KR20200098577A - 컴퓨터 비전 애플리케이션들을 위한 글로벌 셔터 픽셀 회로 및 방법 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서 디바이스는 픽셀 어레이로 배열된 복수의 픽셀 셀들, 및 이미지 센서 디바이스의 노출 단계 및 샘플링 단계를 제어하기 위한 제어 회로를 포함한다. 복수의 픽셀 셀들 각각은 포토다이오드, 저장 다이오드, 및 플로팅 확산 구역을 포함한다. 제어 회로는, 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이에 미리 결정된 지연 시간으로, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 복수의 시간 윈도우들에서 포토다이오드를 활성화시키도록 구성된다. 포토다이오드는 복수의 바이어스 전압 펄스들 또는 복수의 글로벌 셔터 신호 펄스들을 사용하여 활성화될 수 있다.

Description

컴퓨터 비전 애플리케이션들을 위한 글로벌 셔터 픽셀 회로 및 방법
[0001] 본 출원은 2017년 12월 13일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/598,390호를 우선권으로 주장하며, 이로써 상기 출원의 전체 내용들은 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0002] 다음의 정규 미국 특허 출원들(본 출원을 포함함)은 동시에 출원되었고, 다른 출원들의 전체 개시내용은 모든 목적들에 대해 인용에 의해 본 출원에 포함된다:
2018년 12월 13일에 출원되고, 명칭이"GLOBAL SHUTTER PIXEL CIRCUIT AND METHOD FOR COMPUTER VISION APPLICATIONS"인 미국 특허 출원 제16/____호; 및
2018년 12월 13일에 출원되고, 명칭이"DIFFERENTIAL PIXEL CIRCUIT AND METHOD OF COMPUTER VISION APPLICATIONS"인 미국 특허 출원 제16/____호.
[0003] 본 발명의 실시예들은 일반적으로 ToF(time-of-flight) 깊이 측정 시스템들을 위한 이미지 센서 픽셀 회로 및 방법들에 관한 것이다.
[0004] 이미지 센서들은 광범위한 애플리케이션들에 사용된다. 예들은 디지털 카메라들, 모바일 폰들, 가전 제품들, 내시경들 및 위성 망원경들을 포함한다. 일부 이미지 센서들은 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 기술을 사용하여 구현된다. 이들 센서들에서, MOS 트랜지스터들의 수는 픽셀들의 수와 동일하다. 트랜지스터들은 광학 이미지들을 전기 신호들로 변환하는 데 사용된다.
[0005] CMOS 이미지 센서의 픽셀 회로들을 구동시키기 위해 다수의 방법들이 사용될 수 있다. 예들은 RS(rolling shutter) 방법 및 GS(global shutter) 방법을 포함한다. 롤링 셔터 방법에서, 신호들은 한 프레임에서 각각의 로우(row)의 포토 엘리먼트들에 의해 광전기적으로(photo-electrically) 변환된다. 신호들은 순차적으로 선택된 각각의 로우의 하나 이상의 플로팅 확산 노드들에 전달되고, 대응하는 픽셀의 이미지 신호가 출력된다. 글로벌 셔터 방식에서, 모든 신호들은 하나의 프레임의 모든 포토 엘리먼트들에 의해 광전기적으로 변환된다. 신호들은 한 번에 하나 이상의 플로팅 확산 노드들에 전달된다. 이어서, 순차적으로 선택된 로우의 대응하는 픽셀의 이미지 신호가 출력된다.
[0006] ToF(time-of-flight) 카메라는 광의 속도에 기반하여 거리를 분석하여 이미지의 각각의 지점에 대해 카메라와 피사체 사이의 광 신호의 비행 시간을 측정하는 범위 이미징 카메라 시스템(range imaging camera system)이다. 비행 시간 카메라를 사용하여, 전체 장면이 각각의 레이저 또는 광 펄스로 캡처된다. 비행 시간 카메라 제품들은, 반도체 디바이스들이 이러한 애플리케이션들을 지원하기에 충분히 빠르게 됨에 따라 대중화되었다. 직접 비행 시간(Direct Time-of-Flight) 이미징 시스템들은 단일 레이저 펄스가 카메라를 떠나 초점 평면 어레이 상으로 다시 반사되는 데 필요한 직접 비행 시간을 측정한다. 3D 이미지들은 완전한 공간 및 시간 데이터를 캡처하여, 단일 레이저 펄스로 풀(full) 3D 장면들을 레코딩할 수 있다. 이는 장면 정보의 신속한 획득 및 실시간 프로세싱을 허용하여 광범위한 애플리케이션들로 이어진다. 이러한 애플리케이션들은 자동차 애플리케이션들, 인간-머신 인터페이스들 및 게이밍, 측정 및 머신 비전, 산업 및 감시 측정들, 로봇공학 등을 포함한다.
[0007] 그러나, 종래의 CMOS 픽셀 센서들은 큰 크기 및 높은 전력 소비와 같은 단점들을 갖는 경향이 있다. 따라서, 다양한 모바일 컴퓨터 비전 애플리케이션들에서 개선된 픽셀 회로 및 방법이 요구된다.
[0008] 본 발명의 실시예들에서, 일련의 시간적 윈도우들을 사용하여 객체 또는 장면을 광 펄스들로 조명하고, 센서에서 수신된 광학 신호에 콘볼루션 프로세스를 적용함으로써, ToF 깊이 측정이 수행될 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 픽셀 당 단일 제어 라인을 사용하여 빠른 비행 시간 게이팅(time-of-flight gating)을 갖는 개선된 픽셀 회로 및 방법을 제공한다. 픽셀 회로는 개선된 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서 프로세스 흐름에 기반하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 동적 LDM(lateral draining modulation)과 결합된 정적 게이트 통합에 기반한 셔터 메커니즘은 글로벌 리셋 게이트 또는 드레인 전압 변조 중 어느 하나를 사용하여 실현될 수 있다. 낮은 커패시턴스 및 낮은 저항 디바이스 구조 및 상호연결 라인들을 사용하여 픽셀 회로에서 빠른 신호 전달이 가능하게 된다.
[0009] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법이 제공된다. 픽셀 회로는 포토다이오드, 포토다이오드에 인접하고 바이어스 전압에 커플링된 드레인 구역, 및 포토다이오드와 드레인 구역 사이에 배치된 셔터 게이트를 포함한다. 셔터 게이트는, 광 감지를 위해 포토다이오드를 바이어싱하기 위한 바이어스 전압을 인가하도록 글로벌 셔터 신호에 의해 제어된다. 픽셀 회로는 또한 저장 다이오드 및 플로팅 확산 구역을 갖는다. 저장 다이오드는 제1 전달 신호에 의해 제어되는 제1 전달 게이트를 통해 포토다이오드에 커플링된다. 플로팅 확산 구역은 제2 전달 신호에 의해 제어되는 제2 전달 게이트를 통해 저장 다이오드에 커플링된다. 방법은 노출 기간 및 샘플링 기간을 포함한다. 노출 기간에서, 방법은, 포토다이오드 및 저장 다이오드를 커플링하기 위해 제1 전달 신호를 사용하여, 제1 전달 게이트를 활성화시키는 단계, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해, 제1 복수의 시간 윈도우들에서, 포토다이오드를 활성화시키는 단계를 포함하고, 여기서 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 D1으로 지정된다. 샘플링 기간에서, 방법은, 저장 다이오드로부터 플로팅 확산 구역으로 전하들을 전달하기 위해, 제2 전달 신호를 사용하여, 제2 전달 게이트를 활성화시키는 단계를 포함한다. 이어서, 플로팅 확산 구역의 전하들은, 노출 기간 동안 수집된 전하들을 나타내는 샘플링된 신호(S1)를 결정하도록 샘플링된다.
[0010] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 방법은 2개의 노출 및 샘플링 단계들을 포함할 수 있다. 제1 노출 및 샘플링 단계에서, 포토다이오드는, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 제1 노출 기간 내의 제1 복수의 시간 윈도우들에서 노출되고, 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 D1으로 지정된다. 제1 샘플링 기간에서, 전하들은 제1 샘플링된 신호(S1)를 결정하도록 샘플링된다. 제2 노출 및 샘플링 단계에서, 포토다이오드는, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 제2 노출 기간 내의 제2 복수의 시간 윈도우들에서 노출되고, 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 D2으로 지정된다. 제2 샘플링 기간에서, 전하들은 제2 샘플링된 신호(S2)를 결정하도록 샘플링된다. 방법은, 제1 샘플링된 신호(S1) 및 제2 샘플링된 신호(S2)에 기반하여 타겟까지의 거리를 결정하는 단계를 더 포함한다.
[0011] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 이미지 센서 디바이스는 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들, 이미지 센서 디바이스의 노출 단계 및 샘플링 단계를 제어하기 위한 제어 회로, 및 노출 단계에서 픽셀 전력 공급 라인을 제1 전압에 커플링하고, 샘플링 단계에서 제2 전압에 커플링하기 위한 스위칭 회로를 포함하고, 제1 전압은 제2 전압보다 더 높다. 복수의 픽셀 셀들 각각은 반도체 기판에서 포토다이오드를 포함한다. 포토다이오드의 제1 단부는 글로벌 셔터 신호에 의해 제어되는 셔터 게이트를 통해 바이어스 전압에 커플링된다. 접지 접촉부는 포토다이오드의 제2 단부를 전기 접지 전도성 라인을 통해 전기 접지에 커플링한다. 각각의 픽셀 셀은 또한, 반도체 기판 내에 있고, 제1 전달 신호에 의해 제어되는 제1 전달 게이트를 통해 포토다이오드의 제2 단부에 커플링된 저장 다이오드를 갖는다. 픽셀 셀은 또한, 반도체 기판 내에 있고, 제2 전달 신호에 의해 제어되는 제2 전달 게이트를 통해 저장 다이오드에 커플링된 플로팅 확산 구역을 갖는다.
[0012] 위의 이미지 센서 디바이스의 일부 실시예들에서, 제어 회로는, 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이에 미리 결정된 지연 시간으로, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 복수의 시간 윈도우들에서 포토다이오드를 활성화시키도록 구성된다. 포토다이오드는 복수의 바이어스 전압 펄스들 또는 복수의 글로벌 셔터 신호 펄스들을 사용하여 활성화될 수 있다.
[0013] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 차동 ToF 모드 동작을 위한 4-포토다이오드 픽셀 셀은 4개의 포토다이오드들 및 4개의 저장 다이오드들을 포함한다. 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드 및 제2 인접 포토다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 본원에 사용된 바와 같이,"포토 전하들"이라는 용어는, 광이 포토다이오드들 위를 비출 때 생성되는 전하들을 지칭한다. 일부 경우들에서,"포토 전하들"이라는 용어는"광전자들"이라는 용어와 상호교환 가능하게 사용된다. 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드와 제2 인접 저장 다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드 및 제2 인접 저장 다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성된다.
[0014] 위의 픽셀 셀의 일부 실시예들에서, 4개의 포토다이오드들은 2×2 어레이로 배열되고, 각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 사이에 배치된다.
[0015] 일부 실시예들에서, 픽셀 셀은 또한 각각의 쌍의 인접 포토다이오드 및 저장 다이오드 사이의 전달 게이트를 갖는다. 일부 실시예들에서, 픽셀 셀은 또한 각각의 저장 다이오드 위에 놓인 전하 제어 게이트를 갖는다.
[0016] 일부 실시예들에서, 픽셀 셀은 또한, 4개의 플로팅 확산 구역들을 갖고, 각각의 플로팅 확산 구역은 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치된다. 픽셀 셀은 또한 각각의 쌍의 인접 저장 다이오드와 플로팅 확산 구역 사이의 전달 게이트를 갖는다. 일부 실시예들에서, 픽셀 셀은 또한, 포토다이오드에서 전하들을 드레인(drain)하기 위해 각각의 포토다이오드와 연관된 글로벌 셔터 제어 게이트를 갖는다.
[0017] 일부 실시예들은 픽셀 어레이로 배열된, 위에 설명된 복수의 픽셀 셀들을 포함하는 이미지 센서 디바이스를 제공한다.
[0018] 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 픽셀 셀을 동작시키기 위한 방법은 노출 시간 윈도우 동안 픽셀 셀을 광에 노출시키는 단계를 포함하고, 픽셀 셀은 4개의 포토다이오드들 및 4개의 저장 다이오드들을 포함한다. 각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 사이에 배치되고, 그리고 각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 각각의 포토다이오드는 2개의 인접 저장 다이오드들 사이에 배치되고, 그리고 각각의 포토다이오드는 2개의 인접 저장 다이오드들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성된다.
[0019] 일부 실시예들에서, 차동 ToF 모드에 대해, 위의 방법은 또한, 제1 시간 기간 동안에, 제1 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제1 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제1 저장 다이오드에 전달하는 단계, 및 제2 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제2 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제2 저장 다이오드에 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 제2 시간 기간 동안에, 제3 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제3 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제3 저장 다이오드에 전달하는 단계, 및 제4 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제4 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제4 저장 다이오드에 전달하는 단계를 포함한다. 추가로, 차동 신호를 생성하기 위해, 방법은, 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드로부터의 포토 전하들의 합을 차동 증폭기의 제1 입력에 제공하는 단계, 및 제3 저장 다이오드 및 제4 저장 다이오드로부터의 포토 전하들의 합을 차동 증폭기의 제2 입력에 제공하는 단계를 포함한다.
[0020] 위의 방법의 일부 실시예들에서, 방법은 또한 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드로부터의 포토 전하들을 제1 플로팅 확산 구역에 전달하는 단계, 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드로부터의 포토 전하들을 제2 플로팅 확산 구역에 전달하는 단계, 제1 플로팅 확산 구역으로부터의 포토 전하들을 제1 샘플-홀드 커패시터에 전달하는 단계, 및 제2 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 제2 샘플-홀드 커패시터에 전달하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제1 샘플-홀드 커패시터 및 제2 샘플-홀드 커패시터로부터의 신호들을 차동 증폭기에 전달하는 단계를 포함한다.
[0021] 위의 방법의 일부 실시예들에서, 제1 쌍의 포토다이오드들 및 제2 쌍의 포토다이오드들은 공통되는 포토다이오드를 갖지 않고, 그리고 제3 쌍의 포토다이오드들 및 제4 쌍의 포토다이오드들은 공통되는 포토다이오드를 갖지 않는다.
[0022] 위의 방법의 일부 실시예들에서, 비닝 동작(binning operation)에 대해, 방법은 제1 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제1 저장 다이오드에 전달하는 단계, 및 제2 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제2 저장 다이오드에 전달하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 비닝을 위한 2개의 감지된 신호들을 제공하기 위해 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하는 단계를 포함한다.
[0023] 위의 방법의 일부 실시예들에서, 비딩 동작에 대해, 방법은 각각의 포토다이오드에서 수집된 포토 전하들을 개개의 인접 저장 다이오드에 전달하는 단계, 및 4개의 서브-픽셀들에 대한 감지된 신호들을 제공하기 위해 각각의 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하는 단계를 포함한다.
[0024] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 픽셀 셀은 복수의 포토다이오드들 및 대응하는 복수의 저장 다이오드들을 포함할 수 있다. 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드 및 제2 인접 포토다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드와 제2 인접 저장 다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드 및 제2 인접 저장 다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성된다.
[0025] 일부 실시예들에서, 위의 픽셀 셀은 또한, 대응하는 복수의 플로팅 확산 구역들을 포함할 수 있고, 각각의 플로팅 확산 구역은 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치된다. 일부 실시예들에서, 픽셀 셀은 또한 각각의 쌍의 인접 저장 다이오드와 플로팅 확산 구역 사이의 전달 게이트를 포함할 수 있다.
[0026] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 이미지 감지 디바이스는 픽셀 어레이로 배열된 복수의 픽셀 셀들을 포함할 수 있고, 각각의 픽셀 셀은 4개의 포토다이오드들, 4개의 저장 다이오드들, 및 4개의 플로팅 확산 구역들을 포함한다. 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드 및 제2 인접 포토다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드와 제2 인접 저장 다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드 및 제2 인접 저장 다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성된다. 각각의 플로팅 확산 구역은 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치된다. 이미징 감지 디바이스는 제2 플로팅 확산 구역 및 제4 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하기 위한 제1 합산 디바이스, 및 제1 플로팅 확산 구역 및 제3 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하기 위한 제2 합산 디바이스를 포함할 수 있다. 이미징 감지 디바이스는 또한 제1 합산 디바이스 및 제2 합산 디바이스에 커플링된 차동 증폭기, 및 이미지 감지 디바이스에서 전하 전달을 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다.
[0027] 위의 이미징 감지 디바이스의 일부 실시예들에서, 차동 ToF 모드에 대해, 제어 회로는 노출 시간 윈도우 동안 픽셀 셀을 광에 노출시키고, 그리고 제1 시간 기간 동안에, 제1 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제1 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제1 저장 다이오드에 전달하고, 그리고 제2 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제2 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제2 저장 다이오드에 전달하도록 구성된다. 제2 시간 기간 동안에, 제어 회로는 제3 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제3 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제3 저장 다이오드에 전달하고, 그리고 제4 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제4 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제4 저장 다이오드에 전달하도록 구성된다. 추가로, 제어 회로는 제2 저장 다이오드 및 제4 저장 다이오드로부터의 포토 전하들의 합을 차동 증폭기의 제1 입력에 제공하고, 그리고 제1 저장 다이오드 및 제3 저장 다이오드로부터의 포토 전하들의 합을 차동 증폭기의 제2 입력에 제공함으로써, 차동 신호를 생성하도록 구성된다.
[0028] 위의 이미징 감지 디바이스의 일부 실시예들에서, 비닝 모드에 대해, 제어 회로는 노출 시간 윈도우 동안 픽셀 셀을 광에 노출시키고, 제1 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제1 저장 다이오드에 전달하고, 제2 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제2 저장 다이오드에 전달하고, 그리고 비닝을 위한 2개의 감지된 신호들을 제공하기 위해 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하도록 구성된다.
[0029] 위의 이미징 감지 디바이스의 일부 실시예들에서, 풀 분해능 모드에 대해, 제어 회로는 노출 시간 윈도우 동안 픽셀 셀을 광에 노출시키고, 각각의 포토다이오드에서 수집된 포토 전하들을 대응하는 인접 저장 다이오드에 전달하고, 그리고 4개의 서브-픽셀들에 대한 감지된 신호들을 제공하기 위해 각각의 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하도록 구성된다.
[0030] 본 발명의 일부 실시예들에서, 이미지 감지 디바이스는 포토다이오드들의 어레이를 포함할 수 있다. 이미지 감지 디바이스는 또한 어레이의 제1 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제1 저장 다이오드를 포함하고, 그리고 제1 저장 다이오드는 제1 쌍의 포토다이오드들의 각각의 포토다이오드로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 이미지 감지 디바이스는 또한 제1 저장 다이오드에 인접하게 배치된 제1 플로팅 확산 구역을 포함한다. 추가로, 이미지 감지 디바이스는 또한 어레이의 제2 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제2 저장 다이오드를 포함하고, 그리고 제2 저장 다이오드는 제2 쌍의 포토다이오드들의 각각의 포토다이오드로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 이미지 감지 디바이스는 또한 제2 저장 다이오드에 인접하게 배치된 제2 플로팅 확산 구역, 및 제1 플로팅 확산 구역 및 제2 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된 회로를 포함한다.
[0031] 이미지 감지 디바이스의 일부 실시예들에서, 회로는, 비닝을 위한 2개의 감지된 신호들을 제공하기 위해 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하도록 구성된다.
[0032] 이미지 감지 디바이스의 일부 실시예들에서, 회로는 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드의 포토 전하들을 합산하도록 구성된다.
[0033] 일부 실시예들에서, 이미지 감지 디바이스는 또한 어레이의 제3 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제3 저장 다이오드를 가질 수 있고, 그리고 제3 저장 다이오드는 제3 쌍의 포토다이오드들의 각각의 포토다이오드로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 이미지 감지 디바이스는 또한 제1 저장 다이오드에 인접하게 배치된 제3 플로팅 확산 구역을 가질 수 있다. 제4 저장 다이오드는 어레이의 제4 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치되고, 그리고 제4 저장 다이오드는 제4 쌍의 포토다이오드들의 각각의 포토다이오드로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 제4 플로팅 확산 구역은 제4 저장 다이오드에 인접하게 배치된다. 회로는 제3 플로팅 확산 구역 및 제4 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하도록 추가로 구성된다. 일부 실시예들에서, 회로는 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드의 포토 전하들을 합산하고, 제3 저장 다이오드 및 제4 저장 다이오드의 포토 전하들을 합산하고, 그리고 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드의 포토 전하들의 합과, 제3 저장 다이오드 및 제4 저장 다이오드의 포토 전하들의 합을 비교하도록 추가로 구성된다. 일부 실시예들에서, 제1 쌍의 포토다이오드들 및 제2 쌍의 포토다이오드들은 공통되는 포토다이오드를 갖지 않고, 그리고 제3 쌍의 포토다이오드들 및 제4 쌍의 포토다이오드들에는 공통되는 포토다이오드를 갖지 않는다.
[0034] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 이미지 감지 디바이스는 복수의 포토다이오드들 및 복수의 저장 다이오드들을 포함한다. 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치된다. 이미지 감지 디바이스는 또한 각각의 포토다이오드를 제1 인접 저장 다이오드 및 제2 인접 저장 다이오드에 전기적으로 커플링하는 제어 회로를 포함한다. 제어 회로는 (i) 각각의 포토다이오드로부터의 포토 전하들을 제1 인접 저장 다이오드에 전달하는 것, 및 (ii) 각각의 포토다이오드로부터의 포토 전하들을 제2 인접 저장 다이오드에 전달하는 것 사이에서 교번하도록 구성된다.
