图像传感器和包括该图像传感器的电子装置的制作方法

本申请要求于2017年6月5日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2017-0069566的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文。

根据本发明构思的示例性实施例的装置和方法涉及图像传感器和包括该图像传感器的电子装置。

背景技术

图像传感器是感测从物体反射的光并将光转换成电信号的半导体器件，并且已经用于各种领域，包括诸如数码相机、蜂窝电话等的电子装置以及车辆、无人机和安全和认证设备。

最近，图像传感器已经被广泛地应用于生物信息认证传感器。因此，已经对用于使用图像传感器获得生物信息并基于所获得的生物信息对用户进行认证的安全技术进行了积极的研究。

基于作为生物信息的虹膜信息的安全技术受到了很多关注，因为每个人都有不同的虹膜形状，并且他或她自己的虹膜信息在他或她的一生中难以模仿并且几乎不变。

技术实现要素：

本发明构思旨在提供一种能够获得更清晰的图像的图像传感器以及包括该图像传感器的电子装置。

根据示例性实施例的图像传感器包括：像素阵列，包括多个像素单元；以及控制器，被配置为产生光控制信号，所述光控制信号用于控制从物体反射的光，以在产生图像帧期间使所述多个像素单元曝光至少两次。

根据示例性实施例的电子装置包括：处理器，被配置为执行应用程序并产生控制信号；相机，包括图像传感器，所述图像传感器被配置为响应于所述控制信号而产生光控制信号，所述光控制信号用于控制从物体反射的光，以在产生图像帧期间使多个像素单元曝光至少两次；以及发光模块，被配置为与所述光控制信号相关地产生光。

根据示例性实施例的电子装置包括：相机，包括图像传感器，所述图像传感器被配置为通过使多个像素单元暴露于从物体反射的光来产生图像帧；处理器，被配置为执行应用程序，并且产生光控制信号，所述光控制信号用于控制光以在所述图像传感器产生所述图像帧的同时使所述多个像素单元曝光至少两次；以及发光模块，被配置为与所述光控制信号相关地产生光。

附图说明

通过参考附图详细描述本发明构思的示例性实施例，本发明构思的上述和其他目的、特征和优点对于本领域普通技术人员将变得更加明显，在附图中：

图1是根据示例性实施例的图像传感器的框图；

图2是根据示例性实施例的像素阵列的框图；

图3是根据示例性实施例的像素单元的电路图；

图4至图6是示出了根据示例性实施例的垂直同步信号、像素组的累积时间段以及光控制信号的时序的图；

图7和图8是根据实施例的控制器的框图；

图9是根据示例性实施例的包括图像传感器的电子装置的框图；

图10是示出了根据示例性实施例的包括电子装置的智能电话的图；以及

图11和图12是根据示例性实施例的由图像传感器执行的产生光控制信号的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照本文所附的图1至图8详细描述根据示例性实施例的图像传感器。

图1是根据示例性实施例的图像传感器100的框图。图像传感器100包括像素阵列110、控制器120、模数转换器(adc)130和数据输出接口140。

图像传感器100是通过感测从物体反射并随后入射在图像传感器100上的光而产生物体的图像的电子设备。该光不同于正常入射在图像传感器100上的自然光。例如，该光可以通过滤波器入射以便然后由图像传感器100感测，该滤波器允许特定频带的光通过滤波器(例如，红外滤波器)。例如，图像传感器100可以是互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器100。

像素阵列110响应于从物体反射的光而产生像素信号。像素阵列110根据复位信号rg1至rgn、传输信号tg1至tgn以及选择信号sel1至seln来响应于光而累积电荷，并且通过感测累积的电荷中的电势变化来产生像素信号。像素阵列110将像素信号发送到adc130。

控制器120产生光控制信号isync，并将复位信号rg1至rgn、传输信号tg1至tgn以及选择信号sel1至seln发送到像素阵列110。

光控制信号isync是用于在产生一个图像帧期间控制入射在图像传感器100上的光的信号。控制器120可以将光控制信号isync发送到产生光的设备(例如，发光二极管(led)、闪光灯等)。例如，光控制信号isync可以仅控制光的产生，并且可以根据其他信号的组合来预设或确定连续产生光的时段。

adc130从像素阵列110接收多个像素信号。adc130将模拟形式的像素信号转换成数字信号，并将该数字信号发送到数据输出接口140。例如，adc130将基于模拟形式的像素信号对其执行相关双采样的信号的强度与斜坡信号的强度进行比较。adc130可以产生与相关双采样信号和斜坡信号的强度之差相对应的比较信号，并且通过对比较信号进行计数将像素信号转换为数字信号。

