KR20140010553A - 픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서, 및 상기 이미지 센서의 로컬 다크 전류 보상 방법 - Google Patents

픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서, 및 상기 이미지 센서의 로컬 다크 전류 보상 방법 Download PDF

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Abstract

이미지 센서의 픽셀 어레이는 액티브 픽셀 블록의 내부에 로컬 다크 전류를 검출하기 위한 다크 픽셀을 포함한다. 상기 다크 픽셀은 상기 액티브 픽셀 블록의 주변에 배치되고 글로벌 다크 전류를 검출하기 위한 옵티컬 블랙 픽셀 블록과는 구별된다. 상기 액티브 픽셀 블록의 내부에 배치되는 상기 다크 픽셀로부터 출력된 상기 로컬 다크 전류를 이용하여 글로벌 다크 전류 보상 만으로 보상되지 않는 다크 쉐이딩을 보상함으로써 이미지의 화질이 개선될 수 있다.

Description

픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지 센서, 및 상기 이미지 센서의 로컬 다크 전류 보상 방법{PIXEL ARRAY, IMAGE SENSOR HAVING THE SAME, AND METHOD FOR COMPENSATING LOCAL DARK CURRENT}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 이미지 센서, 특히 액티브 픽셀 블록의 내부에 로컬 다크 전류를 검출하기 위한 다크 픽셀을 구현하여 픽셀 어레이 내에서 국부적으로(locally) 발생하는 다크 전류(dark current)의 차이, 즉 다크 쉐이딩 dark shading)을 보상할 수 있는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서(image sensor) 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
빛의 세기, 온도, 질량, 또는 시간 등과 같은 유효한 물리량을 감지하고 감지의 결과에 따라 전기 신호를 출력하는 픽셀 어레이를 포함하는 센서(sensor) 장치가 다방면에서 사용되고 있다. 특히, 촬상되는(captured) 피사체의 이미지를 측정하는 이미지 센서는 다양한 분야에 응용되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 픽셀 어레이 내에서 국부적으로 발생하는 다크 전류의 차이를 보상할 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 픽셀 어레이에 전체적으로 분포하는 글로벌 다크 전류와 국부적으로 존재하는 로컬 다크 전류를 모두 보상할 수 있는 CMOS 이미지 센서와 이의 동작 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이는 각각이 광 신호에 상응하는 전기 신호를 출력하는 복수의 액티브 픽셀들과 로컬 다크(local dark) 전류를 생성하는 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함하는 액티브 픽셀 블록과, 상기 액티브 픽셀 블록의 주변에 배치되고, 글로벌 다크(global dark) 전류를 생성하는 옵티컬 블랙(optical black) 픽셀 블록을 포함한다.
실시 예에 따라, 상기 액티브 픽셀 블록은 각각이 동일한 픽셀 배열을 갖는 복수의 단위 픽셀 블록들을 포함하며, 상기 복수의 단위 픽셀 블록들 각각은 상기 복수의 액티브 픽셀들 중 적어도 하나의 액티브 픽셀과 상기 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함한다.
다른 실시 예에 따라, 상기 액티브 픽셀 블록은 각각이 서로 다른 픽셀 배열을 갖는 복수의 단위 픽셀 블록들을 포함하며, 상기 복수의 단위 픽셀 블록들 각각은 상기 복수의 액티브 픽셀들 중 적어도 두 개의 액티브 픽셀들과 상기 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함한다.
상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 상기 복수의 액티브 픽셀들 사이에서 랜덤하게 배치된다.
상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 포토다이오드와 마이크로렌즈 사이에 형성된 광 차단층을 포함한다.
상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 마이크로렌즈의 상부에 형성된 광 차단층을 포함한다.
상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 포토다이오드를 포함하지 않는다. 상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 상기 로컬 다크 전류를 생성하기 위해 상기 광신호에 응답하여 광전 변환을 수행하지 않는다. 상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 상기 로컬 다크 전류를 생성하기 위해 상기 광신호에 응답하여 상기 전기 신호를 출력하지 않는다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 각각이 광신호에 상응하는 전기 신호를 출력하는 복수의 액티브 픽셀들과 로컬 전류를 생성하는 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함하는 액티브 픽셀 블록과, 상기 액티브 픽셀 블록 주변에 배치되고 글로벌 다크 전류를 생성하는 옵티컬 블랙 픽셀 블록을 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 적어도 하나의 다크 픽셀로부터 제공된 상기 로컬 다크 전류를 이용하여 상기 액티브 픽셀들 각각에 대한 상기 로컬 다크 전류를 보상하는 보상 회로를 포함한다.
상기 보상 회로는 상기 복수의 액티브 픽셀들 각각으로부터 출력된 상기 전기 신호와 상기 다크 픽셀로부터 출력된 상기 로컬 다크 전류를 포함하는 이미지 신호들 각각으로부터 상기 다크 픽셀의 위치 정보를 제공하는 다크 픽셀 마커와, 상기 다크 픽셀로부터 출력된 상기 로컬 다크 전류와 상기 다크 픽셀의 위치 정보를 이용하여 상기 복수의 액티브 픽셀들 각각에 대한 상기 로컬 다크 전류를 보상하는 다크 쉐이딩 보상 회로를 포함한다.
상기 이미지 센서는 상기 로컬 다크 전류가 보상된 상기 복수의 액티브 픽셀들의 출력에 대해 베드 픽셀 보상을 실시하는 베드 픽셀 보상 회로를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 로컬 다크 전류 보상 방법은 액티브 픽셀 블록에 구현된 복수의 액티브 픽셀들 각각을 이용하여 광 신호에 상응하는 전기 신호를 생성하는 동시에 상기 액티브 픽셀 블록에 구현된 적어도 하나의 다크 픽셀을 이용하여 로컬 다크 전류를 생성하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 다크 픽셀로부터 제공된 상기 로컬 다크 전류를 이용하여 상기 액티브 픽셀들 각각에 대한 로컬 다크 전류를 보상하는 단계를 포함한다.
상기 보상하는 단계는 상기 복수의 액티브 픽셀들 각각으로부터 출력된 상기 전기 신호와 상기 적어도 하나의 다크 픽셀로부터 출력된 상기 로컬 다크 전류를 포함하는 이미지 신호로부터 상기 복수의 다크 픽셀들 각각의 위치 정보를 제공하는 단계와, 상기 적어도 하나의 다크 픽셀로부터 출력된 상기 로컬 다크 전류와 상기 복수의 다크 픽셀들 각각의 위치 정보를 이용하여 상기 복수의 액티브 픽셀들 각각에 대한 상기 로컬 다크 전류를 보상하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서는 다크 쉐이딩을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 CMOS 이미지 센서는 글로벌 다크 전류와 로컬 다크 전류를 모두 보상함으로써 이미지의 화질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이를 나타낸다.