[0035] 다음의 상세한 설명은, 첨부 도면들과 함께, 청구된 발명의 성질 및 이점들의 추가의 이해를 제공할 것이다.
[0036] 도 1은 본 발명의 실시예에 따라 깊이 측정을 위한 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템을 예시하는 도면이다.
[0037] 도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 캘리브레이션을 위한 광섬유 피드백을 갖는 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템의 이미지 센서 픽셀 어레이의 예들을 예시하는 도면들이다.
[0038] 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템의 광학 피드백 경로들을 예시하는 도면이다.
[0039] 도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예에 따라 캘리브레이션을 위한 광섬유 피드백을 갖는 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템을 예시하는 도면들이다.
[0040] 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 ToF(time-of-flight) 깊이 측정을 위한 방법을 예시하는 타이밍도이다.
[0041] 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 감지된 신호 대 광-셔터 지연 시간을 예시하는 도면이다.
[0042] 도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 2개의 셔터들이 있는 경우 2개의 신호들의 광-셔터 지연 시간들 대 감지된 신호들을 예시하는 도면이다.
[0043] 도 7b는 본 발명의 실시예에 따라 2개의 셔터들이 있는 경우 2개의 신호들의 광-셔터 지연 시간들 대 시뮬레이팅된 신호들을 예시하는 도면이다.
[0044] 도 7c는 본 발명의 실시예에 따라 2개의 셔터들이 있는 경우 2개의 신호들에 대한 깊이 대 시뮬레이팅된 신호들을 예시하는 도면이다.
[0045] 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템에서의 캘리브레이션 및 깊이 측정을 위한 방법을 예시하는 타이밍도이다.
[0046] 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템에서의 캘리브레이션 및 깊이 측정을 위한 방법을 예시하는 다른 타이밍도이다.
[0047] 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템에서의 캘리브레이션 및 깊이 측정을 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0048] 도 11은, 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 글로벌 셔터 이미지 센서를 위한 픽셀 회로를 예시하는 개략도 및 포토다이오드를 포함하는 픽셀의 일부에 대한 단면도를 도시한다.
[0049] 도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법을 예시하는 파형 타이밍도이다.
[0050] 도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 다른 방법을 예시하는 파형 타이밍도이다.
[0051] 도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0052] 도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0053] 도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 셀의 다른 예를 예시하는 개략도이다.
[0054] 도 17은 본 발명의 실시예에 따라 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들의 일부의 다른 예를 예시하는 개략도이다.
[0055] 도 18은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀 디바이스 구조를 예시하는 단면도를 도시한다.
[0056] 도 19a-19f는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀 내의 다양한 컴포넌트들의 레이아웃 옵션들을 예시하는 평면도들이다.
[0057] 도 20a-20e는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀들의 시뮬레이션 결과들을 예시한다.
[0058] 도 21a-21c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 어레이에 대한 상호연결 레이아웃 구조들을 예시한다.
[0059] 도 22a-22e는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀 어레이에 대한 렌즈 레이아웃 구조들을 예시한다.
[0060] 도 23은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 감지 시스템을 예시하는 블록도이다.
[0061] 도 24는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 신호 대 레이저-셔터 지연 시간을 보여주는 실험 결과들의 그래프이다.
[0062] 도 25는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 글로벌 셔터 이미지 감지를 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법을 예시하는 파형 타이밍도이다.
[0063] 도 26은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 롤링 셔터 이미지 감지를 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법을 예시하는 파형 타이밍도이다.
[0064] 도 27은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 평면도이다.
[0065] 도 28은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 개략적인 평면도이다.
[0066] 도 29a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 회로도이다.
[0067] 도 29b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 29a의 픽셀 회로의 픽셀내 차동 모드 동작을 위한 지원 회로를 예시하는 간략화된 개략도이다.
[0068] 도 30a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 28, 29a 및 29b의 픽셀 셀에 대한 ToF(time-of-flight) 동작을 예시하는 타이밍도이다.
[0069] 도 30b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 11의 픽셀 셀에 대한 ToF(time-of-flight) 동작을 예시하는 타이밍도이다.
[0070] 도 30c는 종래의 위상 변조 ToF(time-of-flight) 동작을 예시하는 타이밍도이다.
[0071] 도 31은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 28의 픽셀 셀 내의 포토다이오드의 동작을 예시하는 전위들의 플롯이다.
[0072] 도 32a 및 32b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 11의 픽셀 셀 내의 포토다이오드의 동작을 예시하는 전위들의 플롯들이다.
[0073] 도 33은 차동 ToF 모드 동작을 위한 방법을 요약하는 흐름도이다.
[0074] 도 34는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비닝 모드 동작을 위한 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 평면 개략도이다.
[0075] 도 35는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 풀 분해능 모드 동작을 위한 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 평면 개략도이다.
[0076] 도 36은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 28의 픽셀 셀의 일부의 레이아웃을 예시하는 라인 드로잉 플롯이다.
[0077] 도 37a, 37b 및 37c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 도 28-29b의 픽셀 셀을 사용하여 구현될 수 있는 상이한 동작 모드들을 예시하는 간략화된 타이밍도들이다.
[0078] 본 발명의 실시예들은 광학 피드백 및 고속 이미지 프로세싱을 사용하여 높은 정확도를 제공하기 위해 캘리브레이션을 갖는 ToF 깊이 측정을 가능하게 하는 시스템 및 방법을 제공한다. 센서 성능 및 전력 소비에 최소한의 영향을 주면서 깊이 측정들의 범위가 각각의 프레임마다 캘리브레이팅될 수 있다.
[0079] 아래의 설명은 위에서 열거한 일련의 도면 도해들을 참조하여 제시된다. 이 도면들은 단지 예들이며, 본원의 청구항들의 범위를 과도하게 제한해서는 안 된다. 예시되고 설명된 다양한 양상들과 관련하여, 당업자는 다른 변동들, 수정들 및 대안들을 인식할 것이다.
[0080] 도 1은 본 발명의 실시예에 따라 깊이 측정을 위한 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템을 예시하는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, ToF(time-of-flight) 디지털 카메라로서 또한 지칭되는 ToF 이미징 시스템(100)은 타겟 객체(120)에 대한 거리를 결정하기 위해 타겟 객체를 조명하기 위해 광 펄스들(112)을 송신하기 위한 조명기(110)를 포함한다. 조명기(110)는 타겟 객체를 향해 광 펄스(112)를 방출하기 위한 펄스 조명 유닛 및 광학기를 포함할 수 있다. 이 예에서, 조명기(110)는 예컨대, 레이저 광원을 사용하여 타겟 객체에 광을 송신하도록 구성된다. 그러나, 예컨대, 적외선, 라디오 주파수 EM 파들 등을 위해 다른 전자기 방사선들의 소스들이 또한 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 이미징 시스템(100)은 또한, 센서 렌즈의 FOV(field of view)(132) 내의 광 펄스들로부터 광학 신호들을 수신하기 위해 감광성 픽셀 어레이를 포함하는 게이트형 센서 유닛을 갖는 이미지 센서(130)를 포함한다. 픽셀 어레이들은 도 2a 및 2b와 관련하여 아래에서 설명되는 바와 같이, 활성 구역 및 피드백 구역을 포함한다. 이미징 시스템(100)은 또한 조명기(110)로부터의 광의 부분을 픽셀 어레이의 피드백 구역으로 지향시키기 위한 광학 피드백 디바이스(140)를 갖는다. 광학 피드백 디바이스(140)는 미리 설정된 기준 깊이를 제공한다. 미리 설정된 기준 깊이는 감지된 광 대 깊이 측정을 상관시키는 LUT(look up table)를 생성하는 데 사용될 수 있는 고정된 ToF 길이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 피드백 디바이스는 조명 유닛으로부터의 직접 광을 센서 유닛의 렌즈의 FOV(field of view)로 폴딩(fold)할 수 있다. 이미징 시스템(100)은 광 동기화 및 셔터 동기화 신호들을 조명기 및 이미지 센서에 제공하기 위한 ToF 타이밍 생성기(150)를 더 포함한다.
[0081] 도 1에서, ToF 이미징 시스템(100)은 타겟 객체(120)를 조명하기 위해 광 펄스들을 송신하도록 구성된다. 이미징 시스템(100)은 또한, 픽셀 어레이의 피드백 구역에서, 깊이의 범위를 표현하는 지연 시간들을 포함하는, 셔터 윈도우들의 시퀀스를 사용하여, 광학 피드백 디바이스(140)로부터의 광을 감지하도록 구성된다. 깊이의 범위는 이미징 시스템에 의해 결정될 수 있는 거리의 전체 범위를 포함할 수 있다. 이미징 시스템(100)은 픽셀 어레이의 피드백 구역에서 감지된 광에 기반하여 ToF(time-of-flight) 깊이 측정 기준 정보를 캘리브레이팅한다. 이미징 시스템(100)은 추가로, 타겟 객체로부터 반사된 광을 감광성 픽셀 어레이의 활성 구역에서 감지하고, 감지된 반사된 광 및 캘리브레이팅된 ToF 측정 기준 정보에 기반하여 타겟 객체의 거리를 결정하도록 구성된다.
[0082] 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이미징 시스템(100)에 사용될 수 있는 픽셀 어레이를 예시하는 단순화된 도면이다. 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(200)는 복수의 픽셀들(212)을 포함하고, 픽셀 어레이 내의 각각의 픽셀은 인입 광을 전류로 변환하는 광 감지 엘리먼트(예컨대, 포토 다이오드)를 포함한다. 고속 전자 스위치들은 광 감지 동작의 타이밍을 제어하기 위한 셔터들로서 사용된다. ToF(time-of-flight) 카메라는 광이 소스로부터 객체로 그리고 카메라의 센서로 이동하는 시간을 결정함으로써 깊이 이미지들을 획득한다. 이는 시간 윈도우들의 시퀀스를 사용하여 광 펄스들로 객체 또는 장면을 조명하고 센서에서 수신된 광학 신호에 콘볼루션(convolution) 프로세스를 적용함으로써 행해질 수 있다. 추가의 세부사항들은 아래에 설명된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(200)는 활성 구역(210) 및 피드백 구역(220)을 포함한다. 활성 구역은 타겟 객체의 거리를 결정하는 데 사용될 수 있으며 피드백 구역은 깊이 캘리브레이션에 사용될 수 있다. 픽셀 어레이는 또한 간섭을 감소시키기 위해 활성 구역(210)으로부터 피드백 구역(220)을 분리하는 격리 구역(221)을 포함할 수 있다. 격리 구역의 치수는 피드백 루프로부터의 광이 대물 렌즈에 의해 수집된 이미징 신호를 오염시키는 것을 방지하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 격리 구역은 약 100㎛-200㎛의 폭을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 피드백 구역(220)은 시야 외부에 있는 픽셀 어레이의 부분에, 예컨대, 코너에, 또는 픽셀 어레이의 덜 사용되는 구역에 로케이팅될 수 있다. 따라서, 센서의 전용 피드백 구역은 많은 오버헤드를 초래하지 않는다. 작은 피드백 구역은 고속 감지 및 신호 프로세싱을 허용하는 제한된 수의 픽셀들, 예컨대, 단일 픽셀 내지 픽셀들의 10×10 어레이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 더 큰 피드백 구역이 더 양호한 SNR(signal-to-noise ratio)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 작은 어레이의 픽셀들을 평균화하는 것은 정확도에 기여할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피드백 및 활성 구역들 둘 모두는 캘리브레이션 단계 동안 개별적으로 노출된다. 이 둘 사이의 차이는 런타임 시에 보상에 사용될 수 있다.
[0083] 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미징 시스템(100)에 사용될 수 있는 픽셀 어레이를 예시하는 단순화된 도면이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(250)는 도 2a의 픽셀 어레이(200)와 유사하지만 하나 초과의 피드백 구역들을 가질 수 있다. 픽셀 어레이(250)는 활성 구역(210) 및 둘 이상의 피드백 구역들(220)을 포함한다. 픽셀 어레이는 또한 활성 구역으로부터 피드백 구역을 각각 분리하는 격리 구역(221)을 포함할 수 있다. 격리 구역은 피드백 구역과 활성 구역 사이의 간섭을 감소시킬 수 있다. 픽셀 어레이(250)는 2개의 조명 소스들을 갖는 ToF 이미징 시스템에 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미징 시스템은 둘 초과의 조명 소스들 및 대응하는 피드백 센서 구역들을 포함할 수 있다.
[0084] 도 3은 도 1의 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템(100)의 부분을 예시하는 단순화된 개략도이다. 도 3은 광학 피드백 디바이스(140)가, 광학 피드백 디바이스로부터 어레이의 정규 픽셀들로의 광 누설을 방지하도록 구성되는 것을 예시한다. FOV의 에지에 삽입된 광은 픽셀 어레이의 특정 픽셀들에만 부딪칠 수 있고 상이한 각도를 갖는 광은 센서의 광학기에 진입할 수 없다.
[0085] 일부 실시예들에서, 광학 피드백 디바이스는 조명 유닛으로부터의 직접 광을 센서 유닛의 렌즈의 FOV(field of view)로 폴딩하도록 구성될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 캘리브레이션을 위한 광섬유 피드백을 갖는 ToF(time-of-flight) 이미징 시스템(400)을 예시하는 단순화된 도면들이다. 도 4a는 이미징 시스템의 평면도이고, 도 4b는 그의 측 단면도이다. 이미징 시스템(400)은 PCB(printed circuit board)(401) 상에 배치된 조명 유닛(410) 및 센서 유닛(430)을 포함한다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 조명 유닛(410)은 조명 하우징(418) 내부의 다이오드 레이저 소스(412), 시준 렌즈(414) 및 확산기(416)를 포함한다. 센서 유닛(430)은 이미지 센서(432), 렌즈(434), 및 접착제(438)로 이미지 센서 상에 장착된 렌즈 배럴(436)을 포함한다. 이미징 시스템(400)은 또한 피드백 경로를 제공하기 위한 광섬유(420)를 갖는다. 이 실시예에서, 광섬유(420)는 조명 하우징의 내부로부터(예컨대, 내부의 기생 반사들로부터) 소정량의 광을 집광하고 이를, 렌즈 배럴(436) 외부이지만 이미지 센서(432)의 픽셀 어레이(440)의 코너(442)로 지향시킨다. 일부 실시예들에서, 불투명 접착제(438)는 광이 렌즈 배럴로 진입하는 것을 차단한다. 이 예에서, 픽셀 어레이의 코너 구역(442)은 이미지 센서의 피드백 구역으로서 역할을 한다.
[0086] 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 ToF(time-of-flight) 깊이 측정을 위한 방법을 예시하는 타이밍도이다. 도 5에서, 수평축은 시간이고, 수직축은 광 신호의 강도 또는 크기이다. 파형 1은 센서에 도달하는 광 펄스를 표현하며, 이 광 펄스는 타겟으로부터 반사되거나 피드백 광학 디바이스에 의해 제공될 수 있다. 파형 2는 셔터 윈도우를 표현한다. 광 펄스는 폭(W light )을 가지며, 셔터 윈도우는 W shutter 의 폭을 갖는다는 것을 알 수 있다. 또한, 광과 셔터의 선단 에지 사이에는 시간 지연(D L->SH )이 있다. 센서에 의해 감지되는 광의 양은 광에 대한 셔터의 상대적 지연에 따라 변동된다는 것을 알 수 있다.
[0087] 도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 감지된 광 신호의 크기 대 광-셔터 지연 시간을 예시하는 도면이다. 도 6에서, 수평축은 광-셔터 지연(D L->SH )이고, 수직축은 센서에 의해 감지된 광의 양이다. 도면은 여러 구역들(601 내지 605)로 분할된다. 구역(601)에서, 셔터 윈도우는 광 펄스보다 (좌측으로) 훨씬 앞서고 셔터는 광이 도달하기 전에 이미 폐쇄되어 있다. 즉, 광-셔터 지연은 음수이다. 따라서, 셔터와 광 사이에 중첩이 존재하지 않는다. 지연은 수평 축의 오른쪽으로 이동함에 따라 증가한다. 지점(611)에서, 셔터는 광과 중첩하기 시작한다. 지연이 영역(602)을 통해 추가로 증가함에 따라, 셔터와 광 사이의 중첩은 계속 증가하고, 더 많은 광이 감지되어, 영역(602)에서 상승 곡선을 초래한다. 지점(612)에서, 광의 전체 폭이 셔터 윈도우와 중첩하기 시작한다. 구역(603)에서, 셔터는 광 펄스의 지속기간 전체에 걸쳐 완전히 개방되고, 구역(603)의 폭은 셔터 개방의 폭(W shutter )에서 광 펄스의 폭(W light )을 뺀 것에 의해 결정된다. 이 구역에서 수신되는 광의 크기는 "셔터 ON 신호"로 표시된다. 지점(613)에서, 셔터 윈도우의 상승 에지는 광 펄스의 상승 에지와 정렬되고, 지연(D L->SH )은 지점(617)에 의해 표시된 바와 같이 0이다. 구역(604)에서, 지연(D L->SH )은 계속 증가하고, 셔터 윈도우와 광 사이의 중첩은 감소한다. 결과적으로, 감지된 광의 크기는 하강 곡선에 의해 도시된 바와 같이, 이 구역에서 감소한다. 지점(615)에서, 지연은 광 폭과 동일하고, 광 펄스가 종료됨에 따라 셔터가 개방되고; 결과적으로 어떠한 광도 감지되지 않는다. 구역(605)에서, 광 펄스가 이미 통과한 후에 셔터가 개방된다. 구역(605)에서 어떠한 광도 감지되지 않고, 이 구역에서 감지된 광의 양은 "셔터 OFF 신호"로 표시된다. 구역들(602 및 604)에서, 센서에 의해 집광된 광의 양은 광-셔터 지연(D L->SH )에 의존하여 변동된다는 것이 유의된다. 이 구역들은 아래에 설명된 바와 같이 ToF 깊이 측정 캘리브레이션에 사용된다.
[0088] 도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 2개의 셔터들이 있는 경우 2개의 신호들의 광-셔터 지연 시간들 대 감지된 광 신호들을 예시하는 도면이다. ToF(time-of-flight) 카메라는 광이 소스로부터 객체로 그리고 카메라로 역으로 반사되는 데 필요한 시간을 결정함으로써 깊이 이미지들을 획득한다. 이는 광 펄스로 객체 또는 장면을 조명하고 센서에 의해 수신된 광학 신호에 가변 지연 시간을 갖는 윈도우의 시퀀스의 콘볼루션을 적용함으로써 행해질 수 있다. 일부 실시예들에서, 캘리브레이션 광 펄스들의 다수의 그룹들은 깊이의 범위를 표현하는 지연 시간들을 포함하는 셔터 윈도우들의 시퀀스를 사용하여 송신된다. 광 펄스들의 각각의 그룹에 이어 판독 동작이 뒤따른다. 각각의 판독에서, 광학 피드백 디바이스로부터의 광은 센서의 픽셀 어레이의 피드백 구역에서 감지된다. 이어서, 판독 데이터는 ToF 깊이 데이터를 결정하기 위해 콘볼루션 프로세스를 사용하여 분석된다. 위에서 설명된 바와 같이, 도 6의 구역들(602 및 604)에서, 센서에 집광된 광의 양은 광-셔터 지연(D L->SH )에 의존하여 변동된다. 도 6에서의 것과 유사한 감지된 광 데이터가 수집될 수 있다. 이 구역들은 ToF 깊이 측정 캘리브레이션에 사용된다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 2개의 캘리브레이션 시퀀스들이 수행되어 타겟 객체의 미지의 반사율의 영향을 감소시킬 수 있으며; 2개의 시퀀스들은 S1 및 S2로 표시된다. 일 실시예에서, 2개의 시퀀스들에 대한 광-셔터 지연(D L->SH )의 차이는 셔터 윈도우의 폭(W shutter )과 동일하다. 이 조건 하에서, 시퀀스(S1)의 구역(604) 및 시퀀스(S2)의 구역(602)은 도 7a의 플롯에서 정렬되며 슬라이스들(t-1, t-2,..., t-k)을 형성할 수 있다. 각각의 슬라이스에서, S1 및 S2에서 집광된 광의 양은 각각, 반사된 광 펄스의 2개의 부분들을 표현하며, S2/S1의 비율은 타겟 객체에 대한 대응하는 깊이 또는 거리와 관련된다. 도 7a의 지점들(A 및 B) 사이의 구역은 이 ToF 이미저(imager)에 의해 결정될 수 있는 깊이 범위를 표현한다. 수신된 광의 데이터는 타겟 앞에 A와 B 사이의 지연들을 다수의 지점들에서 측정함으로써 수집될 수 있다. 콘볼루션 프로세스를 사용하여, 비율(S2/S1)을 타겟에 대한 깊이 또는 거리와 관련시키는 LUT(look up table)가 구성될 수 있다. 초기 룩업 테이블은 공장 캘리브레이션 프로세스에서 구성될 수 있다. 후속적인 ToF 깊이 측정 시에, 2개의 측정들이 도 7a의 동일한 시간 슬라이스로부터의 지연들을 통해 이루어진다. 감지된 광의 비율(S2/S1)은 감지된 데이터에 기반하여 결정되고, 대응하는 깊이가 룩업 테이블로부터 결정될 수 있다.
