CN100403779C - 数字式图像传感器及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一数字式图像传感器，包括，一第一开关，耦接于一第一电压源与一第一节点之间，由一重置信号控制而呈导通或关断状态，当导通时提供一第一电压至该第一节点；一感光单元，耦接该第一节点，当该第一开关关断时，可响应一入照光源的强度而产生一转换电流，使该第一节点进行放电；及一决定装置，耦接该第一节点与一参考信号源，当该第一电压放电至小于该参考信号的电压时，该决定装置输出对应于该入照光源的一强度参照信号。
Description
技术领域
本发明有关于一种使用金属氧化物半导体晶体管的图像传感器，特别有关于一种使用金属氧化物半导体晶体管的数字式图像传感器(digital pixelsensor；DPS)。
背景技术
图1为表示传统的模拟式图像传感器1的电路图，其包括一光二极管(photodiode)10、一MOS晶体管M1、一MOS晶体管M2、一MOS晶体管M3。上述图像传感器1的操作如下的说明。
当重置信号RS的电压VRST拉至高电压电平时，MOS晶体管M1会导通，而使节点PD的电压升至VDD-Vth，其中Vth表示MOS晶体管M1的阈值电压(threshold voltage)；然后当重置信号RS的电压VRST拉回至低电压电平时，MOS晶体管M1会关断，而使节点PD为浮接(floating)。接下来，当光二极管10照光时，光二极管10产生响应光电流(即产生电子空穴对)，而由于电子会被空穴区的电场扫到节点PD并被储存，电洞会被衬底(substrate)电流带走，进而使得节点PD的电压因放电而下降。此时，光强度越强，产生的电子越多，节点PD的电压下降越快。
由MOS晶体管M2、M3配合控制信号SEL而读出图像传感器1的输出信号OUT，其电压VOUT与重置信号RS的电压VRST的关系如图2所示。图中，重置信号RS的电压VRST在低电压电平时，输出信号OUT的电压VOUT对应于不同的光强度而随着时间而下降(如箭头11所指)，若光强度越强，VOUT电压下降的越快。图3为表示光照强度与下降电压的对应关系图，如图3所示，输出信号OUT的电压VOUT的下降电压随光照强度的增加而增加，直到特定光照强度Imax才呈现饱和状态。上述传统的图像传感器1，其所检测的光照强度输出信号OUT是模拟输出，因此仍须转换成对应的数字信号后输出，才能进行后续处理。显然地，对于若能直接便输出数字信号，将可以进一步降低成本与加快处理时效。
图4为表示史丹福研究团队(Stanford Group)提出数字输出的图像传感器4结构。上述图像传感器4在照光后，节点D的电压会经由一选通电路(晶体管)TX传送到比较器30的反相端，当作输入信号IN，而比较器30的非反相端则是接收一锯齿波信号Ramp；当上述锯齿波信号Ramp的电压与输入电压IN交会时，比较器30的输出会由高电压电平变成低电压电平，进而驱动存储器31锁住并储存计数器32所计数的数目，然后利用检测放大器(未示出)将存储器31中的资料DOUT读出。史丹福研究团队所提出的数字输出图像传感器，需使用的晶体管数目较多，不利于成本考虑。
发明内容
本发明有关于数字式图像传感器，特别是可提供较公知模拟式图像传感器具有较佳动态范围的数字式图像传感器。
本发明一实施例提出一种数字式图像传感器，至少包括：第一开关，耦接于第一电压源与第一节点之间，由重置信号控制其在导通或关断状态，并在导通时提供来自第一电压源的第一电压至第一节点；感光单元，耦接于第一节点，当第一开关关断时，可以响应入照光源的强度而产生一转换电流，使第一节点进行放电；以及决定装置，耦接第一节点与一参考信号源，当第一电压因放电而小于参考信号的电压时，决定装置便输出对应于入照光源的强度参照信号。
