy)은 마이크로 렌즈(MLy) 및 두 개의 서브 픽셀, 예컨대 제3 서브 픽셀(SPXc) 및 제4 서브 픽셀(SPXd)을 포함할 수 있다. 제3 서브 픽셀(SPXc) 및 제4 서브 픽셀(SPXd)은 로우 방향, 예컨대 X 축 방향(제1 방향)으로 나란하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제3 서브 픽셀(SPXc)은 픽셀(PXy) 내에서 위쪽에 배치되고 제4 서브 픽셀(SPXd)은 픽셀(PXy) 내에서 아래쪽에 배치될 수 있다. 제3 서브 픽셀(SPXc) 및 제4 서브 픽셀(SPXd)은 제3 포토다이오드(PDc) 및 제4 포토다이오드(PDd)를 각각 포함할 수 있다. 제3 서브 픽셀(SPXc)에서는 제3 이미지 신호들이, 제4 서브 픽셀(SPXd)에서는 제4 이미지 신호들이 각각 출력되고, 제3 및 제4 이미지 신호들에 기초하여 위상차 연산에 따른 디스패리티가 산출됨으로써 초점의 상하 방향이 조정될 수 있다.

도 6c를 참조하면, 픽셀(PXxy)은 마이크로 렌즈(MLxy) 및 네 개의 서브 픽셀, 예컨대 제5 서브 픽셀(SPXac), 제6 서브 픽셀(SPXbc), 제7 서브 픽셀(SPXad), 및 제8 서브 픽셀(SPXbd)을 포함할 수 있다. 제5 서브 픽셀(SPXac)은 픽셀(PXxy) 내에서 좌상(left-top)에 배치되고 제6 서브 픽셀(SPXbc)은 픽셀(PXxy) 내에서 우상(right-top)에 배치되고, 제7 서브 픽셀(SPXad)은 픽셀(PXxy) 내에서 좌하(left-bottom)에 배치되고 제8 서브 픽셀(SPXbd)은 픽셀(PXxy) 내에서 우하(right-bottom)에 배치될 수 있다. 다시 말해서, 제5 서브 픽셀(SPXac) 및 제6 서브 픽셀(SPXbc), 그리고 제7 서브 픽셀(SPXad) 및 제8 서브 픽셀(SPXbd)은 로우 방향, 예컨대 X 축 방향(제1 방향)으로 나란하게 배치되고, 제5 서브 픽셀(SPXac) 및 제7 서브 픽셀(SPXad), 그리고 제6 서브 픽셀(SPXbc) 및 제8 서브 픽셀(SPXbd)은 컬럼 방향, 예컨대 Y 축 방향(제2 방향)으로 나란하게 배치될 수 있다.

제5 서브 픽셀(SPXac), 제6 서브 픽셀(SPXbc), 제7 서브 픽셀(SPXad), 및 제8 서브 픽셀(SPXbd)은 각각 하나의 광전 변환 소자, 예컨대 제5 포토다이오드(PDac), 제6 포토다이오드(PDbc), 제7 포토다이오드(PDad), 및 제8 포토다이오드(PDbd)를 포함할 수 있다. 도 6c를 도 6a 및 도 6b와 비교하면, 도 6c는 하나의 마이크로 렌즈(MLxy) 하에 4 개의 상하 및 좌우로 나란한 포토다이오드들(PDac, PDbc, PDad, PDbd)을 포함함으로써, 상하 및 좌우에 대한 디스패리티를 모두 산출할 수 있다. 하나의 마이크로 렌즈(MLxy) 하에 4 개의 상하 및 좌우로 나란한 포토다이오드들(PDac, PDbc, PDad, PDbd)을 포함하는 구조는 쿼드-셀(Quad-Cell)이라고 지칭될 수 있다.

도 6d를 참조하면, 픽셀(PXa)은 Z 축 방향(예컨대 제3 방향)으로 적층된 제1 층(L1) 및 제2 층(L2)을 포함할 수 있다. 제1 층(L1)은 광전 변환 층으로 지칭될 수 있으며, 기판(SUB) 상에 형성되는 컬러 필터(CF), 및 마이크로 렌즈(ML), 및 기판(SUB)에 형성되는 두 개의 광전 변환 소자, 예컨대 제1 포토다이오드(PDa) 및 제2 포토다이오드(PDb)를 포함할 수 있다. 제2 층(L2)은 배선층으로 지칭될 수 있으며, 제2 층(L2)에 복수의 배선들(WS)이 형성될 수 있다.

기판(SUB)은 실리콘 웨이퍼이거나 SOI(Silicon on insulator) 기판 또는 반도체 에피택시얼(epitaxial) 층일 수 있다. 기판(SUB)은 서로 대향하는 제1 면(Sf)과 제2 면(Sb)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 면(Sf)은 기판(SUB)의 전면이고, 제2 면(Sb)은 기판(SUB)의 후면일 수 있다. 제2 면(Sb)으로는 빛이 입사될 수 있다.

기판(SUB)에는 기판(SUB)의 제2 면(Sb)으로부터 제1 면(Sf)을 향해 연장되는 복수의 화소 분리막(SEP1, SEP2)(예컨대, 깊은 트렌치 고립(DTI: Deep Trench Isolation) 또는 P-형 이온 주입 영역)이 형성되며 복수의 화소 분리막(SEP1, SEP2) 중 상대적으로 긴 복수의 제1 화소 분리막(SEP1)에 의하여 픽셀(PXa)이 형성되는 픽셀 영역(APX)이 구분되고, 상대적으로 짧은 제1 화소 분리막(SEP1)에 의하여 픽셀 영역(APX)이 제1 서브 픽셀(SPX1) 및 제2 서브 픽셀(SPX2)이 형성되는 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)으로 구분된다. 예시적인 실시 예에서, 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2) 각각은 제1 도전형(예를 들어, P형)의 불순물로 도핑될 수 있다. 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2) 각각에 제1 포토다이오드(PDa) 및 제2 포토다이오드(PDb)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형(예를 들어, N형)의 불순물로 도핑된 웰 영역들이 제1 포토다이오드(PDa) 및 제2 포토다이오드(PDb)로서 형성될 수 있다.

도시된 바와 같이, 제1 포토다이오드(PDa) 및 제2 포토다이오드(PDb)는 마이크로 렌즈(MLx)의 광축(MLX)을 중심으로 제1 방향(예컨대 X 방향) 또는 제2 방향(예컨대 Y 방향)으로 나란하게 배치될 수 있다.

제1 포토다이오드(PDa) 및 제2 포토다이오드(PDb) 사이에 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 형성될 수 있다. 실시예에 있어서, 제1 포토다이오드(PDa) 및 제2 포토다이오드(PDb)와 제1 면(Sf) 사이에 트랜지스터들이 형성될 수 있고, 배선층(L2)의 복수의 배선(WS)을 통해 트랜지스터들에 신호들이 송수신될 수 있다. 이에 관하여는 도 11, 도 12a 및 도 12b를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.

도 7a는 컬러 픽셀마다 균일하게 배치되지 않은 위상 검출 픽셀을 설명하는 도면이고, 도 7b, 및 도 7c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 컬러 픽셀마다 균일하게 배치된 위상 검출 픽셀을 설명하는 도면이다.

