CN103974001B - 图像传感器及其操作方法和包括该图像传感器的系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种图像传感器及其操作方法和包括该图像传感器的系统。一种操作图像处理系统的方法包括：存储第一模拟像素信号和第二模拟像素信号之间的差，并将存储的差转换为1比特数字信号，所述第一模拟像素信号从多个像素输出并与前一帧相应，所述第二模拟像素信号从所述多个像素输出并与当前帧相应。

Description

图像传感器及其操作方法和包括该图像传感器的系统
本申请要求在2013年1月24日提交到韩国知识产权局的第10-2013-0007874号韩国专利申请的优先权，所述专利申请的公开内容通过引用完整地合并于此。
技术领域
本发明构思的示例实施例涉及一种图像传感器及使用所述图像传感器的装置。
背景技术
CMOS图像传感器是使用互补金属氧化物半导体（CMOS）的固态图像感测装置。CMOS图像传感器与可包括高电压模拟电路的电荷耦合器件（CCD）图像传感器相比具有较低的制造成本、较小的尺寸并消耗较少的功率。
近年，随着CMOS图像传感器性能的提高，CMOS图像传感器已被广泛用于包括便携式装置的各种电子产品(诸如智能电话或数码相机)中。
在功耗需要尽可能减小的移动装置领域中，已积极进行对减小CMOS图像传感器的功耗的研究。
发明内容
本发明构思的示例实施例被定向为一种操作图像处理系统的方法。
根据示例实施例，所述方法包括：存储多个第一模拟像素信号和多个第二模拟像素信号之间的差，所述多个第一模拟像素信号从多个像素输出并与前一帧相应，所述多个第二模拟像素信号从所述多个像素输出并与当前帧相应；以及将存储的差转换为多个1比特数字信号。
根据示例实施例，该操作方法还可包括：通过使用所述多个1比特数字信号来识别前一帧和当前帧之间的对象的运动。
根据示例实施例，第一模拟像素信号中的每一个可对应于在前一帧期间在所述多个像素中的每一个像素中累积的光电荷的电荷量，第二模拟像素信号中的每一个可对应于在当前帧期间在所述多个像素中的每一个像素中累积的光电荷的电荷量。根据示例实施例，从所述多个像素中的一个像素输出的第一模拟像素信号和从该一个像素输出的第二模拟像素信号可在当前帧期间被依次输出。
根据示例实施例，该操作方法还可包括：基于第一模拟像素信号中的每一个对包括在图像处理系统中的模数转换电路执行自动调零。根据示例实施例，在自动调零操作之后，第二模拟像素信号中的每一个可从所述多个像素中的每一个像素输出。
根据示例实施例，该操作方法还可包括：在存储之前，在包括在像素阵列中的所有像素中选择包括多个像素的激活像素组。
根据示例实施例，包括在激活像素组中的多个像素可以彼此相邻。根据示例实施例，激活像素组可位于像素阵列的边缘。根据示例实施例，包括在激活像素组中的多个像素可以彼此不相邻。
本发明构思的示例实施例被定向为一种图像传感器，所述图像传感器包括：像素阵列，包括多个像素；像素信号差存储电路，存储多个第一模拟像素信号中的每一个和多个第二模拟像素信号中的每一个之间的差，所述多个第一模拟像素信号从所述多个像素输出并与前一帧相应，所述多个第二模拟像素信号从所述多个像素输出并与当前帧相应；以及模数转换电路，将存储的差中的每一个转换为多个1比特数字信号中的每一个。
根据示例实施例，像素信号差存储电路可包括：多个耦合电容器，每一个耦合电容器存储所述差中的每一个。
根据示例实施例，模数转换电路包括多个比较器，所述多个比较器中的每一个比较器将存储的差中的每一个与参考电压进行比较，并根据比较的结果输出所述多个1比特数字信号中的每一个。
根据示例实施例，所述多个耦合电容器中的每一个可基于所述差中的每一个调节所述多个比较器的每个比较值输入节点的电压，所述多个比较器中的每一个可将调节的比较值输入节点的电压和参考电压进行比较。
根据示例实施例，所述图像传感器还可包括：第一初始化开关，每个第一初始化开关连接在所述多个比较器中的每一个的比较值输入节点和所述多个比较器中的每一个的第一输出节点之间。随着第一初始化开关中的每一个被接通，所述多个比较器中的每一个的比较值输入节点的电压可被初始化为等于参考电压。
根据示例实施例，在比较值输入节点的电压变得等于参考电压之后，第一初始化开关中的每一个被断开，并且在第一初始化开关中的每一个被断开之后，所述多个像素中的每一个可执行复位操作。
根据示例实施例，所述图像传感器还可包括：参考电压供应电路，将参考电压供应到所述多个比较器中的每一个的参考值输入节点。
根据示例实施例，参考电压供应电路可包括：第二初始化开关，每个第二初始化开关连接在所述多个比较器中的每一个的第二输出节点和所述多个比较器中的每一个的参考值输入节点之间，并且随着第一初始化开关中的每一个而切换。
根据示例实施例，参考电压供应电路可包括：第一开关阵列，基于模式选择信号将斜坡信号和参考电压之一供应到参考值输入节点。
根据示例实施例，所述图像传感器还可包括：第二开关阵列，基于模式选择信号将所述多个1比特数字信号中的每一个发送到计数器或锁存器。
根据示例实施例，所述图像传感器还可包括：功率管理单元，基于模式选择信号控制供应到计数器或产生斜坡信号的斜坡信号产生器的功率。
根据示例实施例，供应到所述多个比较器中的一个比较器的参考电压可以与供应到所述多个比较器中的另一个比较器的参考电压不同。
根据示例实施例，所述图像传感器还可包括：像素信号输出开关，连接在所述多个像素中的每一个和所述多个耦合电容器中的每一个之间，并控制所述多个第一模拟像素信号中的每一个和所述多个第二模拟像素信号中的每一个的输出。
本发明构思的示例实施例被定向为一种图像处理系统，包括：图像传感器；以及图像信号处理器（ISP），处理从图像传感器输出的图像数据，并识别前一帧和当前帧之间的对象的运动。所述图像传感器可包括：像素阵列，包括多个像素；像素信号差存储电路，存储多个第一模拟像素信号中的每一个和多个第二模拟像素信号中的每一个之间的差，所述多个第一模拟像素信号从所述多个像素输出并与前一帧相应，所述多个第二模拟像素信号从所述多个像素输出并与当前帧相应；模数转换电路，将存储的差中的每一个转换为多个1比特数字信号中的每一个；锁存器块，基于转换的多个1比特数字信号输出图像数据。
