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KR102545173B1 - 위상 검출 픽셀들을 포함하는 이미지 센서 및 이미지 촬상 장치 - Google Patents

위상 검출 픽셀들을 포함하는 이미지 센서 및 이미지 촬상 장치 Download PDF

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KR102545173B1
KR102545173B1 KR1020180028307A KR20180028307A KR102545173B1 KR 102545173 B1 KR102545173 B1 KR 102545173B1 KR 1020180028307 A KR1020180028307 A KR 1020180028307A KR 20180028307 A KR20180028307 A KR 20180028307A KR 102545173 B1 KR102545173 B1 KR 102545173B1
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 픽셀 어레이는, 이미지 데이터를 생성하기 위한 복수의 이미지 픽셀들을 각각 구비하는 제1 픽셀 그룹 및 제2 픽셀 그룹을 포함하며, 상기 제1 픽셀 그룹은, 제1 방향으로 인접하게 배치된 제1 위상 검출 픽셀들을 구비하는 제1 위상 검출 픽셀 쌍을 포함하고, 상기 제2 픽셀 그룹은, 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 인접하게 배치된 제2 위상 검출 픽셀들을 구비하는 제2 위상 검출 픽셀 쌍을 포함하고, 상기 제1 위상 검출 픽셀들의 감도와 상기 제2 위상 검출 픽셀들의 감도가 상이한 것을 특징으로 한다.

Description

위상 검출 픽셀들을 포함하는 이미지 센서 및 이미지 촬상 장치{A IMAGE SENSOR PHASE DETECTION PIXELS AND A IMAGE PICKUP DEVICE}
본 개시는 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위상 검출 픽셀들을 포함하는 이미지 센서 및 이미지 촬상 장치에 관한 것이다.
이미지간 위상 차 검출을 목적으로 위상 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서 또는 이미지 센서를 포함하는 이미지 촬상 장치가 증가하고 있다. 종래의 위상 검출 픽셀은 특정 컬러 필터(예를 들면, 레드, 그린, 블루 컬러 필터 중 하나)를 포함하거나, 컬러 필터를 포함하지 않기 때문에 단일 감도를 갖도록 구현된다. 따라서, 단일 감도를 갖는 위상 검출 픽셀은 이미지 촬영 조건(예를 들면, 조도 조건, 신(scene)의 내용 등)에 따라 정확한 위상 차를 검출하지 못하는 경우가 발생하는 문제가 있다.
본 개시의 기술적 사상은, 상기의 문제를 해결하기 위하여 다양한 이미지 촬영 조건에서도 정확한 위상 차를 검출할 수 있는 위상 검출 픽셀들을 포함하는 이미지 센서 및 이미지 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 픽셀 어레이는, 이미지 데이터를 생성하기 위한 복수의 이미지 픽셀들을 각각 구비하는 제1 픽셀 그룹 및 제2 픽셀 그룹을 포함하며, 상기 제1 픽셀 그룹은, 제1 방향으로 서로 인접하게 배치되고 하나의 제1 싱글 마이크로 렌즈로 덮힌 제1 위상 검출 픽셀들을 구비하는 제1 위상 검출 픽셀 쌍을 포함하고, 상기 제2 픽셀 그룹은, 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 서로 인접하게 배치되고 하나의 제2 싱글 마이크로 렌즈로 덮힌 제2 위상 검출 픽셀들을 구비하는 제2 위상 검출 픽셀 쌍을 포함하고, 상기 제1 위상 검출 픽셀들의 감도와 상기 제2 위상 검출 픽셀들의 감도가 상이한 것을 특징으로 한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 픽셀 어레이는, 이미지 데이터를 생성하기 위한 복수의 이미지 픽셀들을 각각 구비하는 제1 픽셀 그룹 및 제2 픽셀 그룹을 포함하며, 상기 제1 픽셀 그룹은, 제1 방향으로 서로 인접하게 배치되고 각각 개별적으로 마이크로 렌즈에 덮힌 제1 위상 검출 픽셀들을 구비하는 제1 위상 검출 픽셀 쌍을 포함하고, 상기 제2 픽셀 그룹은, 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 서로 인접하게 배치되고 각각 개별적으로 마이크로 렌즈에 덮힌 제2 위상 검출 픽셀들을 구비하는 제2 위상 검출 픽셀 쌍을 포함하고, 상기 제1 위상 검출 픽셀들의 감도와 상기 제2 위상 검출 픽셀들의 감도가 상이한 것을 특징으로 한다.
본 개시에 따른 이미지 센서는 다양한 감도 특성과 다양한 배치 특성을 갖는 위상 검출 픽셀들이 구비된 픽셀 어레이의 구성을 통해 이미지들 간 위상 차를 어떠한 촬상 조건에서도 정확하게 연산하여 오토 포커싱 기능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 촬상 장치의 예시적인 구조를 나타낸 도면으로서, 이미지 촬상 장치가 오토 포커싱 기능을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 일부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 위상 검출 픽셀 쌍 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍의 구체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 일부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 위상 검출 픽셀 쌍 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍의 구체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 개시의 일 실시예에 따른 위상 검출 픽셀 쌍들의 배치 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 개시의 실시예가 공유 픽셀 구조에 적용된 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 8의 위상 검출 공유 픽셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 8의 위상 검출 공유 픽셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 도 8의 위상 검출 공유 픽셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 도 1의 프로세서의 오토 포커싱 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 촬상 장치(1000)의 예시적인 구조를 나타낸 도면으로서, 이미지 촬상 장치(1000)가 AF (Auto-Focus) 기능을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 이미지 촬상 장치(1000)는 촬상부(1100), 이미지 센서(100) 및 프로세서(1200)를 포함할 수 있다. 이미지 촬상 장치(1000)는 초점 검출 기능을 지원할 수 있다.
이미지 촬상 장치(1000)의 전체 동작은 프로세서(1200)에 의해 제어될 수 있다. 프로세서(1200)는 렌즈 구동부(1120), 조리개 구동부(1140), 타이밍 컨트롤러(120) 등에 각 구성 요소의 동작을 위한 제어 신호를 제공할 수 있다.
촬상부(1100)는 광을 수신하는 구성 요소로서, 렌즈(1110), 렌즈 구동부(1120), 조리개(1130) 및 조리개 구동부(1140)를 포함할 수 있다. 렌즈(1110)는 복수의 렌즈들을 구비할 수 있다.
렌즈 구동부(1120)는 프로세서(1200)와 초점 검출에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(1200)에서 제공된 제어 신호에 따라 렌즈(1110)의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)는 렌즈(1110)를 객체(S)로부터의 거리가 증가하는 방향 또는 감소하는 방향으로 이동시킬 수 있다. 이로써, 렌즈(1110)와 객체(S) 사이의 거리가 조절될 수 있다. 렌즈(1110)의 위치에 따라 객체(S)에 대한 초점이 맞거나 흐려질 수 있다.