도 2a부터 도 2c는 도 1에 도시된 액티브 픽셀 블록에 구현된 다크 픽셀을 포함하는 픽셀 배열들을 나타내는 실시 예들이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 4a부터 도 4c는 도 3에 도시된 보상 회로를 포함하는 관련 회로와 그의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a부터 도 5f는 도 1부터 도 3에 예시된 다크 픽셀의 실시 예들을 나타낸다.
도 6a부터 도 6c는 도 1부터 도 3에서 예시된 다크 픽셀의 회로도들을 나타낸다.
도 7a부터 도 7d는 도 1부터 도 3에서 예시된 픽셀의 회로도들을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 보간을 설명하기 위한 액티브 픽셀 블록을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 로컬 다크 전류를 보상하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 카메라 시스템의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템의 블록도이다.
도 13은 도 12에 도시된 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 실시예를 나타내는 블록도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 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 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 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 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 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 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서의 픽셀 어레이(10)는 액티브 픽셀 블록 (active pixel block; 11), 칼럼(column) 옵티컬 블랙(optical black(OB)) 픽셀 블록들(12a와 12b), 및 프레임(frame) OB 픽셀 블록들(13a와 13b)을 포함한다.
액티브 픽셀 블록(11)은 로컬 다크 전류(local dark current)를 검출 또는 추출하기 위한 적어도 하나의 다크 픽셀(11a)과, 실제 이미지 데이터를 출력하는 액티브 픽셀들(11b)을 포함한다. 적어도 하나의 다크 픽셀(11a)은 액티브 픽셀 블록(11)의 내부에 배치되며, 액티브 픽셀 블록(11)의 내부에서 생성된 로컬 다크 전류를 검출하기 위해 사용된다.
칼럼 OB 픽셀 블록들(12a와 12b)은 액티브 픽셀 블록(11)의 좌측과 우측에 배치되며, 칼럼들 사이에 존재하는 글로벌(global) 다크 전류를 검출하기 위해 사용된다.
프레임 OB 픽셀 블록들(13a와 13b)은 프레임들 사이에 존재하는 글로벌 다크 전류를 검출하기 위해 사용된다.
전술한 바와 같이, 칼럼 OB 픽셀 블록들(12a와 12b)과 프레임 OB 픽셀 블록들(13a와 13b)은 액티브 픽셀 블록(11)의 내부에 전체적으로 분포하는 다크 전류, 즉 글로벌 다크 전류를 검출한다.
칼럼 OB 픽셀 블록들(12a와 12b)의 내부와 프레임 OB 픽셀 블록들(13a와 13b)의 내부에 구현된 OB 픽셀들 각각은 광 입사를 차단하는 구조를 제외하고 액티브 픽셀 블록(11)의 내부에 구현된 액티브 픽셀들 각각과 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 이때, 상기 광 입사를 차단하는 구조는 메탈 등과 같은 물질로 구현될 수 있다. 상기 구조에 따라, 각 블록(12a, 12b, 13a, 및 13b)의 내부에 구현된 OB 픽셀들 각각은 광전 변환을 수행하지 못한다.
따라서, 이미지 센서는 칼럼 OB 픽셀 블록들(12a와 12b)과 프레임 OB 픽셀 블록들(13a와 13b)에 구현된 OB 픽셀들 각각에 의해 감지 또는 검출된 글로벌 다크 전류의 레벨을 이용하여 액티브 픽셀 블록(11)의 글로벌 다크 전류의 레벨을 조절할 수 있다. 상기 조절은 검출된 글로벌 다크 전류의 레벨을 이용하여 액티브 픽셀 블록(11)에서 검출된 전압의 레벨을 전체적으로 가감하는 보상 과정을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 액티브 픽셀 블록(11)의 내부에 배치된 적어도 하나의 다크 픽셀(11a)은 액티브 픽셀(11b)이 배치된 액티브 픽셀 블록(11)의 내부에서 국부적으로 다른 특성을 나타낼 수 있는 로컬 다크 전류를 검출할 수 있다.
도 2a부터 도 2c는 도 1에 도시된 액티브 픽셀 블록에 구현된 다크 픽셀을 포함하는 픽셀 배열들을 나타내는 실시 예들이다.
도 2a을 참조하면, 도 1의 액티브 픽셀 블록(11)의 일 실시 예에 따른 액티브 픽셀 블록(20A)은 복수의 단위 픽셀 블록들(B1~B4)을 포함한다. 복수의 단위 픽셀 블록들(B1~B4) 각각은 동일한 픽셀 배열을 갖는다. 즉, 복수의 단위 픽셀 블록들(B1~B4) 각각은 복수의 액티브 픽셀들(22)과 하나씩의 다크 픽셀 (21a~21d)을 포함한다. 복수의 단위 픽셀 블록들(B1~B4) 각각에 포함된 픽셀들의 배열, 즉 픽셀 배열은 서로 동일하다.
설명의 편의를 위해 각 단위 픽셀 블록(B1~B4)은 하나씩의 다크 픽셀 (21a~21d)을 포함하나, 각 단위 픽셀 블록(B1~B4)에 구현되는 다크 픽셀의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.
각 단위 픽셀 블록(B1~B4)에 포함된 액티브 픽셀(22)의 수가 많을수록, 액티브 픽셀 블록(20A)에 구현된 다크 픽셀(21a~21d)의 수가 감소하므로, 보간 (interpolation)해야 하는 다크 픽셀의 수는 감소한다. 반면, 각 단위 픽셀 블록 (B1~B4)에 포함된 액티브 픽셀(22)의 수가 적을수록, 액티브 픽셀 블록(20A)에 구현된 다크 픽셀(21a~21d)의 수가 증가하므로, 보간해야 하는 다크 픽셀의 수가 증가한다.
보간이 필요한 픽셀, 즉 다크 픽셀(21a~21d)의 수의 증가는 색 재현성 (color reproducibility)을 감소시키는 부정적인 효과가 있으나, 로컬 다크 전류 보상을 보다 정밀하게 할 수 있는 장점이 있다.
도 2b를 참조하면, 도 1의 액티브 픽셀 블록(11)의 다른 실시 예에 따른 액티브 픽셀 블록(20B)은 복수의 단위 픽셀 블록들(B1~B4)을 포함한다. 복수의 단위 픽셀 블록들(B1~B4) 각각은 서로 다른 픽셀 배열을 갖는다. 즉, 복수의 단위 픽셀 블록들(B1~B4) 각각은 서로 다른 개수의 액티브 픽셀들(23)과 서로 다른 개수의 다크 픽셀들을 포함한다.
