CN105991944B - 用于影像传感器的感光单元及其感光电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感光单元及感光电路，所述感光单元用于一影像传感器的一感光电路，所述感光单元包括一第一感光组件，用来感测光线以取得一感光结果，并据此产生多个载流子；一第一浮动端点，用来接收并存储所述第一感光组件所产生的所述多个载流子；以及至少一耦合组件，用来将所述第一浮动端点耦合至至少一第二浮动端点，并将所述第一浮动端点所存储的所述多个载流子中的部分载流子传送至所述至少一第二浮动端点，以存储在所述至少一第二浮动端点。通过本发明的感光单元，可在影像传感器中同时实现高信噪比、高感亮度及高动态范围。

Description

用于影像传感器的感光单元及其感光电路

技术领域

本发明涉及一种感光单元及其感光电路，尤其涉及一种可在影像传感器中同时实现高信噪比、高感亮度及高动态范围的感光单元及其感光电路。

背景技术

影像传感器是一种将光学影像转换为电子信号的装置，其广泛地应用于各种电子产品，如数字相机、医学影像产品、安全监控设备、影像电话等。目前市面上的影像传感器大致可分为电荷耦合组件(Charge Coupled Device，CCD)影像传感器及互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)影像传感器两种。随着集成电路工艺技术的进步，互补式金属氧化物半导体影像传感器已逐渐取代电荷耦合组件影像传感器成为影像传感器市场的主流。

根据像素中的电路结构，互补式金属氧化物半导体影像传感器可分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor，PPS)及主动式像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)，其差别在于主动式像素传感器的信号需经过主动组件再传送至后端电路。主动式像素传感器又因为晶体管数目多寡而具有不同架构，例如3T架构(具有3个晶体管)或4T架构(具有4个晶体管)。互补式金属氧化物半导体影像传感器进行影像感测的方式为，在每一像素中通过感光组件进行感光以后，感光组件会产生对应于感测到的光线强度的载流子，并将载流子传送至一浮动端点，再由后端电路读取浮动端点上的载流子数量，以取得感光结果。

“动态范围(dynamic range)”是现阶段互补式金属氧化物半导体影像传感器发展上的最大瓶颈。由于人眼所能接受的动态范围高达200dB以上，但市面上多数互补式金属氧化物半导体影像传感器都无法达到此要求，因此动态范围的提升已成为影像传感器制造商努力的方向。一种常见的提高动态范围的方式为采用多重曝光的方式，但此方式受限于感光组件内载流子传输效率与输出电路的可读取信号范围，无法同时具备高信噪比(Signal-to-Noise Radio，SNR)及高感亮度的效率。另一种提高动态范围的方式为加大电容，此方式虽可达到高信噪比，但动态范围的提升需伴随着感光面积的取舍，即，若欲取得高动态范围，必然会牺牲大量感光面积，而无法同时取得高感亮度。鉴于此，实有必要提出一种可同时实现高动态范围、高感亮度及高信噪比的影像传感器。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种用于影像传感器的感光单元及其感光电路，使得影像传感器可同时具备高动态范围、高感亮度及高信噪比的特性。

本发明公开了一种感光单元，用于一影像传感器的一感光电路，所述感光单元包括一第一感光组件，用来感测光线以取得一感光结果，并据此产生多个载流子；一第一浮动端点，用来接收并存储所述第一感光组件所产生的所述多个载流子；以及至少一耦合组件，用来将所述第一浮动端点耦合至至少一第二浮动端点，并将所述第一浮动端点所存储的所述多个载流子中的部分载流子传送至所述至少一第二浮动端点，以存储在所述至少一第二浮动端点。

本发明还公开了一种感光电路，用于一影像传感器。所述感光电路包括一第一感光组件，用来感测光线以取得一感光结果，并据此产生多个载流子；一第一浮动端点，用来接收并存储所述第一感光组件所产生的所述多个载流子；一传输开关，耦接至所述第一感光组件与所述第一浮动端点之间，在开启时传送所述第一感光组件所产生的所述多个载流子至所述第一浮动端点；至少一耦合组件，用来将所述第一浮动端点耦合至至少一第二浮动端点，并将所述第一浮动端点所存储的所述多个载流子中的部分载流子传送至所述至少一第二浮动端点，以存储在所述至少一第二浮动端点；一重置开关，耦接至所述第一浮动端点，在开启时清除位于所述第一浮动端点及所述至少一第二浮动端点上的所述多个载流子；以及一输出单元。所述输出单元包括一选择开关，受控于所述影像传感器的一输出电路，在开启时用来选择接收所述感光结果；以及一输出组件，用来在所述选择开关开启时，将存储在所述第一浮动端点及所述至少一第二浮动端点的所述多个载流子转换为一电子信号，并将所述电子信号传送至所述输出电路，使所述输出电路通过所述电子信号读取所述感光结果。

附图说明

图1A及图1B为一般4T架构的互补式金属氧化物半导体影像传感器的感光电路的示意图。

图2A、图2B及图2C为图1A的互补式金属氧化物半导体影像传感器中载流子转移的示意图。

图3A、图3B及图3C为图1A的互补式金属氧化物半导体影像传感器中载流子转移的示意图。

图4为本发明实施例影像传感器中对应于一像素的感光电路的示意图。

图5描述不同感光电路中的浮动端点通过耦合组件进行共享的电路结构。

图6至图10为本发明实施例感光电路运作的波形示意图。

图11A及图11B为本发明实施例另一影像传感器的感光电路的示意图。

图12为本发明实施例在一影像传感器上的像素阵列中，通过水平控制信号及垂直控制信号控制耦合组件启闭的示意图。

其中，附图标记说明如下：

PD、PD_0、PD_1、PD_2 感光组件

FN、FN(A)、FN(B)、FN_0、FN_1、 浮动端点

FN_2

102、102_0、102_1、102_2 传输开关

104、104_0、104_1、104_2 重置开关

106 输出单元

108、108_0、108_1、108_2 选择开关

110、110_0、110_1、110_2 输出组件

CR、CR_0、CR_1、CR_2 载流子

VS、VS_0、VS_1、VS_2 电子信号

V1、V2 电压信号

40、LS_0、LS_1、LS_2、1100、A、 感光电路

B、C、D、E、F

CP_A、CP_B、CP_0、CP_1、CP_2、 耦合组件

CP_3

TX(n-1)、TX(n)、TX(n+1) 传输控制信号

RST(n-1)、RST(n)、RST(n+1) 重置信号

RSL(n-1)、RSL(n)、RSL(n+1) 选择信号

HDR_A(n-2)、HDR_A(n-1)、 耦合控制信号

HDR_A(n)、HDR_A(n+1)

