KR20220098587A - 이미지 센서, 픽셀 및 픽셀의 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서가 개시된다. 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이 및 상기 복수의 픽셀들의 동작을 제어하는 로우 드라이버를 포함한다. 상기 복수의 픽셀들 각각은 제1 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드보다 수광 면적이 큰 제2 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하가 저장되는 제1 플로팅 디퓨전 노드, 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드와 연결된 제1 캐패시터 및 일단이 상기 제1 캐패시터와 직렬 연결된 캐패시터 제어 트랜지스터를 포함한다. 상기 로우 드라이버는, 상기 복수의 픽셀들 각각에 대하여, 상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃(readout) 기간 중 기설정된 동작 모드별로, 상기 캐패시터 제어 트랜지스터를 이용하여 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 조절하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 개시의 기술적 사상은 이미지 센서, 픽셀 및 픽셀의 동작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스플릿 포토 다이오드(Split PD) 픽셀에서 캐패시터 및 캐패시터 제어 트랜지스터를 이용하여 다이나믹 레인지를 확보하는 이미지 센서, 픽셀 및 픽셀의 동작 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 대상물의 2차원적 또는 3차원적 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 이미지 센서는 대상물로부터 반사되는 빛의 세기에 따라 반응하는 광전 변환 소자를 이용해 대상물의 이미지를 생성한다. 최근 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기술이 발전하면서, CMOS를 이용한 CMOS 이미지 센서가 널리 사용되고 있다. 최근, 이미지 센서의 다이나믹 레인지(dynamic range) 증가를 위하여, 픽셀 내부에 캐패시터를 추가하는 기술이 개발되고 있다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는, 스플릿 포토 다이오드 구조에서 다이나믹 레인지 증가를 위해 스몰 포토 다이오드에 연결된 캐패시터를 제어하여 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 향상시킨 이미지 센서, 픽셀 및 픽셀의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이 및 상기 복수의 픽셀들의 동작을 제어하는 로우 드라이버를 포함한다. 상기 복수의 픽셀들 각각은 제1 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드보다 수광 면적이 큰 제2 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하가 저장되는 제1 플로팅 디퓨전 노드, 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드와 연결된 제1 캐패시터 및 일단이 상기 제1 캐패시터와 직렬 연결된 캐패시터 제어 트랜지스터를 포함한다. 상기 로우 드라이버는, 상기 복수의 픽셀들 각각에 대하여, 상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃(readout) 기간 중 기설정된 동작 모드별로, 상기 캐패시터 제어 트랜지스터를 이용하여 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 스플릿 포토 다이오드 구조의 픽셀은, 제1 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드보다 수광 면적이 큰 제2 포토 다이오드, 상기 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하가 저장되는 제1 플로팅 디퓨전 노드, 상기 제1 포토 다이오드에 일단이 연결되고 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드에 타단이 연결된 제1 포토 다이오드 전송 트랜지스터, 상기 제2 포토 다이오드에서 생성된 전하가 저장되는 제3 플로팅 디퓨전 노드, 상기 제2 포토 다이오드에 일단이 연결되고 상기 제3 플로팅 디퓨전 노드에 타단이 연결된 제2 포토 다이오드 전송 트랜지스터, 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드와 연결된 제1 캐패시터, 상기 제1 캐패시터와 일단이 연결되고 제1 캐패시터 전원부와 타단이 연결되어 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 조절하는 캐패시터 제어 트랜지스터 및 상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃 동작시 턴-온 되는 스위치 트랜지스터를 포함한다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 픽셀의 동작 방법은, 제1 포토 다이오드의 리드아웃 기간 중 제1 구간에서 제1 플로팅 디퓨전 노드에 연결된 제1 캐패시터와 직렬 연결된 캐패시터 제어 트랜지스터를 턴-오프 시키는 단계, 상기 캐패시터 제어 트랜지스터가 턴-오프되면, 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 컨버전 게인이 상대적으로 높은 하이 컨버전 게인 모드로 동작하는 단계, 상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃 기간 중 제2 구간에서 상기 캐패시터 제어 트랜지스터를 턴-온 시키는 단계; 및 상기 캐패시터 제어 트랜지스터가 턴-온 되면, 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 컨버전 게인이 상대적으로 낮은 로우 컨버전 게인 모드로 동작하는 단계;를 포함한다. 상기 제1 구간은 리드아웃 된 픽셀 신호에서 상기 제1 포토 다이오드가 동작하는 조도 구간 중 기설정된 조도 미만의 픽셀 신호를 선택하는 구간인 것이고, 상기 제2 구간은 리드아웃 된 픽셀 신호에서 상기 제1 포토 다이오드가 동작하는 조도 구간 중 기설정된 조도 이상의 픽셀 신호를 선택하는 구간이다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 스플릿 포토 다이오드 구조에서 스몰 포토 다이오드에 캐패시터를 연결하여 다이나믹 레인지를 확장하면서도, 캐패시터에 연결된 캐패시터 제어 트랜지스터를 이용하여 캐패시터에 의한 SNR 감소를 최소화 할 수 있다.
또한 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, SNR 감소를 최소화한만큼 스몰 포토 다이오드의 민감도를 감소시켜 추가적인 다이나믹 레인지를 확보할 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 일 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 3a 내지 3d는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 예시적 실시예에 따른 픽셀의 SNR을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 예시적 실시예에 따른 픽셀의 스플릿 포토 다이오드 구조를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하는 타이밍도이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 8a는 이미지 센서의 분리 사시도이고, 도 8b는 이미지 센서의 평면도이다.
도 9는 멀티 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치의 블록도이다.
도 10은 도 9의 카메라 모듈의 상세 블록도이다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 일 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 3a 내지 3d는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 예시적 실시예에 따른 픽셀의 SNR을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 예시적 실시예에 따른 픽셀의 스플릿 포토 다이오드 구조를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하는 타이밍도이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 8a는 이미지 센서의 분리 사시도이고, 도 8b는 이미지 센서의 평면도이다.
도 9는 멀티 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치의 블록도이다.
도 10은 도 9의 카메라 모듈의 상세 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
이미지 센서(100)는 이미지 또는 광 센싱 기능을 갖는 전자 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 카메라, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다. 또한 이미지 센서(100)는 차량, 가구, 제조 설비, 도어, 각종 계측 기기 등에 부품으로서 구비되는 전자 기기에 탑재될 수 있다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), 리드아웃 회로(130), 램프 신호 생성기(140), 타이밍 컨트롤러(150) 및 신호 처리부(190)를 포함할 수 있고, 리드아웃 회로(130)는 아날로그-디지털 변환 회로(131, 이하 ADC 회로), 및 데이터 버스(132)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 행열로 배열된 복수의 픽셀(PX) 및 복수의 픽셀(PX)에접속되는 복수의 로우 라인(RL) 및 복수의 컬럼 라인(CL)을 포함한다.
복수의 로우 라인(RL)들 각각은 로우 방향으로 연장되며, 동일한 로우에 배치된 픽셀(PX)들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 로우 라인(RL) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이 픽셀 회로의 트랜지스터들 각각에 로우 드라이버(120)로부터 출력되는 제어 신호들을 전송할 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따른 복수의 픽셀(PX)들 각각은 적어도 하나의 광전 변환 소자(또는 광 감지 소자라고 함)를 포함할 수 있다. 광전 변환 소자는 빛을 감지하고, 감지된 빛을 광전하로 변환할 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자는 무기 포토(photo) 다이오드, 유기 포토 다이오드, 페로브 스카이트 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트 또는 핀드 포토 다이오드(pinned photodiode) 등과 같이, 유기 물질 또는 무기 물질로 구성되는 광 감지 소자일 수 있다. 실시예에 있어서, 복수의 픽셀(PX)들 각각은 복수의 광전 변환 소자를 포함할 수 있다.
한편, 복수의 픽셀(PX)들 각각의 상부, 또는 인접한 픽셀(PX)들로 구성되는 픽셀 그룹들 각각의 상부에 집광을 위한 마이크로 렌즈가 배치될 수 있다. 복수의 픽셀(PX)들 각각은 마이크로 렌즈를 통해 수신된 빛으로부터 특정 스펙트럼 영역의 빛을 감지할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(110)는 레드(red) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하는 레드 픽셀, 그린(green) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 그린 픽셀, 및 블루(blue) 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 블루 픽셀을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX)들 각각의 상부에는 특정 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 컬러 필터가 배치될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 픽셀 어레이(110)는 레드, 그린 및 블루 외에 다른 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하는 픽셀들을 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 복수의 픽셀(PX)은 멀티-레이어 구조를 가질 수 있다. 멀티-레이어 구조의 픽셀(PX)은 서로 다른 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하는 적층된 복수의 광전 변환 소자들을 포함하며, 복수의 광전 변환 소자들로부터 서로 다른 색상에 대응하는 전기 신호들이 생성될 수 있다. 다시 말해서, 하나의 픽셀(PX)에서 복수의 색에 대응하는 전기 신호들이 출력될 수 있다.