예컨대, 각 단위 픽셀 블록(B1와 B3)은 14개의 액티브 픽셀들(23)과 2개의 다크 픽셀들(22a와 22b, 및 22d와 22e)을 포함하고, 제2단위 픽셀 블록(B2)은 15개의 액티브 픽셀들(23)과 하나의 다크 픽셀(22c)을 포함하고, 제4단위 픽셀 블록 (B4)은 16개의 액티브 픽셀들(23)만을 포함한다.
도 2c를 참조하면, 도 1의 액티브 픽셀 블록(11)의 다른 실시 예에 따른 액티브 픽셀 블록(20C)은 복수의 액티브 픽셀들(25)과 복수의 다크 픽셀들(24a~24j)을 포함한다.
예컨대, 다크 픽셀들(24a~24j)은 액티브 픽셀 블록(20C)의 특정한 위치에 집중적으로 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 특정한 위치는 액티브 픽셀 블록(20C)의 가장자리(edge) 부분일 수 있다. 다크 픽셀들(24a~24j)은 액티브 픽셀 블록(20C)의 가장자리 부분이나 액티브 픽셀 블록(20C)의 중앙 부분 등과 같이 로컬 다크 전류의 변화가 심한 곳에 집중적으로 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 이미지 센서(30)는 도 1부터 도 2c에 도시된 액티브 픽셀 블록(11, 20A, 20B, 또는 20C)을 포함하는 픽셀 어레이(31), CDS/ADC(correlated double sampling/analog-to-digital converter; 33), 제1메모리(34), 제2메모리 (35), 및 보상 회로(36)를 포함한다.
도 3에 도시된 이미지 센서는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서이나, 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 등과 같이 픽셀 어레이(31)와 같은 구조를 포함하는 모든 이미지 센서에 적용 가능하다.
픽셀 어레이(31)는 다크 픽셀들(31a)과 액티브 픽셀들(31b)을 포함한다. 액티브 픽셀들(31b)은 각 원색 칼라, 예컨대 레드 칼라(R), 그린 칼라(G), 및 블루 칼라(B)를 감지하기 위한 각 픽셀, 각 보색 칼라, 예컨대, 마젠타 칼라(Mg), 사이언 칼라(Cy), 및 옐로우 칼라(Y)를 감지하기 위한 각 픽셀, 또는 화이트 칼라를 감지하기 위한 픽셀 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다크 픽셀들(31a)은 액티브 픽셀 블록(31_APB) 내에서 액티브 픽셀들(31b)과 인접하여 배치되며, 빛에 의해 생성된 광 전하 대신 상기 빛이 없는 다크(dark) 상태에서 생성된 전하 즉, 상기 전하에 대응하는 다크 전류를 출력한다.
칼럼 OB 픽셀 블록들(32a와 32b)과 프레임 OB 픽셀 블록(32c)이 다크 전류를 감지하여 출력하는 것은 다크 픽셀들(31a)과 동일하나, 각 블록(32a~32c)은 픽셀 어레이(31)에 존재하는 전체적인 글로벌 다크 전류 보상을 위한 것이므로 국부적으로 발생하는 로컬 다크 전류를 보상할 수 없다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 다크 픽셀들(31a)은 이러한 국부적인 다크 전류 즉, 로컬 다크 전류를 보상할 수 있다.
CDS/ADC(33)는 CDS 동작과 아날로그-디지털 변환 동작을 분리하여 수행하거나 동시에 수행할 수 있다. 상기 CDS 동작은 아날로그 방식, 디지털 방식 또는 듀얼(dual) CDS 방식에 따라 수행될 수 있다. ADC는 픽셀 어레이(31)의 칼럼마다 배치된 칼럼 ADC 또는 하나의 ADC로 구성된 싱글 ADC일 수 있다.
제1 메모리(34)는 CDS/ADC(33)에서 출력되는 디지털 이미지 신호를 수신하여 저장한다. 픽셀 어레이(31)는 프레임 단위로 데이터를 출력하므로 제1메모리(34)는 프레임 메모리로 구현될 수 있다.
제2 메모리(35)는 CDS/ADC(33)에서 출력되는 다크 픽셀들(31a)의 출력 신호들, 즉 로컬 다크 전류 레벨들(또는 로컬 다크 전류 레벨들에 대응하는 정보)을 저장한다. 다크 전류 레벨은 다크 전류의 레벨에 상응하는 디지털 값으로 표현될 수 있다. 제2 메모리(35)는 레지스터(register)로 구현될 수 있다.
제2메모리(35)는 제1메모리(34)에 포함되어 하나의 메모리로 구현될 수 있다. 이는 다크 픽셀들(31a) 각각의 위치가 고정되어 있고 다크 픽셀들(31a) 각각에 해당하는 어드레스가 정해져 있으므로, 상기 하나의 메모리 내에서 정해진 어드레스에 대응되는 데이터는 로컬 다크 전류 레벨로 간주할 수 있기 때문이다.
보상 회로(36)는 제2메모리(35)에 저장된 로컬 다크 전류 레벨들을 이용하여 액티브 픽셀 블록(31_APB)의 액티브 픽셀들(31b)에 대해 국부적으로 로컬 다크 전류 레벨들을 보상한다. 예컨대, 제2메모리(35)에는 로컬 다크 전류 레벨 보상이 이루어질 액티브 픽셀에 대해 지정된 로컬 다크 전류 값이 저장되어 있다. 따라서, 해당 로컬 다크 전류 값만큼 해당 액티브 픽셀에서 감산함으로써, 로컬 다크 전류 보상이 이루어진다.
이는 제1메모리(34)에 저장된 액티브 픽셀(31b)의 데이터에 대한 업데이트 동작을 통해 이루어질 수 있다. 즉, 로컬 다크 전류 보상이 이루어지지 않은 초기 액티브 픽셀 값에 대해 보상이 이루어진 값으로 대체하여 기록함을 의미한다.
제1메모리(34)에 저장된 디지털 이미지 데이터(OUT)는 디지털 이미지 신호 처리 장치(도시하지 않음)에 제공될 수 있다.
도 4a부터 도 4c는 도 3에 도시된 보상 회로를 포함하는 관련 회로 및 그의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a를 참조하면, 이미지 센서(30)는 픽셀 어레이(31), ADC(33A), 보상 회로(36), 제1메모리(34), 제2메모리(35), 불휘발성 보조 메모리(41), 베드 픽셀(bad pixel) 보상 회로(43), 및 보조 라인 메모리(42)를 포함한다.
보상 회로(36)는 다크 픽셀 마커(dark pixel marker; 361)와 다크 쉐이딩 보상부(dark shading compensation unit; 362)를 포함한다.
다크 쉐이딩(dark shading)은 전술한 바와 같이 픽셀 어레이(31) 내의 다크 픽셀(31a)의 위치와 복수의 요인들에 의해 다크 전류가 다르게 분포하는 것을 칭한다. 상기 복수의 요인들은 온도, 노출 시간, 및/또는 다크 픽셀의 위치 등을 포함할 수 있다.
