KR20230078460A

KR20230078460A - 이미지 센서 및 이미지 센서의 자동 초점 동작 방법

Info

Publication number: KR20230078460A
Application number: KR1020220031768A
Authority: KR
Inventors: 김지용; 이광현; 정재진; 최원탁; 하예은
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2021-11-26
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2023-06-02

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 기판의 상면에 평행하게 배열되는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 상기 기판은 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 복수의 포토 다이오드들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 리셋 신호를 획득하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 상기 복수의 포토 다이오드들 중 하나로부터 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 합산 픽셀 신호를 획득하는 리드아웃 회로를 포함하는 로직 회로를 포함하고, 상기 복수의 포토 다이오드들 중 상기 싱글 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드는 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 이용하여, 자동 초점 동작에 수반되는 리드아웃 횟수를 감소시켜 프레임 속도 감소를 최소화하면서 자동 초점 동작을 수행할 수 있다.

Description

이미지 센서 및 이미지 센서의 자동 초점 동작 방법{IMAGE SENSOR AND AUTOFOCUSING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 이미지 센서 및 이미지 센서의 자동 초점 동작 방법에 관한 것이다.

이미지 센서는 빛을 받아들여 전기 신호를 생성하는 반도체 기반의 센서로서, 복수의 단위 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이와, 픽셀 어레이를 구동하고 이미지를 생성하기 위한 회로 등을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들은 외부의 빛에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드 및 포토 다이오드가 생성한 전하를 전기 신호로 변환하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 이미지 센서는 사진이나 동영상을 촬영하기 위한 카메라 이외에, 스마트폰, 태블릿 PC, 랩톱 컴퓨터, 텔레비전, 자동차 등에 폭넓게 적용될 수 있다. 최근에는 자동 초점 성능을 향상시키기 위한 연구와 함께 높은 화질을 갖는 이미지를 생성하기 위한 연구가 진행되고 있다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 자동 초점 동작에 수반되는 리드아웃 횟수를 감소시켜 프레임 속도 감소를 최소화하면서 자동 초점 동작을 수행할 수 있는 이미지 센서를 제공하고자 하는 데에 있다.

본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 서로 마주보는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판의 상면에 평행하게 배열되는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 상기 제1 면 상에 배치되는 컬러 필터, 및 상기 컬러 필터 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 상기 기판은 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 복수의 포토 다이오드들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 리셋 신호를 획득하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 상기 복수의 포토 다이오드들 중 하나로부터 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 합산 픽셀 신호를 획득하는 리드아웃 회로를 포함하는 로직 회로를 포함하고, 상기 복수의 포토 다이오드들 중 상기 싱글 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드는 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 서로 다른 위치에 배치된다.

본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 서로 마주보는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판의 상면에 평행하게 배열되는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 상기 제1 면 상에 배치되는 컬러 필터, 및 상기 컬러 필터 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 상기 기판은 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 복수의 포토 다이오드들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 리셋 신호를 획득하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 상기 복수의 포토 다이오드들 중 하나로부터 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 상기 복수의 포토 다이오드들 중 인접한 두 개의 포토 다이오드들로부터 듀얼 픽셀 신호를 획득하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 합산 픽셀 신호를 획득하는 리드아웃 회로를 포함하는 로직 회로를 포함하고, 상기 리드아웃 회로는 상기 복수의 포토 다이오드들로부터 획득한 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하고, 상기 아날로그-디지털 변환기의 상기 싱글 픽셀 신호 및 상기 듀얼 픽셀 신호에 대한 출력 신호의 크기는 상기 합산 픽셀 신호에 대한 출력 신호의 크기보다 작다.

본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 기판의 상면에 평행하게 배열되는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 상기 기판은 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 복수의 포토 다이오드들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각의 플로팅 디퓨전 영역이 제1 정전 용량을 가질 때 제1 모드로 상기 복수의 단위 픽셀들에 대한 리드아웃을 수행하고, 상기 제1 정전 용량보다 큰 제2 정전 용량을 가질 때 제2 모드로 상기 복수의 단위 픽셀들에 대한 리드아웃을 수행하는 로직 회로를 포함하고, 상기 로직 회로는 상기 제1 모드와 상기 제2 모드에서 순차적으로 리셋 신호를 획득하고, 상기 제1 모드에서 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 복수의 포토 다이오드들 중 하나로부터 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 제1 합산 픽셀 신호를 획득하며, 상기 제2 모드에서 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 제2 합산 픽셀 신호를 획득하는 리드아웃 회로를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작 방법은, 리드아웃 회로를 이용하여, 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 제1 내지 제4 포토 다이오드들을 각각 포함하는 제1 내지 제4 단위 픽셀을 포함하고 기판의 상면에 평행하게 배열되는 상기 제1 내지 제4 단위 픽셀들에서 리셋 신호를 획득하는 단계; 제1 단위 픽셀의 제2 포토 다이오드, 상기 제2 단위 픽셀의 제1 포토 다이오드, 상기 제3 단위 픽셀의 제4 포토 다이오드, 및 상기 제4 단위 픽셀의 제3 포토 다이오드로부터 각각 싱글 픽셀 신호들을 획득하는 단계; 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 합산 픽셀 신호를 획득하는 단계; 및 리드아웃 동작에 의해 획득한 픽셀 신호들에 기초하여 상하 방향 및 좌우 방향에서의 자동 초점 동작을 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작 방법은, 리드아웃 회로를 이용하여, 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되고 제1 정전 용량을 갖는 플로팅 디퓨전 영역을 공유하는 복수의 포토 다이오드들을 각각 포함하는 복수의 단위 픽셀들에서 제1 리셋 신호를 획득하는 단계, 상기 플로팅 디퓨전 영역이 제2 정전 용량을 갖도록 모드를 변경하는 단계, 상기 복수의 단위 픽셀들에서 제2 리셋 신호를 획득하는 단계, 상기 플로팅 디퓨전 영역이 상기 제1 정전 용량을 갖도록 모드를 변경하는 단계, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 서로 다른 위치에 배치된 포토 다이오드로부터 싱글 픽셀 신호를 획득하는 단계, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 제1 합산 픽셀 신호를 획득하는 단계, 상기 플로팅 디퓨전 영역이 상기 제2 정전 용량을 갖도록 모드를 변경하는 단계, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 제2 합산 픽셀 신호를 획득하는 단계, 및 리드아웃 동작에 의해 획득한 싱글 픽셀 신호들에 기초하여 상하 방향 및 좌우 방향에서의 자동 초점 동작을 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 자동 초점 동작을 수행하기 위해 필요한 픽셀 신호의 리드 횟수를 감소시킴으로써 프레임 주기를 최소화하고, 전력소모를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 적은 횟수의 픽셀 신호 리드 동작을 통해서 상하 방향 및 좌우 방향에 대한 자동 초점 정보를 획득할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들을 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 6 내지 도 8은 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이를 설명하기 위한 평면도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시 예들에 따른 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이의 픽셀 신호를 변환하기 위한 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하는 이미지 센서를 나타내는 도면들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 평면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.
도 19 및 도 20은 도 18에 도시된 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 간단하게 나타낸 도면들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 픽셀 어레이(10)와 로직 회로(20) 등을 포함할 수 있다.

픽셀 어레이(10)는 복수의 행들과 복수의 열들을 따라서 어레이 형태로 배치되는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각은 빛에 응답하여 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환 소자, 및 광전 변환 소자가 생성한 전하에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다.

광전 변환 소자는 반도체 물질로 형성되는 포토 다이오드, 및/또는 유기 물질로 형성되는 유기 포토 다이오드 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)에서, 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각은 2×2 형태로 배열된 복수의 광전 변환 소자를 포함할 수 있으며, 단위 픽셀(PX)에 포함된 광전 변환 소자는 빛을 받아들여 전하를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 단위 픽셀들(PX)은 각각 빛을 받아들여 전하를 생성하는 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 복수의 단위 픽셀들(PX)은 이미지 센서(1)가 자동 초점 기능을 수행하기 위한 자동 초점 픽셀일 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다. 일례로, 복수의 단위 픽셀들(PX)은 복수의 자동 초점 픽셀들을 포함할 수 있고, 복수의 일반 픽셀들을 더 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 단위 픽셀들(PX) 각각이 복수의 광전 변환 소자들을 갖는 경우, 단위 픽셀들(PX) 각각은 복수의 광전 변환 소자들에서 생성된 전하를 처리하기 위한 픽셀 회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)에 포함된 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각은 2×2 형태로 배열된 4개의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 단위 픽셀들(PX) 각각에 대응하는 픽셀 회로는 포토 다이오드들 각각에 대응하는 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터를 포함할 수 있다.

다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다. 일례로, 이미지 센서(1)에 포함된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 소정의 그룹 단위, 또는 그보다 작은 단위로 플로팅 확산 영역을 공유할 수 있고, 이에 따라 포토 다이오드들 중 적어도 일부가 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터 중 일부를 공유할 수 있다.

로직 회로(20)는 픽셀 어레이(10)를 제어하기 위한 회로들을 포함할 수 있다. 일례로, 로직 회로(20)는 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22), 칼럼 드라이버(23), 및 컨트롤 로직(24) 등을 포함할 수 있다.로우 드라이버(21)는 픽셀 어레이(10)를 행(row) 단위로 구동할 수 있다. 일례로, 로우 드라이버(21)는 픽셀 회로의 전송 트랜지스터를 제어하는 전송 제어 신호, 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호 등을 생성하여 픽셀 어레이(10)에 행 단위로 입력할 수 있다.

리드아웃 회로(22)는 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS), 아날로그-디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter, ADC) 등을 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러들은, 단위 픽셀들(PX)과 칼럼 라인들을 통해 연결될 수 있다. 상관 이중 샘플러들은 로우 드라이버(21)의 로우 라인 선택 신호에 의해 선택되는 로우 라인에 연결되는 단위 픽셀들(PX)로부터 픽셀 신호를 수신함으로써 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다. 픽셀 신호는 칼럼 라인들을 통해 수신될 수 있다. 아날로그-디지털 변환기는 상관 이중 샘플러가 검출한 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하여 칼럼 드라이버(23)에 전달할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)에서, 아날로그-디지털 변환기가 칼럼 드라이버(23)에 전달하는 디지털 픽셀 신호의 크기는 픽셀 신호에 따라 달라질 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(1)는 아날로그-디지털 변환기의 처리 속도를 증가시킴으로써 프레임 속도 감소를 더욱 줄일 수 있다.

칼럼 드라이버(23)는 디지털 픽셀 신호를 임시로 저장할 수 있는 래치 또는 버퍼 회로와 증폭 회로 등을 포함할 수 있으며, 리드아웃 회로(22)로부터 수신한 디지털 픽셀 신호를 처리할 수 있다. 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)는 컨트롤 로직(24)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤 로직(24)은 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 컨트롤러 등을 포함할 수 있다.

단위 픽셀들(PX) 중에서 가로 방향으로 같은 위치에 배치되는 단위 픽셀들(PX)은 동일한 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 일례로, 세로 방향으로 같은 위치에 배치되는 단위 픽셀들(PX)은 로우 드라이버(21)에 의해 동시에 선택되며 칼럼 라인들을 통해 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 일 실시예에서 리드아웃 회로(22)는 칼럼 라인들을 통해 로우 드라이버(21)가 선택한 단위 픽셀들(PX)로부터 픽셀 신호를 동시에 획득할 수 있다. 픽셀 신호는 리셋 전압과 픽셀 전압을 포함할 수 있으며, 픽셀 전압은 단위 픽셀들(PX) 각각에서 빛에 반응하여 생성된 전하가 리셋 전압에 반영된 전압일 수 있다. 다만, 도 1을 참조하여 서술한 설명은 이에 한정되지 않을 수 있고, 이미지 센서는 그 외 구성들을 추가로 포함할 수 있으며 다양한 방법으로 구동될 수 있다.