복수의 픽셀(PX) 상부에는 특정 스펙트럼 영역의 빛을 투과시키기 위한 컬러 필터 어레이가 배치될 수 있으며, 복수의 픽셀 각각의 상부에 배치된 컬러 필터에 따라 해당 픽셀이 감지할 수 있는 색상이 결정될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 실시예에 있어서, 특정 광전 변환 소자의 경우, 광전 변환 소자에 인가되는 전기 신호의 레벨에 따라서, 특정 파장대역의 빛을 전기적 신호로 변환할 수도 있다.
픽셀(PX)은 광원으로부터 하나 이상의 광 버스트에 노출되도록 구성된 적어도 둘 이상의 포토 다이오드들을 포함하는 스플릿 포토 다이오드 구조의 픽셀(PX)일 수 있으며, 여기서 둘 이상의 포토 다이오드들은 서로 독립적으로 노출 또는 공백이 될 수 있다. 예를 들어 픽셀(PX)은 수광 면적이 작은 스몰 포토 다이오드(SPD) 및 스몰 포토 다이오드보다 수광 면적이 넓은 라지 포토 다이오드(LPD)를 포함할 수 있다. 라지 포토 다이오드(LPD)는 저조도의 픽셀 신호를 담당하며, 라지 포토 다이오드(LPD)는 가장 낮은 조도 구간에서는 하이 컨버전 게인(HCG) 모드로 동작하고, 일반적인 저조도 구간에서는 로우 컨버전 게인(LCG) 모드로 동작할 수 있다. 스몰 포토 다이오드(SPD)는 노출시간을 길게 하여 고조도 구간에서 동작할 수 있다. 가장 조도가 높은 구간에서는 긴 노출시간을 유지하기 위해 감도를 낮게 하면서 고용량의 캐패시터를 사용하여 많은 양의 신호를 저장할 수 있도록 한다.
포토 다이오드는 단일 노출(Single exposure) 방식 또는 다중 노출(Multi exposure) 방식으로 동작 할 수 있다. 다중 노출 방식의 경우 다이나믹 레인지나 SNR 특성에서 장점이 있으나, 노출시간이 다른 이미지의 합성으로 인해 모션 아티팩트(motion artifact) 또는 LED 플리커(flicker) 문제가 있을 수 있다.
실시예에 있어서, 픽셀(PX)은 스플릿 포토 다이오드 구조를 이용한 단일 노출 방식을 사용할 수 있으며, 일부 조도 구간에 대해서 추가적으로 다중 노출 방식을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
예를 들어, 픽셀(PX)은 가장 낮은 조도에 대응하는 픽셀 신호를 리드아웃 하기 위한 제1 구간에서 라지 포토 다이오드(LPD)를 이용하여 픽셀 신호를 리드아웃하고, 제1 구간보다 높은 조도에 대응하는 픽셀 신호를 리드아웃 하기 위한 제2 구간에서 스몰 포토 다이오드(SPD)를 이용하여 픽셀 신호를 리드아웃하는 단일 노출 방식을 사용할 수 있다. 더 나아가, 픽셀(PX)은 제2 구간보다 높은 조도에 대응하는 픽셀 신호를 리드아웃 하기 위해 라지 포토 다이오드(LPD) 또는 스몰 포토 다이오드(SPD)를 이용하여 추가적인 노출을 수행하는 다중 노출 방식을 적용하여 다이나믹 레인지를 확보할 수도 있다.
복수의 컬럼 라인(CL) 각각은 컬럼 방향으로 연장되며, 동일한 컬럼에 배치된 픽셀(PX)에 연결될 수 있다. 복수의 컬럼 라인(CL) 각각 은 픽셀 어레이(110)의 로우 단위로 픽셀(PX)들의 리셋 신호 및 센싱 신호를 리드아웃 회로(130)에 전송할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(150)는 로우 드라이버(120), 리드아웃 회로(130), 및 램프 신호 생성기(140)의 타이밍을 제어할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(150)로부터는 로우 드라이버(120), 리드아웃 회로(130), 및 램프 신호 생성기(140) 각각에 대하여 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 신호들을 제공할 수 있다.
로우 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(150)의 제어 하에, 픽셀 어레이(110)를 구동하기 위한 제어 신호들을 생성하고, 복수의 로우 라인(RL)을 통해 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀(PX) 각각에 제어 신호들을 제공할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀(PX)들이 동시에 또는 로우(row) 단위로 입사되는 광을 감지하도록 제어할 수 있다. 또한 로우 드라이버(120)는 복수의 픽셀(PX) 중 로우 단위로 픽셀(PX)들을 선택하고, 선택된 픽셀(PX)들(예컨대 한 로우의 픽셀(PX)들)이 리셋 신호들 및 센싱 신호들을 복수의 컬럼 라인(CL)을 통해 출력하도록 제어할 수 있다.
로우 드라이버(120)는 픽셀 신호를 출력을 위한 제어 신호들을 픽셀 어레이(110)에 전송할 수 있으며, 픽셀(PX)은 제어 신호들에 응답하여 동작함으로써, 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 여기서 픽셀 신호는, 센싱 신호 및 리셋 신호를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 로우 드라이버(120)는 픽셀(PX)이 리드아웃 기간에 라지 포토 다이오드(LPD)에 대해 하이 컨버전 게인(LPD-H) 모드 및 로우 컨버전 게인(LPD-L) 모드, 스몰 포토 다이오드(SPD)에 대해 하이 컨버전 게인(SPD-H) 모드 및 로우 컨버전 게인(SPD-L) 모드 등으로 연속하여 동작하도록 제어하는 제어 신호들을 생성하고, 이를 픽셀 어레이(110)에 제공할 수 있다. 픽셀(PX)의 상세한 제어에 대해서는 추후 도 2 내지 도 4에서 상세히 설명한다.
램프 신호 생성기(140)는 소정의 기울기로 증가 또는 감소하는 램프 신호(RAMP)를 생성하고, 램프 신호(RAMP)를 리드아웃 회로(130)의 ADC 회로(131)에 제공할 수 있다.
리드아웃 회로(130)는 복수의 픽셀(PX)들 중 로우 드라이버(120)에 의해 선택된 로우의 픽셀(PX)들로부터 리셋 신호 및 센싱 신호를 리드아웃할 수 있다. 리드아웃 회로(130)는 복수의 컬럼 라인(CL)을 통해 픽셀 어레이(110)로부터 수신되는 리셋 신호들 및 센싱 신호들을 램프 신호 생성기(140)로부터의 램프 신호(RAMP)를 기초로 디지털 데이터로 변환함으로써, 복수의 픽셀(PX)에 대응하는 픽셀 값들을 로우(row) 단위로 생성 및 출력할 수 있다.
ADC 회로(131)는 복수의 컬럼 라인(CL)에 대응하는 복수의 ADC를 포함할 수있으며, 복수의 ADC 각각은 대응하는 컬럼 라인(CL)을 통해 수신되는 리셋 신호 및 센싱 신호를 램프 신호(RAMP)와 각각 비교하고 비교 결과들을 기초로 픽셀 값을 생성할 수 있다. 예컨대 ADC는 센싱 신호에서 리셋 신호를 제거하고, 픽셀(PX)에서 감지된 광 량을 나타내는 픽셀 값을 생성할 수 있다.
ADC 회로(131)에서 생성되는 복수의 픽셀 값은 데이터 버스(132)를 통해 이미지 데이터(IDT)로서 출력될 수 있다. 예컨대, 이미지 데이터(IDT)는 이미지 센서(100)의 내부 또는 외부의 이미지 신호 처리기(Image Signal Processor)로 제공될 수 있다.
데이터 버스(132)는 ADC 회로(131)로부터 출력된 픽셀 값을 임시 저장한 후 출력할 수 있다. 데이터 버스(132)는 복수의 컬럼 메모리, 및 컬럼 디코더를 포함할 수 있다. 복수의 컬럼 메모리에 저장된 복수의 픽셀 값은 컬럼 디코더의 제어 하에 이미지 데이터(IDT)로서 출력될 수 있다.
ADC 회로(131)는 복수의 CDS 회로(미도시)(Correlated Double Sampling 회로) 및 복수의 카운터 회로(미도시)를 포함할 수 있다. ADC 회로(131)는 픽셀 어레이(110)로부터 입력되는 픽셀 신호(예컨대 픽셀 전압)를 디지털 신호인 픽셀 값으로 변환할 수 있다. 복수의 컬럼 라인(CL) 각각을 통해 수신되는 각 픽셀 신호는 CDS 회로 및 카운터 회로에 의하여, 디지털 신호인 픽셀 값으로 변환된다.
