KR20150012519A

KR20150012519A - 이미지 센서 및 그것의 제어 방법

Info

Publication number: KR20150012519A
Application number: KR1020130088113A
Authority: KR
Inventors: 이혁종; 서진호; 함석헌
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-02-04
Also published as: KR102057575B1; US9490833B2; US20150029372A1

Abstract

본 발명에 따른 이미지 센서는 행 단위 및 열 단위로 구분되는 복수의 픽셀들을 포함하는 센서 어레이, 램프 인에이블 신호에 응답하여 특정한 기울기로 증가 또는 감소하는 램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생기 그리고 상기 복수의 픽셀들과 열 단위로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 픽셀들 각각의 출력신호와 상기 램프 신호를 비교하여 시간 정보로 변환하고, 카운터 인에이블 신호에 응답하여 상기 시간 정보를 디지털 정보로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하고, 상기 카운터 인에이블 신호는 상기 램프 인에이블 신호보다 미리 설정된 시간 지연 이후에 활성화된다.

Description

이미지 센서 및 그것의 제어 방법{IMAGE SENSOR AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 지연된 램프 신호에 상응하여 카운터 인에이블 신호를 생성하는 이미지 센서 및 그것의 제어 방법에 관한 것이다.

이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시킨다. 최근 들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다.

이미지 센서는 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device) 및 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 이 중에서 CMOS 이미지 센서는 간편한 구동 방식을 가지고, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화에 유리하다. CMOS 이미지 센서는 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 용이하게 적용될 수 있다. 또한, CMOS 이미지 센서는 CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮추는 데 기여할 수 있다. 따라서, CMOS 이미지 센서의 기술 개발 및 고해상도 구현 능력에 따라 그 사용이 급격히 늘어나고 있다.

최근에는 이미지 센서가 휴대전화 등의 휴대장치 및 동영상 촬영 등에 많이 사용되고 있다. 그래서, 높아진 해상도와 더불어 저전력 및 고속화가 요구되고 있다. 따라서, 예전에는 문제가 되지 않았던 짧은 시간의 동작 지연도 줄이려는 노력이 계속되고 있다.

본 발명의 목적은 지연된 램프 신호에 상응하게 카운터 인에이블 신호를 생성하여 소비전력과 이미지 처리 시간을 감축할 수 있는 이미지 센서 및 그것의 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서는 행 단위 및 열 단위로 구분되는 복수의 픽셀들을 포함하는 센서 어레이, 램프 인에이블 신호에 응답하여 특정한 기울기로 증가 또는 감소하는 램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생기 그리고 상기 복수의 픽셀들과 열 단위로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 픽셀들 각각의 출력신호와 상기 램프 신호를 비교하여 시간 정보로 변환하고, 카운터 인에이블 신호에 응답하여 상기 시간 정보를 디지털 정보로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하고, 상기 카운터 인에이블 신호는 상기 램프 인에이블 신호보다 미리 설정된 시간 지연 이후에 활성화될 수 있다.

또한, 상기 이미지 센서는 상기 복수의 픽셀들과 행 단위로 전기적으로 연결되고, 행 구동기 제어신호에 응답하여 행 단위로 상기 복수의 픽셀들을 순차적으로 구동시키는 행 구동기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 이미지 센서는 상기 램프 인에이블 신호, 상기 카운터 인에이블 신호 및 상기 행 구동기 제어신호를 생성하는 타이밍 신호 발생기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 아날로그-디지털 변환기는 상기 복수의 픽셀들 각각의 출력신호와 상기 램프 신호를 비교하여 시간 정보를 출력하는 비교기를 포함하고, 상기 카운터 인에이블 신호에 응답하여 상기 시간 정보를 디지털 정보로 변환하는 카운터를 포함할 수 있다.

또한, 상기 미리 설정된 시간 지연은 상기 아날로그-디지털 변환기에 의한 상기 램프 신호의 지연된 시간에 따라 설정될 수 있고, 상기 램프 신호의 지연된 시간은 상기 아날로그-디지털 변환기의 기생 커패시터의 용량에 비례하여 결정될 수 있다.