数据输出接口140临时存储、感测和放大从adc130输出的多个数字信号，然后将放大的数字信号输出到外部。例如，数据输出接口140可以是包括用于存储数字信号的存储器(未示出)和用于感测和放大数字信号的放大器(未示出)的缓冲器。

图2是根据示例性实施例的像素阵列110的框图。像素阵列110包括n个像素组pxg1至pxgn。像素组pxg1至pxgn包括多个像素单元111。

例如，多个像素单元111以n×m矩阵布置，并且包括布置在每一行中的像素单元111的组可以被设置为像素组pxg1至pxgn中的一个。然而，像素组pxg1至pxgn中的每一个不需要被设置为包括布置在同一行中的像素单元111。例如，尽管同时执行累积操作的像素单元111没有布置在同一行中，但是像素组pxg1至pxgn中的每一个可以被设置为包括这些像素单元111。

包括在像素组pxg1至pxgn中的多个像素单元111接收复位信号rg1至rgn、传输信号tg1至tgn以及选择信号sel1至seln。

例如，包括在第一个像素组pxg1中的像素单元111接收第一个复位信号rg1、第一个传输信号tg1和第一个选择信号sel1。包括在最后一个像素组pxgn中的像素单元111接收第n个复位信号rgn、第n个传输信号tgn和第n个选择信号seln。

在像素阵列110中，其操作不需要以像素组为单位执行，而是可以以两个或更多个像素组为单位执行。

当通过将像素组pxg1至pxgn划分为具有不同累积时间段eit1至eitn的两个组来操作像素组pxg1至pxgn时，本文描述的示例性实施例也可以适用。

例如，像素阵列110可以基于卷帘快门方法来执行其操作。备选地，像素阵列110可以基于四单元(tetracell)或宽动态范围(wdr)方法来执行其操作。

像素阵列110执行以下累积操作：在累积时间段eit1至eitn内累积与从物体反射的光相对应的电荷。关于像素组pxg1至pxgn依次执行累积操作。

像素阵列110执行以下发送操作：在传输时间段tp1至tpn内将累积的电荷发送到像素节点fd。关于像素组pxg1至pxgn依次执行发送操作。

像素阵列110执行以下读出操作：在读出时间段rop1至ropn内产生与像素节点fd的电势相对应的信号。关于像素组pxg1至pxgn还依次执行读出操作。

由于像素组pxg1至pxgn依次执行累积操作，因此累积时间段eit1至eitn的起点和终点是不同的。控制器120产生光控制信号isync以均衡像素组pxg1至pxgn的具有不同起点和终点的各个累积时间段eit1至eitn中的曝光时间段et1至etn。

为了均衡像素组pxg1至pxgn的曝光时间段et1至etn，可以在第一个像素组pxg1的累积时间段eit1内产生至少一次光控制信号isync，并且在最后一个像素组pxgn的累积时间段eitn内产生至少一次光控制信号isync。

第一个像素组pxg1可以是像素组pxg1至pxgn中的首先执行累积操作的像素组中的一个，并且最后一个像素组pxgn可以是像素组pxg1至pxgn中的最后执行累积操作的像素组中的一个。

根据示例性实施例的图像传感器100基于相等曝光时间段et1至etn产生图像。因此，当像素组pxg1至pxgn的曝光时间段et1至etn不同时引起的图像失真可以被最小化以产生清晰的图像。

图3是根据示例性实施例的像素单元111的电路图。像素单元111包括复位晶体管rx、光电二极管pd、传输晶体管tx、驱动晶体管dx和输出晶体管sx。更多细节参见公开了像素单元111的韩国公开专利公布号2012-0031403。

图4和图5是示出了当像素组pxg1至pxgn的累积时间段eit1至eitn大于或等于读出时间段rop1至ropn时累积时间段eit1至eitn和光控制信号isync的时序的图。

尽管图4示出了累积时间段eit1至eitn等于读出时间段rop1至ropn的情况，但是本发明构思还可应用于累积时间段eit1至eitn大于读出时间段rop1至ropn的情况。

