KR102374112B1

KR102374112B1 - 오토 포커싱 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 이를 포함하는 이미지 처리 시스템

Info

Publication number: KR102374112B1
Application number: KR1020150100219A
Authority: KR
Inventors: 함석헌
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2022-03-14
Also published as: US20170019584A1; US9973682B2; CN106358026A; KR20170008978A

Abstract

오토 포커싱 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 이를 포함하는 이미지 처리 시스템을 개시한다. 본 발명의 이미지 센서는 R, G, B 베이어 패턴을 갖는 제1 내지 제4 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이와 상기 제1 내지 제4 픽셀들 각각의 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 블록을 포함하며, 상기 제1 내지 제4 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀은 제1 방향으로 분할된 2개의 포토 다이오드들을 포함하고, 상기 제1 내지 제4 픽셀들 중 다른 나머지 픽셀들은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 분할된 2개의 포토 다이오드들을 포함한다.

Description

오토 포커싱 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 이를 포함하는 이미지 처리 시스템{AN IMAGE SENSOR INCLUDING AN AUTO FOCUSING PIXEL, AND AN IMAGE PROCESSING SYSTEM INCLUDING THE SAME}

본 발명의 개념에 따른 실시예는 이미지 센서, 및 이를 포함하는 이미지 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2-PD(포토 다이오드) 구조의 오토 포커싱 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 이를 포함하는 이미지 처리 시스템에 관한 것이다.

CMOS 이미지 센서는 상보형 금속산화반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)를 이용한 고체 촬상 소자이다. CMOS 이미지 센서는 고전압 아날로그 회로를 가지는 CCD 이미지 센서와 비교해 제조 단가가 낮고 소자의 크기가 작아서 소비 전력이 적다는 장점이 있다. 또한, 개발 초기보다 CMOS 이미지 센서의 성능이 향상되어 스마트폰, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기를 비롯한 가전 제품에 주로 CMOS 이미지 센서가 탑재되고 있다.

CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀 어레이(pixel array)는 각 픽셀마다 광전 변환 소자를 포함한다. 상기 광전 변환 소자는 입사되는 빛의 양에 따라 가변되는 전기 신호를 생성하고 CMOS 이미지 센서는 상기 전기 신호를 처리하여 영상을 합성해낼 수 있다.

한편 최근의 카메라는 자동으로 초점을 맞춰주는 오토 포커싱 기능을 가지고 있다. 오토 포커싱 기능을 수행하기 위해서는, 오토 포커싱 정보의 기초가 되는 신호를 생성시켜야 하는데 최근에는 CMOS 이미지 센서 안에 있는 픽셀 수광부 내에 오토 포커싱용 픽셀을 구성하여 추가적인 광학 시스템 구성없이 오토 포커싱 정보 생성을 수행시키는 경우가 늘고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하나의 마이크로 렌즈 안에 2개의 광전 변환 소자를 갖는 오토 포커싱 픽셀을 포함하는 이미지 센서, 및 이를 포함하는 이미지 처리 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 R, G, B 베이어 패턴을 갖는 제1 내지 제4 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이; 상기 제1 내지 제4 픽셀들 각각의 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 블록; 및 상기 픽셀 어레이와 상기 아날로그-디지털 변환 블록을 제어하는 제어 블록을 포함한다.

상기 제1 내지 제4 픽셀들 중 적어도 하나의 픽셀은 제1 방향으로 분할된 2개의 포토 다이오드들을 포함하고, 상기 제1 내지 제4 픽셀들 중 다른 나머지 픽셀들은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 분할된 2개의 포토 다이오드들을 포함한다.

실시예에 따라, 상기 제1 및 제4 픽셀은 각각 그린 필터(green filter)를 포함하는 그린 픽셀이고, 상기 제2 픽셀은 레드 필터(red filter)를 포함하는 레드 픽셀이며, 상기 제3 픽셀은 블루 필터(blue filter)를 포함하는 블루 픽셀이다.

실시예에 따라, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향과 90도 차이를 갖는다.

실시예에 따라, 상기 제1 내지 제4 픽셀들은 로우(row) 및 칼럼(column) 방향으로 배열되고, 상기 제1 방향은 상기 칼럼 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 로우 방향이다.

실시예에 따라, 상기 제1 내지 제4 픽셀들은 로우(row) 및 칼럼(column) 방향으로 배열되고, 상기 제1 방향은 상기 로우 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 칼럼 방향이다.

상기 제1 및 제4 픽셀들 각각에 포함된 상기 2개의 포토 다이오드들은 하나의 마이크로 렌즈를 통과한 입사광의 세기에 따른 광전하를 축적하고,

실시예에 따라, 상기 제1 및 제4 픽셀들 각각은 각자의 2개의 포토 다이오드들에 축적된 광전하를 전기적 신호인 제1 및 제2 서브 픽셀 신호로 변환하여 출력하는 하나 이상의 트랜지스터들을 더 포함한다.

실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 서브 픽셀 신호 간의 차이에 기초하여 오토 포커싱 정보가 산출된다.

실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 서브 픽셀 신호 각각은 서로 다른 서브 칼럼 라인으로 동시에 출력된다.

실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 서브 픽셀 신호 각각은 동일한 칼럼 라인으로 순차적으로 출력된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는, R, G, B 베이어 패턴을 갖는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 복수의 픽셀들 각각의 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 블록을 포함한다.

상기 복수의 픽셀들은, 제1 방향으로 분할된 2개의 포토 다이오드들을 포함하는 제1종 픽셀; 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 분할된 2개의 포토 다이오드들을 포함하는 제2종 픽셀을 포함한다.

상기 제1종 픽셀로부터 출력되는 신호에 기초하여 상기 제1 방향의 오토 포커싱 정보가 산출되고, 상기 제2종 픽셀로부터 출력되는 신호에 기초하여 상기 제2 방향의 오토 포커싱 정보가 산출된다.

실시예에 따라, 상기 제1종 픽셀은 그린 필터(green filter)를 포함하는 그린 픽셀이고, 상기 제2종 픽셀은 레드 필터(red filter)를 포함하는 레드 픽셀 또는 블루 필터(blue filter)를 포함하는 블루 픽셀이다.

실시예에 따라, 상기 복수의 픽셀들 각각은 하나의 마이크로 렌즈; 및 상기 하나의 마이크로 렌즈를 통과한 입사광의 세기에 따라 상기 2개의 포토 다이오드들 각각에 축적된 광전하를 전기적 신호인 제1 및 제2 서브 픽셀 신호로 변환하여 출력하는 하나 이상의 트랜지스터들을 더 포함한다.