또한, 상기 복수의 픽셀들은 픽셀 비닝에 의해 일부분의 픽셀들만 동작하고,

상기 램프 신호의 지연된 시간은 상기 동작하는 일부분의 픽셀들에 해당하는 상기 아날로그-디지털 변환기의 기생 커패시터의 용량에 비례하여 결정될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 제어 방법은 행 단위 및 열 단위로 구분되는 복수의 픽셀들을 포함하는 센서 어레이, 램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생기, 상기 복수의 픽셀들과 열 단위로 연결되는 비교기, 상기 비교기와 연결되는 카운터 그리고 상기 복수의 픽셀들과 행 단위로 연결되는 행 구동기를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 비교기에 의한 상기 램프 신호의 지연된 시간에 따라 시간 지연을 설정하는 단계, 픽셀 데이터의 획득 명령에 따라 행 구동기 제어신호 및 램프 인에이블 신호를 생성하는 단계, 상기 램프 인에이블 신호보다 상기 시간 지연 이후에 활성화되는 상기 카운터 인에이블 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 시간 지연을 설정하는 단계에서, 상기 램프 신호의 지연된 시간은 상기 비교기의 기생 커패시터의 용량에 비례하여 결정될 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 실시 예에 따르면, 지연된 램프 신호에 따라 카운터 인에이블 신호를 설정하여 소비전력과 이미지 처리 시간을 감축할 수 있는 이미지 센서 및 그것의 제어 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 보여주는 구성도이다.
도 2는 도 1의 비교기와 카운터를 자세히 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 비교기에서 입력단의 기생 커패시터를 등가회로로 나타낸 도면이다.
도 4는 일반적인 아날로그-디지털 변환 동작을 보여주는 타이밍도이다.
도 5는 도 4의 아날로그-디지털 변환 동작을 좀 더 확장한 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제어 방법을 보여주는 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이의 제어 방법을 보여주는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제어 방법을 보여주는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타내는 도면이다.

앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다.

이하에서는, 이미지 센서가 본 발명의 특징 및 기능을 설명하기 위한 전자 장치의 한 예로서 사용될 것이다. 하지만, 이 기술 분야에 정통한 사람은 여기에 기재된 내용에 따라 본 발명의 다른 이점들 및 성능을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 다른 실시 예들을 통해 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고, 관점 및 응용에 따라 수정되거나 변경될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 보여주는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 타이밍 신호 발생기(110), 램프 신호 발생기(120), 행 구동기(130), 센서 어레이(140) 및 아날로그-디지털 변환기(150)를 포함할 수 있다.

타이밍 신호 발생기(110)는 타이밍 발생을 위한 제어신호에 응답하여 타이밍 신호를 생성한다. 타이밍 신호 발생기(110)는 행 구동기(130)의 동작을 제어하는 행 구동기 제어신호(RD_con)를 생성한다. 타이밍 신호 발생기(110)는 램프 신호 발생기(120)의 동작을 제어하는 램프 인에이블 신호(RMP_en)를 생성한다. 타이밍 신호 발생기(110)는 카운터(152)의 동작을 제어하는 카운터 인에이블 신호(CNT_en)를 생성한다. 타이밍 신호 발생기(110)는 미리 설정된 값에 따라 램프 인에이블 신호(RMP_en)보다 지연된 카운터 인에이블 신호(CNT_en)를 생성한다.

램프 신호 발생기(120)는 램프 인에이블 신호(RMP_en)에 응답하여 램프 신호(Vramp)를 생성한다. 램프 신호(Vramp)는 시간에 비례하여 전압이 증가하거나 감소하는 형태의 신호이다. 램프 신호(Vramp)는 비교기(151)에 전달되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 데 이용된다.

행 구동기(130)는 행 구동기 제어신호(RD_con)에 응답하여 센서 어레이(140)의 복수의 행(Row)들을 순차적으로 구동시킨다. 행 구동기(130)는 센서 어레이(140)의 복수의 행(Row)들에 전기적으로 연결된다. 선택된 행(Row)의 픽셀들은 감지된 빛을 전기 신호인 픽셀 신호(Vpixel)로 전환한다.

센서 어레이(140)는 복수의 광 감지 소자들을 포함한다. 센서 어레이(140)는 복수의 행(Row)들과 복수의 열(Column)들을 포함한다. 복수의 광 감지 소자들은 복수의 행(Row)들과 복수의 열(Column)들이 교차하는 곳에 위치한다. 광 감지 소자는 포토 다이오드(Photo Diode), 포토 트랜지스터(Photo Transistor), 포토 게이트(Photo Gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode, PPD), 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 광 감지 소자는 포토 다이오드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 및 선택 트랜지스터를 포함하는 4-트랜지스터 구조일 수 있다. 또한, 광 감지 소자는 1-트랜지스터 구조, 3-트랜지스터 구조 또는 5-트랜지스터 구조이거나 복수의 픽셀들이 일부 트랜지스터를 공유하는 구조일 수 있다. 센서 어레이(140)는 감지된 빛을 픽셀 신호(Vpixel)로 변환하여 아날로그-디지털 변환기(150)로 전달한다.

