CN106504688A - 双极结晶体管像素电路、图像系统及其运作方法 - Google Patents

双极结晶体管像素电路、图像系统及其运作方法 Download PDF

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Abstract

一种双极结晶体管像素电路，包含双极结晶体管、光电二极管、第一储存电容以及第二储存电容。所述第一储存电容用以于所述光电二极管的第一曝光时间内经由所述双极结晶体管放电至第一输出电压。所述第二储存电容用以于所述光电二极管的第二曝光时间内经由所述双极结晶体管放电至第二输出电压。

Description

双极结晶体管像素电路、图像系统及其运作方法
技术领域
本发明有关一种图像系统，更特别有关一种可消除环境光影响的双极结晶体管像素电路、具有所述像素电路的图像系统及其运作方法。
背景技术
请参照图1所示，其为已知双极结晶体管(BJT)像素电路100的示意图。所述BJT像素电路100包含光电二极管11、双极结晶体管13、像素电容Cp、电源端VDD、多个开关元件SWres、SWshut、SW0、SW0d以及两源极随耦器(source follower)SF、SFd。
图2为具有图1的BJT像素电路100的图像感测器的运作时序图，此处以感测阵列包含3个像素电路P1、P2及P3为例进行说明。
所述BJT像素电路100可通过控制所述多个开关元件而操作于两个阶段，包含重置阶段(reset phase)以及光闸阶段(shutter phase)；其中，所述重置阶段下所述多个开关元件SWres导通，而所述光闸阶段下所述开关元件SWshut导通。所述重置阶段用以释放所述光电二极管11中留存的电荷并将所述像素电容Cp充电至初始电位Vint。所述光闸阶段可使所述BJT像素电路100放电所述初始电位Vint且放电率为光强度的函数。图1显示所述光闸阶段的状态，其配合系统光源20而运作。所述系统光源20相对第一帧frame A点亮并相对第二帧frame B关闭(参照图2)；其中，所述第二帧frame B有时可称为环境光图像帧。
所述第一帧frame A中，所述系统光源20开启(例如时间t1)后至所述开关元件SWshut导通(例如时间t2)的一段期间可称为初照明期间(pre-flash time)，其为了使所述双极结晶体管13达到一稳定输出。所述开关元件SWshut导通后，保存于所述像素电容Cp的电荷于曝光期间(例如时间t2-t3)通过所述双极结晶体管13放电而使得所述初始电位Vint降低，其中所述初始电位Vint的降低量相关于所述光电二极管11所接收的光强度。
接着，通过所述开关元件SW0，所述像素电路100输出输出信号OUT。此外，所述像素电路100还通过所述开关元件SW0d输出参考信号OUTd。所述参考信号OUTd用以消除切换注入(switch injection)以及电压降(IR drop)。例如，所述第一帧frame A中，所述像素电路100分别相对所述多个像素电路P1-P3产生一组输出信号OUTon与参考信号OUTdon，也即三组信号。同理，所述第二帧frame B中，所述像素电路100分别相对所述多个像素电路P1-P3产生另一组输出信号OUToff与参考信号OUTdoff，也即另三组信号。
所述输出信号OUT及所述参考信号OUTd接着被输入至电荷转移放大器17进行差分运算。所述输出信号OUT及所述参考信号OUTd的差分信号(例如OUTdon-OUTon及OUTdoff-OUToff)通过模拟数字转换器(ADC)18转换为数字信号后由处理器19进行后处理；其中，所述模拟数字转换器18的取样次数正相关于感测阵列的尺寸，如图2所示每一个帧为3次。已知像素电路100中，为了消除环境光的影响，所述处理器19于数字后端对所述多个差分信号进行减法运算，也即(点灯时的ADC值的和)-(熄灯时的ADC值的和)。
然而，所述光电二极管11所接收的光强度同时包含了系统光以及环境光。当环境光较强时(例如位于太阳光下)，所述差分信号(OUTdon-OUTon)与所述差分信号(OUTdoff-OUToff)间的差异变的很小，甚至可能小于所述模拟数字转换器18的解析度，因而导致所述处理器19无法区分所述系统光源20开启与关闭之间的差异。因此，当所述像素电路100应用于近接感测器(proximity sensor)时，则无法于强光下检测接近物体。
发明内容