한편, 이미지 센서(1)는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 로우 라인 단위로 구동할 수 있다. 일례로, 이미지 센서(1)는 로우 라인 중 선택 구동 라인을 구동하고, 선택 구동 라인에 연결된 단위 픽셀들(PX)로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 리드할 수 있다. 이 때, 선택 구동 라인을 구동하여 리셋 전압과 픽셀 전압을 리드하는데 걸리는 시간은 하나의 수평 주기로 정의될 수 있다. 이미지 센서(1)는 로우 라인들을 순차적으로 구동하는 롤링 셔터 방식으로 동작할 수 있다.

이미지 센서(1)의 프레임 주기는 픽셀 어레이(10)에 포함된 모든 단위 픽셀들(PX)로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 읽어오는데 필요한 시간으로 정의될 수 있다. 일례로, 프레임 주기는 로우 라인들의 개수와 수평 주기의 곱과 같거나, 그보다 클 수 있다. 이미지 센서(1)의 프레임 주기가 짧을수록, 이미지 센서(1)는 같은 시간 동안 더 많은 개수의 이미지 프레임을 생성할 수 있다.

이미지 센서(1)에서 자동 초점 동작을 수행하기 위해서는 복수 회에 걸쳐 픽셀 신호를 리드 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 자동 초점 동작을 수행하기 위해 필요한 픽셀 신호의 리드 횟수를 감소시킴으로써, 자동 초점 동작에 의해 증가되는 이미지 센서(1)의 프레임 주기를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 프레임 속도 감소를 최소화하고, 전력 소모를 최소화하면서 모든 방향에 대한 자동 초점 정보를 획득할 수 있다.

구현에 따라, 로직 회로(20)와 픽셀 어레이(10)는 서로 다른 반도체 기판들에 형성될 수 있으며, 상기 반도체 기판들은 적층될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)에 포함된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 각각에 대응하는 픽셀 회로(PXC)를 포함할 수 있다. 픽셀 회로(PXC)는 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에 포함되는 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)과 함께 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)에서 생성된 전하를 처리하기 위한 복수의 반도체 소자들을 포함할 수 있다.일례로, 픽셀 회로(PXC)는 제1 포토 다이오드(PD1), 제2 포토 다이오드(PD2), 제3 포토 다이오드(PD3), 및 제4 포토 다이오드(PD4)를 포함할 수 있다. 픽셀 회로(PXC)는 복수의 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 각각에 대응하는 제1 내지 제4 전송 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, TX4), 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 구동 트랜지스터(DX)를 포함할 수 있다. 픽셀 회로(PXC)에 포함된 포토 다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4)들은 플로팅 확산 영역(FD), 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 구동 트랜지스터(DX)를 공유할 수 있다.

한편, 픽셀 회로(PXC)에 포함된 복수의 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3, TX4, RX, SX, DX)의 게이트 전극들은 구동 신호 라인들에 각각 연결될 수 있다. 일례로, 제1 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3, TX4)은 전송 제어 신호 라인(으로부터 전송 제어 신호 TG1, TG2, TG3, TG4)를 입력받아 동작할 수 있고, 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어 신호 라인으로부터 리셋 제어 신호(RG)를 입력받아 동작할 수 있으며, 선택 트랜지스터(SX)는 선택 제어 신호(SG)를 입력받아 동작할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 도 2에 도시된 바로 한정되지 않고, 픽셀 회로는 다양한 방법으로 설계될 수 있다. 일례로, 픽셀 회로는 단위 픽셀(PX)보다 크거나 작은 단위로 포토 다이오드에서 생성된 전하를 처리하기 위한 반도체 소자들을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 어느 하나의 픽셀 회로(PXC)는 해당 픽셀 회로(PXC)에 포함된 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)에서 생성된 전하로부터 제1 전기 신호를 생성하여 제1 칼럼 라인으로 출력하고, 다른 픽셀 회로는 해당 픽셀 회로에 포함된 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)에서 생성된 전하로부터 제2 전기 신호를 생성하여 제2 칼럼 라인으로 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 서로 인접하여 배치되는 둘 이상의 픽셀 회로들은 하나의 제1 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 유사하게, 서로 인접하여 배치되는 둘 이상의 다른 픽셀 회로들은 하나의 제2 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 서로 인접하여 배치되는 픽셀 회로들은 일부의 반도체 소자를 공유할 수도 있다.

제1 내지 제4 전송 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, TX4)는 각각 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4)와 연결될 수 있다. 한편, 제1 내지 제4 전송 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, TX4)은 플로팅 확산 영역(FD)을 공유할 수 있다. 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4)은 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 전하를 생성하고 포토 다이오드들 각각에 축적할 수 있다.

제1 내지 제4 전송 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, TX4)은 각각 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4)에 축적된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 순차적으로 전송할 수 있다. 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 어느 하나에서 생성된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송하기 위해, 제1 내지 제4 전송 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, TX4)의 게이트 전극에는 서로 다른 전송 제어 신호(TG1, TG2, TG3, TG4)가 인가될 수 있다. 이에 따라, 플로팅 확산 영역(FD)은 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 적어도 하나에서 생성된 전하를 축적할 수 있다.

리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하를 주기적으로 리셋할 수 있다. 일례로, 리셋 트랜지스터(RX)의 전극들은 플로팅 확산 영역(FD)과 전원 전압(V_DD)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온되면, 전원 전압(V_DD)과의 전위 차이에 의해 플로팅 확산 영역(FD)에 축적되어있던 전하가 배출되어 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋되고, 플로팅 확산 영역(FD)의 전압은 전원 전압(V_DD)과 동일해질 수 있다.

구동 트랜지스터(DX)의 동작은 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하의 양에 따라 제어될 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 단위 픽셀(PX) 외부에 배치되는 전류원과 조합하여 소스-팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 할 수 있다. 일례로, 플로팅 확산 영역(FD)에 전하가 축적됨에 따른 전위 변화를 증폭하고 이를 출력 라인(Vout)으로 출력할 수 있다.

선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 단위 픽셀들(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 구동 트랜지스터(DX)에서 출력되는 전기적 신호는 선택 트랜지스터(SX)로 전달될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 도 2에 도시된 픽셀 회로에 기초하여, 복수의 단위 픽셀들 중 적어도 하나에서 자동 초점 기능을 제공할 수 있다. 일례로, 이미지 센서(1)는 제1 포토 다이오드(PD1) 내지 제4 포토 다이오드(PD4)를 이용하여 네 방향(예컨대, 상하 방향 및 좌우 방향)에 대하여 자동 초점 기능을 제공할 수 있다.

일례로, 로직 회로는 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 획득한 픽셀 신호와, 제3 포토 다이오드(PD3) 및 제4 포토 다이오드(PD4)로부터 획득한 픽셀 신호를 이용하여 상하 방향에 대하여 자동 초점 기능을 제공할 수 있다. 한편, 로직 회로는 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제3 포토 다이오드(PD3)로부터 획득한 픽셀 신호와, 제2 포토 다이오드(PD2) 및 제4 포토 다이오드(PD4)로부터 획득한 픽셀 신호를 이용하여 좌우 방향에 대하여 자동 초점 기능을 제공할 수 있다. 다만, 자동 초점 기능을 제공하는 단위 픽셀의 픽셀 회로가 반드시 도 2에 도시한 바로 한정되지는 않으며, 필요에 따라 일부 소자가 추가되거나 또는 생략될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들을 설명하기 위한 평면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 4×4 형태로 배열되는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 각각 포함하는 복수의 픽셀 그룹들(PG)을 포함할 수 있다.

이미지 센서(100)에 포함된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 도 2에 도시된 픽셀 회로(PXC)를 포함할 수 있다. 따라서, 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각은 2Х2 형태로 배열되는 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(PX)은 그 사이에 배치되는 소자 분리막(DTI)에 의해 정의될 수 있고, 소자 분리막(DTI)에 의해 분리된 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각은 포토 다이오드를 포함할 수 있다.

이미지 센서(100)에 포함된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 2×2 배열마다 동일한 색상의 컬러 필터에 대응할 수 있고, 컬러 필터의 상부에는 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에 대응하는 마이크로 렌즈(ML)가 배치될 수 있다. 마이크로 렌즈(ML)는 제1 방향(예컨대, Z 방향)에서 복수의 단위 픽셀들(PX)의 최상부에 배치되어 외부의 빛을 픽셀 내부로 입사시킬 수 있다.

도 3을 참조하면, 하나의 컬러 필터 배열은 하나의 픽셀 그룹(PG)에 대응할 수 있다. 일례로, 컬러 필터는 2Х2 형태로 배열된 복수의 픽셀 그룹들(PG)에 대응하도록 청색, 녹색, 녹색, 적색의 순서로 반복적으로 배열될 수 있다.

다만, 이미지 센서(100)의 구성은 도 3에 도시된 바로 한정되지 않을 수 있다. 일례로, 반복적으로 구성되는 컬러 필터 배열은 달라질 수 있다. 일례로, 컬러 필터 배열에는 백색의 컬러 필터가 함께 포함될 수도 있다. 다른 일례로, 컬러 필터 배열은 옥색(Cyan color) 필터, 자청색(Magenta color) 필터 및 노란색(Yellow color) 필터의 배열을 포함할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀들을 설명하기 위한 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 이미지 센서(100)를 I-I` 방향으로 자른 단면도일 수 있다. 도 4를 참조하면, 이미지 센서(100)는 서로 마주보는 제1 면(111) 및 제2 면(112)을 포함하는 기판(110), 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 기판(110)의 내부에 배치되는 포토 다이오드들(PD1, PD2), 및 복수의 단위 픽셀들(PX) 사이에 배치되는 소자 분리막(DTI)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)에서, 기판(110)의 제1 면(111) 상에는 컬러 필터(120), 광 투과층(130), 및 마이크로 렌즈(ML)가 순차적으로 배치될 수 있다. 일례로, 도 4에 도시된 단위 픽셀들(PX)에서 컬러 필터(120)는 녹색일 수 있고, 마이크로 렌즈(ML)는 단위 픽셀들(PX) 각각에 대응할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)에서, 제1 면(111)에 평행한 방향을 따라 배열되는 복수의 단위 픽셀들(PX)은 자동 초점 픽셀일 수 있다. 마이크로 렌즈(ML)를 통해 입사한 빛은 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에 포함된 포토 다이오드(PD1, PD2)로 입사할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 복수의 단위 픽셀들(PX)은 각각에 대응하는 포토 다이오드(PD1, PD2)로부터 픽셀 신호를 획득하여, 이미지에 대한 자동 초점 동작을 수행할 수 있다.

한편, 이미지 센서(100)에서, 포토 다이오드의 하부에는 픽셀 회로가 배치될 수 있다. 일례로, 픽셀 회로는 배선 패턴들(170), 및 배선 패턴들(170)을 커버하는 절연층(180) 등을 포함할 수 있으며, 기판(110)의 제2 면(112) 상에 배치될 수 있다.

도 4에는 도시되어 있지 않으나, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터를 포함하는 복수의 소자들, 및 플로팅 확산 영역을 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 복수의 단위 픽셀들(PX)로부터 픽셀 신호를 획득하도록 동작할 수 있다. 이 때, 복수의 소자들은 플로팅 확산 영역에 인접하는 전송 트랜지스터들일 수 있다. 전송 트랜지스터들 각각의 게이트는, 적어도 일부 영역이 기판(110)에 매립되는 수직 구조를 가질 수 있다.

도 5는 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 파형도이다. 도 6 내지 도 8은 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 평면도들이다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각이 네 개의 포토 다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4)를 포함하는 이미지 센서(200)에서의 자동 초점 동작은 포토 다이오드(PD1, PD2, PD3, PD4) 각각에서의 픽셀 신호를 획득하여 수행될 수 있다. 즉, 이미지 센서(200)는 리셋 신호를 리드아웃한 뒤, 픽셀 신호를 네 번 리드아웃하는 RSSSS 모드로 동작할 수 있다.