예를 들어, 렌즈(1110)와 객체(S) 사이의 거리가 상대적으로 가까운 경우, 렌즈(1110)는 객체(S)에 대한 초점을 맞추기 위한 초점 위치(In-focus Position)에서 벗어나 있을 수 있고, 이미지 센서(100)에 촬상된 이미지들 사이에 위상 차가 발생할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)는 프로세서(1200)에서 제공된 제어 신호에 기초하여, 렌즈(1110)를 객체(S)로부터의 거리가 증가하는 방향으로 이동시킬 수 있다.
또는, 렌즈(1110)와 객체(S) 사이의 거리가 상대적으로 먼 경우, 렌즈(1110)는 초점 위치에서 벗어나 있을 수 있고, 이미지 센서(100)에 맺힌 이미지들 사이에 위상 차가 발생할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)는 프로세서(1200)에서 제공된 제어 신호에 기초하여, 렌즈(1110)를 객체(S)로부터의 거리가 감소하는 방향으로 이동시킬 수 있다.
이미지 센서(100)는 입사되는 광을 이미지 신호로 변환할 수 있다. 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 타이밍 컨트롤러(120) 및 신호 처리부(130)를 포함할 수 있다. 렌즈(1110) 및 조리개(1130)를 투과한 광학 신호는 픽셀 어레이(110)의 수광면에 이르러 피사체의 상을 결상할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 CIS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)일 수 있다. 이와 같은 픽셀 어레이(110)는 타이밍 컨트롤러(120)에 의해 감도 등이 조절될 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 복수의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따른 위상 검출 픽셀들은 적어도 두 개 이상의 방향으로 인접하게 배치되고 인접하게 배치된 위상 검출 픽셀들은 위상 검출 픽셀 쌍을 구성할 수 있다. 또한, 픽셀 어레이(110)는 서로 다른 감도를 갖는 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 위상 검출 픽셀들에 대한 구체적인 실시예는 도 2 등에서 후술한다.
프로세서(1200)는 신호 처리부(130)로부터 위상 정보(또는, 픽셀 정보)를 수신하여 위상 차 연산을 수행할 수 있고, 위상 차 연산은 복수의 픽셀들 열 신호의 상관 연산을 실시하여 구할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 프로세서(1200)는 서로 다른 감도를 갖는 위상 검출 픽셀들을 이용하여 감도 기반으로 위상 차 연산을 수행할 수 있다. 일 예로, 프로세서(1200)는 우선 고감도의 위상 검출 픽셀들을 이용하여 위상 차 연산을 수행하고, 생성된 위상 차 값의 신뢰 레벨을 기반으로 저감도의 위상 검출 픽셀들을 이용하여 위상 차 연산을 수행할 수 있다. 이에 대한 구체적인 실시예는 도 11 및 도 12에서 후술한다.
프로세서(1200)는 위상 차 연산 결과로 초점의 위치, 초점의 방향 또는 객체(S)와 이미지 센서(100) 사이의 거리 등을 구할 수 있다. 프로세서(1200)는 위상차 연산 결과를 기초로 하여, 렌즈(1110)의 위치를 이동시키기 위해 렌즈 구동부(1120)로 제어 신호를 출력할 수 있다.
프로세서(1200)는 입력된 신호에 대해 노이즈를 저감하고, 감마 보정(Gamma Correction), 색필터 배열보간(color filter array interpolation), 색 매트릭스(color matrix), 색보정(color correction), 색 향상(color enhancement) 등의 화질 개선을 위한 이미지 신호 처리를 수행할 수 있다. 또한, 화질 개선을 위한 이미지 신호 처리를 하여 생성한 이미지 데이터를 압축 처리하여 이미지 파일을 생성할 수 있으며, 또는 상기 이미지 파일로부터 이미지 데이터를 복원할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 타이밍 컨트롤러(120), 신호 처리부(130), 로우 드라이버(140) 및 신호 독출부(150)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 픽셀 단위로 형성될 수 있고, 복수의 이미지 픽셀들 및 복수의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 이미지 픽셀들 및 위상 검출 픽셀들은 각각 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 감지 소자는 포토 다이오드일 수 있다. 이미지 픽셀들 및 위상 검출 픽셀들은 광을 흡수하여 전하를 생성하고, 생성된 전하에 따른 전기적 신호는 신호 독출부(150)로 제공될 수 있다.
이미지 센싱 픽셀들은 도 1 의 객체(S)에 대응하는 이미지 신호들을 생성할 수 있다. 위상 검출 픽셀들은 객체(S)가 촬상되어 생성된 이미지들 사이의 위상 차를 산출하기 위해 이용되는 위상 신호들을 생성할 수 있다.
일 실시예로, 픽셀 어레이(110)는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1) 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)을 포함할 수 있다. 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)은 수평 방향으로 인접하게 배치된 두 개 이상의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있으며, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)은 수직 방향으로 인접하게 배치된 두 개 이상의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)은 수평 방향 또는 수직 방향 기준으로 이미지들 간 위상 차를 검출하기 위한 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있으며, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)은 수직 방향 또는 수평 방향 기준으로 객체의 이미지들 간 위상 차를 검출하기 위한 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)은 수평 방향 기준으로 이미지들간 위상 차를 검출하기 위한 것인 때에, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)은 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)과 상보적으로 수직 방향 기준으로 이미지들 간 위상 차를 검출하기 위한 것일 수 있다.
또한, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)에 포함된 위상 검출 픽셀들의 감도와 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)에 포함된 위상 검출 픽셀들의 감도는 상이할 수 있다. 도 2에서는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1) 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)만이 도시되었지만, 이는 예시적인 실시예에 불과한 바, 이에 국한되지 않고, 픽셀 어레이(110)는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1) 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2) 중 어느 하나와 동일한 감도 특성 또는 동일한 배치 특성을 갖는 복수의 위상 검출 픽셀 쌍들을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 픽셀 어레이(110)는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)과 동일한 감도 특성 및 동일한 배치 특성을 갖는 위상 검출 픽셀 쌍들 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)과 동일한 감도 특성 및 동일한 배치 특성을 갖는 위상 검출 픽셀 쌍들을 더 포함할 수 있다. 더 나아가, 픽셀 어레이(110)는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)과 동일한 감도 특성, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)과 동일한 배치 특성을 갖는 위상 검출 픽셀 쌍들, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)과 동일한 감도 특성, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)과 동일한 배치 특성을 갖는 위상 검출 픽셀 쌍들을 더 포함할 수 있다.
