CN106454156B - 图像传感器及其运作方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器的运作方法，该运作方法包含：在第一曝光期间从光电转换电路储存第一电荷量至像素缓冲电路；在第二曝光期间从所述光电转换电路储存第二电荷量至所述像素缓冲电路；将所述像素缓冲电路的所述第一电荷量转移至像素电路外部的第一储存电路；将所述像素缓冲电路的所述第二电荷量转移至像素电路外部的第二储存电路；以及比较所述第一电荷量与所述第二电荷量以输出模拟图像信号。
Description
技术领域
本发明关于一种图像传感器，特别关于一种运用模拟差分的图像传感器及其运作方法。
背景技术
已知图像传感器通常具有多个阵列排列的感测像素，其中所述图像传感器的一种运作方法可使用滚动快门(Rolling Shutter)，例如以控制信号依序启动所述图像传感器中每一列感测像素以获取图像。由于每一列感测像素为依序启动而非同时启动(也即每一列感测像素开始曝光的时间不同)，获取快速移动的对象图像时，使用滚动快门所获取的图像可能会有失真(distortion)的问题。
另一种图像传感器的运作方法可使用全局快门(Global Shutter)，例如以控制信号同时启动所述图像传感器中全部的感测像素以至于每一列感测像素可在同一时间开始曝光以获取图像，因此，使用全局快门的图像传感器可避免所述图像失真的问题。
然而，使用全局快门的图像传感器在获取图像时，为了消除环境光的干扰或降低图像噪声，已知一种解决方式是通过图像后处理的方式将两张数字图像帧直接相减以获得差分图像帧。例如，请参照图1A及1B，图1A为已知使用全局快门的图像传感器91的图像获取的时序图。假设所述图像传感器91具有4个感测像素列R1-R4，在第一期间P1，光源开启预设时间且所述多个感测像素列R1-R4同时曝光，接着关闭所述光源并依序读取所述多个感测像素列R1至R4以输出第一图像信号；在第二期间P2，所述光源关闭并以所述预设时间同时曝光所述多个感测像素列R1-R4并依序读取所述多个感测像素列R1至R4以输出第二图像信号。
接着，请参照图1B，所述图像传感器91所输出的所述第一图像信号先通过模拟数字转换器93转换成第一数字信号9a并储存在数字缓冲区95。接着，将所述第二图像信号通过所述模拟数字转换器93转换成第二数字信号9b。最后，再将所述第一数字信号9a减去所述第二数字信号9b以获得消除环境光的第三数字信号9c。然而，此种方法中，包含所述图像传感器91的系统需设置所述数字缓冲区95且所述图像传感器91必须连续输出两张图像帧(例如根据多个第一数字信号9a及多个第二数字信号9b所形成的图像帧)才能获得一张处理后的图像帧(例如根据多个第三数字信号9c所形成的图像帧)。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种运用模拟差分的图像传感器及其运作方法，其中所述模拟差分在像素电路外部的输出电路内进行。
本发明另一目的在于提供一种图像传感器及其运作方法，其不需使用数字缓冲器储存整张数字图像帧供进行两张数字图像帧的差分运算。
本发明另一目的在提供一种图像传感器及其运作方法，其可有效提高图像信号的信噪比。
本发明提供一种图像传感器。所述图像传感器包含以阵列排列的多个像素电路以及多个输出电路，其中每一所述输出电路通过读取线耦接像素电路行。每一所述像素电路包含光电转换电路、浮动扩散区及储存节点。所述光电转换电路用于产生光电流。所述浮动扩散区用于在第一曝光期间接收所述光电流以储存第一电荷量，并储存所述第一电荷量经过一段暂存期间。所述储存节点用于在第二曝光期间接收所述光电流以储存第二电荷量，其中所述暂存期间介于所述第一曝光期间与所述第二曝光期间之间。每一所述输出电路包含第一储存电路、第二储存电路及差分单元。所述第一储存电路用于在读出期间储存读取所述浮动扩散区的所述第一电荷量所形成的第一输出电压。所述第二储存电路用于在所述读出期间储存读取所述储存节点的所述第二电荷量所形成的第二输出电压。所述差分单元用于比较所述第一输出电压与所述第二输出电压以输出模拟图像信号。
本发明还提供一种图像传感器。所述图像传感器包含以阵列排列的多个像素电路以及多个输出电路，其中每一所述输出电路通过读取线耦接像素电路行。每一所述像素电路包含光电转换电路、浮动扩散区及储存节点。所述光电转换电路用于产生光电流。所述浮动扩散区用于在第二曝光期间依序储存第一重置电荷量及累积第一电荷量与所述第一重置电荷量而产生的第一累积电荷量，在读出期间依序储存第二重置电荷量及累积第二电荷量与所述第二重置电荷量而产生的第二累积电荷量。所述储存节点用于在第一曝光期间接收所述光电流以储存所述第一电荷量经过一段暂存期间，在所述第二曝光期间依序转移所述第一电荷量至所述浮动扩散区以产生所述第一累积电荷量及接收所述光电流以储存所述第二电荷量，在所述读出期间转移所述第二电荷量至所述浮动扩散区以产生所述第二累积电荷量，其中所述暂存期间介于所述第一曝光期间与所述第二曝光期间之间。每一所述输出电路包含第一储存电路、第二储存电路、第三储存电路、第四储存电路、第一差分单元、第二差分单元及第三差分单元。所述第一储存电路用于在所述第二曝光期间储存读取所述浮动扩散区的所述第一重置电荷量所形成的第一重置电压。所述第二储存电路用于在所述第二曝光期间储存读取所述浮动扩散区的所述第一累积电荷量所形成的第一输出电压。所述第三储存电路用于在所述读出期间储存读取所述浮动扩散区的所述第二重置电荷量所形成的第二重置电压。所述第四储存电路用于在所述读出期间储存读取所述浮动扩散区的所述第二累积电荷量所形成的第二输出电压。所述第一差分单元用于比较所述第一重置电压与所述第一输出电压，以输出第一差分信号。所述第二差分单元用于比较所述第二重置电压与所述第二输出电压，以输出第二差分信号。所述第三差分单元用于比较所述第一差分信号与所述第二差分信号，以输出模拟图像信号。
本发明还提供一种图像传感器的运作方法。所述图像传感器包含以阵列排列的多个像素电路以及多个输出电路。每一所述像素电路包含光电转换电路及像素缓冲电路。每一所述输出电路耦接像素电路行并包含第一储存电路及第二储存电路。所述运作方法包含：在第一曝光期间从所述光电转换电路储存第一电荷量至所述像素缓冲电路；在第二曝光期间从所述光电转换电路储存第二电荷量至所述像素缓冲电路；读取所述像素缓冲电路的所述第一电荷量以在所述第一储存电路储存第一输出电压；读取所述像素缓冲电路的所述第二电荷量以在所述第二储存电路储存第二输出电压；以及比较所述第一输出电压与所述第二输出电压以输出模拟图像信号。