t1、t2、t3 期间

t1_1、t1_2、t3_1、t3_2 时间

CTRL_A、CTRL_B 控制组件

HDR_H(n-1)、HDR_H(n)、 水平控制信号

HDR_H(n+1)、HDR_H1、HDR_H2

HDR_V(m)、HDR_V1、HDR_V2、 垂直控制信号

HDR_V3

1202 水平控制电路

1204 垂直控制电路

具体实施方式

请参考图1A及图1B，图1A及图1B为一4T架构的互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)影像传感器的感光电路的示意图，其中，图1A绘示单一像素的感光电路结构，图1B则绘示多个感光电路在影像传感器上排列的结构。如图1A所示，在影像传感器中，对应于一像素的感光电路包括一感光组件PD、一浮动端点FN、一传输开关102、一重置开关104及一输出单元106。感光组件PD可为一感光二极管(Photodiode)或其它具有光电转换功能的组件，可用来感测光线以取得一感光结果，并据此产生多个载流子CR。浮动端点FN可用来接收感光组件PD所产生的载流子CR，其具有电容可用来存储载流子CR。传输开关102耦接至感光组件PD与浮动端点FN之间，当传输开关102开启时，感光组件PD所产生的载流子CR可传送至浮动端点FN。重置开关104耦接至浮动端点FN，当重置开关104开启时，可清除位于浮动端点FN上的载流子CR。输出单元106包括一选择开关108及一输出组件110。选择开关108受控于影像传感器的输出电路，即输出电路可开启一感光电路的选择开关108，来选择接收对应于所述感光电路的像素的感光结果。接收感光结果的方式则是通过输出组件110上信号的判读，即，输出组件110可将存储在浮动端点FN的载流子CR数量转换为一电子信号VS，当选择开关108开启时，输出组件110再将电子信号VS传送至影像传感器的输出电路，使输出电路通过电子信号VS来读取感光结果。

在图1B中，影像传感器上多个像素所对应的感光电路是以阵列方式排列，需注意的是，图1B仅为排列方式的示意图，实际排列的感光电路数量可能远大于图1B所示，如三百万、五百万或数千万个像素以上。其中，每一行感光电路的输出单元耦接至相同输出端，而控制信号依序控制每一列感光电路的选择开关开启，以依序取得相对应像素的感光结果。

请参考图2A、图2B及图2C，图2A、图2B及图2C为图1A的互补式金属氧化物半导体影像传感器中载流子CR转移的示意图，其绘示浮动端点FN的电容较大的情况下，载流子CR转移的状态。一般来说，载流子CR转移时，会从高位能处移动至低位能处。如图2A所示，感光组件PD进行光感测而产生载流子CR，此时传输开关102关闭，因此载流子CR存储在感光组件PD中。接着，如图2B所示，传输开关102开启，使得载流子CR经由传输开关102传送至位能较低的浮动端点FN，由于浮动端点FN具有较大的电容，使得感光组件PD中所有载流子CR都可转移至浮动端点FN。接着，如图2C所示，当传输开关102关闭时，输出电路即可读取浮动端点FN上的电压信号V1。在上述情况下，由于浮动端点FN的电容较大，使得转换而得的电压信号V1较小，当感光组件PD的曝光量小时，可能造成电压信号V1过小，需在后端电路增加额外的增益，因而可能混入额外的噪声，使信噪比(Signal-to-Noise Radio，SNR)降低。除此之外，为了在浮动端点FN上设置较大的电容，往往需要增加布局(Layout)面积，或在金属层上增加寄生电容，此两种方式都会牺牲感光组件PD的感光面积，进而降低感亮度。

请参考图3A、图3B及图3C，图3A、图3B及图3C为图1A的互补式金属氧化物半导体影像传感器中载流子CR转移的示意图，其绘示浮动端点FN的电容较小的情况下，载流子CR转移的状态。如图3A所示，感光组件PD进行光感测而产生载流子CR，此时传输开关102关闭，因此载流子CR存储在感光组件PD中。接着，如图3B所示，传输开关102开启，使得载流子CR经由传输开关102传送至位能较低的浮动端点FN，由于浮动端点FN具有较小的电容，使得感光组件PD中的载流子CR无法完全转移至浮动端点FN。接着，如图3C所示，当传输开关102关闭时，输出端即可读取浮动端点FN上的电压信号V2。在上述情况下，由于浮动端点FN的电容较小，传送至浮动端点FN的载流子CR可对应至较大的电压信号V2。然而，由于感光组件PD的载流子CR无法完全传送至浮动端点FN，使得最大信噪比及动态范围(dynamic range)受限于浮动端点FN上的电容大小而降低。其中，最大信噪比为浮动端点FN存储的载流子数量达到最大的情况下的信噪比，其最佳值等于10×log(m/n)，其中，m表示浮动端点上的最大存储载流子数量，n表示读取的信号噪声；而动态范围最佳值等于20×log(m/p)，其中，m表示浮动端点上的最大存储载流子数量，p表示暗态时的读取噪声。在此情况下，即使再增加感光组件PD内的载流子存储量，仍然无法提升最大信噪比及动态范围。