有鉴于此，本发明还提出一种可消除环境光影响的双极结晶体管像素电路、具有所述像素电路的图像系统及其运作方法。
本发明提供一种双极结晶体管像素电路，用以相对光源信号产生电压信号，其中所述光源信号包含点灯准位及熄灯准位。所述像素电路包含光电二极管、第一光开关、第二光开关、第一储存电容以及第二储存电容。所述第一光开关用以根据第一光开关信号相对所述点灯准位控制所述光电二极管的第一曝光时间。所述第二光开关用以根据第二光开关信号相对所述熄灯准位控制所述光电二极管的第二曝光时间。所述第一储存电容具有通过所述第一光开关耦接所述光电二极管的第一端及耦接接地端的第二端，所述第一储存电容用以于所述第一曝光时间前保存第一预设电位并于所述第一曝光时间内经由所述二极体放电至第一输出电压。所述第二储存电容具有通过所述第二光开关耦接所述光电二极管的第一端及耦接所述接地端的第二端，所述第二储存电容用以于所述第二曝光时间前保存第二预设电位并于所述第二曝光时间内经由所述二极体放电至第二输出电压。
本发明还提供一种图像系统，包含系统光源以及图像感测器。所述图像感测器包含多个像素电路以及积分器。每一所述多个像素电路包含光电二极管、第一光开关、第二光开关、第一储存电容以及第二储存电容。所述第一光开关用以根据第一光开关信号相对所述系统光源点亮时控制所述光电二极管的第一曝光时间。所述第二光开关用以根据第二光开关信号相对所述系统光源熄灭时控制所述光电二极管的第二曝光时间。所述第一储存电容具有通过所述第一光开关耦接所述光电二极管的第一端及耦接接地端的第二端，所述第一储存电容用以于所述第一曝光时间前保存第一预设电位并于所述第一曝光时间内经由所述光电二极管放电至第一输出电压。所述第二储存电容具有通过所述第二光开关耦接所述光电二极管的第一端及耦接所述接地端的第二端，所述第二储存电容用以于所述第二曝光时间前保存第二预设电位并于所述第二曝光时间内经由所述光电二极管放电至第二输出电压。所述积分器用以将每一所述多个像素电路输出的所述第一输出电压及所述第二输出电压进行差分运算以相对每一所述多个像素电路产生一对差分信号。
本发明还提供一种图像系统的运作方法。所述图像系统包含系统光源及图像感测器。所述图像感测器包含积分器以及多个像素电路。每一所述多个像素电路包含光电二极管、第一光开关、第二光开关、第一储存电容、第二储存电容、第一读取开关以及第二读取开关。所述运作方法包含下列步骤：以第一光开关信号控制所述第一光开关，以相对所述系统光源点亮时控制所述光电二极管的第一曝光时间以使所述第一储存电容放电至第一输出电压；以第二光开关信号控制所述第二光开关，以相对所述系统光源熄灭时控制所述光电二极管的第二曝光时间以使所述第二储存电容放电至第二输出电压；以读取信号控制所述第一读取开关及所述第二读取开关，以同时读出所述第一输出电压及所述第二输出电压；以及以所述积分器对所述第一输出电压及所述第二输出电压进行差分运算以产生一对差分信号。
本发明的图像系统可适用于近接感测器及手势识别系统，尤其适用于强环境光下的操作。
本发明的图像感测器无须于系统光源熄灭时另获取一张环境光图像帧，并可减少输出电压取样及模拟数字转换器的取样次数。
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，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此先述明。
附图说明
图1为已知双极结晶体管像素电路的示意图；
图2为具有图1的双极结晶体管像素电路的图像感测器的运作时序图；
图3为本发明实施例的图像系统的运作示意图；
图4为本发明实施例的双极结晶体管像素电路的示意图；
图5为具有图4的双极结晶体管像素电路的图像感测器的运作时序图；
图6为具有图4的双极结晶体管像素电路的图像感测器的方块示意图；
图7为具有图4的双极结晶体管像素电路的图像感测器的另一方块示意图；
图8为本发明实施例的图像系统的运作方法的流程图。
附图标记说明
17 电荷转移放大器
3 图像系统
30 图像感测器
30A 像素阵列
100、300 BJT像素电路
11、31 光电二极管
13、33 双极结晶体管
35 时序控制器
37 积分器
18、38 模拟数字转换器
19、39 处理器
40 系统光源
9 手指
VDD 电源端
GRD 接地端
S1 重置信号
S21 第一光开关信号
S31 第二光开关信号
Sr 读取信号
S4 光源信号
Con 第一储存电容
Coff 第二储存电容
OUTon 第一输出电压
