KR-20260061913-A - Image sensor and operating method of image sensor

Abstract

이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법이 개시된다. 본 개시의 실시예에 따른 이미지 센서는, 행열로 배치되는 복수의 픽셀을 포함하고, 복수의 픽셀 각각이 N행 N열로 배치되며 플로팅 디퓨전 노드를 공유하는 복수의 서브 픽셀을 포함하며(단, N은 2 이상의 정수), 상기 복수의 픽셀 중 제1 픽셀의 제1 서브 픽셀과 제2 픽셀의 제2 서브 픽셀이 제1 타입 마이크로 렌즈를 공유하는, 픽셀 어레이, 상기 제1 서브 픽셀로부터 출력되는 제1 픽셀 신호 및 상기 제2 서브 픽셀로부터 출력되는 제2 픽셀 신호를 기초로 제1 이미지 데이터를 생성하고, 상기 제1 픽셀의 상기 복수의 서브 픽셀 중 상기 제1 서브 픽셀을 제외한 서브 픽셀들로부터 출력되는 제3 픽셀 신호 및 상기 제2 픽셀의 상기 복수의 서브 픽셀 중 상기 제2 서브 픽셀을 제외한 서브 픽셀들로부터 출력되는 제4 픽셀 신호를 기초로 제2 이미지 데이터를 생성하는 리드아웃 회로, 및 상기 제1 이미지 데이터 및 상기 제2 이미지 데이터를 기초로 HDR(high dynamic range) 이미지 데이터를 생성하고, 상기 제1 이미지 데이터를 기초로 오토 포커스 정보를 생성하는 이미지 신호 프로세서를 포함할 수 있다.

Inventors

• 임동판
• 송성욱
• 유재성
• 이정국

Assignees

• 삼성전자주식회사

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (10)