为改善上述问题，现有技术往往在浮动端点加上外接电容，并通过开关来调整电容大小。然而，由于影像传感器上每一像素都需要大量的电容，在每一浮动端点都外接电容的情况下，所耗费的面积十分庞大。另一方面，现有技术提升动态范围的方式则是采用多重曝光的方式，然而，即使感光组件内部的载流子数量可通过多重曝光来提升，但在浮动端点有限的电容容量之下，能够传送至浮动端点的载流子数量仍相同，无法有效提升最大信噪比及动态范围。

请参考图4，图4为本发明实施例影像传感器中对应于一像素的感光电路40的示意图。感光电路40的结构相似于图1A的感光电路的结构，故功能相同的信号或模块都以相同符号表示。本发明的感光电路40与图1A的感光电路的主要差异在于，感光电路40还包括耦合组件CP_A及CP_B。耦合组件CP_A及CP_B可将感光电路40中的浮动端点FN耦合至影像传感器中其它感光电路的浮动端点(如FN(A)及FN(B))，以将浮动端点FN所存储的部分载流子CR传送至浮动端点FN(A)及FN(B)，使浮动端点FN(A)及FN(B)的电容可用来存储部分载流子CR。换句话说，在影像传感器中，感光电路中的浮动端点电容值可由不同像素中所对应的浮动端点数量来任意调整，以提升各感光电路的载流子存储能力，进而在不增加布局面积且不影响感亮度的情况下，提升动态范围及最大信噪比。

在感光电路40中，载流子或信号的转移是由各个开关(即传输开关102、重置开关104、选择开关108及耦合组件CP_A及CP_B)进行控制。当感光组件PD进行感光并产生载流子CR以后，通过传输开关102的开启，可将感光组件PD内的载流子CR转移至浮动端点FN。接着，通过耦合组件CP_A及CP_B的开启，部分载流子CR可分别传送至浮动端点FN(A)及FN(B)，并加以存储。当输出电路欲取得感光电路40中的电子信号VS时，可开启选择开关108以进行信号读取。在读取完毕以后，可控制重置开关104开启，以清空浮动端点FN、FN(A)及FN(B)上的载流子，再进行下一阶段的感光及信号读取流程。此外，清空浮动端点FN、FN(A)及FN(B)上载流子的运作也可在载流子CR转移至浮动端点FN以前进行，而不限于此。

更明确来说，当传输开关102开启时，感光组件PD与浮动端点FN之间的路径导通，载流子CR会从感光组件PD转移至浮动端点FN。控制端可选择是否开启耦合组件CP_A及CP_B，当耦合组件CP_A及CP_B开启时，部分载流子CR再从浮动端点FN转移至浮动端点FN(A)及FN(B)。接着，输出单元106可根据浮动端点FN的电位，在选择开关108开启时输出电子信号VS。在输出单元106的架构之下，电子信号VS是以电压信号的形式传送至影像传感器的输出电路。详细来说，输出组件110可为一N型金属氧化物半导体场效晶体管(N-type MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor，NMOS)所构成的放大器，根据浮动端点FN的电容大小以及存储的载流子数量，放大器的栅极会产生一电压信号，放大器再将栅极电压信号耦合至源极。当选择开关108开启时，此源极电压信号再经由选择开关108输出，即为电子信号VS。在电子信号VS输出以前，重置开关104会开启，以清空浮动端点FN、FN(A)及FN(B)上的载流子。在此例中，重置开关104的一端耦接至浮动端点FN，另一端耦接至一电源端，载流子CR为电子。当重置开关104开启时，浮动端点FN、FN(A)及FN(B)上的载流子CR会转移至电源端，使浮动端点FN、FN(A)及FN(B)达到电源端的电位(即清空载流子CR)。在其它实施例中，载流子CR可能是电子、电洞或任何可随着电路特性漂移而产生信号的载流子。

值得注意的是，根据感光电路40的结构，载流子CR除了能够存储在浮动端点FN所包含的电容中，也能够存储在浮动端点FN(A)及FN(B)所包含的电容中，相较于现有技术中影像传感器的每一感光电路中载流子只能存储在其所对应的浮动端点(如FN)及电容，在本发明中，除了浮动端点FN之外，可通过耦合组件将载流子存储在更多浮动端点(如FN(A)及FN(B))上的电容，以提升存储载流子的能力，进而提升影像传感器的最大信噪比及动态范围。

除此之外，由于浮动端点FN(A)及FN(B)并非额外增加的端点，而是影像传感器中位于其它感光电路的浮动端点，因此不需要增加额外的面积，即可达到存储载流子能力的提升，可避免现有技术中，增加额外电容而造成感光组件开口面积减少的缺点。

值得注意的是，影像传感器的用户可通过控制耦合组件CP_A及CP_B的开启与否，在影像传感器中同时实现高动态范围及高灵敏度。也就是说，在不同环境光强度之下，用户可选择将影像传感器及其感光电路40操作在高动态范围的操作模式或高灵敏度的操作模式。举例来说，在四周环境光线较强的情况下，用户可选择将影像传感器及其感光电路40操作在高动态范围操作模式。在此情况下，由于环境光较强，感光组件PD会产生数量较多的载流子CR，因此用户可选择开启耦合组件CP_A及CP_B，使得浮动端点FN耦合至浮动端点FN(A)及FN(B)，进而使浮动端点FN及浮动端点FN(A)、FN(B)上的电容都可用来存储载流子CR。如此一来，浮动端点将具有较大电容来容纳较多的载流子CR。另一方面，在四周环境光线较弱的情况下，用户可选择将影像传感器及其感光电路40操作在高灵敏度操作模式。在此情况下，由于环境光较弱，感光组件PD会产生数量较少的载流子CR，因此用户可选择关闭耦合组件CP_A及CP_B，使得载流子CR仅存储在浮动端点FN。如此一来，用来存储载流子CR的电容较少，使得少数载流子CR即可让浮动端点FN出现明显的电子信号VS，进而提升光电转换的灵敏度，不需要后端电路再进行放大，可避免后端电路将电子信号VS放大时造成信噪比下降的缺点。

