KR20220132128A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents

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KR20220132128A
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도영웅
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Abstract

본 발명은 서로 인접하게 배치되는 광학 필터들을 포함하는 이미지 센싱 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 각각이 제1 컬러에 해당하는 광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하여 축적하는 제1 및 제2 광전 변환 소자를 포함하는 기판; 기판의 상측에 배치되고 제1 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제1 광학 필터를 포함하는 제1 픽셀; 기판의 상측에 배치되고 제1 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제2 광학 필터를 포함하는 제2 픽셀; 및 제 1광학 필터와 제 1광전 변환 소자 사이에 배치되어 제1 광학 필터에 입사되는 광을 반사시키는 제 1에어층을 포함한다.

Description

이미지 센싱 장치{Image Sensing Device}
본 발명은 서로 인접하게 배치되는 광학 필터들을 포함하는 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 광 감지 반도체 물질의 성질을 이용하여 광학 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 자동차, 의료, 컴퓨터 및 통신 등 산업의 발전에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 게임기기, 사물 인터넷(Internet of Things), 로봇, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등과 같은 다양한 분야에서 고성능(high-performance) 이미지 센싱 장치에 대한 수요가 증대되고 있다.
이미지 센싱 장치는 크게 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센싱 장치는 CMOS 이미지 센싱 장치에 비해 더 나은 이미지 품질을 제공하나, 더 큰 크기로 구현되고 더 많은 전력을 소비하는 경향이 있다. 반면에, CMOS 이미지 센싱 장치는 CCD 이미지 센싱 장치에 비해 더 작은 크기로 구현될 수 있고, 더 적은 전력을 소비한다. 또한, CMOS 이미지 센싱 장치는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제조되므로, 광 감지 소자 및 신호 처리 회로를 단일 칩에 통합할 수 있으며, 이를 통해 저렴한 비용으로 소형의 이미지 센싱 장치를 생산할 수 있다. 이러한 이유로, CMOS 이미지 센싱 장치는 모바일 장치를 포함한 많은 애플리케이션을 위해 개발되고 있다.
본 발명의 실시예는 1회의 촬영으로 고 동적 범위의 이미지를 획득할 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 각각이 제1 컬러에 해당하는 광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하여 축적하는 제1 및 제2 광전 변환 소자를 포함하는 기판; 기판의 상측에 배치되고 제1 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제1 광학 필터를 포함하는 제1 픽셀; 기판의 상측에 배치되고 제1 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제2 광학 필터를 포함하는 제2 픽셀; 및 제 1광학 필터와 제 1광전 변환 소자 사이에 배치되어 제1 광학 필터에 입사되는 광을 반사시키는 제 1에어층을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 각각이 제1 컬러에 해당하는 광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하여 축적하는 제1 내지 제3 광전 변환 소자를 포함하는 기판; 및 기판의 상측에 배치되고, 제1 광전 변환 소자에 대응하는 제1 광학 필터와, 제2 광전 변환 소자에 대응하는 제2 광학 필터를 포함하는 광학 필터 어레이를 포함하며, 광학 필터 어레이는 제 1광학 필터와 제 1광전 변환 소자 사이에 배치되어 제1 광학 필터에 입사되는 광을 반사시키는 제 1에어층을 포함한다.
본 발명의 실시예는 복잡한 구조 변경 없이 1회의 촬영만으로 고 동적 범위의 이미지를 획득할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 고감도 픽셀과 저감도 픽셀에 대해 조도에 따른 응답을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시된 픽셀 어레이에서 고감도 픽셀과 저감도 픽셀을 배치하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 제1 절단선을 따라 픽셀들을 절단한 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 고감도 픽셀, 중감도 픽셀 및 저감도 픽셀에 대해 조도에 따른 응답을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 6에 도시된 픽셀 어레이에서 고감도 픽셀, 중감도 픽셀 및 저감도 픽셀을 배치하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 제2 절단선을 따라 픽셀들을 절단한 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예가 설명될 것이다. 그러나, 본 개시는 특정한 실시 예에 한정되지 않고, 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시의 실시 예는 본 개시를 통해 직간접적으로 인식될 수 있는 다양한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 드라이버(row driver, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 드라이버(column driver, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170)를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 복수의 로우들(rows) 및 복수의 컬럼들(columns)로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 단위 픽셀들은 로우들 및 컬럼들을 포함하는 2차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 단위 이미지 픽셀들은 3차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 복수의 단위 픽셀들은 단위 픽셀 단위로 또는 픽셀 그룹 단위로 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 픽셀 그룹 내 단위 픽셀들은 적어도 특정 내부 회로를 공유할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 드라이버(120)로부터 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)의 해당 단위 픽셀은 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호에 대응하는 동작을 수행하도록 활성화될 수 있다.
