CN107278329A - 像素传感单元及图像撷取装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种像素传感单元，应用于一图像撷取装置，所述像素传感单元对应于一感光面积，并输出对应所述像素传感单元的一像素值。所述像素传感单元包括多个子像素传感单元，用来输出多个子像素值，其中所述多个子像素传感单元对应于多个子感光面积，所述多个子感光面积的一总和为所述感光面积；以及一整合单元，用来根据所述多个子像素值，输出对应所述像素传感单元的所述像素值。

Description

像素传感单元及图像撷取装置
技术领域
本申请涉及一种像素传感单元及图像撷取装置，尤其涉及一种具有高图像撷取质量的像素传感单元及图像撷取装置。
背景技术
互补式金氧半图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)已广泛的应用于具有摄影功能的电子装置以及数字摄影装置中。一般而言，图像传感器包括一像素传感数组，像素传感数组由排列成一数组的多个像素传感单元所组成，像素传感单元包括如感光二极管(PhotoDiode)或感光晶体管(Photo Transistor)等感光元件以及转换电路，而像素传感单元的光灵敏度(Sensitivity)相关于/正比于感光元件的感光面积。以包含感光二极管的像素传感单元为例，感光二极管受光后将其所产生的电荷储存于感光二极管的电位阱(PotentialWell)中，并藉由由晶体管组成的转换电路，将感光二极管所产生的电荷转换成电位信号，该电位信号即为对应于该像素传感单元的像素值，而像素传感单元的光灵敏度相关于感光二极管于电路布局(Layout)中的面积。
为了使图像传感器具有特定的感光效果，像素传感单元需具有特定的感光面积。现有技术中，每一像素传感单元仅包含单一感光元件，换句话说，像素传感单元中唯一的感光元件需达到像素传感单元所需的感光面积，然而，对大面积的感光元件来说，其(电位阱)中的电荷不容易完全地被转换电路倒出来，而造成感光元件中留下残留电荷，而造成数字摄影装置产生不必要残影。因此，现有技术实有改进的必要。
发明内容
因此，本申请的主要目的即在于提供一种具有高图像撷取质量的像素传感单元及图像撷取装置，以改善现有技术的缺点。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种像素传感单元，应用于一图像撷取装置，所述像素传感单元对应于一感光面积，并输出对应所述像素传感单元的一像素值。所述像素传感单元包括多个子像素传感单元，用来输出多个子像素值，其中所述多个子像素传感单元对应于多个子感光面积，所述多个子感光面积的一总和为所述感光面积；以及一整合单元，用来根据所述多个子像素值，输出对应所述像素传感单元的所述像素值。
例如，所述多个子像素传感单元中每一子像素传感单元包括一感光元件，所述感光元件于电路布局的一面积为所述多个子感光面积中一子感光面积。
例如，所述多个子像素传感单元中每一子像素传感单元包括一转换电路，所述转换电路包括复数个晶体管，所述转换电路用来将所述感光元件因光照而形成的电荷转换成所述多个子像素值的一子像素值。
例如，所述整合单元对所述多个子像素值进行一平均运算，以输出所述像素值为所述多个子像素值的一平均值。
例如，所述整合单元对所述多个子像素值进行一相加运算，以输出所述像素值为所述多个子像素值的一相加结果。
例如，所述整合单元输出所述像素值为所述多个子像素值中一子像素值。
例如，所述多个子感光面积均等平分所述感光面积。
本申请提供了一种像素传感单元，包括多个像素传感单元，排列成一数组，用来输出多个像素值，所述多个像素传感单元中一像素传感单元对应于一感光面积，并输出所述多个像素值中对应所述像素传感单元的一像素值，所述像素传感单元包括多个子像素传感单元，用来输出多个子像素值(Sub-Pixel Value)，其中所述多个子像素传感单元对应于多个子感光面积，所述多个子感光面积的一总和为所述感光面积；以及一整合单元，用来根据所述多个子像素值，输出对应所述像素传感单元的所述像素值；以及一模数转换单元，耦接于所述多个像素传感单元。
本申请利用像素传感单元中占用较小电路布局面积的感光元件，降低储存于感光元件中残存的电荷，可达到与现有像素传感单元相同的光灵敏度，并可具有提升信杂比以及避免光路互扰的优点。
附图说明
图1为本申请实施例一图像撷取装置的示意图。
图2为本申请实施例一像素传感单元的电路图。
图3为图2的像素传感单元的电路布局图。
图4为现有一像素传感单元的电路图。
图5为图4像素传感单元的电路布局图。