CDS 회로는 컬럼 라인(CL)을 통해 수신되는 픽셀 신호를 램프 신호(RAMP)와 비교하고, 비교 결과를 출력할 수 있다. CDS 회로는 램프 신호(RAMP)의 레벨과 픽셀 신호의 레벨이 동일할 때, 제1 레벨(예컨대 로직 하이)에서 제2 레벨(예컨대 로직 로우)로 천이하는 비교 신호를 출력할 수 있다. 비교 신호의 레벨이 천이되는 시점은 픽셀 신호의 레벨에 따라 결정될 수 있다.
CDS 회로는 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS) 방식에 따라 픽셀(PX)로부터 제공되는 픽셀 신호를 샘플링 및 홀드할 수 있으며, 특정한 노이즈의 레벨(예컨대 리셋 신호)과 이미지 신호(센싱 신호)에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 기초로 비교 신호를 생성할 수 있다.
실시예에 있어서, CDS 회로는 하나 이상의 비교기를 포함할 수 있다. 비교기는 예컨대 OTA(Operational Transconductance Amplifier)(또는 차동 증폭기)로 구현될 수 있다.
ADC 회로(131)는 복수의 DRS(Delta Reset Sampling) 회로(미도시)를 포함할 수 있다. DRS 회로는 DRS(Delta Reset Sampling)방식에 따라 픽셀 신호를 먼저 리드아웃한 다음 리셋 신호를 리드아웃하는 방식으로 제공되는 픽셀 신호를 샘플링 할 수 있다.
본 실시예에 따른 픽셀 어레이(110)에서, 픽셀(PX)은 듀얼 컨버전 게인(dual conversion gain)을 가질 수 있다. 듀얼 컨버전 게인은, 로우(low) 컨버전 게인 및 하이(high) 컨버전 게인을 포함한다. 여기서 컨버전 게인(컨버전 게인의 단위는 예를 들어 uV/e 일 수 있다)은 플로팅 디퓨전 노드(도 2의 FD1, FD2, FD3)에 축적된 전하가 전압으로 변환되는 비율을 의미한다. 광전 변환 소자에서 생성된 전하는 플로팅 디퓨전 노드로 전송되어 축적되고, 컨버전 게인에 따라 플로팅 디퓨전 노드에 축적된 전하가 전압으로 변환될 수 있다. 이때 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스에 따라 컨버전 게인이 가변될 수 있으며, 캐패시턴스가 증가하면 컨버전 게인은 낮아지고 캐패시턴스가 감소하면 컨버전 게인은 증가될 수 있다.
픽셀(PX)은 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스가 높은 로우(low) 컨버전 게인 모드(이하 LCG 모드라고 함) 또는 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스가 높은 하이 컨버전 게인 모드(이하, HCG 게인 모드라고 함)로 동작할 수 있으며, 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 축적된 전하가 동일하더라도 HCG 게인 모드일 때의 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압은 LCG 게인 모드일 때의 플로팅 디퓨전 노드(FD)의 전압보다 높다. 픽셀(PX)의 구성들 및 픽셀(PX)의 컨버전 게인 모드에 따른 동작은 도 2를 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.
예를 들어, 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀(PX)에서 라지 포토 다이오드(LPD)가 HCG 모드(LPD-H 모드)로 동작함에 따라 생성되는 제1 이미지 데이터에서는 제1 영역(가장 어두운 영역)이 선명하게 표현되고, 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀(PX) 에서 라지 포토 다이오드(LPD)가 LCG 모드(LPD-L 모드)로 동작함에 따라 생성되는 제2 이미지 데이터는 제2 영역(제1 영역보다 밝은 영역)이 선명하게 표현될 수 있다. 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀(PX)에서 스몰 포토 다이오드(SPD)가 HCG 모드(SPD-H 모드)로 동작함에 따라 생성되는 제3 이미지 데이터에서는 제3 영역(제2 영역보다 밝고 후술하는 제4 영역보다 어두운 영역)이 선명하게 표현되고, 픽셀 어레이(110)의 복수의 픽셀(PX)에서 스몰 포토 다이오드(SPD)가 LCG 모드(SPD-L 모드)로 동작함에 따라 생성되는 제4 이미지 데이터는 제4 영역(가장 밝은 영역)이 선명하게 표현될 수 있다.
실시예에 있어서, 픽셀 어레이(110)가 스캔되는 한 프레임 내에서 복수의 픽셀(PX) 각각이 대응하는 리드아웃 기간에 LPD-H 모드, LPD-S 모드, SPD-H 모드 및 SPD-L 모드로 연속하여 동작할 수 있으며, 이에 따라 한 프레임 기간에 상기 제1 이미지 데이터 내지 상기 제4 이미지 데이터가 생성될 수 있다. 제1 이미지 내지 제4 이미지가 병합되어, 밝은 영역(고조도 영역)과 어두운 영역(저조도 영역)이 선명하게 구현되는 높은 동작 범위(high dynamic range)를 갖는 원-샷(1-shot) 이미지가 생성될 수 있다.
실시예에 있어서, 이미지 센서(100)는 리드아웃 기간에 픽셀(PX)의 컨버전 모드가 변경될 때(예컨대 LCG 모드에서 HCG 모드로 또는 HCG 모드에서 LCG 모드로 변경) 바이어스 전류를 증가 또는 감소시키기 위한 바이어스 전류 컨트롤러를 더 구비할 수 있으며, 복수의 바이어스 전류 컨트롤러가 복수의 컬럼 라인(CL) 각각에 연결될 수 있다. 픽셀(PX)의 컨버전 모드가 변경될 때, 바이어스 전류가 가변될 수 있으며, LCG 모드로 동작하는지 또는 HCG 모드로 동작하는지에 따라서, 바이어스 전류의 전류량이 증가 또는 감소될 수 있다. 예를 들어, 픽셀(PX)이 HCG 모드로 동작할 때, 바이어스 전류의 전류량은 픽셀(LCG)모드로 동작할 때의 바이어스 전류의 전류량보다 적을 수 있다.
신호 처리부(190)는 이미지 데이터에 대하여 노이즈 저감 처리, 게인 조정, 파형 정형화 처리, 보간 처리, 화이트밸런스 처리, 감마 처리, 에지 강조 처리, 비닝 등을 수행할 수 있다. 실시예에 있어서, 픽셀 어레이(110)가 한 프레임 기간에 라지 포토 다이오드(LPD)에 대한 하이 컨버전 게인(LPD-H) 모드, 라지 포토 다이오드(LPD)에 대한 로우 컨버전 게인(LPD-L) 모드, 스몰 포토 다이오드(SPD)에 대한 하이 컨버전 게인(SPD-H) 모드 및 스몰 포토 다이오드(SPD)에 대한 로우 컨버전 게인(SPD-L) 모드로 동작함에 따라 신호 처리부(190)는 데이터 버스(132)로부터 LPD-H 모드에 따른 제1 이미지 데이터, LPD-L 모드에 따른 제2 이미지 데이터, SPD-H 모드에 따른 제3 이미지 데이터 및 SPD-L 모드에 따른 제4 이미지 데이터를 수신하고, 제1 이미지 데이터 내지 제4 이미지 데이터를 병합하여 높은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지를 생성할 수 있다. 실시예에 있어서, 신호 처리부(190)는 이미지 센서(100) 외부 프로세서에 구비될 수도 있다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 일 구현예를 나타내는 회로도이다.
픽셀(PX)은 복수의 포토 다이오드들, 예컨대 스몰 포토 다이오드(SPD) 및 라지 포토 다이오드(LPD)를 포함할 수 있다. 픽셀(PX)은 복수의 트랜지스터들, 예컨대 스몰 포토 다이오드(SPD)의 전송 트랜지스터(STG), 라지 포토 다이오드(LPD)의 전송 트랜지스터(LTG), 리셋 트랜지스터(RG), 구동 트랜지스터(DX), 선택 트랜지스터(SX), 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)(또는 컨버전 게인 제어 트랜지스터라고도 함), 스위치 트랜지스터(SW), 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR) 및 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다.
픽셀(PX)에 인가되는 전압은 픽셀 전압(VPIX), 캐패시터 전원 전압(VMIM), 리셋 전원 전압(VRD)을 포함할 수 있다. 캐패시터 전원 전압(VMIM) 및 리셋 전원 전압(VRD) 각각은 픽셀 전압(VPIX)과 동일하게 공급되거나 별도의 회로를 거쳐 공급될 수 있다.