도 7a를 참조하면, 픽셀 그룹(PG)은 4개의 컬러 채널(예컨대, 제1 그린 픽셀, 제2 그린 픽셀, 레드 픽셀, 및 블루 픽셀)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 픽셀 그룹(PG) 중 제1 그린 픽셀(Gr)에, 상하 디스패리티를 산출할 수 있는 위상 검출 픽셀 쌍이 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)을 구성하는 9개의 그린 서브 픽셀들 중, 제6 그린 서브 픽셀(Gr6) 및 제9 그린 서브 픽셀(Gr9)이 배치될 위치에 위상 검출 픽셀(P)이 각각 배치될 수 있다.

위상 검출 픽셀(P)에는 바로 인접한 다른 서브 픽셀들로부터 크로스토크가 유발될 수 있다. 예를 들어, 위상 검출 픽셀 쌍 중 제6 그린 서브 픽셀(Gr6)의 위치에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 다른 서브 픽셀들(Gr2, Gr5, R4)과 바로 인접하고, 위상 검출 픽셀 쌍 중 제9 그린 서브 픽셀(Gr9)의 위치에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 다른 서브 픽셀들(G8, B3, R7)과 바로 인접한다. 따라서, 위상 검출 픽셀(P)에 바로 인접한 서브 픽셀에 축적되는 광자, 또는 광자로부터 생성되는 센싱 신호로부터 의도하지 않은 신호가 위상 검출 픽셀(P)로 입력될 수 있고, 이는 위상 검출 기능에 노이즈로 작용할 수 있다.

픽셀 그룹(PG)에는 4개의 컬러 채널이 존재하지만, 위상 검출 픽셀은 제1 그린 픽셀(Gr)에만 배치되는 경우, 각 컬러 채널 별 크로스토크 유발량이 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 7a를 참조하면, 제1 그린 픽셀(Gr)에는 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀이 3개(Gr3, Gr5 및 Gr8)이고, 레드 픽셀(R)에는 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀이 2개(R4, R7)이며, 블루 픽셀(B)에는 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀이 1개(B3)이고, 제2 그린 픽셀(Gb)에는 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀의 영향력이 매우 적거나 실질적으로 없을 수 있다. 도 7a에서는 설명의 편의를 위해 상하 위상 검출 픽셀 쌍이 예시되었으나, 픽셀 그룹(PG)의 대칭성(symmetric)을 고려하면 좌우 위상 검출 픽셀 쌍도 동일한 현상을 유발할 것임은 이해될 것이다.

도 7b를 참조하면, 픽셀 그룹(PG)에는 위상 검출 픽셀(P)이 컬러 채널마다 균일하게 배치될 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 그린 픽셀(Gr), 레드 픽셀(R), 블루 픽셀(B) 및 제2 그린 픽셀(Gb)은 각각 한 개의 위상 검출 픽셀(P)을 포함할 수 있다. 위상 검출 픽셀(P)은 컬러 채널마다 특정한 위치에 동일한 개수로 배치될 수 있고, 인접 픽셀로부터의 크로스토크 발생량을 일정할 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 어느 하나의 컬러 채널에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은, 바로 인접한 다른 컬러 채널에 포함된 위상 검출 픽셀(P)의 위치를 고려하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은, 바로 오른쪽에 인접한 레드 픽셀(R)의 위상 검출 픽셀(P) 위치(좌하단)를 고려하여 제1 그린 픽셀(Gr)의 우하단에 배치될 수 있다. 도 7b에 도시되지는 않았으나, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은, 바로 아래에 인접한 블루 픽셀(B)의 위상 검출 픽셀(P)의 위치를 고려하여 제1 그린 픽셀(Gr)의 하단에 배치될 수도 있으며, 이는 도 8a에서 보다 상세히 설명될 것이다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 각 컬러 채널마다 배치된 위상 검출 픽셀(P)의 상하 또는 좌우 조합에 따라 위상 검출 픽셀 쌍이 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)의 우하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P) 및 레드 픽셀의 좌하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)의 조합으로서 좌우 초점을 조정하는 위상 검출 픽셀 쌍이 구성될 수 있다. 도 7b에 도시되지는 않았으나, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은, 바로 인접한 블루 픽셀(B)의 위상 검출 픽셀(P)과 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성함으로써 상하 초점을 조정시킬 수 있으며, 이는 도 8a에서 보다 상세히 설명될 것이다.

본 개시에서는 설명의 편의를 위해 상하 또는 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성하는 두 개의 위상 검출 픽셀(P)이 서로 인접한 것으로 도시되었으나, 본 개시의 기술적 사상은 이에 국한되지 않으며, 상하 또는 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성하는 두 개의 위상 검출 픽셀(P)은 하나 이상의 서브 픽셀들을 두고 이격될 수도 있음이 이해될 수 있을 것이다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 위상 검출 픽셀(P)이 컬러 픽셀마다 일정한 개수로 미리 결정된 특정한 위치에 배치됨에 따라, 컬러 채널마다의 크로스토크 유발량은 위상 검출 픽셀(P)이 컬러 픽셀마다 비균일하게 배치되는 경우에 비해 일정해질 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)의 우하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)에 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀은 3개(Gr6, Gr8 및 B3)이고, 레드 픽셀(R)의 좌하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)에 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀은 3개(R4, R8 및 Gb1) 이다. 도 7b에서는 단일한 픽셀 그룹(PG) 내에서 블루 픽셀(B)의 좌하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)에 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀은 2개(B4, B8)인 것으로 도시되었으나, 도 7c를 함께 참조하면, 블루 픽셀(B)의 하측에 바로 인접하고 다른 픽셀 그룹의 제1 그린 픽셀(Gr)의 좌상단에 위치한 서브 픽셀(Gr1)이 블루 픽셀의 위상 검출 픽셀(P)에 크로스토크를 유발할 수 있다. 유사하게, 단일한 픽셀 그룹(PG) 내에서 제2 그린 픽셀(Gb)의 우하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)에 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀은 2개(Gb6, Gb8)인 것으로 도시되었으나, 도 7c를 참조하면 다른 픽셀 그룹의 레드 픽셀(R)의 우상단에 위치한 서브 픽셀(R3)이 제2 그린 픽셀(Gb)의 위상 검출 픽셀(P)에 크로스토크를 유발할 수 있다.

도 7c를 도 7b와 함께 참조하면, 블루 픽셀의 좌하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 다른 픽셀 그룹에 포함된 제2 그린 픽셀(Gb)의 우하단에 위치한 위상 검출 픽셀(P)과 쌍을 이룸으로써 좌우 초점을 조정하는 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있고, 제2 그린 픽셀(Gb)의 우하단에 위치한 위상 검출 픽셀(P)은 다른 픽셀 그룹에 포함된 블루 픽셀의 좌하단에 배치된 위상 검출 픽셀(P)과 쌍을 이룸으로써 좌우 초점을 조정하는 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다.

각 컬러 채널마다 미리 정해진 특정한 위치에 배치된 위상 검출 픽셀(P)은 다른 픽셀 그룹(PG)에서도 동일한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)의 우하단에 위치한 위상 검출 픽셀(P)은 다른 픽셀 그룹(PG)에 대해서도 동일하게 제1 그린 픽셀(Gr)의 우하단에 배치될 수 있고, 레드 픽셀(R)의 좌하단에 위치한 위상 검출 픽셀(P)은 다른 픽셀 그룹(PG)에 대해서도 동일하게 레드 픽셀(R)의 좌하단에 배치될 수 있다.