도 5를 참조하면, 이미지 센서(200)는 리셋 제어 신호(RG)가 활성화된 상태에서 리셋 트랜지스터가 턴-온되어 플로팅 디퓨전 영역의 전압이 전원 전압에 의해 리셋될 수 있다.

t1과 t2 사이 구간에서 로직 회로는 리셋 동작(R)을 수행할 수 있다. 리셋 동작(R)은 리셋된 플로팅 디퓨전 영역의 리셋 신호를 획득하는 동작으로 정의될 수 있다. 일례로, 플로팅 디퓨전 영역의 전압이 리셋되면, 선택 제어 신호(SEL)를 활성화하여 선택 트랜지스터를 턴-온시키고, 리셋 제어 신호(RG)를 비활성화하여 리셋 트랜지스터를 턴-오프시킴으로써 리드아웃 회로가 픽셀로부터 리셋 전압을 읽어올 수 있다.

도 5와 도 6을 함께 참조하면, t2와 t3 사이 구간에서 로직 회로는 제1 픽셀 신호를 획득하는 제1 동작(S1)을 수행할 수 있다. 제1 동작(S1)을 수행하는 동안 리드아웃 회로는 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 하나의 전하를 플로팅 디퓨전 영역으로 이동시키고, 해당 전하로부터 제1 픽셀 신호를 읽어올 수 있다.

일례로, t2와 t3 사이 구간에서 로직 회로는 제2 포토 다이오드(PD2)와 연결된 제2 전송 트랜지스터에 인가되는 제2 전송 제어 신호(TG2)를 활성화함으로써 제2 포토 다이오드(PD2)에 저장된 전하로부터 제1 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고 제1 픽셀 신호는 제2 포토 다이오드(PD2)가 아닌 다른 포토 다이오드(PD1, PD3, PD4) 중 하나에 저장된 전하로부터 획득될 수 있다.

도 5와 도 7을 함께 참조하면, t3와 t4 사이 구간에서 로직 회로는 제2 픽셀 신호를 획득하는 제2 동작(S2)을 수행할 수 있다. 제2 동작(S2)을 수행하는 동안 리드아웃 회로는 제1 동작(S1) 중 제1 픽셀 신호를 획득하는데 기초한 포토 다이오드 및 이와 인접한 다른 하나의 포토 다이오드의 전하를 플로팅 디퓨전 영역으로 이동시키고, 해당 전하로부터 제2 픽셀 신호를 읽어올 수 있다.

일례로, t3와 t4 사이 구간에서 로직 회로는 제2 포토 다이오드(PD2)와 연결된 제2 전송 트랜지스터에 인가되는 제2 전송 제어 신호(TG2), 및 제2 포토 다이오드(PD2)와 인접한 제4 포토 다이오드(PD4)와 연결된 제4 전송 트랜지스터에 인가되는 제4 전송 제어 신호(TG4)를 활성화함으로써 제2 포토 다이오드(PD2) 및 제4 포토 다이오드(PD4)에 저장된 전하로부터 제2 픽셀 신호를 획득할 수 있다.

도 5와 도 8을 함께 참조하면, t4와 t5 사이 구간에서 로직 회로는 제3 픽셀 신호를 획득하는 제3 동작(S3)을 수행할 수 있다. 제3 동작(S3)을 수행하는 동안 리드아웃 회로는 제2 동작(S2) 중 제2 픽셀 신호를 획득하는데 기초한 포토 다이오드들 및 다른 하나의 포토 다이오드의 전하를 플로팅 디퓨전 영역으로 이동시키고, 해당 전하로부터 제3 픽셀 신호를 읽어올 수 있다.

일례로, t4와 t5 사이 구간에서 로직 회로는 제2 포토 다이오드(PD2)와 연결된 제2 전송 트랜지스터에 인가되는 제2 전송 제어 신호(TG2), 제4 포토 다이오드(PD4)와 연결된 제4 전송 트랜지스터에 인가되는 제4 전송 제어 신호(TG4), 및 제3 포토 다이오드(PD3)와 연결된 제3 전송 트랜지스터에 인가되는 제3 전송 제어 신호(TG3)를 활성화함으로써 제2 포토 다이오드(PD2), 제3 포토 다이오드(PD3), 및 제4 포토 다이오드(PD4)에 저장된 전하로부터 제3 픽셀 신호를 획득할 수 있다.

도 5를 참조하면, t5와 t6 사이 구간에서 로직 회로는 제4 픽셀 신호를 획득하는 제4 동작(S4)을 수행할 수 있다. 제4 동작(S4)에 의해 획득되는 제4 픽셀 신호는 모든 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)의 전하에 기초한 합산 픽셀 신호일 수 있다.

이미지 센서(200)는 RS1S2S3S4 모드에서의 리드아웃 동작들에 의해 획득한 픽셀 신호들에 기초하여 상하좌우 모든 방향에서의 자동 초점 정보를 획득할 수 있다. 다만, 리드아웃 횟수가 증가하여 아날로그-디지털 변환기의 동작 횟수 역시 증가하고, 이에 따라 프레임 속도가 감소할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이를 설명하기 위한 평면도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(300)에 포함된 컬러 필터 배열에 대응하는 픽셀 그룹(PG)들과 그 구성들을 도시한 도면일 수 있다.

도 9를 참조하면, 하나의 컬러 필터 배열은 4개의 서브 픽셀 그룹들(SPG)에 대응할 수 있고, 서브 픽셀 그룹들(SPG) 각각은 소정의 색상을 갖는 컬러 필터를 포함할 수 있다. 서브 픽셀 그룹들(SPG) 각각은 2×2 형태로 배열되는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다.본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(300)에서, 서브 픽셀 그룹들(SPG) 상에 배치되는 컬러 필터는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 중 어느 하나의 색상을 가질 수 있다. 일례로, 이미지 센서(300)의 픽셀 어레이는 2Х2 형태로 배열된 복수의 픽셀 그룹들(PG)에 대응하도록 청색, 녹색, 녹색, 적색의 순서로 반복적으로 배치된 컬러 필터 배열을 갖는 컬러 필터를 포함할 수 있다.

도 9에는 자세히 도시되어 있지 않으나, 각각의 픽셀 그룹들(PG)에 포함된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 그 사이에 배치되는 소자 분리막에 의해 정의될 수 있다.

이미지 센서(300)에 포함된 복수의 단위 픽셀들(PX)로부터 획득된 픽셀 신호를 이용하여 피사체의 초점을 자동으로 맞출 수도 있으며, 획득된 픽셀 신호를 이용하여 이미지를 생성할 수도 있다. 구체적으로, 단위 픽셀들(PX)로부터 출력된 픽셀 신호는 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환될 수 있으며, 초점을 자동으로 맞추거나 이미지를 생성하기 위해 상기 디지털 신호가 이용될 수 있다.

자동 초점 픽셀들은 2×2 형태로 배열되는 복수의 포토 다이오드들로부터 픽셀 신호를 획득하여 자동 초점 동작을 수행할 수 있다. 일례로, 상하 방향으로 배치된 포토 다이오드의 픽셀 신호를 이용하여 상하 방향에서의 자동 초점 정보를 획득할 수 있고, 좌우 방향으로 배치된 포토 다이오드의 픽셀 신호를 이용하여 좌우 방향에서의 자동 초점 정보를 획득할 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(300)는 모든 방향, 예컨대 상하 방향 및 좌우 방향에서의 자동 초점 정보에 기초하여 자동 초점 동작을 수행할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 이미지 센서(300)는 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 서로 다른 위치에 배치되는 포토 다이오드들(PD)로부터 획득된 픽셀 신호들을 이용하여 자동 초점 기능을 수행할 수 있다.

예를 들어, 단위 픽셀 어레이(UPA)에 포함된 단위 픽셀들(PX) 각각은 복수의 포토 다이오드들(PD)을 포함할 수 있다. 각 단위 픽셀(PX)의 포토 다이오드들(PD)은, 단위 픽셀 내에서의 제2 방향(X) 및 제3 방향(Y)에서의 상대적인 위치에 따라 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1-PD4)로 구분될 수 있다. 단위 픽셀 어레이(UPA) 내의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1-PD4) 중에서 골고루 선택된 하나 이상의 포토 다이오드로부터 획득된 픽셀 신호들을 이용하여 단위 픽셀 어레이(UPA) 내의 복수의 단위 픽셀들(PX)의 초점을 자동으로 맞출 수 있다.

도 9의 이미지 센서(300)는 단위 픽셀들(PX)의 8개의 행(Row1-Row8)과 8개의 열로 구성되는 단위 픽셀 어레이(UPA)를 포함할 수 있다. 도 9는 이미지 센서(300)에 포함된 하나의 단위 픽셀 어레이(UPA)를 도시하고 있으나, 이미지 센서(300)는 복수의 단위 픽셀 어레이들(UPA)을 포함할 수도 있다. 그리고, 하나의 단위 픽셀 어레이(UPA)가 포함하는 행들 및 열들의 개수도 제한되지 않는다.

한편, 이미지 센서(300)에 포함된 복수의 단위 픽셀들(PX)은 행 단위로 구동될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 둘 이상의 행들로부터 픽셀 신호들이 동시에 출력될 수 있으며, 동시에 출력된 픽셀 신호들은 자동으로 초점을 맞추기 위해 이용될 수 있다. 이미지 센서(300)는 동시에 출력된 픽셀 신호들을 디지털 신호로 변환하기 위해, 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함할 수 있다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시 예들에 따른 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이의 픽셀 신호를 변환하기 위한 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하는 이미지 센서(300)를 나타내는 도면들이다. 도 10a는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함하는 픽셀 어레이 및 복수의 아날로그-디지털 변환기들(ADC_E, ADC_O)를 포함하는 이미지 센서(300)를 도시한다. 도 10a에 도시된 픽셀 어레이는 도 9를 참조하여 설명된 픽셀 어레이와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀들(PX)은 복수의 행들(Row1-Row8)을 구성할 수 있다. 복수의 행들은 짝수 행 그룹들(RG_E)과 홀수 행 그룹들(RG_O)로 그루핑될 수 있다.

짝수 행 그룹들(RG_E)에 포함된 짝수 행들(Row1-Row4)은 칼럼 라인들을 통해 짝수 아날로그-디지털 변환기(ADC_E)에 연결될 수 있다. 짝수 행으로부터 출력된 픽셀 신호들은 짝수 아날로그-디지털 변환기(ADC_E)로 전송되고, 전송된 픽셀 신호들은 디지털 신호들로 변환될 수 있다. 마찬가지로, 홀수 행 그룹들(RG_O)에 포함된 홀수 행들(Row5-Row8)은 칼럼 라인들을 통해 홀수 아날로그-디지털 변환기(ADC_O)에 연결될 수 있다. 홀수 행으로부터 홀수 아날로그-디지털 변환기(ADC_O)로 전송된 픽셀 신호들은 디지털 신호들로 변환될 수 있다.

짝수 행과 홀수 행은 서로 다른 칼럼 라인들을 통해 서로 다른 아날로그-디지털 변환기에 연결될 수 있다. 따라서, 짝수 행의 픽셀 신호와 홀수 행의 픽셀 신호가 동시에 출력될 수 있으며, 상기 동시에 출력된 픽셀 신호들을 이용하여 초점을 자동으로 맞출 수 있다.

도 10b는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함하는 픽셀 어레이 및 복수의 아날로그-디지털 변환기들(ADC_E, ADC_O)을 포함하는 이미지 센서(300)를 도시한다. 도 10b의 픽셀 어레이(300)는 도 10a의 픽셀 어레이와 동일한 구조를 가질 수 있으며, 도 10a와 동일한 방식으로 복수의 아날로그-디지털 변환기들(ADC_E, ADC_O)와 연결될 수 있다. 다만, 도 10a의 복수의 아날로그-디지털 변환기들(ADC_E, ADC_O)은 모두 픽셀 어레이(300)의 아래에 위치하는 반면에, 도 10b에서는 홀수 아날로그-디지털 변환기(ADC_O)는 픽셀 어레이(300)의 위쪽에 위치하며, 짝수 아날로그-디지털 변환기(ADC_E)는 픽셀 어레이(300)의 아래쪽에 위치할 수 있다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 구체적으로, 도 11은 이미지 센서의 자동 초점 동작을 위해서 제1 리드 동작(S1) 시 읽혀지는 포토 다이오드를 표시한 도면이다. 그리고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 파형도이다.