아날로그-디지털 변환기(150)는 아날로그 신호인 픽셀 신호(Vpixel)을 수신하여 디지털 신호인 픽셀 데이터(Pixel Data)로 변환한다. 아날로그-디지털 변환기(150)는 비교기(151)와 카운터(152)를 포함할 수 있다.

비교기(151)는 램프 신호(Vramp)와 픽셀 신호(Vpixel)를 수신한다. 비교기(151)는 램프 신호(Vramp)와 픽셀 신호(Vpixel)를 비교하여 시간 정보를 카운터(152)에 전송한다. 비교기(151)는 노이즈를 감소시키기 위한 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS) 동작을 수행할 수 있다. 따라서, 이미지 센서(100)는 기준 신호와 픽셀 신호(Vpixel)의 차이로부터 노이즈가 제거된 신호를 추출하는 CDS 회로를 더 포함할 수 있다.

카운터(152)는 카운터 인에이블 신호(CNT_en)에 응답하여 램프 신호(Vramp)에 상응하는 카운팅 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 카운터(152)는 램프 신호(Vramp)가 시작될 때, 카운팅 동작을 시작할 수 있다. 본 발명에 따른 타이밍 신호 발생기(110)는 램프 신호(Vramp)의 지연을 고려하여 램프 인에이블 신호(RMP_en)와 다른 시점에서 시작되는 카운터 인에이블 신호(CNT_en)를 생성할 수 있다. 자세한 내용은 도 6에서 설명된다. 카운터(152)는 비교기(151)로부터 수신된 시간 정보를 디지털 정보로 변환하여 픽셀 데이터(Pixel Data)를 출력한다.

도 2는 도 1의 비교기와 카운터를 자세히 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 센서 어레이(140)는 복수의 열(Column)들을 포함한다. 비교기(151)는 센서 어레이(140)의 복수의 열(Column)들과 연결되는 복수의 비교기(Comp)들을 포함한다. 카운터(152)는 복수의 비교기(Comp)들과 연결되는 복수의 카운터(CNT)들을 포함한다. 센서 어레이(140)의 각각의 열(Column)에 하나의 비교기(Comp)와 하나의 카운터(CNT)가 직렬로 연결될 수 있다. 램프 인에이블 신호(RMP_en)에 응답하여 램프 신호 발생기(120)에 의해 생성된 램프 신호(Vramp)는 각각의 비교기(Comp)에 동일하게 공급될 수 있다.

센서 어레이(140)의 각각의 픽셀은 빛을 전기 신호로 변환하여 픽셀 신호(Vpixel)을 출력할 수 있다. 각각의 비교기(Comp)는 램프 신호(Vramp)와 픽셀 신호(Vpixel)를 비교하여 시간 정보를 출력한다. 각각의 카운터(CNT)는 카운터 인에이블 신호(CNT_en)에 응답하여 시간 정보를 디지털 정보로 변환한다. 이때 각각의 비교기(Comp)의 입력단에서 기생 커패시터가 존재할 수 있다. 따라서, 램프 신호(Vramp)는 지연될 수 있다. 각각의 비교기(Comp)는 픽셀 신호(Vpixel)와 지연된 램프 신호(Vramp)를 비교하게 된다. 결국, 각각의 카운터(CNT)는 기생 커패시터의 영향으로 지연된 램프 신호(Vramp)에 따른 카운팅 동작을 수행하게 된다. 자세한 내용은 도 4에서 설명된다. 이러한 지연된 램프 신호(Vramp)의 효과는 고속화 요구에 따라 이미지 처리 속도에 점점 더 큰 영향을 미치고 있다.

도 3은 도 2의 비교기에서 입력단의 기생 커패시터를 등가회로로 나타낸 도면이다. 도 2, 3을 참조하면, 복수의 비교기(Comp)들에서 입력단의 기생 커패시터들(C1~Cn)은 서로 병렬로 연결되어 있다. 램프 신호(Vramp)는 병렬로 연결된 기생 커패시터들(C1~Cn)의 영향을 받는다. 기생 커패시터들(C1~Cn)이 병렬로 연결되면 전체 커패시터 용량은 각각의 기생 커패시터(C1~Cn) 용량의 합과 같다. 따라서, 센서 어레이(140)의 열(Column)들이 많아질수록 병렬로 연결되는 기생 커패시터들(C1~Cn)이 많아지고, 램프 신호(Vramp)는 더 큰 커패시터 용량의 영향을 받아 지연된다. 결국, 화소가 높아질수록 램프 신호(Vramp)은 더 많이 지연될 것이다.