다시 도 7b를 참조하면, 제1 그린 픽셀(Gr)에는 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀이 3개(Gr6, Gr8 및 Gr1)일 수 있고, 레드 픽셀(R)에는 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀이 3개(R4, R8 및 R3)이며, 블루 픽셀(B)에는 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀이 3개(B4, B8 및 B3)이고, 제2 그린 픽셀(Gb)에는 크로스토크를 유발하는 서브 픽셀이 3개(Gb6, Gb8 및 Gb1)일 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 위상 검출 픽셀(P)은 컬러 채널마다 일정한 개수로 특정한 위치에 배치됨에 따라, 크로스토크 유발량은 컬러 채널마다 실질적으로 동일해질 수 있으며, 일정한 크로스토크는 별도의 보정 없이도 쉽게 제거될 수 있다. 따라서, 보정을 위한 별도의 하드웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현되는 디지털 로직을 필요로 하지 않을 수 있다. 또한, 본 개시의 기술적 사상에 따르면, 위상 검출 픽셀(P)이 컬러 채널 마다 특정 위치에 균일하게 배치?렝막館? 컬러 채널에 포함되는 위상 검출 픽셀(P)의 수는 최소화될 수 있고, 센싱 신호의 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio; SNR)를 향상시킬 수 있다.

도 8a 내지 도 8f는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 균일하게 배치될 수 있는 위상 검출 픽셀(P)의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다. 도 8a 내지 도 8f에서는 컬러 픽셀이 3

3 행렬로 배열된 서브 픽셀들을 포함하는 노나-셀에 대해 설명될 것이다. 또한, 도 8a 내지 도 8f 중 중복되는 설명은 서로 배치되지 않는 범위에서 생략될 것이다.

도 8a를 참조하면, 픽셀 그룹에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 컬러 채널마다 한 개씩 배치될 수 있으며, 서로 상하로 인접한 컬러 채널에 포함된 위상 검출 픽셀(P)들은 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은, 제1 그린 픽셀(Gr)의 바로 아래에 인접한 블루 픽셀(B)의 위상 검출 픽셀(P)과 상하 위상 검출 픽셀 쌍(예컨대, 도 2의 PHD)을 구성할 수 있다. 유사하게, 레드 픽셀(R)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 레드 픽셀(R)의 상측에 바로 인접한 다른 픽셀 그룹 중 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 상하 위상 검출 픽셀 쌍은 객체에 대한 상하 디스패리티를 제공할 수 있고, 이미지 센서(도 1, 100)는 디스패리티를 산출한 결과에 기초하여 객체에 대한 상하 초점을 조절할 수 있다.

도 8b를 참조하면, 위상 검출 픽셀(P)은 컬러 채널의 모서리(side)(예를 들어, 도 7a, 도 7b, 및 도 8a)가 아닌 중간의 변(side) 위치에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은, 제1 그린 픽셀(Gr)의 바로 우측에 인접한 레드 픽셀(R)의 위상 검출 픽셀(P)과 좌우 위상 검출 픽셀 쌍(예컨대, 도 2의 PHD)을 구성할 수 있다. 유사하게, 블루 픽셀(B)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 블루 픽셀(B)의 좌측에 바로 인접한 다른 픽셀 그룹 중 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있고, 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 제2 그린 픽셀(Gb)의 우측에 바로 인접한 다른 픽셀 그룹 중 블루 픽셀(B)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 이로써 객체에 대한 좌우 초점은 조절될 수 있다.

도 8c를 도 5c와 함께 참조하면, 위상 검출 픽셀(P)은 메탈 쉴드(도 5c, MSz 또는 MSw)를 포함할 수 있다. 메탈 쉴드(MSz 또는 MSw)는 금속 성분을 포함하는 소자로서 빛의 진행 또는 전파를 차단할 수 있음은 전술한 바와 같다. 메탈 쉴드(MSz 또는 MSw)는 마이크로 렌즈(도 5c, MLz 또는 MLw)의 중심으로 입사한 빛 중 일부의 경로를 차단함으로써 차단된 위치의 포토다이오드(도 5c, PDz 또는 PDw)에의 결상을 억제할 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P) 및 블루 픽셀(B)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있고, 레드 픽셀(R)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 다른 픽셀 그룹 중 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있으며, 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 다른 픽셀 그룹 중 레드 픽셀(R)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성하는 두 개의 위상 검출 픽셀(P) 중, 상측(top)에 위치한 위상 검출 픽셀(P)은 위쪽에 컬러 필터(예컨대, 도 5c의 CFz)를, 아래쪽에 메탈 쉴드(예컨대, 도 5c의 MSz)를 각각 포함할 수 있으며, 하측(bottom)에 위치한 위상 검출 픽셀(P)은 아래쪽에 컬러 필터(예컨대, 도 5c의 CFw)를, 위쪽에 메탈 쉴드(예컨대, 도 5c의 MSw)를 각각 포함할 수 있고, 이로써 상하 디스패리티가 검출될 수 있다.

도 8d를 참조하면, 메탈 쉴드(도 5c, MSz 또는 MSw)를 포함하는 위상 검출 픽셀(P)은 좌우 한 쌍으로서 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 도 8d에 도시된 메탈쉴드-포토다이오드 타입의 위상 검출 픽셀(P)은 도 8b에서 설명된 위상 검출 픽셀(P)의 배열과 유사하되, 도 8c에서 설명된 메탈 쉴드(MSz, 또는 MSw)가 적용된 실시예이므로 중복되는 설명은 생략될 것이다. 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성하는 두 개의 위상 검출 픽셀(P) 중, 좌측(left)에 위치한 위상 검출 픽셀(P)은 왼쪽에 컬러 필터(예컨대, 도 5c의 CFz)를, 오른쪽에 메탈 쉴드(예컨대, 도 5c의 MSz)를 각각 포함할 수 있으며, 우측(right)에 위치한 위상 검출 픽셀(P)은 오른쪽에 컬러 필터(예컨대, 도 5c의 CFw)를, 왼쪽에 메탈 쉴드(예컨대, 도 5c의 MSw)를 각각 포함할 수 있고, 이로써 좌우 디스패리티가 검출될 수 있다.

도 8e를 참조하면, 각 컬러 채널에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 모두 서로 인접할 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)은 위상 검출 픽셀(P)을 우하단에, 레드 픽셀(R)은 위상 검출 픽셀(P)을 좌하단에, 블루 픽셀(B)은 위상 검출 픽셀(P)을 우상단에, 제2 그린 픽셀(Gb)은 위상 검출 픽셀(P)을 좌상단에 각각 포함할 수 있고, 결과적으로 하나의 픽셀 그룹에 포함된 위상 검출 픽셀(P)들은 모두 서로 인접할 수 있다. 서로 인접한 4개의 위상 검출 픽셀(P)들은 좌우 방면의 디스패리티 및 상하 방면의 디스패리티를 모두 산출할 수 있고, 이미지 센서(도 1, 100)는 객체에 대한 좌우 초점 및 상하 초점을 모두 조절할 수 있다.