플로팅 디퓨전 노드(FD1, FD2, FD3)에 의해 캐패시터, 예컨대 기생 캐패시터가 형성될 수 있다. 캐패시터(C1)는 고정 또는 가변 캐패시턴스를 갖는 수동 소자이거나, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 캐패시턴스를 조절하기 위한 캐패시터일 수 있다.
포토 다이오드는 외부로부터 입사되는 빛을 전기 신호로 변환할 수 있다. 포토 다이오드는 빛의 세기 강도(light intensity)에 따라 전하를 발생시킨다. 이미지의 촬영 환경(저조도 또는 고조도)에 따라 포토 다이오드에서 생성되는 전하량은 가변적이다. 예를 들어, 고조도 환경에서 포토 다이오드에서 생성되는 전하량은 포토 다이오드의 FWC(full well capacity)에 도달할 수 있으나 저조도 환경에서는 그렇지 않을 것이다. 포토 다이오드는 상대적인 수광 면적에 따라 라지 포토 다이오드(LPD)와 스몰 포토 다이오드(SPD)로 구분될 수 있다.
전송 트랜지스터(STG)의 일단은 스몰 포토 다이오드(SPD)에 연결되고, 타단은 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 연결되어, 스몰 포토 다이오드(SPD)에 축척된 전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 저장할 수 있다. 스위치 트랜지스터(SW)의 일단은 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 연결되고, 타단은 플로팅 디퓨전 노드(FD2)에 연결될 수 있다. 스위치 트랜지스터(SW)는 스몰 포토 다이오드(SPD)를 이용하는 경우에는 턴-온 되고, 라지 포토 다이오드(LPD)를 이용하는 경우 턴-오프 될 수 있다. 캐패시터(C1)는 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 병렬로 연결되어 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있다. 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)는 일단이 캐패시터(C1)에 연결되고 타단이 캐패시터 전원 전압(VMIM)에 연결될 수 있다.
전송 트랜지스터(LTG)의 일단은 라지 포토 다이오드(LPD)에 연결되고, 타단은 플로팅 디퓨전 노드(FD3)에 연결되어, 라지 포토 다이오드(LPD)에 축척된 전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD3)에 저장할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RG)의 일단은 리셋 전원 전압(VRD)에 연결되고, 타 단은 플로팅 디퓨전 노드(FD2) 사이에 연결되어, 리셋 제어 신호(RS)가 인가될 때 픽셀(PX)을 리셋시킬 수 있다. 게인 제어 트랜지스터(DRG)의 일단은 플로팅 디퓨전 노드(FD2)에 연결되고, 타단은 플로팅 디퓨전 노드(FD3)에 연결되어, 라지 포토 다이오드(LPD) 동작시 컨버전 게인을 조절할 수 있다.
스몰 포토 다이오드의 전송 트랜지스터(STG), 라지 포토 다이오드(LPD)의 전송 트랜지스터(LTG), 리셋 트랜지스터(RG), 구동 트랜지스터(DX), 선택 트랜지스터(SX), 및 게인 제어 트랜지스터(DRG), 스위치 트랜지스터(SW), 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR) 는 각각 로우 드라이버(120)로부터 제공되는 제어 신호들, 예컨대 리셋 제어 신호(RS), 전송 제어 신호(STS, LTS), 선택 신호(SEL), 게인 제어 신호(CGS), 스위치 신호(SWS) 및 캐패시터 제어 신호(CCS)에 응답하여 동작할 수 있다.
리셋 트랜지스터(RG)는 게이트 단자에 인가되는 리셋 제어 신호(RS)에 응답하여 턴-온되어, 리셋 전원 전압(VRD)을 기초로 플로팅 디퓨전 노드(FD1, FD2, FD3)를 리셋시킬 수 있다. 이때, 스위치 트랜지스터(SW)가 게이트 단자에 수신되는 게인 제어 신호(SWS)를 기초로 함께 턴-온 됨으로써, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 리셋 전원 전압(VRD)이 인가되어 플로팅 디퓨전 노드(FD1)가 리셋될 수 있다.
전송 트랜지스터(STG)는 게이트 단자에 인가되는 전송 제어 신호(STS)에 응답하여 턴-온되어, 스몰 포토 다이오드(SPD)에서 생성되는 전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD1)로 전송할 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에는 전송된 전하가 축적될 수 있다. 다시 말해서, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 형성되는 캐패시터에 전하가 축적될 수 있다.
전송 트랜지스터(LTG)는 게이트 단자에 인가되는 전송 제어 신호(LTS)에 응답하여 턴-온되어, 라지 포토 다이오드(LPD)에서 생성되는 전하를 플로팅 디퓨전 노드(FD3)로 전송할 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD3)에 형성되는 캐패시터에 전하가 축적될 수 있다. 이때, 컨버전 제어 트랜지스터(DRG)가 턴-온 될 경우, 플로팅 디퓨전 노드(FD2)에 형성되는 캐패시터까지 전하가 축적될 수 있다. 다시 말하면, 따라서, 컨버전 제어 트랜지스터(DRG)가 턴-온 될 경우, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 형성되는 캐패시터 및 플로팅 디퓨전 노드(FD2)에 형성되는 캐패시터가 병렬 연결되어 캐패시턴스의 크기가 증가할 수 있다.
구동 트랜지스터(DX)는 컬럼 라인(CL)에 연결된 전류 소스(CS)에 의하여 생성되는 바이어스 전류(IL)를 기초로 소스 팔로워로서 동작할 수 있으며, 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 대응하는 전압을 선택 트랜지스터(SX)를 통해 출력할 수 있다.
선택 트랜지스터(SX)는 픽셀(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 게이트 단자에 인가되는 선택 신호(SEL)에 응답하여 턴-온 되어, 구동 트랜지스터(DX)로부터 출력되는 전압(또는 전류)을 컬럼 라인(CL)으로 출력할 수 있다.
라지 포토 다이오드(LPD) 동작 시, 게인 제어 트랜지스터(DRG)는 게이트 단자에 수신되는 게인 제어 신호(CGS)를 기초로 턴-온 또는 턴-오프될 수 있으며, 게인 제어 트랜지스터(DRG)가 턴-오프 상태일 때의 컨버전 게인은 게인 제어 트랜지스터(DRG)가 턴-온 상태일 때의 컨버전 게인보다 높을 수 있다. 게인 제어 트랜지스터(DRG)가 턴-오프 상태일 때는 LPD-H 모드로 지칭되고, 게인 제어 트랜지스터(DRG)가 턴-온 상태 일 때는 LPD-L 모드로 지칭될 수 있다.
이와 같이, 픽셀(PX)의 라지 포토 다이오드(LPD) 동작 시, 게인 제어 트랜지스터(DRG)의 턴-온 및 턴-오프에 따라 LPD-H 모드 및 LPD-L 모드 중 하나로 동작할 수 있다. LPD-H 모드에서는, 픽셀(PX)의 컨버전 게인이 증가할 수 있으므로, 픽셀(PX)로부터 출력되는 전압을 처리하기 위한 회로들(예컨대 ADC 회로(150))의 이득이 상대적으로 LPD-L 모드에 비해 감소할 수 있다. 따라서, 이미지 센서(도 1의 100)의 SNR이 증가되어 감지 가능한 최저 광량이 낮아질 수 있으며 이미지 센서(100)의 저광량 감지 성능이 향상될 수 있다. LPD-L 모드에서는, 픽셀(PX)의 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스가 크므로 FWC(full well capacity)가 증가될 수 있다. 따라서, 이미지 센서(100)의 고광량 감지 성능이 향상될 수 있다.
스몰 포토 다이오드(SPD) 동작 시, 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)는 게이트 단자에 수신되는 캐패시터 제어 신호(CCS)를 기초로 턴-온 또는 턴-오프될 수 있으며, 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)가 턴-오프 상태일 때의 컨버전 게인은 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)가 턴-온 상태일 때의 컨버전 게인보다 높을 수 있다. 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)의 턴-온/턴-오프 상태에 따라 컨버전 게인이 변경되는 구체적인 원리는 도 3a 내지 도 3d에서 후술한다. 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)가 턴-오프 상태일 때는 SPD-H 모드로 지칭되고, 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)가 턴-온 상태 일 때는 SPD-L 모드로 지칭될 수 있다. SPD-H 모드의 경우 컨버전 게인의 상승으로 인해 SNR이 개선될 수 있다.
이와 같이, 픽셀(PX)은 듀얼 컨버전 게인을 갖는 포토 다이오드들(LPD, SPD) 을 이용하여 저광량 및 고광량의 빛을 센싱할 수 있는 바, 이미지 센서(100)의 동작 범위(dynamic range)가 확대(또는 증가)될 수 있다. 예를 들어, 라지 포토 다이오드(LPD)의 리드아웃 과정에서는 게인 제어 트랜지스터(DRG)를 이용하여 하이 컨버전 게인(HCG) 모드와 로우 컨버전 게인(LCG) 모드로 나누어 동작 가능하고, 스몰 포토 다이오드(SPD)의 리드아웃 과정에서는 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)을 이용하여 하이 컨버전 게인(HCG) 모드와 로우 컨버전 게인(LCG) 모드로 나누어 동작 가능하다.