다크 픽셀 마커(361)는 입력되는 픽셀 데이터로부터 다크 픽셀들에 해당하는 어드레스들을 마크(mark)하여 마크된 어드레스들을 다크 쉐이딩 보상부(362)로 전달한다. 마크된 어드레스들에 기초하여, 다크 쉐이딩 보상부(362)는 다크 픽셀들에 의해 얻어진 로컬 다크 전류들을 이용하여 액티브 픽셀들에 대한 로컬 다크 전류 보상 즉, 다크 쉐이딩을 보상한다. 다크 쉐이딩 보상은, 전술한 바와 같이 해당 액티브 픽셀 값으로부터 로컬 다크 전류 값을 감산한다.
ADC(33A)는 도 3의 CDS/ADC(33)에 대한 설명의 간략화를 위해 CDS/ADC(33)를 ADC(33A)로 변경한 것이다.
제1메모리(34)는 라인 메모리(line memory)로 구현된다. 제2메모리(35)는 레지스터, 예컨대 다크 전류 레지스터로 구현된다.
불휘발성 보조 메모리(41)는 이미지 센서(30)의 용도에 따라 포함되거나 변경될 수 있으며, 이미지 센서(30)의 구동에 필요한 정보가 불휘발성 보조 메모리(41)에 사전에 입력되거나 또는 동작 도중 기록될 수 있다.
보상 회로(36)를 통해 출력된 이미지 신호는 베드 픽셀 보상 회로(43)에 의해 보상된다. 예컨대, 베드 픽셀 보상 회로(43)에 의해, 다크 픽셀과 같이 의도적으로 오류 값을 갖는 픽셀이 아닌, 실제 오류 픽셀(즉, 베드 픽셀)에 대한 보상이 이루어진다.
베드 픽셀 보상을 위해 보조 라인 메모리(42)가 추가될 수 있다. 보조 라인 메모리(42)는 베드 픽셀 보상 시, 즉 베드 픽셀에 대한 주변 액티브 픽셀 값들을 이용한 보간 등의 방법으로 픽셀 값이 대체될 때, 보간 과정에서의 계산 값을 저장하기 위해 사용될 수 있다.
도 4b는 다크 픽셀 마커(361)의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 4c는 다크 쉐이딩 보상부(362)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a부터 도 4c를 참조하면, 다크 픽셀 마커(361)로 입력되는 데이터(Video data)는 도 4b에 도시된 바와 같이 액티브 픽셀의 출력(예컨대, 실제 영상 데이터)과 빗금으로 표시된 다크 픽셀의 출력(예컨대, 로컬 다크 전류)을 포함한다. 다크 픽셀 마커(361)는 입력되는 데이터가 액티브 픽셀 데이터인지 다크 픽셀 데이터인지를 판단하여 판단의 결과를 다크 쉐이딩 보상부(263)로 제공한다. 이때, 클락 신호(CLK)와 수평 동기 신호(HSYNC)는 데이터(Video data)를 전송하기 위해 사용될 수 있다.
도 2a 및 도 2c에 도시된 바와 같이 다크 픽셀의 위치가 고정된 경우, 다크 픽셀 마커(361)는 다크 픽셀의 위치를 찾을 수 있다. 예컨대, 다크 픽셀 마커(361)는 다크 픽셀들(도 2a의 21a~21d) 각각에 대한 단위 픽셀 블록(도 2a의 B1~B4)에 대한 로우(row) 정보 및 칼럼(column) 정보를 미리 저장하고 있고, 보상이 이루어져야 할 액티브 픽셀에 대한 위치에 대해 로우 정보 및 칼럼 정보를 수신하고 수신된 두 정보를 기초로 하여 보상이 필요한 픽셀에 대한 위치를 지정하고 지정된 위치를 다크 쉐이딩 보상부(362)로 제공한다.
또한, 도 2b에 도시된 바와 같이 다크 픽셀이 임의적으로 배치된 경우, 불휘발성 보조 메모리(41) 등에 미리 저장된 어드레스가 사용될 수 있다.
다크 픽셀을 통해 제공되는 로컬 다크 전류 값은 제2메모리(35) 즉, 다크 전류 레지스터에 저장될 수 있다. 다크 쉐이딩 보상부(362)는 제2메모리(35)에 저장된 로컬 다크 전류 값을 이용하여 로컬 다크 전류 보상 영역에 대한 로컬 다크 전류를 예측한다. 이러한 예측은 보간(interpolation)을 통해 가능하다. 이어서, 다크 쉐이딩 보상부(362)는 액티브 픽셀들의 출력 값들(예컨대, 제1메모리(34)에 저장된 픽셀 값들)과 예측된 다크 전류 값들을 가감한다.
도 4c를 참조하면, 액티브 픽셀로부터 (a)에 도시된 바와 같이 로컬 다크 전류가 가산된 데이터가 출력된다. 다크 쉐이딩 보상부(362)는 (b)에 도시된 바와 같이 액티브 픽셀 별로 예상되는 다크 전류 보상 값을 계산한다. 이어서, 출력 데이터(a)로부터 예상된 다크 전류 보상 값(b)을 감산함으로써, (c)에 도시된 바와 같이 로컬 다크 전류 보상이 이루어진 데이터가 출력될 수 있다.
도 5a부터 도 5f는 도 1부터 도 3에서 예시된 다크 픽셀의 실시 예들을 나타낸다.
도 5a는 FIS(front-side illuminated sensor) 방식의 이미지 센서에 적용되는 다크 픽셀(50A)의 일 예를 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 기판(51a)에 광전 변환 소자(52a)가 배치된다. 광전 변환 소자(52a)는 포토다이오드, 핀드 포토다이오드, 또는 포토 트랜지스터 등으로 구현될 수 있다. 광전 변환 소자(52a)의 상부에는 메탈 라인들(53a)이 배치된다.
메탈 라인들(53a) 사이에는 복수의 절연막을 포함하는 인터 레이어(inter-layer)가 배치될 수 있다. 상기 인터 레이어는 광 경로(path)를 확보하기 위한 다양한 구조를 가질 수 있다. 메탈 라인들(53a)이 구현된 영역의 상부에는 칼라 필터 (54a)가 배치된다. 칼라 필터(54a)의 상하부에는 평탄화를 위한 복수의 인터 레이어가 배치될 수 있다. 칼라 필터(54a)의 상부에는 마이크로 렌즈(55a)가 배치된다.
마이크로 렌즈(55a)와 칼라 필터(54a) 사이에 광 차단막(56a)이 배치된다. 광 차단막(56a)은 마이크로 렌즈(55a)를 통해 입사한 광이 하부의 광전 변환 소자 (52a)에 전달되지 않도록 차단한다.