如图4所示，控制器120可以产生光控制信号isync，光控制信号isync包括与针对最后一个像素组pxgn的复位信号rgn相关地产生的第一脉冲isync1和与针对最后一个像素组pxgn的传输信号tgn相关地产生的第二脉冲isync2。

图4中所示的光控制信号isync的激活时间，即，第一脉冲isync1和第二脉冲isync2的激活时间，应该被理解为产生和维持光的时段。

第一脉冲isync1可以在产生针对最后一个像素组pxgn的复位信号rgn的时间点处于去激活状态，以不产生光。第二脉冲isync2可以在产生针对最后一个像素组pxgn的传输信号tgn的时间点处于去激活状态，以不产生光。

换句话说，第一脉冲isync1的下降沿可以与产生针对最后一个像素组pxgn的复位信号rgn的时间点对齐。第二脉冲isync2的下降沿可以与产生针对最后一个像素组pxgn的传输信号tgn的时间点对齐。

当累积时间段eit1至eitn等于读出时间段rop1至ropn时，最后一个像素组pxgn的累积时间段eitn在第一个像素组pxg1的累积时间段eit1之后开始。当第一脉冲isync1被激活并且然后在最后一个像素组pxgn的累积时间段eitn开始之前被去激活时，最后一个像素组pxgn的像素单元111不暴露于从第一脉冲isync1产生的光。为了均衡像素组pxg1至pxgn的曝光时间段et1至etn，控制器120根据最后一个像素组pxgn的累积时间段eitn激活第二脉冲isync2。

如图4所示，第一个像素组pxg1的曝光时间段et1、第二个像素组pxg2的曝光时间段et2和最后一个像素组pxgn的曝光时间段etn是相同的。

如图4所示，控制器120可以与垂直同步信号vsync相关地产生光控制信号isync。

垂直同步信号vsync是标识一个图像帧的信号。例如，当垂直同步信号vsync被激活一次时，这意味着产生一个图像帧。

在这种情况下，光控制信号isync可以包括第一脉冲isync1和第二脉冲isync2。当垂直同步信号vsync被激活时，第一个脉冲isync1被去激活以不产生光。当垂直同步信号vsync被去激活时，第二脉冲isync2被去激活以不产生光。

控制器120可以与水平同步信号hsync相关地产生光控制信号isync。水平同步信号hsync是使由像素组pxg1至pxgn产生的像素信号的传输同步的信号。

根据示例性实施例，第一个脉冲isync1可以与针对第一个像素组pxg1的传输信号tg1相关，并且第二个脉冲isync2可以与针对第一个像素组pxg1的选择信号sel1相关。

备选地，控制器120可以与用于开始产生图像帧的快门信号、复位信号rg1至rgn、传输信号tg1至tgn、选择信号sel1至seln或其他信号相关地产生光控制信号isync。否则，控制器120可以根据用户预设的程序产生光控制信号isync。

当像素组pxg1至pxgn的曝光时间段et1至etn相同时，可以根据各种信号的组合激活光控制信号isync。

根据示例性实施例，可以调整光产生时段。例如，控制器120可以通过调整第一脉冲isync1和第二脉冲isync2的宽度来调整光产生时段。控制器120可以将图4中所示的第一脉冲isync1和第二脉冲isync2的宽度增加至与图5中所示的第一脉冲isync1和第二脉冲isync2的宽度基本相同。

控制器120可以调整光控制信号isync的激活时间以增加在各种环境中对物体的识别率。为了防止在所有累积时间段eit1至eitn内产生光，控制器120可以不连续地激活第一脉冲isync1和第二脉冲isync2。

因此，根据示例性实施例，可以通过调整光产生时段来改善信噪比(snr)或者可以通过调整光产生时段在各种环境中控制由光产生引起的功耗。

图6是示出了当像素组pxg1至pxgn的累积时间段eit1至eitn短于读出时间段rop1至ropn且大于或等于读取时间段rop1至ropn和光控制信号isync的激活时间之和的一半时累积时间段eit1至eitn和光控制信号isync的时序的图。这里，光控制信号isync的激活时间应该被理解为第一脉冲isync1和第二脉冲isync2的宽度。

换言之，当累积时间段eit1至eitn满足以下公式1时，控制器120可以产生光控制信号isync，该光控制信号isync包括与针对第一个像素组pxg1的传输信号tg1相关地产生的第一脉冲isync1和与针对最后一个像素组pxgn的传输信号tgn相关地产生的第二脉冲isync2。