도 4는 일반적인 아날로그-디지털 변환 동작을 보여주는 타이밍도이다. 이하에서는 도 2 내지 4를 참조하여 센서 어레이(140)의 하나의 열(Column)을 기준으로 동작을 설명한다. 이상적인(ideal) 램프 신호(Vramp)는 실선과 같이 생성될 수 있다. 램프 신호 발생기(120)에서 출력되는 신호는 이상적인(ideal) 램프 신호(Vramp)와 같을 수 있다. 이상적인(ideal) 램프 신호(Vramp)는 t1 시점에 하강을 시작하여 t4 시점에 하강을 끝낼 수 있다. 하지만, 실제(real) 램프 신호(Vramp)는 기생 커패시터의 영향에 의해 일점쇄선과 같이 지연될 수 있다.

일반적으로 램프 인에이블 신호(RMP_en)와 카운터 인에이블 신호(CNT_en)는 같은 시점(t1)에 하이 레벨이 되도록 생성될 수 있다. 점선으로 나타난 픽셀 신호(Vpixel)는 센서 어레이(140)의 해당 픽셀에서 빛을 전기 신호로 변환한 신호이다. 비교기(Comp)는 램프 신호(Vramp)와 픽셀 신호(Vpixel)을 비교하여 시간 정보를 카운터(CNT)에 전송한다. 카운터(CNT)는 전송받은 시간 정보를 카운팅하여 디지털 정보로 변환한다. 이상적인(ideal) 경우 카운터(CNT)는 t1 시점부터 이상적인(ideal) 램프 신호(Vramp)와 픽셀 신호(Vpixel)가 만나는 t2 시점까지 카운팅(Count_ideal)을 할 것이다. 하지만, 실제(real)의 경우 카운터(CNT)는 t1 시점부터 지연된(real) 램프 신호(Vramp)가 만나는 t3 시점까지 카운팅(Count_real)을 할 것이다. 실제(real)의 경우 카운터(CNT)는 ΔT 시간만큼 카운팅 동작을 더욱 수행하게 되고, 소비전력은 그만큼 더 소비될 수 있다. 하나의 픽셀에서 데이터를 획득하는 시간도 이상적인 경우보다 ΔT 시간만큼 증가될 수 있다.

도 5는 도 4의 아날로그-디지털 변환 동작을 좀 더 확장한 타이밍도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 5를 참조하여 센서 어레이(140)의 하나의 열(Column)을 기준으로 동작을 설명한다. 1H 시간(1H Time)은 하나의 행(Row)에서 픽셀 데이터(Pixel Data)가 획득되는데 걸리는 시간이라 정의하기로 한다. 하나의 행(Row)에 있는 모든 픽셀들은 동시에 데이터가 획득되므로, 결국, 1H 시간(1H Time)은 하나의 픽셀에서 데이터가 획득되는 시간이라고도 말할 수 있다. 1H 시간 동안 이미지 센서(100)는 오토제로 구간(Auto Zero, AZ), 리셋 구간(Reset), 신호 구간(Signal)을 거쳐서 픽셀 데이터(Pixel Data)를 획득할 수 있다. 오토제로 구간(AZ) 동안 이미지 센서(100)는 램프 신호(Vramp)와 픽셀 신호(Vpixel)의 레벨을 일치시킨다. 리셋 구간(Reset) 동안 이미지 센서(100)는 정확한 픽셀 데이터(Pixel Data)를 획득하기 위한 기준으로써 픽셀에 잔류하는 전압값을 측정한다. 리셋 구간(Reset) 동안 측정되는 잔류 전압값은 픽셀마다 다를 수 있다. 신호 구간(Signal) 동안 이미지 센서(100)는 빛을 전기 신호로 변환하여 픽셀 데이터(Pixel Data)를 획득한다.