로우 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(170)에 의해 공급되는 명령들 및 제어 신호들에 기초하여 해당 로우에 포함된 단위 픽셀들에 대해 특정 동작들을 수행하도록 픽셀 어레이(110)를 활성화할 수 있다. 일 실시예에서, 로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우에 배열된 적어도 하나의 단위 픽셀을 선택할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호는 단위 픽셀의 센싱 노드(예컨대, 플로팅 디퓨전 노드)가 리셋되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호이고, 영상 신호는 단위 픽셀에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호일 수 있다. 픽셀 고유의 리셋 노이즈(reset noise)를 나타내는 기준 신호와, 입사광의 세기를 나타내는 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 두 샘플들 사이의 차이를 제거하기 위해 픽셀 신호를 두 번 샘플링 함으로써, 고정 패턴 노이즈와 같은 픽셀의 원치 않는 오프셋 값을 제거할 수 있도록 상관 이중 샘플링을 이용할 수 있다. 일 예로, 상관 이중 샘플링은 입사광에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되기 전후로 획득된 픽셀 출력 전압들을 비교함으로써, 원치 않는 오프셋 값을 제거하여 오직 입사광에 기초하는 픽셀 출력 전압이 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터의 제어 신호에 기초하여 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 램프 비교 타입(ramp-compare type) ADC로 구현될 수 있다. 램프 비교 타입 ADC는 시간에 따라 상승 또는 하강하는 램프 신호와 아날로그 픽셀 신호를 비교하는 비교 회로, 및 램프 신호가 아날로그 픽셀 신호에 매칭(matching)될 때까지 카운팅 동작을 수행하는 카운터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 컬럼들 각각을 위한 상관 이중 샘플러(130)에 의해 생성된 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)의 각 컬럼은 각 컬럼 카운터에 연결되며, 영상 데이터는 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환함에 의해 생성될 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 일시적으로 홀딩하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 ADC(140)로부터 출력되는 영상 데이터를 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센싱 장치(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력되도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 드라이버(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼으로부터 영상 데이터가 외부로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나에 제공할 수 있다. 일 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)는 로직 제어회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop, PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(timing control circuit) 및 통신 인터페이스 회로(communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110A)는 도 1의 픽셀 어레이(110)의 일 실시예로서, 고감도 픽셀(high sensitivity pixel, HPX) 및 저감도 픽셀(low sensitivity pixel, LPX)을 포함할 수 있다. 이는 픽셀 어레이(110A)가 2개의 픽셀만을 포함하는 것을 의미하는 것은 아니며, 픽셀 어레이(110A)에 포함된 픽셀들이 고감도 픽셀(HPX)과 저감도 픽셀(LPX)의 2가지 종류로 구분될 수 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이(110A)에 포함된 픽셀들 각각은 고감도 픽셀(HPX)과 저감도 픽셀(LPX) 중 어느 하나에 해당하며, 픽셀 어레이(110A)에는 고감도 픽셀(HPX)과 저감도 픽셀(LPX)이 함께 배치될 수 있다. 픽셀 어레이(110A)에 포함된 고감도 픽셀(HPX)의 개수와 저감도 픽셀(LPX)의 개수는 임의로 선택될 수 있다.
고감도 픽셀(HPX)은 입사광의 세기의 증가에 따른 응답(response)의 증가량이 상대적으로 큰 픽셀일 수 있다. 여기서, 응답은 고감도 픽셀(HPX)이 입사광의 세기를 감지하여 생성하는 픽셀 신호를 의미할 수 있다. 즉, 고감도 픽셀(HPX)은 입사광에 대한 감도가 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다.
저감도 픽셀(LPX)은 입사광의 세기의 증가에 따른 응답의 증가량이 상대적으로 작은 픽셀일 수 있다. 즉, 저감도 픽셀(LPX)은 입사광에 대한 감도가 상대적으로 낮은 픽셀일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 고감도 픽셀과 저감도 픽셀에 대해 조도에 따른 응답을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 해당 픽셀로 입사되는 입사광의 세기인 조도(illumination)에 따른 고감도 픽셀(HPX)의 응답(response)과 저감도 픽셀(LPX)의 응답이 도시되어 있다.
응답은 SNR(signal to noise ratio) 한계 레벨(SNR limit)과 포화 레벨(saturation)을 가질 수 있다.
SNR 한계 레벨은 미리 정해진 기준 SNR을 만족시킬 수 있는 응답의 임계 값을 의미할 수 있다. SNR 한계 레벨 미만의 응답은 기준 SNR을 만족시킬 수 없는 무효 응답이 되고, SNR 한계 레벨 이상의 응답은 기준 SNR을 만족시킬 수 있는 유효 응답이 될 수 있다. 기준 SNR은 이미지 센싱 장치(100)의 특성을 고려하여 실험적으로 결정된 값일 수 있다.
포화 레벨은 입사광의 세기를 나타낼 수 있는 최대 응답을 의미할 수 있다. 포화 레벨은 픽셀이 입사광의 세기를 광전하로 변환할 수 있는 능력(예컨대, 광전 변환 소자의 용량) 및 광전하를 전기적 신호로 변환할 수 있는 능력(예컨대, 플로팅 디퓨전 영역의 용량)에 의해 결정될 수 있다. 입사광의 세기가 증가할 때, 응답이 포화 레벨에 도달하기 전까지는 응답이 입사광의 세기에 따라 증가될 수 있다. 그러나, 응답이 포화 레벨에 도달한 뒤에는 입사광의 세기가 증가하여도 응답은 포화 레벨을 초과하여 증가할 수 없고, 포화 레벨과 동일한 값을 가질 수 있다.
픽셀의 유효 응답을 기준 SNR을 만족시키면서 입사광의 세기를 나타낼 수 있는 응답으로 정의하면, 픽셀의 유효 응답에 대응하는 입사광의 세기의 범위는 픽셀의 동적 범위(dynamic range)로 정의될 수 있다. 즉, 픽셀의 동적 범위는 픽셀이 유효 응답을 가질 수 있는 입사광의 세기의 범위를 의미할 수 있다.
입사광의 세기의 증가에 따른 응답의 증가량이 상대적으로 큰 픽셀인 고감도 픽셀(HPX)의 응답은 입사광의 세기의 증가에 대응하여 상대적으로 높은 기울기로 증가하고, 포화 레벨에 도달한 뒤 입사광의 세기와 무관하게 포화 레벨에 해당하는 레벨을 가질 수 있다.
입사광의 세기의 증가에 따른 응답의 증가량이 상대적으로 작은 픽셀인 저감도 픽셀(LPX)의 응답은 입사광의 세기의 증가에 대응하여 상대적으로 낮은 기울기로 증가하고, 포화 레벨에 도달한 뒤 입사광의 세기와 무관하게 포화 레벨에 해당하는 레벨을 가질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위(HPX dynamic range)의 하한 값은 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위(LPX dynamic range)의 하한 값보다 작고, 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위의 상한 값은 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위의 상한 값보다 작을 수 있다. 따라서, 입사광의 세기가 상대적으로 작은 조도 범위(저조도)에서는 고감도 픽셀(HPX)이 입사광의 세기를 감지하는데 보다 적합하고, 입사광의 세기가 상대적으로 큰 조도 범위(고조도)에서는 저감도 픽셀(LPX)이 입사광의 세기를 감지하는데 보다 적합할 수 있다.