[0089] 도 7b는 본 발명의 실시예에 따라 2개의 셔터들이 있는 경우 2개의 신호들의 광-셔터 지연 시간들 대 시뮬레이팅된 신호들을 예시하는 도면이다. 시뮬레이션은 카메라로부터 100cm 떨어져 있는 편평한 타겟을 이용한 정적 테스트에서 2개의 셔터들로 수행되어 광-셔터 지연들의 범위를 스캔한다. 도 7a와 유사하게, 셔터 신호(또는 센서에서 수집된 광-전자들의 수)가 2개의 셔터들(S1 및 S2)에 대해 플로팅된다. 이 도면에서, 깊이는 음수일 수 있다. 도 7b의 수평축에서, 지연은 다음 수식에 의해 깊이로 변환된다:
<깊이> = <광의 속도>/2 *(<전자 지연> ― <시뮬레이션 지연 벡터>)
[0090] 일부 실시예들에서, 광 펄스의 폭은 5-10nsec이며, 셔터 윈도우 폭은 5-15nsec이다. 검사되는 지연들의 범위는 5-20nsec이다. 일부 실시예들에서, 광 펄스 폭은 3nsec 내지 20sec일 수 있다. 셔터의 폭은 동일한 범위에 있을 수 있다.
[0091] 도 7c는 본 발명의 실시예에 따라 2개의 셔터들이 있는 경우 2개의 신호들에 대한 깊이 대 시뮬레이팅된 신호들을 예시하는 도면이다. 도 7c는 상이한 거리들에 있는 벽(1/거리2 감쇠를 가짐)에 대해 레일 상에서 측정된 바와 같은 데이터를 도시한다. S2/S1의 비율과 깊이 사이에 상관관계가 존재한다는 것을 알 수 있다.
[0092] 도 5, 6 및 7a-7c에 설명된 방법들을 사용하여 획득된 것들과 같은 테스트 데이터로부터, LUT(look up table)가 공장 캘리브레이션 프로세스에서 구성된다. ToF 깊이 측정 시에, S2/S1의 비율은 감지된 데이터에 기반하여 결정되고, 대응하는 깊이가 룩업 테이블로부터 결정될 수 있다.
[0093] 위에서 설명된 바와 같이, 비행 시간 깊이 측정 시스템들은 온도, 전압 및 프레임 레이트 등과 같은 프로세스 및 동작 조건들의 변동들에 영향을 받기 쉬울 수 있다. 변동들의 효과들을 완화하기 위해, 본 발명의 실시예들은 위에서 설명된 바와 같은 광학 피드백 디바이스를 사용하여 ToF 깊이 측정의 런타임 캘리브레이션을 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 적은 수의 피드백 픽셀들은 고속 감지 및 신호 프로세싱을 허용하며 예컨대, 광섬유에 의해 제공되는 강한 피드백 조명으로 인해, 샘플링 펄스들의 수가 크게 감소될 수 있다. 조명 및 판독의 프로세스는 짧은 시간 내에 수행될 수 있다. 결과적으로, 카메라의 프레임 레이트에 영향을 미치지 않고 깊이 캘리브레이션이 런타임 시에 수행될 수 있다. 캘리브레이션은 각각의 프레임에서 수행될 수 있다. 또한, 전력 소비 또는 전용 피드백 픽셀들의 오버헤드는 작다. 픽셀 어레이의 피드백 구역과 활성 구역 사이의 격리가 간섭을 최소화하기 위해 제공된다.
[0094] 도 8은 본 발명의 실시예에 따라, 비행 시간 깊이 측정의 프레임들 사이의 깊이 프로파일 캘리브레이션을 위한 방법을 예시하는 타이밍도이다. 방법은 안정화 기간(810), 캘리브레이션 기간(820) 및 측정 기간(830)을 포함한다. 안정화 기간(810)에서, 열 안정화 조명 펄스들이 방출되고 나서, 센서의 열적 안정화를 위한 더미 판독이 뒤따른다. 캘리브레이션 기간(820)에서, 비행 시간 LUT(lookup table)가 캘리브레이팅된다. 여기서, 캘리브레이션 조명 펄스들(P-1, P-2,...-N)의 다수의 그룹들은 깊이의 범위를 표현하는 지연 시간들을 포함하는 셔터 윈도우들의 시퀀스를 사용하여 방출된다. 광 펄스들의 각각의 그룹에 이어 판독 동작(R-1, R-2,...-N)이 각각 뒤따른다. 각각의 판독에서, 광학 피드백 디바이스로부터의 광은 센서의 픽셀 어레이의 피드백 구역에서 감지된다. 이어서, 판독 데이터는 도 5, 6 및 7a-7c와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 ToF 깊이 데이터를 결정하기 위해 콘볼루션 프로세스를 사용하여 분석된다. 이어서, 깊이 데이터는 룩업 테이블을 캘리브레이팅하는 데 사용된다.
[0095] 측정 기간(830)은 2개의 단계들(831 및 832)을 갖는다. 제1 단계(831)에서, 제1 셔터 지연(D1)을 갖는 광 펄스들(S1)의 제1 그룹이 타겟을 조명하도록 송신된다. 소량의 광만이 셔터 윈도우 내에서 센서에 의해 집광될 수 있기 때문에, 종종 매우 다수, 예컨대, 수천 개의 펄스들이 전송되고 수집되어 신호 대 잡음비를 증가시킨다. "S1 판독" 기간 동안, 타겟으로부터 반사된 광이 센서 내의 픽셀의 활성 구역에서 감지된다. 제2 단계(832)에서, 제2 셔터 지연(D2)을 갖는 광 펄스들(S2)의 제2 그룹이 타겟을 조명하도록 송신된다. "S2 판독" 동안, 타겟으로부터 반사된 광이 센서 내의 픽셀의 활성 구역에서 감지된다. 다음으로, 감지된 데이터 판독들의 비율(S2/S1)은 캘리브레이팅된 룩업 테이블을 사용하여 타겟 객체의 거리를 결정하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, S1 및 S2는 공장 캘리브레이션 프로세스에서 또는 애플리케이션의 분야에서 선택된 미리 설정된 지연들을 갖는다.
[0096] 도 9는 본 발명의 실시예에 따라, 비행 시간 깊이 측정의 프레임들 사이에서 깊이 프로파일 캘리브레이션이 피팅될 수 있음을 예시하는 타이밍도이다. 도 9는 도 8과 유사하고 비행 시간 깊이 측정의 프레임 내에서 각각의 동작이 소요하는 시간의 길이의 예들을 설명하는 데 사용된다. 이 실시예에서, 열 안정화 펄스들은 0.15 msec를 소요하고, 열 안정화를 위한 더미 판독은 0.1 msec를 소요한다. 따라서, 안정화 기간의 길이는 약 0.25 msec이다. LUT(look up table) 캘리브레이션 기간(820)에서, 캘리브레이션 광 펄스들 및 판독들의 20개의 단계들이 사용되며, 각각은 상이한 광-셔터 지연 시간을 갖는다. 일 예에서, 각각의 단계는 각각이 150nsec의 펄스 폭을 갖는 30개의 펄스들을 포함하며, 3μsec의 판독 동작이 뒤따른다. 따라서, 캘리브레이션 기간은 약 0.15 msec를 소요한다. 측정 기간(830)에서, S1 단계는 1.5 msec의 광 펄스들(예컨대, 150 nsec 펄스들의 1000개의 펄스들)을 포함할 수 있고 0.5 msec 판독이 뒤따른다. 유사하게, S2 단계는 2.0 msec의 광 펄스들을 포함할 수 있고, 0.5 msec 판독이 뒤따른다. 이 예에서, 안정화, 전체 범위 깊이 캘리브레이션 및 ToF 깊이 측정을 포함한 완전한 동작은 4.9msec를 소요한다. 캘리브레이션 단계는 전체 동작의 약 1/300을 소요한다. 이 광학 동작은 60 fps(frames per second) 이상의 프레임 레이트로 피팅될 정도로 충분히 빠르다.
[0097] 본 발명의 실시예들은 종래의 방법들에 비해 다수의 이점들을 제공한다. 예컨대, 피드백 광학 디바이스는 캘리브레이션을 위해 강한 광을 제공할 수 있다. 예컨대, 피드백 광학 디바이스는 광섬유를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이 내의 하나 이상의 별개의 피드백 구역들은 피드백 광학 신호를 감지하는 데 사용된다. 피드백 구역들은 픽셀 어레이의 사용되지 않거나 덜 사용되는 구역들에 구성되며 어레이의 활성 구역보다 훨씬 작다. 예컨대, 피드백 광학 디바이스가 강한 신호를 제공할 수 있는 경우, 피드백 감지를 위해 수개의 픽셀들이면 충분하다. 작은 피드백 감지 구역은 감지되는 데이터의 신속한 감지 및 고속 프로세싱을 가능하게 하여, 관심있는 깊이 범위의 고속 캘리브레이션을 허용한다.
[0098] 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 전체 범위 깊이 캘리브레이션을 포함하는 ToF 깊이 측정을 위한 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 위에서 설명된 방법은 도 10의 흐름도에 요약될 수 있다. 도시된 바와 같이, 방법(1000)은 단계(1010)에서 타겟 객체를 조명하기 위해 광 펄스들을 송신하는 것을 포함한다. 다음으로, 단계(1020)에서, 감광성 픽셀 어레이의 제1 구역에서 광학 피드백 디바이스로부터 제공된 광이 감지된다. 여기서, 제1 구역은 피드백 구역으로서 사용된다. 광학 피드백 디바이스는 송신된 광 펄스들의 부분을 수신한다. 피드백 광학 디바이스는 ToF 깊이 측정을 위한 미리 설정된 기준 깊이를 포함한다. 광학 피드백 디바이스로부터의 광은 거리들의 범위를 표현하는 지연 시간들을 포함하는 셔터 윈도우들의 시퀀스를 사용하여 샘플링된다. ToF 깊이 측정을 위해, 이 방법은 단계(1030)에서, 감광성 픽셀 어레이의 제2 구역에서, 송신된 광 펄스들로부터 타겟 객체에서 반사된 광인 장면 데이터를 감지하는 것을 포함한다. 제2 구역은 픽셀 어레이의 활성 구역이다. 방법은 단계(1040)에서, 픽셀 어레이의 제1 구역에서 감지된 광에 기반하여 ToF(time-of-flight) 깊이 측정 기준 정보를 캘리브레이팅하는 것을 포함한다. 이 프로세스는 도 5, 6 및 7a-7c와 관련하여 위에서 상세히 설명된다. 실시예들에 의존하여, 단계들(1030 및 1040)은 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것이 유의된다. 예컨대, 캘리브레이션 데이터(1020) 및 장면 데이터(1040)가 캡처된 후, 데이터 캘리브레이션이 먼저 프로세싱될 수 있고, 이어서 장면 데이터가 프로세싱된다. 대안적으로, ToF 데이터 캘리브레이션 및 장면 데이터 프로세싱 둘 모두가 동시에 수행될 수 있다. 다음으로, 방법은 단계(1050)에서, 감지된 반사된 광 및 캘리브레이팅된 ToF 측정 기준 정보에 기반하여 타겟 객체의 거리를 결정하는 것을 포함한다.
[0099] 일부 실시예들에서, 방법은 미리 설정된 프레임 레이트를 특징으로 하는 디지털 카메라에서 수행될 수 있다. 캘리브레이션은 카메라의 단일 프레임 기간에 피팅될 수 있다. 실시예에서, 광학 피드백 디바이스로부터의 광은 거리의 범위를 표현하는 지연 시간들을 포함하는 셔터 윈도우들의 시퀀스를 사용하여 샘플링된다. 이어서, 콘볼루션 프로세스가 측정된 신호들을 거리와 상관시키는 데 사용된다. 위에 설명된 방법의 더 많은 세부사항들은 2017년 9월 29일에 출원되고 명칭이 "Real Time Calibration for Time-of-Flight Depth Measurement"인 미국 특허 출원 제15/721,640호에서 발견될 수 있고, 출원의 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0100] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 이미지 감지 디바이스는 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들 및 이미지 센서 디바이스의 노출 단계 및 샘플링 단계를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 도 2a 및 2b는 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들의 예들을 예시한다. 이미지 감지 디바이스는, 도 8 및 9와 관련하여 위에서 설명된 본 발명의 일부 실시예들에 따른 ToF(time-of-flight) 깊이 프로파일을 위한 방법을 구현하는 데 사용될 수 있다. 이러한 이미지 디바이스에 사용될 수 있는 픽셀 셀의 예는 도 11-13과 관련하여 아래에서 설명된다.
[0101] 도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 글로벌 셔터 이미지 센서를 위한 픽셀 회로를 예시하는 개략도(1100) 및 포토다이오드를 포함하는 픽셀의 일부를 예시하는 단면도를 도시한다. 픽셀 회로(1110)는 포토다이오드(1114), 예컨대, PPD(pinned photodiode), SD(storage diode)(1118) 및 플로팅 확산 구역(FD)(1119)를 포함한다. 본원에 사용되는 바와 같이, SD(storage diode)는 또한 SD(sensing diffusion)로 지칭된다. 픽셀 회로(1110)는 또한 트랜지스터들 및 대응하는 제어 신호들을 포함한다. 제어 신호들은 이미지 감지 디바이스의 제어 회로에 의해 제공될 수 있다. 예컨대, 글로벌 셔터 트랜지스터(1111)는 GS(global shutter) 제어 신호를 수신하도록 커플링되고, 제1 전달 게이트 트랜지스터(1112)는 제1 전달 신호(TX1)를 수신하고, 제2 전달 게이트 트랜지스터(1113)는 제2 전달 신호(TX2)를 수신하고, 리셋 트랜지스터(1115)는 리셋 신호(RST)를 수신한다. 소스 팔로어 트랜지스터(SF)(1116) 및 선택 트랜지스터(1117)는 선택(SEL) 신호를 수신한다.
[0102] 위에 설명된 픽셀 회로는, 판독 잡음을 감소시키기 위해 플로팅 확산 구역 내의 전하들의 CDS(correlated double sampling)를 위해 구성될 수 있다. 상관된 이중 샘플링에서, 픽셀의 기준 전압(즉, 픽셀이 리셋된 후의 픽셀의 전압)은 각각의 통합 기간의 끝에서 픽셀의 신호 전압(즉, 통합의 끝에서의 픽셀의 전압)으로부터 제거된다 .
[0103] 도 11은 또한 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 회로(1110)의 일부 내의 픽셀 셀(1150)의 단면도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 픽셀 셀(1150)은 기판(1151), 포토다이오드(PPD)(1114), 및 전기 접지 전도성 라인을 통해 포토다이오드의 제2 단부를 전기 접지(VSS)에 커플링하기 위한 접지 접촉부를 포함한다. 픽셀 셀(1150)은 또한, 포토다이오드에 인접하고 바이어스 전압(VAAGS)에 커플링된 드레인 구역(1153)을 갖는다. 추가로, 픽셀 셀(1150)은 포토다이오드(PPD)(1114)와 드레인 구역(1153) 사이에 배치된 셔터 게이트(1111)를 갖는다. 셔터 게이트(1111)는 광 감지를 위해 포토다이오드(예컨대, 피닝된 포토다이오드 또는 PPD)를 바이어싱하기 위한 바이어스 전압을 인가하도록 글로벌 셔터 신호(GS)에 의해 제어된다. SD(storage diode)(1118)는 제1 전달 신호(TX1)에 의해 제어되는 제1 전달 게이트(1112)를 통해 포토다이오드(PPD)(1114)에 커플링된다.
[0104] 포토다이오드의 예는 P형 웰(well)에 형성된 N형 구역을 갖는 반도체 다이오드를 포함할 수 있다. P형 웰은 N형 기판에 형성될 수 있다. PPD(pinned photodiode)는, 계면이 공핍되는 것을 방지하고 포토다이오드를 전기적으로 안정화시키는, N형 영역의 표면에 배치된 추가적인 P+ 피닝 층을 갖는다.
[0105] 회로 블록(1130)은 신호(Vbias)에 의해 바이어싱된 로우 전류 소스 트랜지스터(1137)를 포함한다. 추가로, 샘플-홀드 회로는 제1 커패시터(1135)에 커플링된 제1 트랜지스터(1131)를 포함한다. 제1 트랜지스터(1131)는 신호 샘플링 시간 동안 전하들을 샘플링하기 위한 제1 샘플-홀드 신호(SH/S)를 수신한다. 제2 트랜지스터(1132)는 제2 커패시터(1136)에 커플링된다. 제2 트랜지스터(1132)는 리셋 시간 동안 전하들을 샘플링하기 위해 제2 샘플-홀드 신호(SH/R)를 수신한다.
[0106] 도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법을 예시하는 파형 타이밍도이다. 방법은, 이미지 감지 디바이스의 제어 회로에 의해 생성된 제어 신호들과 함께 도 11과 관련하여 위에서 설명된 픽셀 회로(110)를 사용하여 구현될 수 있다. 이미지 감지 디바이스의 예는 도 23에 예시된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 방법은 노출 기간 및 샘플링 기간을 포함한다. 노출 기간에서, 글로벌 셔터(GS) 신호는, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 포토다이오드를 활성화시키기 위해 제1 복수의 시간 윈도우들(1210)에서 턴온된다. 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 도 8 및 9와 관련하여 위에 설명된 바와 같이 D1으로 지정된다. 이 시간 동안, 제1 전달 신호(TX1)(1220)는 도 11의 제1 전달 게이트(1112)를 활성화시키기 위해 상승된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 이 액션은 포토다이오드(PPD)(1114) 및 저장 다이오드(SD)(1118)를 커플링한다.
[0107] 샘플링 기간에서, 백그라운드 신호가 먼저 샘플링되고, 이어서 이미지 신호가 샘플링된다. 백그라운드 신호를 샘플링하기 위해, 리셋(RST) 신호(1230) 및 선택(SEL) 신호(1240)가 턴온된다. 2개의 샘플-홀드 제어 신호들(SHR(1250) 및 SHS(1260))이 또한 턴온된다. 결과적으로, 리셋 레벨 신호로 또한 지칭되는 백그라운드 신호는 샘플-홀드 커패시터들(135 및 136)에 전달된다.
[0108] 다음에, 도 1의 제2 전달 게이트(1113)를 활성화시키기 위해 제2 전달 신호(TX2)(1270)가 턴온된다. 이 액션은 포토다이오드(PPD) 및 저장 다이오드(SD)로부터의 전하들이 도 11에서 플로팅 확산 구역(FD)으로 전달되게 한다. 전하들이 플로팅 확산 구역(FD)으로 전달된 후, 제2 전달 신호(TX2)는 도 12의 1272에서 턴오프된다. SEL 및 SHS 신호들이 턴온되면, 플로팅 확산 구역(FD)의 전하들은 상관된 이중 샘플링을 위해 도 11의 샘플-홀드 커패시터들(135 및 136)에서 샘플링된다. 이 지점에서, 커패시터들(135 및 136) 상의 전하들은, 제1 노출 단계 동안 수집된 전하들을 나타내는 제1 샘플링된 신호(S1)를 결정하기 위해 비교될 수 있다. 이 샘플링 동작은 도 8 및 9에 예시된 S1 판독 기간에 대응한다.
[0109] 도 12에서, VDD는 전력 공급 전압이다. 일부 실시예들에서, 전력 공급 전압(VDD)은 샘플링 기간 동안의 전압(1290)보다 노출 기간 동안 더 높은 전압(1280)에 있다. 예컨대, 노출 기간 동안 전력 공급 전압(VDD)은 4.5V(1280)일 수 있고, 노출 기간 동안 전달 신호들(TX1 및 TX2)은 3,3V(1290)일 수 있다. 따라서, 바이어스 전압(VAAGS 또는 VDD)은 제1 전달 신호(TX1) 및 제2 전달 신호(TX2)보다 더 높다.
[0110] 일부 실시예들에서, 도 11의 글로벌 셔터 게이트(1111)는, 포토다이오드를 노출시키기 위해 복수의 글로벌 셔터 펄스들을 갖는 제1 글로벌 셔터 신호(GS)를 제공함으로써 제1 복수의 시간 윈도우들에서 포토다이오드를 활성화시키도록 턴온될 수 있다. 이 경우에, 전력 공급 전압(VAAGS)(또는 VDD)은, 예컨대, 4.5V의 전압으로 유지되고, 제1 글로벌 셔터 신호(GS)는 펄싱된 신호를 인가하는 데 사용된다.
[0111] 일부 대안적인 실시예들에서, 글로벌 셔터 게이트는, 포토다이오드를 노출시키기 위해 복수의 펄스들을 갖는 전력 공급 전압(VAAGS)(또는 VDD)을 제공함으로써, 제1 복수의 시간 윈도우들에서 포토다이오드를 활성화시키도록 턴온될 수 있다. 이 경우에, 제1 글로벌 셔터 신호(GS)는 예컨대, 4.5 V의 전압으로 유지되고, 전력 공급 전압(VAAGS)(또는 VDD)은 펄싱된 신호를 인가하는 데 사용된다. 이 실시예는 도 13에 추가로 예시된다.
[0112] 도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 다른 방법을 예시하는 파형 타이밍도이다. 도 13은 하나의 차이점을 제외하고는 도 12와 유사하다. 도 13에서, 글로벌 셔터 게이트(도 11의 1111)는 복수의 펄싱된 신호들(VAAGS 또는 VDD)을 수신한다. 대조적으로, 도 12에서, 글로벌 셔터 게이트(1111)는 글로벌 셔터 제어 신호(GS)로부터 복수의 펄싱된 신호들을 수신한다. 일부 실시예들에서, 신호들(VAAGS 또는 VDD)은, 예컨대, 나노초 범위의 고주파수 펄스 신호들을 포함한다. 신호들(VAAGS 또는 VDD)에서 드레인 변조를 사용하기 위해, 도 11의 낮은 커패시턴스 드레인 구역(153)이 사용된다.
[0113] 도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키는 방법을 예시하는 흐름도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 방법(1400)은, 도 8과 관련하여 위에 설명된 바와 같이, 안정화 기간(810), 캘리브레이션 기간(820), 또는 측정 기간(830)의 제1 단계에서 사용될 수 있는 도 11-13과 관련하여 위에 설명된 픽셀 회로를 사용하는 방법을 요약한다.