OUToff 第二输出电压
SWres 重置开关
SWshuton 第一光开关
SWshutoff 第二光开关
SWron 第一读取开关
SWroff 第二读取开关
SFon 第一源极随耦器
SFoff 第二源极随耦器
Vinton 第一初始电位
Vintoff 第二初始电位
N 节点
La 环境光
Ls 系统光
TAP、TAN 差分信号
Rd1、Rd2 读取线
Sd 数字信号。
具体实施方式
请参照图3所示，其为本发明实施例的图像系统3的运作示意图。所述图像系统3包含图像感测器30以及系统光源40。所述图像系统3可应用于近接感测系统或手势识别系统，用以检测物体9(例如手指)的近接操作(proximity operation)及/或手势(gesture)。所述图像感测器30较佳为主动式图像感测器，例如互补式金氧半场效电晶体(CMOS)图像感测器。于操作时，所述图像感测器30同时会检测到来自所述系统光源40并被所述物体9反射的系统光Ls以及外界的环境光La。当环境光La(例如太阳光)太强时，所述图像感测器30所感测的系统光Ls的光强度与感测的环境光La相比非常小，因此所述系统光源40的功能不明显而可能导致失效。
请同时参照图3至5所示，图4为本发明实施例的双极结晶体管(BJT)像素电路300的示意图，图5为具有图4的BJT像素电路300的图像感测器的运作时序图。所述图像感测器30包含多个阵列排列的BJT像素电路300(例如图3显示9个BJT像素电路300)。所述多个BJT像素电路300用以相对光源信号S4产生输出电压信号OUTon及OUToff；其中，所述光源信号S4包含(如图5所示)点灯准位(light-on)及熄灯准位(light-off)。所述图像感测器30还包含时序控制器35用以提供所述光源信号S4至所述系统光源40并提供其他控制信号S1,S21,Sr,S31(举例详述于后)至所述BJT像素电路300。某些实施例中，所述时序控制器35例如位于处理器39(参照第6-7图)内；其中，所述处理器例如为数字信号处理器(DSP)、中央处理器(CPU)、微控制器(MCU)等，但并不以此为限。
所述BJT像素电路300包含光电二极管31、双极结晶体管(BJT)33、第一储存电容Con、第二储存电容Coff、第一光开关SWshuton、第二光开关SWshutoff、第一读取开关SWron、第二读取开关SWroff、第一源极随耦器SFon、第二源极随耦器SFoff以及三个重置开关SWres；其中，所述第一储存电容Con及所述第一光开关SWshuton相对所述系统光源40点灯时(即点灯准位)运作，所述第二储存电容Coff及所述第二光开关SWshutoff相对所述系统光源40熄灯时(即熄灯准位)运作。
一实施例中，所述光电二极管31内建于所述双极结晶体管33。所述BJT电晶体33例如为PNP双极结晶体管且所述光电二极管31形成于所述BJT电晶体33的基极(Base)与集极(Collector)的PN接面(PN junction)。所述BJT电晶体33的射极(Emitter)连接至节点N。
另一实施例中，所述BJT电晶体33可不予实施，而仅包含所述光电二极管31。所述光电二极管31具有阴极和阳极。所述阴极连接至所述节点N。
也即，本发明中，所述BJT电晶体33的射极或所述光电二极管31的阴极耦接至所述节点N。
所述光电二极管31相对所述系统光源40点灯时同时感测系统光Ls及环境光La以产生光电流，而所述光电二极管31相对所述系统光源40熄灯时仅感测环境光La以产生光电流；其中，所述光电流与所感测的光强度呈正相关。
所述第一储存电容Con具有第一端通过所述第一光开关SWshuton耦接所述BJT电晶体33的射极(或所述光电二极管31的阴极)及第二端耦接所述接地端GRD。重置开关SWres耦接于所述第一储存电容Con的第一端与电源端VDD间。所述第一光开关SWshuton用以根据第一光开关信号S21相对所述光源信号S4的点灯准位控制所述光电二极管31的第一曝光时间(例如图5所示T2-T3)。所述第一储存电容Con用以于所述第一曝光时间前保存第一预设电位Vinton(例如于重置阶段由所述电源端VDD通过所述重置开关SWres所充电)并于所述第一曝光时间内经由所述光电二极管31放电至第一输出电压OUTon；其中，所述第一输出电压OUTon的电压值取决于所述光电二极管31于所述第一曝光时间内的曝光量。