本发明构思的示例实施例被定向为一种电子装置。
根据示例实施例，所述电子装置可包括：图像传感器；图像信号处理器（ISP），处理从图像传感器输出的图像数据，；以及显示器，用于显示处理后的图像数据。所述图像传感器可包括：像素阵列，包括多个像素；像素信号差存储电路，存储多个第一模拟像素信号中的每一个和多个第二模拟像素信号中的每一个之间的差，所述多个第一模拟像素信号从所述多个像素输出并与前一帧相应，所述多个第二模拟像素信号从所述多个像素输出并与当前帧相应；模数转换电路，将存储的差中的每一个转换为多个1比特数字信号中的每一个；锁存器块，基于转换的多个1比特数字信号输出图像数据。
至少一个示例实施例涉及一种图像传感器。
在一个实施例中，所述图像传感器包括：至少一个像素；以及至少一个读出电路，所述读出电路被构造为输出1比特数字信号，所述1比特数字信号指示第一模拟信号和第二模拟信号之间的差是否大于参考电压，第一模拟信号表示通过像素感测到的第一帧，第二模拟信号表示通过像素感测到的第二帧，所述读出电路包括：存储装置，被构造为存储第一模拟信号和第二模拟信号之间的差，模数转换器，被构造为将存储的差转换为1比特数字信号。
在一个实施例中，模数转换器包括：比较器，被构造为将存储的差和参考电压进行比较，并将比较的结果输出为1比特数字信号。
在一个实施例中，所述至少一个像素包括：光电元件，被构造为根据在第一帧期间在光电元件中累积的光电电荷的量来产生第一模拟信号，并根据在第二帧期间在光电元件中累积的光电电荷的量来产生第二模拟信号；多个像素开关，被构造为选择性地将第一模拟信号和第二模拟信号提供给存储装置。
在一个实施例中，模数转换器包括：第一开关，被构造为选择性地将比较器的输入节点初始化为参考电压，其中，所述至少一个像素内的所述多个像素开关被构造为：在比较器的输入节点被初始化为参考电压之后，将第一模拟信号提供给存储装置，以及在比较器的参考节点被复位到参考电压之后，将第二模拟信号提供给存储装置，使得存储在存储装置中的值表示第一模拟信号和第二模拟信号之间的差。
在一个实施例中，所述图像传感器还包括：斜坡信号产生器，被构造为在图像传感器的操作模式是彩色图像感测模式的情况下产生斜坡信号；计数器，被构造为在图像传感器的操作模式是彩色图像感测模式的情况下对所述1比特数字信号在低电平和高电平之间转变所需的时间进行计数；开关阵列，被构造为基于图像传感器的操作模式选择性地将斜坡信号和参考电压之一提供给比较器的参考节点；以及功率管理单元，被构造为在图像传感器的操作模式是运动感测模式的情况下禁用斜坡信号产生器。
附图说明
从下面结合附图进行的对实施例的描述，本总体发明构思的这些和/或其他方面和优点将变得清楚和更易于理解，其中：
图1是根据本发明构思的示例实施例的图像处理系统的框图；
图2是根据图1中示出的图像传感器的示例实施例的框图；
图3是根据示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的电路图；
图4是根据图3中示出的控制信号的示例实施例的时序图；
图5是根据图3中示出的控制信号的另一示例实施例的时序图；
图6是根据另一示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的电路图；
图7是根据图6中示出的控制信号的另一示例实施例的时序图；
图8是根据另一示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的时序图；
图9是根据另一示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的电路图；
图10是根据另一示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的电路图；
图11是图10中示出的模数转换电路的电路图；
图12是根据图11中示出的比较信号的示例实施例的曲线图；
图13是根据图11中示出的比较信号的另一示例实施例的曲线图；
图14是根据另一示例实施例的图2中示出的像素阵列和读出电路的电路图；
图15是根据另一示例实施例的图2中示出的像素阵列和读出电路的电路图；
图16是描绘根据图2中示出的像素阵列的示例实施例的激活像素组的示图；
图17是描绘根据图2中示出的像素阵列的另一示例实施例的激活像素组的示图；
图18是描绘根据图2中示出的像素阵列的另一示例实施例的激活像素组的示图；
图19是根据图1中示出的图像传感器的另一示例实施例的框图；
图20是根据本发明构思的示例实施例的操作图像传感器的方法的流程图；
图21是根据包括图1中的图像传感器的系统的示例实施例的框图；
图22是根据包括图1中的图像传感器的系统的另一示例实施例的框图。
具体实施方式
现在将参照附图在下文中更全面地描述本发明构思，在附图中示出示例实施例。然而，这些发明构思可被实施为多种不同的形式，并且不应被解释为限于这里阐述的示例实施例。相反，提供这些示例实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且这些示例实施例将把本发明构思的范围完全传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚可夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。相似的标号始终表示相似的元件。
将理解的是，当元件被称为“连接”或“结合”到另一元件时，其可直接连接或结合到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。如这里使用的，术语“和/或”包括相关联列出项中的一个或更多个的任何和所有组合，并可被缩写为“/”。