도 4에서 설명한 것과 같이 신호 구간(Signal)에서 카운터(CNT)는 이상적인 카운팅(SCount_ideal) 동작보다 많은 실제 카운팅(SCount_real) 동작을 수행할 수 있다. 마찬가지로 리셋 구간(Reset)에서도 이상적인 카운팅(RCount_ideal) 동작보다 많은 실제 카운팅(RCount_real) 동작을 수행할 수 있다. 따라서, 소비전력은 이상적인 경우보다 초과하여 수행된 카운팅 동작만큼 더욱 소모될 수 있다. 또한, 실제 1H 시간(1H Time_real)은 램프 신호(Vramp)의 지연으로 인하여 이상적인 1H 시간(1H Time_ideal)보다 더 길어지게 된다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제어 방법을 보여주는 타이밍도이다. 이하에서는 도 1 내지 6을 참조하여 센서 어레이(140)의 하나의 열(Column)을 기준으로 동작을 설명한다. 이미지 센서(100)는 오토제로 구간(AZ), 리셋 구간(Reset) 및 신호 구간(Signal)을 지연된 램프 신호(Vramp)를 기준으로 설정할 수 있다. 따라서, 타이밍 신호 발생기(110)는 카운터 인에이블 신호(CNT_en)를 램프 인에이블 신호(RMP_en)와 다르게 생성할 수 있다. 램프 신호 발생기(120)는 램프 인에이블 신호(RMP_en)에 응답하여 t1 또는 t4 시점에 하강을 시작하는 램프 신호(Vramp)를 생성할 수 있다. 카운터(CNT)는 카운터 인에이블 신호(CNT_en)에 응답하여 t2 또는 t5 시점에 카운팅 동작을 시작할 수 있다. 따라서, 카운터(CNT)는 t1 시점부터 t2 시점 사이 또는 t4 시점부터 t5 시점 사이에서 카운팅 동작을 수행하지 않을 수 있다. 카운팅 동작이 줄어든 만큼, 소비전력은 감소될 수 있다.

또한, 이미지 센서(100)는 지연된 램프 신호(Vramp)에 상응하여 t2 시점에 리셋 구간(Reset)을 시작할 수 있다. 리셋 구간(Reset)과 오토제로 구간(AZ) 사이의 간격은 일정하게 유지(Time Save Interval)되므로, 1H 시간(1H Time)은 도 5에서 설명한 실제 1H 시간(1H Time_real)보다 단축될 수 있다. 결국, 센서 어레이(140)의 하나의 행(Row)에서 픽셀 데이터(Pixel Data)를 획득하는 시간은 단축될 수 있다. 따라서, 센서 어레이(140)의 모든 행(Row)들에서 픽셀 데이터(Pixel Data)를 획득하는 시간은 단축되므로, 이미지 처리 속도는 빨라질 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 어레이의 제어 방법을 보여주는 구성도이다. 도 7을 참조하면, 센서 어레이(140)의 픽셀들은 적어도 둘 이상의 픽셀들을 묶어서 하나의 단위를 이룰 수 있다. 이하에서 픽셀 비닝(Pixel Binning)은 적어도 둘 이상의 픽셀들을 하나로 묶는 것으로 정의하기로 한다. 도 7에서 예시적으로 센서 어레이(140)는 9 X 9의 화소를 가지고, 픽셀 비닝(Pixel Binning)은 3 X 3, 즉 9개의 픽셀들을 묶는 것으로 도시하였다. 픽셀 비닝(Pixel Binning)은 동영상 촬영이나 낮은 화소의 스틸 사진 촬영시에 사용될 수 있다.

음영이 있는 픽셀들은 행 구동기(130)에 의해 해당 행(Row)이 선택되었을 때 동작하는 픽셀들이다. 음영이 없는 픽셀들은 행 구동기(130)에 의해 해당 행(Row)이 선택되었을 때 동작하지 않는 픽셀들이다. 센서 어레이(140)의 가장 마지막 행(Row)이 구동될 때, 9개의 픽셀들 중 3개의 픽셀들만 동작할 수 있다. 따라서, 아날로그-디지털 변환기(150)의 동작시 램프 신호(Vramp)에 영향을 주는 기생 커패시터의 용량은 줄어들 수 있다. 그리고, 램프 신호(Vramp)의 지연되는 폭은 줄어들 수 있다. 본 발명에 따른 타이밍 신호 발생기(110, 도 1 참조)는 줄어든 기생 커패시터의 용량에 따라 카운터 인에이블 신호(CNT_en)의 하이 레벨(High Level)로 상승 또는 로우 레벨(Low Level)로 하강하는 시점을 제어할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제어 방법을 보여주는 순서도이다. 도 8을 참조하면, 이미지 센서(100, 도 1 참조)는 램프 인에이블 신호(RMP_en)와 카운터 인에이블 신호(CNT_en)를 시작 시점이 서로 다르게 생성하여 이미지 처리 속도를 빠르게 할 수 있다.