1. 행열로 배치되는 복수의 픽셀을 포함하고, 복수의 픽셀 각각이 N행 N열로 배치되며 플로팅 디퓨전 노드를 공유하는 복수의 서브 픽셀을 포함하며(단, N은 2 이상의 정수), 상기 복수의 픽셀 중 제1 픽셀의 제1 서브 픽셀과 제2 픽셀의 제2 서브 픽셀이 제1 마이크로 렌즈를 공유하는, 픽셀 어레이; 상기 제1 서브 픽셀로부터 출력되는 제1 픽셀 신호 및 상기 제2 서브 픽셀로부터 출력되는 제2 픽셀 신호를 기초로 제1 이미지 데이터를 생성하고, 상기 제1 픽셀의 상기 복수의 서브 픽셀 중 상기 제1 서브 픽셀을 제외한 서브 픽셀들로부터 출력되는 제3 픽셀 신호 및 상기 제2 픽셀의 상기 복수의 서브 픽셀 중 상기 제2 서브 픽셀을 제외한 서브 픽셀들로부터 출력되는 제4 픽셀 신호를 기초로 제2 이미지 데이터를 생성하는 리드아웃 회로; 및 상기 제1 이미지 데이터 및 상기 제2 이미지 데이터를 기초로 HDR(high dynamic range) 이미지 데이터를 생성하고, 상기 제1 이미지 데이터를 기초로 오토 포커스 정보를 생성하는 이미지 신호 프로세서를 포함하는, 이미지 센서.
2. 제1 항에 있어서, 상기 리드아웃 회로는, 독출 기간 중 제1 기간에, 상기 제1 픽셀로부터 상기 제1 픽셀 신호를 독출readout)하고, 상기 제2 픽셀로부터 상기 제2 픽셀 신호를 독출하고, 상기 독출 기간 중 제2 기간에, 상기 제1 픽셀로부터 상기 제3 픽셀 신호를 독출하고, 상기 제2 픽셀로부터 상기 제4 픽셀 신호를 독출하는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서.
3. 제1 항에 있어서, 상기 리드아웃 회로는, 상기 제1 픽셀에 연결되는 제1 컬럼 라인을 통해 상기 제1 픽셀 신호 및 상기 제3 픽셀 신호를 수신하고, 상기 제2 픽셀에 연결되는 제2 컬럼 라인을 통해 상기 제2 픽셀 신호 및 상기 제4 픽셀 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서.
4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 픽셀의 복수의 픽셀 중 상기 제1 서브 픽셀을 제외한 서브 픽셀들 및 상기 제2 픽셀의 복수의 픽셀 중 상기 제2 서브 픽셀을 제외한 서브 픽셀들 각각은 제2 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제2 마이크로 렌즈의 형태는 상기 제1 마이크로 렌즈의 형태와 상이한 것을 특징으로 하는, 이미지 센서.
5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 픽셀의 복수의 서브 픽셀과 상기 제2 픽셀의 상기 제2 서브 픽셀 각각은 제1 색상의 컬러 필터를 포함하고, 상기 제2 픽셀의 상기 복수의 서브 픽셀 중 상기 제2 서브 픽셀을 제외한 서브 픽셀들은 제2 색상의 컬러 필터를 포함하며, 상기 제2 색상은 상기 제1 색상과 상이한 것을 특징으로 하는, 이미지 센서.
6. 제1 항에 있어서, 상기 제1 이미지 데이터는 제1 색상의 픽셀 데이터를 포함하고, 상기 제2 이미지 데이터는 베이어 패턴의 이미지 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서.
7. 제1 항에 있어서, 상기 이미지 신호 프로세서는, 상기 제1 이미지 데이터에 포함되며, 상기 제1 픽셀 신호에 대응하는 제1 픽셀 데이터 및 상기 제2 픽셀 신호에 대응하는 제2 픽셀 데이터를 합하여 제3 이미지 데이터를 생성하고, 상기 제3 이미지 데이터 및 상기 제2 이미지 데이터를 병합하여 상기 HDR 이미지 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서.
8. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 픽셀 중 제3 픽셀의 제3 서브 픽셀과 제4 픽셀의 제4 서브 픽셀이 제3 마이크로 렌즈를 공유하고, 상기 제3 마이크로 렌즈의 형태는 상기 제1 마이크로 렌즈의 형태와 동일하며, 상기 리드아웃 회로는, 상기 제1 픽셀 신호, 상기 제2 픽셀 신호, 상기 제3 서브 픽셀에서 생성된 제5 픽셀 신호, 및 상기 제4 서브 픽셀에서 생성된 제6 픽셀 신호를 기초로 상기 제1 이미지 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서.
9. 제8 항에 있어서, 상기 제1 픽셀의 복수의 서브 픽셀과 상기 제2 픽셀의 상기 제2 서브 픽셀 및 상기 제3 픽셀의 복수의 서브 픽셀 중 상기 제3 서브 픽셀을 제외한 서브 픽셀들은 제1 색상의 컬러 필터를 포함하고, 상기 제2 픽셀의 상기 복수의 서브 픽셀 중 상기 제2 서브 픽셀을 제외한 서브 픽셀들은 제2 색상의 컬러 필터를 포함하고, 상기 제3 픽셀의 상기 제3 서브 픽셀 및 상기 제4 픽셀의 복수의 서브 픽셀은 제3 색상의 컬러 필터를 포함하며, 상기 제1 색상, 상기 제2 색상 및 상기 제3 색상은 서로 상이한 것을 특징으로 하는, 이미지 센서.
10. 제9 항에 있어서, 상기 제1 이미지 데이터는 상기 제1 색상, 상기 제2 색상 및 상기 제3 색상의 픽셀 데이터를 포함하고, 상기 제2 이미지 데이터는 베이어 패턴의 이미지 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서.

