CN104580938B - 影像传感器以及影像感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种影像传感器，包括像素阵列、储存阵列以及控制电路。像素阵列具有多个像素单元，其中每一像素单元分别进行感光程序以及产生以电荷为单位的感光值；储存阵列具有多个储存单元，分别耦接至多个像素单元，其中每一储存单元用以储存相对应像素单元的感光值，并将感光值转换为以电压为单位的感光电压；控制电路分别耦接至像素阵列以及储存阵列，用来控制像素阵列中每一像素单元产生感光值并将其输出，以及控制储存阵列中每一储存单元接收感光值并输出感光电压。

Description

影像传感器以及影像感测方法

技术领域

本发明所揭露的实施例涉及影像感测，尤其涉及一种应用于影像传感器的设计以及相关影像感测方法。

背景技术

请参考图1，其为现有的4-T(4个晶体管)架构的感光像素及控制电路的架构图，也就是一个感光像素需包括四个晶体管，其中光电二极管102所感应产生的电子会经由开关104(由晶体管实现)进入随耦器108(由晶体管实现)，进而将光电二极管102所感应产生的电子转换为电压，再经由开关110输出至后续的读取电路，并藉由晶体管106以及开关104来重置光电二极管102以进行下一次的感光程序。然而，当像素的尺寸随着工艺的发展而越缩越小时，对于前感光式的影像传感器来说，由于控制电路中的晶体管以及绕线可能造成光线的阻挡，因此单位像素面积的实际感光面积也会越来越小，造成感光能力的下降。

因此，如何提高影像传感器的填充因子(fill factor)，即提高实际感光面积/单位像素面积，已成为此领域中亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种应用于前照度的影像传感器以及相关影像感测方法。

依据本发明的第一实施例，揭露一种影像传感器。影像传感器包括像素阵列、储存阵列以及控制电路。像素阵列具有多个像素单元，其中每一像素单元分别进行感光程序以及产生以电荷为单位的感光值；储存阵列具有多个储存单元，分别耦接至多个像素单元，其中每一储存单元用以储存相对应像素单元的感光值，并将感光值转换为以电压为单位的感光电压；控制电路分别耦接至像素阵列以及储存阵列，用来控制像素阵列中每一像素单元产生感光值并将其输出，以及控制储存阵列中每一储存单元接收感光值并输出感光电压。

依据本发明的第二实施例，揭露一种应用于上述影像传感器的影像感测方法，包括：在重置程序中利用控制电路将像素阵列中的像素单元，以及储存阵列中相对应于像素单元的储存单元重置为初始值；在感光程序中使像素单元进行感光；在转移程序中利用控制电路来控制像素单元所产生的感光值进入储存单元；以及在读出程序中利用控制电路来控制储存单元中的感光值被读取。

本发明所提出的影像传感器可以提高前感光式影像传感器的填充因子，特别是针对随着工艺而日益缩小的光学装置以及像素阵列，可以使光学装置不需为了维持填充因子而改采制作较复杂的后感光式影像传感器，因而达到简化设计的功效。

附图说明

图1为现有的4-T架构的影像传感器的架构图。

图2为本发明影像传感器的示范性实施例的示意图。

图3为本发明影像传感器的示范性实施例的电路架构图。

图4为本发明影像传感器的示范性实施例的操作时序图。

图5为本发明影像传感器的另一示范性实施例的电路架构图。

【符号说明】

102 光电二极管

104、110、308、3024、3042、3048、306、508、5086 开关

106 晶体管

108、3046 随耦器

200、300、500 影像传感器

202 像素阵列

204 储存阵列

206 控制电路

208 电荷转移控制电路

210 读取电路

302 像素单元

3022 光电二极管

304、504 储存单元

3044、310、5082 电容

312 列像素共享线路

5084 放大器

PS 感光值

V_PS 感光电压

具体实施方式

在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求中所提及的“包括”为开放式的用语，应解释成“包括但不限定于”。