또한 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 픽셀(PX)은 리드아웃 기간에 라지 포토 다이오드(LPD)에 대한 하이 컨버전 게인(LPD-H) 모드, 라지 포토 다이오드(LPD)에 대한 로우 컨버전 게인(LPD-L) 모드, 스몰 포토 다이오드(SPD)에 대한 하이 컨버전 게인(SPD-H) 모드 및 스몰 포토 다이오드(SPD)에 대한 로우 컨버전 게인(SPD-L) 모드로 연속하여 동작할 수 있으며, 이미지 센서(100), 예컨대 신호 처리부(도 1의 190)가 각 모드에 따른 이미지를 모두 병합하여 높은 동작 범위(high dynamic range)를 갖는 이미지를 생성할 수 있다. 특히 스몰 포토 다이오드에 대한 하이 컨버전 게인(SPD-H) 모드에서 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)를 턴-오프 시켜 컨버전 게인을 상승시키고, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 캐패시턴스를 감소시켜, SNR을 개선할 수 있다.
도 3a 내지 3d는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 동작을 설명하는 도면이다. 상세하게는, 도 3a 내지 3d는 도 2의 픽셀(PX)의 일부 구성을 나타내는 도면이다. 도 3b는 픽셀(PX)의 SPD-L 동작을 설명하는 도면이고, 도 3c 및 도 3d는 픽셀(PX)의 SPD-H 동작을 설명하는 도면이다.
도 2 및 도 3a를 참조하면, 픽셀(PX)은 스몰 포토 다이오드(SPD)의 다이나믹 레인지 향상을 위해 적용된 캐패시터(C1)의 일단에 연결된 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)를 포함할 수 있다. 스몰 포토 다이오드(SPD)의 리드아웃 동작시, 픽셀은 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)를 턴-온 또는 턴-오프 하여, 스몰 포토 다이오드(SPD)의 컨버전 게인을 낮추거나 높일 수 있다.
도 3b를 참조하면, SPD-L 모드에서, 캐패시터 제어 신호(CCS)에 의해 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)가 턴-온될 수 있다. 이에 따라, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 형성되는 캐패시턴스는, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 기생 캐패시터 및 캐패시터(C1)의 병렬 연결로 형성되는 캐패시턴스이다. 또한, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스는 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 기생 캐패시터의 캐패시턴스보다 클 수 있다. 따라서, 트랜지스터(CCTR)가 턴-온되었을 때 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 캐패시턴스는 캐패시터(C1)의 커패시턴스와 유사할 수 있다.
(캐패시터(C1)는 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있다. 이 때 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 캐패시턴스는 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 형성되는 캐패시턴스로 직렬로 연결된 캐피시터(C1)의 캐패시턴스 또는 트랜지스터(CCTR)의 기생 캐패시턴스를 포함할 수 있다.)
도 3c를 참조하면, SPD-H 모드에서, 캐패시터 제어 신호(CCS)에 의해 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)가 턴-오프 되고, 이 경우 트랜지스터(CCTR)는 기생 캐패시터(C_tr)로 동작할 수 있다. 이에 따라, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 형성되는 캐패시턴스는, 캐패시터(C1) 및 기생 캐패시터(C_tr)의 직렬 연결로 형성되는 캐패시턴스이다. 기생 캐패시터(C_tr)의 캐패시턴스는 캐패시터(C1)의 캐패시턴스 보다 작으므로, 트랜지스터(CCTR)가 턴-오프되었을 때 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 캐패시턴스는 기생 캐패시터(C_tr)의 캐패시턴스와 상당히 유사할 수 있다..
도 3d를 참조하면, 기생 캐패시터(C_tr)의 캐패시턴스가 캐패시터(C1)의 캐패시턴스 보다 상당히 작은 경우, SPD-H 모드에서 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 캐패시터는 기생 캐패시터(C_tr)와 등가의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, SPD-H 모드에서는 스몰 포토다이오드의 컨버전 게인이 상승될 수 있다.
도 6에서 후술하는 바와 같이, SPD-H 모드에서는 리셋 신호를 먼저 출력한 후 센싱 신호를 출력하는 CDS 리드아웃 방식을 사용할 수 있다. CDS 리드아웃 방식으로 동작할 경우, 플로팅 디퓨전 노드의 누설(leakage) 성분에 의한 노이즈가 제거되고, 픽셀/ADC 노이즈 성분이 주로 남을 수 있다. 픽셀/ADC 노이즈 성분은 컨버전 게인이 높을수록 낮아지게 되며 이를 통해 SPD-H 모드에서 SNR 특성이 개선될 수 있다. 스몰 포토 다이오드(SPD)의 민감도를 낮추어 다이나믹 레인지를 향상시키는 경우 SNR 특성을 열화시킬 수 있으나, SPD-H 모드에서 스몰 포토 다이오드의 컨버전 게인 상승을 통해 SNR 특성을 향상시킨 만큼 캐패시턴스를 상승 시키는 등의 방법으로 민감도를 조절할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 예시적 실시예에 따른 픽셀의 SNR을 설명하는 도면이다.
픽셀(PX)의 다이나믹 레인지는 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 높이거나, 포토 다이오드의 민감성을 낮춤으로써 확대될 수 있다. 한편, 캐패시턴스를 높이는 방식의 경우, 캐패시턴스에 비례하여 증가하는 노이즈 성분으로 인해 SNR 특성이 감소될 수 있으며, 포토 다이오드의 민감성을 낮추는 방식의 경우, 민감성에 비례하여 감소하는 신호 성분으로 인해 SNR 특성이 감소할 수 있다.
본 개시의 픽셀(PX)은 SPD-L 모드에서 스몰 포토 다이오드(SPD)의 전하를 축적하는 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 연결된 캐패시터(C1)를 통해 다이나믹 레인지를 확대할 수 있다. 또한, 픽셀(PX)은 SPD-H 모드에서 상기 캐패시터(C1)에 연결된 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)을 턴-오프함으로써, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 캐패시턴스를 감소시킴으로써, SNR을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4a를 참조하면, SPD-H 모드에서 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)가 턴-오프되어 컨버전 게인이 높아진 만큼, 해당 구간에서 SNR 특성이 n1과 같이 증가할 수 있다.
또한, 본 개시의 픽셀(PX)은 다이나믹 레인지를 추가적으로 늘리기 위해, 민감도가 낮은 스몰 포토 다이오드(SPD)를 이용할 수 있다. 예를 들어, 도 4b를 참조하면, 민감도가 낮은 스몰 포토 다이오드(SPD)를 이용함에 따라, SPD-L 모드에서 다이나믹 레인지가 d만큼 증가할 수 있다. 이때, 민감도가 낮은 스몰 포토 다이오드(SPD)의 이용으로 인해 SNR 특성이 n2만큼 감소할 수 있으나, 전술한 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)를 이용한 SNR 특성 감소가 최소화될 수 있다.
즉, 도 3a에 도시된 픽셀의 구조를 참고하면, SPD-H 모드에서 컨버전 게인은, 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)를 이용하여 SPD-L 모드를 위해 설계된 캐패시터(C1) 용량의 영향을 방지할 수 있으므로, 캐패시터(C1)의 용량을 증가시켜 SPD-L 모드에서 다이나믹 레인지를 증가시켜도 SPD-H 모드의 SNR에는 영향을 최소화할 수 있다. 따라서 SPD-L 모드에서 허용 가능한 SNR 수준을 고려하여 캐패시터(C1) 값을 증가시켜 다이나믹 레인지를 향상시키는 것이 가능하다.
도 5a 및 도 5b는 예시적 실시예에 따른 픽셀의 스플릿 포토 다이오드 구조를 설명하는 도면이다.
도 5a를 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 평면 상에서 행열로 배열된 복수의 픽셀(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은, 광전 변환부 및 픽셀 회로부를 포함할 수 있다. 광전 변환부는 픽셀 회로부에 수직으로 오버랩될 수 있다.
광전 변환부는 마이크로 렌즈, 컬러 필터 및 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광전 변환부는 컬러 필터, 보호층 및 절연 구조를 더 포함할 수 있다. 마이크로 렌즈는 광전 변환 소자 위에 배치되고, 외부로부터 입사되는 광을 집광하여 광전 변환 소자로 입사시키도록 구성될 수 있다.