도 11을 참조하면, 이미지 센서(300)는 기판의 상면에 제2 방향(X) 및 제3 방향(Y)으로 평행하게 배열되는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각은 컬러 필터 및 컬러 필터 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다. 2Х2 형태로 배열되는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함하는 서브 픽셀 그룹(SPG)마다 동일한 색상의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 기판은 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 복수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 복수의 포토 다이오드들은 단위 픽셀(PX) 내에서 제2 방향(X) 및 제3 방향(Y)에서의 상대적인 위치에 따라 제1 내지 제4 포토 다이오드들(PD1-PD4)로 구분될 수 있다. 도 11의 예에서, 단위 픽셀(PX) 내에서 좌측상단에 위치한 포토 다이오드는 제1 포토 다이오드(PD1), 우측상단에 위치한 포토 다이오드는 제2 포토 다이오드(PD2), 좌측하단에 위치한 포토 다이오드는 제3 포토 다이오드(PD3), 우측하단에 위치한 포토 다이오드는 제4 포토 다이오드(PD4)로 구분될 수 있다.본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(300)는 리셋 신호를 리드아웃한 뒤, 픽셀 신호를 두 번 리드아웃하는 RS1S2모드로 동작하여 자동 초점 동작을 수행할 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(300)는 자동 초점 동작을 수행하기 위한 아날로그-디지털 변환기의 동작 횟수 증가를 최소화할 수 있고, 프레임 속도 감소를 최소화하면서 모든 방향에 대한 자동 초점 동작을 수행할 수 있다.

일례로, 이미지 센서(300)의 로직 회로는 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 리셋 신호를 획득하고, 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에 포함된 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 하나로부터 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤, 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)의 합산 픽셀 신호를 획득하는 리드아웃 회로를 포함할 수 있다.

이 때, 이미지 센서(300)는 두 번의 픽셀 신호 리드아웃만으로 모든 방향에서 자동 초점 동작을 수행할 수 있어야 하므로, 단위 픽셀 어레이(UPA) 내의 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 첫 번째 리드아웃 동작, 즉 제1 동작(S1)에 의해 싱글 픽셀 신호가 획득되는 하나의 포토 다이오드는, 복수의 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 중에서 골고루 선택될 수 있다.

일례로, 리드아웃 동작이 수행되는 포토 다이오드 배열은 8Х8 형태로 배열된 단위 픽셀 어레이(UPA)마다 반복되도록 결정될 수 있다. 이에 따라, 단위 픽셀 어레이(UPA)에 포함된 총 64개의 단위 픽셀들(PX)은 제1 포토 다이오드(PD1)로부터 픽셀 신호를 획득하는 16개의 단위 픽셀들(PX), 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 픽셀 신호를 획득하는 16개의 단위 픽셀들(PX), 제3 포토 다이오드(PD3)로부터 픽셀 신호를 획득하는 16개의 단위 픽셀들(PX), 및 제4 포토 다이오드(PD4)로부터 픽셀 신호를 획득하는 16개의 단위 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있고, 제1 리드 동작(S1)이 수행되는 포토 다이오드 배열은 소정의 규칙에 의해 다양한 방법으로 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(300)의 리드아웃 회로는 싱글 픽셀 신호 및 합산 픽셀 신호에 기초하여 상하 방향 및 좌우 방향에 대한 자동 초점 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 리드아웃 회로는 단위 픽셀 어레이(UPA)에 포함된 제1 내지 제4 단위 픽셀(PX1-PX4) 각각에서 서로 다른 위치의 포토 다이오드들로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들을 조합하여 상하 방향 및 좌우 방향에 대한 자동 초점 동작을 수행할 수 있다. 서로 다른 위치의 포토 다이오드들 간의 거리는 예를 들어 수 마이크로미터 정도에 불과할 수 있으므로, 서로 다른 위치의 포토 다이오드들로부터의 싱글 픽셀 신호를 조합하더라도 정상적으로 자동 초점 동작이 수행될 수 있다. 한편, 상하 방향에서 자동 초점 동작에 이용되는 싱글 픽셀 신호의 개수는 좌우 방향에서 자동 초점 동작에 이용되는 싱글 픽셀 신호의 개수와 동일할 수 있다.

도 12는 도 11의 이미지 센서(300)에 도시된 단위 픽셀들(PX) 중 제1 내지 제4 단위 픽셀들(PX1-PX4)을 이용한 자동 초점 동작을 도시한 것일 수 있다. 도 12에서 t1 내지 t8의 시점과 R, S1, S2의 동작은 도 5에 도시된 시점 및 동작과 구별될 수 있다.

도 10a 및 도 10b를 참조하여 설명된 바와 같이, 짝수 행의 픽셀 신호들과 홀수 행의 픽셀 신호들은 동시에 출력될 수 있다. 도 12를 참조하면, t1과 t4 사이 구간에서 제1 행(Row1) 및 제5 행(Row5)에 연결된 두 개의 단위 픽셀(PX1, PX3)로부터 픽셀 신호들이 동시에 출력될 수 있다. 이후에, t5와 t8 사이 구간에서 제2 행(Row2) 및 제6행(Row6)에 연결된 두 개의 단위 픽셀(PX2, PX4)로부터 픽셀 신호들이 동시에 출력될 수 있다.

도 12를 참조하면, 이미지 센서(300)에서 제1 행 및 제5 행의 리셋 제어 신호(RG1, RG5)가 활성화된 상태에서 리셋 트랜지스터가 턴-온되어 플로팅 디퓨전 영역의 전압이 전원 전압에 의해 리셋될 수 있다.

t1과 t2 사이 구간에서 로직 회로는 리셋 동작(R)을 수행할 수 있다. 리셋 동작(R)은 리셋된 플로팅 디퓨전 영역의 리셋 신호를 획득하는 동작으로 정의될 수 있다. 전송 제어 신호들(TG1_E-TG4_E, TG1_O-TG4-O)이 비활성화되고, 리셋 제어 신호(RG1, RG5)가 활성화되면 플로팅 디퓨전 영역의 전압이 전원 전압(V_DD)으로 리셋될 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역의 전압이 리셋되면, 선택 제어 신호(SEL)를 활성화하여 선택 트랜지스터를 턴-온시키고, 리셋 제어 신호(RG1, RG5)를 비활성화하여 리셋 트랜지스터를 턴-오프시킴으로써 리드아웃 회로가 픽셀의 리셋 전압에 따른 리셋 신호값을 획득할 수 있다.

t2와 t3 사이 구간에서 로직 회로는 각 단위 픽셀(PX)에 포함된 포토 다이오드들 중 어느 하나로부터 생성된 픽셀 신호를 획득하는 제1 리드 동작(S1)을 수행할 수 있다. 제1 동작(S1)을 수행하는 동안 리드아웃 회로는 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 제1 위치에 배치된 하나의 포토 다이오드의 전하에 따른 싱글 픽셀 신호를 생성하고 저장할 수 수 있다.

일례로, t2와 t3 사이 구간에서 로직 회로는 제1 단위 픽셀(PX1)의 제2 포토 다이오드(PD2)와 연결된 제2 전송 트랜지스터에 인가되는 제2 전송 제어 신호(TG2_E)를 활성화함으로써 제2 포토 다이오드(PD2)에 저장된 전하로부터 싱글 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 동시에, 로직 회로는 제3 단위 픽셀(PX3)의 제4 포토 다이오드(PD4)와 연결된 제4 전송 트랜지스터에 인가되는 제4 전송 제어 신호(TG4_0)를 활성화함으로써 제4 포토 다이오드(PD4)에 저장된 전하로부터 싱글 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 픽셀 신호는 제2 및 제4 포토 다이오드(PD2, PD4)가 아닌 다른 두 개의 포토 다이오드들에 저장된 전하로부터 획득될 수 있다.

제2 포토 다이오드(PD2)에 대응하는 싱글 픽셀 신호와 제4 포토 다이오드(PD4)에 대응하는 싱글 픽셀 신호는 자동 초점 동작을 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 싱글 픽셀 신호들은 조합되어 단위 픽셀(PX)의 좌우 초점을 맞추기 위한 우측 신호로 이용될 수 있다.

도 11을 참조하면, t3과 t4 사이 구간에서 로직 회로는 합산 픽셀 신호를 획득하는 제2 리드 동작(S2)을 수행할 수 있다. 제2 리드 동작(S2)으로부터 로직 회로는 하나 이상의 열에 배치된 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 합산 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 예를 들어, t3과 t4 사이 구간에서 제1 단위 픽셀(PX1)을 비롯하여 제1 행(Row1)에 포함된 단위 픽셀들(PX) 각각에서 합산 픽셀 신호가 획득되고, 동시에 제3 단위 픽셀(PX3)을 비롯하여 제5 행(Row5)에 포함된 단위 픽셀들(PX) 각각에서 합산 픽셀 신호가 획득될 수 있다. 합산 픽셀 신호들은 이미지를 생성하기 위해 이용될 수 있다.

t1과 t4 사이 구간에서 제1 및 제3 단위 픽셀(PX1, PX3)에서 수행된 리드아웃 동작과 유사한 동작이 t5와 t8 사이 구간에서 제2 및 제4 단위 픽셀(PX2, PX4)에 대해서 수행될 수 있다.

예를 들어, t5와 t6 사이 구간에서 리셋 동작(R)이 수행될 수 있다. 그리고, t6과 t7 사이 구간에서 제2 단위 픽셀(PX2)의 제1 포토 다이오드(PD1)에 저장된 전하로부터 싱글 픽셀 신호를 획득하고, 제4 단위 픽셀(PX4)의 제3 포토 다이오드(PD3)에 저장된 전하로부터 싱글 픽셀 신호를 획득하는 제1 리드 동작(S1)이 수행될 수 있다. 제1 포토 다이오드(PD1)에 대응하는 픽셀 신호와 제3 포토 다이오드(PD3)에 대응하는 싱글 픽셀 신호들은 자동 초점을 맞추기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 픽셀 신호들은 합산되어 단위 픽셀(PX)의 좌우 초점을 맞추기 위한 좌측 신호로 이용될 수 있다.

t7과 t8 사이 구간에서, 제2 단위 픽셀(PX2)을 비롯하여 제2 행(Row2)에 포함된 단위 픽셀들(PX) 각각에서 합산 픽셀 신호가 획득되고, 동시에 제4 단위 픽셀(PX4)을 비롯하여 제6 행(Row6)에 포함된 단위 픽셀들(PX) 각각에서 합산 픽셀 신호를 획득하는 제2 리드 동작(S2)이 수행될 수 있다. 제2 리드 동작(S2)에서 획득된 합산 픽셀 신호들은 이미지를 생성하기 위해 이용될 수 있다.