저조도에 적합한 고감도 픽셀(HPX)과 고조도에 적합한 저감도 픽셀(LPX) 각각의 응답을 이용하여 HDR(high dynamic range)이 구현될 수 있다. 즉, 고감도 픽셀(HPX) 또는 저감도 픽셀(LPX) 중 어느 하나만을 이용하는 경우에 비해, 고감도 픽셀(HPX) 및 저감도 픽셀(LPX)을 함께 이용하게 되면 픽셀 어레이(110A)는 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위의 하한 값에서 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위의 상한 값까지의 범위에 해당하는 고동적 범위(HDR)를 가질 수 있다. 이를 위해 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위의 적어도 일부와 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위의 적어도 일부는 서로 겹쳐질 수 있다.
고감도 픽셀(HPX) 및 저감도 픽셀(LPX)을 이용해 고동적 범위에 해당하는 HDR 이미지를 합성하는 방법은 고감도 픽셀(HPX)의 응답과 저감도 픽셀(LPX)의 응답을 연산(예컨대, 합산)하여 합성하는 방법, 저조도에서는 고감도 픽셀(HPX)의 응답에 기초하여 이미지를 생성하고 고조도에서는 저감도 픽셀(LPX)의 응답에 기초하여 이미지를 생성하는 방법 등이 이용될 수 있으나 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(100)에서는 픽셀 어레이(110A)에 고감도 픽셀(HPX) 및 저감도 픽셀(LPX)이 함께 배치되어 있어, 한 번의 노출 시간(exposure time)을 통해 획득되는 이미지를 이용해 HDR 이미지가 합성될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 픽셀 어레이에서 고감도 픽셀과 저감도 픽셀을 배치하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4에 도시된 픽셀 어레이(110A-1)는 고감도 픽셀(HPX)과 저감도 픽셀(LPX)이 4개의 로우들과 4개의 컬럼들로 구성된 4x4 매트릭스로 함께 배치된 예시적인 배치 구조를 나타낸다. 설명의 편의상, 픽셀 어레이(110A-1)는 16개의 픽셀들을 포함하는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 16개의 픽셀들이 로우 방향 및 컬럼 방향 각각을 따라 반복적으로 배열될 수 있다.
픽셀 어레이(110A-1)는 각각이 2x2 매트릭스에 해당하는 제1 내지 제4 픽셀 그룹을 포함할 수 있다.
제1 픽셀 그룹과 제4 픽셀 그룹 각각은 1개의 저감도 그린 픽셀(GL) 및 3개의 고감도 그린 픽셀들(GH)을 포함할 수 있다. 제1 픽셀 그룹과 제4 픽셀 그룹은 로우 방향 또는 컬럼 방향에 대해 사선 방향으로 배치될 수 있다. 저감도 그린 픽셀(GL)은 입사광 중 그린 컬러의 파장 범위에 해당하는 광의 세기에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 저감도 픽셀(LPX)이고, 고감도 그린 픽셀(GH)은 입사광 중 그린 컬러의 파장 범위에 해당하는 광의 세기에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 고감도 픽셀(HPX)일 수 있다.
제2 픽셀 그룹은 제1 픽셀 그룹의 우측에 배치되고, 1개의 저감도 레드 픽셀(RL) 및 3개의 고감도 레드 픽셀들(RH)을 포함할 수 있다. 저감도 레드 픽셀(RL)은 입사광 중 레드 컬러의 파장 범위에 해당하는 광의 세기에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 저감도 픽셀(LPX)이고, 고감도 레드 픽셀(RH)은 입사광 중 레드 컬러의 파장 범위에 해당하는 광의 세기에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 고감도 픽셀(HPX)일 수 있다.
제3 픽셀 그룹은 제1 픽셀 그룹의 하측에 배치되고, 1개의 저감도 블루 픽셀(BL) 및 3개의 고감도 블루 픽셀들(BH)을 포함할 수 있다. 저감도 블루 픽셀(BL)은 입사광 중 블루 컬러의 파장 범위에 해당하는 광의 세기에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 저감도 픽셀(LPX)이고, 고감도 블루 픽셀(BH)은 입사광 중 블루 컬러의 파장 범위에 해당하는 광의 세기에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 고감도 픽셀(HPX)일 수 있다.
제1 내지 제4 픽셀 그룹 각각에서 저감도 픽셀은 2x2 매트릭스의 좌측 상단에 해당하는 위치에 배치되나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 다른 위치에 배치될 수 있다. 또한, 제1 내지 제4 픽셀 그룹 각각에 포함되는 저감도 픽셀의 개수는 2개 또는 3개 일수도 있다.
제1 내지 제4 픽셀 그룹 각각은 동일 컬러에 대응하는 4개의 픽셀들로 구성되면서 제1 내지 제4 픽셀 그룹이 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배치될 수 있다. 이러한 배치 구조는 쿼드 베이어 패턴(quad bayer pattern) 구조로 정의될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 제1 절단선을 따라 픽셀들을 절단한 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 제1 절단선(A-A')을 따라 제1 및 제2 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들을 절단한 단면(110A-2)이 도시되어 있다.
단면(110A-2)은 기판(200) 및 광 입사층(300)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 또한, 단면(110A-2)은 제1 절단선(A-A')을 따라 연속적으로 배치된 픽셀들(GL, GH, RL, RH)을 포함할 수 있다.
기판(200)은 서로 반대측에 위치하는 상부면과 하부면을 포함할 수 있다. 기판(200)의 하부면과 상부면은 각각 전면(front-side)과 후면(back-side)으로 정의될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 기판(200)은 예를 들어, P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다.
기판(200)은 내부에 광전 변환 소자(210)를 포함할 수 있다. 광전 변환 소자(210)는 각 픽셀(GL, GH, RL, RH)마다 독립적으로 배치될 수 있고, 입사광의 세기에 대응하여 광전하(photocharge)를 생성 및 축적할 수 있다. 광전 변환 소자(210)는 N형 이온을 주입하는 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 N형 도핑 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 광전 변환 소자(210)는 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 N+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 N-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다. 광전 변환 소자(210)는 수광 효율을 나타내는 필 팩터(fill-factor)를 높이기 위해, 가능한 넓은 면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 서로 인접하는 픽셀들(GL, GH, RL, RH) 각각의 광전 변환 소자들(210) 사이에는 전기적 분리 및 광학적 분리를 위해 수직으로 깊게 파인 형태를 가지는 소자 분리막(미도시)이 형성될 수 있다.