本发明还提供一种图像传感器的运作方法。所述图像传感器包含以阵列排列的多个像素电路以及多个输出电路。每一所述像素电路包含光电转换电路及像素缓冲电路。每一所述输出电路耦接像素电路行并包含第一储存电路、第二储存电路、第三储存电路及第四储存电路。所述运作方法包含：在第一曝光期间从所述光电转换电路储存第一电荷量至所述像素缓冲电路；读取所述像素缓冲电路的第一重置电荷量以在所述第一储存电路储存第一重置电压；读取所述像素缓冲电路的累积所述第一电荷量与所述第一重置电荷量而产生的第一累积电荷量以在所述第二储存电路储存第一输出电压；在第二曝光期间从所述光电转换电路储存第二电荷量至所述像素缓冲电路；读取所述像素缓冲电路的第二重置电荷量以在所述第三储存电路储存第二重置电压；读取所述像素缓冲电路的累积所述第二电荷量与所述第二重置电荷量而产生的第二累积电荷量以在所述第四储存电路储存第二输出电压；比较所述第一输出电压与所述第一重置电压以产生第一差分信号；比较所述第二输出电压与所述第二重置电压以产生第二差分信号；以及比较所述第一差分信号与所述第二差分信号以产生模拟图像信号。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，在本发明中，相同的构件以相同的符号表示，在此先述明。
附图说明
图1A为已知图像传感器使用全局快门获取图像的时序图；
图1B为已知两张数字图像帧进行差分运算的方块示意图；
图2为本发明某些实施例的成像系统的方块图；
图3为本发明第一实施例的图像传感器的方块图；
图4为本发明第一实施例的图像传感器的运作时序图；
图5为本发明第一实施例的图像传感器的电路图；
图6为本发明第一实施例的图像传感器的信号时序图；
图7为本发明第一实施例的图像传感器的运作方法的流程图；
图8为本发明第二实施例的图像传感器的方块图；
图9为本发明第二实施例的图像传感器的运作时序图；
图10为本发明第二实施例的图像传感器的电路图；
图11为本发明第二实施例的图像传感器的信号时序图；
图12为本发明第二实施例的图像传感器的运作方法的流程图。
附图标记说明
100 成像系统
10 像素电路
20 输出电路
30 驱动电路
35 模拟数字转换器
37 处理器
70 读取线
Sa 模拟图像信号
Sd 数字图像信号
具体实施方式
请参照图2所示，其为本发明某些实施例的成像系统100的方块示意图。所述成像系统100包含多个像素电路10、多个输出电路20、驱动电路30、模拟数字转换器(ADC)35以及处理器37。所述成像系统100例如应用在动作传感器(motion sensor)，并可在模拟前端进行差分运算以产生模拟图像信号Sa。所述模拟图像信号Sa被所述模拟数字转换器35转换为数字图像信号Sd后，由所述处理器37根据所述数字图像信号Sd进行后处理，例如判断对象动作(object motion)以及动作位置(motion position)等，但并不以此为限。所述处理器37例如可为数字处理器(DSP)、微控制器(MCU)或中央处理器(CPU)等，但并不以此为限。
所述多个像素电路10以阵列排列，例如包含多个像素电路列R1-R6以及多个像素电路行C1-C8。每一所述输出电路20通过读取线70耦接像素电路行C1-C8的每一像素电路10，以读取电压信号并进行差分运算。其他实施例中，每一所述输出电路20通过读取线70耦接像素电路列的每一像素电路10。所述多个像素电路10与所述多个输出电路20形成本发明的图像传感器1(如图2所示)。某些实施例中，所述图像传感器1包含所述模拟数字转换器35，此时所述图像传感器1输出数字图像信号Sd。
所述驱动电路30例如，但不限于，可为信号产生器(signal generator)或时序控制器(timing controller)，用于产生多个控制信号Sc以控制所述多个像素电路10及所述多个输出电路20中多个开关组件的启闭(举例详述于后)。所述驱动电路30可位于图像传感器之内或之外，并无特定限制。
请参照图3所示，其为本发明第一实施例的图像传感器1的方块示意图。图像传感器1例如应用在如图2的成像系统100。如前所述，所述图像传感器1包含以阵列排列的多个像素电路10以及多个输出电路20。每一所述像素电路10包含光电转换电路OE、像素缓冲电路PB以及转移电路103。每一所述输出电路20耦接像素电路行(例如C1-C8)的每一像素电路10并包含第一储存电路201、第二储存电路202及差分单元205；其中，所述第一储存电路201及所述第二储存电路202例如包含至少一个电容器(capacitor)，所述差分单元205例如可为差动放大器(differential amplifier)。某些实施例中，每一所述输出电路20还包含比较器201a用于实现自动曝光(auto exposure)控制。如前所述，所述多个像素电路10及所述多个输出电路20根据来自所述驱动电路30的控制信号Sc运作。
所述光电转换电路OE用于产生光电流IL至所述像素缓冲电路PB；其中，所述光电流IL与所述光电转换电路OE所接收的光强度成正相关。所述像素缓冲电路PB接收所述光电流IL并据以储存电荷量。所述转移电路103用于将所述像素缓冲电路PB的储存电荷量转换成电压信号并输出至所述输出电路20。所述第一储存电路201及所述第二储存电路202用于在差分运算前暂存输出电压信号，供所述差分单元205进行差分运算后输出模拟图像信号Sa。
所述多个输出电路20的输出端(例如差分单元205的输出端)耦接至模拟数字转换器35(如图2所示)，以转换所述模拟图像信号Sa为数字图像信号Sd。本实施例中，所述处理器37例如根据一张数字图像(由相对所述多个像素电路10的多个数字图像信号Sd所组成)中，灰阶值不为零的像素个数判断对象动作，并根据灰阶值不为零的像素位置判断动作位置等。所述处理单元37还可根据多个数字图像中，动作位置的变化进行手势识别等。藉此，差分运算在模拟前端进行并位于所述多个像素电路10以外，且并非位于数字后端进行，故无需使用数字缓冲器来储存整张数字图像。