실시예에 따라, 상기 제1종 픽셀의 상기 제1 및 제2 서브 픽셀 신호 간의 차이에 기초하여 상기 제1 방향의 오토 포커싱 정보가 산출되고, 상기 제2종 픽셀의 상기 제1 및 제2 서브 픽셀 신호 간의 차이에 기초하여 상기 제2 방향의 오토 포커싱 정보가 산출된다.

본 발명의 실시예에 따른 이미지 처리 시스템은 복수의 오토 포커싱 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 복수의 오토 포커싱 픽셀들 각각의 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 블록을 포함하는 이미지 센서; 및 상기 디지털 픽셀 신호로부터 오토 포커싱 동작을 위한 오토 포커싱 정보를 추출하는 이미지 프로세서를 포함한다.

상기 오토 포커싱 픽셀들은 제1 방향으로 분할된 2개 포토 다이오드들을 포함하는 제1종 픽셀; 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 분할된 2개의 포토 다이오드들을 포함하는 제2종 픽셀을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 한 픽셀당 2개의 포토 다이오드들을 포함하되, 한 종류의 컬러 픽셀에 포함된 2개의 포토 다이오드들의 분할 방향과 다른 종류의 컬러 픽셀에 포함된 2개의 포토 다이오드들의 분할 방향을 달리함으로써, 서로 다른 방향의 오토 포커싱 정보를 산출할 수 있다. 이에 따라 픽셀 당 2개의 포토 다이오드를 이용하여 픽셀 당 4개의 포토 다이오드를 구비한 것과 유사한 효과를 얻을 수 있다.

따라서, 출력되는 오토 포커싱 데이터 량(data rates)을 줄이면서, 수직 방향의 오토 포커싱 정보와 수평 방향의 오토 포커싱 정보를 모두 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 8은 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 실시예들을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 3 내지 도 8에 도시된 픽셀의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 10은 도 3 내지 도 8에 도시된 픽셀의 다른 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 11은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 12는 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 다수개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 처리 시스템(Image Process system, 10)은 이미지 센서(Image sensor, 100), 이미지 프로세서(DSP, 200), 디스플레이 유닛(Display Unit, 300) 및 렌즈(500)를 포함할 수 있다.

이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 드라이버(row driver, 130), 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter; 이하 ADC) 블록(140), 칼럼 드라이버(column driver, 150), 타이밍 제네레이터(timing generator, 170), 제어 레지스터 블록(control Register Block, 180) 및 버퍼(Buffer, 190)를 포함할 수 있다.

이미지 센서(100)는 이미지 프로세서(200)의 제어에 의해 렌즈(500)를 통해 촬상된 대상물(object, 350)을 센싱하고, 이미지 프로세서(DSP, 200)는 이미지 센서(100)에 의해 센싱되어 출력된 이미지를 디스플레이 유닛(300)에 출력할 수 있다. 이때, 디스플레이 유닛(300)은 영상을 출력할 수 있는 모든 장치를 포함한다. 예컨대, 디스플레이 유닛(300)은 컴퓨터, 휴대폰, 또는 카메라가 구비된 전자 장치 등으로 구현될 수 있다.

이때, 이미지 프로세서(DSP, 200)는 카메라 컨트롤(210), 이미지 신호 프로세서(220) 및 PC I/F(230)를 포함할 수 있다. 카메라 컨트롤(210)은 제어 레지스터 블록(180)을 제어한다. 이때, 카메라 컨트롤(210)은 미리 정해진 규격 혹은 표준에 따라 이미지 센서(100), 즉, 제어 레지스터 블록(180)을 제어할 수 있다.

이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor; 이하 ISP, 220)는 버퍼(190)의 출력 신호인 이미지 데이터를 입력받아 사람이 보기 좋도록 가공/처리하여 가공/처리된 이미지를 PC I/F(230)를 통해 디스플레이 유닛(300)으로 출력한다.

ISP(220)는 도 1에서는 DSP(200) 내부에 위치하는 것으로 도시하였으나, 이는 당업자에 의해 설계 변경이 가능하다. 예컨대, ISP(220)는 이미지 센서(100) 내부에 위치할 수도 있다.

픽셀 어레이(110)는 각각이 광전 변환 소자, 예컨대 포토(photo) 다이오드 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode) 등을 포함하는 복수의 픽셀들(도 2의 120)을 포함한다. 각 픽셀(120)은 광전 변환 소자를 이용하여 빛을 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 영상 신호를 생성한다.

타이밍 제네레이터(170)는 로우 드라이버(130), 및 칼럼 드라이버(150) 각각에 제어 신호 또는 클럭 신호를 출력하여 로우 드라이버(130), 및 칼럼 드라이버(150)의 동작 또는 타이밍을 제어할 수 있으며, 제어 레지스터 블록(180)은 DSP(200)로부터 수신한 제어 신호 또는 클럭 신호를 타이밍 제네레이터(170)에 제공할 수 있다.

로우 드라이버(130)는 픽셀 어레이(110)를 행(row) 단위로 구동한다. 예컨대, 로우 드라이버(130)는 픽셀 어레이(110)을 구성하는 각 픽셀(120)을 제어하기 위한 제어 신호(도 2의 RCS1~RCSn)를 생성할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 드라이버(130)의 제어 신호(RCS1~RCSn)에 의해 선택되는 행(row)으로부터 픽셀 신호(도 2의 PS1~PSm)를 ADC 블록(140)으로 출력한다. 픽셀 신호(도 2의 PS1~PSm)는 아날로그 신호이다.

ADC 블록(140)은 픽셀 어레이(110)로부터 출력되는 픽셀 신호(도 2의 PS1~PSm)를 디지털 픽셀 신호(도 2의 DP1~DPm)로 변환하여 버퍼(190)로 출력한다. 실시예에 따라, ADC 블록(140)은 램프 신호(Ramp signal)(미도시)를 이용하여 픽셀 신호(도 2의 PS1~PSm)를 디지털 픽셀 신호(도 2의 DP1~DPm)로 변환할 수 있다.

칼럼 드라이버(150)는 타이밍 제네레이터(170)의 제어에 따라 ADC 블록(140), 및 버퍼(190)의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 칼럼 드라이버(150)는 픽셀 어레이(110)의 각 칼럼 별 픽셀 신호의 출력 여부, 디지털 픽셀 신호의 생성 및 출력 타이밍을 제어할 수 있다.

버퍼(190)는 ADC 블록(140)으로부터 출력된 디지털 픽셀 신호(도 2의 DP1~DPm)를 임시 저장한 후 센싱하고 증폭하여 출력한다.

도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서를 보다 구체적으로 나타내기 위한 도면이다. 도 1 내지 도 2를 참조하면, 도 2의 이미지 센서(100a)는 도 1에 도시된 이미지 센서(100)의 동작을 설명하기 위해 이미지 센서(100)의 일부를 나타낸 것이다.