S110 단계에서, 타이밍 신호 발생기(110)는 램프 신호(Vramp)의 지연된 시간에 따라 시간 지연(Time Delay)을 설정할 수 있다. 센서 어레이(140)의 열(Column)들의 개수가 정해지면, 비교기(151)의 기생 커패시터의 용량이 정해질 수 있다. 기생 커패시터의 용량이 정해지면, 램프 신호(Vramp)의 지연된 시간을 계산할 수 있다. 계산된 램프 신호(Vramp)의 지연된 시간에 따라 시간 지연(Time Delay)은 정해질 수 있다. 픽셀 비닝(Pixel Binning)을 사용하는 경우 달라지는 기생 커패시터의 용량에 따라 여러 개의 시간 지연(Time Delay)을 사용할 수 있다.

S120 단계에서, 이미지 센서(100)는 메인 시스템으로부터 픽셀 데이터(Pixel Data)를 획득하라는 명령을 수신할 수 있다. 픽셀 데이터(Pixel Data)는 스틸 사진 또는 동영상일 수 있다. 이미지 센서(100)는 획득될 픽셀 데이터(Pixel Data)의 종류에 따라 센서 어레이(140)를 구동할 준비를 한다.

S130 단계에서, 타이밍 신호 발생기(110)는 행 구동기 제어신호(RD_con)와 램프 인에이블 신호(RMP_en)를 생성한다. 행 구동기(130)는 행 구동기 제어신호(RD_con)에 따라 순차적으로 센서 어레이(140)의 행(Row)들을 구동시킬 수 있다. 램프 신호 발생기(120)는 램프 인에이블 신호(RMP_en)에 따라 램프 신호(Vramp)를 생성할 수 있다.

S140 단계에서, 타이밍 신호 발생기(110)는 설정된 시간 지연(Time Delay)에 따라 램프 인에이블 신호(RMP_en)와 다른 시점에 시작되는 카운터 인에이블 신호(CNT_en)를 생성할 수 있다. 카운터 인에이블 신호(CNT_en)는 지연된 램프 신호(Vramp)에 상응하여 생성될 수 있다. 카운터(152)는 카운터 인에이블 신호(CNT_en)에 따라 카운팅 동작을 수행할 수 있다.

S150 단계에서, 이미지 센서(100)는 행 구동기 제어신호(RD_con), 램프 인에이블 신호(RMP_en) 및 카운터 인에이블 신호(CNT_en)에 따라 픽셀 데이터(Pixel Data)를 획득한다. 행 구동기(130)는 행 구동기 제어신호(RD_con)에 따라 센서 어레이(140)의 모든 행(Row)들을 순차적으로 구동시킬 수 있다. 구동된 행(Row)의 픽셀들은 빛을 전기 신호로 변환하여 픽셀 신호(Vpixel)를 비교기(151)에 전송할 수 있다. 램프 신호 발생기(120)는 센서 어레이(140)의 각각의 행(Row)의 구동 타이밍에 따라 램프 인에이블 신호(RMP_en)에 응답하여 램프 신호(Vramp)를 생성할 수 있다. 램프 신호(Vramp)는 비교기(151)에 전송될 수 있다. 비교기(151)는 램프 신호(Vramp)와 픽셀 신호(Vpixel)를 비교하여 시간 정보를 카운터(152)에 전송할 수 있다. 카운터(152)는 카운터 인에이블 신호(CNT_en)에 응답하여 지연된 램프 신호(Vramp)에 상응하도록 카운팅 동작을 수행할 수 있다. 카운터(152)는 시간 정보를 디지털 정보로 변환하여 픽셀 데이터(Pixel Data)를 출력할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서(100)는 지연된 램프 신호(Vramp)를 기준으로 카운팅 동작을 수행하여 소비전력을 감소시키고, 이미지 처리 시간을 단축할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템을 나타내는 도면이다. 예를 들어, 카메라 시스템은 디지털 카메라를 포함할 수 있다. 도 9를 참조하면, 카메라 시스템(1000)은 렌즈(1100), 이미지 센서(1200), 모터부(1300) 및 엔진부(1400)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1200)는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시간을 단축할 수 있는 이미지 센서를 포함한다.