例如参照图4所示，其为本发明第一实施例的图像传感器1的运作时序图。第一实施例的图像传感器1为全局快门图像传感器(global shutter image sensor)。获取一张图像(例如第一图像)期间，每一像素电路10的运作包含第一曝光期间、暂存期间、第二曝光期间以及读出期间。所述第一曝光期间及所述第二曝光期间用于储存相对两个不同时间的电荷量，由于本实施例无须搭配系统光源运作，因此所述电荷量与环境光强度成正相关。所述暂存期间介于所述第一曝光期间及所述第二曝光期间之间，以决定所述第一曝光期间与所述第二曝光期间的时间差，由于所述时间差允许对象在所述时间差内改变位置或状态，故所述暂存期间大于零且彼此相等。所述暂存期间的长短可根据不同应用而定；例如，当图像传感器1用于检测快速移动或近距离对象时，所述暂存期间可选择为较短，而当图像传感器1用于检测缓慢移动或远距离对象时，所述暂存期间可选择为较长，并无特定限制。所述读出期间则用于通过所述转移电路103从所述像素缓冲电路PB读取储存电荷量相关的电压信号至所述输出电路20，并进行输出电压的差分运算。如图4所示，每一像素电路列(例如R1-R4)的所述第一曝光期间、所述暂存期间及所述第二曝光期间同步，而两相邻像素电路列的所述读出期间具有延迟读出期间；其中，所述延迟读出期间允许耦接同一像素电路行(例如图2的C1-C8)的输出电路20能够依序读取每一像素电路10的储存电荷量，其时间长短由电路组件参数所决定。所述图像传感器1获取其他图像(例如第二图像)的方式则相同于获取所述第一图像，故在此不再赘述。
请参照图5及图6所示，图5为本发明第一实施例的图像传感器1的电路图，而图6为图5的图像传感器1的信号时序图。必须说明的是，图5及图6仅显示一个像素电路行中的两像素电路10及10'(例如对应像素电路列R1及R2的像素电路)。由于所述图像传感器1的所有像素电路10具有相同电路架构，因此本发明中以所述像素电路10进行说明。
如前所述，所述像素电路10包含光电转换电路OE、像素缓冲电路PB以及转移电路103。所述光电转换电路OE包含光电组件101及开关组件108；其中所述光电组件101例如为光二极管(photodiode)。所述像素缓冲电路PB包含浮动扩散区(floating diffusion,FD)1021、储存节点(storage node,SN)1022以及三个开关组件106、107、109。所述转移电路103包含源极跟随器晶体管(source follower transistor)103a以及一个开关组件103b。本发明中，上述开关组件例如为晶体管组件或模拟开关等。
所述光电转换电路OE中，所述光电组件101接收入射光Li后，产生光电流IL。所述开关组件108用于控制所述光电组件101内累积电荷的释放。当所述开关组件108导通时，所述光电组件101耦接至电压源VDD，其所产生的光电流IL通过所述开关组件108释放而不会无限制地累积。因此，所述开关组件108可称为防溢出(anti-blooming)晶体管。当所述开关组件108未导通(关闭)时称为像素电路10的有效曝光期间，此时所述光电组件101开始累积电荷。
所述像素缓冲电路PB中，所述开关组件109耦接在所述光电转换电路OE(例如所述开关组件108与所述光电组件101之间的节点)与所述储存节点1022之间，用于控制所述光电转换电路OE所产生的光电流IL储存至所述储存节点1022；因此，所述开关组件109可称为储存闸极(storage gate)晶体管。所述开关组件107耦接在所述储存节点1022与所述浮动扩散区1021之间，用于控制所述储存节点1022内的电荷量转移至所述浮动扩散区1021；因此，所述开关组件107可称为转移闸极(transfer gate)晶体管。所述开关组件106耦接在所述浮动扩散区1021与所述电压源VDD之间，用于重置所述浮动扩散区1021内的储存电荷量；因此，所述开关组件106有时称为重置(reset)晶体管。
所述转移电路103耦接在所述浮动扩散区1021与读取线70之间。所述源极跟随器晶体管103a用于将所述浮动扩散区1021的储存电荷量转换为电压信号。所述开关组件103b用于控制所述浮动扩散区1021耦接至所述读取线70，以通过所述读取线70输出所述电压信号至所述输出电路20进行储存。例如，当所述开关组件103b接收列选择信号(row selectsignal)时，则导通以将所述源极跟随器晶体管103a产生的电压信号输出至所述读取线70；因此，所述开关组件103b可称为列选择(row select)晶体管。
如前所述，每一所述输出电路20包含第一储存电路201、第二储存电路202及差分单元205。所述第一储存电路201及所述第二储存电路202分别包含开关组件(例如晶体管组件)及储存电容(例如电容器)，所述多个开关组件用于控制所述第一储存电路201及所述第二储存电路202耦接至所述读取线70。例如，所述第一储存电路201包含第一开关组件201s及第一储存电容201c；所述第二储存电路202包含第二开关组件202s及第二储存电容202c。当所述第一开关组件201s导通时，所述第一储存电容201c则通过所述读取线70储存来自所述像素电路20的第一输出电压V1(由所述源极跟随器晶体管103a根据第一电荷量Q1所输出)；当所述第二开关组件202s导通时，所述第二储存电容202c则通过所述读取线70储存来自所述像素电路20的第二输出电压V2(由所述源极跟随器晶体管103a根据第二电荷量Q2所输出)。可以了解的是，所述第一开关组件201s及所述第二开关组件202s并不同时导通，以使所述第一输出电压V1及所述第二输出电压V2可分别被储存。
某些实施例中，所述第一储存电路201或所述第二储存电路202还包含比较器201a，用于比较所述第一输出电压V1或所述第二输出电压V2与参考电压Vref；其中，所述比较器201a的输出端例如耦接至所述处理器37(如图1所示)。所述处理器37则根据所述比较器201a的输出结果判断是否实施自动曝光控制，其考虑入射光Li的强弱以相应地调整曝光时间。例如，当所述入射光Li较强时，可减少曝光时间(或调整光圈大小、白平衡…等)以避免所输出的图像过曝。例如，当所述参考电压Vref大于所述第一电压V1或所述第二输出电压V2时，所述比较器201a输出数字数值“0”而使得曝光时间不被调整；当所述参考电压Vref等于或小于所述第一输出电压V1或所述第二输出电压V2时，所述比较器201a则输出数字数值“1”以减少曝光时间，但也可反向为之。