이미지 센서(100a)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(130), ADC 블록(140), 칼럼 드라이버(150), 및 버퍼(190)를 포함한다.

픽셀 어레이(110)는 각각 복수의 로우(row) 라인들 및 복수의 칼럼(column) 라인들(COL1~COLm)과 접속되는 복수의 픽셀들(P11~Pnm;120)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(P11~Pnm;120)은 로우(row) 방향 및 칼럼(column) 방향으로 배열될 수 있다.

복수의 픽셀들(120)은 로우 드라이버(130)로부터 로우 제어 신호(RCS1~RCSn)에 따라 순차적으로 활성화되어 각 칼럼 라인(COL1~COLm)으로 출력 신호(PS1~PSm)를 출력할 수 있다.

실시예에 따라, 각 칼럼 라인(COL1~COLm)은 두 개의 서브 칼럼 라인(도 9의 COL1-1, COL1-2)을 포함할 수 있다. 이에 대해서는 도 9를 참조하여 후술한다.

ADC 블록(140)은 제1 내지 제m ADC 유닛(142-1~142-m)을 포함할 수 있다.

제1 내지 제m ADC 유닛(142-1~142-m) 각각은 제1 내지 제m 칼럼 라인(COL1~COLm) 중 해당 칼럼 라인에 연결되어, 제1 내지 제m 픽셀 신호(PS1~PSm) 중 해당 픽셀 신호를 수신하고, 수신한 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호(DP1~DPm)로 변환할 수 있다.

예를 들어, 제1 내지 제m ADC 유닛(142-1~142-m) 각각은 램프 신호(미도시)를 해당 픽셀 신호(PS)와 비교하여 비교 결과에 따라 비교 신호(미도시)를 생성하고, 비교 신호를 카운팅하여 디지털 픽셀 신호(DP1~DPm)를 발생할 수 있다. 디지털 픽셀 신호(DP1~DPm)는 버퍼(190)에 저장될 수 있다.

실시예에 따라, 각 칼럼 라인(COL1~COLm)이 두 개의 서브 칼럼 라인(도 9의 COL1-1, COL1-2)을 포함하는 경우, ADC 유닛(142-1~142-m) 각각도 두 개의 서브 ADC 유닛(미도시)을 포함할 수 있다. 이 경우, 서브 ADC 유닛(미도시)은 해당 서브 픽셀 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.

버퍼(190)는 제1 내지 제m ADC 유닛(142-1~142-m) 각각에 연결되는 제1 내지 제m 메모리(192-1~192-m) 및 센스 앰프(194)를 포함할 수 있다.

제1 내지 제m 메모리(192-1~192-m)는 디지털 픽셀 신호를 임시 저장한 후 칼럼 드라이버(150)의 제어에 따라 순차적으로 센스 앰프(194)로 출력할 수 있다. 센스 앰프(194)는 상기 디지털 픽셀 신호를 센싱하고 증폭해 ISP(220)로 출력할 수 있다.

ISP(220)는 상기 디지털 픽셀 신호를 처리할 수 있다.

도 3 내지 도 8은 도 2에 도시된 픽셀 어레이의 실시예들을 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 8을 참조하면, 도 3 내지 도 8 각각에는 픽셀 어레이(110)의 일부인 4개의 픽셀(예컨대, 도 3의 120-1A~120-1D) 만이 도시되어 있다. 이는 설명의 편의를 위하여 픽셀 어레이(110)의 일부만이 도시될 뿐 상기 4개의 픽셀 이외의 영역에도 상기 4개의 픽셀과 실질적으로 동일한 구성을 가진 픽셀들이 포함될 수 있다.

4개의 픽셀(예컨대, 도 3의 120-1A~120-1D)은 오토 포커싱 정보를 생성하기 위한 오토 포커싱 픽셀일 수 있다.

도 3에 도시된 픽셀 어레이(110-1)는 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열된 제1 픽셀(120-1A) 내지 제4 픽셀(120-1D)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 픽셀(120-1A)은 그린 필터(미도시)를 포함하는 그린-온-레드 픽셀(green-on-red(Gr) pixel), 제2 픽셀(120-1B)은 레드 필터(red filter, 미도시)를 포함하는 레드 픽셀(red(R) pixel), 제3 픽셀(120-1C)은 블루 필터(blue filter, 미도시)를 포함하는 블루 픽셀(blue(B) pixel), 제4 픽셀(120-1D)은 그린 필터(green filter, 미도시)를 포함하는 그린-온-블루 픽셀(green-on-blue(Gb) pixel)일 수 있다.

제1 픽셀(120-1A) 내지 제4 픽셀(120-1D) 각각은 제1 픽셀(120-1A) 내지 제4 픽셀(120-1D) 각각에 대응하는 넓이를 가진 하나의 마이크로 렌즈(122)를 가질 수 있다.

또한, 제1 픽셀(120-1A) 내지 제4 픽셀(120-1D) 각각은 2개씩의 포토 다이오드들(Gr1과 Gr2, R1과 R2, B1과 B2, 또는 Gb1과 Gb2)을 포함할 수 있다.

본 실시예에서, 그린 픽셀인 제1 픽셀(120-1A)은 제1 방향으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(Gr1과 Gr2)을 포함하고, 그린 픽셀인 제4 픽셀(120-1D) 역시 제1 방향으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(Gb1과 Gb2)을 포함한다.

반면, 레드 픽셀인 제2 픽셀(120-1B)은 제2 방향으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(R1과 R2)을 포함하고, 블루 픽셀인 제3 픽셀(120-1C) 역시 제2 방향으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(B1과 B2)을 포함한다.

여기서, 제1 방향은 수직 방향(예컨대, 도 3의 B-B' 및 C-C' 방향) 또는 칼럼 방향으로 정의하고, 제2 방향은 수평 방향(예컨대, 도 3의 A-A' 및 D-D' 방향) 또는 로우 방향으로 정의하나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

제1 픽셀(120-1A)의 2개의 포토 다이오드들(Gr1과 Gr2)은 하나의 픽셀(예컨대, 120-1A)에서 로우 방향(A-A'과 평행인 방향)을 따라 배열되고, 각 포토 다이오드(예컨대, Gr1과 Gr2)는 컬럼 방향(A-A'과 수직인 방향)으로 긴 모양을 가질 수 있다.

제1 픽셀(120-1A) 내지 제4 픽셀(120-1D)은 각각이 포함하는 컬러 필터의 차이 및 분할 방향의 차이 이외에는 실질적으로 구성과 동작이 동일한 바, 제1 픽셀(120-1A)에 대해 대표적으로 설명하기로 한다.