[0114] 방법(1400)은 노출 기간 및 샘플링 기간을 포함한다. 노출 기간에서, 1410에서, 방법은, 포토다이오드(PPD)와 저장 다이오드(SD)를 커플링하기 위해 제1 전달 신호(TX1)를 사용하여 제1 전달 게이트를 활성화시키는 단계를 포함한다. 1420에서, 복수의 방출된 광 펄스들이 타겟에 전송된다. 1430에서, 방법은, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 복수의 시간 윈도우들에서 포토다이오드를 활성화시키는 단계를 포함한다. 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 D1으로 지정된다. 셔터 신호 펄스들(GS 또는 VDD)은 미리 설정된 제1 지연(D1)을 갖고서 조명 펄스들에 정렬된다.
[0115] 샘플링 기간에서, 1440에서, 방법은, 저장 다이오드(SD)로부터 플로팅 확산 구역(FD)으로 전하들을 전달하기 위해, 제2 전달 신호(TX2)를 사용하여 제2 전달 게이트를 활성화시키는 단계를 포함한다. 1450에서, 플로팅 확산 구역의 전하들은, 제1 노출 기간 동안 수집된 전하들을 나타내는 제1 샘플링된 신호(S1)를 결정하도록 샘플링된다.
[0116] 도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키는 방법을 예시하는 흐름도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 방법(1500)은, 도 8과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 측정 기간(830)에서 사용될 수 있는, 도 11-13과 관련하여 위에서 설명된 픽셀 회로를 사용하는 방법을 요약한다. 방법(1500)은 2개의 노출 및 샘플링 단계들을 포함한다. 도 15에서, 제1 노출 기간에서, 1510에서, 방법은, 포토다이오드(PPD)와 저장 다이오드(SD)를 커플링하기 위해, 제1 전달 신호(TX1)를 사용하여 제1 전달 게이트를 활성화시키는 단계를 포함한다. 1520에서, 복수의 방출된 광 펄스들이 타겟에 전송된다. 1530에서, 방법은, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 복수의 시간 윈도우들에서 포토다이오드를 활성화시키는 단계를 포함한다. 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 D1으로 지정된다. 제1 샘플링기간에서, 1540에서, 방법은, 저장 다이오드(SD)로부터 플로팅 확산 구역(FD)으로 전하들을 전달하기 위해, 제2 전달 신호(TX2)를 사용하여 제2 전달 게이트를 활성화시키는 단계를 포함한다. 플로팅 확산 구역의 전하들은, 제1 노출 기간 동안 수집된 전하들을 나타내는 제1 샘플링된 신호(S1)를 결정하도록 샘플링된다.
[0117] 방법은, 제2 노출 기간에서, 1550에서, 포토다이오드(PPD)와 저장 다이오드(SD)를 커플링하기 위해, 제1 전달 신호(TX1)를 사용하여 제1 전달 게이트를 활성화시키는 단계를 더 포함한다. 1560에서, 제2 복수의 방출된 광 펄스들이 타겟에 전송되고, 포토다이오드는 대응하는 제2 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 대응하는 복수의 시간 윈도우들에서 활성화된다. 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 D2로 지정된다. 1570에서, 제2 샘플링 기간에서, 방법은, 저장 다이오드(SD)로부터 플로팅 확산 구역(FD)으로 전하들을 전달하기 위해 제2 전달 신호(TX2)를 사용하여 제2 전달 게이트를 활성화시키는 단계를 포함한다. 1580에서, 플로팅 확산 구역의 전하들은, 제2 노출 기간 동안 수집된 전하들을 나타내는 제2 샘플링된 신호(S2)를 결정하도록 샘플링된다. 1590에서, 방법은, 제1 샘플링된 신호(S1) 및 제2 샘플링된 신호(S2)에 기반하여 타겟까지의 거리를 결정하는 단계를 포함한다.
[0118] 방법에 관한 더 많은 세부사항들은 도 8 및 9와 관련하여 위에서 설명되었다. 예컨대, 타겟까지의 거리는, 제1 샘플링 신호(S1) 및 제2 샘플링 신호(S2)에 기반한 룩업 테이블을 사용하는 ToF 방법에 기반하여 결정될 수 있다. 방법은 도 8 및 9와 관련하여 위에서 설명된 콘볼루션 방법에 기반할 수 있다.
[0119] 본 발명의 일부 실시예들에서, ToF 거리 측정을 위한 이미지 센서 디바이스가 제공된다. 이미지 감지 디바이스는 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들, 및 이미지 센서 디바이스의 노출 단계 및 샘플링 단계를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 도 2a 및 2b는 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들의 예들을 예시한다. 제어 회로는, 도 1, 3 및 도 4a 및 4b에 예시된 바와 같이, 펄스 조명 유닛(110), 센서 유닛(130) 및 ToF 타이밍 생성기(150)와 같은 회로를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀 셀들 중 하나의 예가 도 11에 예시된다.
[0120] 도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 셀의 다른 예를 예시하는 개략도이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 픽셀 셀(1600)은 반도체 기판(도시되지 않음)에 포토다이오드(PPD)를 포함하고, 포토다이오드의 제1 단부는 글로벌 셔터 신호(GS)에 의해 제어되는 셔터 게이트(SGT) 및 드레인 구역(Drain)을 통해 바이어스 전압(VAAGS)에 커플링된다. 접지 접촉부(G1)는 전기 접지 전도성 라인을 통해 포토다이오드의 제2 단부를 전기 접지(VSS)에 커플링한다. 픽셀 셀(1600)은 또한, 반도체 기판에 있고 제1 전달 신호(TX1)에 의해 제어되는 제1 전달 게이트(TG1)를 통해 포토다이오드에 커플링된 저장 다이오드(SD)를 갖는다. 반도체 기판의 플로팅 확산 구역(FD)은, 제2 전달 신호(TX2)에 의해 제어되는 제2 전달 게이트(TG2)를 통해 저장 다이오드(SD)에 커플링된다. 스위칭 회로(S1)는 픽셀 전력 공급 라인을 노출 단계에서는 제1 전압(V1)에 그리고 샘플링 단계에서 제2 전압(V2)에 커플링하도록 구성된다. 이 경우에, 제1 전압(V1)은 제2 전압(V2)보다 더 높을 수 있다. 픽셀 셀(1600)은 또한, 감지 회로에 커플링된 비트 라인에 커플링하기 위한 소스 팔로어(SF) 및 선택 트랜지스터(SEL)를 갖는다. 감지 회로의 일부는 도 11과 관련하여 위에서 설명되었다.
[0121] 이미지 감지 디바이스의 일부 실시예들에서, 제어 회로는, 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이에 미리 결정된 지연 시간으로, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 복수의 시간 윈도우들에서 포토다이오드를 활성화시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 복수의 글로벌 셔터 신호 펄스들(GS)은, 반사된 광을 감지하기 위해 복수의 시간 윈도우들에서 포토다이오드를 활성화시키는 데 사용된다. 다른 실시예에서, 복수의 바이어스 전압 펄스들(VGSAA)은, 반사된 광을 감지하기 위해 복수의 시간 윈도우들에서 포토다이오드를 활성화시키는 데 사용된다. 이 경우에, 포토다이오드는 픽셀 셀의 드레인 구역을 통해 바이어스 전압(VAAGS)에 커플링된다.
[0122] 도 17은 본 발명의 실시예에 따라 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들의 일부의 다른 예를 예시하는 개략도이다. 2개의 픽셀 셀들, 셀 1 및 셀 2가 도 17에 도시된다. 셀 1 및 셀 2 각각은 도 16과 관련하여 위에서 설명된 픽셀 셀(1600)과 유사하다. 도 17은 홀수 및 짝수 픽셀들에서의 이중 비트-라인 구성을 예시한다. 비트 라인(B1)이 셀 1과 연관되고 비트 라인(B2)이 셀 2와 연관됨을 알 수 있다. 홀수/짝수 픽셀들에 대한 이중 비트-라인 구성과 함께 아날로그 판독 메커니즘의 전용 설계 및 제어기에 의해 이미지를 수집하기 위한 고속 인터페이스 회로에 의해 고속 판독이 가능하게 될 수 있다.
[0123] 본 발명의 실시예들에서, ToF 측정은 픽셀 당 단일 제어 라인만을 사용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, ToF 거리 측정을 위한 콘볼루션 방법이 설명된다. 이 ToF 방법은, 상이한 상대 지연들을 갖는 광 펄스들 및 셔터 윈도우들을 요구한다. VR 및 AR 애플리케이션들에 대해, 관심있는 거리는, 킬로미터 대신에, 예컨대, 방의 치수와 같이 미터 범위로 비교적 짧을 수 있다. 따라서, 이 방법은 매우 좁은 광 펄스들 및 셔터 윈도우들을 요구한다. 충분한 광을 샘플링하기 위해, 노출 사이클마다 다수의(예컨대, 수천개의) 방출된 광 펄스들 및 좁은 셔터 윈도우들이 필요로 된다. 따라서, 고속 픽셀 셀 및 회로가 제공된다. 일부 실시예들에서, 픽셀 회로는 나노초 범위에서 동작할 수 있다. 대조적으로, 종래의 픽셀 회로들은 종종 마이크로초 범위에서 동작한다.
[0124] 본 발명의 일부 실시예들에서, 고속 ToF(time-of-flight) 게이팅은, 낮은 커패시턴스를 유지하기 위해 다른 제어 라인들로부터 격리된 픽셀 당 단일 제어 라인을 사용함으로써 달성된다. 단일 제어 라인은, 위에서 설명된 글로벌 셔터(GS) 게이트를 제어하는 데 사용될 수 있다. 글로벌 셔터(GS) 게이트는 글로벌 셔터 신호(GS) 또는 바이어스 전압(VAAGS) 중 어느 하나에 의해 제어될 수 있다. 대조적으로, 종래의 ToF 픽셀 기술들은 2개의 경우들: 1) 양호한 신호 매칭을 요구하는, 픽셀의 2개의 신호들을 동시에 스위칭하는 것; 또는 2) 구현하기 위해 프로세스 복잡성을 요구하는, 기판 신호를 스위칭하는 것 중 하나를 포함할 수 있다.
[0125] 픽셀 셀들의 빠른 스위칭을 가능하게 하기 위해, 포토다이오드(PPD), 글로벌 게이트(GS) 및 제1 전달 게이트(TX1)는 도 11과 관련하여 위에 설명된 바와 같이 함께 통합된다. 본원에 설명된 픽셀 셀 및 픽셀 회로는 GS 전용 변조를 사용하여 글로벌 셔터 또는 롤링 셔터 이미징뿐만 아니라 ToF 이미징에 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, PPD와 VSS 사이의 저항의 감소는 (도 16 및 17에서 점선으로 도시된 바와 같이) 픽셀 당 전용 VSS 접촉부를 추가함으로써 달성될 수 있다. 글로벌 라인을 별개의 금속 층으로 전달함으로써 GS 라인과 다른 글로벌 라인들 사이의 기생 커패시턴스가 감소된다. 포토다이오드는, 과도 전하 캐리어들의 시간을 개선하기 위해 PPD Vpin(및 FWC)을 감소시키도록 구성된다. 글로벌 셔터 라인들의 폭 및 길이 치수들은 셔터 효율을 개선하도록 증가된다. 추가로, 위에 설명된 바와 같이, ToF 노출 기간 동안, 셔터 효율을 개선하기 위해 높은 전압이 사용된다. 디바이스 구조 및 레이아웃에 대한 추가의 세부사항들이 아래에 설명된다.
[0126] 도 18은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀 디바이스 구조를 예시하는 단면도를 도시한다. 도 18에서, 셀 A는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀을 예시하는 단면도이고, 셀 B는 종래의 픽셀 셀을 예시하는 단면도이다. 셀 A가 약 8 ㎛의 접합 깊이를 갖는 포토다이오드(PPD)를 갖는 반면, 셀 B가 약 2 ㎛의 접합 깊이를 갖는다는 것을 알 수 있다. 깊은 접합을 형성하는 하나의 방법은 기판의 도핑 레벨을 감소시키는 것이다. 셀 A에서 더 깊은 접합 깊이는 픽셀 셀에서 QE(quantum efficiency) 광 감지를 개선할 수 있다. 특정 구현들에 따라, 포토다이오드들이 제조되는 에피택셜 층(epitaxial layer)은 6 내지 9 미크론 범위의 두께를 가질 수 있고, 에피택셜 층의 도핑 밀도는 2E13 내지 5E13일 수 있다.
[0127] 도 19a-19f는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀 내의 다양한 컴포넌트들의 레이아웃 옵션들을 예시하는 평면도들이다. 도 19a-19f 각각에서, 픽셀 셀은 포토다이오드(PPD), 전달 게이트(TG) 및 하나 또는 2개의 글로벌 셔터 게이트들(GS)을 갖는 것으로 도시된다. 각각의 도면에서 파선은 전하 분기점(charge watershed)이며, 이는 도 20a-20e에 예시된 디바이스 시뮬레이션 결과들을 참조하여 추가로 설명된다.
[0128] 도 19a는 포토다이오드(PPD)의 일측에 배치된 하나의 글로벌 셔터(GS) 게이트를 갖고, 글로벌 셔터(GS) 게이트의 인접 측에 배치된 전달 게이트(TG)를 갖는 픽셀 셀을 예시한다. 도 19b는 포토다이오드(PPD)의 일측에 배치된 하나의 글로벌 셔터(GS) 게이트를 갖고, 글로벌 셔터(GS) 게이트의 인접 측에 배치된 전달 게이트(TG)를 갖는 픽셀 셀을 예시한다. 추가로, 전달 게이트(TG)는 포토다이오드 측면의 중심에 대해 오프셋을 갖는다.
[0129] 도 19c는 포토다이오드(PPD)의 일측에 배치된 하나의 글로벌 셔터(GS) 게이트를 갖고, 글로벌 셔터(GS) 게이트의 반대 측에 배치된 전달 게이트(TG)를 갖는 픽셀 셀을 예시한다. 도 19d는 포토다이오드(PPD)의 일측에 배치된 하나의 글로벌 셔터(GS) 게이트를 갖고, 글로벌 셔터(GS) 게이트의 반대 측에 배치된 전달 게이트(TG)를 갖는 픽셀 셀을 예시한다. 추가로, 전달 게이트(TG)는 포토다이오드 측면의 중심에 대해 오프셋을 갖는다.
[0130] 도 19e는 포토다이오드(PPD)의 인접 측들에 배치된 2개의 글로벌 셔터(GS) 게이트들을 갖고 글로벌 셔터(GS) 게이트의 다른 측에 배치된 전달 게이트(TG)를 갖는 픽셀 셀을 예시한다. 도 19f는 포토다이오드(PPD)의 인접한 측들에 배치된 2개의 글로벌 셔터(GS) 게이트들을 갖고 글로벌 셔터(GS) 게이트의 다른 측에 배치된 전달 게이트(TG)를 갖는 픽셀 셀을 예시한다. 추가로, 전달 게이트(TG)는 포토다이오드 측면의 중심에 대해 오프셋을 갖는다.
[0131] 일부 실시예들에서, 도 19b에 예시된 픽셀 셀은 최상의 픽셀 디바이스 성능을 제공한다. GS ON 상태에서 광의 통합은 GS 신호를 오염시킬 수 있다. 따라서, 이미징 시스템에 노출되는 TX1 측을 최소화하는 것이 바람직하다.
[0132] 도 20a-20e는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀들의 시뮬레이션 결과들을 예시한다. 도 20a는 포토다이오드(PPD)의 인접한 측에 배치된 전달 게이트(TX) 및 글로벌 셔터 게이트(GS)를 갖는 PPD를 예시하는 픽셀 셀의 사시도를 도시한다. 도 20a는 또한 통합이 턴온된 셔터 개방 상태 및 통합이 턴오프된 셔터 폐쇄 상태 하에서 픽셀 셀의 PPD 내부의 등전위 정전 전위(equipotential electrostatic potential)를 도시한다. 셔터가 통합이 온인 개방 상태일 때, 모든 PPD 영역이 통합된다. 셔터가 통합이 오프인 폐쇄 상태일 때, PPD 영역의 작은 부분만이 통합된다. 파선은 전하 분기점을 나타낸다. 도 20b는 도 20a에 예시된 디바이스에 대한 부가적인 시뮬레이션 결과들을 예시한다.
[0133] 도 20c는 포토다이오드(PPD)의 반대 측들에 배치된 전달 게이트(TX) 및 글로벌 셔터 게이트(GS)를 갖는 PPD를 예시하는 픽셀 셀의 사시도를 도시한다. 도 20c는 또한 셔터 개방 상태 및 셔터 폐쇄 상태 하에서 픽셀 셀의 PPD 내부의 등전위 정전 전위를 도시한다. 전하 분기점은 파선으로 표시된다. 도 20d는 도 20c에 예시된 디바이스에 대한 부가적인 시뮬레이션 결과들을 예시한다.
[0134] 도 20e는, 포토다이오드(PPD), 전달 게이트(TX) 및 2개의 글로벌 셔터 게이트들(GS) ― 이는 이중 GS로 지칭될 수 있음 ― 을 갖는 픽셀 셀에서 시뮬레이팅된 등전위 정전 전위 윤곽들을 도시한다.
[0135] 도 21a-21c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 어레이에 대한 상호연결 레이아웃 구조들을 예시한다. 도 21a는 상이한 금속 레벨들로 구현된 다양한 제어 신호 라인들 및 전력 공급 라인들을 갖는 피닝된 포토다이오드(PPD)를 도시한다. 예컨대, RST, SEL, TX1 및 TX2에 대한 제어 신호 라인들은 제1 레벨 금속(M1)으로 구현된다. 전압 공급기들(VDDA 및 VSSA)뿐만 아니라 출력 신호 라인(PixelOUT)은 제2 레벨 금속(M2)으로 구현된다. 글로벌 셔터 신호(GS) 라인은 제3 레벨 금속(M3)으로 구현된다. 글로벌 셔터 신호(GS) 라인이 M3에서 넓은 금속 라인이며, 이는 인접한 라인에서 라인 저항 및 커패시턴스를 감소시킬 수 있다는 것이 유의된다. 도 21a는 또한 아래의 추가 예시를 위해 다양한 단면 절단 라인들(AA', BB', CC' 및 DD')을 식별한다.
[0136] 도 21b는 도 21a의 픽셀 셀 구조의 절단 라인들을 따른 단면도들을 예시한다. 절단 라인을 따르는 단면도들(AA' 및 BB')에서, M3과 M1 사이의 간격이 크고 M2와 M3과 M1 사이의 중첩들이 작다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 다양한 금속 라인들 사이의 커패시턴스가 감소될 수 있다.
[0137] 도 21c는 도 21a의 픽셀 셀 구조의 절단 라인들을 따른 단면도들을 예시한다. 절단 라인을 따르는 단면도들(CC' 및 DD')로부터, 금속층들(M1, M2 및 M3)이 포토다이오드(PPD)로부터 오프셋되어 배치된다는 것을 알 수 있다. 이 레이아웃은 포토다이오드에서 큰 이미지 감지 영역들을 제공할 수 있다.
[0138] 도 22a-22e는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀 어레이에 대한 렌즈 레이아웃 구조들을 예시한다. 도 22a-22c는, 도 21a-21c에 도시된 바와 같이 각각의 픽셀 셀이 포토다이오드 및 금속 상호연결 구조들을 갖는 픽셀 셀 어레이의 일부의 평면도를 예시한다. 도 22a는, 마이크로 렌즈들이 포토다이오드 위의 픽셀 셀들의 중심에 위치되는 어레인지먼트를 예시한다. 도 22b는, 마이크로 렌즈들이 픽셀의 포토다이오드들에 대해 우측으로 시프팅되는 어레인지먼트를 예시한다. 도 22c는, 마이크로 렌즈들이 픽셀의 포토다이오드들에 대해 아래쪽으로 시프팅되는 어레인지먼트를 예시한다. 각각의 렌즈는, 개선된 집광 효율을 촉진시키기 위해, 연관된 외부 이미징 렌즈(도시되지 않음)를 통해 포토다이오드의 중심에 도달하는 주광선(chief ray)을 조정하기 위해 렌즈의 연관된 포토다이오드에 대해 적절히 위치된다.
[0139] 도 22d는 도 22a-22c에 도시된 바와 같이 절단 라인을 따른 픽셀 셀 어레이의 일부의 단면도(E-E')이다. 도 22e는 도 22a-22c에 도시된 바와 같이 절단 라인을 따른 픽셀 셀 어레이의 일부의 단면도(F-F')이다. 도 22d 및 22e는, 정규 경우 및 극단적인 경우에 대해 픽셀 어레이의 최상부에서의 픽셀에 광이 입사하는 픽셀 어레이의 넓은 마이크로 렌즈들을 갖는 장점을 예시한다. 도 22d 및 22e에서, 포토다이오드가 넓기 때문에, 포토다이오드가 넓은 광 입사 범위로부터 포토 전극들을 수집할 수 있음을 알 수 있다.
[0140] 도 23은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 위에 설명된 방법들을 평가하기 위한 이미지 감지 시스템을 예시하는 블록도이다. 도 23에 도시된 바와 같이, 이미지 감지 디바이스 또는 시스템(2300)은 픽셀 어레이(2310)의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들 및 이미지 센서 디바이스의 노출 단계 및 샘플링 단계를 제어하기 위한 고속 글로벌 셔터 회로를 갖는 제어 회로 또는 제어기(2320)를 포함할 수 있다. 이미지 감지 시스템(2300)은 지연 생성기(2330), 짧은 펄스 레이저 생성기(2340), 콜리메이터(2350) 및 확산기(2360)와 같은, 조명 타이밍을 제어하기 위한 회로들을 또한 포함할 수 있다. 이미지 감지 시스템(2300)은 또한 프로세서(2370) 및 전력 공급 시스템(2380)을 가질 수 있다. 이 시스템이 위에 설명된 방법들을 평가하는 데 사용된다는 것이 이해되어야 한다. 실제 사용에서, 레이저 생성기(2340)에 의해 방출되고 콜리메이터(2350)에 의해 시준된 광은, 픽셀 어레이(2310)에 도달하기 전에 환경 내의 객체들로부터 반사된다. 이미징 렌즈(도시되지 않음)는 픽셀 어레이(2310)의 앞에 배치될 수 있다.