在一实施例中，用户可分别根据各感光电路的感光结果，来决定每一像素所对应的感光电路应操作在高动态范围操作模式或高灵敏度操作模式，即，影像传感器可根据感光需求，同时实现高动态范围及高灵敏度的功能。举例来说，用户可设定对应于载流子数量的一临界值，当一感光组件进行光感测而产生的载流子数量大于临界值时，可控制所述感光组件所对应的感光电路进行高动态范围操作模式，并开启相对应的耦合组件。另一方面，当一感光组件进行光感测而产生的载流子数量小于临界值时，可控制所述感光组件所对应的感光电路进行高灵敏度操作模式，并关闭相对应的耦合组件。举例来说，耦合组件的控制电路可根据一像素在前一次进行光感测时产生的载流子数量，决定所述像素应操作在高动态范围操作模式或高灵敏度操作模式，即，决定是否开启相对应的耦合组件。

请参考图5，图5详细描述了不同感光电路中的浮动端点通过耦合组件进行共享的电路结构。需注意的是，为求简洁，图5仅绘示出同一行中三个感光电路LS_0、LS_1及LS_2，但实际上，在影像传感器中，像素是以阵列方式排列，因此相对应的感光电路也是以阵列方式排列，且排列的数量可能远大于图5所示，如三百万、五百万或数千万个。以感光电路LS_1为例，若欲取得感光电路LS_1的感光结果，可在传输开关102_1开启以前，同时开启耦合组件CP_1及CP_2，使得感光组件PD_1的载流子CR_1可同时存储在浮动端点FN_0、FN_1及FN_2中的电容。在一般运作情况下，对应于感光组件PD_0的浮动端点FN_0是用于接收并存储感光组件PD_0的载流子CR_0，而对应于感光组件PD_2的浮动端点FN_2是用于接收并存储感光组件PD_2的载流子CR_2。当输出电路读取感光电路LS_1的感光结果时，浮动端点FN_0及FN_2都可用来协助感光电路LS_1，以提升载流子CR_1的存储能力。值得注意的是，影像传感器取得感光结果的方式是一列一列像素依序进行读取，即，位于不同列的像素会在不同时间点进行感光结果的读取。因此，通过耦合组件的连接，一浮动端点可用于位于不同列的像素及其感光电路，而不影响此浮动端点所在位置的感光电路的感光结果。在图5中，每一耦合组件都连接于位于相邻两列感光电路的浮动端点之间，但在其它实施例中，耦合组件也可能连接非相邻两列感光电路的浮动端点，而不限于此。

值得注意的是，为求简洁，图4及图5中的传输开关、重置开关、选择开关及耦合组件都以单一晶体管来表示，但在本发明的实施例中，任何开关或耦合组件都可由单一晶体管或多个晶体管所构成，而不限于此。其中，单一晶体管的实施方式可包括一N型金属氧化物半导体场效晶体管、一P型金属氧化物半导体场效晶体管(P-type Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，PMOS)或其它类型的晶体管，而多个晶体管的实施方式可包括一传输闸(transmission gate)。

图6至图10是根据图5的电路结构，通过信号波形详细描述感光电路LS_0、LS_1及LS_2的运作，其绘示的波形包括：分别用来控制传输开关102_0、102_1及102_2的传输控制信号TX(n-1)、TX(n)及TX(n+1)，分别用来控制重置开关104_0、104_1及104_2的重置信号RST(n-1)、RST(n)及RST(n+1)，分别用来控制选择开关108_0、108_1及108_2的选择信号RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)，以及分别用来控制耦合组件CP_0、CP_1、CP_2及CP_3的耦合控制信号HDR_A(n-2)、HDR_A(n-1)、HDR_A(n)及HDR_A(n+1)。其中，耦合组件CP_1耦接至浮动端点FN_0及FN_1之间，耦合组件CP_2耦接至浮动端点FN_1及FN_2之间，耦合组件CP_3则耦接至浮动端点FN_2及另一浮动端点(未绘示)之间，浮动端点FN_0也通过耦合组件CP_0耦接至其它浮动端点(未绘示)。需注意的是，上述每一开关或耦合组件都以一N型金属氧化物半导体场效晶体管来实现，因此控制信号位于低电位时可关闭上述开关或耦合组件，位于高电位时则开启。

请参考图6，图6为本发明实施例感光电路运作的波形示意图。如图6所示，感光电路LS_0、LS_1及LS_2采用一般运作方式，即每一感光电路LS_0、LS_1及LS_2只采用自身的浮动端点FN_0、FN_1及FN_2上的电容来存储载流子。详细来说，输出电路依序在t1、t2及t3期间内从感光电路LS_0、LS_1及LS_2取得电子信号VS_0、VS_1及VS_2，因此，选择信号RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分别在t1、t2及t3期间分别控制选择开关108_0、108_1及108_2开启，其它时间则关闭。由于每一感光电路LS_0、LS_1及LS_2只采用自身的浮动端点FN_0、FN_1及FN_2来存储载流子，因此耦合控制信号HDR_A(n-2)、HDR_A(n-1)、HDR_A(n)及HDR_A(n+1)都持续位于低电位，以控制耦合组件CP_0、CP_1、CP_2及CP_3关闭。在t1期间，选择信号RSL(n-1)控制选择开关108_0开启，以取得感光电路LS_0的感光结果(即电子信号VS_0)。其中，重置信号RST(n-1)先开启重置开关104_0一段时间(时间t1_1)，以清除位于浮动端点FN_0上的载流子。接着，在重置开关104_0关闭以后，传输控制信号TX(n-1)控制传输开关102_0开启(时间t1_2)，使载流子CR_0被传送至浮动端点FN_0，以进行存储。此时，由于选择开关108_0已开启，影像传感器的输出电路可根据浮动端点FN_0上的载流子CR_0数量及电容大小，取得对应于输出组件110_0的栅极电压的电子信号VS_0。在此例中，所有耦合组件CP_0、CP_1、CP_2及CP_3都关闭，使得每一感光电路仅使用自身的浮动端点上的电容来存储载流子，在此情况下，用于存储载流子的电容较小，使得影像传感器具有良好的光电转换灵敏度，可应用于四周环境光线较弱的情况。除此之外，在图6中，影像传感器的输出电路可在t2及t3期间通过相同方式分别取得电子信号VS_1及VS_2。本领域的技术人员可根据上述说明，推知影像传感器在t2及t3期间的运作，在此不赘述。