렌즈(1100)는 이미지 센서(1200)의 수광 영역으로 입사광을 집광시킨다. 이미지 센서(1200)는 렌즈(1100)를 통하여 입사된 광에 기초하여 베이어 패턴(Bayer pattern)의 RGB 데이터(RGB)를 생성할 수 있다. 이미지 센서(1200)는 클럭 신호 (CLK)에 기초하여 RGB 데이터(RGB)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1200)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(1400)와 인터페이싱할 수 있다. 모터부(1300)는 엔진부(1400)로부터 수신된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 렌즈(1100)의 포커스를 조절하거나, 셔터링(Shuttering)을 수행할 수 있다. 엔진부(1400)는 이미지 센서(1200) 및 모터부(1300)를 제어한다. 또한, 엔진부(1400)는 이미지 센서(1200)로부터 수신된 RGB 데이터(RGB)에 기초하여 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(1400)는 호스트/어플리케이션(1500)에 연결될 수 있으며, 엔진부(1400)는 마스터 클럭(MCLK)에 기초하여 YUV 데이터(YUV) 또는 JPEG 데이터를 호스트/어플리케이션(1500)에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(1400)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 또는 I²C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/어플리케이션(1500)과 인터페이싱할 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 도면이다. 도 10을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(2000)은 프로세서(2100), 메모리 장치 (2200), 저장 장치(2300), 입출력 장치(2400), 파워 서플라이(2500), 및 이미지 센서(2600)를 포함한다.

이미지 센서(2600)는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시간을 단축할 수 있는 이미지 센서를 포함한다. 한편, 도 10에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(2000)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(2100)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(2100)는 마이크로프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다.

프로세서(2100)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(2200), 저장 장치(2300) 및 입출력 장치(2400)와 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(2100)는 주변 구성요소 상호 연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.

메모리 장치(2200)는 컴퓨팅 시스템(2000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(2200)는 DRAM, 모바일 DRAM, SRAM, 또는 불휘발성 메모리 장치로 구성될 수 있다.

상기 불휘발성 메모리 장치는, 예를 들면, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), Conductive bridging RAM(CBRAM), FeRAM (Ferroelectric RAM), OUM(Ovonic Unified Memory)라고도 불리는 PRAM(Phase change RAM), 저항성 메모리 (Resistive RAM: RRAM 또는 ReRAM), 나노튜브 RRAM (Nanotube RRAM), 폴리머 RAM(Polymer RAM: PoRAM), 나노 부유 게이트 메모리(Nano Floating Gate Memory: NFGM), 홀로그래픽 메모리 (holographic memory), 분자 전자 메모리 소자(Molecular Electronics Memory Device), 또는 절연 저항 변화 메모리(Insulator Resistance Change Memory)로 구현될 수 있다.

상기 메모리들의 칩은 각기 혹은 함께 다양한 형태들의 패키지를 이용하여 실장될 수 있다. 예를 들면, 칩은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등의 패키지로서 패키지화될 수 있다.

스토리지 장치(2300)는 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive(SSD)), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive(HDD)), CD-ROM 등을 포함할 수 있다.

입출력 장치(2400)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단, 및 프린터와 디스플레이 등과 같은 출력 유닛들을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(2500)는 컴퓨팅 시스템(2000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.

이미지 센서(2600)는 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(2100)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이미지 센서(2600)는 본 발명의 실시 예에 따라 이미지 처리 시간을 단축할 수 있다. 이미지 센서(2600)는 프로세서(2100)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다.

한편, 컴퓨팅 시스템(2000)은 이미지 센서를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(2000)은 디지털 카메라, 이동 전화기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 스마트폰(Smart Phone), 태블릿 PC 등을 포함할 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타내는 도면이다. 도 11을 참조하면, 전자 시스템(3000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예를 들어, 이동 전화기, PDA, PMP, 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다. 전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3110), 이미지 센서(3140) 및 디스플레이(3150) 등을 포함할 수 있다. 이미지 센서(3140)는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 시간을 단축할 수 있는 이미지 센서를 포함한다.

어플리케이션 프로세서(3110)에 구현된 CSI 호스트(3112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface;CSI)를 통하여 이미지 센서(3140)의 CSI 장치(3141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, CSI 호스트(3112)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(3141)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다.

어플리케이션 프로세서 (3110)의 DSI 호스트(3111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface; DSI)를 통하여 디스플레이(3150)의 DSI 장치(3151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, DSI 호스트(3111)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(3151)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.

전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(3160)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(3000)의 PHY(3113)와 RF 칩(3160)의 PHY(3161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다.

또한, 어플리케이션 프로세서(3110)는 PHY(3113)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(3114)를 더 포함할 수 있다. 한편, 전자 시스템(3000)은 지피에스(Global Positioning System;GPS)(3120), 스토리지(3170), 마이크(3180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(3185) 및 스피커(3190)를 더 포함할 수 있다.