本发明又实施例提出一种图像传感器的操作方法。此图像处理器具有耦接于一第一电压源与一第一节点间的一第一开关，耦接于该第一节点的一感光单元，以及耦接于该第一节点与一参考信号的一决定装置，此实施例方法至少包含：将重置信号输出至第一开关，使得第一开关导通，进而让第一节点具有与第一电压源相同的一第一电压；停止将重置信号输出至第一开关，使得第一开关关断，进而让第一节点的电压维持在该第一电压；让感光单元响应入照光源而产生转换电流，在此转换电流会流到第一节点，进而改变第一节点的电压；持续使用决定装置检测参考信号的电压以及第一节点的电压，并于当第一节点的电压低于该参考信号的电压时，让决定装置输出对应该入照光源的强度参照信号。
为了让本发明的上述和其他内容、特征、和优点能更明显易懂，下文特举若干较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为表示公知模拟式图像传感器的电路图；
图2为表示公知模拟式图像传感器的输出电压VOUT与重置信号RS的电压VRST的关系图；
图3为表示公知模拟式图像传感器的光照强度与下降电压的对应关系图；
图4为表示史丹福研究团队提出的数字输出的图像传感器的结构图；
图5为表示本发明的数字式图像传感器一较佳实施例的电路示意图；
图6为表示图5中数字式图像传感器的操作时序示意图；
图7所示为图5中数字式图像传感器与传统模拟输出的图像传感器的输出曲线比较图；
图8a及图8b为本发明另一操作时序图；
图9所示为本发明另一较佳实施例的电路示意图；
图10为表示图9所示的数字图像传感器的操作时序图；
图11a及图11b为图9所示的数字图像传感器的可能的操作时序图；
图12a为图5所示的数字图像传感器，在有偏移电压Voffset时的输出曲线模拟图；
图12b为图9所示的数字图像传感器，在有偏移电压Voffset时的输出曲线模拟图。
相关符号说明：
1：图像传感器；10：光二极管；
M1-M3：MOS晶体管；
RST：重置信号；PD：节点；
2、2’：数字式图像传感器；
20：感光元件；M4：第一开关
21：比较装置；M5：第二开关；
M6：第三开关；CLK：时钟信号；
OUT1、OUT2：输出端；
M7：第四开关；30：比较器；
31：存储器；32：计数器。
具体实施方式
图5为表示本发明一较佳实施例的数字式图像传感器(digital pixelsensor；DPS)的电路示意图，此图像传感器2具有一第一开关M4，一感光单元20以及一决定装置21。
第一开关M4连接于节点PD与特定电压源之间，其栅极则接受一重置信号RST，以控制此第一开关M4的导通或关断。在此，第一开关M4可以为PMOS晶体管或NMOS晶体管，本实施例并不限制此细节；另外，该特定电压源在此实施例中例如为电压源VDD，但亦不限定于此。但若是使用PMOS晶体管，较可以避免节点PD的重置电平(Reset Level)随着第一开关M1的阈值电压(threshold voltage)的不同而不同。
感光单元20耦接该节点PD，并可以为光二极管(Photo diode)或光电晶体管(Photo transistor)。当第一开关M4关断时，感光单元可以响应一入照光源而产生光电流或转换电流，使节点PD的电压VPD，因为自感光单元20流来的电流而进行放电，进而导致VPD的下降。
决定装置21，同时耦接于第一节点PD与参考信号REF。当节点PD的电压VPD下降至小于参考信号REF的电压Vref时，决定装置21便由图像传感器2的输出端OUT2输出对应于入照光源的强度参照信号SOUT2。
在本发明的一实施例中，决定装置21包括比较装置22及转换装置23，而且转换装置23由第二开关M5及第三开关M6所组成。比较装置22，例如为一比较器，其具有一非反相端(+)连接至该节点PD，一反相端(-)连接至上述参考信号REF，经过比较装置22比较后由其输出端OUT1输出比较结果。第二开关M5，例如为一PMOS晶体管，其连接于电压源VDD及输出端OUT2之间，其栅极则连接至比较器22的输出端OUT1，并根据该比较器22的输出结果的控制而导通或关断。第三开关M6，例如为一NMOS晶体管，连接于上述输出端OUT2及一电压节点(低电压源VSS或接地端GND)之间，其栅极则接收一时钟信号(CLK)以根据此时钟信号而呈导通或关断的状态。在此，参考信号由一参考信号源(未示出)所提供，并且参考信号源根据至少一指令而改变该参考信号。换句话说，通过修改传送至参考信号源的各指令，便可以控制参考信号的改变，进而控制此数字式图像传感器的操作。