다크 픽셀(50A)은 다크 전류 검출을 위한 목적으로 사용되므로, 가시 광과 다른 광도 차단되어야 한다. 이를 위해, 광 차단막(56a)은 모든 영역의 파장들의 투과를 방지할 수 있는 물질로 구현될 수 있다. 예컨대, 광 차단막(56a)은 메탈로 구현될 수 있다.
광 차단막(56a)은 칼라 필터(54a)의 일부 또는 칼라 필터(54a) 그 자체가 될 수 있다. 이 경우, 54a는 칼라 필터 하부의 평탄화 막이 될 수 있으며, 56a는 액티브 픽셀에 대한 칼라 필터를 형성하는 공정에 만들어지는 광 차단막이 될 수 있다.
광 차단막(56a)을 통해 입사 광이 차단되므로, 액티브 픽셀 블록에서 액티브 픽셀들과 함께 배치된 다크 픽셀(50A)은 로컬 다크 전류 레벨을 검출하는데 사용될 수 있다.
도 5b는 BIS(back-side illuminated sensor) 방식의 이미지 센서에 적용되는 다크 픽셀(50B)의 일 예를 나타낸다.
도 5b를 참조하면, 기판(51b)에 메탈 라인들(53b)이 배치된다. 메탈 라인들 (53b)의 상부에는 광전 변화 소자(52b)가 배치된다. 광전 변환 소자(52b)의 상부에는 칼라 필터(54b)가 배치된다. 칼라 필터(54b)의 상부에는 마이크로 렌즈(55b)가 배치된다.
마이크로 렌즈(55b)와 칼라 필터(54b) 사이에 광 차단막(56b)이 배치된다. 광 차단막(56b)을 통해 입사 광이 차단되므로, 액티브 픽셀 블록에서 액티브 픽셀들과 함께 배치된 다크 픽셀(50B)은 로컬 다크 전류 레벨을 검출하는데 사용될 수 있다.
도 5c에 도시된 다크 픽셀(50C)은 도 5a에 도시된 다크 픽셀(50A)과 같이 FIS 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있다. 광 차단막(56c)이 마이크로 렌즈(55c)의 상부에 배치된다. 광 차단막(56c)은 마이크로 렌즈(55c)의 일부일 수 있다.
도 5d에 도시된 다크 픽셀(50D)은 도 5b에 도시된 다크 픽셀(50B)과 같이 BIS 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있다. 광 차단막(56d)이 마이크로 렌즈(55d)의 상부에 배치된다. 광 차단막(56d)은 마이크로 렌즈(55d)의 일부일 수 있다.
도 5e에 도시된 다크 픽셀(50E)은 도 5a 및 도 5c에 도시된 다크 픽셀(50A와 50C)과 같이 FIS 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있다. 광 차단막(56e)이 광전 변환 소자(52a)의 상부에 배치된다. 광 차단막(56e)은 인터 레이어 내에 배치될 수 있다.
도 5f 에 도시된 다크 픽셀(50F)은 도 5b 및 도 5d에 도시된 다크 픽셀(50B와 50D)과 같이 BIS 방식의 이미지 센서에 적용될 수 있다. 광 차단막(56f)이 광전 변환 소자(52b)의 상부에 배치된다.
전술한 도 5a부터 도 5f에 도시된 다크 픽셀들(50A~50F)은 액티브 픽셀과 동일한 구조에 광 차단막(56a~56f)이 추가된 구조를 갖는다.
도 6a부터 도 6c는 도 1부터 도 3에서 예시된 다크 픽셀의 회로도들을 나타낸다. 도 6a부터 도 6c에서는 포토 다이오드를 포함하는 CMOS 기반의 이미지 센서에 포함된 다크 픽셀이 설명된다.
도 5a부터 도 5f의 실시 예들에서는 각 다크 픽셀(50A~50F)의 내부 구성 요소에 대한 변경이 없는 경우를 예시하였으나, 후술하는 도 6a부터 도 6c의 실시 예들에서는 각 다크 픽셀(60A~60C)의 내부 구성 요소에 대한 변경이 있는 경우를 예시한다.
도 6a를 참조하면, 다크 픽셀(60A)은 포토다이오드(PD60A)와, 트랜스퍼 트랜지스터(TX60A)와, 리셋 신호(RS)에 응답하여 게이팅되는 리셋 트랜지스터(RX60A)와, 선택 신호(SEL)에 응답하여 게이팅되는 셀렉트 트랜지스터(SX60A), 및 드라이브 트랜지스터(DX60A)를 포함한다. 이때 VDD는 공급 전압을 의미한다.
다크 픽셀(60A)은 네 개의 트랜지스터와 한 개의 포토다이오드를 포함하는 액티브 픽셀 구조와 동일한 구성 요소들(TX60A, RX60A, SX60A, DX60A, 및 PD60A)을 포함한다. 그러나, 트랜스퍼 트랜지스터(TX60A)의 게이트가 접지 노드에 접속되어 있으므로, 포토다이오드(PD60A)에서 생성된 광 전하가 센싱 노드(SN1)로 전달되지 않는다.
도 6b를 참조하면, 다크 픽셀(60B)은 포토다이오드(PD60B)와, 리셋 신호(RS)에 응답하여 게이팅되는 리셋 트랜지스터(RX60B)와, 선택 신호(SEL)에 응답하여 게이팅되는 셀렉트 트랜지스터(SX60B) 및 드라이브 트랜지스터(DX60B)를 구비한다.
다크 픽셀(60B)은 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하지 않고 세 개의 트랜지스터와 한 개의 포토다이오드를 포함하는 액티브 픽셀 구조와 유사한 구성 요소들 (RX60B, SX60B, DX60B, 및 PD60B)를 포함한다. 다크 픽셀(60B)은 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하지 않고, 포토다이오드(PD60B)와 센싱 노드(SN2)가 서로 분리되어 있으므로 포토다이오드(PD60A)에서 생성된 광 전하는 센싱 노드(SN2)로 전달되지 않는다.
도 6c를 참조하면, 다크 픽셀(60C)은 리셋 신호(RS)에 응답하여 게이팅되는 리셋 트랜지스터(RX60C)와, 선택 신호(SEL)에 응답하여 게이팅되는 셀렉트 트랜지스터(SX60B) 및 드라이브 트랜지스터(DX60C)를 포함한다.
다크 픽셀(60C)은 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하지 않고 세 개의 트랜지스터(RX60C, SX60C, 및 DX60C)만을 포함하는 구조를 갖는다. 다크 픽셀 (60C)은 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하지 않으므로, 상기 포토다이오드에서 생성될 수 있는 전하에 대응되는 로컬 다크 전류는 배제된다.