请同时参照图5及图6所示，在获取一张图像时，首先关闭所述防溢出晶体管108以进入第一曝光期间，因此所述光电组件101开始累积电荷量。在所述第一曝光期间，先同时导通所述重置晶体管106及所述转移闸极晶体管107以重置所述像素缓冲电路PB内的残余电荷。接着，依序导通或同时导通(图6显示为同时导通)所述储存闸极晶体管109及所述转移闸极晶体管107，以使得所述浮动扩散区1021在所述第一曝光期间接收所述光电流IL以储存第一电荷量Q1。如前所述，由于所述图像传感器1应用于动作传感器，所述第一电荷量Q1储存在所述浮动扩散区1021经过一段暂存期间以允许被检测对象发生变化。所述暂存期间中，所述防溢出晶体管108被导通，以使所述光电组件101所产生的光电流IL经由所述防溢出晶体管108被释放。
所述暂存期间后，再度关闭所述防溢出晶体管108以进入第二曝光期间。所述第二曝光期间中，导通所述储存闸极晶体管109，以使得所述储存节点1022在所述第二曝光期间接收所述光电流IL以储存第二电荷量Q2。
在所述像素缓冲电路PB储存所述第二电荷量Q2后，则关闭所述防溢出晶体管108并进入读出期间。所述读出期间中，首先同时导通所述列选择晶体管103b及所述第一开关组件201s，以使得所述第一储存电路201的第一储存电容201c在所述读出期间储存读取所述浮动扩散区1021的所述第一电荷量Q1所形成的第一输出电压V1。接着，导通所述重置晶体管106以重置所述浮动扩散区1021的残余电荷。接着，导通所述转移闸极晶体管107以将所述储存节点1022中的第二电荷量Q2转移至所述浮动扩散区1021。接着，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第二开关组件202s，以使得所述第二储存电路202的第二储存电容202c在所述读出期间储存读取所述浮动扩散区1021的所述第二电荷量Q2所形成的第二输出电压V2。最后，所述差分单元205在所述读出期间比较所述第一输出电压V1与所述第二输出电压V2以输出模拟图像信号Sa。
必须说明的是，虽然本发明中以差分运算在所述读出期间内进行为例进行说明，以表示当所述第二输出电压V2被储存后立即进行差分运算，以尽量减少电荷泄漏(chargeleakage)。其他实施例中，读出期间与差分运算可为不同的两个期间。
如图6所示，像素电路列R2(例如像素电路10')的运作与像素电路列R1(例如所述像素电路10)的运作类似，例如所述像素电路列R1与所述像素电路列R2的所述第一曝光时间、所述暂存期间、所述第二曝光期间及所述读出期间的运作均相同，仅所述像素电路列R2的读出期间与所述像素电路列R1的读出期间相差延迟读出期间，其用于允许所述输出电路20依序读取同一像素电路行中每一像素电路10的电压信号。同理，像素电路列R3的读出期间与所述像素电路列R2的读出期间相差延迟读出期间，并以此类推。
请参照图7所示，其为本发明第一实施例的图像传感器的运作方法，包含下列步骤：在第一曝光期间从光电转换电路储存第一电荷量至像素缓冲电路(步骤S71)；在第二曝光期间从所述光电转换电路储存第二电荷量至所述像素缓冲电路(步骤S72)；读取所述像素缓冲电路的所述第一电荷量以在第一储存电路储存第一输出电压(步骤S73)；读取所述像素缓冲电路的所述第二电荷量以在第二储存电路储存第二输出电压(步骤S74)；以及比较所述第一输出电压与所述第二输出电压以输出模拟图像信号(步骤S75)。
请同时参照图5-7所示，步骤S71中，当所述防溢出晶体管108关闭时进入第一曝光期间。所述第一曝光期间中，同时或依序导通所述储存闸极晶体管109及所述转移闸极晶体管107以从所述光电转换电路OE储存第一电荷量Q1至所述像素缓冲电路PB。所述第一电荷量Q1储存在所述像素缓冲电路PB经过一段暂存期间。所述暂存期间中，所述防溢出晶体管108导通以释放所述光电组件101的累积电荷。
步骤S72中，所述防溢出晶体管108再度关闭时以进入第二曝光期间。所述第二曝光期间中，导通所述储存闸极晶体管109以从所述光电转换电路OE储存第二电荷量Q2至所述像素缓冲电路PB。当所述防溢出晶体管108再度被导通时结束所述第二曝光期间。
步骤S73-S74中，为了缩短所述第一电荷量Q1与所述第二电荷量Q2储存在所述像素缓冲电路PB的时间，当所述第二曝光期间结束时较佳立即进入读出期间。所述读出期间中，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第一开关组件201s，以使得所述像素缓冲电路PB内的第一电荷量Q1被所述输出电路20读取以在第一储存电路201储存第一输出电压V1；接着，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第二开关组件202s，以使得所述像素缓冲电路PB内的第二电荷量Q2被所述输出电路20读取以在第二储存电路202储存第二输出电压V2。本实施例中，所述第一输出电压V1及所述第二输出电压V2由所述源极跟随器晶体管103a根据所述第一电荷量Q1及所述第二电荷量Q2所产生。
步骤S75中，最后，所述输出电路20的差分单元205比较所述第一输出电压V1与所述第二输出电压V2以输出模拟图像信号Sa，例如，将所述第一输出电压V1与所述第二输出电压V2相减。
必说明的是，图6中各开关组件的启闭及时间关系仅为例示性，并非用于限定本发明。第一实施例用于在两曝光期间中分别储存两电荷量在所述像素缓冲电路PB，并在读取期间将所述像素缓冲电路PB的两电荷量分别读出为两输出电压至所述输出电路20以进行差分运算。
请参照图8所示，其为本发明第二实施例的图像传感器1'的方块示意图。图像传感器1'例如应用在如图2的成像系统100。所述图像传感器1'同样包含以阵列排列的多个像素电路10以及多个输出电路20。每一所述像素电路10同样包含光电转换电路OE、像素缓冲电路PB以及转移电路103。每一所述输出电路20耦接像素电路行的每一像素电路10并包含第一储存电路201、第二储存电路202、第三储存电路203、第四储存电路204、第一差分单元205、第二差分单元206及第三差分单元207；其中，所述第一储存电路201至所述第四储存电路204例如包含至少一电容器，所述第一差分单元205至所述第三差分单元207例如可为差动放大器。某些实施例中，每一所述输出电路20还包含比较器204a用于实现自动曝光控制。如第一实施例所述，所述多个像素电路10及所述多个输出电路20根据来自驱动电路30的控制信号Sc运作。