광전 변환 소자(210)에 축적된 광전하는 광전 변환 소자(210)에 연결된 리드아웃(readout) 회로를 통해 픽셀 신호로 변환되어 컬럼 라인으로 출력될 수 있다. 일 실시예에 따라, 리드아웃 회로는 플로팅 디퓨전 노드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 소스팔로워 트랜지스터 및 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.
플로팅 디퓨전 노드는 광전 변환 소자(210)로부터 광전하를 전달받아 축적하는 영역일 수 있다. 전송 트랜지스터는 로우 드라이버(120)로부터 공급되는 전송 신호에 응답하여 광전 변환 소자(210)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨전 노드로 전달할 수 있다. 리셋 트랜지스터는 로우 드라이버(120)로부터 공급되는 픽셀 리셋 신호에 응답하여 플로팅 디퓨전 노드를 리셋 전압(예컨대, 전원 전압)으로 리셋 시킬 수 있다. 소스팔로워 트랜지스터는 게이트에 연결된 플로팅 디퓨전 노드의 전위를 전기 신호로 변환하여 선택 트랜지스터로 전달할 수 있다. 선택 트랜지스터는 로우 드라이버(120)로부터 공급되는 로우 선택 신호에 응답하여 소스팔로워 트랜지스터로부터 출력되는 전기 신호를 픽셀 신호로서 컬럼 라인으로 출력할 수 있다.
광 입사층(300)은 이미지 센싱 장치(100)의 외부로부터 입사되는 입사광을 수신하여 기판(200)으로 전달하는 구성으로서, 제1 광학 필터(310, 330), 에어층(311, 331), 제2 광학 필터(320, 340), 마이크로 렌즈(350) 및 광학 그리드 구조(360)를 포함할 수 있다.
제1 광학 필터(310, 330) 및 제2 광학 필터(320, 340) 각각은 각 픽셀(GL, GH, RL, RH)에 대응하여 배치될 수 있다. 제1 광학 필터(310, 330) 및 제2 광학 필터(320, 340) 각각은 기판 영역(200)의 상부에서 서로 인접하는 광학 그리드 구조들(360) 사이에 형성될 수 있고, 투과 파장 대역의 광(예컨대, 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue), 마젠타(Magenta), 옐로우(Yellow), 사이언(Cyan), 적외선(infrared) 등)을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 여기서, 투과 파장 대역은 해당 광학 필터가 선택적으로 투과시키려는 광에 대응하는 파장 대역을 의미할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 필터(310, 330) 및 제2 광학 필터(320, 340) 각각은 특정 컬러에 대응하는 유색의 감광성 물질을 포함하거나, 교번적으로 배치된 박막층들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)에 포함된 광학 필터들은 복수 개의 로우들과 복수 개의 컬럼들을 포함하는 매트릭스로 배열된 픽셀들에 대응하여 배치됨으로써, 광학 필터 어레이를 구성할 수 있다.
도 5에서, 제1 광학 필터(310) 및 제2 광학 필터(320) 각각은 그린에 대응하는 투과 파장 대역의 광을 선택적으로 투과시키는 그린 컬러 필터에 해당할 수 있다. 또한, 제1 광학 필터(310)는 저감도 그린 픽셀(GL)에 배치되고, 제2 광학 필터(320)는 고감도 그린 픽셀(GH)에 배치될 수 있다.
도 5에서, 제1 광학 필터(330) 및 제2 광학 필터(340) 각각은 레드에 대응하는 투과 파장 대역의 광을 선택적으로 투과시키는 레드 컬러 필터에 해당할 수 있다. 또한, 제1 광학 필터(330)는 저감도 레드 픽셀(RL)에 배치되고, 제2 광학 필터(340)는 고감도 레드 픽셀(RH)에 배치될 수 있다.
제1 광학 필터(310, 330)는 에어층(311, 331)을 각각 포함할 수 있다. 에어층(311, 331)은 제1 광학 필터(310, 330)의 하단에 배치될 수 있다. 즉, 에어층(311, 331)은 제1 광학 필터(310, 330)와 광전 변환 소자(210) 사이에 배치될 수 있다. 에어층(311, 331)은 기판(200)의 상면에 형성될 수 있다. 제1 광학 필터(310, 330)의 하부면은 에어층(311, 331)의 상부면과 접속될 있다. 제1 광학 필터(320, 340)의 하부면은 기판(200)의 상부면과 접속될 수 있다. 에어층(311, 331)에어층(311, 331) 각각은 광학 그리드 구조(360) 사이에 형성될 수 있으며, 에어층(311, 331)의 높이는 광학 그리드 구조(360) 보다 상대적으로 높고 제1 광학 필터(310, 330) 보다 낮을 수 있다. 에어층(311, 331)은 공기로 구성될 수 있으며, 제1 광학 필터(310, 330) 내에 형성되는 보이드(Void)일 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 필터(310, 330) 내부에 공기를 충진하여 에어층(311, 331)의 보이드 공간을 형성할 수 있다.
광학 필터는 투과 파장 대역의 광을 상대적으로 적게 흡수하고, 투과 파장 대역 이외의 파장 대역(즉, 차단 파장 대역)의 광을 상대적으로 많이 흡수함으로써, 투과 파장 대역의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 본 발명의 실시예는 제1 광학 필터(310, 330)와 제2 광학 필터(320, 340)의 두께를 동일하게 유지하되, 제1 광학 필터(310, 330)의 하부에만 에어층(311, 331)을 형성하여 저감도를 갖는 픽셀(예를 들면, 저감도 그린 픽셀(GL), 저감도 레드 픽셀(RL))을 구현할 수 있다.
광학 필터(310, 330) 내에 에어층(311, 331)을 형성하는 경우, 광학 필터(310, 330)에 입사되는 입사광의 에어층(311, 331)을 통해 전반사(total reflection)되어 반사율이 증가할 수 있다. 즉, 광학 필터(310, 330)에 에어층(311, 331)을 형성하는 경우, 투과 파장 대역의 광 투과율이 낮아지게 된다. 여기서, 광 투과율은 광학 필터(310, 330)로 입사되는 입사광과 광학 필터(310, 330)를 투과하는 투과광의 비율을 의미할 수 있다.