상술한 바와 같이, 도 5a부터 도 5f의 실시 예들에서는 다크 픽셀들 (50A~50F)이 액티브 픽셀과 같은 구조를 가지나, 각 다크 픽셀 (50A~50F)은 입사 광이 포토 다이오드 등과 같은 광전 변환 소자로 전달되는 것을 차단한다. 따라서, 각 다크 픽셀(50A~50F)의 경우, 포토다이오드(52a 또는 52B)와 센싱 노드로 유입되는 다크 전류에 대한 보상이 가능하다.
그러나, 도 6a부터 도 6c의 실시 예들에서는 각 다크 픽셀(60A~60C)은 포토다이오드를 포함하지 않거나 또는 포토 다이오드를 포함하더라도 상기 포토다이오드로부터 감지 노드(SN1 또는 SN2)로의 전하의 흐름이 차단되므로, 감지 노드(SN1 또는 SN2) 만으로 유입되는 다크 전류 성분에 대해 보상이 주로 이루어진다.
도 7a부터 도 7d는 도 1부터 도 3에서 예시된 픽셀의 회로도들을 나타낸다. 후술하는 다양한 픽셀은 액티브 픽셀과 다크 픽셀에 모두 적용 가능할 것이다.
도 7a를 참조하면, 단위 픽셀(70A)은 포토 다이오드(PD)와, 트랜스퍼 트랜지스터(TX)와, 플로팅 센싱 노드(FD)와, 리셋 트랜지스터(RX)와, 드라이브 트랜지스터(DX), 및 셀렉트 트랜지스터(SX)를 포함한다.
트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 트랜스퍼 제어 신호(TS)에 응답하여 동작하고, 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어 신호(TS)에 응답하여 동작하고, 셀렉트 트랜지스터(SX)는 셀렉트 제어 신호(SEL)에 응답하여 동작한다.
여기서, 포토 다이오드(PD)는 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
도 7a에서는 하나의 포토 다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터들(TX, RX, DX 및 SX)을 포함하는 4T 구조의 단위 픽셀을 예시하고 있지만, 본 발명에 따른 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며, 드라이브 트랜지스터(DX)와 셀렉트 트랜지스터(SX)를 포함하는 적어도 3개의 트랜지스터들과 포토다이오드(PD)를 포함하는 모든 회로들에 본 발명에 따른 실시 예가 적용될 수 있다.
단위 픽셀의 다른 실시 예가 도 7b부터 도 7d에 도시된다.
도 7b에 도시된 단위 픽셀(70B)은 3-트랜지스터(3T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토 다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(RX)와, 드라이브 트랜지스터(DX) 및 셀렉트 트랜지스터(SX)를 포함한다.
도 7c에 도시된 단위 픽셀(70C)은 5-트랜지스터(5T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토 다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(RX)와, 드라이브 트랜지스터(DX) 및 셀렉트 트랜지스터(SX)를 포함하며, 이외에 하나의 트랜지스터(GX)를 더 포함한다. 트랜지스터(GX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 트랜스퍼 제어 신호(TS)를 트랜스퍼 트랜지스터(TX)로 전송할 수 있다.
도 7d에 도시된 단위 픽셀(70D)은 5-트랜지스터(5T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토 다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(RX)와, 드라이브 트랜지스터(DX)와, 셀렉트 트랜지스터(SX)를 포함하며, 이외에 한 개의 트랜지스터(PX)를 더 포함한다. 트랜지스터(PX)는 제어 신호(TP)에 응답하여 동작한다. 각 단위 픽셀(70A~70D)의 출력 신호를 칼럼 라인(COL)을 통하여 출력된다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 보간을 설명하기 액티브 픽셀 블록을 나타낸다. 여기서, 5*5 픽셀 블록을 이용한 보간이 설명된다.
도 8을 참조하면, 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함된 액티브 픽셀 블록 (80)이 개시된다. 픽셀 어레이는 액티브 픽셀 블록(80)과 도 8에 도시되지는 않았지만, 칼럼 OB 픽셀 블록과 프레임OB 픽셀 블록 등을 더 포함한다.
예컨대, 액티브 픽셀 블록(80)이 8*8의 어레이(R11~B88) 구조를 갖는다고 가정한다. 액티브 픽셀 블록(80)의 단위 픽셀 패턴은 모자이크 형태의 베이어 패턴 (Bayer pattern)일 수 있다. 상기 베이어 패턴은 두 개의 G 픽셀, 한 개의 R 픽셀, 및 한 개의 B 픽셀을 포함한다. 단위 픽셀 패턴은 액티브 픽셀 블록(80)에서 반복적으로 배열된다.
다크 픽셀(X33)에 대한 데이터가 없으므로, 다크 픽셀(X33)에 대한 보간이 필요하다. 이를 위해, 다크 픽셀(X33)을 중심으로 5*5의 블록(A)이 설정된다. 이 때, 다크 픽셀(X33)에 인접한 8개의 픽셀이 하나의 작은 블록(A1)으로 설정되고, 외곽의 16개의 픽셀이 보다 큰 블록(A2)으로 설정된다.
블록(A1)은 다크 픽셀(X33)에 더 인접하므로 블록(A1)에 대한 가중치 (weight)가 더 부여되고, 블록(A2)에 대한 가중치는 작게 부여될 수 있다. 이를 통해 다크 픽셀(X33)에 대한 RGB 칼라 보정이 가능하다. 블록(A2)에 위치한 다크 픽셀(X15)은 보간 시 제외될 수 있다.
그러나, 다크 픽셀(X33)에 대한 보간이 다크 픽셀(X15)에 대한 보간보다 먼저 수행될 경우, 다크 픽셀(X15)에 대한 보간 시, 다크 픽셀(X33)에 대해 보간된 RGB 값이 이용될 수 있을 것이다. 또한, 액티브 픽셀 (R55)에 대한 G 칼라에 대한 보간 및 B 칼라에 대한 보간은 블록(B)의 출력 신호들을 이용하여 상술한 방식과 동일한 방식으로 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 로컬 다크 전류를 보상하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 액티브 픽셀과 다크 픽셀을 포함하는 액티브 픽셀 블록으로부터 데이터가 리드된다(S901). 리드된 데이터는 CDS 동작 및/또는 아날로그-디지털 변환 동작을 통해 디지털 값으로 출력되며, 상기 디지털 값은 메모리에 저장된다(S906). 이때, 메모리는 액티브 픽셀 데이터와 다크 픽셀 데이터를 별도로 저장하도록 분리될 수 있다.
보상 회로(36)는 다크 픽셀의 위치에 대한 계산 값 또는 미리 저장된 어드레스를 통해 로컬 다크 전류를 예측한다(S902). 보상 회로(36)는 로컬 다크 전류의 존재 유무를 판단한다(S903). 로컬 다크 전류가 존재함에 따라, 보상 회로(36)는 해당 영역에 속하는 액티브 픽셀에 대한 로컬 다크 전류를 보상한다(S904). 보상 회로(36)는 보상된 데이터를 출력한다(S905).