所述光电转换电路OE用于产生光电流IL至所述像素缓冲电路PB。所述像素缓冲电路PB接收所述光电流IL并据以储存电荷量。所述转移电路103用于将所述像素缓冲电路PB的储存电荷量转换成电压信号并输出至所述输出电路20。所述第一储存电路201至所述第四储存电路204用于在差分运算前暂存输出电压，以供所述第一差分单元205至所述第三差分单元207进行差分运算并输出模拟图像信号Sa。
所述第三差分单元207的输出端耦接至模拟数字转换器35(如图2所示)，以转换所述模拟图像信号Sa为数字图像信号Sd。第二实施例与第一实施例的差异在于，所述输出电路20还包含所述第三储存电路203、所述第四储存电路204、所述第二差分单元206及所述第三差分单元207；所述多个像素电路20则相同。第二实施例中，所述图像传感器1'同样用于判断对象动作、动作位置及进行手势识别等。
例如参照图9所示，其为本发明第二实施例的图像传感器1'的运作时序图。第二实施例的图像传感器1'为滚动快门图像传感器(rolling shutter image sensor)。获取一张图像(例如第一图像)期间，每一像素电路10的运作包含第一曝光期间、暂存期间、第二曝光期间以及读出期间。所述第一曝光期间及所述第二曝光期间用于储存相对两个不同时间的电荷量，由于本实施例无须搭配系统光源，因此所述电荷量与环境光强度成正相关。所述暂存期间介于所述第一曝光期间及所述第二曝光期间之间，以决定所述第一曝光期间及所述第二曝光期间的时间差，由在所述时间差允许对象在所述时间差内改变位置或状态，故所述暂存期间大于零且彼此相等。所述暂存期间的长短可根据不同应用而定，因其已在前描述，故在此不再重复。所述读出期间则用于从所述像素缓冲电路PB读取储存电荷量相关的电压信号至所述输出电路20，并进行输出电压的差分运算。如图9所示，每一像素电路列(例如R1-R4)的运作均相等，惟两相邻像素电路列的所述第一曝光期间的起始时间相差列延迟时间，其时间长短由电路组件参数所决定。所述图像传感器1'获取其他图像(例如第二图像)的方式则相同在获取所述第一图像，故在此不再赘述。
请参照图10及图11所示，图10为本发明第二实施例的图像传感器1'的电路图，而图11为图10的图像传感器1'的信号时序图。必须说明的是，图10及图11仅显示像素电路行中的两像素电路10及10'(例如对应像素电路列R1及R2的像素电路)。同理，所述图像传感器1'的所有像素电路10均具有相同电路架构。
所述光电转换电路OE包含光电组件101及开关组件108。所述光电组件101接收入射光Li后，产生光电流IL。所述开关组件108用于控制所述光电组件101内的累积电荷的释放。
所述像素缓冲电路PB包含浮动扩散区1021、储存节点1022以及三个开关组件106、107、109。所述开关组件109耦接在所述光电转换电路OE与所述储存节点1022之间，用于控制所述光电转换电路OE所产生的光电流IL储存至所述储存节点1022。所述开关组件107耦接在所述储存节点1022与所述浮动扩散区1021之间，用于控制所述浮动扩散区1021从所述储存节点1022接收第一电荷量Q1及第二电荷量Q2。所述开关组件106耦接在所述浮动扩散区1021与电压源VDD之间，用于控制所述像素缓冲电路PB的电荷重置。
所述转移电路103耦接在所述浮动扩散区1021与读取线70之间，用于控制所述浮动扩散区1021耦接至所述读取线70。源极跟随器晶体管103a用于将所述浮动扩散区1021的储存电荷量转换为电压信号。开关组件103b用于控制所述浮动扩散区1021耦接至所述读取线70，以通过所述读取线70输出所述电压信号至所述输出电路20。
第二实施例的所述多个像素电路10相同于第一实施例的所述多个像素电路10，故其他关于所述多个像素电路10的说明如前所述，在此不再重复。
每一所述输出电路20包含第一储存电路201、第二储存电路202、第三储存电路203、第四储存电路204、第一差分单元205、第二差分单元206及第三差分单元207。所述第一储存电路201至所述第四储存电路204分别包含开关组件(例如晶体管组件)及储存电容(例如电容器)，所述开关组件用于控制所述第一储存电路201至所述第四储存电路204耦接至所述读取线70。例如，所述第一储存电路201包含第一开关组件201s及第一储存电容201c；所述第二储存电路202包含第二开关组件202s及第二储存电容202c；所述第三储存电路203包含第三开关组件203s及第三储存电容203c；所述第四储存电路204包含第四开关组件204s及第四储存电容204c。当所述第一开关组件201s导通时，所述第一储存电容201c则通过所述读取线70储存来自所述像素电路20的第一重置电压V1；当所述第二开关组件202s导通时，所述第二储存电容202c则通过所述读取线70储存来自所述像素电路20的第一输出电压V2；当所述第三开关组件203s导通时，所述第三储存电容203c则通过所述读取线70储存来自所述像素电路20的第二重置电压V3；当所述第四开关组件204s导通时，所述第四储存电容204c则通过所述读取线70储存来自所述像素电路20的第二输出电压V4。可以了解的是，所述第一开关组件201s至所述第四开关组件204s并不同时导通，以使所述第一重置电压V1、所述第一输出电压V2、所述第二重置电压V3、所述第二输出电压V4可分别被储存。此外，所述第一开关组件201s至所述第四开关组件204s的导通顺序并不限于上述方式，只要所述第一重置电压V1、所述第一输出电压V2、所述第二重置电压V3、所述第二输出电压V4能够被依序储存即可。
某些实施例中，所述第二储存电路202或所述第四储存电路204其中之一还包含比较器202a(例如图10显示包含在第二储存电路202)用于比较所述第一输出电压V2或所述第二输出电压V4与参考电压Vref，以实现自动曝光控制。设置所述比较器202a的目的与第一实施例相同，故在此不再赘述。
请再同时参照图10及图11所示，在获取图像时，首先关闭所述防溢出晶体管108以进入第一曝光期间，因此所述光电组件101开始累积电荷量。在所述第一曝光期间，先同时导通所述重置晶体管106及所述转移栅极晶体管107以重置所述像素缓冲电路PB内的残余电荷。接着，导通所述储存闸极晶体管109，以使得所述储存节点1022在所述第一曝光期间接收所述光电流IL以储存第一电荷量Q1经过一段暂存期间。如前所述，所述暂存期间用于分隔所述第一曝光期间及其后的第二曝光期间以允许对象发生变化。同理，所述暂存期间中，所述防溢出晶体管108导通，以使所述光电组件101所产生的光电流IL经由所述防溢出晶体管108释放。