다만, 위의 내용은 예시적인 실시예들에 불과한 바, 이에 국한되지 않고, 픽셀 어레이(110)는 도 2와는 달리 적어도 세 종류의 배치 특성을 각각 갖고, 적어도 세 종류의 감도 특성을 각각 갖는 복수의 위상 검출 픽셀 쌍들을 포함하도록 다양하게 구현될 수 있다.
이하에서는, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)이 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)보다 저감도이며, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)은 수평 방향 기준으로 이미지들 간 위상 차를 검출하기 위한 것이고, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)은 수직 방향 기준으로 이미지들 간 위상 차를 검출하기 위한 것을 가정하겠으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 본 개시의 실시예는 이에 국한되지 않음은 분명하다.
이미지 센서(100)에 포함되는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1) 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)을 포함하는 위상 검출 픽셀들은 객체에 대한 초점을 맞추기 위해 이용될 수 있다. 일 실시예로, 도 1의 프로세서(1200)는 먼저, 고감도의 위상 검출 픽셀들을 이용하여 이미지들 간 위상 차 연산 동작을 수행할 수 있다. 즉, 프로세서(1200)는 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)과 동일한 감도 특성 및 배치 특성을 갖는 위상 검출 픽셀 쌍들을 이용하여 이미지들 간 위상 차 연산 동작을 수행하고, 고감도 위상 차 값 및 고감도 위상 차 값의 신뢰 레벨을 생성할 수 있다. 고감도 위상 차 값의 신뢰 레벨은 고감도 위상 차 값의 정확도를 나타내는 지표로서, 신뢰 레벨은 객체(S)를 촬상할 때의 조도 조건, 객체(S)의 질감, 객체(S)의 촬상 영역 등에 관한 파라미터를 기반으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 객체(S)를 촬상할 당시에 일정량 이상의 고조도인 경우에, 고감도의 위상 검출 픽셀들의 포토 다이오드들은 포화되어 적절한 위상 신호들을 생성하지 못할 수 있으며, 프로세서(1200)는 이러한 조도 조건을 고려하여, 현재 촬상 조건에서 생성된 고감도 위상 차 값의 정확도가 낮음을 나타내는 신뢰 레벨을 생성할 수 있다. 다른 예로, 촬상되는 객체(S)의 영역이 객체(S)의 상부 엣지 영역 또는 하부 엣지 영역을 포함하지 않은 경우에도, 프로세서(1200)는 현재의 촬상 조건에서 생성된 고감도 위상 차 값의 정확도가 낮음을 나타내는 신뢰 레벨을 생성할 수 있다. 일 예로, 신뢰 레벨이 낮을수록 고감도 위상 차 값의 정확도는 낮을 수 있다.
일 실시예로, 프로세서(1200)는 고감도 위상 차 값의 신뢰 레벨이 소정의 임계값 이상인 경우에는 고감도 위상 차 값을 이용하여 오토 포커싱 동작을 수행할 수 있다. 임계값은 촬상 조건 등에 따라 다양한 값으로 설정될 수 있다. 프로세서(1200)는 고감도 위상 차 값의 신뢰 레벨이 소정의 임계값보다 작은 경우에는 저감도의 위상 검출 픽셀들을 이용하여 이미지들 간 위상 차 연산 동작을 수행할 수 있다. 즉, 프로세서(1200)는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)과 동일한 감도 특성 및 배치 특성을 갖는 위상 검출 픽셀 쌍들을 이용하여 이미지들 간 위상 차 연산 동작을 수행하고, 저감도 위상 차 값 및 저감도 위상 차 값의 신뢰 레벨을 생성할 수 있다.
일 실시예로, 프로세서(1200)는 저감도 위상 차 값의 신뢰 레벨이 소정의 임계값 이상인 경우에는 저감도 위상 차 값을 이용하여 오토 포커싱 동작을 수행할 수 있다. 프로세서(1200)는 저감도 위상 차 값의 신뢰 레벨이 소정의 임계값보다 작은 경우에는 명암 차(contrast) 오토 포커싱을 수행할 수 있다.
위상 신호들은 이미지 센서(100)에 맺힌 이미지들의 위치들에 관한 정보를 포함할 수 있다. 따라서, 위상 신호들은 이미지들 사이의 위상 차들을 산출하기 위해 이용될 수 있다. 산출된 위상 차들에 기초하여, 렌즈(1110, 도 1)의 초점 위치가 산출될 수 있다. 예를 들어, 위상 차를 0으로 만드는 렌즈(1110, 도 1)의 위치가 초점 위치일 수 있다.
본 개시의 실시 예에서, 복수의 위상 검출 픽셀들은 객체에 대한 초점 맞춤뿐만 아니라, 객체(S)와 이미지 센서(100) 사이의 거리의 측정에도 이용될 수 있다. 객체(S)와 이미지 센서(100) 사이의 거리를 측정하기 위해, 이미지 센서(100)에 맺힌 이미지들 사이의 위상 차들, 렌즈(1110)와 이미지 센서(100) 사이의 거리, 렌즈(1110)의 크기, 렌즈(1110)의 초점 위치 등과 같은 추가의 정보들이 참조될 수 있다.
타이밍 컨트롤러(120)는 픽셀 어레이(110)가 광을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나, 축적된 전하를 임시로 저장하게 하고, 저장된 전하에 따른 전기적 신호를 픽셀 어레이(110)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(140)에 타이밍 컨트롤 신호(TC)를 제공함으로써, 로우 드라이버(140)를 제어할 수 있다. 일 실시예로, 타이밍 컨트롤러(120)는 위상 검출 픽셀 정보(PI)를 참조하여, 위상 검출 픽셀들에 대한 광 노출 시간을 제어함으로써, 위상 검출 픽셀들의 감도를 조정할 수 있다. 예를 들어, 타이밍 컨트롤러(120)는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)의 광 노출 시간을 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)의 광 노출 시간보다 짧게 제어함으로써, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1)의 감도와 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2)의 감도를 다르게 할 수 있다. 위상 검출 픽셀 정보(PI)는 위상 검출 픽셀 쌍들(PDPX_P1, PDPX_P2)의 위치 정보를 포함할 수 있다. 또한, 타이밍 컨트롤러(120)는 픽셀 어레이(110)가 제공하는 출력 전압을 측정하도록, 신호 독출부(150)를 제어할 수 있다.
로우 드라이버(140)는 픽셀 어레이(110)를 제어하기 위한 신호들(RSs, TXs, SELSs)을 생성하고, 픽셀 어레이(110)에 포함된 복수의 픽셀들에 제공할 수 있다. 로우 드라이버(140)는 오토 포커싱 기능을 수행할지 여부에 기초하여, 복수의 위상 검출 픽셀들에 대한 리셋 제어 신호들(RSs), 전송 제어 신호들(TXs), 선택 신호들(SELSs)의 활성화 및 비활성화 타이밍을 결정할 수 있다.