请参考图2，其为本发明影像传感器的示范性实施例的示意图。影像传感器200包括像素阵列202、储存阵列204、控制电路206、电荷转移控制电路208以及读取电路210。像素阵列202设置于像素区域，储存阵列204设置于储存区域，储存区域在像素区域的旁边。像素阵列202主要用来感光，包括多个像素单元，例如X(列)*Y(行)个像素单元，其中每一像素单元会各自进行感光程序以及产生以电荷(charge)为单位的感光值；然而，相较于传统的前感光式影像传感器的4T架构，大部分的晶体管(例如随耦器以及开关等)都被设置在感光区域(即像素阵列202)之外的储存阵列204以及控制电路206，此一设计即为本发明的精神所在，其优点可增加像素阵列202的感光面积，即提高像素阵列202的填充因子(fillfactor)。另一方面，储存阵列204具有相对应于像素阵列202的个数的多个储存单元，例如X(列)*Y(行)个储存单元，分别对应至多个像素单元，其中每一储存单元用以储存相对应像素单元的感光值，并将感光值转换为以电压(volt)为单位的感光电压；而控制电路206分别耦接至像素阵列202以及储存阵列204，用来控制像素阵列202中每一像素单元产生感光值并将其输出，以及控制储存阵列204中每一储存单元接收感光值并输出感光电压至读取电路210。在实际操作的时候，像素阵列202中的每一行(row)中的多个像素单元可以同时分别进行感光操作，例如从像素阵列202中的第一行像素单元开始，并待第一行像素单元的感光操作结束，且将感光值传送到储存单元之后，再进行第二行像素单元的感光操作，依序进行到第X行。储存阵列内的感光电压可以逐行读出或是逐帧读出。

进一步来看，请参考图3，其为本发明感光像素及控制电路的示范性实施例的电路架构图。其中包括多个像素单元，应注意的是，影像传感器300中仅仅绘示出像素阵列202的其中一列(column)上的某一个像素单元(例如图3中的像素单元302)。如图所示，像素单元302包括光电二极管3022，用来进行感光程序以产生感光值PS，以及另包含第一开关3024(由晶体管实现)，用来依据控制电路206以决定是否导通。同样地，影像传感器300中仅仅绘示出储存阵列204的其中一列上的某一个储存单元(例如图3中的储存单元304)，如图所示，储存单元304包括电容3044，用来储存像素单元302所传送来的感光值PS；随耦器3046(由晶体管实现)，用来将感光值PS转换为感光电压V_PS；第二开关3042(由晶体管实现)，用来依据控制电路206以决定是否导通；以及第三开关3048(由晶体管实现)，用来依据控制电路206以决定是否导通以输出感光电压V_PS至读取电路210。应注意的是，第三开关3048亦可省略而以较复杂的控制方式来替代，此亦属于本发明的范围，其细节可参考现有的3-T架构，故在此便不多作赘述。最后，电荷转移控制电路208包括电容310以及开关元件308(由晶体管实现)，其中开关元件308依据控制电路206以决定是否导通。

请同时参考图3与图4，图4为本发明影像传感器的示范性实施例的操作时序图。一开始执行重置程序，控制电路206同时将重置信号RST、第一开关信号TX1、第二开关信号TX2、电荷转移控制开关信号TC以及第三开关信号SEL设为1，以分别导通重置开关306、第一开关3024、第二开关3042、开关元件308以及第三开关3048，使得光电二极管3022、电容3044、电容310以及读取电路210被重置至初始值。接下来执行感光程序，让光电二极管3022接收光源而曝光。接着执行转移程序，控制电路206会分别将第一开关信号TX1以及第二开关信号TX2设为1以让感光值PS得以经过列(column)像素共享线路312传送到储存单元304中，然而，由于列像素共享线路312连接了整列的像素单元以及储存单元，因此可能具有较大的电容效应，导致感光值PS无法有效率的转移至储存单元304中，因此会利用电荷转移控制电路208来加强感光值PS转移至储存单元304的转换率，具体来说，电荷转移控制电路208中的开关元件308用来启动或是停止电荷转移控制电路208以帮助强感光值PS转移至储存单元30，另外，电容310在此则可提供电荷至储存单元以将转移率尽量的提高。而当感光值PS已经转移至储存单元304后，接着执行读出程序，控制电路206便会将第三开关信号SEL设为1以导通第三开关3048，使得随耦器3046所输出的感光电压V_PS得以进入读取电路210。此完整的感光及读取流程会在下一行像素重复被执行。