제1 픽셀(120-1A)은 제1 포토 다이오드(Gr1)와 제2 포토 다이오드(Gr2)를 포함하며, 제1 픽셀(120-1A)은 제1 포토 다이오드(Gr11)와 제2 포토 다이오드(Gr2) 각각이 축적하는 광전하에 대응하는 제1 서브 픽셀 신호와 제2 서브 픽셀 신호를 포함하는 픽셀 신호를 생성할 수 있다.

상기 제1 서브 픽셀 신호와 상기 제2 서브 픽셀 신호의 합이 검출되면, 하나의 포토 다이오드를 갖는 픽셀이 생성하는 픽셀 신호와 동일한 데이터(2차원 이미지 정보)가 이미지 신호 프로세서(220)에서 얻어질 수 있다.

또한, 상기 제1 서브 픽셀 신호와 상기 제2 서브 픽셀 신호의 차이가 검출되면, 제1 픽셀(120-1A)의 위치에 대응하는 오토 포커싱 정보(auto focusing information) 및/또는 깊이 정보(depth information)가 이미지 신호 프로세서(220)에서 얻어질 수 있다.

상기 오토 포커싱 정보는 현재 생성될 이미지 중 제1 픽셀(120-1A)에 대응하는 위치의 초점(focus)이 맞는지 여부와 얼마나 어긋나 있는지 여부에 대한 정보이다. 예컨대, 사용자가 제1 픽셀(120-1A)을 기준으로 초점을 맞추려고 할 경우, 상기 오토 포커싱 정보가 제1 픽셀(120-1A)에 대응하는 위치의 초점이 어긋나 있다는 정보를 포함하면, 카메라 컨트롤 유닛(210)은 상기 오토 포커싱 정보에 따라 렌즈 제어 정보를 제어 레지스터 블록(180)으로 전송할 수 있다. 제어 레지스터 블록(180)은 상기 렌즈 제어 정보에 따라 렌즈(500)와 픽셀 어레이(110) 간의 거리를 제어할 수 있다.

상기 추출된 오토 포커싱 정보를 이용해 렌즈(500)와 픽셀 어레이(110) 간의 거리를 제어하는 동작은 오토 포커싱 동작으로 불릴 수 있다.

제1 방향으로 분할된 구조를 가지는 제1 픽셀(120-1A) 및 제4 픽셀 (120-1D)로부터는 제1 방향(예컨대, 수직 방향)의 오토 포커싱 정보가 산출될 수 있다. 한편, 제2 방향으로 분할된 구조를 가지는 제2 픽셀(120-1B) 및 제3 픽셀 (120-1C)로부터는 제2 방향(예컨대, 수평 방향)의 오토 포커싱 정보가 산출될 수 있다.

상기 깊이 정보는 현재 생성될 이미지 중 제1 픽셀(120-1A)에 대응하는 위치에 해당하는 대상물(350)과 픽셀 어레이(110) 간의 거리 정보이다. 따라서, 이미지 신호 프로세서(220)는 상기 깊이 정보와 상기 2차원 이미지 정보를 합성하여 3차원 이미지 데이터를 생성할 수 있다.

상기 제1 서브 픽셀 신호와 상기 제2 서브 픽셀 신호는 동일한 마이크로 렌즈를 통과한 빛을 물리적으로 다른 위치에서 수광하여 생성된 광전하가 서로 다른 포토 다이오드에 축적되어 발생된다. 따라서, 상기 제1 서브 픽셀 신호와 상기 제2 서브 픽셀 신호의 차이는 상기 제1 서브 픽셀 신호와 상기 제2 서브 픽셀 신호 간의 위상차(phase difference)에 대한 정보를 포함하며, 상기 위상차에 대한 정보를 이용해 상기 오토 포커싱 정보와 상기 깊이 정보가 얻어질 수 있다.

도 4에 도시된 픽셀 어레이(110-2)는 베이어 패턴으로 배열된 제1 픽셀(120-2A) 내지 제4 픽셀(120-2D)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110-2)는 후술할 차이점 이외에는 도 3에 도시된 픽셀 어레이(110-1)와 실질적으로 동일한바 중복된 설명은 생략하기로 한다.

제1 픽셀(120-2A) 내지 제4 픽셀(120-2D) 각각은 2개씩의 포토 다이오드들(Gr1과 Gr2, R1과 R2, B1과 B2, 또는 Gb1과 Gb2)을 포함할 수 있다.

도 4의 실시예에서, 그린 픽셀인 제1 픽셀(120-2A)은 제2 방향(예컨대, 수평 방향)으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(Gr1과 Gr2)을 포함하고, 그린 픽셀인 제4 픽셀(120-2D) 역시 제2 방향(예컨대, 수평 방향)으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(Gb1과 Gb2)을 포함한다.

반면, 레드 픽셀인 제2 픽셀(120-2B)은 제1 방향(예컨대, 수직 방향)으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(R1과 R2)을 포함하고, 블루 픽셀인 제3 픽셀(120-2C) 역시 제1 방향(예컨대, 수직 방향)으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(B1과 B2)을 포함한다.

픽셀 어레이(110-2)는 각 픽셀(예컨대, 120-2A)이 생성하는 서브 픽셀 신호들을 통해 2차원 이미지 정보, 오토 포커싱 정보, 및 깊이 정보를 얻을 수 있다는 점에서는 도 3에 도시된 픽셀 어레이(110-1)와 동일하다. 그러나, 각 픽셀(예컨대, 120-2A)에 포함된 2개의 포토 다이오드들이 배열된 방향이 다르므로, 각 픽셀(예컨대, 120-2A)로부터 생성되는 2차원 이미지 정보, 오토 포커싱 정보, 및 깊이 정보는 도 3에 도시된 픽셀 어레이(110-1)와 비교해 다소 달라질 수 있다.

도 5에 도시된 픽셀 어레이(110-3) 역시 베이어 패턴으로 배열된 제1 픽셀(120-3A) 내지 제4 픽셀(120-3D)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110-3)는 후술할 차이점 이외에는 도 3에 도시된 픽셀 어레이(110-1)와 실질적으로 동일한바 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 5의 실시예에서, 제1 픽셀(120-3A), 제3 픽셀(120-3C) 내지 제4 픽셀(120-3D)는 각각 도 3에 도시된 제1 픽셀(120-1A), 제3 픽셀(120-1C) 내지 제4 픽셀(120-1D)와 동일한 구조를 가진다.

다만, 도 3의 실시예에서 레드 픽셀인 제2 픽셀(120-1B)은 제2 방향(예컨대, 수평 방향)으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(R1과 R2)을 포함하는데 반하여, 도 5의 실시예에서 레드 픽셀인 제2 픽셀(120-3B)은 제1 방향(예컨대, 수직 방향)으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(R1과 R2)을 포함한다는 점에 차이가 있다.