Description

이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법{Image sensor and operating method of image sensor} 본 개시의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, HDR(high dynamic range) 이미지를 생성하는 이미지 센서 및 그 동작 방법에 관한 것이다. 이미지 센서는 대상물로부터 반사되는 빛의 세기에 따라 반응하는 광전 변환 소자를 이용해 대상물의 이미지를 생성한다. 이미지 센서가 수용할 수 있는 밝기의 범위는 사람의 눈이 수용할 수 있는 밝기의 범위보다 좁다. 이에, 동일한 피사체에 대해 밝기가 다른 이미지들을 합성하여 HDR(high dynamic range) 이미지를 생성하는 HDR 기법이 이용된다. 최근 고해상도 및 고화질의 이미지 센서에 대한 수요가 증가함에 따라, 픽셀 어레이의 픽셀 구조 또는 컬러 필터 어레이의 패턴이 다양화되고 있다. 픽셀 어레이에 적응적으로 빠르고 소비 전력이 저감되는 HDR 기법이 연구되고 있다. 본 개시의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다. 도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다. 도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 픽셀 어레이의 일 구현예를 나타낸다. 도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타낸다. 도 4a는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 픽셀 어레이의 픽셀 블록의 개략적인 평면도이고, 도 4b는 A-A'선을 따라 잘라 도시한 개략적인 단면도이다. 도 5a 및 도 5b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 픽셀의 구현예들을 나타내는 등가 회로도이다. 도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀의 리드아웃 동작을 나타내는 타이밍도이다. 도 7a 및 도 7b는 도 6의 제2 기간 및 제3 기간에 픽셀에서의 신호 흐름을 나타낸다. 도 8은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 신호 프로세서 및 이미지 신호 프로세서의 동작을 나타낸다. 도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 픽셀 어레이의 일 구현예를 나타낸다. 도 10은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타낸다. 도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 픽셀 어레이의 일 구현예를 나타낸다. 도 12는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타낸다. 도 13은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 픽셀 어레이의 일 구현예를 나타낸다. 도 14는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 15는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 나타내는 블록도이다. 이하, 본 개시의 다양한 실시예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 픽셀 어레이의 일 구현예를 나타낸다. 이미지 센서(100)는 광학 렌즈(LS)를 통하여 입사된 오브젝트의 광학적 신호를 이미지 데이터로 변환할 수 있다. 이미지 센서(100)는 이미지 또는 광 센싱 기능을 갖는 전자 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 디지털 스틸 카메라, 디지털 비디오 카메라, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation) 장치 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), 아날로그-디지털 변환 회로(130), 이미지 신호 프로세서(140) 및 타이밍 컨트롤러(150)를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), 아날로그-디지털 변환 회로(130), 이미지 신호 프로세서(140) 및 타이밍 컨트롤러(150)는 하나 이상의 반도체 칩 또는 반도체 모듈로서 구현될 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 복수의 로우 라인(row line)(RL), 복수의 컬럼 라인(column line)(CL) 및 복수의 로우 라인(RL) 및 복수의 컬럼 라인(CL)과 접속되며, 행열로 배열된 복수의 픽셀(PX)을 포함한다. 컬럼 방향에서 동일한 위치에 배치된 픽셀(PX)들은 동일한 컬럼 라인(CL)에 연결될 수 있다. 복수의 픽셀들(PX)은 행열로 배열될 수 있다. 픽셀(PX)은 광전 변환 소자를 이용하여 빛을 감지하고, 감지된 빛에 따른 전기적 신호인 이미지 신호를 출력할 수 있다. 