[公式1]

rop＞eit≥(rop+pulse_width)/2

(rop＝读出时间段rop1至ropn，eit＝累积时间段eit1至eitn，pulse_width＝光控制信号isync被激活一次的激活时间)

在这种情况下，第一脉冲isync1可以在产生针对第一个像素组pxg1的传输信号tg1的时间点处于去激活状态，以不产生光。第二脉冲isync2可以从比产生针对所述最后一个像素组pxgn的传输信号tgn的时间点提前一段时间(rop-eit)的时间点开始处于去激活状态，以不产生光，所述一段时间是从读出时间段rop1至rit1减去累积时间段eit1至eitn的结果。

换句话说，第一脉冲isync1的下降沿可以与产生针对第一个像素组pxg1的传输信号tg1的时间点对齐。第二脉冲isync2的下降沿可以与比产生针对最后一个像素组pxgn的传输信号tgn的时间点提前一段时间(rop-eit)的时间点对齐。

如图6所示，第一个像素组pxg1的曝光时间段et1、第(n-1)像素组pxgn-1的曝光时间段etn-1和最后一个像素组pxgn的曝光时间段etn是相同的。

当读出时间段rop1至ropn大于或等于如图6所示的累积时间段eit1至eitn时，可以防止信号处理电路的设计复杂度和面积增加，并且也可以防止信号处理的功耗增加，因为在图像传感器100中不需要高速地执行信号处理。

图7和图8是根据示例性实施例的控制器120的框图。

如图7所示，控制器120可以包括定时发生器121和行控制器122。

定时发生器121可以产生垂直同步信号vsync和水平同步信号hsync，并将它们发送到行控制器122或外部。可以产生由图像传感器100在定时发生器121中要处理的信号的时钟脉冲。备选地，附加时钟发生器(未示出)可以产生时钟脉冲，并且定时发生器121可以接收时钟脉冲。定时发生器121基于时钟脉冲来控制图像传感器100要处理的信号的定时以及垂直同步信号vsync和水平同步信号hsync。

行控制器122基于垂直同步信号vsync和水平同步信号hsync依次产生与像素组pxg1至pxgn相对应的复位信号rg1至rgn、传输信号tg1至tgn以及选择信号sel1至seln。

行控制器122可以产生光控制信号isync，使得像素组pxg1至pxgn的曝光时间段et1至etn在像素组pxg1至pxgn的各个累积时间段eit1至eitn内是相同的。

如图8所示，控制器120可以包括定时发生器121、行控制器122和光控制信号发生器123。

定时发生器121产生垂直同步信号vsync、水平同步信号hsync等。行控制器122依次产生针对像素组pxg1至pxgn的复位信号rg1至rgn、传输信号tg1至tgn以及选择信号sel1至seln。

光控制信号发生器123可以产生光控制信号isync，使得像素组pxg1至pxgn的曝光时间段et1至etn在像素组pxg1至pxgn的各个累积时间段eit1至eitn内是相同的。例如，光控制信号发生器123可以是脉冲发生器。

光控制信号发生器123基于从行控制器122接收的信号sx和sy来产生光控制信号isync。信号sx和sy可以是用于均衡像素组pxg1至pxgn的各个累积时间段eit1至eitn中的曝光时间段et1至etn的信号的各种组合。

通过控制器120控制累积操作和读出操作来产生光控制信号isync。因此，根据示例性实施例，可以根据像素组pxg1至pxgn的累积操作的定时精确地激活光控制信号isync。

下面将参考图9和图10描述根据示例性实施例的电子装置。电子装置的与上文关于电子装置所述的结构相同的部分将不再重复描述或将在下面简要描述。

如图9所示，电子装置包括具有如上所述的图像传感器的相机10、发光模块20和处理器30。

发光模块20根据由图像传感器100或处理器30产生的光控制信号isync将光发射到物体。例如，该物体可以是人眼的虹膜。发光模块20可以包括产生红外光的红外led。

发光模块20可以确定产生和维持光的时段。例如，可以在光控制信号isync被激活时产生光，并且可以在发光模块20的控制下在预定时间期间继续产生光。可以在处理器30的控制下确定光产生时段。

处理器30可以使用通过运行预定的应用程序而产生的控制信号来控制相机10的驱动。处理器30可以控制相机10的图像传感器100根据应用程序产生光控制信号isync。例如，当应用程序被驱动并且用户输入了拍摄命令时，处理器30可以向图像传感器100发送指示图像传感器100产生光控制信号isync的控制信号。