图6为本申请实施例多个像素传感单元的的示意图。
图7为现有多个像素传感单元的的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参考图1，图1为本申请实施例一图像撷取装置(Image Capturing Device)10的示意图。图像撷取装置10可为具有摄影功能的手机、平板计算机等电子装置，或是如数字摄影机、数字照相机、数字监视器等数字图像撷取装置。图像撷取装置10用来撷取一图像(Image)IMG，其包括多个像素传感单元12以及一模数转换单元14，多个像素传感单元12排列成一数组，用来输出该图像的多个像素值(Pixel Value)PXV，其中，一个像素传感单元12输出一个像素值PXV，另外，像素传感单元12可为互补式金氧半图像传感器(CMOS ImageSensor，CIS)或是感光耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)，而不在此限，只要像素传感单元12接受光线照设且输出其所对应的像素值PXV，皆满足本申请的要求。模数转换单元14耦接于多个像素传感单元12，用来将模拟的像素值PXV转换成数字信号，供后端信号处理模块(未绘示于图1)进行图像处理。另外，为了使图像撷取装置10具有特定的光灵敏度，每一个像素传感单元12(中的感光元件)需具有一感光面积Ar。
更进一步地，请参考图2，图2为本申请实施例多个像素传感单元12中一像素传感单元12_x的电路图，像素传感单元12_x可用来实现多个像素传感单元12中任一像素传感单元，且像素传感单元12_x中的感光元件需具有感光面积Ar(其细节详述于后)。如图2及图3所示，像素传感单元12_x包括多个子像素传感单元120_a、120_b、120_c、120_d以及一整合单元122，子像素传感单元120_a、120_b、120_c、120_d分别输出子像素值(Sub-PixelValue)VP_a、VP_b、VP_c、VP_d，而整合单元122耦接于子像素传感单元120_a、120_b、120_c、120_d，用来将子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d整合成为对应于像素传感单元12_x的像素值PXV_x。
以子像素传感单元120_a为例，子像素传感单元120_a包括一感光元件PD_sub以及一转换电路TC_sub，感光元件PD_sub可为一感光二极管(Photo Diode)，感光元件PD_sub接受光照而产生电荷，并将因光照而产生的电荷储存于感光元件PD_sub的电位阱(PotentialWell)中。转换电路TC_sub耦接于感光元件PD_sub中，其包括晶体管T1～T4，转换电路TC_sub用来将感光元件PD_sub因光照而产生的电荷倾倒出来，并据以转换成子像素值VP_a。而子像素传感单元120_b、120_c、120_d的电路结构及运作原理与子像素传感单元120_a相同，故于此不再赘述。
请参考图3，图3为本申请实施例像素传感单元12_x中子像素传感单元120_a、120_b、120_c、120_d的电路布局(Layout)图，图3中绘示有感光元件区域Z_PD_sub以及转换电路区域Z_TC_sub，感光元件区域Z_PD_sub代表感光元件PD_sub所占用的电路布局区域，而转换电路区域Z_TC_sub代表转换电路TC_sub所占用的电路布局区域。需注意的是，子像素传感单元120_a、120_b、120_c、120_d中感光元件区域Z_PD_sub(即感光元件PD_sub)于电路布局中所占用的面积分别为子感光面积Ar_sub_a、Ar_sub_b、Ar_sub_c、Ar_sub_d，而子感光面积Ar_sub_a、Ar_sub_b、Ar_sub_c、Ar_sub_d的一总和为像素传感单元12_x(或像素传感单元12)需具有的感光面积Ar。举例来说，若像素传感单元12需具有的感光面积Ar为50×50μm2，子像素传感单元120_a、120_b、120_c、120_d的子感光面积Ar_sub_a、Ar_sub_b、Ar_sub_c、Ar_sub_d可皆为25×25μm2(即子感光面积皆为Ar/4)，言下之意，子感光面积Ar_sub_a、Ar_sub_b、Ar_sub_c、Ar_sub_d均等平分(Equally Divide)感光面积Ar。另外，整合单元122可对子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d进行一相加运算，以输出像素值PXV_x为子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d的一相加结果，即整合单元122可输出像素值PXV_x为PXV_x＝VP_a+VP_b+VP_c+VP_d。如此一来，像素传感单元12_x可达到对应于感光面积Ar的光灵敏度，同时可解决现有技术中，储存于感光元件的电荷不容易完全地被倾倒出来的问题。