将理解的是，虽然术语“第一”、“第二”等在这里可用于描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一元件。例如，在不脱离本公开的教导的情况下，第一信号可被命名为第二信号，类似地，第二信号可被命名为第一信号。
这里使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，不意图限制本发明。如这里使用的，单数形式也意图包括复数形式，除非上下文另外明确地指示。还将理解的是，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时指定所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多个其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
除非另外定义，否则这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解的是，诸如在通用字典中定义的术语应被解释为具有与在相关领域和/或本申请的上下文中的含义一致的含义，并将不被解释为理想化或过于正式化的含义，除非这里清楚地这样定义。
图1是根据本发明构思的示例实施例的图像处理系统的框图。
参照图1，图像处理系统10可包括图像传感器100、图像信号处理器（ISP）200、显示单元205、中央处理单元210和外围电路220。
根据示例实施例，图像传感器100、ISP200和CPU210可被实施在片上系统中。根据另一示例实施例，图像传感器100和ISP200可被实施在多芯片封装（MCP）或叠层封装（PoP）中。
图像处理系统10可被配置为用作用于获取对象的颜色信息的颜色传感器、用于获取对象的深度信息的深度传感器和/或用于通过感测对象的运动来获取运动信息的运动传感器。
根据示例实施例，当图像传感器100包括颜色传感器像素时，图像传感器100可根据从CPU210发送的模式选择信号MSEL，基于从每个颜色传感器像素输出的像素信号将包括对象的颜色信息的图像数据IDATA或包括对象的运动信息的图像数据IDATA发送到ISP200。
例如，当模式选择信号MSEL处于第一电平（例如，低电平）时，图像传感器100可输出与运动信息相应的图像数据IDATA，当模式选择信号MSEL处于第二电平（例如，高电平）时，图像传感器100可输出与颜色信息相应的图像数据IDATA，然而，示例实施例不限于此。
根据另一示例实施例，当图像传感器100包括深度传感器像素（例如，渡越时间（TOF）传感器像素）时，图像传感器100可根据从CPU210发送的模式选择信号MSEL，基于从每个深度传感器像素输出的像素信号将与对象的深度信息或深度图像相应的图像数据IDATA或与对象的运动信息或运动图像相应的图像数据IDATA发送到ISP200。
例如，当模式选择信号MSEL处于第一电平（例如，低电平）时，图像传感器100可输出与运动信息或运动图像相应的图像数据IDATA，当模式选择信号MSEL处于第二电平（例如，高电平）时，图像传感器100可输出与深度信息或深度图像相应的图像数据IDATA，然而，不限于此。
根据示例实施例，图像传感器100可被实施在单独的芯片中。例如，图像传感器100可被实施在CMOS图像传感器芯片中。
ISP200可接收图像数据IDATA，处理接收到的图像数据IDATA，并产生处理后的图像数据IDATA'。根据示例实施例，ISP200可根据模式选择信号MSEL以不同的方式处理与对象的颜色信息相应的图像数据IDATA、与对象的深度信息相应的图像数据IDATA或与对象的运动信息相应的图像数据IDATA。
根据示例实施例，当ISP200从图像传感器100接收到与对象的运动信息相应的图像数据IDATA时，ISP200可处理关于光量的改变的信息，并产生指示对象的运动的处理后的数据，即，运动数据。
ISP200可校正图像数据IDATA的明暗、对比度和/或色度。ISP200可将处理后的图像数据IDATA'发送到显示单元205。
显示单元205可表示可显示处理后的图像数据IDATA'的显示器。根据示例实施例，显示单元205可被实施为液晶显示器（LCD）、发光二极管（LED）显示器、有机发光二极管（OLED）显示器、有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示器或柔性显示器。
CPU210可分析从外围电路220发送的数据，基于分析的结果产生模式选择信号MSEL，并将产生的模式选择信号MSEL发送到图像传感器100和ISP200。
外围电路220可为CPU210提供根据系统10的状态或各种输入而产生的数据。
根据示例实施例，外围电路220可被实施为输入接口。在此情况下，执行输入接口的功能的外围电路220可为CPU210提供根据用户的输入而产生的数据。输入接口可以是诸如按钮、触摸屏、键盘或鼠标的输入装置。
CPU210可基于外围电路220提供的数据产生模式选择信号MSEL。根据另一示例实施例，外围电路220可被实施为应用执行模块。在此情况下，外围电路220可监视特定应用的执行，并将根据监视结果产生的数据发送到CPU210。CPU210可基于外围电路220提供的数据产生模式选择信号MSEL。特定应用可以是相机驱动应用或增强现实应用，然而，示例实施例不限于此。
图2是根据图1中示出的图像传感器的示例实施例的框图。为了便于描述，与图像传感器100一起示出对象1。
参照图1和图2，图像传感器100可包括像素阵列24、读出电路28、时序控制器30和行解码器34。
图像传感器100可根据模式选择信号MSEL产生与对象1的颜色信息相应的图像数据IDATA或与对象1的运动信息相应的图像数据IDATA。根据示例实施例，图像传感器100可不管模式选择信号MSEL如何而获得与对象1的运动信息相应的图像数据IDATA。