[0141] 이러한 이미지 디바이스에 사용될 수 있는 픽셀 셀의 예는 도 11-13과 관련하여 위에서 설명되었다. 이미지 감지 디바이스는, 도 11-22e와 관련하여 위에서 설명된 본 발명의 일부 실시예들에 따른 ToF(time-of-flight) 깊이 프로파일을 위한 방법을 구현하는 데 사용될 수 있다.
[0142] 일부 실시예들에서, 6개의 트랜지스터들(6T)을 위한 회로를 포함하는 도 11의 ToF 픽셀 회로는 110nm의 반도체 제조 기술 노드에서 4.5㎛의 셀 피치를 가질 수 있다. 일부 경우들에서, 약 30 %의 QE(quantum efficiency)가 달성되었다. 일부 실시예들에서, 빠른 비행 시간 게이팅은 5 nsec만큼 작은 짧은 통합 시간을 가능하게 한다. 본 발명의 특정 구현들은 6개의 트랜지스터들을 갖는 픽셀들을 포함하고, 제조에 사용되는 반도체 노드 대 셀 피치의 비율이 50 미만이고, 양자 효율이 25 %를 초과하고, 통합 시간들이 7 나노초 미만인 것을 특징으로 한다. 효율적인 전달/드레인 전환들을 만들기 위해, 글로벌 리셋 동안 그리고 픽셀 어레이 판독 동안 상이한 어레이 전압들이 사용될 수 있다. 주변 광은, 센서가 통합을 위해 개방인 짧은 시간, 전형적으로 ~0.5msec 동안에만 통합된다. 작동 주변 광의 양은 통합 시간 동안 활성 조명의 플럭스에 의존한다.
[0143] 본 발명의 실시예들은 5 nsec만큼 작은 짧은 통합 시간을 가능하게 하는 빠른 비행 시간 게이팅을 제공할 수 있다. 전체 픽셀 어레이에 걸쳐 높은 양자 효율 및 큰 광학 애퍼처는 적외선 조명 전력 소비를 절약할 수 있다. 이미지 디바이스 및 시스템은, 작은 픽셀 및 낮은 시스템 전력을 가짐으로써 수동 및 능동 조명 및 ToF를 갖는 모바일 컴퓨터 비전 시스템, 이를테면, 가상 현실, 증강 현실 등을 지원할 수 있다. 넓은 포토-다이오드들 및 높은 픽셀 어레이 분해능은 VGA 이상의 컴퓨터 비전 애플리케이션을 지원하도록 구성된다. 글로벌 셔터 동작 모드뿐만 아니라 롤링 셔터 동작 모드에서 낮은 잡음이 존재한다. 예컨대, 직사 일광 하에서 실외 동작을 가능하게 하기 위해 주변 광 통합이 최소화된다.
[0144] 예로서, 커패시턴스 및 타이밍 계산은 110nm 프로세스 노드에서 4.5㎛의 VGA 어레이(640×480)에 대해 수행된다. 픽셀 커패시턴스(게이트 + 기생 상호연결부를 포함함)는
Figure pct00001
이다. 알루미늄 상호연결부의 저항은
Figure pct00002
이다. 픽셀들의 수(VGA 로우들의 절반)는 (양측들로부터 H 또는 V 드라이브에 대해) n=320, 240이다. 어레이 측으로부터 어레이의 중심까지의 RC 체인의 지연은 다음과 같이 계산될 수 있다.
엘모어 지연(Elmore delay):
Figure pct00003
(H, V).
따라서, 위에 설명된 픽셀 회로에서 나노초 레벨 지연들이 달성될 수 있다.
[0145] 도 24는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 신호 대 레이저-셔터 지연 시간을 보여주는 실험 결과들의 그래프이다. 그래프는 위에 설명된 도 6 및 도 7a 및 7b에 예시된 그래프들과 유사하다. 상승/하강 시간이 3.3V에서 약 2nsec 변조된다는 것을 알 수 있다. 픽셀 신호 콘트라스트 비는 약 20:1이다. 데이터가 높은 인덕턴스 기성품의 패키지(high inductance off-the-shelf package)를 사용하여 측정되었다는 것이 유의된다. 칩-온-보드 패키지와 같은 낮은 인덕턴스 패키징을 사용함으로써 성능이 향상될 것으로 예상된다.
[0146] 픽셀 회로 및 이미지 감지 디바이스는 ToF 이미징의 맥락에서 위에서 설명되었다. 그러나, 위에 설명된 픽셀 회로 및 이미지 감지 디바이스는 또한, 도 25 및 26을 참조하여 아래에 예시된 바와 같이, 글로벌 셔터(GS) 이미징 및 롤링 셔터(RS) 이미징에 사용될 수 있다.
[0147] 도 25는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 글로벌 셔터 이미지 감지를 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법을 예시하는 파형 타이밍도이다. 방법은 도 11과 관련하여 위에서 설명된 픽셀 회로(110)를 사용하여 구현될 수 있다. 글로벌 셔터 방식에서, 모든 신호들은 하나의 프레임의 모든 포토 엘리먼트들에 의해 광전기적으로 변환된다. 신호들은 한 번에 하나 이상의 플로팅 확산 노드들에 전달된다. 도 25에 도시된 바와 같이, 글로벌 셔터 이미지 감지는 노출 기간 및 샘플링 기간을 포함한다. 노출 기간에서, 글로벌 셔터(GS) 게이트는, 방출된 광의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 포토다이오드를 활성화시키기 위해, 제1 전달 신호(TX1)(2520)와 함께 턴온된다(2510). 샘플링 기간에서, 동작은 도 12와 관련하여 위에서 설명된 동작과 유사하다.
[0148] 도 26은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 롤링 셔터 이미지 감지를 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법을 예시하는 파형 타이밍도이다. 방법은 도 11과 관련하여 위에서 설명된 픽셀 회로(110)를 사용하여 구현될 수 있다. 롤링 셔터 방법에서, 신호들은 한 프레임에서 각각의 로우의 포토 엘리먼트들에 의해 광전기적으로 변환된다. 신호들은 순차적으로 선택된 각각의 로우의 하나 이상의 플로팅 확산 노드들에 전달되고, 대응하는 픽셀의 이미지 신호가 출력된다. 도 26에 도시된 바와 같이, 롤링 셔터 이미지 감지는 노출 기간 및 샘플링 기간을 포함할 수 있다. 노출 기간 및 샘플링 기간 둘 모두에서, 글로벌 셔터(GS) 게이트는 측방 오버플로우 전위(2510)로 유지되고, 제1 전달 신호(TX1)(2620)는 방출된 광의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 포토다이오드를 활성화시키기 위해 ON 상태에 있다.
[0149] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 대안적인 픽셀 셀은 복수의 포토다이오드들 및 대응하는 복수의 저장 다이오드들을 포함할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 각각의 픽셀 셀은 4개의 포토다이오드들, 4개의 저장 다이오드들, 및 4개의 플로팅 확산 구역들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 상이한 수의 이들 컴포넌트들이 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치되고, 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드 및/또는 제2 인접 포토다이오드 중 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 추가로, 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드와 제2 인접 저장 다이오드 사이에 배치되고, 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드 및/또는 제2 인접 저장 다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성된다. 추가로, 각각의 플로팅 확산 구역은 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치된다.
[0150] 일부 실시예들에서, 픽셀 셀은 픽셀내 차동 ToF 결정을 수행할 수 있는 이미지 센서 디바이스를 포함할 수 있다. 이들 실시예들에서, 타겟으로부터 반사된 광은 효과적으로 수집되고, 주변 광의 대부분은 수집되지 않는다. 픽셀내 차동 모드 신호들을 ToF 결정에 사용되며, 수신된 주변 광을 추가로 소거할 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀 셀은 비닝 모드에서 사용될 수 있으며, 여기서 광 수집을 위해 다수의 포토다이오드들이 빈들로 그룹화될 수 있다. 대안적으로, 픽셀 셀은 또한 풀 분해능 모드에서 사용될 수 있고, 여기서 각각의 포토다이오드가 서브-픽셀로서 동작할 수 있다. 이들 및 다른 동작 모드들이 아래에 더 상세히 설명된다. 일부 실시예들에서, 이미지 센서 디바이스는 본원에 설명된 동작 모드들 중 둘 이상 사이에서 스위칭하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 이미지 센서는, 사용자 입력, 센서 데이터, 미리 결정된 동작들의 스케줄 등에 기반하여, 하나의 동작 모드에서 다른 동작 모드로 스위칭할 수 있거나 스위칭하도록 지시될 수 있다. 일부 구현들에서, 이미지 센서 디바이스는 본원에 설명된 둘 이상의 동작 모드들 사이에서 스위칭하도록 구성되지 않을 수 있지만, 대신에 본원에 설명된 동작 모드들 중 단지 하나에 따라 기능하도록 구성될 수 있다.
[0151] 도 27은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 평면도이다. 도 27에 도시된 바와 같이, 픽셀 셀(2700)은 포토다이오드(2710), 저장 확산부(2720)로 또한 지칭되는 저장 다이오드, 및 판독 회로(2730)를 포함한다. 애플리케이션에서, 픽셀 셀(2700)은 도 11에서 1100으로 위에서 예시된 픽셀 회로 및 픽셀 셀을 구현하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 도 27의 포토다이오드(2710)는 도 11의 피닝된 포토다이오드(PPD)(1114)에 대응하고, 저장 다이오드(2720)는 도 11의 저장 다이오드(SD)(1118)에 대응하고, 판독 회로(2730)는 도 11의 픽셀 회로(1110) 및 회로 블록(1130)의 부분에 대응한다. "저장 다이오드"라는 용어는 "감지 확산부" 및 "감지 다이오드"와 상호 교환 가능하게 사용된다.
[0152] 추가로, 도 27에서, 포토다이오드(2710)로부터 저장 다이오드(2720)로의 전하 전달은 도 11의 제1 전달 게이트(1112)에 대응하는 제1 전달 게이트(2740) 상의 제1 전달 신호(TX1)에 의해 제어된다. 저장 다이오드(2720)로부터 판독 회로(2730)로의 전하 전달은 도 11의 제2 전달 게이트(1113)에 대응하는 제2 전달 게이트(2750) 상의 제2 전달 신호(TX2)에 의해 제어된다.
[0153] 도 28은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 개략적 평면도이다. 도 28에 도시된 바와 같이, 픽셀 셀(2800)은 4개의 포토다이오드들: 제1 포토다이오드(PPD1), 제2 포토다이오드(PPD2), 제3 포토다이오드(PPD3) 및 제4 포토다이오드(PPD4)를 포함한다. 픽셀 셀(2800)은 또한 4개의 저장 다이오드들: 제1 저장 다이오드(SD1), 제2 저장 다이오드(SD2), 제3 저장 다이오드(SD3) 및 제4 저장 다이오드(SD4)를 포함한다.
[0154] 픽셀 셀(2800)은 또한 4개의 판독 회로들, 즉, 제1 판독 회로(RO_1), 제2 판독 회로(RO_2), 제3 판독 회로(RO_3) 및 제4 판독 회로(RO_4)를 포함한다. 각각의 판독 회로는 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치된 플로팅 확산 구역을 포함한다. 예컨대, 제1 판독 회로(RO_1)는 제1 저장 다이오드(SD1)에 인접하게 배치된 제1 플로팅 확산 구역(FD1)을 포함하고, 제2 판독 회로(RO_2)는 제2 저장 다이오드(SD2)에 인접하게 배치된 제2 플로팅 확산 구역(FD2)을 포함하고, 제3 판독 회로(RO_3)는 제3 저장 다이오드(SD3)에 인접하게 배치된 제3 플로팅 확산 구역(FD3)을 포함하고, 제4 판독 회로(RO_4)는 제4 저장 다이오드(SD4)에 인접하게 배치된 제4 플로팅 확산 구역(FD4)을 포함한다. 플로팅 확산 구역들은 판독 회로에 전달될 포토 전하들을 보유하기 위한 전하 저장 구역들이다.
[0155] 게다가, 도 28은, 2개의 판독 회로들로부터의 포토 전하들을 통합하도록 구성된 2개의 전하 합산 디바이스들(AMP1 및 AMP2)을 도시한다. 전하 합산 디바이스들은 샘플-홀드 커패시터들, 합산 증폭기들 등을 사용하여 구현될 수 있다. 이들 실시예들에서, 전하 합산 디바이스들(AMP1 및 AMP2)은, 픽셀 셀(2800)을 나타내는 점선 외부의 자신들의 포지션에 예시된 바와 같이, 픽셀 셀(2800)에 포함되지 않는다. PPD1/PPD4 내지 PPD2/PPD3에 대한 전하들의 합은, ADC(Analog-to-Digital converter) 회로를 활용하여 합을 디지털로 변환하기 직전에, 픽셀 어레이 외부, 예컨대, 칼럼 병렬 회로들(column parallel circuits)에 위치된 샘플-홀드(S/H) 커패시터들에서 수행될 수 있다.
[0156] 도 27에 예시된 픽셀 셀(2700)과 유사하게, 도 28에 예시된 픽셀 셀(2800)의 포토다이오드들 각각에서, 포토다이오드들(PPD)로부터 저장 다이오드(SD)로의 포토 전하들의 전달은 제1 전달 게이트 신호(TX1)에 의해 제어되고, 저장 다이오드(SD)로부터 판독 회로의 플로팅 확산 구역(FD)으로의 포토 전하들의 전달은 제2 전달 신호(TX2)에 의해 제어되는 제2 전달 게이트에 의해 제어된다. 그러나, 도 28에서, 제1 전달 신호(TX1)는 상이한 위상들을 갖는 4개의 신호들(TX1_1, TX1_2, TX1_3 및 TX1_4)로 분할되고, 제2 전달 신호(TX2)는 상이한 위상들을 갖는 2개의 전달 신호들(TX2_1 및 TX2_2)로 분할된다.
[0157] 일부 실시예들에서, 픽셀 셀(2800)은 또한 전하 제어 신호(TX3)에 대한 응답으로 4개의 전하 제어 게이트를 포함할 수 있으며, 각각의 전하 제어 게이트는 저장 다이오드 위에 배치된다. 도 28에서, 각각의 전하 제어 게이트는 대응하는 저장 다이오드(SD1, SD2, SD3 및 SD4) 위에 각각 점선 직사각형으로 도시된다. 일부 실시예들에서, 전하 제어 게이트는 공통 저장 다이오드 전하 제어 신호(TX3)에 의해 제어된다. 전하 제어 게이트들은, 차동 ToF 모드에서 포토 전하들을 유지하기 위해 전하 제어 신호(TX3)에 의해 일정한 전압으로 유지된다. TX3은 스필백을 방지하고, 토글링된 게이트 커패시턴스를 감소시킬 수 있다. TX3는 또한 전하 저장 및 전달을 위해 웰들의 형상들 및 원하는 전위 기울기들을 유지할 수 있다. 표준 모드에서 그리고 판독 동안에, TX3은 전달 게이트들(TX1_N) ― 여기서 N = 1, 2, 3 또는 4임 ― 과 동시에 또는 함께(concurrently) 토글링되어, 전달 게이트들은 단일 게이트로서의 역할을 한다. 일부 실시예들에서, TX3과 전달 게이트들(TX1_N) 사이에 어떠한 주입된 도핑 구역도 없다.
[0158] 도 29a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 회로도이다. 도 29a는 픽셀 어레이에서 칼럼(i) 및 로우(j)에 대한 셀(i, j)에 대한 차동 픽셀 셀(2900)을 도시한다. 도 29a에 도시된 바와 같이, 픽셀 셀(2900)은 제1 포토다이오드(PPD1)(i, j), 제2 포토다이오드(PPD2)(i, j), 제3 포토다이오드(PPD3)(i, j) 및 제4 포토다이오드(PPD4)(i, j)를 포함한다. 픽셀 셀(2900)은 또한 제1 저장 다이오드(SD1(i, j)), 제2 저장 다이오드(SD2(i, j)), 제3 저장 다이오드(SD3(i, j)) 및 제4 저장 다이오드(SD4(i, j))를 포함한다. 픽셀 셀(2900)은 또한 4개의 판독 회로들, 즉, 제1 판독 회로(RO_1), 제2 판독 회로(RO_2), 제3 판독 회로(RO_3) 및 제4 판독 회로(RO_4)를 포함한다. 애플리케이션에서, 픽셀 셀(2900)의 회로는, 도 28을 참조하여 위에 설명된 바와 같이, 픽셀 셀(2800)의 하나 이상의 컴포넌트들을 구현하는 데 사용될 수 있다.
[0159] 도 29a에서, 전달 신호(TX1_1)는 제어 게이트(2911)를 통해 제1 포토다이오드(PPD1(i, j))로부터 제1 저장 다이오드들(SD1(i, j))로의 포토 전하들의 전달을 제어한다. 전달 신호(TX1_2)는 제어 게이트(2912)를 통해 제4 포토다이오드(PPD4(i, j))로부터 제1 저장 다이오드(SD1(i, j))로의 포토 전하들의 전달을 제어한다. 제1 저장 다이오드(SD1(i, j))로부터 제1 판독 회로(RO_1)로의 전하들의 전달은 전달 게이트(2922) 상의 전달 신호(TX2_2)에 의해 제어된다.
[0160] 유사하게, 전달 신호(TX1_3)는 제어 게이트(2913)를 통해 제1 포토다이오드(PPD1(i, j)로부터 제2 저장 다이오드(SD2(i, j))로의 전하들의 전달을 제어한다. 전달 신호(TX1_4)는 제어 게이트(2914)를 통해 제4 포토다이오드(PPD4(i, j))로부터 제2 저장 다이오드(SD2(i, j))로의 전하들의 전달을 제어한다. 제2 저장 다이오드(SD1(i, j))로부터 제2 판독 회로(RO_2)로의 전하들의 전달은 전달 게이트(2921) 상의 전달 신호(TX2_1)에 의해 제어된다.
[0161] 추가로, 도 29a에서, 전달 신호(TX1_2)는 제어 게이트(2932)를 통해 제3 포토다이오드(PPD2)(i, j)로부터 제3 저장 다이오드(SD3)(i, j)로의 전하들의 전달을 제어한다. 전달 신호(TX1_1)는 제어 게이트(2931)를 통해 제3 포토다이오드(PPD3(i, j))로부터 제3 저장 다이오드(SD3(i, j))로의 전하들의 전달을 제어한다. 제3 저장 다이오드(SD3(i, j))로부터 제3 판독 회로(RO_3)로의 전하들의 전달은 전달 게이트(2941) 상의 전달 신호(TX2_1)에 의해 제어된다.
[0162] 유사하게, 전달 신호(TX1_4)는 제어 게이트(2934)를 통해 제2 포토다이오드(PPD2(i, j)로부터 제2 저장 다이오드(SD2(i, j))로의 전하들의 전달을 제어한다. 전달 신호(TX1_3)는 제어 게이트(2933)를 통해 제3 포토다이오드(PPD3(i, j))로부터 제4 저장 다이오드(SD4(i, j))로의 전하들의 전달을 제어한다. 제3 저장 다이오드(SD3(i, j))로부터 제4 판독 회로(RO_4)로의 전하들의 전달은 전달 게이트(2942) 상의 전달 신호(TX2_2)에 의해 제어된다.
[0163] 판독 회로들(RO_1, RO_2, RO_3 및 RO_4)의 동작들은 도 11과 관련하여 위에 설명된 판독 회로와 유사하다. 따라서, 플로팅 확산 구역들(FD1<j>, FD2<j>, FD3<j>, 및 FD4<j>), 리셋 신호들(RST<j>)을 수신하기 위한 4개의 제어 게이트들, 4개의 소스 팔로어 트랜지스터들(SF1<j>, SF2<j>, SF3<j> 및 SF4<j>) 및 선택 신호들(SEL<j>)을 수신하기 위한 4개 이상의 제어 게이트들을 포함하여, 판독 회로들(RO_1, RO_2, RO_3 및 RO_4) 각각에서 간략화된 회로만이 도시된다. 판독 회로들(RO_1, RO_2, RO_3, 및 RO_4)에서의 플로팅 확산 구역들은 도 28을 참조하여 저장 디바이스들로부터 전하들을 수신하기 위해 설명된 플로팅 확산 구역들과 유사하다. 도 29b의 소스 팔로어들(SF) 및 리셋 게이트들(RST)은 도 11의 대응하는 엘리먼트들과 유사한 기능들을 수행한다.
[0164] 픽셀 셀(2900)은 또한, 각각의 포토다이오드를 전력 공급기(VDD)에 커플링하기 위한 글로벌 셔터 게이트, 및 글로벌 셔터 게이트를 제어하기 위한 글로벌 셔터 신호(GS)를 포함한다. 도 29에서, 도면을 간략히 하기 위해, 글로벌 셔터 신호(GS) 및 전력 공급기(VDD)를 지원하는 글로벌 셔터 게이트를 나타내기 위해 포토다이오드(PPD1)(i, j)와 연관하여 단지 하나의 글로벌 셔터 게이트(2901)가 도시된다. 그러나, 4개의 포토다이오드들 각각은 개개의 글로벌 셔터 신호(GS)를 인에이블하기 위해 각각의 포토다이오드와 연관된 글로벌 셔터 게이트를 갖는다는 것이 인지될 것이다. 일부 실시예들에서, 글로벌 셔터 신호(GS)는 2개의 기능들을 갖는다. 첫 번째 기능은 블루밍(blooming)을 피하기 위해 오버플로 드레인을 제공하는 것이며, 두 번째 기능은 글로벌 리셋이 통합 시퀀스 외부에서 포토다이오드들을 비우는 것을 가능하게 하는 것이다.