所述第二储存电容Coff具有通过所述第二光开关SWshuton耦接所述BJT电晶体33的射极(或所述光电二极管31的阴极)的第一端及耦接所述接地端GRD的第二端。重置开关SWres耦接于所述第二储存电容Coff的第一端与所述电源端VDD间。所述第二光开关SWshuton用以根据第二光开关信号S31相对所述光源信号S4的熄灯准位控制所述光电二极管31的第二曝光时间(例如图5所示T4-T5)。所述第二储存电容Coff用以于所述第二曝光时间前保存第二预设电位Vintoff(例如于重置阶段由所述电源端VDD通过所述重置开关SWres所产生)并于所述第二曝光时间内经由所述光电二极管31放电至第二输出电压OUToff；其中，所述第二输出电压OUToff的电压值取决于所述光电二极管31于所述第二曝光时间内的曝光量。
所述第一读取开关SWron耦接于所述第一储存电容Con的第一端(即所述节点N)与读取线Rd1间，用以根据读取信号Sr将所述第一储存电容Con耦接至所述读取线Rd1，以输出所述第一输出电压OUTon；其中，所述读取信号Sr例如为一列扫描信号。所述读取线Rd1用以连接一行BJT像素电路300并耦接电流源，用以传送所连接的每一BJT像素电路300的输出电压。
所述第一源极随耦器SFon具有闸极(Gate)、源极(Source)及汲极(Drain)，用以将所述第一储存电容Con上的所述第一输出电压OUTon无损耗地缓冲至所述读取线Rd1。所述第一源极随耦器SFon的闸极耦接所述第一储存电容Con的第一端(即所述节点N)。所述第一源极随耦器SFon的源极通过所述第一读取开关SWron耦接至所述读取线Rd1。所述第一源极随耦器SFon的汲极耦接至所述电源端VDD。
所述第二读取开关SWroff耦接于所述第二储存电容Coff的第一端(即所述节点N)与读取线Rd2间，用以根据读取信号Sr将所述第二储存电容Coff耦接至所述读取线Rd2，以输出所述第二输出电压OUToff；其中，所述读取信号Sr例如为一列扫描信号。所述读取线Rd2用以连接一行BJT像素电路300并耦接电流源，用以传送所连接的每一BJT像素电路300的输出电压。
所述第二源极随耦器SFoff具有闸极、源极及汲极，用以将所述第二储存电容Coff上的所述第二输出电压OUToff无损耗地缓冲至所述读取线Rd2。所述第二源极随耦器SFoff的闸极耦接所述第二储存电容Coff的第一端(即所述节点N)。所述第二源极随耦器SFoff的源极通过所述第二读取开关SWroff耦接至所述读取线Rd2。所述第二源极随耦器SFoff的汲极耦接至所述电源端VDD。
必须说明的是，虽然图4显示连接所述第一读取开关SWron的读取线Rd1与连接所述第二读取开关SWroff的读取线Rd2为两不同读取线，但本发明并不以此为限。某些实施例中，所述第一读取开关SWron及所述第二读取开关SWroff可耦接相同读取线以输出读取所述第一储存电容Con及所述第二储存电容Coff的电压信号。
两重置开关SWres分别耦接于所述电源端VDD与所述第一储存电容Con及所述第二储存电容Coff间，用以根据重置信号S1耦接所述第一储存电容Con及所述第二储存电容Coff至所述电源端VDD，以分别充电所述第一储存电容Con及所述第二储存电容Coff至所述第一预设电位Vinton及所述第二预设电位Vintoff；其中，所述第一预设电位Vinton及所述第二预设电位Vintoff的值可视不同应用而定，并无特定限制。另一重置开关SWres耦接于所述电源端VDD与所述节点N(例如所述双极结晶体管33的射极或所述光电二极管31的阴极)间，用以根据重置信号S1耦接所述双极结晶体管33的射极或所述光电二极管31的阴极至所述电源端VDD，以释放重置阶段中所述光电二极管31内的累积电荷。藉此，于所述第一曝光时间内，所述第一储存电容Con从所述第一预设电位Vinton通过光电流放电至所述第一输出电压OUTon；于所述第二曝光时间内，所述第二储存电容Coff从所述第二预设电位Vintoff通过光电流放电至所述第二输出电压OUToff。
本实施例中，所述第一光开关SWshuton、所述第二光开关SWshutoff、所述第一读取开关SWron、所述第二读取开关SWroff及所述多个重置开关SWres例如为N型金氧半(N-type MOS)电晶体，但并不以此为限，也可为其他模拟开关。
此外，如图5所示，所述第一曝光时间前，所述系统光源40还点亮初照明期间(例如T1-T2)，以使所述BJT电晶体33达到稳定输出。