도 8f를 참조하면, 픽셀 그룹에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 컬러 채널마다 하나 이상씩 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr), 레드 픽셀(R), 블루 픽셀(B) 및 제2 그린 픽셀(Gb) 각각은 2개의 위상 검출 픽셀(P)을 포함할 수 있다. 도 8f에 도시된 위상 검출 픽셀(P)의 배치는 도 8e에 도시된 위상 검출 픽셀(P)의 배치에 비해 좌우 방향으로 각각 2개의 위상 검출 픽셀(P)이 더 포함된 패턴이나, 본 개시의 기술적 사상은 이에 제한되지 않는다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 어느 하나의 컬러 필터에 포함된 위상 검출 픽셀(P)의 위치는, 다른 컬러 필터에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 대칭적일 수 있다. 예를 들어, 도 8a를 참조하면, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 레드 픽셀(R)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과, 컬러 필터를 가로지르는 가로선을 기준으로 대칭일 수 있고, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 블루 픽셀에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과, 픽셀 그룹을 가로지는 가로선을 기준으로 대칭일 수 있으며(이른바, X축 대칭), 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 동일한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 8e를 참조하면, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은, 픽셀 그룹을 가로지르는 가로선 및 세로선을 기준으로, 레드 픽셀(R)에 포함된 위상 검출 픽셀(P), 블루 픽셀에 포함된 위상 검출 픽셀(P), 및 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P) 모두와 대칭일 수 있다(이른바, 원점 대칭). 또한, 본 개시의 기술적 사상은 도 8a 내지 도 8f를 걸쳐 도시된 실시예 외에도, 컬러 채널별 크로스토크 유발량을 일정하게 만드는 다양한 기하학적 대칭 구조를 이용해 실시될 수 있다.

도 8a 내지 도 8d에 도시된 상하 또는 좌우 위상 검출 픽셀 쌍은 1

2 또는 2

1 배열(array) 마이크로 렌즈로 지칭될 수 있으며, 도 8e은 2

2 행렬(matrix) 마이크로 렌즈, 도 8f는 2

4 행렬 마이크로 렌즈로 지칭될 수 있다.

도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따라 균일하게 배치될 수 있는 위상 검출 픽셀(P)의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다. 도 9a 내지 도 9f에서는 컬러 픽셀이 4

4 행렬로 배열된 서브 픽셀들을 포함하는 헥사데카-셀에 대해 설명될 것이다. 또한, 도 9a 내지 도 9f 중 중복되는 설명은 서로 배치되지 않는 범위에서 생략될 것이다.

도 9a를 참조하면, 픽셀 그룹에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 컬러 채널마다 한 개씩 배치될 수 있으며, 서로 좌우로 인접한 컬러 채널에 포함된 위상 검출 픽셀(P)들은 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 레드 픽셀(R)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있고, 블루 픽셀(B)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 블루 픽셀(B)의 좌측에 바로 인접한 다른 픽셀 그룹 중 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있으며, 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)의 우측에 바로 인접한 다른 픽셀 그룹 중 블루 픽셀(B)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다.

도 9b를 참조하면, 서로 상하로 인접한 컬러 채널에 포함된 위상 검출 픽셀(P)들은 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은, 제1 그린 픽셀(Gr)의 바로 아래에 인접한 블루 픽셀(B)의 위상 검출 픽셀(P)과 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 유사하게, 레드 픽셀(R)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 레드 픽셀(R)의 상측에 바로 인접한 다른 픽셀 그룹 중 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있으며, 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 제2 그린 픽셀(Gb)의 하측에 바로 인접한 다른 픽셀 그룹 중 레드 픽셀(R)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다.

도 9c를 도 5c 및 도 8d와 함께 참조하면, 위상 검출 픽셀(P)은 메탈 쉴드(도 5c, MSz 또는 MSw)를 포함할 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 위상 검출 픽셀(P) 및 레드 픽셀(R)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있고, 블루 픽셀(B)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 블루 픽셀(B)의 좌측에 바로 인접한 픽셀 그룹 중 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있으며, 제2 그린 픽셀(Gb)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)은 제2 그린 픽셀(Gb)의 우측에 바로 인접한 다른 픽셀 그룹 중 블루 픽셀(B)에 포함된 위상 검출 픽셀(P)과 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다.

도 9d를 참조하면, 위상 검출 픽셀(P)은 각 컬러 채널마다 적어도 두 개 이상 배치될 수 있다 본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 위상 검출 픽셀(P)은 컬러 채널의 모서리(side)(예를 들어, 도 7a, 도 7b, 및 도 9a), 변(side)(예를 들어, 도 8b)이 아닌 컬러 채널의 중간에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 2개의 위상 검출 픽셀(P)은, 제1 그린 픽셀(Gr)의 테두리(또는 모서리)가 아닌 안 쪽에 위치할 수 있고, 2개의 위상 검출 픽셀(P)은 상하로 배치됨으로써 상하 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 픽셀 그룹의 각 컬러 채널은 어느 하나의 컬러 채널에 배치된 위상 검출 픽셀 쌍과 동일한 배치 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 레드 픽셀(R), 블루 픽셀(B) 및 제2 그린 픽셀(Gb)은 2개의 위상 검출 픽셀(P)을 포함할 수 있으며, 제1 그린 픽셀(Gr)에 배치된 2개의 위상 검출 픽셀(P)과 동일한 배치 패턴을 가질 수 있다. 컬러 채널마다 위상 검출 픽셀(P)이 균일하게 배치됨으로써 인접 픽셀로부터 유발되는 크로스토크의 양은 컬러 채널마다 일정할 수 있고, 컬러 채널마다 일정한 크로스토크는 쉽게 제거될 수 있다.

도 9e를 참조하면, 각 컬러 채널에는 두개 이상의 위상 검출 픽셀(P)을 포함할 수 있으며, 서로 다른 2개의 컬러 채널의 위상 검출 픽셀(P)이 서로 인접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)은 위상 검출 픽셀(P)을 우하단에 상하 방향으로 연속해서 두 개를 포함할 수 있고, 레드 픽셀(R)은 위상 검출 픽셀(P)을 좌하단에 상하 방향으로 연속해서 두 개를 포함할 수 있다. 제1 그린 픽셀(Gr) 및 레드 픽셀(R)에 포함된 서로 인접한 4개의 위상 검출 픽셀(P)은 상하 및 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 유사하게, 블루 픽셀(B)은 위상 검출 픽셀(P)을 좌하단에 상하 방향으로 연속해서 두 개를 포함할 수 있고, 제2 그린 픽셀(Gb)은 위상 검출 픽셀(P)을 우하단에 상하 방향으로 연속해서 두 개를 포함할 수 있고, 이로서 서로 인접한 4개의 위상 검출 픽셀(P)은 상하 및 좌우 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다.

도 9f를 참조하면, 각 컬러 채널에는 두개 이상의 위상 검출 픽셀(P)을 포함할 수 있으며, 서로 다른 4개의 컬러 채널의 위상 검출 픽셀(P)이 모두 서로 인접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)은 위상 검출 픽셀(P)을 좌상단 및 우하단에, 레드 픽셀(R)은 위상 검출 픽셀(P)을 좌하단 및 우상단에, 블루 픽셀(B)은 위상 검출 픽셀(P)을 우상단 및 좌하단에, 제2 그린 픽셀(Gb)은 위상 검출 픽셀(P)을 좌상단 및 우하단에 각각 포함할 수 있고, 결과적으로 하나의 픽셀 그룹에 포함된 위상 검출 픽셀(P)들은 모두 서로 인접할 수 있다.