像素阵列24可包括用于感测从对象1反射的光（例如，可见光线）的多个像素26。读出电路28可基于从像素阵列24输出的像素信号产生图像数据IDATA。时序控制器30可基于从CPU210发送的模式选择信号MSEL来控制图像传感器100的组件，例如，读出电路28和/或行解码器34。
行解码器34可对从时序控制器30输出的多个行控制信号（例如，行地址信号）进行解码，并根据解码的结果驱动包括在像素阵列24中的特定行线。行解码器34可表示包括用于驱动行线的行驱动器的概念。
图3是根据示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的电路图。
参照图2和图3，像素26可被实施为包括四个晶体管的结构。尽管示出像素26具有四个晶体管，但是示例实施例不限于此。
光电转换元件26A根据入射光产生光电荷。光电转换元件26A可被实施为光电二极管、光电晶体管、光电门或钉扎光电二极管（PPD）。
传输晶体管TX响应于传输控制信号TS将在光电转换元件26A中产生的光电荷传输到浮置扩散节点（NFD）。复位晶体管RX响应于复位信号RS对浮置扩散节点（NFD）进行复位。选择晶体管SX可响应于选择信号SEL输出与光电转换元件26A产生的光电荷的量相应的像素信号PIX1或PIX2。
根据图2中示出的读出电路28的示例实施例的读出电路28A可包括第一耦合电容器CAZ1、模数转换电路40A以及锁存器和感测放大器块50。
模数转换电路40A可包括第一初始化开关SWAZ1和比较器42。
第一耦合电容器CAZ1可在第一初始化开关SWAZ1断开时保持像素信号输入节点NPI和比较值输入节点NCI之间的电压。
第一初始化开关SWAZ1可响应于切换信号SAZ而接通。随着第一初始化开关SWAZ1被接通，比较值输入节点NCI的电压可被初始化为与参考电压VX相同。该初始化可表示自动调零操作。
切换信号SAZ可由时序控制器30产生。时序控制器30可基于从CPU（图1中的210）发送的模式选择信号MSEL产生切换信号SAZ。
比较器42可将通过参考值输入节点NRI输入的参考电压VX和比较值输入节点NCI的电压进行比较，并根据比较的结果产生比较信号SCOMP。比较器42可将产生的比较信号SCOMP发送到锁存器和感测放大器块50。
这里术语“参考电压”可不仅表示供应到比较器42的参考值输入节点NRI的电压，而且综合地表示作为当比较器42产生比较信号SCOMP时的参考电压的电压。
锁存器&感测放大器块50可包括锁存器（未示出）和感测放大器（未示出）。锁存器可存储比较信号SCOMP。感测放大器可感测并放大存储在锁存器中的比较信号SCOMP，并将此作为图像数据IDATA输出。
将参照图4和图5详细地描述模数转换电路40A的操作。
图4是根据图3中示出的控制信号的示例实施例的时序图。
参照图3和图4，响应于选择信号SEL，选择晶体管SX可在第一时间T1和第七时间T7之间的区段（对应于当前帧）中被导通。
响应于切换信号SAZ，第一初始化开关SWAZ1可从第一时间T1到第二时间T2被接通。随着第一初始化开关SWAZ1被接通，可执行初始化操作使得比较值输入节点NCI的电压可与参考电压VX相同。
由于初始化操作在像素26的复位操作之前（即，在复位晶体管RX被导通之前）被执行，因此在执行初始化操作时在前一帧期间累积的光电荷被保持在像素26的浮置扩散节点NFD中。即，从像素26输出与在执行初始化操作时在前一帧期间累积的光电荷的量相应的第一像素信号PIX1，并且通过第一像素信号PIX1确定像素信号输入节点NPI的电压。
通过初始化操作在第一耦合电容器CAZ1的两端，出现与第一像素信号PIX1的电压VPIX1和参考电压VX之间的差相应的电压差VPIX1-VX。由于第一初始化开关SWAZ1在第二时间T2被断开，因此第一耦合电容器CAZ1的两端之间的电压差被保持。
响应于复位控制信号RS，复位晶体管RX可从第三时间T3到第四时间T4被导通。随着复位晶体管RX被导通，保持在前一帧期间累积的光电荷的浮置扩散节点NFD可被复位。
可由光电转换元件26A从第四时间T4到第五时间T5产生与当前帧相应的光电荷。
响应于传输控制信号TS，传输晶体管TX可从第五时间T5到第六时间T6被导通。随着传输晶体管TX被导通，在当前帧期间产生的光电荷可被传输到浮置扩散节点NFD。
在第六时间T6之后，可从像素26输出与在当前帧期间在像素26中累积的光电荷的量相应的第二像素信号PIX2。即，第一像素信号PIX1和第二像素信号PIX2均是模拟信号，并且可在当前帧期间依次输出。
输出的第二像素信号PIX2被输入到像素信号输入节点NPI，并且像素信号输入节点NPI的电压等于第二像素信号PIX2的电压VPIX2。这里，在第二时间T2的电压差VPIX1-VX被保持在第一耦合电容器CAZ1的两端，使得比较值输入节点NCI的电压可从VX改变为VX+（VPIX2-VPIX1）。即，第一耦合电容器CAZ1可存储第一像素信号PIX1的电压VPIX1和第二像素信号PIX2的电压VPIX2之间的差VPIX2-VPIX1。
第一耦合电容器CAZ1可被描述为可存储第一像素信号PIX1和第二像素信号PIX2之间的差的像素信号差存储电路的示例；然而，本发明构思的范围不限于此。
比较器42可将通过参考值输入节点NRI输入的参考电压VX和比较值输入节点NCI的电压VX+VPIX2-VPIX1进行比较，并根据比较的结果产生比较信号SCOMP。即，比较器42可将第一像素信号PIX1的电压VPIX1和第二像素信号PIX2的电压VPIX2之间的差VPIX2-VPIX1转换为比较信号SCOMP，其中，比较信号SCOMP是1比特数字信号。
这里使用的术语“参考电压”可不仅表示供应到比较器42的参考值输入节点NRI的电压，例如，VX，而且综合地表示作为当比较器42产生比较信号SCOMP时的参考电压的电压，或与第一像素信号PIX1的电压VPIX1和第二像素信号PIX2的电压VPIX2之间的差VPIX2-VPIX1进行比较参考的电压，例如，0V。