광전 변환 소자는 라지 포토 다이오드(LPD) 및 스몰 포토 다이오드(SPD)를 포함할 수 있다. 이때 도 5a에 도시된 바와 같이, 복수의 픽셀(PX)상에서 라지 포토 다이오드(LPD)는 넓은 영역에 배치되고, 스몰 포토 다이오드(SPD)는 좁은 영역에 배치될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 라지 포토 다이오드(LPD)는 수광 면적이 넓으므로, 스몰 포토 다이오드(SPD)보다 더 빨리 포화 될 수 있다. 따라서 라지 포토 다이오드(LPD)는 저조도 영역에 사용되고, 스몰 포토 다이오드(SPD)는 고조도 영역에 사용될 수 있다.
컬러 필터는 특정 파장 대역의 광 신호를 선택적으로 투과시킬 수 있으며, 마이크로 렌즈 와 광전 변환 소자 사이에 개재될 수 있다. 픽셀 회로부는 광전 변환부 아래에 형성될 수 있으며, 플로팅 디퓨전 노드, 소스/드레인, 부하 저항, 게이트, 비아 콘택 및 배선 구조물을 포함할 수 있다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하는 타이밍도이다.
도 6은 도 2의 픽셀(PX)로부터 픽셀 신호가 리드아웃될 때의 이미지 센서의 타이밍도이다. 하나의 리드아웃 기간(또는 수평 기간이라고 함)에 픽셀 어레이(도1의 110)의 적어도 하나의 로우에 배치된 복수의 픽셀(PX)로부터 복수의 전압(또는 복수의 전류)이 리드아웃될 수 있다.
도 2 및 도 6을 함께 참조하면, 리드아웃 기간에 선택 신호(SEL)는 활성 레벨, 예컨대 로직 하이일 수 있으며, 선택 신호(SEL)에 응답하여 선택 트랜지스터(SX)가 턴-온 되어 픽셀(PX)이 컬럼 라인(CL)에 연결될 수 있다. 여기서, 신호의 활성 레벨은 신호가 인가되는 트랜지스터가 턴-온 될 수 있는 레벨을 의미한다. 본 개시에서, 로직 하이는 활성 레벨로, 로직 로우(low)는 비활성 레벨로 가정하기로 한다.
하나의 리드아웃 기간은 복수의 구간들을 포함할 수 있으며, 복수의 구간들 각각은 픽셀 신호를 출력하는 포토 다이오드 및 컨버전 게인에 따라 상이한 복수의 리드 모드(READ MODE) 각각에 대응할 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 복수의 리드 모드는 LPD-H, LPD-L, SPD-H 및 SPD-L모드를 포함할 수 있다. 복수의 리드 모드 각각은 센싱 신호를 출력하는 신호 기간(S) 및 리셋 신호를 출력하는 리셋 기간(R)을 포함할 수 있다.
LPD-H 모드는 리셋 기간(R)에 따른 리셋 신호가 먼저 출력된 후, 신호 기간(S)에 따른 센싱 신호가 출력될 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, LPD-H 모드에서 리셋 기간(R)에는 리셋 제어 신호(RS)의 활성 레벨에 응답하여, 리셋 트랜지스터(RG)가 턴-온되고 플로팅 디퓨전 노드(FD3)가 리셋 될 수 있다. 리셋 기간(R)에 픽셀(PX)의 리셋 레벨(예컨대 리셋된 플로팅 디퓨전 노드(FD3)의 전압)에 해당하는 리셋 신호가 리드아웃될 수 있으며, 이때 픽셀(PX)의 라지 포토 다이오드(LPD)가 하이 컨버전 게인으로 동작하는 바, 라지 포토 다이오드(LPD)의 하이 컨버전 게인에서 리셋 레벨을 나타내는 리셋 신호가 리드아웃될 수 있다.
LPD-H 모드에서 신호 기간(S)에 픽셀(PX)의 라지 포토 다이오드(LPD)는 하이 컨버전 게인으로 동작하고, 픽셀(PX)의 신호 레벨에 해당하는 센싱 신호가 리드아웃될 수 있다. 전송 제어 신호(LTS)가 활성 레벨, 예컨대 로직 하이로 천이됨에 따라, 라지 포토 다이오드(LPD)에서 생성된 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD3)로 전송 및 저장될 수 있다. 라지 포토 다이오드(LPD)로부터 전송된 전하량에 따른 플로팅 디퓨전 노드(FD3)의 전압을 기초로 드라이빙 트랜지스터(DX)가 센싱 신호를 출력할 수 있다.
LPD-H 모드에서 게인 제어 신호(CGS)는 로직 로우, 스위치 신호(SWS)는 로직 로우, 전송 제어 신호(STS)는 로직 로우, 캐패시터 제어 신호(CCS)는 로직 하이일 수 있다.
게인 제어 신호(CGS)가 활성 레벨, 예컨대 로직 하이로 천이됨에 따라, 게인 제어 트랜지스터(DRG)가 턴-온되며, 픽셀(PX)은 LPD-H 모드에서 LPD-L 모드로 전환될 수 있다.
LPD-L 모드는 신호 기간(S)에 따른 센싱 신호가 먼저 출력된 후, 리셋 기간(R)에 따른 리셋 신호가 출력될 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, LPD-L 모드에서 신호 기간(S)에 전송 제어 신호(LTS)가 활성 레벨, 예컨대 로직 하이로 천이됨에 따라, 라지 포토 다이오드(LPD)에서 생성된 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD3)로 전송 및 저장될 수 있다. 라지 포토 다이오드(LPD)로부터 전송된 전하량에 따른 플로팅 디퓨전 노드(FD3)의 전압을 기초로 드라이빙 트랜지스터(DX)가 센싱 신호를 출력할 수 있다.
SPD-H 모드는 리셋 기간(R)에 따른 리셋 신호가 먼저 출력된 후, 신호 기간(S)에 따른 센싱 신호가 출력될 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, SPD-H 모드에서 리셋 기간(R)에는 리셋 제어 신호(RS)의 활성 레벨에 응답하여, 리셋 트랜지스터(RG)가 턴-온되고 플로팅 디퓨전 노드(FD1)가 리셋 될 수 있다. 리셋 기간(R)에는 픽셀(PX)의 리셋 레벨(예컨대 리셋된 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 전압)에 해당하는 리셋 신호가 리드아웃될 수 있다. 이때 픽셀(PX)의 스위치 트랜지스터(SW)의 게이트에 로직 하이로 천이된 스위치 신호(SWS)가 인가되고, 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)의 게이트에 로직 로우로 천이된 캐패시터 제어 신호(CCS)가 인가될 수 있다. 스위치 신호(SWS)가 로직 하이로 천이되는 시점이 리셋 제어 신호(RS)가 로직 로우로 천이되는 시점 이후일 수 있다.
SPD-H 모드에서 신호 기간(S)에 픽셀(PX)의 신호 레벨에 해당하는 센싱 신호가 리드아웃될 수 있다. 전송 제어 신호(STS)가 활성 레벨, 예컨대 로직 하이로 천이됨에 따라, 스몰 포토 다이오드(SPD)에서 생성된 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD1)로 전송 및 저장될 수 있다. 스몰 포토 다이오드(SPD)로부터 전송된 전하량에 따른 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 전압을 기초로 드라이빙 트랜지스터(DX)가 센싱 신호를 출력할 수 있다.
이와 같이, SPD-H 모드에서는 리셋 기간(R)에서 리셋 신호를 먼저 리드아웃한 다음 신호 기간(S)에서 센싱 신호를 리드아웃하고, 두 신호를 비교하여 픽셀 별 노이즈 신호를 제거한 신호를 생성할 수 있으며, 이와 같은 리드아웃 방식은 CDS 리드아웃 방식이라 지칭될 수 있다.
캐패시터 제어 신호(CCS)가 활성 레벨, 예컨대 로직 하이로 천이됨에 따라, 캐패시터 제어 트랜지스터(CCTR)가 턴-온되며, 픽셀(PX)은 SPD-H 모드에서 SPD-L 모드로 전환될 수 있다.
SPD-L 모드는 신호 기간(S)에 따른 센싱 신호가 먼저 출력된 후, 리셋 기간(R)에 따른 리셋 신호가 출력될 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, SPD-L 모드에서 신호 기간(S)에 픽셀(PX)의 신호 레벨에 해당하는 센싱 신호가 리드아웃될 수 있다.
SPD- L 모드에서 리셋 기간(R)에는 리셋 제어 신호(RS)의 활성 레벨에 응답하여, 리셋 트랜지스터(RG)가 턴-온되고 플로팅 디퓨전 노드(FD1)가 리셋 될 수 있다. 리셋 기간(R)에는 픽셀(PX)의 리셋 레벨에 해당하는 리셋 신호가 리드아웃될 수 있다.