도 10은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 모드마다 상이한 데이터 출력을 도시하는 도면이다. 도 10에서는 2

2 행렬로 배열된 4개의 서브 픽셀들의 집합인 테트라-셀을 예시하여 본 개시의 기술적 사상을 설명하나, 전술한 바와 같이, 노나-셀, 헥사데카-셀, 또는 M

N 행렬로 배열된 서브 픽셀들로 확장적으로 적용될 수 있다.

도 10을 참조하면, 픽셀 어레이(110a, 또는 110b)는 모드에 따라 서로 상이하게 데이터를 출력할 수 있다. 이미지 센서(도 1, 100)는 객체를 촬상하는 모드로서 제1 모드(MD1), 또는 제2 모드(MD2)를 포함할 수 있고, 그외에 촬상 환경, 촬상 설정, 또는 촬상 시나리오에 따른 다양한 모드를 더 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 모드 신호(MD)는 제어 로직(도 1, 130)에 제공될 수 있고, 제어 로직(130)은 이미지 센서(100)가 제1 모드(MD1) 또는 제2 모드(MD2)로 객체를 센싱하도록 제어할 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 모드(MD1)는 고해상도의 이미지가 요구되거나, 촬상 환경의 조도가 높아 충분한 광량을 확보할 수 있거나, 정확한 이미지 처리가 요구(예컨대, 캡처 영상 등)되는 등의 시나리오에 상응하는 촬상 모드이고, 제2 모드(MD2)는 고해상도의 이미지가 요구될 필요가 없거나, 촬상 환경의 조도가 낮아 충분한 광량을 확보하지 못하거나, 빠른 이미지 처리가 요구(예컨대, 프리뷰 영상 등)되는 등의 시나리오에 상응하는 촬상 모드이다.

예시적인 실시예에 따르면, 픽셀 어레이(110a)는 제1 모드(MD1)에 따라 컬러 픽셀에 포함된 복수의 서브 픽셀들 각각에 대한 센싱 신호 또는 센싱 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(110a)는 제1 및 제2 그린 픽셀들(Gr, Gb), 레드 픽셀(R), 및 블루 픽셀(B)을 포함할 수 있으며, 각 컬러 픽셀들은 각각 4개의 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 각 컬러 채널에 포함된 복수의 서브 픽셀들은 각각이 객체를 센싱한 결과로서 센싱 신호 또는 센싱 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 4개의 서브 픽셀들(Gr1, Gr2, Gr3, Gr4) 각각은 해당 서브 픽셀의 데이터 표현 깊이(예컨대, 해상도, 또는 데이터 뎁스)를 최대 폭(bandwidth)으로 가지는 센싱 신호 또는 센싱 데이터를 생성하고, 리드아웃 회로(도 1, 150)로 출력할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 픽셀 어레이(110b)는 제2 모드(MD2)에 따라 컬러 픽셀에 포함된 복수의 서브 픽셀들 각각에 대한 센싱 신호 또는 센싱 데이터를 합산해 출력할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(110b)는 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 4개의 서브 픽셀들(Gr1, Gr2, Gr3, Gr4) 각각에서 생성된 센싱 신호 또는 센싱 데이터를 합산한 후 리드아웃 회로(도 1, 150)로 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 그린 픽셀(Gr)의 센싱 신호 또는 센싱 데이터의 합산 값(Gr')은 제1 그린 픽셀(Gr)에 포함된 4개의 서브 픽셀들(Gr1, Gr2, Gr3, Gr4) 각각의 센싱 신호 또는 센싱 데이터의 합(Gr1'+Gr2'+Gr3'+Gr4')에 상응할 수 있다(Gr = Gr1+Gr2+Gr3+Gr4). 유사하게, 제2 그린 픽셀(Gb)의 센싱 신호 또는 센싱 데이터의 합산 값(Gb')은 제1 그린 픽셀(Gb)에 포함된 4개의 서브 픽셀들(Gb1, Gb2, Gb3, Gb4) 각각의 센싱 신호 또는 센싱 데이터의 합(Gb1'+Gb2'+Gb3'+Gb4')에 상응할 수 있으며, 레드 픽셀(R)의 센싱 신호 또는 센싱 데이터의 합산 값(R')은 제1 레드 픽셀(R)에 포함된 4개의 서브 픽셀들(R1, R2, R3, R4) 각각의 센싱 신호 또는 센싱 데이터의 합(R1'+R2'+R3'+R4')에 상응할 수 있고, 블루 픽셀(B)의 센싱 신호 또는 센싱 데이터의 합산 값(B')은 제1 블루 픽셀(B)에 포함된 4개의 서브 픽셀들(B1, B2, B3, B4) 각각의 센싱 신호 또는 센싱 데이터의 합(B1'+B2'+B3'+B4')에 상응할 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에 따르면, 픽셀 어레이(110a, 또는 110b)에 위상 검출 픽셀(도 4, P)이 포함되는 경우에는, 컬러 채널에 존재하는 서브 픽셀들 중 위상 검출 픽셀(P)을 제외한 나머지의 센싱 픽셀들만이 합산될 수 있다. 합산된 센싱 픽셀의 신호 또는 데이터는 복수의 서브 픽셀들 각각의 신호 또는 데이터에 비해 보다 많은 정보(예컨대, 해상도(resolution), 명암(contrast), 감도(sensitivity) 등)를 포함할 수 있다. 즉, 제2 모드(MD2)에 따르면 광량이 충분히 확보되지 못한 경우에도 개별 서브 픽셀들 각각의 센싱 결과에 비해 밝기가 증가되고 노이즈가 감소됨에 따라 촬상된 영상의 화질이 향상될 수 있다.

도 11은 픽셀(PX)의 등가 회로도이다.

도 11을 참조하면, 픽셀(PX)은 광전 변환 소자 및 복수의 트랜지스터들, 예컨대 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다.

광전 변환 소자는 예컨대 포토다이오드(PD)일 수 있다. 광전 변환 소자는 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중에서 적어도 하나일 수 있다. 포토다이오드(PD)는 P-N 접합 다이오드로서, 입사된 광량에 비례하여 전하, 즉, 음의 전하인 전자와 양의 전하인 정공을 생성할 수 있으며, 입사되는 광의 세기에 따라 가변되는 광전하를 생성한다. 전송 트랜지스터(TX)는 로우 디코더(도 1의 120)로부터 제공되는 전송 제어 신호(TG)에 따라 광전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송할 수 있다.

플로팅 디퓨전 노드(FD)(또는 플로팅 디퓨전 영역)는 광전하를 저장하기 위한 커패시터(CH)로 모델링될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 축전된 광전하에 의한 전위에 따라 구동 트랜지스터(DX)는 선택 트랜지스터(SX)를 광전하를 증폭하여 전송할 수 있다.