接着，所述暂存期间后，再度关闭所述防溢出晶体管108以进入第二曝光期间。所述第二曝光期间中，导通所述重置晶体管106以使得所述浮动扩散区1021在所述第二曝光期间储存第一重置电荷量Qres1；其中，所述第一重置电荷量Qres1为重置所述浮动扩散区1021后的残留电荷量，若不消除，则会降低图像信号的信噪比(signal to noise ratio,SNR)。接着，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第一开关组件201s，以使得所述第一储存电路201的第一储存电容201c在所述第二曝光期间储存读取所述浮动扩散区1021内的第一重置电荷量Qres1所形成的第一重置电压V1(由所述源极跟随器晶体管103a根据所述第一重置电荷量Qres1所输出)。接着，导通所述转移栅极晶体管107，以使得所述储存节点1022转移所述第一电荷量Q1至所述浮动扩散区1021进行累积，并储存累积所述第一电荷量Q1与所述第一重置电荷量Qres1而产生的第一累积电荷量Qacc1。接着，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第二开关组件202s，以使得所述第二储存电路202的第二储存电容202c在所述第二曝光期间储存读取所述浮动扩散区1021内的第一累积电荷量Qacc1所形成的第一输出电压V2(由所述源极跟随器晶体管103a根据所述第一累积电荷量Qacc1所输出)。接着，导通所述储存栅极晶体管109，以使得所述储存节点1022在所述第二曝光期间接收所述光电流IL以储存第二电荷量Q2。
在所述像素缓冲电路PB储存所述第二电荷量Q2后，则关闭所述防溢出晶体管108并进入读出期间。所述读出期间中，导通所述重置晶体管106以使得所述浮动扩散区1021在所述第二曝光期间储存第二重置电荷量Qres2；其中，所述第二重置电荷量Qres2为重置所述浮动扩散区1021后的残留电荷量。接着，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第三开关组件203s，以使得所述第三储存电路203的第三储存电容203c在所述读出期间储存读取所述浮动扩散区1021内的第二重置电荷量Qres2所形成的第二重置电压V3(由所述源极跟随器晶体管103a根据所述第二重置电荷量Qres2所输出)。接着，导通所述转移栅极晶体管107，以使得所述储存节点1022转移所述第二电荷量Q2至所述浮动扩散区1021进行累积，以使得所述浮动扩散区1021储存累积所述第二电荷量Q2与所述第二重置电荷量Qres2而产生的第二累积电荷量Qacc2。接着，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第四开关组件204s，以使得所述第四储存电路204的第四储存电容204c在所述读出期间储存读取所述浮动扩散区1021内的第二累积电荷量Qacc2所形成的第二输出电压V4(由所述源极跟随器晶体管103a根据所述第二累积电荷量Qacc2所输出)。最后，所述第一差分单元205比较所述第一重置电压V1与所述第一输出电压V2，例如进行减法运算，以输出第一差分信号Vdiff1；其中，所述第一差分单元205用于消除所述第一输出电压V2中未在重置期间移除的残余电荷，藉以增加信噪比。所述第二差分单元206比较所述第二重置电压V3与所述第二输出电压V4，例如进行减法运算，以输出第二差分信号Vdiff2；其中，所述第二差分单元206用于消除所述第二输出电压V4中未在重置期间移除的残余电荷，藉以增加信噪比。所述第三差分单元207用于比较所述第一差分信号Vdiff1与所述第二差分信号Vdiff2，以输出模拟图像信号Sa。
第二实施例相较于第一实施例，所述模拟图像信号Sa的信噪比可大幅提升，藉以有效提升数字后端的运作精确度。
如图11所示，像素电路列R2(例如像素电路10')的运作与像素电路列R1(例如所述像素电路10)的运作相同，例如像素电路列R1及像素电路列R2的所述第一曝光时间、所述暂存期间、所述第二曝光期间及所述读出期间的运作均相同，仅所述像素电路列R2的第一曝光期间的起始时间与所述像素电路列R1的第一曝光期间的起始时间相差列延迟时间。同理，像素电路列R3的第一曝光期间的起始时间与所述像素电路列R2的第一曝光期间的起始时间相差列延迟时间，并以此类推。
请参照图12所示，其为本发明第二实施例的图像传感器的运作方法，包含下列步骤：在第一曝光期间从光电转换电路储存第一电荷量至像素缓冲电路(步骤S121)；读取所述像素缓冲电路的第一重置电荷量以在第一储存电路储存第一重置电压(步骤S122)；读取所述像素缓冲电路的累积所述第一电荷量与所述第一重置电荷量而产生的第一累积电荷量以在第二储存电路储存第一输出电压(步骤S123)；在第二曝光期间从所述光电转换电路储存第二电荷量至所述像素缓冲电路(步骤S124)；读取所述像素缓冲电路的第二重置电荷量以在第三储存电路储存第二重置电压(步骤S125)；读取所述像素缓冲电路的累积所述第二电荷量与所述第二重置电荷量而产生的第二累积电荷量以在第四储存电路储存第二输出电压(步骤S126)；比较所述第一输出电压与所述第一重置电压以产生第一差分信号(步骤S127)；比较所述第二输出电压与所述第二重置电压以产生第二差分信号(步骤S128)；以及比较所述第一差分信号与所述第二差分信号以产生模拟图像信号(步骤S129)。
请同时参照图8-12所示，步骤S121中，当所述防溢出晶体管108关闭时进入第一曝光期间。所述第一曝光期间中，导通所述储存栅极晶体管109以从所述光电转换电路OE储存第一电荷量Q1至所述像素缓冲电路PB。所述第一电荷量Q1储存在所述像素缓冲电路PB经过一段暂存期间。所述暂存期间中，所述防溢出晶体管108导通以释放所述光电组件101的累积电荷。