도 5의 실시예와 같이, 레드 픽셀(120-3B)의 두 개의 포토 다이오드들(R1과 R2)의 분할 방향(예컨대, 수직 방향)과 블루 픽셀(120-3C)의 두 개의 포토 다이오드들(B1과 B2)의 분할 방향(예컨대, 수평 방향)은 다를 수 있다.

그러나, 동일 종류(색상)의 픽셀들(120-3A와 120-3D) 각각의 분할 방향은 동일하다.

도 6에 도시된 픽셀 어레이(110-4) 역시 베이어 패턴으로 배열된 제1 픽셀(120-4A) 내지 제4 픽셀(120-4D)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110-4)는 후술할 차이점 이외에는 도 3에 도시된 픽셀 어레이(110-1)와 실질적으로 동일한바 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 6의 실시예에서, 제1 픽셀(120-4A), 제2 픽셀(120-4B), 및 제4 픽셀(120-4D)는 각각 도 3에 도시된 제1 픽셀(120-1A), 제2 픽셀(120-1B), 및 제4 픽셀(120-1D)와 동일한 구조를 가진다.

다만, 도 3의 실시예에서 블루 픽셀인 제3 픽셀(120-1C)은 제2 방향(예컨대, 수평 방향)으로 분할된 포토 다이오드들(B1과 B2)을 포함하는데 반하여, 도 6의 실시예에서 블루 픽셀인 제3 픽셀(120-4C)은 제1 방향(예컨대, 수직 방향)으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(B1과 B2)을 포함한다는 점에 차이가 있다.

도 6의 실시예와 같이, 레드 픽셀(120-4B)의 두 개의 포토 다이오드들(R1과 R2)의 분할 방향(예컨대, 수평 방향)과 블루 픽셀(120-4C)의 두 개의 포토 다이오드들(B1과 B2)의 분할 방향(예컨대, 수직 방향)은 다를 수 있다.

그러나, 동일 종류(색상)의 픽셀들(예컨대, 120-4A와 120-4D) 각각의 분할 방향은 동일하다.

도 7에 도시된 픽셀 어레이(110-5) 역시 베이어 패턴으로 배열된 제1 픽셀(120-5A) 내지 제4 픽셀(120-5D)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110-5)는 후술할 차이점 이외에는 도 4에 도시된 픽셀 어레이(110-2)와 실질적으로 동일한바 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 7의 실시예에서, 제1 픽셀(120-5A), 제3 픽셀(120-5C), 및 제4 픽셀(120-5D)는 각각 도 4에 도시된 제1 픽셀(120-2A), 제3 픽셀(120-2C), 및 제4 픽셀(120-2D)와 동일한 구조를 가진다.

다만, 도 4의 실시예에서, 레드 픽셀인 제2 픽셀(120-2B)은 제1 방향(예컨대, 수직 방향)으로 분할된 포토 다이오드들(R1과 R2)을 포함하는데 반하여, 도 7의 실시예에서 레드 픽셀인 제2 픽셀(120-6B)은 제2 방향(예컨대, 수평 방향)으로 분할된 포토 다이오드들(R1과 R2)을 포함한다는 점에 차이가 있다.

도 8에 도시된 픽셀 어레이(110-8) 역시 베이어 패턴으로 배열된 제1 픽셀(120-6A) 내지 제4 픽셀(120-6D)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110-6)는 후술할 차이점 이외에는 도 4에 도시된 픽셀 어레이(110-2)와 실질적으로 동일한바 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 8의 실시예에서, 제1 픽셀(120-6A), 제2 픽셀(120-6B), 및 제4 픽셀(120-6D)는 각각 도 4에 도시된 제1 픽셀(120-2A), 제2 픽셀(120-2B), 및 제4 픽셀(120-2D)와 동일한 구조를 가진다.

다만, 도 4의 실시예에서 블루 픽셀인 제3 픽셀(120-2C)은 제1 방향(예컨대, 수직 방향)으로 분할된 포토 다이오드들(B1과 B2)을 포함하는데 반하여, 도 8의 실시예에서 블루 픽셀인 제3 픽셀(120-6C)은 제2 방향(예컨대, 수평 방향)으로 분할된 구조의 포토 다이오드들(B1과 B2)을 포함한다는 점에 차이가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, RGB 베이어 패턴을 가지는 픽셀들 중 적어도 한 종류(타입)의 픽셀(예컨대, G 픽셀)은 제1 방향으로 분할된 두 개의 포토 다이오드들을 포함하고, 다른 종류(타입)의 픽셀(예컨대, R 또는 B 픽셀)은 제2 방향으로 분할된 두 개의 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 제1 방향과 제2 방향은 서로 다른 방향으로서, 실시예에 따라, 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직(즉, 90도 차이를 가짐)일 수 있다.

이와 같이, 한 종류의 컬러 픽셀에 포함된 2개의 포토 다이오드들의 분할 방향과 다른 종류의 컬러 픽셀에 포함된 2개의 포토 다이오드들의 분할 방향을 달리함으로써, 오토 포커싱 정보 산출시, 픽셀 당 4개의 포토 다이오드를 구비한 것과 유사한 효과를 얻을 수 있다.

픽셀당 4개의 포토 다이오드들을 포함하면, 수직 방향의 오토 포커싱 정보와 수평 방향의 오토 포커싱 정보를 모두 산출할 수 있다.

그러나, 픽셀당 4개의 포토 다이오드들을 포함하여야 하므로, 픽셀 어레이의 사이즈가 증가하고 데이터량(data rates)이 증가하며, 이로 인하여 전력 소모 및 열 발생이 증가한다.

이에 반해, 본 발명의 실시예에 따르면, 픽셀당 2개의 포토 다이오드들을 포함하되, 컬러 픽셀의 종류별로, 2개의 포토 다이오드들을 분할 방향을 달리하여, 픽셀당 4개의 포토 다이오드들을 포함하는 구조에 비하여 픽셀 어레이의 사이즈 및 데이터 량(data rates)을 줄이면서, 수직 방향의 오토 포커싱 정보와 수평 방향의 오토 포커싱 정보를 모두 얻을 수 있다.

도 3 내지 도 8에 도시된 각 픽셀(예컨대, 120-1A)은 2개의 포토 다이오드들을 포함하여, 각 픽셀(예컨대, 120-1A)에서 출력된 신호로부터 오토 포커싱 정보를 추출할 수 있으므로 오토 포커싱 픽셀(auto focusing pixel)로 불릴 수 있다.