例如，当当前帧的第二像素信号PIX2的电压VPIX2高于前一帧的第一像素信号PIX1的电压VPIX1时，比较器42可产生具有高电平的比较信号SCOMP，而当第二像素信号PIX2的电压VPIX2低于前一帧的第一像素信号PIX1的电压VPIX1时，比较器42可产生具有低电平的比较信号SCOMP。
图5是根据图3中示出的控制信号的另一示例实施例的时序图。
参照图3至图5，图5中示出的除了选择信号SEL之外的控制信号SAZ、RS和TS的时序与图4中示出的控制信号SAZ、RS和TS的时序基本上相同。
选择晶体管SX可在需要输出像素信号PIX1或PIX2的时间被导通。即，选择晶体管SX可在第一时间T1和第二时间T2之间的区段（其中，像素信号输入节点NPI的电压使用与前一帧相应的第一像素信号PIX1被初始化）中以及在第七时间T7和第八时间T8之间的区段（其中，与当前帧相应的第二像素信号PIX2被输入到像素信号输入节点NPI）中被导通。
图6是根据另一示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的电路图。
参照图2、图3和图6，除了像素信号输出开关SWC之外，根据图2中示出的读出电路28的另一示例实施例的读出电路28B的结构和操作与图3中示出的读出电路28A的结构和操作基本上相同。
像素信号输出开关SWC可连接在像素26和第一耦合电容器CAZ1之间。
时序控制器30可基于模式选择信号MSEL产生切换信号SC。像素信号输出开关SWC可响应于由时序控制器30产生的切换信号SC而被切换。以下将参照图7更详细地描述像素信号输出开关SWC的详细操作。
图6中示出的模数转换电路40B的结构和操作与图3中示出的模数转换电路40A的结构和操作基本上相同。
图7是根据图6中示出的控制信号的另一示例实施例的时序图。参照图4、图6和图7，除了切换信号SC之外，图7中示出的控制信号SEL、SAZ、RS和TS的时序与图4中示出的控制信号SEL、SAZ、RS和TS的时序基本上相同。
响应于切换信号SC，像素信号输出开关SWC可仅在需要输出像素信号PIX1或PIX2的时间期间被接通。即，像素信号输出开关SWC可在第一时间T1和第二时间T2之间的区段中以及在第七时间T7和第八时间T8之间的区段中被接通。
第一时间T1和第二时间T2之间的区段是像素信号输入节点NPI的电压使用与前一帧相应的第一像素信号PIX1被初始化的区段。第七时间T7和第八时间T8之间的区段是与当前帧相应的第二像素信号PIX2被输入到像素信号输入节点NPI的区段。
图8是根据另一示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的电路图。
参照图2、图3和图8，根据图2中示出的读出电路28的另一示例实施例的读出电路28C包括第一耦合电容器CAZ1、模数转换电路40C以及锁存器和感测放大器块50。
与图3中示出的比较器42不同，包括在模数转换电路40C中的比较器42'可具有两个输出节点NCO1和NCO2，通过该两个输出节点NCO1和NCO2中的每一个输出的输出值可以彼此互补。模数转换电路40C包括参考电压供应电路40C-1。参考电压供应电路40C-1包括连接在比较器42'的第二输出节点NCO2和参考值输入节点NRI之间的第二初始化开关SWAZ2。第二初始化开关SWAZ2和第一初始化开关SWAZ1可通过切换信号SAZ被一起切换。
参考电压供应电路40C-1可包括连接在电源VX和参考值输入节点NRI之间的第二耦合电容器CAZ2。
当执行初始化操作时，随着第一初始化开关SWAZ1和第二初始化开关SWAZ2被一起接通，参考值输入节点NRI和比较值输入节点NCI可被初始化为任意电压值。在此情况下，所述任意电压可以是参考电压。
图9是根据另一示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的电路图。
参照图2、图3和图9，根据图2中示出的读出电路28的另一示例实施例的读出电路28D包括模数转换电路40D、锁存器和感测放大器块50、计数器60和第二开关阵列62。
模数转换电路40D可包括斜坡信号产生器44和第一开关阵列46。斜坡信号产生器44可产生斜坡信号，并将产生的斜坡信号供应到参考值输入节点NRI。第一开关阵列46可包括开关SW1和SW2，并响应于切换信号SE和/SE将斜坡信号和参考电压VSS中的一个供应到参考值输入节点NRI。
根据示例实施例，第一开关阵列46可根据由时序控制器30基于模式选择信号MSEL产生的切换信号SE和/SE将斜坡信号供应到参考值输入节点NRI，以在传统的彩色图像感测模式下操作图1的图像传感器100。
根据另一示例实施例，第一开关阵列46可根据由时序控制器30基于模式选择信号MSEL产生的切换信号SE和/SE将参考电压VSS供应到参考值输入节点NRI，以在运动感测模式下操作图1的图像传感器100。
计数器60可响应于时钟信号（未示出）对比较信号SCOMP的电平转变时间进行计数。
第二开关阵列62可包括开关SW3和SW4，并响应于切换信号SE和/SE将比较信号SCOMP供应到计数器60以及包括在锁存器和感测放大器块50中的锁存器之一。
根据示例实施例，第二开关阵列62可根据由时序控制器30基于模式选择信号MSEL产生的切换信号SE和/SE将比较信号SCOMP供应到计数器60，以在传统的彩色图像感测模式下操作图1的图像传感器100。
根据另一示例实施例，第二开关阵列62可根据由时序控制器30基于模式选择信号MSEL产生的切换信号SE和/SE将比较信号SCOMP供应到包括在锁存器和感测放大器块50中的锁存器，以在运动感测模式下操作图1的图像传感器100。
功率管理单元70可基于从CPU210发送的模式选择信号MSEL控制供应到斜坡信号产生器44和计数器60中的每一个的功率信号PRSG或PCNT。