이미지 센서(300)는 t1과 t8 사이 구간에서 네 개의 단위 픽셀들(PX1-PX4)에 대해 수행된 제1 리드 동작(S1)에 기초하여 획득된 싱글 픽셀 신호들을 조합하여 좌우 방향 및 상하 방향에 대한 자동 초점 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(300)는 제1 및 제3 포토 다이오드(PD1, PD3)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들이 합산된 좌측 신호와, 제2 및 제4 포토 다이오드(PD2, PD4)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들이 합산된 우측 신호를 이용하여 좌우 방향 초점을 자동으로 맞출 수 있다. 그리고, 이미지 센서(300)는 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1, PD2)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들이 합산된 상단 신호와, 제3 및 제4 포토 다이오드(PD3, PD4)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들이 합산된 하단 신호를 이용하여 상하 방향 초점을 자동으로 맞출 수 있다.도 12를 참조하여 설명된 바에 따르면, 제1, 제2, 제5, 제6 행(Row1, Row2, Row5, Row6)에 포함된 제1 내지 제4 단위 픽셀들(PX1-PX4)에 대한 리드아웃 동작에 기초하여 자동 초점 동작이 수행될 수 있다. 하나의 행에 포함된 단위 픽셀들(PX)은 동시에 리드될 수 있으므로, t1과 t8 사이 구간에서 제1 내지 제4 단위 픽셀들(PX1-PX4)뿐만 아니라, 제1, 제2, 제5, 제6 행(Row1, Row2, Row5, Row6)에 포함된 단위 픽셀들의 자동 초점 동작이 수행될 수 있다.

마찬가지로, 제3, 제4, 제7, 제8 행(Row3, Row4, Row7, Row8)에 포함된 단위 픽셀들(PX)의 리드아웃 동작에 기초하여 자동 초점 동작이 수행될 수 있다. 제3 행(Row3) 및 제7 행(Row7)은 동시에 리드아웃될 수 있으며, 제4 행(Row4) 및 제8 행(Row8)은 동시에 리드아웃될 수 있다.

이미지 센서(300)의 자동 초점 동작에서는, 도 5에 도시된 이미지 센서(200)의 자동 초점 동작과 비교하여 리드아웃 횟수가 감소할 수 있다.

구체적으로, 도 5의 이미지 센서(200)에서는 리셋 동작을 수행하고, 자동 초점 동작을 수행하고 이미지 데이터를 생성하기 위해 각각의 행에서 다섯 번의 리드아웃(R, S1-S4) 동작이 수행된다. 반면에, 이미지 센서(300)에서는 각각의 행에서 세 번의 리드아웃(R, S1, S2) 동작만을 수행하더라도, 행들 간의 제1 리드 동작(S1) 결과들을 조합하여 자동 초점 동작을 수행하고, 제2 리드 동작(S2) 결과들에 기초하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다.

각각의 행에서 자동 초점 동작을 위해 요구되는 리드아웃 횟수가 감소하면, 아날로그-디지털 변환기의 동작 횟수 역시 감소할 수 있다. 리드아웃 횟수 및 아날로그-디지털 변환기의 동작 횟수가 감소하면, 프레임 주기는 짧아지고 프레임 속도는 향상될 수 있다. 그리고, 동일한 수의 프레임을 생성하기 위해 요구되는 전력은 감소할 수 있다.

다만, 도 5에 도시한 이미지 센서(200)에서 1개의 단위 픽셀(PX)별로 자동 초점 동작을 수행하는 것과 달리, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(300)에서 4개의 단위 픽셀(PX) 단위로 자동 초점 동작이 수행되므로, 자동 초점 동작의 밀도는 도 5에 도시한 이미지 센서(200)의 자동 초점 동작의 밀도의 1/4 정도로 낮아질 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(300)에서, 리드아웃 회로는 복수의 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)로부터 획득한 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기는 리드한 신호에 따라 출력 신호의 크기를 조절할 수 있다.

일례로, 아날로그-디지털 변환기가 제1 리드 동작(S1)에서 어느 하나의 포토 다이오드로부터 획득한 싱글 픽셀 신호를 처리하여 출력하는 출력 신호의 크기는, 아날로그-디지털 변환기가 두 번째 리드아웃 동작, 즉 제2 리드 동작(S2)에서 네 개의 포토 다이오드들로부터 획득한 합산 픽셀 신호를 처리하여 출력하는 출력 신호의 크기보다 작을 수 있다. 예를 들어, 합산 픽셀 신호를 10bit 신호로 출력하는 경우에, 개별 픽셀 신호의 값은 8bit 신호로도 표현될 수 있다.

구현에 따라, 아날로그-디지털 변환기가 싱글 픽셀 신호는 9bit 신호로 출력하고, 합산 픽셀 신호를 10bit 신호로 출력할 수 있다. 이 경우, 아날로그-디지털 변환기가 싱글 픽셀 신호와 합산 픽셀 신호를 일률적으로 10bit 신호로 출력하는 경우에 비해서, 아날로그-디지털 변환기가 싱글 픽셀 신호를 처리하는 데 걸리는 시간이 짧아질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(300)에서 프레임 주기가 더욱 짧아질 수 있으며, 프레임 속도의 감소가 완화될 수 있다.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.

도 13의 픽셀 회로(PXC)는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 픽셀 회로(PXC)에 대응할 수 있다. 일례로, 도 13의 픽셀 회로(PXC)의 구성은 도 2에 도시된 픽셀 회로(PXC)와 유사할 수 있다. 한편, 픽셀 회로(PXC)에 포함된 복수의 트랜지스터들, 예컨대 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 및 선택 트랜지스터 등의 게이트 전극에는 복수의 메탈 배선들을 통해 제어 신호가 인가될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 리드아웃 회로는 복수의 메탈 배선들의 연결관계에 기초하여 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드를 선택할 수 있다.

도 2와 도 13에서, 단위 픽셀들(PX)에 포함된 전송 트랜지스터들(TX1-TX4)과 전송 제어 신호를 전달하는 메탈 배선들의 연결관계가 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면 단위 픽셀들(PX)의 제1 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX1-TX4)은 각각 제1 내지 제4 전송 제어 신호들(TG1-TG4)에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 위쪽에 도시된 픽셀 회로들에서 제1 포토 다이오드(PD1)로부터 픽셀 신호를 획득하고, 아래쪽에 도시된 픽셀 회로들에서 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 픽셀 신호를 획득하기 위해서는, 위쪽에 도시된 픽셀 회로들에서는 제1 전송 제어 신호(TG1)를 활성화하고, 아래쪽에 도시된 픽셀 회로들에서는 제2 전송 제어 신호(TG2)를 활성화할 수 있다.

반면에, 도 13을 참조하면 위쪽에 도시된 픽셀 회로들에서는 제1 전송 트랜지스터들(TX1)이 제1 전송 제어 신호(TG1)에 의해 제어되고, 아래쪽에 도시된 픽셀 회로들에서는 제2 전송 트랜지스터들(TX2)이 제1 전송 제어 신호(TG1)에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 도 13에 도시된 픽셀 회로들에서 일괄적으로 제1 전송 제어 신호(TG1)을 인가하더라도 위쪽에 도시된 픽셀 회로들에서는 제1 포토 다이오드(PD1)로부터 픽셀 신호를 획득하고, 아래쪽에 도시된 픽셀 회로들에서는 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 픽셀 신호를 획득할 수 있다.

도 13에서는 픽셀 회로(PXC)마다 전송 트랜지스터들(TX1-TX4)과 전송 제어 신호를 전달하는 메탈 배선들의 연결관계를 다르게 할 수 있다. 이에 따라, 각 픽셀 회로들에 한 종류의 전송 제어 신호(TG1)를 인가함으로써 각 단위 픽셀로부터 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1-PD4)중에서 골고루 선택된 어느 하나의 포토 다이오드로부터 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1-PD4) 중에서 골고루 선택된 어느 하나의 포토 다이오드로부터 픽셀 신호를 획득하기 위한 메탈 배선의 연결 방법은 도 2 및 도 13을 참조하여 설명된 것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 각 픽셀 회로에서 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1-PD4) 중에서 골고루 선택된 포토 다이오드에 메탈 라인을 추가로 연결하고, 추가적인 메탈 라인에 전송 제어 신호를 인가함으로써 각 픽셀 회로에서 픽셀 신호를 획득할 수 있으며, 획득된 픽셀 신호를 이용하여 자동 초점 동작을 수행할 수 있다.

도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 평면도들이다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 파형도이다. 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 평면도이다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 이미지 센서(500)는 기판의 상면에 제2 방향(예컨대, X 방향) 및 제3 방향(예컨대, Y 방향)으로 평행하게 배열되는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각은 컬러 필터 및 컬러 필터 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다. 2Х2 형태로 배열되는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함하는 서브 픽셀 그룹(SPG)마다 동일한 색상의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 기판은 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 복수의 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(500)는 리셋 신호를 리드아웃한 뒤, 픽셀 신호를 세 번 리드아웃하는 RS1S2S3모드로 동작하여 자동 초점 동작을 수행할 수 있다. 이에 따른 이미지 센서(500)는 도 11에 도시된 이미지 센서(300)와 비교하여 프레임 속도가 감소할 수 있으나, 자동 초점 동작 밀도가 개선될 수 있다.

일례로, 이미지 센서(500)의 로직 회로는 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 리셋 신호를 획득하고, 제1 리드 동작(S1) 구간에 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에 포함된 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 하나로부터 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤, 제2 리드 동작(S2) 구간에 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에 포함된 복수의 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 인접한 두 개의 포토 다이오드들로부터 듀얼 픽셀 신호를 획득하고, 제3 리드 동작(S3) 구간에 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 모든 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)의 합산 픽셀 신호를 획득하는 리드아웃 회로를 포함할 수 있다. 제2 동작(S2) 구간에 읽히는 2개의 포토 다이오드들 중 하나는 제1 리드 동작(S1)에서 읽혀진 포토 다이오드를 포함할 수 있다.

이미지 센서(500)에서 제1 리드 동작(S1)구간에서 싱글 픽셀 신호를 획득하는 동작은 도 11에 도시한 이미지 센서(300)에서 싱글 픽셀 신호를 획득하는 동작과 동일할 수 있다. 즉, 도 14에 도시된 싱글 픽셀 신호가 리드되는 포토 다이오드의 배열은 도 11에 도시된 것과 동일할 수 있다. 제2 리드 동작(S2)에서 리드되는 포토 다이오드들은, 제1 리드 동작(S1)에서 리드딘 포토 다이오드들을 포함할 수 있다.

이미지 센서(500)에서, 복수의 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 듀얼 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드들은 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.

도 15를 참조하면, 제2 리드 동작(S2) 구간에서 이미지 센서(500)의 서브 픽셀 그룹(SPG)에 포함된 단위 픽셀들(PX)은 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제3 포토 다이오드(PD3), 또는 제2 포토 다이오드(PD2) 및 제4 포토 다이오드(PD4)로부터 듀얼 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(500)는 좌우 방향에서의 자동 초점 성능을 개선할 수 있다.예를 들어, 제2 동작(S2) 구간에서 제1 단위 픽셀(PX1)의 제2 및 제4 포토 다이오드(PD2, PD4)로부터 우측 신호가 획득될 수 있다. 제3 동작(S3) 구간에서는 제1 단위 픽셀(PX1)의 합산 픽셀 신호가 획득될 수 있다. 합산 픽셀 신호와 우측 신호의 감산을 수행하면 제1 단위 픽셀(PX1)의 좌측 신호가 획득될 수 있다. 단위 픽셀별로 좌측 신호와 우측 신호가 모두 획득될 수 있으므로, 단위 픽셀별로 좌우 방향에서의 자동 초점 동작이 수행될 수 있다. 따라서, 좌우 방향 자동 초점 동작의 밀도가 개선될 수 있다.

다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있고, 제2 리드 동작(S2) 구간에서 상하 방향 자동 초점 동작의 밀도가 향상되도록 포토 다이오드들이 선택될 수 있다. 도 17을 참조하면, 이미지 센서(600)의 서브 픽셀 그룹(SPG)에 포함된 단위 픽셀들(PX)은 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제2 포토 다이오드(PD2), 또는 제3 포토 다이오드(PD3) 및 제4 포토 다이오드(PD4)로부터 제2 픽셀 신호를 획득할 수도 있다. 이에 따라 이미지 센서(500)는 상하 방향에서의 자동 초점 성능을 개선할 수 있다. 예를 들어, 제2 리드 동작(S2) 구간에서 제1 단위 픽셀(PX1)의 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1, PD2)로부터 상단 신호가 획득될 수 있으며, 제3 리드 동작(S3) 구간에서 제1 단위 픽셀(PX1)의 합산 픽셀 신호가 획득될 수 있다. 합산 픽셀 신호와 상단 신호의 감산을 통해 제1 단위 픽셀(PX1)의 하단 신호가 획득될 수 있다. 단위 픽셀별로 상단 신호와 하단 신호가 모두 획득될 수 있으므로, 단위 픽셀별로 상하 방향에서의 자동 초점 동작이 수행될 수 있다. 따라서, 상하 방향에서의 자동 초점 동작의 밀도가 개선될 수 있다.