도 3 내지 도 8에서 설명된 상기 서브 픽셀 신호들 간의 합산과 감산은 아날로그 레벨(analog level) 또는 디지털 레벨(digital level)에서 수행될 수 있다. 즉, 상기 아날로그 레벨에서의 합산과 감산은 각 픽셀(예컨대, 120-1A)에 연결된 컬럼 라인(예컨대, 도 2의 COL1~COLm)에 연결된 ADC 블록(190)의 다수의 커패시터들(미도시)와 스위치들(미도시)의 동작에 의해 수행될 수 있다. 또는, 상기 디지털 레벨에서의 합산과 감산은 상기 서브 픽셀 신호들이 각각 아날로그-디지털 변환된 신호들을 수신하는 이미지 신호 프로세서(220)에 의해 수행될 수 있다.

도 9는 도 3 내지 도 8에 도시된 픽셀의 일 실시예를 나타내는 회로도이다. 도 3 내지 도 9를 참조하면, 도 3 내지 도 8에 도시된 각 픽셀(120-1A~120-6D)은 회로적인 측면에서 실질적으로 동일한 구성과 동작을 가진다. 따라서, 설명의 편의를 위해, 하나의 픽셀(도 3의 120-1A)에 대해서 대표적으로 설명하기로 한다.

픽셀(125A)은 제1 픽셀(도 3의 120-1A)의 등가 회로(equivalent circuit)로서, 제1 서브 픽셀(121-1) 및 제2 서브 픽셀(121-2)를 포함한다.

제1 서브 픽셀(121-1)은 제1 포토 다이오드(PD1), 제1 전송 트랜지스터(TX1), 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1), 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 제1 드라이브 트랜지스터(DX1) 및 제1 선택 트랜지스터(SX1)를 포함할 수 있다.

제2 서브 픽셀(121-2)은 제2 포토 다이오드(PD2), 제2 전송 트랜지스터(TX2), 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD2), 제2 리셋 트랜지스터(RX2), 제2 드라이브 트랜지스터(DX2) 및 제2 선택 트랜지스터(SX2)를 포함할 수 있다.

제1 포토 다이오드(PD1) 및 제2 포토 다이오드(PD2)는 광전 변환 소자의 예시로서, 포토트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제1 및 제2 전송 제어 신호(TG1, TG2), 제1 및 제2 리셋 제어 신호(RG1, RG2)와 제1 및 제2 선택 제어 신호(SEL1, SEL2)는 로우 드라이버(160)로부터 출력되는 제어 신호들이고, 픽셀 어레이(110)의 동일한 로우에 속한 픽셀들(예컨대, P11~P1m)은 동일한 타이밍의 제1 및 제2 전송 제어 신호(TG1, TG2), 동일한 타이밍의 제1 및 제2 리셋 제어 신호(RG1, RG2) 및 동일한 타이밍의 제1 및 제2 선택 제어 신호(SEL1, SEL2)를 수신할 수 있다.

제1 서브 픽셀(121-1)의 동작을 살펴보면, 제1 포토 다이오드(PD1)는 대상물(350)로부터 입사되는 광의 세기에 따른 광전하를 생성한다.

제1 포토 다이오드(PD1)의 일측단은 제1 전송 트랜지스터(TX1)와 접속되고, 타측단은 접지 전압(VSS)에 접속될 수 있다. 접지 전압(VSS)은 예컨대, 0V 일 수 있다.

제1 전송 트랜지스터(TX1)는 제1 포토 다이오드(PD1)에 의해 생성된 광전하를 제1 전송 제어 신호(TG1)에 응답하여 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)로 전송할 수 있다.

제1 드라이브 트랜지스터(DX1)는 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)에 축적된 광전하에 따른 전위에 따라 제1 선택 트랜지스터(SX1)로 상기 광전하를 증폭하여 전송할 수 있다.

제1 선택 트랜지스터(SX1)는 드레인 단자가 상기 제1 드라이브 트랜지스터(DX1)의 소스 단자에 연결되고, 제1 선택 제어 신호(SEL1)에 따라 픽셀(115-1)에 연결된 제1 서브 칼럼 라인(COL1-1)으로 제1 서브 픽셀 신호를 출력할 수 있다.

제1 리셋 트랜지스터(RG1)는 제1 리셋 제어 신호(RG1)에 따라 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)를 전원 전압(VDD)으로 리셋한다. 전원 전압(VDD)은 픽셀 어레이(110)의 구동 전압을 의미하며, 예컨대 2V에서 5V의 범위를 가질 수 있다.

제2 서브 픽셀(121-2)의 구성 및 동작은 제1 서브 픽셀(121-1)의 구성 및 동작과 유사하다. 제2 서브 픽셀(121-2)의 동작을 살펴보면, 제2 포토 다이오드(PD2)는 대상물(350)로부터 입사되는 광의 세기에 따른 광전하를 생성한다.

제2 포토 다이오드(PD2)의 일측단은 제2 전송 트랜지스터(TX2)와 접속되고, 타측단은 접지 전압(VSS)에 접속될 수 있다.

제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제2 포토 다이오드(PD2)에 의해 생성된 광전하를 제2 전송 제어 신호(TG2)에 응답하여 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD2)로 전송할 수 있다.

제2 드라이브 트랜지스터(DX2)는 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD2)에 축적된 광전하에 따른 전위에 따라 제2 선택 트랜지스터(SX2)로 상기 광전하를 증폭하여 전송할 수 있다.

제2 선택 트랜지스터(SX2)는 드레인 단자가 상기 제2 드라이브 트랜지스터(DX2)의 소스 단자에 연결되고, 제2 선택 제어 신호(SEL2)에 따라 픽셀(115-1)에 연결된 제2 서브 칼럼 라인(COL1-2)으로 제2 서브 픽셀 신호를 출력할 수 있다.

제2 리셋 트랜지스터(RG2)는 제2 리셋 제어 신호(RG2에 따라 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD2)를 전원 전압(VDD)으로 리셋한다.

픽셀(115-1)의 동작을 타이밍적으로 살펴보면, 제1 및 제2 플로팅 디퓨젼 노드(FD1, FD2)가 리셋된 후, 제1 및 제2 서브 픽셀(121-1) 및 제2 서브 픽셀(121-2)로부터 리셋 상태에 대응하는 리셋 신호가 동시에 제1 및 제2 서브 컬럼 라인(COL1-1, COL1-2)으로 출력될 수 있다.

이후, 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 제1 포토 다이오드(PD1)에 축적된 광전하를 제1 플로팅 디퓨젼 노드(FD1)로 전송하고, 제1 드라이브 트랜지스터(DX1)와 제1 선택 트랜지스터(SX1)의 동작에 의해 제1 포토 다이오드(PD1)의 광전하에 대응하는 제1 서브 픽셀 신호가 제1 서브 컬럼 라인(COL1-1)으로 출력된다.