또한, 전자 시스템(3000)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(3210), 무선 랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(3220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access;WIMAX)(3230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 전자 시스템(3000)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 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 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100, 1200, 2600, 3140 : 이미지 센서
110 : 타이밍 신호 발생기
120 : 램프 신호 발생기
130 : 행 구동기
140 : 센서 어레이
150 : 아날로그-디지털 변환기
151 : 비교기 152 : 카운터
1000 : 카메라 시스템
1100 : 렌즈 1300 : 모터부 1400 : 엔진부
1500 : 호스트/어플리케이션
2000 : 컴퓨팅 시스템
2100 : 프로세서 2200 : 메모리 장치 2300 : 저장 장치
2400 : 입출력 장치 2500 : 파워 서플라이
3000 : 전자 시스템
3110 : 어플리케이션 프로세서
3111 : DSI 호스트 3112 : CSI 호스트
3113, 3161 : PHY 3114 : DigRF 마스터
3120 : GPS
3141 : CSI 장치
3150 : 디스플레이 3151 : DSI 장치
3160 : RF 칩 3162 : DigRF 슬레이브
3170 : 스토리지 3180 : 마이크
3185 : 디램 3190 : 스피커
3210 : 초광대역 3220 : 무선랜 3230 : 와이맥스

Claims

행 단위 및 열 단위로 구분되는 복수의 픽셀들을 포함하는 센서 어레이;
램프 인에이블 신호에 응답하여 특정한 기울기로 증가 또는 감소하는 램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생기; 그리고
상기 복수의 픽셀들과 열 단위로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 픽셀들 각각의 출력신호와 상기 램프 신호를 비교하여 시간 정보로 변환하고, 카운터 인에이블 신호에 응답하여 상기 시간 정보를 디지털 정보로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하고,
상기 카운터 인에이블 신호는 상기 램프 인에이블 신호보다 미리 설정된 시간 지연 이후에 활성화되는 이미지 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 픽셀들과 행 단위로 전기적으로 연결되고, 행 구동기 제어신호에 응답하여 행 단위로 상기 복수의 픽셀들을 순차적으로 구동시키는 행 구동기를 더 포함하는 이미지 센서.
제 2 항에 있어서,
상기 램프 인에이블 신호, 상기 카운터 인에이블 신호 및 상기 행 구동기 제어신호를 생성하는 타이밍 신호 발생기를 더 포함하는 이미지 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 아날로그-디지털 변환기는 상기 복수의 픽셀들 각각의 출력신호와 상기 램프 신호를 비교하여 시간 정보를 출력하는 비교기를 포함하는 이미지 센서.
제 4 항에서 있어서,
상기 아날로그-디지털 변환기는 상기 카운터 인에이블 신호에 응답하여 상기 시간 정보를 디지털 정보로 변환하는 카운터를 포함하는 이미지 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 미리 설정된 시간 지연은 상기 아날로그-디지털 변환기에 의한 상기 램프 신호의 지연된 시간에 따라 설정되는 이미지 센서.
제 6 항에 있어서,
상기 램프 신호의 지연된 시간은 상기 아날로그-디지털 변환기의 기생 커패시터의 용량에 비례하여 결정되는 이미지 센서.
제 6 항에 있어서,
상기 복수의 픽셀들은 픽셀 비닝에 의해 일부분의 픽셀들만 동작하고,
상기 램프 신호의 지연된 시간은 상기 동작하는 일부분의 픽셀들에 해당하는 상기 아날로그-디지털 변환기의 기생 커패시터의 용량에 비례하여 결정되는 이미지 센서.
행 단위 및 열 단위로 구분되는 복수의 픽셀들을 포함하는 센서 어레이;
램프 신호를 생성하는 램프 신호 발생기;
상기 복수의 픽셀들과 열 단위로 연결되는 비교기;
상기 비교기와 연결되는 카운터; 그리고
상기 복수의 픽셀들과 행 단위로 연결되는 행 구동기를 포함하는 이미지 센서의 제어 방법에 있어서:
상기 비교기에 의한 상기 램프 신호의 지연된 시간에 따라 시간 지연을 설정하는 단계;
픽셀 데이터의 획득 명령에 따라 행 구동기 제어신호 및 램프 인에이블 신호를 생성하는 단계;
상기 램프 인에이블 신호보다 상기 시간 지연 이후에 활성화되는 상기 카운터 인에이블 신호를 생성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제어 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 시간 지연을 설정하는 단계에서, 상기 램프 신호의 지연된 시간은 상기 비교기의 기생 커패시터의 용량에 비례하여 결정되는 이미지 센서의 제어 방법.