이와 같이, SPL-L 모드에서는 신호 기간(S)에서 센싱 신호를 먼저 리드아웃한 다음 리셋 기간(R)에서 리셋 신호를 리드아웃하고, 두 신호를 비교하여 픽셀 별 노이즈 신호를 제거한 신호를 생성할 수 있으며, 이와 같은 리드아웃 방식은 DRS 리드아웃 방식이라 지칭될 수 있다.
한편, 픽셀(PX)의 복수의 리드 모드(예컨대, LPD-H, LPD-L, SPD-H 및 SPD-L모드)의 동작 순서는 전술한 예에 한하지 않으며, 스몰 포토 다이오드(SPD)의 리드아웃 동작이 라지 포토 다이오드(LPD)보다 먼저 실시될 수도 있고, 로우 컨버전 게인(LCG) 모드의 동작이 하이 컨버전 게인(HCG) 모드보다 먼저 실시 될 수도 있다. 또한 픽셀(PX)의 리드아웃 동작은 각 모드에서 리셋 기간(R)과 신호 기간(S)의 순서가 바뀌거나, 로우 컨버전 게인(LCG) 모드의 리셋 기간(R)과 하이 컨버전 게인(HCG) 모드의 리셋 기간(R)이 먼저 진행된 후 하이 컨버전 게인(HCG) 모드의 신호 기간(S)과 로우 컨버전 게인(LCG) 모드의 신호 기간(S)이 진행 되는 것도 가능하다. 라지 포토 다이오드(LPD)는 한가지 컨버전 게인으로만 동작하고, 스몰 포토 다이오드(SPD)는 두가지 컨버전 게인 모드로 동작하는 것도 가능하다.
또 다른 실시예로, 픽셀(PX)은 LPD-H, LPD-L, SPD-H 및 SPD-L 모드 중 적어도 하나를 조합한 단일 노출로 동작한 이후, 조도가 매우 높은 구간에 대한 다이나믹 레인지를 확장하기 위해 노출 촬영을 추가할 수 있다. 예를 들어, 스몰 포토 다이오드(SPD)를 이용하여 짧은 노출 시간 촬영한 이미지를 추가할 수 있다. 이 때, 추가된 노출 촬영은 조도 정보를 고려하여 노출 시간 및 노출 간격이 설정될 수 있다.
픽셀(PX)은 LPD-H, LPD-L, SPD-H 및 SPD-L 모드에서 조도에 구분없이 동작하고, 리드아웃된 센싱 신호에서 조도 정보에 기초하여 사용할 데이터 구간을 선택할 수 있으나, 동작 순서나 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 픽셀의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 7에서 설명하는 픽셀의 동작들은 도 2의 픽셀(PX)에 의해 수행될 수 있다. 도 7을 참조하면, 제1 포토 다이오드의 리드아웃 기간 중 제1 구간에서 캐패시터 제어 트랜지스터를 턴-오프 시켜, 제1 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다(S110). 제1 포토 다이오드는 수광 면적이 작은 스몰 포토 다이오드일 수 있다. 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하가 저장되는 제1 플로팅 디퓨전 노드는 제1 캐패시터와 병렬로 연결될 수 있다. 캐패시터 제어 트랜지스터는 제1 캐패시터와 직렬 연결되어 제1 캐패시터를 제어할 수 있다.
제1 구간에서 캐패시터 제어 트랜지스터가 턴-오프 되면, 리셋 트랜지스터에 리셋 신호를 인가하여 픽셀을 리셋하고, 픽셀이 리셋되면 스위치 트랜지스터를 턴-온 시키고 리셋 신호를 리드아웃 회로로 전송하고, 제1 포토 다이오드 전송 트랜지스터에 전송 제어 신호를 인가하고, 센싱 신호를 리드아웃 회로로 전송할 수 있다(S120).
제1 포토 다이오드의 리드아웃 기간 중 제2 구간에서 캐패시터 제어 트랜지스터를 턴-온 시켜, 제1 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있다(S130).
제2 단계는 제2 구간에서 캐패시터 제어 트랜지스터가 턴-온 되면, 센싱 신호를 리드아웃 회로로 전송하고, 리셋 트랜지스터에 리셋 신호를 인가하여 픽셀을 리셋하고, 픽셀이 리셋되면 리셋 신호를 리드아웃 회로로 전송할 수 있다(S140).
픽셀의 동작 방법은 제2 포토 다이오드의 리드아웃 기간에 게인 제어 트랜지스터를 턴-오프 시킨 하이 컨버전 게인(high conversion gain; HCG) 모드 및 상기 게인 제어 트랜지스터를 턴-온 시킨 로우 컨버전 게인(low conversion gain; LCG) 모드로 동작하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제2 포토 다이오드는 제1 포토 다이오드보다 수광 면적이 큰 포토 다이오드일 수 있다.
이 때, 제1 구간은 제1 포토 다이오드가 동작하는 조도 구간 중 기설정된 조도 미만의 픽셀 신호를 리드아웃 하는 구간인 것이고, 제2 구간은 제1 포토 다이오드가 동작하는 조도 구간 중 기설정된 조도 이상의 픽셀 신호를 리드아웃 하는 구간일 수 있다.
도 8a는 이미지 센서의 분리 사시도이고, 도 8b는 이미지 센서의 평면도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 이미지 센서(100a)는 제1 칩(CH1) 및 제2칩(CH2)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 제1 칩(CH1)에는 픽셀 어레이(도 1의 110)에 포함되는 복수의 픽셀(PX)들 각각의 픽셀 코어(예컨대 적어도 하나의 광전 변환 소자(PE) 및 픽셀 회로(PXC))가 형성되고, 제2 칩(CH2)에는 로직 회로, 예컨대, 로우 드라이버(120), 리드아웃 회로(130), 램프 신호 생성기(140) 및 타이밍 컨트롤러(150)가 형성될 수 있다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 제1 칩(CH1) 및 제2 칩(CH1)은 중심부에 배치되는 엑티브 영역(AA) 및 로직 영역(LA)을 각각 포함하고, 또한, 칩의 외곽에 배치되는 주변 영역(PERR, PEI)을 포함할 수 있다. 제1 칩(CH1)의 엑티브 영역(PA)에는 광전 변환 소자(PE), 픽셀 회로(PXC)들이 2차원 어레이 구조로 배치될 수 있다. 제2 칩(CH2)의 로직 영역(LA)에는 로직 회로가 배치될 수 있다.
제1 칩(CH1) 및 제2 칩(CH2)의 주변 영역(PERR, PEI)에는 제3 방향(Z 방향)으로 연장된 관통 비아들(through vias)(TV)이 배치될 수 있다. 제1 칩(CH1) 및 제2 칩(CH1)은 관통 비아들(TV)을 통해 서로 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 칩(CH1)의 주변 영역(PERR)에는 제1 방향(X 방향) 또는 제2 방향(Y 방향)으로 연장된 배선들, 수직 콘택들이 더 형성될 수 있다. 제2 칩(CH2)의 배선층에도 제1 방향(X 방향)과 제2 방향(Y 방향)으로 연장하는 다수의 배선 라인들이 배치될 수 있고, 이러한 배선 라인들은 로직 회로로 연결될 수 있다.
한편, 제1 칩(CH1)과 제2 칩(CH2)은 관통 비아(TV)를 통해 전기적으로 결합되는 구조에 대하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 제1 칩(CH1)과 제2 칩(CH2)은 Cu-Cu 본딩, 관통 비아와 Cu 패드의 결합, 관통 비아와 외부 접속 단자의 결합, 또는 일체형의 관통 비아를 통한 결합 등 다양한 결합 구조로 구현될 수 있다.
도 9는 멀티 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치의 블록도이다. 도 10은 도 9의 카메라 모듈의 상세 블록도이다.
도 9를 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 k개(k는 4 이상의 자연수)의 카메라 모듈을 포함하도록 변형되어 실시될 수도 있다.
이하, 도 10을 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 10을 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 저장부(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 제1 방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 변경시킬 수 있다. 또한, 프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 중심축(1106)을 중심으로 A방향으로 회전시키거나, 중심축(1106)을 B방향으로 회전시켜 제1 방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 수직인 제2 방향(Y)으로 변경시킬 수 있다. 이때, OPFE(1110)도 제1 방향(X)및 제2 방향(Y)과 수직인 제3 방향(Z)로 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(1106)을 중심축(1106)의 연장 방향과 평행한 제3 방향(예를 들어, Z방향)으로 이동할 수 있다.
OPFE(1110)는 예를 들어 m(여기서, m은 자연수)개의 그룹으로 이루어진 광학 렌즈를 포함할 수 있다. m개의 렌즈는 제2 방향(Y)으로 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 Z라고할 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 이미지 센서(1142)가 광학 렌즈의 초점 거리(focal length)에 위치하도록 광학 렌즈의 위치를 조정할 수 있다.