图6为图5中图像传感器2的操作时序示意图，分别表示重置信号RST的电压VRST、参考信号REF的电压Vref、节点PD电压VPD、与时钟信号CLK之间的操作时序电压，以及输出端OUT2所输出的强度参照信号SOUT2，其中该参考信号REF的电压为一由低至高的锯齿波(斜向)电压(ramp voltage)。
实际工作时，请一并参阅图5及图6，当重置信号RST的电压VRST拉至低电压电平时，第一开关M4导通，节点PD电压VPD会拉至VDD。此时参考信号REF的电压Vref小于节点PD的电压VPD，比较装置22输出结果为高电压电平，使PMOS晶体管(第二开关)M5关断，而NMOS晶体管(第三开关)M6会随着时钟信号CLK而导通或关断，输出端OUT2的输出仍呈现低电压电平的状态。
当重置信号RST的电压VRST拉回至高电压电平时，PMOS晶体管(第一开关)M4关断，感光单元20响应入照光源的强度而产生一光电流，使节点PD电压VPD进行放电而逐渐降低，参考信号REF的电压Vref则由低电压往上升，当节点PD的电压VPD及参考电压Vref交会后(即改变二者的相对大小关系后)，比较装置22输出端OUT1的输出电压便会由高电压电平(high)变为低电压电平(low)，此一低电压电平输出即作为一启动信号，用以导通PMOS晶体管(第二开关)M5；而NMOS晶体管(第三开关)M6仍是因时钟信号CLK而导通或关断。当NMOS晶体管(第三开关)M6导通时，输出端OUT2的输出电压电平被拉至低电压电平或接地；当NMOS晶体管(第三开关)M6关断时，输出端OUT2的输出电压电平则被拉至高电压电平VDD。因此，从输出端OUT2可得到对应于该入照光源的强度参照信号SOUT2，该强度参照信号SOUT2的脉冲(pulse)数目即正比于该入照光源的强度。
和公知模拟式图像传感器1相比较，公知技术的输出仅仅为电压模拟输出，但是本实施例的数字式图像传感器可以有两种输出：比较装置22由High转变为Low的时间，以及时钟信号CLK的数目。
图7所示为图5中数字式图像传感器2与传统模拟式图像传感器1的输出曲线比较图。图7中，横轴代表光照强度；右纵轴代表下降电压(voltagedrop)，左纵轴代表输出的脉冲个数；其中，A曲线代表传统模拟式图像传感器1检测不同的光照强度的输出曲线，其对应于左纵轴。B曲线则代表数字式图像传感器2检测不同的光照强度的输出曲线，其对应右纵轴。由图7中所示可知，本发明的数字式图像传感器2的输出特性曲线较为平滑且具备较高动态范围(定义为数字式图像传感器2所能检测到的最大照度以及最小照度的比值)。并且，经由调整参考信号REF的电压Vref的斜率，还可以调整此数字式图像传感器的输出的灵敏度；特别是由于Vref是ramp的电压而不是固定的电压，因此输出曲线将不会是线性的。本发明的另一个优点为，如果需要8位的解析度输出来表示光照强度的话，只要使时钟信号CLK在第一开关(PMOS晶体管M4)不导通期间，有256个脉冲产生即可；若为10位输出则需使时钟信号CLK在第一开关不导通期间，有1024个脉冲产生。
按照上述图6所示的操方式，由于参考信号REF的电压Vref在重置信号RST的电压VRST一拉至高电压电平时即开始由低电压电平往高电压电平上升，因此读取时间较长。图8a提出另外一种数字式图像传感器的操作方式，可利用较短的时间读出照光强度，主要使参考信号REF的电压Vref由低电压电平往高电压电平上升的触发时间较晚；亦即，参考信号REF的电压Vref于该第一开关M4导通时，先保持于一低电压电平，于该第一开关M4关断后，仍保持于该低电压电平一时间T1之后再随时间而递增。
图8b提出又一种数字式图像传感器的操作方式，该参考信号REF的电压于该第一开关M4导通时，保持于一低电压电平；于该第一开关M4关断后，先随时间而递增一时间T2之后，再拉回并保持于该低电压电平一时间T3，之后再随时间而递增。而入照光源强度即等于区间(a)、(b)中的脉冲个数加总。