步骤S122中，所述防溢出晶体管108再度关闭时以进入第二曝光期间。所述第二曝光期间中，导通所述重置晶体管106以重置所述像素缓冲电路PB。为了消除所述像素缓冲电路PB在重置期间的残余电荷，所述像素缓冲电路PB被重置后，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第一开关组件201s，所述输出电路20先读取所述像素缓冲电路PB的第一重置电荷量Qres1以在第一储存电路201储存第一重置电压V1；其中，所述第一重置电压V1不为零时表示存在噪声信号。
步骤S123中，导通所述转移栅极晶体管107以使得所述像素缓冲电路PB中的所述第一电荷量Q1被累积在所述第一重置电荷量Qres1以产生第一累积电荷量Qacc1。接着，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第二开关组件202s，所述输出电路20读取所述像素缓冲电路PB的所述第一电荷量Q1与所述第一重置电荷量Qres1的所述第一累积电荷量Qacc1以在第二储存电路202储存第一输出电压V2。
步骤S124中，导通所述储存栅极晶体管109以从所述光电转换电路OE储存第二电荷量Q2至所述像素缓冲电路PB。当所述防溢出晶体管108再度被导通时结束所述第二曝光期间。
步骤S125中，当所述第二曝光期间结束时较佳立即进入读出期间。所述读出期间中，导通所述重置晶体管106以重置所述像素缓冲电路PB。同样为了消除所述像素缓冲电路PB在重置期间的残余电荷，所述像素缓冲电路PB被重置后，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第三开关组件203s，所述输出电路20先读取所述像素缓冲电路PB的第二重置电荷量Qres2以在第三储存电路203储存第二重置电压V3；其中，所述第二重置电压V3不为零时表示存在噪声信号。
步骤S126中，导通所述转移栅极晶体管107以使得所述像素缓冲电路PB中的所述第二电荷量Q2被累积在所述第二重置电荷量Qres2以产生第二累积电荷量Qacc2。接着，同时导通所述列选择晶体管103b及所述第四开关组件204s，所述输出电路20读取所述像素缓冲电路PB的所述第二电荷量Q2与所述第二重置电荷量Qres2的所述第二累积电荷量Qacc2以在第四储存电路204储存第二输出电压V4。
步骤S127中，所述第一差分单元205比较所述第一重置电压V1与所述第一输出电压V2以产生第一差分信号Vdiff1，以消除所述第一输出电压V2中的噪声。
步骤S128中，所述第二差分单元206比较所述第二重置电压V3与所述第二输出电压V4以产生第二差分信号Vdiff2，以消除所述第二输出电压V4中的噪声。
最后，步骤S129中，所述第三差分单元207比较所述第一差分信号Vdiff1与所述第二差分信号Vdiff2以产生模拟图像信号Sa。
必说明的是，图11中各开关组件的启闭及时间关系仅为例示性，并非用于限定本发明。第二实施例用于在两个曝光期间中分别储存两个累积电荷量及两重置电荷量在所述像素缓冲电路PB，并将所述像素缓冲电路PB的两个累积电荷量及两个重置电荷量分别输出为两个输出电压及两个重置电压至所述输出电路20以进行差分运算，藉以消除噪声以提升信噪比。
如前所述，图6及图11中各开关组件的导通与关闭例如接收来自所述驱动电路30的控制信号Sc来实现。本发明实施例中，以耦接像素电路行的输出电路20来进行模拟差分并输出模拟图像信号Sa，并非在每一像素电路内进行差分运算，故可降低电路复杂度。待模拟图像信号Sa被转换为数字图像信号Sd后，处理器37可仅根据一张数字图像直接判断对象动作或动作位置，而无须计算两张数字图像的差分图像，因此无须设置数字缓冲器储存整张数字图像。
必须说明的是，上述实施例中的数值，例如像素电路10及输出电路20的个数以及各期间的比例关系仅为例示性，并非用于限定本发明。
某些实施例中，本发明的第一实施例的图像传感器1可用于搭配系统光源的启闭以消除环境光，仅须在所述第一曝光期间点亮所述系统光源默认期间并在所述第二曝光期间关闭所述系统光源即可；其中，所述系统光源同样受控于所述驱动电路30所输出的光源信号。此外，由于此实施例中图像传感器1可不用于检测对象动作，因此所述第一电荷量Q1储存在所述像素缓冲电路PB的时间越短越好，较佳所述暂存期间设为零，所述驱动电路30送出的其他信号时序则相同，故在此不再赘述。
如上所述，已知图像传感器使用两张数字图像进行差分运算，因而具有较高的功率消耗。因此，本发明提出一种图像传感器(图3、图8)及其运作方法(图7、图12)，其可藉由时序控制以直接在模拟前端比较第一电荷量及第二电荷量相对应的电压值，藉以进行动作检测。
虽然本发明已通过前述实施例披露，但是其并非用于限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (20)
1.一种图像传感器，该图像传感器包含：
多个像素电路，以阵列排列，每一所述像素电路包含：
光电转换电路，用于产生光电流；
浮动扩散区，用于在第一曝光期间接收所述光电流以储存第一电荷量，并储存所述第一电荷量经过一段暂存期间；及
储存节点，用于在第二曝光期间接收所述光电流以储存第二电荷量，其中所述暂存期间介于所述第一曝光期间与所述第二曝光期间之间；以及
多个输出电路，每一所述输出电路通过读取线耦接像素电路行，并包含：
第一储存电路，用于在读出期间储存读取所述浮动扩散区的所述第一电荷量所形成的第一输出电压；
第二储存电路，用于在所述读出期间储存读取所述储存节点的所述第二电荷量所形成的第二输出电压；及
差分单元，用于比较所述第一输出电压与所述第二输出电压以输出模拟图像信号。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述暂存期间大于零。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述图像传感器为全局快门图像传感器。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一储存电路及所述第二储存电路分别包含开关组件及储存电容，所述开关组件用于控制所述第一储存电路及所述第二储存电路耦接至所述读取线。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述第一储存电路或所述第二储存电路还包含用于比较所述第一输出电压或所述第二输出电压与参考电压的比较器。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个输出电路的输出端耦接至模拟数字转换器，以转换所述模拟图像信号为数字图像信号。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中每一所述像素电路还包含：