따라서, 에어층(311, 331)을 포함하는 제1 광학 필터(310, 330)의 투과 파장 대역의 광에 대한 광 투과율은 에어층(311, 331)을 포함하지 않는 제2 광학 필터(320, 340)의 투과 파장 대역의 광에 대한 광 투과율보다 상대적으로 낮을 수 있다. 즉, 동일한 세기의 입사광이 제1 광학 필터(310, 330)와 제2 광학 필터(320, 340)로 입사되면, 제1 광학 필터(310, 330)를 통과한 투과 파장 대역의 광의 세기는 제2 광학 필터(320, 340)를 통과한 투과 파장 대역의 광의 세기보다 작을 수 있다.
또한, 제1 광학 필터(310, 330)를 통과한 투과 파장 대역의 광의 세기는 입사광의 세기의 증가에 대응하여 상대적으로 낮은 기울기로 증가하게 되고, 제2 광학 필터(320, 340)를 통과한 투과 파장 대역의 광의 세기는 입사광의 세기의 증가에 대응하여 상대적으로 높은 기울기로 증가하게 된다.
제1 광학 필터(310, 330) 및 제2 광학 필터(320, 340) 각각을 통과한 투과 파장 대역의 광의 세기는 광전 변환 소자(210) 및 리드아웃 회로에 의해 픽셀 신호로 변환되므로, 제1 광학 필터(310, 330)를 포함하는 픽셀의 응답은 도 3에 도시된 저감도 픽셀(LPX)의 응답을 따르게 되고, 제2 광학 필터(320, 340)를 포함하는 픽셀의 응답은 도 3에 도시된 고감도 픽셀(HPX)의 응답을 따르게 된다.
따라서, 제1 광학 필터(310, 330)를 포함하는 픽셀은 저감도 픽셀(LPX)에 해당할 수 있고, 제2 광학 필터(320, 340)를 포함하는 픽셀은 고감도 픽셀(HPX)에 해당할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(100)에 의하면, 제1 광학 필터(310, 330) 내에 에어층(311, 331)을 삽입하여 입사광의 반사율을 달리하여 하나의 픽셀 어레이 내에서 저감도 픽셀과 고감도 픽셀을 함께 구현할 수 있어 한 장의 이미지로 HDR 이미지를 생성할 수 있다.
본 개시에서는 저감도 그린 픽셀(GL), 저감도 레드 픽셀(RL) 및 저감도 블루 픽셀(BL) 각각에 포함된 제1 광학 필터(310, 330) 내에 에어층(311, 331)을 삽입하고, 고감도 그린 픽셀(GH), 고감도 레드 픽셀(RH) 및 고감도 블루 픽셀(BH) 각각에 포함된 제2 광학 필터(320, 340)에 에어층(311, 331)을 삽입하지 않는 것으로 설명하였다.
마이크로 렌즈(350)는 광학 필터(310~340)의 상부에 형성될 수 있고, 입사광에 대한 집광력(light gathering power)을 높여 광전 변환 소자(210)의 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
광학 그리드 구조(360)는 각각은 기판 영역(200)의 상부에서 서로 인접하는 광학 필터들(310, 320, 330, 340) 사이에 형성될 수 있다. 광학 그리드 구조(360)는 광학 필터들(310~340)에 입사되는 광이 인접한 픽셀로 이동하는 것을 방지하여 광학적 크로스토크를 최소화할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 픽셀 어레이(110B)는 도 1의 픽셀 어레이(110)의 다른 실시예로서, 고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(middle sensitivity pixel, MPX) 및 저감도 픽셀(LPX)을 포함할 수 있다. 이는 픽셀 어레이(110B)가 3개의 픽셀만을 포함하는 것을 의미하는 것은 아니며, 픽셀 어레이(110B)에 포함된 픽셀들이 고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(MPX) 및 저감도 픽셀(LPX)의 3가지 종류로 구분될 수 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이(110B)에 포함된 픽셀들 각각은 고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(MPX) 및 저감도 픽셀(LPX) 중 어느 하나에 해당하며, 픽셀 어레이(110B)에는 고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(MPX) 및 저감도 픽셀(LPX)이 함께 배치될 수 있다. 픽셀 어레이(110B)에 포함된 고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(MPX) 및 저감도 픽셀(LPX) 각각의 개수는 임의로 선택될 수 있다.
고감도 픽셀(HPX)과 저감도 픽셀(LPX)은 도 2를 참조하여 설명된 바와 실질적으로 동일한 바 중복된 설명은 생략하기로 한다. 중감도 픽셀(MPX)은 입사광의 세기의 증가에 따른 응답의 증가량이 저감도 픽셀(LPX)보다 크고 고감도 픽셀(HPX)보다 작은 픽셀일 수 있다. 즉, 중감도 픽셀(MPX)은 입사광에 대한 감도가 저감도 픽셀(LPX)보다 높고 고감도 픽셀(HPX)보다 낮은 픽셀일 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 고감도 픽셀, 중감도 픽셀 및 저감도 픽셀에 대해 조도에 따른 응답을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 해당 픽셀로 입사되는 입사광의 세기인 조도에 따른 고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(MPX) 및 저감도 픽셀(LPX) 각각의 응답이 도시되어 있다. 고감도 픽셀(HPX) 및 저감도 픽셀(LPX) 각각의 응답에 대한 설명을 비롯하여 도 3과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
입사광의 세기의 증가에 따른 응답의 증가량이 저감도 픽셀(LPX)보다 높고 고감도 픽셀(HPX)보다 낮은 중감도 픽셀(MPX)의 응답은, 입사광의 세기의 증가에 대응하여 저감도 픽셀(LPX)보다 높고 고감도 픽셀(HPX)보다 낮은 기울기로 증가하고, 포화 레벨에 도달한 뒤 입사광의 세기와 무관하게 포화 레벨에 해당하는 레벨을 가질 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 도 3에 비해 높은 고동적 범위(HDR)를 구현하기 위해, 저감도 픽셀(LPX)의 입사광의 세기의 증가에 따른 응답의 증가량을 낮추거나, 고감도 픽셀(HPX)의 입사광의 세기의 증가에 따른 응답의 증가량을 높일 수 있다. 이 경우, 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위(LPX dynamic range)의 하한 값이 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위(HPX dynamic range)의 상한 값을 초과할 수 있다. 즉, 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위(LPX dynamic range)와 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위(HPX dynamic range) 사이에 공백이 발생할 수 있으며, 이러한 공백에 대응하는 조도에 대해 이미지 센싱 장치(100)는 유효 응답을 획득할 수 없게 될 수 있다.