도 16은 도 14 및 도 15의 이미지 센서(500)에 도시된 단위 픽셀들(PX) 중 제1 내지 제4 단위 픽셀들(PX1-PX4)을 이용한 자동 초점 동작을 도시한 것일 수 있다. 도 16에서 t1 내지 t10의 시점과 R, S1, S2, S3의 동작은 도 5 및/또는 도 12에 도시된 시점 및 동작과 구별될 수 있다.

도 10a 및 도 10b를 참조하여 설명된 바와 같이, 짝수 행의 픽셀 신호들과 홀수 행의 픽셀 신호들은 동시에 출력될 수 있다. 도 16을 참조하면, t1과 t5 사이 구간에서 제1 행(Row1) 및 제5 행(Row5)에 연결된 두 개의 단위 픽셀(PX1, PX3)로부터 픽셀 신호들이 동시에 출력될 수 있다. 그리고, t6과 t10 사이 구간에서 제2 행(Row2) 및 제6행(Row6)에 연결된 두 개의 단위 픽셀(PX2, PX4)로부터 픽셀 신호들이 동시에 출력될 수 있다.

도 16을 참조하면, 이미지 센서(500)에서 제1 행 및 제5 행의 리셋 제어 신호(RG1, RG5)가 활성화된 상태에서 리셋 트랜지스터가 턴-온 되어 플로팅 디퓨전 영역의 전압이 전원 전압에 의해 리셋될 수 있다. 일례로, t1과 t2 사이 구간에서 로직 회로는 리셋 동작(R)을 수행하여 리셋된 플로팅 디퓨전 영역의 리셋 신호를 획득할 수 있다.

t2와 t3 사이 구간에서 로직 회로는 제1 리드 동작(S1)을 수행하여 각 단위 픽셀(PX)에 포함된 포토 다이오드들 중 어느 하나로부터 생성된 싱글 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 제1 동작(S1)을 수행하는 동안 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 제1 위치에 배치된 하나의 포토 다이오드에 따른 제1 픽셀 신호를 저장할 수 있다. 예를 들어, t2와 t3 사이 구간에서 로직 회로는 제1 단위 픽셀(PX1)의 제2 전송 제어 신호(TG2_E)를 활성화함으로써 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 싱글 픽셀 신호를 획득하고, 제3 단위 픽셀(PX3)의 제4 전송 제어 신호(TG4_O)를 활성화함으로써 제4 포토 다이오드(PD4)로부터 싱글 픽셀 신호를 획득할 수 있다.

t3과 t4 사이 구간에서 로직 회로는 제2 동작(S2)을 수행하여 각 단위 픽셀(PX)에 포함된 포토 다이오드들 중 두 개의 포토 다이오드들로부터 생성된 듀얼 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 예를 들어, t3과 t4 사이 구간에서 로직 회로는 제1 단위 픽셀(PX1)의 제2 및 제4 전송 제어 신호(TG2_E, TG4_E)를 활성화함으로써 제2 및 제4 포토 다이오드(PD2, PD4)로부터 듀얼 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 동시에, 로직 회로는 제3 단위 픽셀(PX3)의 제2 및 제4 전송 제어 신호(TG2_O, TG4_O)를 활성화함으로써 제2 및 제4 포토 다이오드(PD2, PD4)로부터 듀얼 픽셀 신호를 획득할 수 있다. t3과 t4 사이 구간에서 제1 및 제3 단위 픽셀(PX1, PX3)로부터 획득된 제2 픽셀 신호들은 제1 및 제3 단위 픽셀(PX1, PX3)의 우측 신호에 해당할 수 있다.

t4과 t5 사이 구간에서 로직 회로는 제3 동작(S3)을 수행하여 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에서 합산 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 예를 들어, t4와 t5 사이 구간에서 로직 회로는 제1 및 제3 단위 픽셀(PX1, PX3)의 합산 픽셀 신호들을 획득할 수 있다. 상기 합산 픽셀 신호들은 이미지 데이터를 생성하기 위해 이용될 수도 있으며, 자동 초점 동작을 위해서도 이용될 수 있다.

구체적으로, t4와 t5 사이 구간에서 획득된 합산 픽셀 신호들에서 t3과 t4 사이 구간에서 획득된 우측 신호들을 감산함으로써 좌측 신호들을 획득할 수 있다. 상기 우측 신호들과 좌측 신호들을 이용하여 좌우 방향의 자동 초점 동작이 수행될 수 있다.

t1과 t5 사이 구간에서 제1 및 제3 단위 픽셀(PX1, PX3)에서 수행된 리드아웃 동작과 유사한 동작이 t6과 t10 사이 구간에서 제2 및 제4 단위 픽셀(PX2, PX4)에 대해서 수행될 수 있다.

t6과 t7 사이 구간에서 리셋 동작(R)이 수행될 수 있다. 그리고, t7과 t8 사이 구간에서 제2 단위 픽셀(PX2)의 제1 포토 다이오드(PD1)에 저장된 신호로부터 싱글 픽셀 신호를 획득하고, 제4 단위 픽셀(PX4)의 제3 포토 다이오드(PD3)에 저장된 전하로부터 싱글 픽셀 신호를 획득하는 제1 동작(S1)이 수행될 수 있다.

앞서 t2와 t3 사이 구간에서 제2 및 제4 포토 다이오드(PD2, PD4)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들과, t6과 t7 사이 구간에서 제1 및 제3 포토 다이오드(PD1, PD3)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들은 자동 초점을 맞추기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 다이오드(PD1)로부터 획득된 제1 픽셀 신호와 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호가 합산되어 상단 신호가 생성될 수 있다. 그리고, 제3 포토 다이오드(PD3)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호와 제4 포토 다이오드(PD4)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호가 합산되어 하단 신호가 생성될 수 있다. 상기 상단 신호와 하단 신호는 단위 픽셀(PX)의 상하 초점을 맞추기 위한 신호들로 이용될 수 있다.

t8과 t9 사이 구간에서, 제2 단위 픽셀(PX2)의 제1 및 제3 포토 다이오드(PD1, PD3)로부터 듀얼 픽셀 신호를 획득하고, 제4 단위 픽셀(PX4)의 제1 및 제3 포토 다이오드(PD1, PD3)로부터 듀얼 픽셀 신호를 획득하기 위한 제2 동작(S2)이 수행될 수 있다. t8과 t9 사이 구간에서 제2 및 제4 단위 픽셀(PX2, PX4)로부터 획득된 듀얼 픽셀 신호들은 제2 및 제4 단위 픽셀(PX2, PX4)의 좌측 신호에 해당할 수 있다.

t9와 t10 사이 구간에서 로직 회로는 제3 리드 동작(S3)을 수행하여 제2 및 제4 단위 픽셀(PX2, PX4)의 합산 픽셀 신호들을 획득할 수 있다. 합산 픽셀 신호들은 이미지를 데이터를 생성하기 위해 이용될 수도 있으며, 자동 초점 동작을 위해서도 이용될 수 있다.

예를 들어, t9와 t10 사이 구간에서 획득된 합산 픽셀 신호들에서 t8과 t9 사이 구간에서 획득된 좌측 신호들을 감산함으로써 제2 및 제4 단위 픽셀(PX2, PX4)의 우측 신호들을 획득할 수 있다. 상기 좌측 신호들과 우측 신호들을 이용하여 좌우 방향의 자동 초점 동작이 수행될 수 있다.

그리고, 제1 단위 픽셀(PX1)의 제2 포토 다이오드(PD2)와 제2 단위 픽셀(PX2)의 제1 포토 다이오드(PD1)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들을 합산하여 제1 및 제2 단위 픽셀(PX1, PX2)의 상단 신호를 획득할 수 있으며, 상기 합산 픽셀 신호들 중 하나에서 상기 상단 신호를 감산함으로써 제1 및 제2 단위 픽셀(PX1, PX2)의 하단 신호를 획득할 수 있다. 상기 상단 신호 및 하단 신호를 이용하여 상하 방향의 자동 초점 동작이 수행될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(500)는 RS1S2S3 모드에서의 리드아웃 동작들에 의해 획득한 픽셀 신호들에 기초하여 모든 방향에서의 자동 초점 정보를 획득할 수 있다. 이미지 센서(500)의 자동 초점 동작은, 도 11에 도시된 이미지 센서(300)의 자동 초점 동작과 비교하여 리드아웃 횟수는 증가하지만, 자동 초점 동작 밀도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(500, 600)의 리드아웃 회로는 싱글 픽셀 신호, 듀얼 픽셀 신호, 및 합산 픽셀 신호에 기초하여 상하 방향 및 좌우 방향에 대한 자동 초점 동작을 수행할 수 있다. 이 때, 상하 방향에서 자동 초점 동작에 이용되는 픽셀 신호의 개수는 좌우 방향에서 자동 초점 동작에 이용되는 픽셀 신호의 개수와 상이할 수 있다.

일례로, 도 17의 이미지 센서(600)처럼 듀얼 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드들이 상하 방향으로 인접한 경우, 좌우 방향에서 자동 초점 동작에 이용되는 픽셀 신호의 개수는 상하 방향에서 자동 초점 동작에 이용되는 픽셀 신호의 개수의 절반일 수 있다. 이 때, 상하 방향에서 자동 초점 동작 밀도는 도 5에 도시된 이미지 센서(200)에서의 자동 초점 동작 밀도와 동일할 수 있고, 좌우 방향에서 자동 초점 동작 밀도는 이미지 센서(200)에서의 자동 초점 동작 밀도의 절반 수준일 수 있다. 그 이유는, 듀얼 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드들이 상하 방향으로 인접한 경우 제2 및 제3 리드 동작(S2, S3)을 통해 개별 단위 픽셀(PX)마다 상단 신호 및 하단 신호를 획득할 수 있는 반면에, 좌측 신호 및 우측 신호는 두 개의 단위 픽셀, 예를 들어 제1 및 제3 단위 픽셀(PX1, PX3)의 제1 내지 제3 리드 동작(S1, S2, S3)의 결과를 조합하어야 얻어질 수 있기 때문이다.

한편, 도 15의 이미지 센서(500)처럼 듀얼 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드들이 좌우 방향으로 인접한 경우, 상하 방향에서 자동 초점 동작에 이용되는 픽셀 신호의 개수는 좌우 방향에서 자동 초점 동작에 이용되는 픽셀 신호의 개수의 절반일 수 있다. 이 때, 좌우 방향에서 자동 초점 동작 밀도는 도 5에 도시된 이미지 센서(200)에서의 자동 초점 동작 밀도와 동일할 수 있고, 상하 방향에서 자동 초점 동작 밀도는 이미지 센서(200)에서의 자동 초점 동작 밀도의 절반 수준일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(500, 600)에서, 리드아웃 회로는 복수의 포토 다이오드들(PD1, PD2, PD3, PD4)로부터 획득한 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기는 리드한 신호에 따라 출력 신호의 크기를 조절할 수 있다.

아날로그-디지털 변환기가 싱글 픽셀 신호 및/또는 듀얼 픽셀 신호를 처리하여 출력하는 출력 신호의 크기는, 합산 픽셀 신호를 처리하여 출력하는 출력 신호의 크기보다 작을 수 있다. 일례로, 싱글 픽셀 신호 및/또는 듀얼 픽셀 신호를 처리하여 출력하는 출력 신호의 크기는 9bit일 수 있고, 합산 픽셀 신호를 처리하여 출력하는 출력 신호의 크기는 10bit일 수 있다.