转移电路，耦接在所述浮动扩散区与所述读取线之间，用于控制所述浮动扩散区耦接至所述读取线。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中每一所述像素电路还包含三个开关组件，该三个开关组件分别耦接在所述光电转换电路与所述储存节点之间、所述储存节点与所述浮动扩散区之间、所述浮动扩散区与电压源之间。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中每一像素电路列的所述第一曝光期间、所述暂存期间及所述第二曝光期间同步，而两相邻像素电路列的所述读出期间具有延迟读出期间。
10.一种图像传感器，该图像传感器包含：
多个像素电路，以阵列排列，每一所述像素电路包含：
光电转换电路，用于产生光电流；
浮动扩散区，用于在第二曝光期间依序储存第一重置电荷量及累积第一电荷量与所述第一重置电荷量而产生的第一累积电荷量，在读出期间依序储存第二重置电荷量及累积第二电荷量与所述第二重置电荷量而产生的第二累积电荷量，其中，所述第一重置电荷量及所述第二重置电荷量为重置所述浮动扩散区后的残留电荷量；
储存节点，用于在第一曝光期间接收所述光电流以储存所述第一电荷量经过一段暂存期间，在所述第二曝光期间依序转移所述第一电荷量至所述浮动扩散区以产生所述第一累积电荷量及接收所述光电流以储存所述第二电荷量，在所述读出期间转移所述第二电荷量至所述浮动扩散区以产生所述第二累积电荷量，其中所述暂存期间介于所述第一曝光期间与所述第二曝光期间之间；以及
多个输出电路，每一所述输出电路通过读取线耦接像素电路行，并包含：
第一储存电路，用于在所述第二曝光期间储存读取所述浮动扩散区的所述第一重置电荷量所形成的第一重置电压；
第二储存电路，用于在所述第二曝光期间储存读取所述浮动扩散区的所述第一累积电荷量所形成的第一输出电压；
第三储存电路，用于在所述读出期间储存读取所述浮动扩散区的所述第二重置电荷量所形成的第二重置电压；
第四储存电路，用于在所述读出期间储存读取所述浮动扩散区的所述第二累积电荷量所形成的第二输出电压；
第一差分单元，用于比较所述第一重置电压与所述第一输出电压，以输出第一差分信号；
第二差分单元，用于比较所述第二重置电压与所述第二输出电压，以输出第二差分信号；及
第三差分单元，用于比较所述第一差分信号与所述第二差分信号，以输出模拟图像信号。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中每一像素电路列的所述暂存期间大于零且彼此相等。
12.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述图像传感器为滚动快门图像传感器。
13.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述第一储存电路至所述第四储存电路分别包含开关组件及储存电容，所述开关组件用于控制所述第一储存电路至所述第四储存电路耦接至所述读取线。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中所述第二储存电路或所述第四储存电路其中之一还包含用于比较所述第一输出电压或所述第二输出电压与参考电压的比较器。
15.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述第三差分单元的输出端耦接至模拟数字转换器以转换所述模拟图像信号为数字图像信号。
16.根据权利要求10所述的图像传感器，其中每一所述像素电路还包含：
转移电路，耦接在所述浮动扩散区与所述读取线之间，用于控制所述浮动扩散区耦接至所述读取线。
17.根据权利要求10所述的图像传感器，其中每一所述像素电路还包含开关组件，该开关组件耦接在所述储存节点与所述浮动扩散区之间，用于控制所述浮动扩散区接收所述第一电荷量及所述第二电荷量。
18.根据权利要求10所述的图像传感器，其中每一所述像素电路还包含开关组件，该开关组件耦接在所述储存节点与电压源之间，用于控制所述储存节点的重置。
19.一种图像传感器的运作方法，所述图像传感器包含以阵列排列的多个像素电路及多个输出电路，每一所述像素电路包含光电转换电路及像素缓冲电路，每一所述输出电路耦接像素电路行并包含第一储存电路及第二储存电路，所述运作方法包含：
在第一曝光期间从所述光电转换电路储存第一电荷量至所述像素缓冲电路；
在第二曝光期间从所述光电转换电路储存第二电荷量至所述像素缓冲电路；
读取所述像素缓冲电路的所述第一电荷量以在所述第一储存电路储存第一输出电压；
读取所述像素缓冲电路的所述第二电荷量以在所述第二储存电路储存第二输出电压；以及
对所述第一输出电压与所述第二输出电压进行差分运算以输出模拟图像信号。
20.一种图像传感器的运作方法，该图像传感器包含以阵列排列的多个像素电路及多个输出电路，每一所述像素电路包含光电转换电路及像素缓冲电路，每一所述输出电路耦接像素电路行并包含第一储存电路、第二储存电路、第三储存电路及第四储存电路，所述运作方法包含：
在第一曝光期间从所述光电转换电路储存第一电荷量至所述像素缓冲电路；
读取所述像素缓冲电路的第一重置电荷量以在所述第一储存电路储存第一重置电压；
读取所述像素缓冲电路的累积所述第一电荷量与所述第一重置电荷量而产生的第一累积电荷量以在所述第二储存电路储存第一输出电压；
在第二曝光期间从所述光电转换电路储存第二电荷量至所述像素缓冲电路；
读取所述像素缓冲电路的第二重置电荷量以在所述第三储存电路储存第二重置电压，其中，所述第一重置电荷量及所述第二重置电荷量为重置浮动扩散区后的残留电荷量；
读取所述像素缓冲电路的累积所述第二电荷量与所述第二重置电荷量而产生的第二累积电荷量以在所述第四储存电路储存第二输出电压；
比较所述第一输出电压与所述第一重置电压以产生第一差分信号；
比较所述第二输出电压与所述第二重置电压以产生第二差分信号；以及
比较所述第一差分信号与所述第二差分信号以产生模拟图像信号。
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