그러나, 입사광의 세기의 증가에 따른 응답의 증가량이 저감도 픽셀(LPX)보다 높고 고감도 픽셀(HPX)보다 낮은 중감도 픽셀(MPX)의 동적 범위(MPX dynamic range)는 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위(LPX dynamic range)의 하한 값보다 큰 상한 값을 갖고, 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위(HPX dynamic range)의 상한 값보다 낮은 하한 값을 가질 수 있다. 따라서, 중감도 픽셀(MPX)의 동적 범위(MPX dynamic range)는 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위(LPX dynamic range)와 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위(HPX dynamic range) 간의 공백을 커버할 수 있다.
저조도에 적합한 고감도 픽셀(HPX), 중조도에 적합한 중감도 픽셀(MPX) 및 고조도에 적합한 저감도 픽셀(LPX) 각각의 응답을 이용하여 HDR(high dynamic range)이 구현될 수 있다. 즉, 고감도 픽셀(HPX) 및 저감도 픽셀(LPX)을 이용하는 경우에 비해, 고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(MPX) 및 저감도 픽셀(LPX)을 함께 이용하게 되면 픽셀 어레이(110B)는 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위와 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위 간의 공백 없이 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위의 하한 값에서 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위의 상한 값까지의 범위에 해당하는 고동적 범위(HDR)를 가질 수 있다. 이를 위해 고감도 픽셀(HPX)의 동적 범위의 적어도 일부와 중감도 픽셀(MPX)의 동적 범위의 적어도 일부, 그리고 중감도 픽셀(MPX)의 동적 범위의 적어도 일부와 저감도 픽셀(LPX)의 동적 범위의 적어도 일부는 서로 겹쳐질 수 있다.
고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(MPX) 및 저감도 픽셀(LPX)을 이용해 고동적 범위에 해당하는 HDR 이미지를 합성하는 방법은 고감도 픽셀(HPX)의 응답, 중감도 픽셀(MPX)의 응답 및 저감도 픽셀(LPX)의 응답을 연산(예컨대, 합산)하여 합성하는 방법, 저조도에서는 고감도 픽셀(HPX)의 응답에 기초하여 이미지를 생성하고 중조도에서는 중감도 픽셀(MPX)의 응답에 기초하여 이미지를 생성하고 고조도에서는 저감도 픽셀(LPX)의 응답에 기초하여 이미지를 생성하는 방법 등이 이용될 수 있으나 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(100)에서는 픽셀 어레이(110B)에 고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(MPX) 및 저감도 픽셀(LPX)이 함께 배치되어 있어, 한 번의 노출 시간을 통해 획득되는 이미지를 이용해 HDR 이미지가 합성될 수 있다.
도 8은 도 6에 도시된 픽셀 어레이에서 고감도 픽셀, 중감도 픽셀 및 저감도 픽셀을 배치하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 도 8에 도시된 픽셀 어레이(110B-1)는 고감도 픽셀(HPX), 중감도 픽셀(MPX) 및 저감도 픽셀(LPX)이 4개의 로우들과 4개의 컬럼들로 구성된 4x4 매트릭스로 함께 배치된 예시적인 배치 구조를 나타낸다. 설명의 편의상, 픽셀 어레이(110B-1)는 16개의 픽셀들을 포함하는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 16개의 픽셀들이 로우 방향 및 컬럼 방향 각각을 따라 반복적으로 배열될 수 있다.
픽셀 어레이(110B-1)는 각각이 2x2 매트릭스에 해당하는 제5 내지 제8 픽셀 그룹을 포함할 수 있다.
제5 픽셀 그룹과 제8 픽셀 그룹 각각은 1개의 저감도 그린 픽셀(GL), 1개의 중감도 그린 픽셀(GM) 및 2개의 고감도 그린 픽셀들(GH)을 포함할 수 있다. 제5 픽셀 그룹과 제8 픽셀 그룹은 로우 방향 또는 컬럼 방향에 대해 사선 방향으로 배치될 수 있다. 중감도 그린 픽셀(GM)은 입사광 중 그린 컬러의 파장 범위에 해당하는 광의 세기에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 중감도 픽셀(MPX)일 수 있다.
제6 픽셀 그룹은 제5 픽셀 그룹의 우측에 배치되고, 1개의 저감도 레드 픽셀(RL), 1개의 중감도 레드 픽셀(RM) 및 2개의 고감도 레드 픽셀들(RH)을 포함할 수 있다. 중감도 레드 픽셀(RM)은 입사광 중 레드 컬러의 파장 범위에 해당하는 광의 세기에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 중감도 픽셀(MPX)일 수 있다.
제7 픽셀 그룹은 제5 픽셀 그룹의 하측에 배치되고, 1개의 저감도 블루 픽셀(BL), 1개의 중감도 블루 픽셀(BM) 및 2개의 고감도 블루 픽셀들(BH)을 포함할 수 있다. 중감도 블루 픽셀(BM)은 입사광 중 블루 컬러의 파장 범위에 해당하는 광의 세기에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 중감도 픽셀(MPX)일 수 있다.
제5 내지 제8 픽셀 그룹 각각에서 저감도 픽셀은 2x2 매트릭스의 좌측 상단에 해당하는 위치에 배치되고 중감도 픽셀은 2x2 매트릭스의 우측 상단에 해당하는 위치에 배치되나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 다른 위치에 배치될 수 있다. 또한, 제5 내지 제8 픽셀 그룹 각각에 포함되는 저감도 픽셀 또는 중감도 픽셀의 개수는 2개일 수도 있다.
도 9는 도 8에 도시된 제2 절단선을 따라 픽셀들을 절단한 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 8에 도시된 제2 절단선(B-B')을 따라 제5 및 제6 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들을 절단한 단면(110B-2)이 도시되어 있다.