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 이미지 센서(100)는 광신호를 전기 신호로 변환하여 출력한다. 타이밍 컨트롤러(101)는 이미지 센서(100)의 동작 타이밍을 제어한다.
예컨대, 타이밍 컨트롤러(101)는 이미지 센서(100)의 트랜스퍼 제어 신호를 통해 집광 시간(integration time)을 제어할 수 있다.
이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(103)와, CDS/ADC(104), 로우 어드레스 디코더(102), 제1메모리(105), 제2메모리(106), 다크 쉐이딩 보상 회로(107), 및 이미지 시그널 프로세서(image signal processor(ISP); 108)를 포함한다.
픽셀 어레이(103)는 전술한 도 1부터 도 9의 구성 및 동작을 포함하여 액티브 픽셀 블록 내에 액티브 픽셀(ACT)과 다크 픽셀(DARK)을 포함한다.
CDS/ADC(104)는 픽셀 어레이(103)의 액티브 픽셀(ACT) 및 다크 픽셀(DARK) 각각으로부터 출력되는 아날로그 신호에 대해 CDS 동작 및/또는 아날로그-디지털 변환 동작을 수행한다. 도 10의 제1메모리(105), 제2메모리(106), 및 보상 회로 (107)의 구성 및 동작은 도 3부터 도 4c를 참조하여 설명된 제1메모리(34), 제2메모리(35), 및 보상 회로(36)의 구성 및 동작과 유사하다.
ISP(108)는 로컬 다크 전류가 보상된 디지털 형태의 이미지 신호를 이용하여 필요한 신호 처리를 수행한다. 상기 신호 처리는 색 보간(Color interpolation), 색 보정(Color correction), 자동 백색 보정(Auto white balance), 감마 보정(Gamma correction), 색 포화 보정(Color saturation correction), 포맷 변환(Formatting), 베드 픽셀 보상(Bad Pixel Compensation), 또는 색도 보정(Hue correction) 등을 포함한다.
로우 어드레스 디코더(102)는 타이밍 컨트롤러(101)로부터 제공되는 어드레스 정보(XADD)를 이용하여 픽셀 어레이(103)의 로우(Row) 별 동작 (출력) 타이밍을 제어한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 카메라 시스템의 블록도이다. 여기서, 상기 카메라 시스템은 디지털 카메라, 디지털 카메라를 포함하는 스마트 폰, 또는 디지털 카메라를 포함하는 태블릿 PC(tablet personal computer)를 포함할 수 있다.
도 11을 참조하면, 카메라 시스템(110)은 렌즈(111)와 이미지 센서(112)와 모터부(113) 및 엔진부(114)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서(112)는 도 1부터 도 10에서 설명된 로컬 다크 전류를 보상하는 구조 및 동작을 포함할 수 있다.
렌즈(111)는 이미지 센서(112)의 수광 영역(예컨대, 포토 다이오드)으로 입사 광을 집광시킨다. 이미지 센서(112)는 렌즈(111)를 통하여 입사된 광에 기초하여 이미지 데이터를 생성한다. 이미지 센서(112)는 클록 신호(CLK)에 기초하여 이미지 데이터를 엔진부(114)로 제공할 수 있다.
실시 예에 따라, 이미지 센서(112)는 MIPI등록상표(Mobile Industry Processor Interface) 및/또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(114)와 인터페이싱할 수 있다.
모터부(113)는 엔진부(114)로부터 수신된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 렌즈 (111)의 포커스(Focus)를 조절하거나, 셔터링(Shuttering)을 수행할 수 있다.
엔진부(114)는 이미지 센서(112) 및 모터부(113)를 제어한다. 또한, 엔진부 (114)는 이미지 센서(112)로부터 수신된 거리 데이터 및/또는 이미지 데이터에 기초하여 피사체와의 거리, 휘도 성분, 상기 휘도 성분과 청색 성분의 차. 및 상기 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터(YUV)를 생성하거나, 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다.
엔진부(114)는 호스트/애플리케이션(115)에 연결될 수 있으며, 엔진부(114)는 마스터 클록(MCLK)에 기초하여 YUV 데이터(YUV) 또는 JPEG 데이터를 호스트/애플리케이션(115)에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(114)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 및/또는 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/애플리케이션(215)과 인터페이싱할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템의 블록도이다.
도 12를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(120)은 프로세서(121)와 메모리 장치 (122)와 저장 장치(123)와 입출력 장치(124)와 파워 서플라이(125) 및 이미지 센서 (126)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(126)는 도 1부터 도 10에서 설명된 구조 및 동작을 포함할 수 있다.
한편, 도 12에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(120)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.
프로세서(121)는 특정 계산들 또는 태스크들(tasks)을 수행할 수 있다. 실시 예에 따라, 프로세서(121)는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치 (central processing unit(CPU))를 포함할 수 있다. 프로세서(121)는 어드레스 버스(Address bus), 제어 버스(Control bus) 및 데이터 버스(Data bus)를 통하여 메모리 장치(122), 저장 장치(123) 및 입출력 장치(124)와 통신을 수행할 수 있다.
실시 예에 따라, 프로세서(121)는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. 메모리 장치(122)는 컴퓨팅 시스템 (120)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(122)는 DRAM(dynamic random access memory(RAM)), 모바일(mobile) DRAM, SRAM(static RAM), PRAM(phase change RAM), FRAM(ferroelectric RAM), RRAM(resistive RAM) 및/또는 MRAM(magnetoresistive RAM) 등으로 구현될 수 있다.
저장 장치(123)는 SSD(Solid State Drive), HDD(Hard Disk Drive), 및/또는 씨디 롬 (CD-ROM) 등을 포함할 수 있다.
입출력 장치(124)는 키보드(Keyboard), 키 패드(Keypad), 마우스(Mouse) 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(125)는 컴퓨팅 시스템(120)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
이미지 센서(126)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서 (121)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 이미지 센서(126)는 프로세서(121)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다.
한편, 컴퓨팅 시스템(120)은 이미지 센서(126)를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(120)은 디지털 카메라, 이동 전화기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 스마트 폰(Smart phone), 또는 태블릿 PC 등을 포함할 수 있다.
도 13은 도 12의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 13을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(130)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치로 구현될 수 있고, AP(Application Processor, 1300)와 이미지 센서(1320) 및 디스플레이(1330) 등을 포함할 수 있다.
AP(1300)의 CSI 호스트(Camera Serial Interface Host, 1302)는 CSI를 통하여 이미지 센서(1320) 내의 CSI 장치(1321)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시 예에서, CSI 호스트(1302)는 DES(DESerializer)를 포함할 수 있고, CSI 장치 (1321)는 SER(SERializer)을 포함할 수 있다. 이미지 센서(1320) 는 도 1부터 도 10에서 설명된 구조 및 동작을 포함할 수 있다.