[0165] 일부 실시예들에서, 판독 회로들(RO_1, RO_2, RO_3 및 RO_4)은 인접 픽셀 셀들과 공유될 수 있다. 따라서, TX2_1(i-1, j), SD3(i-1, j), TX2_2(i, j-1), SD4(i, j-1), TX2_1(i, j+1), SD2(I, j+1), TX2_2(i+1, j), 및 SD1(i+1, j)와 같은, 인접한 픽셀 셀들과 연관된 일부 회로 컴포넌트들 및 신호들이 도 29a에 도시된다. 이러한 어레인지먼트는 SD2 및 SD4로부터의 동시의 또는 함께하는 전하 전달뿐만 아니라 SD1 및 SD3에서의 동시의 또는 함께하는 전하 전달을 가능하게 할 수 있다.
[0166] 도 29b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 29a의 픽셀 회로(2900)의 픽셀내 차동 모드 동작을 위한 지원 회로를 도시하는 간략화된 개략도이다. 도 29b에 도시된 바와 같이, 회로(2950)에서, 합산 디바이스(AMP1)는 도 29a의 판독 회로들(RO_2 및 RO_4)로부터 출력 신호들을 각각 수신하기 위한 샘플-홀드 커패시터들(SH2 및 SH4)을 포함한다. 유사하게, 합산 디바이스(AMP2)는 도 29a의 판독 회로들(RO_1 및 RO_3)로부터 출력 신호들을 각각 수신하기 위한 샘플-홀드 커패시터들(SH1 및 SH3)을 포함한다. 회로(2950)는 또한, 차동 신호들을 결정하기 위해 샘플-홀드 커패시터들로부터 신호를 수신하기 위한 차동 증폭기(2970)를 포함한다.
[0167] 도 30a, 30b 및 30c는 3개의 상이한 픽셀 셀들에 대한 ToF(time-of-flight) 동작을 예시하는 타이밍도들이다. 도 30a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 28, 29a 및 29b의 픽셀 셀들에 대한 차동 펄스 ToF(time-of-flight) 동작들을 예시하는 타이밍도이다. 도 30a에서, 곡선(3010)은 ToF 결정을 위해 광원으로부터 타겟을 향해 방출된 광 펄스를 나타낸다. 곡선(3011)은 주변 광 신호를 나타낸다. 동작 ToF 범위는 ToF 시스템을 사용하여 측정 가능한 최단 거리와 최장 거리 사이의 분리로 정의된다. 타이밍 곡선(3016)은, 포토다이오드들이 광 입력을 감지하도록 인에이블되는 노출 시간 윈도우를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 타이밍 곡선(3016)은 도 11-13과 관련하여 설명된 바와 같이 측면 드레인 어레인지먼트에서 제어 신호를 나타낼 수 있다. 도 30a에 예시된 바와 같이, 측방 드레인으로 지칭될 수 있는 타이밍 곡선(3016)의 시간적 지속기간은 (타겟으로부터 픽셀 셀들까지 측정된 최단 거리와 연관된) 타이밍 펄스 #1(3001)의 개시(onset) 이전의 시간으로부터 (타겟으로부터 픽셀 셀들까지 측정된 최장 거리와 연관된) 타이밍 펄스 #4(3004)의 종료 후의 시간까지 연장된다. 즉, 타이밍 곡선(3016)의 시간적 지속기간은 동작 ToF 범위와 연관된 시간 지속기간보다 더 크다. 동작 ToF 범위와 연관된 동작 윈도우 외부에서 수신된 주변 광은 측방 드레인과 연관된 타이밍 곡선(3016)을 사용하여 드레인될 수 있으며, 이로써 주변 광과 연관된 포토 전하들을 감소시키고 신호 대 잡음비를 개선한다.
[0168] 타이밍 곡선들(3012 및 3014)은, 전하들이 포토다이오드들로부터 저장 다이오드들에 전달되는 타이밍 윈도우들을 나타낸다. 이어서, 저장 다이오드들의 전하들은 판독 회로들의 플로팅 확산 구역들로 전달된다. 4개의 타이밍 펄스들은 3001, 3002, 3003 및 3004로 각각 라벨링된다. 이러한 타이밍 펄스들 동안, 포토다이오드들에 의해 수집된 광자들은, 광자들의 도달 시간에 의존하여, 아래에 더 완전히 설명된 바와 같이, 하나 이상의 합산 디바이스들(예컨대, AMP1 또는 AMP2) 중 하나로 지향될 수 있다.
[0169] 동작 ToF 범위와 연관된 시간 지속기간은 타이밍 펄스 #1(3001)의 시작으로부터 타이밍 펄스 #4(3004)의 끝까지 연장된다. 예컨대, 상이한 ToF 프레임들에서, ToF 타겟은 단거리에서 장거리로 천천히 그리고 단조적으로 이동할 수 있다. 광 펄스(3010)가 타겟을 향해 방출되고 타겟으로부터 다시 반사될 때, 우선 반사된 광은 펄스 #1에 의해, 이어서 펄스들 #1 및 #2에 의해, 이어서 펄스 #2에 의해, 이어서 펄스들 #2 및 #3에 의해, 이어서 펄스 #3에 의해, 이어서 펄스들 #3 및 #4에 의해, 이어서 펄스 #4에 의해 캡처된다. 이어서, 예컨대, 타겟이 동작 ToF 범위 밖으로 이동할 때, 반사광이 통합되는 것이 중지된다.
[0170] 도 28을 참조하면, AMP2(도 30a의 타이밍도에서 저장 2로 지칭됨)는 타이밍 펄스들 1 및 3 동안 SD1 및 SD3로부터의 전하들을 결합하고, AMP1(도 30A의 타이밍도에서 저장 1로 지칭됨)은 타이밍 펄스들 #2(3002) 및 타이밍 펄스 #4(3004) 동안 SD2 및 SD4로부터의 전하들을 결합한다. 도 29b에서 위에 도시된 바와 같이, AMP1 및 AMP2로부터의 출력 신호들은 차동 신호를 생성하기 위해 차동 증폭기(2970)에 커플링된다. 도 30a의 타이밍도에 따라 생성된 차동 신호는, 복귀 광이 타이밍 펄스 #1(3012)에서 타이밍 펄스 #4(3014) 사이에 통합될 때, ToF 깊이/시간 시프트와 관련하여 변할 수 있다. 따라서, 타겟으로부터 반사된 광에 기반한 차동 신호들은 ToF 결정을 위해 사용된다. 추가로, 차동 신호는 주변 광으로부터의 기여도를 제거하거나 감소시킬 수 있다.
[0171] 차동 동작 모드에서, 전하 전달들은 도 28, 29a 및 29b를 참조하여 설명될 수 있다. 전달 신호들(TX1_1 및 TX1_2)은 함께 토글링되고, 전달 신호들(TX1_3 및 TX1_4)은 상보적인 방식으로 함께 토글링된다. 예컨대, 도 30a의 타이밍 펄스 #1(3001)에 의해 도시된 바와 같이, 위상 1의 전하 합산 동안, 전달 신호들(TX1_1 및 TX1_2)의 제어 하에서, 포토다이오드(PPD1) 및 포토다이오드(PPD4)로부터의 포토 전하들은 저장 다이오드(SD1)에 전달되고, 포토다이오드(PPD2) 및 포토다이오드(PPD3)로부터의 광전자들은 저장 다이오드(SD3)에 전달된다. 저장 다이오드들(SD1 및 SD3)의 전하들은 개개의 판독 회로들에서 플로팅 확산 구역들에 전달되고, 이어서, 판독 회로들(RO_1 및 RO_3)로부터의 출력 신호들은 증폭기(AMP2)에 전달되며, 여기서 전하들은 샘플-홀드 커패시터들에 저장될 수 있다.
[0172] 유사하게, 도 30a의 타이밍 펄스 #2(3002)에 의해 도시된 바와 같이, 위상 2의 전하 합산 동안, 전달 신호들(TX1_3 및 TX1_4)의 제어 하에서, 포토다이오드(PPD1) 및 포토다이오드(PPD2)로부터의 포토 전하들은 저장 다이오드(SD2)에 전달되고, 포토다이오드(PPD3) 및 포토다이오드(PPD4)로부터의 포토 전하들은 저장 다이오드(SD4)에 전달된다. 저장 다이오드들(SD2 및 SD4)의 전하들은 개개의 판독 회로들에서 플로팅 확산 구역들에 전달되고, 판독 회로들(RO_2 및 RO_4)로부터의 출력 신호들은 증폭기(AMP1)에 입력되며, 여기서 전하들은 샘플-홀드 커패시터들에 저장될 수 있다.
[0173] 유사하게, 타이밍 펄스 #3(3003) 동안, 전달 신호들(TX1_1 및 TX1_2)의 제어 하에서, 포토다이오드(PPD1) 및 포토다이오드(PPD4)로부터의 포토 전하들은 저장 다이오드(SD1)에 전달되고, 포토다이오드(PPD2) 및 포토다이오드(PPD3)로부터의 포토 전하들은 저장 다이오드(SD3)에 전달된다. 저장 다이오드들(SD1 및 SD3)로부터의 전하들은 판독 회로들에서 플로팅 확산 구역들에 전달된다. 이어서, 판독 회로들(RO_1 및 RO_3)로부터의 출력 신호들은 증폭기(AMP2)에 전달되며, 여기서 전하들은 샘플-홀드 커패시터들에 저장될 수 있다.
[0174] 타이밍 펄스 #4(3004) 동안, 전달 신호들(TX1_3 및 TX1_4)의 제어 하에서, 포토다이오드(PPD1) 및 포토다이오드(PPD2)로부터의 포토 전하들은 저장 다이오드(SD2)에 전달되고, 포토다이오드(PPD3) 및 포토다이오드(PPD4)로부터의 포토 전하들은 저장 다이오드(SD4)에 전달된다. 저장 다이오드들(SD2 및 SD4)의 전하들은 판독 회로들에서 플로팅 확산 구역들에 전달된다. 판독 회로들(RO_2 및 RO_4)의 출력 신호들은 증폭기(AMP1)에 입력되며, 여기서 전하들은 샘플-홀드 커패시터들에 저장될 수 있다.
[0175] 일부 실시예들에서, 전달 신호들(TX2_1 및 TX2_2)은 포토 전하들을 저장 다이오드들로부터 플로팅 확산 구역들에 전달하는 데 사용된다. 예컨대, 도 28에 도시된 바와 같이, 전달 신호(TX2_1)의 제어 하에서, 저장 다이오드(SD2)로부터의 포토 전하들은 플로팅 확산 구역(FD2)에 전달되고, 저장 다이오드(SD3)로부터의 포토 전하들은 플로팅 확산 구역(FD3)에 전달된다. 유사하게, 전달 신호(TX2_2)의 제어 하에서, 저장 다이오드(SD1)로부터의 포토 전하들은 플로팅 확산 구역(FD1)에 전달되고, 저장 다이오드(SD4)로부터의 포토 전하들은 플로팅 확산 구역(FD4)에 전달된다. 일부 실시예들에서, 이들 전하 전달들은 도 28의 타이밍 펄스 #4 후에 발생할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 이들 전하 전달들은 도 28에서 타이밍 펄스 #3 이후에 그리고 이어서 타이밍 펄스 #4 후에 발생할 수 있다.
[0176] 도 29b에 도시된 바와 같이, 이어서 증폭기들(AMP1 및 AMP2)로부터의 출력 신호들은 차동 증폭기(2970)에 제공되며, 여기서 차동 신호들이 형성된다. 따라서, 타겟으로부터 반사된 광에 기반한 차동 신호들은 ToF 결정을 위해 사용된다. 위에 설명된 바와 같이, 복귀 광이 (3012의) 타이밍 펄스 #1과 (3014의) 타이밍 펄스 #4 사이에서 통합되기 때문에, 도 30a의 타이밍도에 따라 생성된 차동 신호는 ToF 깊이/시간 시프트와 관련하여 변할 수 있다.
[0177] 도 30a에 도시된 바와 같이, 타겟으로부터 반사된 실질적으로 모든 광이 수집될 수 있다. 이 실시예에서, 주변 광 신호(3011)와 비교하여, 높은 세기 광 소스가 이미터(emitter)로서 사용된다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 반사된 광과 비교하여, 소량의 주변 광이 수집된다. 광 펄스(3010)는 타겟에 전송되고 복귀한다. 3012의 타이밍 펄스 #1의 시작 내지 3014의 타이밍 펄스 #4의 끝의 시간 범위는 동작 ToF 범위를 나타낸다. 이 범위 내에서, 모든 반사된 광이 수집된다. 대조적으로, 주변 광의 대부분은 시간 범위 외부에 있고, 수집되지 않는다. ToF에 대한 픽셀내 차동 모드의 추가의 장점은, 주변 광 기여도가 추가로 감소 또는 소거될 수 있다는 것이다. ToF 동작에 대한 시간 범위 후에, 포토 전하들이 드레인될 수 있다. 일부 실시예들에서, 글로벌 셔터 게이트는 포토다이오드와 전력 공급기 사이에 배치되고, 글로벌 셔터 게이트를 턴온하는 것은 수집된 포토 전하들의 대부분을 드레인할 수 있다. 예컨대, 포토 전하들의 90 %가 포토다이오드로부터 드레인될 수 있다. 이 특정 퍼센티지들은 단지 대표적이며, 다른 퍼센티지들이 본 발명의 범위 내에 포함된다. 도 30a가 4개의 타이밍 펄스들(예컨대, 타이밍 펄스 #1(3001), 타이밍 펄스 #2(3002), 타이밍 펄스 #3(3003) 및 타이밍 펄스 #4(3004))를 참조하여 위에서 주로 설명되지만, 일부 구현들에서, 본원에 설명된 이미지 감지 디바이스들 중 하나 이상이 ToF 측정 사이클 당 4개보다 더 적거나 더 많은 타이밍 펄스들을 사용할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0178] 도 30b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 11의 픽셀 셀에 대한 ToF(time-of-flight) 동작들을 예시하는 타이밍도이다. 도 11의 픽셀 셀에 대한 ToF 동작들은 도 5-11과 관련하여 위에서 설명되었고, 여기서 ToF 스윙은 저장 다이오드(SD)와 글로벌 셔터(GS) 사이에 있다. 이 타이밍도는 드레인 전용 펄스 ToF 동작 모드와 연관될 수 있다. 도 30b에서, 곡선(3020)은 ToF 결정을 위해 광 소스로부터 타겟을 향해 방출된 광 펄스를 나타낸다. 곡선(3021)은 주변 광 신호를 나타낸다. 타이밍 곡선(3022)은, 포토다이오드들이 픽셀 변조를 위한 광 입력을 감지하도록 인에이블될 수 있는 노출 시간 윈도우를 나타낸다. 이 실시예에서, 주변 광 신호(3021)와 비교하여, 높은 세기 광 소스가 이미터(emitter)로서 사용된다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 반사된 광과 비교하여, 소량의 주변 광이 수집된다. 따라서, 이 실시예에서 단지 몇몇의 방출된 광 펄스들만이 활용되며, 이들 중 하나가 도 30b에 도시된다. 도 30a와 관련한 위의 설명과 유사하게, 대부분의 반사된 광이 수집되고, 주변 광(3021)의 대부분이 거부된다. 그러나, 출력 신호들이 차동이 아니기 때문에, 어떠한 추가의 주변 광 소거도 실현될 수 없다. 광 소스로부터 방출된 레이저 광의 일부 에너지, 예컨대, 일부 실시예들에서, 노출 시간 윈도우 외부의 시간들에 픽셀 셀에서 수신된 광이 드레인된다.
[0179] 도 30c는 종래의 위상 변조 ToF(time-of-flight) 동작을 예시하는 타이밍도이다. 도 30c에서, 3030은 광 소스로부터 방출된 레이저 광을 나타내고, 3031은 주변 광을 나타낸다. 부가적으로, 3032 및 3035는 위상 변조 ToF(time-of-flight) 결정을 위한 타이밍 펄스들을 나타낸다. 타겟을 향해 방출된 각각의 광 펄스에 대해, 타겟으로부터 반사된 광은 3032 및 3035의 2개의 연속적인 타이밍 윈도우들에서 각각 수집된다. ToF 정보는 2개의 감지된 반사된 광 신호들로부터 도출된다. 이 ToF 방법에서, 어떠한 주변 광도 거부되지 않고, 모든 레이저 에너지가 수집된다. 추가로, 차동 출력은 주변 광을 소거할 수 있다.
[0180] 도 31은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 28의 픽셀 셀 내의 포토다이오드의 동작을 예시하는 전위들의 플롯이다. 도 28의 픽셀 셀(2800)을 참조하면, 도 31은 포토다이오드(PPD4), PPD4 양측 상의 저장 다이오드들(SD1 및 SD4), 플로팅 확산 구역(FD) 및 전력 공급기(VDD)에 걸친 전위를 도시한다. 전달 신호(TX1_2)는 PPD4로부터 SD1로의 전하 전달을 제어하고, 전달 신호(TX1_3)는 PPD4로부터 SD4로의 전하 전달을 제어한다. 전달 신호들(TX2)은 저장 다이오드들(SD1 및 SD3)로부터 플로팅 확산 구역들(FD)로의 전하 전달을 제어한다. 회로를 리셋하기 위한 리셋 신호(RST)가 전력 공급기에 인가된다. 도 30a의 타이밍 플롯들과 관련하여 위에 설명된 바와 같이, 전달 신호들(TX1_1 및 TX1_3)은 상보적인 방식으로, 즉, 하나가 온일 때, 다른 하나가 오프이고, 그 역도 가능한 방식으로 토글링된다. 다시 말해서, 전달 게이트(TX1)는 변조된 그리고 비변조된 부분들에 대해 다수의 전달 게이트들(예컨대 TX1_1, TX1_2, TX1_3 및 TX1_4)로 분할된다. 도 31에서, 실선은, 전달 신호(TX1_3)가 턴온될 때, 포토다이오드(PPD4)로부터 저장 다이오드(SD4)로의 포토 전하들의 전달을 예시한다. 점선은, 전달 신호(TX1_2)가 턴온될 때, 포토다이오드(PPD4)로부터 저장 다이오드(SD1)로의 전하들의 전달을 예시한다. 점선은 또한, 전달 신호(TX2)의 제어 하에 저장 다이오드(SD1)로부터 플로팅 확산부(FD)로의 전하들의 전달, 및 리셋 신호(RST)의 제어 하에서 전하들의 드레인을 도시한다. 도시된 바와 같이, TX1_2 및 TX1_3은 상보적인 방식으로 토글링된다. 다시 말해서, TX1_2 및 TX1_3 중 하나가 더 높을 때, 다른 하나가 낮고, 그 역도 가능하다. 이러한 어레인지먼트는 전하의 스필-백을 방지할 수 있다.
[0181] 위에 설명된 바와 같이, 도 28의 픽셀 셀(2800) 내의 포토다이오드들 각각은 포토다이오드들 각각의 양측 상의 2개의 저장 다이오드들에 커플링된다. 제1 시간 윈도우 동안, 포토다이오드(PPD4)의 전하들은, 도 31의 실선 전위 곡선으로 예시된 바와 같이 저장 다이오드(SD4)로 전달된다. 제2 시간 윈도우 동안, 포토다이오드(PPD4)의 전하들은, 도 31a의 점선 전위 곡선으로 예시된 바와 같이, 저장 다이오드(SD1)로 전달된다. 이 때, 판독 회로들에서 플로팅 확산 구역으로 전달하기 위해 전하들이 SD1 및 SD4에 각각 유지된다. 전하 제어 신호(TX3)는, 전하가 PPD로 다시 누설되는 것을 방지하고 게이트 영역 및 따라서 TX1_N의 커패시턴스의 감소를 허용하기 위해, 저장 다이오드 위에 배치된 전하 제어 게이트를 제어한다. 감소된 커패시턴스 및 누설은 더 높은 콘트라스트로 더 빠른 ToF 변조를 가능하게 한다. 따라서, 도 28의 픽셀 셀은, 상이한 타이밍 윈도우들 동안 전하 수집을 허용하여 결과적으로 ToF 변조 성능을 개선하기 위한 전하 저장 유닛으로서 기능한다. 픽셀 셀은 또한 전하의 스필-백, 감소된 게이트 캐패시턴스(게이팅 속도 및 콘트라스트에 영향을 줄 수 있음) 및 개선된 변조 콘트라스트를 방지하도록 구성된다. 추가로, 픽셀 셀은 또한, 도 34 및 35와 관련하여 아래에 설명되는 바와 같이, 차동 및 비차동 이미지 캡처를 가능하게 할 수 있다. 게다가, 위에 설명된 픽셀 셀은 또한 피닝된 포토다이오드 글로벌 셔터 픽셀 설계와 호환 가능하다.
[0182] 도 32a 및 32b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 11의 픽셀 셀 내의 포토다이오드의 동작을 예시하는 전위들의 플롯들이다. 도 11의 픽셀 셀에서, 각각의 포토다이오드(PPD)는 하나의 저장 다이오드(SD)에만 커플링된다. 도 31에서, 전달 게이트(TX1)를 턴온하는 것은 포토다이오드(PPD)로부터 저장 다이오드(SD)로 포토 전하들을 전달한다. 이어서, 포토 전하들이 판독 회로로 전달된다. 도 32a에서, 노출 기간 후에, 글로벌 셔터(GS)를 턴온하는 것은 포토다이오드의 전하들을 드레인한다. 따라서, 추가의 포토 전하들을 제공하기 위해 포토다이오드가 더 이상 사용 가능하지 않다.