本发明的一实施例的数字图像传感器具有比较装置22，但由于每一个比较装置的偏移电压(offset voltage)皆不同，会导致应用上的误差以及需要消除偏移电压的影响的额外成本。因此本发明中另一较佳实施例中提出另一数字式图像传感器2’，以消除偏移电压对数字图像传感器的不良影响。
如图9所示，此图像传感器2’的电路与图4的图像传感器2不同处为其多一第四开关M7耦接于该第一开关M4与另一参考电压Vref2(第一电压源)之间，该第四开关M7的栅极(控制端)耦接该比较装置22的输出OUT1。在此，第四开关M7例如为一PMOS晶体管，比较器22的偏移电压为Voffset。
图10为表示图9所示的数字图像传感器2’的操作时序图，VRST表示重置信号RST的电压，Vref1和Vref2分别表示参考信号REF1和REF2的电压，在本图中将其操作时序概分为(I)、(II)及(III)区间。
请参阅图9与图10，在区间(I)时，重置信号RST的电压VRST为高电压电平，PMOS晶体管M4关断，节点PD的电压VPD接近0V的电位；此时参考信号REF1的电压Vref1由低电压电平往高电压电平上升，比较器22的输出为低电压电平，使PMOS晶体管M7导通；需注意的是在此区间(I)中参考信号REF2的电压Vref2为低电压电平。
在区间(II)时，参考信号REF1的电压Vref1保持在高电压电平，重置信号RST的电压VRST为低电压电平使得PMOS晶体管M4导通。参考信号REF2的电压Vref2由低电压电平往高电压电平上升，且由于PMOS晶体管M7处于导通状态，使得节点PD的电压VPD也对应着Vref2而上升。由于Vref2的高电压电平设计成高于Vref1的高电压电平，故当参考信号REF2的电压Vref2上升到等于Vref+Voffset时，比较器22的输出将由低电压电平变成高电压电平而使PMOS晶体管M7关断，此时节点PD的电压VPD基本上为Vref2+Voffset。经由上述操作，储存在节点PD的电压VPD将会包含Voffset，理论上节点PD的电压VPD应为VPD的高电压电平，但如果比较器22有偏移电压Voffset的话，则节点PD的电压VPD会变成Vref1+Voffset，亦即节点PD的电压VPD会随着比较器22的偏移电压Voffset的大小而改变，进而消除了比较器22的偏移电压对数字图像传感器2’的不良影响。
在区间(III)时，数字图像传感器2’的操作同图5所示的数字图像传感器2，在此不再予以赘述。
图11a及图11b则为数字图像传感器2’的不同读取方式。请先参阅图11a，与图10不同处为于PMOS晶体管(第一开关)M4导通时，亦即VRST为低电压电平时，该参考信号REF的电压Vref1保持在高电压电平；当VRST为高电压电平且该PMOS晶体管M4关断之后，该参考信号REF的电压Vref1先保持于低电压电平一时间T1之后再随时间而递增至该高电压电平。
请再参阅图11b，与图10不同处为于PMOS晶体管(第一开关)M4导通时，亦即VRST为低电压电平时，该参考信号REF的电压Vref1保持在高电压电平；当VRST为高电压电平且该PMOS晶体管M4关断之后，该参考信号REF的电压Vref1先由低电压电平随时间递增一第一预定时间T2之后，再下降并保持于低电压电平一第二预定时间T3，之后再随时间而递增至该高电压电平。
图12a为图5所示的数字图像传感器2，在有偏移电压Voffset时的输出曲线模拟图，在此假设比较器的偏移电压值为±200mV。图中，数字图像传感器2将对应于光照强度的光照电流转换为时间长度(对应于脉冲数目)的输出。由图12a中可发现数字图像传感器2的输出特性曲线，会因偏移电压的不同而有所不同。
图12b则为图9所示的数字图像传感器2’的输出特性曲线图，由图中可发现即使比较器有±200mV的偏移电压Voffset，但其输出曲线几乎没有任何变化。因此图9的图像传感器2’的确可消除偏移电压的问题。
如上述所示，本发明上述各实施例的数字式图像传感器，可以提供较公知模拟式图像检测装置较多的输出、较大的动态范围、较方便的输出调整灵活性。并且，本发明上述各实施例的数字式图像传感器约只需要10个左右的晶体管，相较于Stanford团队等的数字式图像传感器，也相当具有成本优势。