구동 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워로서 동작할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전하량, 다시 말해서, 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전위에 따른 신호를 게이트 단자로 수신하고, 수신된 신호를 버퍼링하여 출력할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 게이트 단자에 인가되는 선택 신호(SEL)에 응답하여 턴-온 될 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)의 드레인 노드가 구동 트랜지스터(DX)의 소스 노드에 연결되고, 로우 디코더(120)로부터 출력되는 선택 신호(SEL)에 응답하여 선택 트랜지스터(SX)가 턴-온되면, 픽셀(PX)에 연결된 컬럼 라인(CL)으로 플로팅 디퓨젼 노드(FD)의 전압 레벨에 상응하는 레벨의 픽셀 신호(VOUT)가 출력될 수 있다.

리셋 트랜지스터(RX)는 로우 디코더(120)로부터 제공되는 리셋 신호(RS)에 따라 플로팅 디퓨젼 노드(FD)를 전원 전압(VDD)을 기초로 리셋할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 디퓨젼 노드(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극은 플로팅 디퓨젼 노드(FD)와 연결되며 드레인 전극은 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)가 게이트 단자에 인가되는 리셋 제어 신호(RS)에 응답하여 턴-온되면, 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극과 연결된 전원 전압(VPIX)이 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전달된다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온될 때 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 축적된 전하들이 배출되어 플로팅 디퓨전 노드(FD)가 리셋될 수 있다.

도 12a 및 도 12b는 센싱 신호의 합산을 수행하는 픽셀(PX)의 회로도이다. 도 11과 배치되지 않는 범위에서 중복되는 설명은 생략된다. 도 12a는 2개의 서브 픽셀(예컨대, 도 6a의 SPXa 및 SPXb)이 합산되는 픽셀(PXx)경우를 도시하며, 도 12b는 4개의 서브 픽셀(예컨대, SPXac, SPXbc, SPXad, SPXbd)이 합산되는 픽셀(PXxy)의 경우를 도시한다.

도 12a를 참조하면, 픽셀(PXa)은 제1 포토다이오드(PD1a), 제2 포토다이오드(PD2a), 제1 전송 트랜지스터(TXa), 제2 전송 트랜지스터(TX2a), 리셋 트랜지스터(RXa), 구동 트랜지스터(DXa), 선택 트랜지스터(SXa)를 포함할 수 있다.

플로팅 디퓨전 노드(FDa)는 제1 포토다이오드(PD1a) 및 제2 포토다이오드(PD2a), 제1 전송 트랜지스터(TX1a), 및 제2 전송 트랜지스터(TX2a)에 의해 공유될 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1a) 및 제1 전송 트랜지스터(TX1a)는 제1 서브 픽셀(도 6a, SPXa)로 지칭되고, 제2 포토다이오드(PD2a) 및 제2 전송 트랜지스터(TX2a)가 제2 서브 픽셀(도 6a, SPXb)로 지칭될 수 있다.

제1 포토다이오드(PD1a) 및 제2 포토다이오드(PD2a) 각각은 광의 세기에 따라 가변되는 광전하를 생성할 수 있다. 제1 전송 트랜지스터(TX1a)가 게이트 단자에 인가되는 제1 전송 제어 신호(TG1a)에 응답하여 턴-온(turn-on)되면, 제1 포토다이오드(PD1a)에서 생성된 전하(예컨대 광 전하)가 플로팅 디퓨젼 노드(FDa)에 전송 및 저장될 수 있다. 제2 전송 트랜지스터(TX2a)가 게이트 단자에 인가되는 제2 전송 제어 신호(TG2a)에 응답하여 턴-온되면, 제1 포토다이오드(PD1a)에서 생성된 전하는 플로팅 디퓨젼 노드(FDa)로 전송 및 저장될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FDa)에 저장된 전하는 출력 전압(VOUTa)로 출력될 수 있다.

제1 전송 제어 신호(TG1a) 및 제2 전송 제어 신호(TG2a)는 별개의 신호들이며, 따라서 제1 전송 트랜지스터(TX1a), 및 제2 전송 트랜지스터(TX2a)의 턴-온 시점들은 제1 전송 제어 신호(TG1a) 및 제2 전송 제어 신호(TG2a) 각각에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 제1 모드(MD1)인 경우에는 제1 전송 제어 신호(TG1a) 및 제2 전송 신호(TG2a)는 서로 다른 시간대에 인가될 수 있고, 제1 전송 트랜지스터(TX1a) 및 제2 전송 트랜지스터(TX2a)는 각기 상이한 시간대에 턴-온됨으로써 플로팅 디퓨전 노드(FDa)에 각각의 광전하를 저장할 수 있다. 제1 전송 제어 신호(TG1a) 또는 제2 전송 신호(TG2a) 중 어느 하나의 신호가 인가된 후에는, 플로팅 디퓨전 노드(FDa)의 리셋을 위한 리셋 신호(RSa)가 인가될 수 있고, 그 후 제1 전송 제어 신호(TG1a) 또는 제2 전송 신호(TG2a) 중 다른 신호가 인가될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 제2 모드(MD2)인 경우에는 제1 전송 제어 신호(TG1a) 및 제2 전송 신호(TG2a)는 실질적으로 동일한 시간대에 인가될 수 있고, 제1 전송 트랜지스터(TX1a) 및 제2 전송 트랜지스터(TX2a)는 실질적으로 동일한 시간대에 턴-온됨으로써 플로팅 디퓨전 노드(FDa)에 각각의 광전하를 함께 저장할 수 있다.

도 12b를 참조하면, 픽셀(PXb)은 복수의 광전 변환 소자(예를 들어, 4 개의 제1 내지 제4 포토다이오드(PD1b, PD2b, PD3b, PD4b)) 및 제1 내지 제4 전송 트랜지스터(TX1b~TX4b), 리셋 트랜지스터(RXb), 구동 트랜지스터(DXb) 및 선택 트랜지스터(SXb)를 포함할 수 있다.

제1 내지 제4 포토다이오드(PD1b, PD2b, PD3b, PD4b) 각각의 상부에는 마이크로 렌즈가 배치될 수 있다. 따라서, 마이크로 렌즈와 광전 변환 소자의 조합이 하나의 픽셀로 지칭될 수도 있으며, 이에 따라 도 12의 픽셀(PXb)은 4 개의 서브 픽셀의 조합(도 6c, PXxy)로 간주될 수도 있다.

플로팅 디퓨전 노드(FDb)는 4 개의 광전 변환 소자(예컨대, 제1 내지 제4 포토다이오드(PD1b, PD2b, PD3b, PD4b)) 및 4개의 전송 트랜지스터(TX1b, TX2b, TX3b, TX4b)에 의해 공유될 수 있다. 전송 트랜지스터(TX1b, TX2b, TX3b, TX4b) 는 전송 제어 신호(TG1b, TG2b, TG3b, TG4b)의 전압에 따라 4 개의 광전 변환 소자(예컨대, 제1 내지 제4 포토다이오드(PD1b, PD2b, PD3b, PD4b)) 각각을 플로팅 디퓨전 노드(FDb)와 연결시키거나 차단시킬 수 있다.

광전 변환 소자(예컨대, 제1 내지 제4 포토다이오드(PD1b, PD2b, PD3b, PD4b))로 입사된 빛은 광전 변환에 의해 전하로 축적될 수 있다. 제1 내지 제4 포토다이오드(PD1b, PD2b, PD3b, PD4b))에 축적된 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FDb)에 전달되면, 구동 트랜지스터(DXb) 및 선택 트랜지스터(SXb)를 거쳐 출력 전압(VOUTb)으로서 외부로 출력될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FDb)의 전압 변화에 대응되는 출력 전압(VOUTb)은 외부의 리드아웃 회로(예컨대, 도 1, 150)로 전송될 수 있다.