[0183] 본 발명의 일부 실시예들에서, 도 28-31에 도시된 픽셀 셀들은 ToF 거리 측정을 위한 이미지 센서 디바이스에 사용될 수 있다. 이미지 감지 디바이스는 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들, 및 이미지 센서 디바이스의 노출 단계 및 샘플링 단계를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 도 2a 및 2b는 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들의 예들을 예시한다.
[0184] 도 28-31에 도시된 픽셀 셀들에서, 각각의 픽셀 셀은 4개의 포토다이오드들, 4개의 저장 다이오드들, 및 4개의 플로팅 확산 구역들을 포함한다. 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치되고, 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드 및/또는 제2 인접 포토다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 추가로, 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드와 제2 인접 저장 다이오드 사이에 배치되고, 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드 및/또는 제2 인접 저장 다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성된다. 추가로, 각각의 플로팅 확산 구역은 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치된다.
[0185] 대안적인 실시예들에서, 픽셀 셀은 4개의 포토다이오드들로 제한되지 않는다. 일반적으로, 픽셀 셀은 복수의 포토다이오드들 및 대응하는 복수의 저장 다이오드들을 포함할 수 있다. 본원에 설명된 방법들은 4개 초과의 픽셀 포토다이오드들을 갖는 픽셀들에 채택될 수 있다. 유사하게, 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 방법들은, 4개 미만의 포토다이오드들(예컨대, 2개의 포토다이오드들 또는 3개의 포토다이오드들)을 갖는 픽셀들에 채택될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 픽셀 셀은 4개의 저장 다이오드들로 제한되지 않는다. 본원에 설명된 방법들은 4개보다 더 많거나 더 적은 저장 다이오드들을 갖는 픽셀들에 채택될 수 있다. 일부 구현들에서, 픽셀 셀은 동일하지 않은 수량들의 포토다이오드들 및 저장 다이오드들을 포함할 수 있다. 예컨대, 이러한 구현들에서, 픽셀 셀은 체커보드형 구성으로 배열된 홀수 수량의 포토다이오드들(예컨대, 5개의 포토다이오드들) 및 짝수 수량의 저장 다이오드들(예컨대, 4개의 저장 다이오드들)을 포함할 수 있다. 이 예에서, 각각의 저장 다이오드는 2개 초과의 포토다이오드들(예컨대, 3개의 포토다이오드들 또는 4개의 포토다이오드들) 사이에 배치될 수 있고 또한 2개 초과의 포토다이오드들로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성될 수 있다. 당업자는, 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인지할 것이다.
[0186] 도 28 및 29b에 도시된 바와 같이, 이미지 센서 디바이스는 또한 제2 플로팅 확산 구역 및 제4 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하기 위한 제1 합산 디바이스, 및 제1 플로팅 확산 구역 및 제3 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하기 위한 제2 합산 디바이스를 포함한다. 도 29b에 도시된 바와 같이, 이미지 센서 디바이스는 또한 제1 및 제2 합산 디바이스들에 커플링된 차동 증폭기를 포함할 수 있다. 이미지 센서 디바이스는 또한 이미지 감지 디바이스에서 전하 전달을 제어하기 위한 제어 회로를 가질 수 있다. 제어 회로는 도 1, 도 3, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 펄스 조명 유닛(110), 센서 유닛(130) 및 ToF 타이밍 생성기(150)와 같은 회로를 포함할 수 있다.
[0187] 일부 실시예들에서, 이미지 센서 디바이스는 차동 ToF 측정을 위해 사용될 수 있다. 도 28-31과 관련하여 설명된 바와 같이, 이미지 센서 디바이스의 제어 회로는 차동 ToF 모드에서 방법을 구현하도록 구성된다.
[0188] 도 33은 차동 ToF 모드 동작을 위한 방법(3300)을 요약한 흐름도이다. 방법은, 3310에서, 노출 시간 윈도우 동안 픽셀 셀을 광에 노출시키는 것으로 시작한다. 3320에서, 제1 기간 동안, 수집된 포토 전하들은 제1 쌍의 포토다이오드들로부터 제1 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제1 저장 다이오드에 전달되고, 3330에서, 제2 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들은 제2 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제2 저장 다이오드에 전달된다.
[0189] 제2 기간 동안, 3340에서, 수집된 포토 전하들은 제3 쌍의 포토다이오드들로부터, 제3 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제3 저장 다이오드에 전달되고, 3350에서, 수집된 포토 전하들은 제4 쌍의 포토다이오드들로부터 제4 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제4 저장 다이오드에 전달된다. 3360에서, 제2 저장 다이오드 및 제4 저장 다이오드로부터의 포토 전하들의 제1 합이 형성된다. 3370에서, 제1 저장 다이오드 및 제3 저장 다이오드로부터의 포토 전하들의 제2 합이 형성된다. 3380에서, 제1 합은 차동 증폭기의 제1 입력에 전달되고, 제2 합은 차동 증폭기의 제2 입력에 전달된다. 3390에서, 차동 증폭기는 제1 합 및 제2 합에 기반하여 차동 신호를 결정한다. 차동 신호는 ToF 결정에 사용될 수 있다.
[0190] 도 33에 예시된 특정 단계들은 본 발명의 실시예에 따라, 차동 ToF 모드 동작을 수행하는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 또한, 단계들의 다른 시퀀스들이 대안적인 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적인 실시예들은, 위에서 약술된 단계들을 상이한 순서로 수행할 수 있다. 더욱이, 도 33에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적절한 바와 같은 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 또한, 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가적인 단계들이 부가 또는 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변형들, 수정들 및 대안들을 인식할 것이다.
[0191] 일부 실시예들에서, 차동 ToF 모드에서 픽셀 셀을 동작시키는 방법은 노출 시간 윈도우 동안 픽셀 셀을 광에 노출시키는 단계를 포함할 수 있으며, 픽셀 셀은, 위에 설명된 바와 같이, 4개의 포토다이오드들 및 4개의 저장 다이오드들을 포함한다. 이 방법은, 제1 기간 동안, 제1 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제1 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제1 저장 다이오드에 전달하는 단계, 및 제2 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제2 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제2 저장 다이오드에 전달하는 단계를 포함한다. 방법은, 제2 기간 동안, 제3 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제3 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제3 저장 다이오드에 전달하는 단계, 및 제4 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 제4 쌍의 포토다이오드들 사이 배치된 제4 저장 다이오드에 전달하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드로부터의 포토 전하들의 합을 차동 증폭기의 제1 입력에 제공하고, 그리고 제3 저장 다이오드 및 제4 저장 다이오드로부터의 포토 전하들의 합을 차동 증폭기의 제2 입력에 제공함으로써 차동 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
[0192] 일부 실시예들에서, 방법은 또한 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드로부터 제1 플로팅 확산 구역에 포토 전하들을 전달하는 단계, 및 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드로부터 제2 플로팅 확산 구역으로 포토 전하들을 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 제1 플로팅 확산 구역으로부터 제1 샘플-홀드 커패시터에 포토 전하들을 전달하는 단계, 제2 플로팅 확산 구역으로부터 제2 샘플-홀드 커패시터에 포토 전하들을 전달하는 단계, 및 제1 및 제2 샘플 및 홀드 커패시터로부터 신호들을 차동 증폭기에 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법의 일부 실시예들에서, 제1 쌍의 포토다이오드들 및 제2 쌍의 포토다이오드들은 공통되는 포토다이오드를 갖지 않으며, 제3 쌍의 포토다이오드들 및 제4 쌍의 포토다이오드들은 공통되는 포토다이오드를 갖지 않는다. 차동 ToF 모드를 위한 방법의 예는 도 28-31과 관련하여 설명된다.
[0193] 일부 실시예들에서, 비닝 모드에서 픽셀 셀을 동작시키는 방법은 제1 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제1 저장 다이오드에 전달하는 단계, 및 제2 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제2 저장 다이오드에 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한, 비닝을 위한 2개의 감지된 신호들을 제공하기 위해 제1 저장 다이오드 및 제2 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하는 단계를 포함할 수 있다. 비닝 모드를 위한 방법의 예는 도 34와 관련하여 설명된다.
[0194] 일부 실시예들에서, 풀 분해능 모드에서 픽셀 셀을 동작시키는 방법은 각각의 포토다이오드에서 수집된 포토 전하들을 인접 저장 다이오드에 전달하는 단계, 및 4개의 서브-픽셀들에 대한 감지된 신호들을 제공하기 위해 각각의 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하는 단계를 포함할 수 있다. 풀 분해능 모드를 위한 방법의 예는 도 35와 관련하여 설명된다.
[0195] 도 28에 도시된 바와 같이, 픽셀 셀(2800)은 4개의 포토다이오드들(PPD1, PPD2, PPD3 및 PPD4)을 포함한다. 픽셀 셀(2800)은 또한 4개의 저장 다이오드 전하 제어 게이트들 아래에 배치된 4개의 저장 다이오드들을 포함한다. 각각의 저장 다이오드가 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치되고, 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드 및/또는 제2 인접 포토다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다는 것을 알 수 있다. 추가로, 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드와 제2 인접 저장 다이오드 사이에 배치되고, 각각의 포토다이오드는 전달 게이트들의 제어 하에서 제1 인접 저장 다이오드 및/또는 제2 인접 저장 다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성된다. 포토다이오드들과 저장 다이오드들 사이의 전하 전달들은 도 28과 관련하여 위에 설명된 바와 같이 전달 게이트들(TX1_1, TX1_2, TX1_3 및 TX1_4)의 제어 하에 있다.
[0196] 도 28-29b의 실시예에서, 4개의 포토다이오드들은 2×2 어레이로 배열되며, 각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 사이에 배치된다. 각각의 쌍의 인접 포토다이오드와 저장 다이오드 사이에는 전달 게이트가 있다. 픽셀 셀(2800)은 또한 도 28의 픽셀 셀(28)과 유사한 4개의 플로팅 확산 구역들을 포함한다. 각각의 플로팅 확산 구역들은 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치된다. 하나의 플로팅 확산 구역(FD1)이 도시된다. 각각의 쌍의 인접 저장 다이오드와 플로팅 확산 구역 사이에 전달 게이트가 있다. 각각의 저장 다이오드 위에 놓이고 일정한 전압을 유지하도록 구성된 전하 제어 게이트(TX3)가 또한 있다.
[0197] 본 발명의 일부 실시예들에서, 도 28-29b에 도시된 픽셀 셀들은 ToF 거리 측정을 위한 이미지 센서 디바이스에 사용될 수 있다. 이미지 감지 디바이스는 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들, 및 이미지 센서 디바이스의 노출 단계 및 샘플링 단계를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 도 2a 및 2b는 픽셀 어레이의 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀 셀들의 예들을 예시한다. 제어 회로는, 도 1, 3 및 도 4a 및 4b에 예시된 바와 같이, 펄스 조명 유닛(110), 센서 유닛(130) 및 ToF 타이밍 생성기(150)와 같은 회로를 포함할 수 있다.
[0198] 도 34는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비닝 모드 동작을 위한 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 평면 개략도이다. 도 34는 도 28-29b의 픽셀 셀들과 유사한, 4개의 포토다이오드들 및 4개의 저장 다이오드들을 포함하는 픽셀 셀(3400)을 예시한다. 각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 사이에 배치되고, 각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 각각의 포토다이오드는 2개의 인접 저장 다이오드들 사이에 배치되고, 각각의 포토다이오드는 2개의 인접 저장 다이오드들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성된다. 비닝 동작 모드에 대해, 제1 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들은 제1 저장 다이오드에 전달되고, 제2 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들은 제2 저장 다이오드에 전달된다. 예컨대, 도 34에서, 포토다이오드들(PPD2 및 PPD3)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD3)에 전달되고, 포토다이오드들(PPD1 및 PPD4)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD1)에 전달된다. 이어서, 제1 저장 다이오드(SD3) 및 제2 저장 다이오드(SD1)의 포토 전하들은 비닝을 위한 2개의 감지된 신호들을 제공하도록 감지된다. 이 예에서, 전달 신호들(TX1_1 및 TX1_2)은 전하 전달을 제어하기 위해 함께 토글링된다. 위에 설명된 동작은 도 28의 타이밍 펄스 #1 동안 발생하는 동작과 유사하다. 대안적으로, 비닝 동작을 위해 상이한 쌍의 포토다이오드들이 또한 사용될 수 있다. 예컨대, 도 28의 타이밍 펄스 #2 동안 발생하는 동작과 유사하게, 포토다이오드들(PPD1 및 PPD2)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD2)에 전달되고, 포토다이오드들(PPD3 및 PPD4)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD4)에 전달된다. 이어서, 제1 저장 다이오드(SD2) 및 제2 저장 다이오드(SD4)의 포토 전하들은 비닝을 위한 2개의 감지된 신호들을 제공하도록 감지된다. 이 예에서, 전달 신호들(TX1_3 및 TX1_4)은 전하 전달을 제어하기 위해 함께 토글링된다. 도 37c를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이, 비닝 모드는 비닝된 차동 모드 ToF 결정에서 사용될 수 있다.
[0199] 도 35는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 풀 분해능 모드 동작을 위한 픽셀 셀을 예시하는 간략화된 평면 개략도이다. 도 35는 도 28-29b의 픽셀 셀들과 유사한, 4개의 포토다이오드들 및 4개의 저장 다이오드들을 포함하는 픽셀 셀(3500)을 예시한다. 각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 사이에 배치되고, 각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된다. 각각의 포토다이오드는 2개의 인접 저장 다이오드들 사이에 배치되고, 각각의 포토다이오드는 2개의 인접 저장 다이오드들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성된다. 풀 분해능 모드 동작을 위해, 각각의 포토다이오드에서 수집된 포토 전하들은 개개의 인접 저장 다이오드에 전달된다. 각각의 저장 다이오드의 포토 전하들은 4개의 서브-픽셀들에 대한 감지된 신호들을 제공하도록 감지된다. 예컨대, 도 35에서, 포토다이오드들(PPD1)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD2)에 전달되고, 포토다이오드들(PPD2)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD3)에 전달되고, 포토다이오드들(PPD3)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD4)에 전달되고, 포토다이오드들(PPD4)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD1)에 전달된다. 이어서, 4개의 저장 다이오드들(SD1, SD2, SD3, 및 SD4) 각각에서의 포토 전하들은 4개의 서브-픽셀들 각각에 대해 4개의 감지된 신호들을 제공하도록 감지된다. 이 예에서, 전달 신호들(TX1_2 및 TX1_4)은 전하 전달을 제어하기 위해 함께 토글링될 수 있다. 도 35는 또한, 광학 신호들을 판독하기 위한 플로팅 확산 구역을 각각 갖는 4개의 판독 회로들(RO_1, RO_2, RO_3 및 RO_4)을 도시한다.
[0200] 대안적으로, 풀 분해능 모드 동작을 위해 포토다이오드들 및 저장 다이오드들의 상이한 연관들이 또한 사용될 수 있다. 예컨대, 도 35에서, 포토다이오드들(PPD1)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD1)에 전달될 수 있고, 포토다이오드들(PPD2)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD2)에 전달될 수 있고, 포토다이오드들(PPD3)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD3)에 전달될 수 있고, 포토다이오드들(PPD4)에서 수집된 포토 전하들은 저장 다이오드(SD4)에 전달될 수 있다. 이어서, 4개의 저장 다이오드들(SD1, SD2, SD3, 및 SD4) 각각에서의 포토 전하들은 4개의 서브-픽셀들 각각에 대해 4개의 감지된 신호들을 제공하도록 감지된다.
[0201] 도 36은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 28의 픽셀 셀의 일부의 레이아웃을 예시하는 라인 드로잉 플롯이다. 도 30a의 타이밍도를 참조하면, 차동 ToF 모드에서, 도 36에 도시된 바와 같이 라벨 저장 1 및 저장 2로 도시된 바와 같이, 2개의 스윙 위상들이 프린지 커패시턴스를 감소시키기 위해 두 줄의 픽셀들 사이에 인터리빙된다. 라벨 저장 1과 연관된 2개의 금속 라인들(3610 및 3612), 예컨대, 도 28의 전달 신호들(TX1_3 및 TX1_4)과 연관된 금속 라인들이 함께 토글링된다. 따라서, 2개의 라인들 사이의 커패시턴스는 낮다. 유사하게, 라벨 저장 2와 연관된 2개의 금속 라인들(3620 및 3622), 예컨대, 도 28의 전달 신호들(TX1_1 및 TX1_2)과 연관된 금속 라인들이 함께 토글링된다. 따라서, 2개의 라인들 사이의 커패시턴스는 낮다. 반면에, 라벨 저장 1과 연관된 2개의 금속 라인들은 라벨 저장 2와 연관된 2개의 금속 라인으로부터 떨어져 배치된다. 이러한 어레인지먼트는, 전기 저항을 감소시키기 위해 두꺼운 금속 라인들에서조차도 커패시턴스를 감소시킬 수 있다. 이 어레인지먼트는, 예컨대, 서브 나노초 범위의 빠른 응답이 요구될 때, ToF 동작들에 바람직하다.
[0202] 도 37a, 37b 및 37c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 도 28-29b의 픽셀 셀을 사용하여 구현될 수 있는 상이한 동작 모드들을 예시하는 간략화된 타이밍도들이다. 도 37a는, 2개의 전체 판독들이 요구되는 표준 이미지 센서 차동 모드에 대한 타이밍도를 예시한다. 이 모드에서, 첫 번째 펄스는 능동 조명과 함께 동작되고, 두 번째 펄스는 능동 조명이 "OFF" 상태일 때 동작된다. 이 차동 모드에서, 센서는 비닝 모드로 작동하며, 캡처들 간에 전체 판독이 수행된다. 차동 신호는 캡처된 프레임들 사이에서 디지털 방식으로 감산 연산에 의해 획득될 수 있다.
[0203] 도 37b는, 단지 하나의 차동 판독이 수행되는, 도 28-36과 관련하여 위에서 예시된 바와 같이, 픽셀내 차동 ToF 모드에 대한 타이밍도를 예시한다. 이 모드에서, 활성 조명된 서브-프레임과 OFF-상태 서브-프레임 사이에 어떠한 판독 시퀀스도 존재하지 않는다. 이 픽셀내 차동 모드에서, 센서는 차동 모드에서 동작하고, 차동 신호들은 차동 증폭기를 사용하여 수행된 감산에 의해 생성된다.
[0204] 도 37c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 진전된 "동적 모드" 동작에 대한 타이밍도를 예시한다. 동적 모드에서, 픽셀 셀들의 어레이는 차동 비교기들로 스캔되고, 미리 설정된 임계치를 초과하는 감지된 신호들을 갖는 픽셀들의 어드레스들은 SPI(Serial Peripheral Interface)와 같은 통신 링크를 통해 전송된다. 이 모드에서, 낮은 데이터 대역폭으로 선택적 이벤트 기반 출력이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 능동 조명이 요구되지 않고, 시간에 따른 신호의 변화들은 2개의 저장소들에 교번으로 통합함으로써 추적된다. 일부 실시예들에서, 각각의 픽셀은 2개의 저장소들을 갖고, 이미지는 이전 이미지와 비교될 수 있다. 이 차이들은 롤링 셔터, 및 단일 비트만을 포함할 수 있는 간략화된 ADC(analog-to-digital converter)에 의해 테스팅될 수 있다. 이는 비교기로 구현될 수 있다.
[0205] 본 발명의 바람직한 실시예들이 예시되고 설명되었지만, 본 발명은 이들 실시예들로만 제한되지는 않는다는 것이 명백할 것이다. 다수의 수정들, 변경들, 변동들, 대체물들 및 등가물들이 청구항들에 설명된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 당업자들에게 자명할 것이다.