따라서, 아날로그-디지털 변환기가 어느 하나의 포토 다이오드로부터 획득한 픽셀 신호를 처리하는데 걸리는 시간은, 아날로그-디지털 변환기가 모든 포토 다이오드들로부터 획득한 합산 픽셀 신호를 처리하는데 걸리는 시간보다 작을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(500, 600)는 상기 특징을 갖는 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 프레임 속도의 감소를 줄일 수 있다.

도 16에 도시된 RS1S2S3 모드와 도 11에 도시된 RS1S2 모드는 인접한 두 개의 포토 다이오드로부터 제2 픽셀 신호를 획득하는 동작의 유무에 차이가 있을 수 있다. RS1S2S3 모드는 RS1S2 모드에 비해 높은 자동 초점 밀도를 가질 수 있으며, RS1S2 모드는 RS1S2S3 모드에 비해 높은 프레임 속도를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(500)는 필요에 따라 제2 픽셀 신호를 획득하는 동작을 선택적으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 높은 프레임 속도를 갖는 영상을 획득하기 위해서는 RS1S2 모드가 선택될 수 있다. 반대로, 높은 프레임 속도가 요구되지 않는 경우, 이미지의 자동 초점 성능을 개선하기 위해 RS1S2S3 모드가 선택될 수 있다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다. 도 19 및 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 파형도이다.

도 18의 픽셀 회로(PXC)는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 픽셀 회로(PXC)에 대응할 수 있다. 다만, 도 18에 도시된 픽셀 회로(PXC)는 플로팅 디퓨전 영역(FD)의 정전 용량을 조절하기 위한 추가 커패시터(C)를 더 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)와 플로팅 디퓨전 영역(FD) 사이에 추가 커패시터(C)의 연결을 제어하기 위한 스위치 소자(SW)가 더 연결될 수 있고, 추가 커패시터(C)를 이용하여 듀얼 컨버전 게인(Dual Conversion Gain, DCG) 기능을 구현할 수 있다.

듀얼 컨버전 게인(DCG) 기능을 이용하여, 이미지 센서 주변의 밝기에 따라 컨버전 게인을 변경함으로써 다이나믹 레인지(Dynamic Range)를 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 RSS 모드 또는 RSSS 모드에서 DCG 기능을 활용하는 경우일 수 있다.

일례로, 이미지 센서의 로직 회로는 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각의 플로팅 디퓨전 영역(FD)이 제1 정전 용량을 가질 때 제1 모드로 복수의 단위 픽셀들에 대한 리드아웃을 수행할 수 있다. 제1 모드에서 스위치 소자(SW)는 턴-오프된 상태일 수 있다. 한편, 로직 회로는 플로팅 디퓨전 영역(FD)이 제1 정전 용량보다 큰 제2 정전 용량을 가질 때 제2 모드로 복수의 단위 픽셀들에 대한 리드아웃을 수행할 수 있다. 제2 모드에서 스위치 소자(SW)는 턴-온된 상태일 수 있고, 제2 정전 용량은 제1 정전 용량보다 추가 커패시터(C)의 커패시턴스만큼 클 수 있다. 제1 모드에서 리드아웃된 픽셀 신호는 상대적으로 높은 변환이득(HCG: High Conversion Gate)을 가질 수 있고, 제2 모드에서 리드아웃된 픽셀 신호는 상대적으로 낮은 변환이득(LCG: Low Conversion Gate)을 가질 수 있다.

도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 DCG 기능을 활용하여 R1R2S1S2S3 모드로 동작할 수 있다.

로직 회로는 제1 모드와 제2 모드에서 순차적으로 리셋 신호를 획득(R1, R2z)하는 것으로 자동 초점 동작을 시작할 수 있다. 일례로, t1과 t2 사이 구간에서 스위치 제어 신호(SG)가 비활성화되고, 이에 따라 로직 회로는 제1 모드에서 리셋 신호를 획득하는 제1 리셋 동작(R1)을 수행할 수 있다. 한편, t2와 t3 사이 구간에서 스위치 제어 신호(SG)가 활성화되면, 로직 회로는 제2 모드에서 리셋 신호를 재차 획득하는 제2 리셋 동작(R2)을 수행할 수 있다.

t3와 t4 사이 구간에서 스위치 제어 신호(SG)가 다시 비활성화되면, 로직 회로는 제1 모드에서 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각에 포함된 복수의 포토 다이오드들 중 하나로부터 제1 픽셀 신호를 획득하는 제1 리드 동작(S1)을 수행할 수 있다. 예를 들어, t3과 t4 사이 구간에서 제1 단위 픽셀(PX1)의 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 싱글 픽셀 신호가 획득될 수 있다.

도 12참조하여 설명된 것과 유사하게, 제1 리드 동작(S1)으로부터 획득된 싱글 픽셀 신호는 자동 초점 동작을 위한 신호로 이용될 수 있다. 도 19에서는 생략되었으나, 도 12를 참조하여 설명된 것과 마찬가지로, 제1 단위 픽셀(PX1)의 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 싱글 픽셀 신호가 획득되는 것과 동시에 제3 픽셀(PX3)의 제4 포토 다이오드(PD4)로부터 싱글 픽셀 신호가 획득될 수 있다. 제2 및 제4 포토 다이오드(PD2, PD4)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들은 합산되어 자동 초점 동작을 위한 우측 신호로 이용될 수 있다.

도 19에서는 생략되었으나, 도 12에서 설명된 것과 마찬가지로 제1 및 제3 단위 픽셀(PX1, PX3)이 리드아웃된 이후에 제2 및 제4 단위 픽셀(PX2, PX4)이 리드아웃될 수 있다. 제2 단위 픽셀(PX2)의 제1 포토 다이오드(PD1)로부터 싱글 픽셀 신호가 생성되고, 제4 단위 픽셀(PX4)의 제3 포토 다이오드(PD3)로부터 싱글 픽셀 신호가 생성될 수 있다. 제1 내지 제4 단위 픽셀(PX1-PX4)의 제1 내지 제4 포토 다이오드(PD1-PD4)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들은 합산되어 좌우 방향 및 상하 방향의 자동 초점 동작을 위해 이용될 수 있다

t4와 t5 사이 구간에서 로직 회로는 제1 모드에서 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각으로부터 제1 합산 픽셀 신호를 획득하는 제2 리드 동작(S2)을 수행할 수 있다. 한편, t5와 t6 사이 구간에서 스위치 제어 신호(SG)가 다시 활성화되면, 로직 회로는 제2 모드에서 복수의 단위 픽셀들(PX) 각각으로부터 제2 합산 픽셀 신호를 획득하는 제3 리드 동작(S3)을 수행할 수 있다. 제2 및 제3 리드 동작(S2, S3)에 의해 획득된 합산 픽셀 신호들은 이미지를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 높은 변환이득을 갖는 제1 합산 픽셀 신호와 낮은 변환이득을 갖는 제2 합산 픽셀 신호를 이용하여 높은 다이나믹 레인지(HDR: High Dynamic Range)를 갖는 이미지가 생성될 수 있다..

도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 DCG기능을 활용하여 R1R2S1S2S3S4 모드로 동작할 수 있다. 이미지 센서의 자동 초점 동작은 도 16에 도시된 자동 초점 동작과 유사할 수 있다. 예를 들어, 제1 리드 동작(S1)에서 제1 단위 픽셀(PX1)의 제2 포토 다이오드(PD2)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호와 제2 리드 동작(S2)에서 제1 단위 픽셀(PX1)의 제2 및 제4 포토 다이오드(PD2, PD4)로부터 획득된 듀얼 픽셀 신호, 그리고 제3 리드 동작(S3)에서 제1 단위 픽셀(PX1)로부터 획득된 합산 픽셀 신호는 자동 초점 동작을 수행하는 데 이용될 수 있다. 도 20에서 생략되었으나, 제1 단위 픽셀(PX1)로부터 획득된 상기 싱글 픽셀 신호 및 듀얼 픽셀 신호는 제2 내지 제4 단위 픽셀(PX2-PX4)로부터 획득된 싱글 픽셀 신호 및 듀얼 픽셀 신호와 조합되어 자동 초점 동작에 이용될 수 있다.

다만, 도 16에서는 싱글 변환 이득을 갖는 합산 픽셀 신호를 획득할 뿐이지만, 도 20에서는 제3 리드 동작(S3) 및 제4 리드 동작(S4)에 걸쳐 높은 변환 이득을 갖는 제1 합산 픽셀 신호와 낮은 변환 이득을 갖는 제2 합산 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 제1 및 제2 합산 픽셀 신호를 이용하여 높은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지가 생성될 수 있다.

도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 간단하게 나타낸 도면들이다.

도 21을 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. 또한 일 실시예에서, 카메라 모듈 그룹(1100)에 포함되는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 하나는, 앞서 도 1 내지 도 20을 참조하여 설명한 실시예들 중 하나에 따른 이미지 센서를 포함할 수 있다.

이하, 도 22를 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 22를 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 X축 방향으로 입사되는 광(L)의 경로를 X축 방향에 수직인 Y축 방향으로 변경시킬 수 있다. 또한, 프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 중심축(1106)을 중심으로 A방향으로 회전시키거나, 중심축(1106)을 B방향으로 회전시켜 X축 방향으로 입사되는 광(L)의 경로를 수직인 Y축 방향으로 변경시킬 수 있다. 이때, OPFE(1110)도 X축 방향 및 Y축 방향과 수직인 Z축 방향으로 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 Z축 방향으로 이동할 수 있다.

OPFE(1110)는 예를 들어 m(여기서, m은 자연수)개의 그룹으로 이루어진 광학 렌즈를 포함할 수 있다. m개의 렌즈는 제3 방향으로 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 Z라고 할 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 센서(1142)가 광학 렌즈의 초점 거리(focal length)에 위치하도록 광학 렌즈의 위치를 조정할 수 있다. 일례로, 센서(1142)는 이미지 센서일 수 있다.

이미지 센싱 장치(1140)는 센서(1142), 제어 로직(1144) 및 메모리(1146)를 포함할 수 있다. 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 위치 별(또는 스테이트 별) 초점 거리 값과 오토 포커싱(auto focusing)과 관련된 정보를 포함할 수 있다.

스토리지(1150)는 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 21과 도 22를 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, 1100c)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 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 센서(1142)가 배치될 수 있다.

다시 도 21을 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 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 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 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100a)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLa)을 통해 서브 프로세서(1212a)에 제공되고, 카메라 모듈(1100b)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLb)을 통해 서브 프로세서(1212b)에 제공되고, 카메라 모듈(1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLc)을 통해 서브 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 프로세서가 복수의 카메라 모듈에 대응되도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 서브 프로세서(1212a)와 서브 프로세서(1212c)가 도시된 것처럼 서로 분리되어 구현되는 것이 아니라 하나의 서브 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 프로세서에 제공될 수 있다.

각각의 서브 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공된 이미지 데이터는 이미지 생성기(1214)에 제공될 수 있다. 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보(Generating Information) 또는 모드 신호(Mode Signal)에 따라 각각의 서브 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)로부터 제공된 이미지 데이터를 이용하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.

구체적으로, 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라, 서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 적어도 일부를 병합(merge)하여 출력 이미지를 생성할 수 있다. 또한, 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라, 서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 이미지 생성 정보는 줌 신호(zoom signal or zoom factor)를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 모드 신호는 예를 들어, 유저(user)로부터 선택된 모드에 기초한 신호일 수 있다.