请参考图7，图7为本发明另一实施例感光电路运作的波形示意图。如图7所示，感光电路LS_0、LS_1及LS_2在运作时，各采用两个浮动端点上的电容来存储载流子。详细来说，输出电路依序在t1、t2及t3期间内从感光电路LS_0、LS_1及LS_2取得电子信号VS_0、VS_1及VS_2，因此，选择信号RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分别在t1、t2及t3期间分别控制选择开关108_0、108_1及108_2开启，其它时间则关闭。在每一感光电路LS_0、LS_1及LS_2进行运作时，除了采用自身的浮动端点FN_0、FN_1及FN_2来存储载流子之外，还采用位于读取顺序前一列的感光电路中的浮动端点。即，感光电路LS_1还采用浮动端点FN_0来存储载流子，而感光电路LS_2还采用浮动端点FN_1来存储载流子。举例来说，在t3期间，选择信号RSL(n+1)控制选择开关108_2开启，以取得感光电路LS_2的感光结果(即电子信号VS_2)，且耦合控制信号HDR_A(n)也开启耦合组件CP_2，使浮动端点FN_2耦接至浮动端点FN_1。其中，重置信号RST(n+1)先开启重置开关104_2一段时间(时间t3_1)，以清除位于浮动端点FN_2上的载流子，此时，重置信号RST(n)也开启重置开关104_1，以清除位于浮动端点FN_1上的载流子。接着，在重置开关104_1及104_2关闭以后，传输控制信号TX(n+1)控制传输开关102_2开启(时间t3_2)，使载流子CR_2被传送至浮动端点FN_1及FN_2，以进行存储。此时，由于选择开关108_2已开启，影像传感器的输出电路可根据浮动端点FN_1及FN_2上的载流子CR_2数量及电容大小，取得对应于输出组件110_2的栅极电压的电子信号VS_2。在此例中，耦合组件CP_2的开启使得感光电路LS_2可同时使用浮动端点FN_1及FN_2上的电容来存储载流子，在此情况下，由于用来存储载流子的电容较大，感光电路LS_2的载流子存储能力较强，使得影像传感器具有较佳的动态范围，可应用于四周环境光线较强的情况。除此之外，在图7中，影像传感器的输出电路可在t1及t2期间通过相同方式分别取得电子信号VS_0及VS_1。本领域的技术人员可根据上述说明，推知影像传感器在t1及t2期间的运作，在此不赘述。

请参考图8，图8为本发明另一实施例感光电路运作的波形示意图。如图8所示，感光电路LS_0、LS_1及LS_2在运作时，各采用三个浮动端点上的电容来存储载流子。详细来说，输出电路依序在t1、t2及t3期间内从感光电路LS_0、LS_1及LS_2取得电子信号VS_0、VS_1及VS_2，因此，选择信号RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分别在t1、t2及t3期间分别控制选择开关108_0、108_1及108_2开启，其它时间则关闭。在每一感光电路LS_0、LS_1及LS_2进行运作时，除了采用自身的浮动端点FN_0、FN_1及FN_2来存储载流子之外，还采用位于读取顺序前一列及前两列的感光电路中的浮动端点。即，感光电路LS_2还采用浮动端点FN_0及FN_1来存储载流子。举例来说，在t3期间，选择信号RSL(n+1)控制选择开关108_2开启，以取得感光电路LS_2的感光结果(即电子信号VS_2)，且耦合控制信号HDR_A(n-1)及HDR_A(n)也开启耦合组件CP_1及CP_2，使浮动端点FN_2耦接至浮动端点FN_0及FN_1。其中，重置信号RST(n+1)先开启重置开关104_2一段时间(时间t3_1)，以清除位于浮动端点FN_2上的载流子，此时，重置信号RST(n-1)及RST(n)也分别开启重置开关104_0及104_1，以清除位于浮动端点FN_0及FN_1上的载流子。接着，在重置开关104_0、104_1及104_2关闭以后，传输控制信号TX(n+1)控制传输开关102_2开启(时间t3_2)，使载流子CR_2被传送至浮动端点FN_0、FN_1及FN_2，以进行存储。此时，由于选择开关108_2已开启，影像传感器的输出电路可根据浮动端点FN_0、FN_1及FN_2上的载流子CR_2数量及电容大小，取得对应于输出组件110_2的栅极电压的电子信号VS_2。在此例中，耦合组件CP_1及CP_2同时开启，使得感光电路LS_2可同时使用浮动端点FN_0、FN_1及FN_2上的电容来存储载流子，在此情况下，更多电容可用来存储载流子，使得影像传感器的动态范围获得更大的提升，以应用于四周环境光线更强的情况。除此之外，在图8中，影像传感器的输出电路可在t1及t2期间通过相同方式分别取得电子信号VS_0及VS_1。本领域的技术人员可根据上述说明，推知影像传感器在t1及t2期间的运作，在此不赘述。