相较之下，请参考图4及图5，图4及图5分别为现有一像素传感单元42_x的电路图及电路布局图，像素传感单元42_x用来输出对应于像素传感单元42_x的像素值PXV_x，其像素传感单元42_x包括一感光元件PD以及一转换电路TC，像素传感单元42_x的电路结构及运作原理与子像素传感单元120_a相同，故于此不再赘述。与子像素传感单元120_a不同的是，为了达到相同的感光效果，像素传感单元42_x中感光元件PD于电路布局中所占用的面积为感光面积Ar，即感光元件区域Z_PD于电路布局中的面积为感光面积Ar。也就是说，因感光元件PD为占用较大的电路布局面积的感光元件(相较于子像素传感单元120_a中的感光元件PD_sub)，储存于具有大面积感光元件PD的电荷不容易完全地被转换电路TC倾倒出来。相较于像素传感单元12_x，像素传感单元42_x中的感光元件PD中易留下残留电荷，而造成其所在的数字摄影/电子装置产生不必要的残影。
简言之，像素传感单元12_x利用占用较小电路布局面积的感光元件PD_sub，降低储存于感光元件PD_sub中残存的电荷，以消除不必要的残影，并利用多个包含小面积感光元件PD_sub(其面积小于感光面积Ar)的子像素传感单元120_a、120_b、120_c、120_d，使得子感光面积Ar_sub_a、Ar_sub_b、Ar_sub_c、Ar_sub_d的总和为感光面积Ar，而达到与现有像素传感单元42相同的光灵敏度。如此一来，即可提升图像撷取装置10撷取图像IMG的质量。
需注意的是，前述实施例为用以说明本申请之概念，本领域具通常知识者当可据以做不同的修饰，而不限于此。举例来说，为了提升对应于像素值PXV_x的一信杂比(Signal-to-Noise Ratio)，整合单元122亦可对子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d进行进行一平均运算，以输出像素值PXV_x为子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d的一平均值，即输出像素值PXV_x为PXV_x＝(VP_a+VP_b+VP_c+VP_d)/4，由于子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d中的噪声成份彼此之间不相关，当像素值PXV_x为子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d的平均值时，于子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d中的噪声可互相抵消，进而提升对应于像素值PXV_x的信杂比。例如，在整合单元122对子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d进行进行平均运算的情况下，子感光面积Ar_sub_a、Ar_sub_b、Ar_sub_c、Ar_sub_d均等平分感光面积Ar。
另外，为了避免光路之间的互扰(Crosstalk)，整合单元122可输出像素值PXV_x为子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d的其中一子像素值。详细来说，请参考图6及图7，图6为本申请多个像素传感单元12_x的示意图，图7为习知多个像素传感单元42_x的示意图。一般而言，多个像素传感单元12_x及多个像素传感单元42_x之上分别设置有准直器(Collimator)60以及准直器70，准直器60及准直器70分别用来将光线投射至像素传感单元12_x及像素传感单元42_x。为了方面说明，图6仅绘示二维像素传感单元数组的单一维度，即图6仅绘示像素传感单元12_x中的子像素传感单元120_a、120_b。需注意的是，像素传感单元42_x与准直器70之间并非完美地对齐(Perfectly Aligned)，而使不同像素传感单元42_x之间具有光路互扰。相较之下，即使像素传感单元12_x与准直器60之间并未完美地对齐，整合单元122可输出像素值PXV_x为子像素值VP_a，进而降低不同像素传感单元12_x之间的光路互扰，以解决现有技术中，因像素传感单元42_x与准直器70之间非完美地对齐而造成的光路互扰问题。例如，在整合单元122输出像素值PXV_x为子像素值VP_a、VP_b、VP_c、VP_d的其中一子像素值的情况下，子感光面积Ar_sub_a、Ar_sub_b、Ar_sub_c、Ar_sub_d均等平分感光面积Ar。