한편, 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제2 포토 다이오드(PD2)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨젼 노드(FD2)로 전송하고, 제2 드라이브 트랜지스터(DX2)와 제2 선택 트랜지스터(SX2)의 동작에 의해 제2 포토 다이오드(PD2)의 광전하에 대응하는 제2 서브 픽셀 신호가 제1 서브 픽셀 신호와 동시에 제2 서브 컬럼 라인(COL1-2)으로 출력된다.

도 9의 실시예에서는 제1 및 제2 서브 픽셀(121-1, 121-2) 각각이 4 종류의 CMOS트랜지스터들(TX, RX, DX, 및 SX)을 별도로 포함하고 또한 별도의 서브 칼럼 라인(COL1-1, COL1-2)에 연결되는 구조를 가지므로, 제1 및 제2 서브 픽셀 신호를 동시에 출력할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예에 따라, 각 서브 픽셀(121-1, 121-2)의 트랜지스터들의 수 및 연결 관계가 달라질 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 각 서브 픽셀(121-1, 121-2)의 트랜지스터들 중의 적어도 하나 및/또는 플로팅 디퓨전 노드(FD1, FD2)가 공유될 수도 있다.

도 10은 도 3 내지 도 8에 도시된 픽셀의 일 실시예를 나타내는 회로도이다. 도 3 내지 도 8 및 도 10을 참조하면, 도 3 내지 도 8에 도시된 각 픽셀(120-1A~120-6D)은 회로적인 측면에서 실질적으로 동일한 구성과 동작을 가진다. 따라서, 설명의 편의를 위해, 하나의 픽셀(도 3의 120-1A)에 대해서 대표적으로 설명하기로 한다.

픽셀(125B)은 제1 픽셀(도 3의 120-1A)의 등가 회로(equivalent circuit)로서, 제1 포토 다이오드(B1), 제2 포토 다이오드(B2), 제1 전송 트랜지스터(TX1), 제2 전송 트랜지스터(TX2), 플로팅 디퓨젼 노드(FD), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다.

도 10에서는 4 종류의 CMOS트랜지스터들(TX1~TX2, RX, DX, 및 SX)을 포함하는 구조의 픽셀을 예시하고 있지만, 본 발명에 따른 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며, 적어도 3 종류 이상의 트랜지스터들을 포함하는 모든 회로들에 본 발명에 따른 실시 예가 적용될 수 있다.

제1 전송 제어 신호(TG1), 제2 전송 제어 신호(TG2), 리셋 제어 신호(RG), 및 선택 제어 신호(SEL)는 로우 드라이버(160)로부터 출력되는 제어 신호들이고, 픽셀 어레이(110)의 동일한 로우에 속한 픽셀들은 동일한 타이밍의 제1 전송 제어 신호(TG1), 제2 전송 제어 신호(TG2), 리셋 제어 신호(RG), 및 선택 제어 신호(SEL)를 수신할 수 있다.

픽셀(125B)의 구성들 각각의 동작을 살펴보면, 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제2 포토 다이오드(PD2) 각각은 대상물(350)로부터 입사되는 광의 세기에 따른 광전하를 생성한다. 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제2 포토 다이오드(PD2) 각각의 일측단은 제1 전송 트랜지스터(TX1) 및 제2 전송 트랜지스터(TX2)와 접속되고, 각각의 타측단은 접지 전압(VSS)에 접속될 수 있다. 접지 전압(VSS)은 예컨대, 0V 일 수 있다.

제1 전송 트랜지스터(TX1) 및 제2 전송 트랜지스터(TX2) 각각은 제1 전송 제어 신호(TG1) 및 제2 전송 제어 신호(TG2)에 따라 상기 생성된 광전하를 플로팅 디퓨젼 노드(FD)로 전송할 수 있다.

드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 디퓨젼 노드(FD)에 축적된 광전하에 따른 전위에 따라 선택 트랜지스터(SX)로 상기 광전하를 증폭하여 전송할 수 있다.

선택 트랜지스터(SX)는 드레인 단자가 상기 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스 단자에 연결되고, 선택 제어 신호(SEL)에 따라 픽셀(125B)에 연결된 칼럼 라인(COL1)으로 픽셀 신호를 출력할 수 있다.

리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어 신호(RG)에 따라 플로팅 디퓨젼 노드(FD)를 전원 전압(VDD)으로 리셋할 수 있다. 전원 전압(VDD)은 픽셀 어레이(110)의 구동 전압을 의미하며, 예컨대 2V에서 5V의 범위를 가질 수 있다.

픽셀(125A)의 동작을 타이밍적으로 살펴보면, 플로팅 디퓨젼 노드(FD)가 리셋 트랜지스터(RX)에 의해 리셋된 후, 드라이브 트랜지스터(DX)와 선택 트랜지스터(SX)의 동작에 의해 리셋 상태에 대응하는 전기 신호가 컬럼 라인(COL)으로 출력된다.

이후, 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 제1 포토 다이오드(PD1)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨젼 노드(FD)로 전송하고, 드라이브 트랜지스터(DX)와 선택 트랜지스터(SX)의 동작에 의해 제1 포토 다이오드(PD1)의 광전하에 대응하는 전기 신호인 제1 서브 픽셀 신호가 컬럼 라인(COL1)으로 출력된다.

이후, 플로팅 디퓨젼 노드(FD)가 리셋 트랜지스터(RX)에 의해 다시 리셋된 후, 드라이브 트랜지스터(DX)와 선택 트랜지스터(SX)의 동작에 의해 리셋 상태에 대응하는 전기 신호가 컬럼 라인(COL1)으로 출력된다. 다른 실시예에 따라, 상기 다시 리셋되는 동작은 ADC 블록(140)이 이전의 리셋 상태에 대응하는 전기 신호를 저장함으로써 생략될 수 있다.

이후, 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제2 포토 다이오드(PD2)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨젼 노드(FD)로 전송하고, 드라이브 트랜지스터(DX)와 선택 트랜지스터(SX)의 동작에 의해 제2 포토 다이오드(PD2)의 광전하에 대응하는 전기 신호인 제2 서브 픽셀 신호가 컬럼 라인(COL1)으로 출력된다.

ADC 블록(190)은 제1 포토 다이오드(B1)의 광전하에 대응하는 전기 신호와 제2 포토 다이오드(B2)의 광전하에 대응하는 전기 신호 각각으로부터 리셋 상태에 대응하는 전기 신호를 감산함으로써 리셋 노이즈를 제거할 수 있다. 또한, 각각의 상기 리셋 노이즈가 제거된 제1 포토 다이오드(B1)의 광전하에 대응하는 전기 신호와 제2 포토 다이오드(B2)의 광전하에 대응하는 전기 신호는 각각 상술한 상기 제1 서브 픽셀 신호와 상기 제2 서브 픽셀 신호에 해당할 수 있다.