应注意的是，电荷转移控制电路208的实际设计方式并不一定局限于图3所示的电路架构，任何能够达到提高感光值从像素单元转移到储存单元的转换率的做法，都属于本发明的范围。举例来说，请参考图5，其为本发明影像传感器的另一示范性实施例的电路架构图。影像传感器500中的电荷转移控制电路508包括电容508、放大器5084以及开关5086(由晶体管实现)。电容508的一端会耦接至像素单元302以及储存阵列504；放大器5084具有第一输入端以及第二输入端，分别耦接至电容5082的另一端以及参考电压(例如接地电压)；以及开关5086耦接于放大器5084的输出端以及储存单元504的电容3044之间，用来依据控制电路206以决定是否导通。电荷转移控制电路508亦可达到加强感光值PS转移至储存单元304的转换率的功效。

本发明所提出的影像传感器可以提高前感光式影像传感器的填充因子，特别是针对随着工艺而日益缩小的光学装置以及像素阵列，可以使光学装置不需为了维持填充因子而改采制作较复杂的后感光式影像传感器，进而达到简化设计的功效。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的修改与变型，皆应属本发明的覆盖范围。

Claims (9)

1.一种影像传感器，包括：

像素阵列，设置于像素区域，所述像素阵列具有多个像素单元，其中每一像素单元分别进行感光程序以及产生以电荷为单位的感光值；

储存阵列，设置于储存区域，所述储存区域位于所述像素区域旁，所述储存阵列具有多个储存单元，分别耦接至所述多个像素单元，其中每一储存单元用以储存相对应像素单元的所述感光值，并将所述感光值转换为以电压为单位的感光电压；

控制电路，分别耦接至所述像素阵列以及所述储存阵列，用来控制所述像素阵列中每一像素单元产生所述感光值并将其输出，以及控制所述储存阵列中每一储存单元接收所述感光值并输出所述感光电压；以及

电荷转移控制电路，耦接至所述像素阵列以及所述储存阵列，用来提高所述感光值从所述像素阵列传送到所述储存阵列时的效率。

2.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述电荷转移控制电路包括：

电容，分别耦接至所述像素阵列以及所述储存阵列；以及

开关元件，耦接于所述电容以及参考电压之间，用来依据所述控制电路以决定是否导通。

3.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述电荷转移控制电路还包括：

电容，分别耦接至所述像素阵列以及所述储存阵列；

放大器，具有第一输入端以及第二输入端，分别耦接至所述电容以及参考电压；以及

开关，耦接于所述放大器的输出端以及所述储存阵列之间，用来依据所述控制电路以决定是否导通。

4.如权利要求1所述的影像传感器，其为前感光式影像传感器。

5.如权利要求1所述的影像传感器，其中每一像素单元包括：

光电二极管，用来进行所述感光程序；以及

第一开关，分别耦接于所述光电二极管、所述储存阵列以及所述控制电路之间，用来依据所述控制电路以决定是否导通。

6.如权利要求1所述的影像传感器，其中每一储存单元包括：

电容，用来储存所述感光值；

随耦器，用来将所述感光值转换为所述感光电压；以及

第二开关，分别耦接于所述像素阵列、所述电容以及所述随耦器之间，用来依据所述控制电路以决定是否导通。

7.如权利要求6所述的影像传感器，其中每一储存单元还包括：

第三开关，耦接于所述随耦器以及所述控制电路之间，用来依据所述控制电路以决定是否导通以输出所述感光电压。

8.如权利要求6所述的影像传感器，其中所述控制电路控制所述像素阵列中位于同一列的多个特定像素单元经由导线来输出个别的感光值，以及控制所述储存阵列中位于同一列的多个特定储存单元经由所述导线来分别接收相对应的所述多个特定像素单元所输出的个别的感光值。

9.一种应用于权利要求1所述的影像传感器的影像感测方法，包括：

在重置程序中利用所述控制电路将所述像素阵列中的像素单元，以及所述储存阵列中相对应于所述像素单元的储存单元重置为初始值；

在感光程序中使所述像素单元进行感光；

在转移程序中利用所述控制电路来控制所述像素单元所产生的感光值进入所述储存单元并且利用所述电荷转移控制电路提高所述感光值从所述像素阵列传送到所述储存阵列时的效率；以及

在读出程序中利用所述控制电路来控制所述储存单元中的所述感光值被读取。