신호 독출부(150)는 상관 이중 샘플러(CDS)(151), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(153) 및 버퍼(155)를 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러(151)는 픽셀 어레이(110)에서 제공한 출력 전압을 샘플링 및 홀드할 수 있다. 상관 이중 샘플러(151)는 특정한 잡음 레벨과 생성된 출력 전압에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, 상관 이중 샘플러(151)는 램프 신호 생성기(157)가 생성한 램프 신호를 입력 받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(153)는 상관 이중 샘플러(151)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(155)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고, 래치된 신호는 순차적으로 신호 처리부(130) 또는 이미지 센서(100)의 외부로 출력될 수 있다.
신호 처리부(130)는 수신되는 복수의 픽셀들의 데이터에 대하여 신호 처리를 수행할 수 있다. 신호 처리부(130)는 노이즈 저감 처리, 게인 조정, 파형 정형화 처리, 보간처리, 화이트밸런스 처리, 감마 처리, 에지 강조 처리, 등을 수행할 수 있다. 또한, 신호 처리부(130)는 위상차 오토 포커싱 시에 위상 검출 픽셀들의 위상 정보를 프로세서(1200)로 출력하여, 위상차 연산을 수행하도록 할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 신호 처리부(130)는 이미지 센서(100) 외부의 프로세서(1200, 도 1)에 구비될 수도 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 다양한 감도 특성과 다양한 배치 특성을 갖는 위상 검출 픽셀들이 구비된 픽셀 어레이(110)의 구성을 통해 이미지들 간 위상 차를 어떠한 촬상 조건에서도 정확하게 연산하여 오토 포커싱 기능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(110a)의 일부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 픽셀 어레이(110a)는 제1 픽셀 그룹(PXG_1a) 및 제2 픽셀 그룹(PXG_2a)을 포함할 수 있다. 이하에서의 픽셀 그룹은 복수의 이미지 픽셀(IPX)들 및 하나의 위상 검출 픽셀 쌍을 포함하는 단위임을 전제한다.
제2 픽셀 그룹(PXG_2a)은 제1 픽셀 그룹(PXG_1a)과 아래 방향으로 인접하게 배치될 수 있다. 제1 픽셀 그룹(PXG_1a)은 복수의 이미지 픽셀(IPX)들과 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)을 포함하고, 제2 픽셀 그룹(PXG_2a)은 복수의 이미지 픽셀(IPX)들과 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)을 포함할 수 있다. 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)은 제1 위상 검출 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_2a)을 포함하고, 제2 위상 검출 픽셀들(PDPX_3a, PDPX_4a)을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)에서 제1 위상 검출 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_2a)은 수평 방향으로 인접하게 배치될 수 있고, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)에서 제2 위상 검출 픽셀들(PDPX_3a, PDPX_4a)은 수직 방향으로 인접하게 배치될 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)의 감도는 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)의 감도보다 낮을 수 있다. 다만, 이는 예시적 실시예에 불과한 바, 이에 국한되지 않고, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)의 감도는 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)의 감도보다 높게 구현될 수 있다.
도 3에 도시된 제1 픽셀 그룹(PXG_1a) 및 제2 픽셀 그룹(PXG_2a)의 구성은 예시적 실시예에 불과한 바, 이에 국한되지 않으며, 제1 픽셀 그룹(PXG_1a) 및 제2 픽셀 그룹(PXG_2a)은 더 많거나, 더 적은 개수의 이미지 픽셀(IPX)들을 포함할 수 있고, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a) 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)의 배치가 다양하게 구현될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a) 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍( PDPX _ P2a )의 구체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)의 감도와 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)의 감도가 상이하도록 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)의 제1 위상 검출 픽셀들에 포함된 컬러 필터의 종류와 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)의 제2 위상 검출 픽셀들에 포함된 컬러 필터의 종류가 상이할 수 있다. 일 예로, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)의 제1 위상 검출 픽셀들은 그린 컬러 필터를 각각 포함할 수 있으며, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)의 제2 위상 검출 픽셀들은 화이트 컬러 필터(또는, 컬러 필터를 포함하지 않음)를 각각 포함할 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)에는 하나의 수평 마이크로 렌즈(ML_H)에 덮히고, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)에는 하나의 수직 마이크로 렌즈(ML_V)에 덮힐 수 있다.
도 4b를 더 참조하면, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)은 제1 위상 검출 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_2a)을 포함할 수 있다. 기판(208)에 'PDPX_1a' 픽셀의 제1 포토 다이오드(PD1) 및 'PDPX_2a' 픽셀의 제2 포토 다이오드(PD2)가 배치될 수 있다. 기판(208) 상에는 소정의 컬러 필터(204a)(예를 들면, 그린 컬러 필터)가 배치될 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)에는 하나의 마이크로 렌즈(202)가 배치될 수 있다. 도 4b에 도시된 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)의 구조는 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)에도 적용될 수 있다. 다만, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)에 포함된 컬러 필터의 종류는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a)에 포함된 컬러 필터의 종류와 상이할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(110a)의 일부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 픽셀 어레이(110b)는 제1 픽셀 그룹(PXG_1b) 및 제2 픽셀 그룹(PXG_2b)을 포함할 수 있다. 제2 픽셀 그룹(PXG_2b)은 제1 픽셀 그룹(PXG_1b)과 아래 방향으로 인접하게 배치될 수 있다. 제1 픽셀 그룹(PXG_1b)은 복수의 이미지 픽셀(IPX)들과 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)을 포함하고, 제2 픽셀 그룹(PXG_2b)은 복수의 이미지 픽셀(IPX)들과 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)을 포함할 수 있다. 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)은 제1 위상 검출 픽셀들(PDPX_1b, PDPX_2b)을 포함하고, 제2 위상 검출 픽셀들을(PDPX_3b, PDPX_4b)을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)에서 제1 위상 검출 픽셀들(PDPX_1b, PDPX_2b)은 수직 방향으로 인접하게 배치될 수 있고, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)에서 제2 위상 검출 픽셀들(PDPX_3b, PDPX_4b)은 수평 방향으로 인접하게 배치될 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)의 감도는 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)의 감도보다 낮을 수 있다. 다만, 이는 예시적 실시예에 불과한 바, 이에 국한되지 않고, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)의 감도는 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)의 감도보다 높게 구현될 수 있다.