도 10의 실시예에서는 상기 제1 서브 픽셀 신호와 상기 제2 서브 픽셀 신호가 동일한 칼럼 라인(COL1)으로 순차적으로 출력된다.

도 11은 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.

도 11을 참조하면, 전자 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP, IPTV 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다.

전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010), 이미지 센서(100), 및 디스플레이(1050)를 포함한다.

어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 CSI 호스트(1012)는 카메라 시리얼 인터페이스(camera serial interface(CSI))를 통하여 이미지 센서(100)의 CSI 장치(1041)와 시리얼 통신할 수 있다. 예컨대, CSI 호스트(1012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(1041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다.

어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 DSI 호스트(1011)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface(DSI))를 통하여 디스플레이(1050)의 DSI 장치(1051)와 시리얼 통신할 수 있다. 예컨대, DSI 호스트(1011)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있고, DSI 장치(1051)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있다.

전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010)와 통신할 수 있는 RF 칩(1060)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(1000)의 PHY(1013)와 RF 칩(1060)의 PHY(1061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.

전자 시스템(1000)은 GPS(1020), 스토리지(1070), 마이크(1080), DRAM(1085) 및 스피커(1090)를 더 포함할 수 있으며, 전자 시스템(1000)은 Wimax(1030), WLAN(1100) 및 UWB(1110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.

도 12는 도 1에 도시된 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템의 일 실시예를 나타내는 블록도이다다. 도 12를 참조하면, 이미지 처리 시스템(1100)은 이동 전화기, PDA, PMP, IPTV 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이미지 처리 시스템(1100)은 프로세서(1110), 메모리(1120), 이미지 센서(100), 디스플레이 유닛(1130) 및 인터페이스(1140)를 포함할 수 있다.

프로세서(1110)는 이미지 센서(100)의 동작을 제어할 수 있다. 메모리(1120)는 프로세서(1110)의 제어에 따라 버스(1150)를 통하여 이미지 센서(100)의 동작을 제어하기 위한 프로그램과 상기 생성된 이미지를 저장할 수 있고, 프로세서(1110)는 저장된 정보를 액세스하여 상기 프로그램을 실행시킬 수 있다. 메모리(1120)는 예컨대, 비휘발성 메모리(non-volatile memory)로 구현될 수 있다.

이미지 센서(100)는 프로세서(1110)의 제어에 따라 동작하여, 이미지 정보를 생성할 수 있다. 이미지 센서(100)는 카메라 모듈(미도시)의 일부로서 구현될 수 있다.

디스플레이 유닛(1130)은 상기 생성된 이미지를 프로세서(1110) 또는 메모리(1120)로부터 수신하여 디스플레이(예컨대, LCD, AMOLED)를 통하여 디스플레이할 수 있다.

인터페이스(1140)는 사용자로부터의 입력을 수신할 수도 있고, 이미지를 입출력하기 위한 인터페이스일 수도 있다. 실시 예에 따라, 인터페이스(1140)는 무선 인터페이스로 구현될 수 있다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 본 발명에 따른 객체 정보 추정 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드는 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 전송될 수도 있다.

또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이미지 처리 시스템(10), 이미지 센서(Image sensor, 100)
픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(130),
ADC 블록(140), 칼럼 드라이버(150),
램프 신호 생성기(160), 버퍼(190)
이미지 프로세서(200), 디스플레이 유닛(300)
렌즈(500), 픽셀(120)

Claims

R, G, B 베이어 패턴을 갖는 제1 내지 제4 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이;
상기 제1 내지 제4 픽셀들 각각의 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환 블록; 및
상기 픽셀 어레이와 상기 아날로그-디지털 변환 블록을 제어하는 제어 블록을 포함하며,
상기 제1 및 제4 픽셀은 각각 그린 필터(green filter)를 포함하는 그린 픽셀이고,
상기 제2 픽셀은 레드 필터(red filter)를 포함하는 레드 픽셀이고,
상기 제3 픽셀은 블루 필터(blue filter)를 포함하는 블루 픽셀이고,
상기 제1 및 제4 픽셀 각각은 제1 방향으로 분할된 2개의 포토 다이오드들을 포함하고,
상기 제2 픽셀 및 상기 제3 픽셀 중 하나는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 분할된 2개의 포토 다이오드들을 포함하는 이미지 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제4 픽셀은 각각 그린 필터(green filter)를 포함하는 그린 픽셀이고,
상기 제2 픽셀은 레드 필터(red filter)를 포함하는 레드 픽셀이며,
상기 제3 픽셀은 블루 필터(blue filter)를 포함하는 블루 픽셀인 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향과 90도 차이를 갖는 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 픽셀들은 로우(row) 및 칼럼(column) 방향으로 배열되고,
상기 제1 방향은 상기 칼럼 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 로우 방향인 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 픽셀들은 로우(row) 및 칼럼(column) 방향으로 배열되고,
상기 제1 방향은 상기 로우 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 칼럼 방향인 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제4 픽셀 각각은 상기 제1 방향으로 분할된 상기 2개의 포토 다이오드들을 포함하고,
상기 제2 및 제3 픽셀 각각은 상기 제2 방향으로 분할된 상기 2개의 포토 다이오드들을 포함하는 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제4 픽셀 각각은 상기 제1 방향으로 분할된 상기 2개의 포토 다이오드들을 포함하고,
상기 제2 픽셀 및 상기 제3 픽셀 중 하나는 상기 제2 방향으로 분할된 상기 2개의 포토 다이오드들을 포함하며,
상기 제2 픽셀 및 상기 제3 픽셀 중 나머지 하나는 상기 제1 방향으로 분할된 상기 2개의 포토 다이오드들을 포함하는 이미지 센서.
제2항에 있어서,
상기 제1 및 제4 픽셀들 각각에 포함된 상기 2개의 포토 다이오드들은 하나의 마이크로 렌즈를 통과한 입사광의 세기에 따른 광전하를 축적하고,
상기 제1 및 제4 픽셀들 각각은
각자의 2개의 포토 다이오드들에 축적된 광전하를 전기적 신호인 제1 및 제2 서브 픽셀 신호로 변환하여 출력하는 복수(2이상)의 트랜지스터들을 더 포함하는 이미지 센서.
제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 서브 픽셀 신호 간의 차이에 기초하여 오토 포커싱 정보가 산출되는 이미지 센서.
제8항에 있어서,
상기 제1 및 제2 서브 픽셀 신호 각각은 서로 다른 서브 칼럼 라인으로 동시에 출력되는 이미지 센서.
제8항에 있어서,
상기 제1 및 제2 서브 픽셀 신호 각각은 동일한 칼럼 라인으로 순차적으로 출력되는 이미지 센서.
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