根据示例实施例，功率管理单元70可通过基于模式选择信号MSEL控制功率信号PRSG或PCNT来断开斜坡信号产生器44和计数器60的功率，以在图像传感器感测运动时操作图1的图像传感器100。
根据另一示例实施例，功率管理单元70可基于模式选择信号MSEL激活锁存器（未示出）的仅1比特，以在图像传感器感测运动时操作图1的图像传感器100，其中，所述锁存器包括在锁存器和感测放大器块50中并锁存多个比特。
根据另一示例实施例，当使用包括在图像传感器100的像素阵列24中的一些像素26感测运动时，功率管理单元70可控制对包括在图像传感器100中的配置中的除了斜坡信号产生器44和计数器60之外的用于感测运动的不必要部分（例如，读出电路28的部分和行解码器34的部分）的功率供应。
根据功率管理单元70的操作，可减小在图1的图像传感器100中消耗的功率。
图10是根据另一示例实施例的图2中示出的像素和读出电路的电路图。
参照图2、图3和图10，根据图2中示出的读出电路28的另一示例实施例的读出电路28E包括模数转换电路40E以及锁存器和感测放大器块50。
模数转换电路40E可包括偏移产生电路48。偏移产生电路48可将具有不同值的偏移电压供应到比较值输入节点NCI和参考值输入节点NRI中的每一个。可使用从偏移产生电路48供应的偏移电压来减小由噪声导致的误差。
将参照图11至图13详细地描述关于偏移产生电路48的结构和操作。
图11是图10中示出的模数转换电路的电路图。图12是根据图11中示出的比较信号的示例实施例的曲线图。图13是根据图11中示出的比较信号的另一示例实施例的曲线图。
参照图10至图13，偏移产生电路48通过加法器82将第一偏移电压VOFS1与比较值输入节点NCI的电压相加，并且偏移产生电路48可通过加法器84将第二偏移电压VOFS2与参考电压VX相加。加法器84位于参考值输入节点NRI。
参考值输入节点NRI和比较值输入节点NCI具有根据偏移电压VOFS1和VOFS2的偏移电压差。即，通过偏移电压差VOFS=VOFS2-VOFS1，可改变作为比较器42的比较参考的参考电压。
当偏移电压差具有正值时，比较信号SCOMP具有如图12中所示的值。例如，当与当前帧相应的第二像素信号PIX2的电压VPIX2和与前一帧相应的第一像素信号PIX1的电压VPIX1之间的差等于或大于偏移电压差+ΔVOFS时，比较信号SCOMP可处于高电平，而当所述差小于偏移电压差+ΔVOFS时，比较信号SCOMP可处于低电平。
即，当第二像素信号PIX2的电压VPIX2在误差范围（例如，+ΔVOFS）内高于第一像素信号PIX1的电压VPIX1时，比较信号SCOMP可处于低电平。
当偏移电压差具有负值时，比较信号SCOMP具有如图13中所示的值。例如，当与当前帧相应的第二像素信号PIX2的电压VPIX2和与前一帧相应的第一像素信号PIX1的电压VPIX1之间的差等于或大于偏移电压差-ΔVOFS时，比较信号SCOMP可处于高电平，而当所述差小于偏移电压差-ΔVOFS时，比较信号SCOMP可处于低电平。即，当第二像素信号PIX2的电压VPIX2在误差范围（例如，-ΔVOFS）内小于第一像素信号PIX1的电压VPIX1时，比较信号SCOMP可处于高电平。
图14是根据另一示例实施例的图2中示出的像素阵列和读出电路的电路图。参照图2、图10至图14，根据图2中示出的读出电路28的另一示例实施例的读出电路28F可包括多个模数转换电路，所述多个模数转换电路包括第一模数转换电路40-1和第二模数转换电路40-2。
第一模数转换电路40-1和第二模数转换电路40-2在结构和操作上与图11中示出的模数转换电路40E基本上相同。
为了便于图14中的描述，未示出第一耦合电容器CAZ1，然而，第一耦合电容器CAZ1可连接在各个像素26-1或26-2与各个模数转换电路40-1或40-2之间。
根据示例实施例，第一模数转换电路40-1的偏移电压差ΔVOFS具有正值，第二模数转换电路40-2的偏移电压差ΔVOFS具有负值。即，供应到包括在第一模数转换电路40-1中的比较器的参考电压可以与供应到包括在第二模数转换电路40-2中的比较器的参考电压不同。
在此情况下，当与当前帧相应的像素信号的电压在误差范围（例如，ΔVOFS）内高于与前一帧相应的像素信号的电压时，第一模数转换电路40-1可使第一比较信号SCOMP1处于低电平。
当与当前帧相应的像素信号的电压在误差范围（例如，-ΔVOFS）内低于与前一帧相应的像素信号的电压时，第二模数转换电路40-2可使第二比较信号SCOMP2处于高电平。
处于高电平的第一比较信号SCOMP1和第二比较信号SCOMP2表示与当前帧相应的像素信号的电压低于与前一帧相应的像素信号的电压，即，光量减小。
处于低电平的第一比较信号SCOMP1和处于高电平的第二比较信号SCOMP2表示与当前帧相应的像素信号的电压在误差范围（例如，-ΔVOFS到+ΔVOFS）内等于与前一帧相应的像素信号的电压，即，光量被保持而未改变。处于低电平的第一比较信号SCOMP1和第二比较信号SCOMP2表示与当前帧相应的像素信号的电压高于与前一帧相应的像素信号的电压，即，光量增加。
基于第一比较信号SCOMP1和第二比较信号SCOMP2，可从读出电路28F输出包括运动信息的图像数据IDATA。
图15是根据另一示例实施例的图2中示出的像素阵列和读出电路的电路图。为了便于图15中的描述，未示出第一耦合电容器CAZ1，然而，第一耦合电容器CAZ1可连接在像素26-1与各个模数转换电路40-1或40-2之间。
参照图2和图10至图15，根据图2中示出的读出电路28的另一示例实施例的读出电路28G可执行与图14中示出的读出电路28F基本上相同的操作，但是读出电路28G使用仅从一个像素26-1输出的像素信号。
图16是描绘根据图2中示出的像素阵列的示例实施例的激活像素组的示图。