이미지 센싱 장치(1140)는 이미지 센서(1142), 제어 로직(1144) 및 메모리(1146)을 포함할 수 있다. 이미지 센서(1142)는 광학 렌즈를 통해 제공되는 광(L)을 이용하여 센싱 대상의 이미지를 센싱할 수 있다. 이미지 센서(1142)는 HCG 이미지 데이터 및 LCG 이미지 데이터를 병합하여, 높은 동작 범위를 갖는 이미지 데이터를 생성할 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 위치별(또는 스테이트별) 초점 거리 값과 오토 포커싱(auto focusing)과 관련된 정보를 포함할 수 있다.
저장부(1150)는 이미지 센서(1142)를 통해 센싱된 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 저장부(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, 저장부(1150)는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)으로 구현될 수 있으나 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 9와 도 10을 함께 참조하면, 몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 액추에이터(1130)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 그 내부에 포함된 액추에이터(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, 1100b)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 이미지 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 이미지 센서(1142)가 배치될 수 있다.
다시 도 9를 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 이미지 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 이미지 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 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100a)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLa)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212a)에 제공되고, 카메라 모듈(1100b)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLb)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212b)에 제공되고, 카메라 모듈(1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLc)을 통해 서브 이미지 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 이미지 프로세서가 복수의의 카메라 모듈에 대응되도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 서브 이미지 프로세서(1212a)와 서브 이미지 프로세서(1212c)가 도시된 것처럼 서로 분리되어 구현되는 것이 아니라 하나의 서브 이미지 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 이미지 프로세서에 제공될 수 있다.
각각의 서브 이미지 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 이미지 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 이미지 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 및 슬레이브로서 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 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100a)이 슬레이브로서 동작할 수 있다. 반대로, 줌 팩터가 높은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100a)이 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100b)이 슬레이브로서 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 내부에 구비되는 메모리(1230) 또는 애플리케이션 프로세서(1200) 외부의 스토리지(1400)에 저장하고, 이후, 메모리(1230) 또는 스토리지(1400)로부터 인코딩된 이미지 신호를 리드아웃하여 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 전송할수 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 메모리(1230) 또는 스토리지(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.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (10)
- 복수의 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이 및 상기 복수의 픽셀들의 동작을 제어하는 로우 드라이버를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
상기 복수의 픽셀들 각각은,
제1 포토 다이오드;
상기 제1 포토 다이오드보다 수광 면적이 큰 제2 포토 다이오드;
상기 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하가 저장되는 제1 플로팅 디퓨전 노드;
상기 제1 플로팅 디퓨전 노드와 연결된 제1 캐패시터; 및
일단이 상기 제1 캐패시터와 직렬 연결된 캐패시터 제어 트랜지스터;를 포함하고,
상기 로우 드라이버는,
상기 복수의 픽셀들 각각에 대하여, 상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃(readout) 기간 중 기설정된 동작 모드별로, 상기 캐패시터 제어 트랜지스터를 이용하여 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 조절하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 로우 드라이버는,
상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃 기간 중 제1 구간에서 상기 캐패시터 제어 트랜지스터를 턴-오프 시켜, 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 감소시키고,
상기 제1 구간은 리드아웃 된 픽셀 신호에서 상기 제1 포토 다이오드에 대응하는 조도 구간 중 기설정된 조도 미만의 픽셀 신호를 선택하는 구간인 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 복수의 픽셀들 각각은
상기 제1 플로팅 디퓨전 노드와 제2 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결된 스위치 트랜지스터;
일단이 상기 제2 플로팅 디퓨전 노드에 연결되고 타단으로부터 리셋 전압 전원이 인가되는 리셋 트랜지스터; 및
상기 제1 포토 다이오드와 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결된 제1 포토 다이오드 전송 트랜지스터;를 더 포함하고,
상기 로우 드라이버는,
상기 제1 구간에서 상기 스위치 트랜지스터를 턴-온시키고,
상기 제1 구간 중 리셋 구간에서, 상기 리셋 트랜지스터를 턴-온 시켜 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드를 리셋시키고, 리셋된 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 대응하는 리셋 신호를 리드아웃 회로로 출력하도록 제어하고,
상기 제1 구간 중 센싱 구간에서, 상기 제1 포토 다이오드 전송 트랜지스터를 턴-온시켜 상기 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하를 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드에 저장하고, 상기 전하가 축적된 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드에 대응하는 센싱 신호를 상기 리드아웃 회로로 출력하도록 제어하는 이미지 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 로우 드라이버는 상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃 기간 중 제2 구간에서 상기 캐패시터 제어 트랜지스터를 턴-온 시키고, 제1 포토 다이오드에 축척된 전하를 제1 플로팅 디퓨전 노드 및 상기 제1 캐패시터에 저장하고,
상기 제2 구간은 리드아웃 된 픽셀 신호에서 상기 제1 포토 다이오드가 동작하는 조도 구간 중 기설정된 조도 이상의 픽셀 신호를 선택하는 구간인 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제4 항에 있어서,
상기 복수의 픽셀들 각각은,
리셋 전원 전압을 기초로 플로팅 디퓨전 노드를 리셋시키는 리셋 트랜지스터;를 포함하고,
상기 로우 드라이버는,
상기 제2 구간에서,
상기 제1 플로팅 디퓨전 노드에 대응하는 센싱 신호를 리드아웃 회로로 출력하도록 제어하고, 상기 리셋 트랜지스터를 턴-온 시켜 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드를 리셋시키고, 리셋된 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 전압에 대응하는 리셋 신호를 상기 리드아웃 회로로 출력하도록 제어하는 이미지 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 포토 다이오드의 광원에 대한 민감도는,
상기 제1 구간에서 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 감소시켜 향상된 신호 대 잡음비(SNR) 변화에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 픽셀들 각각은,
상기 제1 포토 다이오드와 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결된 제1 포토 다이오드 전송 트랜지스터;
상기 제1 플로팅 디퓨전 노드와 제2 플로팅 디퓨전 노드 사이에 연결된 스위치 트랜지스터; 및
상기 제2 플로팅 디퓨전 노드와 리셋 전압 전원 사이에 연결된 리셋 트랜지스터; 를 더 포함하는 이미지 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃 방식은 리셋 신호를 샘플링하고 센싱 신호를 샘플링하는 CDS 리드아웃 방식 또는 센싱 신호를 샘플링하고 리셋 신호를 샘플링하는 DRS(delta reset sampling) 리드아웃 방식 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1 포토 다이오드;
상기 제1 포토 다이오드보다 수광 면적이 큰 제2 포토 다이오드;
상기 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하가 저장되는 제1 플로팅 디퓨전 노드;
상기 제1 포토 다이오드에 일단이 연결되고 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드에 타단이 연결된 제1 포토 다이오드 전송 트랜지스터;
상기 제2 포토 다이오드에서 생성된 전하가 저장되는 제3 플로팅 디퓨전 노드;
상기 제2 포토 다이오드에 일단이 연결되고 상기 제3 플로팅 디퓨전 노드에 타단이 연결된 제2 포토 다이오드 전송 트랜지스터;
상기 제1 플로팅 디퓨전 노드와 연결된 제1 캐패시터;
상기 제1 캐패시터와 일단이 연결되고 제1 캐패시터 전원부와 타단이 연결되어 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 캐패시턴스를 조절하는 캐패시터 제어 트랜지스터; 및
상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃 동작시 턴-온 되는 스위치 트랜지스터;를 포함하는 스플릿 포토 다이오드 구조의 픽셀. - 제1 포토 다이오드의 리드아웃 기간 중 제1 구간에서 제1 플로팅 디퓨전 노드에 연결된 제1 캐패시터와 직렬 연결된 캐패시터 제어 트랜지스터를 턴-오프 시키는 단계;
상기 캐패시터 제어 트랜지스터가 턴-오프되면, 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 컨버전 게인이 상대적으로 높은 하이 컨버전 게인 모드로 동작하는 단계;
상기 제1 포토 다이오드의 리드아웃 기간 중 제2 구간에서 상기 캐패시터 제어 트랜지스터를 턴-온 시키는 단계; 및
상기 캐패시터 제어 트랜지스터가 턴-온 되면, 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드의 컨버전 게인이 상대적으로 낮은 로우 컨버전 게인 모드로 동작하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 구간은 리드아웃 된 픽셀 신호에서 상기 제1 포토 다이오드가 동작하는 조도 구간 중 기설정된 조도 미만의 픽셀 신호를 선택하는 구간인 것이고, 상기 제2 구간은 리드아웃 된 픽셀 신호에서 상기 제1 포토 다이오드가 동작하는 조도 구간 중 기설정된 조도 이상의 픽셀 신호를 선택하는 구간인 것을 특징으로 하는 픽셀의 동작 방법.
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