단면(110B-2)은 기판(400) 및 광 입사층(500)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 또한, 단면(110B-2)은 제2 절단선(B-B')을 따라 연속적으로 배치된 픽셀들(GL, GH, GM, RL, RH)을 포함할 수 있다. 기판(400) 및 광 입사층(500) 각각의 구조 및 기능은 일부 차이점을 제외하고는 도 5에서 설명된 기판(200) 및 광 입사층(300)의 구조 및 기능과 실질적으로 동일한 바 중복된 설명은 생략하기로 한다.
광 입사층(500)은 제1 광학 필터(510, 540), 제2 광학 필터(520, 550), 제3 광학 필터(530, 560), 에어층(511, 531, 541, 561), 마이크로 렌즈(570) 및 광학 그리드 구조(580)를 포함할 수 있다. 광 입사층(500)은 도 5에 도시된 광 입사층(300)과 달리 에어층(531, 561)을 더 포함할 수 있다.
에어층(511, 531, 541, 561)은 제1 광학 필터(510, 530, 540, 560)와 광전 변환 소자(410) 사이에 배치될 수 있다. 에어층(511, 531, 541, 561)은 기판(400)의 상면에 형성될 수 있다. 제1 광학 필터(510, 530, 540, 560)의 하부면은 에어층(511, 531, 541, 561)의 상부면과 접속될 있다. 제1 광학 필터(520, 550)의 하부면은 기판(400)의 상부면과 접속될 수 있다. 에어층(531, 561)은 에어층(511, 541)과 재질 및 기능은 동일하나, 에어층(511,541)보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
에어층(531, 561)은 공기로 구성될 수 있으며, 제1 광학 필터(310, 330) 내에 형성되는 보이드(Void)일 수 있다. 여기서, 에어층(531)는 중감도 그린 픽셀(GM)에 배치될 수 있다. 또한, 에어층(561)는 중감도 레드 픽셀(RM)에 배치될 수 있다.
에어층(511, 541)의 두께(T2)는 제1 광학 필터(510, 540), 제2 광학 필터(520, 550), 제3 광학 필터(530, 560)의 두께 보다 얇고, 에어층(531, 561)의 두께(T3)는 에어층(511, 541)의 두께(T2) 보다 얇을 수 있다.
에어층(531, 561)을 포함하는 제3 광학 필터(530, 560)의 투과 파장 대역의 광에 대한 광 투과율은 에어층(511,541)을 포함하는 제1 광학 필터(510, 540)의 투과 파장 대역의 광에 대한 광 투과율보다 높고, 에어층(511, 531, 541, 561)을 포함하지 않는 제2 광학 필터(520, 550)의 투과 파장 대역의 광에 대한 광 투과율보다 낮을 수 있다.
동일한 세기의 입사광이 제1 광학 필터(510, 540), 제2 광학 필터(520, 550) 및 제3 광학 필터(530, 560)로 입사되면, 제3 광학 필터(530, 560)를 통과한 투과 파장 대역의 광의 세기는 제1 광학 필터(510, 540)에 비해 크고 제2 광학 필터(520, 550)에 비해 작을 수 있다.
또한, 제3 광학 필터(530, 560)를 통과한 투과 파장 대역의 광의 세기는 입사광의 세기의 증가에 대응하여 제1 광학 필터(510, 540)와 제2 광학 필터(520, 550)에 비해 중간 기울기로 증가하게 된다.
제1 광학 필터(510, 540), 제2 광학 필터(520, 550) 및 제3 광학 필터(530, 560) 각각을 통과한 투과 파장 대역의 광의 세기는 광전 변환 소자(410) 및 리드아웃 회로에 의해 픽셀 신호로 변환되므로, 제1 광학 필터(510, 540)를 포함하는 픽셀의 응답은 도 7에 도시된 저감도 픽셀(LPX)의 응답을 따르게 되고, 제2 광학 필터(520, 550)를 포함하는 픽셀의 응답은 도 7에 도시된 고감도 픽셀(HPX)의 응답을 따르게 되고, 제3 광학 필터(530, 560)를 포함하는 픽셀의 응답은 도 7에 도시된 중감도 픽셀(MPX)의 응답을 따르게 된다.
따라서, 제1 광학 필터(510, 530)를 포함하는 픽셀은 저감도 픽셀(LPX)에 해당할 수 있고, 제2 광학 필터(520, 550)를 포함하는 픽셀은 고감도 픽셀(HPX)에 해당할 수 있고, 제3 광학 필터(530, 560)를 포함하는 픽셀은 중감도 픽셀(LPX)에 해당할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(100)에 의하면, 광학 필터(510, 520, 530, 540, 550, 560) 중 광학 필터(510, 530, 540, 560)에 두께가 서로 다른 에어층(511, 531, 541, 561)을 삽입하여 하나의 픽셀 어레이 내에서 저감도 픽셀, 중감도 픽셀 및 고감도 픽셀을 함께 구현할 수 있어 한 장의 이미지로 HDR 이미지를 생성할 수 있다.
본 개시에서는 쿼드 베이어 패턴 구조에서 특정 위치에 상대적으로 낮은 감도를 갖는 픽셀(저감도 픽셀 또는 중감도 픽셀)을 배치하는 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 즉, 상대적으로 낮은 감도를 갖는 픽셀의 위치는 픽셀 어레이(110) 내에서 임의로 결정될 수 있고, 예를 들어 PDAF(phase detection auto-focusing) 픽셀과 같이 random하게 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 상대적으로 낮은 감도를 갖는 픽셀의 개수는 요구되는 HDR 성능에 부합하도록 결정될 수 있다.