광전 변환 소자는 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. 이하, 본 개시에서 광전 변환 소자로서 포토 다이오드를 예를 들어 설명하기로 한다. 본 개시의 실시예에 따른 픽셀 어레이(110)에서, 픽셀(PX)은 제1 픽셀(PX_1), 제2 픽셀(PX_2), 제3 픽셀(PX_3), 및 제4 픽셀(PX_4)로 구별될 수 있으며, 픽셀 블록(PXB)은 2×2 행열로 배열된 제1 픽셀(PX_1), 제2 픽셀(PX_2), 제3 픽셀(PX_3), 및 제4 픽셀(PX_4)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀 블록(PXB)이 반복적으로 배치될 수 있다. 실시예에 있어서, 제1 픽셀(PX_1), 제2 픽셀(PX_2), 제3 픽셀(PX_3), 및 제4 픽셀(PX_4)은 그린, 레드, 그린 및 블루 색상에 각각 대응할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 픽셀(PX_1), 제2 픽셀(PX_2), 제3 픽셀(PX_3), 및 제4 픽셀(PX_4)은 다른 색상들에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제1 픽셀(PX_1), 제2 픽셀(PX_2), 제3 픽셀(PX_3), 및 제4 픽셀(PX_4)은 각각, 그린, 레드, 화이트 및 블루 색상에 대응하거나, 또는 그린, 옐로우, 그린 및 사이언(cyan) 색상에 대응할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 N×N 행열(N은 2 이상의 정수)로 배치되는 복수의 서브 픽셀(예: 도 2의 SPX)을 포함할 수 있다. 한 픽셀에 구비되는 복수의 서브 픽셀은 플로팅 디퓨전 노드(예: 도 5a 및 도 5b의 FD)를 공유할 수 있다. 복수의 서브 픽셀 각각은 포토 다이오드 및 포토 다이오드를 플로팅 디퓨전 노드로 전송하는 전송 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 전송 트랜지스터가 동일한 플로팅 디퓨전 노드에 연결될 수 있다. 이와 같이, 복수의 서브 픽셀이 하나의 플로팅 디퓨전 노드를 공유하는 픽셀 구조는 쉐어드 픽셀 구조로 지칭될 수 있다. 각 서브 픽셀은 마이크로 렌즈 및 컬러 필터를 더 포함하며, 마이크로 렌즈를 통해 수신되는 광 신호들 중 컬러 필터의 색상에 따른 광 신호를 전하로 변환할 수 있다. 다시 말해서, 포토 다이오드는 컬러 필터를 투과한 광 신호를 수신하고, 수신된 광 신호를 전하로 변환하여 저장(축적)할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(110)에 레드 컬러 필터, 블루 컬러 필터, 및 그린 컬러 필터가 적용될 수 있으며, 서브 픽셀들은, 레드 서브 픽셀, 블루 서브 픽셀 및 그린 서브 픽셀로 구별될 수 있다. 제1 픽셀(PX_1), 및 제3 픽셀(PX_3) 각각의 복수의 서브 픽셀 중 절반 이상의 서브 픽셀은 그린 서브 픽셀일 수 있다. 제2 픽셀(PX_2)의 절반 이상의 서브 픽셀은 레드 서브 픽셀일 수 있다. 제4 픽셀(PX_4)의 절반 이상의 서브 픽셀은 블루 서브 픽셀일 수 있다. 도 2 를 참조하여 픽셀 어레이(110)를 보다 상세하세 설명하기로 한다. 도 2의 픽셀 어레이(110a)는 도 1의 픽셀 어레이(110)로서 적용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 복수의 픽셀(PX) 각각은 3×3 행열(Y축 방향 및 X축 방향)로 배치되는 9개의 서브 픽셀(SPX)을 포함할 수 있다. 제1 픽셀(PX_1) 및 제3 픽셀(PX_3)은 9개의 그린 서브 픽셀(SPX_G)을 포함하고, 제2 픽셀(PX_2)은 8개의 레드 서브 픽셀(SPX_R)과 한 개의 그린 서브 픽셀(SPX_G)을 포함할 수 있으며, 제4 픽셀(PX_4)은 8개의 블루 서브 픽셀(SPX_B)과 한 개의 그린 서브 픽셀(SPX_G)을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 픽셀(PX)에 구비되는 복수의 서브 픽셀(PX) 중 적어도 하나의 서브 픽셀(SPX)은 광학 렌즈(LS)의 오토 포커싱을 위한 위상차 신호를 생성하는 위상 검출 서브 픽셀 (SPXPD)(또는 오토 포커스 서브 픽셀이라고 함)일 수 있다. 예를 들어, 도 2의 픽셀 어레이(110a)에서, 제1 픽셀(PX_1)의 제1 서브 픽셀(SPX1), 제2 픽셀(PX2)의 제2 서브 픽셀(SPX2), 제3 픽셀(PX_3)의 제3 서브 픽셀(SPX3), 및 제4 픽셀(PX_4)의 제4 서브 픽셀(SPX4)은 위상 검출 서브 픽셀(SPXPD)일 수 있다. 인접한 한 쌍의 위상 검출 서브 픽셀(SPXPD)은 마이크로 렌즈롤 공유하며, 동일한 색상의 컬러 필터를 포함하는 동일한 색상의 서브 픽셀일 수 있다. 예를 들어, 제1 픽셀(PX_1)의 제1 서브 픽셀(SPX1) 및 제2 픽셀(PX_2)의 제2 서브 픽셀(SPX2)이 마이크로 렌즈를 공유하며, 그린 서브 픽셀(SPX_G)일 수 있다. 제3 픽셀(PX_3)의 제3 서브 픽셀(SPX3) 및 제4 픽셀(PX_4)의 제4 서브 픽셀(SPX4)이 마이크로 렌즈를 공유하며, 그린 서브 픽셀(SPX_G)일 수 있다. 마이크로 렌즈의 광 축은 한 쌍의 위상 검출 서브 픽셀(SPXPD)(예를 들어, 제1 서