Claims (46)

  1. ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법으로서,
    상기 픽셀 회로는:
    포토다이오드(drain region);
    상기 포토다이오드에 인접하고 바이어스 전압(bias voltage)에 커플링된 드레인 구역(drain region);
    상기 포토다이오드와 상기 드레인 구역 사이에 배치된 셔터 게이트 ― 상기 셔터 게이트는 광 감지를 위해 상기 포토다이오드를 바이어싱하기 위한 상기 바이어스 전압을 인가하도록 글로벌 셔터 신호에 의해 제어됨 ― ;
    제1 전달 신호에 의해 제어되는 제1 전달 게이트를 통해 포토다이오드에 커플링된 저장 다이오드; 및
    제2 전달 신호에 의해 제어되는 제2 전달 게이트를 통해 저장 다이오드에 커플링된 플로팅 확산 구역(floating diffusion region)을 포함하고,
    상기 방법은:
    노출 기간에서,
    포토다이오드 및 저장 다이오드를 커플링하기 위해,상기 제1 전달 신호를 사용하여, 상기 제1 전달 게이트를 활성화시키는 단계; 및
    대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해, 제1 복수의 시간 윈도우들에서, 상기 포토다이오드를 활성화시키는 단계 ― 각각의 시간 윈도우와, 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 D1으로 지정됨 ― ;
    및
    샘플링 기간에서:
    상기 저장 다이오드로부터 상기 플로팅 확산 구역으로 전하들을 전달하기 위해, 상기 제2 전달 신호를 사용하여, 상기 제2 전달 게이트를 활성화시키는 단계를 포함하고,
    상기 플로팅 확산 구역의 전하들은, 상기 노출 기간 동안 수집된 전하들을 나타내는 제1 샘플링된 신호(S1)를 결정하도록 샘플링되는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    제1 복수의 시간 윈도우들에서 상기 포토다이오드를 노출시키는 단계는, 상기 포토다이오드를 노출시키기 위해 제1 복수의 글로벌 셔터 펄스들을 갖는 제1 글로벌 셔터 신호를 상기 셔터 게이트에 제공하는 단계를 포함하는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    제1 복수의 시간 윈도우들에서 상기 포토다이오드를 노출시키는 단계는 상기 포토다이오드에 인접한 상기 드레인 구역을 복수의 바이어스 전압 펄스들(VAAGS)에 커플링하는 단계를 포함하는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 바이어스 전압은 상기 제1 전달 신호 및 상기 제2 전달 신호보다 더 높은,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 플로팅 확산 구역의 전하들은 CDS(correlated double sampling)을 사용하여 샘플링되는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  6. ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법으로서,
    상기 픽셀 회로는:
    포토다이오드;
    상기 포토다이오드에 인접하고 바이어스 전압에 커플링된 드레인 구역;
    상기 포토다이오드와 상기 드레인 구역 사이에 배치된 셔터 게이트 ― 상기 셔터 게이트는 광 감지를 위해 상기 포토다이오드를 바이어싱하기 위한 상기 바이어스 전압을 인가하도록 글로벌 셔터 신호에 의해 제어됨 ― ;
    제1 전달 신호에 의해 제어되는 제1 전달 게이트를 통해 상기 포토다이오드에 커플링된 저장 다이오드; 및
    제2 전달 신호에 의해 제어되는 제2 전달 게이트를 통해 상기 저장 다이오드에 커플링된 플로팅 확산 구역을 포함하고,
    상기 방법은:
    제1 노출 기간에서,
    상기 포토다이오드 및 상기 저장 다이오드를 커플링하기 위해, 상기 제1 전달 신호를 사용하여, 상기 제1 전달 게이트를 활성화시키는 단계;
    대응하는 제1 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해, 제1 복수의 시간 윈도우들에서, 상기 포토다이오드를 활성화시키는 단계 ― 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 D1으로 지정됨 ― ;
    제1 샘플링 기간에서:
    상기 저장 다이오드로부터 상기 플로팅 확산 구역으로 전하들을 전달하기 위해, 상기 제2 전달 신호를 사용하여, 상기 제2 전달 게이트를 활성화시키는 단계 ― 상기 플로팅 확산 구역의 전하들은, 상기 제1 노출 기간 동안 수집된 전하들을 나타내는 제1 샘플링된 신호(S1)를 결정하도록 샘플링됨 ― ;
    제2 노출 기간에서,
    상기 포토다이오드 및 상기 저장 다이오드를 커플링하기 위해, 상기 제1 전달 신호를 사용하여, 상기 제1 전달 게이트를 활성화시키는 단계; 및
    대응하는 제2 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 상기 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해, 제2 복수의 시간 윈도우들에서, 상기 포토다이오드를 활성화시키는 단계 ― 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이의 지연 시간은 D2로 지정됨 ― ;
    제2 샘플링 기간에서:
    상기 저장 다이오드로부터 상기 플로팅 확산 구역으로 전하들을 전달하기 위해, 상기 제2 전달 신호를 사용하여, 상기 제2 전달 게이트를 활성화시키는 단계 ― 상기 플로팅 확산 구역의 전하들은, 상기 제2 노출 기간 동안 수집된 전하들을 나타내는 제2 샘플링된 신호(S2)를 결정하도록 샘플링됨 ― ; 및
    상기 제1 샘플링된 신호(S1) 및 상기 제2 샘플링된 신호(S2)에 기반하여 상기 타겟까지의 거리를 결정하는 단계를 포함하는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 타겟까지의 거리를 결정하는 단계는, 상기 제1 샘플링된 신호(S1) 및 상기 제2 샘플링된 신호(S2)에 기반한 룩업 테이블을 사용하는 단계를 포함하는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 타겟까지의 거리를 결정하는 단계는 콘볼루션 방법(convolution method)을 사용하는 단계를 포함하는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    제1 복수의 시간 윈도우들에서 상기 포토다이오드를 노출시키는 것은, 상기 포토다이오드를 노출시키기 위해 제1 복수의 글로벌 셔터 펄스들을 갖는 제1 글로벌 셔터 신호를 상기 셔터 게이트에 제공하는 것을 포함하는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    제1 복수의 시간 윈도우들에서 상기 포토다이오드를 노출시키는 단계는 상기 포토다이오드의 상기 드레인 구역을 복수의 바이어스 전압 펄스들(VAAGS)에 커플링하는 것을 포함하는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 바이어스 전압은 상기 제1 전달 신호 및 상기 제2 전달 신호보다 더 높은,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  12. 제6 항에 있어서,
    상기 플로팅 확산 구역의 전하들은 CDS(correlated double sampling)을 사용하여 샘플링되는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 회로를 동작시키기 위한 방법.
  13. 이미지 센서 디바이스로서,
    픽셀 어레이로 배열된 복수의 픽셀 셀들;
    상기 이미지 센서 디바이스의 노출 단계(exposure phase) 및 샘플링 단계를 제어하기 위한 제어 회로; 및
    픽셀 전력 공급 라인을 상기 노출 단계의 제1 전압 및 상기 샘플링 단계의 제2 전압에 커플링하기 위한 스위칭 회로 ― 상기 제1 전압은 상기 제2 전압보다 더 높음 ― 를 포함하고,
    상기 복수의 픽셀 셀들 각각은:
    반도체 기판 내의 포토다이오드 ― 상기 포토다이오드의 제1 단부는 글로벌 셔터 신호에 의해 제어되는 셔터 게이트를 통해 바이어스 전압에 커플링됨 ― ;
    상기 포토다이오드의 제2 단부를 전기 접지 전도성 라인을 통해 전기 접지에 커플링하기 위한 접지 접촉부;
    상기 반도체 기판 내에 있고, 제1 전달 신호에 의해 제어되는 제1 전달 게이트를 통해 상기 포토다이오드의 제2 단부에 커플링된 저장 다이오드; 및
    상기 반도체 기판 내에 있고, 제2 전달 신호에 의해 제어되는 제2 전달 게이트를 통해 상기 저장 다이오드에 커플링된 플로팅 확산 구역을 포함하는,
    이미지 센서 디바이스.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 각각의 시간 윈도우와 대응하는 방출된 광 펄스 사이에 미리 결정된 지연 시간으로, 대응하는 복수의 방출된 광 펄스들의 결과로서 타겟으로부터 반사된 광을 감지하기 위해 복수의 시간 윈도우들에서 상기 포토다이오드를 활성화시키도록 구성되는,
    이미지 센서 디바이스.
  15. 제14 항에 있어서,
    드레인 구역을 더 포함하고,
    상기 포토다이오드의 제1 단부는 상기 드레인 구역을 통해 바이어스 전압에 커플링되고; 그리고
    상기 제어 회로는, 반사된 광을 감지하기 위해 상기 복수의 시간 윈도우들에서 상기 포토다이오드를 활성화시키기 위한 복수의 바이어스 전압 펄스들을 제공하도록 구성되는,
    이미지 센서 디바이스.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 반사된 광을 감지하기 위해 상기 복수의 시간 윈도우들에서 상기 포토다이오드를 활성화시키기 위한 복수의 글로벌 셔터 신호 펄스들을 제공하도록 구성되는,
    이미지 센서 디바이스.
  17. 기판;
    포토다이오드;
    상기 포토다이오드의 제2 단부를 전기 접지 전도성 라인을 통해 전기 접지에 커플링하기 위한 접지 접촉부;
    상기 포토다이오드에 인접하고 바이어스 전압에 커플링된 드레인 구역;
    상기 포토다이오드와 상기 드레인 구역 사이에 배치된 셔터 게이트 ― 상기 셔터 게이트는 광 감지를 위해 상기 포토다이오드를 바이어싱하기 위한 상기 바이어스 전압을 인가하도록 글로벌 셔터 신호에 의해 제어됨 ― ;
    제1 전달 신호에 의해 제어되는 제1 전달 게이트를 통해 상기 포토다이오드에 커플링된 저장 다이오드; 및
    제2 전달 신호에 의해 제어되는 제2 전달 게이트를 통해 상기 저장 다이오드에 커플링된 플로팅 확산 구역을 포함하는,
    ToF(time-of-flight) 거리 측정을 위한 픽셀 셀.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 4개의 측면 라인들을 갖는 직사각형 확산 영역에 형성되고;
    상기 셔터 게이트는 상기 포토다이오드와 상기 드레인 구역 사이에서 제1 측면 라인을 따라 배치되며, 상기 셔터 게이트는 제1 측면 라인과 동일한 길이를 갖고; 그리고
    상기 제1 전달 게이트는 상기 제1 측면 라인에 인접한 제2 측면 라인을 따라 배치되고, 상기 제1 전달 게이트는 상기 제2 측면 라인의 길이의 절반인 길이를 갖고 상기 제1 측면 라인으로부터 떨어져 상기 포토다이오드의 코너 위에 배치되는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 셀.
  19. 제17 항에 있어서,
    제1 금속 상호연결 층, 제2 금속 상호연결 층 및 제3 금속 상호연결 층을 더 포함하고,
    제1 전달 라인, 제2 전달 라인, 선택 라인 및 리셋 라인은 제1 방향을 따라 상기 제1 금속 상호연결 층에 형성되고, W의 총 폭에 걸쳐있고;
    VDDA 라인, VSSA 라인 및 픽셀 출력 라인이, 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 상기 제2 금속 상호연결 층에 형성되고; 그리고
    글로벌 셔터 라인이 상기 제1 방향을 따라 상기 제3 금속 상호연결 층에 형성되며, 상기 글로벌 셔터 라인은 W와 실질적으로 동일한 폭을 갖는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 셀.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 드레인 구역은 상기 바이어스 전압의 변조를 가능하게 하기 위한 낮은 커패시턴스 드레인 확산 구역을 포함하는,
    ToF 거리 측정을 위한 픽셀 셀.
  21. 4개의 포토다이오드들; 및
    4개의 저장 다이오드들을 포함하고,
    각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 저장 다이오드는 상기 제1 인접 포토다이오드 및 상기 제2 인접 포토다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성되고; 그리고
    각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드와 제2 인접 저장 다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 포토다이오드는 상기 제1 인접 저장 다이오드 및 상기 제2 인접 저장 다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성되는,
    픽셀 셀.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 4개의 포토다이오드들은 2×2 어레이로 배열되고, 각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 사이에 배치되는,
    픽셀 셀.
  23. 제21 항에 있어서,
    각각의 쌍의 인접 포토다이오드와 저장 다이오드 사이의 전달 게이트를 더 포함하는,
    픽셀 셀.
  24. 제21 항에 있어서,
    각각의 저장 다이오드 위에 놓인 전하 제어 게이트를 더 포함하는,
    픽셀 셀.
  25. 제21 항에 있어서,
    4개의 플로팅 확산 구역들을 더 포함하고, 각각의 플로팅 확산 구역들은 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치되는,
    픽셀 셀.
  26. 제25 항에 있어서,
    각각의 쌍의 인접 저장 다이오드와 플로팅 확산 구역 사이의 전달 게이트를 더 포함하는,
    픽셀 셀.
  27. 제21 항에 있어서,
    상기 포토다이오드에서 상기 전하들을 드레인하기 위해 각각의 포토다이오드와 연관된 글로벌 셔터 제어 게이트를 더 포함하는,
    픽셀 셀.
  28. 픽셀 어레이로 배열된 제21 항의 복수의 픽셀 셀들을 포함하는,
    이미지 센서 디바이스.
  29. 픽셀 셀을 동작시키기 위한 방법으로서,
    노출 시간 윈도우 동안 상기 픽셀 셀을 광에 노출시키는 단계를 포함하고,
    상기 픽셀 셀은 4개의 포토다이오드들 및 4개의 저장 다이오드들을 포함하고,
    각각의 저장 다이오드는 2개의 인접 포토다이오드들 사이에 배치되고, 그리고 각각의 저장 다이오드는 상기 2개의 인접 포토다이오드들 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성되고; 그리고
    각각의 포토다이오드는 2개의 인접 저장 다이오드들 사이에 배치되고, 그리고 각각의 포토다이오드는 상기 2개의 인접 저장 다이오드들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성되는,
    픽셀 셀을 동작시키기 위한 방법.
  30. 제29 항에 있어서,
    제1 시간 기간 동안에,
    제1 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 상기 제1 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제1 저장 다이오드에 전달하는 단계; 및
    제2 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 상기 제2 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제2 저장 다이오드에 전달하는 단계;
    제2 시간 기간 동안에,
    제3 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 상기 제3 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제3 저장 다이오드에 전달하는 단계; 및
    제4 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 상기 제4 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제4 저장 다이오드에 전달하는 단계; 및
    상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제2 저장 다이오드로부터의 상기 포토 전하들의 합을 차동 증폭기의 제1 입력에 제공하고, 그리고 상기 제3 저장 다이오드 및 상기 제4 저장 다이오드로부터의 상기 포토 전하들의 합을 상기 차동 증폭기의 제2 입력에 제공함으로써, 차동 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는,
    픽셀 셀을 동작시키기 위한 방법.
  31. 제30 항에 있어서,
    상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제2 저장 다이오드로부터의 포토 전하들을 제1 플로팅 확산 구역에 전달하는 단계;
    상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제2 저장 다이오드로부터의 포토 전하들을 제2 플로팅 확산 구역에 전달하는 단계;
    상기 제1 플로팅 확산 구역으로부터의 포토 전하들을 제1 샘플-홀드 커패시터(sample-and-hold capacitor)에 전달하는 단계;
    상기 제2 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 제2 샘플-홀드 커패시터에 전달하는 단계; 및
    상기 제1 샘플-홀드 커패시터 및 상기 제2 샘플-홀드 커패시터로부터의 신호들을 상기 차동 증폭기에 전달하는 단계를 더 포함하는,
    픽셀 셀을 동작시키기 위한 방법.
  32. 제30 항에 있어서,
    상기 제1 쌍의 포토다이오드들 및 상기 제2 쌍의 포토다이오드들은 공통되는 포토다이오드를 갖지 않고; 그리고
    상기 제3 쌍의 포토다이오드들 및 상기 제4 쌍의 포토다이오드들은 공통되는 포토다이오드를 갖지 않는,
    픽셀 셀을 동작시키기 위한 방법.
  33. 제29 항에 있어서,
    제1 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제1 저장 다이오드에 전달하는 단계;
    제2 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제2 저장 다이오드에 전달하는 단계; 및
    비닝(binning)을 위한 2개의 감지된 신호들을 제공하기 위해 상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제2 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하는 단계를 더 포함하는,
    픽셀 셀을 동작시키기 위한 방법.
  34. 제29 항에 있어서,
    각각의 포토다이오드에서 수집된 포토 전하들을 개개의 인접 저장 다이오드에 전달하는 단계; 및
    4개의 서브-픽셀들에 대한 감지된 신호들을 제공하기 위해 각각의 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하는 단계를 더 포함하는,
    픽셀 셀을 동작시키기 위한 방법.
  35. 복수의 포토다이오드들; 및
    대응하는 복수의 저장 다이오드들을 포함하고,
    각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 저장 다이오드는 상기 제1 인접 포토다이오드 및 상기 제2 인접 포토다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성되고; 그리고
    각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드와 제2 인접 저장 다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 포토다이오드는 상기 제1 인접 저장 다이오드 및 상기 제2 인접 저장 다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성되는,
    차동 광 감지를 위한 픽셀 셀.
  36. 제35 항에 있어서,
    대응하는 복수의 플로팅 확산 구역들을 더 포함하고, 각각의 플로팅 확산 구역은 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치되는,
    차동 광 감지를 위한 픽셀 셀.
  37. 이미지 감지 디바이스로서,
    픽셀 어레이로 배열된 복수의 픽셀 셀들 ― 각각의 픽셀 셀은 4개의 포토다이오드들, 4개의 저장 다이오드들, 및 4개의 플로팅 확산 구역들을 포함하고, 각각의 저장 다이오드는 제1 인접 포토다이오드와 제2 인접 포토다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 저장 다이오드는 상기 제1 인접 포토다이오드 및 상기 제2 인접 포토다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성되고; 각각의 포토다이오드는 제1 인접 저장 다이오드와 제2 인접 저장 다이오드 사이에 배치되고, 그리고 각각의 포토다이오드는 상기 제1 인접 저장 다이오드 및 상기 제2 인접 저장 다이오드 중 어느 하나 또는 둘 모두에 포토 전하들을 전달하도록 구성되고; 그리고 각각의 플로팅 확산 구역은 대응하는 저장 다이오드에 인접하게 배치됨 ― ;
    제2 플로팅 확산 구역 및 제4 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하기 위한 제1 합산 디바이스;
    제1 플로팅 확산 구역 및 제3 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하기 위한 제2 합산 디바이스;
    상기 제1 합산 디바이스 및 상기 제2 합산 디바이스에 커플링된 차동 증폭기; 및
    상기 이미지 감지 디바이스에서 전하 전달을 제어하기 위한 제어 회로를 포함하는,
    이미지 감지 디바이스.
  38. 제37 항에 있어서,
    상기 제어 회로는:
    노출 시간 윈도우 동안 픽셀 셀을 광에 노출시키고;
    제1 시간 기간 동안에,
    제1 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 상기 제1 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제1 저장 다이오드에 전달하고; 그리고
    제2 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 상기 제2 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제2 저장 다이오드에 전달하고;
    제2 시간 기간 동안에,
    제3 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 상기 제3 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제3 저장 다이오드에 전달하고; 그리고
    제4 쌍의 포토다이오드들로부터 수집된 포토 전하들을 상기 제4 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제4 저장 다이오드에 전달하고; 그리고
    상기 제2 저장 다이오드 및 상기 제4 저장 다이오드로부터의 상기 포토 전하들의 합을 상기 차동 증폭기의 제1 입력에 제공하고, 그리고 상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제3 저장 다이오드로부터의 상기 포토 전하들의 합을 상기 차동 증폭기의 제2 입력에 제공함으로써, 차동 신호를 생성하도록 구성되는,
    이미지 감지 디바이스.
  39. 제37 항에 있어서,
    상기 제어 회로는:
    노출 시간 윈도우 동안 픽셀 셀을 광에 노출시키고;
    제1 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제1 저장 다이오드에 전달하고;
    제2 쌍의 인접 포토다이오드들에서 수집된 포토 전하들을 제2 저장 다이오드에 전달하고; 그리고
    비닝을 위한 2개의 감지된 신호들을 제공하기 위해 상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제2 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하도록 구성되는,
    이미지 감지 디바이스.
  40. 제37 항에 있어서,
    상기 제어 회로는:
    노출 시간 윈도우 동안 픽셀 셀을 광에 노출시키고;
    각각의 포토다이오드에서 수집된 포토 전하들을 대응하는 인접 저장 다이오드에 전달하고; 그리고
    4개의 서브-픽셀들에 대한 감지된 신호들을 제공하기 위해 각각의 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하도록 구성되는,
    이미지 감지 디바이스.
  41. 포토다이오드들의 어레이;
    상기 어레이의 제1 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제1 저장 다이오드 ― 상기 제1 저장 다이오드는 상기 제1 쌍의 포토다이오드들의 각각의 포토다이오드로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성됨 ― ;
    상기 제1 저장 다이오드에 인접하게 배치된 제1 플로팅 확산 구역(floating diffusion region);
    상기 어레이의 제2 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제2 저장 다이오드 ― 상기 제2 저장 다이오드는 상기 제2 쌍의 포토다이오드들의 각각의 포토다이오드로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성됨 ― ;
    상기 제2 저장 다이오드에 인접하게 배치된 제2 플로팅 확산 구역; 및
    상기 제1 플로팅 확산 구역 및 상기 제2 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성된 회로를 포함하는,
    이미지 감지 디바이스.
  42. 제41 항에 있어서,
    상기 회로는, 비닝을 위한 2개의 감지된 신호들을 제공하기 위해 상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제2 저장 다이오드에서 포토 전하들을 감지하도록 구성되는,
    이미지 감지 디바이스.
  43. 제41 항에 있어서,
    상기 회로는 상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제2 저장 다이오드의 포토 전하들을 합산하도록 구성되는,
    이미지 감지 디바이스.
  44. 제41 항에 있어서,
    상기 어레이의 제3 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제3 저장 다이오드 ― 상기 제3 저장 다이오드는 상기 제3 쌍의 포토다이오드들의 각각의 포토다이오드로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성됨 ― ;
    상기 제1 저장 다이오드에 인접하게 배치된 제3 플로팅 확산 구역;
    상기 어레이의 제4 쌍의 포토다이오드들 사이에 배치된 제4 저장 다이오드 ― 상기 제4 저장 다이오드는 상기 제4 쌍의 포토다이오드들의 각각의 포토다이오드로부터 포토 전하들을 수신하도록 구성됨 ― ;
    상기 제4 저장 다이오드에 인접하게 배치된 제4 플로팅 확산 구역을 더 포함하고,
    상기 회로는 상기 제3 플로팅 확산 구역 및 상기 제4 플로팅 확산 구역으로부터 포토 전하들을 수신하도록 추가로 구성되는,
    이미지 감지 디바이스.
  45. 제41 항에 있어서,
    상기 회로는:
    상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제2 저장 다이오드의 포토 전하들을 합산하고;
    상기 제3 저장 다이오드 및 상기 제4 저장 다이오드의 포토 전하들을 합산하고; 그리고
    상기 제1 저장 다이오드 및 상기 제2 저장 다이오드의 포토 전하들의 합과, 상기 제3 저장 다이오드 및 상기 제4 저장 다이오드의 포토 전하들의 합을 비교하도록 추가로 구성되는,
    이미지 감지 디바이스.
  46. 제41 항에 있어서,
    상기 제1 쌍의 포토다이오드들 및 상기 제2 쌍의 포토다이오드들은 공통되는 포토다이오드를 갖지 않고; 그리고
    상기 제3 쌍의 포토다이오드들 및 상기 제4 쌍의 포토다이오드들은 공통되는 포토다이오드를 갖지 않는,
    이미지 감지 디바이스.
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