值得注意的是，感光电路除了可采用位于读取顺序在前的感光电路中的浮动端点来存储载流子之外，也可采用位于读取顺序在后的感光电路中的浮动端点来存储载流子。举例来说，请参考图9，图9为本发明另一实施例感光电路运作的波形示意图。如图9所示，感光电路LS_0、LS_1及LS_2在运作时，各采用两个浮动端点上的电容来存储载流子。详细来说，输出电路依序在t1、t2及t3期间内从感光电路LS_0、LS_1及LS_2取得电子信号VS_0、VS_1及VS_2，因此，选择信号RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分别在t1、t2及t3期间分别控制选择开关108_0、108_1及108_2开启，其它时间则关闭。在每一感光电路LS_0、LS_1及LS_2进行运作时，除了采用自身的浮动端点FN_0、FN_1及FN_2来存储载流子之外，还采用位于读取顺序后一列的感光电路中的浮动端点。即，感光电路LS_0还采用浮动端点FN_1来存储载流子，而感光电路LS_1还采用浮动端点FN_2来存储载流子。举例来说，在t1期间，选择信号RSL(n-1)控制选择开关108_0开启，以取得感光电路LS_0的感光结果(即电子信号VS_0)，且耦合控制信号HDR_A(n-1)也开启耦合组件CP_1，使浮动端点FN_0耦接至浮动端点FN_1。其中，重置信号RST(n-1)先开启重置开关104_0一段时间(时间t1_1)，以清除位于浮动端点FN_0上的载流子，此时，重置信号RST(n)也开启重置开关104_1，以清除位于浮动端点FN_1上的载流子。接着，在重置开关104_0及104_1关闭以后，传输控制信号TX(n-1)控制传输开关102_0开启(时间t3_0)，使载流子CR_0被传送至浮动端点FN_0及FN_1，以进行存储。此时，由于选择开关108_0已开启，影像传感器的输出电路可根据浮动端点FN_0及FN_1上的载流子CR_0数量及电容大小，取得对应于输出组件110_0的栅极电压的电子信号VS_0。在此例中，耦合组件CP_1的开启使得感光电路LS_0可同时使用浮动端点FN_0及FN_1上的电容来存储载流子，在此情况下，由于用来存储载流子的电容较大，感光电路LS_0的载流子存储能力较强，使得影像传感器具有较佳的动态范围，可应用于四周环境光线较强的情况。除此之外，在图9中，影像传感器的输出电路可在t2及t3期间通过相同方式分别取得电子信号VS_1及VS_2。本领域的技术人员可根据上述说明，推知影像传感器在t2及t3期间的运作，在此不赘述。

请参考图10，图10为本发明另一实施例感光电路运作的波形示意图。如图10所示，感光电路LS_0、LS_1及LS_2在运作时，各采用三个浮动端点上的电容来存储载流子。详细来说，输出电路依序在t1、t2及t3期间内从感光电路LS_0、LS_1及LS_2取得电子信号VS_0、VS_1及VS_2，因此，选择信号RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分别在t1、t2及t3期间分别控制选择开关108_0、108_1及108_2开启，其它时间则关闭。在每一感光电路LS_0、LS_1及LS_2进行运作时，除了采用自身的浮动端点FN_0、FN_1及FN_2来存储载流子之外，还采用位于读取顺序后一列及后两列的感光电路中的浮动端点。即，感光电路LS_0还采用浮动端点FN_1及FN_2来存储载流子。举例来说，在t1期间，选择信号RSL(n-1)控制选择开关108_0开启，以取得感光电路LS_0的感光结果(即电子信号VS_0)，且耦合控制信号HDR_A(n-1)及HDR_A(n)也开启耦合组件CP_1及CP_2，使浮动端点FN_0耦接至浮动端点FN_1及FN_2。其中，重置信号RST(n-1)先开启重置开关104_0一段时间(时间t1_1)，以清除位于浮动端点FN_0上的载流子，此时，重置信号RST(n)及RST(n+1)也分别开启重置开关104_1及104_2，以清除位于浮动端点FN_1及FN_2上的载流子。接着，在重置开关104_0、104_1及104_2关闭以后，传输控制信号TX(n-1)控制传输开关102_0开启(时间t1_2)，使载流子CR_0被传送至浮动端点FN_0、FN_1及FN_2，以进行存储。此时，由于选择开关108_0已开启，影像传感器的输出电路可根据浮动端点FN_0、FN_1及FN_2上的载流子CR_0数量及电容大小，取得对应于输出组件110_0的栅极电压的电子信号VS_0。在此例中，耦合组件CP_1及CP_2同时开启，使得感光电路LS_0可同时使用浮动端点FN_0、FN_1及FN_2上的电容来存储载流子，在此情况下，更多电容可用来存储载流子，使得影像传感器的动态范围获得更大的提升，以应用于四周环境光线更强的情况。除此之外，在图10中，影像传感器的输出电路可在t2及t3期间通过相同方式分别取得电子信号VS_1及VS_2。本领域的技术人员可根据上述说明，推知影像传感器在t2及t3期间的运作，在此不赘述。

值得注意的是，本发明可通过控制耦合组件的启闭，来调整用来存储载流子的浮动端点数量，以因应不同环境光的状态，进而达成高动态范围、高感亮度及高信噪比的效率。本领域的技术人员当可据此进行修饰或变化，而不限于此。举例来说，在上述实施例中，用来存储载流子的浮动端点可采用读取顺序在前的感光电路中的浮动端点或读取顺序在后的感光电路中的浮动端点。在其它实施例中，用来存储载流子的浮动端点可同时包括读取顺序在前的感光电路中的浮动端点以及读取顺序在后的感光电路中的浮动端点。举例来说，感光电路LS_1可同时使用浮动端点FN_0及FN_2来存储载流子。此外，在部分实施例中，一感光电路也可使用四个、五个或更多个浮动端点中的电容来存储载流子，以进一步提升影像传感器的动态范围。对于具有N列像素的影像传感器来说，可同步开启的耦合组件数量最大可达到N-1，使得载流子存储能力提升N倍，进而提升动态范围及信噪比。另一方面，在上述图6至图10的实施例中，影像传感器的输出电路是在读取感光结果以前，清除浮动端点上的载流子，但在其它实施例中，也可在感光结果读取完毕以后，立即开启重置开关以清除浮动端点上的载流子。需注意的是，在耦合组件开启使得浮动端点相互连结的情况下，开启其中任一浮动端点所对应的重置开关即可清除相互连结的浮动端点上的载流子。或者，如以上实施例所描述，也可分别开启每一浮动端点所对应的重置开关，以分别清除每一浮动端点上的载流子。