도 5에 도시된 제1 픽셀 그룹(PXG_1b) 및 제2 픽셀 그룹(PXG_2b)의 구성은 예시적 실시예에 불과한 바, 이에 국한되지 않으며, 제1 픽셀 그룹(PXG_1b) 및 제2 픽셀 그룹(PXG_2b)은 더 많거나, 더 적은 개수의 이미지 픽셀(IPX)들을 포함할 수 있고, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b) 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)의 배치가 다양하게 구현될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b) 및 제2 위상 검출 픽셀 쌍( PDPX _ P2b )의 구체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)의 'PDPX_1b' 픽셀의 좌측 영역에 'B1b' 광 차폐막이 형성되고, 'PDPX_2b' 픽셀의 우측 영역에 'B2b' 광 차폐막이 형성될 수 있다. 즉, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)을 이용하여 수평 방향 기준으로 객체의 이미지들 간 위상 차를 검출할 수 있다. 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)의 'PDPX_3b' 픽셀의 상부 영역에 'B3b' 광 차폐막이 형성되고, 'PDPX_4b' 픽셀의 하부 영역에 'B4b' 광 차폐막이 형성될 수 있다. 즉, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)을 이용하여 수직 방향 기준으로 객체의 이미지들 간 위상 차를 검출할 수 있다.
제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)의 감도와 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)의 감도가 상이하도록 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)의 제1 위상 검출 픽셀들(PDPX_1b, PDPX_2b)에 포함된 광 차폐막(B1b, B2b)의 길이와 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a)의 제2 위상 검출 픽셀들(PDPX_3b, PDPX_4b)에 포함된 광 차폐막(B3b, B4b)의 길이와 상이할 수 있다. 일 예로, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)의 광 차폐막(B1b, B2b)의 길이(L1)는 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)의 광 차폐막(B3b, B4b)의 길이(L2)보다 길 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 픽셀들(PDPX_1b, PDPX_2b) 각각은 마이크로 렌즈에 개별적으로 덮히고, 제2 위상 검출 픽셀들(PDPX_3b, PDPX_4b) 각각은 마이크로 렌즈에 개별적으로 덮힐 수 있다.
도 6b를 더 참조하면, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)은 제1 위상 검출 픽셀들(PDPX_1b, PDPX_2b)을 포함할 수 있다. 기판(208)에 'PDPX_1b' 픽셀의 제1 포토 다이오드(PD1) 및 'PDPX_2b' 픽셀의 제2 포토 다이오드(PD2)가 배치될 수 있다. 기판(208) 상에는 광 차폐막(205_1b, 205_2b)이 형성될 수 있다. 광 차폐막(205_1b, 205_2b)의 길이(L)는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)의 감도에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)의 제1 위상 검출 픽셀들(PDPX_1b, PDPX_2b) 각각에 개별적으로 마이크로 렌즈(202_1b, 202_2b)가 배치될 수 있다. 도 6b에 도시된 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)의 구조는 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)에도 적용될 수 있다. 다만, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)에 포함된 광 차폐막의 길이는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)에 포함된 광 차폐막의 길이보다 짧을 수 있다
도 6c를 더 참조하면, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b)는 도 6b의 구조에서 컬러 필터(204b)를 더 포함할 수 있다. 도 6c에 도시된 제1 위상 검출 픽셀(PDPX_P1b)의 구조는 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b)에도 적용될 수 있다. 다만, 이런 경우에는, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_2b)에 포함된 광 차폐막의 길이는 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_1b)에 포함된 광 차폐막의 길이와 동일하나, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_1b)과 제2 위성 검출 픽셀 쌍(PDPX_2b) 각각에 포함된 컬러 필터의 종류는 상이하여 감도가 상이할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 개시의 일 실시예에 따른 위상 검출 픽셀 쌍들의 배치 패턴을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 7a 내지 도 7c에서는 픽셀 어레이(210a, 210b, 210c)의 일부를 나타낸다.
도 7a를 참조하면, 픽셀 어레이(210a)는 각각 인접하게 배치된 제1 내지 제 6 픽셀 그룹(PXG_1~PXG_6)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제6 픽셀 그룹(PXG_1~PXG_6)은 제1 내지 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a~PDPX_P6a)을 각각 포함할 수 있다.
일 실시예로, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a), 제3 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P3a) 및 제5 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P5a)은 수평 방향으로 인접하게 배치된 적어도 둘 이상의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2a), 제4 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P4a) 및 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P6a)은 수직 방향으로 인접하게 배치된 적어도 둘 이상의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1a), 제3 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P3a) 및 제5 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P5a)은 저감도 특성을 가질 수 있으며, 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P4a), 제4 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P4a) 및 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P6a)은 고감도 특성을 가질 수 있다.
즉, 하나의 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍은 수직 방향 또는 수평 방향으로 인접하게 배치된 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍과 배치 특성 및 감도 특성이 상이할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 픽셀 어레이(210b)는 각각 인접하게 배치된 제1 내지 제 6 픽셀 그룹(PXG_1~PXG_6)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제6 픽셀 그룹(PXG_1~PXG_6)은 제1 내지 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b~PDPX_P6b)을 각각 포함할 수 있다.
일 실시예로, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b), 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b) 및 제3 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P3b)은 수평 방향으로 인접하게 배치된 적어도 둘 이상의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 제4 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P4b), 제5 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P5b) 및 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P6b)은 수직 방향으로 인접하게 배치된 적어도 둘 이상의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b), 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b) 및 제3 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P3b)은 저감도 특성을 가질 수 있으며, 제4 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P4b), 제5 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P5b) 및 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P6b)은 고감도 특성을 가질 수 있다. 다만, 이는 예시적 실시예에 불과한 바, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1b), 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2b) 및 제3 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P3b)은 고감도 특성을 가질 수 있으며, 제4 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P4b), 제5 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P5b) 및 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P6b)은 저감도 특성을 가질 수 있다.
즉, 하나의 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍은 수직 방향으로 인접하게 배치된 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍과 배치 특성 및 감도 특성이 상이하고, 수평 방향으로 인접하게 배치된 픽셀 그룹의 위상 검출 쌍과 배치 특성 및 감도 특성이 동일할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 픽셀 어레이(210c)는 각각 인접하게 배치된 제1 내지 제 6 픽셀 그룹(PXG_1~PXG_6)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제6 픽셀 그룹(PXG_1~PXG_6)은 제1 내지 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1c~PDPX_P6c)을 각각 포함할 수 있다.