도 13은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 적용되는 멀티 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치의 블록도이고, 도 14는 도 13의 멀티 카메라 모듈의 상세 블록도이다.

도 13을 참조하면, 전자 장치(1000)는 카메라 모듈 그룹(1100), 애플리케이션 프로세서(1200), PMIC(1300) 및 외부 메모리(1400)를 포함할 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 14를 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 14를 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 스토리지(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(1107)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.

스토리지(1150)는 이미지 센서(1142)를 통해 센싱된 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 스토리지(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, 스토리지(1150)는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)으로 구현될 수 있으나 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 13과 도 14를 함께 참조하면, 몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 액츄에이터(1130)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 그 내부에 포함된 액츄에이터(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 13을 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(MD)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 신호(MD)에 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.

본 개시의 예시적인 실시예에 따라 도 4를 다시 참조하면, 이미지 생성기(1214)는 복수의 서브 픽셀 각각에서 출력된 센싱 신호를 변환한 이미지 데이터 각각을 합산할 수 있다(디지털 합산). 예를 들어, 도 4에는 9개의 서브 픽셀들의 집합인 노나-셀이 예시되어 있는데, 이미지 생성기(1214)는 각 컬러 채널에 포함된 복수의 서브 픽셀들을 개별적으로 아날로그-디지털 변환한 결과인 이미지 데이터를 수신하고, 서브 픽셀 중 센싱 픽셀의 개수(8개)에 상응하는 이미지 데이터를 사후적으로 합산할 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) 외부 메모리(1400)에 저장하고, 이후, 메모리(1230) 또는 외부 메모리(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 외부 메모리(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, 전원 신호 라인(PSLa)을 통해 카메라 모듈(1100a)에 제1 전력을 공급하고, 전원 신호 라인(PSLb)을 통해 카메라 모듈(1100b)에 제2 전력을 공급하고, 전원 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.

도 15는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 전자 장치(30)를 도시하는 블록도이다. 도 15을 참조하면, 전자 장치(30)에는 프로세서(31), 메모리(32), 스토리지 장치(33), 이미지 센서(34), 입출력 장치(35) 및 전원 공급기(36)를 포함할 수 있으며, 각 구성은 버스를 통해 서로 통신할 수 있다. 도 15의 이미지 센서(34)로서 도 10의 이미지 센서(100)가 적용될 수 있고, 중복되는 설명은 생략된다.

프로세서(31)는 전자 장치(30)의 동작에 필요한 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 메모리(32) 및 스토리지 장치(33)는 전자 장치(30)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(31)는 마이크로프로세서(micro-processor), CPU(central processing unit), AP(application processor) 등을 포함하고, 메모리(32)는 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리를 포함하며, 스토리지 장치(33)는 SSD(solid state drive), HDD(hard disk drive), CD-ROM 등을 포함할 수 있다.

입출력 장치(35)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이와 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 전원 공급기(36)는 전자 장치(30)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.

도 16은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 전자 장치(1)를 도시하는 블록도이다.

도 16을 참조하면, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 전자 장치(1a)는 이미지 센서(10), 이미지 신호 처리기(Image Signal Processor; ISP)(20), 애플리케이션 프로세서(AP)(30), 디스플레이 장치(50), 워킹 메모리(40), 스토리지 장치(60), 유저 인터페이스(70) 및 무선 송수신부(48)를 포함할 수 있다. 도 1의 이미지 센서(100)가 도 17의 이미지 센서(10)로 동작할 수 있고, 중복되는 설명은 생략된다.

이미지 센서(10)는 수신되는 광 신호를 기초로 이미지 데이터, 예컨대 원시 이미지 데이터를 생성하고 이진 데이터를 이미지 신호 처리기(20)에 제공할 수 있다. 이미지 신호 처리기(20)는 이미지에 관한 디지털 데이터인 이미지 데이터(IDAT)의 데이터 형식을 변경하는 이미지 처리(예컨대 베이어 패턴의 이미지 데이터(IDAT)를 YUV 또는 RGB 형식으로 변경), 노이즈 제거, 밝기 조정, 선명도(sharpness) 조정 등의 화질 향상을 위한 이미지 처리 등을 수행할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이미지 신호 처리기(20)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), 노이즈 저감 처리, 게인 조정, 파형 정형화 처리, 보간(Interpolation) 처리, 에지 강조 처리, 비닝(Binning) 등 이미지 데이터(IDAT)의 왜곡을 제거하고 알고리즘 성능을 높이기 위한 사전 처리 작업을 수행할 수 있다. 이미지 신호 처리기(20)에서 전-처리가 됨에 따라, 이미지 데이터(IDAT)의 사후 처리 속도는 향상될 수 있다. 이미지 센서(10) 및 이미지 신호 처리기(20)는 카메라 모듈(15)로 지칭될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 이미지 신호 처리기(20)는 공간 효율성을 위해 이미지 센서(10) 외부에 구비될 수 있고, 처리 속도의 향상을 위해 이미지 센서(10)의 내부에 포함될 수도 있다. 본 개시에서는 설명의 편의를 위해 이미지 신호 처리기(20)가 애플리케이션 프로세서(30)와 별도의 구비되는 것으로 설명되었으나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 이미지 신호 처리기(20)는 별도의 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구성되지 않고, 애플리케이션 프로세서(30)의 하부 구성으로서 존재할 수도 있다.

애플리케이션 프로세서(30)는 전자 장치(1)의 전반적인 동작을 제어하며 응용 프로그램, 운영 체제 등을 구동하는 시스템 온 칩(SoC)으로 제공될 수 있다. 애플리케이션 프로세서(30)는 이미지 신호 처리기(20)의 동작을 제어할 수 있으며, 이미지 신호 처리기(20)에서 생성되는 변환된 이미지 데이터를 디스플레이 장치(50)에 제공하거나 또는 스토리지 장치(60)내에 저장할 수 있다.

워킹 메모리(40)는 애플리케이션 프로세서(30)가 처리 또는 실행하는 프로그램들 및/또는 데이터를 저장할 수 있다. 스토리지 장치(60)는 NND 플래시, 저항성 메모리 등의 비휘발성 메모리 장치로 구현될 수 있으며, 예컨대 스토리지 장치(60)는 메모리 카드(MMC, eMMC, SD, micro SD) 등으로 제공될 수 있다.

스토리지 장치(60)는 이미지 신호 처리기(20)의 이미지 처리 동작을 제어하는 실행 알고리즘에 대한 데이터 및/또는 프로그램을 저장할 수 있으며, 이미지 처리 동작이 수행될 때 데이터 및/또는 프로그램이 워킹 메모리(40)로 로딩될 수 있다. 예를 들어, 워킹 메모리(40) 또는 스토리지 장치(60)는 비휘발성 메모리로서 ROM (Read Only Memory), 플래시 메모리, PRAM (Phase-change RAM), MRAM (Magnetic RAM), RRAM (Resistive RAM), FRAM (Ferroelectric RAM) 등을 포함할 수 있고, 휘발성 메모리로서 SRAM(Static RAM), DRAM(Dynamic RAM)을 포함할 수 있으나, 상기 나열된 예시에 제한되지 않는다.