在一实施例中，可进一步在影像传感器的一张画面中同时实现高灵敏度操作模式及高动态范围操作模式。举例来说，感光电路可加上额外的控制电路，以在输出电路读取感光结果时，通过控制电路来控制各别感光电路操作在高灵敏度操作模式或高动态范围操作模式。请参考图11A及图11B，图11A及图11B为本发明实施例另一影像传感器的感光电路的示意图，其中，图11A绘示单一像素的感光电路1100的结构，图11B则绘示多个感光电路在影像传感器上排列的结构。如图11A所示，感光电路1100的结构相似于图4的感光电路40的结构，故功能相同的信号或模块都以相同符号表示。感光电路1100与感光电路40的主要差异在于，感光电路1100的耦合组件CP_A及CP_B分别通过一控制组件CTRL_A及CTRL_B来进行控制。详细来说，在图11A中，耦合组件CP_A、CP_B及控制组件CTRL_A、CTRL_B都为一晶体管，其中，控制组件CTRL_A耦接至耦合组件CP_A的栅极，用来控制耦合组件CP_A的开启或关闭，控制组件CTRL_B耦接至耦合组件CP_B的栅极，用来控制耦合组件CP_B的开启或关闭。

详细控制方式请参考图11B。影像传感器可通过水平控制信号及垂直控制信号来控制控制组件，进而控制耦合组件的开启或关闭。举例来说，当水平控制信号HDR_H(n-1)及垂直控制信号HDR_V(m)同时开启时，耦合组件CP_1才会开启；当水平控制信号HDR_H(n)及垂直控制信号HDR_V(m)同时开启时，耦合组件CP_2才会开启；当水平控制信号HDR_H(n+1)及垂直控制信号HDR_V(m)同时开启时，耦合组件CP_3才会开启。在此情况下，每一水平控制信号HDR_H分别对应于一列耦合组件，而每一垂直控制信号HDR_V分别对应于一行耦合组件。影像传感器可在读取每一列像素的感光结果时，通过水平控制信号HDR_H及垂直控制信号HDR_V来控制相对应耦合组件是否开启。

举例来说，请参考图12，图12为本发明实施例在一影像传感器上的像素阵列中，通过水平控制信号及垂直控制信号控制耦合组件启闭的示意图。如图12所示，影像传感器包括水平控制电路1202及垂直控制电路1204，其分别通过水平控制信号及垂直控制信号来控制控制组件，进而控制耦合组件的开启或关闭。当影像传感器的输出电路欲读取位于第R1列像素的感光结果时，水平控制信号HDR_H1可开启，由垂直控制信号HDR_V1、HDR_V2及HDR_V3分别控制感光电路A、B及C相对应的耦合组件。举例来说，若用户欲控制感光电路A及C操作在高动态范围操作模式，而感光电路B操作在高灵敏度操作模式时，可开启水平控制信号HDR_H1，再通过垂直控制信号HDR_V1及HDR_V3分别控制相对应于感光电路A及C的耦合组件开启，并通过垂直控制信号HDR_V2控制相对应于感光电路B的耦合组件关闭。接着，当影像传感器的输出电路欲读取位于第R2列像素的感光结果时，水平控制信号HDR_H2可开启，由垂直控制信号HDR_V1、HDR_V2及HDR_V3分别控制感光电路D、E及F相对应的耦合组件。举例来说，若用户欲控制感光电路E操作在高动态范围操作模式，而感光电路D及F操作在高灵敏度操作模式时，可开启水平控制信号HDR_H2，再通过垂直控制信号HDR_V2控制相对应于感光电路E的耦合组件开启，并通过垂直控制信号HDR_V1及HDR_V3分别控制相对应于感光电路D及F的耦合组件关闭。如此一来，用户可根据需求，在影像传感器的一张画面中同时实现高灵敏度操作模式及高动态范围操作模式。例如用户可根据前一张画面的内容，在一张画面中的部分区域采用高灵敏度操作模式(即在感光时关闭相对应耦合组件)且部分区域采用高动态范围操作模式(即在感光时开启相对应耦合组件)。此外，用户也可调整耦合组件开启的数目，在动态范围和感光灵敏度之间取得最佳的平衡。

综上所述，本发明可提供一种用于影像传感器的感光单元及其感光电路，使得影像传感器可同时具备高动态范围、高感亮度及高信噪比的效率。通过耦合组件的设置，每一浮动端点都可耦合至其它浮动端点，使得多个浮动端点可共同用来存储一感光组件产生的载流子，以提升感光电路的载流子存储能力。在本发明的实施例中，可采用其它感光电路中的浮动端点的电容来协助存储载流子，而不需要额外增加电容。此外，通过水平/垂直方向的控制电路，可控制每一感光电路所对应的耦合组件开启或关闭，以在影像传感器的一张画面中同时实现高灵敏度操作模式及高动态范围操作模式。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种感光单元，用于一影像传感器的一感光电路，所述感光单元包括：一第一感光组件，用来感测光线以取得一感光结果，并据此产生多个载流子；

一第一浮动端点，用来接收并存储所述第一感光组件所产生的所述多个载流子；

多个耦合组件，用来将所述第一浮动端点耦合至多个第二浮动端点，并将所述第一浮动端点所存储的所述多个载流子中的部分载流子传送至所述多个第二浮动端点，以存储在所述多个第二浮动端点；以及多个控制组件，其中每一控制组件对应于所述多个耦合组件的其中一者；其中，所述多个控制组件受控于多个水平控制信号及多个垂直控制信号，

每一控制组件受控于所述多个水平控制信号的其中一者以及所述多个垂直控制信号的其中一者，每一水平控制信号用来控制所述多个耦合组件中的一行耦合组件，每一垂直控制信号用来控制所述多个耦合组件中的一列耦合组件；

其中，所述多个水平控制信号及所述多个垂直控制信号控制所述多个控制组件当中的至少两个控制组件同时开启相对应的耦合组件，以将所述感光电路的一部分操作在一高动态范围操作模式。

2.如权利要求1所述的感光单元，其特征在于，所述多个第二浮动端点中的每一第二浮动端点对应于所述影像传感器中多个第二感光组件中的一第二感光组件，使得所述每一第二浮动端点用来接收并存储相对应的所述第二感光组件所产生的载流子。