图17是描绘根据图2中示出的像素阵列的另一示例实施例的激活像素组的示图。图18是描绘根据图2中示出的像素阵列的另一示例实施例的激活像素组的示图。
参照图2和图16至图18，当图2中示出的图像传感器100在运动感测模式下操作时，可基于模式选择信号MSEL选择并操作启用像素组，所述启用像素组包括像素阵列24中所包括的多个像素中的将在运动感测中使用的像素。
在图16的情况下，启用像素组可位于密集区域中。即，包括在启用像素组中的像素可以彼此相邻。
在此情况下，通过使用位于密集区域中的启用像素组，可增加运动感测的灵敏度或分辨率。
在图17的情况下，启用像素组可位于像素阵列24的边缘。在图18的情况下，启用像素组可位于分散区域中。即，包括在启用像素组中的像素可以不彼此相邻。在此情况下，通过使用位于分散区域中的启用像素组，可感测更宽范围内的操作。
图19是根据图1中示出的图像传感器的另一示例实施例的框图。
参照图1、图2和图19，根据图1中示出的图像传感器100的另一示例实施例的图像传感器100'可以是以渡越时间（TOF）方法进行操作的图像传感器。
图像传感器100'还可包括光源20、红外线（IR）通过滤波器22、光电门控制器32和光源驱动器36。
光源20可根据光源驱动器36的控制信号MLS将调制的光信号（例如，红外线）发射到对象1。红外线通过滤波器22可接收从光源20发射的光信号，并仅使从对象1反射的光信号通过像素阵列24。像素阵列24可包括多个像素26'。所述多个像素26'中的每个像素可被实施为TOF传感器像素。
光电门控制器32可根据时序控制器30的控制来产生光电门控制信号，并将产生的光电门控制信号发送到像素阵列24。
图20是根据本发明构思的示例实施例的操作图像传感器的方法的流程图。
参照图3和图20，第一耦合电容器CAZ1可存储与像素26的前一帧相应的第一像素信号PIX1和与像素26的当前帧相应的第二像素信号PIX2之间的差（S10）。
第一像素信号PIX1可对应于在前一帧期间在像素26中累积的光电荷的电荷量，第二像素信号PIX2对应于在当前帧期间在像素26中累积的光电荷的电荷量。模数转换电路40A可将存储的差转换为1比特数字信号（例如，比较信号SCOMP）并输出结果（S12）。
图21是根据包括图1中的图像传感器的系统的示例实施例的框图。
参照图1和图21，电子系统1000可被实施为可使用或支持移动行业处理器接口的数据处理装置，例如，个人数字助理（PDA）、便携式多媒体播放器（PMP）、互联网协议电视（IPTV）或智能电话。
电子系统1000包括图1的图像传感器、应用处理器1010和显示器1050。
在应用处理器1010中实施的相机串行接口（CSI）主机1012可通过相机串行接口执行与图像传感器100的CSI装置1041的串行通信。这里，例如，CSI主机1012可包括解串行器（DES），CSI装置1041可包括串行器（SER）。
在应用处理器1010中实施的DSI主机1011可通过显示器串行接口（DSI）执行与显示器1050的DSI装置1051的串行通信。这里，例如，DSI主机1011可包括串行器（SER），DSI装置1051可包括解串行器（DES）。
根据示例实施例，电子系统1000还可包括RF芯片1060，RF芯片1060可与应用处理器1010通信。包括在应用处理器1010中的物理层1013可根据MIPI DigRF将数据发送到包括在RF芯片1060中的PHY1061或者从PHY1061接收数据。
根据示例实施例，电子系统1000还可包括GPS接收器1020、存储器1070、麦克风（MIC）1080、动态随机存取存储器（DRAM）1085和扬声器1090。
电子系统1000可使用全球互通微波存取（Wimax）1030模块、无线LAN（WLAN）1100模块和/或超宽带（UWB）1110模块，并执行通信。
图22是根据包括图1的图像传感器的系统的另一示例实施例的框图。
参照图1和图22，图像处理系统1200还可包括图1的图像传感器100、处理器1210、存储器1220、显示单元1230和接口1240。
根据示例实施例，图像处理系统1200可被实施为医疗装置或便携式电子装置。便携式电子装置可被实施为移动电话、智能电话、平板PC、个人数字助理（PDA）、企业数字助理（EDA）、便携式多媒体播放器（PMP）或电子书。
处理器1210可控制图像传感器100的操作或处理从图像传感器100输出的图像数据。根据示例实施例，处理器1210可表示ISP200。
存储器1220可根据处理器1210的控制通过总线1250存储用于控制图像传感器100的操作的程序和由处理器1210产生的图像，处理器1210可通过访问存储的信息来执行程序。例如，存储器1220可被实施为非易失性存储器。
显示单元1230可从处理器1210或存储器1220接收图像，并通过显示器（例如，液晶显示器（LCD）、LED显示器、OLED显示器、有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示器或柔性显示器）显示图像。
接口1240可被实施为用于输入/输出二维图像或三维图像的接口。根据示例实施例，接口1240可被实施为无线接口。
根据本发明构思的示例实施例的方法和装置可感测对象的运动。根据本发明构思的示例实施例的方法和装置可通过在感测对象的运动期间断开用于运动感测的冗余配置（例如，斜坡信号产生器和计数器）的功率来减小功耗。
根据本发明构思的示例实施例的方法和装置可通过使用具有不同极性的偏移电压来感测光量的增加、减少和保持。
尽管已经示出和描述了本总体发明构思的一些示例实施例，但是本领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明构思的原理和精神的情况下，可在这些示例实施例中进行改变，本发明构思的范围在权利要求及其等同物中限定。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括多个像素，被构造为在多个帧中的每个帧期间产生多个像素信号，所述多个像素包括第一像素；