请参照图6所示，其为具有图4的双极结晶体管像素电路300的图像感测器30的方块示意图。所述图像感测器30还包含积分器38以及模拟数字转换器(ADC)38；其中，所述积分器37例如为具有两输入端的差分积分器(differential integrator)而所述模拟数字转换器38例如为具有两输入端的差分模拟数字转换器(differential ADC)。所述积分器37的两输入端通过读取线(例如Rd1、Rd2)被耦接至所述多个BJT像素电路300，以分别接收所述第一输出电压OUTon及所述第二输出电压OUToff。所述图像感测器30包含两电容器Cs分别用以取样所述第一输出电压OUTon及所述第二输出电压OUToff。所述图像感测器30包含两电容器Cf耦接于所述积分器37的输入输出端间，以供所述积分器37进行积分/累积运算时保存积分电压资料。
请再参照图4至6所示，当所述第一读取开关SWron及所述第二读取开关SWroff导通时，所述积分器37读取例如三个像素电路P1-P3的第一输出电压OUTon及第二输出电压OUToff；其中，为便于说明，所述多个像素电路P1-P3此处假设为产生相同的输出电压。如前所述，由于所述第一输出电压OUTon同时反映系统光Ls及环境光La(参照图3)而所述第二输出电压OUToff仅反映环境光La，所述第一输出电压OUTon的电压值低于所述第二输出电压OUToff的电压值。所述积分器37用以将每一所述多个BJT像素电路300输出的所述第一输出电压OUTon及所述第二输出电压OUToff进行差分运算以产生差分信号TAP及TAN，例如TAP-TAN＝(OUToff-OUTon)。某些实施例中，所述积分器37可另以增益值G放大所述差分信号TAP及TAN，例如TAP-TAN＝G×(OUToff-OUTon)。所述模拟数字转换器38则用以将所述差分信号(OUToff-OUTon)或放大后差分信号G×(OUToff-OUTon)转换为数字信号Sd；其中，所述数字信号Sd包含系统光Ls的效应而不包含环境光La的效应。
某些实施例中，强环境光La下，系统光Ls相较于环境光La非常小，所述积分器37可进一步用以积分/累积更多差分信号TAP及TAN以产生积分后/累积差分信号。例如图5中，所述积分器37于时间期间T6-T7相对所述多个像素电路P1-P3分别放大及积分/累积差分信号TAP及TAN。更详言之，所述积分器37可将所述图像感测器30的感测阵列的所有BJT像素电路300的差分信号TAP及TAN进行放大、积分/累积以相对每一帧(frame)输出积分后/累积的放大后差分信号，例如TAP-TAN＝NP×G×(OUToff-OUTon)；其中，NP表示被积分/累积的BJT像素电路300的数目且G表示增益值，此处同样假设每一BJT像素电路300的输出大致相同。如前所述，强环境光La下，系统光Ls相较于环境光La非常地小，通过使用所述积分器37，可有效增加信噪比(SNR)，以增进近接检测(proximity detection)的精确度。某些实施例中，当所述图像感测器30不位于强光下，所述积分器37例如可相对较少数目的BJT像素电路300的差分信号TAP及TAN进行放大及累积。更详言之，本发明中，被累积的所述多个BJT像素电路300的数目是可调的(即NP为可调)。最后，所述模拟数字转换器38例如对放大及累积差分信号NP×G×(TAP-TAN)进行取样并产生数字信号Sd，例如图5所示编码0x09，但不以此为限。因此，由于所述模拟数字转换器38取样累积差分信号而非取样每一BJT像素电路300的输出信号，所述模拟数字转换器38的取样数目因而降低了。
某些实施例中，所述积分器37可用以对所述图像感测器30的感测阵列的部分BJT像素电路300输出的差分信号TAP及TAN进行累积而非对所有BJT像素电路300进行累积。请参照图7所示，所述图像感测器30包含感测阵列30A，其区分为第一像素区域PA1、第二像素区域PA2、第三像素区域PA3及第四像素区域PA4；其中，每一像素区域PA1-PA4均包含如图4所示的多个BJT像素电路300。所述积分器37则放大及累积所述第一像素区域PA1包含的所述多个BJT像素电路300的差分信号TAP及TAN以产生放大及累积差分信号NP×G×(TAP-TAN)，所述模拟数字转换器38则数字化所述放大及累积差分信号NP×G×(TAP-TAN)以产生数字信号SdPA1；同理，所述模拟数字转换器38分别相对所述第二像素区域PA2、第三像素区域PA3及第四像素区域PA4产生数字信号SdPA2、SdPA3及SdPA4。