이미지 생성 정보가 줌 신호(줌 팩터)이고, 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 서로 다른 관측 시야(시야각)를 갖는 경우, 이미지 생성기(1214)는 줌 신호의 종류에 따라 서로 다른 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 줌 신호가 제1 신호일 경우, 카메라 모듈(1100a)로부터 출력된 이미지 데이터와 카메라 모듈(1100c)로부터 출력된 이미지 데이터를 병합한 후, 병합된 이미지 신호와 병합에 사용하지 않은 카메라 모듈(1100b)로부터 출력된 이미지 데이터를 이용하여, 출력 이미지를 생성할 수 있다. 만약, 줌 신호가 제1 신호와 다른 제2 신호일 경우, 이미지 생성기(1214)는 이러한 이미지 데이터 병합을 수행하지 않고, 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)로부터 출력된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다. 하지만 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 이미지 데이터를 처리하는 방법은 얼마든지 변형되어 실시될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 이미지 생성기(1214)는 복수의 서브 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 카메라 및 슬레이브 카메라로서 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 마스터 카메라로서 동작하고, 카메라 모듈(1100a)이 슬레이브 카메라로서 동작할 수 있다. 반대로, 줌 팩터가 높은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100a)이 마스터 카메라로서 동작하고, 카메라 모듈(1100b)이 슬레이브 카메라로서 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 내부 메모리(1230) 또는 애플리케이션 프로세서(1200) 외부의 외부 메모리(1400)에 저장하고, 이후, 내부 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 전송할 수 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 내부 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, 파워 신호 라인(PSLa)을 통해 카메라 모듈(1100a)에 제1 전력을 공급하고, 파워 신호 라인(PSLb)을 통해 카메라 모듈(1100b)에 제2 전력을 공급하고, 파워 신호 라인(PSLc)을 통해 카메라 모듈(1100c)에 제3 전력을 공급할 수 있다.

PMIC(1300)는 애플리케이션 프로세서(1200)로부터의 전력 제어 신호(PCON)에 응답하여, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 대응하는 전력을 생성하고, 또한 전력의 레벨을 조정할 수 있다. 전력 제어 신호(PCON)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)의 동작 모드 별 전력 조정 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 동작 모드는 저전력 모드(low power mode)를 포함할 수 있으며, 이때, 전력 제어 신호(PCON)는 저전력 모드로 동작하는 카메라 모듈 및 설정되는 전력 레벨에 대한 정보를 포함할 수 있다. 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 제공되는 전력들의 레벨은 서로 동일하거나 또는 서로 상이할 수 있다. 또한, 전력의 레벨은 동적으로 변경될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

1, 100, 200, 300, 400, 500, 600: 이미지 센서
10: 픽셀 어레이 20: 로직 회로
21: 로우 드라이버 22: 리드아웃 회로
23: 칼럼 드라이버 24: 컨트롤 로직
PX: 단위 픽셀 SPG: 서브 픽셀 그룹
PG: 픽셀 그룹 ML: 일반 마이크로 렌즈
DTI: 소자 분리막 PD1, PD2, PD3, PD4: 포토 다이오드
110: 기판 111, 112: 제1 면, 제2 면
120: 컬러 필터 130: 광 투과층
170: 배선 패턴들 180: 절연층

Claims

서로 마주보는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판의 상면에 평행하게 배열되는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 상기 제1 면 상에 배치되는 컬러 필터, 및 상기 컬러 필터 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 상기 기판은 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 복수의 포토 다이오드들을 포함하는 픽셀 어레이;
상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 리셋 신호를 획득하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 상기 복수의 포토 다이오드들 중 하나로부터 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 합산 픽셀 신호를 획득하는 리드아웃 회로를 포함하는 로직 회로; 를 포함하고,
상기 복수의 포토 다이오드들 중 상기 싱글 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드는 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 서로 다른 위치에 배치되는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는 상기 싱글 픽셀 신호 및 상기 합산 픽셀 신호에 기초하여 상하 방향 및 좌우 방향에 대한 자동 초점 동작을 수행하는 이미지 센서.
제2항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드들은
상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서, 좌측상단에 위치한 제1 포토 다이오드, 우측상단에 위치한 제2 포토 다이오드, 좌측하단에 위치한 제3 포토 다이오드, 우측하단에 위치한 제4 포토 다이오드를 포함하고,
상기 복수의 단위 픽셀들은
서로 다른 행들에 위치한 제1 내지 제4 단위 픽셀들을 포함하고,
상기 리드아웃 회로는
제1 단위 픽셀의 제2 포토 다이오드, 상기 제2 단위 픽셀의 제1 포토 다이오드, 상기 제3 단위 픽셀의 제4 포토 다이오드, 및 상기 제4 단위 픽셀의 제3 포토 다이오드로부터 각각 싱글 픽셀 신호들을 획득하며, 상기 싱글 픽셀 신호들을 조합한 결과에 따라 상기 자동 초점 동작을 수행하는 이미지 센서.
제3항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는
상기 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 포토 다이오드로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들을 조합하여 상단 신호를 획득하고, 상기 제3 포토 다이오드 및 상기 제4 포토 다이오드로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들을 조합하여 하단 신호를 획득하며, 상기 상단 신호 및 하단 신호를 이용하여 상기 상하 방향에 대한 상기 자동 초점 동작을 수행하는 이미지 센서.
제3항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는
상기 제1 포토 다이오드 및 상기 제3 포토 다이오드로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들을 조합하여 좌측 신호를 획득하고, 상기 제2 포토 다이오드 및 상기 제4 포토 다이오드로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들을 조합하여 우측 신호를 획득하며, 상기 좌측 신호 및 우측 신호를 이용하여 상기 좌우 방향에 대한 상기 자동 초점 동작을 수행하는 이미지 센서.
제3항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는
상기 제1 내지 제4 단위 픽셀 중 두 개 이상의 단위 픽셀들로부터 동시에 싱글 픽셀 신호들을 획득하며, 상기 싱글 픽셀 신호들을 디지털 신호로 변환하기 위한 두 개 이상의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하는 이미지 센서.
제3항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 단위 픽셀은 상기 픽셀 어레이의 동일한 칼럼에 배치되는
이미지 센서.
제2항에 있어서,
상기 상하 방향에서 상기 자동 초점 동작에 이용되는 픽셀 신호의 개수는 상기 좌우 방향에서 상기 자동 초점 동작에 이용되는 픽셀 신호의 개수와 동일한 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 복수의 단위 픽셀들은 제어 신호가 인가되는 복수의 메탈 배선들을 포함하고, 상기 리드아웃 회로는 상기 복수의 메탈 배선들의 연결관계에 기초하여 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 상기 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드를 선택하는 이미지 센서.
제9항에 있어서,
상기 복수의 단위 픽셀들은 제1 단위 픽셀 및 제2 단위 픽셀을 포함하고, 상기 제1 단위 픽셀에서 제1 포토 다이오드와 연결된 전송 트랜지스터의 게이트 전극으로 인가되는 제어 신호는, 상기 제2 단위 픽셀에서 상기 제1 포토 다이오드와 다른 위치에 배치되는 제2 포토 다이오드와 연결된 전송 트랜지스터의 게이트 전극으로 인가되는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는 상기 복수의 포토 다이오드들로부터 획득한 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하고, 상기 아날로그-디지털 변환기의 상기 싱글 픽셀 신호에 대한 출력 신호의 비트 수는 상기 합산 픽셀 신호에 대한 출력 신호의 비트 수보다 작은 이미지 센서.
서로 마주보는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판의 상면에 평행하게 배열되는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 상기 제1 면 상에 배치되는 컬러 필터, 및 상기 컬러 필터 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 상기 기판은 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 복수의 포토 다이오드들을 포함하는 픽셀 어레이;
상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 리셋 신호를 획득하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 상기 복수의 포토 다이오드들 중 하나로부터 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 상기 복수의 포토 다이오드들 중 인접한 두 개의 포토 다이오드들로부터 듀얼 픽셀 신호를 획득하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 합산 픽셀 신호를 획득하는 리드아웃 회로를 포함하는 로직 회로; 를 포함하고,
상기 리드아웃 회로는 상기 복수의 포토 다이오드들로부터 획득한 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하고, 상기 아날로그-디지털 변환기의 상기 싱글 픽셀 신호 및 상기 듀얼 픽셀 신호에 대한 출력 신호의 크기는 상기 합산 픽셀 신호에 대한 출력 신호의 크기보다 작은 이미지 센서.
제12항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드들은
상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서, 좌측상단에 위치한 제1 포토 다이오드, 우측상단에 위치한 제2 포토 다이오드, 좌측하단에 위치한 제3 포토 다이오드, 우측하단에 위치한 제4 포토 다이오드를 포함하고,
상기 복수의 단위 픽셀들은
서로 다른 행들에 위치한 제1 내지 제4 단위 픽셀들을 포함하고,
상기 리드아웃 회로는
제1 단위 픽셀의 제2 포토 다이오드, 상기 제2 단위 픽셀의 제1 포토 다이오드, 상기 제3 단위 픽셀의 제4 포토 다이오드, 및 상기 제4 단위 픽셀의 제3 포토 다이오드로부터 각각 싱글 픽셀 신호들을 획득하는
이미지 센서.
제13항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는
제1 및 제3 단위 픽셀의 제2 및 제4 포토 다이오드, 및 제2 및 제4 단위 픽셀의 제1 및 제3 포토 다이오드로부터 듀얼 픽셀 신호들을 획득하는
이미지 센서.
제14항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는
상기 제1 및 제3 단위 픽셀의 상기 제2 및 제4 포토 다이오드로부터 획득된 듀얼 픽셀 신호들을 우측 신호로 이용하고, 상기 제1 및 제3 단위 픽셀로부터 획득된 합산 픽셀 신호에서 상기 듀얼 픽셀 신호들을 감산함으로써 좌측 신호를 획득하며, 상기 우측 신호 및 좌측 신호를 이용하여 좌우 방향에 대한 자동 초점 동작을 수행하는 이미지 센서.
제13항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는
상기 제1 단위 픽셀의 제2 포토 다이오드와 상기 제2 단위 픽셀의 제1 포토 다이오드로부터 획득된 싱글 픽셀 신호들을 합산하여 상단 신호를 획득하고, 상기 제1 및 제2 단위 픽셀의 합산 픽셀 신호들 중 어느 하나에서 상기 상단 신호를 감산함으로써 하단 신호를 획득하며, 상기 상단 신호 및 하단 신호를 이용하여 상하 방향에 대한 자동 초점 동작을 수행하는 이미지 센서.
제12항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는 상기 듀얼 픽셀 신호를 획득하는 동작을 선택적으로 수행하는 이미지 센서.
기판의 상면에 평행하게 배열되는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 상기 기판은 소자 분리막에 의해 2Х2 형태로 분리되는 복수의 포토 다이오드들을 포함하는 픽셀 어레이;
상기 복수의 단위 픽셀들 각각의 플로팅 디퓨전 영역이 제1 정전 용량을 가질 때 제1 모드로 상기 복수의 단위 픽셀들에 대한 리드아웃을 수행하고, 상기 제1 정전 용량보다 큰 제2 정전 용량을 가질 때 제2 모드로 상기 복수의 단위 픽셀들에 대한 리드아웃을 수행하는 로직 회로; 를 포함하고,
상기 로직 회로는 상기 제1 모드와 상기 제2 모드에서 순차적으로 리셋 신호를 획득하고, 상기 제1 모드에서 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 복수의 포토 다이오드들 중 하나로부터 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 제1 합산 픽셀 신호를 획득하며, 상기 제2 모드에서 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 제2 합산 픽셀 신호를 획득하는 리드아웃 회로를 포함하는 이미지 센서.
제18항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드들 중 상기 싱글 픽셀 신호를 획득하는 포토 다이오드는 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에서 서로 다른 위치에 배치되는 이미지 센서.
제18항에 있어서,
상기 리드아웃 회로는 상기 제1 모드에서 상기 싱글 픽셀 신호를 획득한 뒤, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각에 포함된 상기 복수의 포토 다이오드들 중 인접한 두 개의 포토 다이오드들로부터 듀얼 픽셀 신호를 획득하는 이미지 센서.