读出电路，被构造为基于所述多个像素信号，产生与运动信息、深度信息或颜色信息相应的图像数据，所述读出电路包括多个像素信号差存储电路、多个模数转换电路、计数器和斜坡信号产生器，
所述多个像素信号差存储电路中的第一像素信号差存储电路被构造为存储与第一像素的前一帧相应的第一像素信号和与第一像素的当前帧相应的第二像素信号之间的差，
所述多个模数转换电路包括第一模数转换电路，第一模数转换电路被构造为将第一像素信号和第二像素信号之间的差转换为1比特数字信号，
所述图像传感器被构造为基于模式选择信号输出与运动信息相应的图像数据、与深度信息相应的图像数据或与颜色信息相应的图像数据。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中，第一模数转换电路包括比较器，比较器被构造为：
将参考电压与第一像素信号和第二像素信号之间的差进行比较。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其中，所述读出电路包括锁存器和感测放大器块，锁存器和感测放大器块被构造为锁存从比较器接收的比较信号。
4.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
时序控制器，被构造为控制所述读出电路。
5.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
功率管理单元，被构造为基于模式选择信号控制供应到计数器和斜坡信号产生器的功率。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其中：
所述多个像素为深度传感器像素，
所述图像传感器基于模式选择信号发送与深度信息相应的图像数据。
7.一种电子装置，包括：
图像传感器，包括：
像素阵列，包括多个像素，被构造为在多个帧中的每个帧期间产生多个像素信号，所述多个像素包括第一像素，以及
读出电路，被构造为基于所述多个像素信号产生图像数据，所述读出电路包括多个像素信号差存储电路以及多个模数转换电路；
图像信号处理器(ISP)，被构造为接收所述图像数据，对所述图像数据进行处理并产生处理图像数据；
CPU，被构造为产生模式选择信号，并将模式选择信号输出到图像传感器；
存储器，被构造为存储由图像信号处理器产生的图像；以及
显示单元，被构造为从图像信号处理器或存储器接收所述图像，并显示所述图像，
其中，所述多个像素信号差存储电路中的第一像素信号差存储电路被构造为存储与第一像素的前一帧相应的第一像素信号和与第一像素的当前帧相应的第二像素信号之间的差，
所述多个模数转换电路包括第一模数转换电路，第一模数转换电路被构造为将第一像素信号和第二像素信号之间的差转换为1比特数字信号，
图像传感器被构造为将基于模式选择信号将与运动信息相应的图像数据或与深度信息相应的图像数据输出到图像信号处理器。
8.如权利要求7所述的电子装置，其中，
当模式选择信号处于第一电平时，图像传感器输出与运动信息相应的图像数据，
当模式选择信号处于第二电平时，图像传感器输出与深度信息相应的图像数据。
9.如权利要求8所述的电子装置，其中，第一电平为低电平，第二电平为高电平。
10.如权利要求7所述的电子装置，其中，图像传感器和图像信号处理器被实现在多芯片封装件(MCP)中。
11.如权利要求7所述的电子装置，其中，图像传感器和图像信号处理器被实现在叠层封装件(PoP)中。
12.如权利要求7所述的电子装置，其中，第一模数转换电路包括比较器，比较器被构造为将参考电压与第一像素信号和第二像素信号之间的差进行比较。
13.一种多芯片封装件(MCP)，包括：
图像传感器，包括：
像素阵列，包括多个像素，被构造为在多个帧中的每个帧期间产生多个像素信号，所述多个像素包括第一像素，以及
读出电路，基于所述多个像素信号产生图像数据，所述读出电路包括多个像素信号差存储电路以及多个模数转换电路；
图像信号处理器(ISP)，被构造为接收图像数据，对图像数据进行处理并产生处理图像数据，
其中，所述多个像素信号差存储电路中的第一像素信号差存储电路被构造为存储与第一像素的前一帧相应的第一像素信号和与第一像素的当前帧相应的第二像素信号之间的差，
所述多个模数转换电路包括第一模数转换电路，第一模数转换电路被构造为将第一像素信号和第二像素信号之间的差转换为1比特数字信号。
14.如权利要求13所述的多芯片封装件，其中，图像数据与运动信息、深度信息或颜色信息相应。
15.如权利要求14所述的多芯片封装件，其中，
图像传感器基于模式选择信号将与运动信息相应的图像数据、与深度信息相应的图像数据或与颜色信息相应的图像数据输出到图像信号处理器。
16.如权利要求13所述的多芯片封装件，其中，第一模数转换电路包括比较器，比较器被构造为将参考电压与第一像素信号和第二像素信号之间的差进行比较。
17.如权利要求16所述的多芯片封装件，其中，所述多个模数转换电路包括：
多个初始化开关，连接在比较器的多个输入节点中的一个输入节点与比较器的输出节点之间，
当所述多个初始化开关被接通时，比较器的所述多个输入节点中的所述一个输入节点的电压被初始化为等于参考电压。
18.如权利要求13所述的多芯片封装件，其中，所述多个像素信号差存储电路使用耦合电容器被实现。
19.如权利要求13所述的多芯片封装件，其中，图像传感器包括：
功率管理单元，被构造为基于模式选择信号控制供应到包括在读出电路中的计数器和斜坡信号产生器的功率。
20.如权利要求13所述的多芯片封装件，还包括：
多个像素信号输出开关，连接在所述多个像素和多个耦合电容器之间，其中，所述多个像素信号输出开关被配置为控制所述多个像素信号中的每个像素信号的输出，
所述多个像素信号差存储电路使用所述多个耦合电容器被实现。
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