本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行更动与修改，因此本发明的保护范围以所提出的权利要求所限定的范围为准。
Claims (9)
1.一种图像传感器，包括：
一第一开关，耦接于一第一电压源与一第一节点之间，由一重置信号控制而呈导通或关断状态，当导通时提供来自该第一电压源的一第一电压至该第一节点；
一感光单元，耦接于该第一节点，用以响应一入照光源而产生一转换电流，并将该转换电流传输至该第一节点；
比较装置，用以比较该第一节点的第一电压与一参考信号的电压，当该第一电压小于该参考信号的电压时，输出一启动信号；
一第二开关，耦接一第二电压源与该图像传感器的输出端，由该启动信号控制而呈导通或关断状态，当导通时使得该第二电压源得以提供一第二电压至该输出端；以及
一第三开关，耦接于该输出端与一电位节点之间，由一第一时钟信号控制而呈导通或关断的状态，进而转换该第二电压而输出强度参照信号。
2.如权利要求1所述的图像传感器，当该第一开关关断时该第一节点的电压会因为接收到该转换电流而降低，此时在该第一节点的电压大小自等于该第一电压而降低至小于该参考信号的电压时，该图像传感器的输出端输出对应于该入照光源的一强度参照信号。
3.如权利要求1所述的图像传感器，还包括一第四开关耦接于该第一开关与该第一电压源之间，该第四开关具有一控制端耦接该比较装置的输出。
4.一种图像传感器操作方法，该图像传感器具有耦接于一第一电压源与一第一节点间的一第一开关，耦接于该第一节点的一感光单元，以及耦接于该第一节点与一参考信号的一比较装置，其中该比较装置，耦接一第二电压源与该图像传感器的输出端的一第二开关以及耦接于该输出端与一电位节点之间的一第三开关，此方法至少包含：
将一重置信号输出至该第一开关，使得该第一开关导通，进而让该第一节点具有与该第一电压源相同的一第一电压；
停止将该重置信号输出至该第一开关，使得该第一开关关断，进而让该第一节点的电压维持在该第一电压；
让该感光单元响应入照光源而产生一转换电流，在此该转换电流会流到该第一节点，进而改变该第一节点的电压；
持续使用该比较装置检测该参考信号的电压以及该第一节点的电压，并于当该第一节点的电压低于该参考信号的电压时，让对应于该入照光源的一强度参照信号通过该第三开关输出。
5.如权利要求4所述的图像传感器操作方法，当该第一开关导通时，将该参考信号的电压维持在一预定电平；而后当该第一开关关断时，将该参考信号的电压随时间而递增，或是先保持该预定电平一第一预定时间，再随时间递增该参考信号的电压，又或先递增该参考信号的电压一第二预定时间，再保持该预定电平一第三预定时间后，再递增该参考信号的电压。
6.如权利要求4所述的图像传感器操作方法，还包括经由一时钟信号控制该第三开关的导通或关断的状态，以转换来自该第二电压源的一第二电压而输出该强度参照信号。
7.如权利要求4所述的图像传感器操作方法，还包括通过改变时钟信号在该第一开关不导通期间的脉冲数目，来改变该输出端的输出的数字解析度。
8.如权利要求4所述的图像传感器操作方法，还可以通过修改该参考信号的电压随着时间变化的速率，改变该强度参照信号的最大值与最小值的比例。
9.如权利要求4所述的图像传感器操作方法，当该图像传感器还包括耦接于该第一开关与该第一电压源间的一第四开关时，在该第一开关关断时，让该第一电压源的电平保持于一第一预定电平；而后在该第一开关导通时，让该第一电压源的电平随时间而递增；或在该第一开关导通时维持该参考信号的电压于一第二预定电平，而后在该第一开关关断时，将该参考信号的电压由一第三预定电平递增至该第二预定电平；又或在该第一开关导通时维持该参考信号的电压于一第二预定电平，而后在该第一开关关断时，先维持该参考信号的电压于一第三预定电平一预定时间后，再将该参考信号的电压递增至该第二预定电平。
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