另外，感光元件PD_sub不限于为感光二极管，感光元件PD_sub亦可为感光敏晶体管(Photo Transistor)，只要感光元件PD_sub于电路布局中的多个子感光面积的总和为对应于光灵敏度的感光面积Ar，即满足本申请的要求而属于本申请的范畴。另外，像素传感单元不限于包括四个子像素传感单元，像素传感单元可包含多个子像素传感单元，且多个子像素传感单元的多个子感光面积不限于均等平分感光面积Ar，只要多个子感光面积的总和为感光面积Ar，即满足本申请的要求而属于本申请的范畴。
综上所述，本申请利用像素传感单元中占用较小电路布局面积的感光元件，降低储存于感光元件中残存的电荷，以消除不必要的残影，并利用多个子像素传感单元，使其子感光面积的总和为对应特定光灵敏度的感光面积，而达到与现有(具有大面积感光元件的)像素传感单元相同的光灵敏度，进而提升图像撷取装置撷取图像的质量。另外，本申请可具有提升信杂比以及避免光路互扰的优点。
以上所述仅为本申请的部分实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种像素传感单元，应用于一图像撷取装置，所述像素传感单元对应于一感光面积，并输出对应所述像素传感单元的一像素值，其中，所述像素传感单元包括：
多个子像素传感单元，用来输出多个子像素值，其中所述多个子像素传感单元对应于多个子感光面积，所述多个子感光面积的一总和为所述感光面积；以及
一整合单元，用来根据所述多个子像素值，输出对应所述像素传感单元的所述像素值。
2.如权利要求1所述的像素传感单元，其中，所述多个子像素传感单元中每一子像素传感单元包括一感光元件，所述感光元件于电路布局的一面积为所述多个子感光面积中一子感光面积。
3.如权利要求2所述的像素传感单元，其中，所述多个子像素传感单元中每一子像素传感单元包括一转换电路，所述转换电路包括复数个晶体管，所述转换电路用来将所述感光元件因光照而形成的电荷转换成所述多个子像素值的一子像素值。
4.如权利要求1所述的像素传感单元，其中，所述整合单元对所述多个子像素值进行一平均运算，以输出所述像素值为所述多个子像素值的一平均值。
5.如权利要求1所述的像素传感单元，其中，所述整合单元对所述多个子像素值进行一相加运算，以输出所述像素值为所述多个子像素值的一相加结果。
6.如权利要求1所述的像素传感单元，其中，所述整合单元输出所述像素值为所述多个子像素值中一子像素值。
7.如权利要求1所述的像素传感单元，其中，所述多个子感光面积均等平分所述感光面积。
8.一种图像撷取装置，其中，包括：
多个像素传感单元，排列成一数组，用来输出多个像素值，所述多个像素传感单元中一像素传感单元对应于一感光面积，并输出所述多个像素值中对应所述像素传感单元的一像素值，所述像素传感单元包括：
多个子像素传感单元，用来输出多个子像素值(Sub-Pixel Value)，其中所述多个子像素传感单元对应于多个子感光面积，所述多个子感光面积的一总和为所述感光面积；以及
一整合单元，用来根据所述多个子像素值，输出对应所述像素传感单元的所述像素值；以及
一模数转换单元，耦接于所述多个像素传感单元。
9.如权利要求8所述的图像撷取装置，其中，所述多个子像素传感单元中每一子像素传感单元包括一感光元件，所述感光元件于电路布局的一面积为所述多个子感光面积中一子感光面积。
10.如权利要求9所述的图像撷取装置，其中，所述多个子像素传感单元中每一子像素传感单元包括一转换电路，所述转换电路包括复数个晶体管，所述转换电路用来将所述感光元件因光照而形成的电荷转换成所述多个子像素值的一子像素值。
11.如权利要求8所述的图像撷取装置，其中，所述整合单元对所述多个子像素值进行一平均运算，以输出所述像素值为所述多个子像素值的一平均值。
12.如权利要求8所述的图像撷取装置，其中，所述整合单元对所述多个子像素值进行一相加运算，以输出所述像素值为所述多个子像素值的一相加结果。
13.如权利要求8所述的图像撷取装置，其中，所述整合单元输出所述像素值为所述多个子像素值中一子像素值。
14.如权利要求8所述的图像撷取装置，其中，所述多个子感光面积均等平分所述感光面积。
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