处理器39则可根据所述多个数字信号SdPA1-SdPA4分别判断物体相对各像素区域PA1-PA4的近接操作(proximityoperation)，以根据各像素区域PA1-PA4的数字信号SdPA1-SdPA4的变化实现手势识别的功能，例如判断手势/物体的移动方向。必须说明的是，虽然图7显示所述多个像素区域PA1-PA4耦接至同一积分器37及模拟数字转换器38，其仅用以说明而并非用以限定本发明。其他实施例中，所述多个像素区域PA1-PA4可各自分别耦接独自的一组积分器37及模拟数字转换器38；也即，所述积分器37及模拟数字转换器38的数目相等于像素区域的数目。
请参照图8所示，其为本发明实施例的图像系统3的运作方法的流程图，包含下列步骤：以重置信号控制三个重置开关，以使光电二极管、第一储存电容及第二储存电容分别经由所述多个重置开关耦接至电源端，以重置所述光电二极管并充电所述第一储存电容及所述第二储存电容至预设电位(步骤S81)；以第一光开关信号控制第一光开关，以相对系统光源点亮时控制所述光电二极管的第一曝光时间以使所述第一储存电容放电至第一输出电压(步骤S82)；以第二光开关信号控制第二光开关，以相对所述系统光源熄灭时控制所述光电二极管的第二曝光时间以使所述第二储存电容放电至第二输出电压(步骤S83)；以读取信号控制第一读取开关，以使所述第一储存电容经由所述第一读取开关输出所述第一输出电压(步骤S84)；以所述读取信号控制第二读取开关，以使所述第二储存电容经由所述第二读取开关输出所述第二输出电压(步骤S85)；以积分器累积所述第一输出电压及所述第二输出电压的差分信号以产生累积差分信号(步骤S86)；以及将所述累积差分信号转换为数字信号(步骤S87)；其中，当图像系统3运作于强环境光下时，被累积的差分信号的数目较高而当图像系统3运作于弱环境光下时，被累积的差分信号的数目较低，藉以增加信噪比(SNR)。
请同时参照图4-6及8所示，接着说明所述运作方法的实施方式。
步骤S81：首先，时序控制器35(或处理器39)于重置阶段(reset phase)发出重置信号S1控制三个重置开关SWres导通。因此，第一储存电容Con、第二储存电容Coff及光电二极管31(或BJT电晶体的射极，若包含所述BJT电晶体)分别经由所述多个重置开关SWres耦接至电源端VDD。所述电源端VDD提供电流，以分别充电所述第一储存电容Con及所述第二储存电容Coff至第一预设电位Vinton及第二预设电位Vintoff，并重置所述光电二极管31。
步骤S82：所述时序控制器35发出第一光开关信号S21控制第一光开关SWshuton，以相对系统光源40点亮时(例如以光源信号S4点亮)控制所述光电二极管31的第一曝光时间(例如T2-T3)，以使所述第一储存电容Con经由BJT电晶体33或光电二极管31放电至第一输出电压OUTon；其中，所述第一输出电压OUTon根据所述光电二极管31的受光量决定。
步骤S83：所述时序控制器35发出第二光开关信号S31控制第二光开关SWshutoff，以相对所述系统光源40熄灭时控制所述光电二极管31的第二曝光时间(例如T4-T5)，以使所述第二储存电容Coff经由所述BJT电晶体33或光电二极管31放电至第二输出电压OUToff；其中，所述第二输出电压OUToff系根据所述光电二极管31的受光量决定。
步骤S84：所述时序控制器35接着发出读取信号Sr控制第一读取开关SWron导通，以使所述第一储存电容Con经由所述第一读取开关SWron输出所述第一输出电压OUTon至读取线Rd1。如前所述，为了无损耗地将所述第一储存电容Con上的所述第一输出电压OUTon缓冲至所述读取线Rd1，第一源极随耦器SFon连接于所述第一读取开关SWron与所述第一储存电容Con间。
步骤S85：同时，所述时序控制器35发出所述读取信号Sr控制第二读取开关SWroff导通，以使所述第二储存电容Coff经由所述第二读取开关SWroff输出所述第二输出电压OUToff至读取线Rd2。同理，为了无损耗地将所述第二储存电容Coff上的所述第二输出电压OUToff缓冲至所述读取线Rd2，第二源极随耦器SFoff连接于所述第二读取开关SWroff与所述第二储存电容Coff之间。