유저 인터페이스(70)는 키보드, 커튼 키 패널, 터치 패널, 지문 센서, 마이크 등 사용자 입력을 수신할 수 있는 다양한 장치들로 구현될 수 있다. 유저 인터페이스(70)는 사용자 입력을 수신하고, 수신된 사용자 입력에 대응하는 신호를 애플리케이션 프로세서(30)에 제공할 수 있다. 무선 송수신부(80)는 모뎀(81), 트랜스시버(82), 및 안테나(83)를 포함할 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 청구범위에 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 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

1. 복수의 픽셀 그룹들을 포함하는 픽셀 어레이에 있어서,
   상기 복수의 픽셀 그룹들 각각은,
   (m)

   

   (n) 행렬(m 및 n은 2 이상의 자연수)로 배열되는 복수의 서브 픽셀들을 포함하며 각기 서로 다른 파장 대역의 빛을 센싱하도록 구성된, 복수의 컬러 픽셀들을 포함하고,
   상기 복수의 컬러 픽셀들 각각은,
   동일한 수의 위상 검출 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
2. 제1항에 있어서,
   상기 위상 검출 픽셀은
   복수의 컬러 픽셀들 각각의 미리 정해진 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 컬러 픽셀들은 제1 컬러 픽셀 및 제2 컬러 픽셀을 포함하고,
   상기 제1 컬러 픽셀에 포함된 제1 위상 검출 픽셀은, 상기 제2 컬러 픽셀에 포함된 제2 위상 검출 픽셀과 바로 인접한 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 위상 검출 픽셀 및 상기 제2 위상 검출 픽셀은 하나의 마이크로 렌즈를 공유하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 픽셀 그룹들은 제1 컬러 픽셀을 포함하는 제1 픽셀 그룹 및 제2 컬러 픽셀을 포함하는 제2 픽셀 그룹을 포함하고,
   상기 제1 컬러 픽셀에 포함된 제1 위상 검출 픽셀은,
   상기 제2 컬러 픽셀에 포함된 제2 위상 검출 픽셀과 바로 인접한 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
6. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 컬러 픽셀들은 제1 컬러 픽셀 및 제2 컬러 픽셀을 포함하고,
   상기 제1 컬러 픽셀에 포함된 제1 위상 검출 픽셀은,
   상기 제2 컬러 픽셀에 포함된 제2 위상 검출 픽셀과 동일한 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
7. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 컬러 픽셀들은 제1 위상 검출 픽셀을 포함하는 제1 컬러 픽셀 및 제2 위상 검출 픽셀을 포함하는 제2 컬러 픽셀을 포함하고,
   상기 제1 위상 검출 픽셀의 위치는, 상기 제2 위상 검출 픽셀의 위치와 대칭적인 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
8. 제1항에 있어서,
   상기 위상 검출 픽셀에 인접한 서브 픽셀로부터 상기 위상 검출 픽셀에 유발되는 크로스토크의 양은 컬러 픽셀마다 동일한 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
9. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 컬러 픽셀들은 제1 그린 픽셀, 레드 픽셀, 블루 픽셀, 및 제2 그린 픽셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이,
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 그린 픽셀은 제1 위상 검출 픽셀을 포함하고,
    상기 레드 픽셀은 제2 위상 검출 픽셀을 포함하며,
    상기 블루 픽셀은 제3 위상 검출 픽셀을 포함하고,
    상기 제2 그린 픽셀은 제4 위상 검출 픽셀을 포함하며,
    상기 제1 내지 제4 위상 검출 픽셀은 서로 인접한 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 위상 검출 픽셀은 하나의 마이크로 렌즈를 공유하는 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
12. 제1항에 있어서,
    상기 위상 검출 픽셀은 메탈 쉴드 타입인 것을 특징으로 하는 픽셀 어레이.
13. 각각 복수의 서브 픽셀들을 포함하며 서로 다른 파장 대역의 빛을 센싱하도록 구성된 복수의 컬러 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 컬러 픽셀들 각각은 동일한 수의 위상 검출 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;
    복수의 컬럼 라인들을 통해 상기 픽셀 어레이로부터 수신되는 센싱 신호를 이진 데이터로 변환하도록 구성된 리드아웃 회로;
    복수의 로우 라인을 통해, 상기 픽셀 어레이가 행마다 상기 센싱 신호를 출력하도록 제어하는 행 선택 신호를 생성하도록 구성된 로우 디코더; 및
    상기 로우 디코더 및 상기 리드아웃 회로를 제어하도록 구성된 제어 로직을 포함하는 이미지 센서.
14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 컬러 픽셀들은,
    제1 위상 검출 픽셀을 포함하는 제1 컬러 픽셀 및 제2 위상 검출 픽셀을 포함하는 제2 컬러 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 위상 검출 픽셀은 상기 제2 위상 검출 픽셀과 바로 인접한 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 컬러 픽셀들은,
    제1 위상 검출 픽셀을 포함하는 제1 컬러 픽셀 및 제2 위상 검출 픽셀을 포함하는 제2 컬러 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 위상 검출 픽셀은, 상기 제2 위상 검출 픽셀과 동일한 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
16. 제13항에 있어서,
    상기 위상 검출 픽셀은 상기 복수의 컬러 픽셀들 각각에 하나씩 배치된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
17. 각각 복수의 서브 픽셀들을 포함하며 서로 다른 파장 대역의 빛을 센싱하도록 구성된 복수의 컬러 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 컬러 픽셀들 각각은 미리 정해진 위치에 배치된 위상 검출 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;
    복수의 컬럼 라인들을 통해 상기 픽셀 어레이로부터 수신되는 센싱 신호를 이진 데이터로 변환하도록 구성된 리드아웃 회로;
    복수의 로우 라인을 통해, 상기 픽셀 어레이가 행마다 상기 센싱 신호를 출력하도록 제어하는 행 선택 신호를 생성하도록 구성된 로우 디코더; 및
    상기 로우 디코더 및 상기 리드아웃 회로를 제어하고, 모드 신호에 기초하여 상기 센싱 신호의 출력 방식을 변경하도록 구성된 제어 로직을 포함하는 이미지 센서.
18. 제17항에 있어서,
    상기 모드 신호는 제1 모드 또는 제2 모드를 지시하고,
    상기 픽셀 어레이는,
    상기 제1 모드에 기초하여 상기 복수의 서브 픽셀들 각각으로부터 상기 센싱 신호를 출력하고, 상기 제2 모드에 기초하여 상기 복수의 서브 픽셀들의 센싱 결과를 합산하여 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
19. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 컬러 픽셀들은,
    제1 위상 검출 픽셀을 포함하는 제1 컬러 픽셀 및 제2 위상 검출 픽셀을 포함하는 제2 컬러 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 위상 검출 픽셀은 상기 제2 위상 검출 픽셀과 바로 인접한 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
20. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 컬러 픽셀들은,
    제1 위상 검출 픽셀을 포함하는 제1 컬러 픽셀 및 제2 위상 검출 픽셀을 포함하는 제2 컬러 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 위상 검출 픽셀은, 상기 제2 위상 검출 픽셀과 동일한 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

Images