3.如权利要求1所述的感光单元，其特征在于，所述感光电路还包括一输出单元，用来输出所述第一感光组件的所述感光结果，其中，所述输出单元将存储在所述第一浮动端点及所述多个第二浮动端点的所述多个载流子转换为一电子信号，并将所述电子信号传送至一输出电路，使所述输出电路通过所述电子信号读取所述感光结果。

4.如权利要求3所述的感光单元，其特征在于，所述电子信号是一电压信号。

5.如权利要求1所述的感光单元，其特征在于，所述第一浮动端点上包括一第一电容，且所述多个第二浮动端点中每一第二浮动端点上包括一第二电容，所述第一电容及所述第二电容用来存储所述多个载流子。

6.如权利要求1所述的感光单元，其特征在于，当所述影像传感器处在所述高动态范围操作模式时，所述多个耦合组件开启，使得所述第一浮动端点耦合至所述多个第二浮动端点，进而使所述第一浮动端点及所述多个第二浮动端点同时用来存储所述多个载流子。

7.如权利要求6所述的感光单元，其特征在于，在所述高动态范围操作模式之下，所述第一感光组件产生的所述多个载流子的数量大于一临界值。

8.如权利要求1所述的感光单元，其特征在于，当所述影像传感器处在一高灵敏度操作模式时，所述多个耦合组件关闭，使得所述多个载流子仅存储在所述第一浮动端点。

9.如权利要求8所述的感光单元，其特征在于，在所述高灵敏度操作模式之下，所述第一感光组件产生的所述多个载流子的数量小于一临界值。

10.一种感光电路，用于一影像传感器，所述感光电路包括：

一第一感光组件，用来感测光线以取得一感光结果，并据此产生多个载流子；

一第一浮动端点，用来接收并存储所述第一感光组件所产生的所述多个载流子；

一传输开关，耦接至所述第一感光组件与所述第一浮动端点之间，在开启时传送所述第一感光组件所产生的所述多个载流子至所述第一浮动端点；

多个耦合组件，用来将所述第一浮动端点耦合至多个第二浮动端点，并将所述第一浮动端点所存储的所述多个载流子中的部分载流子传送至所述多个第二浮动端点，以存储在所述多个第二浮动端点；

一重置开关，耦接至所述第一浮动端点，在开启时清除位于所述第一浮动端点及所述多个第二浮动端点上的所述多个载流子；

一输出单元，包括：

一选择开关，受控于所述影像传感器的一输出电路，在开启时用来选择接收所述感光结果；以及

一输出组件，用来在所述选择开关开启时，将存储在所述第一浮动端点及所述多个第二浮动端点的所述多个载流子转换为一电子信号，并将所述电子信号传送至所述输出电路，使所述输出电路通过所述电子信号读取所述感光结果；以及

多个控制组件，其中每一控制组件对应于所述多个耦合组件的其中一者；其中，所述多个控制组件受控于多个水平控制信号及多个垂直控制信号，

每一控制组件受控于所述多个水平控制信号的其中一者以及所述多个垂直控制信号的其中一者，每一水平控制信号用来控制所述多个耦合组件中的一行耦合组件，每一垂直控制信号用来控制所述多个耦合组件中的一列耦合组件；

其中，所述多个水平控制信号及所述多个垂直控制信号控制所述多个控制组件当中的至少两个控制组件同时开启相对应的耦合组件，以将所述感光电路的一部分操作在一高动态范围操作模式。

11.如权利要求10所述的感光电路，其特征在于，所述电子信号是一电压信号。

12.如权利要求10所述的感光电路，其特征在于，所述多个第二浮动端点中的每一第二浮动端点对应于所述影像传感器中多个第二感光组件中的一第二感光组件，使得所述每一第二浮动端点用来接收并存储相对应的所述第二感光组件所产生的载流子。

13.如权利要求10所述的感光电路，其特征在于，所述第一浮动端点上包括一第一电容，且所述多个第二浮动端点中每一第二浮动端点上包括一第二电容，所述第一电容及所述第二电容用来存储所述多个载流子。

14.如权利要求10所述的感光电路，其特征在于，当所述影像传感器处在所述高动态范围操作模式时，所述多个耦合组件开启，使得所述第一浮动端点耦合至所述多个第二浮动端点，进而使所述第一浮动端点及所述多个第二浮动端点同时用来存储所述多个载流子。

15.如权利要求14所述的感光电路，其特征在于，在所述高动态范围操作模式之下，所述第一感光组件产生的所述多个载流子的数量大于一临界值。

16.如权利要求10所述的感光电路，其特征在于，当所述影像传感器处在一高灵敏度操作模式时，所述多个耦合组件关闭，使得所述多个载流子仅存储在所述第一浮动端点。

17.如权利要求16所述的感光电路，其特征在于，在所述高灵敏度操作模式之下，所述第一感光组件产生的所述多个载流子的数量小于一临界值。

18.如权利要求10所述的感光电路，其特征在于，在一第一期间内，所述传输开关关闭，所述多个耦合组件及所述重置开关开启，以清除位于所述第一浮动端点及所述多个第二浮动端点上的所述多个载流子。

19.如权利要求10所述的感光电路，其特征在于，在一第二期间内，所述重置开关关闭，所述多个耦合组件及所述传输开关开启，使所述多个载流子被传送至所述第一浮动端点及所述多个第二浮动端点，以进行存储。

20.如权利要求19所述的感光电路，其特征在于，所述选择开关在所述第二期间内或一第三期间内开启，使得所述输出组件将所述第一浮动端点及所述多个第二浮动端点所存储的所述多个载流子转换为所述电子信号，进而使所述输出电路通过所述电子信号读取所述感光结果。

21.如权利要求20所述的感光电路，其特征在于，当所述输出电路读取所述感光结果以后，所述重置开关开启且所述传输开关关闭，以清除位于所述第一浮动端点上的所述多个载流子，使得所述第一浮动端点用来接收并存储所述影像传感器中一第二感光组件所产生的载流子。