根据示例性实施例，处理器30可以直接产生光控制信号isync，使得在产生图像帧期间产生至少两次光。

处理器30根据应用程序分析用户的虹膜的图像帧。例如，处理器30可以通过根据认证应用程序对用户的虹膜的图像帧进行分析来认证用户。处理器30可以将用户的虹膜的图像与预先登记的虹膜特征图案进行比较，并且当与用户的虹膜的图像匹配的虹膜特征图案的数量大于或等于预定数量时，确定用户的认证成功。然而，该方法仅仅是示例，并且各种其他方法可应用于本发明构思的技术思想，只要可以使用用户的虹膜的图像来认证用户。

处理器30可以是例如中央处理单元(cpu)、应用处理器(ap)或通信处理器(cp)。

相机10可以使用由发光模块20产生的光来获得图像，并且将图像发送到处理器30。相机10包括镜头和图像传感器100。该镜头接收从物体反射的光。

图10是示出了应用根据示例性实施例的电子装置的智能电话1的图。发光模块20可以包括红外led并且将红外光发射到用户眼睛周围的区域。从用户反射的红外光通过相机模块10的镜头入射，并且从红外图像获得用户眼睛的虹膜的图像。

然而，智能手机1仅仅是一个示例，并且该电子装置可应用于以下各项中的至少一项：平板个人计算机(pc)、移动电话、视频电话、电子书阅读器、台式pc、膝上型pc、上网本计算机、个人数字助理(pda)、便携式多媒体播放器(pmp)、mp3播放器、移动医疗设备、相机和可穿戴设备(例如，头戴式设备(hmd)，比如电子眼镜、电子服饰、电子手镯、电子项链、电子配件或智能手表)。

下面将参考图11和图12描述根据示例性实施例的由图像传感器执行的产生光控制信号的方法。方法的与上文关于方法所述的结构相同的部分将不再重复描述或将在下面简要描述。

在第一个像素组pxg1的像素单元111累积与入射光相对应的电荷的累积时间段eit1内激活用于产生光的光控制信号isync至少一次。

接下来，在最后一个像素组pxgn的像素单元111累积与光相对应的电荷的累积时间段eitn内激活光控制信号isync至少一次。

具体地，当累积时间段eit1至eitn大于或等于读出时间段rop1至ropn时，控制器120在产生针对最后一个像素组pxgn的复位信号rgn的时间点去激活光控制信号isync以不产生光(操作s110)。然后，在产生针对最后一个像素组pxgn的传输信号tgn的时间点去激活光控制信号isync以不产生光(操作s120)。

当累积时间段eit1至eitn满足上面的公式1时，控制器120在产生针对第一个像素组pxg1的传输信号tg1的时间点去激活光控制信号isync，以不产生光(操作s210)。然后，从比产生针对最后一个像素组pxgn的传输信号tgn的时间点提前一段时间(rop-eit)的时间点开始去激活光控制信号isync，以不产生光，所述一段时间是从读出时间段rop1至rit1减去累积时间段eit1至eitn的结果(操作s220)。

如在操作s210和s220中那样，读出时间段rop1至ropn可以被设置为长于累积时间段eit1至eitn。由于随着读出时间段rop1至ropn的增加，在图像传感器100中不需要高速地执行信号处理，因此可以防止信号处理电路的设计复杂度和面积增加，并且也可以防止由信号处理引起的功耗增加。

根据各种示例性实施例，可以提供能够通过均衡像素组pxg1至pxgn的曝光时间段et1至etn并且有效地控制光控制信号isync的激活时间来改善图像质量并降低功耗的图像传感器100。

根据示例性实施例，由于像素单元在累积时间段内曝光相同的曝光时间段，因此可以提供能够获得清晰图像的图像传感器。

根据示例性实施例，由于光控制信号由图像传感器来控制，因此可以提供能够根据图像传感器的累积操作精确地控制光的产生的电子装置。

根据示例性实施例，可以提供能够基于由图像传感器产生的清晰图像来可靠地操作应用的电子装置。

尽管已经参考附图描述了示例性实施例，但是本领域技术人员应该理解，可以在不脱离本发明构思的范围并且不改变基本特征的情况下进行各种修改。因此，上述示例性实施例应该仅被认为是描述性的而不是为了限制的目的。