일 실시예로, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1c), 제3 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P3c) 및 제5 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P5c)은 수평 방향으로 인접하게 배치된 적어도 둘 이상의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2c), 제4 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P4c) 및 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P6c)은 수직 방향으로 인접하게 배치된 적어도 둘 이상의 위상 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1c), 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2c) 및 제6 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P6c)은 저감도 특성을 가질 수 있으며, 제3 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P3c), 제4 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P4c) 및 제5 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P5c)은 고감도 특성을 가질 수 있다. 즉, 제1 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P1c)과 제2 위상 검출 픽셀 쌍(PDPX_P2c)에서와 같이, 배치 특성은 상이하나, 감도 특성은 동일할 수 있다.
즉, 하나의 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍은 수직 방향으로 인접하게 배치된 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍과 배치 특성 및 감도 특성이 상이할 수 있으며, 수평 방향으로 인접하게 배치된 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍들 중 일측에 인접하게 배치된 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍과는 배치 특성이 상이하고, 감도 특성은 동일할 수 있고, 수평 방향으로 인접하게 배치된 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍들 중 타측에 인접하게 배치된 픽셀 그룹의 위상 검출 픽셀 쌍과는 배치 특성 및 감도 특성이 상이할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c에 도시된 실시예는 예시적인 것에 불과한 바, 이에 국한되지 않으며, 다양한 패턴으로 위상 검출 픽셀 쌍들이 배치될 수 있다.
도 8은 본 개시의 실시예가 공유 픽셀 구조에 적용된 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 픽셀 어레이(310)는 제1 공유 픽셀 그룹(SPX_G1) 및 제2 공유 픽셀 그룹(SPX_G2)을 포함할 수 있다. 이하에서는, 공유 픽셀 그룹은 복수의 이미지 공유 픽셀들 및 하나의 위상 검출 공유 픽셀을 포함하는 단위임을 전제한다. 또한, 하나의 공유 픽셀에 4개의 서브 픽셀들이 포함된 구성을 중심으로 서술하나, 이에 한정되는 것은 아니고, 하나의 공유 픽셀의 다양한 개수의 서브 픽셀들이 포함될 수 있다. 제2 공유 픽셀 그룹(SPX_G2)은 제1 공유 픽셀 그룹(SPX_G1)과 아래 방향으로 인접하게 배치될 수 있다.
제1 공유 픽셀 그룹(SPX_G1)은 제1 내지 제3 이미지 공유 픽셀(SIPX1~SIPX3) 및 제1 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX1)을 포함하고, 제2 공유 픽셀 그룹(SPX_G2)은 제4 내지 제6 이미지 공유 픽셀(SIPX4~SIPX6) 및 제2 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX2)을 포함할 수 있다. 이미지 공유 픽셀은 복수의 이미지 센싱 서브 픽셀들을 포함할 수 있고, 위상 검출 공유 픽셀은 적어도 두 개의 위상 검출 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 위상 검출 공유 픽셀은 적어도 하나의 이미지 센싱 서브 픽셀을 포함할 수 있다. 이미지 센싱 서브 픽셀은 이미지 정보를 얻을 수 있는 일반 픽셀이고, 위상 검출 서브 픽셀은 위상차 검출 오토 포커싱을 위해 위상 정보를 얻을 수 있는 픽셀일 수 있다. 하나의 공유 픽셀(이미지 공유 픽셀, 위상 검출 공유 픽셀)에 포함되는 서브 픽셀들은 하나의 선택 신호 라인과 연결될 수 있고, 도 2의 동일한 선택 신호(SELs)를 로우 드라이버(140)로부터 수신할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 8의 위상 검출 공유 픽셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a를 참조하면, 제1 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX1)은 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b) 및 제1 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_1a, IPX_1b)을 포함할 수 있다. 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)은 제1 위상 검출 서브 픽셀 쌍으로 정의될 수 있다. 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)은 수평 방향으로 인접하게 배치될 수 있으며, 하나의 수평 마이크로 렌즈(ML_H)에 덮힐 수 있다. 또한, 제1 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_1a, IPX_1b) 각각은 개별적으로 마이크로 렌즈(ML_I)로 덮힐 수 있다.
일 실시예로, 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)에 포함된 컬러 필터의 종류와 제1 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_1a, IPX_1b)에 포함된 컬러 필터의 종류는 동일 또는 상이할 수 있다. 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)의 구조는 도 4a, 도 4b 등에서 서술된 위상 검출 픽셀의 구조와 동일, 유사한 바 구체적인 내용은 생략한다.
도 9b를 더 참조하면, 제2 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX2)은 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b) 및 제2 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_2a, IPX_2b)을 포함할 수 있다. 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)은 제2 위상 검출 서브 픽셀 쌍으로 정의될 수 있다. 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)은 수직 방향으로 인접하게 배치될 수 있으며, 하나의 수직 마이크로 렌즈(ML_H)에 덮힐 수 있다. 또한, 제2 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_2a, IPX_2b) 각각은 개별적으로 마이크로 렌즈(ML_I)로 덮힐 수 있다.
일 실시예로, 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)에 포함된 컬러 필터의 종류와 제2 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_2a, IPX_2b)에 포함된 컬러 필터의 종류는 동일 또는 상이할 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX1)의 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)의 감도와 제2 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX2)의 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)의 감도는 상이할 수 있으며, 더 나아가, 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)의 감도는 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)의 감도보다 낮을 수 있다. 즉, 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)에 포함된 컬러 필터의 종류와 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)에 포함된 컬러 필터의 종류는 상이할 수 있다. 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)의 구조는 도 4a, 도 4b 등에서 서술된 위상 검출 픽셀의 구조와 동일, 유사한바 구체적인 내용은 생략한다.
도 10a 및 도 10b는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 8의 위상 검출 공유 픽셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a를 참조하면, 제1 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX1)은 네 개의 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a~PDPX_1d)을 포함할 수 있다. 'PDPX_1a' 서브 픽셀과 'PDPX_1b' 서브 픽셀은 수평 방향으로 인접하게 배치되고, 각각 포함된 컬러 필터의 종류는 동일할 수 있다. 'PDPX_1c' 서브 픽셀과 'PDPX_1d' 서브 픽셀은 수평 방향으로 인접하게 배치되고, 각각 포함된 컬러 필터의 종류는 동일할 수 있다. 일 실시예로, 'PDPX_1a' 서브 픽셀 및 'PDPX_1b' 서브 픽셀의 감도는 'PDPX_1c' 서브 픽셀 및 'PDPX_1d' 서브 픽셀의 감도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 'PDPX_1a' 서브 픽셀과 'PDPX_1b' 서브 픽셀은 그린 컬러 필터를 포함하고, 'PDPX_1c' 서브 픽셀과 'PDPX_1d' 서브 픽셀은 화이트 컬러 필터를 포함할 수 있다. 또한, 제1 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX1)은 하나의 마이크로 렌즈(ML)로 덮힐 수 있다.