必须说明的是，虽然图5显示所述读取信号Sr同步导通所述第一读取开关SWron及所述第二读取开关SWroff(也即图8中步骤S84及S85可合并为同一步骤)以同时读出所述第一读取开关SWron及所述第二输出电压OUToff，然而本发明并不以此为限。某些实施例中，所述读取信号Sr也可不同步地分别导通所述第一读取开关SWron及所述第二读取开关SWroff，只要耦接于读取线后的积分器37能够对所述第一输出电压OUTon及所述第二输出电压OUToff进行差分、放大及积分(或累积)运算即可，例如可包含一延迟电路或包含储存元件。
步骤S86：接着，所述积分器37通过读取线(例如Rd1、Rd2)接收所述第一输出电压OUTon及所述第二输出电压OUToff，并对所述第一输出电压OUTon及所述第二输出电压OUToff进行差分运算以产生一对差分信号TAP及TAN。所述积分器37还对所述第一输出电压OUTon及所述第二输出电压OUToff的差分信号TAP及TAN进行放大及积分/累积等运算以产生放大及累积差分信号TAP及TAN，例如NP×G×(TAP-TAN)，其中，本发明中NP可调整。
步骤S87：最后，模拟数字转换器38将所述放大及累积差分信号转换为数字信号Sd；其中，所述数字信号Sd被输出至处理器39进行后处理，例如近接检测或手势判断等。
必须说明的是，图5仅用以显示各信号的时序关系，而信号的持续期间及间隔时间并不限于图5所示者。
必须说明的是，虽然上述各实施例中以差分模拟数字转换器为例来说明，然而本发明并不以此为限。差分模拟数字转换器具有可降低噪声的优点而得到较精确的检测结果。其他实施例中，可使用具有单一输入端的模拟数字转换器，此时所述积分器可仅将所述对差分信号或所述积分后差分信号其中之一(例如TAP或TAN)输出至所述单一输入端即可。
综上所述，已知BJT像素电路无法有效消除环境光的影响。尤其应用于近接感测器时，已知BJT像素电路于强环境光下可能无法正常操作。因此，本发明另提供一种双极结晶体管像素电路(图4)及具有所述像素电路的图像系统及其运作方法(图8)，其于模拟前端即已消除环境光的影响。本实施例中，光源点亮时的第一输出电压与光源熄灭时的第二输出电压间的差异通过使用积分器累积被增加了。所述积分器用以累积至少一部分像素电路的差分信号，以适用于强光环境下的近接感测器及手势识别系统。
虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，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)

1.一种双极结晶体管像素电路，用以相对光源信号产生电压信号，所述光源信号包含点灯准位及熄灯准位，所述像素电路包含：
光电二极管；
第一光开关，用以根据第一光开关信号相对所述点灯准位控制所述光电二极管的第一曝光时间；
第二光开关，用以根据第二光开关信号相对所述熄灯准位控制所述光电二极管的第二曝光时间；
第一储存电容，具有通过所述第一光开关耦接所述光电二极管的第一端及耦接接地端的第二端，所述第一储存电容用以于所述第一曝光时间前保存第一预设电位并于所述第一曝光时间内经由所述光电二极管放电至第一输出电压；以及
第二储存电容，具有通过所述第二光开关耦接所述光电二极管的第一端及耦接所述接地端的第二端，所述第二储存电容用以于所述第二曝光时间前保存第二预设电位并于所述第二曝光时间内经由所述光电二极管放电至第二输出电压。
2.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述像素电路还包含两重置开关用以根据重置信号耦接所述第一储存电容及所述第二储存电容至电源端，以分别充电所述第一储存电容及所述第二储存电容至所述第一预设电位及所述第二预设电位。
3.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述像素电路还包含重置开关，该重置开关用以根据重置信号耦接所述光电二极管至电源端，以释放电荷。
4.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述像素电路还包含第一读取开关，所述第一读取开关用以根据读取信号将所述第一储存电容耦接至读取线，以输出所述第一输出电压。
5.根据权利要求4所述的像素电路，其中所述像素电路还包含第一源极随耦器，该第一源极随耦器具有耦接所述第一储存电容的所述第一端的闸极、通过所述第一读取开关耦接所述读取线的源极以及耦接所述电源端的汲极。
6.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述像素电路还包含第二读取开关，所述第二读取开关用以根据读取信号将所述第二储存电容耦接至读取线，以输出所述第二输出电压。