AP(1300)의 DSI 호스트(Display Serial Interface Host, 1302)는 DSI를 통하여 디스플레이(1330)의 DSI 장치(1331)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시 예에서, DSI 호스트(1301)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1331)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
컴퓨팅 시스템(130)은 AP(1300)와 통신을 수행할 수 있는 RF(Radio Frequency) 칩(1340)을 더 포함할 수 있다. AP(1300)의 PHY(Physical layer, 1303)와 RF 칩(1340)의 PHY(1341)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, AP(1300)는 PHY(1303)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1304)를 더 포함할 수 있다.
컴퓨팅 시스템(130)은 GPS(Global Positioning System, 1310), 스토리지 (1350), 마이크(1360), DRAM(Dynamic Random Access Memory, 1370) 및 스피커(1380)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(130)은 UWB(Ultra WideBand, 1393), WLAN(Wireless Local Area Network, 1392) 및 WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, 1391) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(130)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 도면에 도시된 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.
10, 31; 픽셀 어레이
11, 20A, 20B 및 20C; 액티브 픽셀 블록
11a, 21a~21d, 22a~22e, 24a~24h 및 31a; 다크 픽셀
11b, 22, 23, 25 및 31b; 액티브 픽셀
12a, 12b, 32a 및 32b; 칼럼 OB 픽셀 블록
13a, 13b 및 32c; 프레임 OB 픽셀 블록
33; CDS/ADC
34; 제1 메모리
35; 제2 메모리
36; 보상회로
361; 다크 픽셀 마커
362; 다크 쉐이딩 보상 회로

Claims (18)

  1. 각각이 광 신호에 상응하는 전기 신호를 출력하는 복수의 액티브 픽셀들과 로컬 다크(local dark) 전류를 생성하는 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함하는 액티브 픽셀 블록; 및
    상기 액티브 픽셀 블록의 주변에 배치되고, 글로벌 다크(global dark) 전류를 생성하는 옵티컬 블랙(optical black) 픽셀 블록을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액티브 픽셀 블록은 각각이 동일한 픽셀 배열을 갖는 복수의 단위 픽셀 블록들을 포함하며,
    상기 복수의 단위 픽셀 블록들 각각은 상기 복수의 액티브 픽셀들 중 적어도 하나의 액티브 픽셀과 상기 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액티브 픽셀 블록은 각각이 서로 다른 픽셀 배열을 갖는 복수의 단위 픽셀 블록들을 포함하며,
    상기 복수의 단위 픽셀 블록들 각각은 상기 복수의 액티브 픽셀들 중 적어도 두 개의 액티브 픽셀들과 상기 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 상기 복수의 액티브 픽셀들 사이에서 랜덤하게 배치된 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 포토다이오드와 마이크로렌즈 사이에 형성된 광 차단층을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 마이크로렌즈의 상부에 형성된 광 차단층을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다크 픽셀은 포토다이오드를 포함하지 않는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  8. 각각이 광신호에 상응하는 전기 신호를 출력하는 복수의 액티브 픽셀들과 로컬 전류를 생성하는 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함하는 액티브 픽셀 블록과, 상기 액티브 픽셀 블록 주변에 배치되고 글로벌 다크 전류를 생성하는 옵티컬 블랙 픽셀 블록을 포함하는 픽셀 어레이; 및
    상기 적어도 하나의 다크 픽셀로부터 제공된 상기 로컬 다크 전류를 이용하여 상기 액티브 픽셀들 각각에 대한 상기 로컬 다크 전류를 보상하는 보상 회로를 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보상 회로는, 상기 복수의 액티브 픽셀들 각각으로부터 출력된 상기 전기 신호와 상기 다크 픽셀로부터 출력된 상기 로컬 다크 전류를 포함하는 이미지 신호들 각각으로부터 상기 다크 픽셀의 위치 정보를 제공하는 다크 픽셀 마커; 및
    상기 다크 픽셀로부터 출력된 상기 로컬 다크 전류와 상기 다크 픽셀의 위치 정보를 이용하여 상기 복수의 액티브 픽셀들 각각에 대한 상기 로컬 다크 전류를 보상하는 다크 쉐이딩 보상 회로를 포함하는 이미지 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 액티브 픽셀 블록은 각각이 동일한 픽셀 배열을 갖는 복수의 단위 픽셀 블록들을 포함하며,
    상기 복수의 단위 픽셀 블록들 각각은 상기 복수의 액티브 픽셀들 중 적어도 하나의 액티브 픽셀과 상기 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함하는 이미지 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 액티브 픽셀 블록은 각각이 서로 다른 픽셀 배열을 갖는 복수의 단위 픽셀 블록들을 포함하며,
    상기 복수의 단위 픽셀 블록들 각각은 상기 복수의 액티브 픽셀들 중 적어도 두 개의 액티브 픽셀들과 상기 적어도 하나의 다크 픽셀을 포함하는 이미지 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 액티브 픽셀들의 개수와 상기 적어도 하나의 다크 픽셀의 개수는 서로 다른 이미지 센서.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 다크 픽셀은 상기 복수의 액티브 픽셀들 사이에서 랜덤하게 배치된 이미지 센서.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 다크 픽셀은 포토다이오드와 마이크로렌즈 사이에 형성된 광 차단층을 포함하는 이미지 센서.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 다크 픽셀은 마이크로렌즈의 상부에 형성된 광 차단층을 포함하는 이미지 센서.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 다크 픽셀은 포토다이오드를 포함하지 않는 이미지 센서.
  17. 액티브 픽셀 블록에 구현된 복수의 액티브 픽셀들 각각을 이용하여 광 신호에 상응하는 전기 신호를 생성하는 동시에 상기 액티브 픽셀 블록에 구현된 적어도 하나의 다크 픽셀을 이용하여 로컬 다크 전류를 생성하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 다크 픽셀로부터 제공된 상기 로컬 다크 전류를 이용하여 상기 액티브 픽셀들 각각에 대한 로컬 다크 전류를 보상하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 로컬 다크 전류 보상 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 보상하는 단계는,
    상기 복수의 액티브 픽셀들 각각으로부터 출력된 상기 전기 신호와 상기 적어도 하나의 다크 픽셀로부터 출력된 상기 로컬 다크 전류를 포함하는 이미지 신호로부터 상기 복수의 다크 픽셀들 각각의 위치 정보를 제공하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 다크 픽셀로부터 출력된 상기 로컬 다크 전류와 상기 복수의 다크 픽셀들 각각의 위치 정보를 이용하여 상기 복수의 액티브 픽셀들 각각에 대한 상기 로컬 다크 전류를 보상하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 로컬 다크 전류 보상 방법.
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