도 10b를 더 참조하면, 제2 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX2)은 네 개의 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a~PDPX_2d)을 포함할 수 있다. 'PDPX_2a' 서브 픽셀과 'PDPX_2c' 서브 픽셀은 수직 방향으로 인접하게 배치되고, 각각 포함된 컬러 필터의 종류는 동일할 수 있다. 'PDPX_2b' 서브 픽셀과 'PDPX_2d' 서브 픽셀은 수직 방향으로 인접하게 배치되고, 각각 포함된 컬러 필터의 종류는 동일할 수 있다. 일 실시예로, 'PDPX_2a' 서브 픽셀 및 'PDPX_2c' 서브 픽셀의 감도는 'PDPX_2b' 서브 픽셀 및 'PDPX_2d' 서브 픽셀의 감도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 'PDPX_1a' 서브 픽셀과 'PDPX_1b' 서브 픽셀은 그린 컬러 필터를 포함하고, 'PDPX_1c' 서브 픽셀과 'PDPX_1d' 서브 픽셀은 화이트 컬러 필터를 포함할 수 있다. 또한, 제2 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX2)은 하나의 마이크로 렌즈(ML)로 덮힐 수 있다.
일 실시예로, 'PDPX_2a' 서브 픽셀 및 'PDPX_2c' 서브 픽셀의 감도는 'PDPX_1c' 서브 픽셀과 'PDPX_1d' 서브 픽셀의 감도와 동일하고, 'PDPX_2b' 서브 픽셀 및 'PDPX_2d' 서브 픽셀의 감도는 'PDPX_1a' 서브 픽셀과 'PDPX_1b' 서브 픽셀의 감도와 동일할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 도 8의 위상 검출 공유 픽셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a를 참조하면, 제1 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX1)은 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b) 및 제1 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_1a, IPX_1b)을 포함할 수 있다. 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)은 제1 위상 검출 서브 픽셀 쌍으로 정의될 수 있다. 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)은 수직 방향으로 인접하게 배치될 수 있으며, 각각 제1 길이(L1)를 갖는 광 차폐막(B1a, B1b)을 포함할 수 있다. 도 11a에 도시되지는 않았으나, 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b) 및 제1 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_1a, IPX_1b)은 각각 개별적으로 마이크로 렌즈에 덮힐 수 있다.
도 11b를 더 참조하면, 제2 위상 검출 공유 픽셀(SPDPX2)은 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b) 및 제2 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_2a, IPX_2b)을 포함할 수 있다. 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)은 제2 위상 검출 서브 픽셀 쌍으로 정의될 수 있다. 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)은 수평 방향으로 인접하게 배치될 수 있으며, 각각 제2 길이(L2)를 갖는 광 차폐막(B2a, B2b)을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)에 포함된 광 차폐막(B2a, B2b)의 길이(L2)는 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)에 포함된 광 차폐막(B1a, B1b)의 길이(L1)보다 짧을 수 있다. 그 결과, 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)의 감도는 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)의 감도보다 높을 수 있다. 다만, 이는 예시적 실시예에 불과한 바, 이에 한정되지 않고, 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b)의 감도가 제1 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_1a, PDPX_1b)의 감도보다 낮게 구현될 수 있다.
도 11b에 도시되지는 않았으나, 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PDPX_2a, PDPX_2b) 및 제2 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX_2a, IPX_2b)은 각각 개별적으로 마이크로 렌즈에 덮힐 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 도 1의 프로세서의 오토 포커싱 동작을 설명하기 위한 순서도이다 .
도 1 및 도 12를 참조하면, 프로세서(1200)는 픽셀 어레이(110)의 위상 검출 픽셀들 중 고감도 위상 검출 픽셀들을 이용하여 제1 위상 차를 계산할 수 있다(S100). 프로세서(1200)는 타이밍 컨트롤러(120)를 제어하여 픽셀 어레이(110)의 위상 검출 픽셀들 중 고감도 위상 검출 픽셀들의 위상 정보를 수신하고, 이를 기반으로 제1 위상 차를 계산할 수 있다. 이와 더불어, 프로세서(1200)는 제1 위상 차 값의 정확도를 나타내는 제1 신뢰 레벨을 생성할 수 있으며, 제1 신뢰 레벨이 제1 임계값보다 큰지 여부를 판별할 수 있다(S110). 프로세서(1200)는 제1 신뢰 레벨이 제1 임계값보다 큰 경우에(S110, YES), 제1 위상 차 값을 이용하여 위상 차 오토 포커싱을 수행할 수 있다(S140). 프로세서(1200)는 제1 신뢰 레벨이 제1 임계값보다 작은 경우(S110, NO), 픽셀 어레이(110)의 위상 검출 픽셀들 중 저감도 위상 검출 픽셀들의 위상 정보를 수신하고, 이를 기반으로 위상 차를 계산할 수 있다(S120). 이와 더불어, 프로세서(1200)는 제2 위상 차 값의 정확도를 나타내는 제2 신뢰 레벨을 생성할 수 있으며, 제2 신뢰 레벨이 제1 임계값보다 큰지 여부를 판별할 수 있다(S130). 프로세서(1200)는 제2 신뢰 레벨이 제1 임계값보다 큰 경우에(S130, YES), 제2 위상 차 값을 이용하여 위상 차 오토 포커싱을 수행할 수 있다(S140). 프로세서(1200)는 제2 신뢰 레벨이 제1 임계값보다 작은 경우(S130, NO), 이미지들 간의 명암 차이를 기준으로 초점을 맞추는 명암차 오토 포커싱을 수행할 수 있다(S150).