7.根据权利要求6所述的像素电路，其中所述像素电路还包含第二源极随耦器，该第二源极随耦器具有耦接所述第二储存电容的所述第一端的闸极、通过所述第二读取开关耦接所述读取线的源极以及耦接所述电源端的汲极。
8.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述光电二极管内建于双极结晶体管。
9.一种图像系统，该图像系统包含：
系统光源；以及
图像感测器，所述图像感测器包含：
多个像素电路，每一所述多个像素电路包含：
光电二极管；
第一光开关，用以根据第一光开关信号相对所述系统光源点亮时控制所述光电二极管的第一曝光时间；
第二光开关，用以根据第二光开关信号相对所述系统光源熄灭时控制所述光电二极管的第二曝光时间；
第一储存电容，具有通过所述第一光开关耦接所述光电二极管的第一端及耦接接地端的第二端，所述第一储存电容用以于所述第一曝光时间前保存第一预设电位并于所述第一曝光时间内经由所述光电二极管放电至第一输出电压；及
第二储存电容，具有通过所述第二光开关耦接所述光电二极管的第一端及耦接所述接地端的第二端，所述第二储存电容用以于所述第二曝光时间前保存第二预设电位并于所述第二曝光时间内经由所述光电二极管放电至第二输出电压；及
积分器，用以将每一所述多个像素电路输出的所述第一输出电压及所述第二输出电压进行差分运算以相对每一所述多个像素电路产生一对差分信号。
10.根据权利要求9所述的图像系统，其中所述积分器还用以累积多个像素电路的所述一对差分信号以产生累积差分信号。
11.根据权利要求10所述的图像系统，其中所述图像感测器还包含模拟数字转换器，用以将所述累积差分信号转换为数字信号。
12.根据权利要求9所述的图像系统，其中每一所述多个像素电路还包含两重置开关，用以根据重置信号耦接所述第一储存电容及所述第二储存电容至电源端，以分别充电所述第一储存电容及所述第二储存电容至所述第一预设电位及所述第二预设电位。
13.根据权利要求9所述的图像系统，其中每一所述多个像素电路还包含第一读取开关，所述第一读取开关用以根据读取信号将所述第一储存电容耦接至读取线，以输出所述第一输出电压。
14.根据权利要求13所述的图像系统，其中每一所述多个像素电路还包含第一源极随耦器，该第一源极随耦器具有耦接所述第一储存电容的所述第一端的闸极、通过所述第一读取开关耦接所述读取线的源极以及耦接所述电源端的汲极。
15.根据权利要求9所述的图像系统，其中每一所述多个像素电路还包含第二读取开关，所述第二读取开关用以根据读取信号将所述第二储存电容耦接至读取线，以输出所述第二输出电压。
16.根据权利要求15所述的图像系统，其中每一所述多个像素电路还包含第二源极随耦器，该第二源极随耦器具有耦接所述第二储存电容的所述第一端的闸极、通过所述第二读取开关耦接所述读取线的源极以及耦接所述电源端的汲极。
17.一种图像系统的运作方法，所述图像系统包含系统光源及图像感测器，所述图像感测器包含积分器以及多个像素电路，每一所述多个像素电路包含光电二极管、第一光开关、第二光开关、第一储存电容、第二储存电容、第一读取开关以及第二读取开关，所述运作方法包含：
以第一光开关信号控制所述第一光开关，以相对所述系统光源点亮时控制所述光电二极管的第一曝光时间以使所述第一储存电容放电至第一输出电压；
以第二光开关信号控制所述第二光开关，以相对所述系统光源熄灭时控制所述光电二极管的第二曝光时间以使所述第二储存电容放电至第二输出电压；
以读取信号控制所述第一读取开关及所述第二读取开关，以同时读出所述第一输出电压及所述第二输出电压；以及
以所述积分器对所述第一输出电压及所述第二输出电压进行差分运算以产生一对差分信号。
18.根据权利要求17所述的运作方法，该运作方法还包含：
以所述积分器累积所述一对差分信号以产生累积差分信号。
19.根据权利要求18所述的运作方法，该运作方法还包含：
将所述累积差分信号转换为数字信号。
20.根据权利要求17所述的运作方法，其中每一所述多个像素电路还包含两重置开关，所述运作方法还包含：
以重置信号控制所述两重置开关，以使所述第一储存电容及所述第二储存电容经由所述两重置开关耦接至电源端，以分别充电所述第一储存电容及所述第二储存电容至预设电位。
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