Claims (20)

  1. 각각이 제1 컬러에 해당하는 광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하여 축적하는 제1 및 제2 광전 변환 소자를 포함하는 기판;
    상기 기판의 상측에 배치되고 상기 제1 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제1 광학 필터를 포함하는 제1 픽셀;
    상기 기판의 상측에 배치되고 상기 제1 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제2 광학 필터를 포함하는 제2 픽셀; 및
    상기 제 1광학 필터와 상기 제 1광전 변환 소자 사이에 배치되어 상기 제1 광학 필터에 입사되는 상기 광을 반사시키는 제 1에어층을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1광학 필터의 하부면은 상기 제 1에어층의 상부면과 접속되고,
    상기 제 2광학 필터의 하부면은 상기 기판의 상부면과 접속되는 이미지 센싱 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 픽셀로 입사되는 광의 세기의 증가에 따른 상기 제1 픽셀의 응답의 증가량은, 상기 제2 픽셀로 입사되는 광의 세기의 증가에 따른 상기 제2 픽셀의 응답의 증가량보다 작은 이미지 센싱 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 픽셀의 동적 범위(dynamic range)의 상한 값은 상기 제2 픽셀의 동적 범위의 상한 값보다 크고,
    상기 제1 픽셀의 동적 범위의 하한 값은 상기 제2 픽셀의 동적 범위의 하한 값보다 큰 이미지 센싱 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 픽셀의 동적 범위의 하한 값은 상기 제2 픽셀의 동적 범위의 상한 값보다 작은 이미지 센싱 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    동일한 세기의 광에 대해, 상기 제1 광학 필터의 광 투과율은 상기 제2 광학 필터의 광 투과율보다 낮은 이미지 센싱 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    1개의 상기 제1 픽셀 및 3개의 상기 제2 픽셀은 2x2 매트릭스 형태의 제1 픽셀 그룹을 형성하는 이미지 센싱 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 픽셀 그룹의 일 측에 배치되고, 제2 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제3 광학 필터를 포함하는 제3 픽셀, 및 상기 제2 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제4 광학 필터를 포함하는 제4 픽셀을 포함하는 제2 픽셀 그룹을 더 포함하고,
    상기 제 3광학 필터와 제 3광전 변환 소자 사이에 배치되며 상기 제3 광학 필터에 입사되는 상기 광을 반사시키는 제 2에어층을 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 3광학 필터와 상기 제 4광학 필터의 사이에 형성되는 광학 그리드 구조를 더 포함하고,
    상기 제 2에어층은 상기 제 3광학 필터의 하단에 배치되며, 상기 제 2에어층의 높이는 상기 제 3광학 필터 보다 낮고 상기 광학 그리드 구조 보다 높은 이미지 센싱 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 픽셀 그룹의 타 측에 배치되고, 제3 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제5 광학 필터를 포함하는 제5 픽셀, 및 상기 제3 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제6 광학 필터를 포함하는 제6 픽셀을 포함하는 제3 픽셀 그룹을 더 포함하고,
    상기 제 5광학 필터에 포함되어 상기 제5 광학 필터에 입사되는 상기 광을 반사시키는 제 3에어층을 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 5광학 필터와 상기 제 6광학 필터의 사이에 형성되는 광학 그리드 구조를 더 포함하고,
    상기 제 3에어층은 상기 제 5광학 필터의 하단에 배치되며, 상기 제 3에어층의 높이는 상기 제 5광학 필터 보다 낮고 상기 광학 그리드 구조 보다 높은 이미지 센싱 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 컬러에 대응하는 광을 선택적으로 투과시키는 제7 광학 필터를 포함하는 제7 픽셀을 포함하고,
    상기 제7 광학 필터의 하단에 포함되어 상기 제 1에어층 보다 두께가 얇은 제 4에어층을 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제7 픽셀로 입사되는 광의 세기의 증가에 따른 상기 제7 픽셀의 응답의 증가량은, 상기 제1 픽셀로 입사되는 광의 세기의 증가에 따른 상기 제1 픽셀의 응답의 증가량보다 크고 상기 제2 픽셀로 입사되는 광의 세기의 증가에 따른 상기 제2 픽셀의 응답의 증가량보다 작은 이미지 센싱 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제7 픽셀의 동적 범위의 상한 값은, 상기 제1 픽셀의 동적 범위의 상한 값보다 작고 상기 제2 픽셀의 동적 범위의 상한 값보다 크고,
    상기 제7 픽셀의 동적 범위의 하한 값은, 상기 제1 픽셀의 동적 범위의 하한 값보다 작고 상기 제2 픽셀의 동적 범위의 하한 값보다 큰 이미지 센싱 장치.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 제7 픽셀의 동적 범위의 하한 값은, 상기 제2 픽셀의 동적 범위의 상한 값보다 작고,
    상기 제7 픽셀의 동적 범위의 상한 값은, 상기 제1 픽셀의 동적 범위의 하한 값보다 큰 이미지 센싱 장치.
  16. 각각이 제1 컬러에 해당하는 광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하여 축적하는 제1 내지 제3 광전 변환 소자를 포함하는 기판; 및
    상기 기판의 상측에 배치되고, 상기 제1 광전 변환 소자에 대응하는 제1 광학 필터와, 상기 제2 광전 변환 소자에 대응하는 제2 광학 필터를 포함하는 광학 필터 어레이를 포함하며,
    상기 광학 필터 어레이는
    상기 제 1광학 필터와 상기 제 1광전 변환 소자 사이에 배치되어 상기 제1 광학 필터에 입사되는 상기 광을 반사시키는 제 1에어층을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 광학 필터 어레이는
    상기 제 1광학 필터의 하부면은 상기 제 1에어층의 상부면과 접속되고,
    상기 제 2광학 필터의 하부면은 상기 기판의 상부면과 접속되는 이미지 센싱 장치.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 광학 필터 어레이는
    상기 기판의 상측에 배치되고 상기 제 3광전 변환 소자에 대응하는 제3 광학 필터; 및
    상기 제3 광학 필터와 상기 제 3광전 변환 소자 사이에 배치되어 상기 제 1에어층 보다 두께가 얇은 제 2에어층을 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 광학 필터 어레이는
    상기 제 1광학 필터와 상기 제 2광학 필터 및 상기 제 3광학 필터의 사이에 형성되는 광학 그리드 구조들을 더 포함하고,
    상기 제 2에어층은 상기 제 3광학 필터의 하단과 상기 기판의 상부면 사이에 배치되며, 상기 제 2에어층의 높이는 상기 제 1에어층 및 상기 광학 그리드 구조들보다 낮은 이미지 센싱 장치.
  20. 제 16항에 있어서,
    동일한 세기의 광에 대해, 상기 제1 광학 필터의 광 투과율은 상기 제2 광학 필터의 광 투과율보다 낮은 이미지 센싱 장치.
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