도 1 및 도 13을 참조하면, 프로세서(1200)는 픽셀 어레이(110)의 위상 검출 픽셀들 중 고감도 위상 검출 픽셀들을 이용하여 제1 위상 차를 계산할 수 있다(S200). 프로세서(1200)는 타이밍 컨트롤러(120)를 제어하여 픽셀 어레이(110)의 위상 검출 픽셀들 중 고감도 위상 검출 픽셀들의 위상 정보를 수신하고, 이를 기반으로 제1 위상 차를 계산할 수 있다. 이와 더불어, 프로세서(1200)는 제1 위상 차 값의 정확도를 나타내는 제1 신뢰 레벨을 생성할 수 있으며, 제1 신뢰 레벨이 제2 임계값보다 큰지 여부를 판별할 수 있다(S210). 제2 임계값은 도 12의 제1 임계값보다 크게 설정될 수 있다. 프로세서(1200)는 제1 신뢰 레벨이 제2 임계값보다 큰 경우에(S210, YES), 제1 위상 차 값을 이용하여 위상 차 오토 포커싱을 수행할 수 있다(S260). 프로세서(1200)는 제1 신뢰 레벨이 제2 임계값보다 작은 경우(S210, NO), 픽셀 어레이(110)의 위상 검출 픽셀들 중 저감도 위상 검출 픽셀들의 위상 정보를 수신하고, 이를 기반으로 제2 위상 차를 계산할 수 있다(S220). 이와 더불어, 프로세서(1200)는 제2 위상 차 값의 정확도를 나타내는 제2 신뢰 레벨을 생성할 수 있으며, 제2 신뢰 레벨이 제2 임계값보다 큰지 여부를 판별할 수 있다(S230). 프로세서(1200)는 제2 신뢰 레벨이 제2 임계값보다 큰 경우에(S230, YES), 제2 위상 차 값을 이용하여 위상 차 오토 포커싱을 수행할 수 있다(S260). 프로세서(1200)는 제2 신뢰 레벨이 제2 임계값보다 작은 경우(S230, NO), 고감도/저감도 위상 검출 픽셀들을 이용하여 생성된 제1 위상 차 및 제2 위상 차의 결과를 조합할 수 있다(S240). 일 실시예로, 프로세서(1200)는 제1 위상 차 값에 제1 신뢰 레벨에 부합하는 가중치를 주고, 제2 위상 차 값에는 제2 신뢰 레벨에 부합하는 가중치를 주어, 이들의 값을 합산할 수 있다. 프로세서(1200)는 이러한 합산 값에 대한 정확도를 나타내는 제3 신뢰 레벨을 생성할 수 있으며, 제3 신뢰 레벨이 제2 임계값보다 큰지 여부를 판별할 수 있다(S250). 프로세서(1200)는 제3 신뢰 레벨이 제2 임계값보다 큰 경우에(S250, YES), 합산 값을 이용하여 위상 차 오토 포커싱을 수행할 수 있다(S260). 프로세서(1200)는 제3 신뢰 레벨이 제2 임계값보다 작은 경우(S250, NO), 명암차 오토 포커싱을 수행할 수 있다(S270).
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템(1000)을 나타내는 블록도이다 .
도 14의 시스템(1000)은 이미지 데이터를 필요로 하는 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 차량 네비게이션, 비디오 폰, 경비 시스템, 움직임 검출 시스템을 포함할 수 있다. 도 14를 참조하면, 시스템(1000)은 중앙 처리 장치 또는 프로세서(1010), 비휘발성 메모리(1020), 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치(1030), 입출력 장치(1040) 및 RAM(1050)를 포함할 수 있다. 중앙 처리 장치(1010)는 버스(1060)를 통해서 비휘발성 메모리(1020), 촬상 장치(1030), 입출력 장치(1040) 및 RAM(1050)과 통신할 수 있다.
도 14의 시스템(1000)에 포함된 촬상 장치(1030)는 본 발명의 실시예들에 따라 이상에서 설명된 이미지 센서를 포함할 수 있다. 예컨대, 촬상 장치(1030)에 포함된 이미지 센서는 이종의 감도 특성과 배치 특성을 갖는 위상 검출 픽셀 쌍들을 포함할 수 있다. 이러한 위상 검출 픽셀 쌍들을 이용하여 촬상 장치(1030)는 위상 차 오토 포커싱을 수행할 수 있다.
촬상 장치(1030)로부터 출력된 이미지 데이터는 버스(1060)를 통해서 중앙 처리 장치(1010), 비휘발성 메모리(1020), 입출력 장치(1040) 및 RAM(1050)에 전달될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따른 촬상 장치(1030)는 빠르고 정확한 오토 포커싱 동작을 통하여 개선된 이미지를 제공할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    상기 픽셀 어레이는 복수의 공유 픽셀들을 구비하고,
    상기 복수의 공유 픽셀들은,
    제1 방향으로 서로 인접하게 배치된 제1 위상 검출 서브 픽셀들을 구비하는 제1 위상 검출 공유 픽셀; 및
    상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 서로 인접하게 배치된 제2 위상 검출 서브 픽셀들을 구비하는 제2 위상 검출 공유 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 위상 검출 서브 픽셀들의 감도와 상기 제2 위상 검출 서브 픽셀들의 감도가 상이하며,
    상기 제1 위상 검출 공유 픽셀은, 각각 개별적으로 마이크로 렌즈에 덮힌 제1 이미지 센싱 서브 픽셀들을 더 포함하고, 상기 제1 위상 검출 서브 픽셀들은 하나의 제1 싱글 마이크로 렌즈로 덮혀있고,
    상기 제2 위상 검출 공유 픽셀은, 각각 개별적으로 마이크로 렌즈에 덮힌 제2 이미지 센싱 서브 픽셀들을 더 포함하고, 상기 제2 위상 검출 서브 픽셀들은 하나의 제2 싱글 마이크로 렌즈로 덮혀있으며,
    상기 제1 위상 검출 서브 픽셀들은, 제1 화이트 컬러 필터를 포함하거나, 컬러 필터를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 직교(orthogonal)하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 위상 검출 서브 픽셀들은, 컬러 필터를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 위상 검출 공유 픽셀은, 상기 제1 위상 검출 공유 픽셀과 상기 제2 방향으로 인접하게 배치되고,
    상기 제1 방향은 수평 방향이고, 상기 제2 방향은 수직 방향인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    각각의 이미지 사이의 위상 차를 산출하기 위한 위상 정보를 생성하기 위해 상기 제1 위상 검출 서브 픽셀들에 대한 광 노출 시간 및 상기 제2 위상 검출 서브 픽셀들에 대한 광 노출 시간을 상이하게 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 위상 검출 서브 픽셀들은, 제2 화이트 컬러 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 위상 검출 서브 픽셀들은, 컬러 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 위상 검출 서브 픽셀들로부터 수신한 제1 위상 정보 및 상기 제2 위상 검출 서브 픽셀들로부터 수신한 제2 위상 정보 중 적어도 하나를 이용하여 감도 기반 위상 차 연산을 수행하고, 연산 결과를 기반으로 렌즈의 위치를 조절하기 위한 제어 신호를 생성하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 위상 정보를 이용하여 제1 위상 차 값 및 상기 제1 위상 차 값의 신뢰 레벨을 생성하며, 상기 제1 위상 차 값의 신뢰 레벨을 기반으로 상기 제2 위상 정보를 이용하여 제2 위상 차 값을 연산하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 위상 차의 신뢰 레벨이 임계값 이상인 때에, 상기 제1 위상 차 값을 이용하여 렌즈 구동부를 조절하고,
    상기 제1 위상 차의 신뢰 레벨이 임계값 이하인 때에, 상기 제2 위상 차 값 및 상기 제2 위상 차 값의 신뢰 레벨을 생성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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